1. 서 론

외부로부터 월경성 미세먼지 유입과 함께 산업화로 인한 내부 오염물질 배출이 증가함에 따라 대기 중 고농도 미세먼지의 발생 빈도가 증가하고 있다(Park and Shin, 2017). 이렇게 대기 미세먼지 농도가 증가함 에 따라 실내에서 생활하는 시간이 많아지고 있으며, 그에 따라 가정용 공기청정기의 활용이 증가하고 있 다(Noh, 2018). 공기청정기는 실내 공기 중 부유하는 미세먼지를 필터를 활용하여 포집하여 제거하는 장치이다. 공기청정기의 내부를 보면 크게 먼지를 포집 하는 필터 방식의 집진부와 기류를 생성시키기 위한 모터와 팬 등의 구동부로 나누어 볼 수 있다. 공기청 정기의 성능을 나타내는 Clean air delivery rate (CADR) 이라고 하는 청정화능력은 필터의 집진효율과 기류를 생성하는 풍량과 연관이 되며, 효율적으로 성능을 높이기 위하여서는 풍량을 증가시키는 것이 바람직 하다(Kim et al., 2017). 한편 공기청정기의 성능 향상 시키기 위해 풍량을 높이게 되면, 이와 비례하여 소음 발생량이 증가하게 된다. 공기청정기에서 발생하는 소음은 크게 흡입/토출구 및 내부 구조물 등 구조 적 형상에 의해 발생하는 구조기인 소음과 팬의 작동 에 따라 발생한 유동이 주변 공기 압력을 변화시켜 발생하는 유동기인 소음으로 구분 할 수 있다(Lee et al., 2020). 생활환경에 지속적인 소음발생원이 존재하게 될 경우 인체에 다양한 영향을 미치게 되는데 크게 청력손실과 같은 생리적 영향, 불쾌감과 정서불안 등의 심리적 영향, 작업능률 저하, 수면 방해와 같은 생활 방해 등을 일으킬 수 있다(Jeon, 2004).

공기청정기에 대한 소비자 인식을 확인하기 위하여 전국 20대~50대 성인 남녀 1000명을 대상으로 설문지를 이용해 온라인 조사를 진행하였다. 해당 설문 조사에서 미세먼지 저감을 위하여 응답자 중 약 42.1% 가 공기청정기를 보유하고 있다고 하였고, 미보유자 도 54.9%가 향후 구매를 고려하고 있다고 대답하였다. 한편 Fig. 1과 같이 소비자들은 공기청정기의 개선이 필요한 사항에 대해 필터 유지비용 감소와 전기 소모 량 감소를 1위로 꼽았으며, 다음으로 소음 저감의 필요성도 강조하였다.

이러한 이유로 공기청정기 제조업체들은 고풍량, 저소음 제품을 개발하기 위해 다양한 형태의 공기청 정기를 개발하고 있으나 풍량을 높이면서도 소음을 낮추는 기술 개발이 쉽지 않은 상황이다. 기존 문헌 들을 조사한 결과 대부분 논문들이 공기청정기의 팬의 형상에 따른 유량 특성(Jo, 2017), 소음 발생 특성 (Kim et al., 2018), CFD (Computational Fluid Dynamics) 해석에 의한 팬 소음 분석(Park et al., 2006) 등이 진행되었으며, 해외의 경우도 국내와 유사하게 CFD 해석을 이용해 팬의 공기역학적 소음을 예측하는 연구(Liu et al., 2007), 고속 원심팬에서 임팰러의 형상에 따른 소음 발생 특성을 CFD 해석하는 논문(Khelladi et al., 2008)을 확인할 수 있었다. 또한 기존 CFD외에 CAA (Computational Aeroacoustics) 기법을 함께 사용 하여 팬의 소음특성을 예측(Alkan, 2018)하는 연구가 있으나 공기청정기 제품 형상에 따른 소음과 성능을 함께 비교한 논문은 확인되지 않았다. 본 연구에서는 다양한 공기청정기의 흡입, 토출구의 위치와 구조에 따른 소음의 발생 정도를 파악하였고 이를 공기청정 기 성능인 CADR (청정화능력)과 비교하였다. 또한 소음의 평균값 산정 방식과 최대값 기준 적용 등의 소음 시험의 기준 변경에 따른 기준 만족 결과를 예측 하여 보았다.

