 ▲ 연구 이미지/부산대 이형우 교수팀 제공 |
[브레이크뉴스=배종태 기자] 국내 연구진이 반도체에 쓰이는 탄소나노튜브로 햇빛만 쬐어도 99.8% 바이러스가 제거되고, 1만 번 이상 접었다 펴도 사용 가능한 친환경 마스크를 개발했다.
부산대학교는 나노에너지공학과 이형우 교수 연구팀이 성균관대학교 및 고려대학교와 협력해, 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정으로 제작된 탄소나노튜브(CNT) 기반의 재사용 가능한 친환경 마스크를 개발했다고 3일 밝혔다.
고성능 신형 마스크는 기존 일회용 마스크의 환경오염 문제를 해결할 뿐만 아니라 재사용이 가능하다. 또한, 호흡 센서나 습기 감지와 같은 스마트 기능까지 탑재할 수 있어 경제성과 지속가능성, 제품화 가능성을 동시에 갖춘 차세대 기술로 평가받고 있다.
이번에 국내 연구팀이 개발한 신형 마스크는 건식 방사가 가능한 탄소나노튜브를 합성, 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정 적용이 가능해 대면적 생산이 가능하고 접착제를 사용하지 않고도 탄소나노튜브와 폴리프로필렌 섬유를 결합할 수 있어 기존 제조 방식 대비 높은 산업적 활용성을 갖췄다.
롤투롤(Roll-to-Roll) 공정은 연속적으로 회전하는 롤 표면에 소재를 코팅하거나 전사해 대면적으로 생산할 수 있는 공정 기술로, 생산성이 높고 대량 제조에 적합해 필름, 센서, 마스크 필터 등 다양한 분야에 활용된다.
기존 일회용 마스크의 환경문제와 기능적 한계를 극복하기 위해 개발된 이 마스크는 초소수성(超疏水性)을 갖는 탄소나노튜브(접촉각* 175.53도)를 마스크에 적용해 탄소나노튜브가 갖는 우수한 특성을 그대로 사용할 수 있도록 제작됐다.
접촉각이란, 고체 표면 위에 놓인 액체 방울이 이루는 고체-액체-기체 경계면의 각도로, 표면의 젖음성을 나타내는 지표다. 일반적으로 접촉각이 클수록 소수성, 작을수록 친수성을 의미하며, 150도 이상이면 초소수성으로 분류된다.
연구팀이 개발한 마스크는 수직 배열 탄소나노튜브의 정렬 구조를 통해 뛰어난 통기성을 가져 마스크 내부의 습기 관리가 가능하다. 뿐만 아니라 탄소나노튜브가 갖는 특성에 의해 태양광 또는 전기적 가열(Joule heating*)을 통한 바이러스 비활성화 효과(99.8% 바이러스 제거)도 확인했다.
* 전기적 가열(Joule heating): 전류가 도체를 통과할 때 발생하는 저항에 의해 열이 생성되는 현상으로, ‘저항 가열’이라고도 불린다. 외부 열원이 없이도 전기만으로 물체를 가열할 수 있어, 발열 소재나 자가 소독 시스템에 널리 활용된다.
또한, 마스크 착용 후 호흡 시 탄소나노튜브의 저항 변화를 통해 스마트 기능(호흡 센서, 습기 감지 기능) 제공이 가능하며, 1만 회 이상의 굽힘 시험 후에도 특성이 변하지 않는 높은 내구성을 갖추고 있어 기존 마스크의 단점을 보완해 차세대 의료 및 산업용 방역 마스크로의 적용 가능성이 기대된다.
이형우 부산대 나노에너지공학과 교수는 “이번 연구를 통해 환경친화적이고 재사용이 가능한 고성능 마스크를 개발했으며, 향후 실용화를 위한 후속 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.
이번 연구는 부산대 이형우 교수, 성균관대 전일 교수, 고려대 김한준 교수가 공동 교신저자, 부산대 에너지융합기술연구소 우채영 박사후 연구원과 성균관대 이일현 박사과정생이 공동 제1저자로, 과학기술정보통신부 및 한국연구재단 지원(중견연구, 글로벌 선도연구센터)과 정보통신기획평가원의 정보통신연구센터 과제 지원을 받아 수행됐다. 이 같은 연구성과는 국제 학술지 'SusMat'에 3월 10일자로 게재됐다.
아래는 위 기사를 '구글 번역'으로 번역한 영문 기사의 [전문]<*The following is [the full text] of the English article translated by 'Google Translate'.>
A domestic research team has developed an eco-friendly mask made from carbon nanotubes used in semiconductors, which can eliminate 99.8% of viruses simply by exposure to sunlight and can be reused even after being folded and unfolded more than 10,000 times. This innovation is expected to provide a revolutionary solution for infection control in the medical and industrial fields.
On the 3rd, Professor Lee Hyung-woo's research team from the Department of Nano Energy Engineering at Pusan National University announced that they collaborated with Sungkyunkwan University and Korea University to develop a reusable eco-friendly mask based on carbon nanotubes (CNT) using a roll-to-roll (R2R) manufacturing process.
This high-performance new mask not only addresses the environmental pollution issues associated with disposable masks but is also reusable. Additionally, it can be equipped with smart features such as breath sensors and humidity detection, making it a next-generation technology that combines economic viability, sustainability, and potential for commercialization.
The newly developed mask synthesizes carbon nanotubes capable of dry radiation and can be produced on a large scale using the roll-to-roll process. It can bond carbon nanotubes with polypropylene fibers without the use of adhesives, offering greater industrial applicability than traditional manufacturing methods.
The roll-to-roll process is a technology that allows for the continuous coating or transfer of materials onto a rotating roll surface, enabling large-scale production. It is highly productive and suitable for mass manufacturing, applicable in various fields such as films, sensors, and mask filters.
Developed to overcome the environmental issues and functional limitations of existing disposable masks, this mask utilizes carbon nanotubes with superhydrophobic properties (contact angle of 175.53 degrees) to maintain the excellent characteristics of the nanotubes.
The contact angle refers to the angle formed at the boundary of solid, liquid, and gas phases, indicating the wettability of a surface. Generally, a larger contact angle signifies hydrophobicity, while a smaller angle indicates hydrophilicity; angles above 150 degrees are classified as superhydrophobic.
The mask developed by the research team features a vertical alignment structure of carbon nanotubes, providing excellent breathability and allowing for moisture management within the mask. Additionally, due to the properties of carbon nanotubes, a virus inactivation effect (99.8% virus removal) through sunlight or Joule heating has been confirmed.
Furthermore, after wearing the mask, smart functionalities (breath sensors, humidity detection) can be provided by monitoring the changes in resistance of the carbon nanotubes during breathing. The mask also boasts high durability, maintaining its properties even after more than 10,000 bending tests, making it a promising candidate for next-generation medical and industrial protective masks.
Professor Lee Hyung-woo of Pusan National University stated, “Through this research, we have developed an environmentally friendly and reusable high-performance mask, and we plan to conduct follow-up studies for practical application in the future.”
This research involved joint corresponding authorship by Professor Lee Hyung-woo (Pusan National University), Professor Jeon Il (Sungkyunkwan University), and Professor Kim Han-jun (Korea University), with contributions from Postdoctoral Researcher Woo Chae-young (Pusan National University) and PhD candidate Lee Il-hyun (Sungkyunkwan University) as co-first authors. The study was supported by the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea (Mid-Career Research, Global Leading Research Center) as well as the Information and Communication Planning and Evaluation Agency's research center projects. The results of this research were published in the international journal SusMat on March 10.
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