죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

공기질 모니터링의 중요성

PDF 다운로드

글/알렉스 플루머(Alex Pluemer), Wavefront Marketing의 수석 기술 작가

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.

공기 오염 문제는 특히 실내 공기질에 관한 것이라면 인간의 건강에 해로운 영향을 미칠 수 있는 심각한 사안이다. 하지만 다행스럽게도 엔지니어들과 개발자들은 이 같은 오염 물질의 존재를 감지하고 보다 건강한 근무 환경을 조성하는 데 효과적인 공기질 센서를 개발하기 위해 노력해 왔다. 본 글에서는 이 같은 센서가 모니터링할 수 있는 다양한 유형의 공기 오염물질에 대해 살펴보고, 실내 공기질이 전반적인 근무 환경에서의 건강이나 생산성에 있어 중요한 이유를 살펴볼 것이다.

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.

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.

일부 공기질 모니터는 TEOM(Tapered Element Oscillating Microbalance) 방식을 사용하여 공기 중 미세먼지 수준을 측정한다. 이 장치들은 미세한 입자 조각들이 들어갈 수 있을 정도로 충분히 큰 구멍이 있는 유리관을 갖추었다. 미세먼지가 튜브 내부에 축적되면 진동하고, 더 많은 미세먼지가 튜브 내부에 모이면 진동 빈도가 증가한다. 그러나 조리개의 크기는 고정되어 있기 때문에 TEOM은 조리개의 크기보다 작은 입자 물질만 측정할 수 있어 다소 제한적이라 할 수 있다. 미세먼지는 또한 공기 중의 입자에서 반사되는 빛의 양을 측정하는 광검출기를 사용하여 광학적으로 검출되고 측정될 수 있다. 이 방법은 큰 입자가 작은 입자보다 더 많은 빛을 반사하기 때문에 모든 크기의 미세먼지에 적용된다.

공기질 모니터는 비분산 적외선(NDIR) 흡수 방식을 사용하여 CO 및 CO2 와 같은 가스를 감지한다. 적외선이 가스를 통과할 때 일부는 흡수된다. 공기질 모니터는 공간을 통해 적외선을 방출한 다음 반대쪽의 빛의 강도를 측정함으로써 그 공간에 얼마나 많은 CO와 CO2(백만 분율)가 존재하는지 확인할 수 있다.

공기 중 VOC를 측정하는 일은 공기 중의 다른 요소와 분리하지 않고는 정확하게 측정할 수 없기 때문에 그리 간단한 일이 아니다. 이는 보통 공기 샘플이 불활성 기체(주로 헬륨이나 질소)와 혼합되고 컬럼(column) 또는 튜브(tube)를 통과하는 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography, GC)라는 화학 공정을 통해 수행된다. 개별 화학 성분은 물리적 또는 화학적 특성(또는 둘 다)에 따라 다른 속도로 열을 통과하므로 모니터가 별도로 측정할 수 있다.

공기질 모니터의 잠재적인 단점 중 하나는 센서가 구현하거나 환경에 맞게 보정하는 데 걸리는 시간으로, 이는 때로는 최대 한 달까지 걸리기도 한다. 따라서 해당 시점까지 수집된 모든 데이터가 정확하지 않을 수 있다.

또 다른 잠재적인 단점은 연중무휴 작동하는 공기질 모니터가 엄청난 양의 데이터를 수집하기 때문에 정보가 과부하 된다는 점이다. 초당 한 번의 판독을 수행하는 연속 작동 중인 공기질 모니터 한 대는 매주 50만 개 이상의 데이터 포인트를 생성한다.

시장에 출시된 공기질 모니터 중에는 디지털 디스플레이가 탑재된 버전도 있는 반면, 컴퓨터나 스마트폰의 앱을 통해서만 구성 가능한 제품들도 있다. 또 어떤 제품들은 알렉사(Alexa)나 구글 어시스턴트(Google Assistant)와 같은 디지털 홈 어시스턴트나 스마트 홈, 또는 빌딩 네트워크와 함께 작동하도록 사전 프로그래밍되어 있다. 비용 또한 천차만별이다. 일부 산업용 공기질 모니터 제품들은 수백 달러에 이르지만, 가정이나 주거용으로 설계된 공기질 모니터는 100달러 미만으로도 구입 가능하다.

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.

난방, 환기 및 에어컨(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.

실내 공기질을 모니터링하는 것은 안전하고 건강한 근무, 학습 환경을 조성하는 데 중요하다. 공기질 모니터링 기술은 최근 몇 년 동안 비약적인 발전을 이루어, 반복 노출을 통해 건강에 심각한 영향을 미칠 수 있는 광범위한 공기 오염 물질을 감지할 수 있는 수준에 이르렀다. 실외 공기질은 특별한 기술 없이도 감지하는 것이 가능하지만, 열악한 실내 공기질은 언제든 쉽게 확인할 수 있는 것이 아니기 때문에 모니터링하는 것이 중요하다. HVAC 시스템을 최적 수준으로 운영하고 질병 전염 위험을 줄임으로써 전반적인 공기 흐름과 환기를 개선하면, 근무 환경에서의 생산성을 높이고 의욕을 높일 수 있다. 기술이 지속적으로 발전하고 있기에, 향후에는 다양한 오염 물질을 감지하면서 실내 환경을 보다 효과적으로 안전하고 건강하게 유지하는 발전된 공기질 모니터 제품의 출시를 기대해볼 수 있지 않을까?

