< 연구 결과요약서 >
소속학교 인천연송고등학교
책임지도교사 한O희 공동지도교사 장O정
참여학생 송O 희, 한O준, 김O훈 , 변O 우, 김O호 과 제 명 차세대 필터의 성능분석을 통한 마스크 제안
연구목표 시판되고 있는 마스크와 차세대 필터의 성능 등을 비교분석하여 현재보다 높은 농도의 미세먼지에 대응하기에 적합한 마스크를 제안한다.
연구내용
□ 이론적 배경 및 선행연구
○ 미세먼지는 10㎛ 이하 크기의 분진으로 대표적인 대기오염물질로 작은 크기로 인해 인체 내로 들어와 다양한 문제를 일으켜 IARC(국제암연구소) 지정 1군 발암물질이기도 하다.
○ 국내 연구진의 미세먼지 성분 분석에 따르면 PM10이 높을 경우에는 염소 이온의 비율이 가장 높아 해양 혹은 토양으로부터 불어온 먼지가 원인으로 보인다. PM2.5가 높을 때, PM2.5와 PM10이 둘 다 높을 경우 모두 질산염과 황산염의 비율이 높았다.
이 연구를 통해 미세먼지의 심각성을 알 수 있었다.
○ 활성탄소섬유는 분리나 정제를 위한 섬유상 흡착제로 매우 가는 섬유상에 미세공들 이 매우 신속하고 효율적인 흡착을 가능케 한다. 헤파필터는 불규칙한 배열의 섬유조직을 이용하여 개발된 필터로 공기청정기와 실험실에 많이 사용되고 있는 필터이다.
○시중에 유통되고 있는 면 마스크, KF94 등의 여러 종류의 마스크를 이용하여 성능을 평가하는 실험이 있었다. 이 실험은 미세먼지 여과 후 현미경 관찰을 통해 단위 면적당 존재하는 미세먼지 개수로 여과율을 판단한 반면 우리 팀의 실험은 MBL을 이용해 미세먼 지 농도를 측정하기 때문에 조금 더 정확한 결과를 볼 수 있을 것이다.
○ 전국 만19세 이상 남녀 1003명을 대상으로 조사를 한 결과를 2014년과 2017년의 자료를 비교한 결과이다. ‘매우 불편하다‘에 응답한 비율이 2014년 45%에서 2017년 에 57%가 이에 응답했다. 미세먼지에 대한 인식 변화를 통해 미세먼지가 심각해지고 있음을 알 수 있었다.
□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)
※ 근 수 년 간 미세먼지는 주요한 사회적 문제로 떠올랐다. 따라서 이러한 문제에 대처하 고자 아래의 목표를 가지고 연구주제를 정하였다.
1. 시중에 유통되고 있는 마스크들의 성능을 평가해 보고자 함
1. 일반적으로 사용되고 있지 않은 소재의 마스크 필터의 성능을 평가해 보고자 함 1. 미세먼지 차단 효과가 뛰어나고, 착용 시 불편감이 적은 (예, 통기성이 좋은 것)
마스크
필터를 제안해 보고자 함
□ 연구 방법
○ 필터를 경계로 미세먼지 농도차를 측정할 수 있는 챔버를 제작하고 각 챔버에 미세먼 지 농도 측정기를 설치한 후 챔버 사이에 마스크 필터를 배치한다, 미세먼지 농도 측정은 MBL 센서를 활용하였다(PM2.5, 0~500㎍/㎥).
○ 연소실인 왼쪽 챔버에서 미세먼지를 발생시켜 에어펌프를 통해 공기의 흐름을 만들어 미세먼지가 오른쪽 챔버로 넘어갈 수 있도록 하였다.
○ 연소실에서 미세먼지를 발생시키고 오른쪽에서 필터로 여과된 공기의 미세먼 지 농도와 비교하면서 필터의 여과성능을 확인하였다.
실험 사진
분류 제품명 필터 종류
일반 3중필터 마스크 종이섬유
순면마스크 면, 정전필터
미세 먼지 용
Particulate Respirator
N95(8210) N95필터 Particulate Respirator
R95(8246)
R95필터, 활성탄층 HEPA 2091 HEPA필터
○ 연구과정에서 사용할 마스크는 위의 표와 같이 정리하였다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 2018년 5월 15일 연구개시모임
○ 2018년 5월 19일~2018년 5월 26일 챔버 제작
○ 2018년 6월 4일~2018년 9월 11일 필터성능평가(실험시간 5분)
○ 2018년 9월 8일 전자현미경 관찰(인천교육과학연구원 협조)
○ 2018년 9월 15일 필터 두께측정 실험(마이크로미터 이용)
연구성과
□ 연구 결과
※가로축은 시간(단위는 sec와 0.2sec로 상이), 세로축은 미세먼지 농도(PM2.5, ㎍/㎥)
○ 필터 없음/부직포 마스크
○ R95마스크/N95마스크
○ R95마스크 내 ACF필터/N95 내 중앙필터
○ HEPA필터/면 마스크
○HEPA내부 필터(2종류)
○ 물에 적신 면 마스크/면 마스크 내부 정전필터
○ 면 마스크 장기실험(1시간)
○ 전자현미경과 마이크로미터 측정 결과: 미세먼지를 성공적으로 여과한 HEPA 필터와 정전필터는 섬유조직이 상당히 촘촘하였다. 그러나 필터의 두께와 여과성능 사이에는 큰 연관성이 없었다.
