한국생산기술연구원

HAPs-Solver를 개발한 생기원 연구원들. 생기원 제공

한국생산기술연구원(생기원) 연구팀이 공기 중 각종 유해물질을 빠르게 검출하고 제거할 수 있는 ‘통합형 스마트 공기정화 시스템’을 개발했다. 

생기원은 도성준 섬유솔루션부문 수석연구원 연구팀이 유해가스와 초미세먼지를 제거하고 공기 중 병원체까지 실시간으로 탐지할 수 있는 ‘유해 대기오염물질 솔버(HAPs-Solver, Hazardous Air Pollutants Solution)'를 개발했다고 20일 밝혔다. 

유해가스, 미세먼지, 병원체는 입자 크기와 화학적 특성 그리고 공기 중 체류 방식이 달라 제거하려면 각기 다른 기술과 장치가 필요하다. 연구팀이 개발한 HAPs-Solver는 이들 입자를 한 번에 검출하고 포집하는 시스템이다. 

연구팀은 공기 중 병원체를 효과적으로 포집하기 위해 자체 설계·제작한 ‘고성능 사이클론 기반 포집기’를 시스템 상단에 적용했다. 포집기는 자가 회전하는 원뿔형(Cone) 구조다. 강한 원심력을 만들어 공기 중 미세입자를 외벽으로 밀어내 액상 형태로 모으는 역할을 한다.

수집된 액상물질은 별도 전처리 없이 ‘금 나노구조체 표면증강라만분광(SERS) 면역분석’ 기술을 기반으로 분석돼 유해물질의 존재 여부를 알려주는 데이터로 활용된다. 

SERS 기술은 시료에 빛을 쏘았을 때 산란되는 빛을 분석해 분자의 고유한 진동 스펙트럼을 통해 물질의 정체를 알아내는 방법이다. 

도출된 데이터는 연구팀이 고안한 디지털 카운팅 기법과 데이터 분석 방법을 통해 극미량의 병원체까지 검출하는 데 쓰인다. 포집부터 분석까지 150분 이내에 마칠 수 있다.

연구팀이 개발한 시스템 하단에는 유해가스를 제거할 수 있는 필터가 적용됐다. 개발된 유해가스 제거 필터는 금속-유기 복합체(MOF) 기반의 섬유 필터다. MOF는 금속 이온과 유기 리간드가 결합해 만들어지는 3차원 다공성 구조체다.

필터를 이용해 암모니아, 포름알데하이드, 황화수소를 99.9%까지 흡착할 수 있다. 초미세먼지 포집을 위해서 자체 개발한 'ePTFE 멤브레인 복합 필터'를 시스템에 적용했다.

ePTFE 멤브레인 복합 필터는 미세 기공 구조를 가진 초미세 여과막이다. 연구팀은 ePTFE 멤브레인 복합 필터에 초미세 섬유로 만들어진 특수 부직포인 '멜트블로운 부직포'를 결합해 다중 구조의 복합 필터를 구현하는 데 성공했다.

개발된 필터는 초미세먼지를 99.9% 이상 차단해 제거하면서도 내구성과 공기 투과성이 높아 장시간 사용에도 여과 성능을 유지할 수 있다. 생기원 대표과제로 선정된 이번 성과는 20일 개막하는 ‘프리뷰 인 서울 2025’에 소개된다. 

도 연구원은 “다양한 공기 부유 유해물질을 단일 시스템에서 관리할 수 있는 통합 솔루션이다”며 “향후 실증을 거쳐 요양시설, 어린이집과 같은 다중이용시설 적용을 추진할 계획이다”고 밝혔다.

[이채린 기자 rini113@donga.com]

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