< 연구 결과요약서 >
소속 학교 분당중앙고 책임 지도교사 이O익
참여 학생 이O준
과 제 명 미세먼지 필터 구조탐구를 통한 효율적인 필터 검증 방법에 관한 연구
연구목표
현행 미세먼지 필터 검증방법의 단점과 문제점을 보완하여 경제적, 시간적인 면에서 우수한 검증방법을 개발하여 보다 경제적인 방법으로 효율적이고 성능이 좋은 필터를 선별하는 방법과 기준을 제시하고자 한다. 이 기준을 통해서 현재 소비자들이 미세먼지 필터를 구입할 때 유의해 야 할 점을 제시하여 궁극적으로 미세먼지로 인한 건강적인 피해를 최소화하고자 한다.
연구개요 및 내용
□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)
○ 매년 봄이 되면 미세먼지 때문에 호흡기질환이 급격히 증가하고 있다. 이에 의한 피해를 예방하기 위해 외출 시에는 마스크를 착용하여 피해를 최소화하고 집안에 미세먼지의 유입을 막기 위해서 방진 망을 이용하고 있다. 그런데 많은 필터가 99%이상의 미세먼지를 거른다는 허위과장 광고로 미세먼지 방진 망이나 마스크 등을 판매하고 있다는 사실을 발견할 수 있었다1).
○ 과장광고가 넘쳐나는 미세먼지 필터의 시장에서 소비자는 식약청의 KF검증 방식이 경제적, 시간적인 측면에서 너무 많은 비용이 들기 때문에 무엇이 과장광고인지 구분하기가 어려울 수밖에 없다. 이에 본 연구에서는 보다 효율적인 방법으로 필터를 검증할 수 있는 방법을 모색하 여 소비자가 필터 검증과정의 비효율성으로 인해 받을 수 있는 피해를 최소화하고자 하였다.
이에 유속과 미세먼지 농도의 자연적 감소를 모두 고려한 실험설계와 척도개발을 통해서 기존 필터검증과정에서의 비효율성을 어느 정도 해소하고자 하였다. 또한, 개발한 효율적인 미세먼지 필터의 검증방법을 통해 소비자들이 어떤 미세먼지 필터를 구입하여 사용해야 하는지를 알리고, 고가의 미세먼지 필터의 성능 측정의 가늠자를 제시해 보고자 본 연구를 진행하게 되었다.
□ 이론적 배경 및 선행연구
○ PM10의 미세먼지는 먼지의 직경이 이하, PM2.5의 초미세 먼지의 경우에는 직경이
.이하인 먼지를 말한다.
○ 지난 연구 논문2)에 따르면 유속이 미세먼지 농도에 직접적인 영향을 미친다. 예를 들어 미세먼지 농도가 인 부피가
인 공기덩어리가 있다고 해보자. 이는 미세먼지 농도가 이고 부피가
인 공기덩어리와 분명히 같은 공기덩어리이다. 하지만 파장이 짧은 선을 이용해 미세먼지 농도를 구하는 고가(800 만원이상)과는 달리 파장이 긴 적외선을 이용해 미세먼지의 양을 측정하고, 이에 일정한 비율을 곱해 농도 값을 알려주는 저가(100 만원이하)의 미세먼지 측정기는 두 상황을 같은 상황으로 인지하지 못하고 전자의 경우에는 농도를 약 , 후자의 경우에는 약 로 알려준다. 이러한 문제를 해결하고자 (유속을 고려한 필터의 미세먼지 여과율, %)라는 새로운 지표를 도입하게 되었고, 이 식은 다음과 같다.(유속을 고려한 필터의 미세먼지 여과율, %)
= 미세먼지농도 감소율(%) × 필터 장착시유속
필터미장착시유속
(1) 이 식(1)은 필터를 장착하지 않았을 때의 유속을 기준으로 필터를 장착하였을 때의 유속을 나눔으로써 각 필터의 통기성을 상대적인 비율로 나타내었다. 그 다음 미세먼지 농도 감소율에 곱해줌으로써 통기성으로 인한 필터링 성능의 차이를 고려하면서 미세먼지 여과율의 절대
값의 차이를 비교할 수 있게 되었다. 하지만 이 방법에서 비효율적인 면이 상당히 많이 있다.
먼저 고등학생의 연구 수준에서 유속을 구하기 쉽지 않다는 것이다. 일반적으로 민감한3) 유속계 는 300만원상당으로, 400만원이라는 주어진 환경 속에서 구하기에는 어려움이 크다. 이에 지난 연구에서는 비닐봉지에 일정량의 기체가 차오를 때까지의 시간을 측정해 유속을 측정하였다.
