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.
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.
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.
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.
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.