★..한국실내환경학회 KOSIE

상용 항균 필터 여재의 바이오에어로졸 저감 특성

윤기영⋅김양선⋅박재홍⋅황정호

연세대학교 기계공학과

Characteristics of Commercial Antimicrobial Filter Media for Removal of Bioaerosols

Ki Young Yoon⋅Yang Seon Kim⋅Jae Hong Park⋅Jungho Hwang

Abstract

Characteristics of commercial antimicrobial filter media for bioaerosol removal were estimated. A chitoasn/ medium filter, a catechin/HEPA filter, a silver/HEPA filter, a copper/pre filter, a electret cabin filter and a non-electret cabin filter were used for estimation. Filtration efficiency and antimicrobial efficiency was tested using Escherichia coli and Staphylococcus epidermidis. The electret cabin filter and the chitosan/medium filter showed the highest filtration and antimicrobial efficiency, respectively.

Keywords : Bioaerosol, Antimicrobial filter, Escherichia coli, Staphylococcus epidermidis

1. 서론

최근 실내공기질(IAQ, indoor air quality)에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 실내공간에서 중요하게 다루어 지는 공기오염물질로는 휘발성유기화합물(VOCs, volatile organic compounds), 미세입자, 바이오에어 로졸 등이 있다(윤기영 등, 2005). 이 중, 바이오에 어로졸은 박테리아와 바이러스 , 곰팡이, 꽃가루 등을 포함하는 생물학적 기원을 갖는 입자상 물질 을 말한다 . 이들은 과도한 면역반응(hyper-sensiti- vity)과 독성반응(toxic reaction), 감염반응(infection) 등을 통해 인체에 유해한 영향을 미친다(이병욱과 이윤하 , 2005). 또한, 실내 공간에서 바이오에어로 졸은 공기청정기 또는 공조기 등의 필터에서 번식 하여 실내공기를 오염시키며, 미생물성 휘발성유 기화합물(MVOCs, microbial volatile organic com- pounds)을 발생하기도 한다(윤기영 등, 2006;

Schleibinger and Rüden, 1999). 이러한 문제를 해결 하기 위해 항균 처리된 필터가 필요하다. Verde- nelli et al.(2003)은 HEPA(High efficiency particulate air) 필터의 제조 과정에서 염화물이 포함된 항균 물질을 첨가하여 항균 성능을 갖는 필터를 제작하 였으며 Yoon et al.(2008)은 섬유상 활성탄(ACF, activated carbon fiber) 필터에 무전해도금법을 통 해 은입자를 코팅하여 항균 필터를 제작하고 그 특성을 평가하였다. 이 외에도 요오드, 키토산 등 의 물질을 이용한 항균 필터에 관한 연구가 진행 되었다 (Hou et al., 2008; Lee et al., 2008).

일반적으로 항균 필터는 두 단계에 걸쳐 바이오 에어로졸을 저감하는데 , 먼저 첫 번째 단계는 바 이오에어로졸의 물리적 여과이다. 공기청정기 또 는 공조 장치에 적용되는 항균필터의 경우 대부분

섬유상으로 이루어져 있으며 , 이는 확산, 충돌, 차 단의 원리를 통해 공기 중으로부터 바이오에어로 졸을 분리해낸다. 정전필터의 경우, 여기에 정전 기력을 추가적으로 이용하며, 이러한 물리적 여과 과정은 바이오에어로졸 뿐만 아니라 일반 입자에 대해서도 동일하게 작용된다. 물리적 여과 과정을 통해 필터에 부착된 바이오에어로졸은 두 번째 단 계로 항균 필터의 항균 물질과 반응하여 번식이 억제된다 . 이 때, 항균 물질의 종류와 농도에 따라 다른 항균 특성을 보이게 된다 (Verdenelli et al., 2003; Yoon et al., 2007). 따라서 공기 중의 바이오 에어로졸을 효과적으로 제어하기 위해서는 필터 자체의 물리적 여과 특성이 우수해야 하며 , 동시 에 필터에 항균 특성을 갖는 물질이 유효 농도 이 상 포함되어있어야 한다 .

