Particle and Aerosol Research
Par. Aerosol. Res. Vol. 8, No. 4: December pp. 143-150 http://dx.doi.org/10.11629/jpaar.2012.8.4.143
진동 방식을 이용한 곰팡이 공기 부유화 장치의 설계 및 성능 평가
안지혜1)⋅이상구2)⋅박철우1)⋅황정호1,2)*
1)연세대학교 기계공학과, 2)연세대학교 청정공학협동과정
(2012년 10월 12일 투고, 2012년 12월 3일 수정, 2012년 12월 6일 게재확정)
Design and Performance Test of Fungal Aerosol Generator using Vibration Method
Ji-Hye Ahn1), Sang-Gu Lee2), Chul Woo Park1), Jungho Hwang1,2)*
1)Department of Mechanical Engineering, Yonsei University
2)Graduate Program in Clean Technology, Yonsei University
(Received 12 October 2012; Revised 3 December 2012; Accepted 6 Decemberr 2012)
Abstract
Fungal particles have been known to aggravate indoor air quality. To develop fungal particle cleaning devices requires a well-controlled generator of fungal aerosol particles. In this study, a novel fungal aerosol generator was designed and tested for anti-fungal experiment. Cladosporium cladosporioides was selected as test fungal particle. After aerosolization, the number concentration and the size of particles were measured by aerodynamic particle sizer. The number concentration depended on the vibration strength and vibration period of the designed fungal aerosol generator.
For the vibration strength of 10volt and the period of 10 sec (5 sec on and 5 sec off), the stable particle generation with concentration of 10#/cm3 was maintained during 35 minutes.
Keywords：Cladosporium cladosporioides, Fungal aerosol generator, Vibration method
* Corresponding author.
Tel：+82-2-2123-2821, E-mail：[email protected]
1. 서 론
실내 공간에서의 생활시간이 길어짐에 따라 실내 공기가 인체에 미치는 영향에 대한 관심이 집중되 고 있으며 공기의 쾌적함을 위해 실내 환경을 조절 하는 에어컨, 공기청정기 등이 많이 등장하였다. 그 러나 실내 공기 중 부유 곰팡이가 에어컨 또는 공기 청정기 내부에서 서식, 번식함으로써 재실자의 인체 에 악영향을 미칠 수 있다(Burge, 2001; Stark et al., 2005). 또한 음식물, 이불, 옷 등과 같은 유기성 재료 들의 취급에 의해서 곰팡이의 확산이 촉진된다 (Lehtonen et al., 1993).
곰팡이 입자의 구성은 크게 포자(spore)와 파편 (fragment)으로 나뉘며, 그 중 생물학적 성장 및 번식 과 관여되는 입자는 포자이다. 이러한 곰팡이 포자 는 알레르기성 비염 등과 같은 호흡기 질환을 유발 한다(Portnoy et al., 2005; Holme et al., 2010). 포자는 공기 중에 부유해서 이동하거나 중력에 의해 침전 되어 호흡계에 도달하게 된다(Reponen et al., 1994).
입자의 크기가 10㎛이상의 포자는 호흡기계의 상부 위치인 후두(larynx)나 인두(pharynx)에 흡착되어 고 열 증세를 유발하고, 10㎛ 이하의 미세한 크기의 포 자는 폐 속 깊숙이 침투되어 알레르기나 천식과 같 은 심각한 과민성 호흡기계 증상을 초래한다(Horner et al., 1995; Baxter., 2011). 이와 같이 실내에 부유하 고 있으며 호흡기 질환이 나타나는 대표적인 곰팡 이에는 Cladosporium spp. Aspergillus spp, Penicillium spp and Al-ternaria spp가 있다(Cetinkaya et al., 2005;
Ljaljevic-Grbic et al., 2008). 이와 같이 실내 부유 곰 팡이의 실내 분포 특성 및 질병에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 또한 이에 따라 부유 곰팡이의 발 생 및 항 곰팡이 연구가 진행 중이다.
