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ISSN : 1226-0088(Print)
ISSN : 2288-7253(Online)
Membrane Journal Vol.33 No.6 pp.398-408
DOI : https://doi.org/10.14579/MEMBRANE_JOURNAL.2023.33.6.398

Development of Antibacterial Hood and Filter for Medical Powered Air Purifying Respirators (PAPR)

Eunjoo Koh, Nahyun Cho, Yong Taek Lee†
Department of Chemical Engineering, Kyung Hee University, Yongin-si 17104, Republic of Korea
†Corresponding author(e-mail: yongtlee@khu.ac.kr; http://orcid.org/0000-0003-4421-5794)
December 5, 2023 ; December 11, 2023 ; December 11, 2023

Abstract


This work developed a hood and filter for antibacterial protective clothing for medical powered air purifying respirators (PAPR) that can be used in medical settings and quarantine against infectious diseases such as Zika virus, Middle East respiratory syndrome (MERS), and coronavirus disease-19 (COVID-19). The hood material of the protective clothing was made of polypropylene spunlace nonwoven fabric (SFS) was used for withstand wind pressure and external physcial pressure. Forthermore, in order to reduce the user's risk of infection, phytoncide-based materials were used on the outer-surface of the hood to achieve a 99.9% antibacterial effect, and the inner-surface were treated with hydro-philic materials to improve absorbency by 25%. In addition to evaluating the artificial blood penetration resistance, dry mi-croorganism penetration resistance, wet bacteria penetration resistance, and bacteriophage penetration resistance required for medical protective clothing hoods, it received a passing evaluation of levels 2-6. Meanwhile, as a result of evaluating the performance of the antibacterial treated spunlace high efficiency particulate air (HEPA) filter, excellent antibacterial properties, dust removal rate, and differential pressure effect were confirmed. All performance evaluations were conducted by an accredited certification body in accordance with the medical PAPR certification standards.


powered air purifying respirators(PAPR) , artificial blood penetration resistance , dry microorganism penetration resistance , wet bacteria penetration resistance , bacteriophage penetration resistance

의료용 전동공기청정호흡기(PAPR)용 항균성 후드 및 필터 개발

고 은 주, 조 나 현, 이 용 택†
경희대학교 화학공학과

초록


본 연구는 지카바이러스, 메르스, coronavirus disease-19 (COVID-19) 등의 감염병 방역 및 의료현장에서 사용할 수 있는 의료용 공기정화호흡기(powered air purifying respirators, PAPR)의 항균성 보호복의 후드와 필터를 개발하였다. PAPR은 전동팬 본체 및 필터, 배터리팩, 후드로 구성되며 보호복의 후드 소재는 뛰어난 흡습성, 풍압, 외부충격을 견딜 수 있는 폴리프로필렌 슐폰레이스(spunlace) 부직포 직물(SFS)을 사용하였다. 사용자의 감염위험을 낮추기 위해 후드의 외피에는 피톤치드계 물질을 사용하여 99.9%의 안티-박테리얼(antibacterial) 효과를 얻었으며 내피에는 친수가공을 하여 흡수성을 25% 향상시켰다. 의료용 보호복 후드에 필요한 인공혈액 침투저항성, 건조미생물 침투저항성, 습식세균 침투저항성, 그리고 박테 리오파아지 침투저항성을 평가한 결과 2~6 단계의 합격평가를 받았다. 한편, 항균 처리된 슐폰레이스(spunlace filter, SF) 헤 파 필터(high efficiency particulate air, HEPA)의 성능을 평가한 결과 우수한 항균성, 분진제거율, 차압 효과를 확인하였다.


