초미세먼지 제거성능 25% 높인 나노섬유 필터 제조 기술 개발

생명공학연구원 "차량용 공기청정기 필터, 스마트 마스크 등에 활용"

기존 미세먼지 헤파필터의 성능보다 25%나 향상된 나노섬유 필터가 개발됐다.

한국생명공학연구원은 스마트IT융합시스템연구단, 전남대학교 고분자융합소재공학부와 공동연구를 통해 초미세먼지(PM2.5)를 포집할 수 있는 고성능 기능성 나노 섬유 기반 초미세먼지 필터를 제조하는데 성공했다고 29일 밝혔다.

현재 상용 중인 미세먼지 헤파필터는 수십 마이크로미터 크기의 섬유로 만든다. 미세먼지 포집 효율이 좋아 가장 널리 사용되고 있으나, 압력 손실이 높아 공기를 정화하는데 필요한 송풍장치의 전력 소모량이 크고 소음과 진동 등이 발생한다는 한계가 있었다.

압력손실은 필터의 입구와 출구 사이의 압력차를 나타낸다. 압력손실(압력차)이 클수록 동일 팬 속도에서 지나가는 유량이 적어진다. 반대로 유량을 늘리기 위해 외부공기를 흡입하는 모터의 팬 속도를 높일 경우, 높은 전력 소비량이 필요하다.

이번 연구를 통해 연구팀은 나노 섬유 기반의 미세먼지 포집 필터의 성능을 약 25% 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 상용 헤파필터 대비 동일한 수준의 집진 효율(PM2.5 기준 95%)을 가지면서도 압력 손실은 30% 개선됐다. 또, 이를 차량용 공기청정기로 활용할 경우 낮은 소비전력으로도 약 70μg/m3의 농도(PM2.5 기준 세계보건기구 일평균 권고기준의 2.5배)로 오염된 자동차 실내를 16분만에 효과적으로 정화할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

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

또 밀도범함수이론(DFT)으로 표면 작용기와 미세먼지와의 분자간 상호작용 에너지를 계산했고 이를 토대로 미세먼지를 흡착하는데 최적화된 화학 작용기(활성 그룹)를 밝혀냈다. 고기능성 나노 섬유를 만들어 미세먼지 필터링 효율을 높인 것이다.

연구팀 관계자는 "차량용 공기청정기 필터 뿐만 아니라, 스마트 마스크, 윈도우 필터 등에 응용될 수 있을 것으로 기대된다"면서 "미세먼지 필터 뿐만 아니라 고효율 이차전지필터, 더 나아가 특수 의료용 섬유 소재 등 다양한 분야로 확장할 수 있을 것이라 전망된다"고 말했다.

연구 결과는 화학 공학 분야의 세계적인 학술지 케미컬 엔지니어링 저널 온라인판에 이달 17일 게재됐다.

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