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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.24 No.4 pp.361-366
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2025.24.4.361

A study on pollutant emission characteristics according to the manufacturing methods of ventilation air filters

Sanghwan Bae1, Jungyeon Yu1
Department of Building Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Science
* Corresponding Author: Tel: +82-31-910-0195 E-mail: sanghwan@kict.re.kr
02/12/2025 08/12/2025 11/12/2025

Abstract


This study investigates the emission characteristics of volatile organic compounds (VOCs) and aldehydes (HCHO) from ventilation air filters manufactured using two different bonding methods: chemical bonding and thermal bonding. Small-chamber tests were conducted in accordance with KS ISO 16000-9:2006 to quantitatively compare the hazardous substance emissions of five filter specimens with varying bonding mechanisms and exposure surface conditions. The results show that filters produced by thermal bonding exhibited non-detectable (N.D.) levels of toluene, TVOC, and formaldehyde, demonstrating that this manufacturing method inherently minimizes chemical emissions by avoiding the use of adhesives. In contrast, filters manufactured through chemical bonding released formaldehyde ranging from 0.002 to 0.006 mg/m2·h, which is attributed to residual binder components used during the manufacturing process. Although these levels meet the highest grade criteria (≤ 0.008 mg/m2·h) in the Korean eco-friendly building material certification for wallcoverings, meaningful emissions were still observed, and potential grade changes may occur depending on adhesive type, solid content, and coating amount. Furthermore, this study found that differences in the exposed surface (single-sided vs. double-sided) significantly influenced calculated emission rates. This result revealed the limitations of applying building-material-based chamber test methods to filter materials through which air directly flows. These findings highlight the necessity of developing dedicated testing standards for ventilation filters, including appropriate exposure definitions. Overall, this research confirms that ventilation filters should be incorporated into institutional management frameworks alongside conventional building finishing materials, given their direct influence on indoor air quality.


Ventilation filter , Small chamber , Toluene , Formaldehyde , TVOC

환기용 공기필터의 제조방식에 따른 오염물질 방출특성에 관한 연구

배상환1, 유정연1
한국건설기술연구원 건축연구본부

초록

    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    고기밀·고단열 건축물이 보편화되면서 실내공기질(Indoor Air Quality, IAQ)에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 실내에서는 건축자재, 가구, 접착제, 도료, 생활용품 등 다양한 오염원으로부터 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)이 지속적으로 방출되며, 미국 EPA는 실내 VOC 농도가 옥외 농도보다 최대 10배까지 높을 수 있다고 보고한 바 있다 (U.S.EPA, 2013). 최근 Malakan et al. (2025)의 고찰에서도 VOC에의 장·단기 노출이 자극 증상, 신경계 영향, 호흡기·심혈관계 질환 및 발암위험 증가와 관련됨을 확인되었다. 이와 같이 실내 오염물질 노출의 보건학적 중요성이 부각되면서, 건축물의 환기설비는 쾌적성 요소를 넘어 건강보호의 중요한 수단으로 인식되고 있다. 선행연구(EC, 2020)에 따르면, 환기율과 환기시스템 유형은 거주자 건강 및 빌딩 증후군(SBS) 증상과 유의한 관련이 있어 적절한 기계환기는 오염물질 농도를 저감시키는 핵심 수단으로 제시되고 있으며, 국내외 환기 가이드라인 역시 충분한 환기와 더불어 오염원 관리, 공기정화장치의 적절한 사용을 IAQ 관리전략으로 제시하고 있다.

