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2020년 12월 17일 (목) 02:49 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 지하철 내부 공기질 개선을 위한 공기 살균 장치

영문 : Air Sterilizer for Improving Indoor Air Quality in Metro

과제 팀명

The First

지도교수

동종인 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 심**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 고**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 손**

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 박**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

최근 실내 공기질과 공중보건에 대한 경각심이 커지고 있다. 특히 다수가 이용하는 지하철은 지하에 위치해 자연환기가 어려워 공기 질 관리가 취약한 실정이다. 지하철에는 여러 종류의 대기오염물질들이 존재하고 있는데, 그중 부유세균은 대표적인 생물학적 유해인자이다. 이는 알레르기성 질환, 호흡기 질환 등을 유발할 수 있으므로 제거가 필요하다.

전동차 내 공기순환장치는 일반적으로 먼지와 CO2 등의 포집에 집중되어 있으며 부유세균 및 대기오염물질에 대한 관리는 미흡한 상태이다. 이에, 본 과제에서는 내부 부유세균과 추가적인 대기오염물질을 제거하기 위해 UV 램프를 이용한 공기 살균 장치를 제시하고자 한다.
이번 과제에서 가장 중요한 것은 UV 램프를 이용한 광촉매 반응으로 가능한 여러 조건에서 광촉매를 반응시키고 부유세균 제거율을 측정하여 어떠한 조건에서 광촉매가 가장 효율이 좋은지 그리고 이를 우리가 원하는 실제 제품에 적용할 수 있을지를 평가할 것이다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 2017년 자기측정 결과 실내주차장 다음으로 지하역사가 미세먼지 오염도가 높은 것으로 나타났다. 특히, 터널구간의 경우 외부 오염유입, 레일마모, 바닥의 자갈, 흙 등의 분쇄로 인해 외기의 4~6배, 승강장의 3~4배의 고농도 상태를 나타냈다. ◇ 지하철의 공기에 포함되어 있는 유해 입자들은 미세먼지, 라돈, 포름알데히드, 석면 등이 있다. 지하철 역사의 공기 질은 수많은 사람들이 이용하는 다중이용시설로서 오염 대책에 각별한 신경을 써야 한다. ◇ 지하철역사는 실내공기질 유지기준을 만족하지만 오랜 기간 노출되면 인체에 유해한 수치이다. 지하철터널은 실내공기질 유지기준치를 훨씬 초과하였으므로 터널을 지날 때 외부공기가 유입되지 않도록 환기 시 주의해야 한다. ◇ 총부유세균이란 1년 내내 실내 환경에 존재하여 공기 중에 떠있는 일반세균과 병원성 세균을 말한다. 다른 실내공기 오염물질과 달리 먼지나 수증기 등에 붙어 생존하며 스스로 번식하는 생물학적 요소이기 때문에 실내공기질 관리가 소홀하면 순식간에 고농도로 증식하게 된다. 실내에 있는 사람들의 청결상태, 행동양상, 청소상태, 환기상태 등과 밀접하게 연관되어 있다. ◇ 또한, 열, 기침, 감기 등을 유발하는 실내환경에 존재하는 대표적인 생물학적 유해인자이다. 호흡기나 피부 등에 접촉할 경우 알레르기성 질환, 호흡기 질환, 과민성 질환, 아토피 피부염, 전염성 질환을 유발할 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

◇ 본 설계에서는 지하철 내부의 부유 세균 살균과 대기오염물질 제어를 모두 포함하는 정화 시스템을 구축하여 지하철 내부의 공기를 살균하고, 오염물질을 정화함으로써 쾌적하고 안전한 환경을 조성한다. ◇ 지하철 내부 공기의 흐름 및 특성을 파악하여 효율적으로 공기를 살균·정화할 수 있도록 설계할 것이다. 또한, 기존 지하철의 시설 및 설치 환경을 고려해 공기 정화의 효율성을 높인다. ◇ 지하철 역사, 터널 그리고 지상까지 모든 주변 환경이 전동차의 공기 질에 큰 영향을 미치기 때문에 주변 환경과의 연관성을 종합적으로 고려하여 시스템을 설계한다. ◇ 실내 공기질은 지하철을 이용하는 승객의 수, 운행 빈도, 기온, 날씨 및 지상의 교통량까지 다양한 요인들에 따라 시시각각 변화한다. 따라서 지하철의 상황에 따라 시스템을 유동적으로 구동하여 효율적으로 공기를 정화한다.

관련 기술의 현황

State of art

◇ Subway Cabin Air Purifier(SCAP)-객실 공기정화기술

기존의 지하철 내 공기정화 기술은 공조 환기 방식이라 불리며, 단순히 2열의 에어덕트를 이용하여 객실에 균등하게 공기를 분배하여 환기시켜 공기를 순환시키는 것에만 초점을 두었다. 비교적 최근에 개통한 신분당선(2014)의 경우 전동차 실내에 이산화탄소(CO2) 센서를 부착하고 농도값을 모니터링 하여 일정한 농도 이상이 되면 배기팬이 가동되고 신선한 공기를 유입하여 이산화탄소의 농도를 낮춰주는 시스템을 추가하였으나, 이런 자동환기시스템은 터널의 시멘트 분진, 차륜마모 등에서 발생하는 미세먼지를 유입시켜 전동차 내의 미세먼지 농도를 증가시켰다. 이를 보완하기 위한 방법으로 필터에 부직포를 부착하는 방식을 채택하였다.

