hepa filter

[마린보이]

1. 개요

o HEPA 필터는 High Efficiency Particulate Arrestance 필터, 즉 고성능 먼지 포집 필터를 말한다.  HEPA 필터는 제2차 세계대전 동안 미국 원자력위원회에 의해 원자력설비의 배기물에서 발생되는 방사성 먼지를 제거하기 위해 개발되었다.

o 현재 HEPA 필터는 전자제품제조업의 클린룸, 병원의 수술실, 제약회사 등에서 널리 사용되고 있다. 일반 사업장에서는 먼지나 납흄을 제거하기 위한 이동식 국소배기장치와 해부병리실 등 실험실의 클린벤치(Clean Bench) 등에 내장되어 포집한 오염공기를 정화하여 실내로 배기하는 기능을 수행한다. 또한 일상생활에서도 공기청정기, 에어콘, 진공청소기, 자동차, 고층건물의 공조기 등에도 HEPA 필터가 장착되어 있어 우리가 실내에서 호흡하는 공기를 깨끗하게 하고 있다.

o 국내에서는 3～4년전만 해도 HEPA 필터 방식의 가정용 공기청정기를 제조하는 회사는 1개사뿐이었으나 지금은 삼성전자에서도 직접(OEM 방식이 아닌) HEPA 필터 방식의 공기청정기를 제조판매하고 있는 등 대부분의 가전회사에서 사업을 확장할 만큼 깨끗한 공기에 대한 수요는 최근 폭발적으로 증가하였다. 또한 자동차에는 엔진의 실린더내로 흡입하기 위한 공기를 정화할 목적으로 국내에서 자동차가 최초 생산될 때부터 에어필터를 장착하고 있었으나, 자동차 승객이 마시는 자동차내의 공기를 정화하기 위한 필터는 소형자동차의 경우 95년도 이후에 장착되기 시작했다. 우리 일상에서 이렇게 다양한 설비에 장착되어 우리가 마시는 실내공기를 맑게하는 HEPA 필터의 세계를 탐험해 보자.

2. HEPA 필터의 정의

o 전형적인 HEPA 필터의 모양

<그림의 좌측은 판형 필터  이고 우측은 원통형 필터  이다>

o 국내 산업안전보건법 및 대기환경법에서는 HEPA 필터의 성능에 대해서 규정하지 않고 있으며, 국내 학계 및 산업계에서는 미국 ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air conditioning Engineers, 냉동공조전문가협회) STANDARD 52-2-1999에서 규정한 성능기준을 참고로 HEPA 필터를 정의하고 있다.

- HEPA 필터 : 입경이 0.3㎛인 입자상 물질을 99.97% 이상 포집가능

※ 이는 0.3 마이크론 입자 10,000개중 최대로 3개만(0.03%)이 HEPA 필터를 통과할 수 있다는 뜻이다.

- Medium 필터 : 입경이 1.0～3.0㎛인 입자상 물질을 60～98% 이상 포집가능

국내에서 HEPA 필터라고 통칭되어 판매되는 필터를 HEPA 필터로 믿을 수 있는가?  아니다. 어느 법에서도 HEPA 필터의 성능을 규정하고 있지 않으므로 제조업자들이 필터의 호칭을 어떻게 하든 위법은 아니나 ASHRAE STANDARD의 성능규격에 적합한 필터를 True HEPA 필터라고 부를 수 있으며, 모양만 HEPA 형식을 갖췄지 성능규격에 미달하는 제품은 HEPA-Type 필터라고 부를수 있겠다.

3. 산업안전보건법상의 HEPA 필터 관계조항

o 산업안전보건법령 및 규칙에서는 특정 작업장소에 HEPA 필터를 사용하라는 규정은 없으나 아래의 조항에서 공기정화설비는 HEPA 필터 방식에 의한 공기정화장치라고 해석할 수 있다.

