최근 정부는 국가연구개발에 대한 우수한 성과를 창출하고 과학기술인의 자긍심을 고취하기 위해 ‘2021년 국가연구개발 우수성과 100선(이하 우수성과 100선)’을 선정했다.
우수성과 100선에 선정된 국가연구개발과제는 인증서, 현판제작·배부 및 최우수성과를 포상하고 사례집 발간 등을 통해 홍보된다. 2006년 이후 총 1,517점의 성과를 선정했으며 124점의 최우수성과를 포상했다.
올해 선정된 우수성과 중 반개방 상태에서도 효율적으로 실내공기질을 관리할 수 있는 ‘물방울로 초미세먼지, 세균, 휘발성 유기화합물(VOCs)을 동시제거하는 정전분무 공기청정기(이하 정전분무 공기청정기)’ 기술이 코로나19, 미세먼지 등의 대안으로 주목받고 있다.
정전분무 공기청정기 개발을 주도한 최종원 한국에너지기술연구원 책임연구원을 만나 기술 특장점 및 향후 기술개발 방향에 대해 들었다.
■ 우수성과 100선 선정소감은이번 우수성과 100선 선정을 통해 대외적으로 기술개발에 대한 노력을 인정받아 기쁘다. 지금까지 미세먼지 저감에 대한 연구를 진행해오면서 정전분무기술을 적용했을 경우 실험실 규모에서는 매우 높은 저감효율을 확인했다.
그러나 여기서 만족하지 않고 실제 국민들이 다양한 분야에서 체감할 수 있도록 꾸준히 실증화 연구를 진행해 온 노력의 결실이 수상으로 이어졌다고 생각한다.
앞으로도 연구한 기술들이 기술이전을 통해 상용화돼 미세먼지문제 해결에 실질적으로 기여하고 삶의 질 향상, 사회적 문제해소에 기여토록 최선을 다하겠다.
■ 정전분무 공기청정기의 원리는
정전분무란 노즐에 흐르는 액체에 수십kV 이상의 고전압을 인가하면 액체 분자간 전기적 척력이 발생하는 원리에 따라 노즐 끝에서 높은 하전을 띈 수백만개 이상의 작은 액적들이 서로 밀어내며 분사되는 현상을 의미한다.
표면에 높은 밀도로 전자가 하전돼있는 액적들은 주변 미세먼지를 정전기적 인력으로 다수 끌어당겨 미세먼지를 응집시켜 제거할 수 있다.
기존 물을 이용한 공기청정기술은 미세먼지와 물이 직접 충돌해야만 미세먼지를 제거할 수 있었던 반면 정전분무를 이용한 공기청정기술은 직접 충돌과 정전기적 인력에 의한 간접충돌을 모두 이용할 수 있어 높은 효율로 미세먼지를 포집할 수 있다는 차별성을 가지고 있다.
또한 물은 20㎛ 이하의 작은 크기가 되면 액적표면이 스스로 수소이온과 수산화이온으로 나뉜다. 수산화이온은 전기장을 통과하면서 수산화라디컬로 변함과 동시에 2개의 수산화라디컬은 서로 결합해 과산화수소가 된다.
이와 함께 고전압이 인가돼있는 노즐 주변에 공기 내 일부 산소분자가 코로나 방전에 의해 오존으로 산화되며 이렇게 생성된 오존은 분사되는 물 액적 속에 높은 용해도로 용존돼 강력한 산화력과 살균력을 지닌 오존수가 된다.
이를 통해 실내공기 내 부유세균, 바이러스, 유해 미생물을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 악취도 제거할 수 있다. 또한 새집증후군을 유발하는 톨루엔, 아세트알데히드 등 VOCs도 CO₂와 물로 분해할 수 있다.
정전분무 공기청정기는 이러한 이론적 특징에서 착안해 세계 최초로 개발됐으며 별도 첨가제없이 집진, 살균, VOCs 제거 등을 동시에 수행할 수 있다.
■ 개발주안점은 정전분무 공기청정기 개발은 세계적으로 사례가 없어 개발초기 많은 애로사항을 겪었다. 실내공기질 성능을 확보하는 것도 중요하지만 고전압을 사용하는 기기이므로 안전에 가장 주안점을 두고 개발을 진행했다.