□ 결과 해석 및 논의
○ 마스크 중 정전기능을 포함한 면마스크, R95, N95, HEPA마스크는 미세먼지 여과기 능이 있었다.
○ 면 마스크의 정전필터, N95필터, HEPA필터는 미세먼지 여과기능이 있었던 반면 ACF필터는 여과기능이 없었다.
○ 면 마스크의 정전필터는 매우 간단한 구조에서 불구하고(두께 0.195mm) 1시간 이상, 즉 세탁하지 않는 이상 충분히 미세먼지를 여과하였다.
○ 정전기능을 포함하며 섬유조직이 촘촘할수록 여과성능이 좋아졌으며, 필터의 두께 는 큰 상관이 없었다.
□ 결론 및 제언
○ 미세먼지의 여과성능의 핵심은 정전기능이며, 이는 현재 시판되는 필터로 충분히 해결할 수 있음을 확인하였다.
○ 즉. 차세대 필터보다는 단순하고 얇은 구조의 정전필터가 더 성능과 통기성이 좋은 미세먼지용 마스크가 될 수 있음을 제언한다.
○ 마스크의 정전기능과 제품화할 때의 구조 등에 대한 추가적인 후속연구가 필요하다.
주요어 (Key words)
미세먼지, 마스크, 필터, HEPA, ACF, N95, R95, 성능분석
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
○ 최근 국내에서 미세먼지에 의한 문제가 심각하게 대두되고 있다. 특히 인천은 서쪽에 위치하고 있어 중국에서 발생하는 미세먼지와 황사의 영향을 많이 받는 지리적 특성을 가지고 있다.
○ 고농도 미세먼지가 발생했을 때 개인적으로 가장 쉽게 접근할 수 있는 방법은 외출을 자제하거나, 외출을 해야 할 경우 미세먼지용 마스크를 착용하는 것이다. 미세먼지를 차단할 수 있는 마스크는 일반 방한용 마스크와 달리 매우 작은 크기의 미세먼지를 걸러낼 수 있는 기능을 갖추고 있다.
○ 이에 우리는 현재 시판 중인 마스크 필터들과 ACF 필터, HEPA 필터의 여과 성능과 통기성을 확인하여 성능이 더 좋은 마스크용 필터를 제시해보고자 한다.
□ 연구범위
○ 최근 국내에서 미세먼지에 의한 문제가 심각하게 대두되고 있다. 특히 인천은 서쪽에 위치하고 있어 중국에서 발생하는 미세먼지와 황사의 영향을 많이 받는 지리적 특성을 가지고 있다.
○ 고농도 미세먼지가 발생했을 때 개인적으로 가장 쉽게 접근할 수 있는 방법은 외출을 자제하거나, 외출을 해야 할 경우 미세먼지용 마스크를 착용하는 것이다. 미세먼지를 차단할 수 있는 마스크는 일반 방한용 마스크와 달리 매우 작은 크기의 미세먼지를 걸러낼 수 있는 기능을 갖추고 있다.
○ 이에 우리는 현재 시판 중인 마스크 필터들과 ACF 필터, HEPA 필터의 여과 성능과 통기성을 확인하여 성능이 더 좋은 마스크용 필터를 제시해보고자 한다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 이론적 배경
미세먼지는 10 ㎛ 이하 크기의 분진으로 대표적인 대기오염물질이다. 크기가 작아서 호흡을 통해 인체 내로 들어와 다양한 건강 문제를 일으킬 수 있는데, 세계보건기구(WHO) 지정 1군 발암물질이기도 하다. 최근 국내에서 미세먼지 발생이 급격히 늘고, 그 정도가 심각하여 이를 줄이기 위한 노력이 매우 시급하다. 미세먼지 배출원을 줄이는 것이 근본적으로 필요하 지만, 개인이 미세먼지에 대처할 수 있도록 예방법도 병행되어야 하는데 대표적인 방법이 미세먼지를 차단하는 마스크를 착용하는 것이다.
미세먼지의 유해성
○ 선행 연구
가. 미세먼지에 관한 선행연구
-미세먼지의 심각성과 미세먼지 성분에 관한 연구 [http://news.joins.com/article/21594993]
국내 연구진이 베이징의 미세먼지 성분을 분석한 연구 결과이다. 국내 연구진이 연구한 결과 베이징 대기오염 상태에 따라 구성하는 성분이 다르다는 것을 알아냈다. 국내 연구진은 이들 미세먼지 시료를 채취 상황에 따라 4개 그룹으로 구분했다. 입자가 큰 미세먼지(PM10) 만 높을 때(그룹 1)는 염소이온이 20%로 높아 해양 혹은 토양으로부터 불어온 먼지가 원인으 로 추정됐다. 초미세먼지(PM2.5)만 높을 때(그룹 2), 즉 스모그가 발생했을 때는 질산염(12%) 이 황산염(8%)보다 높았다. 질산염은 공장·석탄화력발전소·난방보일러 굴뚝이나 자동차 등에서 배출되는 질소산화물이 원인이고, 황산염 역시 석탄·석유 등을 태울 때 발생하는 황산화물이 원인이다. 미세먼지와 초미세먼지 둘 다 높을 때(그룹 3)에도 질산염(24%)이 황산염(21%)보다 많았고, 암모늄(100%)의 비율도 높았다. 미세먼지가 없이 맑은 날(그룹 4)에는 황산염(34%) 성분이 질산염(13%)보다 특히 높았다. 베이징 자체보다는 주변 지역의 공장 등에서 불어온 것이 원인으로 지목되고 있다고 한다. 이처럼 미세먼지는 우리 몸에 굉장히 치명적인 성분들을 갖고 있고 그렇기 때문에 더 경계해야 되는 대상이다. 이 연구로 인해 미세먼지의 심각성을 알 수 있다.
