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 위생마스크의 분진포집효율과 통기성의 극대화를

위한 나노섬유의 응용

 

 

 

권오경, cwrnd@hanmail.net

(주)비에스지, 기술연구소

 

Key words

Sanitary mask, Dust collection efficiency, Pressure loss, Nano fiber filter, Breathability

위생마스크, 분진포집효율, 압력손실, 나노섬유필터, 통기성

 

1. 개요

 

최근 들어 위생마스크에 대한 관심이 높아지고 있다. 지금까지 감기 예방과 미세먼지, 꽃가루 알레르기에 대한 대책으로서 일반적으로 사용되고 있었는데, 근래에는 바이러스 감염, 미세먼지, 대기오염으로부터 건강을 보호하기 위해 착용하는 경우가 증가되고 있다. 이러한 대기오염의 원인인 미립자를 에어로졸(aerosol)이라고도 하는데, 에어로졸이란 “분산상은 개체 또는 액체의 입자로 되며, 분산 매질은 기체로 이루어진 콜로이드계 물질”이다.

또, 에어로졸은 기중 분산 입자계(aero disperse system)라고도 불린다. 대기오염이 심각하게 다루어지기 이전부터, 대기 중에는 다양한 입자가 존재하고 있었으며, 자연현상이나 생명의 영위 속에서 유효한 역할을 담당했었다. 그러나 인류가 불을 사용하면서부터, 목재나 석탄 등을 사용하기 시작함으로 인해 분진이나 연기 등 인공적인 에어로졸이 우리의 생활과 건강에 영향을 미치게 되었다.

대도시의 대기오염 상황은 점점 악화되고 있으며, 영향을 받는 범위는 국경을 넘어 확산되고 있다. 최근 몇 년 사이는 에어로졸 중에서도 “PM2.5(미세먼지)”라는 말이 매체를 떠들썩하게 하며, 일상생활에 있어서도 일반적인 용어가 되었을 정도이다. 여기에서 PM은 Particle Matter(미립자 물질)를 가리키며, 2.5는 그 입경이 2.5μm 이하 임을 뜻한다. PM2.5와 같은 미세 입자가 눈에 보이는 형태로 우리의 삶에 영향을 미치기 시작했다는 것은 심각한 상황이며, 대책 마련이 시급하다고 볼 수 있다.

근래 대기오염에 관한 충격적인 보고가 J.Lelieveld 등에 의해 Nature지에 발표됐다[1]. 그 보고에 따르면 전 세계에서 대기오염으로 인해 매년 300만명의 조기사망자가 발생하고 있다고 한다. 또, 미국의 과학진흥협회 연례회의에서는 그것보다 더 심각한 연간 550만 명이라는 통계도 발표됐다[2].  M. Brauer은 이 보고서에서, 188개국의 데이터를 수집하여 1990년부터 2013년까지 건강위험 요소와 대기오염을 비교하였으며, 많은 국가에서는 대기오염은 감소했지만, 전 세계적으로 봤을 때 위험한 오염 배출량은 증가하고 있다고 보고했다.

또, 세계 전체인구의 85%가 WHO 가이드라인을 초과한 입자상 물질 PM(Particle Matter)수준으로 생활하고 있다는 상황이며, 외기 뿐만 아니라 실내의 대기오염으로 인해 수백만명의 사람들이 조기 사망 위험에 노출되어 있다고도 지적했다.

일부 지역의 대기오염은 지구 전체의 규모로 생각하면 미미하다고 볼 수도 있으며, 지구 전체의 대기오염이 될 것으로 생각하지 않았다. 그러나, 최근 대기오염은 바다를 건너 이웃나라까지 고농도의 상태로 확산 전파되고 있다. 이러한 현상은 미세입자의 부유시간이 길기 때문에 발생되는 것으로 생각된다. 그러므로 미세입자는 기류를 타고 지구 전체로 확산된다고도 추정 할 수 있다. 아메리카대륙을 횡단하는 대기오염은 편서풍 지대에 있는 고위도, 중위도의 대륙의 상공에서 잠재적인 오염농도를 증가시키는 것을 알 수 있다. 이 공기는 대서양 상공에서 급격하게 정화되지만, 약 2주만에 지구를 한 바퀴 돌고, 다시 대륙 서해안 쪽에 도달한다. 그 결과, 이러한 기류의 이동을 1년에 20~30번 반복하면서 오염농도가 증가된다는 보고도 있다[3]. 또 조류 독감이나 신종 감염증 등도 위생마스크에 대한 관심을 높이는 요인이 되고 있다. 국가간의 이동이 빈번해지며, 많은 사람들이 왕래하는 시대이기 때문에, 팬데믹(pandemic)의 가능성은 몇 년 전과 비교도 안될 정도로 높아졌다. 이러한 관점에서, 가까운 장래에는 우리나라 뿐만 아니라 전세계에서 미세 입자에 대응한 필터소재에의 관심이 높아질 것으로 예상된다.

