Team KKY

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 마스크 필터의 여러가지 특성을 고려한 마스크 개선 방안

영문 : Mask Improvement Considering Various Characteristics of Mask Filter

과제 팀명

Team KKY

지도교수

정철수 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학부·과 20153400** 김*일(팀장)

서울시립대학교 화학공학부·과 20153400** 김*식

서울시립대학교 화학공학부·과 20153400** 염*하

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 마스크 필터에 사용되는 섬유의 성질 분석 

◇ 섬유의 구조와 굵기에 따른 Pressure drop 분석

◇ 필터의 층수에 따른 집진율과 Pressure drop 분석

◇ 호흡에 어려움이 적은 동시에 현재와 비슷한 수준의 성능을 가진 마스크의 개발

개발 과제의 배경

COVID19의 발생 
최근 우한에서 시작된 코로나 발생으로 중국부터 전세계로 파급이 크다. 세계보건기구(WHO)는 지난 3월 12일 코로나를 팬데믹(세계보건기구(WHO)가 선포하는 감염병 최고 경고 등급으로, 세계적으로 감염병이 대유행하는 상태를 일컫는다)으로 선언했다. 2019년 12월, 코로나가 발생한지 4개월만에 210개가 넘는 국가에서 260만명 이상의 사람이 걸렸고 18만명 이상의 사상자가 발생했다. 이러한 감염과 사망률은 지속적으로 증가하는 추세이다. 바이러스는 낙타, 소, 박쥐로부터 시작되었을 가능성이 크다. 중국과 다른 나라의 감염사례를 기초로 했을 때, CDC(Centers for Control Disease and Prevention)에 따르면 이 새로운 코로나바이러스가 2003년 SARS(severe acute respiratory syndrome, 중증급성호흡증후군)나 2012년　MERS(Middle East Respiratory Syndrome, 중동 호흡기 증후군)와 비슷하게 사람과 사람 사이에서 전파되었을 것이라고 한다. 아직 정확한 사람과 사람 사이의 전파가 이루어지지는 않았지만 호흡과 감염된 사람의 재채기, 기침으로부터 입에서 나오는 비말로 발생한다고 추측된다. 비말의 크기(droplet)는 nuclei droplet의 기준인 5마이크로미터보다 크거나 작을 수 있다. 이것은 감염된 사람의 비말 중 미세한 입자에 부착되어 나오는 바이러스를 배제할 수 없다. 이러한 바이러스의 에어로졸화는 짧은 기간 내 전세계적으로 사람 간 사람으로 지속적으로 퍼지고 있는 코로나 바이러스를 설명하는 여러 이유 중 하나이다. 놀랍게도, 서양과 동양을 비교해 봤을 때, 감염방지를 위한 사회적 거리두기와 손씻기보다 적합한 필터가 장착된 마스크를 착용하는게 코로나 예방에 더 효과적으로 보인다. 지난 4개월 동안의 전세계적 감염 통계는 감염 방어의 첫 방어선으로써 적합한 filtration의 필요성을 강하게 보여준다. 
코로나 바이러스의 크기는 TEM(Transmission Electron Microscope)로 측정한 결과 60 – 140nm, 평균적으로는 100nm였다. 100nm aerosol은 nano-aerosol, nanoparticle or ulatrafine particle이라고도 불린다. NIOSH(National Institute for Occupational Safety and Health)가 N95, N99 그리고 N100의 마스크를 300nm의 particle을 기준으로 제시했기에 100nm aerosol를 기준으로 한 실험은 현재까지 미흡하다. 이는 단지 일상생활에서의 마스크 뿐만 아니라 의료용 마스크 필터, 환기 필터 그리고 마취용 필터에도 오염물질이나 다른 바이러스 제거를 위해서 필요한 바이다. 위와 같은 요구에 따라 이번 연구의 목표는 코로나 바이러스, SARS, MERS와 같이 새롭게 등장한 nano-aerosol 크기의 바이러스에 대한 더 효과적인 filtration 기술을 개발하는 것이다.

