미세먼지 측정 및 저감 기술 개발 동향
2018-11-29
org.kosen.entty.User@740b8cae
김영재(ykim445)
1. 개요
한국도 겨울이 접어들면서 연일 미세먼지와 관련된 뉴스가 보도되고 있으며, 마스크 착용이 일상화 되면서 맑은 하늘을 보기 어려운 날이 많아지면서 국민들의 건강을 위협받고 있다. 세계 보건 기구(World Health Organization)에 따르면 전 세계 인구의 92% 정도가 공기 오염으로 인해서 피해를 입고 있다고 한다. 중국의 대기질과 관련한 사망자수가 2012년 1,032,833명 이었으며 미국은 38,043명 이라고 보고하고 있다[1]. 인도의 경우 약 13억의 인구 중에서 6억명 이상이 대기 환경 기준(National Ambient Air Quality Standard: NAAQS)가 평균보다 나쁜 지역에 거주하고 있다고 한다[2]. 한국도 예외는 아니며, 매년 14,000명 정도가 추가적으로 대기 오염 때문에 사망한다고 한다. 미세먼지의 심각성은 굳이 다시 강조하지 않아도 될 거 같다. 이러한 대기 오염으로 인한 경제적인 손실은 만만치 않으며, 국민 보건에도 악영향을 미칠 뿐만 아니라 노동 생산성 저하로까지 이어진다.
이에 (초)미세먼지로 인한 환경성 질환에 대한 연구들이 많이 진행되어 왔다. 각종 기관지염, 천식 등의 호흡기 질환과 같은 질병이 쉽게 노출될 수 있으며, 미세먼지는 폐에 쌓이고 다른 장기에도 침투하는 등 인체의 면역력을 약화시키며 암의 원인이 되기도 한다. 특히, 영·유아 및 노약자에게는 치명적이며 이는 앞서 언급한 공기 오염으로 인한 사망률 중에서 많은 부분을 차지한다.
이와 관련하여 정부 및 지자체 차원에서 미세 먼지가 주로 발생하는 도심 일부 지역에 노후된 차량의 운행을 제한하는 정책을 추진하기도 한다. 또한 차량의 미세 먼지 처리 성능에 따라서 인증표를 발급하고 차량에 이를 부착하도록 할 수도 있다. 또한 미세먼지 비상 저감조치 대책의 일환으로 미세먼지가 심각한 날에는 공공기관 뿐만 아니라 민간기업도 차량 2부제 시행을 강제토록 하는 방안을 지자체별로 시행을 고려 중이다. 한 연구 결과에 따르면 자동차 2부제 운행이 미세 먼지 감축에 미치는 영향에 있어서 대기의 흐름이 원활한 계절에는 그 효과가 그리 크지 않을 수도 있다는 것을 발견하였다. 그러나 대기 중에 오랫동안 머물러 있는 미세먼지 입자 특성상 대기가 정체되어 있는 겨울에는 상당한 효과를 볼 수 있다고 한다[3]. 이와 더불어 정부의 정책적 노력에는 미세 먼지를 보다 정확하게 측정할 수 있는 장비 및 저감할 수 있는 기술 개발이 선행되어야 한다. 본 보고서에서는 미세 먼지 센서 기술 및 저감 신기술에 대해서 보다 자세히 살펴 보고자 한다.
2. 미세먼지 측정 기술
미세 먼지(Particulate Matter 10)는 입자의 직경이 10 µm 이하인 먼지 입자를, 초미세먼지(Particulate Matter 2.5)는 입자의 직경이 2.5 µm 이하인 먼지 입자를 의미한다. 이와 관련한 미세 먼지 및 CO, O3, NO2, No와 같은 유해한 물질을 감지하는 기술의 종류부터 살펴 보기로 한다. 미세 먼지 센서 기술과 관련된 최근 연구 트렌드를 보면, 미세 먼지 및 유해 오염 물질을 보다 효과적으로 감소시키면서 제품의 가격은 낮추는 방향으로 연구들이 진행되고 있다. 우리의 실생활과 밀접한 연관이 있는 기술을 상용화함으로써 소비자들이 쉽게 구매할 수 있도록 가격 경쟁력을 유지하는 방향으로 연구가 이루어짐을 알 수 있다.