위의 문제를 인식하고 개발된 SCAP는 지하철 객실 내 실내 미세먼지와 이산화탄소를 저감하여 오염을 정화할 수 있는 모듈형 공기정화장치로, 객실 천정 내부에 설치하여 두 대의 송풍기가 실내공기를 유입하면 미세먼지는 정전롤필터로 제거하고, 이산화탄소의 경우 정전필터와 송풍기 사이에 이산화탄소를 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제를 카트리지 형식으로 삽입하여 객실의 이산화탄소 농도가 일정 농도이상으로 증가할 경우 센서 신호를 통해 송풍기가 가동되는 방식으로 구성된다. 현재 2호선과 5호선에 부착되어 있다.

◇ 미생물 저감 및 향균기술

1) 객차용 청정 HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning)

HVAC시스템은 증발기 코일에 있는 구리핀을 사용하여 미생물 서식을 방지하는 방식으로 구리에서 발생하는 금속이온이 세균의 단백질과 결합하여 세균을 제거하는 기술이다. 최근에는 HVAC에 부착하여 살균기능을 보강하는 연구가 많이 진행되었는데, 영국의 플라즈마 클러스터 공기청정기가 대표적이다.  플라즈마 클러스터는 증기를 공기 중으로 배출되는 양이온과 음이온으로 분리하는 저온 플라즈마 기술로 유해한 휘발성 유기화합물(VOC), 미립자, 연기, 꽃가루, 먼지, 정전기 등을 제거하는 기능을 한다. 또한 필터나 가동부가 없기 때문에 다양한 HVAC 시스템에 쉽게 설치할 수 있는 장점이 있다.

2) 은나노입자 코팅 

향균 기능이 있다고 알려진 은나노입자를 공조설비의 열교환기 표면이나 환기필터에 코팅하여 세균을 제거한다. 최근에는 전자빔을 쪼인 은나노 와이어를 개발 중이며, 기존의 은나노입자 코팅보다 음이온을 쉽게 방출할 수 있고, 표면적이 넓어서 필터에 포집된 세균 등의 부유균을 효과적으로 살균할 수 있다.

3) 자외선 램프

자외선은 파장에 따라 UV-A, UV-B, UV-C로 나뉘고 파장이 짧은 단파선인 UV-C는 살균력이 강해서 빈 병실이나 지하철 차량의 살균 소독에 사용되고 있었다. 이러한 UV-C는 박테리아, 바이러스, 곰팡이를 죽이는 효과가 크고 UV-A, UV-B는 단백질과 지질의 산화를 유도하여 세포 사멸을 유발하는 기능을 한다. 최근 뉴욕지하철교통국은 자외선(UV-A, B, C)의 전체 스펙트럼을 활용하여 병원체의 DNA, RNA 및 세포벽을 파괴하는 자외선 램프(Purolightning)를 도입하고 있으며, 물체의 표면뿐만 아니라 공기 중의 바이러스도 99.9% 살균하고 있다.

기술 로드맵

특허조사

지하철 공기정화 관련 다양한 특허가 존재하지만 우리조의 목적인 ‘지하철 공기정화 및 살균’과 같이 지하철 공기의 살균에 중점을 둔 선행기술은 현재 매우 적은 것으로 확인 되었다. 따라서 ‘지하철+공기정화’ 관련 특허와 ‘공기정화+살균’ 관련 특허를 확인해야 할 특허라고 보고 조사하였다.

◇ 지하철역사 공기정화 환기시스템(출원번호 1020060098335)

지하철 역사 내부에 유입되는 공기 속에 포함된 미세 먼지를 제거해 주는 공기정화환기시스템에 관한 것으로 지하철 역사 내부로 유입되는 미세 먼지뿐만 아니라 외부로 유출하는 미세 먼지들을 이온화수단을 통해 증배 먼지로 변환시켜 줌으로써, 효과적으로 미세 먼지들을 제거하여 지하철을 이용하는 사람들은 쾌적하게 지하철을 이용할 수 있으며, 지하의 공기를 지상에 배출하는 공기환기구 주변에 거주하는 사람들에게도 오염된 공기가 아닌 미세 먼지가 제거된 청정 공기를 제공하는 효과가 있다.

◇ 지하철 공기정화장치(출원번호 2020050013170)

지하철 내의 공기 중에 포함되어 있는 오염물질 특히, 금속류의 분진 제거가 용이할 뿐만 아니라 지속적으로 공기 정화를 실시할 수 있도록 본 고안에 따른 지하철 공기정화장치는 지하철이 들어오는 승강장의 진입구에 마련되어 지하철의 진입시 발생하는 바람을 이용하여 공기를 흡입하는 집진부와 유입된 공기를 거르기 위한 필터부를 구비하되, 필터부는 소정 간격으로 배치된 다수개의 필터와 자성부재를 구비하는 것을 특징으로 한다.

◇ 지하철 객실용 공기정화장치(출원번호 1020110055992)

사용으로 인해 오염된 필터를 자동으로 권취하여 교체함으로써 객실내 미세먼지와 초미세먼지의 농도를 일정 수준 이하로 유지하면서 유지보수 소요 및 비용을 대폭 줄일 수 있다. 또한, 객실 내의 CO2를 포함하는 유해가스를 제거하여 혼잡시간대 오염된 객실 공기질을 개선할 수 있는 장점이 있다.