열악한 대기 질에 대한 해결책

팬데믹 기간 동안 재택 근무가 증가하면서 교통 혼잡이 완화되고 결과적으로 도심의 공기도 맑아졌다. 미국 경제 연구국(National Bureau of Economic Research)의 보고서에 따르면 미국에서 도심지 차량 운행 감소에 따른 대기 오염 개선으로 전국적으로 천식, 폐 질환, 심장병과 같은 대기 질 관련 질병이 약 25% 감소했다.

그러나 팬데믹 이후 전세계 도시들이 일상을 회복해 가면서 혼잡도 역시 원래대로 돌아가고 있다. 자동차 통행량이 증가하면서 직경 2.5?m 이하의 치명적인 미세먼지(particulate matter, PM)를 포함한 유해 배출물들이 지속적으로 배출된다. 이 ‘PM2.5’는 폐 깊숙이 침투하는 가장 위협적인 오염 물질 중 하나이다.

열악한 대기 질 문제로 가장 큰 고통을 받는 것은 전세계 빈곤층들이다. 예를 들어, 정비나 관리가 제대로 되지 않은 차량들로 극심한 혼잡을 겪고 있는 인도 뭄바이는 대기 질이 끔찍한 수준일 때가 많다. ‘Times of India’ 신문은 이 도시가 세계 859개 도시들 가운데 최악의 오염도 전체 순위 63위, 최악의 ‘메가시티’ 중에서는 4위를 기록했다고 보고했다. 신문에 따르면 이 도시는 거주 인구의 20%가 빈곤선 아래에서 살고 있는 ‘연담 도시(conurbation)’이며, 유엔(UN)은 빈곤선을 하루 생활비가 미화 1.90달러 미만인 사람이라고 정의한다.

빠르게 성장하는 사물 인터넷(IoT)은 장기적 관점에서 선진국과 개발도상국 모두에게 열악한 대기 질에 대한 해결책을 제공한다. 상업용 공기질 센서를 LoRaWAN® 같은 저전력 광역 네트워크(LPWAN)를 통해 IoT에 무선으로 광범위하게 연결한다면 도시 계획자는 대기 오염 문제를 해결하는 데 필요한 세분화된 데이터를 구할 수 있다.

취약계층 보호를 위한 조치

뭄바이가 특별한 것은 아니다. 유엔은 전세계적으로 10억 명 이상의 도시 거주자가 빈민가에 살고 있으며 열악한 공기질로 인해 불균형적인 고통을 받고 있다고 말한다. 세계보건기구(WHO)에 따르면 대기 오염은 비전염성 질병의 주요 원인으로서, 전체 성인 사망자의 약 24%는 심장병으로, 25%는 뇌졸중, 43%는 만성 폐쇄성 폐질환, 29%는 폐암으로 사망한다.

유엔은 이 위험에 처한 그룹의 삶의 질과 안전을 개선하기 위해 시급한 조치가 필요하다는 것을 잘 알고 있다. 2015년에 유엔 회원국들은 “2030 지속 가능한 개발을 위한 의제(2030 Agenda for Sustainable Development)”를 채택했다. 17개의 지속 가능한 개발 목표(SDGs)로 구성된 이 계획에는 도시를 안전하고 탄력적이며 지속 가능하게 만들기 위한 노력들이 담겨 있다. 그 목표들 중에는 대기 질 개선에 대한 약속들이 포함되어 있다.

IoT 기술 제공회사들은 유엔의 의제를 기꺼이 지지한다. LoRaWAN 프로토콜을 알리기 위한 개방형 비영리 단체인 LoRa 얼라이언스(LoRa Alliance)도 그 중 하나이다. 이 단체의 회원사들은 “선(善)을 위한 LoRaWAN(LoRaWAN for Good)”이라는 비전 아래 대기 오염 개선을 위한 몇 가지 실천안들을 개발하고 있다.

하나의 예로서, 도시 계획자는 LoRaWAN을 통해 클라우드에 연결된 저가의 소형 무선 센서로부터 데이터를 신속하게 생성, 대조, 분석할 수 있는 IoT의 기능을 활용함으로써 ‘빅 데이터’ 기반의 대기 오염 제어 능력을 향상시킬 수 있다. 이러한 시스템은 다음과 같은 요소들로 구성된다.

• 실시간으로 오염 수준을 모니터링 및 보고하는 무선 공기질 센서

• 근거리 무선 센서 네트워크에서 클라우드로 데이터를 전송하기 위한 LoRaWAN 연결

• 수만 개의 무선 센서들로부터 수집되는 연속 데이터 스트림에 대한 분석 기능을 갖춘 클라우드 서버

• 대기 오염이 위험 수준으로 악화하는 것을 막기 위한 조치를 제안하는 예측 알고리즘

무선 공기질 센서는 배기 가스에 만연한 이산화질소(NO2)와 일산화탄소(CO)를 포착하고 차량으로부터 발생하는 대기 오염의 전반적인 지표를 제공하도록 ‘조정’될 수 있다. 이러한 PM2.5 및 가스 센서는 저렴하고 눈에 띄지도 않기 때문에 도시 전역에 설치하여 대기 오염을 모니터링할 수 있다.

