Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1738-4125(Print)
ISSN : 2287-7509(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.9 No.3 pp.285-298
DOI :

실내 공기청정 적용을 위한 2단 전기집진기의 집진효율 및 청정화능력 평가

한방우1), 김학준1), 김용진1)*, 장재수2), 이성화2)
1)한국기계연구원 환경에너지기계연구본부, 2) LG전자 HAE 연구소

Collection Efficiency and Air Cleaning Capacity of Two-Stage Electrostatic Precipitator for Its Application to Indoor Air Cleaning

Yong-Jin Kim1)*, Bangwoo Han1), Hak-Joon Kim1), Jae-Soo Jang2), Sung-Hwa Lee2)
1)Environmental and Energy Systems Research Division, Korea Institute of Machinery & Materials (KIMM)
2)HAE Research Laboratory, LG Electronics
Received 9 August, 2012 ; Revised 28 August, 2012 ; Accepted 30 August, 2012

Abstract

Particle collection efficiency and air cleaning capacity were tested for the two-stage electrostatic precipitatorfor use in indoor air cleaning systems. A wire-plate type ionizer was used as a particle charger anda dielectric film consisted of polypropylene (or polyethylene) coated metals and zigzagged metal electrodeswas used as a particle collector in the electrostatic precipitator. Both particle collection efficiency and aircleaning capacity increased as increasing the applied voltage on the charger and the collector, and furthermore,as increasing the collector film width (i.e. collection area). Air cleaning capacities estimated by theproduct of particle collection efficiency and air flow rate were quite well consistent with the experimentalones with a proportional constant of 0.964. Ozone concentrations emitted from the charger at the appliedvoltages of 5.0 and 5.2 kV were less than 0.05 ppm, indoor ozone standards of UL 867-2002, KS C 9314 andSPS-KACA002-132. For the air flow rate of 11.7 m3/min, the applied floor area of 48.2 m2 could be obtainedwhen 5.2 kV and 6.0 kV were applied on the ionizer and the collector, respectively and the collectorof two 15 mm polyethylene dielectric films was used.

9권3호_한방우(285-298).pdf644.6KB

1. 서 론

현대인들은 대부분의 시간을 가정 및 사무실 등의 실내에서 생활하고 있어 실내 공기의 상태가 인체의 건강과 매우 밀접한 관계를 갖고 있다(Zhang and Zhu, 2012). 특히, 냉난방의 에너지 절약을 위해 현대의 건물들은 단열화 및 기밀화가 강조되고 있어 외부의 청정 공기를 실내로 유입시키는 환기의 제약이 따르므로 실내 공기가 지속적으로 악화되고 있다(Logue et al., 2011). 실내에 존재하는 미세한 먼지는 그 크기가 나노급까지 작아짐에 따라 인체에 상당한 유해성을 나타낼 수 있어 이에 대한 정화 기술이 매우 중요하다(Somers et al., 2004). 또한, 새집의 건축 자재나 단열재 등에서 방출되는 휘발성 유기화합물(VOCs)이나 포름알데히드 (HCHO)는 불쾌감, 재채기, 구토, 호흡 곤란 등의 증상을 일으키는 원인이 되고 있어 이러한 실내 오염 물질에 대한 처리 방법에 대해 많은 관심이 발생하고 있다(Anderson et al., 1997). 이러한 배경에서 가정, 사무실 및 지하 공간 등의 실내 생활공간에서의 쾌적한 실내공기 조성과 건강 보호의 측면에서 실내 공기청정기의 사용이 지속적으로 증가하고 있다(Shaughnessy and Sextro, 2006). 이러한 실내 공기청정기는 기본적인 유해 미세먼지의 제거, 생활 악취의 제거의 기능 뿐 아니라 최근 들어서는 휘발성 유기화합물 및 포름알데히드와 같은 실내 유해가스까지 제거할 수 있는 기능의 제품군들이 출시 되고 있다(Kim H.J. et al., 2006). 따라서 향후 공기청정기의 미세먼지, 유해가스 및 냄새의 제거효율에 대한 관심이 더욱 고조될 전망이며, 공기청정기의 성능 향상에 따른 국민생활 건강증진은 물론, 공기청정기의 신뢰도 증가에 따른 산업의 활성화 등의 측면에서 공기청정기에 대한 지속적인 연구는 매우 중요하다(Kim Y.J. et al., 2006).

