KAIST(총장 신성철)는 김일두 신소재공학과 교수 연구팀이 직경 100~500nm 크기를 갖는 나노섬유를 직교 또는 단일 방향으로 정렬시키는 독자기술 개발을 통해 세탁 후에도 우수한 필터 효율이 유지되는 나노섬유 멤브레인을 개발했다고 16일 밝혔다.

김일두 교수 연구팀이 개발한 절연블럭 전기방사법은 나노 섬유의 배향성(Alignment)을 제어해 직교 형태의 나노섬유를 제조할 수 있는 공정이다. 직교 형태의 나노섬유는 공기필터의 압력강하를 최소화하고 여과 효율을 최대화하는 구조로 기존 무배양성 나노섬유 소재와 차별성을 갖는다.

특히 직교 형태의 정렬된 나노섬유 제조기술은 나노섬유의 종류, 두께, 밀도 등의 변수 조절을 통해 원하는 특성(KF80~N95 성능까지 구현)의 나노 섬유 멤브레인을 제작할 수 있다. 또 배향성이 있어 통기성이 뛰어나고 얇은 두께에서도 우수한 필터 효율을 갖는다.

기존 방식의 공기필터는 고분자 소재를 멜트블로운(Melt-blown, 고분자 복합소재를 녹여 고온·고압의 바람을 이용해 나노섬유를 방사) 공법으로 방사한 후 고전압에 노출시키는 공정으로 완성된다. 때문에 섬유 표면에 형성된 정전기가 시간이 지날수록 소실되는 문제가 있어 공기필터의 초기 성능을 완전하게 보전할 수 없다. 또 수분이나 물이 닿으면 정전기 기능이 사라져 필터 효율이 급격하게 떨어져 재사용이 불가능하다.

연구팀의 직교 나노섬유 기반 마스크는 에탄올 살균 세척 실험 결과 20회 반복 세척후에도 초기 여과 효율을 94% 이상 유지하는 것으로 확인됐다. 20회 손빨래 후 나노섬유 멤브레인 구조에 변화가 일어나지 않았다. 이 마스크는 특히 에탄올에 3시간 이상 담궜어도 나노섬유가 녹거나 멤브레인 뒤틀림이 나타나지 않았다. 살균, 세척할 경우 한달 이상 사용 가능하다는 의미다.

이밖에 4000회의 반복적인 굽힘 테스트 후에도 KF80 이상(600nm 입자, 80% 여과 효율)의 성능이 유지됨을 확인했다.

김일두 교수는 지난해 2월 교원 창업을 통해 '김일두연구소'를 설립, 나노섬유 멤브레인을 52구 바늘구멍을 통해 섬유로 만드는 롤투롤(roll-to-roll) 방식의 양산 설비도 구축한 상태다. 35cm의 폭을 갖는 멤브레인을 1시간에 7m 정도 생산할 수 있어 하루 평균 1500장 수준의 나노섬유 마스크 필터 제조가 기대된다. 

김일두 교수는 "정열된 나노섬유 기반의 마스크 필터는 에탄올 소독 세척 또는 가벼운 손세탁을 통해 재사용이 가능하다. 마스크 품귀 문제와 마스크 폐기에서 발생하는 환경 문제를 동시에 해결하는데 기여할 수 있다"고 강조했다.

김 교수는 "식약처 승인 등의 관련 절차를 거쳐 제품화한 후 곧 양산 설비 증설을 통해 생산량을 늘리는 한편 정렬된 멤브레인에 항균기능을 부여해 사용 안정성이 더욱 향상된 고품질 필터를 개발할 것"이라고 덧붙였다.

빨아서 한달간 쓸 수 있는 마스크를 개발한 KAIST 김일두 교수 연구팀.<영상= KAIST>