하지만 이 방법을 사용하면 유속계를 사용하는 것보다는 오차범위가 클 수밖에 없고, 유속계를 이용하는 것보다 시간도 많이 걸린다. 이에 (유속을 고려한 필터의 미세먼지 여과율, %)을 보다 효과적으로 구할 수 있는 방안을 고민하게 되었고, 그 개정한 식은 다음과 같다.
(유속을 고려한 필터의 미세먼지 여과율, %)
= 미세먼지농도 감소율(%)× 특정필터의평균공극의크기
미세먼지농도변화가인필터의평균공극의크기
(2) 필터의 유속의 크기와 평균공극의 크기는 비례하는 경향성을 가지고 있다. 이는 상식적으로도 당연한 사실이지만, 지난 연구논문에서 전자현미경 사진 촬영을 통해 실험적으로 밝혀낸 사실이 다. 따라서 “구하기 어려운 유속을 유속과 양의 상관관계를 가지고 있는 필터의 평균공극의 크기로 대체하여 구하면 어떨까?”라는 생각을 하게 되었다. 필터의 전자현미경 사진을 촬영할 수 있다면 평균공극의 크기를 구하는 것은 유속을 구하는 것보다 오차도 적고, 시간도 적게 걸리며 비용도 절약된다. 어떤 필터의 평균공극의 크기를 알았다고 해서 그 유속 값을 정확하게 바로 구할 수 있는 것은 아니다. 하지만 궁극이 가장 큰 필터의 평균 공극의 크기를 특정필 터의 평균 공극의 크기로 나눈 값은 필터의 유속과 평균공극의 크기는 비례하는 관계에 있으므로 구할 수 있다. 따라서 작년연구에서 사용한 식보다 시간, 경제적인 면에서 우수할 뿐만 아니라 오차범위도 좁혀 (유속을 고려한 필터의 미세먼지 여과율, %)을 구할 수 있는 새로 만든 식을 미세먼지 필터의 성능을 판단하는 지표로서 사용하였다.
□ 연구 방법
○ [실험1] 미세먼지 농도 감소율 실험
[실험1의 가설 : 유속을 고려한 미세먼지 농도감소율은 필터의 통기성에 비례하고, 필터 공극의 크기에는 반비례할 것이다.(단 호흡시와 같은 유속 사용)]
미세먼지 필터를 설치하여 필터별로 미세먼지 여과율을 측정할 수 있는 아크릴 체임버를 제작한 후, 아크릴 체임버에 공기 펌프를 부착하고 공기의 유속에 따라 이에 9가지 종류의 미세먼지 마스크와 필터들을 장착하고 각각의 미세먼지 농도 감소율을 측정한다. 이 방법은 상대적인 여과율을 측정수단으로 이용하기 위해 위의 식(1)을 활용하여 미세먼지 농도 감소율을 측정한 다. 유속은 미세먼지 필터가 마스크인 점을 고려하여 사람의 호흡시의 유속으로 설정하였다.
○ [실험2] 필터의 공극의 크기 측정 실험
[실험2의 가설 : 필터의 여과율이 좋을수록 여러 겹의 필터고 구성되고 실제구멍(전자현미경상 의 아주 까만 부분으로 찍힌 공극)크기의 평균값은 작을 것이다.]
9가지 필터의 구조를 파악하고 공극과 통기성의 구조를 알기위해 전자현미경사진을 각 필터 시료의 전자현미경 사진을 등의 배율로 찍어 각각의 구조를 파악한다.
각 필터의 구조를 찍은 전자현미경의 사진에 나타난 공극의 크기와 일정한 면적에서의 공극의 개수를 고려한 통기성의 정도를 파악하고, 이 필터를 아크릴 체임버에 놓고 실험했을 때 미세먼 지 농도측정기가 나타내는 미세먼지 농도의 감소율을 구하여 상대적인 여과 성능을 분석한다.
○ 아크릴 체임버를 통과하는 공기의 펌프에 따른 유속을 전제하고 공기가 통하면서 아 크릴 체임버 내의 미세먼지 농도의 감소율을 측정한 값과 공극의 크기나 통기성에 따른 미세먼지 여과율을 비교 분석한다.
※ 제한점 : ① 미세먼지 필터의 경우 2차원구조가 아닌 3차원 구조라는 점을 고려했을
1) ‘과장 광고’ 판치는 미세먼지 관련 상품들, 2018/04/05 시사저널, 조문희 기자
때, 공극의 크기와 수에 있어서 차이가 존재할 수 있다는 한계점이 있다. 하지만 동일한 면적에 보이는 공극의 크기와 수를 최대한 고려하여 오차를 줄이려고 노력하였다.
