1. 서 론

미세먼지(PM_2.5, PM_1.0), 휘발성유기화합물(VOCs), 이산화탄소(CO₂) 등 건강 유해 요인에 대한 사회적 관심이 증가함에 따라 실내 공기질은 주요 환경·보건 이슈로 부상하였다(Kim et al., 2019a;Kim et al., 2019b;Cho et al., 2021). 이에 따라 다양한 형태의 공기청정기가 보급되었으나, 일반적인 스탠드형 또는 벽걸이형 공기청정기는 필터 표면에 분진이 누적됨에 따라 정압이 증가하고 공기 순환이 비 균일해지며, 장기 운전 시 성능 저하와 유지관리 부담이 발생하는 구조적 한계가 지속해서 보고되고 있다(Ng et al., 2017;Cheek et al., 2021). 기존 연구에서는 고효율 일렉트렛(Electret) 필터를 적용한 공기청정기의 초기 여과 성능 향상 가능성이 제시되었으나, 분진 축적에 따른 정압 상승과 성능 열화로 인해 장기 운전 안정성에는 한계가 있음이 지적되었다(Kim et al., 2007;Wang et al., 2019). 또한 대부분의 독립형 공기청정 시스템은 실내 공기만을 순환 처리하는 구조로 설계되어 환기 기능이 제한적이며, 이로 인해 CO₂ 및 실내 오염물질 축적 문제를 근본적으로 해결하기 어렵다(Kim et al., 2019a;Li et al., 2022).

이러한 배경에서 최근에는 공기청정 기능과 환기 기능을 하나의 모듈로 통합한 천장 매립형(built-in) 공기 정화 시스템이 대안으로 제시되고 있다. 그러나 기존 매립형 시스템은 천장 내부 설치 구조로 인해 필터 접근성이 낮고 유지관리 효율이 떨어지며, 장기 운전 시 필터 막힘으로 인한 정압 증가 및 성능 저하 문제가 여전히 남아 있다(Kim et al., 2007;Wang et al., 2019;Tobisch et al., 2021). 특히 필터 표면에 축적된 분진을 능동적으로 제거할 수 있는 자가 세정 기능이 충분히 구현되지 않아 유지관리 비용 증가와 에너지 소비 증가로 이어진다는 한계가 보고되고 있다(Wang et al., 2019;Jiang et al., 2024).

한편, 실내 공기 흐름은 장치의 설치 위치와 유동 형상에 크게 영향을 받으며, 천장 영역에서 형성되는 상승·하강 유동을 적절히 활용할 때 공간 전체의 오염 물질 제거 효율을 향상할 수 있음이 보고되었다(Lee et al., 2020;Stafford and Xu, 2021). 이러한 선행 연구들은 기류 분포 개선을 통한 정화 성능 향상의 가능성을 제시하였으나, 유지관리 편의성 확보 및 장기 운전 시 정압 상승 억제를 동시에 고려한 시스템적 접근에는 한계가 있다. 그런데도 기존 문헌에서는 (1) 필터 출몰(Depth extension)과 같은 구조적 변수의 공기역학적 영향, (2) 회전식 자가 세정(Self-cleaning) 기능의 정압 상승 억제 효과, (3) 가변 운전 조건(VSP)을 고려한 통합 성능에 대한 정량적 검증이 충분히 이루어지지 않았다(Blondeau et al., 2021;Li et al., 2022;Jiang et al., 2024;Li et al., 2025). 특히 최근의 종설(Review) 연구에서는 자가세정 및 재생형 필터 기술이 다양한 형태로 제안됐음에도 불구하고, 실제 운전 조건을 반영한 실험적 검증은 여전히 제한적인 수준에 머물러 있음을 지적하고 있다(Li et al., 2025).