2.1.미세 먼지 센서
대기 중의 미세 먼지는 다양한 방법을 통해서 측정할 수 있다. 필터 방식의 미세 먼지 중량 측정 방식, 베타 감쇠법, 광학적 방법 등이 이에 해당한다. 이 중에서 광학적 방식이 지금까지 가장 저렴한 방식으로 알려져 왔다. 기기의 비용이 다른 방식에 비해서 상대적으로 저렴한 편이고, 전력 소모가 적으며 반응 속도가 빠른 편이어서 주로 사용되어 왔다. 광학 기술의 원리를 간단히 살펴 보면[4], 이 기술에서는 광선이 기기로부터 나와서 대기 중에 있는 미세 먼지를 빛이 발산하는 정도를 Photometer를 통해서 측정하게 된다. 0.3 µm보다 큰 입자인 경우, 빛이 퍼지는 정도가 입자의 농도에 비례한다. 하지만 0.3 µm보다 작은 입자인 경우, 빛이 충분히 퍼지지 않아서 광학적 방식으로는 측정이 어려운 편이다. 그래서 발산한 빛을 분포를 분석하거나 필터를 부착하는 간접적인 방식을 활용하여 작은 입자의 경우 측정률을 높이고 있다. 아래의 테이블에서 Sharp DN7C3CA006 제품만이 초미세먼지를 감지할 수 있는 기능이 있으며, 혹은 보완 방법을 통하여 기존의 제품으로 미세 먼지를 우회적으로 측정하게 된다.
2.2.가스(Gas) 센서
가스 센서의 구동 원리는 미세 먼지 측정기의 구동 원리와 크게 다르지 않다. 가스를 측정하기 위해서는 크게 두 가지 종류의 비용이 저렴한 센서가 존재한다. 메탈 옥사이드(Metal-oxide-semiconductor) 반도체 센서와 전기 화학적(Electrochemical) 센서가 그것에 해당한다.
첫째, 메탈 옥사이드(MOS) 가스 센서는 감지하고자 하는 가스에 노출 되었을 경우 메탈 옥사이드의 화학적 특성이 변화하는 것을 활용하여 가스를 감지하는 기술이다. 휘발성 유기 화합물 및 혼합 가스 탐지를 할 수 있으며, 독창적인 알고리즘을 바탕으로 CO2 레벨 변화가 가능하다. MOS 센서는 높은 감도와 안정성을 가지고 있으며, 작은 입자도 감별이 가능하다. 반응 속도도 빠른 것이 특징이며, 가볍고, 가격대도 저렴한 편이라서 실생활에 적용이 많이 되고 있으며, 공기 청정기, 기상대, 전자레인지, 오븐 레인지 후드 등에 광범위하게 활용되고 있다.
둘째, 전기 화학적 센서는 전압전류법을 이용하여 센서에 형성된 생물막의 정략적 측정을 통해서 가스의 존재 여부를 판별하는 기술이다. MOS 센서에 비해서 상대적으로 작은 입자의 가스를 감지할 수 있지만, 기기의 부피가 크고 가격이 조금 더 비싼 것이 단점이다. 하지만 메탈 옥사이드 가스 센서보다 성능이 대체적으로 우수한 편이다.
3. 미세 먼지 저감 기술
앞에서는 미세먼지 측정 기술에 대해서 살펴 보았다면, 이번 세션에서는 미세 먼지 저감 기술에 대해서 살펴 보기로 하자. 실외 PM 2.5 농도를 단기간에 쉽게 줄이기는 어렵기 때문에 공간이 한정되어 있는 실내 PM2.5 농도를 줄이는 노력은 거주자들의 건강을 위해서 아주 중요한 일이다. 본 보고서에서는 주로 실내 PM 2.5 농도를 줄일 수 있는 5 가지 기술에 대해서 살펴 보기로 하자.
