실내공기 관리, 2차 감염 예방 핵심

■ 기술의 정의 및 분류

실내공간은 쾌적한 삶의 공간을 만들기 위하여 인위적으로 외부환경과 격리시킨 곳으로, 일반적으로 주거공간·사무공간·운송공간 등으로 구분한다. 이러한 실내공간을 구성하는 대표적 환경요소로는 열·냉난방과 공기질이 있다. 사람들은 춥고 더운 환경에 매우 민감하기 때문에 실내공간의 열적 쾌적성에 대한 연구는 오래 전부터 매우 체계적으로 수행되었다. 덕분에 다양한 지표들이 개발되었고, 일부는 건물 공조시스템의 설계 및 운영에 반영되고 있다.

이에 비해 공기질은 사람마다 공기질에 대한 민감성이 크게 달라 공기질의 중요성에 대한 사회적 공감이 부족하여 기술개발 및 관리가 상대적으로 미흡하였다.

하지만 2010년대부터 국내 대기 중 미세먼지 농도가 급격히 증가함에 따라 외부에서 유입된 미세먼지에 의한 실내공기질(indoor air quality, IAQ) 관리가 사회적 화두로 떠올랐다. 사람들은 실외 미세먼지의 실내 유입을 차단하기 위해 외기 환기를 줄이기 시작하였으며, 유입된 미세먼지를 포집할 수 있는 공기 청정기를 설치하였다.

실내 환기 감소는 실외 미세먼지 유입은 차단할 수 있지만, 실내에서 발생되는 휘발성유기화합물(volatile organic compounds, VOCs), 미생물, 바이러스 등을 나타내는 병원체의 농도 상승을 유발한다. 따라서 향후 산업적, 그리고 사회적 수요가 급증할 실내공기질 관리 기술은 미세먼지의 필터 포집뿐만 아니라 VOCs 흡착 또는 분해, 병원체의 살균과 비활성화, 그리고 다중이용시설에도 적용 가능한 대용량 처리 기능을 요구받을 것이다. 본 기술동향 분석보고서는 기존 연구에서 다수 보고된 미세먼지 관리기술 내용을 제외한 실내공기 중 VOCs와 병원체 관리에 사용되는 기술들의 현황과 미래 연구 방향에 대해 논의하고자 한다.

실내공기 오염원은 크게 입자상 오염원과 가스상 오염원으로 분류할 수 있다. 이산화탄소(CO2), VOCs, 폼알데하이드(HCHO), 이산화질소(NO2), 아황산가스(SO2), 일산화탄소(CO) 등의 유해가스와 사람에게 불쾌감을 일으키는 냄새 물질은 가스상 오염원이고, 공기 중 박테리아, 곰팡이 포자, 바이러스를 나타내는 병원체와 미세먼지는 입자상 오염원에 속한다.

이에 대응하여 IAQ 제어기술도 크게 입자상 물질과 가스상 물질의 제어기술로 나눌 수 있다. 입자상 물질 제어기술로는 필터를 이용한 공기 중 병원체와 미세먼지의 기계적 여과 기술이 있고, 가스상 물질 제어기술로는 희석환기 기술과 흡착 또는 탈취기술이 있다.

■ 기술의 원리

병원체와 같은 입자상 오염원을 포집하는 방식은 기계적 여과 방식과 전기장을 이용한 정전집진 방식이 있다.

가. 기계적 여과법

기계적 여과는 먼지, 곰팡이 및 박테리아와 같은 고형 미립자를 공기로부터 제거하는 다공성 필터이다. 공기가 필터 구멍을 통과할 때 필터 구멍 크기보다 큰 부유 입자를 걸러낸다. HEPA(high efficiency particulate air) 필터는 0.3 마이크로미터 이하의 입자를 걸러 낼 수 있다. 기계적 여과 방식은 오존 가스와 같은 부산물을 생산하지 않으며 0.3 마이크로미터 크기의 입자를 거의 99.97% 제거할 수 있지만, 주기적인 교체가 필요하며 치밀한 필터 구조에 의한 공조 덕트 내 압력 손실을 유발하여 전력 소모를 증가시키는 단점이 있다.

병실 내 양압 유지 공기 감염 우려 실정

실내공기 중 부유미생물 제거 신기술 必

나. 정전 집진법

정전집진 방식은 전하발생장치가 공급한 전하로 공기 중 오염원 입자를 하전시킨다. 하전된 입자는 수 kV 수준의 고전압이 인가된 전도성 평판 사이를 통과하며, 전도성 판 사이에 형성된 전기장에 의해 하전된 오염원 입자는 전도성 판 표면에 붙는다. 전하발생장치는 바이오에오로졸 입자에 부착되는 음이온을 형성하여 병원체의 조대화를 유발하여 필터 포집이 가능하게 한다. 또한, 전하발생장치는 수산화기 활성종 (OH radical)을 형성하여 유기 오염물을 분해할 수 있다. 정전집진 방식은 세척이 쉽고, 화학물질을 사용하지 않고도 오염원을 효율적으로 포집 가능하지만, 이온화된 입자를 제거하기 위한 주기적 청소가 필요한 단점도 있다.

병원체와 같은 입자상 오염원을 제거하거나 VOCS와 같은 가스상 오염원을 분해하는 방식으로는 자외선 살균, 광촉매 산화, 오존처리, 흡착 방식들이 있다.

