- 마이크로미터부터 밀리미터까지 다양한 크기 비말의 방역 마스크 표면에서의 오염 현상을 규명

코로나19 이후 마스크 착용이 일상화되면서 감염원에 대한 저항성과 착용감을 동시에 만족하는 고기능성 마스크에 관한 관심이 높아지고 있다. KF94 등급 이상의 마스크는 밀리미터(mm) 크기의 큰 물방울에 대해 높은 물 접촉각을 가져 감염 환자의 침방울과 같은 감염원에 대한 저항성이 높다고 알려져 있는데, 감염전파와 밀접한 연관이 있는 것으로 알려진 마이크로미터(μm) 크기 비말의 젖음성 현상에 관한 연구는 진행되지 못했다.

KIST(한국과학기술연구원, 원장 윤석진)은 극한소재연구센터 문명운 책임연구원·조혜성 선임연구원 연구팀이 마이크로미터부터 밀리미터까지 다양한 크기 비말의 KF 마스크 표면에서의 젖음성 현상을 규명하고, 플라즈마 기술을 적용한 초발수 항비말 마스크를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 마이크로미터부터 밀리미터 크기를 포함한 비말의 젖음성 현상을 마스크 위에서 평가하고 비말의 크기가 작아질수록 섬유 표면에 의한 구조효과가 감소하여 물에 대한 접촉각이 작아짐을 규명했다. 접촉각이 급격하게 작아지는 구간에서는 물이 증발한 후 오염물 흡착이 증가했다. 이 결과는 일반 KF94 등급 마스크는 매우 심한 기침을 할 때 나오는 1-5 밀리미터 이상 크기의 비말에 대해서는 높은 저항성을 갖지만, 마이크로미터 크기의 미세 비말은 쉽게 달라붙어 오염된다는 것으로 해석할 수 있다.

KIST 연구팀은 이러한 단점을 극복하고 마스크의 감염예방 효과를 향상시키기 위해 플라즈마 기술을 적용하여 고(高)종횡비 나노구조를 가지는 마스크 외피 소재를 개발했다. KIST 조혜성 선임연구원은 “이렇게 나노구조가 형성된 마스크 표면에서는 비말의 크기가 작아도 높은 접촉각을 유지하여 1-10 마이크로미터 정도의 작은 물방울에 대해서도 높은 저항성을 갖고, 이를 통해 감염성 비말이 마스크 표면에 흡착하여 오염되는 현상을 현저히 감소시킬 수 있다”고 밝혔다.

KIST 문명운 책임연구원은 “본 기술은 롤투롤 (roll-to-roll)과 같은 대량 생산 방식이 적용될 수 있다”고 밝히며, ”향후 팬데믹 상황이 다시 발생했을 때 효과적으로 비말 전파 감염병 확산에 대응하기 위한 차세대 마스크, 고글 및 의료복 등의 내오염성 기능 향상 등 의료재난 대응 기술로의 활용할 수 있다”고 기대했다.

본 연구는 과학기술정보통신부 국민생활안전 긴급대응연구사업, KIST 주요사업 및 해양경찰청 과제를 통해 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보 (PNAS, Proceedings of National Academy of Sciences, USA) (IF :12.779, JCR(%) : 12.3 %)에 게재되었다.

(논문명)  Multiscale Landscaping of Droplet Wettability on Fibrous Layers of Facial Masks

- (제 1저자) 한국과학기술연구원 박상진 학생연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 문명운 책임연구원, 조혜성 선임연구원

※ 논문 주소: https://doi.org/10.1073/pnas.2209586119 (12월 5일 온라인 게재)

[그림 설명]

[그림 1] N95 등급 마스크 외피에서 나타나는 다양한 비말사이즈의 젖음성 거동

- 기존의 마스크 표면에서의 젖음성과 관련된 논문들은 모두 밀리미터 크기의 비말에 대하여 젖음성 관찰.

- 본 연구에서는 밀리미터 크기부터 마이크로미터 크기까지 다양한 크기의 비말에 대하여 마스크 표면에서의 젖음성 관찰.

[그림 2] 마스크 표면에서 나타나는 다양한 사이즈의 비말에 대한 젖음성 모식도 및 접촉각 측정

A) 밀리미터크기부터 마이크로크기까지 나타나는 비말의 젖음성 거동 모식도.

B) 마스크 표면 및 단일 섬유에서 보이는 다양한 크기의 비말 접촉각 측정.

비말의 크기가 작아지면 섬유 표면에 의한 구조효과가 감소하여 접촉각이 작아진다.

[그림 3] 고분자 섬유에서의 초발수 나노구조 형성 및 초발수 마스크 표면에서 나타나는 다양한 사이즈의 비말에 대한 접촉각 측정

A) 저진공 산소 플라즈마에 의해 고분자섬유에서 결정질과 비정질의 선택적 에칭이 일어나 나노구조가 형성됨.

B) 나노구조가 형성된 고분자 섬유

C) 나노구조가 형성된 초발수 마스크 표면에서 관찰한 다양한 크기의 비말 접촉각

비말이 크기가 작아지더라도 초발수 나노구조에 의해 높은 접촉각을 유지하고 있음을 알 수 있다.

[그림 4] 증발이 진행됨에 따라 변하는 마이크로 크기의 비말의 접촉각 측정

A) 기존 상용 N95 등급의 마스크 단일 섬유 표면에서 나타나는 접촉각 변화 접촉각이 급격하게 낮아지는 구간에서 오염물 흡착이 증가함.

B) 초발수 나노구조가 형성된 마스크 섬유 표면에서는 증발이 진행되어도 높은 접촉각이 유지되어 오염물의 흡착이 현저하게 적음.

[그림 5] 기침등에 의해서 공기중에서 퍼지는 비말에 의한 마스크 외피와의 충돌 실험

i) 공기중에서 퍼지는 비말이 상용 N95 마스크 표면에 연속적으로 충돌하였을 때 액적이 누적됨.

ii) 초발수 나노구조가 형성된 마스크 섬유 표면에서는 공기중에서 퍼지는 비말이 연속적으로 충돌하여도 뛰어난 발수성질을 굳건하게 유지함을 확인하였고 표면에서의 감염원에 의한 오염을 억제할 수 있음을 확인.