HOCl 세정과 오존화 오일 윤활을 통합한 치과 핸드피스 비열적 재처리 기술의 성능 분석 = Performance analysis of a nonthermal reprocessing technology integrating HOCl cleaning and ozonized paraffin oil lubrication for dental handpieces

국문 초록 (Abstract)

치과용 핸드피스는 소형 볼베어링 시스템을 탑재한 고속 정밀 회전 기구로서, 엄격한 감염관리와 장기간의 기계적 내구성이 동시에 확보되어야 하는 고위험 의료기기로 분류된다. 그러나 표준 멸균법으로 널리 사용되는 고압증기멸균(autoclave)은 이러한 미세 회전체에 적용될 경우, 고유의 구조적 한계를 지닌다. 즉, 자체적인 세정 기능의 부재, 복잡한 내강(lumen) 내부의 잔류 수분, 베어링 및 실링 부품에 가해지는 열·압력 스트레스, 윤활제의 열적 열화, 금속 표면 부식 가속 등이 구조적 열화와 수명 단축을 초래할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 연구는 (1) 고농도 차아염소산수(HOCl, 30–60 ppm)에 의한 산화 세정·살균, (2) 내부 건조 및 반응 촉진을 위한 가열공기 플러싱(hot-air flushing), (3) 초박막 윤활·방청 피막 형성을 위한 파라핀계 오존화오일을 통합한 재처리 공정을 제안하였다. 제안된 HOCl–Air–Ozonized Paraffin Oil 시스템은 약 120 ± 10 s 이내의 단일 사이클에서 세정, 고준위 소독, 건조, 윤활, 부식 방지, 내구성 향상을 동시에 달성하도록 설계되었다.
고속 에어터빈 핸드피스는 세 군으로 나누어 평가하였다: A군(autoclave 단독, 대조군), B군(HOCl 처리 단독), C군(HOCl–가열공기–파라핀계 오존화오일 복합공정). 단백질, 점액, 혈액, 무기 입자로 구성된 인공 오염 모델을 이용하여 잔류 단백질을 정량함으로써 세정 성능을 평가한 결과, C군의 잔류 단백질량은 3.8 μg/cm²로, A군(42.5 μg/cm²) 대비 약 91% 감소하였고, B군(12.3 μg/cm²)보다도 유의하게 낮았다(p < 0.001). 살균효과는 Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Candida albicans를 대상으로 평가하였으며, C군은 평균 5.6-log(99.999%)의 감소율을 보여 고준위 소독 기준(≥4-log reduction)을 상회하였다.
핸드피스 내부 잔류수는 Karl Fischer 적정으로 측정하였다. C군의 잔류 수분량은 핸드피스 당 0.007 mg으로 사실상 무수 상태에 해당하였으며, A군과 B군은 각각 3.25 mg, 0.84 mg으로 나타났다. 이러한 거의 완전한 건조 상태는 이후 고압증기멸균 과정에서 발생하는 기계적 손상의 주요 원인을 제거할 수 있을 것으로 기대된다. 표면 및 윤활 특성은 SEM, EDS, XPS, 타원계측(ellipsometry)을 통해 분석하였다. C군에서는 베어링 레이스 및 금속 표면에 약 82 ± 11 nm 두께의 파라핀계 오존화오일 유래 초박막 윤활·방청 피막이 관찰되었다. 마찰 토크는 C군에서 A군 및 B군 대비 각각 49%, 32% 감소하였으며, 150회 처리 사이클 후 회전속도 유지율은 C군 96.7%, A군 81.3%, B군 90.4%로 나타났다. 소음 증가는 C군(+4.3 dB)이 A군(+10.3 dB), B군(+5.7 dB)에 비해 가장 적었다.
부식 및 표면 열화는 염수 분무 시험, 표면 조도 측정, 색차 분석을 통해 평가하였다. C군은 0–5 점 척도에서 부식 점수 0.8로 가장 낮은 부식도를 보였고, 표면 조도 역시 Ra 0.29 μm 수준을 유지하였다. 반면 A군은 심한 피팅(pitting)과 조도 증가를 보였으며(부식 점수 4.3, Ra 0.68 μm), 이를 통해 파라핀계 오존화오일 피막이 반복된 공정 하에서도 산화·부식을 효과적으로 억제하면서 안정적인 윤활을 유지하는 장벽 역할을 함을 확인할 수 있었다.