□ 연구 활동 및 과정
○ [실험1] 유속을 고려한 미세먼지 농도 감소율 측정실험
[실험1]을 위하여 아크릴 체임버를 설계4)하여 제작하였고, 미세먼지 측정기를 노트북과 블루투 스로 연결하여 시간에 따른 미세먼지 농도변화의 그래프를 구하였다.
○ [실험2] 필터의 공극의 크기 측정 실험
미세먼지가 여러 겹으로 된 필터의 기공을 통과하기 위해서는 완전히 열린 구멍이 있어 야 미세먼지가 막히지 않고 통과될 수 있다는 점에 착안하여 전자현미경사진(의 동일배율로 촬영)의 완전히 까만 부분의 기공의 크기를 루페를 이용하여 측정하였다.
연구성과
□ 연구 결과
유속을 고려하지 않고 미세먼지 여과율을 측 정했을 때는 오른 쪽의 표와 같이 전반적으로 농도가 실제 광고하는 값보다 낮게 나왔다.
하지만 유속을 공극의 크기를 이용하여 고려 해 미세먼지 여과율을 측정했을 때는 KF인증 의 검사 결과 값과 일치하는 결과가 나왔고, KF인증이 없는 필터와는 광고하는 수치의 절 반에 그치는 수준의 여과율이 나왔다.
□ 결과 해석 및 논의
○ KF인증이 있는 미세먼지 마스크는 KF검사 결과 값과 유속을 고려한 미세먼지 여과율이 정확하게 일치하였다. 이것으로 미루어 보았을 때 이 검증방법은 KF의 검증방법과 비슷한 수준의 정확도를 보일 수 있다고 해석하였다. 반면에 KF인증이 없는 나머지 필터는 대부분 광고하는 값의 절반에 그치는 수준의 미세먼지 여과율을 보인 것으로 보아, 미세먼지 필터의 과장광고 실태가 심각하다는 것을 파악할 수 있었다.
□ 결론 및 제언(시사점 및 향후 계획)
○ 이론적 배경에서 제시한 방법으로 유속을 고려한 미세먼지 농도 감소율을 필터별 미세먼지 농도 여과율과 공극의 크기를 이용하여 계산함으로서 보다 높은 정확도로, 저렴한 가격에 미세 먼지 필터를 검증할 수 있게 되었다. 기존의 KF인증 방식은 8개월 이상의 대기시간과 100만원상 당의 검사 비용5)이 소요되는 반면, 위 방법은 1시간 만에 필터 1개당 10만 원정도의 비용으로 KF검증방법과 일치하는 수치를 얻을 수 있다.
○ 소비자는 반드시 KF 인증이 있는 미세먼지 마스크를 구매해야하고, KF인증이 없는 경우 광고하는 수치를 신뢰할 수 없다는 결론을 내릴 수 있었다. KF 인증이 없고 외국의 기타 기관이나 ISO, KS등의 인증 받은 경우 광고하는 수치의 절반수준에 그치는 여과 율을 보인다.
소비자는 반드시 KF인증이 있는 미세먼지 마스크를 구매해야 한다.
○ 본 연구의 한계점은 미세먼지 농도가 같은 날 모든 실험을 다하지 못해서 초기 농도의 차이로 오차가 존재한다는 한계가 있었다. 이 외에도 필터 공극의 크기 측정에 있어서 최대한 정확히 측정하려 하였지만, 표본의 수를 25개로 하여 표본의 수가 적을 수 있다는 한계가 존재한다. 구입한 미세먼지 측정기가 적외선 산란방식을 사용해서 선을 이용하는 고가의 미세먼지 측정기 보다는 오차 유발의 가능성이 있다.
주요어 미세먼지, 여과율, 미세먼지 농도, 필터, 유속, 공극, 통기성
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
매년 봄이 되면 황사를 동반한 미세먼지 때문에 야외활동의 제약은 물론 두통을 일으키거나 눈에 이물감이 늘고 동시에 호흡기질환이 급격히 증가하고 있다. 이는 건강상의 문제와 기계나 전기 제품에도 심각한 문제를 주기도 한다. 한 연구에 따르면6) 미세먼지에 포함된 유기탄소화합물, 질산염, 금속, 황산염 등이 인체에서 독성을 일으키기도 하고 작은 입자가 세기관지에서 염증반응을 일으켜 천식, 만성기관지염, 기도폐쇄 등을 유발한다. 이러한 영향 으로 미세먼지가 10㎍/㎥ 증가할 때마다 고혈압 발생률이 4.4%가 증가하는 등 미세먼지는 심각하고 만성적인 질환을 유발하는 원인이다. 이에 따라 이런 환경오염의 문제를 해결하기 위해 부득이 야외활동을 해야 하는 경우에는 마스크를 착용하여 피해를 최소화하고 미세먼지 농도가 높은 날에는 집안의 환기도 어려운 상황에 미세먼지의 유입을 막기 위해서 방진 망을 이용하고 있는데, 99.99%의 미세먼지를 거른다는 허위과장 광고로 고가의 미세먼지 방진 망이나 마스크 등을 판매하고 있다는 사실을 발견할 수 있었다7).
