- 서울대 고승환 교수팀, 미세 버블 기반 친환경 공기 정화 기술 개발

- 인체 호흡기 모사, 미세먼지와 이산화탄소 동시 제거

- 필터 폐기물 없는 친환경 기술로 기존 필터 대체 가능성 제시

서울대 고승환 교수팀이 인체 호흡기를 모사하여 미세먼지와 이산화탄소를 동시에 제거하는 미세 버블 기반 친환경 공기 정화 시스템을 개발했다. 이 기술은 필터 폐기물이 없어 기존 필터 시스템을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

폐기물이 나오는 기존 고체 필터 대신 물을 이용한 미세 버블을 필터로 사용한 친환경 공기 정화 시스템 기술이 개발됐다. 

한국연구재단은 고승환 교수(서울대학교) 연구팀이 인체를 모사해 실내의 미세먼지를 제거하고 휘발성 유기화합물을 실외로 배출할 수 있는 순환식 공기 정화 시스템을 개발했다고 밝혔다. 

밀폐된 실내 환경에서의 가장 큰 문제는 산소 감소와 이산화탄소 축적, 미세먼지, 휘발성 유기화합물 등으로 인한 공기 오염이다. 환기가 필수지만 외부 오염물질 유입의 위험이 있어 고도화된 정화 방법이 요구된다. 

기존 사용되고 있는 여과식 필터는 미세먼지 축적에 따른 성능 저하 및 휘발성 유기화합물과 같은 분자 상 물질 제거의 어려움으로 인한 문제에 직면해 있어, 밀폐된 실내 환경에 적용하기에는 적합하지 않다. 

또한, 주기적으로 청소와 교체가 필요한 필터로 인해 발생되는 폐기물로 환경 오염이 대두되면서 새로운 개념의 친환경적인 공기 정화 기술이 필요한 상황이다. 

이에 연구팀은 인체의 호흡기와 순환계의 기체 교환을 모사, 밀폐된 실내의 미세먼지를 제거하는 동시에 축적된 이산화탄소를 배출해 부족한 산소를 공급할 수 있는 종합 공기 정화 시스템을 개발했다.

인체의 순환계와 호흡기관을 살펴보면 외부로부터 오염물질의 유입을 막으면서 혈액이라는 매개체를 통해 세포에 필요한 산소를 공급하고, 필요 없는 이산화탄소는 외부로 배출한다. 이때 폐포와 모세혈관에서 자연스러운 기체 교환이 이뤄지면서 외부 환경으로부터 미세먼지의 유입을 차단하는데, 이 과정에서 신장을 통해 노폐물이 배출된다. 

연구팀은 이 부분에서 영감을 받아 혈액 순환을 모사한 물 순환 시스템을 구현했고, 이를 통해 실내 공기의 이산화탄소 농도까지 정상 유지할 수 있음을 선보였다. 또한, 레이저 기술을 활용해 개발한 탄성 필터가 기존의 버블 제작 방식보다 작고 균일한 미세 버블을 형성함을 입증했다.

마이크로 버블 기반 기체 교환 시스템은 간단한 원리와 구조로 이루어져 있어, 장치의 크기 또는 개수를 증가만으로 스케일업이 가능하다. 탁상형 또는 차량용 소형부터 사무실, 회의실 등과 같은 대형 공간까지 적용 가능하며 이에 대한 가능성을 실험적으로 증명했다. 

고승환 교수는 이번 연구성과에 대해 “여과식 필터 대신에 물을 사용한 간단한 원리로 공기 중에 존재하는 오염 입자부터 분자까지 동시에 정화할 수 있을 뿐만 아니라 필터 폐기물 없는 친환경 기술로 기존의 필터 시스템을 대체할 수 있을 것”이라고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료 분야 국제 저명학술지‘어드벤스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 10월 10일 게재되었다.

(그림1) 인체 순환계/호흡기관 모사 공기 정화 시스템의 개념 및 실제 구성 모습

(A) 좌) 인체 내에서 일어나는 기체 교환과 노폐물 배출 과정의 모식도. 우) 인체와 유사한 구조의 순환식 공기 정화 시스템 구조 모식도.

(B) 물, 기체 교환 장치, 순환 펌프로 이루어진 순환식 공기 정화 시스템의 구성 모습.

(C) 마이크로 버블을 이용한 기체 교환 장치의 구조 및 탄성 마이크로 기공 필터 모습. 실제 마이크로버블 발생 시 초고속 카메라 사진.

[그림설명 및 그림제공 : 서울대학교 기계공학부 고승환 교수]

(그림2) 인체 모사 순환식 공기 정화 시스템의 미세먼지 및 CO2 제거 성능 평가 

(A) 밀폐된 공간의 미세먼지(PM) 제거 과정 사진. 다양한 미세먼지 크기에 대한 필터 효율 측정 결과.

(B) 밀폐된 공간의 이산화탄소 제거 과정 사진. 물 순환 속도에 따른 CO2 제거 성능 측정 결과.

(C) 호흡에 의한 실내 산소 부족/이산화탄소 축적 문제 확인 및 해결을 위한 동물실험. 순환식 공기 정화 시스템 작동 여부에 따른 쥐의 활동량 측정.

[그림설명 및 그림제공 : 서울대학교 기계공학부 고승환 교수]