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솜사탕 만들 듯 마스크필터 섬유 대량생산 방법 개발

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입력 :ㅣ 수정 : 2021-03-23 13:00 과학 섹션 목록 확대 축소 인쇄

원심력 이용한 다중 방사디스크 방식 개발
전기방사공정보다 300배 이상 빠른 속도

솜사탕 만들듯이 고효율 나노섬유 만든다 솜사탕은 설탕을 녹여 원심력으로 돌리면 설탕이 실형태로 나오는 것을 막대기로 모아 만든다. 국내 연구진이 솜사탕 만들듯 마스크 필터에 사용되는 고효율 나노섬유를 대량생산하는 방법을 개발했다.  픽사베이 제공

▲ 솜사탕 만들듯이 고효율 나노섬유 만든다
솜사탕은 설탕을 녹여 원심력으로 돌리면 설탕이 실형태로 나오는 것을 막대기로 모아 만든다. 국내 연구진이 솜사탕 만들듯 마스크 필터에 사용되는 고효율 나노섬유를 대량생산하는 방법을 개발했다.

픽사베이 제공

솜사탕 기계는 가운데 원통에 설탕을 넣으면 뜨겁게 가열된 원통이 설탕을 녹여 실형태를 만들고 디스크가 빠르게 돌아갈 때 나무젓가락을 넣으면 먹음직스러운 솜사탕을 만들어 낸다. 국내 연구진이 솜사탕을 만들 듯 마스크 필터에 쓰이는 마이크로섬유와 나노섬유를 빠르고 대량으로 생산할 수 있는 공정을 만들어 내 화제다.

카이스트 생명화학공학과 연구팀은 기존 원심 방사공정을 발전시켜 방사 디스크를 여러 층으로 세분화한 멀티 원심방사 시스템을 만들어 다양한 고분자 마이크로 섬유, 나노 섬유 생산에 성공했다고 23일 밝혔다. 이번 연구결과는 미국 화학회에서 발행하는 국제학술지 ‘ACS 매크로 레터스’ 3월호 표지논문으로 실렸다.

고분자 마이크로 섬유나 나노 섬유는 두께가 마이크로미터 또는 나노미터 수준의 섬유로 최근 일상품처럼 된 마스크의 필터 재료로 특히 많이 이용되고 있다. 고분자 나노섬유 기반의 마스크 필터는 정전기 발생 없이도 기계적 여과를 통해 미세먼지나 바이러스를 90% 이상 차단할 수 있다.

기존에 나노 섬유 제조는 높은 전압을 걸어 두께가 가는 섬유를 만드는 전기방사 공정을 사용했다. 문제는 전기방사 공정은 수십 킬로볼트의 고전압을 사용하기 때문에 공정 안전성이 낮고 설비 규모를 늘리기 쉽지 않다는 점이다. 또 공정 자체가 대량 생산에 불리하고 대량생산을 위해서는 더 높은 전압을 사용해야 된다는 악순환이 있다.
원심방사 방법으로 만드는 나노섬유 (A) 멀티 원심방사 시스템 모식도. (B) 멀티 원심방사로 제조된 마이크로 및 나노 섬유의 주사전자현미경 이미지. (C) 멀티 원심방사디스크의 층수 증가에 따른 섬유 생산 속도 비교 그래프와 (D) 제조된 PS 나노 섬유의 사진.  카이스트 제공

▲ 원심방사 방법으로 만드는 나노섬유
(A) 멀티 원심방사 시스템 모식도. (B) 멀티 원심방사로 제조된 마이크로 및 나노 섬유의 주사전자현미경 이미지. (C) 멀티 원심방사디스크의 층수 증가에 따른 섬유 생산 속도 비교 그래프와 (D) 제조된 PS 나노 섬유의 사진.

카이스트 제공

이에 연구팀은 솜사탕 기계에서 사용하는 것처럼 방사 디스크를 회전시켜 섬유를 만드는 원심방사에 주목했다. 기존 원심방사는 방사 디스크를 하나만 사용했기 때문에 섬유생산속도가 전기방사공정과 크게 차이를 보이지 않았다. 연구팀은 3개 층의 멀티 원심방사디스크를 만들었고 디스크 층수가 증가할수록 섬유의 생산속도가 증가하는 것을 확인했다.

이번에 새로 개발한 공정은 실험실 규모 기준으로 마이크로 및 나노 섬유 생산속도가 시간당 8~25g으로, 기존 전기방사 공정보다 300배 빠른 속도이다. 이는 KF94 마스크 필터 20~30개를 만들 수 있는 수준에 해당한다. 연구팀은 이렇게 만들어진 나노섬유로 마스크 필터를 만들어 실험한 결과 시판되고 있는 KF80이나 KF94 마스크와 비슷한 성능을 갖고 있는 것을 확인했다.

김도현 교수는 “이번 연구는 생산설비를 쉽게 늘릴 수 있기 때문에 섬유 대량생산에 유리해 나노섬유를 이용하는 다양한 제품들의 단가 절감에 도움을 줄 수 있을 것”이라며 “기존 원심방사와 달리 다양한 종류의 섬유로 이뤄진 복합 섬유 패드를 만들 수 있기 때문에 섬유 대량 생산 뿐만 아니라 다양한 종류의 섬유가 하나의 필터에 포함된 복합 필터 제조도 가능하게 해 폭넓은 분야에서 응용할 수 있을 것으로 보인다”라고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr
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