광촉매 필터 단점 - gwangchogmae pilteo danjeom

[공기청정기②] 광촉매 공조 필터, '코로나바이러스 제거' 신기술로 떠올라

건설연 2016년부터 국가 과제 사업으로 연구...내달 혁신제품 등록 예정

임민주 기자

[국토매일-임민주 기자] 신종 코로나바이러스 감염증-19(COVID-19, 이하 코로나19)가 재확산 될 조짐이 보이는 가운데, 한국건설기술연구원(이하 건설연)에서 코로나바이러스 제거 성능을 갖는 항균·항바이러스 성능 공조 필터 모듈을 개발했다. 

해당 공조 필터 모듈은 메르스 사태 이후 2016년부터 국가과학기술연구회 미래선도형 융합연구단 사업 참여를 통해 건설연이 창출한 연구성과이며, 특히 코로나바이러스 제거 성능이 확인됨에 따라 코로나19 감염원을 통제할 수 있는 장치로서 큰 주목을 받고 있다.

◆ 코로나바이러스 등 다양한 세균·바이러스에 대한 우수한 항균·항바이러스 성능

코로나바이러스는 코로나바이러스 과(Family Coronaviridae)에 속하는 바이러스들을 지칭하며, 사람을 포함한 다양한 포유류에서 발견된다. 코로나바이러스는 그 종이 다양하다. 이 중 사람에게 영향을 미치는 휴먼코로나바이러스는 HCoV-OC43, HCoV-229E, HCoV-NL63, HCoV-HKU1 등이 있으며, 주로 호흡기와 소화기 감염병을 모두 유발하는 것으로 알려져 있다. 특히 중증 호흡기 증상도 유발하기 때문에 2003년 사스(SARS), 2015년 메르스(MERS), 올해 코로나19(COVID-19) 사태처럼 큰 인명피해를 초래하기도 한다. 

건설연이 개발한 항균·항바이러스 공조 필터의 핵심소재는 광촉매이다. 광촉매는 빛에너지를 흡수하여 촉매로서 광화학 반응을 개시·촉진하는 화합물을 지칭한다. 

건설연이 개발한 공조 필터에 적용된 광촉매의 경우, 빛에 의해 활성화될 때 소재 표면에 활성산소(Reactive Oxygen Species : ROS)가 형성된다. 이때, 소재 표면에 접촉한 감염원(세균, 바이러스)은 활성산소의 강력한 산화력에 의해 그 생체구조(Spike 또는 Virion)의 전부 또는 일부가 파괴되어 제거되거나 감염력을 상실하게 된다.

▲ 시험 대상 세균 및 바이러스를 UV에 의해 활성화된 광촉매에 노출시킨 결과, 아래 미생물에 대하여 99% 제거·불활화됨이 확인됐다.  © 국토매일

건설연은 광촉매 공조 필터 모듈이 실제 환경과 같이 조성된 챔버 공간에서 공기 중 부유되어 있는 대장균, 살모넬라균, 로타바이러스, 노로바이러스, 인플루엔자바이러스(H1N1), 박테리오파지(Qβ, MS-2) 등 다양한 세균 및 바이러스를 대상으로 그 종류에 상관없이 30분 내에 최대 99.9% 이상 제거하는 것을 확인했다.

▲ 광촉매 활성에 의해 휴먼 코로나 바이러스의 생체 구조(스파이크, 바이러스입자)가 파괴됨을 영상(TEM 촬영)으로 확인했다.  © 국토매일

또 해당 소재는 휴먼코로나바이러스(HCoV-OC43)에도 약 99% 항바이러스 성능을 갖는 것으로 확인됨에 따라, 최근 전세계적으로 문제가 된 메르스(MERS), 사스(SARS)를 비롯해 코로나19에도 효과가 있을 것으로 기대하고 있다. 

이는 메르스(MERS) 등의 감염병이 병원성은 다르나 코로나바이러스(MERS-CoV, SARS-CoV, SARS-CoV-2)로서 유사한 생체 구조를 갖고 있으며, 광촉매 소재 표면에 형성되는 활성산소가 이러한 바이러스의 생체 구조를 파괴하는 것을 확인했기 때문이다.

