실내 공기질 지수 개선을 위한 센서

실내 공기질 향상시키기: 건강과 생산성의 모니터링 및 향상을 위한 센서 노드의 역할

알렉스 플루머(Alex Pluemer), 마우저 일렉트로닉스

기후 변화로 인해 지구가 지속적으로 가열되고, 온도가 더욱 상승하여 건조해지고, 산불이 발생함에 따라 공기질 지수(AQI)는 전 세계 기상 보고서에 있어 단골로 나오는 단어가 되었다. AQI는 재나 자동차 배기가스 등 공기 중의 미세먼지(Particulate Matter, PM)와 기타 오염 물질의 양을 보고하며, 이러한 오염 물질들이 인체에 노출될 수 있는 위험한 수준의 농도에 도달하게 될 경우 사람들에게 알려준다. AQI는 주로 실외 공기질을 설명하기 위해 사용되지만, 실내 공기질의 경우에는 어떨까?

건강에 좋지 않은 실외 공기질 상태는 특별한 기술이 없어도 눈으로 확인하거나 강한 냄새만으로 감지할 수 있는 경우가 많지만, 실내 공기질의 상태는 감지하기 힘들다. 일과 중의 대부분을 집이나 학교, 사무실 건물 내에서 보내는 사람들의 경우 실내 공기의 상태가 실외 공기보다 건강에 더 영향을 미칠 가능성이 크다.

외부의 오염된 공기가 실내 공기질에 영향을 줄 수 있지만, 대표적인 실내 공기 오염 물질을 다양하게 검출하고 정량화하려면 공기질 모니터링 기술이 필요하다. 일산화탄소(CO), 간접 흡연, 공기 중의 곰팡이균이나 박테리아와 같은 오염 물질은 반복적인 노출을 통해 심각한 건강 문제를 야기할 수 있다. 직원들이나 학생들의 건강과 안전은 모든 기업이나 교육기관의 1차적 책무라고 할 수 있으며, 실내 공기질 모니터링은 건강하고 안전한 실내 환경을 유지하는 데 필수이다. 이는 또한 직원들의 생산성을 높이고 사기를 복돋을 수 있다.

Sensirion의 SEN5x와 같은 센서 노드는 공기 중 오염 물질을 실시간으로 측정하여 실내 공기질을 모니터링하고 기존 냉난방공조(HVAC) 및 공기 정화 시스템을 보강하여 최종 사용자에게 광범위한 구조 변경 없이 정확하고 신뢰할 수 있는 측정값을 제공할 수 있다. 이 글에서는 가장 일반적인 실내 오염 물질 몇 가지와 SEN5x와 같은 디바이스가 최종 사용자로 하여금 시설을 건강하고 생산적으로 유지하는 데 어떻게 도움을 줄 수 있는지에 대해 살펴본다.

공기질 측정하기

앞서 언급한 바와 같이, 가장 흔한 공기 오염 물질은 미세먼지로, 연소로 인해 발생하는 미세 고체 물질 입자처럼 사람들은 이를 자각하지 못한 채 흡입하게 된다. 외부의 미세먼지 농도가 높아 사람들이 창문을 닫은 채 실내에 머물러야 하거나, 장시간 실외에 있어야 할 경우에는 호흡기 마스크를 착용하는 것이 권고된다. 많은 가정집이나 학교, 사무실 건물에는 공기 중 미세먼지를 걸러내기 위한 공기 여과 시스템이 설치되어 있다. 그럼에도 불구하고 클린룸(clean room) 환경을 제외하면 소량의 미세먼지는 항상 존재한다.  

실내 공기질은 적절하게 모니터링하지 않으면 다른 공기 오염 물질과 섞여 종종 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있게 된다. 공기 중 일산화탄소(CO)의 농도가 높을수록 심각한 질병을 초래하거나 의식불명, 심지어 사망에 이르기까지도 할 수 있다. 일산화탄소에서 기인한 질병이나 사망은 화석 연료를 연소시키는 난방 장비나 다른 기구를 사용하는 것과 관련이 있다. 불완전 연소는 무색무취의 가스를 생성하여 환기가 적절히 되지 않는 건물이나 구조물에 축적될 수 있다.   

공기 중의 이산화탄소(CO2) 수준도 모니터링할 필요가 있다. 이산화탄소(CO2) 노출에 대한 부작용은 일산화탄소(CO)와 관련된 부작용만큼 심각하지는 않지만, 장기적으로는 부정적인 영향을 미칠 수 있다. CO2에 많이 노출된 사람일수록 평소보다 더 졸리고 두통과 메스꺼움을 자주 경험하는 경향이 있다. 현재 미국에서는 38개 주와 워싱턴 DC에서는 규정이나 법률을 통해 모든 개인 주택에 CO/CO2 탐지기를 설치할 것을 요구하지만, 학교 건물에 관해서는 5개 주에서만 이를 요구하고 있다. 일산화탄소 중독은 주로 매우 좁은, 밀폐된 환경에서 발생하기 때문에 대규모 사무실 건물이나 제조 시설에서는 일산화탄소 모니터링이 필요하지 않은 경우가 많다. CO2 수준을 측정하는 것은 시설 관리자가 HVAC 시스템의 성능을 평가하는 한 가지 방법이므로 효과적인 CO2 감지 및 모니터링은 실내 공기질에 광범위한 영향을 미칠 수 있다.

