Tech Issue 01 - 실내공기 내 부유 미세먼지의 침적방지 기술
Tech Issue 01은 공공기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 안호상 연구위원
한국건설기술연구원 국민생활연구본부
최근 들어 미세먼지는 우리의 일상생활을 지배할 만큼 심각한 사회적 이슈가 되었다.
하루의 시작을 그날의 미세먼지 농도를 확인하며 외출을 할 것인지 말 것인지 결정하거나, 마스크 등의 개인보호장구를 챙기는 일도 어느덧 익숙한 풍경이 되어버렸다.
이러한 미세먼지 문제는 그 원인만 해도 국내에서 발생하는 것인지, 중국 등 해외에서 유입되는 것인지에 대한 논쟁이 분분한 실정이며, 이를 규명하기 위한 환경부, 산업통상자원부(이하 산자부) 등 각 정부 부처의 노력과 미세먼지 범부처 프로젝트 사업단과 같이 연구를 통해 해결하려는 노력이 동시에 진행되고 있다.
또한 미세먼지로 인해 대부분의 사람이 하루 중 80~90%의 시간을 소비하는 사무실, 가정, 학교 등 실내공간에서의 공기 질을 관리하는 것은 우리 일상의 삶의 질을 결정하는 중요한 척도로 자리매김하게 되었다.
이러한 실내공기질(IAQ, Indoor Air Quality)에 대한 관심이 증가한 배경에는 구조상 실내공기질 관리가 어려운 건물 또는 지하상가 등의 활용도 증가, 환기 등의 방식으로 순환되던 외부 대기질 악화, 건축물 내부 자재의 기능향상 및 내부 장식화를 위한 복합 화학물질의 사용, 건물 단열을 위한 밀폐화 및 에너지 절감 시스템 설치의 증가 등이 있다.
이에 따라 실내공기질을 유지하면서도 건물의 에너지 손실을 최소화하기 위한 관련 기술이 개발되고 있다. 그중 일부가 상품화되어 공기청정기와 자연환기형 창호, 열 교환기가 탑재된 환기시설 등으로 우리 일상생활에서 접할 수 있게 되었다.
우리나라는 실내공기질 관리와 관련해 지난 2003년 ‘다중이용시설 등의 실내공기질 관리법’의 개정으로 실내공기질 관리를 위한 법적 기반을 마련하였고, 최근에는 실내공기질 관리를 위한 중장기 종합계획(2009~2013년)으로 실내공기질 관리 기본계획을 수립하여 대상물질을 10가지 항목으로 규정하였고 적용 대상을 지하역사, 지하상가, 의료기관 등을 포함한 17개 시설군으로 확대함으로써 경제활동이 활발한 다중이용시설의 실내공기 쾌적화를 증진하고자 노력하였으며, 실내공기질 관리 기본계획(2015~2019년)을 기반으로 실내오염물질 발생원별 기여도와 이에 따른 인체위해도를 예측하고자 노력하고 있다.
이와 같은 다중이용시설의 실내공기질 오염을 제어하는 주된 방법으로는 온도, 습도, 환기, 통풍 조절 등의 시스템적인 방법과 내부 오염원 또는 외부로부터 유입된 입자상 및 가스상 오염물질, 부유성 미생물 등을 제어하는 요소기술 방법이 있다.
오염원에 따라서 공조시스템에 의한 자연통풍으로 오염물질을 제거할 수 있지만 자연통풍으로 제거할 수 없는 경우도 있다.
이에 국내 공기청정기 시장은 더욱 확장되고 있으며 필수 가전제품으로 굳혀지는 추세다.
실내공기질 오염물질 제어 기술은 크게 여과, 흡착, 분해의 방식으로 나눌 수 있는데, 본 연구팀은 가정에서 공기청정기 등의 환기시설 가동 시 실내공기 내 미세먼지의 총량을 효과적으로 감소시키는 데 도움이 될 수 있는 기술을 개발했다.
해당 기술은 유전영동력을 이용한 먼지 침전방지 기술로서, 표면으로 침전되는 먼지를 적은 양의 전압을 3상으로 공급하여 전기적인 힘으로 유전영동력을 형성시키고 전하(Electric Charge)를 갖게 되는 미세먼지를 표면으로부터 부상시켜 침전을 방지하는 기술이다.
미세먼지는 경제활동이 지속되는 시간 동안에는 계속하여 발생하고 부유, 침전 및 재비산되는 과정을 거친다.
침전으로 거동이 안정화된 먼지는 청소와 같은 외부의 물리적인 힘으로 제거될 수 있으나 다중 이용시설 및 실내 생활공간에는 먼지가 쌓이기 쉽지만 청소로 제거되기 힘든 공간이 존재하며, 이는 지속해서 미세먼지가 제거되지 않고 축적되어 농도가 증가하게 된다.
이러한 먼지들은 인위적인 청소를 통해 제거할 경우 그 과정에서 고농도의 먼지가 재비산하고 이때 일부 먼지들이 인체에 흡입되어 호흡기 건강에 악영향을 미치게 된다.
