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VOC 문제의 해결책 제시하는 스마트 모니터링 센서
신동윤 기자 | 승인 2018.07.24 12:47

베이징은 급격하게 성장하고 있는 도시다. 이 중국 수도의 대도시 지역은 2400만명의 인구가 개발 붐으로 인한 성장세(차이나데일리에 따르면 2017년 전년대비 6.7%의 성장세를 보였다)를 만끽하며 살고 있다. 예를 들면 2000년에 베이징은 총 길이가 55km 미만인 2개의 지하철 노선이 있었지만, 2012년에 들어서면서 17개의 지하철과 경전철 노선이 총연장 456km 거리를 운행하고 있다. 이는 2020년에 다시 거의 두 배까지 늘어날 예정이다. 도시의 중산층이 증가하면서 베이징의 트레이드마크였던 자전거 대신 자동차가 가장 중요한 교통수단으로 자리잡고 있다. 2009년에는 약 350만 대의 개인용 자동차가 운행되고 있었으나, 2017년에는 약 600만대 규모로 크게 증가했다.

그러나 이런 발전은 분명한 반대급부를 가져왔다. 교통량의 증가와 산업의 발전이 도시를 중독시키고 있는 것이다. 베이징 사람들이 '에어포칼립스(Airpocalypses)', 또는 '공포의 PM2.5'라고 부르는 2.5µm 이하 크기의 대기중 미세먼지(Particulate matter, PM)와 최악의 대기 질은 페 깊숙히 침투해 건강에 매우 안좋은 영향을 준다고 알려져 있다. 지난 3월 말, 사우스 차이나 모닝 포스트(South China Morning Post)는 베이징의 PM2.5 농도가 238µg/m3까지 치솟았다고 발표했다. 베이징의 연평균 PM2.5 농도는 90µg/m3이다. WHO(World Health Organization)은 24시간 평균 PM2.5의 농도가 25µg/m3 이상일 경우 건강에 해로울 수 있다는 가이드라인을 제시하고 있다.

더우기, 2016년 난징대학교의 환경학부에서 발표한 보고서에 의하면 오염된 중국의 도시 환경에서 사망한 전체 사망자의 31.8%가 PM2.5와 관련이 있다고 결론을 내렸다. 베이징의 오염은 특히 심각한 상황이긴 하지만, 많은 도시들이 시민들을 서서히 중독시키고 있는 상황이다. 캘리포니아의 로스앤젤레스는 미국에서 대기오염이 가장 심각한 도시 중 하나이며, 연평균 PM2.5는 18µg/m3 수준이다. 또한 프랑스의 파리는 올해 2월, PM2.5 농도가 55µg/m3을 기록했다.

 

가정내 VOC 오염의 심각성

자동차가 PM2.5 오염에 크게 기여하고 있지만, 이들은 빠르게 이를 해소하기 위한 노력을 기울이고 있으며, 이에 다른 오염원들이 새롭게 대두되고 있다. 사이언스지의 2018년 보고서에 의하면 소비재와 산업재로 인한 오염이 33개 산업 도시에서 대기 오염의 절반을 차지하고 있다. 범인은 바로 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compound, 이하 VOC)이다. 이는 일반적으로 플라스틱이나 페인트, 인쇄 잉크, 접착제, 세정제, 헤어스프레이, 데오도런트 등과 같은 개인용 위생용품의 주요 성분이다.

VOC는 낮은 비등점을 갖는 유기화합물로 정의되며, 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8), 자일렌(C8H10)과 같은 탄화수소를 포함하고 있으며, 일반적으로 플라스틱과 같은 다른 물질의 용매, 혹은 전구체로 사용된다. 다른 일반적인 VOC는 테르펜, 포름알데히드, 페놀과 같은 물질에서 비롯된다. 이 화학물질 중 일부는 매우 심각한 상황을 만들 수 있다. 예를 들어, 벤젠은 중추신경계와 골수 손상을 일으킬 뿐 아니라 암을 유발하는 것으로 알려져 있다.

미국 EPA(Environment Protection Agency)에 의하면, 다른 VOC는 알러지, 두통, 집중력 저하 혹은 다른 심각한 급성 반응을 일으킬 수 있다고 한다. 더구나 이런 반응을 일으키는데 많은 양의 물질이 필요하지도 않다. WHO의 가이드라인에 의하면 100μg/m3(0.1ppm) 만으로도 증상을 유발할 수 있다고 한다. VOC의 낮은 비등점은 상온에서 빠르게 휘발하기 때문에 폐로 쉽게 흡입할 수 있다는 것을 의미한다.

