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연구성과 사례
占쏙옙占쏙옙占� 공기매개 박테리아 박멸, ‘플라즈마 공기살균청정기’ 기술 |
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 ‘다품종 소량생산’ 고부가가치 금형 제작, 3D 프린팅 기술로 최적화 |
공기매개 박테리아 박멸, ‘플라즈마 공기살균청정기’ 기술
울산본부 첨단정형공정연구그룹 최준 박사(그룹장)
울산본부 첨단정형공정연구그룹 최준 박사 ⓒ한국생산기술연구원
세계보건기구(WHO)와 미국 질병통제예방센터(CDC) 등은 최근 공식적으로 코로나19의 주요한 전염 경로에 공기 매개 전염을 추가했다. 코로나19 이외에도 수두와 결핵, 인플루엔자 등의 질병은 공기를 매개로 전염될 수 있는 것으로 알려져 있다. 이에 따라 공기 매개 전염병의 확산을 막기 위해 박테리아, 바이러스 등 병원체를 효과적으로 제거할 수 있는 공기정화 기술에 관심이 집중되고 있다.
살균 특화 저온 플라즈마 발생기술·전원장치 기술 개발해 사업화·제품화
한국생산기술연구원 울산본부 최준 첨단정형공정연구그룹 수석연구원은 지난 2018년 공기 중에 부유하는 박테리아를 제거하기 위한 저온 플라즈마 발생기술과 전원장치 기술을 개발하고 이를 사업화·제품화하는 데 성공했다. 플라즈마를 발생시키는 전원 특성인 주파수와 전압 등을 제어해, 플라즈마 내의 고농도 OH·O 라디칼/활성종을 생성하는 이온화가스가 공기 중의 병원성 박테리아를 제거하는 것이 주요 원리다.
고체, 액체, 기체에 이어 물질의 ‘제4의 상태’로 불리우는 ‘플라즈마(Plasma)’는 전자, 이온 등의 입자로 나누어진 이온화된 기체 상태를 가리킨다. 산업용으로 반도체의 회로 문양(패턴)을 만드는 공정인 식각 공정에 활용된다. 또한 고출력 전원을 이용해 공업용 절단기, 피부과의 노화방지 치료 등을 위해서도 사용된다. 최근 피부과 이외에도 의료 분야에서 활용이 늘어나고 있는 추세다.
국내에서 공기살균청정기에 적용되는 살균 기술은 자외선(UV) 살균램프를 활용하거나, 여기에 광촉매를 함께 활용하는 제품이 대부분이다. 하지만 해외에서는 스위스 브랜드인 부불루테(Wulute) 등 플라즈마를 이용한 살균 기능 특화 제품이 의료 및 산업용으로 고가에 출시되고 있다.
플라즈마 발생 전원 제어해 활성종 생성 이온화가스로 공기 중 병원체 제거
플라즈마를 활용하는 제품이 경쟁력이 있는 이유는 자외선 램프 제품에 비해 살균 성능은 훨씬 높고 파손의 우려는 훨씬 적기 때문이다. 또한 플라즈마를 활용한 제품은 대용량으로 만들기에도 유리하다. 플라즈마 발생 공정에서 부생하는 오존을 최소화하는 기술만 갖춘다면 성능은 월등하다.
이번에 기술을 개발하고 상용화한 제품은 사실 국내 최고만 아니라 세계 최고라고 해도 손색이 없는 제품이다. 최준 박사 연구팀이 개발한 기술은 공기 중 세균을 제거해 공기 질을 개선하기 위한 살균 성능에 최적화된 대기압 플라즈마 발생용 전극 제작 기술을 기반으로 한다. 이를 위해 연구팀은 양면 방전 플라즈마 발생장치와 시스템을 개발하고, 플라즈마의 광학적 진단을 통해 공기 중 박테리아의 제거에 기여하는 플라즈마 내의 활성종(Reactive Species)을 측정하고 분석했다.
