고효율 electret polypropylene 필터의 성능과 실내공기청정기 적용성 평가
김학준⋅김용진*⋅한방우 한국기계연구원 청정환경기계연구센터
Performance of high efficiency electret polypropylene filter and its application to an indoor air cleaner
Hak-Joon Kim⋅Yong-Jin Kim*⋅Bangwoo Han
Environmental System Research Center, Korea Institute of Machinery & Materials (KIMM)
Abstract
A high efficiency roll-type electret polypropylene (PP) filter with an external electric field was developed and its particle collection efficiency and air cleaning capacity was investigated in a room when applied to an air cleaner having a fan. To enhance air cleaning performance of the cleaner, a wire-plate type ionizer was installed in front of the filter to enhance electric field to filter and one side of the filter was embossed by press of a pattern with a lot of circular projection. Performance test results showed that the newly developed electret PP filter with an ionizer becomes an appropriate filter to be applied to indoor air cleaner due to its low pressure drop and high air cleaning performance.
Keywords：Indoor air cleaner, Electret polypropylene filter, Ionizer, Air cleaning performance
1. 서론
산업화와 도시화 이후 각종 건축물에서 에너지 절약 및 효율을 높이기 위해 단열화 및 밀폐화가 강화됨에 따라 실내에서 발생된 오염 공기가 계속 적으로 순환되면서 실내 공기의 질이 악화되고 있 다. 도시생활에서는 사람이 하루 시간의 80∼90%
를 실내에서 생활하고 있고 외부에서 유입되는 오 염물질 외에도 실내 건축물 또는 가구 등에서 배 출되는 유해 오염물질이 지속적으로 증가하고 있 기 때문에 실내 오염원에 노출될 확률이 매우 높 아지고 있다. 최근 들어서는 이러한 실내 오염물 질의 오염농도가 점차 증가하여 장시간 실내에서 활동을 하는 사람 중에 두통, 현기증, 안질, 후두 염 등 건물증후군(SBS; Sick Building Syndrome)이 라는 질병의 발생 사례가 보고되고 있다(Anderson et al., 1997).
이러한 실내 환경에 대한 관심의 증가와 함께 대도시를 중심으로 공기청정기의 사용이 급증하 고 있다. 공기청정기는 오염물질 제거방식에 따라 기계식과 전기식 및 복합식으로 분류할 수 있고 기계식은 집진필터를 이용하여 입자를 제거하는 필터식(filter type)과 물을 이용하여 분진을 제거하 는 습식(wet type)으로 구분되며, 전기식은 고전압 으로 공기를 이온화하는 원리로서 집진판의 유무 에 따라 전기집진식(electrostatic precipitation type) 과 음이온식(ionizer type)으로 분리할 수 있다. 복 합식(complex type)은 기계식과 전기식의 기능이 복합되어 적용되는 경우를 말한다. 최근 대부분의 공기청정기는 높은 포집효율을 가진 기계식 집진 필터를 사용하고 있으며, 고성능 포집 효율을 얻 기 위해 섬유경을 작게 하여 제작된 헤파(HEPA) 필터 등을 사용하고 있다. 그러나 김은권(2000)은
동일한 충진밀도 및 필터 두께에 대하여 섬유경만 작게 할 경우, 미세입자의 포집효율은 증가하나 압력강하 등이 증가하는 문제점을 지적하였다. 이러한 단점을 해결하기 위해 최근에는 저압력 손실로 고포집효율을 가질 수 있는 electret필터가 주목을 받고 있다. electret필터로 널리 사용되고 있는 electret polypropylene (PP) 필터의 경우, PP 쉬트(sheet)를 코로나 방전을 일으키는 곳에 넣어 전하를 주입하면, 필터의 한 면에는 양전하를 다 른 한 면에는 음전하를 띠게 된다. 그러나 이 방식 역시 실내공간 내 하전된 미세입자의 농도에 크게 영향을 받는 문제점이 있다.
본 연구에서는 PP필터의 포집효율을 극대화하 기 위한 방안으로, PP 쉬트면을 원형 패턴으로 엠 보싱처리하고, PP 쉬트를 롤(roll) 형식으로 말아 실린더형 필터를 제작하여 집진면을 증가시키고 자 하였으며, 필터 전단부에 추가적으로 하전부를 장착하여 하전된 미세입자 농도를 증가시키고자 하였다. 그리고 이러한 방안이 PP필터 성능에 미 치는 영향을 실험을 통해 파악하고자 하였다.
