정전기를 활용한 공기 중 병원체 제거 기술 개발
정전기를 활용한 공기 중 병원체 제거 기술 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.06.22 00:00
  • 조회수 3042
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성균관대학교(총장 신동렬)는 신소재공학부 김상우 교수 연구팀이 정전기와 나노와이어를 활용하여 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체(바이러스, 박테리아)를 제거할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔습니다. 이로써 우리 주변에 흔히 존재하지만 사용되지 못하고 버려지는 진동 등의 운동 에너지를 수확(energy harvesting)하여 정전기를 발생시키고 실내외 병원체를 단기간에 제거할 수 있게 되었습니다.

(그림 1) 전기장이 극대화된 나노와이어 근처에서 전기천공법에 의한 박테리아 사멸
(그림 1) 전기장이 극대화된 나노와이어 근처에서 전기천공법에 의한 박테리아 사멸

공기 중으로 전염되는 병원체는 폐렴, 천식 및 인플루엔자 감염 등이 대표적이며 사스, 메르스, 신종플루 등 신종 감염병의 확산에 따라 심각한 사회적·경제적 손실이 발생하고 있는데요. 특히 현재 전 세계적인 팬데믹을 일으키고 있는 COVID-19도 공기 중으로 전염되는 바이러스 병원체로 수많은 감염자와 사망자를 발생시키고 있습니다. 백신 개발에 필요한 시간을 고려하였을 때 전염병 확산 방지를 위한 초기 선제적 대응 기술이 요구되지만, 공기 중 병원체 제거를 위한 필터는 단순히 물리적으로 입자를 포집할 뿐, 자체로 병원체를 제거(비활성화)하지 못하며 압력강하 및 이에 따른 유량 저하 등의 문제가 있습니다. 또한 전기집진기의 경우 오존이 발생하고 수 kV 수준의 고전압을 필요로 하기 때문에 위험성이 있습니다.

 

연구팀은 일상생활에서 흔히 존재하는 정전기와 나노와이어 구조에서 힌트를 찾았는데요. 정전기를 통해 전기장을 형성시키고, 이를 나노와이어를 통해 극대화시킴으로써 공기 중에 존재하는 병원체를 전기천공법(electroporation)을 활용해 손쉽게 제거할 수 있음을 입증했습니다.

(그림 2) 병원체 제거 시스템의 작동 원리a 공기 유로 내 병원체 제거시스템의 개략도. 정전기 에너지 하베스팅 소자의 출력은 회로에 의해 분리되어 전극으로 전달됨. b Step 1 에서 음의 전극은 바이러스 및 박테리아를 음전하로 대전시킴. Step 2 에서 양의 전극은 대전된 바이러스 및 박테리아를 포집함. Step 3 양의 전극의 표면은 나노와이어(nanowire)에 의해 전기장이 극대화되어 전기천공법에 의해 바이러스 및 박테리아를 사멸시킴
(그림 2) 병원체 제거 시스템의 작동 원리a 공기 유로 내 병원체 제거시스템의 개략도. 정전기 에너지 하베스팅 소자의 출력은 회로에 의해 분리되어 전극으로 전달됨. b Step 1 에서 음의 전극은 바이러스 및 박테리아를 음전하로 대전시킴. Step 2 에서 양의 전극은 대전된 바이러스 및 박테리아를 포집함. Step 3 양의 전극의 표면은 나노와이어(nanowire)에 의해 전기장이 극대화되어 전기천공법에 의해 바이러스 및 박테리아를 사멸시킴

연구진은 설계된 유로 내에 박테리아인 대장균과 간균 및 바이러스인 MS2를 노출시켜 병원체 제거 효율을 확인하고, 나노미터 수준의 바이러스부터 마이크로미터 수준의 박테리아까지 실제 병원체를 정전기를 통해 손쉽게 제거할 수 있음을 보였습니다. 나아가 2m/s의 높은 유속에서도 수십 나노미터의 크기를 갖는 매우 작은 MS2 바이러스도 99.99% 이상의 효율로 제거할 수 있음도 확인했습니다. 이는 상업용 공기청정기에 활용되는 H13 등급 필터와 비교했을 때 유사한 수준이지만 차압은 50배 이상 낮으며, 0.025초라는 짧은 시간 안에 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체를 제거할 수 있다는 것이 가장 큰 특징입니다.

