갈륨-구리 합금소재 코팅 필터 나와

김태일 성균관대 교수팀, 미국 호주 연구팀과 공동연구결과발표

권기윤 성균관대학교 화학공학과 교수, 김태일 성균관대학교 화학공학/고분자공학부 교수, Michael D. Dickey 노스캐롤라이나 주립대학교 교수, Vi Khanh Truong 로열 멜버른 공과대학교 교수

바이러스 2차 전파방지 실마리가 될 만한 연구결과가 나와 화제다. 항균, 항바이러스 효과가 뛰어난 기능성 소재가 코팅된 섬유 필터를 개발한 것인데, 필터 표면의 오염문제를 해결할 수 있을 것이라는 기대가 이어지고 있다.

김태일 성균관대 교수 연구팀은 미국 노스캐롤라이나Michael Dickey교수 연구팀 및 호주 RMIT대학 Vi Khanh Truong 박사 연구팀과 함께 기계적 특성이 우수하며, 항균, 항바이러스 효과가 뛰어난 기능성 소재가 코팅된 섬유 필터를 개발했다고 밝혔다.

침구, 의류, 마스크 등에 쓰이는 섬유 표면을 미생물 오염으로부터 지키기 위해 구리 같은 기능성 소재가 활용되는 가운데 구리를 보다 균일하게 섬유에 밀착시킬 수 있는 코팅방법이 소개된 것이다.

연구를 이끈 김태일 교수는“미생물이 구리 이온을 대사시키면 세포막에 구멍이 나 세포사멸을 돕는 활성산소가 유입된다. 또한 미생물 증식에 필요한 철 이온과 유사한 갈륨 이온을 흡수하는 것 역시 복합적으로 작용해 항바이러스 효과가 강화되는 것으로 보고 있다”고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 휴먼플러스융합연구개발사업, 나노소재원천기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 소재 분야 국제학술지‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 9월 23일 온라인 게재(11월호 표지선정) 되었다.

그림 1. 필터에 코팅 가능한 갈륨-구리 합금의 생성 메커니즘 (왼편, 上)과 갈륨-구리합금 필터 표면 SEM 이미지 (오른편, 上) 및 항균 및 항바이러스 효과를 갖는 필터로의 활용 가능성에 대한 일러스트 이미지 (下)

코팅필터, 바이러스 5분내 99.99% 사멸

기존 다공성 필터를 이용한 선택적 여과나 정전기적 흡착 방식이 병원체를 제거하는 것이 아닌 걸러내기 위한 것으로 필터 표면의 오염문제가 남기에, 항균 및 항바이러스 효과 연구가 지속적으로 진행돼 왔다.

특히 구리 같은 항균,항바이러스 소재로 필터 표면을 코팅하는 방식이 대안으로 꼽혀 왔는데, 이러한 부분에 주목한 연구팀이 액체 금속인 갈륨을 도입, 구리의 항균/항바이러스 효과는 높이는 한편, 보다 균일하고 안정적인 코팅에 성공했다. 이는 섬유와 친화력이 뛰어난 액체 갈륨을 섬유에 분사한 후, 이들 갈륨과 구리 이온과의 자발적 화학반응을 유도해 그 위에 갈륨-구리 합금 소재를 형성한 것이다.

연구팀은 나아가 COVID-19과 99% 동일한 구조체의 휴먼 코로나 바이러스를 대상으로 만들어진 코팅 필터의 항바이러스 효과를 확인하였다. 그 결과 갈륨-구리 합금이 코팅된 섬유에 배양한 바이러스는 5분내 99.99%가 사멸되었다. 판지 소재에서 24시간, 플라스틱과 스테인리스강 표면에서 2~3일, 구리 재질 표면에서 4시간 후 사멸된 것에 비하면 크게 단축된 것이다.

한편 코팅 안정성도 높아졌다. 재채기나 기침 등을 통한 공기의 흐름이 생겼을 때 코팅된 입자가 떨어지는지 살펴본 결과 기존 구리만 코팅된 경우 25%의 입자가 떨어진 반면 갈륨-구립 합금 코팅된 경우 떨어지는 입자가 없는 것으로 나타났다는 설명이다. 또한 비교적 경제적이고 단순한 용액공정으로 코팅이 이뤄진다는 것이 장점이라는 것이다.

그림 2. 기능성 소재 코팅된 섬유 특성 평가와 항박테리아 및 항바이러스 효과

바이오 산업 표면 코팅 응용 방안될까

이번 연구결과로 밝혀진 액체금속 매개의 갈륨-구리 합금의 기능성 항균/항바이러스 소재를 코팅하는 방식은 살균력이 높으며 섬유와 입자간 기계적 강도를 향상 시킴에 따라 병원체 전파를 방지하는 보호 장비 및 의료기기의 개발을 위한 중요한 요소기술이 될 것으로 기대된다.

