고성능 기능성 나노 섬유 기반 초미세먼지 필터 제조 성공

▲ 기능성 나노 섬유 기반 초미세먼지 (PM2.5) 필터 제조 모식도.

한국생명공학연구원 (재)스마트IT융합시스템연구단이 전남대학교 고분자융합소재공학부와 공동연구를 통해 초미세먼지(PM2.5)를 포집할 수 있는 고성능 기능성 나노 섬유 기반 초미세먼지 필터를 제조하는데 성공했다.

현재 상용되고 있는 미세먼지 헤파필터는 수십 마이크로미터 크기의 섬유를 기반으로 하는 필터링 방식으로 미세먼지 포집 효율이 좋아 가장 널리 사용되고 있으나, 압력 손실이 높아 공기를 정화하는데 필요한 송풍장치의 전력 소모량이 크고 소음 및 진동 등이 발생한다는 한계가 있었다.

이번 연구 성과는 기존 나노 섬유 기반의 미세먼지 포집 필터의 성능을 약 25% 향상시킬 수 있는 기술로 이는 상용 헤파필터 대비 동일한 수준의 집진 효율(PM2.5 기준 95%)을 가지면서도 압력 손실은 30% 개선됨을 보였다.

이를 차량용 공기청정기로 활용 시 낮은 소비전력으로도, 약 70μg/m3의 농도(PM2.5 기준 WHO 일평균 권고기준의 2.5배)로 오염된 자동차 실내를 16분만에 효과적으로 정화할 수 있음을 실험적으로 증명했다.

연구팀은 반응성 이온 에칭 공정 기술(RIE)을 전기방사 된 고분자 나노 섬유 소재에 적용하여, 섬유의 두께를 현저히 줄이고 동시에 주입된 산소 가스를 통하여 미세먼지가 더 잘 붙도록 화학적 표면 처리를 함으로써 미세먼지 집진 효율을 극대화하는데 성공했다.

이는 화학적인 작용기(활성 그룹)가 도입된 극미세 나노 섬유로서, 여과집진 방식의 주요 메카니즘인 필터섬유에 대한 입자의 충돌(impaction), 간섭(Interception), 확산(Diffusion)을 극대화하여 집진 효율을 향상시킬 수 있었고, 섬유의 두께를 현저히 줄임으로써 미세먼지보다 작은 공기 분자들은 잘 통과하여 압력 손실을 최소화할 수 있었다.

또 밀도범함수이론(DFT)을 이용하여 표면 작용기와 미세먼지와의 분자간 상호작용 에너지를 계산하였고, 이를 토대로 미세먼지를 흡착하는데 있어 최적화된 화학 작용기(활성 그룹)를 밝혀냈다. 이러한 화학 작용기를 지닌 나노 섬유가 흡착을 통한 미세먼지 필터링 효율을 높인 것으로, 향상된 성능의 필터 제작 가능성을 나타냈다고 볼 수 있다.

이번 연구 결과는 화학 공학 분야의 세계적인 학술지 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 6.216) 온라인판에(논문명: Surface-Modified Polymer Nanofiber Membrane for High-Efficiency Microdust Capturing) 3월 17일 게재되었다.

이번 연구 성과는 나노 섬유가 필터 여재로서의 활용 가능성을 확인하였으며 차량용 공기청정기 필터 뿐만 아니라, 스마트 마스크, 윈도우 필터 등에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 미세먼지 필터 뿐만 아니라, 고효율 이차전지필터, 더 나아가 특수 의료용 섬유 소재 등 다양한 분야로 확장할 수 있을 것이라 전망하고 있다.

개발된 기술은 현재, TIPS(민간투자주도형 기술창업지원)프로그램에 선정돼 벤처기업을 통해 미세먼지 및 초미세먼지 대응 제품 개발을 협의 중이다.