KAIST 김도현 교수팀, 원심력 이용한 미세 섬유 대량생산 공정 개발
단가 절감 기대, 나노 필터 마스크 등 다양한 분야 응용 기대

(오른쪽 뒤부터 시계 반대방향으로) 이응준 석박통합과정, 유효정 박사과정, 곽병은 석박통합과정, 김도현 생명화학공학과 교수. KAIST 제공

(A)서로 다른 고분자 섬유로 이루어진 복합 섬유 패드의 제조 과정 모식도. (B)섬유 패드 내 서로 다른 고분자 양의 상대적인 조절을 통해 접촉각의 정교한 제어가 가능함을 보여주는 그래프. (C)대량생산된 PS 나노 섬유로 제조된 마스크 필터 및 마스크. KAIST 제공

한국과학기술원(KAIST)은 김도현 교수 연구팀이 원심력을 이용해 마스크용 나노섬유 필터를 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

최근 코로나19 사태로 세탁해 재사용할 수 있는 고분자 마이크로·나노섬유 기반 마스크 필터가 주목을 받고 있다.

섬유가 무작위로 얽힌 부직포 형태의 기존 멜트블로운 필터는 필터를 여러 장 겹쳐야 해 숨쉬기가 어렵고, 정전기 방식이라 수분에 약해 시간이 갈수록 효율이 떨어지는 문제가 있다.

매우 얇은 고분자 나노섬유 기반 필터는 정전기 없이 기계적 여과를 통해 미세먼지와 바이러스를 90% 이상 차단할 수 있다.

정전기 기반 마스크 필터와 달리 수분에 의해 미세먼지 포집 효율이 떨어지지 않기 때문에 여러 차례 재사용이 가능하다.

하지만 매우 얇은 섬유를 만들기 위해서는 수십㎸(킬로볼트)의 고전압이 필요한 데다 1시간당 생산속도도 최대 1ｇ 정도에 불과해 대량 생산이 어렵다는 한계가 있다.

연구팀은 솜사탕 기계처럼 고분자 용액을 회전해 배출하는 방식의 원심 방사 디스크(원판) 시스템을 개발했다.

디스크를 3개 층으로 만들어 나노섬유 필터의 생산속도를 획기적으로 높였다.

(A)멀티 원심방사 시스템 모식도. (B)멀티 원심방사로 제조된 마이크로 및 나노 섬유의 주사전자현미경 이미지. (C)멀티 원심방사디스크의 층수 증가에 따른 섬유 생산 속도 비교 그래프와 (D)제조된 PS 나노 섬유의 사진. KAIST 제공

이번에 개발한 공정을 적용해 1시간당 머리카락 굵기의 100분의 1 정도인 500㎚(나노미터·100만분의 1㎜) 두께의 나노섬유 25ｇ을 생산하는 데 성공했다.

이는 KF94 마스크 필터 30개에 해당하는 양으로, 기존 전기방사 공정 생산량의 약 30배에 달하는 수치이다.

연구팀이 개발한 필터는 침방울(비말)을 완벽하게 차단할 수 있으며, 사용된 섬유 양에 따라 KF80 이상의 포집 효율을 갖는 것으로 나타났다.

김도현 교수는 "나노 필터 마스크 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 기술"이라며 "추후 나노물질의 인체 안정성이 입증되면 필터 대량생산 공정에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '미국화학회 매크로 레터스'(ACS Macro Letters) 이달 호 표지논문으로 선정됐다.

송현수 기자 songh@busan.com

송현수 기자 songh@busan.com