1. 서 론
최근 쾌적하고 위생적인 환경에 대한 관심이 높아짐 에 따라, 사람들이 생활하는 실내 공간에서의 미세먼지, 부유세균 등을 비롯하여 질병을 유발할 수 있는 다양 한 병원균들의 위생 관리에 대한 연구가 여러 분야에 서 이루어지고 있다. 특히 공동주택과 같은 주거환경을 대상으로 한 연구가 활발하게 진행 중이며, Bang et al. (2017)은 계절별 공동주택에서의 미생물 피해와 관련 하여 부유 미생물은 제어하기 어려우며 실내 표면에도 가시적으로 확인되는 피해를 유발할 수 있다고 하였다. Oh et al. (2014)의 연구에서는 실내공기 오염물질 중 미세먼지뿐만 아니라 부유 미생물의 유해성에 대해서 도 평가를 하였으나, 미생물로 인한 표면 피해에 대한 연구는 다소 부족한 상태이다. Yoon et al. (2010)과 Ryu et al. (2010)의 연구에서는 실내 주거건물 내에서 건물의 특성 및 재실자의 생활패턴에 의해 복합적으로 곰팡이 및 세균과 같은 미생물 피해가 나타나 이를 해 결할 방안의 필요성을 제시하였으나, 현재 국내에는 주 거환경에서의 미생물 피해에 대한 명확한 대책이 없는 실정이다. 특히 인체에 직접적인 영향을 미치는 병원균 들은 질병을 발생시킬 위험성이 매우 크기 때문에 자 외선 소독, 물리적 또는 화학적 제거와 같은 방법들로 살균을 하고자 하는 사례들이 많다. 그중 자외선을 이 용한 살균 방법은 우리 주위에서도 쉽게 찾아 볼 수 있 을 정도로 보편화 되어있고, UVGI (Ultraviolet Germicidal Irradiation)는 자외선 조사를 통해 세균의 생체세 포 내 핵산 변형 및 신진대사 이상을 일으켜 증식능력 을 잃고 사멸하게끔 하며 모든 균에 대한 살균 효과 역 시 뛰어난 것으로 알려져 있다(Hwang et al., 2010). 그 러나 현재로서는 인체에 유해한 자외선의 특성 때문에, 자외선 컵 살균기 등 국소적인 경우에만 주로 사용되 고 있다.
자외선을 이용한 살균에 관한 연구는 국내외에서 활 발하게 진행되어 왔으며, 일반 상업공간뿐만 아니라 공 동주택, 선박, 병원 등에서도 다양하게 활용되고 있다 는 것을 알 수 있었다. Park et al. (2014)의 연구를 통 해 임시대피소로 활용 가능한 초등학교 실내 체육관에 서 UVGI를 적용했을 때, Influenza A 바이러스에 대 한 살균효과와 오염물질 확산 제어능력이 있음을 확인 하였다. Hwang et al. (2010)의 연구에서는 고등학교의 교실 및 병원의 수술실, 복도에서 자외선 살균 기능을 첨가한 조명등기구를 이용하여 살균효과를 검토하였다. 측정을 통해 다중이용시설의 실내 공간에 자외선 살균 기능을 첨가한 조명등기구를 조사하였을 때, 기존 환경 에 비해 조명등기구를 설치한 공간에서는 청정지역에 가깝게 유지되고 있는 것을 확인할 수 있었다. Jeong et al. (2009)의 연구에서는 업무용 건물의 개인 사무공 간에서의 살균을 위해 공조시스템에 UVGI를 부착하 는 실험을 진행하였다. 실험을 통해 전외기 방식을 통 한 외기의 도입보다 UVGI가 부착된 파티션 살균 시스 템이 병원성 전염병을 더 효과적으로 예방할 수 있는 방법이라는 것을 강조하였다. 이를 통해 현재 자외선을 이용한 살균은 공간을 불문하고 가장 효과적으로 사용 되고 있다는 것을 알 수 있었다. 그러나 현재까지 대부 분의 국내 연구에서는 장시간의 조사를 통한 자외선의 뛰어난 살균 성능에 대해 주로 강조하고 있으며, 자외 선 강도 분포에 관한 분석과 효율적인 사용에 대한 연 구는 부족하다.