 현재, 시중에 판매되는 대부분의 공기청정기는 입자상 물질을 제거하는 방법으로 헤파필터와 같은 여과필터를 사용하는 필터식 공기청정기가 주를 이루고 있다. 헤파필터를 사용하는 필터식 공기청정기는 미세입자를 90% 이상 제거할 수 있고 오존 발생이 전혀 없어 가장 보편적으로 적용되고 있지만 시간이 경과함에 따라 압력손실에 따른 에너지 소비량이 높아지고 주기적인 청소 및 교환이 없으면 필터에서 미생물 및 곰팡이가 번식하여 오히려 실내공기를 악화시킬 수도 있다. 한편, 고전압으로 공기를 이온화시켜 하전된 입자를 집진판에 부착시키는 전기집진식 공기청정기는 압력손실이 거의 없고 필터 교환 없이 간단한 세척과정을 통해 지속적으로 사용할 수 있는 장점이 있지만 공기 이온화 과정에서 오존이 실내 기준치 이상으로 발생할 수 있어 그 사용이 매우 제한되고 있다(Han et al., 2006). 특히 오존은 산화성이 강한 기체로서 주로 호흡기에 영향을 주는 것으로 보고되고 있고 저농도에 노출될 경우에는 폐활량 감소, 가슴 통증, 목의 따가움, 기침 등의 증상이 발생할 수 있으며 만성적으로 오존에 노출될 경우에는 천식, 기관지염, 폐렴 등 호흡기계 질환을 유발시킬 수도 있기 때문에 인체에 매우 유해할 수 있다(McConnell et al., 2002; Eiswertha et al., 2005). 그렇지만 오존이 거의 발생하지 않는 조건에서 전기집진식 공기 청정기를 운전시켜 필터식 공기청정기의 청정화능력에 대응하는 성능을 확보할 수 있다면 필터 폐기물이 발생하지 않아 환경 보전 측면에서 우수한 전기집진식 공기청정기의 사용이 지속적으로 증가할 수 있을 것으로 판단된다.

Kim et al.(2003)은 와이어-판형 코로나 하전부와 평판형 집진부를 사용한 전기집진기 방식의 상용 공기정화기에 대하여 평균 1.27 ㎛ 크기의 담배입자에 대한 집진효율과 51.3 m3  시험 챔버에서 시간에 따른 감소량 평가를 진행하여 전기집진식 공기정화기를 가동했을 때 가동하지 않았을 때보다 입자감쇠 효과가 우수함을 보여주었다. 하지만 앞에서 언급한 것과 같이 실내 적용을 위한 오존 발생량에 대한 평가가 없었고 하전부 및 집진부 인가전압 변화나 집진부 조건변화에 따른 효율 향상을 위한 파라미터 시험이 거의 진행되지 않았으며 5.98m3 /min의 풍량에서 0.5-1.0 ㎛ 입자의 집진효율이 20% 이하로서 미세입자에 대한 집진효율이 매우 저조한 성능을 나타내었다. 본 연구진은 정전기를 지닌 롤(roll) 모양의 폴리프로필렌 정전필터를 와이어-판형 하전부와 결합한 실내용 공기청정장치를 개발하였고 정전필터 전단에서 미세입자를 강제적으로 하전시킬 때 정진필터의 공기 청정화능력을 약 1.7-2.7배 향상시킬 수 있음을 확인하였다(Kim et al., 2007). 하지만 집진효율 향상을 위해 필터 쉬트면 사이 간격을 감소시키고 두께를 증가시킬수록 필터 압력손실이 급격히 증가하였고, 정전필터를 사용할수록 정전기력이 지속적으로 감소하고 수세정시 정전기력이 급격히 저하되어 주기적으로 필터를 교체해야하는 근본적인 문제가 존재하였다. 

 본 연구에서는 이러한 정전필터의 단점을 극복하기 위해 유전체 필름을 금속 위에 코팅한 코팅 전극과 절곡형 금속 전극을 롤(roll) 모양으로 구성한 뒤 유전체 코팅 전극과 금속전극 사이에 외부 전원을 통해 전기장을 형성시키는 유전체 코팅 집진부를 와이어-판형 하전부와 결합하여 하전부 및 집진부의 인가전압 조건 및 집진부의 두께에 따른 집진효율과 공기 청정화 능력 변화 특성을 파악하여 보았다. 유전체 코팅 집진부는 기존 롤 모양의 정전필터의 압력손실(약 200-300 Pa)에 비해 압력손실이 약 1/10이하 수준으로 적고, 외부 전원으로 전기장을 공급하므로 시간에 따른 정전기 손실이 상대적으로 적기 때문에 세척하여 지속적으로 사용이 가능한 장점이 있다. 실내 공기청정기로의 적용을 위해 24시간 동안의 오존 발생량을 측정하여 실내 기준치의 요구 조건을 만족시키는 하전부의 운전조건을 살펴보았고 풍량과 집진부 조건 변화를 통해 전기집진식 공기청정기의 공기 청정화능력을 필터식 공기청정기의 공기 청정화능력에 대응하는 수준으로 향상시키기 위한 방법을 탐구하였다.

