환경기술특허연구회

	▲ 미세먼지 심각성 및 기능성 나노 섬유 기반 초미세먼지(PM2.5) 필터 제조 모식도. 생명연 제공

국내 연구팀이 최근 전국적으로 기승을 부리고 있는 초미세먼지(PM2.5)를 효율적으로 제거할 수 있는 필터 제조 기술을 개발했다.
한국생명공학연구원과 (재)스마트IT융합시스템연구단(CISS), 전남대 고분자융합소재공학부는 공동 연구를 통해 초미세먼지를 포집할 수 있는 고성능 기능성 나노 섬유 기반 초미세먼지 필터를 제조하는 데 성공했다.
이번 연구 성과는 화학 공학 분야 세계적인 학술지인 케미컬 엔지니어링 저널에 지난 17일 자 논문으로 게재됐다.

현재 상용되고 있는 미세먼지 헤파필터는 수십 마이크로미터(㎛·100만 분의 1m) 크기의 섬유를 기반으로 하는 필터링 방식으로 미세먼지 포집 효율이 좋아 사용되고 있으나 압력 손실이 높아 공기를 정화하는 데 필요한 송풍장치의 전력 소모량이 크고 소음 및 진동 등이 발생한다는 한계가 있다.

개발된 기술은 기존 나노 섬유 기반의 미세먼지 포집 필터의 성능을 약 25% 향상시킬 수 있는 기술로 상용 헤파필터 대비 동일한 수준의 집진 효율(PM2.5 기준 95%)을 가지면서도 압력 손실은 30% 개선됐다.

또 이를 차량용 공기청정기로 활용 시 낮은 소비전력으로도 약 ㎥당 70㎍ 농도(PM2.5 기준 WHO 일평균 권고기준의 2.5배)로 오염된 자동차 실내를 16분 만에 효과적으로 정화할 수 있음을 증명했다.
연구팀은 반응성 이온 에칭 공정 기술(RIE)을 전기방사 된 고분자 나노 섬유 소재에 적용해 섬유의 두께를 줄이고 동시에 주입된 산소 가스를 통해 미세먼지가 더 잘 붙도록 화학적 표면 처리해 미세먼지 집진 효율을 극대화했다.

이는 화학적인 작용기가 도입된 극미세 나노 섬유로 여과집진 방식의 주요 메카니즘인 필터섬유에 대한 입자의 충돌·간섭·확산을 극대화한 것으로 집진 효율을 향상시킬 수 있고 섬유의 두께를 줄여 미세먼지보다 작은 공기 분자들은 잘 통과해 압력 손실을 최소화할 수 있다.
또 밀도범함수이론(DFT)을 이용해 표면 작용기와 미세먼지와의 분자간 상호작용 에너지를 계산했고 이를 토대로 미세먼지를 흡착하는 데 있어 최적화된 화학 작용기를 밝혀냈다.

이러한 화학 작용기를 지닌 나노 섬유가 흡착을 통한 미세먼지 필터링 효율을 높인 것으로 향상된 성능의 필터 제작 가능성을 보인 셈이다.
이번 연구 성과는 차량용 공기청정기 필터 뿐만 아니라 스마트 마스크, 윈도우 필터 등에 응용될 수 있다.

또 고효율 이차전지필터, 특수 의료용 섬유 소재 등 다양한 분야로 확장할 수 있다.
개발된 기술은 민간투자주도형 기술창업지원 프로그램에 선정돼 벤처기업인 ㈜쉐마를 통해 미세먼지 및 초미세먼지 대응 제품 개발을 협의 중이다.