보통 부유 미생물의 발생 연구에서는 에어 필터 (air-filter)를 이용하고, 항 곰팡이 연구를 위해서는 우선 공기 중 부유 미생물을 발생시켜야 한다. 일반 적으로 공기 중 부유 세균(bacteria), 바이러스(virus) 발생의 경우 오토마이저(atomizer) 또는 네뷸라이저 (nebulizer) 등을 이용하여 액상 용액을 미립화 시켜 서 발생한다. 그러나 공기 중 부유 곰팡이 발생의 경우 곰팡이 입자의 크기가 크고 무거워 액상 용액 내에서 가라앉기 때문에 액상 용액 미립화 방법을 적용하는 것은 부적합하다(Reponen et al., 1996).
위와 같은 이유로 실제 상황과 같이 영양 배지에 서 자란 곰팡이를 직접 공기 중으로 날리는 방법에 대한 연구가 최근 진행되어 왔으며 팬 유량에 의한 발생, 오디오 신호를 이용한 연구, 에어 젯(air jet)과 회전에 의한 발생 등이 있다. 팬 유량에 따른 발생 (Kanaani et al., 2009)의 경우 일정한 공간 내에 배양 된 곰팡이 배지를 넣고 그 위에서 팬을 통해 공기를 불어넣어 줌으로써 입자를 발생시켰다. 1200초 동안 연속 발생을 한 결과, 초기 입자 수 농도는 약 30#/
㎝3이고 시간에 따라 감소되었다. 이때의 곰팡이 입 자는 Penicillium strains이고 입자 사이즈 범주는 1.4
∼2.6㎛로 나타났다. 오디오 신호(Scheermeyer1 and Agranovski, 2009)의 경우 오디오 신호 발생기 위에 곰팡이 배지를 올려놓고 오디오 신호를 줌으로써 입자를 발생시켜 공기흐름에 따라 내보내는 방식이 다. 600분 동안 10#/㎝3 이하의 입자 수 농도가 일정 하게 유지되었으며 입자 사이즈 범주는 곰팡이의 종류에 따라 다르게 나타났다. Aspergillus versicolor 는 1.0∼7.5㎛, Aspergillus niger는 1.6∼7.5㎛, Rhizopus는 1.0∼7.5㎛이다. 하지만 이와 같은 연구 들은 fragment와 spore가 같이 발생한다. fragment는 spore의 일부이고 fragment의 발생은 수 농도 측정 시에 입자로서 같이 측정된다(Kanaani et al., 2009).
그래서 fragment와 spore를 분리해서 발생할 수 있는 연구가 수행되었으며, 에어 젯과 회전에 의한 발생 (Lee et al., 2010)의 경우이다. 곰팡이의 배지를 회전 시키고 그 위에 공기를 통과시킴으로써 입자를 발 생시켰다. 10분 동안 발생시킨 결과, 이때의 곰팡이 입자는 Cladosporium cladosporioides이고 입자의 사 이즈 범주는 1∼3㎛로 나타났다.
위의 에어 젯과 회전에 의한 발생 연구를 이용하 여 항 곰팡이 연구가 진행되었다. 은 나노 입자가 10% 희석된 용액을 희석 비에 따라 항 곰팡이를 평 가하였다(Yun et al., 2009). 이 방법은 부유 곰팡이 입자를 발생시킨 후, 포집한 포자입자 위에 항 곰팡 이 용액을 떨어뜨려 확인하는 방법이다. 또 다른 방 법으로는 최대 고온 700℃까지의 열을 이용하여 처 리함으로써, 항 곰팡이 능력을 확인하였다(Jung et al., 2009a). 이 방법은 부유 곰팡이를 고열 처리의 튜브를 통과시킴으로써 평가하는 방법이다.
향후 에어 필터(air filter)와 같은 공기 중 부유 곰 팡이의 항 곰팡이 연구를 위해서는 긴 시간 동안 일
(a)
↑⑥ vibration part (b)
(c) (d)
Fig. 1. New fungal generator. (a) figure of a fungal generator view (b) entire structure (c) size and weight of generator (d) vibration method of centrifugal force by eccentricity.