2. 실험 방법

2.1 2단 전기집진기의 구성

2단 전기집진기는 그림 1(a)와 같이 하전부(ionizer)와 집진부(collector)를 일렬로 설치하여 하전부에서 코로나방전(corona discharge)을 통해 공기를 이온화시켜 미세입자를 하전시키고, 하전된 입자를 강한 전기장이 형성된 집진부에 통과시켜 정전기력으로 입자를 포집시키는 원리를 갖고 있다. 본 연구에서는 2단 전기집진기로서, 그림 1(b)와 같이 와이어-판형(wire-plate) 하전부와 롤(roll)형의 유전체 코팅 집진부를 사용하였다. 와이어-판형 하전부는 약 20 mm의 금속 판형 접지부 사이에 등간격으로 0.1 mm 텅스텐 와이어를 13개 사용하였고 전체 크기는 가로×세로×높이가 270 × 260 × 12 mm로 제작하였다(Kim et al., 2007). 유전체 코팅 집진부는 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 또는 폴리에틸렌(polyethylene; PE) 박막을 알루미늄 금속판에 코팅시킨 유전체 코팅 전극(PP/PE coated metal)과 금속판을 절곡시켜 만든 절곡형 금속 전극(zigzagged metal)를 롤(roll) 모양으로 감아서 직경 약 270 mm 크기로 제작하였다. 유전체 코팅 전극은 그림 1(c)에서와 같이 두께 0.05 mm, 폭 10 mm인 PP 박막을 두께 0.1 mm, 폭 5 mm의 알루미늄 판에 코팅시킨 것을 단독으로 사용하거나(10mm PP) 집진부의 면적을 증가시키기 위해 2개를 연결하여 사용하였고(10mm PP*2EA), 두께 0.15 mm, 폭 15 mm인 PE 박막을 두께 0.1 mm, 폭 10 mm의 알루미늄 판에 코팅시킨 것(15mm PE)도 사용하여 비교해 보았다. 추가적으로 PE를 적용한 이유는 표 1과 같이 PP와 물리적 성질 및 유전체적 성질(dielectric constant)은 거의 유사하면서도 절연파괴를 일으키는 최대 전기장 강도에 해당하는 전기 절연강도(dielectric strength)가 PP 보다 약 1.5배 높기 때문에 고전압에서의 절연 안정성이 더 우수하기 때문이다. 따라서 10mm PP 코팅 전극은 약 12.8 kV에서 절연 파괴가 발생하였으나 15mm PE의 경우 약 15.2 kV에서 절연 파괴가 발생하였다. 한편 와이어-판형 하전부의 와이어와 판 사이에는 주로 약 5~5.5 kV의 양극 고전압을 인가하였고 유전체 코팅 집진부에는 유전체 금속 필름과 절곡형 금속판 사이에 약 3~8 kV의 양극 고전압을 인가하였다.

Figure 1. Two stage electrostatic precipitator used in an air cleaner : (a) Principle (b) Wire-plate ionizer and PP/PE coated metal film & zigzagged metal collector used in this study (c) cross sections of three kinds of PP or PE coated metal films.

2.2 실험방법

본 연구의 집진효율과 공기청정화능력 실험 방법으로는 한국공기청정협회의 단체표준규격을 적용하였다(SPS-KACA002-132, 2006). 한국 공기청정협회 규격에 따르면 집진효율은 그림 2의 시험 덕트에 공기청정기를 설치한 뒤 최대 풍량으로 가동시키고 KCl 시험입자 공급장치(Model 3076, TSI)를 이용하여 공기 유입측 시험 유로 내에 KCl 입자를 연속적으로 공급하면서 공기청정기의 상류측과 하류측의 직경 0.3㎛입자 농도를 광학입자계수기(Aerosol Spectrometer 1109, Grimm)를 이용하여 측정함으로써 구하였다. 집진효율 η 는 다음 식으로부터 산출하였다. 

Figure 2. Test duct for the measurement of particle collection efficiency of an air cleaner

 여기서, C0  는 하류측 입자개수농도 (개/m3 ), Ci  는 상류측 입자개수농도 (개/m3  )이다. 측정평가 기준 입자 직경으로는 헤파(HEPA) 필터의 성능시험 기준 입자 크기인 0.3 ㎛로 정하고 있는데 이는 일본공기청정협회 규격에도 동일하게 적용되고 있다(JACA 36-2000, 2000). 풍량은 시험 풍동 후단에 연결된 표준 노즐 유량 측정장치로 입자 집진효율을 측정할 때 동시에 측정하였다.