나. 마스크와 마스크 필터에 관한 선행연구 -마스크의 종류와 용도 [식품의약품안전처, 2011]
마스크는 용도에 따라 다양한 종류가 있다. 추위로부터 얼굴을 보호하는 방한용 면마스크, 의료기관 등에서 환자를 치료할 때 감염을 예방하기 위해 사용하는 수술용 마스크, 황사 또는 미세먼지의 인체 유입을 막고 호흡기를 보호하는 황사마스크 (예, KF80, KF94), 매우 작은 크기의 세균 및 바이러스와 같은 병원체나 미세분진으로부터 호흡기를 보호하는 방역용 및 산업용 방진마스크 (예, N95 마스크)로 분류된다. 이 중에서 미세먼지를 여과할 수 있는 특수필터를 내장하고 있어서 미세먼지를 차단하는 기능이 있는 마스크는 황사마스크와 방역 용 마스크 및 산업용 방진마스크이다.
-활성탄소섬유 (Activated Carbon Fiber, ACF) [유승곤, 1994]
분리나 정제를 위한 섬유상 흡착제로 매우 가는 섬유상에 미세공들이 매우 신속하고 효율적 인 흡착을 가능케 한다. 직포나 부직포, 종이 형태로 가공되어 공기청정기 또는 마스크 필터로 활용할 수 있다.
-헤파필터 (High Efficiency Particulate Air filter, HEPA)
1940년대 미국에서 방사성 먼지를 제거하기 위해 불규칙한 배열의 섬유조직을 이용하여 개발된 필터로 0.3 μm 이하의 입자를 99.7% 이상 제거할 수 있어서 초미세먼지를 제거하기 위해 공기청정기에 많이 사용되고 있는 필터이다.
활성탄소섬유 필터 HEPA 필터
미세먼지의 입자 크기와 HEPA/ULPA필터의 여과 한계 비교
-마스크 성능 평가 [홍윤정, 2009]
시중에 유통되고 있는 면 마스크, KF94 마스크 등 여러 종류의 마스크를 이용하여 성능을 평가하는 실험을 하였다. 일단 각 각의 마스크마다 미세먼지를 통과시키고 마스크를 현미경
으로 관찰하여 단위 면적당 존재하는 미세먼지의 개수로 마스크의 여과율을 측정했다. 이 연구에서는 시중에 판매되고 있는 마스크로만 실험을 하였고 새로운 필터들(ACF 필터, HEPA필터)은 실험에 사용되지 않았다. 또한 이번 우리 조의 실험 같은 경우엔 현미경으로 미세먼지의 개수를 측정한 실험과 달리 MBL기계를 이용해 미세먼지 농도를 측정하기 때문 에 조금 더 정확한 결과가 나올 것이라고 생각한다.
-미세먼지에 대한 조사와 통계
-조사대상: 전국 만 19세 이상 남녀 1,003명
한국인 열 명 중 여덟 명(82%), '미세먼지 때문에 불편하다'
'매우 불편' 응답: 2014년 45% → 2017년 5월 57%, 30·40대 여성 70% 이상
한국갤럽이 2017년 5월 23일부터 25일까지 사흘간 전국 성인 1,003명에게 미세먼지로 인한 불편함 정도를 물은 결과 ‘매우 불편하다’ 57%, ‘약간 불편하다’ 25%로, 우리 국 민 열 명 중 여덟 명(82%)이 미세먼지 때문에 불편함을 느끼는 것으로 나타났다. '별 로 불편하지 않다'는 13%, '전혀 불편하지 않다'는 5%였고 1%는 의견을 유보했다.
미세먼지 때문에 '매우 불편하다'는 응답은 2014년 2월 45%에서 2017년 5월 57%로, 3 년여 만에 12%포인트 늘었다. 특히 30대·40대 여성은 각각 81%·70%가 매우 불편하다 고 답했는데, 이들 중에는 미성년 자녀를 둔 경우가 많아 미세먼지 폐해에 더 민감한 것으로 추정된다.
지역별로는 서울·수도권 등 서쪽 지역에서 불편하다는 응답이 상대적으로 많았다.
