HEPA(High Efficiency Particulate Air) 필터에 관하여

[세이프티퍼스트닷뉴스] 언제부터 인지 효율이 높은 필터에 대해서 HEPA필터라고 부르기 시작했다. 관련 규격을 찾아보면 유럽에서는 EN1822 High Efficiency Air Filters가 있고, 미국에는 ASME AG-1 Section FC Qualified HEPA Filters 가 있다.

상기 규격에 따라서 HEPA 필터로 인정받기 위해서는 유럽의 경우 99.95% 이상 효율을 요구하고 있으며, 미국의 경우 99.97% 이상 효율을 요구하고 있다. 기술적인 이야기를 떠나서 우리가 HEPA 필터와 친숙해지기 시작한 것은 아마도 황사시즌에 집중 발생하는 미세먼지 때문일 것이다.

PM2.5 또는 PM10 이라고 불리는 미세먼지 수치 때문에 가정에서 공기청정기를 많이 구비하게 되었으며, 그러면서 공기청정기 광고에서 HEPA 필터가 공기청정기에 적용되어 있다는 이야기를 많이 들어봤을 것으로 생각된다.

안전보건 측면에서도 HEPA 필터는 의미가 크다. 학교나 오래된 건축물 철거작업시 동반되어야 하는 석면해체 작업의 경우, 작업공간의 석면을 걸러서 외부로 방출하는 음압기를 설치해야 한다. 여기에 HEPA 필터가 사용되고, 또 용접이나 파우더를 다루는 작업에서 발생하는 유해분진을 저감시키기 위해 환기시설을 갖출 때도 HEPA 필터가 사용된다.

코로나19를 거치면서 많이 알려진 음압병동이나 생물학적 유해물질을 연구하는 3등급 이상 실험실도 HEPA 필터를 사용한다. 하지만 이것이 전부가 아니다. 산업용마스크에도 HEPA 필터가 적용된 제품이 있다. 생각보다 많은 산업용 마스크들이 공기청정기에 사용될 정도로 효율이 좋은 HEPA 필터를 사용하고 있다. 그리고 지금은 개정되었지만 이전 미국 NIOSH의 마스크 인증요구사항 (49 CFR Part 84)에 전동식마스크는 HEPA 등급 이상의 필터를 장착해야 한다고 명시되어 있었다.

어떻게 HEPA 필터가 시작되었는지는 Melvin W. First 가 1998년에 발표한 “HEPA Filters”에 자세히 기록되어 있다. 간단히 기술하면, 2차 세계대전 초기에 영국군이 독일군의 방독면을 획득했는데, 너무 성능이 우수하여 필터를 추출해 미국에 샘플을 보내줬다. 미군 화생방 부대에서는 해당 필터를 분석하였고, 그 결과 석면섬유에 셀룰로오즈섬유를 부착하여 제작된 필터로 밝혀졌다.

그 후 미해군연구소가 동일 재질의 필터개발에 성공하였고, 미국과 영국에서도 방독면에 해당 필터 기술이 접목되었다. 개인적으로 독일군의 가스마스크는 아마도 Drager사가 개발한 방독면으로 추측하고 있다. 왜냐하면 그 당시에 Drager 사는 독일정부에 마스크를 제조해서 공급하고 있었기 때문이다. 참고로 Drager는 독일에 본사를 두고 유럽에서 가장 많은 마스크를 제조하여 판매하는 회사이다.

이후 해당기술은 미국에서 원자폭탄을 개발하는 맨하탄 프로젝트에서 방사성물질을 필터링 하는 목적으로 사용되었다. 당시에 원자폭탄 실험에서 발행하는 방사성물질을 효율적으로 제거할 수 있는 필터를 찾기 위해 여러가지 노력을 했고, 궁극적으로 HEPA 필터 구조가 가장 적합하다는 결론을 내렸다.

그 시절에서는 전세계의 최고의 두뇌들과 무한한 자본이 맨하탄 프로젝트에 집결되었는데, HEPA 필터가 거기서 중요한 역할을 했다는 것은 당시 세계최고의 방진필터 기술로 인정받았다는 일례가 될 수 있다. 2차 세계대전 이후에 HEPA필터 제조기술은 일반에게 공개되었다. 그래서 군용마스크 뿐만 아니라 일반 산업용마스크와 공기정화시설에서도 HEPA필터 기술을 접할 수 있게 되었다.

엄밀한 의미에서 HEPA 필터는 필터효율만 규정치 이상이면 어떤 필터라도 관계없다. 하지만 일반적으로 HEPA 필터라고 언급할 때는 접혀진 형태에 정형화된 프레임에 고정된 필터를 의미한다. 앞서 언급한 바와 같이 최초의 HEPA필터는 석면섬유와 셀룰로오즈 섬유의 결합이었다. 여기서 석면섬유는 실질적인 필터링 효과를 내고 셀룰로오즈는 형태를 유지하는 구조층 역할을 했다.

시간이 흘러 석면의 유해성이 알려지고 또 사용금지 물질로 구분되면서 HEPA 필터 재료는 글래스파이버로 변경되었다. 현재 생산되는 모든 HEPA 필터는 글래스파이버 재질도 보아도 무방하다.

 마스크에 적용되는 HEPA 필터를 예를 들면, 종이를 기판으로 해서 그 위에 글래스파이버가 도포된 얇은 필터층을 여러 층으로 접어 필터 케이스에 삽입된다. 각 필터층은 원활하게 공기가 이동할 수 있도록 필터층간 중첩을 방지하는 스페이서 역할을 하는 레진이 얇게 2줄로 발라져 있다. 그리고 필터 케이스와 필터 사이에 발행하는 누설을 방지하기 위해서 실리콘이 필터 4면을 고르게 둘러싸서 도포되어 있다. 상기 사진에서는 필터 후면에 활성탄도 보이는데, 이것은 방진 이외의 방독역할을 하거나 간단한 냄새제거 역할을 위한 추가 구성이다.

