미세먼지를 진짜 제거할 수 있는 차량용 에어컨필터는?

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필자는 여러 차례에 걸쳐 자동차용 캐빈필터의 미세먼지 제거성능을 독자적인 방법으로 측정을 해 왔다.

필자의 측정방법은 자동차용 캐빈필터의 품질을 측정하기 위한 측정 방법이 아닌, 가정용 공기청정기용 측정방법이나 HEPA필터용 측정방법 이었는데, 이렇게 캐빈필터에 다른 측정방법으로의 측정을 시도한 것은 다음과 같은 이유에서 이다.

. 유럽에서부터 개발된 섬유필터+활성탄필터 복합 캐빈필터인 콤비필터는 알레르기질환을 일으키는 꽃가루 (PM10~PM2.5)와 냄새,GAS 제거에 특화되어 있으며, 미세먼지에 대한 고려는 되어 있지 않다. 왜일까? 유럽이나 미국도 최근까지 대기중의 미세먼지가 문제가 되는 경우가 드물었으며, 꽃가루에 의한 알레르기질환이 실질적으로 훨씬 심각한 상황이었고, DPF디젤차량의 증가와 화력발전소의 집진시스템을 통과하는 미세먼지가 문제가 되기 시작한 것은 선진국도 최근에 발생한 이슈이기 때문이다.

그림: 2017년부터 전면적으로 적용되기 시작한 현대자동차의 “고성능에어컨필터”는 이전의 항균필터보다 대폭 높은 성능이지만, 미세먼지 제거능력이 없는 콤비필터 이다.

. HEPA 필터의 표준 시험 미세먼지 입자 사이즈는 0.3μm 이다. 0.3μm 입자 사이즈가 매우 중요한 이유는, 0.3μm 보다 더 큰 사이즈의 입자 뿐만 아니라, 0.3μm 보다 더 작은 사이즈의 입자보다도 0.3μm사이즈의 입자가 더 포집하기 어렵기 때문이다. 그래서, 대부분의 경우, 0.3μm 입자의 포집효율이 가장 낮다. 그래서, 0.3μm입자 사이즈를 most penetrating particle size (MPPS) 라고 칭한다.


그림: HEPA 필터의 여과망의 틈새크기는 미세먼지 입자의 크기보다 크기 때문에, 입자의 사이즈에 따라 포집이 되는 것이 아니다. 입자가 필터에 포집되는 원리는, 위 그림과 같은 4가지 힘에 의해 HEPA필터의 섬유에 미세먼지가 포집되게 된다. 이때, 입자의 사이즈가 0.3μm보다 작은 경우, Inertial Impaction에 의한 포집효율은 낮아지게 되지만, Diffusion에 의한 포집효율은 더 높아져서, 0.3μm보다 더 작은 입자의 포집효율은 더 높아지게 된다. 또한, 필터의 통과속도가 낮을수록 더 작은 입자의 포집 효율은 높아지게 된다.

. 현재 자동차용 캐빈필터는 HEPA필터가 아니다.
HEPA필터는 원래 2차대전 당시 핵무기를 개발하던 미국의 맨하탄프로젝트에서 처음 개발되었다. 그 이전까지는 자연상에 위협적인 미세먼지가 없었기에 HEPA필터의 필요성이 없었으나, 핵무기를 제조하는 과정에서 발생하는 방사능물질의 미세한 입자가 치명적이었기에, 이를 완벽하게 제거해야만 했던 필요성에 의해 개발된 것이 HEPA 필터이고, 0.3μm입자 기준 적정통과속도에서 99.75% 이상의 입자를 걸러낼 수 있다.
HEPA필터의 자동차에의 적용은 테슬라 이외에선 아직 적용이 되지 않고 있는데, 그 이유는, 헤파필터는 기존 캐빈필터에 비해서 저항이 크고 필터 수명이 짧아 운용환경에 따라 차량의 적정 환기량에 모자라거나 공조장치의 부하를 가중시킬 수 있기 때문이다.


그림: 테슬라 모델S와 모델X의 EAQ패키지. 자동차용 캐빈필터 중 유일하게 대형 HEPA필터를 채용한 사례이다. 최근 출시되는 벤츠와 BMW차량은 COMBI필터급 두개를 적용하여 공기청정 성능을 HEPA필터에 근접하게 끌어올리고 있다.

