정재승
(Jae-Seung Jung)
†iD
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Electric precipitator, Electrostatic filter, Fine dust collection, Indoor air purifier
†Corresponding
1. 서 론
1.1 연구의 배경
현재 우리나라 인구의 대부분이 도심지역에 밀집되어 있으며 실내 활동의 비중이 크게 차지하고 있다. 이러한 경향은 코로나19 팬데믹 상황의 지속에 따라
더욱 심해지고 있는 실정이며, 이에 따라 실내 환경 개선에 대한 요구도 커지고 있다. 실내 환경의 구성요소 중 공기의 질 향상을 위해서 실내공기청정기가
주로 사용되고 있으며, 이에 대한 시장도 지속적으로 증가하고 있다. 현재 실내공기청정기의 경우 필터, 전기집진, UV살균, 오존살균 방식 등이 적용되고
있으나, 가정용으로는 주로 필터방식이 주로 이용되고 있으며 관련 기술연구도 필터에 대한 연구가 주로 이루어져왔다[1-3].
공기청정기용 필터는 E10에서 U17 등급까지 나눠지며 각 등급별 먼지제거 성능은 Table 1과 같다.
Table 1. Classification of air filters (European normalization standards)
|
Usage
|
Class
|
Performance test
[%]
|
Particular size approaching 100% retention [μm]
|
|
Semi HEPA
|
E10
|
85
|
>1
|
|
E11
|
95
|
>0.5
|
|
E12
|
99.5
|
>0.5
|
|
HEPA
|
H13
|
99.95
|
>0.3
|
|
H14
|
99.995
|
>0.3
|
|
ULPA
|
U15
|
99.9995
|
>0.3
|
|
U16
|
99.99995
|
>0.3
|
|
U17
|
99.999995
|
>0.3
|
공기필터는 일반필터와 헤파필터(HEPA, high efficiency particulate air)로 구분되며, 헤파필터는 지름 0.3μm 인 입자(PM0.3)를
99.9% 이상 제거할 수 있는 성능을 가진 필터를 지칭한다. 헤파필터는 미세먼지 제거율이 높지만 조밀한 조직구조로 인해 압력손실이 크고, 일반필터에
비해 고가이며 주기적인 교체가 요구되므로 유지, 관리가 용이하지 않은 편이다.
필터를 이용하지 않고 먼지를 포집하는 기술로는 부분방전을 이용한 전기집진 기술이 있으나 이는 대용량의 공기처리에 주요하므로 산업계에서 주로 사용되고
있으나 가정용 공기청정기에는 적용비율이 필터방식에 비해 낮은 편이다. 그러므로 이에 대한 연구도 주로 산업계를 위한 방향으로 진행되고 있는 실정이다[4-5].
실내공기청정기에 상기의 두 기술을 복합적으로 적용하기 위한 연구도 진행 중이지만 아직 그 결과는 부족한 실정이다[6-8]. 본 연구에서는 헤파필터가 아닌 일반 공기필터에 전극을 결합하여 포집률을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 기초 연구를 실험적으로 수행하였다.
2. 실험장치 및 방법
2.1 실험장치의 구성
실험에 사용된 필터장치의 구성은 금속망-섬유필터-금속망 순의 직렬배치이며, 금속망(MM, metal mesh)은 지름 0.27mm인 스테인리스선이
약 1.0mm 간격으로 배치되어 있으며, 섬유필터(FF, fabric filter)는 두께가 0.4mm인 차량용 항균필터(ASSY-AIR 79133
2B010)를 펼쳐 사용하였다.
필터장치는 Fig. 1에서 나타낸 것처럼 실험장치 중앙부분에 공기흐름에 수직으로 설치되었으며 대향면적은 225×250mm2이다. 금속망과 섬유필터사이의 간격(d)은 10mm로
고정되었으므로, 금속망과 금속망 사이의 간격은 20.4mm가 된다.
Fig. 1. Experimental set-up
전원은 직류고전압발생장치(0∼28kV)를 사용하였고, 금속망 사이에 인가된 전압(VA)은 고전압프로브(HVP, Fluke 80K-40)와 디지털멀티미터(DMM1,
Yokogawa 73402)를 이용하여 측정하였다. 인가전압 증가로 인한 코로나 발생 유무 확인 및 전력 소모량을 계산하기 위해 디지털멀티미터(DMM2,
Yokogawa 73402, Range 500μA, Resolution 0.1μA)를 이용하여 미세한 방전전류를 측정하였으며, 방전이 발생하지 않는
전압범위 내에서 실험하였다.