3.1. 공기 필터
많은 연구자들은 공기 필터를 활용하여 실내의 미세 먼지를 줄이는 노력을 기울이고 있다. Cao et al. 는 다양한 실내 필터의 조합과 기존의 공조 설비를 통해서 가장 효과가 높은 실내 필터와 공조 설비 조합을 찾아 내었다. 또한 기존의 설비와 가장 큰 시너지를 낼 수 있는 공기 필터를 찾기 위한 노력은 지속적으로 이루어지고 있다.
앞에서 언급한 기존의 공기 필터를 활용한 연구 뿐만 아니라 새로운 소재를 이용하여 필터를 만들려고 하는 노력도 꾸준히 이어지고 있다. Zhao et al는 electrospun Polyvinylidene Fluoride Fiber (PVDF)를 음극 파우더(Negative ion powders)를 첨가한 후 흡착율이 99.9%까지 향상되는 것을 발견하였다. Zhang et al. 는 High-thermal-stability polyimide nanofibers 를 활용하여 성능이 높은 공기 필터를 제작하여 실외에서 자동차 배기 가스와 같이 높은 온도에서 나오는 PM2.5까지도 99.5%까지 걸러내는 것으로 확인되었다. 또 다른 연구 결과는 창문에 공기 필터를 직접 부착하여 소비자들이 적은 비용으로도 공기 청정기와 같은 효과를 누릴 수 있도록 만들기도 한다. 물론 이러한 실험 결과들은 이상적인 실험 환경에서 나온 측정 결과로써 실제 우리가 살아가는 환경에서는 실험결과보다 못한 낮은 수치가 나올 수 있다는 것은 인식할 필요가 있다.
안개가 자욱하게 끼인 도심의 출퇴근길에, 그 속에 함께 포함되어 있어 눈에 보이지 않는 미세 먼지를 걱정하지 않을 수 없다. 자동차 에어컨 필터에도 PM 2.5를 걸려 낼 수 있는 기능이 포함되어야만 한다. 가정 뿐만 아니라 많은 시간을 자동차 안에서 출·퇴근할 때 보내는 현대인들의 건강을 위해서도 이러한 정책은 수반되어야 한다. 이에 Midea, Haier, Panasonic, Gree, KELON 같은 회사들은 관련 제품 기술개발에 박차를 가하고 있다. 표3에서 대표적인 회사의 제품들에 대해서 보다 자세히 살펴 보기로 하자. 에너지 등급까지 함께 표기하여 에너지 효율 제품여부도 판별해 볼 수 있도록 하였다. PM 2.5 제거 효과가 가장 큰 제품은 표에서 알 수 있듯이 Haier와 KELON 제품이다[5].
3.2. 중력 침강실
중력 설정기는 오염된 기체를 유입시킨 긴 챔버에 오염된 가스가 천천히 지나가면서 먼지입자들이 중력에 의해 바닥에 가라앉게 만든다. 이 장치는 큰 입자(직경 75μm보다 큼)에만 사용될 수 있으며, 사실 대부분의 매우 낮은 단자의 입자 정착속도는 대기 오염 분야에서 발생하는 중력 침강실의 유용성을 제한한다. 횡단면적(WH)은 접근하는 덕트보다 훨씬 크게 되고, 챔버 내부의 선형 기체의 속도가 입구 덕트의 선형 기체 속도보다 낮기 때문에 순조롭게 미세먼지의 착지가 가능해진다. 이러한 장비는 정기적으로 수동식 청소를 해야 하지만, 설계와 시공은 비교적 간단하다. 그러나 지난 30년 동안 걸쳐 엄격한 통제 요구사항들이 채택되면서 이 유형의 수집기 사용이 급격히 감소했다. 하지만, 이러한 장치들은 여전히 야금 산업의 매우 더러운 가스들을 처리하는데 어느 정도는 유용하다.
3.3.원심 분리기
원심분리기는 원심력을 이용하여 먼지 입자를 채취 표면으로 유도하는 기계적 수집기이다. 일반적으로 기체의 흐름은 사이클론 방식으로 회전해야 한다. 입자의 질량은 그들이 사이클론 자체 벽쪽으로 이동한 다음, 사이클론의 호퍼에 정착하게 한다. 청소된 공기는 사이클론에서 회전하여 밖으로 나온다. 기계식 수집기의 주요 유형은 대형 직경의 사이클론과 소형 직경의 멀티 사이클론이 있다.
