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항균·항바이러스 효과 뛰어난 갈륨-구리 합금 소재 코팅 섬유필터 개발 바이러스 2차 전파방지 실마리 2021-10-25
한음표 기자 hup@mtnews.net

[기계신문] 기존에는 다공성 막의 선택적 여과나 정전기적 방식의 흡착에 의해 병원체를 보호하는 장비들이 사용되어 왔다. 하지만 코로나19와 같이 바이러스의 진화에 의해 숙주가 없는 환경에서도 폴리에스테르, 순면 및 폴리 코튼과 같이 장시간 생존이 가능해져 2차 감염이 우려될 수 있다.


이를 타개하기 위해 보호 장비 표면에서 병원체를 빠른 시간 내에 사멸하는 방식으로 전환하고 있지만, 항균·항바이러스 성능이 기대치 에는 못 미치는 상황이다.


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 소개됐다.


성균관대 화학공학과 김태일 교수 연구팀이 미국 노스캐롤라이나주립대 Michael Dickey 교수팀 및 호주 RMIT대학 Vi Khanh Truong 박사팀과 공동으로 기계적 특성이 우수하며 항균·항바이러스 효과가 뛰어난 기능성 소재가 코팅된 섬유 필터를 개발했다.



▲ 필터에 코팅 가능한 갈륨-구리 합금의 생성 메커니즘. 갈륨-구리합금 필터 표면 SEM 이미지(상단 오른쪽) 및 항균 및 항바이러스 효과를 갖는 필터로의 활용 가능성에 대한 일러스트 이미지



기존 다공성 필터를 이용한 선택적 여과나 정전기적 흡착 방식은 병원체를 제거하는 것이 아닌 걸러내기 위한 것으로 필터 표면의 오염문제가 남는다. 구리 같은 항균·항바이러스 소재로 필터 표면을 코팅하는 방식이 대안으로 꼽히며 코팅의 밀착력과 항균·항바이러스 효과를 높이기 위한 연구가 이뤄져 왔다.


이에 연구팀은 액체 금속인 갈륨을 도입, 구리의 항균·항바이러스 효과는 높이는 한편 보다 균일하고 안정적인 코팅에 성공했다. 섬유와 친화력이 뛰어난 액체 갈륨을 섬유에 분사한 후, 이들 갈륨과 구리 이온과의 자발적 화학반응을 유도해 그 위에 갈륨-구리 합금 소재를 형성한 것이다.


나아가 코로나19와 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 장점이다.


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.



▲ 기능성 소재 코팅된 섬유 특성 평가와 항박테리아 및 항바이러스 효과



액체금속 매개의 갈륨-구리 합금의 기능성 항균·항바이러스 소재를 코팅하는 방식은 살균력이 높으며, 섬유와 입자간 기계적 강도를 향상시킴에 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 코로나19와 같은 새로운 병원체의 2차 감염을 막으며 보호장비의 필터나 섬유 표면에 활용 가능하다고 보여진다.


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


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


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한음표 기자 hup@mtnews.net

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