□ 연구범위
마스크 성능에 대한 허위 과장 광고 현상이 원인에는 현재 식약청의 KF검증 방식이 경제적, 시간적인 측면에서 비효율적이기 때문에 초래되는 면도 있는 것으로 파악하였다. 이에 본 연구에서는 보다 효율적인 방법으로 필터를 선정할 수 있는 방법을 모색하여 소비자가 필터 검증과정의 비효율성으로 인해 받을 수 있는 문제를 최소화하고자 하였다. 이에 유속과 미세먼지 농도의 자연적 감소를 모두 고려한 실험설계와 척도개발을 통해서 기존 필터검증과 정에서의 비효율성을 어느 정도 해소하고자 하였다. 또한, 미세먼지 측정기를 이용하여 미세 먼지의 유입에 있어서 필터들의 먼지 여과 효과를 분석하고, 필터구조를 탐구함으로써 어떤 형태의 필터의 구조가 미세먼지 여과에 효율적인지 알아보고 소비자들로 하여금 고가의 미세먼지 필터의 선택의 가늠자를 제시해 보고자 본 연구를 진행하게 되었다.
(http://www.sisapress.com/journal/articlePrint/174644)
2) “멜라민수지 발포 스펀지(매직블록)의 찌든 때 제거원리 및 필터로서의 응용 탐구(The Mechanism and Potential Application as Filters of Magic Erasers)”, 2017 Annual STEAM Journal, 분당중앙고, 이승준, 김준석
3) “민감하다“의 기준은 최고 풍속 측정범위가 1m/s이고 소수점 둘쨰 자리까지의 유속을 나타낼 수 있는 유속계를 의 미함
4) 도면설계용 S/W-Canvas사용
5) 5) 재단법인 경북테크노파크 첨단 메디컬 융합섬유센터, KOLAS 국제 공인 시험기관, 식약처 의약품 등의 시험 검 사기관, 연구개발팀 김은미 박사
6) 미세먼지의 건강영향(Health Effects of Ambient Particulate matter), 2007 연세의대 예방 의학 교실, 신동천 (https://synapse.koreamed.org/pdf/10.5124/jkma.2007.50.2.175)
7) ‘과장 광고’ 판치는 미세먼지 관련 상품들, 2018/04/05 시사저널, 조문희 기자 (http://www.sisapress.com/journal/articlePrint/174644)
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
1. 미세먼지 농도 감소율 척도의 한계점
지난 연구 논문8)에 따르면 유속이 미세먼지 농도에 직접적인 영향을 미친다. 예를 들어 미세먼지 농도가 인 부피가 인 공기덩어리가 있다고 해보자. 이는 미세먼지 농도가 이고 부피가 인 공기덩어리와 분명히 같은 공기덩어리이다. 하지만 파장이 짧은 선을 이용해 미세먼지 농도를 구하는 고가(800 만원이상)과는 달리 파장이 긴 적외선을 이용해 미세먼지의 양을 측정하고, 이에 일정한 비율을 곱해 농도 값을 알려주는 저가(100 만원이하)의 미세먼지 측정기는 두 상황을 같은 상황으로 인지하지 못하고 전자의 경우에는 농도를 약 , 후자의 경우에는 약 로 알려준다.
[그림 2] 미세먼지 농도 측정기 원리 및 한계점
이러한 문제를 해결하고자 (유속을 고려한 필터의 미세먼지 여과율, %)라는 새로운 지표 를 도입하게 되었고, 이 식은 다음과 같다.