곰팡이나 곰팡이 포자는 공기 중 오염 물질의 다른 흔한 형태로 주로 습기로 인해 발생하며, 언제나 쉽게 찾을 수 있는 것은 아니다. 집주인이나 시설 관리자들은 내부 습도 및 결로 수준을 모니터링하여 손이 닿기 어려운 공간에서 곰팡이가 자라는 것을 예방할 수 있다. 수분이 너무 과다할 경우 이 또한 인간에게 해를 끼칠 수 있는 공기 중 특정 박테리아를 배양할 수 있기 때문에 실내 습도 수준을 면밀히 모니터링하는 것이 이 같은 이유에서도 중요하다.

휘발성 유기 화합물(VOC)은 사람들이 거주하거나 근무하는 거의 모든 곳의 실외 공기에도 존재하지만, 실내에 주로 더 많이 집중되어 있다. 휘발성 유기 화합물(VOC)이란 화학 물질이나 기타 액체 또는 고체 물질에서 방출되는 가스를 일컫는다. 이는 청소 용품이나 페인트에서부터 사무용품, 가구 재료에 이르기까지 다양한 제품에 존재한다. VOC 노출 위험은 보통 위험 물질을 적절하게 저장하고 전체 공기 흐름과 환기를 개선함으로써 낮출 수 있다. 하지만 포름알데히드와 같이 공기 중 특정 VOC의 농도가 낮더라도 건강에 해를 끼칠 수 있다.

라돈이나 석면과 같은 발암 물질은 안전상의 이유로 사용이 널리 금지되었지만, 그 전에 이미 지어진 구조물들에서는 흔히 검출될 수 있다. 장기간의 노출로 인한 건강상의 악영향은 일산화탄소 노출로 인한 것만큼 즉각적이지 않을 수 있지만, 심각하거나 치명적으로 발전할 수도 있다. 라돈과 석면은 모두 노출될 경우 폐암 발병 가능성을 높이는 것으로 확인된 물질들이다.

공기질 모니터링 기술

공기질 모니터는 한 개로 모든 것을 구현할 수는 없으며, 폼 팩터의 종류가 다양한 만큼 제공되는 기능 또한 다양하다. 설치 위치나 환경에 따라 공기질 모니터가 더 작은 것이 유리할 수 있다. 하지만 모니터의 크기가 작으면 기능적으로 제한이 생길 수 있다. 또한, 대부분의 공기질 센서는 일부 공기 오염 물질만 감지할 수 있기 때문에 필요한 모든 것을 감지하려면 다수의 센서가 필요하다.

Sensirion의 SEN5x 환경 센서 노드는 공기 중 미세먼지, VOC, 질소 산화물, 상대 온도 및 습도를 모니터링할 수 있다. SEN5x는 미세먼지에 의해 반사된 레이저를 기기의 광 다이오드에 다시 방출하여 공기 중 미세먼지를 측정한다. 광 다이오드 쪽으로 반사되는 빛이 많을수록 미세먼지의 크기가 커진다. 이 방법은 특정 크기의 미세먼지만 수용할 수 있는 테이퍼 진동 소자를 사용하는 장치보다 훨씬 더 정확한 판독값을 제공한다. 또한 광 검출은 일반적으로 샘플링 주기를 시작한 후 몇 초 이내에 더 정확한 측정값을 제공한다.

SEN5x 디바이스는 공기 중의 오염 물질을 1초 이하의 간격으로 샘플링하여 53mm×44mm×22mm 크기의 소형 폼 팩터에서 지속적인 실시간 AQ 모니터링을 제공한다. SEN5x는 고속 유체(sheath flow) 기술을 사용하여 먼지 및 기타 미세먼지에 대한 저항력을 높이는 인클로저에 여러 개의 센서를 탑재한 완전한 센서 노드로, 공장이나 생산 시설과 같은 열악한 실내 환경에서도 작동할 수 있다. 또한 SEN5x 노드에는 테스트를 거친 공기 흐름 형상의 팬이 포함되어 있어 최적의 기능을 유지하고 10년을 초과하는 디바이스의 수명을 연장하는 데 도움이 된다. 팬은 센서가 측정 모드에 있는 동안 수집된 먼지와 미립자를 배출하는 자동 청소 기능을 수행한다. 오염이 심한 지역에 있는 경우에는 센서 노드가 청소 주기 간격을 조정할 수 있다.

SEN5x 노드는 I²C 인터페이스와 함께 제공되므로 기존 HVAC, 공기 정화 및 공기질 모니터링 시스템에 쉽게 통합할 수 있어 많은 비용과 시간이 소요되는 구조 변경을 피할 수 있다. 또한 온도 및 습도 보정 및 VOC 지수 계산을 위해 사전 통합된 전용 알고리즘을 사용하여 기존 시스템과의 원활한 통합을 더욱 촉진하고 개발자가 직접 코드를 작성하는 수고를 덜어준다. 이와 같은 알고리즘에는 STAR(Sensirion Temperature Acceleration Routine) 엔진이 포함되어 있어 최종 사용자에게 경쟁사 대비 최대 3배 더 빠르고 안정적으로 온도 판독값을 제공한다(Sensirion 기준). SEN5x 노드는 설치 시 완전히 보정된 디지털 출력을 제공하며 최대 50ms에 재시작할 수 있어 다른 AQ 모니터와 관련된 보정 및 시작 시간을 줄여준다.

