공기 정화를 DIY로 테스트하는 일은 충분히 실용적이며, 실험을 잘 설계하면 고가의 센서 없이도 — 100,000배 이상의 입자 저감을 보이는 공기청정기 구성까지도 — 평가할 수 있습니다.

저는 지난 몇 년간 DIY 테스트를 많이 해왔습니다 (1, 2, 3, 4, 5, 6). 주로 무언가가 공기 중 입자를 얼마나 잘 제거하는지 알아보는 것이 목적입니다. 전문적인 파티클 카운터(예시)는 수천 달러에 달하는 놀라운 장비이지만, 사실 그 가격에 포함된 것은 편의성, 신뢰성, 교정, 그리고 다이내믹 레인지입니다. 편의성을 어느 정도 포기하고 신뢰성을 위해 여러 대를 구입할 의향이 있다면, 교정과 다이내믹 레인지 문제는 실험 설계로 저렴하게 해결할 수 있습니다.

오늘날 DIY 용도로 바로 쓸 수 있는 가장 저렴한 옵션은 아마 Temtop P600일 것이며, 현재 가격은 70달러 정도입니다. 직접 써보진 않았지만, 이 제품은 제가 몇 년 전 DIY 실험용으로 구입했던 Temptop M2000의 기능을 간소화한 버전입니다. 더 저렴하게 만들고 싶다면 PMS5003을 21달러 정도에 구입해 저렴한 SoC(약 10달러)나 안드로이드 폰(어댑터는 15달러대)에 연결하면 됩니다. 대량 생산한다면 15달러 이하로도 가능할 것 같습니다. 대량으로 주문할 경우 PMS5003이나 그 클론 제품은 약 7달러, 폰 어댑터는 1달러 미만, 소프트웨어는 1달러 미만이며, 여기에 케이스와 조립, 품질 검사가 더해집니다.

Temtop과 PMS5003은 어느 정도 교정되어 있지만, 다행히 절대적인 입자 수를 알 필요는 없습니다. 필요한 것은 합리적인 범위 내에서 입자 수에 선형적으로 비례하는 수치뿐입니다. 측정기가 시간에 따라 안정적이기만 하다면 비율만 보면 됩니다. 예를 들어 어떤 장치가 방 안의 연기를 얼마나 빨리 제거하는지 보고 싶다면, 목표한 양의 연기를 만들거나 정확히 얼마나 생성했는지 알 필요가 없습니다. 반감기만 측정하면 됩니다. 이를 통해 상대적 효능을 바로 알 수 있고, 부피를 아는 밀폐된 공간이라면 CADR도 구할 수 있습니다.

다이내믹 레인지는 좀 더 까다롭지만 여전히 전문 센서가 필요하지는 않습니다. DIY 클린룸 설비의 효능을 측정하고 싶다고 가정해 보겠습니다. (참고: 이 주제에 관심이 있다면 Coefficient Giving에서 지원을 받을 수도 있습니다.) 입자로 가득 채울 바깥쪽 방과, 입자 수를 낮게 유지하고 싶은 안쪽 공간이 있습니다. 위에서 언급한 센서들은 대략 500~1,000배 범위의 입자 농도를 측정할 수 있지만, 그보다 더 큰 저감을 달성했는지 확인하려면 단순한 실험으로는 측정 범위가 부족합니다. 바깥에서 측정 가능한 농도는 안쪽에서는 ‘측정 범위 이하’가 되고, 안쪽에서 측정 가능한 농도는 바깥에서는 ‘측정 범위 초과’가 됩니다. 어떻게 해야 할까요?

가장 간단한 방법은 그냥 더 오래 기다리는 것입니다. 사실 이 방법도 꽤 괜찮습니다! 파티클 카운터는 입자가 있을 때만 정확히 보고하는 능력이 뛰어나서, 10배 오래 측정하면 10배 높은 감도를 얻을 수 있습니다. 하지만 측정 범위가 1,000배인데 100,000배의 저감을 측정하려면 기다리는 시간이 매우 길어집니다. 공기 농도를 센서의 측정 범위 안으로 끌어들여 속도를 높이거나(혹은 범위를 더 넓히거나) 할 수 있습니다.

