[논문]공간 내 부유한 바이러스에 대한 광촉매 TiO2가 코팅된 에어 필터의 항바이러스 효율 평가

박근영; 박성재; 구현본; 김성준; 황정호

doi:10.11629/jpaar.2019.15.4.173

공간 내 부유한 바이러스에 대한 광촉매 TiO2가 코팅된 에어 필터의 항바이러스 효율 평가
Evaluation of anti-viral efficiency of TiO2 coated air filter for airborn virus 원문보기

Particle and aerosol research = 한국입자에어로졸학회지, v.15 no.4, 2019년, pp.173 - 182

박근영 (연세대학교 기계공학과) , 박성재 (연세대학교 기계공학과) , 구현본 (한국건설기술연구원) , 김성준 (한국건설기술연구원) , 황정호 (연세대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Since airborne viruses have been known to aggravate indoor air quality, studies on the development of anti-viral air filter increase recently. In this study, the pressure drop and anti-viral efficiency of TiO2 coated ceramic ball filter were evaluated. After the filter being inserted into a commercial room air cleaner, chamber test with aerosolized bacteriophage MS2 was performed. The porosity of TiO2 coated ceramic ball filter was 0.85, and pressure drop was about 13 Pa for 1 m/s of air velocity. The anti-viral efficiency was about 93% when the reaction time was 25 minutes in a 1 ㎥ chamber.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. Two fabricated ball filter.
그림 Figure 2. Experiment set up for evaluation of pressure drop.
표 Table 1. Specification of commercial air sterilizer.
그림 Figure 3. Commercial air sterilizer appearance and filter module.
그림 Figure 4. Experiment set up for evaluation of antiviral efficiency in the chamber.
그림 Figure 5. FE-SEM images of two balls.
표 Table 2. Experiment cases.
그림 Figure 6. EDS analysis of two balls.
그림 Figure 7. The result of pressure drop measurement experiments.
그림 Figure 8. The result of the Anti-viral experiments.

AI 본문요약
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제안 방법

사용된 상용 세라믹 볼의 종류는 총 2가지로 광촉매 TiO₂입자가 코팅되어 있는 TiO₂ 코팅 세라믹 볼(볼 1개당 면밀도 약 10 습식 코팅)과 코팅되어 있지 않은 일반 세라믹 볼이다. 각각의 세라믹 볼을 두 개의 240 mmⅹ7 mmⅹ30 mm크기의 다공성 틀에 따로 넣어 TiO₂입자가 코팅된 세라믹볼로 만들어진 볼 필터, 그리고 대조군으로써 일반 세라믹볼로 만들어진 볼 필터가 제작되었다. 제작한 필터는 그림 1에 나타내었다.
공간 항바이러스 성능 평가를 위해서 가로 0.8 m, 세로 0.8 m, 높이 1.56 m 크기의 챔버 시스템을 구축하였다. 챔버 시스템은 1개의 유입구와 2개의 배출구, 상용 공기청정기, 거치대로 구성되어 있다.
먼저, 오일트랩(Oil trap)과 확산건조기(Diffusion Dryer), 헤파필터가 내장되어 있는 청정공기 공급장치를 통해 공급된 청정공기는 질량유량계를 통해 10 L/min의 유량으로 시험용 바이러스가 담겨있는 미립화기(6-jet nebulizer, CH tech, USA)를 통과하여 바이러스 입자가 포함된 액적을 발생시켰다. 발생된 액적은 확산건조기(Diffusion Dryer)를 통과하여 수분을 제거되어 에어로졸화된 바이러스 입자만이 남게되고, 공기 중 바이러스 입자들은 상용 공기청정기가설치된 챔버(0.
3 ml, Trypic soy agar (TSA)용액 29 ml를 섞은 후, 페트리 디쉬에 도말하여 37 ℃의 조건에서 하루동안 배양하였다. 배양이 끝난페트리 디쉬에 생성된 플라크의 수를 세어서, 아래의 수식을 통해 제작한 필터의 항바이러스 효율을 산출하였다.
본 연구에서는 광촉매 TiO₂를 일반 세라믹 볼에 코팅한 TiO₂ 코팅 세라믹 볼을 다공성 틀에 넣어 공기가 통과할 수 있는 필터 형태로 구성한 항바이러스 에어필터의 차압과 항바이러스 효율을 평가하였다. TiO₂ 코팅 세라믹 볼의 SEM분석과 EDS분석을 통해 TiO₂ 입자가 표면에 고르게 코팅이 이루어진 것을 확인하였다.
위와 같은 연구의 일환으로, 본 연구에서는 광촉매 TiO₂입자를 코팅한 세라믹 볼 필터의 차압, 표면특성 그리고 항바이러스 효율을 확인하였다. 항바이러스 효율 평가는 실제 공간 상에서 바이러스를 저감하는 상황을 모사하기 위해 상용 공기 청정기에 볼 필터를 장착한 뒤 챔버 내부에서의 공기 중 항바이러스 능력을 평가하였다.
일반 세라믹 볼과 TiO₂ 코팅 세라믹 볼 각각의 재료적 특성을 확인하기 위해 주사전자현미경(FE-SEM, Field Emission Scanning Electron Microscope, 7610fplus, JEOL, Japan)을 통한 표면분석, EDS(Energy Dispersive Spectrometry)를 통한 화학적 조성 분석이 진행되었다.
챔버 내의 바이러스 입자 수농도가 4ⅹ10⁵particles/ cm³ 가 될 때까지 바이러스 입자를 주입하였고, 그 후 주입을 끊고 공기청정기를 작동시켰다. 챔버 내 바이러스 입자 수농도는 condensation particle counter (CPC, TSI model 3776; 0.3 L/min)으로 실시간 측정하였다. 공기청정기의 작동시간은 5분, 10분, 25분 3가지로 설정되었다.
56 m)로 유입되었다. 챔버 내의 바이러스 입자 수농도가 4ⅹ10⁵particles/ cm³ 가 될 때까지 바이러스 입자를 주입하였고, 그 후 주입을 끊고 공기청정기를 작동시켰다. 챔버 내 바이러스 입자 수농도는 condensation particle counter (CPC, TSI model 3776; 0.
필터의 차압을 측정하기 위한 실험 방법은 그림 2에 나타나 있다. 필터의 샘플과 같은 공극률을 가지도록 세라믹 볼과 틀로 시험 덕트(단면적 40 mmⅹ40 mm)에 맞게 필터를 제작하여 장착한 후, 시험 덕트에 청정공기를 유입하고, 필터 샘플 전/후단에서의 유속에 따른 압력손실 차압 측정기(Testo 512, Testo, Germany)를 이용하여 측정하였다.
입자를 코팅한 세라믹 볼 필터의 차압, 표면특성 그리고 항바이러스 효율을 확인하였다. 항바이러스 효율 평가는 실제 공간 상에서 바이러스를 저감하는 상황을 모사하기 위해 상용 공기 청정기에 볼 필터를 장착한 뒤 챔버 내부에서의 공기 중 항바이러스 능력을 평가하였다.