공기 청정화능력 시험은 일정 크기의 챔버에서 공기청정기를 가동시킬 때 일정 시간 동안의 공기농도 감소량을 측정하는 시험으로서 그림 3과 같은 시험 챔버에서 운전감소 입자농도 측정과 자연감소 입자농도 측정을 각각 수행하여 구하였다. 운전감소 입자농도 측정은 가로 4 m, 세로 3 m, 높이 2.5 m의 30 m3  시험챔버에서 0.3 ㎛ 입자크기 채널의 배경농도가 3×105 개/m3 이하가 되도록 유지한 이후 입자농도가 108~1010 개/m3에 도달 될 때까지 시험입자 공급장치(Model 3076, TSI)로 KCl 입자를 발생 시킨 뒤 공기청정기를 운전시키면서 입자크기 0.3 ㎛ 채널의 입자농도가 그 채널의 초기 농도의 1/3이 되는 시점까지 시험을 수행하였다. 자연감소 입자농도 측정은 운전감소 입자농도 측정시험과 동일한 시험 조건에서 공기청정기를 운전하지 않은 상태로 운전감소 시험과 동일한 시간동안의 자연 감소량을 측정함으로써 구하였다. 체적 V인 실내에서 환기가 없을 때 공기청정기에 의한 시간 t에 따른 입자농도 C의 변화를 다음과 같이 표현할 수 있다(Sohn et al., 2002). 

Figure 3. Test chamber for the measurement of air cleaning capacity of an air cleaner

여기서, P가 공기청정기의 공기청정화능력(m3 /min)이고 식 (2)의 미분방정식을 풀면 다음과 같이 나타낼 수 있다. 

여기서, V는 시험챔버 체적 (m3), t는 운전감소시의 측정시간 (min), Ci1 은 자연감소시 측정개시점 t=0에서의 입자농도 (개/m3), Ct1 은 자연 감소시 측정시간 t분에서의 입자농도 (개/m3), Ci2 는 운전감소시 측정개시점 t=0에서의 입자농도 (개/m3), Ct2 는 운전감소시 측정시간 t분에서의 입자농도 (개 /m3) 이다.

적용면적 A(m2 )는 1시간당 1회의 자연환기 조건에서 공기청정기를 10분 동안 가동시켜 실내 입자농도를 초기농도의 50%로 낮출 수 있는 방의 크기를 기준으로 한 것으로 이때 천장 높이를 2.4 m로 할 경우 A=7.914P로 산출할 수 있다.

오존발생량 측정은 30 m3  의 시험챔버에서 시험체를 정격 풍량으로 운전시킨 후 공기 토출구 50 mm 지점의 공기를 약 1 l/min으로 흡입하면서 24시간 동안 농도를 오존농도 분석기(Model 400, API)를 이용하여 측정하고 그 최대값을 취하였다.  

3. 실험 결과

3.1 전압-전류 곡선

그림 4은 와이어-판형 하전부의 와이어에 고전압을 인가했을 때 발생하는 코로나 전류값을  나타낸 전압-전류 곡선이다. 전류값이 발생하기 시작하는 코로나 개시 전압은 약 4.5 kV였고 5.0 kV에는 약 0.2 mA, 5.2 kV에서는 약 0.3 mA, 5.5 kV에서는 약 0.8 mA의 전류가 발생하였다. 5.5 kV 이상부터는 전류값이 1.0 mA 이상으로 급격하게 증가하기 시작하였고 비릿한 오존 냄새가 발생하기 시작하였다. 본 연구에서는 오존 발생이 적은 5.0~5.5 kV의 범위에서 하전부에 전압을 인가하였고 하전부의 인가전압에 따른 집진효율 특성을 살펴보기 위해 한 가지 조건에 대하여 7.0 kV 까지 전압을 인가해 보았다. 

