DIY로 공기 정화를 테스트하는 일은 충분히 실용적이며, 실험 설계를 조금만 고민하면 고품질 센서 없이도 10만 배 이상의 입자 저감을 보여주는 공기청정기 구성을 평가할 수 있다.

나는 지난 몇 년간 DIY 테스트를 많이 해왔다(1, 2, 3, 4, 5, 6). 목표는 대체로 무언가가 공기 중 입자를 얼마나 잘 제거하는지 파악하는 것이다. 전문용 파티클 카운터(예시)는 수천 달러에 달하는 놀라운 장비지만, 그 가격에 포함된 것은 편리함, 신뢰성, 교정, 그리고 동적 범위다. 편리함을 포기하고 신뢰성을 위해 여러 대를 구입할 의향이 있다면, 교정과 동적 범위는 실험 설계로 저렴하게 해결할 수 있다.

오늘날 DIY 작업용으로 바로 쓸 수 있는 가장 저렴한 옵션은 아마도 Temtop P600일 것인데, 현재 가격은 70달러 정도로 보인다. 직접 써보진 않았지만, 이 제품은 몇 년 전 내 DIY 실험에 쓰려고 샀던 Temtop M2000의 간소화된 버전이다. 더 저렴하게 직접 만들고 싶다면 PMS5003을 21달러 정도에 구해 저렴한 SoC(약 10달러)에 연결하거나 안드로이드 폰에 연결(어댑터는 15달러 선)하면 된다. 대량으로 생산한다면 15달러 이하로도 가능할 것 같다. 대량 구매 시 PMS5003이나 그 복제품은 약 7달러, 폰 어댑터는 이 규모에서 1달러 미만, 소프트웨어는 1달러 미만, 거기에 케이스와 조립, 약간의 품질 관리 비용이 더해지는 식이다.

Temtop과 PMS5003은 어느 정도 교정되어 있지만, 다행히 절대적인 입자 수를 알 필요는 없다. 합리적인 범위 안에서 입자 수에 선형적으로 비례하는 수치만 있으면 된다. 측정기가 시간에 대해 안정적이기만 하면 비율을 보면 된다. 예를 들어 방 안의 연기를 얼마나 빨리 제거할 수 있는지 보고 싶다면, 목표치만큼 연기를 만들거나 정확히 얼마나 만들었는지 알 필요가 없다. 반감기만 측정하면 된다. 이를 통해 상대적 효율을 바로 알 수 있고, 부피를 아는 밀폐된 방이 있다면 CADR까지 구할 수 있다.

동적 범위는 좀 더 까다롭지만 역시 전문 센서가 필요한 일은 아니다. DIY 클린룸 설비의 효능을 측정하고 싶다고 해보자. (참고: 이 아이디어에 흥미가 있다면 Coefficient Giving에서 지원을 받을 수도 있다.) 입자로 가득 채울 바깥 방과, 입자 수를 낮게 유지하고 싶은 안쪽 공간이 있다고 하자. 위에서 언급한 센서들은 입자 농도를 약 500~1,000배 범위에서 측정할 수 있는데, 그보다 더 큰 저감 효과를 달성했는지 평가하려면 간단한 실험으로는 범위가 부족하다. 바깥에서 측정 가능한 수준의 입자는 안쪽에서는 ‘측정 범위 이하’가 되고, 안쪽에서 측정 가능한 수준은 바깥에서는 ‘측정 범위 초과’가 된다. 어떻게 해야 할까?

가장 간단한 방법은 그냥 더 오래 기다리는 것이다. 사실 이 방법도 꽤 괜찮다! 파티클 카운터는 입자가 있을 때만 입자 수를 보고하는 데 매우 뛰어나서, 10배 오래 측정하면 10배 더 높은 감도를 얻을 수 있다. 그래도 측정 범위가 1,000배인데 100,000배의 저감을 측정하려면 꽤 오래 기다려야 한다. 공기 중 농도를 센서 측정 범위 안으로 끌어들여 속도를 높이거나(또는 범위를 더 넓히거나) 할 수 있다.