본 연구에서는 출몰형(Built-in retractable) 구조와 회전식 자가 세정 기능을 갖춘 새로운 출몰형 Built-in 공기정화 시스템을 대상으로, 실제 규모의 30 m³ 시험 챔버 환경에서 출몰 깊이, 자가세정 회전 속도, 팬 속도 제어(VSP)) 조건이 PM_2.5 제거율, 정압 특성, CADR 및 에너지 소비에 미치는 영향을 실험적으로 정량 규명하고자 한다.

2. 재료 및 방법

2.1 실험 장치 및 시험 환경

자가 세정 기능과 출몰형 필터 구조를 갖춘 공기청정 시스템의 성능을 정량적으로 평가하기 위해 사용한 시험 대상 시스템의 사양은 Table 1과 같으며, 주요 구성 요소는 Fig. 1과 같다. 실험은 30 m³ 규모의 실내공기청 정기 표준 시험 챔버(3.5 m × 3.5 m × 2.45 m)에서 수행하였다. 챔버는 SPS-KACA002-132에서 제시하는 실험실 환경 조건 및 구조 기준을 준용하여 제작하였다 (AHAM, 2020;Kim et al., 2021). 시험 동안 챔버 내부 조건은 온도 24 ± 1°C, 상대습도 50 ± 5% RH로 유지하였으며, 모든 실험은 외부 공기 유입을 차단한 밀폐 환경에서 수행하였다. 챔버 벽면에는 유동 균일성 확보를 위해 디퓨저(diffuser)와 배기 포트를 대칭 배치하여, 오염 입자의 확산과 혼합이 일정하게 유지되도록 하였다.

시험 대상 시스템의 챔버와 주요 구성 요소는 Fig. 2 과 같으며, 시스템 세부 운전 조건은 Table 2에 제시하였다. 오염물질은 Di-Ethyl-Hexyl-Sebacate (DEHS) 에어로졸을 사용하였다. 시험은 챔버 내부 농도가 PM_2.5 기준 약 120~150 μg/m³ 범위에서 균일하게 혼합된 상태에 도달한 뒤 시작하였다. 기존 CADR 평가에서는 약 300 μg/m³ 수준의 초기 농도 조건도 활용되나(Ng et al., 2017;Kim et al., 2019a), 본 연구에서는 30 m³ 챔버에서의 혼합 안정성, 농도 감소 곡선의 기울기 확보, 반복 실험의 오차 저감, 실제 생활공간에서 발생 가능한 고농도 상황 모사 등을 고려하여 120~150 μg/m³ 범위를 초기 조건으로 설정하였다.

2.2 측정 장비 및 계측 방법

출몰형 공기청정 시스템의 성능을 정량적으로 분석하기 위해 PM_2.5 농도, 정압, 유속, 전력 소비를 주요 계측 항목으로 설정하였다. 각 항목의 측정은 국내·외 관련 표준을 준용하여 수행하였다(Kim et al., 2020). PM_2.5 농도는 ISO 21501-4 규격을 만족하는 레이저 광 산란식 입자계수기를 이용하여 측정하였다. 입자계수 기는 6초 간격으로 샘플링하였으며, 챔버 내부 농도 균질성 확인을 위해 중심부와 모서리부에서 사전 예비 측정을 수행하였다. 정압 측정은 0~20 mmH₂O 범위의 차압계를 사용하였다. 차압계는 팬 하우징의 흡입부와 챔버 내부 기준점을 연결하여 설치하였으며, 측정 전 영점 보정 및 선형성 검증을 수행하여 계측 신뢰성을 확보하였다. 정압은 1초 간격으로 취하였다. 유속은 열선 풍속계를 사용하여 측정하였고, 제조사 기준 ± 3% 정확도 범위 내에서 계측되었다. 실내 공간의 유동 균일성 평가를 위해 25-point 그리드 측정을 수행하였으며, 청정 영역(coverage) 분석의 기초 데이터로 활용하였다 (AHAM, 2020). 전력 소비는 0.1 W 분해능을 갖는 전력 분석기를 통해 측정하였다. 팬, 회전식 필터 모듈, 제어부 전체의 소비전력을 1초 간격으로 기록하였으며, 가변 풍량(VSP) 운전 조건 변화에 따른 전력 변동성을 평가하였다. 모든 측정 장비는 제조사 권장 절차에 따라 사전 교정을 완료 후 사용하였다. 또한 장비의 응답 지연(response lag)을 고려하여 실험 시작 후 초기 60초 구간은 분석에서 제외하였으며, 반복성 확보를 위해 각 실험 조건은 최소 3회 반복 수행하였다. 결과 분석에는 각 반복 시험의 평균값을 사용하였다(AHAM, 2020).

