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[포커스] 회색 빛 공포 ‘미세먼지’... 저감할 수 있는 특허 동향

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특허뉴스 박진석 기자
기사입력 2023/02/20 [17:10]

▲ 출처=freepik  © 특허뉴스

 

 

정부의 마스크 착용 완화정책에도 불구하고 마스크를 벗는 사람이 크게 줄지 않았다. 회색 빛 공포인 미세먼지 때문이다. 해마다 붉게 물들인 황사보다 호흡기에 치명적인 손상을 주는 미세먼지, 그 중에서도 초미세먼지 농도가 나쁨단계까지 이르러 마스크가 필수품이 된지 오래이다.

 

코로나19 팬데믹 상황에서 마스크가 신종 호흡기 바이러스를 방어할 수 있는 매개체로 인정을 받았듯 황사, 미세먼지의 잦은 출현은 마스크를 일상의 필수품으로 만들었다. 사실 코로나 이전의 경우, 황사나 미세먼지 발생 시 마스크보단 공기청정기와 공조 시설들의 중요성이 크게 부각되었다.

 

중국 발 미세먼지와 중동 사막 발 모래바람, 굴뚝과 자동차 매연 등 미세먼지의 발생 원인은 다양하다. 미세먼지를 두고 수많은 가설이나 논문이 쏟아졌고, 루머와 괴담이 퍼지기도 했다.

 

미세먼지는 말 그대로 입자가 매우 작은 먼지이다. 일반 미세먼지는 사람의 머리카락 지름의 약 1/5~1/7 정도의 작은 크기로, 눈에 보이지 않는 상태로 대기 중에 머무르고 있다. 미세먼지는 입자 크기가 작아 호흡기를 거쳐 폐 등의 장기로 직접 침투하거나 혈관을 따라 체내로 이동해 인체건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있어 국제암연구소(IARC)에서는 미세먼지를 1군 발암물질로 지정하기도 했고, 세계보건기구(WHO)는 매년 규제와 가이드라인을 제시하고 있다.

 

 

윕스 IP정보센터에서 발간한 원래는 하늘 색깔이 푸른색이야이슈리포트를 정리하며, 미세먼지 해결을 위한 여러 가지 기술 중, 미세먼지 저감 기술에 대한 구체적인 내용과 더불어, 제거 기술을 세부적으로 분류하고 저감 기술별 특허 동향의 전체적 흐름을 통해 최근 연구동향을 살펴보았다.

 

이제 공포가 된 미세먼지는 무엇인가

 

미세먼지(Particulate Matter; PM)는 눈에 보이지 않는 매우 작은 먼지 입자이다. 크기에 따라, 10μm 이하 미세먼지(PM10)2.5μm 이하 초미세먼지(PM2.5)로 나뉜다. 미세먼지가 많은 날 하늘이 뿌옇게 보이거나 회색빛으로 보일 때는 공기 중 미세먼지 농도가 짙다는 말이다. 최근 연구 동향에 따르면, 미세먼지에 함유되어 있는 물질들을 분석한 결과, 중금속 함유량이 높아 미세먼지로 인한 문제 외에 중금속이 인체에 쌓이는 문제까지 제기되고 있는 상황이다. 미세먼지가 1군 발암물질로 지정될 만큼 인체에 위험성이 제기되고 있는 가운데, 미세먼지에 장기간 노출될 경우, 면역력이 급격히 저하되어 감기, 천식, 기관지염 등의 호흡기 질환은 물론 심혈관 질환, 피부 질환 등의 각종 질병으로 확장 될 수 있다.

 

미세먼지의 원인과 배출원은

 

중국이나 중동 사막에서 발생해 바람을 타고 날아오는 황사와 달리, 미세먼지는 국내에서도 많이 발생한다. 미세먼지 배출 원인을 살펴보면 알기 쉽다.