◆ 감염원 제거용 공조 필터로써의 우수한 사용성과 안전성

지난달 초 질병관리본부는 공기청정기 사용 자제를 권고한 바 있다. 이는 공기청정기 내 필터가 감염원에 오염될 경우, 공간 내 감염병의 확산 위험도가 높아질 수 있기 때문이다.

현재 사용되고 있는 대부분의 공기청정기는 헤파필터 등과 같이 유해물질(감염원 등)을 물리적으로 걸러내는 방식의 필터가 사용되고 있다. 그러나 이러한 필터는 필터에 누적된 감염원의 재배출 우려, 감염원으로 오염된 필터의 교체·폐기 문제 등이 문제점으로 지적되어 왔다. 

건설연이 개발한 항균·항바이러스 필터는 해당 필터를 통과하는 공기 내 세균, 바이러스 등의 감염원을 직접적으로 제거하는 방식의 필터이다. 따라서 감염원이 누적된 필터의 감염원 재배출 우려, 교체 및 폐기 문제 등 기존의 물리적 필터링 방식의 필터가 갖는 한계를 극복했다.

또한 건설연이 개발한 항균·항바이러스 필터는 감염원을 산화시키는 물질이 소재 표면에만 형성될 뿐 공기 중으로 방출되지 않으며, 관계법령을 통해 사용량을 제한하고 있는 중금속 등의 유해물질을 함유하고 있지 않다. 따라서 안전성 역시 담보할 수 있는 것으로 평가받고 있다. 

◆ 우수연구개발 혁신제품 지정 예고 및 기술이전 상용화 단계

▲ 서울역에 설치된 광촉매 필터가 장착된 대용량 공기청정기  © 국토매일

건설연은 지난 3월 항균·항바이러스 광촉매 공조 필터가 탑재된 공기청정기 45대를  대구·경북지역 선별진료소, 1대 총선시 서울 지역 투표소 및 개표소, 다중이용시설인 서울역사 등에 설치하고 운영했다. 

또한 현재 약 10여개 관련기업에 기술이전을 완료 및 진행 중이며, 이를 통해 항바이러스 기능이 구현된 장치의 상용화 및 대량 생산 체계를 구축 중이다.

지난 5월에는 개발된 필터가 과학기술정보통신부 우수연구개발 혁신제품으로 지정 예고 공고되었으며, 국외 연구기관과의 국제 기술 교류·협력도 진행 중이다. 

건설연의 구현본 수석연구원은 "감염병 2차 확산문제는 감염병 관련 국가 안전망 구축을 위해 반드시 해결해야 할 중요한 이슈이다"라며, "감염병 확산 위험이 저감·방지된 국민 생활 안전 환경 제공을 위한 기술 및 체계 개발에 박차를 가하고 있다"라고 밝혔다. 

또한 이를 위해 “감염병의 공기 중 확산방지를 위한 항균·항바이러스 공조장치 뿐만 아니라, 감염병의 접촉 확산 방지를 위한 항균·항바이러스 건설자재 역시 개발 중에 있으며, 이들 핵심장치를 이용한 다중이용시설, 대중교통 등에 적용 가능한 다양한 상시 방역 시스템 구축 기술과 감염병 재난 발생시 실효적 대응을 위한 긴급의료시설 구축 기술 등의 개발을 추진 중에 있다”라고 밝혔다.

입력 2020-12-21 13:29 | 수정 2020-12-21 13:29

▲ ⓒ마콤

코로나19로 방역 소독시장이 뜨거워지고 있는 가운데 바이러스 박멸 무기로 광촉매의 업그레이드 버전인 무광(無光) 촉매가 새롭게 주목을 받고 있다.

햇볕(자외선)에 소독 기능이 있는 듯이 광촉매(이산화티탄·TiO2)는 가시광선을 받으면 공기 중의 유해 물질을 이산화탄소와 물로 분해, 제거한다. 1960년대부터 일본에서 연구가 시작돼 살균, 탈취 제품으로 개발 경쟁이 치열하다. 

초창기에는 배기가스나 미세먼지, 황사 등 오염물질을 방지하는 데 쓰이다가 태양광에만 반응하던 광촉매가 실내조명에도 반응하면서 새집증후군 해결, 신차 냄새 분해, 의료시설 방역 등으로 확대되기 시작했다.

