마스크와 개인 보호 장비(PPE)는 논란의 대상이 되기도 했지만, 확산 방지에 효과적임이 입증되었습니다. 이제 오미크론 BA.5 및 BA.2.75 변이 감염이 기하급수적으로 증가함에 따라 마스크 기술을 개선하는 것이 매우 중요해졌습니다. 코로나19 팬데믹은 마스크 개발 및 생산 과정의 미비점을 드러냈습니다. 하지만 새로운 바이러스 변이의 확산을 늦추기 위해서는 마스크 혁신이 필수적입니다.
마스크 성능을 개선할 수 있는 요소는 많지만, 이 글에서는 여과 기능 및 미생물 제거 기술을 향상시키는 최신 과학에 초점을 맞춥니다.
지식재산권 및 연구의 급격한 성장
CAS Content Collection™에 따르면 전 세계 연구자들은 안면 마스크의 효율성을 높이는 방법에 집중하고 있습니다. 마스크 관련 문헌은 17,000건 이상 발표되었으며, 그중 절반 이상이 최근 2년 사이에 집중되었습니다(그림 1). 특히 중국, 미국, 일본을 중심으로 특허 출원이 뚜렷하게 증가한 점이 주목할 만합니다(표 1).
표 1. 주요 출원국별 마스크 개발 관련 특허 분포
마스크는 무엇을 차단하는가?
호흡기 비말은 SARS-CoV-2 확산의 주요 매개체이며, 5μm 미만의 입자는 일반적으로 에어로졸로 분류됩니다. 감염자로부터 직접 배출되는 에어로졸 입자와 비말은 SARS-CoV-2의 주요 전파 경로입니다. 에어로졸은 공기 중에 부유하며 감염 확산에 핵심적인 역할을 합니다. 이는 에어로졸 확산을 제한하는 것이 중요함을 시사하며, 이에 따라 마스크는 팬데믹 통제의 중요한 도구로 자리 잡았습니다.
오늘날 마스크의 작동 원리
가장 기본적인 마스크는 가정용 직물 두 겹으로도 만들 수 있으며, 아예 착용하지 않는 것보다 훨씬 효과적입니다. 여과 효율은 서로 다른 직물을 사용하여 300nm 미만 및 300nm 초과 입자에 대해 개선할 수 있습니다. 이는 면의 기계적 여과 효과와 실크와 같은 소재로 구성된 다른 층의 정전기적 여과 효과가 결합된 시너지 효과 덕분입니다(그림 2A).
코로나19 팬데믹 기간 동안 가장 많이 사용된 3중 수술용 마스크는 세 겹의 부직포로 구성되어 있습니다(그림 2B). 마스크의 세 층은 유기적으로 작용하여 착용자를 유해한 공기 중 입자로부터 보호합니다. 바깥층은 방수 기능을, 중간층은 병원균 여과 기능을, 안쪽층은 호흡기 비말을 차단하는 역할을 합니다. 부직포는 저렴하고 제조가 쉬워 대중이 쉽게 접근할 수 있습니다.
마스크 성능 향상을 위한 새로운 기술 발전
새로운 고분자 소재, 특정 폴리스티렌 및 폴리카보네이트는 마스크의 두 가지 측면에서 개선을 가능하게 했습니다.
1. 더 나은 필터: 작은 입자와 병원균을 포집 및 여과하기 위해 기공 크기를 줄이는 소재 개발
2. 더 나은 미생물 제거: 코팅 적용 및 자가 세정 특성을 통한 항균성 강화
여과 성능 향상
공기 필터 마스크의 효능은 섬유 직경, 멤브레인 두께, 통기성에 의해 결정됩니다. 오늘날의 미세먼지 필터는 다양한 크기의 입자를 포집하는 고분자 섬유나 유리 섬유로 만들어집니다. 최근에는 표면적이 더 넓은 새로운 유형의 소형 멤브레인 필터가 개발되었습니다. 이러한 필터는 입자 포집 효율이 더 높고 공기 저항을 줄여줍니다.
고분자 나노섬유 멤브레인
섬유 직경을 나노미터 단위로 줄이면 표면적이 넓어지고 입자 제거 성능이 향상됩니다. 전기방사(Electrospinning) 기술은 나노섬유 멤브레인을 제조하는 데 사용되며, 이는 우수한 투명도, 높은 효율성, 가벼운 무게를 자랑합니다. 다양한 소재로 여러 유형의 전기방사 나노섬유 멤브레인이 개발되었습니다. 이러한 멤브레인은 각기 다른 표면 특성을 지니며 공기 여과 마스크에 활용될 수 있습니다.
일렉트릿 멤브레인
정전기식 공기 필터는 인력 작용 거리가 길어 수동형 멤브레인보다 입자 포집에 더 효과적입니다. 인시튜(in situ) 대전, 코로나 대전, 마찰 대전 등 세 가지 대전 기술을 사용하여 일렉트릿 멤브레인을 제조할 수 있습니다. 나노입자(폴리테트라플루오로에틸렌, 질화규소, 스테아르산 마그네슘 등)는 일반적으로 전하 증강제로 사용됩니다. 전기방사의 인시튜 대전 기술을 통해 여러 하이브리드 일렉트릿 필터가 개발되었습니다. 예를 들어, 스테아르산 마그네슘을 포함하는 전기방사 폴리에틸렌/폴리프로필렌 멤브레인은 4.78kV의 표면 전위와 98.94%의 높은 여과 효율을 보였습니다.
