서 론
측정개요
대상공간
LED Module
측정방법
결과 및 토의
대상벽면 표면온도 및 대상공간 온습도 측정 결과
405 nm LED 벽면 조사 결과
405 nm LED 배지 조사 결과
결 론
서 론
최근 우리나라는 실내공기질에 대한 관심이 높아짐에 따라 실내에서 쉽게 발견할 수 있는 곰팡이, 세균, 미세먼지 등과 같은 오염물질을 위생적으로 관리하는 것에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 정부에서는 환기횟수를 법제화 하는 등 실내에서 발생하는 오염물질을 제어하기 위한 규정들을 계속해서 강화하고 있다. 그 중 세균, 곰팡이처럼 주거공간에서 주로 발생하여 재실자들에게 쉽게 노출되고, 인체에 접촉 및 유입되어 병을 유발하는 미생물들의 위험성에 대해 특히 주목하고 있다. 그에 따라 보건, 설비분야를 포함한 다양한 분야에서 미생물의 제어 및 관리에 대한 연구 역시 활발하게 이루어지고 있는데, 그중에서도 미생물의 번식과 생장을 관리하는 데에 가장 효과적이면서 대표적인 방법인 UVGI (Ultraviolet Germicidal Irradiation)에 대한 연구가 주로 행해지고 있다. 여기서 UVGI는 직접적인 자외선(UV-C) 조사를 통해 미생물의 번식과 생성을 제어하는 방법으로, 단시간의 조사만으로도 효과적인 살균효과가 나타나는 자외선 살균 시스템이다(Hwang et al., 2010).
현재까지 국내외에서 UVGI에 대한 연구는 활발하게 진행되어 왔으나, UVGI에 사용되는 자외선 영역은 인체에 노출될 경우 피부 노화, 시력 손상 등 유해한 영향을 미친다는 치명적인 단점이 있다. 따라서 대부분의 연구는 Mok and Lee (2008), Sung et al. (2011)의 연구와 같이 자외선 살균 소독기나 공조기 내부처럼 제한된 공간에서의 살균에 관한 검토가 주로 이루어졌다. 특정 실을 살균할 경우에는 Park et al. (2015) 연구의 임시대피소와 같이 실내 벽면 상부에 UVGI 시스템 설치를 하는 UR-UVGI (Upper room-UVGI)를 사용하거나, 사람의 출입을 금한 후 가동하는 등 인체에 노출되는 것을 최소화 하는 방법이 주로 사용되어왔다. 또한 UVGI를 이용한 살균은 현재까지 일반적인 주거환경 보다는 실험실, 상업공간과 같은 특수한 곳에서 주로 활용이 되어 왔으며, 이는 지속적인 사람의 출입이 불가피한 주거환경의 특성상 인체에 노출될 경우 유해한 제품을 사용하여 살균하는 것이 불가능하기 때문이라고 판단된다.
이러한 단점을 보완하기 위해 최근에는 인체에 노출되어도 유해한 영향을 주지 않는 가시광선 영역(400~700 nm)을 이용한 살균에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있는데, 그 중 405 nm LED를 사용한 살균이 특히 효과가 있다고 알려져 있다. Kumar et al. (2015)는 405 nm LED와 520 nm LED를 이용한 살균효과를 비교한 결과 405 nm LED가 훨씬 우수한 살균 성능을 나타낸다고 하였고, Maclean et al. (2009)은 405 nm LED를 이용하여 병원에서나 일상에서 자주 발생하는 세균에 대하여 그람양성균과 음성균 모두에 살균효과가 있다고 하였다. Murdoch et al. (2013)은 세균뿐만 아니라 Aspergillus niger와 같은 진균에서도 살균효과가 명확하게 드러나고, 자외선을 이용한 살균보다는 효과가 약하지만 가시광선 LED의 장점들은 잠재력이 있기에 다양한 분야에서 응용될 수 있음을 강조하였다. 그러나 현재까지 진행된 연구들은 대부분 실험실에서 균만을 대상으로 실험을 한 것이므로 LED를 이용한 살균이 실생활에 적용하였을 경우에도 효과적인지에 대한 추가적인 연구는 거의 이루어지지 않았다. 따라서 실제 주거공간에 곰팡이와 같은 피해가 발생했을 경우 UV-C 파장의 자외선이 아닌 가시광선 영역의 LED를 사용하여 장시간 조사하면, 실험실에서 진행된 사전 연구들과 마찬가지로 실생활에 적용하였을 경우에도 효과적인 살균효과를 나타내는지 확인할 필요가 있다.