정한 농도로 부유 곰팡이를 발생시켜야 하며, 실제 상황을 모사하기 위해서는 포자만의 발생이 필요하 다(Kanaani et al., 2009). 팬 유량에 의한 발생, 오디 오 신호를 이용한 발생 연구는 fragment와 spore가 같이 발생하였다. 또한 에어 젯과 회전에 의한 발생 연구는 입자의 발생이 일정하지 않고, 10#/㎝3 미만 의 입자가 초기에 발생하였으며 시간에 따라 감소 되었다.
본 연구에서는 30분 동안 10#/㎝3이상의 농도로 일 정하게 spore만을 발생하기 위해서, 진동 방식을 사 용하여 새로운 방식의 부유 곰팡이 발생기를 설계 하고 평가하였다. 사용하는 곰팡이의 종류는 한국 및 일본에서 사용하는 항 곰팡이 저항성 시험 방법
에 의거한 Cladosporium cladosporioides (C. clado- sporioides)이다.
2. 실험 방법 등
2.1 곰팡이 발생기 설계 및 성능
본 연구에서는 진동 발생 방법을 이용해 다량의 곰팡이를 지속적으로 에어로졸화 할 수 있는 장치 를 개발하였다(Fig. 1 (a)). 제작된 곰팡이 발생기는 주요 부분으로 공기 주입부, 입자 배출부, 진동 발생 부, 제어부로 구성되어 있고, fungal agar plate를 올 려놓을 수 있는 원판과 입자가 존재 및 이동 할 수
Vibration strength (voltage) 10 15 20
Frequency of vibration (RPM) 1550 2400 3000
Table 1. Frequency of vibration on change of vibration strength.
Fig. 2. Vibration operation pulse.
있는 공간의 덕트로 구성되어 있다(Fig. 1 (b)). 진동 발생부 진동판에 곰팡이가 배양된 agar-plate를 설치 후, 진동 조절에 따라 곰팡이 spore 입자가 배지에서 분리 되어 공기 유입부에서 유입되는 공기로 인해 입자 배출부로 배출된다.
발생기는 편심에 의한 원심력의 강제 진동 방법에 따라 제작되었다(Fig. 1 (c)). 회전축의 직경(d)은 5mm 이고, 관성모멘트(moment of inertia)는 다음과 같다.
(1)
처짐(deflection)에 의한 탄성 Young 계수는 스프링 강의 탄성계수와 같고, 그 값은 E=2.1×1011N/m2이다.
처짐 강도(bending stiffness)는 축의 스프링 상수와 동일하고 축의 길이(L)는 35mm이다. 축의 한쪽 면 이 고정되어 있는 경우 처짐 강도는 다음과 같다.
(2) 원판의 질량(m)은 0.171kg이고 고유 진동수(natural frequency)는 다음과 같다.
(3)
회전 원판의 RPM(revolution per minute)은 Table 1 과 같이 진동 강도 조절에 따라 달라진다. RPM은 Speed camera(Motion Pro; HS-4 Redlake, Japan)를 이 용하여 측정했다. 회전 각속도(rotation angular velocity, Ω)와 진동수 비(frequency ratio, η)는 각각 다음과 같다.
Ω ×
(4)
Ω (5)
진동으로 인한 회전 원판의 중심은 이동하게 되 는데 이를 편심(eccentricity)이라 하고 그 이동거리는 4.5mm이다. 회전 진동의 진폭(amplitude)은 회전으로 인한 편심에 의한 원심력과 스프링으로 인한 중력 을 이용해 계산되어지며 아래와 같고 진폭 값은 RPM의 최대인 3000에서 0.175mm이다.
(6)
진동 세기 조절은 6∼20volt 조절이 가능하고 진동 주기는 2∼60초 조절이 가능하다. 진동 주기 조절 설정은 연속 주기, 작동-정지의 주기를 조절이 가능 하다. 예를 들어 10초 주기일 경우, 5초 작동 5초 정 지를 반복한다(Fig. 2).