2.3 주요 실험 변수

유동 특성, 필터 자가 세정 효과, 및 정압 변화 특성을 정량적으로 평가하기 위한 주요 실험 변수는 Table 3에 제시하였다. 출몰 높이(extension height), 필터 회전 속도, 팬 운전 방식(VSP 포함)은 기존 실내공기청정기 성능평가 기준에서 핵심 변수로 적용되는 항목으로서 본 연구에서도 동일한 분석 체계를 유지하도록 설정하였다(Ng et al., 2017;Kim et al., 2019a;Kim et al., 2021). 세부 시험 환경(챔버 조건), 센서 정밀도, 데이터 처리 절차 등은 2.4절에서 추가로 상세히 기술하였다.

실험은 다음의 순서로 수행하였다. 1) 챔버 내부 DEHS 농도가 PM_2.5 기준 120~150 μg/m³ 범위에서 공간적으로 균일해질 때까지 혼합, 2) 실험 대상 시스템 전원 인가 후 설정 조건(출몰·회전·풍량)에 따라 운전 시작, 3) PM_2.5 농도 감소, 정압 변화, 전력 소비를 1~6초 간격으로 연속 측정, 4) 초기 60초 구간은 장비 응답 지연 및 농도 안정화 구간으로 판단하여 분석에서 제외, 5) 농도 감소 곡선이 안정적인 지수 형태를 보일 때까지 시험을 지속. 각 실험 조건은 최소 3회 반복 수행하여 평균값을 분석에 사용하였다. 반복 시험 간 표준편차가 5% 이내일 때 유효한 측정으로 판단하였다.

2.4 측정 장비 및 측정 항목

본 연구에서 사용된 측정 장비와 계측 항목은 Table 4 에 정리하였다. PM_2.5 농도는 ISO 21501-4 규격에 적합한 레이저 입자계수기를 사용하여 측정하였으며, 정압, 유속, 전력 소비는 실내공기청정기 성능시험 관련 표준(SPS-KACA002-132)에서 권장하는 장비 성능 기준을 충족하는 기기를 사용하(AHAM, 2020). 또한, 모든 장비는 시험 전 교정을 실시하여 측정의 신뢰성을 확보하였으며, PM_2.5 농도, 정압, 유속, 전력 데이터는 1초 간격으로 로깅하여 분석하였다.

2.5 배기 연동 시험

배기 연동 효과를 확인하기 위해 30 m³ 챔버에서 Fig. 3의 구성으로 실험을 수행하였다. 필터는 출몰 높이 100 mm, 회전 5 rpm 조건에서 운전하였고, 배기 포트에는 40~60 CMH의 배기 유동을 형성하였다. 정압, 배기량, 소비전력, PM_2.5 농도는 1 Hz 간격으로 계측하였다. 자가 세정 운전 중에는 필터 회전과 배기 유동을 동시에 인가하였으며, 필요 시 역풍을 적용하여 배기팬 후단 유동 조건을 재현하였다.

2.6 데이터 처리 및 분석 방법

PM_2.5 제거 효율(η)은 시간에 따른 농도 감소 비율로 아래 식에 따라 계산하였다.

