자동차내 유입공기 정화용 한국형 고효율 Cabin Air Filter 개발.

김 동진, 길 인섭, 최 호경, 김 상도, 임 정환, 박 영옥, 이 원묵*,

한국에너지기술연구소, 대전 산업대학교*

Development of a High Efficiency Automotive Cabin Air Filter for Car Interior Purification.

D. J. Kim, I. S. KIL, H. K. Choi, S. D. Kim, J. H. Lim, Y. O. Park, W. M. Lee*,

Energy & Environment Research Dept., KIER, Taejon National University*.

서 론

자동차의 보유대수의 증가로 인하여 도로환경은 더욱더 열악해 지고 있으며, 자동차에 의한 대기오염이 심각해 질 것으로 추정된다. 실제 도로 주행시 자동차내로 유입되는 공기 중에는 꽃가루, 석면입자, 박테리아, 도로먼지 등의 많은 종류의 악성 미립자상 물질과, ozone, benzene, tolune, hydrogen sulphite, formaldehyde, ammonia, carbon monoxide, nitrogene dioxide, sulfur dioxide 등과 같은 유해 기체상 물질이 다량 함유되어 있다. 특히 악성 미립자상 물질의 입자크기는 대부분이 5.0□이하로서 인간의 호흡기로 유입되어 침착되는 입자크기이다. 인간의 호흡기 깊숙히 침착되는 먼지 입자는 대부분이 도로부유먼지로서 장시간 인체가 노출될 경우 호흡기 질환, 각종 신장 질환의 유발 요인이 된다고 연구 조사 결과를 보고했다1, 2). 이를 볼 때 직접적인 영향을 받는 운전자 뿐만이 아니라 이에 따른 환경오염으로 인한 악영향들이 파생될 것으로 유추된다. 따라서 모든 시대적 요구를 충족하기 위해서는 국내의 실정에 맞는 적합한 고효율 cabin air filter를 개발하여 국내 자동차 뿐만 아니라 수출용 자동차에도 설치가 시급한 단계에 왔다. 이에 본 연구에서는 cabin air filter의 제조 방법이 다른 대표적인 제조 회사인 Carl Freudenberg사의 cabin air filter(particulate cabin air filter) 1종과 3M사의 미세먼지 제거용 cabin air filter 1종, 본 연구에서 개발한 시제품인 미세먼지 제거용 cabin air filter 1종을 선정하여 각종 filter의 성능 특성을 연구하기 위해 다목적용으로 개발된 KIER Model bench scale 실험장치에서 성능 실험을 수행하였다. 이 결과를 토대로 국산 미세먼지 제거용 cabin air filter의 성능 향상을 위한 기초자료로 활용하겠다.

실험용 필터

본 실험에 사용된 미세먼지 제거용 cabin air filter는 외국산 고급 승용차와 국내 고급 승용차에 주로 설치하여 사용되고 있는 독일의 Freudenberg사 제품(FR, micronAir)과 미국의 3M사 제품(VF, 3M Vehicle Ventilation Filter), 본 연구에서 개발한 시제품(JH, Jehil Air)이다.  실험용 cabin air filter의 물리적 특성은 [표 1]에 나타내었다. FR의 정전부직포의 중량은 10 g/m2이며 filter의 총 두께는 3.5mm이며 총 여과면적은 0.45m2이고, VF의 정전부직포의 중량은 50 g/m2이며 filter의 총 두께는 4.2mm이며 총 여과면적은 0.15m2이다. 시제품인 JH의 Polyprophylene 정전부직포의 중량은 150 g/m2이며 filter의 총 두께는 3.5mm이며 총 여과면적은 0.45m2이다. <그림 1>은 3종류의 실험용 cabin air filter의 표면을 전자현미경(scanning electron microscope, Philips XL30)으로 99배, 100배, 400배 확대하여 관찰한 사진을 나타냈다. <그림 1>의 (a)는 FR의 cabin air filter의 표면, (b)는 VF의 cabin air filter의 표면, (c)는 Jehil의 cabin air filter의 표면을 전자현미경으로 나타내었고, <그림 1>의 (d)는 Jehil의 cabin air filter의 중간층을 구성하는 형상을 전자현미경으로 400배 확대하여 나타냈으며, 단일섬유의 단면은 사각형을 나타낸다.

[표 1] 미세먼지 제거용 cabin air filter의 물리적 특성

	FR (micronAir)	VF (Ventilation Filter)	JH (Jehil Air)
Permeability, cc/cm2sec at 25.4mmH2O	57.4	-	50.4
Weight, g/m2	160.6	235.4	150.6
Thikness, mm	0.8	1.05	1.01
Area, m2	0.47	0.15	0.47
Electret Filter media material※)	Polycarbonate (Df=5.2□, mf=43g/m2 □=0.035)	Polyprophylene (Df=30□, mf=250g/m2 □=0.042)	Polyprophylene (Df=30□, mf=250g/m2 □=0.042)
Structure	-1st layer: 30g/m2 PET prefilter -2nd layer: 10g/m2 micro fiber (meltblown, electret nonwoven) -3rd layer: 130g/m2 PET carrier	1st layer: 50g/m2 PP bulky filter (film sliting, electret nonwoven) -2nd layer: 140g/m2, PP scrim netting (mesh)	-1st layer: 30g/m2 PET prefilter -2nd layer: 20g/m2 micro fiber (meltblown, electret nonwoven) -3rd layer: 75g/m2 PET carrier
Bonding method	Ultra sonic bonding	-1rd layer: Pre needle punch -1st+2nd layer: thermalpress	Ultra sonic bonding

※) Df=fiber diameter, mf=mass of fibers per unit filter surface,

□=packing density

(a) FR (magnification 100 ×)              (b) VF (magnification 99 ×)

(c)  JH (magnification 100 ×)    (d) Middle layer of JH (magnification 400 ×)

<그림 1> Scanning electron microscope photograph

of particulate cabin air filters.

