2.1 UV-C Sterilization Mechanism

자외선 살균의 기본 원리는 특정 파장의UV 광자가 미생물의 핵산(DNA/RNA)에 흡수되어 광화학적 반응을 유발하는 것에 있다. 특히 254nm 부근의 UV-C 파장은 미생물 DNA 내 인접한 티민(thymine) 염기사이에사이클로부탄피리미딘이량체(cyclobutane pyrimidine dimer, CPD)를 형성하여 DNA 복제 및 전사 기능을 방해함으로써 세포사멸을 유도한다^[2].

UV 살균 효과는 미생물이 흡수하는 UV 조사량(UV dose)으로 정량화되며, 이는 다음과 같이 정의된다.

여기서 D[mJ/cm²]는 UV dose, E[mW/cm²]는 UV 조도(irradiance), t[s]는 노출 시간이다. 살균 성능 지표인 log 감소율(log reduction)은 다음과 같이 표현된다.

여기서 N₀는 초기 미생물 농도, N은 처리 후 농도, k는 미생물별 UV 감수성 계수이다 ^[2]. 대장균(E. coli) 4-log 감소를 위해 통상 16 mJ/cm² 이상의 UV dose가 요구된다 ^[5].

2.2 Limitations of Conventional UV Systems

기존 관류형(flow-through) UV 살균 시스템은 대형 단일 챔버 내에 다수의 램프를 배치하는 구조가 일반적이다. 이 방식은 처리 용량의 변경이 필요할 때 전체 장치를 교체해야 하므로 초기 투자비용이 높고 용량 확장이 어렵다. 또한 챔버 내 유체 흐름의 불균일성으로 인해 일부 유체가 충분한 UV 노출 없이 통과하는 단락류(short-circuit flow) 현상이 발생할 수 있다^[4].

유지보수 측면에서도 단일 램프 교체 시 전체 시스템의 가동 중단이 불가피하여 다운타임(downtime)이 길어지는 문제가 있다. 특히 24시간 연속 운전이 요구되는 대규모 스마트팜 환경에서는 이러한 운전 중단이 직접적인 생산 손실로 이어진다는 점에서 심각한 문제로 인식된다.

3.1 Design Concept and Module Architecture

본 연구에서 제안하는 살균기는 하나의 기본 살균 모듈(basic sterilization module)을 표준 단위로 하여, 처리 용량에 따라 복수의 모듈을 레고 형태로 병렬 결합(parallel lego-type combination)하는 적층 확장 구조를 채택한다. 각 모듈은 독립된 유닛으로 동작 가능하며, 내부에 UV-C 램프, 석영(쿼츠) 튜브, 유량 채널, 입출수 포트가 일체화되어 있다.

이 설계 개념의 핵심은 단일 표준 모듈의 반복 생산만으로 다양한 용량 요구를 충족할 수 있다는 점이다. 이를 통해 제작 지그(manufacturing jig) 비용의 절감, 대량 생산 최적화, 부품 재고 관리 단순화 등의 제조 경제성을 동시에 달성할 수 있다. 처리 유량이 증가 할 경우 모듈을 단순히 추가하는 것만으로 시스템 업그레이드가 가능하므로, 1톤/시간(t/h)에서 50t/h 이상까지 광범위한 처리량 요건에 대응할 수 있다.

3.2 Structural Design Options

모듈 간 연결 구조 설계 방안으로 두 가지 안(案)을 검토하였다.

3.3 UV-C Lamp Specifications

본 시스템에는TUV 36T5 HO 4P SE 규격의 UV-C 형광 램프를 적용한다. 이 램프는 한쪽 4핀(single-ended 4-pin) 구조로, 램프 교체 시 한쪽 방향에서만 접근하면 되어 모듈 내 작업성이 우수하다. 주요 기술 사양을 Table 1에 정리하였다.