필터처리 전·후의 먼지량(개수 기준)은 입자계수기(PC, particle counter, TES 5110)로 측정하였고, 공기 처리량은 20.0l/s이다.
2.2 실험방법
Fig. 2는 본 실험에서 사용되는 두 가지 구조의 필터장치의 구조를 나타낸 것이다. 각각 금속망전극-섬유필터-금속망전극 직렬 구조(type 1: MM-FF-MM)과
금속망전극-금속망전극 직렬구조(type 2: MM-MM)가 비교 실험되었다.
Fig. 2. Distribution by diameter of dust in laboratory air
실험에서는 두 금속망 전극에 인가되는 전압의 크기를 증가시켜가며 이에 따른 먼지크기(지름: 0.3, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0μm)에 대한
포집률 변화와 소모전력을 측정하여, 상기의 두 경우에 대한 실험결과를 비교, 분석하였다.
필터를 이루는 금속망전극과 섬유필터는 그 구조가 조밀하지 않으므로 압력손실은 크지 않지만, 집진 성능도 높지 않다. 금속망의 경우(VA=0kV)는
포집률이 약 0%, 섬유필터의 경우도 약 12% 정도로 두 경우 모두 단독 사용만으로는 충분한 집진 성능을 기대하기 어렵다.
Fig. 3은 실험이 진행된 실내공기에 포함된 먼지의 분포를 측정한 것이며, 지름이 0.3, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0μm 인 먼지의 비율이 각각 90.61,
7.35, 1.54, 0.44, 0.05, 0.02 %를 차지하고 있다. 이 중 지름 2.0, 5.0μm인 먼지는 표본 수량이 부족하여 측정시마다
편차가 크게 나타나기 때문에 이를 제외한 먼지의 수량으로 실험결과를 분석하였다.
Fig. 3. Distribution by diameter of dust in laboratory air
3. 실험결과 및 고찰
Fig. 4는 두 필터 구조의 금속망전극 간에 전압을 인가하였을 때의 전류-전압 특성을 나타낸 것이다. 인가전압, VA는 0.0kV에서 24.0kV까지 증가시켰으며,
이 이상 전압을 증가시켰을 때에는 두 경우 모두, 전극의 노출된 부분의 경계에서 스파크가 발생하므로 24.0kV를 초과하여 실험을 진행하지 않았다.
Fig. 3에서 나타난 것처럼 22.0 kV까지는 인가전압의 증가에 따라 전류가 선형적으로 증가하는 오믹(Ohmic) 영역의 특성을 보이며, 이후 인가전압이
더 증가하면 비선형적 특성을 보이며 이는 전압-전류 특성이 방전영역으로 진전됨을 나타낸다.
Fig. 4. I-VA Characteristics
Fig. 5. Dust collection characteristics according to applied voltage(VA)
Fig. 5는 두 필터 구조에 대한 인가전압 증가에 따른 미세먼지 포집률(ηtype1, ηtype2) 나타낸다. 두 경우 모두 인가전압, VA=16.0kV에서부터
포집률이 상승되기 시작하였으며, VA=20.0kV에서 포화되기 시작하였고, VA=24.0kV에서 최대 포집률을 얻을 수 있었다.
Table 2에서 나타낸 것처럼, 본 실험에서는 인가전압, VA=24kV 인가시, 금속망전극만으로 구성된 필터 구조에서는 최대 43.3%, 금속망전극과 섬유필터의
복합필터 구조에서는 최대 83.5 %의 포집률을 얻을 수 있었다. 이는 실험에 사용된 섬유필터의 먼지 포집률인 12.6%에 비해 각각 2.44, 5.63배
성능이 향상되었음을 보여준다. 이는 금속망전극 간의 고전압 인가에 따른 강한 전계 형성에 의해 그 사이에 위치한 섬유필터에 발생한 유전분극에 의한
정전력 향상에 의한 것으로 사료된다.
