COVID19 잡아라, 친환경 고성능 필터 승부수

생분해성 고분자 및 항균·항바이러스 등 필터 경쟁

차세대 전기방사필터, 인자제거효율↑·공기저항성↓

■생분해성 고분자 필터

일회성 플라스틱의 사용뿐만 아니라 COVID-19로 인한 마스크의 폐기량이 급격히 누적됨에 따라 생분해성 고분자가 큰 주목을 받고 있으며, 대표적인 생분해성 고분자로는 다당류(polysaccharide), 녹말(starch), 폴리 젖산(PLA, polylactic acid),폴리하이드록시 부티레이트(polyhydroxybutyrate), 폴리부틸렌 숙시네이트(polybutylene succinate) 등이 있다.

생분해성 고분자(biodegradable polymer)는 빛, 수분 등의 환경에서 화학 구조의 변화 및 물질 변화가 일어나는 분해성 고분자의 일종으로, 이러한 생분해성 고분자로 구성된 필터는 폐기 후에 토양 매립 시 미생물의 활동으로 자연적으로 분해되어 최종적으로는 물과 이산화탄소로 변환될 수 있다.

덕분에 일회성 플라스틱인 마스크의 폐기에 따른 문제를 해결할 수 있는 대체 소재로 주목받고 있다. 대표적으로 생분해성 플라스틱인 PLA나 셀룰로오스(cellulose)를 사용한 공기 여과 필터에 대한 연구개발이 진행되고 있다.

1)국내 연구 동향

한국섬유개발연구원에서는 2020년 바이오산업핵심기술개발 사업에 최종 선정되어 고강성 생분해성 섬유 개발을 위한 로드맵을 제시하였다. 본 연구를 통해 2024년까지 바이오 첨가제를 적용해 75MPa 수준의 인장강도를 가지는 섬유제품을 만들어 여러 번 반복 사용이 가능한 소재를 개발할 방침이다

㈜톱텍의 자회사인 ㈜레몬에서는 마스크의 모든 구성 성분이 생분해성 소재인 친환경 생분해성 마스크를 개발하였다. 마스크의 중심 필터는 생체적합성이 뛰어난 폴리카프로락톤(PCL, polycaprolactone) 중합체를 사용하였으며 그 외의 다른 요소(안감, 겉감, 귀고리 끈 등)들은 PLA를 사용하였다. 특히, 생분해성 고분자로만 구성된 ㈜레몬의 필터는 매립 이후 42일 만에 약 62%가 분해되는 성능을 보였다.

2)해외동향

미국의 Zhong Lin Wang 교수 연구진은 PLA 기반 생분해성 소재를 전기 방사하여 섬유 직경이 150~450nm 수준의 생분해성 나노섬유 필터를 개발하였다.

특히, 해당 필터는 전기방사 공정을 통해 PLA가 지닌 압전 특성이 더욱 강화되어 99.3%의 높은 분진포집효율을 보였다. 또한, 6시간 이상의 2.5㎛ 수준의 미립자 노출에도 99% 이상의 분진포집효율을 유지했고 0.02 이상의 양질계수(quality factor) 성능 지표를 보였다. PLA 기반 나노섬유의 높은 여과 효율, 생분해성 능력 및 제작 편의성을 강점으로 하여 공기 청정기 또는 개인용 호흡기 보호구와 같은 여러 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

중국의 Xinsheng Peng 교수 연구진은 생분해성 소재인 셀룰로오스와 금속 유기 구조체인 HKUST-1를 혼합하여 유해 가스 입자 및 미립자 여과가 동시에 가능한 생분해성 필터를 개발하였다

해당 필터는 수 나노미터에서 수 마이크로미터의 기공과 HKUST-1의 포름알데히드에 대한 흡착 작용 덕분에 높은 공기 투과도를 보이면서도 약 95%의 분진포집효율 및 포름알데히드 제거율을 가지는 우수성을 보였다. 특히, 해당 필터는 철망 위에 전체적으로 얹어서 사용할 수 있어 실내 공기 정화를 위한 스크린으로 응용될 수 있다.

■항균·항바이러스 필터 개발

일반적인 호흡기 바이러스의 크기는 60nm~140nm 정도이지만 유행성 바이러스는 대부분 비말 또는 에어로졸(약 0.01㎛~10㎛ 크기)에 의해 전파되어 비말 및 에어로졸을 차단할 수 있는 고성능의 필터 개발 기술이 요구되고 있다.

또한, 마스크 사용 중에 필터에 잔존하는 감염원에 대한 우려가 커짐에 따라 대표적인 항균 및 항바이러스 입자인 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 코발트(Co) 금속 내지는 아연 산화물(ZnO), 산화철(Fe2O3), 산화 티타늄(TiO2) 등의 금속산화물 및 4차 암모늄계, 트리클로산(triclosan), 키토산(chitosan), 폴리피롤(polypyrole), 그래핀 산화물(graphene oxide) 등의 다양한 소재를 필터에 첨가하여 바이러스 사멸 기능을 함께 부여하는 연구가 진행되고 있다.

1)국내동향

국내 ㈜오텍캐리어는 구리를 필터 지지체에 첨가하는 공법을 응용하여 황화구리(CuS) 소재 기반의 헤파필터를 개발하였고, 이 필터는 실제 ‘캐리어 클라윈드 공기 청정기’ 모델에도 향후 적용될 예정이다. 와이엠티(주)는 극동박 필터를 적용한 항바이러스 마스크 생산을 개발 중이며, 극동박 필터는 구리 원단만으로 구성된 멤브레인이라는 점에서 기존의 구리가 일부분만 포함된 섬유 필터들과 차별점을 가진다.

