물 세탁해 재사용해도 성능유지되는 '나노섬유 마스크' 개발

코로나19 확산으로 인해 전 세계가 위기에 처했고 국내에서는 마스크 5부제 등으로 시민들이 마스크를 구매해 사용할 수 있도록 하고 있는 가운데 국내 KAIST 연구팀이 세탁 후에도 우수한 필터효율을 유지할 수 있는 나노 마스크를 개발했다. 

여러번 물에 세탁해도 성능이 유지돼 장기간 재사용이 가능하다는 이 마스크는 어떻게 만들어졌을까?

16일 KAIST는 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 직경 100~500nm(나노미터) 크기의 나노섬유를 직교 또는 단일방향으로 정렬시켜 '나노섬유 멤브레인'을 개발했다고 밝혔다. 

나노섬유의 배향성을 제어해 직교 형태의 나노섬유를 제조할 수 있는 절연블럭 진기방사법으로 기존 무배향성 나노섬유 소재와 달리 공기 필터 압력강하를 최소화하고 여과 효율은 최대화할 수 있는 구조로 개발된 기술이라고 한다. 

김 교수 연구팀은 직교 형태의 정렬된 나노섬유 제조기술은 나노섬유의 종류, 두께, 밀도 등의 변수 조절을 통해 KF80~N95 성능까지 구현되는 나노섬유 멤브레인을 제작할 수 있고 통기성이 뛰어나며 얇은 두께에서도 우수한 필터 효율을 가진다고 밝혔다. 

기존 공기필터 방식은 고분자 소재를 Melt-blown(멜트 블로운) 공법으로 방사한 후 고전압에 노출시키는 공정을 거쳐 완성된다. 정전식 섬유필터는 섬유 표면에 형성된 정전기가 시간이 지날수록 소실되는 문제점이 있으며, 수분이나 물이 닿으면 정전기 기능이 사라져 필터 효율이 급격하게 떨어지기 때문에 재사용이 불가능하다. 

그러나 직교 나노섬유 기반의 마스크는 에탄올 살균 세척 실험결과 20회 반복 세척 후에도 초기 여과 효율이 94% 이상 유지 되며 여과 성능이 지속된다고 한다. 

나노섬유는 나노사이즈 섬유와 나노구조 섬유로 구별된다. 나노사이즈란 통상 1nm~100nm의 크기를 의미하지만, 섬유업계에서는 서브마이크론 직경의 섬유를 제조하는 것이 기존 방사노즐에 의한 섬유제조방식으로는 쉽지 않아 기존 섬유와 구분하기 위해 서브마이크론(sub micron) 직경의 섬유를 나노섬유로 통칭하고 있다.
[출처=한국IR협의회-나노섬유]

20회 손빨래 후에도 나노섬유 멤브레인의 구조 변화가 전혀 일어나지 않았고, 에탄올에 3시간 이상 담가둬도 나노섬유가 녹거나 멤브레인의 뒤틀림 현상이 없어 에탄올을 이용한 살균 및 세척시에도 한 달 이상 사용이 가능하다는 장점이 있다. 

겉면마스트 안쪽에는 필터의 삽입교체가 가능해 10~20회 세척 사용 후 필터의 교체를 할 수 있고, 특히 4000회의 반복적인 굽힘 테스트에서도 KF80(600nm 입자, 80% 여과 효율)의 성능이 유지되기 때문에 기계적인 내구성 또한 아주 우수하다는 것이다. 

카이스트 신소재공학과 김일두 교수는 2016년 한국세라믹학회 추계학술대회에서 젊은세라미스트 상을 수상하기도 한 바 있다.

이 상은 세라믹 연구분야에서 탁월한 연구 성과를 보여준 45세 이하 연구자에게 주어지는데 이미 그당시에도 김일두 교수는 전기방사 방법으로 제조된 나노섬유 멤브레인을 활용한 응용연구에서 우수한 연구 성과를 보여주어 젊은세라미스트 상을 수상하였다고 전해졌다. 

가장 최근에는 2019년 과학언론상 시상식에서 기자들이 뽑은 올해의 과학자상을 수상한 바 있다. 

지난 해 2월 설립된 카이스트 교원 창업회사인 (주)김일두연구소는 나노섬유 멤브레인을 52구 바늘구멍을 통해 섬유를 토출하는 롤투롤 방식의 양산 설비를 구축하고 있다. 이 회사는 하루 평균 1500장 수준의 나노섬유 마스크 필터를 제조할 수 있다고 한다. 

나노 마스크에 대한 소식으로 16일 오후에는 김일두연구소 웹사이트가 마비가 되기도 했으며, 포털의 실시간 검색어 상위에 오르기도 했다. 

김일두연구소는 이번에 개발한 마스크를 식약처 승인 등의 절차 진행 후 제품화한 후 곧바로 양상 설비 증설을 통해 대량생산하고 정렬된 멤브레인에 항균기능을 부여하여 사용 안정성을 더 향상시킨 고품질의 필터를 개발할 방침이라고 밝혔다. 

포인트경제 김수철 기자