항균 필터의 연구에 있어, 항균 필터의 개발과

함께 항균 필터의 성능을 평가하는 작업이 중요하

다 . 항균 필터가 제품화되어 판매되었을 경우, 필

터의 항균 성능을 소비자가 직접 확인할 수 없기

때문에 항균 필터의 신뢰성을 확보하기 위해서는

표준화된 평가 규격에 의한 성능 평가가 진행되어

야 한다. 현재 우리나라에서는 한국공기청정협회

(2003)에서 단체규격으로 항균 필터에 대한 성능

평가 규격을 제정하고 있지만 이를 인증 사업에 적

극적으로 활용하고 있지는 못한 상황이다 . 또한,

실내공기청정기에 대한 단체품질인증제도 (한국공

기청정협회 , 2006)가 시행되고 있으나, 여기에서는

정격풍량과 집진효율 , 탈취효율, 적용면적, 오존

발생 , 소음에 대한 항목만을 평가하도록 하고 있으

며 , 바이오에어로졸에 대한 평가는 수행하고 있지

않다 . 현재, 상용화된 항균 필터는 주로 FITI시험연

구원의 SF(Sanitary Finished, 위생가공)인증을 적용

하여 필터의 항균 특성을 중심으로 평가하고 있다 .

Table 1. Commercial antimicrobial filters used in this study.

Filter Antimicrobial agent Grade

A B C D E F

Chitosan Catechin Silver Copper Unknown Unknown

Medium HEPA HEPA Pre Cabin (Electret)

Cabin Fig. 1. SEM images of antimicrobial filters used in this study.

본 연구에서는 공기청정기 및 차량용 에어컨에 적용되고 있는 6종의 상용 항균 필터 여재를 대상 으로 바이오에어로졸 저감 특성을 평가하였다 . 바 이오에어로졸을 발생하여 물리적 여과 실험을 수 행하였으며 액체 배지 상에서 미생물과 항균필터 의 반응을 통해 항균 특성을 평가하였다 .

2. 실험

2.1 시험용 항균 필터

시중에 판매되고 있는 항균 필터 6종을 임의로 선정하였다 . 가정용 공기청정기에 적용되는 항균

필터 4종과 차량용 에어컨에 적용되는 항균 필터 2종을 Table 1과 같이 선정하였다. A필터는 키토 산 (Chitosan)을 이용한 Medium필터이며, 키토산이 란 새우 , 게 등 갑각류의 껍데기에서 추출한 물질 로 항균 특성을 갖는 것으로 알려져 있다 (Hou et al., 2008). B필터는 녹차 추출물인 카테킨(Catechin) 을 이용하는 HEPA필터이다. C필터는 은나노 입 자를 이용한 HEPA 필터이며, D필터는 구리 망을 이용한 Pre필터이다. E필터와 F필터는 모두 차량 용 Cabin 필터이며, E필터의 경우, 정전섬유를 사 용하는 필터이다 . Fig. 1은 본 연구에 사용된 항균 필터의 SEM(JSM-6500F, JEOL, Japan) 이미지이다.

바이오에어로졸 여과 실험을 수행하기 위해 37㎜

Fig. 2. Experimental set-up for filtration efficiency test.

지름을 갖는 원형 필터 샘플을 준비하였으며 , 항 균실험을 위해서 10㎜× 10㎜ 크기를 갖는 정사각 형 모양의 필터 샘플을 준비하였다.

2.2 시험용 미생물

본 연구에는 Escherichia coli(KCCM 12119)와 Staphylococcus epidermidis(KCCM 40416)를 한국미 생물보존센터에서 분양받아 사용하였다 . 이들은 각각 Gram 음성균과 양성균의 한 종류이다. 미생 물의 배양을 위해 초순수 1L에 영양 배지(Nutrient broth) 8g을 현탁하여 121℃에서 15분간 고압멸균 처리하여 제조하였다. 멸균된 배양액 15mL에 미 생물을 접종하여 37℃에서 18시간 배양하였다.