국외의 경우, Menetreza et al. (2010)의 연구에서는 주거 및 상업용 건물의 HVAC 시스템 내 UVGI 시스 템을 활용하여 세균과 곰팡이를 대상으로 공기와 표면 에서의 살균효과를 검토하고 실험값을 바탕으로 k값을 도출하기도 하였다. Gilkeson et al. (2013)의 연구에서 는 UR-UVGI 시스템의 살균효과를 CFD를 통해 기류 해석과 연동하여 예측하였으며, 이를 비롯한 대부분의 연구에서 기류해석과 더불어 UR-UVGI 시스템의 살균 효과를 예측한 경우가 많았다. 또한 UVGI의 표면살균 성능에 대한 실험에 관한 연구는 많이 진행되었으나, 복사 해석을 통해 살균성능을 예측하는 연구는 많지 않은 것으로 나타났다.
따라서 본 연구에서는 복사 해석 기법을 이용하여 설계단계에서도 최적의 자외선 살균 효과를 적용할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다. 이를 위해 실내의 다 양한 공간 중 인체의 질병 발생에 직접적인 연관성이 크고 병원균이 많을 것으로 예상되는 주방 환경에 UVGI를 적용하는 것을 가정하여, 복사 해석 기법을 이용해 자외선 분포를 예측하고 검증을 위해 현장 측 정 결과와 비교하였다. 또한 예측한 자외선 분포를 바 탕으로 대표적인 병원균을 선정하여 필요한 살균목표 치에 달성하기 위한 자외선 조사시간을 도출하고, 주방 환경에서 UVGI의 효율적인 적용 방법을 제시하고자 한다.
2. 연구방법
2.1 연구대상
연구대상은 Fig. 1 (a), (b)와 같은 실제 주방 환경을 구현한 실험동 내에서 진행되었다. 실험동 크기는 2.7m * 1.3m* 2.2m이며, UV-C 램프는 천장 매입이 불가능하여 노출형으로 천정부 중앙에 가로방향으로 1 개 설치하였다.
실제 주방환경에서 조리 등 활동 중 세균 및 진균이 쉽게 생장할 수 있는 싱크대 작업면을 대상으로 UV-C 강도를 측정하기 위해, Fig. 2와 같이 10 cm* 10 cm 크기로 영역을 나누어 진행하였다. 조리대 및 싱크대 사이 영역에 35개, 싱크대 우측 영역에 25개로 총 60 개의 포인트로 나누어 각 포인트별 UV-C 강도를 측정 하였다. 각 포인트별 측정은 5~7분간 진행하였고, 안정 되었을 때의 측정값을 UV-C 강도로 하였다. 좌표는 A(벽면 방향)부터 E까지 5개 행과 1~12까지 12개의 열로 나누었다.
본 실험에서 사용한 UV-C 램프(G15T8, Sankyo Denki, Japan)의 사이즈(L*D)는 436 * 25.5 mm, 출력 은 15W (UV출력 4.9W)이다. UV-C 센서는 미국 International Light Technologies사의 ILT-5000 모델에 XRD 140T254 Low Profile Germicidal Probe를 사용 하였다. Fig. 3
2.2 UV-C 복사 해석
UV-C 강도 분포 예측을 위한 복사 해석은 미국의 Lawrence Berkeley National Laboratory에서 광선추적 법(Backward Ray Tracing)을 기반으로 제작된 Radiance code를 이용하였다. Radiance는 실내외 조명환경 및 태양복사 해석 등의 연구에 활용되고 있는 공개 코 드이지만, 본 연구에서는 자외선 강도 분석을 위해 램 프의 출력과 반사율 등을 UV-C에 대한 물성치로 적용 하였다. 복사 계산은 Radiance 코드 중 rtrace를 이용하 여 각 포인트별 UV-C 강도값을 구하였다. 먼저, 실험 동 내 측정에 사용된 UV-C 램프의 실제 자외선 출력 값을 알기 위해 별도의 공실에서 UV-C 센서를 사용하 여 1 m와 2 m 거리에서의 UV-C 강도를 측정하였고, 이 값을 토대로 Radiance에서 램프의 UV-C 출력값을 도출한 후, 실험동 모델에 적용하여 작업면에 도달하는 UV-C 강도 분포를 계산하였다. Radiance 해석에 사용 된 실험동 모델 내 가구 및 벽지 등 각 재료의 UV-C 반사율은 Table 1과 같다. 반사율은 크게 싱크대 내부 표면(주방후드 포함), 주방수납장(인덕션 포함), 작업면, 벽면(천장 및 바닥), 출입문으로 나누어 설정하였다. UV-C 강도는 0.01 m 간격으로 도출한 후, 실측값과의 비교를 위해 실측지점 내 평균값을 구하였다.
