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Fig. 3은 HITRAN 2008 database¹¹⁾에서 제공하는 정보를 사용하여 1,512 nm 파장대역에서의 암모니아와 H₂O 가스의 흡수파장을 보인다. 본 연구는 필터 실사용 조건에서의 암모니아 농도만을 측정해야 함으로 해당 파장대역에서 H₂O 등의 대기 성분으로 부터의 흡수 간섭이 존재하지 않음을 확인하여야 한다.

Fig. 3 
The relative intensity of theoretical NH₃ and H₂O absorption spectra (1,505 nm∼1,521 nm)

다음 Fig. 4는 차량용 필터의 탈취 성능을 측정하기 위한 측정 셀 형상이다. 측정 셀 중심부에 차량용 필터가 장착되며 농도 측정을 위한 거리 L은 100 mm이다.

Fig. 4 
Measuring cell

Fig. 5는 측정 셀을 이용하여 필터 성능 측정을 위한 실험의 구성을 보인다. 이는 크게 레이저 신호(Laser signal)를 위한 장치와 가스 흐름(Gas flow)을 위한 장치로 나눌 수 있다.

Fig. 5 
Experimental setup

먼저 레이저 신호처리 과정을 살펴보면 1,512 nm 파장영역의 암모니아 흡수 스펙트럼을 측정하기 위해 분포귀환형 반도체 레이저(DFB, Distributed Feedback laser)를 사용하였다. 레이저 발생 파형은 함수발생기(Function generator)를 통해 1 kHz로 주기로 톱니파형을 생성한다. 발생 된 파형은 레이저 컨트롤러(Laser controller)에서 일정한 온도와 전류 값의 레이저로 발진하여 시준기(Collimator)를 통해 측정 셀 전단, 후단 총 2개의 영역으로 분배된다. 분배 된 레이저 신호는 검출기(Detector)를 통해 데이터 레코더(Data recorder)로 전달된다. 전달 신호는 2 μs마다 1개씩 데이터를 샘플링 하였으며, 총 100 ms 동안 100개의 파형을 관측하여 평균값을 이용하여 농도 계산을 실시하였다.

가스 흐름은 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 1,000 sccm(Standard CubicCentimeter per Minute)로 일정하게 가스 유량을 제어하였다. 실험은 고순도 공기와 1 % 암모니아를 예혼합하여 100 PPM, 150 PPM, 200 PPM, 250 PPM 농도의 암모니아 가스를 만들어 진행하였다. 실험 장비별 상세 제원은 Table 1과 같다.

실험 전 base line 선정을 위해 대기 조건, 암모니아, 질소 가스를 이용하여 DFB 레이저의 흡수반응 실험을 진행하였다. base line 선정은 3차 다항식을 통한 알고리즘 계산을 통해 계산도 가능하다. 본 실험에서는 실제 환경과 유사한 조건에서 실제 성능 측정을 위해 실험을 통한 base line 선정을 진행하였다. Fig. 6은 실험을 통해 확인한 흡수선 데이터 실험 결과로 암모니아 가스에서만 흡수 반응이 나타났으며, 대기 조건과 질소 가스에서는 흡수 반응이 없음을 확인하였다. 이를 근거로 실제 필터 사용 환경조건에 맞도록 대기 조건을 Base line으로 선정하였다.

Fig. 6 
Absorbing gas test

Fig. 7은 HITRAN 2008 database를 이용하여 계산한 10 ppm, 50 ppm, 100 ppm 농도에서 암모니아 가스의 흡수 스펙트럼이다. 3개의 대표점 #1(1,513.88 nm), #2(1,515.98 nm), #3(1,517.93 nm)을 이용하여 실험데이터와 흡수 파장 영역 피팅을 실시하여 흡수 영역에 대한 파장대역을 계산하였으며, 각각의 ppm 농도별 암모니아 가스 스펙트럼의 흡수 강도를 계산하였다.

Fig. 7 
NH₃ absorption spectra by ppm

암모니아 가스 농도는 MFC를 이용하여 조절하였으며, 조절 값은 다음 Table 2와 같다.

실험 결과 최대 흡수 지점인 #1(1,513.88 nm)에서의 ppm 농도별 Relative intensity 결과 값이 Fig. 8에 보인다. 암모니아 가스의 농도가 증가함에 따라 Relative intensity 값이 선형적으로 증가함을 확인할 수 있었으며, 선형식의 회귀계수 값인 R² 이 0.9918로 1에 근사한 결과를 보여주었다. 하지만 HITRAN 2008 database 결과와 캘리브레이션 실험의 농도별 Relative intensity 값에는 차이가 있었는데, 이는 실험 환경 및 사용 장비에 따른 차이로 본 연구에서는 농도 측정 캘리브레이션 데이터를 사용하여 필터 성능 측정을 진행하였다.

Fig. 8 
Comparisons between the concentration measured by TDLAS (#1, 10 to 100 ppm)

다음 Fig. 9는 각각 규조토 필터와 활성탄 필터의 암모니아 가스 100 ppm, 150 ppm, 200 ppm, 250 ppm 농도에서 실험한 결과이다. 두 개의 필터 모두 암모니아 가스의 ppm 농도가 커짐에 따라 필터 전단의 Intensity 값이 선형적으로 증가하였으며, 암모니아 가스가 필터를 통과한 후단의 Intensity 값의 감소 비율은 농도가 커짐에 따라 감소 비율이 작아짐이 확인되었다.

Fig. 9 
Diatomite and active carbon filter experimental results by concentration

상용 측정 방법(가스검지관식, FITI시험연구원)을 이용한 규조토 필터의 측정 결과는 99.8 % 이상의 탈취 성능을 보였다. 하지만 본 연구결과에서 검증하고자 하는 TDLAS 방식에서 규조토 필터의 경우 암모니아 100 ppm에 대해서는 84.8 %, 활성탄 필터의 경우 19.5 % 탈취 성능을 보였다. 이 결과로부터 규조토 필터가 활성탄 필터보다 탈취 성능을 보임을 확인할 수 있다.

암모니아 150 ppm 이상부터 규조토 필터, 활성탄 필터 모두가 50 % 이하의 탈취 성능을 보임으로 고농도에서는 재 성능을 보이지 않음을 알 수 있다.

그리고 Table 3은 규조토 필터와 활성탄 필터의 탈취 전후 측정데이터이다. 성능을 비교한 결과로 규조토 필터의 탈취 성능이 암모니아가 100 ppm일 경우 65.3 % 좋게 나타났으며, 농도가 커짐에 따라 필터 성능이 현격하게 떨어짐이 나타났다.

Fig. 10은 규조토 필터와 활성탄 필터를 적용하였을 때 암모니아가스의 탈취율을 보인다.

Fig. 10 
Performance comparison of deodorization rate