2. 실험 방법
2.1 제작된 PP 필터의 구조 및 전기적 및 유체 역학적 특성
Fig. 1과 2는 본 연구에서 사용된 필터의 하전부 와 집진부의 구조 및 사양과 전체 공기청정기 개 략도를 보여주고 있다. 하전부의 경우 13개의 텅 스텐 와이어와 대응극인 금속 집진부로 구성된 전 형적인 와이어-판형 하전부를 사용하였으며, 집진 부의 경우 250㎜ 직경의 실린더형 PP필터를 제작 하였다. PP필터의 한 면은 원형으로 엠보싱 처리
하였으며 필터 쉬트간 간격(h)을 0.5, 0.6, 0.8㎜로 제작하였고, 필터 두께(t)는 25, 33, 50㎜로 변화시 켰다.
2.2 풍량, 차압 및 전기장 측정시험
풍량시험은 Fig. 3에서 보는 것과 같이 공기청
정협회 규격(SPS-KACA002-132 규격) 11.16항의 절차에 따라 공기청정기를 집진시험 덕트(610×610
㎜)에 장착시켜 중, 고, 터보 모드에서 오리피스식 풍량계를 이용하였으며, 공기청정기 전ㆍ후단부 에 압력측정용 튜브를 장착하여 압력측정기(Testo 350-M/XL, Testo)를 이용하여 차압을 측정하였다.
본 연구에 사용된 PP 필터의 전기장은 300㎜ 길이 의 필터 쉬트면을 10등분하여 각각의 위치에서 앞 ㆍ뒤면의 정전압(Static voltage)을 정전압측정기 (Statiron, Shishido electrostatic, Ltd.)로 측정한 후 각 면의 정전압값을 평균하였다. 본 필터가 장착 된 공기청정기의 중, 고, 터보 모드 시 각각의 풍 량은 0.82, 1.74, 4.08㎥/min이었으며, 필터의 전기 적 특성은 필터 제작 조건과 무관하였다. Table 1 과 Fig. 4는 본 연구에 사용된 필터 하전부의 전압 전류 특성과 집진부 설계 사양 및 그에 따른 전기 적, 공기역학적 특성을 보여주고 있다.
2.3 집진효율시험
본 연구의 실험방법으로는 한국공기청정협회의 단체표준규격을 적용하였다. 한국공기청정협회 Fig. 1. Structure and specifications of an ionizer and electret PP filter unit.
Fig. 2. Schematic diagram of an air cleaner with a wire-plate type ionizer and an electret polypropylene filter.
Table 1. Specifications and electrical and aerodynamical characteristics of PP filters.
Filter classification
Filter height (h,㎜)
Filter thickness (t,㎜)
Electrostatic field (KV/㎜)
△P(Pa) at 4.5㎥/min
Flow rate at Turbo mode
(Q,㎥/min) A25
A33 A50 B33 C33
0.5 0.5 0.5 0.6 0.8
25 33 50 33 33
7.6 12.3
8.7 12.0 10.0
131 174 212 104 70
4.80 4.08 3.45 5.64 6.28
Fig. 3. Schematic diagram of collection efficiency test of an air cleaner.
Fig. 4. Voltage verse current curve of an ionizer.
규격(SPS-KACA002-132 규격) 부록 1의 1-3항의 절차에 따라 집진효율은 Fig. 3의 시험 덕트 (610×610㎜)를 사용하였고, 덕트 상단부에는 HEPA필터를 장착하여 시험입자외 오염입자를 제 거하였으며, 덕트 상단 입자공급부에 교반팬과 공 기청정기 장착부 전단에 정류격자를 각각 설치하 여 시험입자가 균일하게 섞여 공기청정기 장착부 로 유입되게 하였다. 공기청정기 장착부에는 하전 부 및 PP필터가 장착된 공기청정기를 설치한 뒤 운전모드에 대응하는 풍량으로 가동시키고, KCl 시험입자 공급장치(Model 3076, TSI)를 이용하여, 공기 유입측 시험 유로 내에 KCl 입자를 연속적 으로 공급하면서 공기청정기 전단부 입자 농도가 108 - 109개/㎥유지되도록 하였다. 이때 공기청정 기의 상류 측과 하류 측의 직경 0.3㎛ 입자 농도를 광학입자계수기(Aerosol Spectrometer 1.109, Gri㎜) 를 이용하여 측정함으로써 집진효율을 구하였고, 집진효율 η는 다음 식으로부터 산출하였다.