대상 데이터

챔버 시스템은 1개의 유입구와 2개의 배출구, 상용 공기청정기, 거치대로 구성되어 있다. 또, 시험용 바이러스 입자로 박테리오파지 MS2 바이러스(Bacteriophage MS2 virus (ATCC 15597-B1))를 사용하였다. 공간 살균 평가 방법은 그림 4에 나타냈다.
항바이러스 효율을 평가하기 위해 상용 공기청정기(Aircure4, Bentech Frontier, Republic of Korea)를 사용하였다. 본 연구에서는 TiO₂ 코팅 볼 필터의 항바이러스 기능만을 평가하기 위해 상용 공기청정기에서 프리필터와 헤파필터를 제거한 상태로 사용하였다. 상용 공기청정기의 구체적인 규격은 표 1에 나타냈다.
사용된 세라믹 볼 필터는 240 mmⅹ7 mmⅹ30 mm 크기의 다공성 틀 내부에 지름 4 mm의 상용 세라믹 볼(Bentech Frontier, Republic of Korea)을 넣어 제작되었다. 사용된 상용 세라믹 볼의 종류는 총 2가지로 광촉매 TiO₂입자가 코팅되어 있는 TiO₂ 코팅 세라믹 볼(볼 1개당 면밀도 약 10 습식 코팅)과 코팅되어 있지 않은 일반 세라믹 볼이다. 각각의 세라믹 볼을 두 개의 240 mmⅹ7 mmⅹ30 mm크기의 다공성 틀에 따로 넣어 TiO₂입자가 코팅된 세라믹볼로 만들어진 볼 필터, 그리고 대조군으로써 일반 세라믹볼로 만들어진 볼 필터가 제작되었다.
사용된 세라믹 볼 필터는 240 mmⅹ7 mmⅹ30 mm 크기의 다공성 틀 내부에 지름 4 mm의 상용 세라믹 볼(Bentech Frontier, Republic of Korea)을 넣어 제작되었다. 사용된 상용 세라믹 볼의 종류는 총 2가지로 광촉매 TiO₂입자가 코팅되어 있는 TiO₂ 코팅 세라믹 볼(볼 1개당 면밀도 약 10 습식 코팅)과 코팅되어 있지 않은 일반 세라믹 볼이다.
항바이러스 효율을 평가하기 위해 상용 공기청정기(Aircure4, Bentech Frontier, Republic of Korea)를 사용하였다. 본 연구에서는 TiO₂ 코팅 볼 필터의 항바이러스 기능만을 평가하기 위해 상용 공기청정기에서 프리필터와 헤파필터를 제거한 상태로 사용하였다.