그러나 현재는 PM2.5나 바이러스를 포함한 에어로졸과 같은 초미세입자를 포집하는 마스크는, 그 높은 분진포집효율을 달성하기 위해 두꺼운 필터 부자재 사용으로 호흡이 불편해지기 때문에, 장시간 착용할 수 없는 등 문제점도 안고 있다.

이러한 과제를 해결하기 위한 효과적인 소재로서 나노섬유(nanofiber)의 적용이 추천된다. 나노섬유란, 그 섬유 직경이 100나노미터(나노는 10^-9)이하로 매우 미세한 섬유이며, 나노섬유로 제작된 필터는 짜임이 매우 촘촘하므로 미립자의 포집효율이 높고, 더욱이 섬유 표면에서 공기 흐름에 미끄럼이 생기는 “슬립 플로우 효과”를 발현하기 때문에, 공기저항이 작아지는 등, 나노섬유 특유의 효과를 발휘한다.

본 고찰에서는, 이러한 배경을 바탕으로 위생마스크의 높은 분진포집 효율 및 호흡하기 편함을 극대화 한 나노섬유의 응용사례를 고찰하였다.

 

2. 나노섬유

 

최근 독특한 특징을 가진 고기능·고성능 나노소재(nano material)에 대한 기대가 높아지고 있으며, 섬유분야에 있어서는 나노섬유의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 나노란 나노미터(nm)를 가리키며, 10-9m라는 단위이다. 일반적으로 알려지고 있는 생물이나 물질 사이즈에 적용시키면, 나노섬유는 바이러스나 세균, DNA와 동등한, 인간 눈에는 보이지 않는 초극세 섬유임을 이해할 수 있다(그림1).

섬유의 직경이 1μm이하이며 아스펙트비가 100이상 인 섬유물질을 일반적으로 나노섬유라고 일컬으며, 카본나노튜브(CNT), 셀룰로오스나노파이버(CNF), 박테리아셀룰로오스 및 고분자 나노파이버 등, 모든 총칭으로 사용된다. 나노섬유는 기존의 마이크로파이버와 비교하면 질량 비표면적이 1,000m²/g이나 증가하기 때문에 표면가공에 의해 다양한 기능을 발현할 수 있다.

 

나노섬유와 마이크로파이버를 같은 체적 당 섬유 수로 비교해 볼 경우, 예를 들어 셀룰로오스파이버 1개 (섬유직경; 25μm) 중에 마이크로파이버 (섬유직경; 1μm)이면 625개, 나노파이버 (섬유직경; 200nm)이면 15625개가 포함된다. 이로부터, 체적 비표면적이 매우 큰 것을 알 수 있다(그림1). 이 특징은 슈퍼커패시터(super capacitor), 리튬이온전지 세퍼레이터, 연료 전지용 재료, 내열절연재료, 혈액여과용 정밀필터 및 각종 고급필터 등에 있어서 매우 매력적이며, 산업분야를 비롯해 에너지 혁신, 환경, 의학분야 등에서 큰 관심을 모으고 있다.

 



그림 1. 기존의 섬유와 나노섬유의 사이즈 비교

 

3. 나노섬유 제조방법

 

나노섬유의 제조기술로서는 연신법(drawing), 템플릿합성법(template synthesis), 상분리법(phase separation), 자기조립방법(self assembly) 및 전기방사법(ES; electrospinning) 등이 알려져 있는데, 적용 가능한 고분자재료의 다양성과 공정의 단순성, 제조비용 등을 고려하면 전기방사법(ES법)이 가장 기대되는 제조기술이라고 할 수 있다.

전기방사법은 새로운 기술이 아니라, 1934년에 Formhals에 의해 특허화 되었으나, 그 이후 크게 주목을 받지 못했으나, 최근의 과학기술분야에서 중요한 과제가 된 나노테크놀로지에 대한 폭발적인 관심 속에서, 1990년대 초반 Acron대학 Reneker교수의 연구그룹에 의해 다양한 고분자재료를 이용하여 나노섬유를 제조하는 것이 가능하게 됨으로서 전기방사에 대한 관심이 더욱 높아졌다. 전기방사법은 기존의 방사 방식(용융방사,·습식방사 등)과는 다른 방사기술로서, 산업적으로 응용의 가능성이 넓다고 할 수 있을 것이다.