(C_O : 초기 PM_2.5 농도(μg/m³), C(t) : 시간 t에서의 PM_2.5 농도(μg/m³). η (t) : 시간 t에서의 제거 효율(%). 유속 균 일도는 챔버 내 25개 측정 지점의 유속을 기록하고 표 준편차를 산정하여 유속 분포의 균일성을 평가하였다. 표준편차가 작을수록 공간 내 유동 분포가 균질함을 의 미한다. 정압 분석은 필터 전·후단에서 측정한 평균 차압(ΔP)을 이용하여 운전 조건 변화에 따른 정압 변 화를 분석하였다(Wang et al., 2019;Jiang et al., 2024). ΔP 증가율은 필터 포집량 변화와 막힘 정도를 반영하 는 주요 지표로 사용하였다. 필터 수명 분석은 운전 시 간에 따른 차압 증가율을 산정하여 필터 수명 변화 경 향을 평가하였다.

4. 결과 및 고찰

4.1 PM_2.5 제거 효율 분석

필터 회전 및 출몰 높이에 따른 PM_2.5 제거 효율(η)은 Fig. 4와 같다. 출몰 높이 30 mm 및 50 mm 조건에서는 필터 회전 속도가 증가함에 따라 초기 제거 속도가 다소 향상되는 경향이 관찰되었으나, 시간 경과에 따라 제거 효율이 완만하게 포화되는 양상을 나타냈다. 이는 상대적으로 제한된 출몰 깊이로 인해 필터 전면 유속 분포의 균일화 효과가 충분히 확보되지 못한 결과로 해석된다. 반면, 출몰 높이 100 mm 조건에서는 필터 회전 속도 증가 시 가장 안정적이고 지속적인 PM_2.5 제거 성능이 확보되었으며, 이러한 경향은 기존 연구에서 보고된 적정 간극 조건과도 일치한다(Wang et al., 2019;Jiang et al., 2024;Li et al., 2025). 특히 필터 회전 속도 5 rpm 조건에서 출몰 높이 100 mm를 적용한 경우(Fig. 4b), 평균 제거 효율은 약 96.3%로 나타나 고정식 필터 (Fig. 4a) 대비 약 15% 향상된 성능을 보였다. 이러한 제거 성능 향상은 회전에 의한 필터 표면 재생 효과와 필터 전면 유동 분포의 균일화가 동시에 작용한 결과로 분석된다(Jiang et al., 2024).

출몰 높이를 120 mm까지 확대하였으면 일부 초기 제거 성능 향상이 관찰되었으나, 유입 유로의 과도한 확장으로 인해 내부 유동 균일도가 저하되고 정체 영역이 증가함에 따라 전체 제거 효율이 약 2~4% 감소하는 포화 특성이 나타났다. 이는 기존 수치해석 연구에서 제시된 유동 박리 및 비대칭 분포 문제와도 정성적으로 일치하는 결과이다(Stafford and Xu, 2021). 또한, 출몰 높이 100 mm 조건에서 필터 회전 속도를 10 rpm으로 증가시킨 경우에도 유사한 포화 경향이 관찰되었다. 이는 과도한 회전으로 필터 전단부 유속이 비대칭적으로 형성되며, 일부 영역에서 재순환 흐름이 발생했기 때문으로 판단된다. 다만, 7 rpm과 같은 중간 회전 속도 조건에 대한 추가 검증은 회전 속도 변화에 따른 성능 균형 구간을 더 정밀하게 도출하는 데 유의미할 수 있는 바 검토할 필요가 있다.

종합하면, 본 연구의 실험 결과는 출몰 높이 100 mm 와 회전 속도 5 rpm 조건에서 유동 안정성, 정압 상승 억제 및 입자 제거 성능 간의 최적 균형이 형성됨을 보여준다. 이 조건에서는 필터 전면 유속이 비교적 균일하게 유지되며, 필터 회전에 의한 표면 분진 탈리 효과로 인해 장시간 운전 조건에서도 높은 포집 효율이 안 정적으로 유지되는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 매립형 공기청정 시스템 설계 시 단순한 출몰 깊이 증가나 회전 속도 증가보다는, 유동 안정성과 여과 성능 간의 균형을 고려한 설계 접근이 중요함을 시사한다.