도출된 UV-C 강도 분포를 바탕으로 UVGI 시스템 의 효율적인 적용 방법을 제안하고자, UV-C에 의한 살 균율을 나타낸 식인 Eq. 2 (Bang et al., 2018)을 통해 살균율에 따른 조사시간을 산출하였다.
where,
여기서 노출시간 t에 대해 정리하면 다음 Eq. 2와 같다.
위의 식을 이용하여 세균, 바이러스 그리고 곰팡이 별 살균 효과를 예측하기 위해 병원균 다섯 종류를 선 정하였고, 99.9%의 살균율 달성을 위해 필요한 자외선 조사시간을 예측하였다. 대상균으로는 일반 주거 및 주 방환경에서 검출되어 질병을 일으키기 쉬운 대장균 (Escherichia coli)과 레지오넬라(Legionella bozemanii) 의 세균 2종, 아스퍼질러스(Aspergillus niger)와 클라도 스포리움(Cladosporium herbarum)의 곰팡이 2종, 그리 고 식중독을 일으키는 노로바이러스(Murine Norovirus ) 1종을 선정하였다. 여기서 각 균들이 가지고 있는 k값은 기존 연구들의 실험에 의해 도출된 값들을 사용 하였고(Kowalski, 2010), 이 중 세균 및 곰팡이는 각 실험에서 표면을 대상으로 한 결과를, 노로바이러스는 균이 가지고 있는 특성에 따라 수중에 있는 바이러스 를 대상으로 한 실험 결과를 참고하였다(Table 2).
3. 결과 및 고찰
Fig. 4(a)는 실험동 내에서 UV-C 센서를 통해 측정 한 결과를 좌표에 따른 UV-C 강도 분포로 나타낸 것 이다. 그 결과 램프와의 실거리가 가장 가까운 측정면 을 중심으로 UV-C의 강도는 점차 약해지는 것을 알 수 있었다. 가장 강한 UV-C 강도는 0.368W/m2이고, 실 거리가 가장 가까운 부분에서 나타났다. 또한, 개수 대 수전의 영향을 받는 지점을 제외한 나머지 지점 중 가장 낮은 강도(0.073 W/m2)는 우측 벽과 접한 곳에서 나타났다. Radiance를 통해 UV-C 강도 분포를 해석한 결과(Fig. 4의 (b)), 측정결과와 마찬가지로 UV-C 램프 와 가장 가까운 중앙부를 기점으로 거리가 멀어질수록 점차 강도가 약해지는 것으로 나타났다. 가장 강한 자 외선 강도는 0.431 W/m2이고, 실험동 내에서의 최대 강도와 거의 유사한 지점에서 나타났다. 또한 가장 낮 은 값 역시 우측 벽과 접한 부분에서 나타났고, 0.109 W/m2이다.
이를 실험동 내에서 실제 측정한 결과와 비교했을 때, 실측값이 Radiance 해석 결과보다 평균 약 30% 낮 게 나타났으나 분포는 유사하게 나타났다. Fig. 5는 실 측결과와 Radiance 해석 결과 중에서 C 행의 강도를 비교한 것으로 분포는 유사하나 전체적으로 실측값이 낮게 나타났는데, 이는 Radiance 해석조건에서 설정한 반사율이 실제 재료들의 반사율보다 높았기 때문인 것 으로 추정된다. 이 해석에서 설정된 반사율은 참고문헌 을 통해 실험동 내 마감재와 유사한 재료의 반사율을 반영한 것이므로, 실제 반사율과는 일치하지 않을 수 있다. 따라서, 실내 가구 및 재료들의 실제 반사율을 측정하여 반영한다면 실측과 더 유사하게 예측할 수 있을 것이다. 또한 A-8 포인트에서는 Radiance를 통한 해석값과 실측값이 큰 차이를 보였는데 이는 앞서 언 급했듯이 개수대에 설치된 수전으로 인한 그림자의 영 향이며, Radiance를 이용한 해석 모델에는 포함되지 않았기 때문에 생긴 오차이다.