    1. 서 론

    최근 지카 바이러스, 메르스, COVID-19 등 신종 및 원인불명 감염병 등의 발생이 잦아지는 가운데 바이러 스의 일종인 COVID-19는 2019년에 처음 발생하여 여 러 접촉 경로를 통해 전 세계로 확산되고 여러 바이러 스 변이를 거치면서 바이러스로 인한 팬데믹 사태가 2 년 이상 지속되었다[1-6]. 일반적인 바이러스의 크기는 약 20~200 nm이고 다른 세포에 기생하며 새롭게 변이 함으로 감염병의 발생은 바이러스에 국한되지 않고 박 테리아를 포함하여 구제역(foot and mouth disease virus), 조류 독감(highly pathogenic avian influenza) 등도 주기적으로 발생되고 있고 슈퍼박테리아의 출현이 전 세계적으로 꾸준히 증가하는 추세이므로 방역, 의료, 농 림, 소방 안전현장에 적합한 의료용 전동식 공기정화 호흡 보호복(powered air purifying respirators, PAPR) 제품의 수요가 급격하게 증가하고 있다[7-11]. 의료현장 에서 사용하는 PAPR은 글로벌 안전표준에 적합하면서 착용자의 환경과 요구에 부합하는 성능과 착용자의 편 의성을 위한 경량화, 그리고 사용 중 발생할 수 있는 감염예방 안전성이 필수적으로 고려되어야 한다[12-16]. 방역현장에서 사용하고 있는 보호복의 폴리우레탄 소 재는 의료 방역 특성상 장시간 사용하기에 보호복이 너무 무겁고 호흡과 땀으로 인한 불편한 사용감 등의 문제가 있다[17-20]. 한편, 전동팬의 필터를 통한 보호복 후드 안으로 공급되는 공기에 의존하여 방역작업을 진행하 는 레벨-D 이상의 의료용 PAPR 제품에는 공급되는 공 기를 여과하는 헤파 필터(high efficiency particulate air, HEPA)[21-26]의 항균성 특성이 매우 필요하다.

    본 연구에서는 보호복 후드와 필터의 항균성 코팅개 질과 경량화를 위해 폴리프로필렌 spunlace 부직포를 직물을 후드와 필터 소재로 사용하였다. 후드는 내피와 외피의 코팅을 위해 폴리프로필렌/미공성 폴리에틸렌 필름/폴리프로필렌(SFS)으로 구성된 두 겹의 부직포 직 물을 사용하여 소재의 친수-항균 특성을 강화하였고, 필터는 항균 코팅으로 안티-박테리얼 효과를 강화하였 다. 개발된 의료용 공기정화 호흡기(PAPR) 및 보호복 은 재사용을 위한 세척 과정이 필요하지 않고 항균 처 리된 소재로 인하여 사용자의 감염위험을 현저히 감소 시킬 수 있다. 또한, 보호복의 후드와 필터는 흡습성, 항균성, 인장강도 그리고 인공혈액 침투저항성, 건조미 생물 침투저항성, 습식세균 침투저항성, 박테리오파지 침투저항성을 평가하였다.

    2. 실 험

    2.1. 재료 및 시약

    술폰레이스 폴리프로필렌 부직포(sulfonlace-film-sulfonlace polyethylene nonwoven, SFS)는 Crown Name Disposable Hygiene Products Fty1 Ltd.에서 생산한 직 물을 사용하였고, polyethylene sulfonlace HEPA-filter (SF)는 ㈜인터내셔날 (SF-10) 제품을 사용하였다. 폴리 비닐알콜(polyvinyl alcohol (PVA), Mw 9000~10000, 80% hydrolyzed), 카르복실메틸 셀루로오스 소듐 솔트 (carboxymethyl cellulose sodium salt, CMC), PEGDGE (poly ethylene glycol diglycidyl ether, Mw 500), 피톤 치드(엠제이글로벌)는 모두 Sigma-Aldrich 제품을 사용 하였고 모든 공정에는 3차 증류수를 사용하였다.

    2.2. 실험방법

    2.2.1. 흡수율 시험

    SFS를 40°C 항온건조기에서 건조하여 잔존 수분을 제거하고 직물을 가로(300 mm) × 세로(300 mm) 크기로 준비하였다. SFS (표준 샘플)에 PVA, CMC, PVA/CMC (3:1) 등의 친수물질을 4.0 wt%와 0.5 wt%로 후드의 내피에 친수성 코팅을 하였다[27]. PVA:CMC = 3:1 비 율로 혼합한 코팅용액을 시험한 이유는 코팅된 SFS 직물 의 부드러운 드레이프성과 친수 특성을 강화하였다. 준비 된 코팅용액을 부직포의 내부표면에 스프레이(50 mL/ 300 mm2) 표면을 고르게 코팅하여 상온에서 건조하였다. 흡수성 평가는 공인인증시험관인 한국의류시험연구원에 서 KS K0815,6.27.2:2008에 따라 흡수성을 평가하였다.