그다음으로 간단한 방법은 안쪽과 바깥쪽에 각각 센서를 하나씩 두고, 바깥쪽에 공기청정기를 두는 것입니다. 미리 두 센서를 서로 교정해 둔 뒤, 매우 높은 농도(바깥은 측정 범위 초과, 안쪽은 측정 범위 이내)에서 실험을 시작합니다. 공기청정기로 바깥 농도를 점차 낮춥니다. 중간 구간(바깥은 범위 초과, 안쪽은 범위 이하)을 지나면 바깥이 측정 범위 안으로 들어옵니다(하지만 안쪽은 범위 이하). 이상적인 실험이 어떻게 보일지 예시는 다음과 같습니다:

두 센서가 동시에 유효한 측정값을 내는 구간은 없지만, 곡선을 외삽하면 안쪽 센서가 10을 가리킬 때 바깥 센서는 1,000,000을 가리킬 것이라고 추정할 수 있습니다.

하지만 공기청정기가 매분 바깥 입자의 10%를 일정하게 제거한다는 가정에 의존하는 대신, 세 번째 센서를 추가할 수 있습니다. MERV-16 필터가 달린 팬은 입자의 최소 95%를 제거하므로, 팬과 MERV-16 필터로 상자를 만들고 그 상자 안의 농도를 측정하면 됩니다. 상자를 밀폐할 필요는 없습니다. 팬이 만드는 양압만으로 MERV 필터를 통과한 뒤의 농도만 측정하게 됩니다:

불행히도 이것만으로는 Inside와 Outside 곡선을 연결하기에 충분하지 않지만, 99.97% 이상의 입자를 제거하는 HEPA 필터를 이용해 체인의 네 번째이자 마지막 연결 고리를 추가할 수 있습니다:

이제 각 센서 쌍 사이에는 시간적으로 충분한 겹치는 구간이 생기며, 그 비율을 그래프로 그릴 수 있습니다:

이 그래프에서 중요한 부분은 수평 구간입니다. 그곳이 각 센서가 보고한 값이 비례하여 함께 움직이는 구간이기 때문입니다. 기울어진 구간(그리고 비율이 1인 구간)은 센서가 측정 범위를 벗어난 경우이므로 의미가 없습니다.

여기서 MERV-16에서 20배, MERV에서 HEPA까지 167배, HEPA에서 클린룸 내부까지 30배의 저감을 읽어낼 수 있습니다. 이를 모두 곱하면 전체적으로 예상했던 100,000배의 저감이 나옵니다.

물론 실제 데이터는 훨씬 더 지저분하겠지만, 기본 아이디어 자체는 타당합니다.

추가적인 실무 유의사항:

• 여기서 다루는 입자 농도는 매우 높으므로 절대 직접 들이마셔서는 안 됩니다. 이상적으로는 밀폐된 방 밖에서 원격으로 농도를 모니터링하며 실험 전체를 진행하도록 구성하는 것이 좋습니다. 부득이하게 안으로 들어가야 한다면 밀착이 잘 되는 P100 마스크를 착용하세요(수염이 있으면 제대로 밀착되지 않는다는 점을 명심하세요).

• 저는 연기를 사용한 적이 있지만, 연기는 끈적거리고 다루기 까다롭습니다. 에어로졸화된 소금을 쓰는 편이 낫습니다. 초음파 가습기에 소금물을 넣어 공기 중에 분무할 수 있으며, 상대습도가 45% 이하라면 물방울이 말라 순수한 소금 결정이 됩니다. 습한 곳에서 실험한다면 제습기를 사용하면 됩니다.

• 이보다 훨씬 낮은 농도에서도 연기 감지기가 작동하며, 이렇게 높은 농도에서는 감지기가 고장날 수도 있습니다. 감지기를 떼어두거나, 최소한 전원을 끄고 비닐로 단단히 밀봉해 두는 것이 좋습니다.

• 소금은 사방에 퍼지고 약한 부식성이 있는 것으로 보입니다(해변 근처에서 오래 사는 것과 비슷합니다). 방 안의 물건을 모두 치우고, 일회용 비닐 시트(얇은 도장용 비닐 시트는 매우 저렴합니다)로 방 전체를 덮거나, 실험 후 모든 표면을 젖은 천으로 닦아내세요.