램프의 물리적 치수는 외경 Ø19.0mm, 핀 직경 Ø2.36 mm이며, 핀을 포함한 총 길이 850mm 중 유리부 길이는 842mm이다. 초기 100시간 운전 후 UV 출력은 23.0 W이며, 수명 종료 시점(9,000 h)에서의 감쇠율은 15%로, 장기 운용에서도 안정적인 살균 성능 유지가 가능하다^[6].

3.4 Sterilization Tank Configuration

살균 탱크는 석영관(quartz tube)과 UV-C 램프, 유량 채널이 일체화된 구조로 구성된다. 처리 대상 유체는 석영관 외벽을 따라 흐르며 UV-C에 충분히 노출되고, 석영관은UV-C 투과율이 95% 이상으로 우수하여 램프 출력 손실을 최소화한다.

전체 살균 탱크 공급 시스템의 구성은 다음과 같다. 폐양액은 폐액통(waste liquid tank)에 수집된 후 필터(filter)를 통해 부유 이물질이 제거되고, 50W 순환 펌프(circulation pump)에 의해 살균 모듈 스택으로 공급된다. 살균 처리가 완료된 유체는 혼합통(mixing tank)을 통해 원주(원수공급)와 살균 경로로 분배되며, 밸브V1(세척수 공급), V2(세척수 배출), V3(혼합통 배출)를 통해 각 경로의 유체 흐름이 자동 제어된다. 하우징은SUS(stainless steel) 재질로 제작되어 농업·식품용수 환경에서 요구되는 내부식성과 위생 기준을 충족한다.

4.1 Algorithm Design Principles

본 시스템의 제어 알고리즘은 다음 세 가지 설계 원칙을 바탕으로 구성되었다. 첫째, 살균 효율 최적화를 위한 최적 운전 조건 유지. 둘째, 자동 세척을 통한 유지보수 최소화. 셋째, 인적 개입 없는 무인 자동 운전 실현. 이를 위해 제어기 모듈은 수위 레벨 센서(water level sensor), 온도 센서(temperature sensor), 밸브 액추에이터(valve actuator), 펌프 드라이버(pump driver)를 통합 제어한다.

4.2 Main Control Logic

본 시스템의 제어 알고리즘은 에너지 효율 극대화와 무인 자동화를 목표로 하며, 핵심 메인 루프는 다음과 같은 정밀 제어 단계를 거쳐 수행된다.

(1) 수위 기반 연동 제어 (Water Level Interlock Control): 시스템의 안정성을 위해 고위(High-level) 수위 센서에 의한 인터락(Interlock) 회로가 작동한다. 살균통 내 수위가 설정된 임계치(High Level) 이상 도달함이 감지될 때만 50W 마그네틱 펌프와 UV-C 램프에 전력을 공급한다. 이는 램프의 과열 방지 및 펌프의 공회전(Dry-running)으로 인한 모터 소손을 물리적으로 차단하기 위함이다. 수위가 저위(Low-level)로 하강할 경우 즉시 대기(Stand-by) 모드로 전환되어 전력 소비를 최소화한다.

(2) 시퀀스 기반 유체 이송 (Time-sequenced Discharge): 설정된 살균 사이클 시간 또는 외부 스케줄러에 의한 작동 시작 조건이 충족되면, 제어기는 배출 솔레노이드 밸브 V3를 개방한다. 이때 살균 처리된 청정 배액은 후속 공정인 혼합통이나 저장 탱크로 이송된다. 이 과정은 유량계와 연동되어 정확한 처리 용량을 데이터로그에 기록함으로써 살균 이력 관리를 가능케 한다.

(3) 정밀 온도 유지 제어 (Precision Temperature Regulation): UV-C 램프의 방사 강도(Irradiance)는 주변 수온에 민감하게 반응한다. 저압 수은 UV-C 램프는 냉음극 효과(cold-cathode effect)로 인해 수온이 15°C 이하로 저하될 경우 UV 출력이 정격 대비 10~20% 감소하는 특성을 보이며[Bolton & Cotton, 2008], 이는 목표 UV Dose 달성에 직접적인 영향을 미친다. 특히 동절기 노지 환경에서는 유입 폐양액의 온도가 5~10°C까지 하강할 수 있어, 온도 유지 제어 없이는 살균 성능 보장이 어렵다.