2.2 실험 방법 및 실험 조건 설정
본 연구의 실험장치의 구성은 Fig. 3과 같다. 크게 청정공기의 유입, 곰팡이 발생장치, 분석 장치로 구 성된다. 실험 환경은 실내 온도 25±3℃, 상대습도 15±5% 조건하에서 수행하였다. 실험에 사용된 공기 는 오일트랩, 확산건조기(diffusion dryer), 헤파 필터 로 구성된 청정공기 공급 장치를 통과한 건조된 청 정공기를 사용하였다. 유량조절 장치(mass flow controller)를 사용하여 1.5lpm의 공기를 주입하였으 며, 주입된 공기는 곰팡이 발생장치의 공기주입부에 연결된다.
이때 덕트 내에 주입되는 공기 유량이 1.5lpm인 경우 공기의 상승속도는 덕트 직경 210mm를 기준 으로 약 7.22×10-4m/s이고, 기류의 상승 속도가 입자 의 침강 속도보다 클 때 입자의 부유가 가능하다.
입자의 침강속도(setting velocity)는 다음의 식과 같 다(Hinds, 1999).
(7) ρp는 입자의 밀도(particle density), d는 입자의 크
Fig. 3. Experimental schematic.
Fig. 4. Preparation of fungal solid-solution.
기(particle size), g는 중력가속도(gravitational acce- leration), µ는 공기의 점성(viscosity of air)이다. 상승 속도 7.22×10-4m/s에서 부유 가능한 입자는 약 4.91
㎛ 미만의 크기이다.
곰팡이 발생장치의 제어부에서 진동 조절과 시간 조절을 통해 곰팡이 입자가 발생하고 입자 배출부 를 통해 배출 되며, 회석 관을 통해 일부는 bypass 되고, 일부는 1lpm sampling 유량으로 분석 장치인 APS(APS; aerodynamic particle sizer; model 3321, TSI Inc., USA)로 입자가 주입된다. APS는 공기역학적 입자계수기로 범주 0.5∼20㎛의 입자 사이즈에서의 수 농도 측정이 가능하다. 이 장치는 노즐을 통과하 는 공기의 흐름을 가속화시키고 광학 챔버 내에서 입자가 통과함으로써 측정하는 원리로, 이 때 광학 챔버 내의 두 개의 빛줄기 사이를 입자가 통과하고 그 경로의 속력 및 전달시간이 측정된다.
실험 조건으로는 곰팡이 발생기의 제어 파트에서 진동 세기 및 진동 주기를 조절함으로써 입자의 사 이즈 및 수 농도를 측정한다.
2.3 실험 재료
본 실험에서는 실험 곰팡이로 Cladosporium clado-
sporioides를 사용하였다(곰팡이 저항성 시험방법 Korean standard KSJ 3201 / Japan standard JIS 2911).
Nutrient broth에 fungal 가루를 mixing후 약 일주일간 shaking incubator에 배양함으로써 fungal solution을 만든다. 150×20mm petri dish에 곰팡이용 맥아 추출 한천 MEA(malt extract agar)를 30ml씩 준비한다. 여 기에 준비한 fungal solution을 한천배지에 약10ml를 넓게 부어주고 약 10일정도 배양한다. 배양 온도는 약 37℃ 습도는 40%를 유지한다(Fig. 4).
3. 결과 등 및 고찰
3.1 Particle size distribution
공기 주입 1.5lpm과 진동 세기 20volt에서의 Clado- sporium cladosporioides의 입자 사이즈를 확인하였 다. Fig. 5에서는 발생된 입자의 최빈 입경(mode di- ameter) 및 spore의 SEM(scanning electron microscope) image를 확인 할 수 있었다. 발생된 입자의 최빈 입 경은 3.79㎛이고 기하표준편차(Geometric standard deviation)는 1.16으로 일정하게 나타남을 확인할 수 있었다(Fig. 5 (a)). 이것은 실제로 Cladosporium cla-
(b) (c) (a)
Size distribution Value Median diameter 3.73 µm
Mean diameter 3.73 µm Mode diameter 3.79 µm Geo. Std. Dev. 1.16 Total Concentration 203.57 #/cm³
Fig. 5. (a) Aerosol particle size distribution (b) SEM image of original fungal particle (c) SEM image of aerosolized fungal particle.
dosporioides의 포자(spore)의 크기와 동일한 사이즈 이다(Jung et al., 2009b). Fig. 5 (b)는 곰팡이 발생기 를 사용하기 전에 HEPA filter 위의 곰팡이를 올려놓 고 촬영한 SEM image이다. SEM image에서 둥근 형 태의 부분이 곰팡이의 포자(spore)부분에 해당한다.
