20회 빨아도 다시 쓸 수 있다…카이스트서 ‘나노섬유 마스크’ 개발

카이스트 김일두 교수 연구팀, 세탁 후에도 필터 효율 유지 마스크 개발

한국과학기술원(KAIST·카이스트) 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 나노섬유를 십자 모양처럼 직각으로 교차하거나 일렬로 정렬시키는 ‘절연 블록 전기 방사법’으로 20회 세탁 후에도 필터 효율이 유지되는 나노섬유 필터를 개발했다고 16일 밝혔다. 김 교수 연구팀이 개발한 마스크. 카이스트 제공

신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)으로 생활필수품이 된 마스크의 수급 부담을 덜어줄 획기적인 아이템이 나왔다. 현재 쓰는 보건용 마스크는 세탁하면 필터 효율이 현저히 떨어져 제 기능을 하지 못하는데, 이 마스크는 수십번 세탁해도 필터 효율이 그대로 유지된다.

16일 한국과학기술원(KAIST·카이스트)은 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 직경 100~500나노미터(㎚·10억분의 1m) 크기를 갖는 나노섬유를 직교 내지 단일 방향으로 정렬시키는 독자기술을 통해, 세탁 후에도 우수한 필터 효율이 유지되는 나노섬유 멤브레인을 개발했다고 밝혔다.

김 교수 연구팀이 개발한 기술은 나노섬유의 배향성(Alignment)을 제어해 직교 형태의 나노섬유를 제조할 수 있는 절연블럭 전기방사법으로, 기존 무배향성 나노섬유 소재와 달리 공기필터 압력강하를 최소화하고 여과 효율은 최대화할 수 있는 구조다.

기존 방식의 공기필터는 고분자 소재를 멜트블론(MB) 공법으로 방사한 후, 고전압에 노출시키는 공정을 거쳐 완성된다. 이러한 정전식 섬유필터는 섬유 표면에 형성된 정전기가 시간이 지날수록 소실되는 문제점이 있어 공기필터의 초기 성능을 완전하게 보전할 수 없다. 수분이나 물이 닿으면 정전기 기능이 사라져, 필터 효율이 급격히 떨어지기 때문에 재사용이 불가능하다.

반면, 직교 나노섬유 기반 마스크는 에탄올 살균 세척 실험 결과, 20회 반복 세척 후에도 초기 여과 효율을 94% 이상 유지, 여과 성능이 잘 유지되는 것으로 확인됐다.

연구팀의 관찰 결과, 20회 손빨래 후에도 나노섬유 멤브레인의 구조 변화가 전혀 일어나지 않았으며, 에탄올에 3시간 이상 담가둬도 나노섬유가 녹거나 멤브레인의 뒤틀림 현상이 없어 에탄올을 이용한 살균 및 세척 시에도 한 달 이상 사용이 가능하다.

겉면 마스크 안쪽에 필터의 삽입 교체도 가능해 10~20회 세척 사용 후 필터를 교체할 수 있고, 특히 4000회의 반복적인 굽힘 테스트에서도 KF80 이상(600㎚ 입자·80% 여과 효율)의 성능이 유지돼 기계적인 내구성 또한 매우 우수하다.

한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 나노섬유를 십자 모양처럼 직각으로 교차하거나 일렬로 정렬시키는 ‘절연 블록 전기 방사법’으로 20회 세탁 후에도 필터 효율이 유지되는 나노섬유 필터를 개발했다고 16일 밝혔다. 나노섬유 필터 손비누 세척 테스트 결과. 카이스트 제공

지난해 2월 설립된 KAIST 교원 창업회사인 ㈜김일두연구소는 방향성이 제어된 나노섬유 멤브레인을 52구 바늘구멍을 통해 섬유를 토출하는 롤투롤(roll-to-roll) 방식의 양산 설비를 구축했다.

이 회사는 35㎝ 폭을 갖는 멤브레인을 1시간에 7m 정도 생산이 가능해 하루 평균 1500장 수준의 나노섬유 마스크 필터를 제조할 수 있다.

김일두 교수는 “정열된 나노섬유 기반의 마스크 필터는 에탄올 소독 세척 또는 가벼운 손세탁을 통해 재사용이 가능하기에, 마스크 품귀 문제와 마스크 폐기에서 발생하는 환경 문제를 동시에 해결하는데 기여할 수 있다”고 말했다.

김동환 기자 kimcharr@segye.com