다. 자외선 살균법

오염된 공기를 일정 시간동안 100∼280nm 파장 범위의 자외선에 노출하여 공기에 포함된 세균을 살균하고 바이러스를 비활성화 하는 방식이다. 자외선 살균 방식은 장시간 노출 시에만 효과적이므로 팬을 사용하여 자외선 조사 영역을 지나도록 풍동을 설계한다. 공조 시스템 내 냉각 코일과 같은 미생물 성장이 가능한 표면은 충분한 시간 동안 자외선에 직접 노출시켜 살균하며, HEPA 필터와 같은 공기 필터 시스템의 하류에서 사용하는 것이 좋다. 자외선 살균법은 미생물 살균에 매우 효과적이지만 공기가 흐르는 상황에서는 자외선램프를 반복적으로 지나야하기 때문에 살균력이 떨어진다.

라. 광촉매 산화법

광촉매 산화법은 자외선을 이용해 가스상 오염물질을 분해하는 데에 주로 사용된다. 자외선은 촉매를 여기시켜 수산화 활성종을 생성하며, 반응성이 높은 수산화 라디칼은 유기물 오염 물질을 분해하여 이산화탄소와 물로 전환시킨다. 광촉매 산화법은 바이오에어로졸, VOCs 제거에 효과적이지만, 최근 광촉매 산화 반응에서 소량의 오존과 포름알데히드가 생성된다고 보고됨에 따라 사용에 주의를 요한다.

마. 오존법

대부분의 물질을 산화시킬 수 있는 강력한 산화제인 오존 가스는 산소 분자의 전기 방전을 통해 생성된다. 활성이 강한 오존은 다시 산소 분자로 분해되며 이때 발생된 산소 원자는 악취 가스와 미생물을 산화시킨다. 특히 세균은 오존 산화에 의해 세포벽이 파괴되어 사멸하며, 바이러스는 RNA 변형으로 인해 번식 능력이 제거되어 비활성화가 가능하다. 오존은 일반적으로 썩은 냄새, 곰팡이 냄새를 제거하는데 주로 사용할 수 있다. 오존은 냄새를 제거하는 데 매우 효과적이지만, 장시간 노출될 시 심각한 폐 기능 손상을 유발하기도 하니 주의해서 사용해야 한다.

사. 흡착법

흡착법은 오염 물질을 특정 표면에 결합시켜 포집하는 방식이다. 흡착 반응은 분자 단위 수준에서 이루어지기 때문에 VOCs 가스를 효율적으로 제거 가능하며, 기계적 필터 방식과 같이 사용해야 한다. 흡착법은 가스, 화학 물질, 악취 등 가스상을 제거하기에 가장 효율적인 방법이지만, 흡착 가능한 오염 물질의 양이 제한되어 있어 정기적으로 흡착제를 교체해야 한다.

■ 국민생활문제 해결 관점에서 기술의 중요성

미세먼지로 인한 환기 감소로 실내공기 중 오염물질에 대한 관심이 증가하였으며, ‘국민 삶의 질 향상’이슈화에 따른 안전하고 건강한 환경 조성을 위한 국민생활건강 개선소재 개발의 사회적 수요도 증가하였다. 특히 2015년 병원 내 메르스(MERS) 2차감염이 다중이용시설의 공조를 통해 발생된 것으로 추정됨에 따라 실내공기 관리는 국민생활문제와 직접적인 관련이 있다고 볼 수 있다.

실내공기 중 대표적 오염물질로 알려진 미세먼지와 VOCs는 1차 실내공기질 관리 기본계획(2004-2008년), 2차 실내공기질 관리 기본계획(2009-2013년)을 통해 체계적인 기준을 통해 관리되고 있다. 하지만 바이오에어로졸 또는 부유미생물에 대한 실내공기질 관리는 2018년 개정된 실내공기질 관리법에 곰팡이에 대한 권고사항이 추가된 수준이다. 이는 실내공기 중 병원체 관리가 제도적으로 가능한 경제성, 기능성을 가진 기술이 아직 부족하기 때문이다. 현재 국내 상황은 부유미생물 농도를 800CFU/m3 이하로 유지하도록 권고하고 있으며, 부유미생물 농도가 가장 높은 다중이용시설은 어린이집(439.0CFU/m3), 운수시설(431.5CFU/m3), 의료시설(385.0CFU/m3) 순으로 보고되었다. 서울시 실내환경 관리 시스템 (2015.5 현황)

의료시설의 경우 대부분 병실에서 환자의 유형을 고려하지 않고 병실 내 양압을 유지하고 있어 공기를 통한 감염이 우려되는 실정이었다. 또한, 의료시설 대부분에 실내공기질을 관리할 수 있는 설비가 없거나 시설을 갖추었더라도 운전비용을 줄이기 위해 운전을 하지 않는 것으로 조사되었다.

호흡기 질환과 질병감염에 취약한 계층이 생활하는 공간의 총 부유세균 농도가 가장 높게 조사된 현 상황을 고려할 때, 실내공기 중 부유미생물을 효과적으로 제거하여 안전한 다중이용시설 환경 유지가 가능한 신기술 개발이 필요한 시점이다.

▲ <표 3-2-3-1>입자상 및 가스상 오염물질의 발생원

▲ <표 3-2-3-2>국내 수행 중 또는 수행 완료된 유사 연구개발 현황