    한편, 실내 입자상 물질(PM) 저감을 위해 적용되는 고효율 입자포집필터(HEPA 등)와 활성탄·광촉매 필터 등의 성능평가 연구도 활발히 수행되고 있다. Kim et al. (2023)은 공동주택용 기계환기 시스템을 대상으로 HEPA, 활성탄, TiO2 광촉매 필터를 적용한 실험을 수행하여, 톨루엔과 같은 가스상 오염물질의 경우 활성탄 및 TiO2 광촉매 필터가 보다 효과적임을 보고하였다. 하지만, HEPA 필터는 미세입자 제거에는 매우 유효하지만, 공기청정기 및 환기설비에 사용되는 필터 자체가 2차 오염원으로 작용할 수 있다는 연구결과도 보고되고 있다. Pei and Ji (2018)는 가정용 공기청정기 및 환기설비에서 사용한 섬유상 필터를 대상으로 TVOC 방출특성을 조사한 결과, 사용 중 축적된 먼지와 주변 VOC 농도에 따라 필터에서 상당한 수준의 2차 VOC 가 재방출될 수 있음을 확인하였다. Sidheswaran et al. (2013)은 다양한 상대습도 조건에서 환기필터의 포름 알데하이드 방출량을 평가하여, 새로운 필터의 경우 필터 매트릭스 및 접착제 성분의 가수분해에 의해 알데하이드류가 방출될 수 있음을 보고하였다. 이러한 연구들은 필터가 단순한 오염물질 제거 장치에 그치지 않고, 제조공정·사용조건에 따라 실내 오염원으로 변할 수 있음을 보여준다. 특히, 새로운 필터의 경우 지지체와 MB (Melt-Blown) 포집층을 결합하는 공정에서 사용되는 접착제·바인더가 VOC 및 포름알데하이드 등의 주요 원이 될 수 있다는 지적이 있다(Sidheswaran et al., 2013).

    환기설비 및 공기청정기용 필터는 외기 및 실내공기 중의 입자상 오염물질을 효과적으로 제거하기 위해 다층 구조의 부직포 복합재료로 구성된다. 일반적으로 필터의 핵심 여과층은 MB (Melt-blown) 미세섬유층이며, 이는 평균 섬유직경 1~5 μm의 초미세섬유로 이루어져 높은 여과효율을 확보할 수 있다. 그러나 MB 층은 기계적 강도가 낮아 단독으로 사용하기 어려우며, 실제 제품에서는 PET (Polyester) Mesh 등 상대적으로 강도가 높은 지지층을 외측에 배치하여 구조적 안정성과 내구성을 확보한다. 이러한 다층 구조는 환기용 필터 뿐 아니라 마스크, HVAC 필터 등에서도 널리 사용되고 있다(Hutten, 2016). 다층 필터 구조의 성능을 결정하는 핵심 요소 중 하나가 섬유층 간의 접합(bonding) 방식이다. 필터는 사용 과정에서 압력 변화, 진동, 장시간 운전으로 인해 층간 박리(Delamination), 형상 변형, 공기 흐름 불균일 등이 발생할 수 있으므로, 안정적인 접합 기술이 필수적으로 적용된다. 환기용 필터 제조에서 주로 사용되는 접합 방식은 ‘열접합(Thermal Bonding)’과 ‘화학접합(Chemical Bonding)’으로 구분된다(Russell, 2007;Bora et al., 2025).

    ‘열접합(Thermal Bonding)’은 열과 압력을 이용해 섬유 자체를 부분적으로 용융시켜 서로 융착시키는 방식이다. 일반적으로 폴리프로필렌(PP) 기반 부직포는 120~170°C 수준에서 용융이 가능하며, 제조 공정에서 는 가열된 캘린더(Hot Calendar Roll)나 열풍을 적용하는 방식이 사용된다. 열접합은 별도의 접착제를 사용하지 않기 때문에 휘발성유기화합물(VOCs)이나 기타 화학적 방출물의 위험이 적고, 섬유층 간 균일한 접합을 형성하여 구조적 안정성과 통기성 확보에 유리하다. 또한 재활용성 측면에서도 동일 소재 기반의 친환경 구조를 구현할 수 있는 장점을 가진다. 한편, ‘화 학접합(Chemical Bonding)’은 섬유층 사이에 바인더(접착제)를 도포하여 접합하는 방식으로, 아크릴계· 라텍스계 수지 또는 핫멜트 접착제가 대표적으로 사용된다. 화학접합은 낮은 온도에서 다양한 소재 층을 결합할 수 있다는 장점이 있으나, 접착제가 필터의 공극을 부분적으로 막아 통기저항을 증가시키거나 여과 성능을 저하시킬 가능성이 존재한다. 또한 바인더의 종류에 따라 잔류화학물질 또는 VOC 방출의 위험이 있으나, 고정밀 HEPA 필터, 복합 기능성 필터(활성탄층, 항균층 등)에서 적용되는 경우가 많으며, 특히 구조 강화 또는 특정 소재 간 결합이 필요한 경우 선택적으로 사용되고 있다.