미세먼지 나쁨 예보 시 '외출 자제하는 편' 43% vs '상관없이 외출하는 편' 57%
-가정주부 68% '외출 자제' vs 자영업, 블루칼라, 학생 등은 70% 내외 '상관없이 외출 '
미세먼지 나쁨 예보가 있을 때 외출 여부에 대해서는 43%가 '외출을 자제하는 편', 57%는 '상관없이 외출하는 편'이라고 답했다. 이는 직업별 차이가 컸다. 가정주부는 68%가 '외출을 자제하는 편'인 반면 자영업, 블루칼라, 학생 등은 70% 내외가 '상관없 이 외출한다'고 답했다.
미세먼지 나쁨 예보 시 '마스크 착용하는 편' 37% vs '착용하지 않는 편' 63%
전문가들은 미세먼지가 나쁨 상태일 때 가급적 외출을 자제하고, 부득이하게 외출을 해야 한다면 미세먼지 방지용 마스크 착용을 권장하고 있다. 미세먼지 나쁨 예보가 있 을 때 마스크 착용 여부에 대해 물은 결과 성인의 37%가 '착용하는 편', 63%는 '착용 하지 않는 편'이라고 답했다.
미세먼지 나쁨 예보 시 '마스크를 착용하는 편'이라는 응답은 남성(27%)보다 여성 (46%)에서 많았고, '착용하지 않는 편'이라는 응답은 자영업(75%)에서 가장 두드러졌 다.
성인 열 명 중 네 명 정도가 미세먼지 나쁨일 때 마스크를 착용하는 편이라고 답했으
나, 실제 거리에서는 마스크 착용자가 그보다 적게 눈에 띈다. 미세먼지를 조심하는 사 람들은 마스크에 의지해 외출하기보다는 아예 집에 머무는 경우가 많기 때문이다.
미세먼지 나쁨 예보 시 외출을 자제하는 사람들(428명) 중 49%가 외출 시 마스크를 착용한다고 답한 반면, 상관없이 외출하는 사람들(570명) 중에서는 그 비율이 절반 수 준인 27%다.
마스크 미착용 이유: '불편하다' 19%, '귀찮다/번거롭다' 13%, '답답하다' 13%
미세먼지 나쁨 예보가 있을 때 마스크를 착용하지 않는 편이라고 답한 628명에게 그 이유를 물었다(자유응답). 그 결과 '불편하다' 19%, '귀찮다/번거롭다' 13%, '답답하다' 13%, '익숙하지 않다/습관 안 됨' 5%, '미용상/보기 안 좋아서/화장 때문' 2%, '안경 때문에/김서림' 2% 등 마스크 미착용자의 절반(54%)이 불편함과 번거로움을 꼽았다.
-마스크 성능 평가 [홍윤정, et al., 2009]
시중에 유통되고 있는 면 마스크, KF94 마스크 등 여러 종류의 마스크를 이용하여 성능을 평가하는 실험을 하였다. 일단 각 각의 마스크마다 미세먼지를 통과시키고 마스크를 현미경 으로 관찰하여 단위 면적당 존재하는 미세먼지의 개수로 마스크의 여과율을 측정했다. 이 연구는 우리 연구와 여러 면에서 비슷하지만, 이 연구에서는 시중에 판매되고 있는 마스크로 만 실험을 하였고 새로운 필터들(ACF 필터, HEPA필터)은 실험에 사용되지 않았고, 이 점이 우리 연구와의 차별점이라고 생각한다.
-학교의 미세먼지 성분 분석 및 교실 내 미세먼지 저감방안에 대한 연구 [장서윤, et al., 2017]
주사전자현미경의 에너지 분산 스펙트로미터로 학교 창틀에 있는 먼지의 X선 분석을 통해 규산염질 광물(석영, 장석 등)이 많은 것을 알 수 있었다. 미세먼지는 국외의 영 향이 적은 8월에 수집한 것으로 교실의 미세먼지는 모두 학교 인근에서 발생한 것으로 보인다. 물을 이용한 공기청정기는 기존 공기청정기에 비해 큰 효과가 관찰되지 않았 다. 교실 내 미세먼지 저감의 가장 좋은 방법은 각 교실마다 공기청정기를 한 대씩 놓 는 것이지만, 현실적인 방법으로는 교실의 선풍기에 미세먼지 저감 필터를 붙여 사용 하거나 에어컨에 필터를 붙여 송풍기능을 이용하여 미세먼지를 저감하는 것이 비용대 비 효과가 좋을 것으로 생각된다.
□ 연구주제의 선정
처음 연구주제는 미세먼지로 하고 그 후에 세세한 부분들을 후보로 세운 후 토의를 통해서 주제를 정했다. 처음 후보로 나온 연구주제는 생체모방을 활용한 미세먼지 마스크였다. 작년 steam r&e를 보니 도마뱀을 활용한 미세먼지 연구가 이미 진행됐었던
것을 보고 다른 주제를 선택했다. 미세먼지 사진을 치니 중국에서는 방독면을 쓰고 다니는 사진까지 나왔다. 이처럼 지금 미세먼지 사태는 굉장히 심각하고 미세한 것까지 걸러내야 정말 인체에 무해할 것 같아 더 세밀한 필터를 이용하자는 이야기가 나왔고 차세대필터를 주제로 정하게 되었다. 본 연구의 목표는 아래와 같다.
