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미세먼지를 잡아라! KAIA가 미세먼지를 잡는 방법
  • 2022-01-03
  • 일상 속 국토교통기술
  • 기업명 : 국토교통과학기술진흥원

이제는 익숙하게 느껴지는 미세먼지, 이 미세먼지가 발암물질이라는 사실을 알고 계신가요?

미세먼지는 대기 중에 존재하는 먼지 중에서 크기가 10㎛(마이크로미터) 이하인 입자이며 초미세먼지는 직경이 2.5㎛(마이크로미터) 이하인 입자를 말합니다. 일반적으로 머리카락 직경이 약 50㎛(마이크로미터)이므로 미세먼지는 머리카락 굵기의 5분의 1정도, 초미세먼지는 약 20분의 1이라고 생각하시면 됩니다.

보통 직경이 큰 입자는 코털이나 기관지 입구에서 걸러져 우리 몸 속 깊이 침투하지 못합니다. 하지만 미세먼지는 직경이 매우 작기 때문에 걸러지지 않고 폐, 혈관 등에 침투해 호흡기 질환뿐만 아니라 뇌혈관질환, 치매를 유발할 위험도 있습니다. 또한 세계보건기구(WHO) 산하인 국제 암연구소에서 미세먼지를 1급 발암물질로 지정할 정도로 미세먼지는 우리의 생각보다 위험한 존재입니다.

미세먼지 이미지

출처: 픽사베이

보통 직경이 큰 입자는 코털이나 기관지 입구에서 걸러져 우리 몸 속 깊이 침투하지 못합니다. 하지만 미세먼지는 직경이 매우 작기 때문에 걸러지지 않고 폐, 혈관 등에 침투해 호흡기 질환뿐만 아니라 뇌혈관질환, 치매를 유발할 위험도 있습니다. 또한 세계보건기구(WHO) 산하인 국제 암연구소에서 미세먼지를 1급 발암물질로 지정할 정도로 미세먼지는 우리의 생각보다 위험한 존재입니다.

이러한 미세먼지 문제를 해결하기 위해 KAIA에서는 다양한 노력을 하고 있습니다. 첫 번째로는 ‘광촉매를 활용한 미세먼지 저감 건설기술’을 꼽을 수 있습니다. 여기서 광촉매란 빛의 에너지와 결합하여 화학반응 속도를 증가시키는 촉매 물질입니다. 미세먼지를 저감시키기 위해 이산화티타늄이라는 광촉매를 이용하며, 이는 빛을 받으면 표면 위에서 활성 산소를 만들어냅니다. 광촉매(이산화티타늄)가 만들어낸 활성산소는 대기 중에 있는 오염물질들과 흡착됐을 때 분해가 되게 도와주는 역할을 합니다. 또한 이산화티타늄은 강력한 살균력과 높은 산화력을 가지고 있으며 모든 유기물을 산화시켜 이산화탄소와 물로 분해시킬 수 있는 능력을 갖고 있습니다. 이러한 이산화티타늄 광촉매를 시멘트, 아스팔트 등에 활용해 미세먼지를 저감시키는 기술이 ‘광촉매를 활용한 미세먼지 저감 건설기술’입니다.

광촉매 활용 미세먼지 저감기술 소개영상

(출처 : KAIA 유튜브 채널)

 

 

광촉매를 이용한 미세먼지 저감 방법은 이와 같습니다. 미세먼지는 질소산화물, 황산화물 등의 미세먼지 원인물질이 자외선을 받아 화학적 반응을 일으키면서 발생됩니다. 하지만 건물 외벽에 발라둔 시멘트 속 광촉매(이산화티타늄)에 의해 미세먼지의 원인물질인 질소산화물, 황산화물은 산화되고, 이는 시멘트 속 칼슘과 반응하여 질산칼슘, 황산칼슘으로 벽 표면에 고정됩니다. 이렇게 벽에 붙은 미세먼지는 후에 빗물에 씻겨나가며 세척되는 것입니다. 이처럼 광촉매는 태양광을 활용하기 때문에 외부에너지원이 불필요하며 성능 유지 비용이 매우 저렴하고 친환경적이라는 장점을 가집니다. 또한 이산화티타늄 광촉매는 오염물질 분해, 살균, 탈취 기능에도 도움이 되며 인체에 무해하므로 실생활에 적용하기 좋습니다.