본 연구에서는 곰팡이 피해가 발생한 공동주택 현장에서 LED를 이용한 살균이 실제로 효과가 있는지와 LED로 인한 표면온도 상승이 곰팡이에 영향을 미치는지를 확인하고자 하였다. 이를 위해 주거공간 내에 곰팡이 피해가 발생한 공동주택 현장에서 곰팡이가 발생한 벽면을 대상으로 405 nm LED를 조사하였을 때, 시간에 따른 살균효과와 표면온도의 변화를 확인 및 분석하고 LED를 이용한 효과적인 오염물질 관리 방안에 대해 제안하고자 한다.
측정개요
대상공간
본 실험의 대상공간으로 실제로 곰팡이 피해가 발생한 인천의 A 아파트를 선정하였다. 2004년 말에 준공된 A아파트의 경우 아파트 전체적으로 모든 세대들이 외벽 단열 시공이 제대로 되지 않아 외벽과 맞닿은 벽들에서 쉽게 결로가 발생한다는 문제점이 있다. 특히 발코니의 경우 지속적인 환기가 이루어지지 않았을 때 곰팡이가 빈번하게 발생하는데, 대상 세대의 경우도 동일한 문제로 인해 발코니 벽면에 Figure 1(a)와 같이 상당한 곰팡이 피해가 발생했다. Figure 1(b)는 대상 세대의 평면도이며 실험은 가장 넓은 부분에 걸쳐 곰팡이 피해가 발생한 발코니 2에서 진행되었다.
LED Module
본 연구에서는 공동주택 내 발생한 곰팡이를 살균하는 데에 405 nm의 LED 소자를 이용하여 제작한 Module을 사용하였다. LED Module은 3W출력의 405 nm LED 소자(Hontiey, 중국) 12개를 Figure 2(a)와 같이 4×3 형태로 기판에 부착하여 배치하였다. LED 소자를 이용하여 직접 제작한 모듈이기 때문에 본 측정에 사용된 장치의 정확한 사양을 파악하기 위해 Spectrometer (BLACK-Comet C-50, StellarNet, 미국)를 이용하여 LED Module 파장 특성과 거리에 따른 강도를 확인하였으며 측정 결과는 Table 1과 같다.
Table 1. 405 nm LED Module Specification
| Measure | Value |
| Peak Wavelength (nm) | 404.5 |
| Centroid Wavelength (nm) | 405.7 |
| FWHM (Full Width at Half Maximum) | 15.18 |
| Intensity (W/m2) at 5 cm | 750 |
| UV dose (J/cm2) at 15, 30, 45 min | 67.5, 135, 202.5 |
또한 LED에서 발생하는 열로 인한 영향을 줄이기 위해 Heat Sink에 LED 기판을 부착하여 팬과 함께 가동하였고, 최대한 동일한 조건으로 실험을 진행하기 위해 Figure 2(b)와 같이 거리를 1 cm 간격으로 최대 20 cm까지 조절할 수 있는 부가적인 재료의 조립을 통해 LED의 조사거리를 변수로 두어 가동할 수 있는 가로 15.5 cm × 세로 11.5 cm 크기의 Module을 제작하였다.
측정방법
측정은 2019년 10월 21일 오전 9시 30분부터 11시 30분까지는 북향 벽면(Wall 1), 13시부터 15시까지는 서향 벽면(Wall 2에 동일한 방법으로 2회 진행되었다. 곰팡이 피해가 발생한 벽면 중 가시적으로 가장 균일하게 발생한 두 곳을 LED 조사 구역으로 선정하였고, Figure 3(a)와 같이 LED Module의 바닥면 사이즈와 동일한 15 cm x 11 cm 씩 6구역으로 분할하였다. 1구역 당 1개의 LED Module로 조사하였으며 샘플링은 각 구역의 중심선을 기준으로 좌측과 우측 총 2회 포집하였고, 면적 25 cm2의 Rodac Plate PDA (Potato Dextrose Agar) 배지를 사용하여 벽면에 약 10초간 접촉시키는 스탬프 방식으로 진행하였다. LED는 한 번 조사할 때 15, 30, 45 min 동안 Figure 3(b)와 같이 벽면으로부터 5 cm 떨어져 가동되었고, 2 개의 Module을 사용하여 한 번에 2구역씩 LED 조사 및 샘플링을 진행하였다.
제작한 LED Module을 가동하였을 때 발생하는 열로 인한 영향을 줄이기 위해 Heat sink 및 팬을 부착하여 함께 가동하였으나, 실제로 적용하였을 때 대상면의 온도가 상승하여 곰팡이의 생장 및 제어에 직접적인 영향을 줄 수도 있기 때문에 본 실험을 진행함과 동시에 대상 표면의 표면온도와 대상공간의 온습도도 함께 측정하였다. 표면온도는 열전대를 사용하여 대상벽면에 직접 부착한 후 데이터로거(GL820, GRAPHTEC, 일본)를 통해 LED를 가동함에 따라 발생하는 표면온도 변화를 기록하였고, 대상공간 내 온습도는 HOBO의 MX1101을 이용하여 측정하였다.