대기오염 물질은 배출원에서 직접 배출되는 형태의 1차 오염물질과 다른 전구물질이 배출되어 대기 중에서 화학반응을 통해 만들어지는 2차 오염물질로 구분한다. 1차 오염물질은 대기오염 배출량을 산출할 수 있지만, 2차 오염물질은 대기 중 반응을 통해 만들어지기 때문에 직접적인 배출량을 산출할 수 없다. 때문에 미세먼지는 생성과정에 따라 1차 미세먼지와 2차 미세먼지로 구분할 수 있다.

 

▲ 2013 대기오염물질 배출량(단위 : ton/yr)(출처=국립환경과학원, 2016)  © 특허뉴스


1차 미세먼지는 연료연소 시설의 굴뚝, 자동차 배기구, 바람에 날리는 먼지 형태로 많이 배출되고, 2차 미세먼지는 대기 중에서 이미 배출되어 있는 황산화물, 질소산화물, 암모니아가 화학 반응을 통하여 생성되는 질산암모늄이나 황산암모늄 같은 에어로졸과 대기 중에서 응축되어 있던 유기 물질들이 여기에 포함된다. 서울에서 측정한 미세먼지 분석결과, PM10의 경우 약 20~40%2차 미세먼지로 구성되어 있어 1차 미세먼지 배출에 대한 원인이나 해결이 구체적이고 정확하게 분석된다면 미세먼지에 대한 문제를 해결하는데 열쇠가 될 것으로 보인다.

 

PM10 배출량의 배출원별 분포를 보면, 사업장 굴뚝이나 자동차(도로이동 오염원)와 건설기계(비도로이동 오염원)와 같은 이동오염원의 배기구에서 배출되는 양이 전체의 절반 정도를 차지하며, 나머지 배출량의 절반정도는 비산먼지 형태로 배출되는데 비산먼지 배출은 굴뚝과 같은 일정한 배기구가 아닌 형태에서 배출되는 것으로 포장도로와 비포장도로에서 자동차가 주행하면서 발생되는 재비산먼지로 추정된다.

 

미세먼지 저감기술

 

산업활동이 진행되는 한 미세먼지를 원천적으로 막을 수는 없겠지만 미세먼지를 저감시킬 수 있는 기술은 있다. 먼저 전기집진(Electrostatic Precipitator) 기술로, 전기집진장치는 직류 고전압을 사용하여 적당한 불평등 전계를 형성하고, 전계에 있어서의 코로나 방번을 이용하여 가스 중의 먼지에 전하를 주어 대전입자를 쿨롱의 힘에 의하여 집진극에 분리 포집하는 장치이다. 수막()을 추가로 집진에 활용 유/무에 따라 건식집진과 습식집진으로 분류된다.

 

▲ 코로나의 발생 과정  © 특허뉴스

 

 

두 번째는 하이브리드 집진(Hybrid Precipitator) 기술은 종래의 전기집진 기술과 여과집진 기술의 조합을 통해 먼지입자의 포집 성능 상승효과를 최대한 높일 수 있는 기술로 현재 상용화되어 실제 적용되고 있다.

 

 

▲ 하이브리드 집진장치 개념도  © 특허뉴스

 

세 번째는 백필터(Bag Filter) 기술이다. 필터는 기상(氣相)이나 액상 중의 작은 고형물을 제거하기 위한 여과체로, 미세먼지를 제어하기 위해 주로 사용하는 섬유필터는 연소가스로부터 입자상 오염물질을 분리하는 데 매우 효과적인 기술로 필터에 있어 단일섬유의 포집원리는 관성, 차단, 확산, 중력에 의한 메커니즘이 작용하며, 단일섬유 자체도 일부 먼지를 포집하지만 직물 위에 빠르게 쌓인 먼지 입자층에 의해 더욱 효율적으로 입자가 포집되는 특징이 있다.

 

 

▲ 여과 집진(필터)의 원리  © 특허뉴스

 

네 번째, 디젤매연여과장치(DPF)는 디젤 엔진에서 나오는 매연의 미세먼지를 포집하는 장치와 포집한 먼지를 태워 없애는 장치 기술이다.