    환기용 필터에서 MB (Melt-blown) 포집층과 지지체(스펀본드 부직포, PET mesh 등)를 결합하기 위해 서는 일반적으로 ‘수성 부직포 바인더(Water-based nonwoven binder)’가 적용되며, 주요 접착제 계열은 아크릴계(Acrylic), 스티렌-아크릴(St-Acryl)계 및 스티렌-부타디엔(SB)계 라텍스로 구분된다(Russell, 2007; Song and Park, 2019). 아크릴계 및 스티렌-아크릴계 바인더는 부틸아크릴레이트(Butyl acrylate), 에틸아크 릴레이트(Ethyl acrylate), 메틸메타크릴레이트(Methyl methacrylate), 아크릴산(Acrylic acid) 등 다양한 아크릴레이트류와 스티렌(Styrene)의 공중합체로 구성되며, 여기에 계면활성제, 안정제, 소포제, 보존제 및 pH 조정제 등이 보조 성분으로 포함된다. SB 라텍스는 스티렌-부타디엔 공중합체를 기반으로 하며, 부직포의 기계적 강도, 탄성 및 내구성 확보를 위해 널리 활용되는 접착제 계열이다(Hutten, 2016). 이러한 수성 바인더는 도포성, 고형분 함량, 점도 및 경화 조건을 통해 접착력과 부직포 일체화 성능이 조절되며, 필터가 운전 중 받게 되는 압력 변화 및 진동 조건에서도 구조적 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 수행한다.

    한편, 실내공기질(IAQ) 관점에서의 잠재적 유해물질 방출 가능성은 부직포 바인더의 화학적 구성에 따라 결정된다. 아크릴계 및 스티렌-아크릴계 바인더는 제조과정에서 반응하지 않고 잔류하는 단량체(예: 부틸아크릴레이트, 스티렌)가 TVOC의 주요 기여 인자가 될 수 있으며, 일부 바인더에서는 멜라민-포름알데하이드계 가교제가 사용되어 미량의 포름알데하이드(Formaldehyde)가 방출될 가능성이 있다(Jowat, 2024). SB 라텍스 또한 스티렌과 부타디엔의 잔류량이 VOC 방출특성에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다. 특히 환기용 필터는 건축자재와 달리 대량의 공기가 필터 매질을 지속적으로 통과하는 구조적 특성을 가지므로, 동일한 화학접착 방식이라 하더라도 바인더의 도포량, 고형분 함량, 건조·경화 조건 및 외기 습도 변화 등에 따라 실측 방출량이 크게 달라질 수 있다(Sidheswaran et al., 2013). 이러한 점을 고려하면, MB-지지체 접합을 위한 화학접착 방식은 필터의 구조적 안정성뿐 아니라 바인더의 화학적 조성, 잔류 단량체 및 가교제 특성, 습도·온도 변화에 따른 VOC 및 알데하이드류의 방출 잠재성을 종합적으로 평가해야 하며, 이는 환기용 필터의 제조공정 설계 및 품질관리에서 필수적으로 고려되어야 할 요소로 판단된다. 최근 접착제 산업에서는 저방출·저포름알데하이드형 (Emission-reduced, ER) 접착제 개발이 활발히 진행되고 있으나, 환기용 필터를 대상으로 접합방식(화학접착, 열접착)에 따른 유해물질 방출량을 직접 비교한 연구는 매우 제한적이다. 일부 연구들이 건축자재 또는 일반 필터를 대상으로 VOC 방출 특성을 평가하였으나, 환기장치 필터에 특화된 시험방법의 적정성, 노출 면적 설정 기준 등에 대해서는 충분히 논의되지 못하고 있다(Afshari et al., 2022).

