저온 플라즈마를 이용한 공기청정기

1. 연구배경

일반적으로 인간은 80% 이상의 시간을 실내에서 보낸다고 보고되고 있다. 대부분의 실내공기는 담배연기, 악취, 세균 또는 기타 유해한 물질들로 오염되어 있고 이로 인해 인체에 좋지 않은 영향을 미치고 있다. 따라서, 실내 공기 정화의 중요성이 날로 인식되기 시작했고 이에 대한 연구와 상품화가 이루어지고 있는 실정이다. 실내공기정화 기술에 대한 수 백 개의 특허가 출원되어 있고, 다양한 제품들이 시판되고 있다. 아래는 대표적인 제품과 최근의 연구 현황이다.

한국에서 시판되고 있는 공기청정기 중에서 A회사의 제품과 B회사 제품(일본 기술)을 테스트한 결과 담배연기중의 부유입자나 유해물질이 효율적으로 제거되지 못했다. 단지 담배를 제품 입구에서 연소시켰을 때 출구에서 담배연기가 배출되지 않는 것은 육안으로 확인될 수 있으나 눈에 보이지 않고 인체에 악영향을 많이 유발하는 유해가스와 미세먼지(입자)에 대해서는 효율적인 처리가 이루어지지 않았다. C회사의 제품은 오존발생기를 이용하여 실내공기를 처리하는 상품이 있지만 오존농도가 0.1ppm을 초과하면 인체 건강에 해로운 물질이기 때문에 공기청정기로써 좋은 기술이 될 수 없다.

미국에서도 몇몇 회사가 공기청정기를 생산하고 있으나, 주로 필터, 정전기장, 자외선 등의 기술을 이용한 제품들이다.

총체적으로 이 분야에서 현재 시판되고 있는 제품으로는 부유입자나 유해·유독 화학물질을 효과적으로 제거할 수 없다. 일부 필터는 특이한 냄새를 제거할 수 있지만 필연적으로 포화하게 된다. 또한, 정전기장은 먼지입자는 포집할 수 있지만 오염물질을 효과적으로 제거할 수는 없기 때문에 현재 제품들로서는 진일보 성능향상이 필요하다.

2. 최근 동향

최근에 실내공기정화 기술은 큰 관심을 모으고 있다. 그중 일본의 한 연구팀은 실내공기 처리에 새로운 기술을 도입하여 와이어-실린더 반응기(건식, 반습식, 습식)에 전원(AC 60Hz, AC 18kHz, Square Wave Pulse), TiO₂ 광촉매를 이용한 코로나 방전 혹은 자외선 조사 등으로 담배연기 제거 실험을 하였다. 실험결과는 성공적이었고 이와 같은 기술의 응용 가능성을 보여 주였다.

H.V.( High Voltage) 펄스 전원, H.F.(High Frequency) AC, 혹은 square wave 펄스 전원, 이런 특수 전원은 높은 제조단가와 복잡한 기술을 요구하고 있다. 반습식 혹은 습식 플라즈마 반응기는 좋은 성능을 보여주고 있지만 물순환과 제어가 복잡한 구조와 기술을 요구하고 있다. 플라즈마와 TiO₂ 광촉매를 함께 사용하면 유해물질의 제거를 촉진하지만 근본적으로는 저온플라즈마에 기초한 것이다. 따라서 실내공기정화에는 더욱 많은 장점을 구비한 새로운 청정기를 개발할 필요가 있다.

그림 2. 처리시간에 따른 암모니아와 Trimethylamine의 농도 변화
(두 개피 담배를 50×50×100cm³의 박스 안에서 태웠을 때)

그림 3. 처리시간에 따른 CO와 에탄올의 농도 변화
(네 개피 담배를 50×50×100cm³의 박스 안에서 태웠을 때)

그림 4. 처리시간에 따른 암모니아와 Trimethylamine의 제거효율
(두 개피 담배를 50×50×100cm³의 박스 안에서 태웠을 때)

그림 5. 처리시간에 따른 CO와 에탄올의 제거효율
(네 개피 담배를 50×50×100cm³의 박스 안에서 태웠을 때)

4. 관련 제품과의 비교실험

지금 시판되고 있는 공기청정기와의 성능 비교를 위해 D회사와 E회사의 대표적인 두 가지 제품을 본 장치와 동일한 조건 하에서 동일한 실험을 진행하였다.

그림 6과 그림 7은 D회사의 테스트 결과를 보여준다. 이 제품은 송풍기가 없고 에너지소모는 몇 W 수준이다. 그러나 확산, 흡착, 상호반응에 의한 일부 생성물의 소실을 고려할 때 이 제품은 오염물질 제거에 별로 영향을 미치지 못하고 있다. 동일한 아크릴 박스에서 담배연기를 제거하는데 20분이 걸렸다.

그림 6. 처리시간에 따른 암모니아, Trimethylamine과 에탄올 농도
(두 개피 담배를 50×50×100cm³의 박스 안에서 태웠을 때)

그림 7. 처리시간에 따른 암모니아, Trimethylamine과 에탄올의 제거효율
(두 개 담배를 50×50×100cm³의 박스 안에서 태웠을 때)

그림 8, 9, 10, 11은 E회사의 공기청정기 테스트 결과이다. 두 개피 담배를 태웠을 때 담배연기는 20초내에 사라졌고 네 개피 담배일 때는 30초가 걸렸다. 풍량이 본 실험실제품의 경우 보다 2배이상 높았음에도 불구하고 동일한 제거효율을 얻는데 3배 이상의 시간이 걸렸고 제거효율도 낮았다.

그림 8. 처리시간에 따른 암모니아와 Trimethylamin의 농도
(두 개피 담배를 50×50×100cm³의 박스 안에서 태웠을 때)

그림 9. 처리시간에 따른 암모니아와 Trimethylamine의 제거효율
(두 개피 담배를 50×50×100cm³의 박스 안에서 태웠을 때)

그림 10. 처리시간에 따른 CO와 에탄올의 농도
(네 개피 담배를 50×50×100cm³의 박스 안에서 태웠을 때)

그림 11. 처리시간에 따른 CO와 에탄올의 제거효율
(네 개피 담배를 50×50×100cm³의 박스 안에서 태웠을 때)

5. 결론

위 실험들을 통해 분석한 본 플라즈마를 이용한 공기청정기 제품의 장점은 다음과 같다.

(1) 부유입자와 유해물질의 동시 제거
(2) 컴팩트(compact)한 구조, 안정적이고 강한 스트리머(streamer) 방전, 편리하고 안전한 운행, 저소음
(3) 간단한 H.V. 전원은 높은 신뢰성과 함께 제작이 간편하고 스트리머 코로나 방전 반응기에 설치 편리
(4) 저 단가 실내공기정화 및 우수한 성능