기호설명

1. 서 론

전 세계적으로 새로운 호흡기 감염병에 등장으로 건강하고 안전한 생활을 지속할 수 있는 공중보건에 대한 관심이 높아지고 있다. 대표적인 호흡기 바이러스에 의한 감염병인 인플루엔자는 매년 세계 인구의 약 10~20%에서 발생하고 있다고 집계되고 있다.⁽¹⁾ 최근, 2019년 세계보건기구(WHO, World Health Organizaion)에서는 COVID-19는 공기 중 감염이 주요한 감염경로라는 점을 공식 발표하고 공기감염에 대한 새로운 질병으로 공식화하였다. 국제법을 통한병 감염병 통제 목적으로 만들어진, 국제보건 규칙 2005(International Health Regulation)에서도 국가 간의 감염병으로 확산을 예방하기 위해 초기 콜레라, 페스트, 천연두, 황열병 등 중증 전염병의 발생 상황 보고를 의무화하고, 공중보건에 관한 범세계적인 질병 감시와 대처방식을 규정하고 관리하고 있다.⁽²⁾ 인플루엔자바이러스 이외의 호흡기 바이러스의 지속적인 발생이 인류의 건강 위협에 대한 국가 간 공중보건 차원의 운영 감시 계획을 마련하여 국제적으로 우려되는 공중보건 비상사태를 방지하는 시스템을 구축한 것이다. 한편, 현대문명의 생활방식을 살펴보면 사람은 하루 중 실내 거주 시간이 대부분이다. 공중보건 감시 및 운영의 국가 간 시스템만으로는 호흡기 감염병 문제를 직접적으로 해결할 수 없다. 이에, 공기청정기술을 통해 실내 공기 환경을 깨끗하고 안전하게 유지하여 호흡기 감염병 예방 및 확산 방지를 시행하는 것이 효과적이다.

초미세 입자를 에어로졸(aerosol)이라 하며 호흡기 감염균 보유자의 기침과 호흡기로부터 나오는 감염균은 에어로졸 형태로 공기 중의 부유 입자와 함께 활성화되며 공기 이동을 동반하여 이동한다. Kim et al.⁽³⁾의 연구에서는 우리나라 69개소의 일반 사무실 내 분포하는 부유세균과 진균의 농도를 조사하였으며, 일반적인 사무실은 부유미생물 농도 및 진균의 농도 비율이 기준치를 다른 것으로 보고하였다. 실내공기질의 문제에 있어 실내의 공기감염에 대한 질병을 예방할 방법으로 실내의 환기횟수를 증가시키는 방안이 제시되었다. 그러나, 실내의 환기횟수를 증가하는 것은 실내의 감염원을 외부 공기 유입을 통해 희석하는 것으로 근본적인 해결책으로 볼 수 없다.

공기 중의 감염균 에어로졸을 제어하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있다. 직접적인 해결책으로 광 플라즈마, UV LED 등의 광원 이용 기술과 항바이러스 필터 등의 기술 등 이 제시되고 있다. 공조시스템에도 공기필터에 UV LED를 장착하여 필터 여재에 부착된 감염균을 제균하는 기술 사용되고 있다. 그러나, UV LED의 설치 수량, 설치 형태, 설치 높이 등 여러 가지 조건에 따른 학술적인 정보는 미비하며, 실제 제균 실험을 통한 검토 결과는 한정적이다. 본 연구에서는 공기필터의 살균을 위해 설치되는 UV-C LED 모듈이 공기필터와 설치되는 거리 및 광원의 조사시간(Irradiation time)에 따라 제균 효율에 대해서 표준 미생물을 이용한 살균효율 실험을 진행하였다.

