SOOMTIM : 무전력 자연 환기와 공기정화를 동시에 실현한 지속가능한 창호 솔루션

작품의 기능

‘SOOMTIM’은 자연 기류와 압력 차를 활용해 전기 없이도 미세먼지를 정화하며, 365일 쾌적한 실내 공기를 제공합니다. 동력 없이 작동하는 이 수동형 환기·정화 시스템은 탄소 배출을 유발하지 않아, 에너지 및 환경 위기에 대응하는 지속가능한 대안이 됩니다. 하루 24시간 자연 환기가 가능해 실내 CO₂와 VOC 농도를 효과적으로 낮추며, 재실자의 건강과 삶의 질은 물론 건축물의 환경 성능까지 함께 향상시키는 미래지향적 솔루션입니다.

영감의 원천

미세먼지 오염은 단순한 환경 문제가 아닌, 인체 건강과 직결된 중대한 사회적 이슈로 부상하고 있습니다. 세계보건기구를 비롯한 다양한 연구에서는 미세먼지가 중추신경계 이상, 호흡기 질환, 심혈질환 등의 주요 원인으로 작용할 수 있음을 경고하고 있습니다. 이러한 위험으로 인해 우리는 점점 더 창문을 닫은 채 생활하게 되었고, 실내 공기질을 유지하기 위해 공기청정기를 24시간 가동하는 일이 일상화되었습니다. 하지만 이와 같은 방식이 모두를 생각하는 건강한 실내 환경을 만들어 줄 수 없다고 생각했습니다. ‘창문을 열고 자연의 공기를 마시고 싶다’는 이 작은 바람은, 미세먼지가 일상이 된 시대에 오히려 실현하기 어려운 욕망이 되었습니다. 실내 공기질을 포기하지 않으면서도 자연 바람을 받아들이는 방법은 없을까—이 질문에서 출발하여 전기에 의존하지 않는 새로운 형태의 수동형 정화·환기 시스템을 고안하게 되었습니다. 이 시스템은 자연 기류를 능동적으로 유도하고, 미세먼지를 걸러내며, 추가적인 에너지 소비 없이도 실내 환경을 쾌적하게 유지할 수 있도록 설계되었습니다. 창문을 닫지 않아도, 공기청정기를 가동하지 않아도, 깨끗한 공기를 들이마실 수 있다면 그 자체로 쾌적함을 회복하고 자연과 다시 연결될 수 있는 지속가능한 삶의 방식이 될 수 있다고 믿습니다.

작동원리

넓은 외부 공간에서 느리게 이동하던 공기는 좁은 개구부를 통과하며 속도가 증가하고, 다시 실내라는 넓은 공간으로 유입되며 완화됩니다. 이는 유체역학의 벤츄리 효과를 활용한 것으로, 별도의 팬 없이도 자연풍을 능동적으로 유도하는 기계적 원리입니다. 유입된 외기는 외부 전자 발생 장치에서 방출된 자유 전자와 결합해 음전하(–)를 띠며, 정전기 유도 현상에 따라 양전하(+)를 띤 집진 필터로 강하게 끌려갑니다. 이후 공기는 3단계 여과 과정을 통해 정화됩니다. 1단계에서는 나일론 매쉬가 비교적 큰 입자와 꽃가루를 차단하고, 2단계에서는 PET 부직포와 알루미늄 매쉬로 구성된 양전하 필터망이 음전하를 띤 미세먼지 입자들을 전기적으로 포집합니다. 3단계에서는 활성탄 필터가 냄새 분자 및 휘발성 유기화합물(VOC)을 흡착하여 공기를 탈취 및 정화합니다. 공기 유입 경로의 내부 벽면에는 도전성 PET 필름이 코팅되어 있어, 장치 전체에 균일한 전기장을 형성해 집진 효율을 높입니다. 이 전기장은 외부 태양광 패널에서 생성된 전력으로 구동되는 전자 발생기를 통해 형성되며, 잉여 전력은 내부의 2개 배터리에 저장되어 야간이나 흐린 날씨에도 안정적으로 작동할 수 있습니다. 또한 공기의 출입구는 수동 제어가 가능해 불필요한 외부 침기를 차단하고, 사용자가 공기 흐름을 자유롭게 조절할 수 있도록 설계되었습니다. 이처럼 본 시스템은 벤츄리 효과를 이용한 자연 유도 흐름, 정전기적 미세먼지 집진, 화학적 유해가스 흡착 기능을 하나의 수동형 장치에 통합함으로써, 전력 소비 없이도 고효율 공기 정화를 실현할 수 있습니다.