광촉매는 도로, 콘크리트, 아스팔트 등 다양한 실외 건설 분야에 활용됩니다. 실제로 대구광역시 서평지하차도에서 광촉매를 혼입한 아스팔트와 광촉매를 혼입한 도료를 사용해 이 기술의 실효성을 실험했을 때, 미세먼지의 원인 물질인 질소산화물이 약 20% 이상 감소하는 성과를 거두었다고 합니다. 현재 실외뿐만 아니라 실내에서도 활용하기 위해 유기 도료, 건축자재 필터 및 공기조화기 등에도 광촉매를 사용하는 등 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 또한 KAIA는 광촉매를 활용한 제품의 보급을 위해 각종 실험과 인증을 통한 인증 시스템 구축 및 표준 제개정 연구를 지원 중입니다.

 

 

지하철 1호선 이미지 입니다.

미세먼지를 줄이기 위한 KAIA의 노력, 그 두 번째 결실로 다양한 ‘지하철 미세먼지 저감 장치’를 들 수 있습니다. 지하철 미세먼지는 다양한 원인으로 인해 발생됩니다. 운행하는 전동차에 전력을 공급하는 과정에서 전차선과의 마찰로 인해 미세먼지가 발생하기도 하고, 전동차가 제동하는 과정에서도 발생됩니다. 또한 달리는 전동차의 강한 바람에 의해 바닥에 가라앉은 먼지가 다시 터널에 비산되기도 합니다. 이렇게 발생한 터널 내 미세먼지와 외부의 오염된 공기가 전동차 에어컨 급기구를 통해 지하철 내부로 유입되면서 지하철 미세먼지 농도가 증가합니다. 이러한 지하철 내의 미세먼지를 잡기 위해 KAIA에서는 다양한 연구와 기술 개발을 진행해왔습니다.

기존에는 미세먼지 저감을 위해 고압살수차를 이용해 지하철 터널을 물세척해왔습니다. 그러나 이와 같은 방법은 자갈로 이루어진 철도 궤도나 바닥 틈새에 낀 먼지들이 가라앉아 있다가 물기가 마르면, 전동차가 움직일 때 다시 비산하여 효과를 보지 못했습니다. 또한 디젤 미세먼지 집진차량의 경우 차량 운행 시 디젤엔진에서 발생하는 질소산화물, 일산화탄소, 이산화황 등이 2차적 오염물질이 되어 근본적인 해결책이 되지 못했습니다.

인공지능 기반 지하철 미세먼지 저감 기술 소개영상

(출처 : KAIA 유튜브 채널)

 

 

KAIA는 이러한 기존의 문제를 해결하기 위해 ‘친환경 집진차량 기술’ 개발을 지원했습니다. 친환경 집진차량은 고효율 흡진구조체 모듈 및 집진기 필터에 나노기술을 적용하여 기존 대비 초미세먼지 집진효율을 90% 이상 향상시켰습니다. 그리고 디젤 미세먼지 집진차량과 달리 배터리 기반의 친환경 전력원 사용으로 집진차량 운행시 배기가스에 의한 2차 대기오염 문제를 해결했습니다. 이러한 친환경 집진차량은 지하철 터널 내 미세먼지를 33% 저감하는 효과를 보였습니다.

이뿐만 아니라 터널 내 미세먼지가 열차의 에어컨 급기구를 통해 유입되는 것을 막기위해 나노 기술을 적용한 필터와 관성 법칙을 이용한 ‘전동차 에어컨 부착형 미세먼지 집진장치’를 개발하는 성과를 거두었습니다. 이는 유입되는 미세먼지 70%를 차단할 것으로 기대하고 있습니다.