2. 기존연구고찰

공기 청정분야는 공기의 에어로졸균 살균을 위하여 살균 기술의 고도화가 지속해졌다고 볼 수 있다. 가장 대표적인 예로, 소비자들이 직접 살균기능을 가진 공기청정기를 구매하여 실내 공기 질을 유지관리하고 있다. 그러나 공기청정기는 공기 중의 미세먼지, 바이러스, 세균 등은 필터를 사용하여 입자를 걸러내는 방식이 주로 사용되며, 일부 고사양의 공기청정기에 HEA 필터 및 활성탄과 UV 광원을 채용하여 필터에 부착된 에어로졸을 살균하고 있다. 이중 이온화 공기청정기는 공기 중의 입자에 음이온을 방출하여 입자를 중성화시키는 원리를 사용하고 있다. 중성화된 입자는 응집하여 무거워지고, 공기 중에서 침전하거나 공기청정기에 의해 집진 부에 부착되어 제거된다. 이를 통해 에어로졸로 전파될 수 있는 바이러스와 세균을 제거하는 데 도움이 된다. 자외선(UV) 조사는 공기 중의 바이러스와 세균을 제거하는 데 사용된다. 특히, 자외선-C(UV-C)는 장파 자외선으로서, 균을 죽이거나 복제를 억제하는 데 효과적이다. UV-C 방식의 장점은 열처리나 화학 처리가 필요하지 않다. 기존 UV-C 방식의 공기 살균장치는 식품산업, 병원, 제약산업 등에서 제품의 처리와 저장을 위한 방식으로 이용되고 있었으나, 최근 주택용 환기시스템이나 공기청정기는 UV-C 램프를 사용하여 공기 중의 감염균을 제거하고 있다. UV를 이용한 살균성능 검증에 관한 연구도 다양하게 이루어지고 있다. 공기 살균 기술의 설계 관련 연구를 진행한 Han and Kang⁽⁴⁾은 기존필터의 구조와 성능을 분석하여, 유해가스와 함께 살균기능을 가진 UV-C를 활용한 고효율의 광촉매 허니컴필터를 디자인 제안하였다. Kim et al.⁽⁵⁾은 광선추적법을 통한 Radiance를 이용하여 UV-C의 균 종류에 따른 살균 효과를 예측하는 방법을 제시하였다. Radiance 해석을 통한 UV-C 강도 분포를 바탕으로 작업면에서의 위치별 표면세균 살균 시간을 예측하였고, 향후 UVGI 장치를 더 효율적으로 활용할 수 있는 기반을 마련하였다. Gilkeson et al.⁽⁶⁾의 연구에서는 UVGI 시스템의 살균효과를 전산유체역학을 통해 기류 해석과 연동하여 예측하였다. UVGI 시스템을 설치하는 수직 위치가 중요한 매개변수이며, 이를 장착할 벽의 선택도 중요하다는 결론을 도출하였다. Bang et al.⁽⁷⁾은 405 nm LED 모듈을 환기장치 내부에 설치하여, 미생물에 대한 살균효과를 분석하였다. 인체에 해가 없고 사용성이 자유로운 405 nm 가시광 LED의 향후 미생물 오염 제어 수단으로써 가능성은 확인하였으나, UV LED에 비해 조사시간이 길어져 살균효과에 제한적인 특성을 보였다. Jung et al.⁽⁸⁾의 연구에서는 UV-LED의 미생물 살균효율 향상을 위하여 스펙트럼분석기를 이용하여 방사 자외선의 세기에 따른 자외선의 세기를 측정하였다. 펄스폭 구동 방식(1 kHz, 100 mA)을 통한 비정상적 방식이 정전류(20 mA) 구동 방식보다 5배 높은 자외선 세기를 보여줬다. 자외선의 세기는 전류의 양에 비례하는 것으로 전기적 실험을 진행하였으나, 미생물 살균에 대한 실제 실험은 이루어지지 못하였다.