◇ 공기정화 및 바이러스 살균 시스템(출원번호 1020200028239) --- 유사 특허

미세먼지와 각종 세균 및 병원성 바이러스가 혼합된 공기를 공기흡입팬을 통해 반사판 내벽체로 구성한 공기정화부로 유입시키고 UV 램프와 부직포와 헤파필터, STS 광촉매 반사판 도류벽을 이용하여 정화하며 정화한 공기를 가정, 병원, 사무실, 학교, 공공기관, 지하철 또는 기차역, 버스터미널에 공급할 수 있고 또한, 사람의 움직임과 미세먼지 농도 및 온습도 등을 자동으로 감지하여 인공지능을 통해 자동으로 동작하고 원격에서 관리할 수 있으며 다양한 데이터를 축적하여 실시간으로 반영할 수 있는 공기정화 및 바이러스 살균 시스템에 관한 것으로서, 미세먼지와 각종 세균 및 바이러스를 포함하는 공기를 UV 램프와 부직포와 헤파필터, STS 광촉매 반사판 도류벽을 이용하여 정화할 수 있고, 정화한 공기를 건물의 내부 또는 덕트 등을 이용하여 단독 및 다수의 건물의 실내에 공급할 수 있으며, 가정과 병원 및 사무실, 학교, 공공기관, 지하철 및 기차역, 버스터미널 등에 설치하여 미세먼지를 제거하고 각종 세균 또는 병원성 바이러스를 제거할 수 있도록 하고, 컨테이너 등의 임시 건물에 설치하여 임시 병실 또는 방역초소로 활용할 수 있으며, 사람의 움직임과 미세먼지 농도 및 온습도 등을 자동으로 감지하여 인공지능을 통해 자동으로 동작하고 원격에서 관리할 수 있으며 다양한 데이터를 축적하여 실시간으로 반영할 수 있는 효과가 있다.

◇ 습성 공기정화 살균장치(출원번호 1020090125333)

습성 공기정화 살균장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기를 유입시키는 공기유입부, 공급되는 물을 진동자에 의해 수증기화시켜 상기 유입되는 공기에 공급하는 수증기부, 수증기가 포함된 공기를 고압 플라즈마를 생성하여 광촉매시켜 공기 중 포함된 유해물질을 정화 및 제거시키는 광촉매부, 저전압 플라즈마를 생성하여 상기 광촉매된 공기를 수산화기화시켜 침투성과 신선도를 향상시키는 수산화기부, 전원을 공급하는 전원공급부, 상기 전원공급부의 교류를 직류로 정류하여 상기 수증기부와 광촉매부, 수산화기부에 인가하며, 콜렉터와 에미터, 디플렉터를 갖는 고압트랜스포머, 및 상기 수산화기부를 거친 공기가 배출되는 공기배출부를 포함하여 이루어진다.
물을 수증기화하여 유입되는 공기에 공급할 수 있고, 이 공기를 고압 플라즈마를 통과시켜 포함된 유해물질을 정화 살균시키며, 정화 살균된 공기를 저전압 플라즈마를 통과시켜 2차필터링 함에 따라 침투성과 신선도를 극대화시켜 수분을 포함한 청정공기를 제공할 수 있다.

◇ 오존수를 이용한 공기정화 및 살균장치(출원번호 1020080085787)

오존수를 이용한 공기정화 및 살균장치에 관한 것이다. 공기정화 및 살균장치는 내부가 빈 사각 형상의 케이스; 필터와, 모터로 구동하는 팬을 갖고 상기 케이스의 내부에 설치되며, 팬의 작동으로 케이스의 측면으로부터 공기를 흡입해서 필터로 필터링한 후 케이스의 전면으로 배출하도록 한 필터링수단; 및 케이스의 내부로 물을 유입하기 위해 케이스의 내외부를 관통하는 호스와 그 호스의 중간에 설치되어 오존수를 생성하도록 한 오존발생기를 갖고 상기 케이스의 내부에 설치되어, 오존발생기가 생성한 호스로부터의 오존수를 필터가 함수할 수 있게 공급하도록 한 오존수공급수단을 포함하여 구성된다. 항상 최적의 실내 공기질을 유지할 수 있는 공기정화 및 살균장치가 제공될 것으로 기대된다.

◇ 플라즈마 공기정화 살균 탈취기(출원번호 1020040110488)

각종 VOCs(휘발성유기화합물), 냄새 및 세균 등 유해 물질을 함유한 오염 공기를 산화 분해하여 인체에 무해한 신선한 공기로 전환할 수 있도록 한 플라즈마 공기정화 살균 탈취기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

◇ 공기정화 기능이 구비된 살균소독기(출원번호 2020090009563)

공기정화 기능이 구비된 살균소독기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 많은 인원이 공동생활하는 군(경)부대, 병원, 호텔, 자치단체, 어린이집, 유치원, 각 학교, 기숙사 등과 같은 장소에 위생관리의 일환으로 살균건조기를 설치하여, 개인 물품인 숟가락, 젓가락, 컵, 칫솔은 물론 조리실 및 식당물품인 식판, 칼, 도마 등 각종식기류 등을 건조 및 살균함과 동시에, 상기 살균건조기 내부 및 외부의 실내공기가 청정하게 정화될 수 있도록 하는 공기정화 기능이 구비된 살균소독기에 관한 것이다.