2.3 바이오에어로졸 여과 성능 평가

상용 항균 필터의 바이오에어로졸 여과 특성을 평가하기 위해 Fig. 2와 같은 실험 장치를 구성하 였다 . 준비된 E. coli와 S. episermidis를 각각 원심 분리기 (VS-1500N, Vision Scientific, Korea)를 사용 하여 3회 세척(6000RPM, 15분)한 후 분광광도계 (Libra S12, Biochrom Ltd., U.K.)를 이용하여 광학 적 농도(OD; optical density)를 0.1이 되도록 희석 하였다 . 희석된 미생물 샘플을 동일한 비율로 혼 합하여 바이오에어로졸을 발생하였으며, 이를 이

용해 항균 필터의 여과 성능을 측정하였다 . 미생 물 혼합액 30mL를 Collison nebulizer(1 jet, BGI Inc., U.S.)를 이용하여 2L/min의 유량으로 분사하 였으며 , 이를 희석관으로 유입하였다. 분사된 바 이오에어로졸은 희석공기 의해 희석되어 대상 필 터가 설치된 시험 덕트로 유입되었으며 , 이 때 필 터에서의 면유속은 0.1, 0.3, 0.5m/s가 되도록 제어 하였다 . 실험에 사용된 공기는 오일트랩과 확산건 조기 , HEPA필터로 구성된 청정 공기 공급 장치를 통과한 압축공기를 사용하였으며 , MFC(Mass flow controller)를 사용하여 유량을 제어하였다.

필터의 전단과 후단에서 차압계를 사용하여 필 터의 차압을 측정하였으며 , APS(Aerodynamic particle sizer; model 3321, TSI Inc., U.S.)를 사용하 여 바이오에어로졸의 공기역학적 입경과 수농도 를 측정하였다 . 필터 전단과 후단에서 측정한 수 농도를 바탕으로 , 다음 식을 이용하여 필터의 바 이오에어로졸 여과 효율 (

)을 계산할 수 있다 .



    



(1) 여기서 C

와 C

은 각각 필터 전단과 후단에서 의 바이오에어로졸 수농도를 나타낸다 .

차압 대비 여과 효율을 비교하기 위해 필터 성

Fig. 3. Experimental procedure for antimicrobial test. Fig. 4. Pressure drop of antimicrobial filters.

능 지표 (Filter quality factor, q)를 도입하였으며, 그 식은 다음과 같다 .

   ∆





(2) 여기서 P는 입자의 필터 통과율(P=1-

_)를 의미하며, Δp는 필터의 차압을 나타낸다.

2.4 항균필터의 항균 특성 평가

항균 필터의 항균 성능을 평가하기 위해 진탕 플라스크법을 사용하였으며, 전체적인 실험 절차 는 Fig. 3에 나타내었다. 영양 배지 10mL에 필터 샘플을 넣고 , 준비된 미생물을 10

cells/mL가 되 도록 접종하였다 . 이를 37℃에서 24시간 동안 진 탕 배양한 후, 영양 한천 배지에 도말하였다. 이

때 , 배지 위의 콜로니 수가 30~300 CFU(Colony forming units)가 되도록 적절히 희석하여 도말하 였다 . 미생물을 도말한 한천 영양 배지를 37℃에 서 배양하여 콜로니 수를 측정하였다. 이 때, 필터 샘플을 넣지 않은 경우를 대조군으로 설정하였으 며 , 항균 효율(

)은 다음 식을 이용하여 계산할 수 있다 .



    



(3)

여기서 CFU

과 CFU

는 각각 대조군과 필

터 샘플이 포함된 시험군에서 형성된 콜로니 수를 나타낸다 . 모든 실험은 3회 반복하였으며, 결과로 는 그 평균값을 사용하였다 .