UV-C의 공조기술 적용에 대한 적용성 검토 연구로, Jeong and Choi⁽⁹⁾는 사무실 대상으로 UV-C 램프에 인한 자외선 살균 공조시스템의 성능실험을 실시하였다. 실험을 통해 전외기 방식을 통한 외기의 도입보다 UV-C 램프를 적용한 파티션 살균시스템이 실내 부유세균 제거를 위해 효과적인 방안임을 확인하였다. Hong⁽¹⁰⁾은 UV-C 램프를 공조시스템에 적용하여, 온도·습도·기류속도 변화에 따른 UV-C 램프의 기본조사 특성을 실험하였다. 이를 기반으로 UV-C 램프의 표면살균성능을 파악하여, 병원성 미생물에 의한 오염방지를 제어하는 공조시스템 설계를 위한 기본자료를 도출하였다. Menetreza et al.⁽¹¹⁾의 연구에서는 주거 및 상업용 건물의 HVAC 구성 요소 내부 표면 및 기류에 중점을 두고 UVGI 시스템을 적용하여, UVGI 조사의 항균 효능을 결정하는 방법을 개발하고 실험검증하였다. 세균과 곰팡이를 대상으로 공기와 표면에서의 살균효과를 검토하고 실험값을 바탕 으로 k값을 도출하였다. Lee⁽¹²⁾에 따르면, H건설의 경우 세균·바이러스에 대한 살균성능을 극대화하기 위한 공동주택용 광플라즈마 기반의 살균청정 환기기술을 시범적으로 도입하였으며, 한국오존자외선협회의 PA(Pure Air)인증을 확보하였다고 한다.

그러나, 공조 및 환기장치 운전에 따라 공기필터에 부착되는 부유미생물의 항균 성능을 평가하기 위한 적합한 시험표준은 존재하지 않는다. 현재까지 제개정된 국제 시험표준의 경우, 부유세균을 이용한 제균 효율 평가 방법은 다음과 같이 수행되고 있다. ASTM F 2101 표준⁽¹³⁾의 경우 필터 여재 대상으로 세균 여과 효율 시험을 수행하고 있지만, 해당 표준으로는 필터 자체의 항균성능을 확인할 수 없다. ISO 15714 시험표준⁽¹⁴⁾에 따르면, 부유세균이 지나가는 one-pass 풍동에서 시험 대상 제품군인 UV 램프를 설치하여 조사량에 따른 살균 효율을 확인하고 있다. 해당 시험은 공기중 미생물의 UV 조사에 따른 살균효율을 확인하고 있기 때문에 필터에 부착된 미생물에 대한 UV 살균 효율을 확인하기 위한 시험에 적용하기에는 절차적 한계가 존재한다. 또한 ISO 16000 - 36 표준⁽¹⁵⁾의 경우 부유미생물 환경에서 공기청정기에 의한 제균 효율을 평가하여 필터 여과에 의한 공기청정기 성능을 확인할 뿐 항균 또는 살균 성능을 보장하지 않는다. 따라서 부유미생물에 노출된 필터의 안전성 확인을 위한 연구가 진행되고 있다. Kim et al.⁽¹⁶⁾에 따르면 공기청정기 성능 별 부유바이러스에 노출된 필터를 장착한 채 장기 운전할 경우 일부 제품군에서 한 달이 경과된 후에도 미생물이 검출되는 것을 확인하였다. Maus et al.⁽¹⁷⁾ 연구에 따르면 부유세균을 일반필터에 접촉시킨 후 한 시간 이상 지났을 때 특정 필터 종류와 미생물종에서 생물 활성이 장기적으로 유지됨을 확인하였다. 그뿐만 아니라 Bluyssen et al.⁽¹⁸⁾은 공간상 미생물 오염 전파에 환기 덕트를 주요 원인으로 꼽고 있어, 공기필터가 결합한 환기장치가 장기간 가동될 경우 부유미생물의 공기 매개 감염 원인으로 제시될 수 있으며 이를 해결하기 위한 적합한 기술 개발 및 평가의 필요성이 제기되어 왔다. 따라서 본 연구에선 필터 여재에 UV 광원을 조사함에 따라 필터에 부착된 미생물의 살균 효과를 확인하여 추후 환기설비 내 설치된 필터의 항균 처리 방법에 대한 가이드라인을 제시를 위한 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