1 100
0×
−
= Ci
η C
여기서, C0는 하류 측 0.25 - 0.35㎛ 구간 평균 입자개수농도(개/㎥), Ci는 상류 측 0.25 - 0.35㎛
구간 평균 입자개수농도(개/㎥)이다.
2.3 분진청정화능력 시험
한국공기청정협회 규격(SPS-KACA002-132 규 격) 부록 1의 4-5항의 절차에 따른 분진청정화능 력 시험은 일정 크기의 챔버에서 공기청정기를 가 동시킬 때 일정 시간 동안의 분진농도 감소량을 측정하는 시험으로써 운전감소 입자농도 측정과 자연감소 입자농도 측정을 각각 수행하였다. Fig.
5에서 보는 것처럼 운전감소 입자농도 측정은 가 로 4m, 세로 3m, 높이 2.5m의 30㎥ 시험챔버에서 0.3㎛ 입자크기 채널의 배경농도가 3×105개/㎥이 하가 되도록 유지한 이후 교반기로 충분히 교반을 시키면서 입자농도가 108~1010개/㎥에 도달 될 때 까지 시험입자 공급장치(Model 3076, TSI)로 KCl 입자를 발생시킨 뒤 챔버 벽면에서 5-10㎝, 바닥 에서 75㎝ 위치에 설치된 공기청정기를 최대풍량 으로 운전시키면서, 바닥으로부터 120㎝에 설치된
Fig. 5. Schematic diagram of air cleaning capacity test of an air cleaner.
(1)
샘플링 튜브를 이용해 입자농도를 광학입자계수 기(Aerosol Spectrometer 1.109, Gri㎜)로 계측하였 다. 시험은 0.3㎛ 채널의 입자농도가 그 채널의 초 기 농도의 1/3이 되는 시점까지 수행하였다. 자연 감소 입자농도 측정은 운전감소 입자농도 측정시 험과 동일한 시험 조건에서 공기청정기를 운전하 지 않은 상태로 운전감소 시험과 동일한 시간 동 안의 자연 감소량을 측정함으로써 구하였다. 체적 V인 실내에서 환기가 없을 때 공기청정기에 의한 시간 t에 따른 입자농도 C의 변화를 다음과 같이 표현할 수 있다.
dt CP VdC =−
(2) 여기서, P가 공기청정기의 분진청정화능력(㎥
/min)이고, 식 (2)의 미분방정식을 풀면 다음과 같 이 나타낼 수 있다.
−
−
=
1 1 2
2 ln
ln
i t i
t
C C C
C t P V
(3) 여기서, V는 시험챔버 체적(㎥), t는 운전감소시 의 측정시간(min), Ci1은 자연감소시 측정개시점 t=0에서의 0.25-0.35㎛ 입경구간 평균입자농도(개/
㎥), Ct1은 자연감소시 측정시간 t분에서의 0.25- 0.35㎛ 입경구간 평균입자농도(개/㎥), Ci2는 운전 감소시 측정개시점 t=0에서의 0.25-0.35㎛ 입경구 간 평균입자농도(개/㎥), Ct2는 운전감소시 측정시 간 t분에서의 0.25-0.35㎛ 입경구간 평균입자농도 (개/㎥) 이다. 적용면적 A(m2)는 1시간당 1회의 자 연환기 조건에서 공기청정기를 10분 동안 가동시 켜 실내입자농도를 초기농도의 50%로 낮출 수 있 는 방의 크기를 기준으로 한 것으로 이때 천장 높 이를 2.4m로 할 경우 A=7.92P로 산출할 수 있다.
