별도의 전력 공급 없이 병원체 제거 가능
진동 등의 운동 에너지를 수확해 정전기를 발생시키고 실내외 바이러스 등의 병원체를 단기간에 제거할 수 있는 기술이 개발됐다.
성균관대학교는 신소재공학부 김상우 교수 연구팀이 정전기와 나노와이어를 활용해 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 바이러스ㆍ박테리아 등 병원체를 제거할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
공기 중으로 전염되는 병원체는 폐렴, 천식 및 인플루엔자 감염 등이 대표적이며 사스, 메르스, 신종플루 등 신종 감염병의 확산에 따라 심각한 사회적ㆍ경제적 손실이 발생하고 있다.
특히 현재 전 세계적인 팬데믹을 일으키고 있는 코로나19도 공기 중으로 전염되는 바이러스 병원체로 수많은 감염자와 사망자를 발생시키고 있다.
문제는 백신 개발에 필요한 시간을 고려했을 때 전염병 확산 방지를 위한 초기 선제적 대응 기술이 요구되지만, 공기 중 병원체 제거를 위한 필터는 단순히 물리적으로 입자를 포집할 뿐, 자체로 병원체를 제거(비활성화)하지 못한다는 것이다.
또한 압력강하 및 이에 따른 유량 저하 등의 문제점도 있으며, 전기집진기의 경우 오존 발생 및 수 kV 수준의 고전압을 필요로 해 고전압에 의한 사고 위험성도 존재하는 상황.
이러한 가운데 연구팀은 일상생활에서 흔히 존재하는 정전기와 나노와이어 구조에서 힌트를 얻어 정전기를 통해 전기장을 형성시키고, 이를 나노와이어를 통해 극대화시킴으로써 공기 중에 존재하는 병원체를 전기천공법(electroporation)을 활용해 손쉽게 제거할 수 있음을 입증한 것이다.
연구팀은 설계된 유로 내에 박테리아인 대장균과 간균 및 바이러스인 MS2를 노출시켜 병원체 제거 효율을 확인하고, 나노미터 수준의 바이러스부터 마이크로미터 수준의 박테리아까지 실제 병원체를 정전기를 통해 손쉽게 제거할 수 있음을 입증했다.
더 나아가 2m/s의 높은 유속에서도 수십 나노미터의 크기를 갖는 매우 작은 MS2 바이러스도 99.99% 이상의 효율로 제거할 수 있음을 확인했다.
특히 상업용 공기청정기에 활용되는 H13 등급 필터 대비 유사한 수준이지만, 차압은 50배 이상 낮으며, 0.025초라는 짧은 시간 안에 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체를 제거할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다.
김상우 교수는 “본 연구는 정전기 기반의 자가발전형 병원체 제거 기술로 공기 중에 존재하는 병원체를 물리적으로 단순히 포집한다는 기존의 필터가 가지는 한계를 극복한 기술”이라고 밝혔다.
이어 “높은 병원체 제거 효율에도 압력손실이 매우 낮아 순환시스템의 에너지효율을 극대화한 실내외 공조기술로 사용될 수 있으며, 추후 후속연구를 통해 마스크 및 방호복에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 경기도 지역협력연구센터 등의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 온라인 게재됐다.
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| ▲김상우 교수ㆍ김영준 연구원ㆍZheng-Yang Huo 박사 (사진= 성균관대학교 제공) |
진동 등의 운동 에너지를 수확해 정전기를 발생시키고 실내외 바이러스 등의 병원체를 단기간에 제거할 수 있는 기술이 개발됐다.
성균관대학교는 신소재공학부 김상우 교수 연구팀이 정전기와 나노와이어를 활용해 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 바이러스ㆍ박테리아 등 병원체를 제거할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
공기 중으로 전염되는 병원체는 폐렴, 천식 및 인플루엔자 감염 등이 대표적이며 사스, 메르스, 신종플루 등 신종 감염병의 확산에 따라 심각한 사회적ㆍ경제적 손실이 발생하고 있다.
특히 현재 전 세계적인 팬데믹을 일으키고 있는 코로나19도 공기 중으로 전염되는 바이러스 병원체로 수많은 감염자와 사망자를 발생시키고 있다.
문제는 백신 개발에 필요한 시간을 고려했을 때 전염병 확산 방지를 위한 초기 선제적 대응 기술이 요구되지만, 공기 중 병원체 제거를 위한 필터는 단순히 물리적으로 입자를 포집할 뿐, 자체로 병원체를 제거(비활성화)하지 못한다는 것이다.
또한 압력강하 및 이에 따른 유량 저하 등의 문제점도 있으며, 전기집진기의 경우 오존 발생 및 수 kV 수준의 고전압을 필요로 해 고전압에 의한 사고 위험성도 존재하는 상황.
이러한 가운데 연구팀은 일상생활에서 흔히 존재하는 정전기와 나노와이어 구조에서 힌트를 얻어 정전기를 통해 전기장을 형성시키고, 이를 나노와이어를 통해 극대화시킴으로써 공기 중에 존재하는 병원체를 전기천공법(electroporation)을 활용해 손쉽게 제거할 수 있음을 입증한 것이다.
연구팀은 설계된 유로 내에 박테리아인 대장균과 간균 및 바이러스인 MS2를 노출시켜 병원체 제거 효율을 확인하고, 나노미터 수준의 바이러스부터 마이크로미터 수준의 박테리아까지 실제 병원체를 정전기를 통해 손쉽게 제거할 수 있음을 입증했다.
더 나아가 2m/s의 높은 유속에서도 수십 나노미터의 크기를 갖는 매우 작은 MS2 바이러스도 99.99% 이상의 효율로 제거할 수 있음을 확인했다.
특히 상업용 공기청정기에 활용되는 H13 등급 필터 대비 유사한 수준이지만, 차압은 50배 이상 낮으며, 0.025초라는 짧은 시간 안에 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체를 제거할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다.
김상우 교수는 “본 연구는 정전기 기반의 자가발전형 병원체 제거 기술로 공기 중에 존재하는 병원체를 물리적으로 단순히 포집한다는 기존의 필터가 가지는 한계를 극복한 기술”이라고 밝혔다.
이어 “높은 병원체 제거 효율에도 압력손실이 매우 낮아 순환시스템의 에너지효율을 극대화한 실내외 공조기술로 사용될 수 있으며, 추후 후속연구를 통해 마스크 및 방호복에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 경기도 지역협력연구센터 등의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 온라인 게재됐다.
메디컬투데이 김민준 (kmj6339@mdtoday.co.kr)
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