신소재공학부 김상우 교수 연구팀, 정전기를 활용한 공기 중 병원체 제거 기술 개발
- 정전기와 나노와이어 기반 자가발전형 공기 중 병원체 제거 기술 개발
- 0.025초라는 짧은 시간 안에 별도의 전력공급 없이 공기 중 병원체 제거

- 향후 실내외 공조시스템 및 마스크 방호복으로 활용

[그림1] 신소재공학부 김상우 교수, 김영준 연구원

우리 대학은 신소재공학부 김상우 교수 연구팀이 정전기와 나노와이어를 활용하여 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체(바이러스, 박테리아)를 제거할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이로써 우리 주변에 흔히 존재하지만 사용되지 못하고 버려지는 진동 등의 운동 에너지를 수확(energy harvesting)하여 정전기를 발생시키고 실내외 병원체를 단기간에 제거할 수 있게 되었다.

공기 중으로 전염되는 병원체는 폐렴, 천식 및 인플루엔자 감염 등이 대표적이며 사스, 메르스, 신종플루 등 신종 감염병의 확산에 따라 심각한 사회적·경제적 손실이 발생하고 있다. 특히 현재 전 세계적인 팬데믹을 일으키고 있는 COVID-19도 공기 중으로 전염되는 바이러스 병원체로 수많은 감염자와 사망자를 발생시키고 있다.
 ㅇ 백신 개발에 필요한 시간을 고려하였을 때 전염병 확산 방지를 위한 초기 선제적 대응 기술이 요구되지만, 공기 중 병원체 제거를 위한 필터는 단순히 물리적으로 입자를 포집할 뿐, 자체로 병원체를 제거(비활성화)하지 못하며 압력강하 및 이에 따른 유량 저하 등의 문제가 있다. 또한 전기집진기의 경우 오존이 발생하고 수 kV 수준의 고전압을 필요로 하기 때문에 위험성이 있다.

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 있음을 입증했다.

연구진은 설계된 유로 내에 박테리아인 대장균과 간균 및 바이러스인 MS2를 노출시켜 병원체 제거 효율을 확인하고, 나노미터 수준의 바이러스부터 마이크로미터 수준의 박테리아까지 실제 병원체를 정전기를 통해 손쉽게 제거할 수 있음을 입증했다. 나아가 2m/s의 높은 유속에서도 수십 나노미터의 크기를 갖는 매우 작은 MS2 바이러스도 99.99% 이상의 효율로 제거할 수 있음을 확인했다.

이는 상업용 공기청정기에 활용되는 H13 등급 필터와 비교했을 때 유사한 수준이지만 차압은 50배 이상 낮으며, 0.025초라는 짧은 시간 안에 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체를 제거할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다.

김상우 교수는 “본 연구는 정전기 기반의 자가발전형 병원체 제거 기술로 공기 중에 존재하는 병원체를 물리적으로 단순히 포집한다는 기존의 필터가 가지는 한계를 극복한 기술이다”며 “높은 병원체 제거 효율에도 압력손실이 매우 낮아 순환시스템의 에너지효율을 극대화한 실내외 공조기술로 사용될 수 있으며, 추후 후속연구를 통해 마스크 및 방호복에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 경기도 지역협력연구센터 등의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 6월 17일(목) 온라인 게재되었다.
   ※ 논문명 : Triboelectrification induced self-powered microbial disinfection using nanowire- enhanced localized electric field
   ※ 저자 : 김상우 교수(교신저자, 성균관대 신소재공학부), 김영준 연구원(제1저자, 성균관대 박사과정), Zheng-Yang Huo 박사(제1저자, 성균관대 연구교수), 서인용 연구원(참여저자, 성균관대 석사과정), 이동민 연구원(참여저자, 성균관대 박사과정), 이정환 박사(참여저자, 성균관대 박사후연구원), Ye Du 박사(참여저자, Sichuan University), Si Wang 연구원(참여저자, UESTC), 윤홍준 박사(참여저자, 성균관대 박사후연구원, 현 Northwestern University 박사후연구원)

[그림2] 전기장이 극대화된 나노와이어 근처에서 전기천공법에 의한 박테리아 사멸

[그림3] 병원체 제거 시스템의 작동 원리

[그림4] 정전기 에너지 하베스터의 구조 및 공진에 따른 출력 증가

[그림5] 공기 중 바이러스 및 박테리아 제거 효율

[그림6] 대전부 설계에 따른 제거 효율 및 상용화된 필터와 차압 비교