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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.18 No.1 pp.60-66
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2019.18.1.60

A study on the prediction of surface sterilization performance of ultraviolet germicidal irradiation system using radiance analysis

Ji-Hi Kim, Ye-Lim Jo, Jong-Il Bang, An-Seop Choi, Minki Sung*
Department of Architectural Engineering, Sejong University
Corresponding author Tel : +82-2-3408-4037 E-mail : mksung@sejong.ac.kr
24/02/2019 18/03/2019 19/03/2019

Abstract


A number of studies on airborne pollutants and microorganisms using ultraviolet sterilization have been conducted. Countermeasures are also needed to be taken against contamination and damage that occur on indoor surfaces in addition to indoor air. In this study, a method to predict UV-C intensity distribution using radiance calculation was introduced for the purpose of surface sterilization using UVGI systems and compared with the measured UVC intensities in a kitchen model room. The results of calculations showed a similar distribution of ultraviolet intensity with the measured intensities, although there was some discrepancy, probably due to different reflectance of building materials. And some bacteria and viruses occasionally identified in kitchens were predicted to be sterilized 99.9% only after about 30 minutes of UV-C irradiation with the figure 90% for fungi. The sterilization performance of UVGI and exposure time to UV-C were reasonably predicted using the radiance calculation method, and UV sterilization can be achieved with great effect even after a short period of time.



복사해석을 통한 자외선 살균장치의 실내표면 살균 성능 예측에 관한 연구

김 지희, 조 예림, 방 종일, 최 안섭, 성 민기*
세종대학교 건축공학과

초록


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

    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.

    K R = 1 e k I t
    (1)

    where,

    • KR = Killing Rate (%)

    • k = UV constant (m2/J)

    • I = UV intensity (W/m2)

    • t = exposure duration (sec)

    여기서 노출시간 t에 대해 정리하면 다음 Eq. 2와 같다.

    t = ln ( 1 K R ) k I
    (2)

    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. 4(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. coliLegionella bozemanii는 가장 강도가 낮 은 지점까지 살균율 99.9%에 도달하는데 각각 최대 673초와 413초가 소요되며, 곰팡이류인 Aspergillus nigerCladosporium 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.

    감사의 글

    본 연구는 2017년도 과학기술정보통신부(No. 2017 R1A2A1A05001170)의 지원을 받아 수행한 연구 과제 입니다.

    Figure

    JOIE-18-1-60_F1.gif

    Kitchen model room with UV-C lamp.

    JOIE-18-1-60_F2.gif

    The coordinates of measurement points.

    JOIE-18-1-60_F3.gif

    UV-C lamp and measurement sensor.

    JOIE-18-1-60_F4.gif

    Distribution of UV-C intensity (W/m2).

    JOIE-18-1-60_F5.gif

    Comparison of measurements and radiance calculations on row C.

    Table

    Material reflectivity of UVGI and room components (Kowalski, 2010)

    UV constants for bacteria, viruses and fungi

    Exposure time (sec) at sterilization rate 99.9%

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