화학연, “사용 후 퇴비로” 생분해되는 마스크 필터 개발

▲어드밴스드 사이언스 3월호 표지 논문 이미지. (사진제공=한국화학연구원)

국내 연구진이 한 달 안에 퇴비화 조건에서 100% 자연 분해되면서 기존 마스크 필터의 단점까지 보완, 숨쉬기 편하고 여러 번 사용할 수 있는 N95 성능의 신개념 생분해 마스크 필터를 개발했다.

한국화학연구원은 황성연ㆍ오동엽ㆍ박제영 박사 연구팀이 100% 분해되면서도 기존 마스크 필터의 단점까지 보완한 새로운 친환경 생분해성 마스크 필터를 개발했다고 22일 밝혔다.

코로나19 확산 이후 마스크는 생활필수품이 됐다. 하지만 마스크 쓰레기는 분해와 재활용을 할 수 없어 심각한 환경오염을 일으키고 있다. 마스크 중 가장 문제가 되는 부분은 필터다. 마스크의 겉감, 안감, 귀걸이는 면 소재로 만들 수 있지만, 필터는 현재 플라스틱 빨대 소재와 같은 폴리 프로필렌으로 만들어져 흙에서 썩지 않는다.

시중 마스크의 90%를 차지하고 있는 정전기 필터 방식 플라스틱 섬유 가닥을 교차시켜 공간을 만들고 그 공간에 정전기를 발생시켜서 바이러스나 미세먼지 등을 달라붙게 하는 원리로 제조된다. 정전기는 건조할 때 잘 일어나기 때문에 습기에 취약하다. 따라서 제품 개봉 후부터 공기 중 습기나 입김의 수분에 노출돼 필터의 정전기 기능이 시간이 지날수록 떨어진다. 또 정전기가 영구적이지 않고 일시적으로 발생하도록 설계돼 필터 기능이 오래 유지되지 않는다.

또 다른 제조방법은 플라스틱 섬유 가닥을 교차시켜 그 사이의 공간을 빽빽하게 만들어서 바이러스나 미세먼지가 통과하지 못하게 하는 것이다. 마치 체에 치면 체의 구멍보다 크기가 큰 물질은 빠져나오지 못하는 원리와 같다. 다만 빈 공간이 좁은 만큼 통기성이 부족해 사람이 숨쉬기 힘들다는 단점이 있다.

▲일반적인 석유계 마스크필터 제작 원리(왼쪽)와 생분해성 마스크필터 제작 원리(오른쪽)에 대한 필터 메커니즘 설명이다. (사진제공=한국화학연구원)

연구팀은 이 두 필터 방식의 단점을 보완했다. 대표적 생분해 플라스틱인 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS)를 자체 기술력으로 튼튼하게 보완한 다음, 이를 가느다란 나노 섬유와 마이크로 섬유 형태로 뽑은 후 섬유들을 겹쳐 부직포를 만들었다. 이 부직포를 자연에서 추출한 키토산 나노위스커로 코팅하면 최종 필터가 완성된다.

새로 개발된 필터는 공기 중 미립자(바이러스, 미세먼지 등 외부물질)의 2.5㎛(마이크로미터) 사이즈 98.3%를 차단하는 것으로 확인됐다. 현재 시중에 판매되고 있는 제품인 N95 필터 성능이다. 또한 마스크 착용 전과 착용 후의 호흡 압력 차가 59㎩(파스칼)로 낮게 측정돼 통기성이 좋은 것으로 나타났다. 일반적인 KF94의 압력강하는 70Pa로 측정된다.

사용 후 쓰레기 분해 테스트 결과 퇴비화 토양에서 28일 이내에 생분해되는 것으로 나타났다. 이 필터는 기존 필터(부직포)를 만드는 대표적 두 공정인 멜트블로운 또는 전기방사 공정을 활용해 생산할 수 있기 때문에 대량생산에도 적용할 수 있다. 연구팀은 현재 필터 외에도 콧대 고정 철사, 마스크 풀림 방지 연결고리, 고무줄 등 마스크의 모든 부분을 생분해성 소재로 대체할 수 있는 연구를 추진하고 있다.

연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF:15.84)’ 3월호에 게재됐다.