Special 에너지 절감 스마트 건물용 핵심소재 및 공정기술 개발 동향(2)

실내 공기질 개선을 위한 초미세먼지 차단용 나노구조 필터 소재 개발

안준용_ 금오공과대학교 신소재공학과 박사과정
박준용_ 금오공과대학교 신소재공학부 부교수

1. 서론

초미세먼지(particulate matter, PM2.5)는 크기가 대략 2.5 ㎛ 수준인 미립자로 세계보건기구(world health organization, WHO)에서 규정한 발암물질이다. 호주, 뉴질랜드 등 일부 청정국가를 제외한 대부분의 국가에서는 초미세먼지가 인류의 건강을 위협하는 주요 사회적 이슈로 대두되고 있으며, 특히 한국은 2000년대부터 중국, 북한 등과 함께 초미세먼지 농도가 가장 높은 국가 순위에 꾸준히 꼽히고 있다. 서울 시내에서 초미세먼지로 인해 뿌옇게 된 하늘을 바라보는 것은 더 이상 놀라운 일이 아니다. 차량 또는 공장 배기가스에 의해 발생된 고 농도의 초미세먼지는 외부 활동을 제한할 뿐만 아니라 실내로 유입되어 일상 생활을 위협하는 수준에 이르렀다. 이에 따라, 실내 공기질 개선을 위한 청정 기술들이 장치 및 소재 측면에서 다양하게 개발되고 있다.
　　실내 공기질 개선을 위한 장치의 대표적인 예로 공기청정기를 들 수 있다. 일반 가정에서도 흔히 볼 수 있는 공기청정기는 실내에서 발생되거나 외부로부터 유입된 오염 공기를 흡입 후, 내장된 다층 필터 또는 플라즈마를 이용하여 초미세먼지를 포함한 다양한 불순물을 제거한다. 이러한 가정용 공기청정기의 정화 능력은 비교적 우수한 편이나, 지속적인 전력 소모가 필수적이며 장치의 유지보수에 많은 비용과 노력이 요구된다. 반면, 방충망 등 창호용 건축부자재에 부가적으로 시공되는 초미세먼지 차단용 필터는 전력 소모가 필요 없으며 외부로부터의 미세먼지 유입을 원천적으로 차단할 수 있는 장점이 있다. 상기된 장치 및 소재 기술은 실내 공기질을 개선하는데 있어서 상호보완적이며, 미래의 에너지 절감형 스마트 건물을 구현하기 위해서는 각각의 기술 개발을 병행하는 것이 바람직하다.
　　현재 상용화된 건물 창호용 필터는 마이크로 또는 나노 섬유가 무작위하게 적층된 형태로, 주로 폴리프로필렌(polypropylene, PP)과 같은 값싼 고분자 물질을 멜트-블로잉(melt-blowing) 또는 전기방사(electrospinning) 하여 제조된다 [1]. 최근, 코로나19 팬데믹으로 인해 수요가 급증한 KF80 또는 KF94 일회용 마스크와 그 제조방법 및 형태가 매우 유사하다. 이러한 고분자 기반의 필터는 일회용으로 사용하기에는 전혀 무리가 없으나, 외부 환경 변화에 상시 노출되는 창호용 건축부자재로 장기간 활용하기에는 내구성 측면에서 문제가 있을 수 있다. 또한, 필터에 내재된 무작위한 미세 섬유 네트워크는 수많은 광 산란을 야기하여 필터를 불투명하게 만들기에 현재까지 개발된 필터 제품들은 대부분 자연 채광 또는 외부 시야를 방해한다. 즉, 실내 공기질 개선을 위한 건물 창호용 필터로서 소비자들의 요구에 부합하는 수준의 물성을 가지기 위해서는 재료공학적 측면에서 신규 물질 및 미세구조에 대한 심도 있는 탐구가 필요한 시점이다.
　　이러한 측면에서 본 연구진은 첨단 나노공정 및 소재 기술을 활용하여 초미세먼지 차단용 필터의 물성을 향상하기 위한 다양한 기초연구를 수행하여 왔다 [2-6]. 일례로, 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)은 초미세화된 반도체소자를 제조하기 위하여 개발된 박막 증착 기술이지만, 본 연구진은 나노다공성 소재의 표면을 개질하거나 유/무기 복합소재화 하는 용도로 변형하여 활용하고 있다. 특히, 보통의 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition)과는 달리 100도 이하의 저온에서 무기 박막의 증착이 가능하기 때문에 대부분의 상용 고분자 멤브레인을 기판으로 활용할 수 있는 특징이 있다. 그간 반도체 분야에서의 활발한 연구개발을 통하여 원자층 증착법의 가장 큰 단점이라 할 수 있는 느린 공정속도 및 낮은 생산수율 문제도 현재는 대폭 개선되었기에 이러한 전략은 잠재적으로 산업화 가능성이 있다.
　　본 기고에서는 원자층 증착법을 통해 고분자 멤브레인의 3차원적인 미세구조 표면에 세라믹 박막을 등각(conformal) 코팅함으로써 유/무기 복합 멤브레인을 성공적으로 구현하고, 이를 고 기능성 필터로 응용한 최근 연구개발 사례들을 집중적으로 다룬다. 더 나아가, 멤브레인의 투명성을 확보하기 위한 미세구조 최적화 전략에 대해 살펴보고 초미세먼지 차단용 건축 부자재로의 응용 가능성에 대해 논하고자 한다 (그림 1).
 
그림 1. 건물 창호용 투명 초미세먼지 필터 소재 및 응용 개념도.

그림 5. 원자층 증착법을 통해 구현된 유/무기 복합 멤브레인 기반 고 기능성 미세먼지 필터 [2]. (a) 상용 고분자 멤브레인과 유/무기 복합 멤브레인의 미세구조를 비교적으로 나타내는 개념도, (b) 유/무기 복합 멤브레인의 투과전자현미경 이미지, (c) 방충망 위에 시공된 1인치급 유/무기 복합 멤브레인의 디지털 이미지, (d) 미세먼지 필터의 여과성능 측정을 위한 플랫폼, (e) 다양한 크기의 미세먼지에 대한 여과효율 비교.

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