특히 물을 공급하면서 동시에 고전압을 사용하기 위해 다양한 절연구조를 설계해 절연파괴가 일어나지 않도록 노하우를 확보했다. 또한 산소로부터 생성되는 오존을 정전분무로 생성되는 액적에 바로 용존함으로써 외부로 토출되는 오존의 양을 극소화시켰다.
장기운전결과 정전분무 공기청정기 출구에서 토출되는 평균 오존농도는 10ppb 이하로 공기청정기 CA인증기준인 30ppb 이하를 충분히 만족하는 것으로 나타났다. 자연적으로 공기 중에 존재하는 오존의 농도가 5~10ppb인 것을 고려하면 매우 적은 수치다.
물을 사용해 공기를 청정함에 따라 습기에 대한 우려가 있었다. 이에 따라 토출공기에 대해 상대습도를 측정한 결과 주변공기에 비해 약 2% 상승하는 것으로 측정돼 큰 문제는 없는 것으로 파악됐다.
■ 실적용을 통한 실내공기질 개선효과는 불특정 다수가 이용해 미세먼지 및 감염에 취약한 서울 지하철 플랫폼 내 설치해 성능을 검증한 결과 초미세먼지를 최대 98%까지 제거하는 것을 확인했다.
또한 30CMM 규모의 정전분무 공기청정기 2대를 연속가동해 플랫폼 공간의 약 80평(264m²)에 해당하는 면적의 미세먼지 농도를 최대 40%까지 감소시켰다. 지하철 플랫폼은 스크린 도어, 계단, 환기시설 등을 통해 외부로부터 초미세먼지가 끊임없이 유입되는 특징을 가지고 있다. 이를 고려할 때 40%라는 수치는 우수한 성능수준으로 판단된다.
또한 정전분무 시 생성되는 과산화수소수 및 오존수에 의해 총 부유세균은 99.9% 이상, 총 휘발성 유기화합물은 96% 이상 저감시키는 것을 확인했다.
■ 정전분무 공기청정기 적용 기대효과는
현재 가장 많이 활용되고 있는 여과식 공기청정기는 사용할수록 먼지 등으로 인해 높은 차압이 발생한다. 이로 인해 팬 소모동력이 증가할 뿐만 아니라 소음이 발생하고 주기적인 필터 교체비용으로 인한 경제적 부담이 발생하고 있다.
정전분무 공기청정기의 경우 물과 물필터 이외에 유지보수비용이 크게 소모되지 않아 실내공기질을 효과적으로 관리하면서도 운영에 대한 경제적 부담을 줄일 수 있어 강화되는 실내 초미세먼지 관리기준을 따르는 시설에 적용된다면 행정적·재정적 부담을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
또한 높은 백신 접종률을 통해 시작된 위드코로나시대에 국산 기술을 이용한 생활방역이 가능할 것으로 보이며 산업현장에서는 근로자의 작업환경을 실질적으로 쾌적하고 건강하게 개선할 수 있을 것으로 예상된다.
특히 정전분무 공기청정기는 처리용량에 따라 확장성을 가진 모듈형 공기청정기로 시설규모에 따라 모듈개수를 조절해 설치할 수 있는 특징을 가지고 있다.
물과 전기만 있으면 어디든 쉽게 적용할 수 있어 지하역사, 대합실, 도서관, 어린이집, 의료기관, 학교, 산후조리원, 노인요양시설 등 다중이용시설에 적합하다.
■ 향후 연구개발 계획은
정전분무 공기청정기에 대한 실증연구를 마쳤다. 실용화 추진을 위한 후속연구로 △부유세균 외 실제 바이러스 대상 살균성능평가 △시스템 소음 최소화 △오존발생 제로화 △시스템 장기운전 성능평가 및 고장진단 DB구축 등의 연구를 추진할 계획이다.
또한 생화를 심은 가구 내부에 정전분무 공기청정기를 적용해 미관을 향상시키고 실내공기 내 CO₂까지 저감시킬 수 있는 4 in 1 벽면녹화 연계 정전분무 공기청정기를 개발해 상용화할 계획이다.
■ 우수성과 100선 선정소감은
■ 개발주안점은 
■ 실적용을 통한 실내공기질 개선효과는 
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