마스크 필터 소재로 주목! 나노 섬유란? [우리가 몰랐던 과학 이야기] (132)

마스크 대란에 시달리는 요즘 카이스트(KAIST·한국과학기술원)가 최근 빨아 쓰는 나노 마스크를 개발해 주목받고 있는데요. 이 마스크는 나노 섬유로 만든 것으로, 20번 반복 세척해도 여과 효율이 94% 이상 유지되는 등 높은 성능을 자랑합니다. 오늘은 마스크를 만드는 데도 사용되는 나노 섬유란 무엇인지 알아보도록 하겠습니다.

◆나노 섬유란?

머리카락과 나노 섬유 크기 비교. 출처=리서치게이트(Researchgate)

나노 섬유는 100nm(1nm=10억분의 1m) 이하의 초극세실을 의미하는데요.

보통 극세사는 사람 머리카락 굵기 대비 100분의 1보다 가는데, ‘마이크로파이버’(microfiber)라고 합니다. 이 극세사보다 더 얇고 가는, 즉 굵기가 1~100nm여야 나노 섬유라고 합니다.

◆나노 섬유 제조방법

나노 섬유를 만드는 전기방사 기계. 출처=bioinicia.com

보통 높은 압력을 가해 실을 만들어내는데요,

나노 섬유는 고압 대신 전기장을 가해 실을 뽑아냅니다. 이를 ‘전기방사’(electrospinning)라고 하는데요. 원료인 고분자 물질에 고전압 전기장을 걸면 원료물질 내부에서 전기적 반발력이 생겨 분자들이 뭉치고 나노 크기의 실 형태로 갈라지게 됩니다. 전기장이 강할수록 가늘게 갈라지는데요, 이렇게 뽑은 실은 별도 직조과정 없이 한데 모으기만 하면 서로 얽혀 천이 됩니다.

◆나노 섬유 종류

1 고분자 나노 섬유

가장 먼저 개발된 섬유인데요.

1980년대 초 미국의 도날슨(Donaldson)사가 세계 최초로 500nm 이하의 전기방사 나노 섬유를 제조해 공기 필터 시장에 적용했습니다.

2 탄소 나노 섬유

탄소 섬유와 거의 유사합니다.

5~200nm의 지름을 지닌 섬유로, 작은 세공을 이용한 흡착특성이 뛰어나며, 우수한 전기 전도성을 지니고 있는데요. 이와 같은 특징으로 에너지 저장 및 변환 소자뿐만 아니라 수처리 및 에어 필터 등에도 응용할 수 있습니다.

3 기타

나노 섬유 소재는 고분자와 탄소 외에도 세라믹, 유리, 금속, 그리고 복합체 등 다양하게 응용되고 있어 거의 모든 산업분야에 적용되고 있습니다.

◆고효율 필터 소재, 나노 섬유

카이스트(KAIST·한국과학기술원)에서 개발한 나노 섬유 마스크. 출처=카이스트

나노 섬유는 부피에 비해 표면적이 매우 큰 특징이 있는데요. 이를 활용해 가스나 유체로부터 미세입자를 분리하는 고효율 필터 소재로 쓰입니다. 필터용 나노 섬유는 친환경 기술에 주로 적용됩니다. 공기 및 정수, 연료 필터와 더불어 필터용 항균성 나노 섬유로도 사용됩니다.

나노 섬유 직물은 미세입자나 박테리아 등은 통과시키지 않지만 구조적으로 내부의 땀 등은 배출하는 기능을 지니고 있는데요. 막의 외부에서 액체가 들어오지 못하도록 제조할 수 있고 방풍성도 있습니다. 전기방사된 나노 섬유 직물은 분리막과 유사한 구조를 지니고 있어 투습 및 발수 기능을 가진 소재를 만들 수 있는데요. 전투·운동복뿐만 아니라 방호기능 제품을 만들 수 있습니다.

현재 마스크 품귀 문제가 심각하고, 마스크 폐기에 따른 환경문제가 발생하고 있는데요. 여러 번 쓸 수 있는 나노 섬유 마스크의 개발로 우리의 건강과 환경을 동시에 해결해 줄 수 있을 것으로 기대를 모으고 있습니다. 앞으로 더 다양한 분야에서 활약할 나노 섬유의 미래를 기대해봅니다.

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