LoRaWAN을 지원하는 최종 장치는 이러한 무선 공기질 센서 네트워크에 통합되며, 이들은 다시 LoRaWAN 게이트웨이 네트워크에 연결된다. 그들은 10년 동안 지속되는 배터리를 장착한 최종 장치를 사용하여 도시 지역에서는 5km, 교외의 가시선(LoS) 연결을 통해서는 최대 15km까지 데이터를 전송할 수 있다. 따라서 LoRaWAN은 모든 도시 지역에서 빠르고 저렴한 무선 센서 네트워크 구축을 위한 백본을 제공할 수 있다.

안정적 인프라의 중요성

안정적이고 장기적인 성능을 보장하려면 LoRaWAN을 산업용 등급의 장비들로 구축해야 한다. 게이트웨이는 통신 체인의 핵심 링크인데, 다행히도 입증된 산업용 옵션이 많이 있다. 일례로 어드밴텍(Advantech)의 WISE-6610 산업용 LoRaWAN 게이트웨이를 들 수 있는데, 이는 산업용 환경에 안정적인 LoRaWAN 연결을 보장한다. 어드밴텍 게이트웨이는 사설 및 공용 LoRaWAN 네트워크를 지원하며, 인터넷 프로토콜 스위트(Internet Protocol(I.P.) Suite)의 일부를 형성하는 경량 네트워크 프로토콜인 MQTT를 특징으로 한다.

WISE-6610 게이트웨이의 하드웨어 및 소프트웨어는 에지 컴퓨팅 시스템을 지원하며, 이중화 강화 기능을 포함하고 있어 연결 손실을 막아준다. 뿐만 아니라 안전한 통신을 위한 VPN 터널 생성과 LoRaWAN 데이터를 로컬로 암호화 및 변환할 수 있는 네트워크 서버를 통해 매우 높은 수준의 보안을 뒷받침한다. 이 밖에도 868 ~ 915MHz의 주파수 범위, 9 ~ 36VDC의 전원 입력 범위, DIN 레일 또는 벽면 장착, 그리고 IP30 외함 등급 등의 특징을 갖추고 있다.

LoRaWAN 게이트웨이에서 클라우드로 전송된 데이터를 집계 및 분석함으로써, 도시 전체의 대기 오염이 어떻게 변화하고 있는지 거의 실시간으로 면밀히 파악할 수 있다. 이력 데이터베이스가 발전함에 따라 알고리즘이 과거 이벤트를 참조하여 미래 패턴이 어떻게 전개될지 정확하게 예측할 수 있으므로, 필요한 경우 정부 당국이 예방 조치를 취할 수 있다. 이러한 정보는 교통 흐름 통제, 친환경 차량에 대한 일시적인 도로 통행료 인하, 셀룰러 네트워크나 인터넷을 통한 대피 안내문 발송 등과 같은 선제적 조치에 활용될 수 있다.

지속 가능한 개발 목표에 한 발 더 접근

경유차와 휘발유차의 배기관에서 배출되는 PM2.5는 우리의 건강에 잠재적인 위험이 될 것이다. 뿐만 아니라 호흡기 질환으로 인한 생산성 손실과 의료 체계에 대한 부담 증가는 거대 연담 도시들의 주요한 문제로 대두되고 있으며, 현재 이들 도시에서는 IoT 및 LoRaWAN으로 눈을 돌려 기존 모니터링 시스템의 약점을 해결하고 있다. 정확한 데이터의 연속 스트림을 거의 실시간으로 생성하는 무선 센서 네트워크를 통해, 도시 계획자는 환경 조건이 특히 더 불리한 날에 오염 발생을 제한하기 위해 교통 흐름을 차단하는 것과 같이, 사실 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있다.

도시 전역의 LoRaWAN 인프라를 지원하는 차세대 무선 센서 네트워크 덕분에, 도시를 보다 안전하고 탄력적이며 지속 가능하게 만들기 위한 유엔의 11번째 지속 가능한 개발 목표(SDG)에 훨씬 더 가까워졌다. 이는 선(善)을 위해 LoRa 기술을 어떻게 활용할 수 있는지를 완벽하게 보여주는 사례이다.

전세계적으로 도시는 대기 오염으로 고통받고 있으며 빈곤층은 특히 더 취약하다. IoT 사용의 증대와, NO2 및 CO를 측정하도록 조정된 저렴한 무선 센서의 가용성은 서로 결합하여 시너지 효과를 나타냄으로써 이러한 문제들을 해결할 수 있는 기회를 제공한다. LoRaWAN 인프라를 통해 지원하는 무선 공기질 센서는 미세먼지 오염의 일시적 및 장기적 에피소드를 모두 처리하는 데 필요한 빠르고 세분화된 데이터를 제공한다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>