    2.2.2. 항균성 시험

    피톤치드를 이용한 항균성 평가는 피톤치드 용액(10,000 ppm)을 0% (SF-0), 100% (SF-1), 125% (SF-1.25), 150% (SF-1.5), 175% (SF-1.75)을 사용하여 코팅하였 다[28]. 코팅된 SFS 부직포와 SF 필터를 40°C 항온건 조기에 건조하여 후드와 필터 샘플(300 × 300 mm)을 평가하였다. 피톤치드 항균성 수용액(50 mL/ 300 mm2) 을 스프레이를 이용하여 후드의 외피와 헤파 필터 표면 에 항균제를 코팅시켜다. 항균도 평가는 공인인증시험 기관인 한국의류시험연구원에서 KS K0693:2016에 따라 진행하였다.

    2.2.3. 인장강도 시험 및 인증

    SFS를 40°C 항온건조기에서 건조하여 잔존 수분을 제거하여 샘플(300 × 300 mm)의 인장강도를 평가하였 다. 인장강도에 대한 평가는 공인인증시험기관인 한국 의류시험연구원에서 표준 시험방법인 KS K0860:2001 에 따라 진행하였다.

    2.2.4. 보호복 인증시험

    SFS 부직포 직물을 40°C 항온건조기에서 건조하여 잔존 수분을 제거하여 부직포 샘플(300 × 300 mm)을 준비하였다. 코팅하지 않은 SFS 부직포 직물과 내피의 친수-외피 항균(피톤치드 1.75%) 가공한 직물을 의료용 보호복의 안전성 규정에 따라 평가하였다. 보호복의 안 전성은 인공혈액 침투저항성, 박테리오파지 침투저항 성, 습식세균 침투저항성, 건조미생물 침투저항성을 한 국의류시험연구에서 ISO 22612:2005, ISO 16604:2004, ISO 22610:2006, ISO 16603:2004 보호복 표준에 따라 진행하였다.

    2.2.5. 의료용 PAPR 후드 및 필터 소재 개발

    PAPR 보호복은 본체, 배터리, 필터(정화통 포함), 후 드로 구성된다[29-33]. 감염물질에 대한 항균성이 우수 한 소재를 개발하기 위해 SFS 부직포 직물을 이중으로 사용하여 외피와 내피 부직포 사이에 미공성 폴리에틸 렌 필름층으로 액체 및 혈액 침투저항성을 향상시켰으 며 내압에 견딜 수 있는 강도를 부여하였다. 후드 소재 의 경량화를 위하여 폴리프로필렌(PP) 소재를 사용하여 SFS 부직포 직물을 2 layer로 제작하여 70 g의 경량의 보호복 후드를 개발하였다. 보호복의 내층은 여름철 땀 과 호흡에 의한 습기 흡습성을 강화하였고 보호복의 외 피는 외부 감염으로부터 착용자를 보호하기 위한 항균 가공을 실시하였다[26-32]. 디자인은 봉제선 없는 seam sealing 기법으로 공기 유실로 인한 유압 감소, 혈액 및 침으로 인한 감염을 방지하였다. 외부 교체형 단용성 필터 모듈에 사용되는 헤파 필터(HEPA filter)는 항균 성 물질을 스프레이 가공하여 세균의 침투저항성을 향 상시켰다. 헤파 필터 성능 향상을 위해 필터층에 300 nm 기공을 가지는 필터를 사용하여 분진 및 세균성 단 백질의 제거율을 99.9% 이상으로 향상시켜 의료진의 감염 위험성을 감소시켰다(Fig. 1).

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 친수-항균성 후드의 개발

    3.1.1. SFS 부직포 후드의 표면 형상 및 기공 특성

    Fig. 2(a1, a2)는 SFS 부직포 원단의 표면 형상으로 파이버의 탱글링된 부직포 조직이 관찰된다. Fig. 2(b1, b2)는 SFS 부직포 내피에 PVA/CMC를 3:1로 친수 코 팅된 파이버의 형상이고 Fig. 2(c1, c2)은 SFS 부직포 원단 외피에 피톤치드를 코팅한 후의 파이버 형상이다. 직물의 코팅 가공은 SFS 원단의 파이버 조직에 변화를 일으키지 않았고 코팅용액이나 코팅공정에 의해 파이버 손상 및 기공 구조가 손상되지 않은 결과를 보여준다. 공기정화 보호복(PAPR)은 전동팬에서 공급되는 공기 의 유실이 없고 압력을 견딜 수 있고 외부의 바이러스 의 침투는 방어할 수 있어야 하므로 폴리프로필렌 후드 의 기공의 크기를 분석하였다. 그 결과 SFS 후드의 평 균 기공의 크기는 압력 30 (psi)에서 12.6 um였으나, 공 기 압력 100 (psi)에서는 0.159 um로 관찰되었다.

