KAIST, 한달 사용 가능한 나노 마스크 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구자가 코로나바이러스감염증-19(코로나19)이 국내외로 확산되는 가운데 20여 차례 세탁 뒤에도 성능을 유지한 채 재사용할 수 있는 마스크를 개발했다. 이에 따라 ‘마스크 품귀’ 문제를 해결할 수 있을지 관심을 모은다.

한국과학기술원(KAIST)은 김일두 신소재공학과 교수 연구팀이 직경 100에서 500나노미터 크기를 갖는 나노섬유를 직교 내지 단일 방향으로 정렬시키는 기술을 개발하고, 세탁 후에도 필터 효율을 유지하는 나노섬유 멤브레인을 만들었다고 16일 밝혔다.

정렬형 나노섬유 필터가 삽입된 면마스크 사진. 면마스크 별도 반복 세척과 나노섬유 필터의 반복 소독 교체가 가능하다.<사진=한국과학기술원>

김일두 교수 연구팀은 나노섬유의 배향성을 제어해 직교 형태의 나노섬유를 제조할 수 있는 절연 블럭 전기방사법 공정을 개발했다. 직교 형태의 나노섬유는 공기필터의 압력 강하를 최소화하고 여과 효율을 최대화하는 구조를 갖춰 기존 무배향성 나노섬유 소재와 차별성이 있다. 이 기술을 활용하면 나노섬유의 종류, 두께, 밀도를 조절해 KF80부터 N95까지 성능을 갖춘 나노섬유 멤브레인을 제작할 수 있다.

기존 공기필터는 고분자 소재를 멜트블로운(Melt-blown) 공법으로 방사한 후, 고전압에 노출시키는 공정을 거쳐 완성된다. 이러한 필터는 섬유 표면에 형성된 정전기가 시간이 지날수록 소실돼 공기필터의 초기 성능을 완전하게 보전할 수 없다. 수분에 닿으면 정전기 기능이 사라져 필터 효율이 떨어지기 때문에 재사용도 불가능하다.

반면 연구팀이 개발한 직교 나노섬유 기반 마스크는 에탄올 살균 세척 실험 결과 20회 반복 세척 후에도 초기 여과 효율을 94% 이상 유지했다. 또 20회 손빨래 후에도 나노섬유 멤브레인의 구조 변화가 발생하지 않았다.

마스크는 에탄올에 3시간 이상 담가도 나노섬유가 녹거나 멤브레인의 뒤틀림 현상이 없어 에탄올을 이용한 살균·세척으로 한 달 이상 사용할 수 있다.

겉면마스크 안쪽에 필터가 삽입돼 10~20회 세척해 사용한 후 필터를 교체해 사용하고, 손세탁을 통해 안전한 마스크 이용이 가능하다. 4000회의 굽힘 반복 시험 후에도 KF80 이상의 성능을 유지해 내구성도 높게 나타났다.

지난해 2월 한국과학기술원 창업회사로 설립된 김일두연구소는 방향성이 제어된 나노섬유 멤브레인을 52구 바늘구멍을 통해 섬유를 토출하는 롤투롤 방식의 양산 설비를 구축했다. 회사는 35cm의 폭을 갖는 멤브레인을 1시간에 7m 정도 생산 가능해 하루 평균 1500장 수준의 나노섬유 마스크 필터를 제조할 수 있다.

김일두 교수는 “정열된 나노섬유 기반의 마스크 필터는 에탄올 소독 세척이나 가벼운 손세탁으로 재사용이 가능해 마스크 품귀 문제와 마스크 폐기에서 발생하는 환경 문제를 해결할 수 있다”며 “향후 식약처 승인 등 관련 절차를 거쳐 제품화하고, 양산 설비 증설과 멤브레인에 항균 기능을 부여해 안정성이 더 향상된 고품질 필터를 개발할 것”이라고 말했다.