마스크와 개인 보호 장비(PPE)는 의견이 분분한 주제인 것이 사실이지만 바이러스 확산 속도를 늦추는 데 효과가 있다는 점은 입증이 되었습니다. 오미크론 BA.5 및 BA.2.75 변이 감염이 기하급수적으로 증가함에 따라 마스크 기술 향상의 필요성이 대두될 것입니다. COVID 팬데믹은 마스크 개발 및 생산 프로세스의 미비점을 확인시킨 계기가 되었습니다. 그러나 바이러스의 새로운 변이 확산 속도를 늦추기 위해서는 마스크 혁신이 필수적입니다.
마스크와 관련하여 개선해야 할 점이 많은 상황이며 이 기사는 여과 및 미생물 제거 기능을 개선할 수 있는 새로운 과학을 집중적으로 다룹니다.
IP 및 연구 분야의 급속한 성장
CAS Content Collection™을 통해 마스크 성능 향상을 위한 전세계 학자들의 노력을 알 수 있습니다. 공개된 마스크 관련 문서만 17,000건이 넘으며 그 중 절반 이상이 최근 2년 이내에 발표되었습니다(그림 1). 무엇보다 중국, 미국, 일본의 주도 하에 특허 출원이 뚜렷한 증가세를 보이고 있습니다(표 1).
표 1. 주요 출원 국가의 마스크 개발 관련 특허 분포
마스크의 차단 기능
호흡기 비말은 SARS-CoV-2를 확산시키는 주요 전달 매개체로 5μm 미만의 비말을 일반적으로 에어로졸로 분류합니다. 감염 환자의 에러로졸 입자와 비말을 직접 흡입하는 것은 SARS-CoV-2 감염의 주요 감염 경로입니다. 에어로졸은 공기 중에 떠다니면서 감염 확산에 주된 역할을 합니다. 에어로졸 확산을 제한해야 하는 중요성을 여기서 알 수 있으며 마스크가 팬데믹 통제에 중요한 도구인 이유도 바로 이 때문입니다.
기존 마스크의 기능
가장 기본적인 마스크라도 2중 구조의 가정용 섬유로 만들어지며 착용하지 않는 것보다는 효과적입니다. 크기가 300nm 미만이거나 300nm보다 큰 입자의 경우에는 다른 섬유를 사용하여 여과 효율을 높일 수 있습니다. 이는 면 소재의 기계적 여과 성능과 실크와 같은 다른 소재를 사용한 층의 정전기 여과 성능이 합쳐진 시너지 효과에 따른 것입니다(그림 2A).
COVID-19 팬데믹 기간 동안 가장 많이 사용된 3중 구조의 수술용 마스크는 세 겹의 부직포로 만들어졌습니다(그림 2B). 세 겹의 마스크가 유해한 공중 입자를 차단시켜 줍니다. 가장 바깥층은 방수 기능을 하고 가운데 층은 병원균을 걸러주며 가장 안쪽층은 비말을 포집합니다. 부직포는 저렴하고 제조가 쉬워 상품화가 용이합니다.
새롭게 향상된 마스크 성능
새로운 중합체 물질, 특정 폴리스티렌, 폴리카보네이트가 다음 두 가지 측면에서 마스크 성능을 향상시켰습니다.
1. 필터 성능 향상: 구멍 크기를 줄여 더 작은 입자와 병원균을 포획 및 여과할 수 있는 재료 개발
2. 미생물 제거 기능 향상: 코팅제 도포와 자정 특성으로 항균 성능 향상
필터 기능의 향상
에어 필터 마스크의 효능은 섬유 직경, 막 두께, 공기 투과도의 영향을 받습니다. 오늘날의 미립자 필터는 중합체 섬유 또는 유리 섬유로 만들어져 다양한 크기의 입자를 포집할 수 있습니다. 최근 표면적은 더 넓으면서 크기는 더 작은 새로운 유형의 막 필터가 개발되었습니다. 이러한 필터는 입자를 가둬두고 공기 저항을 줄이는 데 보다 효율적입니다.
중합체 나노 섬유질 막
섬유 직경을 나노 수준으로 줄이면 표면적은 늘어나고 입자 제거 성능은 향상됩니다. 투명성과 효율성이 우수하면서 가벼운 나노 섬유질 막을 만드는 데 사용되는 것이 전기 방사 기술입니다. 다양한 소재로 여러 가지 유형의 전자 방사 나노 섬유 막이 개발되었습니다. 이러한 막은 다양한 표면 특성을 가지며 공기 여과 마스크 재료로 사용됩니다.
일렉트릿 멤브레인
정전식 에어 필터는 인력 거리가 길어 수동적 멤브레인보다 입자 포집 성능이 더 우수합니다. 현장(in situ) 충전, 코로나 충전, 마찰대전성 등 세 가지 충전 기술을 일렉트릿 멤브레인을 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 일반적으로 충전 촉진제로 나노 입자(예: 폴리테트라플루오로에틸렌, 질화 규소, 스테아린산마그네슘 등)가 사용됩니다. 현장(in situ) 전기 방사 충전 기술을 통해 여러 가지 하이브리드 정전 필터가 개발되었습니다. 한 예로, 스테아린산마그네슘을 함유한 전기 방사 폴리에틸렌/폴리프로필렌 막은 4.78kV의 표면 전위와 98.94%의 높은 여과 효율을 나타냈습니다.