    3.1.2. SFS 후드의 친수 코팅 개질

    코팅 전의 폴리프로필렌 SFS 부직포 직물은 2950 cm-1, 1456 cm-1, 1376 cm-1에서 C-H, CH2, CH3의 폴리프로 필렌의 특성 피크가 나타났다. 그러나, 흡수성 물질이 코팅된 소재의 표면에서는 공통적으로 하이드록시기 (-OH) 특성 피크가 3400 cm-1에서 나타났다. 특히, CMC가 코팅된 SFS 부직포 직물에서는 1326 cm-1과 1100 cm-1에서 C-O-C의 특성 피크가 관찰된다. 코팅면 에서 카르복실에시드기가 아니라 카르보닐기가 검출되 었는데 이 결과는 CMC가 화학적인 작용에 의한 결합 이 일어나지 않고 SFS 부직포 표면에 흡착 코팅되었기 때문이다(Fig. 3A). 친수 흡수제가 코팅된 SFS 부직포 직물들의 친수화 효과를 접촉각 분석으로 확인하였다. 흡수제 코팅하지 않은 SFS 부직포의 물방울에 대한 접 촉각은 127°이다. 반면에 PVA 코팅된 SFS 부직포 직 물의 접촉각은 98°, SFS 부직포 직물 감소하여 친수성 흡수제 코팅의 영향을 확인하였고 CMC가 코팅된 SFS 부직포 직물의 접촉각은 91°, PVA/CMC를 3:1 혼합하 여 가공한 SFS 부직포 직물의 접촉각은 88°로 감소하여 친수 흡수제로 인한 표면 친수효과가 나타났다(Fig. 3B).

    3.1.3. 보호복 후드의 피톤치드 코팅

    Table 1과 Fig. 4는 폴리프로필렌 SFS 부직포 직물 내피의 친수 흡수제 코팅에 따른 부직포 내피 표면의 화학적 성분변화를 XPS 분석한 결과이고 Fig. 4는 폴 리프로필렌 SFS 부직포 직물 외피의 피톤치드 항균코 팅에 따른 부직포 외피 표면의 화학적 성분변화를 XPS 분석한 결과이다. Table 1, 코팅 후 친수성 성분인 하이 드록시기(-OH)의 증가로 인하여 산소(O)의 성분이 5.22 atom (%)에서 10.98, 27.73, 11.65 atom (%)으로 크게 증가하였다. 코팅 가공하지 않은 폴리프로필렌 SFS 부직포 직물과 기능성 코팅 가공한 한 SFS 부직포 직물 표면의 화학적 성분변화를 보여준다. 항균 코팅 후 피톤치드의 phytoncide 성분의 증가로 인하여 산소 (O)의 성분이 2.85 atom (%)에서 4.3 atom (%)으로 증 가한 결과를 보여준다. Fig. 4는 SFS 후드 소재에 항균 처리한 후 나타나는 코팅효과를 표면의 화학적 성분변 화로 확인하였다. FTIR spectra를 살펴보면, 폴리프로필 렌 SFS 부직포 직물은 2950 cm-1, 1456 cm-1, 1376 cm-1에서 C-H, CH2, CH3 특성 피크가 확인된다. 반면 에 항균성 물질이 코팅된 소재의 표면에서는 공통적으 로 phytoncide 피크가 2820 cm-1, 1445 cm-1에서 나타 났다. 또한, C-O-C 피크가 1060 cm-1에서 항균물질 코 팅 후에 생성하였다. 이 결과는 SFS 부직포 직물 표면 에 친수 흡수제가 골고루 코팅된 결과를 의미한다.