보건규칙 제47조【공기정화설비 등의 가동】사무실에 근로자를 종사하도록 하는 때에는 사무실 오염을 방지할 수 있도록 공기정화설비 등을 적절히 가동하여야 한다.

o 거의 대부분의 빌딩에서는 냉방열 또는 난방열의 손실을 최소화하기 위하여 사무실에서 천장에 설치된 Diffuser를 통해서 배기된 공기를 냉난방후 다시 사무실로 재공급하고 있으므로 오염공기의 계속적인 순환을 예방하기 위해서는 공조기(AHU, Air Handling Unit)에서 HEPA 필터를 통해서 공기를 정화시켜야 한다. 또한 황사현상 등으로 외부공기도 심하게 오염되어 있는 경우가 있으므로 이 때는 외부공기의 유입시에도 HEPA 필터에 의한 유입공기의 정화가 필요하다.

보건규칙 제272조【배기구】분진 등을 배출하기 이하여 설치되는 국소배기장치(공기정화장치가 설치된 이동식 국소배기장치를 제외한다)의 배기구는 직접 외기로 향하도록 개방하여 실외에 설치하여야 한다.

o '03년에 개정된 보건규칙에서 분진 등 유해인자의 제거를 위한 국소배기장치의 설치시 공기정화장치에 대해 언급되지 않고 있지만 이동식 국소배기장치의 경우는 배기된 공기가 다시 작업장 실내로 확산되므로 공기정화장치의 설치를 의무화하고 있는 데 분진작업의 경우 이 때의 공기정화장치는 HEPA 필터를 의미한다.

4. 인체에 유해한 먼지의 크기

o 10㎛ 보다 큰 먼지와 미립자들은 상위 호흡계(코와 기관)에서 걸러지므로 폐로 들어가는 것이 거의 없으나 눈에 보이지 않는 보다 작은 미립자들이 폐로 들어가서 문제를 유발시키게 된다.  흡입시 폐포에 침착할 수 있는 크기의 먼지를 호흡성먼지라고 부르고 있으며 일반적으로 호흡성먼지의 평균입경을 4㎛로 정의하고 있다.

o 1㎛는 1백만분의 1m의 길이를 말하며 다음의 예와 비교하면 호흡성먼지의 크기를 짐작할 수 있다

먼지의 종류	직  경
머리카락	70～100㎛
꽃가루	5～100㎛
애완견의 비듬	0.5～100㎛
가사분진	0.5～100㎛
곰팡이	2～20㎛
박테리아	0.35～10㎛
매연	0.1～1㎛

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5. 먼지의 포집원리

o 공기중에서 부유하고 있는(떠서 날아 다니고 있는) 먼지는 어떠한 원리로 필터에 포집될 까? 먼지가 공기중에서 이동하다가 물리적인 차단막을 만나니까 완전히 포집될까? 그러면 크기가 아주 작은 먼지는 필터내의 빈 공간을 통해서 필터를 통과해버리지 않을 까? 산업보건학에서는 먼지가 필터에 의해 포집되는 원리를 크게 관성효과, 확산효과, 차단효과, 중력효과 등의 이론적월리에 의해 포집된다고 보고 있다.

1) 관성효과(Inertia)

공기의 흐름을 타고 섬유에 접근한 입자는 자신의 관성에 의해 기류로 부터 벗어나 필터 섬유에 충돌되어 포집된다. 입경, 통과 속도가 클 때 효과가 크다.

2) 확산효과(Diffusion)

작은 입자는 공기의 흐름과 관계없이 브라운 운동을 하고 있다. 따라서 기류를 타고 여재 사이를 통과하는 큰 입자까지도 여재사이를 통과하는 거리가 길고 방향성이 없기 때문에 섬유에 걸려 포집된다. 입경, 통과속도가 작을 때 효과가 크다.

3) 차단효과(Interception)

입자가 공기의 흐름을 타고 운동하고 있어도 입자에는 크기가 있기 때문에 필터의 섬유에 부딪혀 포집된다. 입경이 크고 섬유경의 비가 클 때 효과가 크다.