Figure 4. Voltage-current curve of the wire-plate ionizer

3.2 하전부 및 집진부 인가전압에 따른 집진효율

풍량 약 7.4 m3  /min에 대하여 2단 전기집진기의 하전부 및 집진부의 인가전압별 집진효율을 측정하였고 그 결과를 그림 5에 나타내었다. 그림 5(a)는 하전부에 인가전압을 증가시킬 때 세종류의 유전체 금속 필름에 대한 집진효율 특성을 보여주고 있다. 하전부의 인가전압이 증가 할수록 집진효율이 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 하전부의 인가전압이 증가할수록 코로나 방전 전류가 증가하여 와이어 근처에서 이온 발생량이 증가하고 이로 인해 이온 확산에 의한 입자의 하전 비율 또한 증가하였기 때문으로 판단된다. 한편, 동일한 하전부 및 집진부의 인가전압 조건에서는 10mm PP 하나보다는 10mm PP를 2개 사용한 것이 집진효율이 우수 하였고 10mm PP 2개 보다도 15mm PE를 사용하는 것이 더욱 우수한 집진효율을 나타내었다. 이는 하전부에서 하전된 입자가 모두 집진부에 포집되는 것이 아니라 전기이동도의 차이에 의해서 일부는 집진부를 그냥 통과하게 되므로 집진부의 면적을 증가시킴으로써 집진효율을 상승시킬 수 있음을 보여주고 있다. 또한 유전체 금속 필름 집진부는 PP 또는 PE 박막의 폭보다 내부에 삽입되는 알루미늄 금속판의 폭이 증가할수록 유전체 금속 필름과 절곡형 집진부 사이에 고강도의 전기장을 형성시키는데 더 유리한 것으로 판단된다. 그림 5(b)는 집진부의 인가전압을 증가시킬 때 세 종류의 유전체 금속 필름에 대한 집진효율 특성을 보여주고 있다. 앞에서 언급한 것과 같이 집진부의 면적을 증가시킬 때 집진효율이 증가할 수 있다는 것은 집진부에서의 전기장의 세기를 증가시켜도 집진효율이 상승할 수 있음을 의미한다. 이는 전기장 세기가 커질수록 하전된 입자의 전기이동도가 커짐으로써 낮은 전기장에서 집진부를 통과했던 하전된 일부 입자가 높은 전기장의 집진부에 포집될 수 있기 때문이다. 그림 5(b)의 결과를 살펴보면 예상했던 것과 같이 집진부의 인가전압이 증가할수록 집진효율이 증가하는 것을 알 수 있다. 하지만 집진부 인가전압이 6kV 이상부터는 인가전압 증가에 비해 집진효율 증가율이 급격히 감소하였다. 이는 집진부 인가전압 6 kV 이상부터는 하전부에서 하전된 입자가 대부분 집진부에 포집되기 때문으로 판단된다.

Figure 5. Collection efficiencies with the applied voltage (a) at ionizer and (b) at collector

3.3 하전부 및 집진부 인가전압에 따른 공기

2단 전기집진기의 집진효율과 풍량으로부터 공기청정기로 적용했을 때 공기 청정화능력 (또는 적용면적)을 산출할 수 있다. 

여기서, Pest(m3 /min)는 집진효율과 풍량으로부터 추정된 공기 청정화능력이고 α는 비례상수 로서 챔버 내에서 이상적으로 혼합될 경우 1이 된다. Q(m3 /min)는 공기청정기의 풍량이다.

실제적으로 풍량 7.4 m3/min에서 표 2와 같은 실험조건으로 30 m3 시험챔버에서 공기 청정화 능력 시험을 수행하였고 그 결과값(P)과 집진효율과 풍량의 곱(ηQ)을 비교한 것을 표 2와 그림 6에 나타내었다. 공기청정화능력과 집진효율과 풍량의 곱을 선형 근사하였을 때 기울기는 약 0.964로 나타났고 따라서 비례상수를 0.964로 하였을 때 유전체 금속필름 종류에 상관없이 실제 측정한 공기청화능력(P)와 집집효율과 풍량으로 구한 청정화능력(Pest )이 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 2006년도부터 2009년도까지의 필터식 공기청정기를 분석한 결과 비례상수가 0.8-0.9의 범위에서 존재하였고 평균 0.86 정도로 나타났으나(Kim et al., 2012) 본 연구의 2단 전기집진기의 경우는 이보다 훨씬 높은 값이 나오는 것으로 보아 시험챔버 내의 혼합효과가 필터식보다 우수한 것으로 판단된다. 이로부터 비록 30 m3 의 시험챔버가 없어 청정화능력 평가를 할 수 없더라도 집진 효율과 풍량으로부터 공기청정기의 적용면적을 쉽게 추정할 수 있음을 알 수 있다. 이는 폴리프로필렌 정전필터와 와이어-판형 하전부를 사용한 기존의 연구결과와도 아주 잘 일치하고 있다(Kim et al., 2007). 그림 7은 실제 측정한 공기청정기 적용면적과 집진효율과 풍량으로부터 추정한 것을 동시에 나타낸 결과이다. 풍량이 일정할 때 하전부 및 집진부 인가전압에 따른 집진효율 변화와 거의 유사한 경향으로 적용면적이 변화되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 하전부와 집진부의 인가전압을 높일수록 집진부의 면적을 늘릴수록 집진효율을 증가시켜 공기 청정화 능력을 향상시킬 수 있다. 또한 일반적으로 풍량 증가에 따른 집진효율 감소율이 풍량 증가율에 비해 작으므로 식 (4)로부터 풍량을 증가시킬수록 공기 청정화능력을 더욱 향상시킬 수 있다.