3.4. 미세먼지 습식 스크러버
스크러버라는 용어는 원래 액체 방울에 미세한 입자를 모으는 장치를 설명하기 위해 사용되었다. 이 용어는 오늘날 더 일반적인 의미를 가지고 있다. 사실, 아황산가스 방출을 제어하기 위해 액체를 사용하는 장치도 스크러버라고 불린다.
스크러버의 기본 개념은 액체를 떨어뜨려 입자들이 서로 닿게 하여 입자가 물방울에 달라붙게 하는 것이다. 따라서 기체 흐름 내에서 많은 양의 액체 방울(일반적으로 수분)을 적절하게 투입해 주어야 한다. 기체와 액체의 혼합물에서 생긴 먼지는 저가 사이클론에서도 쉽게 분리될 수 있으며, 또한 해당 액체는 분리시켜 재활용될 수 있다.
3.5.정전 집진기
정전 집진기의 기본개념은 입자들에 전하를 일으켜 그것들을 수집벽으로 모이게 하여 정전기 파일에 넣는 것이다. 플레이트 2개가 장착된 정전집진기는 비교적 간단한 구성을 나타낸다. 이 구성에서 더러운 기체는 전기적으로 접지된 플레이트 사이를 통과한다. 플레이트 사이에는 와이어 행이 있으며, 일반적으로 전압이 40000V로 고정되어 있습니다. 충전된 와이어와 접지 플레이트의 조합은 자유 전자가 동시에 생성되어 입자와 전자가 플레이트로 충전되도록 한다. 이 먼지 덩어리는 플레이트를 정기적으로 기계 또는 전자기기로 막으면서 제거된다.
4. 결론
위에서 살펴 본 바와 같이 (초)미세 먼지 혹은 대기 중의 유해 물질을 줄이기 위한 일반적으로 활용되는 기술적인 노력들을 살펴 보았다. 위의 기술과 접목된 새로운 기술들이 계속 실험을 통해 개발 중이며, 상용화하기에는 가격경쟁력이 기존의 기술에 비해서 뒤쳐지는 것들도 있다. 앞에서 살펴 본 것들을 간략하게 요약하도록 하자.
PM 2.5 혹은 PM 10을 측정하기 위해서는 저렴한 광학 센서가 존재한다. 기존의 센서들에 비해서 비용도 저렴하고 성능도 정확한 것으로 알려져 있다. 하지만 센서가 주변환경에 따라 다르게 반응 할수도 있기 때문에 측정 초기에 정밀한 캘리브레이션은 필수적으로 이루어져야 할 것이다.
미세 먼지 이외에 다른 가스, O3, NO2, CO, NO를 측정하기 위한 기기의 종류 및 특성에 대해서도 간략하게 살펴 보았다. 크게 MOS 센서와 EC 센서가 존재하며, 미세 먼지 기기와 마찬가지로 측정 초기에 정밀한 캘리브레이션은 선행되어야만 보다 정확한 측정이 가능할 것이다.
대부분의 EC 센서는 MOS센서에 비해서 가격이 비싸지만, EC 센서가 MOS 센서에 비해서 보다 정확한 편이다. 하지만 여러가지 연구 결과를 검토한 결과, EC 센서의 고비용을 상쇄할만큼 EC센서의 성능이 MOS 센서보다 탁월한 지는 아직 의문이 남는다. 결론적으로 O3, NO2, CO 측정시에는 MOS 센서를 추천하는 편이며, NO를 측정 시에는 EC 센서를 추천한다.
또한 에어 필터 관련해서도 많은 실험적인 노력이 꾸준히 이루어져 오고 있다는 것은 요즘같이 미세먼지가 심각한 상황에서 대중들에게도 빠르게 상용화할 수 있는 기술이기 때문에 반가운 소식이 아닐 수 없다. 기존의 기술들을 바탕으로 국내·외 사례들을 참고하여 지속적인 신기술 개발이 필요하며, 민간 및 정부차원에서도 미세먼지 저감을 위한 획기적인 기술이 개발될 수 있도록 정책적, 재정적 지원도 수반되어야 한다.