◇ 정전기를 이용한 공기정화 살균기(출원번호 1020160164238)

정전기를 이용한 공기정화 살균기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고전압의 정전기를 발생하여 공기에 포함된 세균, 바이러스 및 악취물질을 사멸 분해하여 공기 정화 효율성을 극대화하고, 정전기를 발생하는 정전기 발생부 표면 소재를 특정함으로써 먼지나 이물질이 표면에 흡착되지 않도록 하여 정전기 발생부 기능이 저하되지 않도록 한 정전기를 이용한 공기정화 살균기에 관한 것이다.

특허전략

◇ 환기와 미세먼지 필터 정도의 시스템을 이용하여 공기질을 관리하던 기존 전동차와 달리, 총부유세균까지 동시에 처리가 가능한 정화 시스템을 설계하여 위생적인 환경을 조성한다.

◇ UV는 파장에 따라서 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있다. 본 설계에서는 부유세균 살균을 위한 UV 장치를 기존의 정화 시스템과 연계하고 승객들에게 노출되지 않는 위치에 설치할 것이다. 이로써 운행 중에도 승객들의 안전을 보장하며 지속적인 살균이 가능하게 한다.

◇ 실시간으로 공기질 및 열차 내부 상황을 모니터링하며, 그에 따라 유동적으로 정화 시스템을 구동한다. 또한, 기존의 지하철 시스템을 고려하여 더욱 효율적이고 경제적인 정화 방향을 제안한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 기존 지하철 시스템과의 연계 및 고효율 처리 장치 설계를 통한 공기질 정화 시스템의 소형화 ◇ 지하철 내부의 주기적인 살균이 가능하다. ◇ 모니터링을 이용한 유동적 시스템 구동으로 효율적인 정화가 가능하다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 병원성 물질 및 기타 대기오염물질의 제거가 가능하여 공중보건의 수준이 향상될 수 있으며 방역에 효과가 있을 것으로 기대된다. ◇ 지하철 내의 공기질 개선을 통해 이용자의 건강 증진 및 만족도를 향상시킬 수 있다. ◇ 대중교통 이용 증가로 인해 환경오염을 저감할 수 있다. ◇ 객차 내 부유세균 및 공기정화에 대한 연구 성과가 실용화될 경우 도시철도용 정화기술의 세계적 선도가 가능할 것으로 보인다.

구성원 및 추진체계

◇ 심형석 : 자료 조사, 지하철 현황 및 정화 시스템 총괄

◇ 김유진 : 자료 조사, 과제 제안서 발표, 대기오염물질 제거 시스템 총괄

◇ 박주영 : 보고서 취합, PPT 제작, 부유세균 살균 시스템 총괄

◇ 고영범 : 자료 조사, 경제성 분석 및 특허전략 총괄

◇ 손병민 : 자료 조사, 최종 모형 제작 및 설계 평가 총괄

설계

설계사양

가. 제품 요구사항

본 설계를 통해 제안하는 제품에서 기대하는 요구사항을 다음 표와 같이 정리하였다. 항목에 따라 필요사항은 D, 희망사항은 W로 표기하였고 중요도를 대, 중, 소로 나누어 등급을 분류하였다.

1) 공기 살균력

본 설계의 목표는 공기정화 중 살균에 중점을 둔 설계이다. 따라서 공기 내 포함되어있는 총부유세균의 제거율은 가장 중요한 요구사항이다. 개발 목표치인 총부유세균 제거율 85%를 달성할 수 있도록 한다.

2) 대기오염물질(미세먼지, 악취) 제거율

지하철 터널로부터 전동차로 유입되는 미세먼지, 지하철 승객 활동으로 인한 미세먼지 등 미세먼지의 처리 필요성이 요구된다. 또한 전동차는 밀페된 공간이므로 많은 사람들이 오고가는 전동차에서 발생할 수 있는 악취를 처리할 수 있어야 한다.

3) 제품의 경제성

본 설계는 기존 제품에 살균을 추가로 도입하는 설계이므로 기존 제품 대비 설치비와 운영비 증가비율이 충분히 수용 가능해야 한다. 증가비율 목표치는 10%로 설정하였다.

4) 제품의 연동성

전동차와 지하철 역사 내 기존 설치되어 있는 공기정화 장치들과 호환 가능하여 기존 제품들을 활용 할 수 있으면 보다 나은 경제성을 확보할 수 있기 때문에 기존 제품들과 잘 연동되는 것이 요구된다.

5) 제품의 내구성

경제성과 안전성을 고려하여 제품의 내구연한이 충분하여 교체기간 주기가 길어야 한다.

6) 제품의 기능성

필터와 램프 교체가 편리하여 신속하고 정확한 교체가 이루어져야 하고 소형화가 가능하여 전동차 내부에 설치 가능하여야 한다.

7) 제품의 안전성

자외선 램프에 사용되는 UV-C 파장의 자외선은 인체에 노출되면 피부암을 일으킬 수 있는 철저한 관리가 필요한 자외선 파장이다. 따라서 제품이 가동될 때 승객들에게 노출되지 않을 것이 요구된다.

나. 목적계통도

본 설계 제품의 목적계통도는 아래 그림에 나타내었다.