또한 기존 필터가 병원체 방지를 위해 택하였던 방법이 숙주가 없는 환경에서 장시간 생존 가능한 COVID-19과 같은 새로운 병원체의 2차 감염을 막으며 보호장비의 필터나 섬유 표면에 활용 가능하다고 보여진다.

한편, 개발한 표면은 마스크의 섬유 필터 뿐만 아니라 일상생활과 의료 기기의 섬유나 고분자 기반의 표면에 코팅하는 것을 목표로 하고 있으며, 장기적으로는 바이오 산업의 표면 코팅에 응용하는 것을 염두에 두고 있다.

<연구진에게 묻는다 – 미니인터뷰>

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은?

A. 최근 전세계적으로 유행하는 COVID-19 팬더믹으로 많은 감염자와 사상자가 발생하고 있다. 숙주가 없는 환경에서도 생존 시간이 길어 전파력이 강한 병원체는 마스크나 섬유에 장시간 생존하여 2차적인 감염을 유발한다. 현재의 필터나 섬유는 호흡기나 피부로의 침투를 막는 여과 및 흡착 방식으로 병원체를 막기 때문에 COVID-19과 같은 병원체의 전파에 효율적으로 대응할 수 없다. 따라서 이를 해결하고자 갈륨-구리 합금의 항균 및 항바이러스 소재를 코팅하는 기술을 개발하여 섬유와 소재간의 결합력을 향상시키고 나아가 개발한 표면에 병원체가 접촉하면 항균 및 항바이러스효과로 병원체를 제거할 수 있는 필터를 개발하고자 하였다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가?

A. 병원체 제거를 위한 기존의 필터는 병원체와 공기를 선택적으로 여과하는 기술, 병원체가 필터를 통과할 때 정전기적 원리에 의해 흡착하는 방식이 전통적으로 사용되어 왔다. 이러한 기존 기술들은 표면에서 장시간 생존 가능한 COVID-19과 같은 바이러스 및 병원체로 인한 2차 오염을 야기하는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구팀은 갈륨 매개체로 갈륨-구리 입자를 섬유 표면에 균일하게 코팅하였고 병원체가 표면과 접촉할 때 효과적으로 병원체를 제거 가능한 표면을 개발하였다. 또한 순수 구리의 섬유와의 기계적 결합이 약한 내구성을 갈륨 액체금속의 매개체를 통해 해결하였다. 필터에 코팅하는 항균 및 항바이러스 기능성 소재는 저온저압 공정으로 제작되며 기존의 표면보다 항균성 및 항바이러스성이 뛰어나고 섬유와 입자간 결합력을 향상시켜 내구성을 획기적으로 향상시켰다.

Q. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

A. 섬유나 필터 위에서 즉각적으로 효율적으로 항균 및 항바이러스 효과를 갖는 표면 특성을 저온저압 공정으로 제작하는 기술은 표면공학에서 활용 가능성이 매우 높은 연구 결과이다. 특히 최근 COVID-19팬더믹으로 기존의 필터 표면에서 장기간 생존가능한 병원체를 효과적으로 제거하기 위한 적합한 표면이 필요하다. 장기간 생존하는 병원체는 여과나 흡착의 방식이 아닌 병원체를 효과적이고 즉각적이게 제거해야 2차적인 감염을 방지할 수 있다. 이러한 병원체들을 효과적으로 일상생활에 널리 사용되는 항균 및 항바이러스 기능의 기능성 소재를 섬유에 코팅하는 기술은 필터나 섬유 산업에 활용할 수 있다. 이러한 일상생활에서 지속적으로 사용되는 섬유나 필터에 적용하기 위해서는 현재의 섬유와 기능성 소재의 기계적 결합력을 향상시켜 내구성을 높혀야하고, 반복적으로 표면을 사용하기 위해 사멸된 병원체를 표면에서 효율적으로 제거하는 기술은 실용화를 위해 추가로 연구가 필요해 보인다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

A. 본 연구로 개발한 코팅 기술의 막질 개선과 기계적 특성을 향상시켜 마스크, 의류와 같은 보편적인 섬유 코팅이 가능한 상용화 시장에 진출하고자 한다. 또한, 바이러스와 박테리아를 제거한 이후 표면에서 쉽게 떨어져 반복적으로 필터 및 섬유를 사용 가능하도록 연구하여 반복 사용에 용이하게 특성을 조절하고자 한다.