본 연구에서는 PP필터 전단에 추가적으로 하전 부를 장착하여, 하전부 장착 여부 및 인가전압/전 류 증가에 따른 공기청정기의 성능 향상 정도를 파악하고자 하였으며, 필터 한 면의 엠보싱 처리 를 통해 집진 면을 증가시킨 PP 필터를 제작하여, 필터 쉬트 면간 간격(h)과 두께 변화에 따른 공기 청정기 성능 변화도 파악하고자 하였다.
3. 실험 결과
3.1 하전부 전압인가 여부 및 필터 조건에 따른 집진성능 변화
Fig. 6은 A33 PP필터를 장착한 공기청정기의 하 전부 인가전압에 따른 집진효율변화를 나타내고 있다. Fig. 6에서 보는 것처럼, 본 연구의 실험조건 에서 인가전압이 증가수록 집진효율이 증가하는 경향을 나타내었다.
Figs. 7과 8은 하전부 전압 인가 여부와 PP필터 쉬트면 사이 간격 그리고 필터 두께가 필터 집진 성능에 미치는 영향을 보여주고 있다. 본 집진실 험에서는 각 필터 조건에서 공기청정기 운전조건 을 터보 모드(최대풍량조건)로 고정하고, 하전부 에는 5.18KV/0.2mA의 전압/전류를 인가하였다.
Table 1에서 A33, B33, C33을 비교해 보면 간격이 0.5㎜에서 0.8㎜로 증가하면서 차압이 감소하였으 며, 차압감소로 인해 공기청정기 터보 모드시 풍 량이 4.08㎥/min에서 6.28㎥/min으로 증가한 것을 알 수 있다. 따라서 쉬트면 사이 간격과 필터 두께 만의 집진성능에 대한 영향을 파악하고자 집진효 율을 A33, B33, C33 PP필터를 공기청정기에 장착 하였을 때 풍량값으로 나누어 비교하였다. Fig. 7 에서 보는 것처럼 하전부 전압 인가여부와 무관하
Fig. 6. Changes in collection efficiency of an air cleaner with an PP filter by applied voltages of an ionizer.
Fig. 7. Changes in collection efficiency of an air cleaner with an PP filter with different gaps(h) between filter sheets.
Fig. 8. Changes in collection efficiency of an air cleaner with an PP filter with different thicknesses(t).
게 간격이 증가할수록 유량당 집진효율이 감소함 을 알 수 있다. 이는 Table 1에서 보는 것과 같이 간격이 증가할수록 필터면 사이의 정전기력이 약 해지기 때문이다. 그리고 하전부에 전압을 인가할 경우 집진성능이 2배로 향상되었다. Fig 8은 필터 두께에 따른 필터의 집진성능 변화를 나타내고 있 다. Table 1에서 보는 것과 같이 쉬트면 사이의 정 전기력은 두께에 관계없이 일정하나, Fig. 8에서 보는 것처럼 두께를 증가시킬수록 유량당 집진효 율이 증가하였다. 이는 두께가 증가할수록 미세입 자가 필터에 머무르는 체류시간이 증가하기 때문 이다.
Figs. 9와 10은 하전부 전압인가의 여부와 공기 청정기 풍량 변화에 따른 필터 성능변화를 보여주 고 있다. Fig. 9에서 보는 것처럼 0.3μm 미세 입 자에 대하여 하전부에 전압을 인가하지 않을 경우 풍량이 증가할수록 집진효율이 급격히 감소함을 알 수 있다. 이는 풍량이 증가할수록 필터를 통과 하는 유속이 증가하고, 이로 인해 미세입자의 필
터내부 체류시간이 감소하기 때문이다. 그러나 전 압을 인가할 경우 풍량증가에 따른 집진효율의 감 소율이 전압을 인가하지 않은 경우에 비해 크게 작음을 알 수 있다. 이로써 전압인가 시 집진효율 은 미세입자 체류시간보다 입자의 하전량에 크게 의존함을 알 수 있다. Fig. 10은 풍량과 전압변화 에 따른 입자 크기별 집진효율 변화를 보여주고 있다. 전압인가 시 전 입자 크기영역에서 80%이 상의 높은 집진효율을 보여주고 있으며, 전압을 인가하지 않은 경우 0.3μm 입자와 마찬가지로 풍 량이 증가할수록 집진효율이 크게 감소하였으며, 전압을 인가할 경우 집진효율의 변화가 거의 나타 나지 않았다.