Fig. 5 (c)에서는 곰팡이 발생기를 사용하여 HEPA 필터 위에 포집된 곰팡이의 SEM image이다. Fig. 5 (b)와 같은 형태의 입자를 확인하였다.
3.2 Particle number concentration with vibration strength
공기 주입 1.5lpm을 유지하고 5초 generator 작동 후, 정지하고 APS를 통해 입자의 수 농도를 측정하
였다. 진동 세기를 20, 10volts로 각각 달리하여 입자 수 농도 및 입자의 수가 일정하게 지속되는 시간을 확인하였다.(Fig. 6) 그래프 Fig. 6 (a), (b)는 각각 진 동 세기 20, 10volt에 해당한다. 입자 수 농도는 20volt에서 초기농도가 약 103#/㎤, 10volt에서 초기 농도가 약 102#/㎤로 나타났다. 그리고 10volt에서는 duct 내에서 약 1분간 같은 수 농도의 입자가 유지 됨을 확인하였다(Fig. 6 (b)).
20volt에서는 강한 진동으로 초기 입자 발생 수가 많으며 시간에 따라 농도가 줄어든다. 10volt에서는 약한 진동으로 초기 입자 발생 수가 적은 반면, 시 간에 따라 농도가 일정하게 유지된다. 즉 짧은 시간 에 많은 양의 입자를 발생시키고자 한다면 진동세
(a) (b)
Fig. 6. Number concentration of fungal particle on vibration strength. (a) 20volt (b) 10volt.
Fig. 7. Particle concentration on time.
기를 강하게 설정하고 긴 시간 동안 일정한 발생을 원한다면 진동세기를 약하게 설정할 수 있다.
3.3 Particle number concentration with period 공기주입 1.5lpm과 진동 세기 10volt를 유지하고, 작동 주기를 달리하여 연속발생과 주기 설정에 따 른 입자 수 농도를 측정하였다. Fig. 7은 연속 발생 과 5초 발생-5초 정지의 10초 반복 주기를 이용해 시간에 따른 입자 수 농도를 측정한 그래프이다. 연 속 발생을 시킨 수 농도는 약 25분 이후 급격히 떨 어짐을 확인 할 수 있었고, 5초 발생-5초 정지 주기 를 이용해 발생 시킨 수 농도는 35분 동안 입자 수 가 일정하게 발생하고 있음을 확인하였다. 주기를 설정하는 경우 입자의 발생 후 정지 되는 시간 구간
에서 덕트 내의 부유하고 있는 입자가 공기의 흐름 에 따라 발생된다. 긴 시간의 일정한 입자의 발생을 위해서는 작동 주기를 조절할 수 있다.
4. 결 론
제작한 곰팡이 입자 발생 장치의 입자 수 농도는 초기 약 10 #/㎤ 이상에서 발생이 가능하고 생물학 적으로 관여하는 포자(spore) 입자만의 발생이 가능 하다. 발생 장치는 발생기는 진동 세기 및 진동 주 기를 조절함으로써 입자 수의 발생 시간을 변화시 킬 수 있다. 향후 에어 필터 등의 공기 중 부유 항 곰팡이 연구에 적용시키기에 쉽고 용이 할 것으로 보이며, 항 곰팡이 실험 방법에 따라 적정 진동 세 기와 주기를 조절함으로써 입자의 발생을 이용 할 수 있다.
감사의 글
본 연구는 환경부 “차세대에코이노베이션사업”의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.
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