"20회 세탁해도 재사용 가능" 마스크 등장
"20회 세탁해도 재사용 가능" 마스크 등장
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.18 00:30
  • 조회수 5334
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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. 출처: KAIST
정열형 나노섬유 필터가 삽입된 면마스크 사진. 면마스크 별도 반복 세척 및 나노섬유 필터의 반복적인 소독 교체 가능. 출처: KAIST

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. 출처: KAIST
부직포-나노섬유필터-부직포 샌드위치 필터의 20회 손세탁 했을 때. 출처: KAIST

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

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

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. 출처: KAIST
정열된 나노섬유 주사전자 현미경 사진. 롤투롤 나노섬유필터 제조 설비. 출처: KAIST

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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