연구성과

화공 차형준 교수팀, ‘나노섬유 마스크’ 알코올 뿌리기만 해도 여러 번 사용 가능하다

2020-06-17 621

[POSTECH – 일본 신슈대학교 공동연구팀, 나노섬유 필터와 멜트블로운 필터의 에탄올 세정에 따른 여과 성능 평가]

신종코로나바이러스 감염증(코로나19)이 전 세계에 확산되고 있다. 이제 마스크는 비말(침방울)을 통해 공기 중으로 전파되는 바이러스나 세균으로부터 호흡기를 일차적으로 보호하기 위한 필수 개인 위생품이 됐다. 마스크, 한 번 쓰고 버리기에는 아깝고, 그렇다고 재사용하기에는 찝찝하다. 이와 관련해 최근 한일 공동연구팀이 에탄올 세정 이후 마스크에 들어가는 필터의 성능 및 기능 변화를 다각적으로 비교 분석한 결과를 발표해 마스크 재사용에 대한 궁금증을 풀었다.

화학공학과 차형준 교수, 박사과정 이재윤씨, 정연수씨 연구팀은 일본 신슈대학교(Shinshu Univ) 김익수 교수, 박사과정 사나 울라(Sana Ullah)씨, 아짐 울라(Azeem Ullah)씨 연구팀과 공동으로 마스크 필터의 세정 처리 이후 여과 효율(filtration efficiency), 기류 속도, 표면 및 형태학적 특성 등 성능을 분석했다.

연구팀은 마스크 필터에 75% 에탄올을 뿌린 후 자연 건조하는 방법과 마스크 필터를 75% 에탄올에 담근 후 자연 건조하는 방법으로 세정처리 후 결과를 검증했다.

N95 마스크에 주로 사용되는 멜트블로운(melt blown) 필터와 전기방사 공정으로 생산되는 나노섬유(nanofiber) 필터를 조사한 결과, 두 필터 소재에서 모두 에탄올 용액을 3회 이상 분무하거나 에탄올 용액에 5분 이상 담가두는 것만으로도 마스크 필터 내부에 잔존할 수 있는 병원체가 효과적으로 억제되는 것으로 나타났다.

두 마스크 필터 소재 모두 최초 사용했을 때 여과 효율은 95% 이상으로 측정돼 착용자의 호흡기를 효과적으로 보호할 수 있음을 보였다. 또한, 표면에 물이 잘 붙지 못하는 특성이 있어 마스크가 습기와 침(비말) 등에 젖는 습윤 현상이 방지되는 것을 두 소재에서 모두 확인했다.

그러나, 멜트블로운 필터의 여과 효율은 에탄올 용액으로 세정한 후 재사용 했을 때 최대 64%까지 줄었다. 반면, 나노섬유 필터의 경우 에탄올 스프레이 세정을 통하여 10회 재사용하거나 에탄올에 24시간 동안 담가둔 후 재사용해도 여과 효율이 거의 그대로 유지됐다.

공동연구팀은 이러한 차이는 세정 후 필터의 정전기가 감소하는 현상 때문이라고 설명했다. 멜트블로운 필터는 입자를 여과할 때 표면의 정전기 효과에 일부 의존한다. 하지만 나노섬유는 정전기에 의존하지 않고 표면의 형태학적 특성과 기공 크기에 따라 여과하며 나노섬유 소재가 에탄올에 변형되지 않는다.

한편, 나노섬유 필터는 멜트블로운 필터에 비해 열 방출, 이산화탄소 배출 능력이 높아 훨씬 호흡하기 편하다. 또한, 인간 피부세포 및 혈관세포를 활용한 생물학적 안전성(biosafety) 실험에서도 세포독성(cytotoxicity)이 없음을 확인했다.

이를 종합하면, 두 마스크 필터 모두 처음 사용할 때는 여과 성능이 비슷하지만, 나노섬유 필터만이 집에서도 간단한 에탄올 세정을 통하여 여러 번 재사용할 수 있다는 결론을 내릴 수 있었다.

차형준 교수는 “이 연구는 최근 화제가 되고 있는 나노섬유 마스크의 생물학적 안전성과 세정 후 여과 효율성 유지 등을 실험으로 검증한 실험이다”라며 연구 의의를 설명했다.

또한, 신슈대학교 김익수 교수는 “앞으로 다가올지도 모를 제2차 3차 코로나 사태에 있어서 나노섬유 마스크가 감염 예방의 한 수단으로서 모두에게 도움이 되었으면 좋겠다”라며 덧붙였다.

한편, 이번 연구 결과는 최근 미국화학회가 발행하는 국제 학술지 ‘ACS 응용 나노소재(ACS Applied Nano Materials)’에 온라인 게재됐다.