바이오에어로졸 등 부유병원체 살균기술 절실

韓, 대기압 플라스마·필터·자외선·광촉매 등 활용

부유병원체 관리제도 뒷받침 경제적 기술 개발해야

■기술의 정의 및 분류

코로나 19의 주요 감염경로로 비말(飛沫)이 주목받고 있다. 비말이란 발산된 이후 빠르게 땅에 떨어지기에 충분히 크기가 크고 대부분 물로 구성된 입자로, 지름이 5mm보다 큰 것으로 정의된다.

에어로졸이나 공기보다 충분히 무거워 발생원으로부터 약 2m 이내의 거리에 대부분 떨어지기 때문에 마스크 착용 시 비교적 안전하게 감염을 예방할 수 있다고 한다. 하지만 일반적으로 사람들은 외출할 때 마스크를 쓰고, 적은 인원이 모인 실내에서는 마스크를 벗는 경향이 있기 때문에 전염병의 위협이 줄어들지 않고 있다. 특히 실내공간과 같이 밀폐된 공간이라면, 내부의 병원체 균이 환기되지 않아 더욱 감염에 취약한 환경이라 할 수 있다.

코로나 19는 비말감염이라 마스크로 충분히 감염을 예방할 수 있다고 하지만, 공기 감염의 형태로 감염이 되는 전염병에 대해서는 일반적인 마스크로도 예방이 어려울 수 있다. 다음의 <표 1>에는 감염경로에 따른 전염병 종류를 분류하였다. 공기 감염의 매체가 되는 바이오 에어로졸(Bio-Aerosols)은 기체상의 미생물이나 생물에서 발생한 기체상의 모든 물질을 뜻한다. 바이오 에어로졸은 크기가 0.1∼ 100㎛로 다양하며, 비말에 비해 크기가 작아서 비말을 차단할 수 있더라도 바이오 에어로졸에 대해서는 취약할 수 있다.

실내의 개인 공간에서는 사람들이 일반적으로 마스크를 벗는 경향이 큰데, 바이오 에어로졸의 경우 크기가 작고 공기 중에 부유하기 때문에 먼 거리를 움직일 수 있어 실내공간이라고 해서 안전하지 않은 것이 문제이다. 특히 에어컨이나 공조시스템으로 환기가 되는 밀폐공간의 경우에는 외부의 공기가 공조시설을 통해 유입될 수 있는데, 바이오 에어로졸이 같이 딸려올 수 있다.

따라서 공조시설에 대한 살균기술 및 그로 인해 유입될 수 있는 부유 병원체 및 바이오 에어로졸에 대한 살균기술이 필요한 실정이다. 이러한 이유로 바이오 에어로졸 제거를 위해 다양한 기술이 활용되고 있으며, 공기 청정기 및 집진기에 대기압 플라스마, 필터, 자외선, 광촉매 등의 다양한 기술들이 사용되고 있다. 본 기술동향 분석보고서에서는 기존 연구에서 다룬 기술들의 특성과 향후 사용될 기반 기술의 현황과 미래 연구 방향에 대해 논의하고자 한다.

■기술의 원리

현재 연구 기관들과 기업체 등에서 연구 중이거나 시도하고 있는 부유 병원체 제거 방식은 다음과 같다.

1) 자외선

박테리아의 DNA에 자외선이 노출되면 DNA의 염기 중 티민(T, Thymine)의 구조가 집중적으로 파괴된다. 자외선을 흡수한 티민은 티민 근처에 있는 사이토신(C, Cytosine)과 중합하게 되면 DNA의 복제가 제대로 이뤄질 수 없다. 복제가 제대로 이루어지지 않기 때문에 생명체로서의 기능을 잃게 된다. 세균마다 자외선에 의해 살균되는 정도가 다른 이유는 DNA 티민 함유량이 다르기 때문이다. 또한, 자외선은 세포막을 이루는 인지질과 단백질을 산화시켜 세균들의 생명 활동이 연장되지 못하도록 한다.

하지만 자외선의 파장이 짧아질수록 공기 중에서 투과하는 거리가 짧아지고, 이로 인해 거리가 멀어질수록 살균력은 약해진다. 따라서 자외선을 병원체 제거에 활용하기에는 구조적 한계가 따른다. 더불어 자외선은 병원체 제거를 위한 장치를 구성하는 다른 부속품(예. 필터)의 수명을 극단적으로 단축시킬 가능성이 존재한다.

2) 광촉매

TiO2로 대표되는 광촉매는 자외선을 조사하게 되면, 전자들이 여기(勵起)하여 이를 통해 생성된 전자 페어가 표면에 있는 수소 이온과 반응하여 수산화 라디칼(radical)을 생성하게 된다. 수산화 라디칼은 매우 산화력이 높아 탈취, 살균, 정화 등에 많이 응용된다. 하지만 효율적인 광촉매 이용을 위해서는 자외선을 공급해줄 부가 장치가 필요한데, 여기에서 언급한 자외선 살균 방식의 문제점을 그대로 답습하게 되는 문제가 발생한다.