이를 해결하기 위해 본 시스템은 살균통에 PT100 저항형 온도 센서를 설치하여 수온을 실시간으로 계측한다. 계측된 온도 데이터는 임베디드 제어 모듈로 전달되며, 제어기는 히터봉(heater rod, 정격 출력 200W)을 대상으로 히스테리시스 밴드(hysteresis band) 방식의 온/오프 피드백 제어를 수행한다.

제어 파라미터는 다음과 같이 설정된다.

설정 온도(T_set): 20°C (UV-C 램프 최적 효율 구간 기준)

히터 ON 임계값: T_set − 2°C = 18°C (수온이 18°C 이하로 하강 시 히터 동작 개시)

히터 OFF 임계값: T_set + 2°C = 22°C (수온이 22°C 이상으로 상승 시 히터 동작 정지)

히스테리시스 밴드±2°C를 설정함으로써 과도한 히터 ON/OFF 반복(헌팅, hunting)을 방지하고 제어 안정성을 확보한다. 수온 센서 고장 감지 시 제어기는 히터를 강제 OFF하고 관리자 알람을 발생시켜 과열 사고를 방지한다.

에너지 소비 측면에서, 히터봉은 주로 동절기(11월~2월) 야간 운전 구간에서 동작하며, 춘·추절기에는 외기 온도 조건에 따라 간헐적으로 작동한다. 하절기에는 유입 수온이 T_set를 상회하는 경우가 대부분이므로 히터 동작 비율이 거의 0에 수렴한다. 이를 통해 연간 히터 추가 소비 전력은 전체 시스템 소비 전력의 10% 미만으로 유지될 것으로 추정된다.

본 온도 제어 구조는 동절기에도 UV-C 램프가 정격 출력의 95% 이상을 유지하도록 보장함으로써, 저온에 의한 미생물 불활화 성능 저하를 방지하고 연중 일관된 UV Dose를 확보한다.

(4) 지능형 자동 세척 알고리즘 (Intelligent Self-Cleaning): 배양액 내 포함된 유기물과 무기물 이온(칼슘, 마그네슘 등)에 의해 쿼츠 튜브 표면에 스케일(Scale)이 고착되면 UV 투과율이 급격히 저하된다. 이를 해결하기 위해 시스템은 누적 가동 시간 또는 투과율 센서의 값에 따라 자동 세척 시퀀스를 수행한다.

세척수 주입: 세척 전용 밸브 V1을 개방하여 세척액 또는 용수를 투입한다.

순환 세척: 세척 레벨 도달 시, 별도의 세척 전용 펌프 추가 없이 기존의 메인 펌프를 역방향 또는 순환 경로로 구동하여 수류 마찰력을 통한 물리적 세척을 수행한다. 이는 하드웨어 복잡도를 줄이고 제조원가를 절감하는 핵심 설계 요소이다.

시스템의 각 동작 모드에 따른 솔레노이드 밸브(V1, V2, V3)와 펌프(P1)의 제어 상태는 그림 다음과 같습니다.

그림 3에 제어 알고리즘 순서도를 도식화 하였다.

(5) 환경 친화적 폐액 배출 (Automated Waste Drainage): 세척 공정이 완료되면 배수 전용 밸브 V2가 개방되어 세척수 및 탈락한 스케일 입자들을 외부로 배출한다. 모든 세척 공정이 완료되면 시스템은 다시 (1)단계의 살균 대기 상태로 자동 복귀한다. 이 모든 과정은 임베디드 제어 모듈에 의해 실시간으로 모니터링되며, 이상 발생 시 관리자에게 알람을 송출하는 자기 진단 기능을 포함한다.