4) 중력효과(Gravivation)

공기의 흐름을 타고 섬유에 접근한 입자가 자신의 중력때문에 기류로 부터 벗어나 필터의 섬유상에 침하되어 포집된다. 입경이 크고 통과 속도가 작을 때 효과가 크다.

5) 각 효과의 비교

6. 필터의 포집성능 측정법

o 필터 제조업체에서 판매하고 있는 HEPA 필터는 어떻게 그 성능을 검정할 수 있을까? 필터의 포집성능 측정방법은 계수법, 비색법, 중량법, 압력손실 측정, Leak Test법 등이 있다.

1) 계수법

시험 Air Filter의 정격 풍량으로 풍량을 조정하고, 시험 Filter 상류의 입자개수(CI)와 Fitler 하류의 입자개수(C2)를 측정하여 효율을 표시하는 방법

  계수법 효율 = (1-C2/C1)×100%

2) 비색법

시험 Air Filter의 정격 풍량으로 조정하고, 시험 Filter 상류에 표준분진을 투입하여 여재(Media)의 색깔변화를 비색계를 이용 비교 측정하여 효율을 표시하는 방법 (ASHARE 52-76)

  비색법 효율 = (1-C2/C1)×100%

C1 : 공급한 표준 분진의 양 (g)

C2 : Filter가 포집한 분진의 양 (g)

3) 중량법

시험 Air Filter의 정격 풍량으로 풍량을 조정하고, 시험 Filter 상류에 표준량의 먼지를 투입하여 시험 Filter가 포집한 먼지의 양을 비교하여 효율을 표시하는 방법

  중량법 효율 = (1-G2/G1)×100%

G1 : 공급한 표준 먼지의 양 (g)

G2 : Filter 가 포집한 먼지의 양 (g) 

4) 압력손실 측정

시험 Air Filter의 정격 풍량으로 풍량을 조성하고, 시험 Filter 상류의 압력(PI)과 시험 Filter 하류의 압력(P2)을 측정하여 표시함.

  압력손실(mmAq) = P1-P2

5) Leak Test법

시험 Air Filter에 면속 0.4~0.5m/sec로 풍량을 조정하고 상류에 먼지(DOP, 대기진, PSL, DEHS, 실리카 등)을 투입하면서 Filter의 하류에서 Particle Counter 기계를 이용 PROBE 를 일정 속도로 이동하면서 여재(Media)의 손상이나, Filter Frame과 여재(Media)의 접착상태를 확인 Test하는 방법

7. 가정용 공기청정기의 필터 구성

1) 공기정화방식의 종류

o 가정용 공기청정기는

① HEPA 필터방식(또는 HEPA+활성탄필터 방식)

② 전기집진방식

③ 세정집진방식

  등이 시중에서 판매되고 있는데 최근에는 (HEPA+활성탄필터 방식)으로 공기청정방식이 통일되고 있는 양상이고 이는 극히 합리적인 현상이다.

o 필자가 추정하기에는 (HEPA+활성탄필터 방식)의 공기청정기는 전기집진방식, 세정집진방식 등의 공기청정기에 비해 공기정화능력이 수십배～수백배 이상이 될 것으로 판단되는데 전기집진 또는 세정집진의 이론은 여기선 생략하고 공기청정기 구입시 반드시 HEPA 필터방식 또는 (HEPA필터+활성탄필터 방식)인지를 확인하는 것이 필수라 하겠다.

