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[남순건의 과학의 눈] 마스크의 물리학

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입력 :ㅣ 수정 : 2020-07-07 02:09 남순건의 과학의 눈 섹션 목록 확대 축소 인쇄
남순건 경희대 물리학과 교수
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▲ 남순건 경희대 물리학과 교수

스키를 탈 때와 같이 보온용 외에는 마스크를 거의 쓰지 않던 필자도 올해는 마스크가 일상의 필수품이 돼 버렸다. 황사마스크를 구입했던 적이 있으나 답답해 쓰지 않고 있다가 올 초 마스크 파동이 일어났을 때 매우 요긴하게 사용할 수 있었다. KF94, KF80 등 마스크에 붙어 있는 번호는 방진 효과를 나타내는 것일 뿐인데도 ‘코로나19에 대응하는 데도 더 효과가 있겠지’ 하는 막연한 생각을 했다. 아마도 대부분의 국민이 그렇게 생각하고 있을 것이다.
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KF80은 0.6마이크로미터(㎛) 크기의 입자를 80% 차단할 수 있고 KF94는 0.4㎛ 크기의 입자를 94% 차단하는 능력을 가지고 있다. 참고로 머리카락 굵기가 100㎛ 정도다. 석유나 석탄 등의 화석연료 사용과 자동차 매연으로 발생하는 미세먼지는 2.5~100㎛ 크기다. 2.5㎛ 이하의 먼지는 초미세먼지라고 부르는데 연소입자에서 나오는 질산염, 유기탄화수소 그리고 유해 금속 성분 등으로 피부 모공 속에 침투해 건강에 좋지 않은 영향을 미친다.

마스크는 세 가지 물리현상을 활용해 각종 크기의 먼지를 차단한다. 작은 크기의 입자들은 분자 간의 힘에 민감하기 때문에 매우 끈적하게 다른 표면에 붙게 된다. 이렇게 붙게 만드는 분자간힘을 반데르발스 힘이라고 부른다. 미세먼지 입장에서 마스크의 섬유들은 마치 거미줄같이 끈적한 줄처럼 보이게 된다. 거미줄이 듬성듬성 쳐 있어도 벌레들이 붙잡히는 것과 같은 원리라고 보면 된다. 섬유를 여러 겹 겹쳐 놓으면 미세먼지는 거의 100% 차단된다.

초미세먼지보다 작은 0.1㎛ 이하의 입자들은 공기 분자에 끊임없이 부딪혀 움직이는 브라운운동을 한다. 매우 불규칙한 운동을 하는 것이다. 무작위로 입자가 운동하면서 직선으로 날아가지 못하고 구불구불하게 간다. 브라운운동을 하게 되면 결국은 마스크의 섬유에 붙게 된다. 이들은 거의 100% 차단된다.

가장 차단하기 어려운 것들이 약 0.5㎛ 크기의 초미세먼지다. 초미세먼지 입자는 공기의 흐름을 따라 마스크의 섬유를 돌아서 갈 수 있기 때문이다. 흐르는 강물이 바위가 있으면 돌아가는 것과 같은 이치다. 공기 흐름대로 초미세먼지 입자들이 흐르게 놔두면 거의 차단할 수 없게 된다. 여기에 새로운 물리학이 필요하다. 이 입자들을 정전기를 이용해 공기 흐름 중에서 마스크의 섬유로 당겨야만 한다. 이를 위해 만들어진 것이 황사 차단 마스크다. 섬유 재질에 정전기 현상이 잘 일어나게 해 초미세먼지를 당기도록 만들어 차단력이 94%가 되면 KF94번호를 달게 된다. 물론 정전기 능력은 습기가 차면 떨어지게 돼 시간이 지날수록 마스크의 차단력은 저하된다.

코로나 바이러스는 대체로 크기 5㎛ 이상의 비말을 타고 전파된다고 한다. 반데르발스 힘을 통해 차단할 수 있기 때문에 굳이 번호가 높은 황사마스크를 사용할 필요는 없다. 최근에 많이 판매되는 비말 차단용 마스크는 KF50~80 수준이며 여러 겹의 섬유가 충분히 겹쳐 있으면 비말을 막을 수 있어 코로나 바이러스 차단에는 효과적일 것이다. 더운 여름에 두꺼운 KF94나 KF80 마스크를 착용할 이유가 없다. 철저한 과학적 분석 없이 공적마스크를 KF94로 공급했던 당국이 처음부터 물리학을 잘 이해했더라면 국민들에게 쓸데없는 불편을 주지는 않았을 것이다.
2020-07-07 29면
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