나노기술 및 정책 정보

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KAIST(한국과학기술원·총장 이광형)는 생명화학공학과 김도현 교수 연구팀이 원심력을 이용한 새로운 마이크로 및 나노 섬유 대량생산 공정을 개발했다고 23일 밝힘.

김도현 교수 연구팀은 기존 원심방사 공정을 발전시켜 방사 디스크를 여러 층으로 세분화한 멀티 원심방사 시스템을 고안해 다양한 고분자 마이크로 및 나노섬유의 생산에 성공함. 이 기술은 섬유의 대량생산뿐 아니라 다양한 종류의 섬유가 하나의 필터에 함유된 복합필터 제조도 가능하게 해 폭넓은 분야에 응용될 전망임.

KAIST 생명화학공학과 곽병은 석박사통합과정, 유효정 박사과정, 이응준 석박사통합과정이 각 제1, 제2, 제3 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `에이씨에스 매크로 레터스(ACS Macro Letters)' 3월 10권 3호에 표지논문으로 선정됨.

고분자 마이크로 및 나노섬유는 두께가 마이크로미터(μm) 혹은 나노미터(nm) 수준인 섬유로, 머리카락 두께와 비슷하거나 이의 1/1000에서 1/10 수준의 두께를 가진 섬유를 말함. 최근 코로나바이러스 및 미세먼지로 마스크의 수요가 증가하면서 필터 재료로 사용되는 고분자 섬유의 수요도 늘어나는 추세임.

특히 매우 가는 두께를 가진 고분자 나노섬유 기반의 마스크 필터는 정전기가 부여되지 않은 상태에서도 기계적 여과를 통해 미세먼지와 코로나 바이러스를 90% 이상 차단할 수 있기에 마스크 필터분야에서 중요한 소재로 떠오르고 있음.

기존 나노섬유 제조는 고전압을 인가해 두께가 가는 섬유를 제조하는 전기방사 공정을 사용했음. 그러나 전기방사 공정은 수십 킬로볼트(kV)의 고전압을 사용하기 때문에 공정의 안전성이 낮고 설비의 규모 증가가 어려운 단점이 있음.

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

연구팀은 이러한 전기방사 공정의 한계를 극복하기 위해 원심방사에 주목함. 원심방사는 방사 디스크의 회전을 통해 섬유를 제조하는 공정으로 솜사탕기계 등에서 많이 이용되고 있음.

따라서 3개의 층을 가진 멀티 원심방사 디스크를 제작했고, 디스크의 층수가 증가할수록 섬유의 생산 속도가 비례하며 증가하는 것을 확인했음. 이는 멀티 원심방사 시스템에서는 노즐 간 간섭으로 인한 생산효율 저하가 일어나지 않음을 의미함.

연구팀은 새롭게 고안된 이 공정을 통해 실험실 규모 기준, 머리카락 1/100의 평균 두께를 가지는 섬유의 생산 속도가 시간당 8~25그램(g)으로 증가하도록 함. 이는 기존 전기방사 공정보다 약 300배 더 빠른 속도임. 또 나노섬유 25그램은 KF94 마스크 필터 20~30개에 해당하는 양임.

연구팀은 대량생산된 나노섬유를 이용해 마스크 필터를 제조했고, 이렇게 제조된 마스크 필터는 사용된 섬유의 양에 따라 상용 마스크(KF80 및 KF94)에 준하는 포집 효율과 차압을 가지는 것을 확인함. 제조된 마스크 필터는 비말 차단에도 우수한 성능을 보임.

제1저자 곽병은 석박사통합과정은 "원심방사는 전기방사보다 비용 측면이나 대량생산에 있어 장점이 있음에도 많이 연구되고 있지 않은 공정ˮ이라며 "멀티 원심방사 시스템을 산업적 규모로 증대시키면 나노필터의 단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다ˮ고 전함.

한편 이번 연구는 KAIST가 지원하는 2020년도 글로벌 특이점 연구사업으로 수행됨.