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20회 세탁해도 거뜬한 나노섬유 마스크 개발했다

카이스트, 정렬된 나노섬유 기술로 재사용 가능 마스크 개발 공기 잘 통하고 여과 효과…에탄올 살균·세척해도 94% 이상 효율
[대전=뉴시스] 비누 손세탁 20회 뒤의 미세구조 변화 사진(나노섬유의 형상에 변화가 없다).
[대전=뉴시스] 비누 손세탁 20회 뒤의 미세구조 변화 사진(나노섬유의 형상에 변화가 없다).
[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 수십번 물에 세탁해도 성능을 유지돼 장기간 재사용할 수 있는 마스크가 개발됐다.

KAIST는 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 직경 100~500㎚(나노미터) 크기를 갖는 나노섬유를 직교 또는 단일방향으로 정렬시켜 세탁 후에도 우수한 필터효율을 유지할 수 있는 나노섬유 멤브레인을 개발했다고 16일 밝혔다.

김 교수 연구팀이 이번에 개발한 기술은 나노섬유의 배향성(Alignment)을 제어해 직교 형태의 나노섬유를 제조할 수 있는 절연블럭 전기방사법으로 기존 무배향성 나노섬유 소재와 달리 공기필터 압력강하를 최소화하고 여과 효율은 최대화할 수 있는 구조다.

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 있고 통기성이 뛰어나며 얇은 두께에서도 우수한 필터 효율을 가진다는 장점이 있다.

연구팀에 따르면 기존 공기필터 방식은 고분자 소재를 멜트블로운(Melt-blown) 공법으로 방사한 후 고전압에 노출시키는 공정을 거쳐 완성된다. 이로 정전식 섬유필터는 섬유 표면에 형성된 정전기가 시간이 지날수록 소실되는 문제점이 있다.

또 수분이나 물이 닿으면 정전기 기능이 사라져 필터 효율이 급격하게 떨어지기 때문에 재사용이 불가능하다.

반면 직교 나노섬유 기반 마스크는 에탄올 살균 세척 실험 결과 20회 반복 세척 후에도 초기 여과 효율을 94% 이상 유지, 여과 성능이 지속된다.

연구팀의 관찰 결과, 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 가능하다.

또한 겉면마스크 안쪽에 필터의 삽입 교체가 가능해 10~20회 세척 사용 후 필터를 교체할 수 있고 특히 4000회의 반복적인 굽힘 테스트에서도 KF80 이상(600㎚ 입자·80% 여과 효율)의 성능이 유지되기 때문에 기계적인 내구성 또한 매우 우수하다.

한편 지난 해 2월 설립된 KAIST 교원 창업회사인 ㈜‘김일두연구소’는 방향성이 제어된 나노섬유 멤브레인을 52구 바늘구멍을 통해 섬유를 토출하는 롤투롤(roll-to-roll) 방식의 양산 설비를 구축하고 있다.
이 회사는 35㎝의 폭을 갖는 멤브레인을 1시간에 7m 정도 생산이 가능해 하루 평균 1500장 수준의 나노섬유 마스크 필터를 제조할 수 있다.

김일두연구소는 식약처 승인 등의 관련 절차를 거쳐 이번에 개발한 마스크를 제품화한 뒤 곧바로 양산 설비 증설을 통해 대량생산하고 정렬된 멤브레인에 항균기능을 부여, 사용 안정성을 더 향상시킨 고품질 필터를 개발할 방침이다.

김일두 교수는 "정열된 나노섬유 기반의 마스크 필터는 에탄올 소독 세척 또는 가벼운 손세탁을 통해 재사용이 가능, 마스크 품귀 문제와 마스크 폐기에서 발생하는 환경 문제를 동시에 해결하는데 기여할 수 있다"고 강조했다.

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