한국실내환경학회(회장 김명운) 제20회 연차학술대회에서는 실내공기질(IAQ) 개선을 위한 다양한 필터기술이 소개됐다. 미세먼지 등 집진은 물론 항균‧항바이러스, 유해가스 제거 등이 가능한 필터기술개발 연구가 이뤄지며 환기장치 등 필터를 사용하는 다양한 IAQ관리기기의 기능‧성능향상이 기대된다.

김홍석 LG전자 공기과학연구소 회원은 ‘전기방사 나노섬유 필터 제조 및 공기청정기 적용에 대한 연구’ 발표에서 “최근 코로나19 바이러스와 같은 감염성 바이러스 확산으로 사람들의 실내활동이 증가함에 따라 IAQ에 대한 관심이 높아지고 있다”라며 “오염입자를 걸러주는 핵심부품인 필터는 집진효율이 높고 압력손실이 낮아야 실내공기를 빠르게 적용할 수 있다”고 강조했다.

이어 “나노섬유필터는 섬유직경이 작아질수록 섬유 비표면적이 증가해 집진효율을 높일 수 있다는 특성을 활용할 수 있으며 Slip Effect(미끄럼 영향)로 원단 압력손실이 급격히 감소하는 구간이 있어 원단성능이 향상된다”라며 “섬유직경 100nm 이하 나노섬유 생산기술인 용융블로잉, 원심방사, 전기방사 등 중 전기방사법이 가장 양산가능성이 높다”고 밝혔다.

LG전자가 수행한 연구에서 섬유직경에 영향을 주는 전기장, 폴리머 농도, 용액 점도, 공급 유량, 온‧습도 방사환경을 최적화한 뒤 기계적 강도 및 연신율(늘어나는 성질)이 우수한 PES(Polyethersulfone) 소재를 적용해 100nm 이하 나노섬유를 제작했다. 또한 다양한 직경의 섬유를 생산하고 각 직경별로 적층해 다층구조 필터원단을 제작했다.

성능시험결과 나노섬유필터는 일반적인 공기청정기에 적용되는 PTFE 소재 원단에 비해 집진효율을 판단하는 기준인 필터성능지수(QF)가 147%에 이르는 것으로 나타났다. 또한 압력손실이 저감됨에 따라 동일소음 기준으로 풍량이 증가해 CADR(Clean Air Deliverty Rate)가 121%에 이른 것으로 측정됐다.

김홍석 회원은 “먼지(Dust)와 연기(Smoke) 입자에 대한 CADR 측정 결과 PTFE 필터대비 먼지 117%, 연기 124%, 평균 121% 수준에 도달했다”라며 “또한 필터 코스트도 기존 PTFE 필터에 비해 70% 수준에 불과해 고객가치 향상에 도움이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

정성훈 한국재료연구원 나노표면재료연구본부 회원은 ‘이온빔 비손상‧고밀착 표면처리 기술을 활용한 항균‧항바이러스 구리필터’ 연구발표에서 “최근 코로나19 펜데믹 등 이슈로 유해입자에 대한 단순한 물리적 차단을 더해 유해인자를 직접적으로 제거하고자 하는 요구가 높아지고 있다”라며 “플라즈마, 자외선, 오존 등 유해인자를 제거하는 방법은 다양하지만 이러한 방법들은 전기가 필수적이라는 단점이 있으며 인체에 노출 시 해를 끼칠 수 있으므로 이를 방지하는 수단이 동반됨에 따라 가격상승을 야기한다”고 지적했다.

이어 “재료연구원은 그간 에너지를 활용하지 않는 항균‧항바이러스 필터개발을 시도해왔으며 대표적인 항균‧항바이러스 물질인 구리 코팅방법에 대해 연구해왔다”라며 “사람이 구리를 흡입하면 인체에 해로울 수 있으므로 이온빔 표면처리기술을 활용해 구리를 높은 밀착성으로 필터표면에 코팅하는 것이 핵심”이라고 밝혔다.

연구는 진공 이온빔을 표면처리기술을 적용해 필터섬유 표면저리를 수행했다. 이어 구리를 30nm 증착해 코팅필터를 제작했다. 제작한 구리코팅필터에서 구리와 필터섬유간 밀착성을 분석하기 위해 3M 테이프를 활용한 180° 필링테스트를 수행했으며 이를 FE-SEM(전계방사형 주사전자현미경)으로 표면분석했다.

분석 결과 이온빔 처리가 되지 않은 시편은 필터표면의 구리가 테이프로 옮겨갔으나 이온빔 처리 후 시편은 구리가 필터에 그대로 남아있는 것으로 확인돼 접착력이 보다 높아졌음을 확인했다. 또한 박테리아 4종 및 코로나19(SARS-CoV-2) 바이러스를 분사한 결과 구리필터의 박테리아는 7Log(10의 7승까지 tprba을 죽이는 효과)에 가까운 감소율을 보였으며 코로나19 바이러스에 대해서는 2Log 이상(99.8%)의 감소율을 보였다.

정성훈 회원은 “이온빔기술은 필터섬유 표면을 손상시키지 않으면서 구리필터와 높은 밀착성을 확보했으며 구리코팅 필터섬유는 박테리아, 코로나19 바이러스를 효과적으로 제거하는 것으로 확인됐다”라며 “구리필터는 전열교환기, 공기청정기, 자동차 등 다양한 필터가 활용될 수 있는 분야에 응용이 가능할 것으로 예상된다”고 밝혔다.