(유속을 고려한 필터의 미세먼지 여과율, %)
= 미세먼지농도 감소율(%) × 필터 장착시유속
필터미장착시유속
(1)
이 수식은 필터를 장착하지 않았을 때의 유속을 기준으로 필터를 장착하였을 때의 유속을 나눔으로써 각 필터의 통기성을 상대적인 비율로 나타내었다. 그 다음 미세먼지 농도 감소율 에 곱해줌으로써 통기성으로 인한 필터링 성능의 차이를 고려하면서 미세먼지 여과율의 절대 값의 차이를 비교할 수 있게 되었다. 이 방법은 지난 연구 논문에서 사용한 계산 방법이 다. 하지만 이 방법에서 비효율적인 면이 상당히 많이 있다. 먼저 고등학생의 연구 수준에서
8) “멜라민수지 발포 스펀지(매직블록)의 찌든 때 제거원리 및 필터로서의 응용 탐구(The Mechanism and Potential Application as Filters of Magic Erasers)”, 2017 Annual STEAM Journal, 분당중앙고, 이승준, 김준석
유속을 구하기 쉽지 않다는 것이다. 일반적으로 민감한9) 유속계는 300만원상당으로, 400만원 이라는 주어진 환경 속에서 구하기에는 어려움이 크다. 이에 지난 연구에서는 비닐봉지에 일정량의 기체가 차오를 때까지의 시간을 측정해 유속을 측정하였다. 하지만 이 방법을 사용하면 유속계를 사용하는 것보다는 오차범위가 클 수밖에 없고, 유속계를 이용하는 것보 다 시간도 많이 걸린다. 이에 공극을 고려하여 (유속을 고려한 필터의 미세먼지 여과율,
%)을 보다 효과적으로 구할 수 있는 방안을 고민하게 되었고, 그 개정한 식은 다음과 같다.
(유속을 고려한 필터의 미세먼지 여과율, %)
= 미세먼지농도 감소율(%)× 특정필터의평균공극의크기
미세먼지농도감소가없는필터의평균공극의크기
(2)
상식적으로 필터의 유속의 크기와 평균공극의 크기는 비례하는 경향성을 가지고 있다.
이는 상식적으로도 당연한 사실이지만, 지난 연구논문(참고문헌[1])에서 전자현미경 사진 촬영을 통해 실험적으로 밝혀낸 사실이다. 따라서 “구하기 어려운 유속을 유속과 양의 상관관 계를 가지고 있는 필터의 평균공극의 크기로 대체하여 구하면 어떨까?”라는 생각을 하게 되었다.
[그림 3] 통기성과 유속의 관계
필터의 전자현미경 사진을 촬영할 수 있다면 평균공극의 크기를 구하는 것은 유속을 구하는 것보다 오차도 적고, 시간도 적게 걸리며 비용도 절약된다. 어떤 필터의 평균공극의 크기를 알았다고 해서 그 유속 값을 정확하게 바로 구할 수 있는 것은 아니다. 하지만 궁극이 가장 큰 필터의 평균 공극의 크기를 특정필터의 평균 공극의 크기로 나눈 값은 필터의 유속과 평균공극의 크기는 비례하는 관계에 있으므로 구할 수 있다. 따라서 지난 연구(참고문 헌[1])에서 사용한 식보다 시간, 경제적인 면에서 우수할 뿐만 아니라 오차범위도 좁혀 (유속 을 고려한 필터의 미세먼지 여과율, %)을 구할 수 있는 새로 만든 식을 미세먼지 필터의 성능을 판단하는 지표로서 위의 식(1)을 사용하였다.
9) “민감하다“의 기준은 최고 풍속 측정범위가 1m/s이고 소수점 둘쨰 자리까지의 유속을 나타낼 수 있는 유속계를 의 미함
2. 밀폐된 공간에서 미세먼지 농도의 자연적 감소와 농도 안정화
지난 연구(참고문헌[4])에 따르면 아크릴 체임버와 같은 밀폐된 공간 내에서는 미세먼지 농도가 일정시간이 지나면 0까지 자연적으로 감소한다. 이 현상을 고려하지 않고 실험 을 진행한다면, 미세먼지 농도가 감소하는 원인이 필터 때문인지, 자연적으로 감소하는 현상 때문인지 알 수가 없을 것이므로 실험의 변인통제에 문제가 생긴다. 이 문제를 해결하기 위해 지난 연구에서 제시한 해결책인 미세먼지 농도 안정화시간 1분을 거친 후 다른 모든 실험을 진행하였다.
□ 연구주제의 선정
○ 한 연구에 따르면10) 미세먼지가 10㎍/㎥증가할 때마다 고혈압 발생률이 4.4%가 증가 했다. 여성노인들에게서 미세먼지의 주요 성분인 방향족탄화수소가 인슐린 저항성을 증가시 켜 당뇨병 위험을 증가 시키는 것으로 나타났다. 최근 연구에서는 초미세먼지가 신경 세포를 공격하여 뇌에 손상을 주어, 치매, 파킨슨병 등의 뇌질환 위험을 증가시키는 것으로 알려졌다.