5.1 Sterilization Performance Maintenance

모듈형 병렬 결합 구조가 살균 성능 유지에 미치는 핵심 효과는 UV 접촉 시간(contact time, CT)의 일정성 유지이다. 본 시스템에서의 CT 보존 논리는 아래와 같이 두 가지 운용 방식에 따라 구분된다.

(a) 방식 A — 총 유량 상한 기반 모듈 수 가변 제어

본 방식은 각 모듈의 설계 최대 허용 유량(Q_max)을 기준으로, 총 유입 유량 Q가 증가할 때 운전 모듈 수 n을 단계적으로 증가시키는 방식이다. 제어기는 유량계(flow meter)로부터 총 유량 Q를 실시간 계측하여, 운전 모듈 수를 다음 조건을 만족하도록 결정한다.

여기서 Q_max는 단일 모듈의 설계 최대 유량, $\lceil \cdot \rceil$는 올림 함수(ceiling function)이다. 이 조건하에서 각 모듈의 실제 유량은 Q/n $\le$ Q_max를 항상 만족하며, 단일 모듈의 접촉 시간 CT는 다음과 같이 하한이 보장된다.

여기서 V_module은 단일 모듈의 유효 체적, CT_min은 설계 보증 최소 접촉 시간이다. 즉, 유량이 증가하더라도 모듈수를 이에 비례하여 증가시키는 한 CT 값은 CT_min 이상으로 유지됨이 수식적으로 보장된다. 이 방식은 모듈별 독립 유량 제어 밸브가 불필요하여 하드웨어 구성이 단순하며, 유량의 단계적 증감에 따른 모듈 ON/OFF 스케줄링을 제어 알고리즘이 자동 수행한다.

(b) 방식 B — 모듈당 유량 고정 제어

본 방식은 각 모듈 유로에 독립적인 유량 조절 밸브 또는 소형 펌프를 배치하여, 각 모듈의 통과 유량을 설계 목표값 Q_design으로 일정하게 유지하는 방식이다. 이 경우 총 처리 유량 Q와 운전 모듈 수 n의 관계는 Q = n $\times$ Q_design이며, CT 값은 다음과 같이 상수로 확정된다.

이 방식은 CT의 정확한 정량 보증이 가능하다는 장점이 있으나, 모듈 수 증가에 따른 밸브 또는 펌프 추가로 하드웨어 복잡도와 비용이 증가한다.

본 연구에서 제안하는 기본 구성은 방식 A를 채택한다. 총 처리 유량 Q가 실시간으로 변동하는 농업용 폐양액 환경에서, 유량계 계측값에 기반한 모듈 수 자동 증감 알고리즘이 CT_min 이상의 살균 성능을 연속적으로 보장한다. 방식 B는 고정밀 살균 성능 보증이 요구되는 고사양 적용 환경에서 선택적으로 적용 가능한 확장 옵션으로 제시한다.

5.2 Comparative Analysis

제안하는 모듈형 시스템과 기존 단일 챔버형 시스템의 특성을 비교하면 Table 3과 같다.

위생과 유지보수 측면에서 본 시스템은 모듈 단위의 독립적 교체가 가능하다. 특정 모듈의 램프 수명이 도달하거나 이상이 감지될 경우, 해당 모듈만을 분리하여 교체할 수 있어 전체 시스템의 운전 중단 없이 유지보수가 이루어진다. 이 과정에서 제어 시스템이 해당 모듈 정지를 인식하고 운전 조건을 자동으로 재조정하는 메커니즘은 다음과 같이 구성된다.

모듈 상태 모니터링 및 결함 검출

각 모듈은 누적 램프 가동 시간 카운터 및 UV 조도 센서(또는 대안으로 램프 전류 감지 회로)를 통해 램프 상태를 중앙 제어기에 주기적으로 보고한다. 다음 조건 중 하나가 충족될 때 해당 모듈에 대해 Module Fault 상태가 선언된다.