3. 실험개요

Fig. 1에 나타낸 것과 같이 UV-C 광원의 거리에 따른 살균성능에 대한 실험 절차를 나타낸다. 본 실험에서는 실험 미생물 균주 표준 균인 황색포도상구균(Staphylococcus aureus, ATCC 6538)을 사용하였다. 실험실 규모에서 배양 및 사용이 용이한 병원성을 가진 그람양성균으로, 부유 상태에서 시험 시 안정적인 배양이 가능하여 변화 관찰이 가능하다. 황색포도상구균은 실험을 위해 사용 전 활성상태인 것을 사용한다. 미생물은 동결건조된 미생물 균주를 tryptic soy broth(TSB) 배지 27 ml에 넣어 37℃에서 24시간 진탕 배양 후 사용하였다. 표준 미생물 균주는 BIOBALL® MultiShot 10E8(bioMérieux, France) 제품을 사용하였다.

Step 1단계로 미생물의 활성 여부를 확인하기 위하여 사용 전 1 ml 시료를 분취하여 분광광도계를 이용하여 600 nm 흡광도를 측정하여 미생물 활성 유지를 확인하였다. 세균 배양에 사용한 액체배지는 BD Corp.(Franklin Lakes, NJ, USA) 제품을 구매하여 제조사가 제시한 매뉴얼에 의해 조제하여 사용하였으며, 고체배지는 BANDIO 사에서 제작된 멸균 생배지를 구매하여 사용하였다. 액체배지에서 배양된 세균의 농도 측정은 희석법을 사용하여 한천배지에 3회 반복하여 도말하고 배양된 콜로니를 계수하였다. 미생물 현탁액 제조의 방법은 다음과 같다. 미생물 분사를 위해 사용할 미생물 현탁액은 사전에 배양한 미생물 용액을 적정 농도로 희석하여 사용한다. 24시간 배양된 미생물은 미생물 외의 잔존 물질이 없도록 준비하기 위해 원심분리를 수행한다. TSB에 액체 배양된 미생물 현탁액은 4000 rpm에서 10분 동안 원심분리하여 상등액을 버린 후 동량의 펩톤식염완충용액을 넣어 미생물과 충분히 혼합되도록 교반한다. 이후 해당 과정을 반복하여 잔존 TSB 물질을 최소화한 미생물 현탁액을 준비한다. 펩톤식염완충용액은 NEOGEN사의 buffered peptone water(NEOGEN, USA) 제품을 사용하여 제조사 매뉴얼에 따라 준비하여 사용하였다.

Step 2단계로 미생물의 발생을 위해서 미생물 용액은 연동펌프를 이용하여 연속적으로 정량 주입하며, 연결된 에어로졸 발생장치는 적정 공기압으로 조정하여 시험 시 발생량이 유지되도록 한다. 미생물 발생을 위한 장치는 ASTM F 2101-14 표준에서 규정하는 사양을 만족한다. 시험 대상 미생물 농도는 104 CFU/ml에 맞도록 희석하여 사용한다. 희석된 미생물 용액은 분무기를 통해 발생하며, 시험용 필터시료에 미생물이 에어로졸 상태로 접촉하게 된다. 공기 중 부유 된 미생물이 필터에 부착되는 상황을 재현하도록 하였다.

시험 필터는 TSI 8130 testing filter를 사용하였으며 균주의 배양 배지는 Tryptic soy agr(TSA)를 사용하였다. 미생물 주입 유량은 0.3 ml/min이며 Atomizer에서의 미생물 분사 시간은 20 sec로 하였다.