3) 필터

가장 기초적이고 기계적으로 부유균을 제거하는 방법은 일반적으로 알려진 공기 중 부유균의 크기보다 작은 헤파(HEPA, High Efficiency Particulate Air)필터를 사용하여 부유균을 포집하는 방식이다. 부유균을 살균하는 방식이 아니라 포집하여 분리하는 방식이다. 하지만 통과하는 공기에 미세먼지들이 많아 필터에서 많이 걸러지게 되면, 필터의 효율도 떨어지기 때문에 주기적인 필터 교체가 필요하다. 필터 교체 시 필터에 포집된 병원체 균이 아직 생존할 가능성이 존재하기 때문에 병원체 전파의 원인으로 지목될 수 있다. 주기적으로 필터를 교체하지 않으면 필터의 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 표면의 병원체가 필터를 통과하는 공기를 통해 다시 전염의 원인이 될 수 있으므로 이를 보완할 수 있는 기술이 필수적이다.

4) 광플라즈마

광플라즈마 기술이란 진공 자외선(VUV, Vacuum Ultraviolet)으로 공기 중의 질소 및 산소 분자를 분해하여 다양한 활성 질소 및 산소종을 생성하는 기술을 뜻한다. 진공 자외선은 주로 200nm 이하의 파장 영역대를 가지는 자외선을 뜻하며, 공기에 강하게 흡수되고 진공에서 전파가 되기 때문에 진공 자외선이라고 부른다. 진공 자외선을 한군데에 집중하여 플라즈마를 발생시키기 위해서는 진공관이 필요하므로 제품의 부피가 커지는 것이 단점이다. 또한, 진공 자외선은 아직 LED 광원이 사용되지 않고 램프 형식으로 사용되고 있으므로 유지 및 보수에도 세심한 관리가 필요하다는 특징이 있다.

5) 대기압 플라즈마

대기압 플라즈마는 강한 전기장을 인가하여 공기 중의 산소 및 질소 분자를 분해하여 다양한 활성 산소 및 질소종을 생성한다. 약 3kV/mm 이상의 전기장을 대기 중에서 인가하면 이온화가 되기 때문에 전력을 많이 소모하지 않는다. 다만, 다양한 활성 산소 및 질소종이 생성될 때 필연적으로 인체에 해로운 오존과 질소산화물 계열이 발생하게 된다. 따라서 이를 제거할 수 있는 촉매 또는 플라즈마 발생 시 이를 제어할 기술이 필요하다.

■포스트 코로나 대응 관점에서의 기술의 중요성

2020년은 많은 사람에게 코로나로 인해 일상의 행복을 누리지 못하게 된 한 해로 기억될 것이다. 현재 가장 필요한 것은 하루빨리 현재의 코로나 위기를 종식하는 것이겠지만, 향후 코로나 팬데믹과 같은 상황을 반복하여 겪지 않기 위해서는 전염병 위기에 대처할 수 있는 기술이 중요할 것이다. 본 장에서 설명하고자 하는 병원체 제거 소재 기술은 전염성이 강한 병원체뿐만 아니라 일반적인 부유 미생물이나 세균들을 제거함으로써, 높아진 국민의 위생 수준을 만족시킬 수 있으리라 판단된다.

더불어 실내공기 질 정화를 통해 최근 몇 년동안 이슈였던 미세먼지 문제도 일정 부분 해소할 수 있을 것으로 보인다. 공기 중 대표적인 오염물질로 알려진 미세먼지는 다양한 정책을 통해서 체계적으로 관리되는 편이다. 하지만 부유 병원체 세균에 대해서는 2018년 실내공기질 관리법에 의해 곰팡이에 대한 권고사항이 추가된 것이 전부이다. 이는 아직까지 병원체 관리를 제도적으로 뒷받침할만한 경제성 및 기능성을 가진 기술이 부족하기 때문이다.

현재 한국은 부유미생물의 농도를 800CFU/m3로 권고하고 있다. 호흡기 질환 및 감염병에 취약한 계층이 주로 이용하는 의료시설, 어린이집에서는 각각 385CFU/m3, 439CFU/m3 의 미생물 농도를 보이므로 권고 수치를 만족하기는 하나, 감염의 우려는 여전히 존재하고 있는 현실이다. 서울시 실내환경 관리 시스템 (2015.5 현황) 따라서 공기 중 부유균을 효과적으로 제거하는 신기술 개발이 필요한 시점이다.

■ 병원체 제거 소재 기술의 연구개발 동향

1. 병원체 제거 기술

1) 국내 동향

국내에서는 많은 기업과 연구 기관들이 병원체 제거 기술개발을 위하여 다양한 방법들을 도입하고 있다. 부유 병원체 제거를 위해 대표적으로 광촉매, 자외선, 광플라즈마, 플라즈마 등의 기술을 이용한 제품들이 출시되거나 실용화 연구단계에 있지만, 아직 이를 검증할 만한 방법이 마땅치 않다. 따라서 어느 정도 부유 병원체 제거성능을 갖추고 있다고 하더라도 내구성이나 효용성 등에 대해서는 아직 실증이 더 필요한 상황이다. 다음의 <표3>에 국내 연구 기관에서 수행 중인(수행한) 유사 연구개발 현황을 정리하였다.