2015년 성균관의대 김도관 교수팀은 오존과 미세먼지의 상승이 우울증을 유발해 자살 위험을 높이는 것으로 나타났다. 이 연구에서는 대기 중 미세먼지 농도가 약 37㎍/㎥ 증가할 때마다 주간 자살률이 각각 7.8%와 3.2%씩 증가하였다. 연구팀은 미세먼지나 오존 같은 대기오염 물질이 면역 체계와 신경전달물질을 교란시켜 우울감과 충동성에 영향을 주는 것으로 밝혔 다.
미세먼지와 건강과의 관련성은 아직 연구 중에 있지만, 미세먼지 문제가 날이 갈수록 심각 해지고 있어 그 피해는 점점 커질 수밖에 없는 실정이다. 국립환경과학원 대기환경연보에 따르면 최근 3년간 서울시 미세먼지 농도는 약 47㎍/㎥, 초미세먼지 농도는 약25㎍/㎥로 세계보건기구의 권고기준보다 두 배 이상 높다.
이런 가운데 경제협력개발기구(OECD)가 지난해 발표한 자료에 따르면, 2010년 기준 으로 대기오염물질로 인한 조기사망률은 우리나라에서만 연간 약 1만7,000명에 달한다.
이대로 간다면 우리나라는 2060년 대기오염으로 인한 조기사망자가 5만2,000명까지 늘 어나 중국, 인도 다음으로 높아진다.
이처럼 미세먼지는 다양하고 만성적인 면역질환, 뇌질환, 심장질환 등을 초래한다. 그 리고 대기오염에 의한 사망자수가 증가하는 것도 최근의 미세먼지 농도의 꾸준한 증가 와 관련성이 있어 보인다. 여기서 대기오염과 관련된 문제는 단기간에 해결하기가 어 렵기 때문에 미세먼지 농도가 높은 날에는 성능이 검증된 미세먼지 마스크를 착용해서 이런 질환이 발병하는 것을 예방하는 것이 최선이라고 할 수 있다.
10) 미세먼지의 건강영향(Health Effects of Ambient Particulate matter), 2007 연세의대 예방 의학 교실, 신동천 (https://synapse.koreamed.org/pdf/10.5124/jkma .2007.50.2.175)
□ 연구 방법
1. 실험 방법 및 과정
[실험1] 미세먼지 농도 감소율 측정 실험
[실험1의 가설 : 미세먼지 농도감소율은 필터의 통기성에 비례하고, 필터 공극의 크기에는 비례할 것이다.]
[그림 7] 유속의 세기와 필터의 공극의 크기에 따른 필터성능
위의 [그림 6]과 같이 같은 성능의 필터라면 유속의 세기에 비례하고 유속의 세기는 필터의 공극의 크기에 비례할 것이다. 또한 유속이 빠를수록 필터에 남아 있는 미세먼지의 량이 적을 것이므로 필터의 성능은 더욱 좋아질 것이다.
본 [실험1]을 위하여 아크릴 체임버를 설계하여 제작하였고, 미세먼지 측정기를 노트북과 블루투스로 연결하여 시간에 따른 미세먼지 농도 변화의 그래프를 구하였다. 아크릴 체임버 에 공기 펌프를 부착하고 공기의 유속에 따라 이에 9가지 종류의 미세먼지 마스크와 필터들을 장착하고 각각의 미세먼지 농도 감소율을 측정한다. 이 방법은 상대적인 여과율을 측정수단 으로 이용하기 위해 위의 식(1)을 활용하여 미세먼지 농도 감소율을 측정한다.
[실험2] 필터 공극의 크기 측정 실험
[실험2의 가설 : 필터의 여과율이 좋을수록 여러 겹의 필터고 구성되고 실제구멍(전자현미 경상의 아주 까만 부분으로 찍힌 공극)크기의 평균값은 클 것이다.]
9가지 필터의 구조를 파악하고 공극과 통기성의 구조를 알기위해 전자현미경사진을 각 필터 시료의 전자현미경 사진을 등의 배율로 찍어 각각의 구조를 파악한 다.
미세먼지가 여러 겹으로 된 필터의 기공을 통과하기 위해서는 완전히 열린 구멍이 있어야 미세먼지가 막히지 않고 통과될 수 있다는 점에 착안하여 전자현미경사진
( 의 동일배율로 촬영)의 완전히 까만 부분의 기공의 크기를 루페를 이용하여 측
정하였다.
[그림 8] 미세먼지 필터 공극 측정 방법
위의 [그림 8]에서 보는 바와 같이 필터의 올이 존재하지 않는 영역의 크기를 필터 별 로 25개씩 측정한 뒤, 평균을 내어 필터의 평균 공극의 크기를 구하였다.