2차 세계대전 중 독일 군용마스크를 복제하려고 노력하던 미국 화생방부대는 HEPA 필터에 숨어있는 원리에 대해서 알고 싶었다. 그래서 당시 노벨상 수상자였던 Irving Langmuir에게 그 원리에 대해서 연구를 의뢰했다. 그는 관성출동(Inertial Force)과 확산(Diffusion)으로 대변되는 필터 메커니즘을 규명해낸다. 후에 Ramskill과 Anderson이 여기에 빼앗김(Interception)을 추가하여 현재 사용되고 있는 필터이론이 완성되었다.

필터는 미세한 굵기의 섬유의 집합체다. 공기가 필터를 이루는 섬유를 지나갈 때 필터 주위로 공기흐름이 형성되는데 이를 Stream Line을 이용해 시각화 하면 아래 그림과 같은 모양이 된다. 공기중 부유하는 입자의 크기가 크다면 Stream Line을 따라가다가 필터섬유와 접촉하게 되고, 이때 Van Del Waals 힘에 의해 그대로 도망치지 못하고 필터섬유에 고정된다.

만약, 입자의 크기가 크다면 Stream Line을 따르지 않고 공기 유동속에서 관성에 의해 움직이던 경로 그대로 직진하려는 경향이 생긴다. 그래서 필터섬유와 입자가 충돌하게 되고 이후에는 Van Del Waals 힘에 의해 그 자리에 고정다.

입자가 서브마이크론 단위가 되면 공기중에서 브라운 확산운동이 일어난다. 따라서 작은 입자는 공기 유동 속에서 단순히 Stream Line만 따라가는 것이 아니라 지그재그로 불규칙 운동이 수반된다. 이 불규칙 운동에 의해 필터섬유에 작은 입자가 충돌하게 되고 이후에는 Van Del Waals 힘에 의해 고정된다.

결론적으로 입자 크기별로 작은입자는 확산(Difussion)이 우세하고 큰 입자에서는 관성충돌(Inertial Force) 그리고 중간입자에서는 Interception이 우세하다. 그 관계를 그래프로 나타내 보면, 아래와 같이 아주 크지도 않고 작지도 않은 필터를 잘 통과하는 여과하기 힘든 입자크기가 존재한다.

HEPA 필터를 테스트할 때는 이와 같이 가장 잘 통과하는 입자크기를 대상으로 한다. 그래서 HEPA 필터라는 것 자체가 최소 99.97%(US) 또는 99.95%(EU) 이상의 필터효율을 의미해도 실사용에서는 이 보다 더 높은 효율을 갖고 있다고 간주해도 된다.
 

일반적으로 마스크에는 HEPA 필터를 잘 적용하지 않다. 그 이유로는 크게 2가지가 있는데, 우선 HEPA 필터는 흔히 말하는 MB 필터에 비해 매우 가격이 높다. 그리고 HEPA 필터는 유리섬유로 구성되어 필터를 구부리거나 누르게 되면 쉽게 손상 받을 수 있다. 그러나 전쟁에 사용되었고 현재도 군용마스크에는 모두 HEPA 필터가 적용될 정도로 막강한 성능을 갖고 있다.

마스크에 HEPA 필터를 적용할 때는 필터를 보호하기 위해서 하우징을 구성한다. 그래서 필터가 외부에 바로 노출되어 손상되는 것을 막는다. 그렇지 않고 HEPA 필터를 외부에 노출하는 경우도 있지만, 이럴 경우 필터를 손으로 눌러보면 바로 찢어질 정도로 예민하기 때문에 올바른 HEPA 필터 사용은 아니다.

HEPA 필터는 '기계적인 필터'라고도 불리는데, 일반적으로 MB 필터가 정전기를 가해서 필터성능을 튜닝했다면 HEPA 필터는 추가적인 처리 없이 미세한 필터를 이루는 유리섬유 그 자체로 최고의 필터성능을 보여주기 때문이다. 특히 오일이 존재하는 환경에서는 MB 필터가 정전기 손실로 효율이 급격히 저하될 수 있지만, HEPA 필터의 경우 오일이 존재해도 전혀 효율저하가 없다.

 위 사진과 같이 HEPA 필터가 적용된 제품들은 필터가 내부에 숨어있거나 제한적인 작은 그리드 윈도우를 통해서 외부에 노출된다. 필터가 접혀 있기 때문에 외부에서 보기에는 필터가 컴펙트해 보이지만, 실제로는 매우 넓은 면적의 필터가 삽입되어 숨쉬기가 용이하다. 또한 필터가 내부에 숨이 있기 때문에 소독액으로 필터 표면을 세척하기 용이하고, 용접이나 열적 분진이 있는 곳에서도 필터가 손상될 위험이 적다.

최고의 성능을 보장하기 때문에 극한의 환경에 많이 사용되던 HEPA 필터지만, 지금까지는 제조방식이 쉽지 않아 일반적인 산업용마스크에 사용되기에는 너무 고가의 제품이었다. 하지만 최근 들어 HEPA 필터 제품의 가격이 많이 하락되어 이제는 산업용마스크에서도 HEPA 필터를 도입하는 것이 어렵지 않게 되었다. 오히려 작업의 종류에 따라서는 긴 필터 내구성 덕분에 오히려 필터 교환주기가 길어져 유지비용이 저렴해지는 경우도 있다.
 

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