○ 시중에 유통되고 있는 마스크들의 성능을 평가해 보고자 함
○ 일반적으로 사용되고 있지 않은 소재의 마스크 필터의 성능을 평가해 보고자 함
○ 미세먼지 차단 효과가 뛰어나고, 착용 시 불편감이 적은 (예, 통기성이 좋은 것) 마스크 필터를 제안해 보고자 함
□ 연구 방법
○ 필터를 경계로 미세먼지 농도차를 측정할 수 있는 챔버 제작 마스크 필터를 사이에 두고 이어진 아크릴 챔버를 만듦
양측 챔버에 각각 미세먼지 농도측정기 설치함
왼쪽 챔버에 공기의 흐름을 만들기 위한 에어펌프를 설치함
○ 미세먼지 발생: 왼쪽 챔버에서 향 연기를 피우고 에어펌프를 이용하여 오른쪽 챔버로넘 어가도록 함
○ 마스크: 없음, 면마스크, N95마스크, ACF마스크 (R95마스크), HEPA필터 마스크
분류 제품명 필터 종류 사진
일 반 마 스 크
3중필터 마스크 종이섬유
순면마스크 면
정전필터
미 세 먼 지 용
마 스 크
Particulate Respirator N95(8210) N95필터
Particulate Respirator R95(8246) R95필터 활성탄층
HEPA 2091 HEPA필터
○ 필터 여과 성능 평가
각각의 마스크 필터를 끼운 후 왼쪽 챔버에서 향연기를 발생시킴 오른쪽 챔버에서 실시간 미세먼지 농도 변화를 측정함
마스크가 없는 군(대조군), 마스크가 있는 군(실험군) 사이에 농도 변화의 차이를 분석 함
○ 현미경 관찰
필터의 구조와 원리를 실체현미경으로 관찰함
○ 필터 통기성 확인
왼쪽 챔버에서 일정한 유속의 바람을 발생시킴
기체압력센서를 이용하여 마스크 필터를 통해 여과된 오른쪽 챔버의 공기 유속을 측정 (기압센서를 이용)
□ 연구 활동 및 과정
○ 연구 시작 모임 (2018년 5월 15일)
지도 교사와 자문 위원, 연구에 참여하는 학생들 모두 모여 연구 내용 및 추후 계획에 대하여 회의를 하였다. 챔버 제작에 대한 도안 및 일정, 실험 일정과 역할을 나누었다.
○ 챔버 제작 (2018년 5월 19일 ~ 2018년 5월 26일)
준비물 – 아크릴 수조 2개(30*30*30mm, 5T), 아크릴 관(∅50mm*1m, 5T), 고무 패킹 (5*5mm 실리콘, 5m), 드릴, 장갑, 톱, 방진마스크(3M 방진2급), WD40, 아크릴 접착제, 아크릴 손잡이, 아크릴 칼, 아크릴 판(310*310mm, 8T), 고무튜브(4m), 실리콘건, 실리콘, 볼트와 너트, 글루건 심, 글루건.
준비물
○ 챔버 제작 과정
(1) 각각의 아크릴 박스에 아크릴 관이 들어갈 크기의 구멍을 뚫었다.
(2) 아크릴 관을 2개 자르고 각각의 아크릴 관에 아크릴판을 붙였다.
(3) 아크릴 관에서 플라스틱 판을 붙이지 않은 부분을 아크릴 박스 구멍에 넣었다.
(4) 글루건을 이용해 아크릴 관과 아크릴 박스를 붙였다.
(5) 아크릴 판끼리 맞붙인 후 구멍을 뚫고 나사와 너트를 이용해 고정하였다.
(6) 좌측 챔버에 에어펌프를 설치하고, 각각의 챔버에 미세먼지 농도 측정기를 설치했다.
완성된 챔버
○ 미세먼지 발생 및 미세먼지 농도 측정(필터 여과 성능 평가)
각각의 챔버에 미세먼지 농도 측정기(MBL 미세먼지 센서 측정기)를 설치하였고, 좌측 챔버 (chamber 1)에서 담배 또는 향초를 태워 미세먼지를 발생시켰다. 중간보고 이후 7월 18일 실험부터 담배 대신 향초를 사용하여 미세먼지를 발생시켰다. 좌측 챔버에 에어펌프를 설치하여 공기의 흐름을 만들었다. 마스크 필터를 사이에 두고 우측 챔버 (chamber 2)와 좌측 챔버에서 미세먼지 농도 변화를 측정하였다.
일시 - 2018년 6월 4일, 2018년 7월 18일, 2018년 7월 19일, 2018년 7월 21일, 2018년 8월 3일, 2018년 8월 7일
준비물 – 제작한 챔버, 마스크, 담배 또는 향초 장소 – 교내 과학실
실험 사진
○ 마스크 필터 전자현미경 관찰 일시 – 2018년 9월 8일
장소 – 영종도 교육과학연구원(인천학생과학관)
○ 마스크 통기성 확인
필터의 두께가 필터의 여과성능에는 큰 영향을 미치지 못함을 고려하였을 때, 필터의 두께가 얇아질수록 통기성이 향상된다고 볼 수 있다. 연구 진행과정에서 필터의 두께
를 측정하고 제시된 필터의 전체가 아니라 일부분만 사용하는 방향으로 새로운 마스크 를 제안했음을 감안하였을 때, 통기성에 대한 별도의 분석이 필요 없다고 판단하여 통기성에 관한 실험을 생략하였다.
