카이스트 연구팀, 원심력 이용한 나노 섬유 대량 생산공정 개발

카이스트 김도현(사진 아래 우측) 교수와 연구원들이 원심 방사시스템으로 만든 나노섬유 마스크를 선보이고 있다.

카이스트(KAIST) 생명화학공학과 김도현 교수팀은 원심력을 이용한 새로운 마이크로 및 나노 섬유 대량생산 공정을 개발했다고 23일 밝혔다.

기존의 원심 방사 공정을 발전시켜 방사 디스크를 여러 층으로 세분화한 멀티 원심방사 시스템을 고안해 다양한 고분자 마이크로 및 나노 섬유의 생산에 성공함으로써 섬유의 대량 생산뿐만 아니라, 복합 필터 제조도 가능할 것으로 기대된다. 

고분자 마이크로 및 나노 섬유는 최대 머리카락의 1000분의 1 수준 두께를 가진 섬유로, 최근 코로나19나 초미세 먼지 이슈로 수요가 크게 늘어나는 추세다. 특히 매우 가는 두께의 고분자 나노 섬유는 정전기가 부여되지 않은 상태에서도 기계적 여과를 통해 미세먼지와 코로나 바이러스를 90% 이상 차단할 수 있어 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.

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 0.01~1g에 불과하다.

이를 극복하기 위해 고안된 다중 노즐 전기방사 및 노즐리스 전기방사 공정 또한 노즐 간 전기장 간섭으로 인한 생산 효율이 낮다. 50 kV 이상의 고전압이 필요하다는 점도 문제다. 

연구팀은 이러한 전기방사 공정의 한계를 극복하기 위해 원심 방사에 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.

새롭게 고안된 이 공정을 통해 실험실 규모 기준, 머리카락 100분의 1 두께를 가지는 섬유의 생산 속도가 시간당 8~25g으로 증가하는 것을 보였다. 이는 기존 전기방사 공정보다 약 300배 더 빠른 속도다.

연구팀이 이 나노 섬유를 이용해 제조한 마스크 필터는 사용된 섬유의 양에 따라 상용 마스크(KF80 및 KF94)에 준하는 포집 효율과 차압을 가지는 것을 확인했다. 비말 차단에도 매우 우수한 성능을 보였다.

김 교수는 “새로 고안된 멀티 원심방사 시스템을 산업적 규모로 증대시키면 나노 필터의 단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것ˮ이라고 말했다.

카이스트 생명화학공학과 곽병은 석박사통합과정이 제1 저자로 참여한 연구결과는 국제학술지 ‘에이씨에스 매크로 레터스(ACS Macro Letters)’ 3월호 표지논문으로 선정됐다.

대전=임정재 기자 [e-mail]