2. 연구방법

본 연구에서는 2018년부터 2021년 상반기까지 한국공기청정협회의 SPS-KACA-002 실내공기청정기 인증 규격((KACA, 2018), 이후 CA 시험 규격)을 만족시 키는 총 279건의 결과를 바탕으로 분석을 진행하였으며, 공기청정기의 형상, 청정화능력, 소비전력, 위치별 측정값, 흡입/토출구의 형상 등을 분석하였다. 본 연구에서 사용된 데이터 중 청정화능력과 소음은 CA 시험을 주관하는 한국공기청정협회로부터 승인 후 제공받았으며, 소비전력은 한국에너지공단 홈페이지에 공개된 결과를 활용하였다.

2.1 공기청정기의 형태별 구분

공기청정기의 구조적 형상을 6가지의 형태로 분류 하였으며, 각 형상별 특징은 Fig. 2와 같다. 여기서 n 은 각 구조적 형상에 해당되는 공기청정기 대수를 의미하고 있다. A형은 전면(또는 후면)으로 흡입되어 1 개의 필터를 거쳐 기류가 상부로 토출되는 구조로서 전체 분석한 공기청정기 중 44.1%를 차지할 정도로 가정용 공기청정기에서 대표적인 형태이다. B형은 전면(또는 후면)으로 흡입되어 1개의 필터를 거쳐 후면 (또는 전면)으로 기류의 꺾임이 없이 토출되는 구조 이다. C형은 원통형 필터를 사용하여 공기청정기의 360° 모든 측면에서 흡입되어 상부로 토출되는 구조 로 각각의 면에서 발생하는 소음의 편차가 적은 것이 특징이다. D형은 2개 이상의 필터를 사용하여 양 측면에서 흡입되어 상부로 토출되는 형태로서 2개 이상의 필터를 사용하므로 청정화능력을 높이기 쉬운 구조이다. E형은 주로 천장형 공기청정기에 사용되는 형태로서 상부(또는 하부)에서 흡입이 이루어지고 측면으로 2개 이상의 토출구를 가지는 형태이다. 마지막으로 F형은 흡입구와 토출구가 동일한 면에 위치하여 기류가 반원형태로 꺽여 토출되는 형태로 주로 산업용이나 대용량 공기청정기에서 많이 보이는 구조이다.

Fig. 3은 공기청정기 설치 위치에 따른 각 공기청정 기의 구조 비율을 나타내고 있다. 본 연구에서 분석한 공기청정기 중 대부분은 바닥 설치형(n=258)으로 전체 시료 중 90.5%를 차지하였으며, 벽면 설치형(n=15) 은 5.3%, 천장 설치형(n=12)은 4.2%로 나타났다. 한편 천장 설치가 가능한 12개 모델 중 11개의 모델이 E형 형상이었으며, 벽면 설치형은 대부분 A형과 D형으로 나타났다. 또한 바닥 설치형 공기청정기 258대 중 청정화능력 8 m³/min를 기준으로 중소형과 중대형으로 구분하였을 때 중소형 공기청정기는 135대로 전체의 52.3%였으며, 중대형은 123대로 47.7%를 나타내었다. 동일 구조임에도 벽 및 천장 등의 설치 방식에 따른 소음 특성 변화를 분석 영향에서 제외시키기 위해 대부분을 차지하고 있는 바닥 설치형 만을 대상으로 하 였으며, 바닥 설치형 중 시료의 숫자가 적은 E형(n=5), F형(n=4)도 분석 결과에서 배제하였다.

