May 19,2019

미세먼지 마스크에 숨겨진 과학

정전기 활용해 포집…재사용 바람직하지 않아

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미세먼지 문제가 국가적 재난 수준으로까지 번지면서, 이를 차단할 수 있는 마스크에 대한 관심도 자연스럽게 올라가고 있다.

불과 얼마 전까지만 해도 마스크에 대한 관심은 그리 크지 않았다. 대부분 미세먼지가 보통 수준을 기록했기 때문에 시중에서 흔히 구할 수 있는 평범한 마스크만 착용해도 건강을 우려할 필요가 없었던 것.

미세먼지 문제가 재난 수준으로까지 이어지면서, 이를 차단할 수 있는 마스크에 대한 관심이 높아지고 있다

미세먼지 문제가 재난 수준으로까지 이어지면서, 이를 차단할 수 있는 마스크에 대한 관심이 높아지고 있다 ⓒ 연합뉴스

하지만 올해 초부터 시작된 미세먼지 대란으로 인해 상황이 변했다. 일반 마스크로는 미세먼지를 적절하게 대처할 수 없는 지경에 이르렀고, ‘미세먼지 전용’이라는 마스크조차 그 효능을 의심받고 있을 정도다.

이 같은 상황에서 많은 기업체와 연구자들이 미세먼지 문제 해결을 위한 상품을 개발하고 있어 눈길을 끌고 있다. 미세먼지 차단을 위한 마스크 개발은 물론, 실내 및 실외의 미세먼지 제거를 위해 적용되고 있는 제품들에는 어떤 과학기술 원리가 숨어 있는지 알아본다.

마스크 조직 촘촘하면 호흡 곤란 유발할 수 있어

제대로 만들어진 미세먼지용 마스크와 일반 마스크의 차이점은 무엇일까? 일반 마스크에 사용되는 섬유는 조직이 가로세로 직각으로 교차되어 있어서 눈으로도 확인할 수 있는 틈이 존재한다. 당연한 말이지만, 10㎛ 이하의 미세먼지를 걸러내기에는 역부족이다.

반면에 미세먼지 차단용 마스크는 섬유가 촘촘하고 무작위로 얽혀있는 필터를 사용하기 때문에 작은 크기의 먼지도 걸러낼 수 있다. 하지만 촘촘해도 문제가 있다. 마스크를 착용한 사람의 호흡이 원활하지 않고 가빠지는 문제가 발생한다.

이 같은 현상이 마스크 착용자에게 어떤 영향을 주는지를 파악하기 위해 최근 연세대학교 예방의학과 연구진은 미세먼지 차단 마스크와 심장 및 폐의 상관관계를 조사하는 실험을 진행했다.

미세먼지 마스크 착용후 변화 추이 ⓒ 싱가포르국립대병원

미세먼지 마스크 착용후 변화 추이 ⓒ 싱가포르국립대병원

지원자 중 30대 남성의 경우는 마스크를 쓰기 전 측정한 ‘동맥혈 산소포화도’와 ‘분당 심장박동수’가 각각 100%와 78회였다. 그런데 미세먼지를 94%까지 차단해주는 마스크를 쓰자 산소포화도가 97%까지 떨어졌고, 심장박동수는 95회까지 치솟았다.

반면에 미세먼지를 80%만 차단하는 마스크를 착용한 30대 여성의 경우 심박동 수와 산소포화도 모두 착용하지 않았을 때와 비교하여 별다른 차이가 없는 것으로 나타났다.

이 같은 결과에 대해 연세대학교의 관계자는 “마스크는 미세먼지 차단 기능이 높을수록 임신부와 노약자, 그리고 호흡기 질환자 등에게 호흡곤란 같은 부작용을 일으킬 수 있다”라고 지적하며 “개인 건강상태에 따라 마스크 종류를 선택하되, 미세먼지 노출을 줄이려는 노력은 지속해야 한다”라고 강조했다.