누적 가동 시간이 램프 정격 수명(9,000h)의90% 이상에 도달한 경우(교체 예고)

UV 조도 센서 측정값이 초기 기준값 대비 설정 임계값(예: 75%) 이하로 저하된 경우

램프 전류 감지 회로에서 단선 또는 이상 전류값이 검출된 경우(즉시 정지)

제어 알고리즘 자동 재조정

Module Fault 상태가 선언되면 제어기는 다음 순서로 운전 조건을 재조정한다.

① 해당 모듈 UV-C 램프 및 유로 밸브를 OFF하여 운전에서 이탈시킨다.

② 운전 모듈 수를 n $\rightarrow$ n−1로 갱신하고, 5.1절의 수식(3a)에 따라 총 허용 유량 상한값을 Q_max,total = (n−1) $\times$ Q_max로 재설정한다.

③ 현재 총 유량 Q가 Q_max,total을 초과하는 경우, 유량 조절 밸브 또는 공급 펌프 출력을 자동으로 감소시켜 Q $\le$ Q_max,total 조건을 만족하도록 제어한다. 이를 통해 CT_min 이상의 살균 성능이 유지된다.

④ 관리자에게 모듈 번호, 결함 원인, 재조정된 처리 용량을 포함한 알람 메시지를 송출한다.

위 메커니즘에 따라 동작 모드별 밸브 및 펌프 제어 상태는 Table 2에 'Module Fault' 행을 추가하여 Table 4에 명시한다.

이 구조를 통해 시스템 가용성(system availability)을 99% 이상으로 유지할 수 있다. 단일 모듈 정지 시에도 나머지 모듈이 처리 용량을 부분 유지하며 살균 성능을 지속하므로, 24시간 연속 운전이 요구되는 대규모 스마트팜 환경에서도 생산 손실 없이 유지보수가 가능하다.

5.3 Structural Integrity and Load Analysis of Stacked Module Configuration

모듈형 병렬 결합 구조, 특히 Design Option 2(중앙 포트 방식)와 같이 모듈을 수직으로 적층하는 경우, 최하단 모듈이 부담해야 할 하중은 적층 단수에 비례하여 증가한다. 이에 대한 구조적 대응 방안이 요구된다.

본 시스템은 구조적 보강 방안을 적용하고자 한다.

(1) 독립 프레임 구조 채택: 모듈 하중을 최하단 모듈이 직접 지지하는 방식이 아닌, 별도의 SUS 랙 프레임(rack frame)을 통해 각 모듈의 하중을 프레임 바닥으로 분산 전달하는 구조를 채택한다. 이 경우 최하단 모듈에 집중되는 하중은 자체 모듈 하중만으로 제한된다.

(2) 모듈 간 연결부 강도 설계: 모듈 간 체결부는 SUS 볼트/너트 또는 클램프 구조로 설계하고, 정적 하중뿐 아니라 펌프 가동 시 발생하는 수격(water hammer) 및 진동 하중에 대한 피로 강도(fatigue strength)를 고려한 설계 검토가 필요하다.

(3) 적층 단수 제한 권고: 독립 프레임 없이 모듈 자체 적층 구조만으로 구성할 경우, 구조 안전성을 고려하여 적층 단수를 최대 5단 이내로 제한하는 것을 권고한다. 5단 초과의 대용량 시스템에서는 프레임 분리형 병렬 배치를 우선 채택한다.

(4) 내압 설계: 최하단 모듈의 유로는 상단 모듈 수두(water head)에 의한 추가 정수압을 부담하므로, 유로 및 배관 연결부의 내압 설계값에 적층 높이에 따른 수두압($\rho gh$)을 반영해야 한다. 10단 적층 시 추가 수두압은 약 0.1 MPa(1 kgf/cm²) 수준으로 추정된다.