    3.2. 항균성 SF 헤파 필터의 개발

    3.2.1. SF 헤파 필터의 표면 형상

    외부 교체형 단용성 필터 모듈에 사용할 수 있는 헤 파 필터(HEPA filter)에 항균성 물질을 스프레이 가공 하여 세균의 침투저항성을 향상시켰다. 헤파 필터 성능 향상을 위해 중간부에 기공 300 nm 소재를 사용하여 필터의 공기 투과량, 분진 및 세균성 단백질의 제거율 을 향상시키고 의료진의 감염 위험성을 감소시켰다. Fig. 5(a1, a2)는 SF 필터 원단의 표면 형상으로 파이버 가 탱글링된 부직포 조직이 관찰되고 필터에 피톤치드 성분이 코팅 가공된 후에도 파이버나 기공의 손상이 관 찰되지 않았다(Fig. 5(b1, b2)).

    3.2.2. 항균성 피톤치드 가공

    SFS와 SF 소재의 항균 코팅 효과를 Figs. 6와 7에 나 타내었다. 폴리프로필렌 SF 필터의 직물은 2950 cm-1, 1456 cm-1, 1376 cm-1에서 C-H, CH2, CH3 특성피크가 확인된다. 반면에 항균성 물질이 코팅된 소재의 표면에 서 공통적으로 phytoncide 피크가 2820 cm-1, 1445 cm-1 에서 나타났다(Fig. 6). 또한, C-O-C 피크가 1060 cm-1 에서 항균물질 코팅 후에 생성하였다. Table 2와 Fig. 7 은 폴리프로필렌 SF 필터와 피톤치드 항균코팅에 따른 SF 필터 표면의 함량별 XPS 성분변화 관찰하였다. 피 톤치드의 함량별 코팅에 따른 phytoncide 성분의 증가 로 인하여 산소(O)의 성분 비율은 코팅하지 않은 원단 에서는 2.98 atom%였으나 1.00 (100%), 1.25 (125%), 1.50 (150%), 1.75 (175%) 코팅한 결과 각각 3.92, 4.59, 5.47, 4.77 atom%로 증가한 결과를 보여준다 (Table 2). 또한, 표면의 화학적 성분변화와 결합을 Fig. 7에 나타냈다.

    3.2.3. 헤파 필터의 기공 크기 및 여과 효율

    공기정화 보호복(PAPR)는 전동팬의 필터부에 사용 되는 헤파 필터(SF)의 평균 기공의 크기를 분석한 결과 압력 30 (psi)에서 16.2 um로 나타났다. 한편, 필터의 여과효율을 측정한 결과 항균 처리된 필터의 flow rate 는 3.2 (L/min), face velocity는 5.33 (cm/s)로 측정되어 우수한 여과 효율과 차압이 관찰되었다(Table 3).

    3.3. PAPR 보호복 후두 및 필터의 성능평가

    3.3.1. 보호복 후드의 흡수 특성

    SFS 구조의 부직포 직물이 가지는 액체에 대한 흡수 성능을 시험한 결과를 Table 4에 나타내었다. 흡수성 실험은 SFS 부직포 직물의 내피에 흡습제를 스프레이 코팅하여 시험하였으며 PAPR 보호복 후드 내피가 효 과적으로 습기와 작업 중에 발생하는 땀의 흡수율을 관 찰하였다. 액체 방울은 피부를 타고 흐르게 되므로 사 용자의 작업에 힘든 요인이 되므로 이를 해결하고자 후드 소재의 흡수성을 향상시키는 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 흡습성이 50%인 폴리프로필렌 소재에 흡습성이 우수한 친환경 소재로 가공하여 작업중에 배 출되는 액체를 흡수하여 사용자의 작업능률을 향상시 켜 안락한 사용감을 강화하였다. 흡수 코팅하지 않은 표준 샘플(SFS-Reference)의 흡수성은 16.2%였으나 PVA를 코팅된 SFS 부직포 직물의 흡수성은 24.9%, SFS CMC를 코팅한 부직포 직물은 43.0%으로 증가하 였고 PEGDGE를 코팅한 SFS 부직포 직물의 흡수성은 20~43%로 증가하여 흡수성이 크게 개선된 결과를 보 여준다(Table 4).