성능 향상 경향을 기존 고정식 공기청정 시스템과 정량적으로 비교하면, 출몰형(built-in) 자가 세정 시스템은 동일 시험 조건에서 PM_2.5 제거 효율이 약 12.7% 향상되었으며, 평균 정압은 약 18.5% 감소하였다. 이는 단순한 구조적 차별성을 넘어, 기존 고정식 구조 대비 실질적인 성능 개선 효과가 정량적으로 확인되었음을 의미한다.

Fig. 4의 농도 감소 곡선만으로는 시스템 간 성능 차이를 정량적으로 비교하기 어려우므로, 실험 조건에서의 정화량(CADR, Clean Air Delivery Rate)에 대한 평가가 필요하다. CADR은기존 연구에서 소비전력, 정압 특성과 함께 해석될 때 공기청정 시스템의 에너지 효율 및 성능 비교에 유효한 지표로 활용됐다(Kim et al., 2019a;Jiang et al., 2024). 본 연구에서는 AHAM 규격에 기반하여 CADR을 다음 식과 같이 정의하였다.

여기서 V는 시험 챔버의 유효 체적(m³), t는 농도 감소 평가 시간(min), C_O는 초기 PM_2.5 농도, C_t는 시간 t 경과 후의 PM_2.5 농도를 의미한다. 모든 농도 값은 동일한 입자 발생 조건에서 측정된 평균값을 사용하였다. Fig. 5는 출몰 높이와 운전 모드(0 rpm, 5 rpm, VSP+5 rpm)에 따른 CADR의 정량적 변화를 비교한 결과이다. CADR은 출몰 높이가 증가함에 따라 전반적으로 향상되었으며, 100 mm 조건에서 가장 높은 정화 성능(약 4.36~4.57 m³/min)을 나타냈다. 반면, 120 mm 에서는 CADR 증가폭이 둔화되며 포화 구간(saturation region)이 형성되었다. 이는 과도한 출몰로 인해 필터 전면의 유동 비대칭 및 정체영역(stagnation zone)이 증가하여 필터 표면 유속 균일도가 저하되기 때문으로 해석된다(Wang et al., 2019;Blondeau et al., 2021;Stafford and Xu, 2021). 또한 필터 회전(Self-cleaning, 5 rpm) VSP 제어적용 시 동일 출몰 높이에서 CADR 이 추가적으로 증가하였다. 특히 100 mm 조건에서의 증가폭(약 4~8%)이 가장 크게 나타났다. 이는 회전에 따른 필터 표면 재생 효과와 출몰 구조에 의한 유동 안정화가 결합되어 여과성능이 향상되었음을 의미한다 (Jiang et al., 2024;Li et al., 2025). 이와 같은 결과는 Fig. 4의 PM_2.5 농도 감소 경향과도 부합하며, 100 mm 가 본 시스템의 최적 출몰 깊이임을 보여준다.

본 연구에서 사용한 출몰 깊이 100 mm 및 회전 속도 5 rpm 조건은 출몰 깊이 증가에 따른 여과 성능 향상과 유동 불균일성 증가 간의 상충 관계(trade-off)를 실험적으로 규명한 결과이다. 출몰 깊이가 100 mm를 초과할 경우 일부 성능 지표에서는 단기적인 향상이 관찰되었으나, CADR 증가폭이 둔화 되고 포화 구간(saturation region)이 형성되어 설계 효율 측면에서 한계가 나타났다. 본 연구는 특정 제품의 절대적인 최적 설계를 제시하기보다는, 출몰 깊이와 자가 세정 회전 조건 변화에 따른 공기역학적 성능 경향과 설계 상의 trade-off를 규명하는 데 목적이 있다. 이에 따라 본 연구의 결과는 실 환경에서의 절대적인 성능 값을 직접적으로 예측하기 보다는, 출몰 깊이 및 자가 세정 회전 조건 변화에 따른 성능 경향과 설계 특성을 분석하는 관점에서 해석되어야 한다. 이러한 결과는 매립형 공기청정기 설계 시 출몰 깊이 증가가 항상 성능 향상으로 직결되지 않으며, 일정 깊이 이후에는 유동 안정성과 여과 효율 간의 균 형점을 고려한 설계 접근이 필요함을 시사한다.