○ 외부전문가 자문
미세먼지의 정의와 건강 영향에 대하여 자문을 구함
미세먼지 차단 기능이 있는 마스크 필터의 선정에 대하여 자문을 구함
결과분석에 필요한 통계분석을 자문, 결과그래프만으로 충분히 결과를 해석하였음
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
□ 연구 결과
○ 미세먼지 발생 및 미세먼지 농도 측정(필터 여과 성능 평가)
(1) 밀폐된 좌측 챔버 안에 향초를 피우고 에어펌프로 공기 흐름을 만들었다.
(2) 양측 챔버에서 동시에 실시간 미세먼지(PM2.5) 농도(ug/m3)를 측정하였다.
마스크 필터가 없는 상태 (대조군)에서 향초를 피우고 바로 미세먼지 농도는 급격히 높아졌으며 모든 실험은 5분씩 향초를 연소시키며 진행하였다.
(3) 각각의 마스크 필터에 따라 향초를 피우면서 발생한 미세먼지가 필터를 통해 여과되는 정도를 확인하였다.
대조군: 마스크를 끼우지 않았을 때 (세로축:PM2.5 농도(ug/m3), 가로축:시간 (초))
실험군: 부직포 마스크를 끼웠을 때 (세로축:PM2.5 농도(ug/m3), 가로축:시간 (초))
실험군: 정전기능이 있는 면마스크 끼웠을 때 (세로축:PM2.5 농도(ug/m3), 가로축:시간 (초))
실험군: N95마스크 필터를 끼웠을 때 (세로축:PM2.5 농도(ug/m3), 가로축:시간 (초))
대조군 실험은 필터 없이 필터 전 챔버에 향초를 피워서 미세먼지를 발생시키고 펌프를 이용해서 공기의 흐름을 만든 후 ,양측 챔버에서 각각 초 당 미세먼지 (PM2.5) 농도를 연속적으로 측정하였다. 약 10초 후 미세먼지가 이동하여 양측 챔버에서 최대 500 ug/m3의 미세먼지 농도가 관찰되었다.
그 이후 실험은 실험군인 부직포마스크 (수술용 마스크), 정전필터가 내장된 면마스크, N95 마스크, ACF가 내장된 R95 마스크, HEPA filter 마스크를 두 챔버 사이에 끼우고 실험을 진행하였다. 필터 전 챔버는 동일하게 향초를 피운 후 약 10초 이내 미세먼지 최대 농도 500 ug/m3를 실험 동안 유지하였고, 부직포마스크는 미세먼지를 여과하는 효과가 없어서 약 20초 후 필터 후 챔버의 미세먼지 농도도 급격히 상승하는 것을 관찰할 수 있었다. 반면, 정전필터가 내장된 면마스크는 실험 시간 내내 필터 후 챔버의 미세먼지 농도가 일정하게 낮게 유지됨으로써 미세먼지를 효과적으로 여과할 수 있음 을 확인할 수 있었다. 이러한 효과는 N95 마스크, R95 마스크, HEPA filter 마스크
실험군: ACF filter를 끼웠을 때 (세로축:PM2.5 농도(ug/m3), 가로축:시간 (초))
실험군: HEPA filter를 끼웠을 때 (세로축:PM2.5 농도(ug/m3), 가로축:시간 (초))
모두 동일하게 확인되었다.
ACF 필터를 내장한 R95 마스크를 분해하여 중심부의 ACF 필터만 따로 분리하였으며 이를 이용하여 실험한 결과 40초 이후에 여과기능이 떨어지면서 필터 후 챔버의 미세먼지 농도가 상승하기 시작하여 약 90초 후 양측 챔버의 농도가 차이가 없어졌다. 이로써 ACF 필터 단독만으로는 미세먼지 여과능이 충분하지 않음을 확인하였다.
정전필터를 내장한 면마스크의 미세먼지 여과성능이 매우 뛰어난 것으로 확인되어 추가 실험을 하였다. 면마스크를 물에 적셔서 정전기능을 없애고 다시 실험을 하였고, 실험 시작 약 20초 후부터 마스크 여과 기능이 떨어져서 필터 후 챔버의 미세먼지 농도가 상승하기 시작하였고 약 110초 후 양측 챔버의 미세먼지 농도가 동일해졌다.
○ 마스크 필터 현미경 관찰
R95에서 ACF filter만 분리하여 끼웠을 때 (세로축:PM2.5 농도(ug/m3), 가로축:시간 (초))
실험군: 정전기능을 없앤 면마스크를 끼웠을 때 (세로축:PM2.5 농도(ug/m3), 가로축:시간 (초))
1. 부직포 마스크
1.1 종이 마스크 1.2 종이 마스크 해부도
부직포 마스크는 일회용 마스크로 여과율도 굉장히 안 좋고 안면부와 딱 붙지 않아 미 세먼지를 제대로 거를 수 없다.