    3.3.2. SFS 후드의 인장 특성

    공기정화 보호복(PAPR)는 작업현장에서 발생하는 외부 충격에 강하고 전동팬에서 공급되는 공기의 유실 이 없고 압력을 견딜 수 있는 후드 및 필터 소재가 사 용되어야 한다. 친구 가공된 SFS 부직포 직물의 인장강 도를 경사 및 위사방향으로 분석하여 Table 5에 나타내 었다. 흡수제 코팅을 하지 않은 SFS-Reference의 길이 방향 인장강도는 210/120 (N/50 mm)으로 나타났다. PVA 친수성 흡수제로 코팅 가공한 SFS 부직포 직물의 인장강도 값은 경사(길이) 방향의 인장강도가 230 (N/50 mm), 위사(폭) 방향이 120 (N/50 mm)으로 측정 되었다. CMC 친수성 흡수제로 가공한 SFS 부직포 직 물의 경사(길이) 방향 인장강도는 210 (N/50 mm), 위 사(폭) 방향 150 (N/50 mm)으로 측정하였다. 본 발명 으로 개발된 SFS 부직포 후드 소재는 경사 방향보다는 위사 방향이 약한 인장강도 값이 나타났다(Table 5). 그 러나, 친수성 흡수소재를 가공한 SFS 부직포 직물의 인 장강도는 가공하지 않은 SFS 부직포 원단에 비해 증가 한 결과를 보여준다.

    3.3.3. 헤파 필터의 항균 특성

    피톤치드를 이용한 항균성 평가는 피톤치드 원액(1.0) 그대로 사용하였다. 항균도 측정에는 staphylococcus aureus ATCC 6538 (황색포도구균)과 lebsiella pneumoniae (폐렴간균)을 사용하였다. 시험에 사용된 두 균주 의 농도는 staphylococcus aureus ATCC 6538 (황색포 도구균)의 농도는 1.1 × 10⁵ CFU/mL이고, 비이온성 계 면활성제 Tween 80을 접종균의 0.005% 첨가하였다. 시험편은 피톤치드 항균제를 처리하지 않은 SFS 직물 과 피톤치드 항균제를 처리한 SFS 직물, 그리고 대조편 으로 가공하지 않은 시편을 사용하였다. 항균 처리하지 않은 SFS 직물의 staphylococcus aureus ATCC 6538 (황색포도구균) 정균은 모두 비활성화 되어 정균 감소 율이 0.0%로 나타났다. 그러나, 피톤치드 항균제를 처 리한 SFS 직물에는 92.9%의 정균 감소율을 확인하였 다(Fig. 8a,b). 한편, slebsiella pneumoniae (폐렴간균)에 대한 정균 감소율은 피톤치드 항균제를 처리하지 않은 SFS 직물에서는 0%로 나타났으나, 피톤치드 항균제를 처리한 SFS 직물에서는 99.1%의 정균 감소율이 확인 하였다. 피톤치드를 이용한 항균성 평가는 피톤치드 원 액을 0%, 100%, 125%, 150%, 175% 농축하여 진행하 였다. 항균성 시험은 SFS 부직포와 SF 필터를 40°C 항 온건조기에 건조하여 SFS 부직포와 SF 필터를 300 mm × 300 mm 크기로 평가하였다. 피톤치드 항균성 수용액(50 mL/300 mm2)을 스프레이를 이용하여 부직 포의 외부표면과 필터 표면에 골고루 뿌려 항균제를 코 팅시켜준다. 항균도 평가는 공인인증시험기관인 한국의 류시험연구원에서 KS K0693:2016에 따라 진행하였다. 피톤치드를 이용한 항균도 평가에는 staphylococcus aureus ATCC 6538 (황색포도구균)과 klebsiella pneumoniae (폐렴간균)을 사용하였다. 시험에 사용된 두 균 주의 농도는 staphylococcus aureus ATCC 6538 (황색 포도구균)은 1.1 × 105 CFU/mL이고, 비이온성 계면활 성제 Tween 80을 접종균의 0.005% 첨가하였다 항균처 리 하지 않은 SFS 직물의 staphylococcus aureus ATCC 6538 (황색포도구균) 정균은 모두 비활성화 되어 정균 감소율이 99.9% 이상으로 나타났다. 피톤치드 항균제 를 처리하지 않은 SF 필터와 항균 처리한 SF 필터에 흡착된 두 종의 균주는 99.9% 이상 사멸되었음을 의미 한다(Fig. 8c, d).

    3.3.4. 보호복 후드의 인증 평가

    SFS 보호복 후드의 안전성은 인공혈액 침투 저항성, 박테리오파지 침투 저항성, 습식세균 침투 저항성, 건조 미생물 침투 저항성을 평가하였다. 한국의류시험연구에 서 ISO 22612:2005, ISO 16604:2004, ISO 22610:2006, ISO 16603:2004 한국 보호복 표준에 따라 진행하였다.

