無전원 전기장으로 공기중 바이러스 쉽게 제거한다


성균관대, 정전기와 나노와이어 기반 자가발전형 공기 중 병원체 제거 기술 개발

전기장이 극대화된 나노와이어 근처에서 전기천공법으로 박테리아가 제거되는 이미지 [사진=성균관대]

[아이뉴스24 최상국 기자] 성균관대학교 신소재공학부 김상우 교수 연구팀이 정전기와 나노와이어를 활용해 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체(바이러스, 박테리아)를 제거할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

필터를 통과하는 병원체를 전기장으로 죽여 없애고, 이에 필요한 전력은 진동에너지를 수확해 자체생산한 정전기를 활용하는 시스템이다.

연구팀은 "성능은 상업용 공기청정기에 활용되는 H13 등급 헤파필터와 유사한 수준이지만 공기흐름에 따른 압력손실이 50배 이상 낮고, 0.025초라는 짧은 시간 안에 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체를 제거할 수 있다는 것이 가장 큰 특징"이라고 설명했다.

병원체 제거 시스템의 작동 원리. a 공기 유로 내 병원체 제거시스템의 개략도. 정전기 에너지 하베스팅 소자의 출력은 회로에 의해 분리되어 전극으로 전달됨. b Step 1 에서 음의 전극은 바이러스 및 박테리아를 음전하로 대전시킴. Step 2 에서 양의 전극은 대전된 바이러스 및 박테리아를 포집함. Step 3 양의 전극의 표면은 나노와이어(nanowire)에 의해 전기장이 극대화되어 전기천공법에 의해 바이러스 및 박테리아를 사멸시킴 [사진=성균관대]

공기 중 병원체를 제거하기 위한 필터는 단순히 물리적으로 입자를 포집할 뿐, 자체로 병원체를 제거(비활성화)하지 못하며 압력 손실로 인해 공기 흐름을 저하시키는 문제가 있다. 또한 전기집진기의 경우 오존이 발생하고 수 kV 수준의 고전압을 필요로 하기 때문에 위험성이 있다.

성균관대 연구팀은 일상생활에서 흔히 존재하는 정전기와 나노와이어 구조에서 힌트를 찾았다. 정전기를 통해 전기장을 형성시키고, 이를 나노와이어를 통해 극대화시킴으로써 공기 중에 존재하는 병원체를 전기천공법(electroporation)을 활용해 손쉽게 제거할 수 기술을 개발했다. (전기천공법은 병원체에 강한 전기장을 인가해 전기장 주변에 축적된 이온의 강한 압축 응력으로 병원체의 인지질 이중막에 구멍을 내는 기술이다)

작은 진동을 극대화시키는 공진설계, 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 정전기 에너지 하베스팅 기술, 이를 통해 얻어진 전기 에너지를 나노와이어를 통해 극대화시키고 전기장으로 병원체를 제거하는 기술을 종합한 것이다.

연구팀은 대장균과 간균 및 MS2 바이러스를 대상으로 실험한 결과 나노미터 수준의 바이러스부터 마이크로미터 수준의 박테리아까지 실제 병원체를 정전기를 통해 손쉽게 제거할 수 있음을 입증했다. 초당 2m의 높은 유속에서도 수십 나노미터의 크기를 갖는 매우 작은 MS2 바이러스가 99.99% 이상의 효율로 제거됐다.

김상우 교수는 “정전기 기반의 자가발전형 병원체 제거 기술로 공기 중에 존재하는 병원체를 물리적으로 단순히 포집하는 기존 필터의 한계를 극복했다”며 “높은 병원체 제거 효율에도 압력손실이 매우 낮아 공기순환 시스템의 에너지효율을 극대화한 실내외 공조기술로 사용될 수 있으며, 후속연구를 통해 마스크 및 방호복에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

김상우 성균관대 신소재공합부 교수(왼쪽, 교신저자)와 김영준 연구원(제1저자, 성균관대 박사과정) [사진=성균관대]

이 연구는 과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 경기도 지역협력연구센터 등의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈'에 6월 17일 온라인 게재됐다.(논문명 : Triboelectrification induced self-powered microbial disinfection using nanowire- enhanced localized electric field)

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)







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