바람이용 미세먼지 제거 기술 개발
3D 프린팅 기술기반 무전원‧무압력

  • 423호
  • 기사입력 2019.07.05
  • 편집 이수경 기자

신소재공학부 김상우 교수 연구팀(공동 제1저자 윤홍준 박사, 김동훈 연구원, 승완철 박사)이 3D 프린팅 기술을 이용하여 실생활 속에서 마찰 정전기를 활용한 무전원‧무압력손실 미세먼지 포집 시스템을 국내 최초로 구현 및 개발했다고 밝혔다. 이로써 별도의 전력 없이 우리 주변에 흔히 존재하는 바람(실외 자연바람, 자동차의 주행풍, 건물 내 공조)을 활용하여 실내외 미세먼지를 제거할 수 있게 되었다.


미세먼지는 오존 등과 같이 대기오염물질의 주범으로 인식되고 있으며 1급 발암물질로 지정되어 있다. 미세먼지의‘매우 나쁨 수준’은 담배연기를 8평 공간에서 1시간 24분, 매연을 3시간 40분 동안 마신 것과 동일하다. 이에 최근 효과적으로 미세먼지를 제거할 수 있는 연구들이 산학연에서 활발하게 진행되고 있으나, 현존하는 기계식 필터는 과도한 압력손실이 발생되고 재사용이 불가하고 폐기물을 형성하며, 전기식 필터는 많은 공간과 큰 전력이 필요하고 인체에 유해한 오존이 다량 발생하는 등 한계가 있었다. 특히 실외의 미세먼지를 효과적으로 제거할 수 있는 기술은 거의 전무했다.


이에 연구팀은 3D 프린팅 기술로 표면적이 극대화된 고분자 물질 융모구조(villus structure)를 구현했으며, 바람을 활용하여 다수의 마이크로미터 크기의 고분자 볼(ball)과 융모 구조와의 마찰접촉을 극대화시켜 효과적으로 마찰정전기를 발생시킬 수 있었다. 발생된 마찰정전기를 이용하여 압력손실 없이 건물 내 미세먼지 제거가 가능할 뿐만 아니라 실외에 항상 존재하는 바람에 의해서도 전원 공급 없이 실외 다량의 미세먼지를 손쉽게 대량으로 포집 가능함을 확인했다.


 연구팀은 마찰물질을 통한 자가 발전으로 외부 전력을 사용하지 않고 미세먼지를 압력손실 없이 포집할 방법을 본 연구에서 개발했다. 내부에 형성되어 있는 대전 매개체가 바람에 의한 마찰을 통하여 외벽전체가 대전이 되며 먼지들이 포집될 수 있는 포집부 역할을 한다. 마찰대전에 의해 생성된 전하는 3D 프린팅 기술로 높은 표면적을 지닌 외벽과 불소계열 구체(Polytetrafluoroethylene; PTFE)를 대전시키고, 이를 통과하는 미세먼지는 효율적으로 포집된다. 이는 기계식 필터 기반 조밀한 면에서의 물리적 입자 포집 및 전기식필터 기반 고전압을 사용한 대기방전에 의한 포집과는 다르게 압력손실이 거의 발생하지 않으며, 외부 전력 없이 접촉대전을 이용하여 마찰정전기를 발생시켜 미세먼지를 포집할 수 있는 새로운 기술이다.


 연구팀이 개발한 마찰정전기를 이용한 미세먼지 필터는 나노미터 수준부터 마이크로 단위의 미세먼지 제거가 가능하고 압력손실이 거의 발생하지 않기 때문에 순환시스템의 에너지 효율을 극대화할 수 있으며, 세척을 통한 재사용이 가능하여 폐기물이 발생하지 않고, 대전을 형성할 때 오존을 발생하지 않으므로 안전하게 사용할 수 있는 등 다양한 장점을 보유하고 있다.


 김상우 교수는 “이 연구는 마찰정전기를 활용한 자가발전의 미세먼지 제거 기술로 기존의 필터가 가진 소재적, 구조적 한계를 극복한 스마트 필터를 개발한 것이다. 향후 무전원의 미세먼지 제거 기술로 에너지 저감형 공조시스템(클린룸), 전기자동차의 무전원 에어필터, 일반 가정의 환기시스템, 숨쉬기 쉬운 마스크 등에 적용할 수 있으며 특히 실외의 미세먼지를 효과적으로 제거할 수 있는 기술로도 사용될 수 있으리라 기대된다”고 말했다.


 이 연구 성과는 미래창조과학부·한국연구재단 기초연구지원사업 중견연구자지원사업(도약)과 한국화학연구원 주요사업(3D Device Printing기반 HMI용 One-patch 소자 개발)의 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 국제학술지 나노에너지(Nano Energy) 7월 4일 온라인으로 게재되었다.



[그림 1] 3D 프린팅 마찰전기 기반 미세먼지 필터시스템 평가

그림설명 :  a 3D 프린터를 이용한 마찰전기 기반 미세먼지 필터시스템 제작. b 융털모방 구조의 개수에 따른 표면적 및 이에 따른 마찰전기 증가를 실험적으로 확인. c 진폭 변화에 따른 마찰전기 특성 평가. d 진동수 변화에 따른 마찰전기 특성 평가. e 필터 물질(PTFE)의 채움부피에 따른 마찰전기 특성 평가. f 회전수 변화에 따른 마찰전기 특성 평가.



[그림 2] 마찰전기 기반 미세먼지 필터시스템의 집진특성

그림설명 : a 다중물리현상 시뮬레이션을 통한 미세먼지 집진 특성 예측. b 마찰전기 특성에 따른 미세먼지 집진 특성 계산 및 평가시스템. c 미세먼지 집진시스템의 개념도. d 마찰전기 기반 필터시스템의 특성 평가를 위한 시스템 실제 이미지. e 필터 물질 표면에 집진된 미세먼지를 확인. f 시간에 따른 집진된 미세먼지(PM2.5) 평가.