실 험 방 법

실험은 초기조건과 먼지층의 형성조건을 구분하여 실험하였으며, 초기조건의 실험은 청정 cabin air filter를 실험장치에 설치하여 실험실내의 공기를 유입하여 공기 유량 변화에 따른 압력손실, 집집효율 및 부분 먼지집진효율을 측정하였다. 유입공기 유량 증가에 따른 압력손실은 실험장치내로 유입되는 공기의 유량을 송풍기의 유량조절장치로 조절하여 orifice의 차압으로 읽었으며, 이때의 공기 유량에서 실험용 cabin air filter의 저항을 압력계로 측정하였다. 본 실험에서는 먼지입자가 퇴적된 조건에서 실험용 cabin air filter의 성능을 실험하기 위해서 먼지입자의 퇴적은 AC fine air cleaner test dust(AC Spark plug Division, General Motors Corporation)를 사용하였다. AC fine의 입자크기 분포를 rotating aerosol disperser로 분산시켜 Aerodynamic Particle Sizer(TSI, 3310A)로 측정하였고 중량 기준 평균입자크기는 1.44□이다3,  4). <그림 2>의 실험장치는 각종 filter에 의한 먼지포집 특성과 악취 및 유해기체 제거성능 특성을 연구하기 위해 제작된 KIER Model bench scale로서 실험용으로 사용되는 먼지를 다분산 상태로 분산이 가능하고 먼지의 농도 범위가 넓은 범위로 조절이 가능하며 먼지 분산시 발생되는 정전기를  제거 하기 위하여 Kr85 Neutralizer를 설치하여 분산된 먼지에 부여된 정전기를  제거 할수 있도록 하였다.

<그림 2> Particulated and adsorptive air filter test unit.

결과 및 고찰

Cabin air filter가 설치된 승용차의 종류에 따라 다르지만 Ford Mondeo의 경우 88km/hr로 주행할 때 차내로 유입되는 공기유량은 170m3/hr, 104km/hr로 주행할 때 차내로 유입되는 공기유량은 340m3/hr로 측정되었다. 이와 같은 결과를 토대로 보면 공기 유량이 170m3/hr 조건의 경우 FR의 초기 조건과 포집된 AC fine 먼지 무게가 7.0g 조건에서 압력 손실은 4.0 - 6.0mmH2O범위이고 공기유량이 340m3/hr 조건에서는 10.0 - 17.0mmH2O 범위로 변했다. VF의 경우 공기 유량이 170m3/hr 조건에서 초기 조건과 AC fine 먼지가 7.8g 포집된 조건에서 압력손실은 6.0 - 11.0mmH2O범위이고 공기유량이 340m3/hr 조건에서는 15.0 - 23.0mmH2O 범위로 변했다. JH의 경우 공기 유량이 170m3/hr 조건에서 초기 조건과 AC fine 먼지가 7.2g 포집된 조건에서 압력손실은 6.5 - 10.5mmH2O범위이고 공기유량이 340m3/hr 조건에서는 14.0 - 26.5mmH2O 범위로 변했다. 따라서 FR, VF, JH의 경우는 cabin air filter에 포집된 먼지의 무게가 7.0g 이상되어도 교체가 필요없이 계속 사용이 가능할 것으로 추정하고 있다. 집진효율은 시제품인 JH가 90% 이상 집진효율을 유지하였고, FR은 약 78%, VF는 30% 이하를 유지했다. 정전기력에 의한 미세먼지입자의 포집과 먼지층에 의한 미세먼지입자 포집에 기여하는 정도가 시제품인 JH가 다른 수입품 2종류에 비해 월등했기 때문으로 알수 있다.

참고문헌

1) XL Series Scanning Electron Microscope User Manual, Philips Electron Option,     OP. O. Box 218, 5600 MD Eindhoven, The Netherlands. 1994

2) S. E. Lee, "In-Vehicle Performances of New and Used Automotive Cabin air       Filters". Aspects of Automotive Filtration, SP-1165, Society of Automotive           Engineers, Inc. pp.53-63, 1995.

3) MOUDITM - Micro-orifice Uniform Deposit Impactor, Model 100, MSP            Corporation, 1313 Fifth Street S. E. Suite 206, Minneapolis Minnesota 55414.

4) V. A. Marple, B. Y. H. Liu and K. L. Rubow, "A Dust Generator for            Laboratory Use", Am. Ind. Hyg. Assoc. J.,  Vol 39, pp.26-32, 1978.