그 다음으로 간단한 방법은 센서를 안쪽과 바깥쪽에 하나씩 두고, 바깥쪽에 공기청정기를 함께 두는 것이다. 실험 전에 센서끼리 교정을 맞춰두고, 매우 높은 농도(바깥은 범위 초과, 안쪽은 범위 이내)에서 실험을 시작한다. 공기청정기가 바깥 농도를 낮추도록 둔다. 중간 구간(바깥은 범위 초과, 안쪽은 범위 이하)을 지나면 바깥이 범위 이내가 된다(하지만 안쪽은 범위 이하). 이상적인 실험이 어떻게 보일지 예시는 다음과 같다:

내부와 외부를 동시에 측정한 구간은 없지만, 곡선을 외삽해 안쪽 센서가 10을 가리킬 때 바깥 센서는 1,000,000을 가리킬 것이라고 추정할 수 있다.

하지만 바깥의 공기청정기가 매분 바깥 입자의 10%를 일정하게 제거한다는 데 의존하는 대신, 세 번째 센서를 추가할 수 있다. MERV-16 팬은 입자의 최소 95%를 제거하므로, 팬과 MERV-16 필터로 상자를 만들고 그 상자 안의 수치를 측정하면 된다. 상자를 밀폐할 필요는 없다. 팬이 만드는 양압만으로 우리가 측정하는 것이 MERV를 통과한 뒤의 농도임을 보장할 수 있다:

안타깝게도 이것만으로는 Inside와 Outside 곡선을 연결하기에 충분하지 않지만, 사슬에 네 번째이자 마지막 고리를 HEPA 필터로 추가해 입자의 최소 99.97%를 제거할 수 있다:

이제 각 센서 쌍 사이에 상당한 시간적 겹침이 생겼고, 그 비율을 그래프로 그릴 수 있다:

이 그래프에서 우리가 주목해야 할 부분은 수평 구간이다. 각 센서가 보고한 값이 비례해서 움직이고 있는 구간이다. 경사진 구간(그리고 비율이 1인 구간)은 의미가 없다. 센서가 범위를 벗어난 경우이기 때문이다.

그러면 MERV-16에서 20배의 저감, MERV에서 HEPA까지 167배의 저감, HEPA에서 클린룸 내부까지 30배의 저감을 읽어낼 수 있다. 이들을 곱하면 전체적으로 예상대로 100,000배의 저감이 나온다.

물론 실제 데이터는 훨씬 더 지저분하겠지만, 기본 아이디어 자체는 탄탄해야 한다.

추가적인 실무 참고 사항:

• 여기서 말하는 입자 농도는 정말 높으므로, 들이마시지 않는 것이 좋다. 이상적으로는 밀폐된 방 밖에서 실험 전체를 원격으로 모니터링하도록 구성하는 것이 좋다. 안에 들어가야 한다면 잘 맞는 P100 마스크를 쓰고(수염이 있으면 제대로 밀착되지 않는다는 점을 기억하자).

• 나는 연기를 써왔지만, 연기는 끈적거리고 다루기 까다롭다. 에어로졸화된 소금을 쓰는 것이 더 낫다. 초음파 가습기와 소금물로 공기 중에 퍼뜨릴 수 있으며, 상대 습도가 45% 미만이면 물방울이 말라 순수한 소금 결정만 남는다. 습한 곳에서 실험한다면 제습기를 쓰면 된다.

• 이보다 훨씬 낮은 농도에서도 연기 감지기가 울리며, 이 정도 농도에서는 고장 날 수도 있다. 감지기를 떼어내거나, 최소한 끄고 비닐로 단단히 밀봉해 두자.

• 소금은 사방에 퍼지고 약한 부식성이 있는 것으로 보인다(해변가에 오래 사는 것과 비슷하다). 방 안의 물건을 모두 꺼내고, 일회용 비닐 시트(얇은 도장용 비닐은 매우 저렴하다)로 방을 감싸거나, 실험 후 모든 표면을 젖은 천으로 닦아내자.