SEN5x 노드는 일반적으로 0.7mA에서 70mA 사이의 공급 전류만 소비하고 최대 100mA까지만 소비하므로 고객이 기존의 전기 장비들을 다시 배선하거나 재구성할 필요가 없다. 또한 이 디바이스는 평균 음향 방출 수준이 24dB에 불과하여 소음을 발생시키지 않아 매우 조용한 업무 환경에서도 방해가 될 가능성이 적다.

공기질, 건강, 그리고 생산성

현재까지는 쾌적한 공기질에 대해 미 연방 수준이나 국제적으로 정해진 표준은 없지만, 미국 환경 보호국(EPA)이나 미국 질병통제예방센터(CDC)와 같은 기관에서는 가장 일반적인 오염 물질 노출 수준에 대한 일련의 권장 지침을 제공한다. CO, CO2 와 같은 공기 중 화학 오염 물질은 백분율(ppm) 단위로 측정된다. 400 ~ 650ppm의 CO2 수준은 실내 환경에서 정상적인 것으로 간주되는 반면, 800ppm 이상의 수준은 부작용을 일으키기 시작할 수 있다. 공기 중 높은 수준의 CO2 는 건강에 좋지 않을 뿐만 아니라 근무 환경의 생산성에 심각한 영향을 미칠 수 있다.

이는 붐비고 답답한 방에 들어가는 느낌이랑 비슷해, 눈꺼풀이 무거워지기 시작하고 방 안의 다른 목소리들은 배경 소음으로 작용하게 되며 공상에 빠져들기 쉬울 것이다. 물론 업무나 회의가 지루해도 비슷한 느낌이 들 수 있지만, CO2 의 과다 노출로 인한 영향도 클 것이다. 다양한 연구에 따르면, 공기 중의 CO2 수준은 근무 환경의 생산성이나 사기와 직접적으로 관련이 있다. 즉, 환기가 잘 될수록 직원들의 만족도가 높고 더 열심히 일하게 된다는 뜻이다. 이 같은 연구 결과를 활용하여 카지노들에서도 CO2 수준을 모니터링하여 고객들의 피로도를 낮추기 위해 건물 내에 산소를 주입하기도 한다.  

다른 공기 오염 물질은 포름알데히드와 같은 0.2ppm 이하 권장 노출 수준의 극소 농도에서만 안전하며, 라돈이나 석면 섬유와 같은 다른 모든 노출 수준에서는 안전하지 않다. 공기 중의 미세먼지는 입방미터 당 마이크로그램(µg/m3) 단위로 측정된다. 인간의 폐는 부피가 상대적으로 더 큰 미세먼지를 부피가 작은 초미세먼지보다 공기 중 걸러내기 더 쉽기 때문에, EPA에서는 PM2.5(지름 2.5µm 이하의 작은 미세먼지, 우리나라에서 통상적으로 ‘초미세먼지’) 수준을 12µg/m3 이하로 유지하고 PM10(지름 10µm 이상의 큰 미세먼지, 우리나라에서 통상적으로 ‘미세먼지’)은 54µg/m3 이하로 유지할 것을 권고한다.

냉난방공조(HVAC) 시스템을 최적 수준으로 운영하면 코로나19와 같은 공기 중 질병의 전염을 방지할 수 있으며, 기업 차원에서는 병가 사용 등으로 손실되는 시간과 비용을 줄여 생산성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다. 공기 중 병원체를 탐지할 수 있는 AQ 모니터는 상업적으로 널리 보급되어 있지 않지만 CO2 와 같은 공기 중 오염물질을 모니터링하면 전반적인 공기 흐름과 환기를 개선하고 질병 전염 위험을 줄일 수 있다.

맺음말

쾌적한 공기질을 유지하는 것은 안전하고 건강한 업무 또는 학습 환경을 조성하는 데 있어 매우 중요하다. 차세대 HVAC 및 공기 정화 시스템은 센서에서 시설 관리자에게 시스템이 얼마나 효율적으로 작동하고 있는지, 어떻게 개선할 수 있는지 알려주어야 한다. Sensirion SEN5x와 같은 센서 노드는 이와 같은 정보를 매우 정확하게 실시간으로 제공하여 최종 사용자가 필요할 때 환경을 조정하는 데 필요한 데이터를 제공하는 동시에 기존 시스템에 쉽게 통합할 수 있다. 가정, 학교, 사무실, 제조 시설 등 어느 곳에서든 공기질 모니터링은 건강과 웰빙을 위한 핵심이며, SEN5x와 같은 AQ 센서 노드는 적시에 신뢰할 수 있는 판독값을 얻는 데 필수적이다.