4.2 정압 변화 특성

정압은 순간적인 시간 변동보다는 출몰 높이 및 운 전 모드(fan/rotation mode)에 따라 형성되는 평균 정압 수준이 시스템 성능을 판단하는데 더 중요하다. 따라서 본 연구에서는 시험 구간(0~20 min)의 평균 정압을 산정하여 비교하였다(Wang et al., 2019;Jiang et al., 2024). Fig. 6은 팬 속도를 2,000 rpm으로 고정한 조건에서 출몰 높이에 따른 평균 정압 변화를 나타낸다. 출몰 높이가 30 mm일 때 정압은 약 47.2 mmH₂O로 가장 높았으며, 50 mm 에서는 19.8 mmH₂O, 100 mm에서는 17.1 mmH₂O까지 감소하였다. 출몰 높이를 120 mm까지 확장한 경우에는 정압이 8.6 mmH₂O로 더 낮아져 출몰 확장이 필터 전단의 유동 저항을 감소시키고 토출·흡입부 사이의 압력 차이를 완만하게 만드는 경향이 확인되었다. 이러한 특성은 출몰 구조 변화에 따른 유동 박리, 압력 분포 완화 현상을 보고한 선행 연구와도 일치한(Stafford and Xu, 2021). 필터 회전 5 rpm 을 적용한 경우 전 구간에서 0 rpm 대비 정압이 약 1.3~4.6 mmH₂O 낮아졌다. 특히 30 mm 조건에서 약 4.6 mmH₂O 감소하여, 회전에 의한 표면 저항 완화 및 분진 탈리 효과가 정압 저감에 기여함을 확인할 수 있었다(Jiang et al., 2024;Li et al., 2025). VSP (Variable Speed Performance) 운전에서 출몰 높이별 평균 정압 특성을 비교한 결과, VSP 0 rpm 조건에서는 출몰 높이 50 mm에서 약 25.3 mmH₂O로 최대 정압을 보였으며, 100 mm 에서는 17.1 mmH₂O, 120 mm에서는 9.4 mmH₂O 로 감소하였다. VSP 5 rpm 조건에서도 동일한 추세가 유지되었으나, 모든 출몰 높이에서 0 rpm 대비 1.8~2.9 mmH₂O 낮은 정압을 나타냈다. 이는 필터 회전에 의한 유동 재분포(flow redistribution) 표면 재생 효과가 필터 전면의 국부 저항을 완화하여 정압 상승을 억제하는 결과로 해석된다(Jiang et al., 2024). 반면, 100 mm 조건에서 수행된 VSP 10 rpm 모드는 정압이 23.5 mmH₂O로 나타나 0 rpm 및 5 rpm 조건에 비해 뚜렷한 상승을 보였다. 이는 과도한 회전 속도가 유동 비대칭 증가, 국부 난류 형성, 필터 표면 속도 불균일성 증가 등을 유발하여 오히려 필터 전면의 유동 저항을 증가시키는 것으로, 기존 난류·압력 특성 관련 연구 결과와도 부합한다(Wang et al., 2019;Blondeau et al., 2021).

4.3 출몰 높이에 따른 최적 성능 분석

출몰 깊이에 따른 전체 성능지수를 비교한 결과 PM_2.5 제거율, 정압, 전력 소비의 균형을 고려할 때 100 mm 조건이 청정 성능과 에너지 효율의 균형을 동시에 만족하는 최적 조건으로 도출되었다(Table 5).

