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이웃집과학자

20회 세탁해도 재사용 가능 마스크

By 이웃집과학자

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요약

20회 세탁해도 재사용이 가능한 나노섬유 마스크가 개발됐습니다. 직경 100~500nm 크기의 나노섬유를 직교 혹은 단일 방향으로 정렬시키는 독자 기술 개발을 통해 세탁 후에도 우수한 필터 효율이 잘 유지되는 나노섬유 멤브레인을 개발했습니다. 개발된 나노섬유 마스크는 마스크 품귀 문제와 마스크 폐기에서 발생하는 환경 문제를 동시에 해결 가능할 것으로 보입니다.

지난해 말 시작된 바이러스성 호흡기 질환인 코로나19(COVID19)의 급속한 국내·외 확산으로 인해 바이러스성 질환의 감염원(비말, 에어로졸)을 차단할 수 있는 마스크 사용량이 폭발적으로 늘어나고 있습니다. 마스크 공급량을 뛰어넘는 수요의 폭증으로 인해 세계적으로 마스크 품귀 현상을 겪고 있지만 세탁한 뒤에도 성능을 유지한 채 재사용할 수 있는 마스크는 아직 존재하지 않았습니다.

정열형 나노섬유 필터가 삽입된 면마스크 사진. 면마스크 별도 반복 세척 및 나노섬유 필터의 반복적인 소독 교체 가능.

출처KAIST

KAIST는 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 직경 100~500nm 크기의 나노섬유를 직교 내지는 단일 방향으로 정렬시키는 독자기술 개발을 통해 세탁 후에도 우수한 필터 효율이 잘 유지되는 나노섬유 멤브레인을 개발했다고 합니다. 

성능도 뛰어나고 재사용도 가능한 마스크

김일두 교수 연구팀이 개발한 절연블럭 전기방사법은 나노섬유의 배향성(Alignment)을 제어해 직교 형태의 나노섬유를 제조할 수 있는 공정입니다. 이 직교 형태의 나노섬유는 공기필터의 압력강하를 최소화하고 여과 효율을 최대화할 수 있는 구조로 기존 무배향성 나노섬유 소재와 다릅니다. 특히 직교 형태의 정렬된 나노섬유 제조기술은 나노섬유의 종류, 두께, 밀도 등의 변수 조절을 통해 원하는 특성(KF80~N95 성능까지 구현)의 나노섬유 멤브레인을 제작할 수 있다는 점과 배향성을 지니고 있기 때문에 통기성이 뛰어나고 얇은 두께에서도 우수한 필터 효율을 가질 수 있다는 점이 큰 장점입니다.  

부직포-나노섬유필터-부직포 샌드위치 필터의 20회 손세탁 했을 때.

출처KAIST

기존 방식의 공기필터는 고분자 소재를 멜트블로운(Melt-blown) 공법으로 방사한 후, 고전압에 노출시키는 공정을 거쳐 완성됩니다. 따라서 정전식 섬유필터는 섬유 표면에 형성된 정전기가 시간이 지날수록 소실되는 문제점이 있었는데요. 때문에 공기필터의 초기 성능을 완전하게 보전할 수 없습니다. 또 수분이나 물이 닿으면 정전기 기능이 사라져, 필터 효율이 급격하게 떨어지기 때문에 재사용이 불가능합니다.

손세탁 20회 비누세척 후의 미세구조 변화 사진 (나노섬유의 형상에 변화가 없음이 관찰됨), 부직포-나노섬유필터-부직포 샌드위치 필터의 3시간 에탄올 세척 결과.

출처KAIST

반면 직교 나노섬유 기반 마스크는 에탄올 살균 세척 실험 결과 20회 반복 세척후에도 초기 여과 효율을 94% 이상 유지, 여과 성능이 잘 유지됨을 확인했으며, 20회 손빨래 후에도 나노섬유 멤브레인의 구조 변화가 전혀 일어나지 않았습니다. 이 마스크는 특히 에탄올에 3시간 이상 담가도 나노섬유가 녹거나 멤브레인의 뒤틀림 현상이 없어 에탄올을 이용한 살균·세척의 경우 한 달 이상 사용이 가능합니다.

나노섬유 필터의 기계적 내구성 관찰을 위한 굽힘 테스트(4000회 진행).

출처KAIST

아울러 겉면마스크 안쪽에 필터의 삽입 교체가 가능해서 10 ~ 20회 세척 사용 후, 필터를 교체할 수 있고 손세탁을 통해서도 안전한 마스크 이용이 가능합니다. 이밖에 4,000회의 반복적인 굽힘 테스트 후에도 KF80 이상(600nm 입자, 80% 여과 효율)의 성능이 유지되기 때문에 기계적인 내구성 또한 매우 우수하다는 점을 실험을 통해 확인했습니다.


현재는 하루 평균 1,500장 수준의 필터 제조 가능

정열된 나노섬유 주사전자 현미경 사진. 롤투롤 나노섬유필터 제조 설비.

출처KAIST

김일두 교수는 "정열된 나노섬유 기반의 마스크 필터는 에탄올 소독 세척 또는 가벼운 손세탁을 통해 재사용이 가능하기에, 마스크 품귀 문제와 마스크 폐기에서 발생하는 환경 문제를 동시에 해결하는 데 기여할 수 있다"고 강조하며 "식약처 승인 등의 관련 절차를 거쳐 제품화한 후 곧 양산 설비 증설을 통해 생산량을 늘리는 한편 정렬된 멤브레인에 항균 기능을 부여해 사용 안정성이 더욱 향상된 고품질 필터를 개발할 것"이라고 덧붙였습니다. 

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