Table 2. Experimental conditions for the measured and estimated air cleaning capacity at air flow rate (Q) of 7.4 m3/min

Figure 6. Comparison of the product of collection efficiency and air flow rate (ηQ) with the measured air cleaning capacity (P).

Figure 7. Measured floor area of an air cleaner according to ionizer and collector conditions of two stage electrostatic precipitator

3.4 하전부 극성에 따른 공기 청정화능력

이번에는 하전부 극성에 따른 결과를 살펴보기 위하여 하전부의 와이어에 5.2 kV의 음극을 인가하여 청정화 능력을 시험해 보았고 그 결과를 그림 8에 나타내었다. 일반적으로 양극은 집진효율은 떨어지나 오존이 적게 발생하여 가정용 또는 중소형 전기집진기에 주로 사용되고 음극은 집진효율은 우수하지만 오존이 많이 발생하여 대형 산업용 전기집진기에 주로 사용되고 있다고 알려져 있다. 하지만 본 실험에서 양극과 음극을 동일한 전압, 전류로 적용시켜본 결과, 공기 청정화능력이 음극에서 약간 우수하였으나 그 차이가 거의 미미한 수준으로 나타나는 것으로 확인되었다. 이는 극성 비교시험때의 시험챔버 내의 상대습도가 60-65% 정도로 다소 높아 두 극성 사이의 차이가 낮게 나타난 것으로 보인다(Nouri et al., 2010). 

Figure 8. Measured floor area of an air cleaner according to the polarity of the applied voltage to the ionizer and collector of two stage electrostatic precipitator

3.5 하전부 조건에 따른 오존 발생량

앞에서 언급했듯이, 하전부의 인가전압을 증가시킬수록 집진효율은 계속 상승하므로 이를 통해 공기 청정화능력을 지속적으로 향상시킬 수 있다. 하지만 하전부 인가전압을 증가시킬수록 공기 이온화 과정 중 오존이 발생할 가능성이 높아지므로 하전부에 인가전압을 증가시키는 데에는 한계가 있다. 따라서, 전기집진기를 실내용 공기청정기로 적용하기 위해서는 하전부 인가전압 조건에 따른 오존발생량을 측정할 필요가 있다. 그림 9는 본 연구에서 주로 적용한 하전부 인가전압 5.0~5.5 kV에서의 오존발생량을 측정한 결과이다. 5.0 kV, 0.2 mA의 하전조건에서는 24시간동안 약 0.015 ppm, 5.2 kV, 0.3 mA의 조건에서는 24시간 동안 약 0.024ppm이 발생하여 일반적인 실내 오존 규제치인 0.05 ppm (UL 867-2002; KS C 9314, 2009; SPS-KACA002-132, 2006) 보다 적은 량의 오존이 발생하였다. 하지만 5.5 kV, 0.8 mA의 하전조건에서는 약 0.068 ppm이 발생하여 오존 기준치를 약간 상회하였다. 따라서 본 연구에서 사용한 하전부는 5.2 kV 이내에서 적용해야만 오존 규제치를 충분히 만족할 수 있을 것으로 판단되고, 전기집진식 공기청정기의 경우 이러한 오존 규제를 만족하는 조건에서 운전할 수 있도록 사용 조건을 명확하게 제시할 필요성이 있다.