1.2 그림에서 왼쪽부터 차례대로 0.07mm, 0.21mm, 0.109mm이다.
2. N95 마스크 필터
R95필터에서 ACF필터만 단독으로 분리하여 실험했을 때(세로축:PM2.5 농도(ug/m3), 가로축:시간 (0.2초))
물에 적셔 정전기능을 제거한 후 실험했을 때(세로축:PM2.5 농도(ug/m3), 가로축:시간 (초))
2.1 N95 마스크 2.2 N95 마스크 해부도
2.2 그림에서 왼쪽부터 차례대로 0.144mm, 0.532mm, 0.71mm이다
3. 면마스크 정전필터
3.1 면 마스크 3.2 면 마스크 해부도
3.1 정전 필터 3.2 정전 필터 x120 3.3 정전 필터 x1.0k
실험에 사용된 면마스크는 정전 필터를 내장한 마스크이다. 필터에서는 여러 먼지들이 보였고 1,000배로 확대했을 때 미세먼지도 보였다. 면 필터에는 정전 필터 기능 하나만 있음에도 불구하고 여과성능이 매우 좋았고 통기성도 탁월했다.
4. R95 마스크
4.1 R95 마스크 4.2 R95 마스크 해부도
4.3(1) ACF 필터 4.3(2) ACF 필터 x120 4.3(3) ACF 필터 x1.0k
ACF 필터는 활성탄소섬유로 만든 필터이다. 사진 2.2를 보면 탄소섬유 주변에 먼지들 이 달라붙어 있는 것이 보인다. 또한 1,000배 확대해보니 탄소 주변에 굉장히 많은 먼 지들이 달라붙어있는 것이 보인다.
4.2 그림에서 밑 왼쪽부터 차례대로 위쪽 오른쪽까지 0.15mm, 0.32mm, 0.892mm, 0.291mm, 0.842mm이다
5. HEPA 필터
5.1 HEPA 마스크 5.2 HEPA 마스크 해부도
5.3(1) HEPA 필터 5.3(2) HEPA 필터 x180 5.3(3) HEPA 필터 x1.0k
HEPA 필터는 방사성 먼지를 제거하기 위해 만들어진 필터이다. 다른 필터들 보다 여 과 성능이 탁월했고 1,000배 확대를 했을 때 많은 미세먼지들이 여과된 것을 볼 수 있 었다.
5.2 그림에서 밑 왼쪽부터 차례대로 위쪽 오른쪽까지 0.235mm, 1.404mm, 0.295mm, 1.366mm, 0.25mm이다.
○ 마스크 통기성 확인
일반적으로 필터가 촘촘할수록 여과 성능은 좋아지지만 통기성은 떨어지므로 마스크를 착용
했을 때 숨을 들이마시기가 힘들 수 있다. 본 실험은 이상적인 마스크 필터는 여과성능이 좋음과 동시에 통기성도 나쁘지 않아서 실제로 착용하고 외출했을 때 최대한 편안해야 한다 고 생각하여 실험을 계획하였다. 그런데, 면마스크가 정전필터를 내장한 경우 미세먼지를 여과하는 성능이 N95, HEPA 필터만큼 우수하였으며, 면마스크는 착용 시 통기성이 좋아서 편안하였으므로 통기성 확인 실험은 추가로 진행하지 않았다.
선행한 마스크 필터 여과성능 평가에서 연구가설에서 예상했던 대로 HEPA 필터와 N95 및 R95 필터의 여과성능이 매우 좋았다. 또한 부직포 마스크는 미세먼지 여과 기능이 전혀 없어서 미세먼지 방지용 마스크로 부적합함을 확인하였다. R95 필터에서 다른 필터를 제거하 고 ACF 필터만을 사용하면 여과 성능이 매우 떨어져서 ACF 필터 단독만으로 미세먼지 방지용 마스크 필터로 제안하기는 어려울 것으로 판단되었다. 오히려 정전필터를 내장하고 있는 면마스크가 정전기능이 유지되기만 하면 미세먼지를 여과하는 성능이 N95, HEPA 필터만큼 우수하였으며, 면마스크는 통기성도 좋은 편이라서 통기성 확인 실험은 추가로 진행하지 않았다.
□ 결론
○ 마스크 여과 성능을 평가한 결과 일반 면마스크, 부직포 마스크, ACF 필터는 미세먼지 (PM2.5)를 효과적으로 여과하지 못함을 확인하였다. 그러나 정전필터를 포함한 면 마스크, N95 마스크, R95 마스크, HEPA 필터 마스크는 미세먼지를 실험 시간 동안 효과적으로 여과할 수 있음을 알 수 있었다.
○ 연구가설에서 예상했던 대로 HEPA 필터와 N95 및 R95 필터의 여과성능이 매우 좋았다.
또한 부직포 마스크는 미세먼지 여과 기능이 전혀 없어서 미세먼지 방지용 마스크로 부적합함을 확인하였다. R95 필터에서 다른 필터를 제거하고 ACF 필터만을 사용하면 여과 성능이 매우 떨어져서 ACF 필터 단독만으로 미세먼지 방지용 마스크 필터로 제안하기는 어렵다고 볼 수 있다. 오히려 정전필터를 내장하고 있는 면마스크가 정전 기능이 유지되는 한(세탁을 하거나 장기간에 걸쳐 재사용하지 않는 이상) 미세먼지를 여과하는 성능이 N95, HEPA 필터만큼 우수하였다.