Step 3단계로 시험필터에 분사된 황색포도상구균 시험필터는 UV-C LED의 거리 및 광원 시간에 따른 제균효율을 실험하기 위한 실험체에 장착되어 각 케이스에 따른 UV-C 조건에 따라 살균효과를 검토하였다. UV-C 광원의 필터 항균 성능 평가의 진행은 다음과 같다. 미생물 에어로졸에 노출된 필터는 에어로졸 발생장치로부터 분리되어 UV-C 광원에 노출시켜 광원과 필터 간의 거리 및 조사시간에 따른 항균성능을 확인한다. Step 4단계로 필터에 부착된 미생물의 생존 여부를 확인하기 위하여 시험 대상 필터는 UV-C 처리가 끝난 이후 중앙부를 지름 2.5 cm 원으로 작게 잘라 분리 용액에 넣고 강하게 흔들어 미생물이 필터로부터 분리되도록 한다. 분리용액은 희석액과 동일한 펩톤식염완충용액을 사용하였으며, 분리용액의 0.1 ml을 TSA 배지에 도말 하여 배양된 콜로니 개수를 확인하였다.

Fig. 2에 황색포도상구균을 필터에 분사하기 위한 세균 여과효율 실험장비를 나타낸다. Fig. 3에 외부의 자외선 영향을 최소화하기 위하여 제작한 실험 장치의 상세도 및 실험체 구성사진을 나타낸다. UV-C 광원의 거리 조절을 위한 구조체 기둥을 모듈하여 UV-C의 광원이 TSI 8130 testing filter와의 거리를 정략적으로 조절할 수 있도록 구조화 하였다. 실험장치는 검은색으로 하고 외부 자외선 파장 유입을 방지하였다. 필터의 살균효율을 평가하기 위하여 식(1)을 이용하였다. 초기 필터의 미생물 생균 수 분에 UV 적용 후 미생물 생균수 비율로 살균효과를 산출하였다.

Fig. 1 Test method of sterilization using UV-C.

Fig. 2 Test device of atomizer for the spraying microbial aerosols onto the test filters.

Fig. 3 Test device of atomizer and sterilization of UV-C test device (Distance 15 cm, 30 cm).

4. 실험 결과

본 실험에서는 황색포도상구균이 분무된 필터 여재를 대상으로 UV-C LED의 조사 거리 15 cm, 30 cm에 따른 살균효과를 검토하였다. Fig. 4에 미생물이 부착된 시험필터와의 UV-C LED 광원과의 15 cm, 30 cm 거리에 있어서 광원의 시간 변화에 따른 제거율을 나타낸다. UV-C LED에 의한 제균 효율을 결정하는 요소는 광원의 출력과 미생물의 거리 및 노출시간이며, 광원의 출력은 고정한 상태에서 미생물과 광원의 거리가 멀어지면 미생물에 영향을 주는 광 강도가 낮아지게 되어 제균효율이 낮아진다.⁽²⁰⁾ 고정된 광과 미생물 거리, 광 출력에서 제균 효율을 극대화하기 위해 광에 의한 미생물 노출시간이 증가할수록 효율이 높으므로⁽²¹⁾ UV-C LED 광에 의한 미생물 노출 시간을 증가하여 실험을 진행 하였다. 각 실험은 Fig. 1의 실험진행 절차에 따라 UV-C 광원의 조사시간을 변경하여 실험한 결과이다. 광원의 거리별 0 ~ 30 sec 시간의 살균능력이 눈에 띄게 확인되지 않았다. 1분 경과시는 15 cm 조건에서 4.5%, 30 cm 거리에서 21.8% 살균효과가 나타났다. 이후 경과 시간에서 거리별 역전 현상이 나타났다. 2분간 조사 시 15 cm 지점에서는 78% 제거, 30 cm 지점에서는 52% 제거 효율이 나타났다.