Figure 9. Ozone emission concentration of an air cleaner according to the applied voltage to the ionizer of two stage electrostatic precipitator

3.6 2단 전기집진기 청정화능력 향상

 지금까지의 결과를 바탕으로 정리해보면, 하전부의 인가전압을 5.5 kV 이상 상승시키면 오존 발생 위험이 존재하므로 그 이하인 5.2 kV가 적당하고, 집진부의 인가전압은 6 kV 이상부터는 큰 효과를 볼 수 없으므로 6 kV가 적당하며, 유전체 금속 필름으로 15mm PE를 사용하는 것이 적합한 것으로 나타났다. 또한, 식 (4)로부터 풍량을 증가시키면 청정화능력이 비례하여 상승할 수 있음을 예측할 수 있었다. 따라서, 이번 절에서는 7.4 m3  /min의 풍량, 하전부 5.0 kV, 0.2 mA 집진부 3 kV의 운전조건 및 집진부로 10mm PP를 1개 사용한 조건(적용면적: 17.8 m2 , 약 5.4평)에서 시작하여 풍량 증가, 하전부 및 집진부 전압 증가, 집진부 폭 변경 등을 통해 청정화능력이 최대 얼마까지 상승시킬 수 있는지를 측정해 보았고 그 결과를 그림 10에 나타내었다. 먼저 풍량을 7.4 m3/min에서 11.7 m3/min 로 1.6배 증가시켰더니 약 1.5배의 청정화능력이 향상되었고, 여기에 집진부 인가전압을 3kV에서 6 kV로 증가시켰더니 약 1.3배의 청정화능력이 다시 향상되었으며, 10 mm PP 집진부 1개를 10 mm PP 집진부 2개로 늘렸더니 추가적으로 약 1.1배의 상승을 얻을 수 있었다. 또한, 10mm PP를 15mm PE로 대체하여 약 1.1배의 상승을 얻을 수 있었고, 하전부의 인가전압을 5.0 kV에서 5.2 kV로 상승시켜 약 1.1배의 청정화능력에 대한 추가적 상승을 얻을 수 있어 최종적으로 48.2 m2 (약 14.6평)의 적용면적을 얻을 수 있었다. 적용면적 48.2 m2은 국내 판매되는 대표적 필터식 또는 복합식 공기청정기 29대(최고 적용면적: 45.2 m2 )와 비교했을 때 최고 수준에 있다고 할 수 있고, 29대의 공기청정기의 평균 적용면적이 26.0 m2인 것을 감안하면 (Kim Y.J. et al., 2006) 아주 우수한 청정화능력을 나타낸다고 볼 수 있다.

3.7 수세정 후 2단 전기집진기 청정화능력 변화

그림 11은 최종적으로 적용면적 48.2 m2의 청정화능력 조건에서 유전체 필름 집진부를 수세정 후 건조 시간에 따른 청정화능력 회복 모습을 보여주고 있다. 유전체 필름 집진부의 경우 금속 전극이 폴리프로필렌과 같은 비금속 필름으로 완벽하게 절연이 되어 있어 세척 후에도 전기장 인가가 가능하였고, 수세정 후 약 10분이 지났을 때에는 필름 표면에 습기가 다소 남아 있어 약 10%의 청정화능력 감소가 발생하였으나 30분이 지난 후부터는 초기 청정화능력의 97% 수준 이상으로 회복되어 쉽게 재생이 가능함을 알 수 있다. 이는 세척 후 정전기력을 상실하는 정전필터에 비해 재생 능력이 우수하여 실내 정화용으로 활용성이 훨씬 높을 것을 확인할 수 있다. 

Figure 11. Changes on the measured floor area with time after washing for an air cleaner with its initial measured floor area of 48.2 m2

4. 결 론

 이상의 2단 전기집진기의 집진효율 및 청정 화능력 실험으로부터 다음과 같은 결론은 얻을 수 있었다.

 1) 2단 전기집진기의 집진효율은 하전부 및 집진부의 인가전압을 높일수록 그리고 집진부의 집진면적을 증가시킬수록 상승하였다. 동일한 하전부 및 집진부 인가전압 조건에서는 유전체 필름 전극의 종류에 따라 15mm PE > 10mm PP*2EA > 10mm PP 순으로 집진효율이 우수하게 나타났다.

2) 2단 전기집진기의 공기 청정화능력은 집진효율과 풍량으로부터 쉽게 예측할 수 있었고 이를 통해 풍량이 일정할 때 하전부 및 집진부의 인가전압 변화에 따른 집진효율 변화 특성을 파악하여 청정화능력(또는 적용면적)을 예측할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

3) 하전부에 5.0 kV 및 5.2 kV를 인가할 때에는 오존발생량이 실내 규제치 0.05 ppm 미만으로 발생하였지만 5.5 kV 이상부터는 실내 규제치를 초과하여 발생하여 실내 공기정화용 적용을 위해서는 5.2 kV 이하의 인가전압으로 운전해야 함을 알 수 있었다.

4) 2단 전기집진기의 풍량을 증가시키고, 하전부 및 집진부의 인가전압을 증가시키며, 집진부 폭을 변경하여 풍량 11.7 m3/min, 하전부 5.2 kV 및 15mm PE*2EA 집진부 6.0 kV에서 청정화능력 48.2 m2의 매우 우수한 청정화능력을 가진 공기청정기로 적용이 가능함을 알 수 있었다.