결론적으로, 본 연구에서 제안한 고농도 HOCl–가열공기–파라핀계 오존화오일 복합공정은 기존 autoclave 단독 멸균이 가지는 구조적 한계를 근본적으로 보완하고, 치과용 핸드피스의 감염관리 신뢰성과 기계적 내구성을 동시에 유의하게 향상시킨다. 특히, 현행 임상에서 요구되는 고압증기멸균을 완전히 대체하기보다는, 본 공정을 autoclave 이전의 전처리 및 보완 기술로 적용할 경우, 멸균 효과를 강화하면서도 멸균 과정에 따른 손상을 최소화하는 “이중 보호(double-protection)” 효과를 제공할 수 있다. 따라서 HOCl–Air–Ozonized Paraffin Oil 공정은 치과용 핸드피스의 표준화된 유지관리 및 고준위 소독을 위한 차세대 플랫폼으로 활용될 잠재력을 지닌 것으로 평가된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Dental handpieces are high-speed precision rotary devices equipped with miniature ball-bearing systems and are classified as high-risk medical devices that require both stringent infection control and long-term mechanical durability. However, when standard steam sterilization (autoclaving) is applied to such micro-rotors, it presents inherent structural limitations—namely, the absence of an intrinsic cleaning step, residual moisture within complex lumens, thermal/pressure stress on bearings and seals, thermal degradation of lubricants, and accelerated corrosion of metallic surfaces—each of which can cause structural deterioration and shorten service life.
To address these issues, this study proposes a reprocessing protocol that integrates: (1) oxidative cleaning/disinfection using high-concentration hypochlorous acid (HOCl, 30–60 ppm); (2) hot-air flushing to promote internal drying and reactions; and (3) formation of an ultrathin lubricating/anti-corrosive film using ozonized paraffin oil. The proposed HOCl–Air–Ozonized Paraffin Oil system is designed to achieve cleaning, high-level disinfection, drying, lubrication, corrosion protection, and durability enhancement within a single cycle of 120 ± 10 s.
High-speed air-turbine handpieces were divided into three groups: Group A (autoclave only; control), Group B (HOCl only), and Group C (integrated HOCl–hot-air–ozonized paraffin oil). Cleaning performance, evaluated by quantifying residual protein after applying an artificial soil (protein, mucus, blood, inorganic particulates), showed 3.8 μg/cm² in Group C—approximately 91% lower than Group A (42.5 μg/cm²) and significantly lower than Group B (12.3 μg/cm²; p < 0.001). Microbicidal efficacy against Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, and Candida albicans averaged 5.6-log10 (99.999%) reduction in Group C, exceeding the criterion for high-level disinfection (≥ 4-log10 reduction).
Residual moisture inside the handpieces, measured by Karl Fischer titration, was 0.007 mg/handpiece in Group C—practically anhydrous—while Groups A and B showed 3.25 mg and 0.84 mg, respectively. This near-complete dryness is expected to eliminate a principal cause of mechanical damage during subsequent autoclaving. Surface and lubrication characteristics (SEM, EDS, XPS, ellipsometry) revealed an ultrathin film (82 ± 11 nm) derived from ozonized paraffin oil on bearing races and metallic surfaces in Group C. Frictional torque decreased by 49% and 32% versus Groups A and B, respectively; after 150 processing cycles, speed retention was 96.7% (C), 81.3% (A), and 90.4% (B). Acoustic increase was lowest in Group C (+4.3 dB) compared with Group A (+10.3 dB) and Group B (+5.7 dB).
Corrosion and surface degradation, evaluated by salt-spray testing, surface roughness, and colorimetric analysis, showed that Group C had the lowest corrosion rating (0.8 on a 0–5 scale) and maintained Ra 0.29 μm. In contrast, Group A exhibited severe pitting and increased roughness (corrosion 4.3/5; Ra 0.68 μm), confirming that the ozonized-paraffin-oil film acts as a durable barrier that suppresses oxidation/corrosion while maintaining stable lubrication under repeated processing.
