HEPA·ULPA 필터

왜 배우는가: HEPA·ULPA 필터는 반도체 클린룸, 의료시설, 제약 설비처럼 미세입자 제어가 필요한 곳에서 공기 청정도를 결정하는 핵심 장치다. 공조기 설계에서 필터 등급과 압력손실이 팬 동력과 운전비에 직접 영향을 주므로 실무에서도 중요하다. 등급 기준과 포집원리는 기술사 시험에서 용어형과 논술형으로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제115회 1교시 13번, 제92회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

HEPA 필터는 0.3μm 입자를 99.97% 이상 제거하는 고효율 공기여과기이며, 확산·차단·관성충돌로 입자를 포집한다.

핵심 키워드

• 고효율 미립자 공기필터(HEPA)
• 최대 투과입경(MPPS)
• 확산(Diffusion)
• 차단(Interception)
• 관성충돌(Inertial impaction)
• EN 1822 등급
• ULPA 필터
• 국부효율과 전체효율

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 HEPA 필터는 공기 속 미세먼지를 아주 촘촘한 섬유 매트로 걸러내는 필터다. 섬유 사이의 틈은 입자보다 크지만, 입자는 섬유에 부딪히거나 달라붙는 방식으로 잡힌다. 체로 거르듯 크기만으로 막는 방식이 아니므로 입자가 작아도 일정 수준까지 포집이 가능하다.

정식 정의는 고효율 미립자 공기필터(HEPA)다. 정격 풍량에서 0.3μm 입자를 99.97% 이상 제거하는 공기여과기이며, 미국 에너지부(DOE) 표준이 이 기준을 쓴다. ISO와 유럽 기준에서는 같은 입자 크기에 대해 99.95% 이상을 요구한다.

최대 투과입경(MPPS)은 필터가 가장 잘 통과시키는 입자 크기다. 작은 입자는 확산으로, 큰 입자는 차단과 관성충돌로 잡히는데 두 효율이 교차하는 지점이 MPPS다. 이 크기에서 포집효율이 가장 낮으므로 유럽 기준은 이 값을 기준으로 등급을 매긴다.

EN 1822 등급은 HEPA급 H10~H14와 ULPA급 상위 등급으로 나뉜다. H13은 MPPS 기준 99.95% 이상, H14는 99.995% 이상의 효율을 가진다. 등급 번호가 높을수록 포집효율이 높다.

ULPA 필터는 HEPA보다 한 단계 높은 청정 등급이다. ULPA 필터는 0.12μm 입자 기준으로 99.999% 이상을 제거한다. ULPA 효율 표기가 다르므로 시험 답안에서는 EN 1822 등급 체계로 설명하는 것이 안전하다.

필터 성능은 두 가지 방식으로 나누어 본다. 필터 전체 면적의 평균 효율은 전체효율이고, 한 지점에서 측정한 효율은 국부효율이다. 설치 후 누설 시험은 국부효율로 확인하며, 누설이 있으면 전체효율이 높아도 청정도는 확보되지 않는다.

3. 등장 배경과 필요성

HEPA 필터는 1950년대에 상용화되었다. 그 이전에는 산업 현장과 연구실에서 미세입자를 안정적으로 거르는 여과재가 부족했다. 초기 명칭은 고성능 미립자 흡수체였으나, 이후 고성능 미립자 포획이라는 용어와 함께 고효율 필터를 가리키는 일반명으로 굳어졌다.

청정 요구가 커지면서 필터 성능의 기준이 필요해졌다. 반도체 제조의 클린룸은 공정 중 입자 하나가 수율을 떨어뜨리므로 0.3μm 근처 입자까지 확실히 제거해야 한다. 의료시설에서도 수술실과 격리병실의 공기 청정도가 감염 확산을 막는 조건이 되었다.

제약과 식품 공장도 오염 관리를 위해 고효율 필터를 쓴다. 이 분야에서는 입자 제거뿐 아니라 필터 누설이 없어야 하므로 설치 시 누설 시험이 필수로 따른다. 이 요구가 필터 등급 체계와 시험 방법(국부효율 측정)을 발전시킨 배경이다.

실내공기질 관리 측면에서도 HEPA 필터의 역할이 커졌다. 외기 미세먼지와 실내에서 발생하는 입자를 줄이려면 공조기나 환기장치에 고효율 필터를 넣어야 한다. 이때 포집효율이 높아질수록 필터 저항이 커져 송풍기 동력이 증가하므로, 청정 목표와 에너지 부하를 함께 고려해야 한다.

