KAIST, ‘나노 물방울 기술’로 초미세먼지 99.9% 제거…필터·오존·펌프 없는 차세대 공기정화 기술 개발

PM0.3 극초미세먼지 5분 97%·20분 99.9% 제거…초저전력 1.3W·오존 제로(0) 구현

KAIST 연구진이 초미세먼지를 나노 물방울로 직접 포집하고, 장치 내부의 나노섬유 구조가 스스로 물을 끌어올려 장시간 안정적으로 작동하는 새로운 공기정화 기술을 개발했다. 이번 기술은 필터가 필요 없고 오존도 발생하지 않으며, 초저전력으로 구동된다는 점에서 기존 공기청정 방식의 한계를 뛰어넘는 차세대 정화 플랫폼으로 평가받고 있다. 연구는 신소재공학과 김일두 교수와 기계공학과 이승섭 교수 공동연구팀이 수행했다.

연구팀은 0.1m³ 실험 챔버에서 장치를 테스트한 결과, PM0.3부터 PM10까지의 다양한 입자를 20분 내 99.9% 제거하는 성능을 확인했다. 특히 기존 필터식 공기청정기로 제거가 어려운 PM0.3 극초미세먼지도 5분 만에 97% 제거됐다. 30회 반복 시험과 50시간 연속 구동에서도 성능 저하가 없었으며, 전력 소비는 약 1.3W로 일반 가정용 헤파(HEPA) 공기청정기의 약 1/20 수준에 불과했다. 필터가 없기 때문에 공기 흐름의 압력 손실이 없어 소음이 거의 발생하지 않는 것도 장점이다.

이번 장치는 두 개의 핵심 기술로 구현되었다. 첫째, 이승섭 교수 연구팀이 개발한 ‘오존 없는 정전분무(electrospray)’ 기술은 물을 미세한 나노 물방울로 분사해 먼지 입자와 빠르게 결합·포집하도록 한다. 기존 정전식 공기청정기가 가진 오존 발생 문제를 회피하기 위해 독자적인 전극 구조 설계를 적용해 전기장 작동 중 오존이 생성되지 않도록 했다. 둘째, 김일두 교수 연구팀의 ‘고흡습 나노섬유(hygroscopic nanofiber)’ 기술은 물을 스스로 끌어올리는 자기펌핑(self-pumped) 구조를 구현한다. 모세관 현상을 이용한 미세채널과 나노섬유 흡수체가 결합된 구조 덕분에 펌프 없이도 지속적인 물 공급이 가능하며, 장시간 안정적인 분무 환경을 유지한다. 이 두 기술이 결합되면서 필터·오존·펌프가 모두 없는 새로운 공기정화 장치가 탄생했다. 연구팀은 이번 기술이 에너지 효율, 유지관리 비용, 안전성 측면에서 기존 정화 기술을 대체할 잠재력이 크다고 평가했다. 필터 교체 비용이 없고, 초저전력 구동이 가능하며, 오존 발생이 전혀 없어 실내 환경뿐 아니라 차량, 클린룸, 휴대용·웨어러블 공기정화 장치 등으로도 확장이 가능하다. 물 소비량 역시 시간당 0.4mL 이하로 커피 한 방울 수준에 불과해 친환경성과 경제성을 동시에 갖췄다.

해당 기술은 이승섭 교수 연구실의 창업기업 ㈜A2US를 통해 사업화가 진행 중이며, 2026년 휴대용 공기청정기 출시가 예정돼 있다. 새로운 제품은 초미세먼지 제거뿐 아니라 냄새 제거와 병원균 살균 기능까지 탑재될 전망이다.

이번 연구는 국제적 권위를 지닌 재료과학·나노기술 분야 학술지 Advanced Functional Materials(Wiley)에 11월 14일자 논문으로 게재됐다. 연구에는 KAIST 채지환 박사과정생과 조유장 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 김일두 교수와 이승섭 교수가 교신저자로 연구를 이끌었다. 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, KAIST-MIT 미래에너지 선도연구센터 사업의 지원을 받아 수행됐다.

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