"Team KKY"의 두 판 사이의 차이

2020년 12월 16일 (수) 22:26 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 마스크로 인한 호흡곤란 절감방법

영문 : Reduction way for breathing difficulties on mask

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.

개발 일정

구성원 및 추진체계

김*일 – Fiber 종류에 따른 pressure drop 및 집진율 분석 및 연구과제의 결과 도출, 포스터 편집, 보고서 작성, Filter structure을 통해 pressure drop을 감소시키는 방안 모색 
김*식 – Fiber 굵기에 따른 pressure drop 및 집진율 분석 및 연구과제의 결과 도출, Fiber에 따른 pressure drop 감소 방안 모색, 포스터 편집, 보고서 작성
염*하 – 추진 단계에 따른 업무 관리, Filter 및 fiber와 pressure drop에 관한 자료 수집, 보고서 작성 및 연구과제의 결과 도출, 포스터 편집, 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

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ===개념설계안===
-내용
+- 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===