Conclusion: The integrated HOCl–hot-air–ozonized paraffin oil process fundamentally compensates for the structural limitations of autoclave-only sterilization and significantly improves both infection-control reliability and mechanical durability of dental handpieces. Rather than replacing autoclaving mandated in current clinical practice, applying this protocol as a pre-autoclave pretreatment/adjunct can provide double-protection—enhancing sterilization efficacy while minimizing autoclave-induced damage. Thus, the HOCl–Air–Ozonized Paraffin Oil process shows strong potential as a next-generation platform for standardized maintenance and high-level disinfection of dental handpieces.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 필요성 및 국내외 관리 동향 2
• 1.3 연구 목적 3
• 1.4 연구 범위 및 제한점 3
• 1.5 연구 가설 4
• 1.6 논문 구성 5
• 제2장 이론적 배경 7
• 2.1 치과 감염관리와 멸균·소독의 개요 7
• 2.2 치과용 핸드피스의 구조와 재료 특성 8
• 2.2.1 치과용 핸드피스의 주요 구성요소 9
• 2.2.2 재료 특성과 열·마찰 환경 10
• 2.2.3 구조적 특성이 감염관리 및 윤활 공정에 미치는 영향 13
• 2.3 핸드피스 멸균 및 내구성 저하 기전의 이론적 배경 15
• 2.3.1 멸균 후 오염 제거 및 미생물 생존 특성 16
• 2.3.2 Autoclave 반복 멸균에 따른 회전 성능 변화 특성과 기전 16
• 2.3.3 베어링·레이스·오일실 등 핵심 부품의 재료학적 열화 기전 18
• 2.3.4 내구성 감소와 고장모드(Failure mode)의 특성 22
• 2.3.5 기존 연구의 한계와 연구 공백(research gap) 23
• 2.3.6 기존 이론·연구와 본 연구의 연계성 25
• 2.4 Autoclave 멸균 공정의 원리와 감염관리 성과 25
• 2.4.1 Autoclave의 열역학적 작동 원리 26
• 2.4.2 증기 침투 및 미생물 사멸 기전 27
• 2.4.3 멸균력 및 감염관리 성과의 이론적 배경 28
• 2.5 대체 멸균 기술(H₂O₂ Plasma, EO Gas, UV, Ozone 등)의 비교와 한계 28
• 2.5.1 H₂O₂ Plasma 멸균의 원리와 이론 30
• 2.5.2 EO Gas(에틸렌옥사이드) 멸균의 원리 31
• 2.5.3 UV(자외선) 살균의 원리와 이론 32
• 2.5.4 Ozone(O₃) 멸균의 원리 32
• 2.6 주요 해외 가이드라인에서의 치과용 핸드피스 관리 프로세스 33
• 2.6.1 미국의 관리 기준(CDC Guidelines, ADA Recommendations) 34
• 2.6.2 유럽의 관리 기준(ISO 7494-2, EN 13060, HTM 01-05) 35
• 2.6.3 일본의 관리 기준(JIS T 7306, JDA Guidelines) 36
• 2.6.4 중국의 관리 기준 및 실행 현황 36
• 2.7 고농도 HOCl–가열공기–오존화오일 핸드피스 복합공정시스템의 이론적 배경 38
• 제3장 실험장치 및 실험방법 41
• 3.1 실험 개요 및 설계 전략 41
• 3.1.1 연구 가설 및 실험 목표 41
• 3.1.2 실험 변수 및 평가 지표 43
• 3.1.3 실험 설계 개요 (Experimental Design Overview) 49
• 3.2 실험 장치 구성(기계·배관·제어 구조) 53
• 3.2.1 전체 시스템 개요 54
• 3.2.2 유체 이송 및 배관 구조 55