파일:First10.gif

개념설계안

가. 제품 구조 [[파일:first11.png]

본 제품은 다단계 필터 구조로 헤파 필터, 활성탄 필터, 광촉매 필터를 통해 총 3단계로 대기 중의 부유물질, 미세먼지, 악취유발물질, 그리고 부유세균을 제거하는 것을 목표로 한다. 이러한 각각의 필터에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

나. 헤파필터 (미세먼지 제거)

HEPA (High Efficiency Particulate Air) 필터는 이름에서 알 수 있듯이 고효율의 입자 제거 필터로 등급에 따라 0.3㎛의 입자에 대해 85 ~ 99.975% 이상의 포집능력을 가지며 필터의 여과지는 주로 직경 1 ~ 10㎛ 이하의 유리 섬유로 되어있다. 
이러한 촘촘한 유리섬유로 인해 미세먼지 입자는 유리섬유 층을 통과하다가 충돌하거나 흡착되거나 확산됨으로서 미세먼지가 빠져나가기 힘들게 되고 결과적으로 미세먼지를 제거하는 효과를 볼 수 있게 된다. 일반적으로 PM10입자를 미세먼지, PM2.5입자를 초미세먼지라고 부르는 경향이 있고 헤파필터의 성능은 이러한 초미세먼지의 제거율에 따라 정해진다.  이러한 필터의 제거율에 따른 등급은 위와 같고 이때 헤파등급 12이하를 EPA, 15이상을 ULPA라고 하며 13, 14를 HEPA라 부른다. 보통 ULPA의 경우 매우 엄격한 미세먼지 제거가 요구되는 반도체 의료시설 등의 클린룸에서 사용한다.
현재 지하철에서 사용하는 미세먼지 제거효율의 경우 PM 2.5 기준 80%로서 헤파등급이 높지 않다. 물론 이는 교체시의 비용에 대한 것이 포함되어 있는데 그렇더라도 우리가 원하는 제품에서는 E12 이상의 제거효율을 가진 미세먼지 제거 필터를 사용하고자 한다.

다. 전기 집진 필터

전기집진필터란 헤파필터를 통해 들어온 미세먼지에 전기적 성질을 더해주는 역할을 한다. 미세먼지가 전하를 띄게 되면 입자끼리의 응집이 쉬워지고 서로 다른 극에 차례로 붙으면서 공기순환이 더욱 원활해진다.

라. 활성탄 필터

활성탄필터의 원리는 기본적으로 활성탄의 원리와 같다. 활성탄은 표면에 존재하는 미세한 공극을 통하여 대기중의 각종 물질을 흡착시키는데 이러한 활성탄의 표면구조는 페놀성 수산기, 카르복실기, 락톤기, 카르보닐기, 무수 카르본산 등이 포함된 매우 복잡한 구조를 이루고 있다. 이러한 기능기들이 피흡착질(제거대상물질)과 각종 화학적 결합이 이루어져 흡착현상이 발생한다.  위는 활성탄의 구조와 표면을 보여주는 것으로 이러한 활성탄의 구조적 표면에서 반데르발스 힘에 의하여 물리적 흡착이 발생하게 된다. 액상 상태에서는 화학적 흡착이 발생하지만 공기청정기에서 사용하는 활성탄의 경우 물리적 흡착의 원리로 대기 중 부유물질을 흡착하게 된다. 이러한 물리적 흡착은 흡착열이 적고 흡착속도가 빠르며 항상 가역적이고 온도가 높을수록 흡착량이 감소하게 된다.
대기 중에 존재하는 부유물질은 활성탄의 미세한 기공에 접근하여 반데르발스 힘과 흡착공 표면의 다양한 화학물질과의 상호작용으로 인해 빨아들여 지는데 이때 흡착제 표면의 Macro Pore과 Micro Pore에 입자의 크기에 따라서 다양하게 부착되게 된다.
이러한 활성탄은 주로 탄소기반의 활성탄 (숯 등)이 주로 사용되며 제올라이트와 같이 특수한 재료를 사용하는 경우도 있다. 활성탄 필터는 일반적으로 악취제거에 효과가 뛰어나고 각종 가스 및 포름알데히드 등을 흡수하는데도 탁월하다. 그리고 이번 제품의 핵심적인 요소인 UV 광촉매와의 효율도 좋은데 UV 광촉매가 대기 중 입자물질을 분해하는 능력을 통해 활성탄이 부유물질로 인해 포화상태까지 넘어가는 것을 막고 궁극적으로 활성탄의 반영구적인 사용을 도모할 수 있다.

마. UV-광촉매 필터 파일:First16.png 광촉매 반응은 태양광이나 형광등의 빛에너지를 받아 촉매작용 (산화, 환원반응)을 촉진시키는 작용으로, UV-광촉매 필터는 가장 흔히 사용되는 이산화티타늄 (TiO2)같은 촉매에 특정 자외선 (UV)을 쏘아 표면에 전자(-)와 정공(+)이 생성하고, 전자는 광촉매의 표면에 존재하는 산소와 반응하여 활성산소 (O2-)를 정공은 강력한 산화작용을 하는 수산화물 (OH-)을 형성하여 공기 중에 존재하는 바이러스, 박테리아 같은 세균 등을 분해하는 역할을 한다.

(1) UV-C

광촉매 반응을 위해서 주로 가시광선이 아닌 UV를 사용하는데 실험을 통해 광촉매가 가장 성능을 잘 나타내는 영역이 UV 구간인 것으로 밝혀졌기 때문이다. UVC를 이용한 광촉매 필터 디자인에 관한 연구, 한상윤, 한서대학교(2016)
물론 다른 금속을 첨가하여 가시광선에도 반응하게 할 수 있으나 효율성이 낮고 아직까지 기술개발이 충분하지 않기 때문에 UV로 선정하였다. 자외선 UV-LED는 파장에 따라 UV-A (400~315nm), UV-B (315~280nm), UV-C (280~100nm)로 구분되며 각각의 범주에 따라 응용분야가 달라질 수 있는데, 실험 결과 광촉매를 활성화시키는 능력은 UV-A와 UV-C는 큰 차이가 없는 것으로 밝혀졌다. 그러나 파장이 짧은 단파선인 UV-C는 빈 병실이나 지하철 차량의 살균 소독에 사용될 정도로 살균력이 강하여 부유세균 제거라는 목적에 더 적합하기 때문에 UV-C로 선정하였다.