    따라서, 환기용 필터의 제조공정 선택과 실내공기질 개선을 위해서는 필터 접합방식에 따른 유해물질 방출 특성을 체계적으로 비교·분석할 필요가 있다. 이에 본 연구는 ‘KS ISO 16000-9, 건축제품 및 가구의 휘발성 유기화합물 방출 측정법 — 방출 시험 챔버법’을 기반으로, 지지체와 MB층의 결합 방식이 상이한 환기필터를 대상으로 화학접착 필터와 열접착 필터의 VOC 및 포름알데하이드 방출특성을 정량 비교하고, 그 결과를 토대로 오염물질 방출특성 및 필터류 제품에 적합한 시험평가 기준 개선 방향을 고찰하고자 하였다.

    2. 연구 방법

    2.1 시험개요

    본 연구에서는 환기용 필터의 제조방식(화학접착 및 열접착)에 따른 총휘발성유기화합물(TVOC) 및 알데하이드류 방출특성을 비교하기 위해 ‘KS ISO 16000- 9:2006(건축제품 및 가구의 VOC 방출 측정법-방출 시험 챔버법)’에 따라 소형챔버 실험을 수행하였다. 실험 실환경을 제어(온도 23±2°C, 상대습도 50±5%)한 챔버 내에서 7일간 경과시의 방출농도를 평가하였다.

    건축자재의 휘발성유기화합물(VOCs) 방출 특성은 KS ISO 16000-9:2006에 따라 소형 방출시험 챔버를 이용하여 평가하였다. 챔버 내 공기 시료는 Tenax TA 흡착관을 이용하여 일정 유량으로 채취하였으며, 채취된 시료는 열탈착기(Thermal Desorber)를 통해 전처리 한 후 GC/MS로 정성·정량 분석하였다. 개별 VOC는 표준검량선을 이용하여 정량하였고, TVOC는 C6~C16 구간의 총 피크면적을 톨루엔 등가 농도로 환산하여 산출하였다. 챔버 내 VOC 농도는 채취 질량과 채취 공기량을 이용하여 계산하였으며, 단위면적당 방출속도는 공기교환율과 시료 하중비를 고려하여 산출하였다. 소형챔버 시험조건은 Table 1 및 Fig. 1과 같다.

    2.2 시료구성

    시험에 사용된 시료는 Table 2과 같이 환기용 필터 5종을 대상으로 하였고, 지지체와 MB (Melt-blown) 층의 결합 방식에 따라 다음과 같이 분류하였다. 소형 챔버 내의 시료 노출조건은 시료부하율 기준 범위내에서 Fig. 1과 같이 양면 노출조건(b)과 일면 노출조건(c)으로 구분하여 평가를 수행하였다. 다만, 환기용 필터와 같이 다공성 소재를 일면 노출 시료의 형태로 소형챔버 내부에 장착한 경우, 시료 표면을 따라 흐르는 공기 유동과 더불어 필터 매질을 통과하는 일부 유동이 존재할 수 있으며, 이러한 특성은 환기용 필터의 실제 운전 조건을 반영한 시험방법 설정의 중요성을 시사한다.