3. 결과 및 고찰

Fig. 4는 항균 필터의 차압 특성을 나타낸다. 모 든 필터가 유속이 증가할수록 차압이 증가하는 일 반적인 경향을 보였다 . B필터(HEPA)와 C필터 (HEPA)가 가장 높은 차압 특성을 보였으며, E필 터 (Cabin)와 A필터(Medium), D필터(Pre)가 가장 낮 은 차압 특성을 보임을 확인할 수 있었다.

Fig. 5는 필터의 여과 효율 평가에 사용된 바이

Fig. 5. Size distribution of generated bioaerosols (mixture of E. coli and S. epidermidis) used in this study.

Fig. 6. Filtration efficiency of antimicrobial filters.

Fig. 7. Filter quality factors of antimicrobial filters (at face velocity=0.3m/s).

오에어로졸의 입경 분포이다. 약 0.898㎛에서 피 크를 보였으며 , 약 1.197㎛에서 2차 피크를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이들은 각각 E. coli와 S.

epidermidis에 의해 형성된 것으로 예상된다. 항균 필터의 여과 효율을 평가하기 위해 전체 수농도의 50% 이상을 차지하는 0.723-1.382㎛ 범위 입자의 수농도를 식 (1)에 대입하여 계산하였으며 그 결 과를 Fig. 6에 나타내었다. 모든 필터에서 유속이 증가할수록 여과 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다 . C필터(HEPA)가 전 유속 범위에서 90% 이 상의 가장 높은 여과 효율을 보였으며 , B필터 (HEPA)와 E필터(Cabin)가 40-80%의 여과 효율을 보였다 . A필터(Medium)와 D필터(Pre)는 전 유속 범위에서 10% 이하의 효율을 보였다.

0.3m/s 유속에서의 차압과 여과 효율 결과를 식 (2)에 대입하여 계산한 필터 성능 지표 결과를 Fig.

7에 나타내었다. 정전 섬유를 사용하는 E필터 (Cabin)의 경우가 가장 높은 필터 성능 지표를 나 타냈는데, 이는 정전기력에 의한 영향으로 생각된 다. 일반 필터가 충돌, 차단, 확산의 원리에 의해 입자를 포집하는 반면 , 정전 필터의 경우 여기에 정전기력을 추가적으로 사용하기 때문에 상대적 으로 낮은 차압 조건에서도 높은 여과 효율을 나 타낼 수 있다. 참고로, 본 실험은 필터 여재를 대 상으로 수행한 것이기 때문에 실제 사용 환경에서 의 작동 유량 및 필터의 절곡 특성에 따라 그 특 성이 변화할 수 있을 것으로 예상된다.

Fig. 8은 각 항균 필터의 E. coli와 S. epidermidis 에 대한 항균 특성을 나타낸다. 키토산(Chitosan) 을 사용하는 A필터가 가장 높은 항균 효율을 보 임을 확인할 수 있었다 . 모든 종류의 항균 필터가 S. epidermidis에 대해서 70% 이상의 효율을 보인 반면 , E. coli에 대해서는 상대적으로 낮은 30-70%

사이의 효율을 보였다 . 즉, 모든 종류의 항균 필터 에서 Gram 음성인 E. coli보다 Gram 양성인 S.

epidermidis에 대해 높은 살균 효율을 보이는 것

을 확인할 수 있었는데 , 이는 Gram 음성균의 세포

Fig. 8. Antimicrobial characteristics of antimicrobial filters against E. coli and S. epidermidis.

외벽을 구성하는 Lipopolysaccharide(LPS)가 항균 물질의 항균 작용에 대한 장애요인으로 작용하였 기 때문으로 예상된다(Papo and Shai, 2005). 미생 물의 Gram 분류에 따른 항균 특성은 키토산 및 은, 구리 등을 이용한 기존 연구에서도 동일한 경 향을 확인할 수 있었다 (Hou et al., 2008; Yoon et al., 2007).