• 3.2.3 가열공기 및 윤활 모듈의 기계적 구조 56
• 3.2.4 제어 및 계측 구조 58
• 3.2.5 안전장치 및 인터록 구조 62
• 3.3 통합 HOCl–Air–오존화 오일 시스템 구성 63
• 3.4 실험 재료 및 시편 준비 65
• 3.4.1 실험 재료 65
• 3.4.2 시편(핸드피스 및 부품) 준비 66
• 3.5 실험 방법 (Experimental Methods) 67
• 3.5.1 통합 HOCl–Air–오존화 오일 시스템 운전 조건 세팅 67
• 3.5.2 센서 계측 및 캘리브레이션 72
• 3.5.3 핸드피스 오염(Contamination) 공정 표준화 73
• 3.5.4 세정–건조–윤활 공정 실험 프로토콜 74
• 3.5.5 핸드피스 분해 및 마모 부품 시편 수집 절차 76
• 3.5.6 살균효율(CFU) 평가 프로토콜 81
• 3.5.7 마모·내구성 평가 94
• 3.5.8 소음 평가 프로토콜 95
• 3.5.9 데이터 처리 및 통계 분석 96
• 3.6 고농도 HOCl 및 오존화 오일의 특성 및 검증 97
• 3.6.1 고농도 HOCl 제제 개요 및 제조 조건 97
• 3.6.2 고농도 HOCl의 물리·화학적 특성 및 이론적 정당성 97
• 3.6.3 오존화 파라핀 오일의 물성 및 구조 분석 방법 100
• 3.6.4 오존화 오일의 기초 살균력 평가 방법 104
• 제4장 결과 및 고찰 107
• 4.1 제어 시스템의 구성 개요 (System Configuration Overview) 107
• 4.1.1 시스템 설계 107
• 4.1.2 운전 안정성 및 제어정밀도 평가 108
• 4.1.3 시스템 작동 이미지 및 동작사이클 109
• 4.2 핸드피스의 회전 RPM 및 수명시험 결과 110
• 4.2.1 회전속도(RPM) 변화 분석 110
• 4.2.2 회전 소음 변화 111
• 4.2.3 내구성(마모율) 시험 결과 113
• 4.3 공정별 성능 비교 및 종합 평가 117
• 4.3.1 고농도HOCl 살균효율 비교 117
• 4.3.2 오존파라핀 오일의 물성 및 분석 결과 125
• 4.3.3 오존화오일의 살균력 132
• 4.3.4 Biological indicator를 이용한 멸균력 평가 결과 140
• 4.3.5 오존화 시간·침적 시간에 따른 멸균력 143
• 4.3.6 오존화 오일의 Streptococcus mutans 살균력 평가 144
• 4.3.6.1 오존화 오일의 Streptococcus mutans실험 개요 144
• 4.3.7 오존화 오일 75F와 150F 제형의 살균력 비교 148
• 4.4 건조효율 및 내부 청정성 평가 150
• 4.5 윤활성능 및 피막 지속성 평가 153
• 4.6 핸드피스에 대한 복합공정의 성능지수 (Composite Performance Index) 157
• 4.7 고농도 HOCl 세척과 오존화오일 복합공정의 최적조건 도출 159
• 4.7.1 HOCl 농도(ppm)–성능지수 변화 160
• 4.7.2 오존화오일 점도–도포량–성능 상호작용 161
• 4.7.3 건조시간-향균 지속성 관계 162
• 4.8 변수 설정 및 실험 결과 163
• 4.8.1 변수 설정 및 실험 설계 163
• 4.8.2 HOCl 농도에 따른 살균효율 결과 163
• 4.9 세정 시간 및 운전 변수에 따른 오염 제거·건조·윤활 성능 165
• 4.9.1 세정 시간에 따른 오염 제거율 165
• 4.9.2 가열공기 온도에 따른 건조 효율 166
• 4.9.3 오존화오일 주입량에 따른 윤활성 변화 169
• 4.9.4 인자 간 상호작용 및 기여도 분석 171
• 4.10 최적공정 조건도출 174
• 4.11 복합공정의 최적 조건 (Revised & Enhanced Version) 178
• 4.12 핸드피스의 관리적합성에 관한 비용과 시간의 효율성 179
• 4.13 관리 프로세스 비교 181
• 4.14 내구성 개선에 따른 간접비용 절감 182
• 4.15 실무적 관리적합성 평가 183
• 제5장 결론 및 제언 186
• 5.1 연구 요약 186
• 5.2 정량적 결론(주요 성과) 187
• 5.3 학술적·실무적 기여 189
• 5.4 한계 190
• 5.5 향후 연구 192
• 5.6 종합 결론 193
• 참고문헌 195
• ABSTRACT 205