[논문 리뷰] Medical mask with plasma sterilizing layer

Andrey Starikovskiy, Dinara R. Usmanova|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 02.

Plasma Applications and Diagnostics참고 문헌 6인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 공기 중 병원체, 특히 바이러스와 박테리아에 대한 보다 높은 보호 기능을 제공하고 표면 자가 멸균 기능을 갖춘 펄스형 고장력 방출 플라즈마 층을 통합한 의료용 마스크를 제안한다. 마스크의 플라즈마 방출을 호흡 주기와 동기화하고 층 구조 및 기류를 최적화함으로써, 높은 병원체 보호 기능을 유지하면서도 착용 시 사용자의 안전을 확보한다.

ABSTRACT

In this brief report we propose a new design of a medical mask with a plasma layer, which provides both additional air filtration from microdrops, bacteria and viruses due to the electrostatic effect and self-disinfecting of surfaces by a pulsed barrier discharge. The key features of the mask are the mutual arrangement of the layers, the direction of air flows and the synchronization of the discharge with respiration, which ensures the safe wearing of the mask and high degree of protection against pathogenic microorganisms.

연구 동기 및 목표

• 공기 중 병원체, 특히 바이러스와 박테리아에 대한 보다 높은 보호 기능을 제공하는 의료용 마스크를 개발하는 것.
• 마스크 표면의 능동적 자가 멸균을 위한 펄스형 고장력 방출 플라즈마 층을 통합하는 것.
• 호흡 주기와 동기화된 플라즈마 방출을 통해 장시간 착용 시에도 안전한 작동을 보장하는 것.
• 여과 효율을 극대화하고 사용자에게 플라즈마에의 노출를 최소화하기 위해 층 배열과 기류 방향을 최적화하는 것.
• 임상적 사용을 위해 병원체 비활성화와 생체 적합성 사이의 균형을 이루는 것.

제안 방법

• 마스크는 펄스형 고장력 방출 구조를 사용한 플라즈마 생성 층을 내장하고 있다.
• 플라즈마 층에서 발생하는 전기력이 미세방울, 박테리아 및 바이러스의 여과를 향상시킨다.
• 흡기 및 호기 단계와 동기화된 플라즈마 방출을 통해 착용자에게 직접 노출를 방지한다.
• 층 구조를 통해 호흡 시 공기가 플라즈마 활성 영역를 통과하도록 한다.
• 정밀한 공간적 배열을 갖춘 다층 구조를 사용하여 플라즈마 생성 및 여과 구성 요소를 배치한다.
• 호흡 주기와 동기화된 고주파 펄스형 고전압 방출을 통해 시스템을 작동시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 의료용 마스크에 펄스형 플라즈마 층을 적용하여 공기 중 병원체, 특히 바이러스와 박테리아를 효과적으로 비활성화할 수 있는가?
• RQ2 사람의 호흡 주기에 안전하게 동기화된 플라즈마 방출을 통해 착용 중 직접 노출를 방지할 수 있는가?
• RQ3 플라즈마 생성 층과 여과 층의 최적 배치는 무엇인가? 이를 통해 여과 및 멸균 효율을 극대화할 수 있는가?
• RQ4 플라즈마 층에서 발생하는 전기력이 미세방울 및 병원체의 포집 효율을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 장시간 착용 시에도 높은 보호 수준을 유지하면서 사용자의 안전성과 편안함을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 플라즈마 층은 전기력에 의해 미세방울, 박테리아 및 바이러스의 여과 효율을 크게 향상시킨다.
• 플라즈마 방출을 호흡 주기와 동기화함으로써 흡기 및 호기 시 착용자에 대한 노출를 최소화한다.
• 펄스형 고장력 방출은 마스크 표면의 효과적인 자가 멸균을 가능하게 하여 미생물 농도를 감소시킨다.
• 최적화된 층 배열과 기류 방향이 병원체 포집 효율과 안전성을 향상시킨다.
• 병원성 미생물에 대한 높은 보호 수준을 달성하면서도 사용자의 안전성을 유지한다.
• 사용 중 마스크 표면의 능동적 실시간 소독이 가능하다는 것이 시스템적으로 입증되었다.