    3.3.4.1. 건조미생물 침투저항성

    SFS 부직포 직물의 건조미생물 침투저항성 평가는 살아 있는 미생물(균주)의 숫자를 측정하여 분석하였다. 시험균종은 Bacillus atrophaeus ATCC 9372의 포자로 시험하였다. 포자의 농도는 1.0 × 108 CFU/g talc로 총 시험편의 개수는 10개로 30분간의 진동으로 처리하여 측정하였다. 코팅처리하지 않은 SFS 부직포의 평균 CFU 값은 < 1이고 log 10 (CFU) 값은 0.0으로 나타났 다. 한편, PVA 흡습제를 코팅한 FS 부직포의 평균 CFU 값은 < 1이고 log 10 (CFU) 값은 0.0으로 건조한 상태에서 미생물의 활동이 일어나지 않았고 우수한 건 조미생물 침투 저항값을 얻었다.

    3.3.4.2. 박테리오파지 침투저항성

    박테리오파지에 의한 바이러스 침투 여부 시험:혈액 매개 병원균에 의한 침투에 대한 보호복 재료의 저항성 측정으로 Phi-X174 박테리오파지를 사용한 시험으로 내식성에 대한 시험. 코로나 바이러스는 기침이나 재채 기, 사람의 입에서 나오는 비말(침) 등에 의해 바이러스 가 전파된다. ISO 16604 시험방법은 박테리오파지를 0~20 kPa의 압력을 주어 원단에 투과시킨 후, 배양시켜 박테리오파지가 검출되었는지를 확인할 수 있다. 압력 을 1~6단계(class 1~6)까지 보호 성능이 나타나고 6단 계로 갈수록 우수한 저항성으로 보호성능이 크다는 것 을 의미한다. SFS 부직포 직물의 박테리오파지 침투저 항성 시험은 살아 있는 미생물의 숫자(plaque forming unit, PFU)를 계산하여 측정하였다. 시험은 총 3회 실시 하여 평균값을 얻었다. 시험균종은 Phi-X 174 ATCC 13706-B1 박테리오파지를 현탁액 농도 3.0 × 108 PFU/ mL에서 0.5 시간 동안 UV 조영(254 mm)으로 멸균처 리 후, 20 kPa (Class 6) 압력 하에서 시험을 진행하였 다. 코팅 처리하지 않은 SFS 부직포(REFERENCE)의 평균 PFU 값과 PVA 흡습제를 코팅한 FS 부직포의 평 균 PFU 값은 < 1로 합격평가를 받았다. 이 결과는 의 료용 보호복의 후드로 개발한 흡수성이 우수한 SFS 부 직포 직물의 박테리오파지에 대한 우수한 침투저항성 평가를 얻었다.

    3.3.4.3. 습식세균 침투저항성

    SFS 부직포 직물의 박테리오파지 침투저항성 평가는 살아 있는 미생물의 숫자(plaque forming unit, PFU)를 계산하여 측정하였다. 시험균종은 staphy lococcus aureus ATCC 29213 (~1.0 μm) 농도는 (2.5 ± 1.5) × 104 CFU/mL에서 0.5 시간 동안 UV 조영(254 mm)으로 멸 균처리 후 5회 측정하여 평균값을 얻었다. 습식 박테리 아 침투에 대한 저항 시험이 코팅 처리하지 않은 SFS 부직포의 평균 Barrier Index (BI)값은 6.0으로 측정되 었고, PVA 흡습제를 코팅한 SFS 부직포의 평균 barrier Index (BI)값도 6.0으로 평가하였다. 질병관리본부 기준 에 의해 균주 수의 변화에 따라 1~6 단계까지 평가되 고, 2단계(BI 2.0)부터 보호복 소재로 제품에 대한 적합 성을 인정받는다. BI 6.0이 가장 우수한 단계를 의미한 다. 본 발명의 성적서의 BI 6.0 평가는 SFS 소재가 매 우 우수한 습식저항 능력이 있음을 의미하며 PVA 코 팅한 SFS 부직포 직물도 습한 상태에서도 박테리아파 지에 대한 침투저항성이 매우 우수함을 확인하였다.

