기획·칼럼

방독면과 보호의의 과학 원리

[밀리터리 과학상식] 생화학 작용제를 막는 3중의 방패

방독면과 화생방 보호의를 차려입은 미군 병사 ⒸWikipedia

최근 신종 코로나 바이러스가 급속히 전파되면서 거리에 마스크를 쓰고 다니는 사람들을 많이 볼 수 있다.

마스크 하면 또 군대에서 화생방전을 대비해 사용하는 방독면을 떠올리지 않을 수 없다. 군용 방독면은 과연 어떤 원리로 대기 중의 화학 작용제와 생물학 작용제를 걸러내는 것일까?

방독면의 기원은 무려 고대 그리스 시대 때부터 찾을 수 있다. 당시에도 연기를 피워 적을 숨쉬기 곤란하게 하는 초보적인 화학전이 있었기 때문이다. 병사들이 이를 극복하기 위해 스펀지를 사용했던 것을 군용 방독면의 기원으로 볼 수 있다.

그러나 현대적인 형태의 방독면, 그러니까 고무로 된 안면부와 정화통으로 이루어진 방독면은 양차 세계대전을 거치면서 그 형상이 정착되었다.

방독면 정화통이 대기 중의 화학 작용제 및 생물학 작용제를 걸러내는 방법은 크게 다음 3가지다. 입자 여과, 화학 흡착, 화학 중화 반응이 그것이다.

입자 여과 방식은 주로 생물학 작용제를 막는 데 쓰인다. 이는 셋 중 가장 간단하고 오래된 것이다. 원리상으로는 손수건이나 기타 천 같은 것을 코와 입에 대서 먼지를 막는 것과 다를 바가 없다. 생물학 작용제도 물리적으로 보면 일종의 미립자이므로, 공기는 통과하되 이 미립자는 통과할 수 없는 일종의 거름망을 정화통에 설치하면 막을 수 있다.

일례로 탄저병 박테리아의 크기는 1미크론(1/1000밀리미터)이라고 한다. 때문에 대부분의 생물학 작용제 정화 필터는 0.3미크론 이하의 미립자만 통과할 수 있게 설계되어 있다. 수명이 다한 방독면 정화통을 쓰고 호흡을 하면 호흡이 곤란한 원인 중에 하나가 이것으로, 입자 여과 장치의 통기공이 생물학 작용제를 비롯한 기타 미립자에 의해 틀어 막혔기 때문이다.

우리가 코로나 바이러스를 막기 위해 사용하는 보건용 마스크도 기본적으로는 입자 여과 방식이다. 보건용 마스크에 적혀 있는 KF는 이 입자 여과 성능을 나타내는 것이다. KF80은 평균 0.6미크론 크기의 미세입자를 80% 이상 차단한다. KF94, KF99는 평균 0.4미크론 크기의 입자를 각각 94%, 99% 이상 차단한다.

하지만 화학 작용제는 입자 여과 방식으로 막기가 어렵다. 화학 작용제는 기체의 형태를 띠고 있기 때문이다. 때문에 화학 작용제는 활성탄(活性炭)을 이용한 화학 흡착 방식으로 대응한다.

활성탄은 그 이름에서도 알 수 있듯이 기본적으로 숯이다. 다만 산소 처리되어 숯을 이루는 탄소 원자 간에 수백만 개의 다공 구조를 만들어 표면적을 늘린 것이다. 활성탄 1g의 표면적은 200~2000제곱미터에 달한다. 이렇게 표면적이 늘어나면 화학 인력이 작용해 화학 작용제 등의 오염 물질을 쉽게 붙잡을(흡착) 수 있다. 가정에서 악취를 없애는 데 숯을 사용하는 원리와도 동일하다.

활성탄은 특히 탄소 계열 화학 작용제(염소 등)를 정화하는 데 효과가 탁월하다. 그러나 나트륨, 질산 계열 등 다른 화학 작용제에는 큰 효과가 없다. 그리고 활성탄 역시 입자 여과 필터와 마찬가지로, 다공 구조가 다 막히면 더 이상 기능하지 않으므로 교체해야 한다.

따라서 세 번째 관문인 화학 중화 반응이 필요해진다. 다양한 화학 작용제를 중화반응할 수 있는 화학 물질을 활성탄에 첨가함으로써, 정화통에 들어온 화학 작용제를 무력화시키는 것이다.

예를 들어 제1차 세계대전 중에는 적의 염소 가스를 무력화하기 위해 티오황산 나트륨을 사용했다. 또한 6메틸 테트라민을 사용해 적의 포스겐 가스를 무력화시켰다.

이러한 화학 중화 반응에 사용되는 화학 물질은 주적이 새로 개발 및 보유하는 화학 작용제의 특성에 맞게 주기적으로 바뀐다. 과거 군용 방독면 정화통에 발암 물질인 6가 크롬이 함유되어 있다는 사실이 밝혀져 논란이 벌어진 적이 있는데, 그것도 화학 중화 반응을 위해 첨가된 것이다.

3중 방호체계는 방독면뿐 아니라 침투성 화생방 보호의에도 적용된다. 물론 비닐 등 비침투성 소재로 만들어져 생화학 작용제의 투과를 원천봉쇄해버리는 화학섬유로 된 옷(대표적으로 우비)을 대용 보호복으로 사용할 수도 있다. 그러나 이런 옷은 통기성 및 투습성 또한 0이므로 착용하고 활동하면 엄청나게 덥다. 때문에 공기와 땀은 통과시키면서도 생화학 작용제를 막아내기 위해 보호의 역시 이러한 설계로 만들어지는 것이다.

 

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