숭실대학교 김주용 교수 연구진과 케이원텍스는 직경 70㎛의 구리 섬유를 친환경 원사와 합사해 직조한 특수 복합사를 활용하여 항바이러스 마스크(K29TEX)를 출시했다. 본 제품은 입체적 형태 안정성이 우수할 뿐만 아니라 높은 수준의 통기성을 보유한다는 특징을 갖는다.

서울대학교 장정식 교수 연구진은 약 8nm 크기의 은 나노입자가 삽입된 나노섬유 필터를 개발하였으며, 은 나노입자와 양이온계 고분자 사슬이 황색포도상구균에 대한 높은 항균 작용을 입증하는 연구 결과를 발표하였다.

2) 해외 동향

미국 University of California의 Gang Sun 교수 연구진은 햇빛에 의해 활성산소를 생성하는 광감제(photosensitizer)가 기능화된 Poly(vinylalcohol-co-ethylene)(PVA-co-PE) 항균 항바이러스 멤브레인을 개발하였다.

주목할만한 점은 필터의 살균 기능이 햇빛 아래에서 지속적으로 활성화된다는 것으로, 필터의 재사용 가능성이 보고되었다. 또한, 이 필터가 적용된 마스크가 세균이 포함된 에어로졸에 노출되면 균이 검출되지 않음을 입증함으로써 항균 및 항바이러스 필터로서의 높은 활용 가능성을 인정받았다.

미국 Argonne National Laboratory의 Supratik Guha 교수 연구진은 에어로겔 형태의 바이러스 감염원 차단을 위한 다양한 면 마스크에 관한 연구를 진행하였고, 면적당 더 많은 양의 실이 재봉된 경우 더 높은 여과 효율을 가질 수 있음을 규명하였다.

특히, 실크나 쉬폰 소재의 섬유가 정전기력에 의해 100nm 이하의 미세 입자에 대해 큰 필터 효율을 보인다는 것을 입증하였다. 그 외에도 필터의 효과적인 사용을 위해 얼굴 형태에 맞는 마스크의 사용이 중요함을 강조하였다.

■차세대 전기방사 필터 개발

1) 국내 동향

충남대학교 나정효 교수 연구진은 쌍극자 모멘트(dipole moment)가 큰 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole) 나노 섬유 기반의 멤브레인을 제조하여 극성의 입자들을 제거하는 필터를 개발하였다.

서울대학교 고승환 교수 연구진은 나일론 메쉬(nylon mesh)와 은 나노와이어 복합체를 활용하여 전기장을 가해줌으로써 미세 유해 입자를 제거하는 필터를 개발하였다.

한국과학기술원 김일두 교수 연구진은 금속 이온과 유기물 리간드로 이루어진 다공성 가스 흡착 소재인 금속 유기 구조체(Metal-Organic Frameworks, MOF)를 다양한 섬유 위에 성장시켰다. 개발된 필터는 기존의 필터 소재 대비 우수한 입자 제거 효율을 유지함과 동시에 낮은 공기 저항성을 보였다.

또한, 절연 블럭 전기방사법을 활용하여 직조형태 나노섬유(woven nanofiber) 공기필터를 제조하였고 이를 통해 나노섬유의 한계로 지적된 계층화된 구조 형성에 대한 문제를 부분적으로 해결할 수 있었다.

2) 해외 동향

중국 동화대학교 Bin Ding 교수 연구진은 나노섬유를 이용한 공기필터 연구를 활발히 진행하고 있는 그룹 중 하나로, 나노섬유/나노 그물망 구조를 처음으로 고안하여 높은 여과 효율을 유지함과 동시에 공기 저항을 낮출 수 있는 신개념의 나노섬유 구조를 보고하였다.

특히, poly(m-phenylene isophthalamide) 고분자를 이용한 나노섬유/나노 그물망 공기필터는 99.999%의 여과 효율 및 공기 저항 92Pa의 우수한 성능을 보였다. 중국 Beijing Institute of Technology의 Bo Wang 교수 연구진은 고분자 용액에 다양한 종류의 금속 유기 구조체를 섞어 전기방사 함으로써 나노섬유와 금속 유기 구조체가 혼합된 형태의 공기필터를 제조하였다.

특히, 제타 전위가 가장 높은 ZIF-8 이 첨가된 폴리아크릴로나이트릴(PAN) 나노섬유가 담배 연기 여과에 있어 높은 성능을 보이는 것을 확인하였다. 또한, UIO-66-NH3 기반의 금속 유기 구조체가 유해 가스인 SO2 여과에 효과적으로 작용함을 입증하였다.

▲ 한국섬유개발연구원에서 개발하고 있는 고강성 생분해성 섬유 모식도(좌) 및 ㈜톱텍의 자회사 ㈜레몬에서 개발한 생분해성 필터(우)

▲ Zhong Lin Wang 연구진에서 개발한 생분해성 필터(좌) 및 Xinsheng Peng 연구진에서 개발한 생분해성 필터(우)

▲ 장정식 교수팀이 개발한 Ag 나노입자가 삽입된 나노섬유 필터

▲ Gang Sun 교수팀이 개발한 광감제를 함유하는 필터 및 항균성 비교(좌) 및 Supratik Guha 교수팀이 개발한 에어로졸 침투 방지용 면 마스크의 모식도(우)

▲ ACS Appl. Mater. Interfaces(위), Nanotechnology(아래)

▲ 나노섬유, 나노그물망 구조의 필터 및 테스트결과

▲ 다양한 금속유기구조체가 성장된 나노섬유.