관련 연구와 기술개발을 통해 많은 기업과 연구 기관들 또한 원천 기술에 대한 특허를 등록하고 있다. 최근 5년간 부유 병원체 제거 관련 등록된 특허 및 미세먼지, 항균·항바이러스 관련 특허 출원 현황은 다음의 그림과 같다.(그림1,2 참고)

대체로 기업에서 기술개발에 의한 특허 출원을 많이 하여 기술개발을 주도하고 있으며, 연구 기관 중에서는 정부출연연구기관 없이 KAIST, 대전대학교, 고려대학교 등 일부 대학만 포함되어 있다. LG전자와 LG생활건강에서 총 17건의 특허를 등록하여 LG그룹이 가장 많은 기술을 보유하고 있으며, 애경, 세스코, 아모레퍼시픽 등의 기업에서 또한 약 3, 4개의 특허를 출원함으로써 기술개발을 이어나가고 있다.

2016년부터 최근 5년간 주요 세부기술 분야별 출원 동향을 살펴보면 △필터 종류 63건(26.5%), △자외선(UV) 살균기술 38건(16.0%), △필터 구성물질 25건(10.5%), △물로 세정하는 습식기술 20건(8.4%), △플라즈마 음이온기술 19건(8.0%), △전기집진기술 7건(2.9%) 등 실내 항균 항바이러스 공기 정화를 위해 다양한 방식으로 기술개발이 이뤄지고 있다.

주목할 점은 병실 내 음압기에 자외선(UV) 또는 살균 기능의 필터 등을 접목한 특허 출원의 경우 2019년 2건에 불과하던 것이 2020년 3월 이후에만 15건이 출원됐다. 이는 코로나-19 바이러스 치료 관련 일선에서 긴급히 요구되는 기술에 발맞춰 신속한 특허 출원이 이뤄졌음을 보여준다. 또한, 2016년부터 최근 5년간 출원인 유형별로 살펴보면 △중소기업 95건(39.9%), △개인 87건(36.6%), △대기업 33건(13.9%), △대학 연구소 23건(9.7%) 순으로 집계돼 중소기업과 개인의 출원비중이 비교적 높게 나타났다.

다음의 <표 4>에 부유 병원체를 제거하기 위해 기업에서 출시한 제품을 정리하였다. 주로 건설사나 공기 청정기 회사가 시장에 진출해 있는 것을 알 수 있다. 건설사는 주로 내장 에어컨 등을 통해 각 실내와 연결되는 공조시설 내에 병원체 제거 소재를 설치하고, 공기 청정기 관련 기업은 기존 공기 청정기에 살균 기능을 추가해서 판매하고 있다.

건설사에서는 현재 건설 중인 힐스테이트, 푸르지오 등의 프리미엄 아파트에 병원체 제거 소재 공조 기술을 적용하고 있는 것으로 알려져 있다. 표에서 알 수 있듯이 대부분 플라즈마 기술 및 자외선 기반 촉매를 많이 사용하고 있지만, 그 단점 또한 명확한 것이 현실이다.

최근 다양한 방법을 시도하여 병원균 제거 기술을 적용한 혈장 또는 활성종 관련 논문 동향을 다음의 <표 5>에 정리하였다. 최근 발표된 플라즈마를 이용한 라디칼 발생 물질 관련 논문을 기반으로 하였으며, 검색 결과를 바탕으로 논문 동향을 분석하였다. Google Scholar 및 NDSL(National Digital Science Library) 활용

대기압에서 코로나 방전, 유전체 장벽 방전 등의 플라즈마를 적용하여 공기 정화 및 살균 기능 관련성을 살펴보는 논문이 출판된 것을 알 수 있다. 최근의 트렌드는 병원균이나 오염 물질을 제거하기 위해 한 가지 유형의 플라즈마를 사용하는 것이 아니라 촉매(예. 광촉매, 탈질 촉매), 탄소나노튜브(다공성 물질) 또는 추가 필터 등을 사용하는 것이다.

여러 층으로 설치하여 효율성을 높이는 것으로 이해된다. 또한 비열 플라즈마에 관한 여러 논문을 검색하고, loT 기술을 접목 한 특정 논문을 검색하거나 공기 청정기의 품질 속성 및 속성에 따른 트렌드 분석에 대한 연구가 진행되고 있다.

▲ 표1 감염경로에 따른 전염병 종류

▲ 표2 실내밀폐공간 내 부유균 종류

▲ 표3 국내 수행중 또는 수행완료된 유사 연구개발 현황

▲ 그림1 최근 5년간 기관별 부유 병원체 제거 관련 특허건수

▲ 그림2 최근 5년간 항균 항바이러스 및 미세먼지 특허건수

▲ 표4 부유병원체 제거 기술기반 시제품 현황

▲ 표5 최근 5년간 국내 발표 병원체 제거 소재 관련 논문