4.4 120 mm 포화 영역의 원인 분석

Fig. 7(a)는 출몰 높이 100 mm와 120 mm 조건에서의 PM_2.5 감소 곡선과 정압 변화를 동시에 나타낸다. 120 mm 조건에서는 100 mm 대비 정압이 지속적으로 높게 유지되고, 입자 농도 감소 속도가 둔화되는 포화 구간이 명확히 형성되었다. 또한 Fig. 7(b)의 회전 조건 비교에서도 120 mm에서는 필터 회전(5~10 rpm)을 적용해도 정압 변동폭이 크게 유지되며 제거 성능 개선이 제한적임을 확인할 수 있다. 이는 출몰 높이가 과도하게 증가할 경우 내부 유로가 확장되면서 압력 구배 약화, 유동 비대칭 증가, 정체 영역확대 등의 현상이 복합적으로 발생해 필터 전면의 유속 균일도가 저하되기 때문이다(Blondeau et al., 2021;Stafford and Xu, 2021). 이러한 유동 불안정성은 필터 회전에 의한 Self-cleaning 효과로도 완전히 보정되지 않으며(Jiang et al., 2024;Li et al., 2025), 결과적으로 120 mm 조건에서 제거 효율이 포화되는 구조적 한계가 나타난다. Fig. 7의 결과에서도 100 mm가 정압·유속 균일성·제거 효율의 균형을 확보하는 최적 출몰 높이임을 확인할 수 있다.

4.5 민감도 분석

출몰 높이(30~120 mm), 필터 회전 속도(0~10 rpm), 팬 속도(VSP 제어)의 상호작용이 PM_2.5 제거 효율(η)에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해 다중회귀분석을 수행하였다. 민감도 분석은 기존 공기정화 및 다변수 영향도 평가 연구에서 널리 사용되는 접근 방식으로(Wang et al., 2019;Jiang et al., 2024), 주요 인자의 상대적 기여도를 비교하기 위해 정규화된 민감도 계수(Normalized Sensitivity Coefficient, S_n)를 다음 식으로 정의하였다.

여기서, η 는 PM_2.5 제거 효율(%), X_i는 i번째 인자(출몰 높이, 필터 회전 속도, 팬 속도)를 의미한다. 각 인자의 회귀계수(β_i)는 실험 데이터 기반의 다중 선형회귀식을 통해 산출되었으며, 다음과 같이 정규화하였다.

분석 결과, 제거 효율(η)에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 출몰 높이(h_ext)로서 기여도는 0.54, 다음으로 필터 회전 속도(ω_f) 0.32, 팬 속도(N_f) 0.14로 나타났다(Table 6). 이는 출몰 구조의 기하학적 제어가 전체 청정 성능 향상에 가장 큰 영향을 미침을 의미하며, 향후 에너지 절감형 구조 최적화의 주요 변수로 활용될 수 있다.

4.6 배기 연동 효과 분석

배기 연동(Self-cleaning Exhaust Mode)은 필터 회전과 배기 유동을 결합하여 필터 외주면에 부착된 분진을 탈리·배출하는 자기 세정 기술이다. 출몰형 구조에서는 배기 포트가 한쪽에 편측 배치되므로, 필터가 고정된 경우 외주면 전체가 균일하게 배기 흐름에 노출되기 어렵다. 본 시스템은 필터를 일정 속도(5 rpm)로 회전시켜 모든 면이 순차적으로 배기 포트 방향에 노출되도록 설계하였으며, 회전에 의한 원심력과 배기 유동의 전단력이 결합하여 탈리 효과가 강화된다(Jiang et al., 2024;Li et al., 2025). Fig. 3(a)는 실제 시험 챔버에서 회전 필터 표면에 배기 역류를 인가하여 분진 탈리가 발생하는 장면을 나타내며, Fig. 3(b)는 이러한 자기 세정 과정을 구조적으로 요약한 것이다. 두 그림은 회전–배기 유동이 결합된 자가 세정 메커니즘이 실제 동작 환경에서 구현됨을 나타낸다.