Table 2. Dust collection efficiency by the composite electrostatic filter, VA=24.0
kV
|
Diameter of particle [μm]
|
0.3
|
0.5
|
1.0
|
Total
|
|
Dust Collection rate
[%]
|
FF
|
11.2
|
23.8
|
31.0
|
12.6
|
|
MM-MM
|
43.1
|
44.5
|
46.4
|
43.3
|
|
MM-FF-MM
|
83.4
|
83.9
|
84.9
|
83.5
|
Fig. 6. Fine Dust(PM0.3) collection characteristics according to power consumption
Fig. 6은 지름이 0.3μm인 입자, PM0.3에 대한 전력대비 포집률 변화 특성을 나타낸 것이다. 금속망전극만으로 구성된 필터 구조에서는 약 30%, 금속망전극과
섬유필터의 복합필터 구조에서는 약 70 % 이상으로 포집률을 높이기 위해서는 약 400mW 이상으로 소모전력이 급상승하는 것을 확인할 수 있다. 그러나
본 실험에서 최대 포집률을 얻기 위한 전력소모율이 700mW에도 미치지 못함은 실험에 사용된 필터구조가 매우 낮은 전력에서 필터성능을 크게 향상시킬
수 있음을 나타낸다.
4. 결 론
본 연구는 실내공기청정기에 두 기술을 복합적으로 적용하기 위한 연구이며, 헤파필터가 아닌 일반 공기필터에 전극을 결합하여 포집률을 향상시킬 수 있는
기술에 대한 기초 연구를 실험적으로 수행하였다.
본 논문에서 실험된 금속망전극-금속망전극 구조, 금속망전극-섬유필터-금속망전극 구조의 필터장치에 고전압을 인가하여 각각 43.1%, 83.4%의 PM0.3에
대한 포집률을 얻을 수 있었으며 이는 실험에 사용된 섬유필터의 자체 포집률인 11.2%에 비해 각각 2.85배, 6.45배 집진성능이 향상되었음을
보여주었다. 특히 섬유필터와 전극의 복합구조에서는 Semi-HEPA 필터에 대응되는 성능을 보여줌을 확인할 수 있다. 또한 이러한 필터성능 향상에
필요한 전력이 매우 낮음을 확인할 수 있었으며 이는 필터장치의 유지, 관리에 유리한 특성을 가짐을 나타낸다.
향후 연구에서는 헤파필터를 포함한 다양한 필터와 전극의 복합구조에 대한 연구를 지속하여 최적의 성능을 얻을 수 있는 전기복합필터 기술을 연구, 개발하고자
한다.
Acknowledgement
이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2021R1F1A1062615).
References
Yoo K. H., et al. , 2004, Particle Collection Efficiency Characteristics of Combination
Air Filters for Air Conditioners, Indoor Environment and Technology, Vol. 1, No. 1,
pp. 61-68
Lee M. H., 2020, Air Cleaning Technology, Korean Air Cleaning Association, Vol. 33,
No. 1, pp. 1-7
Kim M., et al. , 2019, An Experimental Study on the Reduction of Air Purifier Capacity
due to Deposition of Dust and Oil Mist, Korean Journal of Air-Condition and Refrigeration
Engineering, Vol. 31, No. 8, pp. 361-369
An S. H., et al. , 2021, The Study on Collection Efficiency of Two-stage Electrostatic
Precipitator Using Non-metallic Electrode for Improve Corrosion Resistance and Light
Weight, Particle and Aerosol Research, Vol. 17, No. 2, pp. 21-27
Chen K., et al. , 2022, Experimental Study on Graded Capture Performance of Fine Particles
with Electrostatic-fabric Integrated Precipitator, Power Technology, Vol. 402
Jung J. S., Ju J. H., Lee S. J., Kim J. G., 2017, A Study on the Electrostatics Precipitation
Using Electric Charged Carbon Filter, Journal of the Korean Institute of Illumination
and Electrical Installation Engineers, Vol. 31, No. 4, pp. 29-35
Jung J. S., Lee H. G., Kim J. G., 2016, Study on the Indoor Air Purification Technology
by Using Nonthermal Plasma, Journal of the Korean Institute of Illumination and Electrical
Installation Engineers, Vol. 30, No. 2, pp. 31-36
Jung J. S., Kim J. G., 2017, An Indoor Air Purification Technology Using a Non-thermal
Plasma Reactor with Multiple Wire-to-wire Type Electrodes and a Fiber Air Filter,
Journal of Electrostatics, Vol. 86, pp. 12-17
Biography
He received B.S., M.S. and Ph.D. degree in electrical engineering from Kyungpook
National University, Daegu, Republic of Korea, in 2004, 2007 and 2011, respectively.
His research fields are the high voltage applications and electrical properties. He
worked for in Korean Electrical and Science Research Institute, 2015-2016. He is currently
a assistant professor in the Major of Electrical Engineering at Geoje University,
Republic of Korea.