한국도 겨울이 접어들면서 연일 미세먼지와 관련된 뉴스가 보도되고 있으며, 마스크 착용이 일상화 되면서 맑은 하늘을 보기 어려운 날이 많아지면서 국민들의 건강을 위협받고 있다. 세계 보건 기구(World Health Organization)에 따르면 전 세계 인구의 92% 정도가 공기 오염으로 인해서 피해를 입고 있다고 한다. 중국의 대기질과 관련한 사망자수가 2012년 1,032,833명 이었으며 미국은 38,043명 이라고 보고하고 있다[1]. 인도의 경우 약 13억의 인구 중에서 6억명 이상이 대기 환경 기준(National Ambient Air Quality Standard: NAAQS)가 평균보다 나쁜 지역에 거주하고 있다고 한다[2]. 한국도 예외는 아니며, 매년 14,000명 정도가 추가적으로 대기 오염 때문에 사망한다고 한다. 미세먼지의 심각성은 굳이 다시 강조하지 않아도 될 거 같다. 이러한 대기 오염으로 인한 경제적인 손실은 만만치 않으며, 국민 보건에도 악영향을 미칠 뿐만 아니라 노동 생산성 저하로까지 이어진다.
이에 (초)미세먼지로 인한 환경성 질환에 대한 연구들이 많이 진행되어 왔다. 각종 기관지염, 천식 등의 호흡기 질환과 같은 질병이 쉽게 노출될 수 있으며, 미세먼지는 폐에 쌓이고 다른 장기에도 침투하는 등 인체의 면역력을 약화시키며 암의 원인이 되기도 한다. 특히, 영·유아 및 노약자에게는 치명적이며 이는 앞서 언급한 공기 오염으로 인한 사망률 중에서 많은 부분을 차지한다.
이와 관련하여 정부 및 지자체 차원에서 미세 먼지가 주로 발생하는 도심 일부 지역에 노후된 차량의 운행을 제한하는 정책을 추진하기도 한다. 또한 차량의 미세 먼지 처리 성능에 따라서 인증표를 발급하고 차량에 이를 부착하도록 할 수도 있다. 또한 미세먼지 비상 저감조치 대책의 일환으로 미세먼지가 심각한 날에는 공공기관 뿐만 아니라 민간기업도 차량 2부제 시행을 강제토록 하는 방안을 지자체별로 시행을 고려 중이다. 한 연구 결과에 따르면 자동차 2부제 운행이 미세 먼지 감축에 미치는 영향에 있어서 대기의 흐름이 원활한 계절에는 그 효과가 그리 크지 않을 수도 있다는 것을 발견하였다. 그러나 대기 중에 오랫동안 머물러 있는 미세먼지 입자 특성상 대기가 정체되어 있는 겨울에는 상당한 효과를 볼 수 있다고 한다[3]. 이와 더불어 정부의 정책적 노력에는 미세 먼지를 보다 정확하게 측정할 수 있는 장비 및 저감할 수 있는 기술 개발이 선행되어야 한다. 본 보고서에서는 미세 먼지 센서 기술 및 저감 신기술에 대해서 보다 자세히 살펴 보고자 한다.
2. 미세먼지 측정 기술
미세 먼지(Particulate Matter 10)는 입자의 직경이 10 µm 이하인 먼지 입자를, 초미세먼지(Particulate Matter 2.5)는 입자의 직경이 2.5 µm 이하인 먼지 입자를 의미한다. 이와 관련한 미세 먼지 및 CO, O3, NO2, No와 같은 유해한 물질을 감지하는 기술의 종류부터 살펴 보기로 한다. 미세 먼지 센서 기술과 관련된 최근 연구 트렌드를 보면, 미세 먼지 및 유해 오염 물질을 보다 효과적으로 감소시키면서 제품의 가격은 낮추는 방향으로 연구들이 진행되고 있다. 우리의 실생활과 밀접한 연관이 있는 기술을 상용화함으로써 소비자들이 쉽게 구매할 수 있도록 가격 경쟁력을 유지하는 방향으로 연구가 이루어짐을 알 수 있다.