2.2 공기청정기의 소음시험 규격

우리나라에서 공기청정기 성능 시험에 많이 사용 되는 규격은 CA 시험 규격과 한국산업표준인 KS C 9314 공기청정기((KATS, 2019), 이후 KS 시험 규격) 규격이다. 두 규격 모두 소음 시험을 포함하고 있는데, 소음 시험의 경우 공통적으로 무향실 또는 반무향실 에서 시험이 진행되며 시험체를 기준으로 1 m 이격 된 거리에서 측정을 진행한다. 측정에 사용되는 소음 계는 KS C IEC 61672-1 (KATS, 2017)에 규정된 소음 계(Class 2 또는 동등 이상)를 사용하여 청감 보정회로 A특성을 적용하고 있다. 두 시험규격이 다른 점은 CA 시험 규격의 경우 시험체의 전면, 후면, 왼쪽면 및 오른쪽면의 4면과 상부의 5개 지점의 평균값을 측정 하나, KS 시험은 후면을 제외한 전면, 왼쪽면 및 오른 쪽면 3면과 상부의 4개 지점의 평균값을 측정한다는 것이다. 시험 규격에 따른 소음 시험 개략도는 Fig. 4 와 같다.

공기청정기의 소음 성능 시험 기준은 5개 지점 또 는 4개 지점의 산술평균한 값을 사용하고 있어, 공기 청정기의 흡입, 토출부의 소음이 높게 나오더라도 전 체적인 평균으로는 그 수치가 낮아지는 경우가 대부분이다. 이러한 현상을 보완하기 위하여 가정용 전기 기기의 소음 측정방법 규격인 KS C IEC 60704-1 (KATS, 2020)에서 정의되고 있는 평균 음압레벨을 적용하고자 하는 방안이 검토되고 있다. 따라서 본 연 구에서는 한국공기청정협회의 기존 시험결과의 데이터를 확보하여 CA 시험 기준인 5개 측정 지점의 평균 값을 사용하는 식 (1)의 계산 결과와 평균 음압레벨을 사용하는 식 (2)의 계산 결과를 비교하여, 소음의 기준치 변경에 따른 기준 만족 비율 변화를 살펴보았다.

where

N_L : Noise level (dB)

η_1…5: Measures noise of the five data points (dB)

L _pm : Sound pressure level averaged over microphone position or measurement surface (dB, based 20 μPa)

L _pi : Sound pressure level at the i-th microphone position (dB, based 20 μPa)

N : Number of microphone positions

2.3 공기청정기의 소음시험 기준의 변화

CA 시험 규격은 2018년, KS 시험 규격은 2019년 개정을 통해 풍량 시험 결과에 따라 구분되던 소음 시험의 기준 값을 CADR (청정화능력)에 따라 구분되도록 변경하였다. 즉 정격풍량 5 m³/min 미만일 때 소음 치 45 dB, 5~10 m³/min 범위일 때 50 dB, 10~20 m³/ min 범위일 때 55 dB, 20 m³/min 이상일 때 60 dB의 풍량 대비 소음 기준에서 CADR 청정화능력이 4 m³/min 미만일 때 45 dB, 4~8 m³/min 범위일 때 50 dB, 8~16 m³/min 범위일 때 55 dB, 16 m³/min 이상일 때 60 dB 의 청정화능력 대비 소음 기준으로 변경되었다. 여기서 CADR (청정화능력)은 공기청정기를 정격 풍량으로 운전할 때 단위 시간당 먼지가 없는 정화된 공기를 얼마나 많이 공급할 수 있는지를 m³/min의 풍량 단위로 나타내며, 공기청정기의 성능을 표현하는 지표이다. 청정화능력은 풍량과 집진효율의 곱과 비례하여 나타나며, Fig. 5와 같이 풍량과의 상관성이 매우 뚜렷하다(Kim et al., 2017). 따라서 풍량과 상관성이 높은 청정화능력 변화에 따른 소음 결과를 비교하여 어떠한 공기청정기의 형태가 동일 소음 조건 대비 성능 면에서 유리한지를 평가하였다.