실험 시작 후 1 min 간의 세균 활성화 및 자연사멸 등에 의한 차이가 나타난 것으로 판단된다. 박테리아의 제균 효율은 노출시간과 관계가 있으나, 제균 효율의 정확한 경향성을 확인하기 위해서는 2 min 이상 노출시간이 필요한 것으로 확인하였다.^(21,22) UV-C LED를 필터에 적용하여 부유 미생물 제균력을 극대화하기 위해 광과 미생물 노출시간, 광원과 미생물의 거리가 중요한 요소이므로 장치 최적화 설계 시 고려되어야 한다. 조사시간에 있어서 15 cm 설치 지점에서는 5분 후 99% 이상 제균효율을 나타났다. Fig. 5의 육안 확인 결과에서도 15 cm 거리에서는 5분 광원 조사 시 세균 군집을 찾을 수 없었으며, 30 cm 지점에서는 10분 후 세균군집을 찾을 수 없었다. 기존 예비 실험으로 진행했던 2분과 5분의 살균효과 결과 보고와 동일한 결과가 나타났으며, 실험결과의 재현성도 확인되었다.⁽¹⁹⁾ 거리변수에 있어서 가변거리에 따라 살균 효과가 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 설치 위치에 따른 살균시험이 중요함을 알 수 있다. 본 실험은 공기의 유동이 없는 상태로 시험체에 정체된 공기 상태에서의 UV-C 살균 효율을 검토한 것이다.

공기조화기, 환기장치 내부에 UV-C광원이 장착되고 공기유동이 계속되는 상태에 있어서 필터의 살균효과는 다른 결과가 나타날 것으로 예상되며, 또한 공기필터의 경우 필터의 여재를 접어서 대용량 필터로 구조화하기에 UV-C의 광원의 조사 깊이에 따른 변화가 발생되고 살균효율이 변화될 것으로 예상된다.

Fig. 4 Result of sterilization efficiency by UV-C distance and irradiation time.

Fig. 5 Efficiency of sterilization treatments on UV-C.

5. 결 론

본 연구에서는 공조 및 환기장치에 장착되는 공기필터에 부착되는 부유미생물의 살균 성능을 정량적으로 평가하기 위한 방법론 마련을 위한 기초 연구로서 ISO 15714의 시험법의 공기이동이 발생되는 풍동에서 공기 중 미생물의 UV조사에 따른 살균효율을 확인하는 방법의 한계를 극복하기 위하여 필터에 부착된 미생물에 대한 UV 살균효과를 분석하였다. 필터여재에 미생물 표준균으로 황색포도상구균을 ASTM F 2101 제시된 정량분무 방법을 채용하였다. 그 뿐만 아니라 외란의 영향을 최소화한 시험구조물을 마련하여 필터여재의 UV-C 광원의 조사시간 설치 거리에 따른 살균효과가 정량적 평가가 이루어지도록 하였다. 본 연구의 UV-C 거리별, 시간별 살균효과 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) UV-C 광원의 높이별 살균효과에 있어 미생물 부착 필터에 거리 조건인 15 cm 지점, 30 cm 지점에서 시간별 거리가 가까울수록 제균효율이 높게 나타났다. 다만, 실험시작 ~ 1분간에서 살균효과는 자연살균과 실험오차 등 복합적 요인에 의하여 살균효과에 의한 오차 요인이 존재한다.

(2) UV-C 광원의 조사 시간에 따른 살균효과에 있어서는 2분 지속 시 52% ~ 78% 살균효과를 나타냈으며, 15 cm 거리에서는 5분 경과 시 99.8% 살균되어 육안 확인으로도 세균군집을 확인할 수 없었다.

본 연구를 통해 실용적인 제균을 위하여 UV-C 광원의 설치 형태(광원 설치 갯수, 광원량, 설치높이, 조사시간) 등에 따른 제균효율을 검토하고 공기조화 방역기술로서 적용이 필요한 것이 확인되었다. 광원의 조사 시간에 있어서도 2분 이상의 광원 조사 후에 살균효율이 나타나므로, 신뢰성 있는 성능평가를 위한 평가 기준 시간의 참고치가 될 수 있다. 추후의 연구에서는 공기의 이동이 있는 조건에서 비산 하는 미생물이 필터에 부착하는 것의 조건으로 UV 광원의 수량, 거리, 조사시간 등에 따른 제균효율을 평가하고자 한다.