최준 박사(오른쪽)와 연구팀원이 플라즈마의 동작 특성을 분석하고 있다. ⓒ한국생산기술연구원
“사실 2020년 이전에는 공기청정기에 바이러스를 제거하거나 여과하는 성능에 대해서는 업계 사람들만 주목하는 정도였습니다. 하지만 2020년부터 이러한 기술에 일반인들도 관심을 갖게 됐어요.”
최 박사에 따르면 이번에 개발해 상용화된 제품은 박테리아를 제거하는 성능에 초점을 뒀지만 최적화 작업만 거친다면 바이러스를 제거하는 공정 기술을 개발하는 것은 그렇게 어렵지 않다고 한다. 또한 휘발성 유기화합물도 여과해 제거할 수 있는 기술도 함께 적용할 수 있다.
앞서 언급한 대로 플라즈마가 발생되면서 호흡기에 영향을 주는 오존(O₃)이 과량 생성되는데, 이를 실내공기청정기 오존 발생 기준치에 비해서도 극미량만 생성되도록 플라즈마를 제어하는 기술을 개발해 인체 무해성을 더욱 높였다.
플라즈마 생성용 전극에 최적화된 전원공급장치도 설계해 제작했다. 디지털 회로 노이즈에 영향을 받지 않도록 아날로그 소자를 사용했고, 피드백 제어를 구현해 플라즈마 변화에 관계 없이 일정하게 전원을 공급할 수 있게 했다.
또 소자 역할별 최적 내전압과 용량을 적용해 3W로 30평형 공기살균을 할 수 있는 플라즈마 발생장치도 개발했다. 이는 기존 제품 최고 성능에 비해 소비전력은 40%, 제작비용은 80% 줄이는 동시에 처리속도는 오히려 10배 향상시킨 획기적인 기술이다. 이렇게 개발된 플라즈마 발생 전극과 전용 전원을 결합해 최적화된 공기 중 박테리아 제거 모듈을 개발했다.
박테리아 제거 성능 확인을 위해 연구팀은 공인 시험 환경과 유사한 측정 시스템을 구축했다. 수용액 상태의 박테리아를 네뷸라이저에 넣어 공기 중에 분무하고 공기를 순환시킨 뒤 박테리아 제거 모듈을 10분간 작동하자, 박테리아의 74%가 제거되는 것을 확인했다. 이는 스위스의 W사 제품을 동일 조건에서 실험한 결과와 비교하면 약 16% 가량 더 높은 제거율이다.
화학공학, 생물학, 물리학, 전자공학, 전기공학 등 융합해 개발한 신기술
이 기술을 활용해 만들어진 공기 살균 청정기는 그람양성균인 표피포도상구균을 60m³ 공간에 초기농도 1.67 × 10³ CFU/m³로 맞춘 상황에서 1시간 작동 시, 실내 공기 중 박테리아를 99.8% 제거하는 성능이 확인됐다. 이에 비해 오존 배출량 역시 0.003ppm으로 가장 적었다. 특히 타 시험 기관보다 더욱 엄격한 시험 기준을 적용하는 한국산업기술시험원(KTL)에서 인증된 공기살균청정기 가운데 유일하게 99% 이상의 살균 성능을 보인 점은 커다란 성과다.
특히 이번 연구는 단과 학문에 기댄 기술이 아니라, 화학공학, 생물학, 물리학, 전자공학, 전기공학 등 다양한 학문을 융합해 공기 중에 떠도는 박테리아나 바이러스를 제거할 수 있는 기술을 개발했다는 데 큰 의미가 있다. 플라즈마 처리로 세포벽을 산화시켜 박테리아를 제거하는 것은 화학 공학이나 생물학 기반 기술, 박테리아 제거용 플라즈마 발생 장치는 물리학과 전자공학, 플라즈마 부하 특성을 반영한 전원 및 회로 설계와 최적화는 전기공학의 영역이다.