2) HEPA 필터방식의 구성

o 표준적인 (HEPA+활성탄필터 방식)의 공기청정기 내부 필터구성은 1)프리필터(Prefilter), 2) HEPA 필터, 3) 활성탄 등으로 이루어져 있다.

o 즉 프리필터를 통해서 눈에 보이는 사이즈가 큰 먼지를 1차로 제거하는데 이는 프리필터의 정기적인 분진탈락작업을 통해서 HEPA 필터의 수명을 연장시키는데 목적이 있다. 프리필터의 분진탈락방법은 진공청소기를 통해서 빨아들이는 방법이 가장 효과적이다.

o 국내에서 판매되는 공기청정기와 에어콘의 설명서를 보면 대개가 HEPA 필터가 장착되어 있어 공기정화기능이 탁월하다고 기술하고 있으나 국산제품의 경우 필터의 모양만 HEPA-type인 경우가 많고 True HEPA 필터는 그리 많지 않으므로 주의를 요한다.

o HEPA 필터 후단에는 활성탄필터가 주로 장착되어 있는데 HEPA 필터에 의해 제거하기 어려운 화학물질에 의한 냄새를 제거한다.

o 프리필터, HEPA 필터, 활성탄외에 음이온 발생 등의 추가기능을 발휘하는 공기청정기가 더러 있으나 이는 그 효과에 비해서 가격만 높이는 요인이라고 볼 수 있다.

3) HEPA 필터에 의한 냄새의 제거

o 그런데 여기서 참고할 점은 기체상의 냄새원은 활성탄 필터에 의해서만 제거될 수 있지만 냄새원이 입자상(즉, 고체상) 물질이라면 HEPA 필터에 의해서도 제거될 수 있다는 점이다. “모든 입자는 입자일 뿐이다”라고 하는 산업보건학적 원칙이 있는데 냄새를 지녔든 그러지 않든 모든 입자는 HEPA 필터에 포집되지 않을 수 없다는 것이다. 즉,  활성탄 필터없이 HEPA 필터에 의해서도 상당한 냄새를 제거할 수 있는 것이며, 공기청정기에서 가장 중요한 부분은 HEPA 필터의 성능이라 할 수 있다.

8. 일상에서 볼 수 있는 HEPA 필터

1) 오염된 가정용 공기청정기 필터

	<HEPA 필터 전면에 프리(Pre-)필터가 장착되어 있으며 입경이 큰 분진은 프리필터에 포집되어 있다>			<프리필터를 제거하면 내부의 HEPA 필터를 볼 수 있는데 원래 백색의 필터가 심하게 오염되었다>

2) 오염되지 않은 공기청정기 필터

	<HEPA 필터 전면에 프리(Pre-)필터가 장착되어 있어 크기가 큰 먼지를 1차로 포집하므로 HEPA 필터의 수명을 연장시킨다.>			<HEPA 필터의 후면에는 활성탄이 내장되어 있어 HEPA 필터로는 처리곤란한 냄새를 제거한다.>

3) 가정용 에어콘에 장착된 필터

	<에어콘 전면 커버를 열면 공기흡입구에 설치된 프리(Pre-) 필터를 볼 수 있다>			<벽걸이형 에어콘의 프리필터 안쪽에 장착된 필터는 모양만 HEPA-type일 뿐이다. 즉 에어콘은 광고와는 달리 공기정화 효과는 별로 없다고 보면 된다.>

	<에어콘 HEPA-type 필터의 후면에는 활성탄이 장착되어 있는데 실제 보면 간격이 너무 듬성듬성해서 에어콘필터는 냄새제거 기능이 거의 없다고 보면 된다.>

4) 진공청소기 공기 배출구의 HEPA 필터

	<고급 진공청소기에는 HEPA 필터가 장착되어 있어 먼지봉투를 뚫고 나온 먼지가 실내로 방출되는 것을 막는다. 본 모델은 연하늘색 케이스 안에 필터가 내장되어 있다.>			<진공청소기 필터 후면에는 활성탄이 내장되어 있어 청소기내로 유입된 냄새원이 실내로 방출되는 것을 예방한다.>