배기 연동 적용(100 mm, 5 rpm) 시 필터 표면 잔류 분진량은 약 38.2% 감소, PM_2.5 제거 효율은 2.1% 향상 되었다. 또한 정압은 0.8 mmH₂O 감소하여 필터 후단 에서의 국부 와류와 분진 재부착이 억제됨을 확인하였다(Fig. 8). 배기량(CMH)과 소비전력(W)은 실험 전 구간에서 안정적으로 유지되어, 배기 유동이 전체 시스템 운전에 부정적 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. Fig. 8(a)는 배기 연동 적용 시 PM_2.5 농도의 지속 감소와 안정적인 배기 유동을 보여주며, Fig. 8(b)는 정압 저감 및 소비전력 안정화 경향을 나타낸다. 이러한 결과는 Fig. 8에서 제시된 Self-cleaning 메커니즘이 실제 운전 환경에서 유효하게 구현되었음을 의미한다. 결국 배기 연동 기능은 필터 막힘을 억제하고 장기 운전 시 청정 성능 유지 및 유지관리 효율을 향상하는 주요 기술로 확인되었다(Stafford and Xu, 2021). 이는 배기 팬의 보조 유동이 필터 후단부에 존재하는 와류를 분산시켜 분진의 재부착을 억제한 결과로 판단된다. 이러한 결과는 출몰형 구조에 배기 연동 기능을 결합할 경우, 자가 세정 성능과 유지관리 효율을 동시에 항상 시킬 수 있음을 확인하였다.

Fig. 8의 결과를 도출하기 위해 각 운전 조건에서 동일한 시험 절차를 적용하여 측정을 수행하였으며, 본 논문에는 대표적인 운전 조건에서의 평균 경향을 중심으로 결과를 제시하였다. 다만 Fig. 8에 제시된 결과는 특정 운전 조건에 대한 단일 조건 기반 분석으로, 반복 측정에 따른 평균값 및 표준편차를 제시하지 못한 한계가 있다. 향후 연구에서는 동일 조건에 대한 반복 실험을 통해 통계적 신뢰도를 보완하고, 평균값과 변동성을 함께 제시함으로써 결과의 재현성과 일반성을 더욱 명확히 하는 검증이 필요하다.

5. 결 론

본 연구에서는 출몰형 공기청정 시스템의 구조 설계와 성능 특성을 실험 및 정량적 해석을 통해 체계적으로 검증하였다. 출몰 깊이 변화에 따른 성능 비교 결과 100 mm 조건에서 CADR, 정압 안정성, 에너지 효율이 모두 최적값을 나타냈다. 회전식 Self-cleaning 기능은 PM_2.5 제거 효율을 향상하게 시키고 정압 상승을 억제하여 장기 운전 시 성능 저하를 최소화하였다. 또한 VSP 기반 팬 제어는 동일 풍량 조건에서 소비전력과 소음을 줄이는 데 효과적이었으며, 출몰형 구조는 필터 접근성과 유지관리 편의성을 크게 개선하였다. 더불어 배기 연동 기능은 후단 와류 억제, 분진 재부착 방지, 정압 안정화에 이바지하였다. 본 연구는 실제 개발된 시 제품 기반의 실험적 결과로, 향후 상용화를 위한 기초 자료로 활용 가능하다고 사료된다. 그러나 30 m³ 챔버 조건에서 수행되었으므로 실거주 환경의 다양한 공간 규모와 오염 패턴을 완전히 반영하는 데 한계가 있다. 따라서 20~60 m² 규모 실증 환경에서의 성능 검증, 실내 기류 패턴 변화에 따른 커버리지 분석, AI 기반 VSP 제어 및 자가 세정 알고리즘 고도화, 외기·배기 연동 환기 모드 최적화 등이 후속적으로 연구가 필요하다.