개발 과정

봄이 오면 저는 창문을 활짝 열고 맑은 하늘과 바람을 온전히 즐기고 싶었습니다. 그러나 꽃가루와 미세먼지 농도가 높은 날이면, 창문은 꼭 닫은 채 공기청정기만 의존해야 했습니다. 점점 더 많은 기술이 사람과 자연 사이에 장벽을 만드는 현실 속에서, ‘창문을 열고 숨 쉬는 일상’을 되찾기 위한 새로운 환기 방식이 필요하다고 느꼈습니다. 도시 환경과 에너지 시스템을 연구하는 학생으로서, 현대 주거환경에서 자연환기의 중요성과 함께, 공기청정기나 에어컨처럼 항시 전력을 소모하는 기기들이 누적적으로 만들어내는 ‘플러그 부하’ 문제를 깊이 인식하고 있습니다. 이러한 문제 의식에서 출발해, 지속가능성과 실현 가능성을 동시에 고려한 세 가지 설계 원칙을 수립했습니다. 1. 시야 확보와 자연채광 유지 기존의 미세먼지 필터는 창문 면에 부착하는 방식이 많아, 외부 풍경을 차단하거나 실내 채광을 저해하는 경우가 많았습니다. 이에 저는 필터 자체를 노출시키는 대신, 공기의 흐름을 유도해 오염 물질만을 선택적으로 포집하는 구조를 설계했습니다. 이를 통해 실내에서도 자연 풍경과 일조를 온전히 누릴 수 있으며, 시각적 쾌적함을 훼손하지 않습니다. 2. 전력 소비 제로에 가까운 작동 방식 환기장치는 외부 공기와 직접 연결되어 있는 특성을 활용해, 별도의 전력 공급 없이도 작동할 수 있도록 구성했습니다. 소형 태양광 패널을 이용해 내부 장치를 구동하고, 미세먼지 제거에는 고전력 팬 대신 미약한 정전기만을 활용하여 필터링 효율을 높였습니다. 이를 통해 일반적인 전기식 환기장치보다 훨씬 적은 에너지로도 효과적인 공기 정화를 실현할 수 있습니다. 3. 능동적 침기 조절 구조 일반적인 환기구는 열려 있는 채로 고정되기 쉬워, 외부 공기 유입에 의한 침기(infiltration), 결로, 곰팡이, 열손실 문제가 빈번히 발생합니다. 이를 방지하기 위해, 사용자가 필요에 따라 자연바람 유입구를 수동 또는 자동으로 열고 닫을 수 있도록 설계했습니다. 덕분에 외부 조건이나 계절 변화에 따라 실내 환경을 정밀하게 조절할 수 있으며, 단열성과 위생성 또한 확보할 수 있습니다. 이 세 가지 설계 원칙은 단순한 환기장치를 넘어, ‘자연과 공존하는 주거환경’을 구현하기 위한 하나의 방향성을 제시합니다. ‘창밖 풍경을 즐기면서도 미세먼지를 걸러내고, 전력을 거의 사용하지 않으면서도 실내 공기를 신선하게 유지하며, 외기 유입을 사용자의 의지대로 조절할 수 있는 시스템’—바로 이것이 저희가 제안하는 지속가능한 비전력 자연환기 솔루션, 'SOOMTIM'입니다.

독창성

자연 환기를 위한 기존의 보조 장치들은 여러 가지 근본적인 한계를 안고 있습니다. 먼저, 창문에 부착하는 촘촘한 미세먼지 필터는 미세 입자를 걸러내는 데는 효과적이지만, 햇빛을 차단하고 시야를 가려 실내의 시각적 쾌적성을 심각하게 저해합니다. 창문형 에어컨이나 외기 유입형 공기청정기 역시 외부 공기를 들여올 수는 있으나, 팬이 지속적으로 전력을 소모하며, 설치 시 창문을 완전히 점유하게 되어 해당 창문을 더 이상 활용할 수 없게 됩니다. 이러한 장치들은 창에 고정된 흡기 구멍을 만들어, 불필요한 외부 공기의 지속적인 유입을 초래합니다. 이로 인해 실내 단열 성능이 저하되고, 계절별 난방 및 냉방 부하가 증가하여 전기요금이 상승하게 됩니다. 더욱이, 내부에 설치된 직선형 공기 흐름 구조는 열교환 효율을 떨어뜨려, 전체 시스템의 에너지 효율 지수(COP)까지 낮추는 원인이 됩니다. 'SOOMTIM'은 이러한 기존 장치들의 구조적 문제를 근본적으로 재해석하여 해결한 새로운 방식의 환기 솔루션입니다. 창밖 시야를 가리지 않으면서도 신선한 외기를 유도하고 정화하며, 주 전력이 전혀 들지 않는 패시브 태양광 기반의 원리로 작동합니다. 또한, 사용하지 않을 때는 개구부가 완전히 밀폐되어 외기 침입을 원천적으로 차단하며, 건물의 단열 성능을 그대로 유지할 수 있습니다. 이처럼, 'SOOMTIM'은 전력 소모 없이도 지속적이고 건강한 자연 환기를 가능하게 하며, 에너지 효율성과 사용자 쾌적성을 모두 충족시킬 수 있습니다.

향후 계획

실제 크기의 창호에 설치 가능한 프로토타입을 제작한 후, 실내 환경에서 공기의 흐름, 미세먼지 제거율, VOC 흡착력, 기밀성 등을 정량적으로 측정하고자 합니다. 이러한 성능을 바탕으로 구조와 소재를 개선할 계획이며, 향후에는 실내 공기질 센서와 연동하여 외부 오염도나 실내 CO₂ 농도에 따라 자동으로 개폐되는 지능형 시스템으로 확장할 수 있습니다. 사용자의 개입 없이도 환경에 따라 스스로 숨 쉬는 창호로 발전할 수 있는 가능성을 열어두고 있습니다. 이 기술은 점차 확대되고 있는 제로에너지건축 시장과 맞물려, 건물 전체의 에너지 소비를 줄이면서도 사용자의 건강과 쾌적성을 동시에 확보할 수 있는 새로운 환기 솔루션으로 자리매김할 수 있습니다. 또한, 실내외의 경계를 자연스럽게 이어주는 지속가능한 건축 요소로서의 가치를 지닙니다. 나아가, 전력 인프라가 부족한 취약계층 주거지나 개발도상국에서도 적용 가능한 ‘보편적 공기권’을 실현하는 기술로 확장할 수 있다면, 이는 환경과 기술의 격차를 좁히는 의미 있는 도전이 될 것입니다. 언젠가 “창문을 닫지 않아도 되는 도시”가 실현된다면, 그것은 단순한 제품의 성공을 넘어, 기술이 인간의 기본적인 욕구와 환경적 지속가능성을 동시에 충족시킨 변화의 출발점이 될 것이라 믿습니다.

수상 내역