(2) 광촉매 (TiO2)

광촉매에는 TiO2, ZnO, CdS, ZrO2와 SrTiO3와 같은 페롭스카이트형 광촉매가 존재한다. TiO2는 촉매작용을 해도 분해되지 않아 반영구적으로 사용가능하지만, ZnO, CdS 같은 촉매는 빛을 흡수하여 촉매자체가 분해된다. 또한, TiO2는 대부분의 유기물을 산화시켜 이산화탄소와 물로 분해하지만 다른 광촉매는 특정 물질에 대해서만 효율성 있게 분해한다. 연구에 따르면 TiO2 그 자체, 혹은 이를 포함한 광촉매는 포름알데히드, 아세톤, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 헥세인, 일산화탄소 등을 효율적으로 제거할 수 있는 것으로 나타났다(Photocatalytic materials and technologies for air purification, Hangjuan Ren et al., Journal of Hazardous Materials, 2016) 따라서 TiO2는 반영구적으로 사용 가능하고, 내구성이 우수하며, 그 자체로도 무독성물질인 점, 뛰어난 살균력을 가진 점 등을 고려했을 때 이상적인 광촉매 물질로 평가받고 가장 많이 쓰이는 광촉매이다.

(3) 광촉매 처리능력

TiO2의 산화력은 380nm 보다 짧은 파장의 자외선을 쪼이면 가장 큰 효율을 얻을 수 있다. 즉, 광량에 의해 광촉매에 의한 살균능력이 결정된다. 흔히 사용하는 UV램프(파장 350-365nm)와 대상물이 아세트알데히드일 때, 자외선을  1mW/㎠의 세기로 광촉매 1m2 표면에 쪼일 때 1시간당 분해되는 아세트알데히드 분자수의 최대값을 구하기 위해

- 광자에너지식 E(J·S)=h·c/λ (단, h는 plank 상수, c는 광속, λ는 자외선 파장) 1시간 동안 투입된 에너지양을 1광자에너지로 나누어 총광자수를 구하면 ①1.0××1.0×104× 3,600/(6.63××2.98×/365×)=6.67×[개/h]

- 아세트알데히드 1 분자를 물과 이산화탄소로 만들기 위해서는 10개의 광자가 필요하므로 광량으로 분해 되는 기체의 최대 값은 ②(6.67×/10/6.02 × ) × 22,400(ml) = 248(l/h)

TiO2의 아세트알데히드 분해 능력을 측정한 연구 결과, 광량이 1.0mW/㎠ 까지 자외선 량에 비례하여 상승하는 것이 확인 되고, 그 이상 광을 쪼여도 변화하지 않았다. 이렇게 촉매에 쪼인 광량이 결정되면 한계처리능력을 알 수 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 이론적 사전조사

(1) 광촉매 살균

본 설계의 전동차 내 공기정화 장치의 총부유세균 제거율은 85%를 목표로 한다. 전동차 내의 총부유세균은 대략 300 CFU/m3 정도로 나타나며, 목표를 이루기 위해서는 255 CFU/m3의 부유세균을 살균해야 한다. 광촉매로 TiO2가 코팅된 필터에 UV-C를 이용하여 부유세균 살균을 진행한다.
‘광촉매와 UVA에 의한 실내 부유 미생물 (E. coli 및 Bacillus. subtilis sp.) 살균 제거 연구’에서는 UV 램프와 반응기의 거리를 3 μW/cm2로 조절하였다. 연구 결과는 그림13과 같다. 약 2시간의 반응(IT 22 mJ/㎠)으로 E. coli은 광촉매 하에서 80% 이상 제거되었으며, B. subtilis sp.은 약 40% 제거되었다. TiO2를 광촉매로 사용할 경우, UV-A 단독으로 살균하는 것에 비해서 약 30%p 더 높은 살균율을 보였다.

선행 연구에서는 UV-A를 사용하였으며, 본 설계에서는 UV-C를 사용할 것이다. UV-C의 영역대인 200~280 nm 파장은 DNA와 단백질이 잘 흡수하기 때문에 살균 처리에 매우 효과적이다. 또한, 선행 연구의 미생물 초기 농도는 106~107 CFU/mL 정도로 전동차 내의 총부유세균 300 CFU/m3보다 약 1010배 정도로 높은 수치이다. 본 설계의 경우, 낮은 자외선 조사량으로 진행된 선행 연구보다 자외선 조사량이 많으며 처리해야 하는 부유세균의 양이 확연하게 적기 때문에 더 짧은 시간으로도 더 높은 살균율을 보일 것으로 추측된다. 따라서, UV/TiO2 정화를 통해 전동차 내의 부유세균을 85% 살균하는 목표를 달성할 것으로 예상된다.
또 다른 선행 연구인 ‘UV-TiO₂ 광촉매 기반의 공기 정화 시스템의 운전조건에 대한 연구’에서는 그림14처럼 유입 벤젠 농도가 높아질수록 제거율이 감소됨을 확인하였다. 이는 다른 연구들과 유사한 결과로 유입되는 오염물질이 저농도일 때 광촉매 분해율이 더 높게 나타남을 알 수 있다. 또한, UV 램프 수의 증가, 코팅된 광촉매의 양 및 비표면적이 증가함에 따라서도 벤젠 분해율이 높게 나타났다.(UV-TiO₂ 광촉매 기반의 공기 정화 시스템의 운전조건에 대한 연구, 한창석, 장혁상, 대한환경공학회지, 2008)
선행 연구에서는 15W에서 45W로 UV 램프의 세기가 세질수록 분해율이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 다만 지나치게 강한 UV 세기는 전자쌍의 형성 속도와 전자 전달 속도 증가에 비해서 전자와 정공의 재결합 속도를 더 빠르게 증가시키기 때문에 오히려 광효율을 감소시킬 수 있다고 한다. 이러한 결과를 토대로 전동차 내부 살균 및 공기 정화에 대한 UV/TiO2 반응의 적용 가능성을 기대할 수 있다.