 

▲ DPF 장치 개념도  © 특허뉴스


미세먼지 배출원인별 특허 동향

 

미세먼지 관련 특허 중, 최근 10년 동안의 특허 데이터(한국, 일본, 미국, 유럽. 중국, PCT)를 통해 미세먼지 저감 기술 및 배출원에 관한 특허를 분석한 결과, 특허 출원수는 증가에서 감소, 다시 증가해서 감소하는 추세를 반복하는 경향이고, 300건 내외의 출원건수가 꾸준히 출원되고 있다.

 

각 국가별 출원동향을 보면, 미국과 유럽의 경우 증감의 경향은 있으나 일정 출원건수가 유지되고, 일본은 높은 출원건수 대비 꾸준한 감소 경향을 보인다. 이는 본 기술에 대한 관련 연구나 투자가 줄어들고 있음을 간접적으로 알 수 있다.

 

▲ 전체 연도별 국가별 출원 동향  © 특허뉴스


반면 한국과 중국의 출원은 지속적인 우상향의 경향을 보인다. 특히 2010년대 후반, 한국의 출원상승세는 두드러지는 결과가 확인된다. 이와 같은 국가별 출원경향은 국가별 정책변화나 대기질(미세먼지, NOx, SOx ) 상황에 따른 투자와 수요의 결과가 반영되어 추세가 변화하는 것으로 보인다.

 

▲ 미세먼지 저감 관련, 상위 출원인 TOP 10  © 특허뉴스


미세먼지 저감 기술과 관련해 상위 출원인 TOP 10을 추출한 결과, 가장 많은 출원건수를 보유하고 있는 출원인은 TOYOTA MOTOR(JP, 383)이고, 그 뒤를 YANMAR(JP), ISUZU MOTOR(JP), TOPSOE HALDOR(DK), KUBOTA(JP), JOHNSON MATTHEY(GB) 등의 순으로 나타났다. 상위 출원인 TOP 10은 일본이 8(TOYATA MOTOR, YANMAR, ISUZU MOTOR, KUBOTA, KOMATSU, USUI KOKUSAI SANGYO, MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, NIPPON MUKI)과 유럽 2(TOPSOE HALDOR(DK), JOHNSON MATTHEY(GB)) 국적의 출원인으로 구성됐다. 데이터로 나온 결과로 볼 때, 해당 기술 시장에 일본의 기술력이나 기여도가 높은 것으로 판단 할 수 있으나, 배출원 중 이동원에 대한 특허가 다수의 비중을 차지하는 영향을 받았으므로 기술별 특허와 배출원별 특허 동향을 크로스 체크해 해석할 필요가 있다.

 

미세먼지 저감 기술별 출원 동향의 특징은 DPF(R4) > 스크러버, 흡착(R5) > 백필터(R3) > 전기집진(R1) 등의 순으로 확인된다. 전기집진 기술의 경우, 건식 전기집진 기술(R1-1)은 시간이 지남에 따라 계속 증가하는 추세와 달리, 습식 전기집진 기술(R1-2)은 전반적으로 감소하고 있다. 또한, 가장 많은 발명군수를 차지한 DPF(R4)의 기술이 매우 빠른 속도로 하락세를 보인다. 이는 이동수단의 원료가 수소, 전기로의 변화를 통해 관련 기술연구가 감소하는 것으로 유추할 수 있다.

 

미세먼지 배출원별 출원 동향의 특징은 이동원(E3) > 발전, 연소(E1) > 산업현장(E2)의 순으로 확인된다. 2010년대 초반 일본, 미국의 DPF(R4) 기술의 높은 출원율 및 교체 시기나 비용이 큰 대형 설비 대비 우리 생활에 밀접한 이동원의 배출원에 대한 연구개발이 더 빈번한 결과로 인해 출원 결과가 도출되었을 것으로 예상된다.

 

박준규 윕스 IP기획팀 과장은 당장의 비용이나 시간이 소요된다고 하여 저감 기술 및 규제를 도입하지 않을 것이 아니라 철저한 원인 분석과 관련 연구 개발의 뒷받침으로 해결해야 한다정부와 기업과의 협력과 저감 기술 도입을 위한 제도적 인센티브 및 지원과 같은 인프라 구축을 통해 공동적으로 대응해 나가야 할 것으로 보인다고 밝혔다.

 

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