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< (오른쪽 뒤부터 시계반대방향으로) 이응준 석박통합과정, 유효정 박사과정, 곽병은 석박통합과정, 김도현 생명화학공학과 교수 >

우리 대학 생명화학공학과 김도현 교수 연구팀이 원심력을 이용한 새로운 마이크로 및 나노 섬유 대량생산 공정을 개발했다고 23일 밝혔다.

김도현 교수 연구팀은 기존의 원심방사 공정을 발전시켜 방사 디스크를 여러 층으로 세분화한 멀티 원심방사 시스템을 고안해 다양한 고분자 마이크로 및 나노 섬유의 생산에 성공했다. 이 기술은 섬유의 대량생산뿐만 아니라, 다양한 종류의 섬유가 하나의 필터에 함유된 복합 필터 제조도 가능하게 해 폭넓은 분야에 응용될 것으로 기대된다. 

생명화학공학과 곽병은 석박사통합과정, 유효정 박사과정, 이응준 석박사통합과정이 각 제1, 제2, 제3 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `에이씨에스 매크로 레터스(ACS Macro Letters)' 2021년 3월 10권 3호에 표지논문으로 선정됐다. (논문명 : Large-Scale Centrifugal Multispinning Production of Polymer Micro- and Nanofibers for Mask Filter Application with a Potential of Cospinning Mixed Multicomponent Fibers)

고분자 마이크로 및 나노 섬유는 두께가 마이크로미터(μm) 혹은 나노미터(nm) 수준인 섬유로, 머리카락 두께와 비슷하거나 이의 1/1000에서 1/10 수준의 두께를 가진 섬유를 말한다. 최근 코로나바이러스 및 미세먼지 이슈로 마스크의 수요가 점차 증가하면서 동시에 그 필터 재료로 사용되는 고분자 섬유의 수요도 점차 늘어나는 추세다.

특히 매우 가는 두께를 가진 고분자 나노 섬유 기반의 마스크 필터는 정전기가 부여되지 않은 상태에서도 기계적 여과를 통해 미세먼지와 코로나 바이러스를 90% 이상 차단할 수 있기에 마스크 필터 분야에서 중요한 소재로 떠오르고 있다. 

정전기 기반의 마스크 필터는 날숨에 포함된 습기로 인해 사용 시간이 지날수록 미세먼지의 포집 효율이 감소한다. 반면 나노 필터 마스크는 시간에 따른 효율 저하가 거의 관찰되지 않는다. 이미 유럽 등 국가에서는 정전 기력에 의한 포집 효율을 배제한 마스크 성능을 평가하고 있다. 따라서 기계적 여과로 높은 포집 효율을 달성할 수 있는 나노 섬유 기반 필터의 제조는 매우 중요한 과제다. 

기존의 나노 섬유 제조는 고전압을 인가해 두께가 가는 섬유를 제조하는 전기방사(electrospinning) 공정을 사용했다. 그러나 전기방사 공정은 수십 킬로볼트(kV)의 고전압을 사용하기 때문에 공정의 안전성이 낮고 설비의 규모 증가가 어려운 단점이 있다. 

또 공정 자체가 대량생산에 불리하게 설계돼 있어 실험실 단위의 제조에서는 섬유의 생산 속도가 시간당 0.01~1그램(g) 정도에 불과하다. 이렇게 느린 섬유 생산 속도의 한계를 극복하기 위해 고안된 다중 노즐 전기방사(multi-nozzle electrospinning) 및 노즐리스 전기방사(nozzleless electrospinning) 공정 또한 노즐 간 전기장 간섭으로 인한 생산 효율 저하 및 50 킬로볼트(kV) 이상의 고전압이 필요하다는 문제가 상존한다. 

연구팀은 이러한 전기방사 공정의 한계를 극복하기 위해 원심방사에 주목했다. 원심방사는 방사 디스크의 회전을 통해서 섬유를 제조하는 공정으로 솜사탕 기계 등에서 많이 이용되고 있다. 

그러나 기존의 원심방사 장치도 하나의 방사 디스크를 이용했기 때문에 크기를 증가시켜도 섬유 생산 속도가 기존 전기방사 공정보다 그리 빠르지는 않았다. 이에 따라 연구팀은 하나의 방사 디스크가 여러 개의 층을 가진 멀티 원심방사 디스크를 고안했고 이를 통해 섬유의 대량생산 가능성을 보였다. 

연구팀은 3개의 층을 가진 멀티 원심방사 디스크를 제작했고, 디스크의 층수가 증가할수록 섬유의 생산 속도가 비례하며 증가하는 것을 확인했다. 이는 멀티 원심방사 시스템에서는 노즐 간 간섭으로 인한 생산 효율 저하가 일어나지 않음을 의미한다. 

연구팀은 새롭게 고안된 이 공정을 통해 실험실 규모 기준, 머리카락 1/100의 평균 두께를 가지는 섬유의 생산 속도가 시간당 8~25그램(g)으로 증가하는 것을 보였다. 이는 기존 전기방사 공정보다 약 300배 더 빠른 속도이다. 또한, 나노 섬유 25그램(g)은 KF94 마스크 필터 20~30개에 해당하는 양이며, 적은 양처럼 보이지만 실험실 규모에서는 같은 시간 대비 아주 많은 생산량이다. 

< 그림 1. (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. >

< 그림 2. (A) 서로 다른 고분자 섬유로 이루어진 복합 섬유 패드의 제조 과정 모식도. (B) 섬유 패드 내 서로 다른 고분자 양의 상대적인 조절을 통해 접촉각의 정교한 제어가 가능함을 보여주는 그래프. (C) 대량생산된 PS 나노 섬유로 제조된 마스크 필터 및 마스크. >

또한 연구팀은 대량생산된 나노 섬유를 이용해 마스크 필터를 제조했고, 이렇게 제조된 마스크 필터는 사용된 섬유의 양에 따라 상용 마스크(KF80 및 KF94)에 준하는 포집 효율과 차압을 가지는 것을 확인했다. 뿐만 아니라 제조된 마스크 필터는 비말 차단에도 매우 우수한 성능을 보였다. 

제1 저자 곽병은 석박사통합과정은 "원심방사는 전기방사보다 비용 측면이나 대량생산에 있어 뚜렷한 장점이 있음에도 많이 연구되고 있지 않은 공정이다ˮ며, "이번 연구에서 고안된 멀티 원심방사 시스템을 산업적 규모로 증대시키면 나노 필터의 단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다ˮ 라고 말했다. 

한편 이번 연구는 KAIST에서 지원하는 2020년도 글로벌 특이점 연구사업으로 수행됐다.

< 그림 3. 관련 논문(에이씨에스 매크로 레터스) 표지 >