나노 섬유 에어 필터의 효과적인 미립자 제거를 위해 마찰 전기 나노 발전기가 개발되었습니다. 마찰 전기 나노 발전기는 인체 동작과 같은 기계적 움직임에서 에너지를 생성하며 자가 발전 웨어러블 장치에 적합합니다.
마찰 전기 나노 발전기가 장착된 자가 발전 정전기 흡착 마스크는 우수한 입자 제거 효율을 보였습니다. 이는 여러 층의 나일론 섬유와 폴리테트라플루오르에틸렌 섬유로 만든 또 다른 에어 필터로, 마스크에서 입자를 제거하는 데도 효과적입니다.
미생물 제거 성능 향상
필터는 물질을 포착하지만 박테리아, 바이러스, 균류와 같은 미생물은 필터 표면에 고착됩니다. 따라서 항균성이 있는 에어 필터가 필요합니다. 현재까지 살균 특성을 만들어 내기 위해 다양한 항미생물제에 대한 연구가 이루어졌습니다. 이러한 항미생물제로는 천연물, 금속 나노 입자, 금속-유기 골격체(MOF), 그래핀 등이 있습니다.
특정 천연 추출물은 함유된 플라보오이드 성분으로 인해 높은 항균력을 나타냅니다. 티트리 오일, 올리브 추출물, 자몽 종자, 고삼과 같은 천연물을 섬유 중합체 필터 표면에 도포하면 항균력이 우수해집니다.
새로운 금속 활용
금속 나노 입자는 다양한 용도에서 항균력을 갖습니다. 대표적인 살균 작용 메커니즘은 다음과 같습니다.
1. 음전하 세균 세포벽이 양전하 나노 입자에 정전기 인력을 가하면 세포벽이 파괴되어 투과성이 향상됩니다.
2. 금속 이온이 활성 산소종 생성으로 세포를 파괴하여 산화 스트레스를 야기할 수 있습니다. 이 경우 세포 기능이 파괴되고 결과적으로 세포를 죽이게 됩니다.
은 나노 입자는 항균성이 있어 마스크의 질병 확산 방지 효과를 높여주는 경우가 많습니다.
구리와 산화 구리 모두 우수한 살균 효과로 섬유를 비롯한 기타 항균 및 항바이러스성 제품에 사용됩니다. 구리 나노 입자 성능의 기본 메커니즘은 산화 과정에서의 ROS 생성입니다.
그래핀과 그 파생 물질은 넓은 표면적으로 항균력을 높일 수 있어 많은 연구가 이루어져 왔습니다. 그래핀 코팅 표면으로 표면 온도를 높이고 미생물을 비활성화할 수 있다는 최근 연구 보고 사례도 있습니다. 태양 방사와 함께 빠른 국부 가열이 이루어지면서 90%가 넘는 공기 중 세균이 빠르게 박멸됩니다. 바로 재사용 가능한 자가 소독 그래핀 마스크의 원리입니다.
새로운 정화 방법
광 촉매 산화 공기 정화는 유기 오염 물질과 반응하는 광작동 촉매제로 산화 반응을 일으키는 프로세스로, 태양광 또는 인공광을 사용하여 다양한 공기 오염 물질을 무독성 형태로 분해합니다.
산화티타늄(TiO2) 또는 산화 아연(ZnO) 나노 입자 소재를 사용한 마스크는 효과적인 여과 기능을 갖습니다. ZnO 나노 입자를 코팅한 폴리에스테르 섬유 소재의 마스크는 표면 박테리아를 98% 줄일 수 있는 것으로 확인되었습니다.
입자와 미생물을 모두 동시에 제거하는 다기능 에어 필터도 효과가 입증되었습니다. 최근 대장균(E.coli)에 대한 항균력이 뛰어난 Ag/ZnO 나노 로드 랩핑 PTFE 나노 섬유질 막이 개발되었습니다.
탄소 나노 튜브와 은 나노 입자로 만든 또 다른 에어 필터는 나노 튜브가 기공을 채우는 것이 특징입니다. 탄소 나노 튜브의 상부 표면 영역에 은 나노 입자를 도포함으로써 항균 효율성을 높일 수 있습니다.
금속-유기 골격체 필터
금속-유기 골격체(MOF)는 여러자리 유기 리간드를 구성하는 다공성 결정질 물질로, 높은 다공성과 기공 크기를 조정할 수 있다는 점에서 훌륭한 필터입니다.
예를 들어, 전기 방사 폴리이미드 막에 제올라이트 이미다졸레이트 구조체-8(ZIF-8) 나노 결정을 포함하면 필터의 여과 효율이 크게 향상됩니다. MOF 기반 필터는 플라스틱 메쉬 또는 부직포와 같은 다양한 기질로 만들 수 있습니다. 이러한 필터는 입자 제거에 효과적입니다.
전망
마스크는 오미크론 BA.5 및 BA.2.75 변이와 같은 호흡기 바이러스 확산 속도를 늦출 수 있는 효과적인 방법입니다. 향후의 확산과 변이 속도를 늦추기 위해서는 마스크 여과 기능, 미생물 제거와 관련된 새로운 기술과 발전이 중요합니다.
BA.5와 같은 COVID-19 변이에 대해 알아보고 백신, 치료법, 마스크와 관련한 보다 포괄적인 접근 방식으로 어떻게 지속적인 면역력을 확보할 수 있는지 확인해 보십시오.