3. 연구의 결과

3.1 소음의 청정화능력에 따른 형태별 상관관계

Fig. 6(a)는 A~D형의 구조를 가진 249대의 바닥 설치형 공기청정기에 대해 공기청정기의 청정화능력과 평균 소음값의 결과를 나타내고 있다. 청정화능력값 기준으로 최대 소음값이 45, 50, 55 dB(A)의 계단 형태 를 나타내고 있는데, 이는 CA 시험 기준에 따라 기준 값 인근에 소음값들이 집중되어 있기 때문이다. 앞에서 언급한 것과 같이 CA 시험 기준에서는 청정화능력을 기준으로 4 m³/min 미만은 45 dB(A), 4~8 m³/min 은 50 dB(A), 8~16 m³/min은 55 dB(A)로 기준값이 정해져 있다. 2018년, 2019년을 합산하여 CA인증 시험 신청 건 중에서 전체 탈락 건수 중 소음이 44%로 가장 높은 항목을 차지하였다. 이는 공기청정기 제조사 들이 소음값을 기준으로 제품의 풍량을 결정하여 출시하기 때문인 것으로 판단된다. 데이터 산포도가 높아 비교가 어렵지만 추세선으로 살펴보면 B형 공기 청정기가 동일 청정화능력 대비 소음이 가장 낮은 것으로 분석이 되었다. 이는 공기 흡입 및 토출 방향이 같아 기류 방향 전환이 없어 필터 이외의 공기 저항 이 낮아 동일 풍량에서 상대적으로 적은 소음이 발생 한 것으로 판단된다. D형 방식은 낮은 청정화능력 범위에서는 A형이나 C형과 유사한 값을 나타내었으나 높은 청정화능력에서는 소음값이 상대적으로 낮아지 는 특성이 있어 중대형 고풍량 공기청정기에 적합한 것으로 나타났다.

Fig. 6(b)는 공기청정기의 청정화능력을 기존의 5지 점의 평균값이 아닌 최대값을 기준으로 비교한 결과 를 나타내고 있다. 최대값을 기준으로 비교할 경우에 는 B형 공기청정기 이외에도 C형과 D형도 동일 청정 화능력에서 유사한 소음값을 나타내는 것으로 나타 났다. A형 방식만 높은 청정화능력 영역에서 상대적 으로 최대 소음값이 높게 형성되는 것을 알 수 있었다.

Table 1은 공기청정기의 구조에 따라 흡입구와 토 출구에서 소음 최대값이 발생하는 비율을 나타내고 있다. A형은 기류가 흡입되는 위치에서 최대값이 발생하는 경우가 55.9%로 가장 높았다. B형은 분석 대상 공기청정기의 84.6%가 토출구에서 소음 최대값이 나타났고 각 위치별 표준 편차가 2.9로서 위치에 따른 소음 편차가 가장 심한 것으로 나타났다. 이는 토출 구 대비 나머지 4개 지점의 소음이 낮게 형성되어 발 생한 결과이다. C형은 상부 토출구와 기타 위치(360o 흡입구)에서 소음 최대값이 비슷한 빈도로 나타났으며, 따라서 각 위치별 표준 편차가 1.4로 가장 낮게 나타났다. 이는 원통형 필터를 사용함에 따른 특성으로 흡입이 되는 4면의 측정값이 고르게 나타났기 때문이다. 또한 D형의 경우 2개 이상의 필터를 사용하여 각각의 흡입구를 통과하는 개별 유량이 낮아, 고유량 에서 유리한 형태이다. 소음 최대값의 50.0%가 토출구에서 발생하였으며, 흡입구와 그 외 위치는 고르게 나타났다.

Table 2는 공기청정기 구조별 소음값을 청정화능력 으로 나눈 값을 나타내고 있다. 각각의 공기청정기의 성능이 서로 다른 상황에서 형태별 소음값을 단순 비교하여 성능을 평가하기 어려우며, 이를 보완하기 위하여 성능의 핵심 지표인 청정화능력 대비 소음값으로 표현하였다. 또한 소음값은 산술평균 소음값과 평균 음압레벨 소음값, 최대 소음값을 기준으로 비교해 보았다. 산술평균 소음값을 기준으로 비교했을 때 B 형의 경우가 4.5 dB(A)/(m³/min)로 가장 우수하였으며, D형 5.5 dB(A)/(m³/min), C형 6.9 dB(A)/(m³/min) 그리고 A형이 8.7 dB(A)/(m³/min) 순으로 나타났다. 평균 음압레벨 기준이나 최대값 기준으로 비교했을 때 에도 공기청정기 구조별 소음 특성이 비슷한 경향을 나타내었다.