    시료노출 조건은 카트리지(cartridge) 형태의 시료 홀더를 적용하여 일면 노출과 양면 노출로 구분하였다. 일면 노출 시료는 후면이 불투과성 구조로 차폐된 전용 카트리지를 사용하여, 시료의 전면 한쪽 면 만이 챔버 공기와 직접 접촉하도록 구성하였다. 반면, 양면 노출 시료는 양면이 모두 개방된 형태의 카트리지 구조를 이용하여 시료의 상·하면이 모두 챔버 공기와 접촉하도록 설치하였다. 시료는 두께가 거의 없는 시트지 형태로서 방출 면적 산정 시 두께 방향은 고려하지 않았으며, 20 L 소형챔버(0.02 m3)를 기준으로 시료부하율 설정값에 따라 시료 크기는 각각 약 190 mm × 190 mm(시료부하율 1.8 m2/m3)와 200 mm × 200 mm(시료부하율 2.0 m2/m3)로 제작하였다. 전용 카트리지의 크기차이로 인해 시료부하율이 각각 1.8 m2/m3 및 2.0 m2/m3로 미세한 차이가 발생되었으나, 시료부하율 범위(1.8~2.0 m2/m3)는 KS ISO 16000-9에서 제시하는 시험조건 설정 범위 내에 해당하는 값으로, 시험 결과 해석에 있어 규격 적합성을 확보하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 결합방식에 따른 유해물질 방출량 시험결과

    KS ISO 16000-9:2006 기반 소형챔버 시험 결과, Table 3과 같이 환기용 필터의 제조방식에 따른 유해물질 방출 특성에 명확한 차이가 나타났다. 열접착(Thermal Bonding) 방식으로 제조된 필터(Sample D, E)는 톨루엔(Toluene), TVOC, 포름알데하이드(Formaldehyde) 모두 정량한계(0.001 mg/(m2·h))를 하회하여 검출되지 않았다. 이는 열접착 방식이 접착제를 사용하지 않고, 섬유 자체를 열적으로 융착하여 결합시키는 공정특성에 기인하는 것으로 판단된다.

    반면, 화학접착(Chemical Bonding) 방식으로 제조된 필터(Sample A, B, C)에서는 톨루엔 및 TVOC는 모두 정량한계 미만이었으나, 포름알데하이드의 0.002~ 0.006 mg/(m2·h) 범위에서 검출되었다. 이는 접착제 기반 필터에서는 초기 제조 단계에서 사용된 바인더 또는 용제 성분이 잔류 형태로 존재하여 포름알데하이드 방출의 주요 원인이 된다는 기존 연구 결과를 실증적으로 확인하는 결과이며, 필터 제조공정 차이가 실내공기질에 직접적인 영향을 미치는 요소임을 나타낸다.

    특히 Sample C(H13, 일면노출)는 0.006 mg/(m2·h)로 동일한 시료인 Sample A(H13, 양면노출)과 2배에 해당하는 방출량을 나타냈는데, 이는 일면노출 조건에 따라 약 2배의 시료가 투입된 차이로 해석된다.

    3.2 시료 노출면적 영향

    KS ISO 16000-9 시험은 건축자재 표면에서의 오염 물질 방출을 측정하기 위한 절차로 설계되었으며, 필터 처럼 공기를 통과시키는 재료에는 시험방법에 따라 오염물질 방출량 산출에 큰 차이가 발생될 수 있다. 본 시험에서 Sample C(H13, 일면노출)를 제외한 대부분의 필터는 양면노출 상태로 챔버 내에 설치되었는데, 실제 환기설비에서 일반적으로 한쪽 면을 통해 공기가 유입·배출되는 구조(일면방출)임을 고려할 때, 필터와 같이 공기가 일방향으로 관통하는 박막형 소재의 경우 기준 시료면적에 대한 검토가 필요할 것으로 사료된다.

    3.3 포름알데하이드 방출량에 대한 종합 고찰

    본 연구에서 화학접착(Chemical Bonding) 방식으로 제작된 필터(A, B, C)는 0.002~0.006 mg/m2·h 범위의 포름알데하이드 방출량을 보였으며, 이는 국내 ‘친환경 건축자재 인증기준(HB마크)’ 중 주요 마감재의 최우수등급(≤ 0.008 mg/(m2·h)) 기준을 충족하는 수준이다. 그러나, 산출면적 기준을 달리 적용한 Sample C는 0.006 mg/(m2·h)로 최우수등급의 상한값에 근접하였고, 화학접착 공정에서 사용되는 접착제의 종류, 고형분 함량, 도포량 등에 의해 유해물질 방출량 차이가 발생할 수 있다.