(그림 3) 정전기 에너지 하베스터의 구조 및 공진에 따른 출력 증가
(그림 3) 정전기 에너지 하베스터의 구조 및 공진에 따른 출력 증가

김상우 교수는 “본 연구는 정전기 기반의 자가발전형 병원체 제거 기술로 공기 중에 존재하는 병원체를 물리적으로 단순히 포집한다는 기존의 필터가 가지는 한계를 극복한 기술이다”며 “높은 병원체 제거 효율에도 압력손실이 매우 낮아 순환시스템의 에너지효율을 극대화한 실내외 공조기술로 사용될 수 있으며, 추후 후속연구를 통해 마스크 및 방호복에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했습니다.

(그림 4) 공기 중 바이러스 및 박테리아 제거 효율a-c 정전기 에너지 하베스팅 소자 구동여부 및 풍속에 따른 바이러스 및 박테리아 제거 효율 Escherichia coli (대장균) (E. coli; Gram-negative bacteria; a), Bacilus subtilis (간균) (B. subtilis; Gram-positive bacteria; b) and MS2 (박테리오파지 MS2) (virus; c). d-f 정전기 에너지 하베스팅 구동 여부에 따른 번식 정도 E.coli (d), B. subtilis (e), and MS2 (f) g-i 전기천공법에 의해 바이러스 및 박테리아가 제거되었음을 입증하는 SEM(주사전자현미경) 사진 (나노와이어 접촉 전, 후) E. coli (g), B. subtilis (h), and MS2 (f)
(그림 4) 공기 중 바이러스 및 박테리아 제거 효율a-c 정전기 에너지 하베스팅 소자 구동여부 및 풍속에 따른 바이러스 및 박테리아 제거 효율 Escherichia coli (대장균) (E. coli; Gram-negative bacteria; a), Bacilus subtilis (간균) (B. subtilis; Gram-positive bacteria; b) and MS2 (박테리오파지 MS2) (virus; c). d-f 정전기 에너지 하베스팅 구동 여부에 따른 번식 정도 E.coli (d), B. subtilis (e), and MS2 (f) g-i 전기천공법에 의해 바이러스 및 박테리아가 제거되었음을 입증하는 SEM(주사전자현미경) 사진 (나노와이어 접촉 전, 후) E. coli (g), B. subtilis (h), and MS2 (f)
(그림 5) 대전부 설계에 따른 제거 효율 및 상용화된 필터와 차압 비교
(그림 5) 대전부 설계에 따른 제거 효율 및 상용화된 필터와 차압 비교

본 연구는 과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 경기도 지역협력연구센터 등의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 6월 17일(목) 온라인 게재되었습니다.

 

용어 설명

1. 정전기

정전기란 전기가 한 물체에서 금방 다른 물체로 이동하지 않고 머물러 있기 때문에 붙여진 이름이다. 대부분의 정전기는 물체가 서로 마찰할 때 생기기 때문에 ‘마찰전기’라고도 한다. 일반적으로 물체는 같은 양의 양(+)전하와 음(-)전하를 가지고 있어 전기적으로는 중성이다. 하지만 두 물체가 서로 접촉하거나 분리하게 되면 그 경계면에 전하의 이동이 생겨서 각각의 물체에 같은 양의 과잉 양전하와 과잉 음전하, 즉 정전기가 발생하게 된다.

기원전 600년경에는 탈레스에 의한 마찰전기(정전기)에 대한 기술이 존재하고 있다. 전지와 전자기유도가 발견되기 전까지 전기라고 하면 정전기를 가리키는 것이었다. 

2. 에너지 하베스팅

에너지 하베스팅은 우리 주변에서 버려지거나 사용하지 않은 작은 에너지를 수확하여 사용할 수 있는 전기에너지로 전환하려는 기술로, 신재생 에너지 원천 기술로 각광받고 있다. 자연적으로 발생하는 태양광, 진동, 열, 바람 등이 하베스팅 가능한 에너지원이다. 