또한 KAIA는 ‘AI기반의 지하철 공기질 예측 알고리즘 기술’을 개발하기 위한 R&D 사업을 관리하고 있습니다. 원리는 이와 같습니다. 지하철의 출입구 계단, 승강장, 객실 등 승객이 이동하는 경로 전반에 측정기를 설치하여 6초마다 공기질을 측정합니다. 그리고 지하철 승객 수, 지하철 운행 정보, 기상청의 대기 중 미세먼지 농도 등의 공공데이터를 수집해 실시간 공기질 데이터도 구축합니다. 이러한 데이터를 종합해 AI 기반의 지하철 공기질 예측 알고리즘을 만들어냅니다. 알고리즘을 통해 1시간 후 지하철에 공기질을 사전에 예측하고, 외부 대기 흡입양 조절 등을 통해 지하철 환기 설비 등을 적절히 가동함으로써 지하철 승객의 미세먼지 노출을 최소화할 수 있습니다. 그리고 미세먼지 농도 예측 데이터를 통해 필요시에만 운행함으로써 에너지 효율 향상이 가능합니다. 이러한 인공지능 기반 미세먼지 저감기술은 현재 수원 영통역에서 시범 운영 중입니다.

스마트폰과 와이파이 이미지입니다.

출처: 픽사베이

세 번째 미세먼지 저감 기술로는 ‘스마트 IOT클린쿨링 시스템’을 들 수 있습니다. 스마트 IOT클린쿨링 시스템이란 도로 고정식 물 분사 장치인 클린로드에 IOT기술을 융합한 시스템으로 도로의 온도 및 미세먼지 수치가 올라가면 도로에 자동으로 물을 분사하는 기술입니다. 여기서 IOT는 사물인터넷을 뜻하며, 이는 사람과 기기, 공간, 데이터 등 모든 것이 네트워크로 연결되어 사람과 사물뿐만 아니라 사물과 사물 사이에서도 데이터를 교환할 수 있는 기술을 말합니다. 이 기술은 내장된 센서를 통해 미세먼지, CO2, 소음 등을 측정하여 도로 환경을 실시간으로 모니터링할 수 있으며 도로의 오염도에 따라 자동으로 물을 분사합니다. 또한 필요한 경우 스마트 어플리케이션을 통해 원격으로 밸브를 제어할 수 있으며 이 기술은 태양광 전력을 사용하기 때문에 친환경적입니다.

실제로 ‘스마트 IOT클린쿨링 시스템’을 현장에 적용해보니, 물 분사 2시간 후 초미세먼지의 60%가 저감되는 효과가 나타났습니다. 이뿐만 아니라 여름에는 아스팔트 온도저감 효과를 보이기 때문에 열섬현상에도 효과를 보입니다. 이 시스템은 도로를 굴착하지 않고 조립식으로 설치가 가능하기 때문에 공사비가 절감되고 공사기간이 단축된다는 장점이 있습니다. 이처럼 스마트 IOT클린쿨린 시스템은 센서를 통해 도로 환경을 파악하고 미세먼지, 아스팔트 분진 등의 오염물질을 제거하여 쾌적한 환경을 만들어줄 것으로 기대됩니다.

*열섬현상: 도시의 기온이 교외보다 높아지는 현상

국토교통 기업지원허브

이처럼 KAIA는 미세먼지와의 전쟁을 끝내기 위해 ‘광촉매를 활용한 미세먼지 저감 건설기술’/‘지하철 미세먼지 저감 장치’/‘스마트 IOT클린쿨링 시스템’ 등의 연구&개발을 지원하고 있습니다. 또한 미세먼지가 일어난 후의 처리뿐만 아니라 미세먼지 원인물질의 발생요인을 파악하고 제거함으로써 미세먼지의 발생을 줄이고 사전 예방을 하기 위한 연구도 함께 진행하고 있습니다. 이러한 미세먼지 저감 기술을 통해 전국민이 미세먼지 걱정 없이 지내는 날이 오도록 KAIA는 항상 노력할 것입니다.

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