성능/효과

코팅 세라믹 볼을 다공성 틀에 넣어 공기가 통과할 수 있는 필터 형태로 구성한 항바이러스 에어필터의 차압과 항바이러스 효율을 평가하였다. TiO₂ 코팅 세라믹 볼의 SEM분석과 EDS분석을 통해 TiO₂ 입자가 표면에 고르게 코팅이 이루어진 것을 확인하였다. 필터는 0.
코팅 세라믹 볼)의 표면특성을 알기 위해 수행한SEM분석 이미지다. TiO₂ 코팅 세라믹 볼의 표면에는 일반 세라믹 볼의 표면과는 다르게 TiO₂ 입자가 고르게 분포되어 있음을 확인하였다. TiO₂ 코팅 세라믹 볼의 경우, 습식 코팅한 후, 건조과정으로 인해 갈라짐 현상이 있음을 확인하였다.
또, 유속이 증가함에 따라 필터의 차압도 증가하는 경향성을 보였다.
그림 6(b)는 TiO₂ 코팅 세라믹 볼에 대한 화학적 조성으로 일반 세라믹 볼의 구성 성분에서 추가적으로 타이타늄(Ti)이 확인되었다. 이것으로 TiO₂ 코팅 세라믹볼에는 TiO₂가 존재하고 있음을 확인하였다.
Case 1, Case 2는 모든 작동 시간 조건에서 항바이러스 효율이 0%로 나타났다. 이것으로 제작한 2가지 필터의 바이러스의 물리적 흡착에 의한 항바이러스 효율은 없는 것을 확인할 수 있다. Case 3에서 작동시간이 5분일 때 최소 20%에서 25분일 때 최대 57%의 항바이러스 성능을 보였다.
TiO₂ 코팅 세라믹 볼의 SEM분석과 EDS분석을 통해 TiO₂ 입자가 표면에 고르게 코팅이 이루어진 것을 확인하였다. 필터는 0.85의 공극률을 가지고 있으며, 필터의 차압 측정을 통해 TiO₂ 코팅이 필터의 차압에 큰 영향을 주지 않는다는 것을 확인하였다. 또, 필터에 발생하는 차압도 유속이 1 m/s 조건에서 13 Pa이 발생하는 것을 확인하였다.
또, 필터에 발생하는 차압도 유속이 1 m/s 조건에서 13 Pa이 발생하는 것을 확인하였다. 항바이러스 효율은 UV-LED만으로도 작동시간이 5분 조건에서 최소 19%에서 25분 조건에서 최대 53%의 항바이러스 효율을 보였고, TiO₂ 코팅 세라믹 볼 필터의 경우에는 작동시간이 25분일 때 93%로 가장 높은 항바이러스 효율을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기상 부유균이 무엇인가	, 2010).기상 부유균이란, 바이오(Bio)와 에어로졸 (Aerosol)의 합성어로서 살아있는 유기체에서 방출되거나 살아있는 유기체를 포함한 공기 중에 부유 입자상 물질을 의미한다(Kalogerakis et al., 2005). 실제로 기상 부유균에 의한 실내 공기질 오염에 의해 환경성 질환인 천식, 아토피, 피부염, 알레르기 비염의 환자가 증가하는 추세이다(Chao et al.
	TiO2 코팅 세라믹 볼을 다공성 틀에 넣어 필터를 구성했을때의 효과는	TiO2 코팅 세라믹 볼의 SEM분석과 EDS분석을 통해 TiO2 입자가 표면에 고르게 코팅이 이루어진 것을 확인하였다. 필터는 0.85의 공극률을 가지고 있으며, 필터의 차압 측정을 통해 TiO2 코팅이 필터의 차압에 큰 영향을 주지 않는다는 것을 확인하였다. 또, 필터에 발생하는 차압도 유속이 1 m/s 조건에서 13 Pa이 발생하는 것을 확인하였다. 항바이러스 효율은 UV-LED만으로도 작동시간이 5분 조건에서 최소 19%에서 25분 조건에서 최대 53%의 항바이러스 효율을 보였고, TiO2 코팅 세라믹 볼 필터의 경우에는 작동시간이 25분일 때 93%로 가장 높은 항바이러스 효율을 보였다.
	기상 부유균의 문제점은?	, 2005). 실제로 기상 부유균에 의한 실내 공기질 오염에 의해 환경성 질환인 천식, 아토피, 피부염, 알레르기 비염의 환자가 증가하는 추세이다(Chao et al., 2002; Main, 2003). 또한, 최근 몇 년간 유행되었던 중증급성호흡기증후군(SARS, Severe Acute Respiratory Syndrome), 신종인플루엔자(novel swine-origin influenza A), 중동 호흡기 증후군(MERS, Middle East Respiratory Syndrome) 등의 바이러스에 의한 호흡기성 질환의 전파로 인해 실내 공기질 관리 및 기상 부유균 제거 기술의중요성이 부각되고 있다(Kim et al., 2016; Li et al., 2005; Pearce et al., 2012). 이에 따라, 실내 공기질 개선을 위해 공기청정기의 수요가 급증하고 있다(Bloomberg L.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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