기존 마스크의 문제점 
기존 마스크에 관한 연구에 따르면 마스크의 efficiency에 따라  Pressure drop이 증가하여 불편함을 야기한다. 따라서 기존에 사용하는 fiber를 대체하거나 필터 내 fiber의 구조를 변형하는 것을 통하여 기존 마스크 efficiency에서의 pressure drop이 감소할 필요성이 존재한다. 예를 들면 multi layer 구조를 single layer 구조로 바꾸면서 동일한 efficiency를 갖는 fiber를 발견한다면 집진율이 우수하면서 더 낮은 pressure drop을 보여 편리성을 증대시킬 것이다 . 이를 통하여 일반인 또는 호흡곤란 환자들에 있어 불편함을 감소시킬 것으로 예상한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 기존 방역마스크 혹은 방진마스크의 사용은 특정한 시기에만 사용되어 불편함을 감수하고 사용하는데 큰 어려움이 없었으나 코로나 바이러스의 창궐로 인해 일상생활에서 장시간 마스크의 착용이 강제되고 있어 많은 사용자가 불편함을 호소하고 있다. 따라서 본 연구의 목표는 현재 보건용 마스크에 사용되는 필터의 개선을 통해 현재의 보건 마스크 기준에 적합한 집진율을 유지하면서 사용 시 호흡에 불편함이 적도록 필터를 통한 pressure drop을 줄이는 데에 있다.

◇ 세부적으로는 현재 마스크 내부 필에는 보통 fiber의 정전기적 인력을 통해 입자를 포집하는 정전기식 필터가 사용된다. fiber 종류에 따라 정전기적 특성이 다르므로 필터로 사용될 수 있는 fiber의 연구를 통해 가장 적합한 fiber를 찾는 것을 목표로 한다.

◇ 또한 마스크 내부의 필터를 통해 pressure drop이 생기므로 이는 사용자에게 있어 호흡의 어려움과 직결된다. 필터에 사용되는 fiber의 굵기에 따라 필터를 통해 공기가 통과할 수 있는 면적이 달라지고 이는 압력손실에 직접적인 영향을 준다. 따라서 현재 목표로 하는 집진효율을 유지하면서 호흡에 불편함이 적은 수준의 pressure drop을 유지할 수 있는 적절한 fiber의 굵기를 찾는 것을 목표로 한다.

◇ 이상의 내용과 같이 섬유의 종류와 섬유의 굵기, 구조, 필터 층수에 따른 집진율과 pressure drop의 분석을 통한 현재와 비슷한 집진율을 유지하는 동시에 pressure drop이 적은 필터의 개발은 일상생활에서의 마스크 착용 중 불편함의 해소에 큰 기여를 할 수 있을 것이다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 정전기를 이용한 대전 필터 및 마스크
◇ 서브필터층을 포함하여 낮은 흡기저항 및 여과효율이 향상된 마스크
◇ 나노필터마스크

• 특허조사 및 특허 전략 분석

특허조사 
◇ 포집효율이 우수한 부직포 및 이를 이용한 마스크
◇ 호흡 저항성을 나타내지 않는 마스크

특허전략
◇ 여타 특허들에 비교하여 흡기 저항이 현저히 감소한다.  
◇ 디자인 면에서 현재 시판중인 마스크의 디자인과 괴리감이 없어 소비자의 거부감을 감소시킨다.
◇ 주소비자 층을 호흡에 불편함을 많이 느끼는 호흡기 환자 및 영유아로 설정하고 이에 따른 마스크에 중점을 둔다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 현재와 비슷한 집진 효율을 갖추면서 흡기저항을 더 낮춘 마스크를 생산할 수 있다.
◇ 바이러스 및 병원체의 여과를 유지하며 통풍을 증가시킨 마스크를 생산할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 마스크의 흡기저항을 낮춤으로써 일반인들이 현재보다 마스크를 편하게 사용할 수 있고 또한 호흡기 환자 및 영유아 등 마스크 착용이 어려운 사람들 또한 거부감 없이 마스크를 사용할 수 있도록 한다.
◇ 자국 내 뿐만 아니라 외국에도 마스크를 판매할 수 있을 것이고 마스크의 불편함이 해소되었으므로 마스크 착용이 증가하여 범세계적인 바이러스 감염 방지 효과를 기대할 수 있을 것이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

김*일 – Electrostatic charged nanofiber filter for filtering airborne novel coronavirus(COVID-19) and nano-aerosols 조사, Filter structure을 통해 Pressure Drop을 감소시키는 방안 모색, 포스터 편집, 보고서 작성.
김*식 – Evaluation the effect of fiber alignment on particle collection performance of mechanical/electret filters 조사, Fiber 굵기, 종류 및 배향에 따른 압력강하와 집진율 관계 분석 및 연구과제의 결과 도출, 포스터 제작, 보고서 작성.
염*하 – Properties of materials considred for improvised masks 조사, Filter 및 Fiber의 Filter Efficiency와 Pressure Drop에 따른 Quality Factor에 관한 자료 수집, 추진 단계에 따른 업무 관리, 연구과제의 결과 도출, 포스터 검토, 보고서 작성.