5) 본 연구의 유전체 필름 집진부는 절연성이 우수하여 수세정 후에도 바로 전기장 인가가 가능하였고 수세정 후 30분이 지난 후부터는 초기 청정화능력 상태로 거의 회복되어 쉽게 재생이 가능함을 알 수 있었다.

Acknowledgments

This work was supported by the LG Electronics research project. 

Reference

1.Anderson, K., Bakke, J. V., Bjorseth, O., Bornehag, C.G., Clausen, G., Hongslo, J.K., Kjellman, K., Kjaergaard, S., Levy, F., Molhave, L., Skerfving, S., and Sundell, J. (1997) TVOC and health in non-industrial indoor environments, Indoor Air, 7, 78-91.
2.Eiswertha, M.E., Shawb, W.D. and Yenc, S.T. (2005) Impacts of ozone on the activities of asthmatics: Revisiting the data, J. Environ. Manage., 77, 56-63.
3.Han, B., Kim, Y.J., Kim, H.J., Kim, Y.B, Jang, S.K. and Lee, W.S. (2006) Characteristics of Ozone Emission and Negative Ion Generation for Indoor Air Cleaners, Journal of Korean Society for Indoor Environment, 3(4), 396-406.
4.Kim, H.J., Han, B., Kim, Y.B. and Kim, Y.J. (2006) Comparison of test methods for toluene removal performance of air cleaners, Journal of Korean Society for Indoor Environment, 3(4), 358-366.
5.Kim, H.J. Han, B., Kim, Y.J., Yoon, Y.-H. and Oda, T. (2012) Efficient test method for evaluating gas removal performance of room air cleaners using FTIR measurement and CADR calculation, Build. Environ., 47, 385-393.
6.Kim, H.J., Kim, Y.J. and Han, B. (2007) Performance of high efficiency electret polypropylene filter and its application to an in door air cleaner, Journal of Korean Society for Indoor Environment, 4(1), 23-33.
7.Kim S.C., Lee, C.G., Ahn, Y.C., Lee, J.K., Kang, T.W., Lee, K.G. and Koo, J.H. (2003) An experimental study on the removal characteristics of indoor air pollutants using an air cleaning system, Korea Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, 15(9), 733-737.
8.Kim, Y.J., Han, B., Kim, H.J., Jang, S.K. and Lee, W.S. (2006) Performance characteristics of air cleaners based on the particle cleaning types, Particle and Aerosol Research, 2(3-4), 153-161.
9.KS C 9314 (2009) Air cleaner, Korean Industrial Standard.
10.JACA 36-2000 (2000) Guidelines for Test Method of Tobacco Smoke Removing Apparatus, Japan Air Cleaning Association Standard
11.Logue, J. M., Mckone, T. E., Sherman, M. H. and Singer, B. C. (2011) Hazard assessment of chemical air contaminants measured in residences, Indoor Air, 21, 92-109.
12.McConnell, R., Berhane, K., Gilliland, F., London, S. J., Islam, T., Gauderman, W.J., Avol, E., Margolis, H.G. and Peters, J.M. (2002) Asthma in exercising children exposed to ozone: a cohort study, Lancet 359, 386-391.
13.Nouri, H. Zebboudj, Y., Zouzou, N., Moreau, E. and Dascalescu, L. (2010) Effect of relative humidity on the collection efficiency of a wire-to-plane electrostatic precipitator, Proceeding of the IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Houston, TX, 1-6.
14.Shaughnessy, R. J. and Sextro, R. G. (2006) What is an effective portable air cleaning device? A review, J. Occup. Envirion. Hyg., 3, 169-181.
15.Sohn, J.R., Kim, Y.W. and Woo, W.G. (2002). The evaluation and investigation of conscious cognition degree on a room-size air cleaner, The Korean Journal of Sanitation, 17(3), 111-116.
16.Somers, C. M., McCarry, B. E., Malek, F. and Quinn, J. S. (2004) Reduction of particulate air pollution lowers the risk of heritable mutations in mice, Science, 304, 1008-1010.
17.SPS-KACA002-132 (2006) Indoor air cleaner, Korea Air Cleaning Association Standard
18.UL 867-2002 (2002). Standard for safety electrostatic air cleaners, Underwriters Laboratories Inc. Standard.
19.Zhang, Q. and Zhu, Y. (2012) Characterizing ultrafine particles and other air pollutants at five schools in South Texas, Indoor Air, 22, 33-42.