전훈철 LG전자 공기과학연구소 회원은 ‘실내 유해가스 제거를 위한 집진탈취 일체화 복합필터의 가스제거 성능연구’에서 필터 압력저하 방안과 유해가스 제거를 위한 활성탄 적용을 위한 연구내용을 발표했다.

실내 오염물질은 건축자재, 가구 등 내부요인과 대기중 미세먼지, 황사, 이산화질소 등에 의한 외부요인에 따라 발생한다. 또한 조리과정에서 가스연소 및 불완전연소에 의해 이산화탄소, 일산화탄소, 이산화질소가 발생하며 튀김, 볶음 등 요리를 할 경우 유증기, 휘발성 유기화합물, 불랙카본 등 다양한 크기와 성분의 유해물질이 발생한다.

국내 탈취필터는 주로 콜게이트와 허니콤 형태의 필터가 주를 이루고 있다. 콜게이트 필터는 펄프와 활성탄을 혼합해 골판지 형태의 적층구조를 가지고 있으며 통기성이 우수하다. 허니콤필터는 직경 1~4mm 활성탄을 벌집모양의 프레임에 채워넣어 충진량이 많은 것이 특징이다. 이밖에도 부직포에 활성탄을 붙여 차량용필터로 많이 사용되는 콤비필터가 있다.

전훈철 회원은 “필터의 가장 큰 애로사항은 압력손실, 즉 공기저항 문제를 해결하는 것”이라며 “필터 압력손실을 주로 멜트블로운과 활성탄 충진량에 따라 결정된다”고 설명했다.

이어 “활성탄을 고정 및 충진하기 위해 콜게이트 또는 허니컴 구조가 필요하며 압력손실 극복을 위해 복합필터 구조를 적용했으며 활성탄을 통과하는 유속이 낮아짐에 따라 가스제거효율을 극대화해 활용할 수 있게 됐다”라며 “또한 콤피필터의 고질적인 문제로 인식되고 있는 활성탄냄새를 해결하기 위해 첨착활성탄을 개발함에 따라 유해가스 정화능력이 공기청정협회 표준상 최고성능을 나타냈다”고 밝혔다.

박대훈 한국기계연구원 지속가능환경연구실 회원은 ‘나노 스파이키(nano-spiky) 형태의 산화아연(ZnO) 형성기술을 이용한 항균‧항바이러스 표면처리기술개발 및 상용 공기필터로의 적용’ 발표를 통해 “IAQ 제어기술에 적용되는 공기감염성 바이오에어로졸의 전파방지기술들 중 가장 대표적인 기술은 항균‧항바이러스 기능성 필터기술”이라며 “이러한 필터는 항균‧항바이러스 기능성 물질을 필터표면에 코팅해 만드는데 기존 가장 많이 이용되는 침지법을 이용한 코팅공정은 복잡할 뿐만 아니라 적용할 수 있는 필터 종류가 제한적이며 고온건조 공정이 포함돼 시간 및 비용이 많이 소모되는 단점이 있다”고 지적했다.

이어 “공기감염성 바이오에어로졸 전파억제를 위한 기술적 해결첵을 제안하기 위해 기존 복잡성이 높고 고온건조공정 등이 요구되던 코팅과정을 간소화 하는 방안을 제시한다”라며 “공정단순화, 다종 필터에 적용가능한 접근법을 개발함으로써 시간‧비용을 절감하는 동시에 실내환경에서의 감염전파 위험을 감소시키는 잠재력을 확산하고자 한다”고 강조했다.

연구는 산화아연 나노입자를 물질로 사용했으며 이를 스파크 방전법으로 에어로졸 형태로 제조했다. 이 과정에서 다량의 단극성 이온을 스파크 방전채널로 공급해 필터섬유에 나노시드(Nano-seed) 형태로 박막을 형성함으로써 코팅물질이 효과적으로 유지될 수 있게 했다. 또한 나노시드 형태 박막을 열수처리 공정을 통해 나소스파이키 형태의 박막으로 성장시킨 후 필터 성능변화를 평가했다.

열수처리 공정조건을 15분, 60분, 120분 등으로 달리함에 따라 산화아연의 성장형태가 달라졌으며 나노스파이키 형태의 박막형성을 위해 90℃에서 1시간 성장시킨 조건이 가상 이상적인 것으로 나타났다.

박대훈 회원은 “항균‧항바이러스 성능평가 결과 역시 유의미한 결과를 도출했는데 엣지가 많은 나노스파이키 형태가 균 및 바이러스 외피에 물리적 손상을 줘 높은 항균‧항바이러스 효율을 나타낸 것으로 판단된다”라며 “또한 나노스파이키 형태 기능성 박막이 여과 효율은 높이지만 차압변화는 유의미한 영향을 미치지 않는 것으로 나타나 이러한 형태의 코팅공정이 상용필터에 적용될 경우 공기중 전파되는 공기감염성 생체 에어로졸의 전파를 차단하는 차별화된 솔루션으로 제시될 수 있을 것”이라고 평가했다.