3.2 소음의 시험기준에 따른 형태별 상관관계

앞에서 언급한 것과 같이 현재 공기청정기의 소음 시험 기준인 산술평균 방식에서는 특정 위치의 소음 이 과도하게 높게 나오더라도 이를 반영하기가 어려운 면이 있다. 예를 들어, 5개 측정 지점에서 각 측정 값이 40, 41, 43, 50, 41 dB(A)로 측정이 된 경우 위의 식 (1)과 같이 산술평균으로 계산할 경우 43.0 dB(A)가 되나, 식 (2)와 같이 평균음압 레벨로 계산할 경우 44.9 dB(A)가 된다. 또한 공기청정기에서 발생하는 최대값 을 기준으로 하는 경우 50 dB(A)가 된다. 앞에서 살펴 본 것과 같이 2018년 진행한 설문조사에서 공기청정 기에서 개선이 필요한 사항들 중 소음이 지적될 만큼 소비자들은 공기청정기의 소음에 대한 인식이 상당히 부정적인 것으로 나타났다. 따라서 공기청정기의 CA 인증을 진행하고 있는 한국공기청정협회에서도 소비자의 편의 및 국내 공기청정기의 경쟁력 제고를 위해 소음에 대한 규격 강화안을 시험기관 및 유관 업 체들과 논의 중에 있다. 이러한 논의에 따라 소음 기 준이 기존의 산술평균에서 평균음압 레벨 또는 최대 값 기준으로 수정되었을 때 기준치를 만족하는 비율 을 Table 3에 나타내었다.

대상 시료 249건 중 CA 시험 기준인 산술평균 기준 의 경우 249건(100.0%), 평균음압레벨 기준은 219건 (88.0%), 최대값 기준에서는 107건(43.0%)이 기준치를 만족하였다. 이를 공기청정기 구조별로 분석해 보면, 산술평균 기준으로는 구분이 어려운 것이 평균음압 레벨로 분석 시 B형, C형, D형 및 A형의 순서로 우수 한 것으로 나타났다. 이는 평균음압 레벨 계산시 특정 지점의 측정값이 나머지 값보다 높게 나타날 경우, 즉 측정 지점 간 표준편차가 높게 나타날 경우 산술 평균값 보다 더 높은 소음값을 나타내기 때문에 이러한 것이 반영된 결과라고 볼 수 있다. 즉 산술평균에서 평균음압 레벨로의 시험기준을 변경할 경우 A형 은 평균 0.7 dB(A), B형의 경우 0.9 dB(A), C형은 0.2 dB(A), D형은 0.4 dB(A)이 증가하는 것으로 나타났다. C형의 경우 각 지점 측정값 간 편차가 가장 낮게 나타는 형태로(표준편차 1.4) 평균음압레벨로 계산하더라도 92% 이상의 시료가 기준치를 통과하였다. 한편 B형의 경우 가장 큰 편차를 보여주었으나 소음 기준 치 대비 측정값이 워낙 낮은 값을 나타내고 있어 평균음압 레벨로 계산할때 증가된 값을 반영하더라도 96%라는 가장 우수한 결과를 보여주었다. 또한 최대 값 기준으로 분석할 경우에는 B형, D형, C형 및 A형 순서로 우수한 것으로 나타났다. A형 방식은 최대값 을 기준으로 하였을 때 기준치 통과 비율이 28%로 급 격히 감소하였고, B형의 경우는 최대값 기준으로도 69%가 통과할 수 있었다.