여기서 전기방사법의 간단한 모식도 및 카메라로 고속 촬영한 방사의 순간을 그림2(a)와 (b)에 나타냈다. 전기방사법은 정전기적인 힘을 이용하여 나노섬유를 제조하는 기술이다. 고분자용액의 표면장력과 중력 사이에 균형을 유지하면서 모세관 칩의 끝에 반구형 방울이 형성되며, 이때 고전압이 인가되면 이 반구형 방울의 형태가 테일러콘(Taylor cone)이라는 불리는 원추형의 형태로 변형한다. 또한 임계전압에서 정전기력이 고분자용액의 표면장력보다 커지면 대전한 고분자용액의 제트가 테일러콘에서 방출된다. 그리고 노즐과 컬렉터(collector)사이를 부유하는 과정에서 대부분의 용매는 휘발하고, 고형화 된 섬유만 컬렉터 위에 부직포의 형태로 수집된다. 고분자용액의 농도나 인가전압을 제어함으로써 섬유형태 뿐만 아니라 입자형태로 스프레이하는 것도 가능하다. 이 방식으로는 기재가 된 종이나 부직포에 직접적으로 나노섬유를 적층 시킬 수 있기 때문에, 생산의 관점에서도 장점이라고 생각된다. 또한, 기재의 이송 속도의 제어만으로, 중량[g/m²]을 조정할 수 있으며, 용도에 맞추어 필터의 포집효율이나 통기도의 제어도 가능하게 된다(그림2(c)).

 



그림 2. (a)전기방사법의 모식도, (b) 카메라로 고속촬영한 방사의 순간 및

 (c)중량이 다른 나노섬유의 전자현미경 사진

 

4. 나노섬유필터의 미립자 포집효율 및 압력손실

 

그림 3.  PPSB 부직포 상에 방사한 폴리우레탄(PU) 나노섬유의 SEM화상

나노섬유를 필터로서 사용할 경우, 미립자와 동등하거나, 혹은 미립자보다 작은 직경의 섬유인 나노섬유필터가 포집효율을 향상시키기 위하여, 필터를 고밀도 또는 두껍게 할 필요가 없다는 장점이 있다.

나노섬유필터 적용의 효과로는  가벼움과 착용감의 향상 및 압력손실의 증가를 방지하는 것이 있다. 또, 사용하는 재료의 소비량을 줄일 수 있으므로 원가 절약도 기대된다. 나노섬유필터의 단면도를 그림 3에 나타냈다.

이와 같이, 나노섬유필터는 매우 얇고 우수한 통기성을 나타내는 것으로 생각된다.

나노섬유필터의 분진포집효율 및 압력손실의 시험결과를 표 1에 나타냈다.

기재로서 중량 20g/m²인 폴리프로필렌 스펀본드 (PPSB)부직포를 이용하여, 포집효율 및 압력손실을 측정했다.

여기에서 시험입자는 0.26μm의 염화나트륨 입자를 사용했다.

기재 자체의 포집효율 및 압력손실은 각각 2.8% 및 0.2mmH₂O이었다. 같은 기재에 0.05g/m² 나노섬유를 코팅한 결과, 포집효율은 53.7%까지 증가했다. 또한, 압력손실은 0.8mmH₂O로 낮은 상태 그대로였다.

 

표 1. 포집효율시험 및 압력손실시험 결과



 

5. 나노섬유의 위생마스크에의 응용

 

여기서 나노섬유를 사용한 고성능 일반용 위생마스크를 소개한다. 마스크의 구성을 그림 4에 나타냈다. 외측커버 및 안쪽(입의 부착부분) 커버로서 폴리프로필렌 스펀본드 부직포를 사용하였으며, 그 사이에 나노섬유필터 “NafiaS®”를 탑재했다. 여기서 나노섬유필터는 전기방사법으로 제작한, 섬유직경이 150~250nm 정도의 미세한 메쉬구조의 폴리우레탄 나노섬유이다.

 







 

①노즈브릿지 ②폴리프로필렌부직포   ③NafiaS®   ④NafiaS®     ⑤폴리프로필렌부직포 ⑥신축성의 끈

 

정면 이미지                     측면 이미지

그림 4. 나노섬유필터를 채용한 위생마스크 (㈜Nafias, 홈페이지[4])

 

 

마스크 내부의 단면도 및 포집한 미립자의 모습을 그림 5에 나타냈다. 기재 상에 나노섬유를 코팅함으로써, 짜임이 매우 촘촘한 필터가 형성된 것을 알 수 있다. 또, 그 짜임새가 촘촘한 점에서 얇은 두께 막으로 미소립자의 포집이 확인됐다. 그리고 마스크의 성능시험 결과를 표 2에 나타냈다.