각 필터의 구조를 찍은 전자현미경의 사진에 나타난 공극의 크기와 일정한 면적에 서의 공극의 크기의 평균값을 고려한 통기성의 정도를 파악하고, 이 필터를 아크릴 체임버에 놓고 실험했을 때 미세먼지 농도측정기가 나타내는 미세먼지 농도의 감소 율 을 구 하 여 상 대 적 인 여 과 성 능 을 분 석 하 였 다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 맨 처음의 실험설계는 미세먼지를 각 필터들에 포집하여 미세 먼지 량을 측정하여 분 석 하 려고 하 였 다. 하지만 미세 먼지 량을 측정하는 과정에서 실험자의 손으로 만져서 시료를 오려서 전자현미경사진을 찍어야 하므로 오차가 커서 측정이 불가 능 했 다. 그래서 다른 실험 방법을 고민하였다.
○ 두 번째 시행착오는 실험 과정에서는 한꺼번에 모든 필터들의 실험이 불가능했다.
그래서 다른 날 실험을 하면 미세먼지 농도라 다르게 측정되는 문제가 발생했다. 그 변인을 통제하기 위해서 미세먼지 농도를 같게 유지할 수 있도록 미세먼지 발생 비닐하우스를 제작하여 실험하려고 하였다. 하지만, 실험실의 미세먼지와 실험자의 건강상의 문제로 실질적인 실험은 못하게 되었다. 그래서 가능하면 미세먼지가 농도가 나쁨으로 관측되는 날에 모든 필터들의 실험을 할 수 있도록 실험 장비를 준비해 놓고, 시간차는 있지만 같은 날에 모든 필터들에 대한 유속에 따른 미세먼지 농도변화를 측정하는 것으로 설계하게 되었다.
○ 공극의 크기를 측정하여 필터의 여과율을 측정하는 실험에서 미세먼지 필터의 공극을 측정할 때 필터들이 여러 겹으로 되어 있어서 공극을 측정하는 방법을 고민하였다. 필터 한 올의 굵기와 공극의 관계를 이용해 보고, 공극의 크기는 필터의 통기성과 같은 경향성이 있다는 사실을 인지하고 공극의 크기를 측정할 때 필터는 3차원 입체인데 공극의 크기는 2차원 평면이기 때문에 적용이 어렵다는 교수님 자문을 받았다. 하지만, 그럼에도 미세먼지
가 통과되는 것은 겹과 겹에서 필터의 올에 걸리지 않고 통과되는 경우만 공극으로 정의내 리고 실험하게 되었다.
○ 시설활용은 전자현미경의 촬영은 교수님의 사정으로 인하여 인하대에 의뢰하여 미세 먼지 필터들의 전자현미경사진을 촬영하였다. 실험은 주로 분당중앙고 물리실에서 주로 실험하였다. 필터 장착용 아크릴 체임버는 도면설계용 소프트웨어인 canvas를 이용하여 도면 설계를 하였고, 교수님의 도움을 받아 아크릴 절단 공장에 의뢰하여 도면대로 절단된 아크릴을 직접 아크릴용 본드를 붙여 제작하였다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
1. [실험 1] 미세먼지 필터의 미세먼지 농도 감소율 측정 실험 결과
이 실험을 통하여 9가지 필터의 시료는 크게 4가지 범주로 나눌 수 있었다. KF 인 증된 마스크류, ISO, KS, 또는 외국의 인증을 받은 KF이외 인증 마스크, 창문용 방진 망으로 사용되는 필터류, 마지막으로 농도 감소에 영향을 주지 않는 기준이 주는 필터 4가지 범주로 나눌 수 있었다.
미세먼지 농도 감소율의 측정에 있어서 본 [실험1]에서는 유속이 고려되지 않은 값으 로 미세먼지 농도 감소율을 측정한 결과는 다음과 같이 나타났다.
[그림 9] 필터별 미세먼지 농도 감소율 2. [실험 2] 필터의 공극의 크기 측정 실험 결과
필터의 공극의 크기를 측정하여 이 공극의 크기의 평균값을 구한 샘플을 위에서 분 류한 4가지 범주로 나누어 예시를 보면 다음과 같다.
[그림 10] 미세먼지 필터 공극의 측정 사진, 전자현미경사진()
본 실험에서 사용된 9가지 미세먼지필터 공극의 크기를 측정한 값은 다음과 같다.
[표 1] 미세먼지 필터 공극의 측정값
여기서 한지의 경우 [실험1]에서 미세먼지 농도감소가 0이라는 점에서 다음의 식과 같이 미세먼지 농도 감소가 없는 필터의 공극의 크기를 기준으로 삼아 다음 식으로 계 산하였다.