5) 자동차 에어콘 흡기구의 HEPA 필터

	<자동차 에어콘 HEPA 필터 설치 위치>			<95년도 이후에 출고된 자동차의 공기 유입구에는 대개 HEPA 필터가 장착되어 있으므로 시내 주행시 외부공기 유입모드로 송풍기를 조작하여도 크게 문제되지 않는다.>

	<자동차 에어필터가 설치되어 있는 박스. 엔진의 실린더내로 흡기되는 공기를 정화하기 위한 에어필터는, 자동차 탑승객의 건강을 보호하기 위한 에어콘필터에 비해 훨씬 이전부터 자동차의 필수부품이었다.>

9. 사업장 기술지도시 HEPA 필터 판단요령

1) 개요

o 사업장에서 이동식 국소배기장치를 이용해서 분진 또는 납흄을 제거하는 경우나 실험실에서 이동식 클린벤치를 사용하는 경우에는 배기장치내로 흡입되는 오염공기는 작업장내로 재배출되므로 배기장치 내부에 반드시 HEPA 필터가 내장되어 유해인자가 정화된 공기가 실내로 배기되도록 하여야 한다.

o 그러나 전술한 바와 같이 국내 공인기관에서 HEPA 필터를 인증해주는 제도는 아직 없으므로 필터 제조업자는 성능에 대한 시험없이 카다로그에 HEPA 필터라고 명시하고 있는 경우가 많으므로 기술지도시 주의를 요한다.

o 필터의 성능확인을 위해서는 Leak test 등의 필터시험을 거쳐야 하나 이는 현실적인 방법이 아니므로 필터 사양서를 확인하고 필터의 육안점검을 통해 그 성능을 추정하여야 한다.

2) 표준적인 HEPA 필터의 사양

o 기술지도시에는 필터제조사에서 작성한 필터규격을 확인하여야 하는데 아래의 사항은 HEPA 필터에 관한 표준적인 사양이다

(1) 0.3㎛ 크기의 입자를 99.97% 이상 포집 가능(필수)

(2) 필터 면속도 0.84m/s 이상(제조사 및 필터 목적별로 다소 상이)

(3) 압력손실 25.4mmAq 이하(제조사 및 필터 목적별로 다소 상이)

o 가정용 전자제품(공기청정기, 에어콘 등)의 구입시 필터 사양서가 대개 작성되어 있지 않으므로 육안으로 점검할 수 밖에 없는 데 제대로 만든 HEPA 필터를 여러 제품을 확인한 후 구입하고자 하는 전자제품의 필터를 대조하여 HEPA 필터로서의 기능을 발휘할 수 있는지를 판단하여야 한다.

    헤파휠터의 TEST

       HEPA FILTER 의 TEST(D.O.P계수법)

극히 높은 포집율을 가진 고성능 필터(HEPA)의 측정에 이용되는 방법이다. HEPA는 포집율이 극히 높기(99.97%이상) 때문에 다른 측정법으로는 정확도의부족으로 인해 100%가 되고 만다.
이렇게 고성능인 필터의 효율을 결정하기 위해 현재 가장 널리 사용되는 시험방법은 시험용액을 Dioctyl-phthalate를 사용하는 DOP시험방법이다.
즉 Dioctyl-phthalate 용액을 제네레이트라 불리우는 용기에 넣는다.
여기에 열을 가함으로써 이 용액은 증기화 되며 DOP증기는 가열된 기류속으로 주입되고 혼합실로 보내진다. 혼합실에서 DOP증기를 동반한 이 가열공기는 실내온도 정도의 찬기류와 혼합되고 이것은 증기를 아주 미세한 물방울이나 응축액으로 액화시킨다.
그런데 이 물방울의 크기는 혼합온도에 의해 조절되며 표준 DOP법 에 있어 미립자의 크기는 0.3μ을 만들도록 통제된다. 이들 미립자들은 시험필터 상류 쪽 기류속에 주입됙 시험중인 필터의 입구, 출구측농도는 빛 확산장치에 의해 측정된다.
사실상 DOP방법은 미립자수에 근거하여 시험필터 입구,출구쪽 미립자농도를 비교하는 것으로 DOP 효율 측정의 기초가 된다.
다음과 같이하여 분진포집율(η)이 얻어지게 된다.
η = 100 ( Q1 - Q2 ) / Q1(%)
윗 식에서 Q1은 상류측의 광산란량(DOP농도), Q2는 하류측의 광산란량이다. 이 측정 방법을 농도가 낮은 경우에 사용할 때에는 광전류에 의해 PULSE를 내보내게 하여, PULSE수를 세어 측정한다.

