공기청정기는 자연에서 멀어져서 생활하고 있는 대도시에서는 매우 필요한 가전제품입니다
대도시에서는 자동차의 배기가스, 산업공해, 미세먼지, 황사등의 대기오염이 심각한데 특히 초미세먼지는 호흡기 질환, 알레르기, 심혈관계 질환을 유발할 수 있어 실내 공기의 관리는 필수적입니다 또한 실외보다는 실내환경에서 오염물질이 더 농축될 수 있어서 공기청정기의 역할이 더 중요합니다
더욱이 흡연하는 가정이나 애완동물을 키우는 가정에서는 더욱 필요하며 특히 아토피, 천식 등의 질환이 있는 사람들에게는 매우 필수적인 가전제품이라고 할 수 있습니다
공기청정기에서 가장 많이 쓰이는 정화방식은 필터를 이용해 유해물질을 필터링하는 방식인데 이 외에도 정전기를 이용해 먼지를 흡착시키는 방식, 플라즈마를 이용한 방식등이 있습니다
이 글에서는 공기청정기의 필터를 이용한 정화방식과 정전기와 플라즈마를 이용하는 방식, 그리고 현재 상용화를 위해서 연구하고 있는 거미줄을 이용한 필터의 가능성에 대해서 알아보겠습니다
필터를 이용한 방식
필터를 이용하여 유해한 입자와 먼지를 걸러내는 방식인데 필터의 종류는 다음과같습니다 필터는 몇 단계의 과정을 거쳐서 필터링합니다
●이온화필터: 음이온을 방출하여 공기 중의 오염물질을 응집시키고 제거하는 방식입니다
●활성탄필터:는 활성탄의 기공의 구조와 분자간의 상호작용에 의하여 유기화합물이나 냄새, 유해가스등을 흡착하는 원리입니다
●헤파필터: 플라스틱 섬유의 일종인 폴리스티렌과 고밀도의 부직포로 만들어지는 필터인데 미국과 소련이 핵공격에 대비하기 위하여 만들었는데 주로 반도체 공장등의 산업현장에서 주로 사용하였지만 유해물질에 대한 일반 가정의 경각심이 떠오르면서 공기청정기의 가장 주요한 필터로서 사용되고 있습니다
헤파필터는 0.3마이크로미터 크기의 초미세 먼지를 99.97% 이상 걸러낼 수 있으며 알레르기 유발 물질과 박테리아까지 효과적으로 제거할 수 있다고 합니다
정전기적 원리
공기청정기는 주로 필터링 방식으로 만들어지나 일부 공기청정기에는 정전기적인 원리가 적용되기도합니다
공기청정기 내부에 정전하를 발생시켜 공기 중의 미세먼지를 끌어당겨서 필터에 부착시키는 방식입니다
이 방식은 에너지 효율이 높고 필터의 수명을 연장시키는 장점이있습니다
플라스마 및 광촉매 기술
플라스마란 이온화된 기체를 말하는데 기체분자가 강한 에너지에 부딪치면 전자, 이온, 중성원소, 광자로 쪼개지게 됩니다 이렇게 전하를 띤 양이온과 전자들이 구름같이 모여있는 상태를 플라스마라고 하는데 이렇게 이온화된 입자들을 활용하여 바이러스등 유해한 입자들을 제거하는 방식인데 공기청정기의 내부에 고압 발생기를 설치하고 이 발생기 안에 오염된 공기를 넣어주면 고전압을 받은 유해한 물질들이 오존과 이온으로 변화되어 정화되는 방식입니다
광촉매 방식은 이산화티타늄, Cds, Tio2,페롭 스타아트 형 금속산화물등의 광촉매 물질을 이용하는데 광촉매물질들을 모아놓은 알맹이에 자외선을 비추면 여러 가지 유해한 물질들을 파괴하여 공기를 정화시킵니다
거미줄을 이용한 필터의 가능성
오래된 건물이나 후미진 곳을 지나가다보면 거미줄을 볼 때가 있습니다 우리가 볼 때는 쓸모없어 보이는 가느다랗고 먼지와 같은 물질로 보일지 모르지만 이 거미줄은 단백질이 아주 정교하게 엮여져서 이루어져 있는 강철보다 강한 섬유라고 합니다 이 거미줄의 단백질은 스피드로인이라는 물질로 되어있는데 거미의 끝 부분에 있는 거미줄돌기에서 나옵니다
이 물질은 젤리처럼 되어있다가 밖으로 나오면 공기 중의 산소와 만나 산화가 되면 실로 바뀐다고합니다
스웨덴의 한 연구진들은 이 거미줄이 나오는 거미의 꽁지에 있는 기관을 모방하여서 한 기관을 만들어 대장균이 이 단백질을 생산하도록 하였다고 합니다 그리고 이 단백질이 산화되도록 조절하여 거미줄과같은 실을 만들었다고 합니다
거미줄은 매우 특이한 물질이라서 여러 분야에서 연구하여 다용도로 활용되고있는데 기능성 운동복, 경량패딩, 방탄복등 의류계에서 많이 활용하고 있고 의료계에서도 수술용 실로 사용하고 있다고 합니다
●거미줄의 정전기적 특성과 초소수성
거미줄은 탄성과 강도뿐 아니라 정전기적인 특성과 물에 흡수되지않고 튕겨내는 초소수성까지 있다고 합니다
거미줄의 정전기적 특성은 거미줄 옆을 지나가는 곤충이나 여러 물질들을 포집할수있는데 재료공학 연구자들은 거미줄의 이러한 특성을 이용하여 필터의 실용화를 위해서 연구 중에 있다고 합니다
그러나 거미는 서로 싸우고 죽이는 성질이 있어서 자연적인 방법으로는 대량생산이 불가능하므로 윗 글의 스웨덴의 연구진의 실험처럼 박테리아, 곤충, 식물등의 유전자를 이용하여 대량생산하는 방법밖에 없는데 만일 이러한 방법으로 거미줄을 대량생산하게 된다면 그 생성된 줄에 전기방사나 스핀코팅을 해서 전하량을 증가시켜서 유해한 물질을 더 강력히 포집할 수 있는 강력한 필터를 만들 수 있으며 거미줄의 초소수성 성질을 유지하기 위해서는 불소계 물질이나 실리카 나노입자를 코팅하여 수분에 의하여 손상되지 않는 필터를 만드는 것이 가능하다고합니다
필터의 구조는 3D프린팅 기술을 이용해서 섬유망 형태로 배열하는 방법이있다고합니다
만일 거미줄을 이용한 필터가 만들어진다면 헤파필터보다도 작은 나노입자까지도 제거할수있을뿐만 아니라
자연친화적인 소재이기때문에 지속적으로 사용할 수 있을 것입니다