나노섬유 공기 필터의 효과적인 입자 제거를 위해 마찰전기 나노발전기가 발명되었습니다. 마찰전기 나노발전기는 인체의 움직임과 같은 기계적 운동에서 에너지를 생성하며, 자가 발전형 웨어러블 기기에 사용하기 적합합니다.
마찰전기 나노발전기를 탑재한 자가 발전형 정전기 흡착 마스크는 입자 제거 효율이 크게 향상되었습니다. 이는 나일론과 폴리테트라플루오로에틸렌 직물을 여러 겹으로 쌓아 만든 또 다른 공기 필터입니다. 또한 마스크에서 입자를 제거하는 데에도 효과적입니다.
미생물 제거 성능 향상
필터는 물질을 포집하지만, 박테리아, 바이러스, 곰팡이와 같은 미생물은 필터 표면에 부착됩니다. 따라서 항균 특성을 갖춘 공기 필터가 필요합니다. 현재까지 살균 특성을 구현하기 위해 다양한 항균제가 연구되었습니다. 이러한 항균제에는 천연물, 금속 나노입자, 금속-유기 골격체(MOF), 그래핀 등이 포함됩니다.
특정 천연 추출물은 함유된 플라보노이드 성분 덕분에 높은 항균 활성을 나타냅니다. 티트리 오일, 올리브 추출물, 자몽 씨, 고삼과 같은 천연물을 섬유 고분자 필터 표면에 분사하여 우수한 항균 활성을 제공합니다.
새로운 금속 응용 분야
금속 나노입자는 광범위한 항균 활성을 나타냅니다. 이들의 살균 작용 기전은 다음과 같습니다:
1. 양전하를 띤 나노입자가 음전하를 띤 박테리아 세포벽에 정전기적으로 끌려가 세포벽을 파괴하고 투과성을 높입니다.
2. 금속 이온은 활성산소(ROS) 생성을 유도하여 세포를 손상시키며, 이는 산화 스트레스로 이어집니다. 이 과정에서 세포 기능이 저해되고 결국 세포가 사멸합니다.
은 나노입자는 항균 특성을 가지고 있어, 질병 확산을 방지하는 마스크의 효과를 높이는 데 자주 사용됩니다.
구리와 산화구리는 모두 강력한 살균 특성을 지니고 있으며, 항균 및 항바이러스 특성을 갖춘 섬유 및 기타 제품에 활용되어 왔습니다. 구리 나노입자의 주요 작용 기전은 산화 과정에서 활성산소(ROS)를 생성하는 것입니다.
그래핀과 그 유도체는 넓은 표면적을 활용하여 항균 활성을 높일 수 있다는 점 때문에 널리 연구되어 왔습니다. 최근 연구에 따르면 그래핀 코팅 표면을 사용하여 표면 온도를 높이고 미생물을 비활성화할 수 있다고 합니다. 태양광을 조사하면 국소적으로 급격한 가열이 발생하여 공기 중 박테리아의 90% 이상이 빠르게 사멸합니다. 이러한 방식으로 자가 살균이 가능한 재사용 그래핀 마스크를 제공할 수 있습니다.
새로운 정화 방법
광촉매 산화 공기 정화는 빛으로 활성화된 촉매가 유기 오염 물질과 반응하여 이를 산화시키는 과정입니다. 태양광이나 인공 조명을 사용하여 다양한 대기 오염 물질을 무독성 형태로 분해합니다.
산화티타늄(TiO2) 또는 산화아연(ZnO) 나노입자를 포함한 마스크는 효과적인 여과 성능을 보여주었습니다. ZnO 나노입자로 코팅된 폴리에스터 원단 마스크는 표면 박테리아를 98%까지 감소시키는 것으로 확인되었습니다.
다기능 공기 필터는 입자와 미생물을 동시에 제거하여 그 효과가 입증되었습니다. 최근에는 Ag/ZnO 나노막대로 감싼 PTFE 나노섬유 멤브레인이 개발되어 대장균(E.coli)에 대해 뛰어난 항균 활성을 보입니다.
또 다른 공기 필터는 탄소 나노튜브와 은 나노입자로 제작되었으며, 나노튜브가 필터의 기공을 채우는 방식입니다. 탄소 나노튜브의 넓은 표면적에 은 나노입자를 담지하면 항균 효율이 향상됩니다.
금속-유기 골격체 필터
금속-유기 골격체(MOF)는 다좌 유기 리간드와 배위 결합된 다공성 결정질 재료입니다. 높은 기공률과 조절 가능한 기공 크기 덕분에 우수한 필터 소재로 활용됩니다.
예를 들어, 제올라이트 이미다졸레이트 골격체-8(ZIF-8) 나노결정을 전기방사 폴리이미드 멤브레인에 결합하면 필터의 여과 효율이 크게 향상됩니다. MOF 기반 필터는 플라스틱 메쉬나 부직포 등 다양한 기재에 제작할 수 있으며, 입자 제거에 탁월한 성능을 발휘합니다.
향후 전망
마스크는 오미크론 BA.5 및 BA.2.75 변이와 같은 호흡기 바이러스의 확산을 늦추는 효과적인 방법입니다. 마스크 여과 및 미생물 제거 기술의 새로운 발전은 향후 변이 바이러스의 확산을 억제하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.
BA.5와 같은 코로나19 변이에 대해 더 자세히 알아보고, 백신, 치료제, 마스크를 활용한 포괄적인 접근 방식이 어떻게 지속 가능한 면역을 달성하는 데 도움이 되는지 확인해 보십시오.