(유속을 고려한 필터의 미세먼지 여과율, %)
= 미세먼지농도 감소율(%)× 특정필터의평균공극의크기
미세먼지농도감소가없는필터의평균공극의크기
3. 결론
KF인증이 있는 미세먼지 마스크는 KF검사 결과 값과 유속을 고려한 미세먼지 여과 율이 정확하게 일치하였다. 구체적으로 미세먼지 농도와 공극의 크기에 따른 여과율과 필터 광고시의 여과율 차이는 다음과 같다.
[표 2] 미세먼지 농도와 공극의 크기에 따른 여과율과 필터 광고시의 여과율 차이 분석
이것으로 미루어 보았을 때 이 검증방법은 KF의 검증방법과 비슷한 수준의 정확도 를 보일 수 있다고 해석하였다. 반면에 KF인증이 없는 나머지 필터는 대부분 광고하 는 값의 절반에 그치는 수준의 미세먼지 여과율을 보인 것으로 보아, 미세먼지 필터의 과장광고 실태가 심각하다는 것을 파악할 수 있었다.
□ 시사점
이론적 배경에서 제시한 방법으로 유속을 고려한 미세먼지 농도 감소율을 필터별 미세먼지 농도 여과율과 공극의 크기를 이용하여 계산함으로서 보다 높은 정확도로, 저렴한 가격에 미세먼지 필터를 검증할 수 있게 되었다. 기존의 KF인증 방식은 8개월 이상의 대기시간과 100만원상당의 검사 비용11)이 소요되는 반면, 위 방법은 1시간 만에 필터 1개당 10만 원정도 의 비용으로 KF검증방법과 일치하는 수치를 얻을 수 있다. 본 연구의 결론으로 미루어 보아 소비자는 반드시 KF 인증이 있는 미세먼지 마스크를 구매해야하고, KF인증이 없는 경우 광고하는 수치를 신뢰할 수 없다는 결론을 내릴 수 있었다. KF 인증이 없고 외국의 기타 기관이나 ISO, KS등의 인증 받은 경우 광고하는 수치의 절반수준에 그치는 여과 율을 보인다. 소비자는 반드시 KF인증이 있는 미세먼지 마스크를 구매해야 한다.
4. 홍보 및 사후 활용
본 연구의 한계점은 미세먼지 농도가 같은 날 모든 실험을 다하지 못해서 초기 농도의 차이로 오차가 존재한다는 한계가 있었다. 이 외에도 필터 공극의 크기 측정에 있어서 최대한 정확히 측정하려 하였지만, 표본의 수를 25개로 하여 표본의 수가 적을 수 있다는 한계가
11) 재단법인 경북테크노파크 첨단 메디컬 융합섬유센터, KOLAS 국제 공인 시험기관, 식약처 의약품 등의 시험 검 사기관, 연구개발팀 김은미 박사
존재한다. 구입한 미세먼지 측정기가 적외선 산란방식을 사용해서 선을 이용하는 고가의 미세먼지 측정기 보다는 오차 유발의 가능성이 있다.
○ 추후 논문집은 분당중앙고 Annual Journal 2018에 게재될 예정이고 본 연구에 사용된 아크릴 체임버, 미세먼지 측정기, 유속 측정기 등을 이용하여 추후 연구에 활용될 수 있을 것이다.
5. 참고문헌
[1] 강순국외 4인, “공기정화용 필터의 성능향상 연구” 한국연구재단(NRF) 연구성과물, 2차년도 연구보 고서, 제2권, p.133-169, 1997
[2] 노병국, 최기홍, “사물인터넷 시반 초미세먼지(PM2.5) 측정 장치 개발”, Journal of the Korean Society of Safety, Vol.32, No. 1, pp.21-26, 2017.2
[3] 보건용 마스크의 기준 규격에 대한 가이드라인, 식품의약품 안전처. 식품의약품 안전 평가원, pp.8-10,2017.3
[4] 이승준, 김준석, “멜라민 수지 발포 스펀지(매직블록)의 찌든 때 제거원리 및 필터로서의 응용탐구 (The Mechanism and Potential Application as Filter of Magic Erasers)”, 2017 Annual STEAM Journal, 분당중앙고, p.3-35, 2017.12
[5] 조원경, “미세 먼지용 다층구조 마스크 층별 섬유구조 및 미세먼지 집진 효율 분석연구”, 석사학위논 문, 2016.12
[6] 환기장치와 필터를 활용한 미세먼지제거 특성조사, 기술&특허 2015.5.http://iuchem.co.kr