3.2 하전부 전압인가 여부 및 필터 조건에 따른 청정화 능력 변화
Fig. 11은 A33, B33, C33 필터 조건에서 이론적 청정화능력 값과 실제 실험값을 비교한 결과를 보 여주고 있다. 대부분 이론적 청정화능력값과 실제
Fig. 9. Changes in collection efficiency of an air cleaner with an A33 PP filter with flow rates.
실험값이 매우 잘 일치하였으나, C33의 경우 이론 값이 실제값보다 높게 나타났다. 이는 C33시험 시 챔버 내부가 다량의 이온으로 인해 오염되어, 청 정화능력값이 높게 측정될 수 있다. 앞 Fig. 7에서 보는 것처럼 필터 간격이 증가할수록 유량당 집진 효율이 감소하였으나, 청정화능력 값은 Fig. 11처 럼 전압을 인가하지 않았을 경우 A33이, 전압을 인가한 경우 B33이 가장 높게 나타났다. 이는 공 기청정기의 청정화능력은 풍량과 집진효율의 곱 에 비례하기 때문이다. Table 2에서 보는 것처럼
전압을 인가하지 않은 경우 A33이, 전압을 인가한 경우 B33이 풍량과 집진효율의 곱이 가장 큼을 알 수 있다.
4. 결론
본 연구에서는 PP필터가 적용된 공기청정기의 집진효율을 극대화하기 위하여 PP 쉬트면을 원형 패턴으로 엠보싱처리하고, PP 쉬트를 롤(roll) 형식 Fig. 10. Collection efficiency curves of an air cleaner with/
without ionizer by particle diameters.
Table 2. Results of collection efficiency and Q×collection efficiency/100 by different PP filter conditions.
Filter classification
Flow rate (Q,㎥/min)
Collection efficiency(%) Q×collection efficiency/100 without E.E. with E.E. without E.E. with E.E.
A33 B33 C33
4.08 5.64 6.28
46.3 27.3 26.3
80.8 73.0 57.2
1.89 1.54 1.65
3.30 4.11 3.59
a) E.E. : external electric field
으로 말아 실린더형 필터를 제작하였으며, PP 필 터 전단부에 추가적으로 하전부를 장착하여 공기 청정기에 적용해 보았다. 그리고 제작된 PP필터의 기본 사양인 쉬트간 간격과 필터 두께의 변화 그 리고 하전부의 추가가 PP필터가 적용된 공기청정 기에 미치는 영향을 집진효율시험과 청정화능력 시험을 통해 조사하였다. 성능시험으로부터 다음 과 같은 결론을 얻었다.
1) PP 필터를 공기청정기에 적용하였을 경우 필 터 쉬트면 사이의 간격과 필터 두께에 따라 필터 및 공기청정기의 공기역학적 특성이 변하였으나, 전기적 특성은 변하지 않았다.
2) PP필터를 공기청정기에 적용할 경우, 고효율 집진성능을 확보하기 위해 하전부 추가가 요구되 며, 하전부의 인가전압은 하전부 특성에 따라 최적 공기청정기능을 가진 조건을 찾을 필요가 있다.
3) PP정전필터 쉬트면 사이 간격을 감소시키고, 두께를 증가시킬수록 공기청정기 집진효율은 증가
하나 필터 차압이 증가하는 문제점이 있을 수 있다. 4) 공기청정기 풍량을 증가시킬수록 PP필터 집 진성능이 급격히 감소하였으나, 하전부를 추가할 경우 풍량 증가에 따른 집진효율 저하의 정도는 미미하였다.
5) PP필터를 적용한 공기청정기의 풍량과 집진 효율의 곱으로부터 공기청정기의 실내공간에서의 청정화능력을 예상할 수 있으며, 고효율 공기청정 기능을 확보하기 위해 필터 쉬트면 간격을 증가시 키고, 필터 두께를 감소시켜 공기청정기 처리 풍 량을 증가시키면 이로 인해 발생한 집진효율 감소 의 문제점을 최소화하기 위해 하전부의 추가설치 가 필요하다.
감사의 글
본 논문의 작성을 위해 PP 필터를 제공해 주신 Fig. 11. Comparison between actual and theoretical air cleaning
capacity of different PP filters.
금보산업에 감사드립니다.
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