 헤파휠터의 이용

<헤파필터와 미세먼지>

0.1미크론이란 과연 얼마나 작은 크기인가?
HEPA FILTER란?
HEPA(=High Efficiency Particulate Arresting) 필터는 원래 미국 원자력위원회(U.S. Atomic Energy Commission)가 미크론 이하 크기(Sub-Micron)의 입자를 제거키 위해 개발하였던 것으로, 그 정의는 0.3미크론 크기 이상의 입자를 최소 99.97% 제거하는 성능의 필터를 말합니다.

미국 원자력 위원회(US AEC)에 의하여 만들어진 정화기준인 0.3㎛까지의 미세 먼지를 99.97%, 0.1㎛이상의 크기도 95%이상 제거할 수 있어야 True HEPA 필터가 된다. 원래 공기중의 방사능 입자를 제거하기 위하여 개발되었고, 오늘날 깨끗 한 공기가 필수적인 산업현장의 크린룸, 반도체 생산현장, 의료계, 전자공학계 등에 넓게 사용되 고 있다. HEPA필터는 공기는 통과하지만 대부분 의 미립자들은 통과할 수 없도록 그물과 같은 구조로 유리섬유를 압축시켜 제작한 것으로 포집면적을 넓게 하기 위하여 주름을 잡았고, 안쪽에는 주름 잡힌 공간을 지탱하기 위하여 필라멘트로 접착시켰으며, 이를 보호하기 위해 칸막이를 설치하여 보고 하고 있다. HEPA필터는 미세 먼지뿐만 아니라, 꽃가루, 각종 박테리아, 유해 바이러스, 곰팡이, (동물)비듬, 라돈 파생물, (담배)연기 등을 포집하여 제거한다. 이때 미세한 박테리아균이나 바이러스 등은 HEPA 필터에 걸러져 수분 부족으로 죽게 되는 것이다.

[미세먼지의 유해성]

실내 공기질에 대한 관심이 높아지며, 공기중의 미세먼지의 위해성에 관심이 고조되고 있습니다.

공기의 조성은 산소(21%)와 질소(78%) 등의 기체(기타 아르곤등 1%)와 부유하는 분진물질로 구성되어 있으며, 기체 성분중에 건강에 해로운 독성을 갖는 기체성분이 오염물질로 혼합되어 있기도 하고, 분진으로는 먼지와 세균이 부유하고 있습니다. 공기에 떠있는 세균은 대부분 미세먼지에 붙어 있는 경우가 많습니다. 따라서 공기중의 먼지를 제거하여 공기를 깨끗이 정화할 필요성이 있습니다.

공기 중의 부유물질을 제거하기 위해서는 체로 거르는 필터방식이 많이 사용되고 있지요. 그렇다면 어떤 필터로 걸러야 할까요. 공기 중의 먼지는 0.01 마이크로 미터 보다 작은 크기에서 부터 100마이크로미터 보다 큰 사이즈로 폭넓은 분포를 하고 있지요.

호흡중으로 흡수된 먼지를 걸러내는 인체의 기능은 1차로, 코털에 의한 큰 먼지가 걸러지고, 2차로 기관지의 섬모로 걸러 지며, 3차로 점액질에의해 걸러집니다. 이 과정에 걸러지지 않는 먼지는 허파 깊숙히 허파꽈리에 까지 침투하여 건강을 위협합니다.