2.1.미세 먼지 센서
대기 중의 미세 먼지는 다양한 방법을 통해서 측정할 수 있다. 필터 방식의 미세 먼지 중량 측정 방식, 베타 감쇠법, 광학적 방법 등이 이에 해당한다. 이 중에서 광학적 방식이 지금까지 가장 저렴한 방식으로 알려져 왔다. 기기의 비용이 다른 방식에 비해서 상대적으로 저렴한 편이고, 전력 소모가 적으며 반응 속도가 빠른 편이어서 주로 사용되어 왔다. 광학 기술의 원리를 간단히 살펴 보면[4], 이 기술에서는 광선이 기기로부터 나와서 대기 중에 있는 미세 먼지를 빛이 발산하는 정도를 Photometer를 통해서 측정하게 된다. 0.3 µm보다 큰 입자인 경우, 빛이 퍼지는 정도가 입자의 농도에 비례한다. 하지만 0.3 µm보다 작은 입자인 경우, 빛이 충분히 퍼지지 않아서 광학적 방식으로는 측정이 어려운 편이다. 그래서 발산한 빛을 분포를 분석하거나 필터를 부착하는 간접적인 방식을 활용하여 작은 입자의 경우 측정률을 높이고 있다. 아래의 테이블에서 Sharp DN7C3CA006 제품만이 초미세먼지를 감지할 수 있는 기능이 있으며, 혹은 보완 방법을 통하여 기존의 제품으로 미세 먼지를 우회적으로 측정하게 된다.
2.2.가스(Gas) 센서
가스 센서의 구동 원리는 미세 먼지 측정기의 구동 원리와 크게 다르지 않다. 가스를 측정하기 위해서는 크게 두 가지 종류의 비용이 저렴한 센서가 존재한다. 메탈 옥사이드(Metal-oxide-semiconductor) 반도체 센서와 전기 화학적(Electrochemical) 센서가 그것에 해당한다.
첫째, 메탈 옥사이드(MOS) 가스 센서는 감지하고자 하는 가스에 노출 되었을 경우 메탈 옥사이드의 화학적 특성이 변화하는 것을 활용하여 가스를 감지하는 기술이다. 휘발성 유기 화합물 및 혼합 가스 탐지를 할 수 있으며, 독창적인 알고리즘을 바탕으로 CO2 레벨 변화가 가능하다. MOS 센서는 높은 감도와 안정성을 가지고 있으며, 작은 입자도 감별이 가능하다. 반응 속도도 빠른 것이 특징이며, 가볍고, 가격대도 저렴한 편이라서 실생활에 적용이 많이 되고 있으며, 공기 청정기, 기상대, 전자레인지, 오븐 레인지 후드 등에 광범위하게 활용되고 있다.
둘째, 전기 화학적 센서는 전압전류법을 이용하여 센서에 형성된 생물막의 정략적 측정을 통해서 가스의 존재 여부를 판별하는 기술이다. MOS 센서에 비해서 상대적으로 작은 입자의 가스를 감지할 수 있지만, 기기의 부피가 크고 가격이 조금 더 비싼 것이 단점이다. 하지만 메탈 옥사이드 가스 센서보다 성능이 대체적으로 우수한 편이다.
3. 미세 먼지 저감 기술
앞에서는 미세먼지 측정 기술에 대해서 살펴 보았다면, 이번 세션에서는 미세 먼지 저감 기술에 대해서 살펴 보기로 하자. 실외 PM 2.5 농도를 단기간에 쉽게 줄이기는 어렵기 때문에 공간이 한정되어 있는 실내 PM2.5 농도를 줄이는 노력은 거주자들의 건강을 위해서 아주 중요한 일이다. 본 보고서에서는 주로 실내 PM 2.5 농도를 줄일 수 있는 5 가지 기술에 대해서 살펴 보기로 하자.
3.1. 공기 필터
많은 연구자들은 공기 필터를 활용하여 실내의 미세 먼지를 줄이는 노력을 기울이고 있다. Cao et al. 는 다양한 실내 필터의 조합과 기존의 공조 설비를 통해서 가장 효과가 높은 실내 필터와 공조 설비 조합을 찾아 내었다. 또한 기존의 설비와 가장 큰 시너지를 낼 수 있는 공기 필터를 찾기 위한 노력은 지속적으로 이루어지고 있다.