파일:Fist19.jpg

(2) 실험 장치 공기유량 및 유속

- 연속방정식(=질량 보존법칙)

나. 실험 계획

<요약> 1) 실험장치 제작 2) 대조군 / 실험군 설정 (변인: UV 램프 개수, 거리) 3) 초기 공기시료채취 (대조군) 4) 실험장치에서 살균된 공기시료채취 5) 배양 6) 감균 확인(판독) 및 실험장치 효율 계산

1) 실험 방법

본 실험에서는 설계 제품의 효율성 측정을 목표로 부유세균을 측정하였다. 실험에는 모바일 미생물 에어 샘플러인 PMS MiniCapt® 100EL을 사용하였다. 측정 장소는 창공관 429호 (환경공학부 캐드실)였으며 지면으로부터 80 cm 떨어진 곳에서 측정하였다. 총부유세균 실험은 다중이용시설 등의 실내공기질 시험방법에 명시된 주 시험법인 충돌법 (공기를 일정량 흡입한 후 배지에 충돌시켜 공기 중 의 총부유세균을 포집하는 방법(다중이용시설의 실내공기 중 총부유세균 농도와 종류, 전병학, 황인영, Jornal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 16, No. 1 pp. 868876, 2015)을 이용하였다. 100 L/min 유량으로 총 1000 L가 되도록 각 배지에 대해 10분간 공기를 포집하였다. 변수별 시료채취간격은 20분으로 진행하였다. 
부유균과 낙하균의 측정에 사용되는 TSA (Tryptic Soy Agar) 배지를 사용하였으며 배양온도 35±1˚C에서 48 시간 배양하였다,계수된 군체의 숫자는 CFU로서 나타냈으며 여과한 공기의 양 (㎥)으로 나누어 농도 (CFU/㎥)을 계산하였다. 아래 표에 실험 방법을 정리하였다.

실험에 사용된 UV 램프 (UV-C type)로 광원의 세기는 8 W인 것을 사용하였다. 팬의 풍량은 62.8 CFM으로 일정하게 유지하였다. 광원의 세기에 따른 변화를 살펴보기 위해 UV램프의 개수 (1 개, 2 개)와 UV램프-세라믹 광촉매 사이의 거리 (5 cm, 3 cm)를 변수로 설정하였다. 거리는 기존에 수행된 UV-광촉매 연구를 참조해 5 cm로 설정하였으며 UV-TiO2,광촉매와의 효율을 더욱 증가시키기 위해 다른 거리 변수는 더 가까운 3 cm로 설정하였다. 변수는 다음 표와 같다.

2) 실험 장치 구성

여러 조건에서의 부유세균 제거 효율을 확인하기 위해 다음과 같은 실험을 진행하였다. 실험 장치는 흡입 팬, UV 램프, 세라믹 광촉매로 이루어진 (1) 공기 정화부 (폭 160 mm, 길이 160 mm, 높이 340 mm)와 포집을 위한 (2) 에어 샘플러 측정부 (폭 160 mm, 길이 250 mm, 높이 340 mm)로 이루어져있다. 공기는 팬을 통해 UV-C 램프와 세라믹 광촉매 필터 (TiO2)를 통과한 후 샘플러를 통해 포집되었다.

조립도

부품도

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

실험결과 및 분석

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Run1(대조군) 판독결과:　지름(9mm) 1개, 지름(3mm) 2개, 지름(2mm) 4개, 　　　　　지름(1mm) 2개, 지름(1mm)이하 3개 　　　　　= 12 CFU/㎥

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Run2 – UV램프 1개, 거리 5cm 판독결과:　지름(1mm) 2개, 지름(2mm) 1개, 큰 반원 1개 　　　　　= 4 CFU/㎥ 장치효율: 67%

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Run3 – UV램프 1개, 거리 3cm 판독결과:　지름(1mm) 2개 　　　　　= 2 CFU/㎥ 장치효율: 83%

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Run4 - UV램프 2개, 거리 5cm 판독결과:　지름(1mm) 1개, 지름(2mm) 1개, 지름(1mm)이하 1개 　　　　　= 3 CFU/㎥ 장치효율: 75%

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Run5 - UV램프 2개, 거리 3cm 판독결과:　지름(1.5mm) 1개 　　　　 = 1 CFU/㎥ 장치효율: 92%

공기는 팬을 통해 UV-C 램프와 세라믹 광촉매 필터 (TiO2)를 통과한 후 샘플러를 통해 포집되었다. 포집되어 균과 충돌된 TSA (Tryptic Soy Agar) 배지를 배양온도 35±1˚C에서 48 시간 배양하였다. 계수된 군체의 숫자는 CFU로서 나타냈으며 여과한 공기의 양 (㎥)으로 나누어 농도 (CFU/㎥)로 계산하였다.