3.3 소비전력과 청정화능력 상관관계

Fig. 1의 설문조사에서 소비자들이 공기청정기 사용시 우려하는 부분이 필터 교체 비용과 함께 공기 청정기 사용에 따른 전기 소모량이다. 따라서 공기청정기 구조별로 소비전력 대비 청정화 능력을 비교해 보았고 그 결과는 Table 4와 같다. A형의 경우 1 W 당 평균 청정화능력이 0.171 m³/min 이었으며, B형은 0.241 m³/min, C형은 0.227 m³/min, D형은 0.207 m³/min로 나타났다. 단위 소비전력 당 평균 청정화능력은 최대 값 소음 기준치로 비교했을 때와 유사하게 B형, C형, D형 및 A형의 순서로 우수한 특성을 나타냈다. 공기 청정기에서 소비되는 전력은 대부분이 팬의 구동에 의한 것으로 압력강하가 적게 걸리는 형태가 소음 뿐만 아니라 소비전력 측면에서도 유리하며, B형의 경우 흡입구와 토출구가 직선상에 배치되어 내부 형상 에 따른 압력강하가 상대적으로 적어 소음이 낮을 뿐 아니라 낮은 소비전력에서도 높은 풍량을 얻을 수 있어 에너지 소비 대비 성능 측면에서도 유리한 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 공기청정기의 한국공기청정협회의 CA 인증 시험 결과를 바탕으로 2018년부터 2021년 상반기까지의 성능 인증을 받은 279건 중 바닥 설치형인 249건을 대상으로 소음, 청정화능력 및 소비전력 을 분석하였다. 공기청정기의 소음은 청정화능력 4 m³/ min 미만은 45 dB(A) 이하, 4~8 m³/min은 50 dB(A) 이 하, 8~16 m³/min은 55 dB(A)이하로 기준값이 정해져 있다. 소음의 기준값을 결정하는 청정화능력은 풍량 과 큰 상관관계가 있으며, 흡입구와 토출구를 직선상 에 배치하여 기류를 꺾지 않는 B형이 청정화능력 대비 소음에서는 4.5 ± 1.5 dB(A)/(m³/min), 소비전력 대 비 청정화능력에서 0.241 ± 0.056 (m³/min)/W로 다른 방식 대비 가장 우수한 결과를 보여주었다. 원통형 필 터를 사용하여 측면에서 360°로 흡입되어 상부로 토출하는 C형은 토출구를 제외한 흡입구 4면에서 소음 값이 고르게 나타났으며, 청정화능력 대비 소음에서 는 6.9 ± 5.1 dB(A)/(m³/min), 소비전력 대비 청정화능력에서 0.227 ± 0.072 (m³/min)/W로 나타났다. 양측면 에서 2개의 필터를 사용하는 형태로 흡입하여 상부로 토출하는 D형은 청정화능력 대비 소음은 5.5 ± 2.3 dB(A)/(m³/min), 소비전력 대비 청정화능력은 0.207 ± 0.068 (m³/min)/W로 확인되었다. 현재 시장에서 가장 높은 비율을 차지하고 있는 전면 흡입 및 상부 토출 구조의 A형은 청정화능력 대비 소음에서 8.7 ± 3.3 dB(A)/(m³/min), 소비전력 대비 청정화능력에서 0.171 ± 0.060 (m³/min)/W를 나타내어 소음과 성능 면에서 가장 좋지 못한 특성을 나타내었다. 이번 연구는 공기청정기의 CA 인증 시험을 통해 확보한 소음, 청정 화능력 및 소비전력 결과 값과 제품의 흡입/토출구의 구조 형상으로만 성능 특성을 분석한 결과이다. 공기 청정기의 팬 형상, 모터의 성능, 적용 필터의 차압 및 집진효율 등은 고려하지 못하였다. 이 후 이러한 요소를 고려하여 각 형상별 대표 제품을 선정하고, 실 제품을 기반으로 비교 분석하는 후속 연구를 진행할 필요가 있다. 또한 공기청정기는 가전제품으로 제조사 별로 다양한 디자인과 기능을 가지고 있으며, 이는 성능과 더불어 중요한 요소이다. 본 연구의 분석에 활용된 모든 공기청정기는 CA 인증을 취득한 제 품으로 기준에 적합한 성능을 보유하고 있었음을 밝혀둔다.