최근 미세먼지 차단 마스크는 정전기 활용

마스크의 섬유 조직이 촘촘해질수록 발생되는 호흡곤란 문제를 해소하기 위해 최근 출시되고 있는 미세먼지 차단 마스크는 정전기(static electricity)를 사용한다. 정전기는 전하가 흐르지 않고 머물러 있는 상태에 있는 전기를 가리킨다.

일반적으로 물체가 지닌 (+) 전하와 (-) 전하의 양은 동일하다. 하지만 (-) 전하가 다른 물체와 접촉하여 마찰이 일어나면 (-) 전하가 다른 물체로 옮겨 가기도 한다. 이 때, 전자를 잃은 쪽은 (+) 전하가 되고, 전자를 얻은 물체는 (-) 전하가 되어 전위차, 즉 전압이 나타나게 된다.

따라서 정전기는 물체가 마찰될 때마다 전하가 저장되고, 어느 정도 이상의 전하가 쌓였을 때 전압에 의해 그동안 쌓여있던 전하가 불꽃을 띠며 이동하는 현상을 보인다.

이러한 원리가 적용된 만큼, 미세먼지용 마스크에는 초고압 전류를 이용하여 정전 처리된 필터가 포함된다. 다만 착용자가 전기를 느낄 수 없는 이유는 미세먼지를 잡기위한 (+) 전하와 (-) 전하가 고르게 퍼져있어 전기가 멈춰 있기 때문이라는 것이 전문가들의 의견이다.

문제는 정전기가 습기에 매우 약하다는 점이다. 마스크를 착용하면 외부 공기와의 온도 차이로 인해 마스크 뒷면에는 호흡으로 인한 수분을 머금게 된다. 머금은 수분은 상당히 적은 양이지만, 필터에 닿게 되면 정전기 기능을 저하시키는 원인이 될 수 있다.

미세먼지 차단 마스크의 구조 ⓒ 유한킴벌리

미세먼지 차단 마스크의 구조 ⓒ 유한킴벌리

이 같은 이유로 전문가들은 미세먼지 마스크의 재사용을 권하지 않고 있다. 한 번 착용한 이후 재사용하게 되면 성능이 떨어지기 때문에 새것으로 사용하는 것이 좋다는 것이다.

한편, 아무리 마스크를 제대로 착용한다 해도 실내나 실외의 미세먼지를 줄이지 못한다면 마스크 착용은 임시방편에 불과한 방법일 수밖에 없다. 특히 실내의 경우 마스크를 쓰고 하루 종일 생활할 수도 없는 노릇이어서 창문을 통해 밖에서 안으로 유입되는 미세먼지를 막는 것이 급선무다.

이에 발맞춰 최근 창문을 열지 않아도 환기가 가능하고, 열어 놔도 미세먼지가 들어오지 않는 창호가 개발되어 눈길을 끌고 있다. ‘나노화이버(nano fiber)’ 기술을 적용하여 만든 이 창호는 방진망을 부착하여 미세먼지 포집률이 높다는 장점을 갖고 있다.

또한 창문을 닫지 않아도 외부 미세먼지를 약 86% 차단할 수 있으며, 창 상단에 환기 키트가 설치돼 있어 창문을 열지 않아도 환기를 할 수 있어 미세먼지와 유해물질을 손쉽게 차단하는 것으로 알려졌다.

이 외에도 실외에서는 한 보도블록 제조기업이 미세먼지를 잡는 대기정화 보도블록을 개발하여 관심을 모으고 있다.

이 제품은 햇빛에 반응하는 광촉매 기술을 적용하여 미세먼지를 이루는 핵심 물질인 질소산화물을 흡착하는 기능을 갖고 있다. 흡착된 산화물은 비나 물을 뿌리면 자연적으로 씻겨 나가 대기 정화에도 도움을 준다는 것이 제조업체 측의 설명이다.

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