판독결과, 콜로니 지름이 다른 것은 세균종류마다 세포분열 속도차이 때문에 생긴 결과로서 콜로니 개수로만 부유세균을 평가하면 된다.

위 식으로 계산한 부유세균 제거효율은 Run2(67%), Run(83%), Run4(75%), Run5(92%)로 나왔다.

광원의 세기에 따른 변화는 Run2, 4와 Run3, 5를 비교하면 UV램프의 개수가 1개에서 2개로 될 때 장치 효율이 높아지는 것을 알 수 있다. UV램프-세라믹 광촉매 사이의 거리에 따른 변화는 Run2, 3과 Run4, 5를 비교하면 거리가 가까워질수록 장치 효율이 높아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 광원의 세기가 셀수록, 거리가 가까울수록 공기살균장치의 효율은 증가되고 두 변수 모두 장치효율에 큰 영향을 끼치는 변수로 평가되었다.

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

향후평가

◇ 이번 설계를 포함해서 UV-광촉매 살균장치의 살균성을 높이기 위한 연구는 대부분 광량조절에 초점을 맞추고 있다. 기체농도 또한 살균성에 영향을 미치는 중요한 요소로, 장치 내에 농도를 조절하는 장치를 추가하여 살균력을 높일 것으로 기대된다.

◇ 제품의 효율은 전동차 내부 공기 흐름에 영향을 받으므로, 문 개폐 시의 환기와 냉방장치의 작동으로 인한 공기 시뮬레이션을 통해 가장 적절한 위치에 설치한다면 제거 효율이 높아질 것이라 생각한다. 더불어 전동차는 시간에 따른 혼잡도 차이가 크기 때문에, 팬의 유량을 조절하여 상황 별 단계를 구동하는 것도 필요해 보인다.

◇ UV램프의 살균효과는 기본적으로 암실로 설정한 실험장치에서 충분히 잘 이루어졌고 만일 내부에 반사판을 다중으로 설치하여 더욱 높은 효과를 기대할 수 있다. 그러나 반사판의 경우 자외선이 외부로 새어나갈 수 있으므로 만일 이러한 설계를 할 경우 주의가 필요하다.

◇ 공기 유입부에 난류발생을 발생시킬 수 있는 모양으로 유입부를 변형시키면 장치 내 공기체류시간이 증대된다. 이에 따라 공기살균장치의 효율은 증대될 것으로 기대된다. 하지만 마찰손실에 따른 소요동력의 증대도 예상되기 때문에 적절한 방안을 찾아내야 할 것이다.

◇ 다중이용시설 부유세균에 관심이 높아지는 상황이지만 지하철 내 부유세균에 대한 기준치가 미비한 실정이다. 향후 전동차 내부 부유세균에 대한 기준이 확립된다면 부유세균 목표 제거효율을 규제에 맞추어 더 효율적인 설계가 가능할 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

◇ 신분당선 전동차 실내공기질 향상에 관한 연구, 임용찬 외 6인, 한국철도학회 추계학술대회 논문집, 2014 ◇ 서울메트로 2호선 신조전동차 환절기 쾌적성에 관한 고찰, 김정은, 한양대학교 석사학위 논문, 2014 ◇ 지하철 혼잡도 사전예보제 안내, 서울교통공사, 2020

  http://www.seoulmetro.co.kr/kr/board.do?menuIdx=546&bbsIdx=2210887

◇ 지하철 객실 공기청정기 실증 사례, 이주열, 2018 ◇ UVC를 이용한 광촉매 필터 디자인에 관한 연구, 한상윤, 한서대학교, 2016 ◇ Photocatalytic materials and technologies for air purification, Hangjuan Ren et al., Journal of Hazardous Materials, 2016. ◇ 광촉매를 이용한 공기청정, 원영무, 한국과학기술연구원 ◇ 광촉매와 UVA에 의한 실내 부유 미생물 (E. coli 및 Bacillus. subtilis sp.) 살균 제거 연구, 윤영한, 한국산학기술학회 논문지, 2014 ◇ UV-TiO₂ 광촉매 기반의 공기 정화 시스템의 운전조건에 대한 연구, 한창석, 장혁상, 대한환경공학회지, 2008 ◇ airomate ㈜태영엠엔에프 EL-100, http://www.taeyoungmf.com/products/elevator-air-purifier/el-100# ◇ 퓨어시스 all-in-one30, https://www.alphalinelab.com/all-in-one30 ◇ aetaire AIR160, https://www.aetaire.com/ ◇ 세스코에어 UV파워 공기살균기 https://cesco.co.kr/Cesco/Air/air_cont_03.aspx

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 ◇ 심형석 : 자료 조사, 지하철 현황 및 정화 시스템 총괄
 ◇ 김유진 : 자료 조사, 과제 제안서 발표, 대기오염물질 제거 시스템 총괄
 ◇ 박주영 : 보고서 취합, PPT 제작, 부유세균 살균 시스템 총괄
 ◇ 고영범 : 자료 조사, 경제성 분석 및 특허전략 총괄
 ◇ 손병민 : 자료 조사, 최종 모형 제작 및 설계 평가 총괄