D조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 미세먼지 마스크 밀착 고정기

영문 : Save Breath

과제 팀명

d조

지도교수

김상일 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 김*욱(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 김*영

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 심*훈

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 임*혁

서울시립대학교 신소재공학과 20154500** 김*지

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

마스크 사용 시 사이즈가 잘 맞지 않거나 사용자의 움직임으로 틈새가 생기면, 안면과 마스크 사이의 누설률이 증가하여 마스크의 효율이 감소한다. 이를 해결하기 위해 안면과 마스크 사이의 틈새 생성을 방지하여 누설률을 감소시키고 마스크 착용의 효율을 높일 수 있는 마스크 밀착기 “Save breath”를 개발 과제로 채택하였다.

개발 과제의 배경

1. 한국의 미세먼지 농도 현황

최근 서울의 초미세먼지 농도가 관측 이래 최악 수준으로 치솟고 있다. 또한 미세먼지 농도와 대기오염으로 인한 사망자 수가 OECD 회원국 중 최악 수준인 것으로 나타났다. 미국의 비영리 민간 환경보건단체 ‘보건영향연구소’ 자료에 따르면, 인구가중치를 반영한 한국의 연평균 미세먼지(PM2.5) 농도는 1990년 26이었다. 당시 OECD 평균치(17)보다 훨씬 높았고 회원국 가운데 7번째로 나쁜 수준이었다. 이후 2015년까지 25년 동안 OECD 평균치는 15로 낮아진 반면 한국은 오히려 29로 높아졌다. 터키를 제외하면 OECD 회원국 중에서 가장 나쁜 수준으로 악화된 것이다.

1. 미세먼지의 위험성

미세먼지는 눈과 코, 피부 등에 직접 자극을 일으킬 뿐 아니라 몸에 침투해 폐암 및 기관지, 심혈관, 뇌 질환 등을 일으키며 조기 사망의 원인이 된다.

지난 10월 세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구소(IARC)는 미세먼지를 1급 발암물질로 지정했다. 미세먼지가 폐암과 밀접한 관련이 있다는 판단을 내린 것이 배경으로 생각되며 실제 지난 8월 유럽 9개국 30만 명의 건강자료와 2095건의 암 환자를 대상으로 분석한 연구 논문을 살펴보면 초미세먼지 농도가 5㎍/㎥ 상승할 때마다 폐암 발생 위험은 18% 증가했다. 또 일반 미세먼지가 10㎍/㎥ 상승할 때마다 폐암 발생 위험은 22% 증가하는 것으로 나타났다. 또한 조기 사망 위험도 커진다. 서유럽 13개국 36만7000명의 건강 자료를 분석한 결과, ‘초미세먼지’ 농도가 5㎍/㎥ 증가할 때마다 조기사망 확률이 7%씩 증가하였다.

또한, 기관지에 분진이 쌓여 기침이나 가래, 폐포에 미세 먼지가 쌓임으로서 산소교환이 원활해지지 않아서 호흡기 질환을 일으키고 심혈관 질환을 앓는 환자들의 병을 악화시키기도 한다. 또한 미세먼지로 건조해진 기관지 점막은 세균이 쉽게 침투할 수 있게 되어 만성 폐질환이 있는 사람들의 감염성 질환(폐렴 등)의 발병률을 증가시킨다. 초미세먼지의 경우, 혈관으로 침투해 복잡한 염증 반응을 일으켜 혈관에 손상을 주어 협심증, 뇌졸중 등 심혈관 질환을 일으킨다.

1. 마스크 착용 효율

미세먼지로 인한 피해가 심각해지는 현재 많은 시민들은 이를 차단하기 위해 미세먼지 마스크를 착용한다. 통계에 따르면 미세먼지 ‘나쁨’ 예보 시 전체 응답자의 53%가 착용하는 편이라고 답했다.

식품의약품안전처의 허가를 받은 보건용 마스크나 산업안전보건원의 보호구 안전인증을 획득한 호흡보호구를 제대로 착용한다면 호흡기를 어느 정도 보호 가능하다. 예로, 인증을 받은 KF80 및 KF94 ,KF99 등 미세먼지 마스크는 테스트 입자의 80%, 94%, 99% 이상을 걸러낸다.