이 결과를 통해 UV-C를 이용한 표면 살균 성능을 예측할 때, 실제 UV-C의 강도 측정을 통하지 않고 Radiance와 같은 복사 해석 기법을 이용하여 예측이 가능하다는 것을 알 수 있다. 또한 예측한 UV-C 강도 를 통해 UV-C 살균 시, 균의 종류에 따른 살균 소요시 간을 예측할 수 있다. Table 3은 측정 및 해석 결과를 바탕으로 표면균을 99.9% 제거할 때 소요되는 시간을 Eq. 2의 식을 통해 계산한 것이다. 여기서 소요시간은 측정면에 닿는 UV-C 강도의 최댓값과 최솟값을 기준 으로 계산하였다. Radiance 해석 결과에 따르면 세균 류인 E. coli와 Legionella bozemanii는 가장 강도가 낮 은 지점까지 살균율 99.9%에 도달하는데 각각 최대 673초와 413초가 소요되며, 곰팡이류인 Aspergillus niger와 Cladosporium herbarum은 각각 최대 16,418초 와 5,195초, 바이러스류인 Murine Norovirus는 최대 2,085초가 소요된다. 세균류는 곰팡이류에 비해 살균율 99.9%에 도달하는 살균 소요시간이 짧으며, E. coli가 99.9% 살균될 때 소요되는 약 10분간의 조사를 할 경 우 Aspergillus niger는 약 24.7%, Murine Norovirus는 약 89.3%가 제거되는 것으로 예상된다. 또한, Murine Norovirus가 99.9% 살균될 때 소요되는 약 30분간의 조사를 할 경우 Aspergillus niger는 약 58.4%가 제거 될 것으로 예상되었다. 이는 Radiance 해석 결과에 의 한 것으로, 실측값을 통한 예측 소요시간은 Radiance 해석 결과보다 UV-C 강도가 낮았기 때문에 더 소요될 것으로 예상된다. 이 결과를 통해, UV-C를 이용한 살 균 시 장시간의 조사를 하지 않고 약 20~30분간만 조 사할 경우에도 세균류 및 바이러스는 거의 99.9% 이상 제거될 수 있고, 곰팡이 역시 최소 60%에 가까운 살균 을 할 수 있을 것으로 예상된다. 여기서 곰팡이류의 경 우 세균류와 바이러스류에 비해 살균에 더 많은 시간 이 소요되지만, UV-C 살균 이외에도 물리적 또는 화학 적 수단으로 제거가 가능하기 때문에 단시간 UV-C 살 균으로는 세균 및 바이러스를 대상으로 하는 것이 더 효율적인 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서 자외선 조사시간 예측에 사용된 k값은 동일 균이라도 연구나 실험에 따라 편차가 발생할 수 있으므로, 실제 자외선 살균장치를 적용할 때에는 이를 감안하여 가동시간을 고려해야 한다.
4. 결 론
본 연구는 광선추적법을 통한 Radiance를 이용하여 UV-C의 균 종류에 따른 살균 효과를 예측하는 방법을 제시하였다. 따라서 Radiance를 이용해 UV-C 강도 분 포를 예측하고, 검증을 위해 현장 측정 결과와 비교하 였다. 또한 예측한 UV-C 강도 분포를 바탕으로 대표적 인 미생물을 선정해 필요한 살균목표치에 달성하기 위 한 자외선 조사시간을 도출하였다.
실험동의 작업면을 대상으로 측정한 UV-C 강도와 Radiance를 통해 얻은 결과는 오차(오차율 30%)가 있 었으나, 전반적인 분포는 유사하게 나타났다. 발생한 오차는 실제 실험동에 사용된 재료에 따른 반사율과 Radiance 해석 시 참고한 반사율 값이 다르기 때문인 것으로 사료된다.
또한 병원균에 따른 살균효과와 살균시간을 예측한 결과, 살균율 99.9%를 기준으로 하였을 때 세균 및 바 이러스류는 최대 약 10분, 30분 정도가 소요되어 단시 간의 조사로도 충분히 살균된다는 것을 알 수 있었다. 곰팡이의 경우 세균 및 바이러스에 비해 장시간이 소 요되지만, 유해성이 낮고 자외선 조사 이외에도 다양한 제거 방안이 있기 때문에 단시간 조사에는 세균 및 바 이러스를 대상으로 하는 것이 적절할 것으로 예상된다. 따라서 곰팡이의 UV-C를 이용한 살균에 관해서는 추 후 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
이를 통해 Radiance 해석을 통한 UV-C 강도 분포를 바탕으로 작업면에서의 위치별 표면세균 살균시간의 예측이 가능할 것으로 판단되며, 단시간 조사를 통해서 도 높은 살균율을 충족시킬 수 있기 때문에 일반환경 에서 적용이 어려웠던 UVGI 장치를 더 효율적으로 활 용할 수 있을 것이다.