본 연구의 실험방법에 따르면 2개의 LED Module을 특정시간 동안 곰팡이가 발생한 벽면에 조사하였을 경우 1 time 조사할 때마다 4개의 곰팡이 샘플을 포집할 수 있고, 오전 및 오후 2회 진행으로 동일시간 총 8개의 샘플을 포집할 수 있다. 또한, LED를 조사한 벽면의 살균효과를 비교하기 위해 조사 면적 외의 벽면에서도 추가적으로 대조군 샘플링을 20회 이상 진행하였다. 이때 샘플링한 대조군 중 근접한 위치에서 샘플링한 2개의 배지 3 set는 실험실의 클린벤치에서 배지 뚜껑을 오픈한 채로 직접 조사한 경우(x1, y1, z1)와 아닌 경우(x2, y2, z2)로 나누어 Figure 4와 같이 배지 조사 실험을 진행하였다. 배지 조사 실험은 동일한 LED Module을 사용하여 5 cm 거리에서 60 min 동안 진행되었다.
벽면 조사와 배지 조사를 진행한 PDA 배지들은 배양기에서 25°C의 조건으로 4~5일간 배양하였고, 배양한 후 배지에 형성된 곰팡이 군집의 수(콜로니)를 계수하였다.
결과 및 토의
대상벽면 표면온도 및 대상공간 온습도 측정 결과
곰팡이는 온도에 따라 발생 및 생장에 영향을 받고, 특히 일상생활에서 발생하는 곰팡이들은 대부분 고온에서 생존하기 어렵기 때문에 복사열에 의한 영향 여부를 확인하기 위하여 LED로 인한 표면온도 변화를 반드시 확인해야 한다. 실험에서 사용한 LED Module의 경우 Heat sink와 팬이 부착되어 있기 때문에 Figure 5(a)와 같이 표면온도는 약 20분 정도 지났을 때 20.1~20.2°C에서 더 이상 상승하지 않고 안정됨을 확인할 수 있었다. 또한 실험 당시 대상공간의 온습도는 Figure 5(b)와 같이 각각 약 16~23°C와 약 50~70%였기 때문에 측정 당일 곰팡이의 생장 및 살균에 큰 영향을 미치지 않았을 것으로 판단된다.
405 nm LED 벽면 조사 결과
오전에 북향 벽면을 15, 30, 45 min 동안 조사한 후 샘플링한 배지와, LED를 조사하지 않은 대조군 배지를 동일한 조건에서 배양한 후 콜로니를 계수하였다. 대조군은 최소 약 1200 CFU/25 cm2부터 대부분은 계수할 수 없을 정도로 많은(TNTC, too numerous to count) 곰팡이가 배양되었다. 405 nm LED를 15 min 동안 조사한 구역에서는 이보다 조금 감소한 CFU 값을 나타냈고, 조사시간이 증가할수록 Table 2와 같이 곰팡이의 군집 수가 큰 폭은 아니지만 감소한다는 것을 알 수 있었다. C 구역을 45 min 동안 조사한 경우는 오히려 30 min 동안 조사했을 때보다 곰팡이 군집의 수가 증가하였고 D 구역의 경우는 계수를 하였을 때 대부분 TNTC가 나타났는데, 이는 벽면의 일부분이 다른 벽면보다 더 많은 곰팡이 피해가 발생하여 LED를 이용하여 살균을 했음에도 불구하고 큰 효과가 나타나지 않았을 것이라고 판단된다.
Table 2. Results of an Field Experiment on the wall 1
| Time (min) | CFU/25 cm2 | |||
| A | B | C | D | |
| 0 (Control) | TNTC | 1350 | 1250 | TNTC |
| 15 | 1250 | 1100 | 1075 | TNTC |
| 30 | 1200 | 700 | 975 | 825 |
| 45 | 625 | 675 | 1325 | TNTC |
동일한 방법으로 오후에 15, 30, 45 min 동안 서향 벽면을 조사한 후 샘플링한 배지 및 LED를 조사하지 않은 배지를 4~5일간 배양한 후 곰팡이 군집의 수를 계수하였다. 그 결과 Table 3과 같이 오전 실험과 유사하게 A~D 모든 구역에서 LED 조사시간이 증가할수록 형성된 곰팡이 군집의 수가 감소하였고, 이는 오전 실험 결과보다 더 명확한 살균효과를 보여주었다. Figure 6은 오전과 오후에 진행되었던 LED 살균 실험 결과를 그래프로 나타낸 것으로, LED의 강도와 조사거리는 유지한 채 조사시간만 변수로 두었을 때 TNTC인 경우를 제외하고는 조사하는 시간이 증가할수록 살균성능 역시 증가하는 것을 알 수 있다. Figure 6의 그래프에서 TNTC값은 (a), (b) 모두 2000 CFU/25 cm2 이라고 가정하였고, 각각의 살균율은 30 min 기준으로 평균 약 42%와 54%로 나타났다.