상용화 제품은 이미 부산의료원, 울산병원, 경상대병원 등 20여개 의료기관과 인천항만공사, 국립목포해양대학교 등 다양한 기관에 납품돼 그 성능을 인정받고 있다. 제조업체와 협의해 이들 기관에 공기살균청정기를 납품한 것은 코웨이나 삼성전자 등 대기업과 경쟁해도 손색이 없다는 것을 증명해 보이기 위해서였다.
결과는 성공이었다. 특히 인천항만공사에서는 이 제품이 설치됐던 공간에서만 새로 지어진 건물 특유의 냄새가 나지 않았다는 해당 기관 직원들의 보고도 있었다. 휘발성유기화합물 등 유해 기체를 탈취하는 성능이 간접적으로 입증된 것이다. 이 때문에 제조 판매업체에는 추가 주문이 들어오기도 했다.
“공기살균청정기 제품이 신뢰성을 확보하기 위해서는 먼지를 제거하고, 박테리아와 바이러스 등 병원체를 제거하거나 여과하는 확실한 원리가 나와야 한다.”고 강조하는 최 박사는 “저희 연구진과 협력기업도 확실한 가능성 있는 제품을 위주로 기술을 개발하고 사업화를 하고 있다”고 덧붙였다.
최 박사에 따르면 바이러스를 제거하는 ‘확실한 원리’를 찾아내는 데에 현실적인 난관이 없지 않다. 바이러스 제거 실험은 현재 실시하기 어렵지만, 박테리아를 숙주로 두어 생존하는 바이러스의 특징에 의해 성능을 충분하게 추정할 수 있다는 게 최 박사의 설명이다. “바이러스에 최적화된 모듈 개발과 실증 실험을 위해 국내외 다양한 시험 인증기관이나 관련 스타트업에 계속 제안하고 있습니다.”
전염병 취약한 소규모 의료기관 박테리아·바이러스 관리 가능…적용범위 무궁무진
최근 들어 최준 박사 연구팀이 주목하고 있는 곳은 요양병원 등의 소규모 의료기관이다. 대학병원과 대형 의료기관은 사스(SARS, 중증급성호흡기증후군)와 메르스(MERS, 중동호흡기증후군), 코로나19 등 전염성 질환의 대유행을 겪으면서 감염 관리가 꼼꼼하고 철저한 편이다. 하지만 요양병원은 공조 설비가 취약한 곳이 대부분이다. 환자들의 특성상 마스크를 철저히 착용시키기도 쉽지는 않다. 환자들은 대부분 거동이 불편해 한 명이 전염성 질환에 감염되면, 결국 시설에 수용된 많은 사람이 감염된다.
최 박사는 "요양병원에서 전염성 질병 예방 효과가 직간접적으로 입증된다면, 아파트 단지나 오피스 빌딩, 대형 상가, 식품 및 바이오 산업공장 등 다른 곳에도 확산시킬 수 있다"며 "이를 위해 한 스타트업 연구소 기업과 함게 공기살균청정기에 장착하는 바이러스 제거 모듈 제작을 협의 중"이라고 말했다.
한편 이 기술을 활용해 공기청정기 신제품을 만든 또 다른 A사는 해당 품목 하나로 2019년 7월부터 1년간 평균 매출액 대비 10억원을 초과 달성했다. 같은 해 영국무역기업 와이즈버리랩스와 12억원(100만 달러) 어치의 수출 계약 MOU를 맺기도 했다.
이번에 개발된 기술은 한국기계기술단체총연합회 선정 ‘2020 올해의 10대 기계기술’로 선정됐다. 특허 출원한 기술은 3건으로 그 중 한 건은 정식 등록됐다. 또한 최준 박사 연구팀 연구원들은 이 기술 개발과 연관된 주제로 한국전자파학회 우수논문상, 한국진공학회 으뜸포스터발표상 등을 받았다.여기에 ‘2020 출연(연) 우수 연구성과’ 연구회 이사장상을 수상하며 기술에 대한 우수성을 입증 받기도 했다.
최준 박사(오른쪽 아래)와 연구팀원들이 플라즈마 분석 장비 앞에서 포즈를 취하고 있다. ⓒ한국생산기술연구원