1장으로 한 달 쓰는 'KF94 성능 마스크' 만들었다

한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김일두 교수 연구팀, '직교 나노 섬유 기반 마스크' 개발

자료=KAIST

국내 연구진이 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)에 의한 마스크 품귀 현상을 해결해줄 ‘나노 마스크’를 개발했다. 손 빨래로 최대 20회 사용 가능하며, 세척이나 에탄올 살균 후에도 94% 이상 필터 효율을 유지한다.

애당초 이 마스크는 미세먼지에 대비할 목적으로 하루 평균 1500장씩 만들 수 있는 생산설비를 갖추고 있다. 하지만 코로나19 등 감염병 차단 용도로 쓰기 위해선 우선 개발한 나노섬유의 인체 유해 여부를 판단할 각종 테스트를 거쳐 식품의약품안전처 승인을 반드시 받아야 한다. 지금의 생산설비를 짧은 시일 내에 확대할 수 있느냐도 관건이다.

한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김일두 교수 연구팀은 직경 100~500나노미터(nm) 크기를 갖는 나노 섬유를 직교 내지는 단일 방향으로 정렬시키는 독자기술을 개발, 세탁 후에도 필터 효율이 잘 유지되는 ‘직교 나노 섬유 기반 마스크’를 개발했다고 16일 밝혔다.

정열형 나노섬유 필터가 삽입된 면마스크 사진. 면마스크 별도 반복 세척 및 나노섬유 필터의 반복적인 소독 교체 가능/사진=KAIST

연구팀이 개발한 직교 형태 나노 섬유 제조 기술은 나노 섬유의 종류·두께·밀도 등의 변수 조절을 통해 마스크 최고 등급인 KF80, N95(KF94) 성능까지 구현하는 나노섬유 멤브레인(나노섬유로 된 천)을 제작할 수 있다. 또 배향성을 지녀 통기성이 뛰어나고, 얇은 두께에서도 우수한 필터 효율을 가진다는 점이 큰 장점이다. 특히 직교 나노 섬유 기반 마스크는 세탁 후 재사용이 가능해 한 장으로 최장 한 달 가까이 쓸 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

현재 마스크 공급량을 뛰어넘는 수요 폭증으로 마스크 품귀 현상이 세계적으로 일고 있다. 하지만 세탁한 뒤에도 성능을 유지한 채 다시 쓸 수 있는 마스크는 아직 없다. 기존 마스크에 쓰이는 정전식 섬유 필터는 섬유 표면에 형성된 정전기가 시간이 지날수록 소실되는 문제점이 있다. 또 수분이나 물이 닿으면 정전기 기능이 사라져 필터 효율이 급격히 떨어진다. 이 때문에 현재 유통 중인 마스크는 재사용이 불가능하다.

손세탁 20회 비누세척 후의 미세구조 변화 사진 (나노섬유의 형상에 변화가 없음이 관찰됨)/자료=KAIST

반면, 직교 나노 섬유 기반 마스크는 에탄올 살균 세척 실험 결과 20회 반복 세척 후에도 초기 여과 효율을 94% 이상 유지, 여과 성능이 잘 유지됨을 확인했다. 20회 손빨래 후에도 나노섬유 멤브레인의 구조 변화가 전혀 일어나지 않았다. 이 마스크는 특히 에탄올에 3시간 이상 담가도 나노 섬유가 녹거나 막의 뒤틀림 현상이 없어 에탄올을 이용한 살균·세척의 경우 한 달 이상 사용 가능한 장점이 있다.

연구팀은 “겉면마스크 안쪽에 필터의 삽입 교체가 가능해 10~20회 세척 사용 후, 필터를 교체할 수 있고 손세탁을 통해서도 안전한 마스크 이용이 가능하다”고 말했다.

에탄올 살균 세척 20회 진행 과정 및 에탄올 세척 후 필터효율, 초기 값의 94% 성능 유지 관찰 /사진=KAIST

이밖에 4000회 반복 굽힘 실험결과 KF80 이상(600nm 입자, 80% 여과 효율)의 성능이 유지돼 기계적 내구성도 우수함을 확인했다. 작년 2월 설립된 KAIST 교원 창업회사인 ㈜‘김일두연구소’는 방향성이 제어된 나노섬유 멤브레인을 52구 바늘구멍을 통해 섬유를 토출하는 롤투롤 (roll-to-roll) 방식의 양산 설비를 구축했다. 이 회사는 35cm의 폭을 갖는 멤브레인을 1시간에 7m 정도 생산 가능해 하루 평균 1500장 수준의 나노섬유 마스크 필터를 제조할 수 있다.

정열된 나노섬유 주사전자 현미경 사진과 롤투롤 나노섬유필터 제조 설비/사진=KAIST

김 교수는 “식약처 승인 등의 관련 절차를 거쳐 제품화한 후 곧 양산 설비 증설을 통해 생산량을 늘리는 한편 정렬된 멤브레인에 항균 기능을 부여해 사용 안정성이 더욱 향상된 고품질 필터를 개발할 것”이라고 말했다.