‘나노 물방울 기술’로 초미세먼지 99.9% 제거하다

KAIST 김일두·이승섭 교수 연구팀

‘물 정전분무’ 기반…초저전력 공기정화 개발

(왼쪽부터) KAIST 우성윤 박사과정, 김일두 교수, 이승섭 교수, 채지환 박사과정, A2US 소속 유지연 연구원 (상단)조유장 박사.ⓒ한국과학기술원

한국과학기술원(KAIST)은 김일두 신소재공학과 교수와 이승섭 기계공학과 교수가 필터없이 초미세먼지를 빠르게 제거하고, 오존이 발생하지 않으며 초저전력으로 구동되는 새로운 물 정전 분무 기반 공기정화 장치를 개발했다고 8일 밝혔다.

연구팀은 이번 장치가 기존 공기청정기의 한계를 넘어 필터 교체가 필요 없고 오존도 발생하지 않으면서 머리카락 굵기의 약 1/200에 불과한 PM0.3(지름 0.3㎛) 이하 크기의 극초미세먼지까지 단시간에 제거할 수 있음을 확인했다.

또 장시간 사용해도 성능 저하가 없는 높은 안정성과 내구성도 동시에 입증했다.

이 장치는 이 교수의 ‘오존 없는 물 정전분무(electrospray)’ 기술과 김 교수의 ‘고흡습 나노섬유(hygroscopic nanofiber)’ 기술을 결합해 탄생했다.장치 내부에는 고전압 전극, 물을 스스로 끌어올리는 나노섬유 흡수체, 모세관 현상으로 물을 이동시키는 폴리머 미세채널이 포함돼 있다.

이 구조 덕분에 펌프 없이도 물이 자동으로 공급되는 자기펌핑(self-pumped) 구조가 구현되며, 장시간 안정적인 물 정전분무가 가능하다.

연구팀이 0.1m³실험 챔버에서 시험한 결과, 장치는 PM0.3~PM10 범위의 다양한 입자를 20분 내 99.9% 제거했다. 특히 기존 필터식 공기청정기로 제거가 어려운 PM0.3 극초미세먼지도 5분 내 97% 제거하는 뛰어난 성능을 보였다.

30회 연속 테스트와 50시간 연속 구동에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동했으며 전력소모는 스마트폰 충전기보다도 적은 수준의 전력인 약 1.3W로 기존 헤파 기반 공기청정기의 약 1/20 수준에 불과했다.

또 필터가 없어 공기 흐름의 압력손실이 없고 소음도 거의 발생하지 않는다. 이번 기술은 오존이 전혀 발생하지 않으면서도 고효율 정화 성능을 유지해, 차세대 친환경 공기정화 플랫폼으로의 가능성을 제시했다.

특히 필터 교체 비용 제거, 초저전력 구동, 장시간 안정성 확보 등의 장점을 통해 실내 환경뿐 아니라 차량용·클린룸·휴대형·웨어러블 공기정화 모듈 등 다양한 분야로의 확장이 기대된다.

이 기술은 이 교수의 연구실 창업기업인 A2US를 통해 사업화가 진행 중이다.

A2US는 CES 2025 혁신상을 수상했으며, 2026년 휴대용 공기청정기 제품을 출시할 예정이다. 해당 제품은 나노 물방울만으로 미세먼지 제거뿐 아니라 냄새 제거 및 병원균 살균 기능도 갖추고 있다.

연구는 채지환 기계공학과 박사과정, 조유장 신소재공학과 박사가 공동 제1저자로 참여했으며 이 교수와 김 교수가 교신저자로 참여했다.

연구 결과는 재료과학 및 나노기술 분야에서 세계적 권위를 인정받는 와일리(Wiley)사의 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈에 지난달 14일 자로 게재됐다.