○ 전자현미경 관찰을 통해 각각의 마스크 핕터와 미세먼지를 관찰할 수 있었는데, 면마스 크에 내장되어있던 정전필터는 HEPA 필터보다는 성기지만 ACF 필터만큼 촘촘히 필터 섬유가 구성되어 있었으며 이로써 통기성도 좋고 미세먼지 여과성능도 좋음을 알 수 있었다.
○ 본 실험을 통해 연구자들은 정전기능을 갖춘 필터가 단순히 필터를 치밀하고 두껍게 구성하는 것보다 미세먼지를 여과하는데 효율적일 수 있음을 제안하는 바이다.
□ 시사점
○ 미세먼지에 대한 학생들의 흥미 및 관심을 환기함으로써 같은 학교 학생들이 대기환경 과 건강문제에 더 큰 관심을 가질 수 있게 됨.
○ 학생들과 교사들이 미세먼지가 개인에게 끼치는 건강문제를 심각하게 인식하게 함으로 써 교무실에 미세먼지용 마스크를 비치하는 데 영향을 줌.
○ 실험에 사용된 면마스크가 부담스럽지 않으면서도 여과성능 면에서 두드러짐을 알게
되어 고농도 미세먼지가 발생하였을 때 이를 적극 활용함.
○ 학생들이 미세먼지에 대한 연구를 통해 지구과학 I 교육과정과 연관된 환경공학과 생명과학 I과 연관된 연역적 탐구방법을 직접 체험해 봄으로써 교육과정과 연구의 실제의 연계를 체험해봄.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 후속연구 제안
“미세먼지용 마스크의 여과 기전에 대한 연구”
○ 본 연구를 통하여, 일반 마스크와 미세먼지용 마스크가 무슨 차이점이 있는지, 그리고 실제 여과성능과 통기성 등에 있어서 어떠한 차이점이 있는지를 확인할 수 있을 것이 다. 그러나 본 연구방법은 연구 시간/자본/시설 등의 한계로 필터의 여과기전을 정확하 게 파악하지는 못하며, 따라서 일반 마스크와 미세먼지용 마스크가 어떠한 차이점으로 인해 어떤 원리로 여과가 이루어지는지에 대한 분석은 이루어지지 않는다. 따라서 마스크의 여과기전에 대한 후속연구가 진행되어 이를 파악하게 된다면 이를 통해 미세먼지를 여과하는 데 특화된 새로운 마스크를 제안할 수 있을 것이다.
“미세먼지용 마스크와 일반 마스크의 착용감을 통한 통기성 분석”
○ 또한 본 연구는 안전상의 윤리적 문제로 사람이 마스크를 착용하였을 때 호흡에 어떠한 불편함이 있는지에 대한 실험을 진행하지 못한다. 안전한 실험방법을 고안하고, 연구 심의를 거쳐서 마스크를 착용하고 실외활동(예: 경보 등)을 할 때 호흡에 어떠한 불편 함이 있는지를 통기성과 관련지어 확인하는 후속연구가 진행될 수 있으며, 이를 통해 마스크 설계에 있어서 통기성이 어떠한 방식으로 고려되어야 하는지를 확인할 수 있을 것이다.
“미세먼지용 마스크 추천 알고리즘와 앱(APP) 개발 연구”
○ 본 연구의 최종목적은, 실험결과를 사람들이 알 수 있도록 공지하여 이를 통해 국민들의 인식을 변화시키고 관심을 환기시키는 데 있다. 연구결과의 보도에는 여러 가지 방법 을 이용해볼 수 있겠지만 4차 산업혁명이 도래하면서 스마트폰 보급률이 올라가고 있는 현 상황에서 그 날의 미세먼지 정보와 함께 이용자의 상황을 고려하여 적합한 마스크를 추천하는 알고리즘을 개발해 앱으로 배포한다면 본 연구목적을 더 잘 성취할 수 있을 것으로 보인다.
□ 사후활용
○ 연구내용을 교내 소논문집 양식에 맞추어 변형해 학생연구물로서 열람될 수 있도록 한다.
○ 도서관과 교무실 등에 자료 사본을 보관하여 관심있는 학생들이 열람할 수 있도록 한다.
○ 추후 비슷한 계획을 가진 연구가 교내에서 진행될 때 연구윤리/연구방향에 대한 컨설팅 을 진행한다.
○ 진행된 연구를 교내 학술제에서 발표하여 학생들이 연구주제를 직관적으로 쉽게 이해할
수 있도록 지원한다.
5. 참고문헌
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http://www.gallup.co.kr/gallupdb/reportContent.asp?seqNo=835&pagePos=1&selectYear=0&search=2&se archKeyword=%B8%B6%BD%BA%C5%A9)
홍윤정, 이정숙, 신재민, 이춘영, 한은정, 이현경, 정애희, 채영주, 김민영(2009). 시중유통 마스크의 품질 평가. 서울특별시보건환경연구회보, 45, 66-76.
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