설계

설계사양

제품의 요구사항

- 적절한 여과 효율을 가지면서도 흡기저항이 낮은 마스크 필터의 개발

설계 사양

- 사용되는 fiber의 특성이나 정전기 필터 이론, 필터의 구조, 필터의 두께 등 여러 가지 필터의 특성에 대한 연구를 통한 필터의 개선

개념설계안

- 필터의 porosity와 두께, fiber의 굵기와 particle의 크기에 따른 여과효율과 흡기저항의 이론적 계산을 통해 현실적으로 개선 가능한 부분 도출

- fiber의 종류에 따른 특성, 필터에서 섬유의 배향성에 따른 변화, Multi-layer 구조에서 layer의 순서에 따른 변화 등의 기타 여과특성의 변화에 대한 연구를 통한 필터 개선 방안 도출

이론적 계산 및 시뮬레이션

다음과 같은 식을 이용하여 필터의 porosity와 두께 fiber의 굵기 Particle의 크기, face velocity 등의 조건을 통해 필터의 여과효율을 구할 수 있다.

다음과 같은 식을 이용하여 필터의 porosity와 두께 fiber의 굵기 Particle의 크기, face velocity 등의 조건을 통해 필터의 흡기저항을 구할 수 있다.

이론적인 식을 통해 계산하였을 때 Face velocity를 줄일 경우 여과효율은 높아지고 흡기저항은 낮아지는 것을 확인하였다.

상세설계 내용

(Steven. N., Timothy A. Sipkens, Mang Guan, Hamed Nikookar, Daniela Vargas Figueroa, and Jing Wang. "Properties of Materials Considered for Improvised Masks." (2020).)

여러 Material의 여과효율에 대해 조사하였을 때 Non-woven이 대부분의 경우에서 사용하기 적합한 것으로 판단하였다.

(Rong-Rong Cai a , Hao Lu a , Li-Zhi Zhang(2019), ‘Evaluation the effect of fiber alignment on particle collection performance of mechanical/electret filters based on Voronoi tessellations‘, Chemical engineering science, 107; 109 — 119)

크기가 작은 입자에 대해서는 보통 정전기적 인력이 보조되는 경우가 많으며 이 경우는 섬유가 isotropic한 경우 더 높은 값의 filter quality factor를 가진다.

그 외 큰 입자에 대해서는 보통 mechanical filtration이 이루어지며 이 경우에 섬유가 layered한 경우 더 높은 값의 filter quality factor를 갖는다.

공기 흐름의 방향도 영향을 주며 필터에 수직으로 들어올 때 가장 큰 여과효율을 갖는다. 또한 그래프를 통해 실제로 Face Velocity가 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

결론과 고찰

포스터

완료작품의 평가

앞의 연구 결과들을 통해 기존에 쓰이는 마스크 필터와 와 재료 면에서 큰 차이가 있지 않으므로 비슷한 효율을 가지면서도 Pressure drop을 크게 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 또한 공정에 약간 변화가 생길 수 있으며 넓은 면적을 갖는 필터를 생산하기 위해 생산비가 증가할 수 있지만 기존과 큰 차이가 발생하지는 않을 것으로 생각된다.

향후계획

연구한 내용을 바탕으로 이후 더 낮은 Pressure drop을 가지며 동시에 높은 Quality Factor를 갖는 필터 기술을 개발하거나 마스크를 디자인할 수 있을 것이다.

이번 연구에 포함되지 못한 주름의 방향을 바꾸어 필터의 배향과 공기의 흐름 변화나 필터와 섬유의 돌기를 만들어 표면적 변화에 따른 필터의 효율 비교는 앞으로의 과제로 남아있다.