Table 3. Resultsof an Field Experiment on the wall 2
| Time (min) | CFU/25 cm2 | |||
| A | B | C | D | |
| 0 (Control) | TNTC | TNTC | TNTC | TNTC |
| 15 | 1775 | TNTC | 1050 | 1275 |
| 30 | 1200 | 925 | 775 | 800 |
| 45 | 675 | 900 | 675 | 700 |
405 nm LED 배지 조사 결과
곰팡이가 발생한 벽면의 유사한 위치에서 2개씩 총 3set를 샘플링한 후, 한 세트당 샘플 한 개씩은 실험실 클린벤치 내에서 벽면 조사 실험과 동일한 405 nm LED Module을 사용하여 5 cm 거리에서 60 min 동안 조사하였다. LED를 조사한 배지(x1, y1, z1)와 그렇지 않은 배지(x2, y2, z2)를 동일한 조건으로 4~5일간 배양한 후, 콜로니를 계수하였다. 그 결과 Figure 7과 같이 LED를 조사하지 않은 배지에서는 계수할 수 없을 만큼(TNTC)의 곰팡이들이 배양되었고, 그에 비해 LED를 60 min 동안 조사한 배지에서는 현저히 적은 곰팡이들이 배양되었다. 마찬가지로 Table 4의 데이터를 기반으로 TNTC를 2000 CFU/25 cm2 이라고 가정하고 살균율을 구하였을 때, x, y, z 는 평균 약 86%의 살균율을 나타냈다. 이와 같이 벽면에 직접 LED를 조사한 결과보다 더 큰 살균효과를 보여주었는데 30 min 동안 조사한 현장보다 더 긴 시간인 60 min 동안 조사하였기 때문으로 판단된다. 또한 배지 조사 실험에 사용한 배지는 곰팡이가 배지 표면에만 포집되어 대부분의 면에 LED가 도달하였으나 벽면에서 발생하는 곰팡이들은 벽면 틈새로 뿌리를 내리므로, 빛이 틈새까지 도달하지 못해 살균효과 차이가 발생할 수 있다고도 판단된다.
Table 4. Result of an Experiment in Clean bench
| CFU/25 cm2 | ||
| x1 | y1 | z1 |
| 350 | 106 | 175 |
| x2 | y2 | z2 |
| 1450 | 1100 | TNTC |
결 론
본 연구에서는 가시광선 영역의 405 nm LED가 실제로 현장에서 사용되었을 때의 살균 성능을 파악하고자 현장실험을 진행하고 그 결과를 분석하였다. 세대 내에 곰팡이 피해가 발생한 공동주택에서 대상 벽면에 405 nm LED를 시간에 따라 나누어 조사하였고, 추가적으로 샘플링한 대조군 배지에도 직접 LED를 조사하였다. 그 결과 동일한 강도와 파장, 조사거리를 유지하였을 때 조사시간이 길어짐에 따라 살균효과 역시 더 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 실생활에서 가시광선 LED를 사용하여 살균하는 것이 충분히 가능하다는 것을 보여주었고, 장시간 노출되어도 인체에 무해한 가시광선 LED의 특성상 재실자의 빈번한 출입이 불가피한 공동주택에서도 충분히 사용할 수 있음을 나타낸다. 또한 벽면에 발생한 곰팡이를 샘플링한 후 배지에 직접 LED를 조사하였을 때 실제로 벽면에 적용되는 것보다 더 높은 살균효과를 보였는데, 이는 벽면 틈새까지 뿌리를 내린 곰팡이에 LED가 도달하지 못하였기 때문이라고 판단된다. 본 연구에서 진행된 실험은 하나의 세대만을 바탕으로 진행된 것이기 때문에, 추후에는 곰팡이 피해가 발생한 세대들을 대상으로 더 많은 실험을 진행하여 특정 강도에서 얼마만큼의 시간동안 LED를 조사하였을 때 가장 효과적인지에 대해 연구할 필요가 있다고 판단된다. 또한, LED 이격거리를 근거리인 5 cm로 고정시켰기 때문에 실제로 곰팡이 발생 지점에 사용할 때 조명의 용도로는 거의 사용이 불가능하다는 단점이 있다. 따라서 추후에는 조명의 용도로도 사용이 가능하게끔 다양한 거리 및 강도에서 LED를 조사하였을 경우에도 살균 효과가 나타나는 지에 대한 연구가 필요할 것이라고 판단된다.
