▲ 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.(그림 및 설명=서울대학교 기계공학부 고승환 교수)  © 특허뉴스

서울대학교 고승환 교수 연구팀이 필터 교체가 필요 없는 친환경 공기 정화 기술을 개발했다. 이 기술은 물을 이용한 미세 버블을 필터로 사용하여 미세먼지와 이산화탄소를 동시에 제거할 수 있는 혁신적인 공기 정화 시스템으로, 기존의 폐기물 발생과 교체의 불편을 완전히 없애준다.

밀폐된 실내 공간에서 공기 오염 문제는 산소 감소, 이산화탄소 축적, 미세먼지 및 휘발성 유기화합물로 인해 심각해진다. 기존 여과식 필터는 미세먼지가 쌓이면서 성능이 저하되고, 휘발성 유기화합물 제거에는 효과적이지 않으며 주기적인 교체로 인해 폐기물이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 연구팀은 인체의 호흡기와 순환계를 모사한 기체 교환 시스템을 도입했다.

연구팀의 시스템은 순환하는 물이 인체의 혈액처럼 미세먼지와 오염 물질을 잡아내고, 산소와 이산화탄소 교환을 원활히 유지할 수 있도록 설계되었다. 인체에서 혈액이 오염물질을 걸러내고 산소를 공급하는 원리를 적용한 이 시스템은, 밀폐된 실내 공간에서 오염물질 유입 없이 깨끗한 공기를 공급할 수 있도록 했다.

이 공기 정화 시스템의 핵심은 미세 버블 기술이다. 연구팀은 레이저 기술을 활용하여 기존보다 작고 균일한 미세 버블을 생성하는 탄성 필터를 개발했다. 미세 버블은 넓은 표면적을 가지며, 물과 공기가 맞닿는 영역을 최대화하여 공기 중의 미세먼지와 이산화탄소를 효과적으로 포집한다. 이를 통해 실내 공기 정화가 더욱 신속하고 효율적으로 이루어진다.

마이크로 버블 기반 기체 교환 시스템은 구조가 간단하여, 장치의 크기를 늘리거나 개수를 증가시키는 것만으로도 다양한 공간에 맞게 쉽게 확장할 수 있다. 연구팀은 실험을 통해 탁상형 소형 기기부터 차량용, 사무실 및 대형 회의실 등 다양한 크기의 공간에서도 이 시스템이 효과적으로 작동함을 입증했다.

고승환 교수는 “이번 연구는 여과식 필터를 대체할 수 있는 새로운 개념의 공기 정화 기술로, 미세먼지와 휘발성 유기화합물까지 동시에 정화할 수 있는 친환경 기술”이라며 “필터 교체가 필요 없고, 폐기물이 발생하지 않는 지속 가능한 공기 정화 시스템으로 주목받을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 재료 분야의 국제 학술지 ‘어드벤스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 2024년 10월 10일 자로 게재되었다. 이 기술은 실내 공기 질을 획기적으로 개선하고, 필터 폐기물로 인한 환경 오염을 줄이는 새로운 에너지 효율적 대안으로 평가받고 있다.

논문명은 Human Circulatory/Respiratory-Inspired Comprehensive Air Purification System 이다.