따라서 HEPA·ULPA 필터는 청정도를 확보하기 위한 필수 설비이면서, 설계 단계에서는 압력손실과 에너지 소비를 함께 따져야 하는 장치다. 이 절의 포집원리와 등급 기준은 뒤의 장에서 다루는 공조 계획과 연결된다.

4. 구성요소·원리·절차

HEPA 필터는 여과재(glass fiber mat), 세퍼레이터(separator), 프레임(frame), 실링재(sealant)로 구성된다. 여과재는 직경 수 μm 안팎의 유리섬유가 무작위로 엉킨 매트이며, 주름형(pleat)으로 접어 여과면적을 넓힌다. 프레임과 실링재는 필터 우회 누설을 막는 역할을 한다.

표의 구성은 기능 중심으로 정리한 것이다. 세퍼레이터와 프레임 재질은 제조사별로 다르다.

포집원리는 섬유에 입자가 붙는 세 가지 기구로 설명한다. 입자는 확산(diffusion), 차단(interception), 관성충돌(inertial impaction) 세 기구의 조합으로 포집된다. 기구별 작용 입경은 다음과 같다.

• 확산: 0.1μm 이하의 미세입자가 기체 분자와 충돌하며 불규칙 운동(브라운 운동)을 하고 섬유에 닿는다. 기류 속도가 낮을수록 지배적이다.
• 차단: 기류를 따라 움직이는 입자가 섬유 반경 안으로 들어와 붙는다. 중간 크기 입자를 주로 포집한다.
• 관성충돌: 큰 입자가 기류 곡선을 따라가지 못하고 섬유에 직접 부딪힌다. 섬유 간격이 좁고 풍속이 클수록 커진다.

세 기구의 효율은 입경에 따라 역전된다. 입경이 0.3μm 근처에서 세 기구의 효율이 최저가 되며, 이 입경을 최대 침투 입경(MPPS, Most Penetrating Particle Size)이라 한다. 이 원리 때문에 HEPA 시험은 0.3μm 입자를 기준으로 삼는다.

절차는 다음 순서로 이루어진다.

• 입자를 포함한 공기가 전면 프리필터를 통과하며 큰 입자가 1차로 걸러진다.
• 기류가 주름형 여과재에 수직으로 들어가며 관성충돌이 일어난다.
• 섬유 주변에서 차단이 일어나 중간 크기 입자가 붙는다.
• 미세입자는 확산으로 섬유에 접촉해 포집된다.
• 포집된 입자가 쌓이며 압력손실이 증가하고, 설정 값에 도달하면 교체한다.

필터 성능 식은 다음과 같다. 포집 효율 \eta는 상류 농도 C_{in}과 하류 농도 C_{out}로 정의한다.

$\eta = \left(1 - \frac{C_{out}}{C_{in}}\right) \times 100\,(\%)$

여기서 C_{in}은 필터 상류 입자 농도(개/㎤), C_{out}은 하류 입자 농도(개/㎤)이다. 예를 들어 상류 농도 100,000개/㎤, 하류 농도 3개/㎤이면 \eta = (1 - 3/100000) \times 100 = 99.997\%다. 값은 HEPA 기준(99.97% 이상)을 넘으므로 상식 범위에 맞다.

5. 관련 법령·기준·표준

HEPA 필터의 성능은 법령보다 시험·분류 표준으로 정해진다. 주요 기준은 다음과 같다.

표의 값은 설계 기준으로 쓴다. 국내 설계에서는 KS 규격과 발주 사양을 함께 확인해 적용한다.

HEPA 기준은 여과 효율을 0.3μm 기준 99.97% 이상으로 정한다. 99.97% 이상(0.3μm)이 기본 기준이다. 유럽 표준은 등급별로 요구 효율이 다르므로 적용 기준을 명시해야 한다.

ULPA 필터는 MPPS 기준 99.999% 이상 효율을 기준으로 한다. 기준 입경은 0.12μm 근처다. 이 값은 ULPA 필터의 최소 입자 침투 크기로 쓰인다.

개정 연혁: HEPA 표준은 1950년대 상용화 이후 미국 DOE 표준과 유럽 EN 1822 체계로 발전했다. EN 1822-1은 2019년판이 현행이며, ISO 29463으로 이어진다. 기준 체계가 바뀌었을 때 등급 명칭과 시험 방법이 함께 변할 수 있으므로 현행 판을 기준으로 쓴다.