단, 여기엔 중요한 전제가 깔려 있다. 보건용 마스크가 80%~99% 정도의 효과를 내려면 마스크가 얼굴에 완벽하게 밀착되어 있어야한다. 그것은 호흡할 때 사용하는 공기가 모두 마스크를 통과해서 들어온 것을 의미한다. 즉, 들이마신 공기 중 필터링 되지 않고 호흡되는 먼지, 공기의 퍼센트를 나타내는 누설률이 0%일 때 보건용 마스크의 더 큰 효과를 기대할 수 있다.

1. 시중의 마스크와 개발 성공 시 기대 효과

하지만 시중에서 판매하는 일반적인 마스크의 경우, 규격화 되어있는 사이즈와 사람의 안면구조 등에 의해 신경 써서 착용하지 않을 경우 아래와 같이 마스크와 얼굴 사이의 틈새가 벌어질 확률이 높다. 이는 누설률의 증가로 이어진다. 따라서 누설률을 줄여 효과적으로 미세먼지를 방지하기 위해서는 마스크와 얼굴을 밀착시키는 것이 중요하다.

이에 현재 판매중인 ‘완전밀착’ 기능을 갖는 마스크들을 조사해본 결과 대부분의 제품들이 아래 조건 중 하나 이상에 해당되었다.

• 방독면 수준의 디자인으로 일상생활 속 착용이 쉽지 않음
• 장기적으로 사용이 불가능함에도 불구하고 가격이 5만원 이상
• 지속적으로 교체해야 하는 필터를 사용 (조사 시 필터의 가격은 4매 2만원)

이런 조건들을 만족하지 않으면서 기존의 마스크의 누설로 인한 단점을 보완할 수 있는 마스크 개발 성공 시 대중들이 간편하고 저렴하게 완전 밀착 마스크를 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 앞선 내용에 따라 우리는 탈부착 방식으로 장착하여 마스크와 얼굴을 밀착시키는 기능을 하는 장치인 ‘마스크 밀착기'를 개발 목표로 설정한다.
• 제품에 마스크를 끼우는 방식으로 제작된 '마스크 밀착기'는 기존 마스크 사용자들이 필터나 특정 마스크를 구매할 필요 없이 사용하고 있던 마스크에 바로 적용이 가능한 것을 강점으로 가져 쉽게 보급과 사용이 가능하도록 한다.
• 기존 마스크의 문제였던 사이즈 문제와 사람들의 안면부 구조를 고려하고 아동들의 사용이 가능하게 하기 위하여 사이즈를 2개 이상 제작한다.
• 식품의약품안전평가원의 ‘보건용 마스크의 기준 규격에 대한 가이드라인’에 따르면 보건용 마스크는 각각 등급에 맞는 누설률 조건을 만족시켰을 때 생산이 가능하다. 이를 바탕으로 우리는 ‘마스크 밀착기’를 사용하면 모든 마스크의 누설률을 규격 이하로 감소시킬 수 있는 것을 목표로 설정했다. KF99의 경우 장착 시 3% 이하의 누설률을 갖는 것으로 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

'마스크 밀착기'의 관련 기술을 기능, 재료 측면에서 조사 1. 기능적 측면

(1) 마스크 관련 최신 기술

①누설률 개선 마스크

②공기청정기와 접목한 마스크

내용

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• '마스크 밀착기'는 마스크의 기존 효율 발현도를 100%에 가깝게 끌어올릴 수 있다. 이는 누설률로 인해 감소했던 KF 마스크들의 효율이 80, 94, 99%에 매우 근사해질 것으로 이해할 수 있다.
• '마스크 밀착기'는 피부에 적절한 소재선택으로 사용자의 피부에 자극을 최소화한다.
• '마스크 밀착기'는 마스크 누설률을 0%에 가깝게 만들어줌으로써 안경에 김 서림 등 기존 마스크의 부가적인 문제도 해결할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 기존의 같은 완전 밀착 기능을 갖는 마스크들과 달리 기존 마스크에 장착만 하면 사용할 수 있기 때문에 특별히 마스크 구매, 필터를 교체 하지 않아도 됨으로서 완전 밀착 마스크의 보급이 쉬워진다.
• 피부에 자극을 주지 않는 안전성을 겸비한 경제적인 소재를 사용함으로써 제작 원가를 낮춰 사용자의 부담을 줄인다.
• 보급의 편리함과 가격적 부담이 적어지므로 전보다 완전 밀착 마스크를 사용하는 사람들의 비율이 높아진다면 궁극적인 목표인 미세먼지 차단에 기여할 것이다.
• 유연한 소재를 사용하여 밀착이 가능하게 되면 다양한 사람의 안면 구조에 적용이 가능하므로 우리나라 뿐 아니라 다양한 국가에 판매가 가능할 것이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

- 개발 과제의 목표는 미세먼지 마스크에서 발생하는 누설을 막아서 마스크의 성능을 최대한 활용하는 것이었다. ‘Save Breath’는 시판되는 미세먼지 마스크를 착용한 뒤 그 위에 추가로 착용하는 형태로 이뤄져 있다.