앞에서 언급한 기존의 공기 필터를 활용한 연구 뿐만 아니라 새로운 소재를 이용하여 필터를 만들려고 하는 노력도 꾸준히 이어지고 있다. Zhao et al는 electrospun Polyvinylidene Fluoride Fiber (PVDF)를 음극 파우더(Negative ion powders)를 첨가한 후 흡착율이 99.9%까지 향상되는 것을 발견하였다. Zhang et al. 는 High-thermal-stability polyimide nanofibers 를 활용하여 성능이 높은 공기 필터를 제작하여 실외에서 자동차 배기 가스와 같이 높은 온도에서 나오는 PM2.5까지도 99.5%까지 걸러내는 것으로 확인되었다. 또 다른 연구 결과는 창문에 공기 필터를 직접 부착하여 소비자들이 적은 비용으로도 공기 청정기와 같은 효과를 누릴 수 있도록 만들기도 한다. 물론 이러한 실험 결과들은 이상적인 실험 환경에서 나온 측정 결과로써 실제 우리가 살아가는 환경에서는 실험결과보다 못한 낮은 수치가 나올 수 있다는 것은 인식할 필요가 있다.
안개가 자욱하게 끼인 도심의 출퇴근길에, 그 속에 함께 포함되어 있어 눈에 보이지 않는 미세 먼지를 걱정하지 않을 수 없다. 자동차 에어컨 필터에도 PM 2.5를 걸려 낼 수 있는 기능이 포함되어야만 한다. 가정 뿐만 아니라 많은 시간을 자동차 안에서 출·퇴근할 때 보내는 현대인들의 건강을 위해서도 이러한 정책은 수반되어야 한다. 이에 Midea, Haier, Panasonic, Gree, KELON 같은 회사들은 관련 제품 기술개발에 박차를 가하고 있다. 표3에서 대표적인 회사의 제품들에 대해서 보다 자세히 살펴 보기로 하자. 에너지 등급까지 함께 표기하여 에너지 효율 제품여부도 판별해 볼 수 있도록 하였다. PM 2.5 제거 효과가 가장 큰 제품은 표에서 알 수 있듯이 Haier와 KELON 제품이다[5].
3.2. 중력 침강실
중력 설정기는 오염된 기체를 유입시킨 긴 챔버에 오염된 가스가 천천히 지나가면서 먼지입자들이 중력에 의해 바닥에 가라앉게 만든다. 이 장치는 큰 입자(직경 75μm보다 큼)에만 사용될 수 있으며, 사실 대부분의 매우 낮은 단자의 입자 정착속도는 대기 오염 분야에서 발생하는 중력 침강실의 유용성을 제한한다. 횡단면적(WH)은 접근하는 덕트보다 훨씬 크게 되고, 챔버 내부의 선형 기체의 속도가 입구 덕트의 선형 기체 속도보다 낮기 때문에 순조롭게 미세먼지의 착지가 가능해진다. 이러한 장비는 정기적으로 수동식 청소를 해야 하지만, 설계와 시공은 비교적 간단하다. 그러나 지난 30년 동안 걸쳐 엄격한 통제 요구사항들이 채택되면서 이 유형의 수집기 사용이 급격히 감소했다. 하지만, 이러한 장치들은 여전히 야금 산업의 매우 더러운 가스들을 처리하는데 어느 정도는 유용하다.
3.3.원심 분리기
원심분리기는 원심력을 이용하여 먼지 입자를 채취 표면으로 유도하는 기계적 수집기이다. 일반적으로 기체의 흐름은 사이클론 방식으로 회전해야 한다. 입자의 질량은 그들이 사이클론 자체 벽쪽으로 이동한 다음, 사이클론의 호퍼에 정착하게 한다. 청소된 공기는 사이클론에서 회전하여 밖으로 나온다. 기계식 수집기의 주요 유형은 대형 직경의 사이클론과 소형 직경의 멀티 사이클론이 있다.