 



그림 5. 나노섬유필터의 미립자 포집 전후의 전자현미경 사진

 

표 2. 포집효율 (0.3μm 이상 0.5μm 미만 입자에 대해) 및 압력손실 시험 결과

 

Sample [Unit]	포집효율 [%]	압력손실 [mmH2O]
나노섬유	95	2.0
기존 섬유제품 A	76.1	2.1
기존 섬유제품 B	57.5	1.6

 

여기에서 포집효율 시험방법은 다음과 같다.

 

【시험조건】

·시료면 풍속 : 52.0cm/sec

·측정 시료 면적 : 9.08cm²

·흡인량 : 28.3L/min

·입경 : 0.3μm이상 0.5μm이하

 

【시험과정】

1. 시료를 투과장치에 호스밴드로 고정하고, 크린에어를 흡입하여 먼지가 0가 된 것을 확인한다.


2. 먼지 발생장치의 출구에 시료를 달지 않은 채 투과장치를 설치하고, 시료 측정 전의 먼지 수를 측정한다.


3. 투과장치에 시료를 장착, 투과 후의 먼지 수를 측정한다.


4. 투과장치에서 시료를 떼며, 시료 측정 후의 먼지 수를 측정한다.


5. 식(1)로부터 먼지 수 포집효율을 산출한다.

시험결과는 소수점 이하 둘째 자리를 반올림하여 유효숫자 3자리로 한다.

• 투과 전의 분진(먼지) 수 : 시료 측정 전과 측정 후의 1분간씩 15회 연속의 각 측정 값으로부터, 각각 최대값과 최소값을 2개씩 자른, 나머지 11분간의 각 측정값의 평균.


• 투과 후 분진(먼지) 수 : 1분간씩 15회 연속 측정하며, 최대값과 최소값을 2개씩 자른 나머지 11분간의 측정값.

 

압력손실 시험은 MIL-M-36954C를 적용했다. 포집효율 및 압력손실은 각각 95% 및 2.0mmH₂O이었다. 기존제품과 비교하면 높은 포집효율을 가지고 있음에도 불구하고, 압력손실은 그대로 낮은 것이 확인됐다. 이로부터 높은 포집효율 및 호흡하기 편함이 양립한다고 할 수 있다.

 

 포집효율(%)

= {(투과 전의 먼지 수 – 투과 후의 먼지 수) / 투과 전의 먼지 수}×100        (1)

 

6. 결론

 

최근의 지구환경은 석유나 석탄, 천연가스와 같은 귀중한 천연자원을 대량 소비함으로 인한 자원 고갈이나 환경오염 등 여러 가지 문제를 안고 있으며, 그 심각성은 더 해질 뿐이다.

대량생산, 대량소비의 시대에서 미세화, 경량화, 유연성 등 소량의 자원으로 최대한 효과를 발휘하는 나노테크 소재의 필요성은 증가되고있으며, 나노섬유는 그 중에서도 중요한 위치를 차지하며 그 수요는 광범위한 분야에서 증가될 것이다.

본래 섬유산업은 “보다 가늘고, 보다 강하게”를 소재개발의 미션으로 개발을 진행해 왔으며, 최근의 나노테크놀로지에 대한 주목과 함께 이 미션의 심경과 거기에서 생겨나는 신기능·신시장 창출이 크게 기대된다. 마이크로오더부터 나노오더로의 구조제어와 그 기능개발이 여러 산업계에서 가속화하는 가운데 섬유산업에서도 방향성은 마찬가지이다. 즉, 기존에 없던 나노오더의 섬유직경이면서 균일지름이고 고강도의 섬유소재를 공업적으로 개발하는 것이 요구된다. 그리고, 그 섬유소재에서 얻은 섬유 제품에 신감각(미끄러지기 어려움, 지금까지 없었던 촉감)이나 새로운 기능 또는 기존 기능의 비약적 향상을 가져올 것으로 기대되고 있다.

 

References

1. J. Lelieveld, J.S.Evans, M. Fnais, D. Giannadaki & A. Pozzer, Nature, 525, 367-371(2015)


2. Michael Brauer, AAAs 2016 Annual Meeting, Washington, DC


3. 原田朗, 環境科學叢書, 大？ の バックグラウンド 汚染, 共立 出版(1973)


4. 株式會社Nafias HP, http://www.nafias.jp/