- 미세먼지 마스크를 착용할 때 누설이 많이 발생하는 부분이 어디인지 조사하기 위해서 설문조사를 실시했고, 코, 볼, 턱 부분에서 많은 누설이 발생한다는 결과를 얻었다. 따라서 우리는 ‘Save Breath’로 코, 볼, 턱의 누설률을 감소시키는 것을 목표로 했다. 세 부분의 누설률을 낮추는 방법은 다음과 같다. 첫 번째는 코 부분의 누설률을 감소시키기 위해 얇은 실리콘을 이용한 것이다. 이미지의 1번 부분에 실리콘 밀착부를 장착하여 미세먼지 마스크와 얼굴 사이에서 발생할 수 있는 공간을 덮어서 코 부분의 누설을 막는 방식이다. 두 번째는 턱 부분의 누설률을 감소시키기 위해서 마스크를 넣을 수 있는 이중 구조를 이용한 방법이다. 기존의 미세먼지 마스크는 얼굴 크기에 따라서 턱 부분에서 누설이 발생할 가능성이 있는데, 이미지의 2번 부분에 마스크를 고정할 수 있는 이중 구조를 적용하여 마스크의 턱 부분을 고정하여 누설률을 감소시켰다. 세 번째는 이미지의 3번 부분인데, 볼 부분의 누설률을 감소시키기 위해서 얇고 패턴이 들어간 실리콘을 이용한 것이다. 코 부분의 누설률을 낮추기 위해서 얇은 실리콘을 이용한 것처럼 볼 부분의 누설률을 낮추기 위해서 얇은 실리콘을 이용했는데, 볼 부분과 장치가 미끄러지지 않도록 실리콘의 표면에 패턴을 넣어서 제작했다.

- 이미지의 2번 부분에 흡기 밸브를 적용했다. 기존의 방진 마스크에 적용된 밸브와 같은 원리로 작동하지만, 장치에 적용하기 위해서 크기와 형태를 조절하였다. 밸브의 제작은 3D 프린팅을 이용할 계획인데, 불가능할 경우 기존의 밸브를 통해서 제작할 예정이다.

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

◇ 프로토타입은 수작업으로 네오프렌을 자르고 재봉하는 식으로 제작하였기 때문에 설계했던 것과 약간의 치수 차이가 존재했음. 만약 제품을 개발하여 금형을 이용한 프레스 방식으로 원단을 잘라 제작하게 된다면 이러한 치수의 차이가 발생하지 않고, 예상했던 대로 한국인이 다양한 얼굴 사이즈에 적용할 수 있는 제품이 될 것임.

◇ 프로토타입에 적용된 두 개의 밸브를 3D 프린팅으로 제작하는 데 각 3,000원이 들었음. 만약 실제 제품이 개발돼서 밸브용 플라스틱 몰드 이용하여 밸브를 제작할 경우 3,000원 이하로 가격을 낮춰 전체 가격을 더 낮출 수 있을 것이라고 예상됨.

◇ 프로토타입은 밸브를 제작할 때 3D 프린팅으로 뽑을 수 있는 PLA, ABS 소재만 고려할 수 있었지만, 플라스틱 몰드를 이용하여 제작하면 PLA보다 더 좋은 물성을 가진 재료로 밸브를 제작할 수 있을 것이라고 예상함.

◇ 실리콘을 수작업으로 제작하였을 때 밀착에는 좋은 소재였지만 먼지가 잘 붙는 성질을 갖고 있었다. 다른 공장 시제품은 이러한 실리콘 소재를 이용할 때 비닐 소재로 코팅하여 이러한 성질을 없애고 있다. 우리 제품 또한 비닐 소재를 이용하여 실리콘을 코팅하면 더욱 좋은 밀착부 소재가 될 것이라 예상됨