본 연구에서는 항균 성능 평가를 위해 진탕 플 라스크법을 사용하였으며, 이는 항균 필터의 단체 규격 및 인증 사업 등에서 활용되고 있는 시험 방 법으로 , 주로 직물 등의 항균성 평가에 사용되는 방법을 항균 필터의 평가에도 확대하여 적용하고 있는 상황이다 . 하지만, 항균 필터가 실제로 사용 되는 기상(gas phase) 반응 조건을 고려한다면, 액 체 배지 상(liquid phase)에서 미생물과 항균 물질 이 반응하는 진탕 플라스크법은 항균 필터가 사용 되는 실제 환경을 정확히 모사할 수 없는 방법이 므로 , 항균 필터의 성능을 평가하기에 최적화되지 못한 방법이라 할 수 있다. 따라서 추후 연구를 통 해, 항균 필터가 실제로 적용되는 기상 조건에서 온도 및 습도 조건 등을 고려한 항균 필터 성능 평가 방법을 마련할 필요가 있다 . 바이오에어로졸 여과 성능 평가의 경우 , 본 연구에서는 덕트 시스 템을 이용한 One-pass 효율에 대해서 평가를 수행

하였으나 , 실험 챔버를 이용한 재순환(Recircula- tion) 조건에서의 바이오에어로졸 여과 특성도 평 가할 필요가 있다 . 또한 현재 항균 필터의 성능 평 가에서는 필터의 바이오에어로졸 여과 성능과 항 균 성능을 각각 독립적인 시험 방법과 평가 지표 를 이용해 평가하고 있다 . 하지만 항균 필터의 성 능을 객관적으로 평가하기 위해서는 바이오에어 로졸의 여과 특성 및 여과된 바이오에어로졸에 대 한 항균 특성을 동시에 고려하여야 하기 때문에 , 이러한 특성들을 모두 반영하는 새로운 평가 지표 를 개발하여 적용할 필요가 있다 .

항균 필터의 사용에 있어 중요한 평가 요소는 항균 지속성이다 . 일반적으로 필터 제품의 경우 필터의 교체 주기를 제시하게 되는데 , 일반적인 입자를 대상으로 하는 필터의 경우 필터 양단의 차압을 측정하여 필터의 교체시기를 제시하게 된 다 . 하지만, 항균 필터의 경우 항균 성능을 실시간 으로 체크하여 교체시기를 알려줄 수 있는 방법이 현재 개발되어 있지 못한 상황이다. 따라서 신뢰 할 수 있는 항균 필터의 수명을 제시하기 위해서 는 , 다양한 사용 환경에서 장시간의 성능 평가를 수행하여 항균 필터의 항균 지속성에 대해 객관적 으로 평가하는 작업이 필요하다 . 이 때, 항균 필터 의 항균 지속성에 영향을 미치는 요인으로는 먼지 입자의 퇴적 및 항균 물질의 비산 등이 있으므로 (Foarde and Hanley, 2001), 이를 반영하여 항균 지 속성 평가 방법 및 항균 필터 수명 예측 모델을 개발할 필요가 있다 .

4. 결론

본 연구에서는 시중에 판매되고 있는 항균 필터

6종의 필터 여재에 대해 바이오에어로졸 여과 특 성 및 항균 실험을 수행하였다 . HEPA필터(B, C) 및 정전섬유를 사용하는 차량용 필터 (E)의 경우에 서 비교적 높은 여과 효율을 보이는 것을 알 수 있었으며, 차압대비 여과 효율을 나타내는 필터 성능 지표의 경우 정전섬유를 사용하는 차량용 필 터(E)가 가장 높게 나타났다. 항균 특성에 있어서 는 키토산을 항균물질로 사용하는 항균 필터 (A)가 가장 높은 효율을 보이는 것을 확인할 수 있었으 며, 모든 필터가 Gram 음성인 E. coli에 비해 Gram 양성인 S. epidermidis에 대하여 비교적 강한 항균 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

후기

본 연구는 서울시 산학연협력사업(Grant no.

10593) 지원으로 수행되었음.

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