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헤파필터 비효율 극복, 나노섬유 미세먼지 필터 개발

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2018년 03월 29일 13:00 프린트하기

최근 미세먼지로 인해 공기청정기, 마스크 등의 제품이 불티나게 팔리고 있다. 이런 제품들 대부분이 헤파필터로 미세먼지를 걸러낸다. 국내연구진이 헤파필터의 단점을 보완하면서도 같은 수준의 미세먼지 포집 성능을 가진 나노섬유 기반 필터를 개발했다.

 

한국생명공학연구원 스마트IT융합시스템연구단과 전남대 고분자융합소재공학부 공동 연구팀은 입자 지름 2.5㎛(마이크로미터)의 초미세먼지를 95% 걸러내는 나노섬유 기반 미세먼지 포집 필터를 개발했다고 29일 밝혔다.

 

기존 헤파필터는 직경 수십㎛ 크기의 섬유로 만들어졌다. 이에 비해 나노섬유는 머리카락 500분의 1정도 두께인 수십에서 수백 ㎚(나노미터) 직경의 초극세사 섬유를 말한다. 즉 헤파필터에 쓰이는 섬유의 1000분의 1 두께다.

 

현재 상용화된 필터들은 전력 소비량이 크다는 단점이 있다. 공기가 미세먼지 필터를 지나가면 필터의 입구와 출구 압력차가 생긴다. 즉, 공기가 조밀한 틈으로 이루어진 필터를 통과하면서 압력이 크게 떨어지는 것이다. 이를 압력 손실이라고 한다.


압력 손실이 크면 필터를 통과하는 공기 흐름이 느려지기 때문에 미세먼지 제거 효율이 떨어질 수밖에 없다. 이를 보완하기 위해 모터를 빠르게 돌리면 전력소비량이 높아지고 소음 및 진동 등이 발생하는 단점이 있다.

 

나노섬유 필터 제작 공정 기술과 실제 제작된 나노필터의 현미경 사진 -한국생명공학연구원 제공
나노섬유 필터 제작 공정 기술과 실제 제작된 나노필터의 현미경 사진 -한국생명공학연구원 제공

 

연구팀은 나노섬유의 두께를 얇게 해 이런 문제를 해결했다. 플라즈마 상태의 가스로 나노섬유 표면을 깎고, 산소 가스를 주입해 미세먼지가 더 잘 붙도록 표면처리를 해 두께를 줄였다. 먼지 입자에 대한 섬유의 충돌(impaction), 간섭(Interception), 확산(Diffusion) 등의 물리적인 특성을 극대화시킨 것이다.

 

또 필터 표면과 미세먼지와의 상호작용 에너지를 계산해, 이를 토대로 미세먼지 흡착에 최적화된 화학반응을 일으키는 나노섬유를 밝혀냈다.

 

이번에 개발된 필터는 기존의 나노섬유 기반 필터에 비해 미세먼지 포집 성능을 약 25% 높였다. 상용화된 헤파필터와 같은 수준인 95%의 초미세먼지 포집 효율을 나타내며, 압력 손실은 30% 개선됐다. 차량용 공기청정기에 적용해 본 결과, 낮은 소비전력으로 초미세먼지 농도 70μg/㎥로 오염된 자동차 실내를 16분 만에 정화했다.

 

연구팀은 “나노섬유를 필터 소재로 활용할 가능성을 확인했다”며 “차량용 공기청정기 필터뿐만 아니라 마스크, 윈도우 필터 등에 응용할 수 있으리라 기대된다”고 연구 성과에 대해 밝혔다.

 

위 연구 결과는 화학공학 분야 학술지 케미컬 엔지니어링(Chemical Engineering Journal) 온라인판 3월 17일자에 게재됐다.


이혜림 기자

pungnibi@donga.com

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