3. 전기천공법(Electroporation)

전기천공법은 병원체의 인지질 이중막 주변에 강한 전기장을 인가하면 전기장 주변에 이온이 축적되고, 축적된 이온이 강한 압축 응력을 형성하여 인지질 이중막에 구멍을 형성하는 기술

 

연구결과 개요

1. 연구배경

  • 공기 중으로 전염되는 병원체는 폐렴, 천식 및 인플루엔자 감염에 주된 원인으로 공중 보건에 커다란 위협이 되고 있다. 최근 유행한 COVID-19 바이러스 뿐만 아니라 역사적으로 흑사병, 천연두, 스페인독감 등 여러 종류의 병원체가 공기 중 감염에 수많은 감염자와 사상자를 발생시켰으며, 전 세계 인간 일상생활의 거의 모든 측면을 파괴하였다.
  • 백신 개발에 필요한 시간을 고려하였을 때 전염병 확산 방지를 위한 초기 선제적 대응 기술이 요구되지만, 공기 중 병원체 제거를 위한 필터는 단순히 물리적으로 입자를 포집할 뿐, 병원체를 제거(비활성화)하지 못하며 압력강하 및 이에 따른 유량 저하 등의 문제가 있다. 또한, 전기집진기의 경우 오존이 발생하고 수 kV 수준의 고전압을 필요로 하기 때문에 위험성을 가지고 있다.
  • 이에 연구팀은 공기 중 병원체를 전기적으로 제어하고자 했고, 정전기를 기반으로 얻어진 전기에너지를 나노와이어를 통해 극대화하여 공기 중 병원체를 전기천공법(electroporation)을 통해 제거하는 기술을 개발하였다.

 2. 연구내용 

  • 본 연구에서는 우리 주변에서 상시 존재하지만 사용되지 못하고 버려지는 작은 진동을 극대화시키는 공진설계, 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 정전기 에너지 하베스팅 기술, 이를 통해 얻어진 전기적 에너지(전기장)를 나노와이어를 통해 극대화시키고 이를 병원체 제거에 활용하는 정전기 기반 자가발전형 공기 중 병원체 제거 기술을 제안하였다.
  • 본 연구는 자연에서 버려지는 진동을 효과적으로 활용하기 위해 공진을 활용하였으며, 설계된 공진 주파수에서 수백 마이크로미터 수준의 낮은 진폭으로도 227 V의 높은 수준의 전압을 얻을 수 있었다.
  • 본 연구진은, 공기 중 병원체를 전기적으로 제어하기 위해 병원체의 표면을 음전하로 대전시켰다. 병원체 대전부는 유동해석 시뮬레이션을 통해 설계되었으며, 시뮬레이션 결과 바이러스와 박테리아가 효과적으로 접촉대전이 일어나는 것을 검증하였다.
  • 또한 본 연구진은, 나노와이어 구조를 활용하여 전기장을 극대화 하고 전기천공법을 통해 병원체 제거하였다. 연구팀은 전기장을 형성시켜 음전하로 대전된 병원체를 나노와이어 표면으로 이동시켰으며, 나노와이어 표면에서 전기천공법을 활용하여 병원체를 제거하였다.
  • 연구진은 설계된 유로 내에 대장균과 간균 그리고 MS2 바이러스를 노출시켜 병원체 제거 효율을 확인함으로서 나노미터 수준의 바이러스부터 마이크로미터 수준의 박테리아까지 실제 병원체를 정전기를 통해 제거할 수 있음을 입증하였다. 2m/s의 높은 유속에서도 MS2 바이러스(수십 나노미터)의 제거효율이 99.99% 수준임을 확인하였다.
  • 이는 상업용 공기청정기에 활용되는 H13 등급 필터와 비교하였을 때 유사한 수준이지만 차압은 50배 이상 낮으며, 0.025초라는 짧은 제거시간을 가진다.

 3. 기대효과

  • 본 연구에서 제안한 정전기 기반의 자가발전형 공기 중 병원체 제거 기술로 물리적으로 입자를 단순히 포집한다는 기존의 필터가 가지는 한계를 극복한 기술을 개발한 것이다.
  • 이는 높은 병원체 제거 효율에도 압력손실이 매우 낮아 순환시스템의 에너지효율을 극대화한 실내외 공조기술로 사용될 수 있다.
  • 또한 작은 진동에너지를 바탕으로 구현된 기술이기 때문에 별도의 에너지 저장장치를 필요로 하지 않으며, 활용된 전기적 에너지 또한 인체에 무해하여 마스크 및 방호복에 적용될 수 있다.
  • 본 연구는 공기 중 병원체 제거를 통해 팬데믹 발생시 선제적 대응의 가능성을 보여주었으며, 추후 발생 가능성이 있는 다른 전염병을 대응에 크게 기여할 것으로 기대된다.


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