광촉매는 햇빛이나 전등 불빛의 에너지를 받으면 작용하여 아무런 살균제나 소독제 없이 박테리아, 바이러스 등을 사멸시키는 기술의 물질이다. 

병원 내 감염관리에도 쓰인다. 환자의 입원복, 침대시트 커버, 베개, 의료진의 가운 등에 광촉매를 처리하고 병원 벽면, 바닥 등 시설물에 광촉매를 코팅하는 방법이 활용된다. 

한 번만 코팅하면 지속적으로 효과를 유지하는데 병원 내 세균이 코팅 처리된 표면에서 사멸한다. 일본 도쿄에서는 이미 10여 년 전부터 70% 이상의 병원들이 이런 기술을 통해 원내 감염을 막고 있다.

지난 2015년 청주대학교 응용화학과 최세영 교수는 메르스가 창궐하자 감염병의 방어 기술로 화학기술 중 하나인 광촉매 기술을 확대해야 한다고 주장한 바 있다.

최 교수는 2005년 세계 최초로 빛이 없어도 살균 기능을 강력하게 발휘하는 자기구동형 무광촉매(Self-Actuated Non-Photocatalyst)를 개발했다. 

2013년 가시광선 감응형 광촉매의 개발연구에 대한 업적을 인정받아 영국 캠브리지 국제인명센터(IBC·International Biographical Centre)의 '2013 세계 100대 과학자에 선정된 인물이다.

광촉매제 사용이 보편화된 일본과 달리 우리나라 광촉매 시장은 그리 큰 편은 아니지만 코로나19의 창궐로 최근 수요가 늘기 시작했다. 

최근 광촉매 시장의 급증으로 국내에는 10여개사가 광촉매 코팅제 시공 대리점만 전국적으로 200여개 운영하고 있는 것으로 추산되고 있다. 

광촉매 자체는 반영구적으로 효과가 지속되며 조명에 반응하므로 코팅이 잘 되면 살균 효과지속력이 어느 물질보다 뛰어나다. 

다만, 실내에선 빛이 적어 유기화합물 분해속도가 느려진다. 분해 과정에서 새로운 유해 물질을 방출할 가능성도 높다는 게 문제점이다. 

이를 개선한 무광촉매는 빛이 없는 실내에서도 살균 활동을 일으킨다. 최근엔 FDA의 피부 자극 테스트, 용출 테스트, 세포 독성 테스트 등을 통과한 ‘마프 필터’ 등 인체무해성이 입증된 친환경 필터가 출시되고 있다.

무광촉매 필터 회사인 커넥트컴의 엄윤주 팀장은 “무광촉매 필터는 기존 공기청정기 필터에서 논란이 되고 있는 가습기 살균제 독성물질인 CMIT계열과 OIT 등의 물질과는 다른 제품으로 독성의 우려가 전혀 없다”고 밝혔다. 

이어 “일반 광촉매 제품이 광원이 있어야 작용을 했던 것에 비해 무광촉매 방식의 ‘마프 필터’는 빛이 없이도 상시 작용하여 UV 램프를 설치하는 등 에어컨, 공기청정기의 구조 변경을 하지 않고도 쉽게 적용 가능하다”고 설명했다. 

일반 조건 하에서 최대 1년 이상 효과가 지속되므로 더욱 경제적이다. 탈취와 미세먼지 제거 효과도 강력해서 0.3㎛ 이하 초미세먼지의 제거 효율도 크게 향상된다. 

무광촉매의 살균은 촉매의 전자가 빛이 없어도 공기 중의 산소와 결합해 세균의 세포막을 분해하는 기술에 있다. 

광촉매와 마찬가지로 이산화티탄으로 코팅된 표면에서 전자(e-)와 정공(h+)이 생성되고 여기서 생성된 전자가 공기 중의 산소, 수분과 반응해 산소 음이온과 하이드록시 라디칼을 생성해 바이러스와 박테리아의 세포막을 분해한다. 

바이러스, 슈퍼 박테리아, 대장균, 곰팡이, VOCs, 생활 악취 등 온갖 화학유기물을 분해·제거할 수 있는 신기술이다. 

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