햇빛만 쬐어도 99.8% 소독, 고성능 신형 마스크 상용화 기대
우수한 통기성과 항바이러스 효과, 재사용 가능성 확인

부산대 이형우·성균관대 전일·고려대 김한준 교수팀.

국내 연구진이 반도체에 쓰이는 탄소나노튜브로 햇빛만 쬐어도 99.8% 바이러스가 제거되고, 1만 번 이상 접었다 펴도 사용 가능한 친환경 마스크를 개발해 의료 및 산업 분야에 혁신적인 방역 솔루션을 제공할 것으로 기대된다.

해당 마스크는 기존 일회용 마스크의 환경오염 문제를 해결할 뿐만 아니라 재사용이 가능하고, 호흡 센서나 습기 감지와 같은 스마트 기능까지 탑재할 수 있어 경제성과 지속가능성, 제품화 가능성을 동시에 갖춘 차세대 기술로 평가받고 있다.

탄소나노튜브 마스크 제작 공정 모식도 및 마스크 특성 그래프.

부산대학교(총장 최재원)는 나노에너지공학과 이형우 교수 연구팀이 성균관대학교 및 고려대학교와 협력해 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정으로 제작된 탄소나노튜브(CNT) 기반의 재사용 가능한 친환경 마스크를 개발했다고 3일 밝혔다.

코로나19 팬데믹을 계기로 마스크 착용이 일상화됐지만, 기존 일회용 마스크는 플라스틱 폐기물과 같은 환경문제와 1회 사용 이후 바이러스를 차단하는 성능이 현저하게 저하된다는 한계가 있었다. 이에 따라 재사용이 가능하며 성능을 유지할 수 있는 고효율 마스크 필터 개발이 요구돼 왔다.

이번에 국내 연구팀이 개발한 신형 마스크는 건식 방사가 가능한 탄소나노튜브를 합성, 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정 적용이 가능해 대면적 생산이 가능하고 접착제를 사용하지 않고도 탄소나노튜브와 폴리프로필렌 섬유를 결합할 수 있어 기존 제조 방식 대비 높은 산업적 활용성을 갖췄다.

롤투롤(Roll-to-Roll) 공정이란 연속적으로 회전하는 롤 표면에 소재를 코팅하거나 전사해 대면적으로 생산할 수 있는 공정 기술로, 생산성이 높고 대량 제조에 적합해 필름, 센서, 마스크 필터 등 다양한 분야에 활용된다.

기존 일회용 마스크의 환경문제와 기능적 한계를 극복하기 위해 개발된 이 마스크는 초소수성(超疏水性)을 갖는 탄소나노튜브(접촉각 175.53도)를 마스크에 적용해 탄소나노튜브가 갖는 우수한 특성을 그대로 사용할 수 있도록 제작됐다.

접촉각이란 고체 표면 위에 놓인 액체 방울이 이루는 고체-액체-기체 경계면의 각도로, 표면의 젖음성을 나타내는 지표다. 일반적으로 접촉각이 클수록 소수성, 작을수록 친수성을 의미하며 150도 이상이면 초소수성으로 분류된다.

연구팀이 개발한 마스크는 수직 배열 탄소나노튜브의 정렬 구조를 통해 뛰어난 통기성을 가져 마스크 내부의 습기 관리가 가능하다. 뿐만 아니라 탄소나노튜브가 갖는 특성에 의해 태양광 또는 전기적 가열(Joule heating)을 통한 바이러스 비활성화 효과(99.8% 바이러스 제거)도 확인했다.

전기적 가열(Joule heating)이란 전류가 도체를 통과할 때 발생하는 저항에 의해 열이 생성되는 현상으로, ‘저항 가열’이라고도 불린다. 외부 열원이 없이도 전기만으로 물체를 가열할 수 있어 발열 소재나 자가 소독 시스템에 널리 활용된다.

또한 마스크 착용 후 호흡 시 탄소나노튜브의 저항 변화를 통해 스마트 기능(호흡 센서, 습기 감지 기능) 제공이 가능하며, 1만 회 이상의 굽힘 시험 후에도 특성이 변하지 않는 높은 내구성을 갖추고 있어 기존 마스크의 단점을 보완해 차세대 의료 및 산업용 방역 마스크로의 적용 가능성이 기대된다.

이형우 부산대 나노에너지공학과 교수는 “이번 연구를 통해 환경친화적이고 재사용이 가능한 고성능 마스크를 개발했으며, 향후 실용화를 위한 후속 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.

이번 연구는 부산대 이형우 교수, 성균관대 전일 교수, 고려대 김한준 교수가 공동 교신저자, 부산대 에너지융합기술연구소 우채영 박사후 연구원과 성균관대 이일현 박사과정생이 공동 제1저자로, 과학기술정보통신부 및 한국연구재단 지원(중견연구, 글로벌 선도연구센터)과 정보통신기획평가원의 정보통신연구센터 과제 지원을 받아 수행됐다.

이 같은 연구성과는 국제 학술지 ‘SusMat’에 3월 10일자로 게재됐다.

논문 제목은 Advanced Facial Mask Using Roll-to-Roll Processed Superhydrophobic Vertically Aligned Carbon Nanotubes for Enhanced Antiviral Effects and Reusability (롤투롤 공정 기반 초소수성 수직 배열 탄소나노튜브를 활용한 고성능 항바이러스 및 재사용 가능한 마스크)이다.

김형일 부산닷컴 기자 ksolo@busan.com