    3.3.4.4. 인공혈액 침투저항성

    SFS 부직포 직물의 인공혈액침투저항 평가는 혈액을 통한 감염위험에 필요한 시험이다. 평가는 1~6 단계 (step)까지 압력에 변화를 주어 총 3번 시험하였다. 질 병관리본부 표준은 1~6 단계로 평가되고 3단계를 통과 하면 보호복 소재로 대한민국 표준 기준으로 사용 적합 성을 인정받는다. 본 발명에서 개발한 후드 소재는 코 팅하지 않은 SFS 소재와 PVA 코팅한 SFS 부직포 직 물 모두 3번 평가하여 모두 6단계 평가를 통과하여 인공 혈액 침투저항성에 대한 침투방어 능력이 관찰되었다.

    4. 결 론

    지카 바이러스, 메르스, COVID-19 등 신종 및 원인 불명 감염병 발생으로 사용되는 전동식 공기정화 호흡 보호복(PAPR) 제품의 수요가 급격하게 증가하고 있다. 또한 의료, 농림, 소방 안전 및 산업현장에서 의료전문 종사자 및 관련 의료 요원의 안전한 작업환경 구축에 크게 사용되고 있고 일반가정 및 공공시설에 상비 보호 복 및 감염병 발생 시 초기 대응에 활용할 수 있는 보 급형 모델로 사용할 수 있다. 보급형 의료용 공기정화 호흡기(PAPR)의 항균성과 경량화를 통해 사용자의 피 로감과 감염위험을 감소시키고자 하였다. 보호복의 후 드는 이중 레이어의 SFS 소재를 사용하여 외피에는 친 환경 항균물질을 코팅 가공하여 사용자의 탈 보호복 과 정과 오염원 접촉으로 인한 감염위험을 크게 감소시키 고 내피에는 친수성 물질로 표면 코팅하여 사용자의 분 비물을 빠르게 흡수시켜서 사용감을 개선하였다. 또한, 전동팬의 필터부에 사용되는 헤파 필터(SF)는 항균 가 공으로 필터의 여과 및 차압에 영향을 미치지 않으면서 우수한 항균성을 가지는 소재를 개발하였다. 이외에도 의료용 PAPR 보호복에 핑수적으로 요구되는 인공혈액 침투저항성, 박테리오파지 침투저항성, 습식세균 침투 저항성, 건조미생물 침투저항성에 대한 우수한 성능 향 상 효과를 확인하였다.

    Acknowledgements

    This research was supported by a grant of the Korea Health Technology R&D Project through Health Industry Development Institute (KHIDI), funded by the Ministry of Health & Welfare, Republic of Korea (grant number : HW21C0025010021).

    Figures

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    Development of powered air purifying respirators medical protective antibacterial clothing hood and HEPA-filter model.

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    Surface morphologies of polypropylene SFS nonwoven fabric (a1,a2), inner-surface SFS nonwoven fabric with hydrophilic PVA coating (b1,b2), and outer-surface (c1,c2) of SFS nonwoven fabric coated with phytoncide.

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    The hydrophilic coating on polypropylene SFS nonwoven fabrics; hydrophilic materials (a) and the hydrophilic properties of SFS hood (b).

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    Changes in chemical composition of the polypropylene SFS nonwoven fabric surfaces: the inner-surface of the SFS fabrics coated with hydrophilic materials and the outer-surface with phytoncide coating.

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    Surface morphologies of polypropylene SF HEPA-filter (a1, a2) and phytoncide (b1, b2) antibacterial coating surface.

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    FT-IR analysis of SF HEPA-filter after phytoncide coating with different concentrations.

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    Chemical composition change according to the different concentrations of phytoncide on SF HEPA-filter.

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    Antibacterial effect of protective clothing hood without phytoncide coating (a) protective clothing hood with phytoncide coating (b), non-coated phytoncid on HEPA-filter (c), and coated phytoncide on HEPA-filter (d) against staphylococcus aureus ATCC 6538.

    Tables

    Chemical Composition of SFS Nonwoven Fabric Before and After Coating Processing

    Chemical Composition Change of SF HEPA-Filter According to the Different Phytoncide Concentrations

    Characteristics of Purification Efficiency And Resistance of Antibacterial HEPA-Filter

    Water Content Absorption Rate of SFS Nonwoven Hood Fabrics

    Tensile Strength of Protective Clothing Hood with SFS Fabrics

    *MD: mechanical direction, CD: cross direction.

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