[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = KAIST는 생명화학공학과 김도현 교수 연구팀이 원심력을 이용한 새로운 마이크로 및 나노 섬유 대량생산 공정을 개발했다고 23일 밝혔다.

연구팀은 기존의 원심방사 공정을 발전시켜 방사 디스크를 여러 층으로 세분화한 멀티 원심방사 시스템을 고안해 다양한 고분자 마이크로 및 나노 섬유의 생산에 성공했다.

기존 원심방사 장치는 하나의 방사 디스크를 이용해 크기를 증가시켜도 섬유 생산 속도가 기존 전기방사 공정보다 그리 빠르지 않았다.

멀티 원심방사 시스템 모식도 등[사진=카이스트] 2021.03.22 memory4444444@newspim.com

이에 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 비례해 증가하는 것을 확인했다.

이는 멀티 원심방사 시스템에서는 노즐 간 간섭으로 인한 생산 효율 저하가 일어나지 않음을 의미한다.

연구팀은 새로 고안한 이 공정으로 실험실 규모 기준 머리카락 1/100의 평균 두께를 갖는 섬유의 생산 속도가 시간당 8~25그램(g)으로 증가하는 것을 보였다.

이는 기존 전기방사 공정보다 약 300배 더 빠른 속도이다.

나노 섬유 25그램(g)은 KF94 마스크 필터 20~30개에 해당하는 양이며 적은 양처럼 보이지만 실험실 규모에서는 같은 시간 대비 아주 많은 생산량이다.

연구팀은 대량생산된 나노 섬유를 이용해 마스크 필터를 제조했고 이 마스크 필터는 사용된 섬유의 양에 따라 상용 마스크(KF80 및 KF94)에 준하는 포집 효율과 차압을 가졌다.

제조된 마스크 필터는 비말 차단에도 매우 우수한 성능을 보였다.

서로 다른 고분자 섬유로 이루어진 복합 섬유 패드의 제조 과정 모식도 등[사진=카이스트] 2021.03.22 memory4444444@newspim.com

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.

이는 섬유의 대량생산뿐만 아니라 다양한 종류의 섬유가 하나의 필터에 함유된 복합 필터 제조도 가능하게 해 폭넓은 분야에 응용될 것으로 기대된다.

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 있어 마스크 필터 분야에서 중요한 소재로 떠오르고 있다.

곽병은 석박사통합과정(1저자)은 "원심방사는 전기방사보다 비용 측면이나 대량생산에 있어 뚜렷한 장점이 있음에도 많이 연구되고 있지 않은 공정ˮ이라며 "이번 연구에서 고안한 멀티 원심방사 시스템을 산업적 규모로 증대시키면 나노 필터의 단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 KAIST에서 지원하는 2020년도 글로벌 특이점 연구사업으로 수행됐다.

오른쪽 뒤부터 시계 반대방향으로 이응준 석박통합과정, 유효정 박사과정, 곽병은 석박통합과정, 김도현 생명화학공학과 교수[사진=카이스트] 2021.03.22 memory4444444@newspim.com

KAIST 생명화학공학과 곽병은 석박사통합과정, 유효정 박사과정, 이응준 석박사통합과정이 각 제1, 제2, 제3 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '에이씨에스 매크로 레터스(ACS Macro Letters)' 3월호에 실렸다.

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