3.4. 미세먼지 습식 스크러버
스크러버라는 용어는 원래 액체 방울에 미세한 입자를 모으는 장치를 설명하기 위해 사용되었다. 이 용어는 오늘날 더 일반적인 의미를 가지고 있다. 사실, 아황산가스 방출을 제어하기 위해 액체를 사용하는 장치도 스크러버라고 불린다.
스크러버의 기본 개념은 액체를 떨어뜨려 입자들이 서로 닿게 하여 입자가 물방울에 달라붙게 하는 것이다. 따라서 기체 흐름 내에서 많은 양의 액체 방울(일반적으로 수분)을 적절하게 투입해 주어야 한다. 기체와 액체의 혼합물에서 생긴 먼지는 저가 사이클론에서도 쉽게 분리될 수 있으며, 또한 해당 액체는 분리시켜 재활용될 수 있다.
3.5.정전 집진기
정전 집진기의 기본개념은 입자들에 전하를 일으켜 그것들을 수집벽으로 모이게 하여 정전기 파일에 넣는 것이다. 플레이트 2개가 장착된 정전집진기는 비교적 간단한 구성을 나타낸다. 이 구성에서 더러운 기체는 전기적으로 접지된 플레이트 사이를 통과한다. 플레이트 사이에는 와이어 행이 있으며, 일반적으로 전압이 40000V로 고정되어 있습니다. 충전된 와이어와 접지 플레이트의 조합은 자유 전자가 동시에 생성되어 입자와 전자가 플레이트로 충전되도록 한다. 이 먼지 덩어리는 플레이트를 정기적으로 기계 또는 전자기기로 막으면서 제거된다.
4. 결론
위에서 살펴 본 바와 같이 (초)미세 먼지 혹은 대기 중의 유해 물질을 줄이기 위한 일반적으로 활용되는 기술적인 노력들을 살펴 보았다. 위의 기술과 접목된 새로운 기술들이 계속 실험을 통해 개발 중이며, 상용화하기에는 가격경쟁력이 기존의 기술에 비해서 뒤쳐지는 것들도 있다. 앞에서 살펴 본 것들을 간략하게 요약하도록 하자.
PM 2.5 혹은 PM 10을 측정하기 위해서는 저렴한 광학 센서가 존재한다. 기존의 센서들에 비해서 비용도 저렴하고 성능도 정확한 것으로 알려져 있다. 하지만 센서가 주변환경에 따라 다르게 반응 할수도 있기 때문에 측정 초기에 정밀한 캘리브레이션은 필수적으로 이루어져야 할 것이다.
미세 먼지 이외에 다른 가스, O3, NO2, CO, NO를 측정하기 위한 기기의 종류 및 특성에 대해서도 간략하게 살펴 보았다. 크게 MOS 센서와 EC 센서가 존재하며, 미세 먼지 기기와 마찬가지로 측정 초기에 정밀한 캘리브레이션은 선행되어야만 보다 정확한 측정이 가능할 것이다.
대부분의 EC 센서는 MOS센서에 비해서 가격이 비싸지만, EC 센서가 MOS 센서에 비해서 보다 정확한 편이다. 하지만 여러가지 연구 결과를 검토한 결과, EC 센서의 고비용을 상쇄할만큼 EC센서의 성능이 MOS 센서보다 탁월한 지는 아직 의문이 남는다. 결론적으로 O3, NO2, CO 측정시에는 MOS 센서를 추천하는 편이며, NO를 측정 시에는 EC 센서를 추천한다.
또한 에어 필터 관련해서도 많은 실험적인 노력이 꾸준히 이루어져 오고 있다는 것은 요즘같이 미세먼지가 심각한 상황에서 대중들에게도 빠르게 상용화할 수 있는 기술이기 때문에 반가운 소식이 아닐 수 없다. 기존의 기술들을 바탕으로 국내·외 사례들을 참고하여 지속적인 신기술 개발이 필요하며, 민간 및 정부차원에서도 미세먼지 저감을 위한 획기적인 기술이 개발될 수 있도록 정책적, 재정적 지원도 수반되어야 한다.