    또한, 환기용 필터는 마감재보다 실내공기에 대한 영향이 보다 직접적이다. 벽지·바닥재와 같은 마감재는 고정된 표면에서 비교적 완만한 방출 특성을 보이지만, 환기용 필터는 공기가 지속적으로 필터를 통과하고, 외기 조건(온도·습도)에 직접적인 영향을 받는 소재로서, 습도에 따라 방출량 차이가 많이 발생하는 포름알데하이드 특성에 대해서도 종합적으로 검토가 필요하다.

    이와 같은 점을 고려하면, 화학접착 방식 필터는 최우수등급 수준의 낮은 방출량을 보이더라도 실내공기질에 의미 있는 수준의 유해물질이 방출되고 있으며, 제조공정 편차에 따라 등급 변화가 발생할 수 있는 잠재적 위험성을 고려할 때 환기용 필터 역시 별도의 제도적 관리대상으로 포함하여, 제조공정·접착제 사용 여부·방출량 기준 등을 체계적으로 관리하는 것이 바람직할 것이다.

    4. 결 론

    본 연구는 환기용 필터의 제조방식(화학접착, 열접착)에 따른 VOC 및 포름알데하이드 방출특성을 KS ISO 16000-9 소형챔버 시험을 통해 정량 비교하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

    첫째, 열접착(Thermal Bonding) 방식으로 제조된 필터는 톨루엔, TVOC, 포름알데하이드 모두 정량한계 미만(N.D.)으로 나타나 유해물질 방출 위험이 매우 낮은 제조공정임을 확인하였다. 반면, 화학접착(Chemical Bonding) 방식의 필터에서는 포름알데하이드가 0.002~ 0.006 mg/(m2·h) 범위에서 검출되었으며, 이는 제조 단계에서 사용된 접착제·바인더 성분의 잔류에 기인하는 것으로 판단된다.

    둘째, 화학접착 필터에서 측정된 포름알데하이드 방출량은 국내 친환경 건축자재 최우수등급 기준(≤ 0.008 mg/(m2·h))을 충족하였으나, 습도 변화, 접착제 도포량, 고형분 함량 등 제조공정 변화에 따라 등급 변동 가능성이 존재한다. 또한 환기용 필터는 마감재와 달리 공기가 지속적으로 통과하는 구조로 인해 실내공기에 미치는 영향이 더 직접적이며, 장기 사용 및 외기조건 변화에 따라 방출량 증가 가능성(특히 습도 상승 시)을 고려해야 한다.

    셋째, 동일한 시료(H13 필터)에서도 노출면적(일면·양면), 시료부하율 차이에 따라 방출량 산출값이 크게 달라졌으며, 이는 필터와 같이 공기가 관통하는 소재의 특성을 반영한 전용 시험기준(시료 노출기준 등) 마련이 필요하다.

    이상의 결과를 종합하면, 환기용 필터는 실내공기질에 미치는 영향이 직접적인 소재로 마감재 중심의 기존 친환경 건축자재 기준과 함께 환기용 필터를 제도적 관리대상에 포함하는 것에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    이 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행되었습니다(과제번호: RS-2025-02221905, 과제명: 자율운전 기반 실내환 경제어 기술 및 초고성능 청정건강환기시스템 개발).

    <저자정보>

    배상환(수석연구원), 유정연(박사후연구원)

    Figure

    JOIE-24-4-361_F1.jpg

    Schematic of the small-chamber test method and filter specimens.

    Table

    Small chamber test conditions

    Specifications of ventilation filter specimens used in the small-chamber test

    * Filter surface exposed to the air inside the small chamber
    ** Ratio of the exposed sample surface area to the internal volume of the test chamber (2.0±0.2)

    Small-chamber test results of hazardous substance emissions from filter materials

    * Quantification Limit : 0.001 mg/(m2·h)

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