 

점점 악화되는 실내 VOC 오염 문제

실내로 도피하면 물론 자동차의 배기가스로 인한 오염 물질로부터는 도망칠 수 있지만, VOC에 대한 노출은 전혀 감소하지 않는다. 이는 많은 건물들이 VOC를 방출하는 제품으로 만들어지며, VOC를 발생시키는 용제로 청소하고, VOC를 방출하는 수많은 제품들에 둘러쌓여 있는 환경이 바로 가정 내부이기 때문이다. 연결고리가 입증되지는 않고 있지만, 많은 사람들이 새집증후군(Sick Building Syndrome)이라고 부르는 건물내 거주자가 겪는 원인 모를 증상(예를 들면 아토피 등)의 원인이 VOC일 것이라고 생각하고 있다.

오늘날의 건축 디자인으로 인해 이런 문제는 더욱 악화되고 있다. 1900년대 중반의 건물의 환기 기준에 의하면 각 사람들의 체취를 희석하기 위해 각 거주자당 0.45m3/min의 외부 공기를 요구했다. 하지만 1973년 오일쇼크가 발생하면서 미국은 에너지 보존 조치의 일환으로 외부 공기 유입량을 0.15m3/min으로 크게 줄였다. 오늘날 건물의 HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning) 시스템은 이보다 더 제한적인 외기 유입을 시도하고 있다. 이제 VOC는 갈 곳이 없는 것이다.

VOC와 작업자의 집중력의 상관관계에 대한 연구가 최근 진행됐다. 2016년 EHP(Environmental Health Perspective)의 연구에 의하면 일반적인 VOC 농도인 500µg/m3에 노출된 작업자에 비해 50µg/m3보다 낮은 VOC에 노출된 작업의 집중도가 61% 향상됐으며, VOC 농도를 44µg/m3 이하로 낮추자 100%의 집중력 향상을 볼 수 있었다.

 

VOC 검출을 위한 스마트 모니터링 센서

당연히 많은 고용주들이 VOC에 대한 걱정을 하기 시작했다. 직원의 건강은 하나의 인센티브로 볼 수 있지만, 잠재적 생산성의 손실은 매우 큰 피해이기 때문이다. 이런 우려는 작고, 저렴하며, 배터리로 동작하는 VOC 모니터링 기기의 개발을 이끌고 있다. MOS(Metal-Oxide Semiconductor) VOC 센서는 실내 환경에서의 VOC 농도와 검출 범위가 일치하기 때문에 건물용으로 가장 많이 사용되고 있다.

목표로 하는 VOC와 접촉하면 센서의 전도도나 저항도가 초기 기준치에서 변화하게 된다. 이 센서의 전기적 특성 변화는 일반적으로 선형적이고 비례 관계를 갖기 때문에 오염 물질의 농도를 결정하기 보정 작업이 매우 간단하다.

MOS VOC 센서의 설치는 스마트 빌딩의 건설 과정에서 온도, 습도, 움직임, 그리고 스마트 조명 센서와 함께 고려되는 것이 일반적인 상황이 되고 있다. 센서는 환경을 모니터링하고 IoT 연결을 통해 이 데이터를 관리 컴퓨터로 전송한다. 이 데이터를 통해 관리 시스템은 빌딩을 편안하고 에너지 효율적으로 유지할 수 있으며, 무엇보다도 안전을 지킬 수 있게 된다.

마켓앤드마켓(MarketsandMarkets)의 분석가에 의하면 2023년 VOC 센서 시장은 미국 정부의 근로자 안전과 건강에 대한 규제의 강화로 인한 소형 무선 센서의 개발, 그리고 공공 분야에서의 공기 질의 향상이 주는 이점에 대한 인식이 향상됨에 따라 13억 달러 규모로 성장할 것으로 예상하고 있다.

 

 

Written by 스티븐 키핑(Steven Keeping) & Provided by 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

 

 

[편집자 주] 본 기사는 글로벌 전자부품 유통회사인 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)의 후원을 바탕으로 진행되는 EPNC의 단독 외부 기고입니다.

#VOC#센서#대기오염#MOS#스마트빌딩#PM2.5#

신동윤 기자  dyshin@techworld.co.kr

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