실내공기질을 오염시키는 물질 중 하나인 미세먼지는 다양한 오염물질이 모여진 복합체로서 입경의 크기에 따라 0.1~2.5㎛의 미세입자, 0.1㎛ 이하의 극미세입자 등으로 분류된다.
최근 들어 미세먼지 크기의 미세화에 따라 호흡기 침투 및 배출이 어렵고, 발생원에 따라 유기탄화수소, 질산염, 황산염, 중금속 등의 성분이 포함된 미세먼지가 급격히 증가하고 있어 이로 인한 인체위해성은 심각하다고 볼 수 있다.
따라서 이러한 미세먼지를 최소한 실내공간에서 만이라도 최대한 제거하여 인체가 노출되는 가능성을 최소화하는 것이 가장 중요하며, 본 기술이 이러한 노력에 기여할 수 있다고 판단된다.
본 기술이 실내공간의 먼지 제거 사각지대에 설치되어 작동할 경우, 저전력으로도 오염물질 제거율을 향상시켜 실내공기질 개선에 기여할 수 있고, 먼지 제거를 위한 시설비, 인건비 등 비용을 절약할 수 있어 경제적으로도 이익을 가져다줄 수 있다.
이러한 먼지 침적방지 기술은 본래 미국 NASA의 달 탐사 프로젝트와 관련된 연구에서 시작되었다.
그림 2에서 보는 바와 같이 달 복제토에서 직경 20㎛ 이하의 입자들이 먼지 침적방지 장치(Dust Shield) 위에 쌓여있다가 전류를 흘려주면 외부로 떨어져 나가는 것을 볼 수 있다.
이러한 현상을 적용하여 달 탐사에서 기술적인 난제 중 하나인 달 먼지가 탐사장비 표면에 달라붙는 현상을 극복하여 탐사장비의 신뢰성 및 내구성 확보에 기여할 수 있었다.
이 실험은 달 지상 환경 조건이었기에 진공상태에서 수행되었고 달 복제토의 주성분이 현무암 성분을 기반으로 개발된 JSC-1A를 활용하였고 달 먼지와 유사한 특성을 구현한 상태에서 이뤄진 실험이라는 점에서 다르지만, 본 연구의 모태가 된 실험이다.
두 번째로는 좀 더 본 연구에서 추구하는 목표인 미세먼지의 침적방지라는 점에서 유사한 연구 결과이다.
그림 3에서 보는 바와 같이 미 플로리다대학 연구진은 태양광 패널의 문제 중 하나인 표면 먼지 침적에 따른 태양광 발전효율 감소와 지속적인 유지관리 문제를 획기적으로 개선하기 위한 연구를 수행하였다.
그 결과 전자기 파장 형태의 전극을 0.5~10㎐ 사이에서 가변하여 전극 사이의 간격을 변화시키면서 최적의 전극 간 간격차를 구하고 이를 통해 먼지가 외부로 이동되게끔 하는 방식으로, 셀프클리닝 기능을 실험적으로 구현하였다.
이는 본 연구에서 수행한 방식과 원리 면에서 유사하나 주된 시공 장소인 사막에서의 먼지 특성과 태양광 패널의 특성상 일정한 기울기로 설치되어 중력의 영향 값이 다르다는 점이 본 연구에서 얻은 결과와 다르다고 볼 수 있다.
하지만 본 연구에서 행해진 결과가 한국에 설치된 태양광 패널의 셀프클리닝 기술로 확대·적용도 가능하다는 점을 보여주는 단적인 예시이기도 하다.
앞서 언급된 사례에서처럼 이론과 실험으로 검증된 먼지 침적방지 기술은 실내공기 내 미세먼지 침적방지를 위한 연구를 통해 본 연구원에서 최초로 수행되었으며 그림 4와 그림 5에서 보는 바와 같이 각각 시뮬레이션 결과와 기초실험 결과로 그 가능성을 확인할 수 있었다.
그림 4에서 보는 바와 같이 DEM(Discrete Element Method) 방식으로 입자의 거동을 분석한 결과 전기장의 크기, 전극 간격, 주파수의 크기에 따라 최적의 침적방지 결과를 도출할 수 있었으며, 실험적으로도 유사한 결과를 얻을 수 있는 것을 그림 5에서 보는 바와 같이 확인할 수 있었다.
미세먼지가 우리 일상에서 반드시 해결해야 하는 문제가 된 지금, 환경부, 산자부, 국토교통부 등 범부처 차원에서 다각적인 해결책을 모색하고 있으며, 대학과 출연연 등 연구기관에서 다양한 방법으로 원인물질 규명, 이동관측, 거동예측, 저감, 확산방지 등의 기술을 개발하고 있다.
이러한 상황에서 본 기술이 국민의 삶의 질을 개선하고 나아가 국민의 생명까지도 위협하는 미세먼지 저감에 조금이라도 도움이 되는 기술로써 활용되었으면 하는 바람이며, 실내공기뿐만 아니라, 도로, 내연기관, 발전소, 중국발 미세먼지 등 다양한 오염원에 대응하는 기술과 연계되어 후손들이 맑은 공기를 마실 수 있는 환경을 물려주는 데 조금이나마 도움이 되었으면 하는 바이다.