캐빈필터 테스트

필자의 캐빈필터 테스트는 “일상적인 자동차의 공조장치 운용환경에서 캐빈필터가 미세먼지를 얼마나 걸러내는가?”에 대해서만 집중해서 검증하기 위한 테스트이다.
이러한 테스트 목적을 달성하기 위해서, 시험 환경은 다음과 같은 조건으로 설정하였다.
테스트미세먼지입자: 0.3μm NaCl 입자.
풍량: 풍량: 2.5 ㎥/min

테스트는 한쪽 챔버에서 입자발생기가 미세입자를 발생시키고, 중간 격벽에 필터를 설치한 후 필터를 통과하여 다른 챔버쪽으로 이동된 테스트 입자의 숫자%를 챔버 안의 입자계수기를 통해 측정하는 방식이다.
테스트 입자를 0.3μm사이즈로 한정한 이유는 위에 적은 바 차럼, 0.3μm입자가 가장 포집이 어렵기 때문에 다른 크기의 테스트입자들은 모두 0.3μm입자 테스트 결과보다 좋은 포집 효율이 나올 것이기 때문이며, 풍량을 2.5 ㎥/min로 한 이유는 이정도 풍량이 일반적인 승용차의 에어컨공조장치의 중풍량 정도의 풍량이기 때문이다.

이번 수입차용 캐빈필터 테스트는 BMW의 F10 이후 5,6,7시리즈 차량에 탑재되는 캐빈필터가 얼마나 미세먼지를 잘 걸러내는지를 테스트 하였다.

사진: BMW의 캐빈필터는 현대기아차용 캐빈필터와 사이즈가 비슷하지만, 필터 2개가 사용되므로, 실제로는 약 두배의 성능과 용량을 제공한다고 할 수 있다.

시험한 필터는 BMW의 순정 필터(말레제조)와 순정필터를 납품하는 TOP3 제조사인 MAHLE, VALEO, MANN 사의 애프터마켓 캐빈필터를 테스트하였으며, 상대비교를 위해 코웨이사의 공기청정기용 HEPA필터셋을 같이 측정 테스트하였다.

말레 LAK 467 콤비필터

집진효율 94.9%라는 놀라운 결과를 보여주면서도 순정필터보다 낮은 압력손실 결과를 보여주었다. 사실상 HEPA필터에 근접한 미세먼지 제거성능을 제공한다고 할 수 있다.

발레오 715690 콤비필터


VALEO사는 프랑스의 유명 OE파츠 메이커이지만, BMW용 캐빈필터는 다른 3제품과 같이 모두 독일에서 제조된 제품이었다.
집진효율 88.2%로 높은 미세먼지 제거능력을 보여주었다. 이 결과 역시 말레 필터만큼은 아니지만 애프터마켓 필터가 순정필터보다 좋은 결과를 보인 것은 흔하지 않은 경우이다.

BMW 순정 콤비필터

말레에서 제조공급한 BMW순정필터는 제조사요구로 MicronAir콤비필터원단이 사용되는 등 애프터마켓 제품과는 다른 필터 재질이 사용되어 공급되고 있다. 66.42%의 집진효율과 34Pa의 압력손실. 이러한 순정필터의 결과는, 필자가 5년 전 폭스바겐 순정필터를 측정했던 결과와 유사한 결과인데, 당시엔 애프터마켓 제품 중 순정필터보다 좋은 성능을 보이는 제품이 없었다.

만 CUK 2533 콤비필터

국내에서 가장 많이 유통되고 있는 이 제품은, 57.2%로 미세먼지 제거능력이 상대적으로 떨어지는 결과가 나왔으나, 압력손실은 22Pa로 가장 낮은 결과가 나왔다. 미세먼지 제거능력은 떨어지지만, 가장 공조부하가 적고, 교체수명이 길어 경제적이라는 장점은 가지고 있다.

코웨이 HEPA필터

H12등급 헤파필터로서, 같이 실험한 BMW용 캐빈필터보다 필터사이즈가 좀 더 크고, 프리필터셋과 같이 테스트를 하면서 높은 압력손실 값이 나왔다. 이렇게 일반적인 HEPA필터는 높은 압력손실이 나오기 때문에, 자동차에는 바로 적용하는 것이 불가능하다. 헤파필터이면서 99%이상의 집진효율이 나오지 않은 이유는, HEPA필터의 측정환경에 비해 필터통과속도가 더 빠른 실험환경이었기 때문이다.

결론
. 시중에 판매중인 캐빈필터의 미세먼지 제거 성능이 제조사별,제품별로 큰 차이가 있다.
. 어떤 제품도 아직 가정용 공기청정기의 HEPA필터만큼의 성능에는 못미친다.
. 말레 LAK 콤비필터는 HEPA필터는 아니지만 BMW순정필터보다도 높은 성능을 제공하였을 뿐만 아니라, HEPA필터에 근접한 미세먼지 제거성능을 갖춘 것으로 나왔다.
. MANN사의 필터는 필터링 능력은 떨어지지만, 낮은 정압으로 공조장치 부하를 줄이고, 필터 교환주기를 길게 가져갈 수 있는 장점이 있다.
. BMW 순정필터는 Freudenberg사의 MicronAir 콤비필터 원단을 사용한 제품으로서, 높은 포집효율과 낮은 정압손실로 오랫동안 애프터마켓 제품보다 높은 성능을 제공해 왔다. 하지만, 미세먼지 제거능력만을 테스트한 이번 실험에서는 순정필터보다 더 좋은 성능을 내는 애프터마켓 필터를 찾을 수 있었다.

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