바이오인

항바이러스 컬러 나노코팅 기술 개발

1g/m2 적은 양의 코팅으로 바이러스 사멸 효과와 함께 다양한 색 구현 가능

코로나19 이후로 엘리베이터 버튼이나 대중교통 손잡이 등에 항바이러스 필름이 붙어있는 모습이 이제는 익숙하다. 그런데, 일반적인 항바이러스 필름은 항바이러스 기능성 금속 입자를 고분자와 함께 섞어 제작하므로 제작 과정에서 금속 입자의 극히 일부분만 표면에 드러난다. 이 때문에 이 필름들이 바이러스로부터 우리를 지켜줄 것이라는 믿음과는 달리 실제 필름 표면의 접촉에 의한 항바이러스 효과는 크지 않았다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 조소혜 박사와 연구동물자원센터 이승은 박사 공동연구팀이 항바이러스 표면의 활성을 극대화할 뿐 아니라 다양한 색까지 구현할 수 있는 나노코팅 기술을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 졸겔법을 이용해 실리카 코팅층을 다양한 표면에 형성한 후 은(Ag)을 포함한 수용액을 이용해 은 나노입자(Ag nanoparticle)를 실리카층 표면에 코팅하는 방법으로 효과적인 항바이러스 및 항균 효과를 보이는 표면을 개발했다. 은 나노입자는 바이러스 표면의 단백질과 결합해 바이러스의 구조와 기능을 파괴함으로써 감염 능력을 제한하고 세포에 침투하는 것을 어렵게 만드는 역할을 한다.

기존의 항바이러스 필름은 항바이러스 기능성 금속 입자가 박막 내부에 침투되어 있어 바이러스와의 접촉이 어려웠는데, KIST 연구팀이 개발한 기술은 은 나노입자가 박막의 표면에 위치해 적은 양으로도 높은 활성을 보였다. 코로나바이러스의 유사체로 개발된 렌티 바이러스를 이용해 바이러스의 사멸 속도를 실험한 결과 상용 필름 대비 2배 이상의 빠른 바이러스 사멸 효과를 보였다. 그뿐만 아니라, E. coli 박테리아 대장균에 대한 항균 실험에서는 24시간 내 박테리아를 완전히 박멸하는 결과를 얻기도 했다. 개발된 항바이러스 코팅 기술은 그 코팅층의 두께를 달리해 빛의 간섭을 제어함으로써 다양한 색을 제공할 수 있다는 부가적인 장점도 있다.

KIST 조소혜 박사는 “이번 금속 나노입자 코팅 기술은 1g/m2 미만의 적은 코팅으로도 상용제품보다 높은 항바이러스 및 항균 효과를 보여 산업화 가능성이 매우 높다”라며, “의료소재, 가전, 건자재 등 다양한 산업 분야에서 항바이러스‧항균 효과를 구현해 미생물 관리 및 감염예방에 도움을 줄 수 있을 것”이라고 기대했다.

과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 한국연구재단-나노 및 소재기술개발사업(2020M3H4A3106354), KIST 미래원천연구사업(2E32511) 및 K-DARPA 파급혁신형 사업으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Applied Materials and Interfaces」(IF: 9.5, JCR(%): 7.956)에 2023년 11월 9일 온라인 게재*되었다.

* 논문명 : In Situ Metal Deposition on Perhydropolysilazane-Derived Silica for Structural Color Surfaces with Antiviral Activity

□ 논문

○ 제목: In Situ Metal Deposition on Perhydropolysilazane-Derived Silica for Structural Color Surfaces with Antiviral Activity

○ 학술지: ACS Applied Materials and Interfaces

○ 게재일: 2023. 11. 9.

○ DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.3c12622

□ 저자

○ 조소혜 책임연구원 (교신저자/KIST 물질구조제어연구센터), 이승은 선임연구원 (교신저자/KIST 연구동물자원센터), 버락 다르야 박사과정 학생연구원 (제1저자/KIST 물질구조제어연구센터)

□ 내용 요약

○ 연구배경 : 표면을 통한 바이러스의 전파를 막기 위해 효율적인 항바이러스 코팅 기술이 요구됨. 시중에서 사용되는 항바이러스 필름 혹은 표면의 경우 그 효과가 매우 미미한 것으로 평가되는데, 이는 코팅 시 활성 소재의 극히 일부분만 표면에 드러나기 때문임. 따라서, 항바이러스의 표면의 활성을 극대화할 수 있는 나노코팅 기술 개발이 필요함

○ 연구내용 : 본 연구에서는 졸겔법을 이용하여 실리카 코팅층을 다양한 표면에 형성하고, 은(Ag) 전구체 용액으로 부터 in-situ환원법으로 은 나노입자를 실리카층 표면에 코팅하는 방법을 적용하여 효율적인 항바이러스 및 항균효과를 보이는 표면을 개발하였다. 은 나노입자는 바이러스 표면의 단백질과 결합하여 바이러스의 구조와 기능을 파괴시켜 감염 능력을 제한하고 세포에 침투하는 것을 어렵게 만든다. 기존의 항바이러스 필름은 기능성 금속입자가 박막에 함침되어 있어 바이러스와의 접촉이 힘들었다면 in-situ 환원법에 의해 형성된 은 나노입자는 박막의 표면에 선택적으로 도입되어 적은 양으로도 높은 활성을 보인다. 이번 나노코팅 기술은 높은 농도의 바이러스의 조건에서 상용 은 나노 필름 대비 2배 이상의 빠른 바이러스 사멸 효과를 보였다. 뿐만 아니라, E. coli 박테리아에 대해서 24시간 내 완전 박멸의 효과를 얻었다.

본 코팅기술은 Ag 나노입자에 의한 항바이러스/항균 기능뿐 아니라 실리카 코팅층의 두께를 조절하여 빛의 간섭에 의한 다양한 색을 낼 수 있다는 점에서 심미적 효과까지 보일 수 있다.

○ 기대효과 : 본 연구는 다양한 표면에 실리카 전구체를 이용하여 대면적 코팅이 가능한 용액법으로 산화물 코팅층을 제공하고, 저렴한 은 전구체(AgNO3)용액을 사용하여 in-situ 환원법에 의해 은 나노입자를 산화물층 표면에 안정적으로 도입했다는 점에서 산업화 가능성이 매우 높은 기술이다. 기 개발된 금속 나노입자 코팅 기술은 의료재, 가전, 건자재 등 다양한 산업분야에 응용되어 장비나 건물의 표면에 항바이러스/항균 효과를 부여하여 감염예방에 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 의료 시설에서 활용되는 기기, 혹은 사람들의 접촉이 많은 문고리, 터치스크린 등의 위생을 향상시키는데 기여할 수 있어 향후 미생물 관리 및 감염 대응에 있어서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. COVID 및 각종 미생물 감염이 지속되는 상황에서 본 기술의 홍보를 통해 관심기업을 발굴하고 상업적 기술로 연결하고자 한다.

그림 설명

[그림 1] 시중에서 사용되는 항바이러스 필름 구조와 개발한 항바이러스 컬러나노코팅 구조의 비교

[그림 2] 졸겔법을 이용한 실리카 코팅층 형성 및 은(Ag) 전구체 용액으로부터 in-situ환원법으로 은 나노입자를 실리카층 표면에 도입 과정

[그림 3] 은 나노입자가 표면에 잘 드러난 실리카층 SEM/TEM 분석 결과

[그림 4] 상용 은나노 필름 대비 기 개발 표면의 항바이러스 효과 비교

[그림 5] 상용 은나노 필름 대비 기 개발 표면의 항박테리아 효과 비교

[그림 6, 6-1, 6-2] 항바이러스 코팅의 두께에 따른 광학현상으로 다양한 색 발현 결과

연구결과 문답

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

최근에 COVID19 감염을 비롯한 공기 중 바이러스의 전파가 특히 밀폐된 환경에서 중요한 문제가 되고 있다. 이러한 환경에서는 바이러스가 주변 표면에 장기간 유지될 가능성이 매우 높다. 그러므로 표면을 통한 바이러스의 전파를 막기 위해 효율적인 항바이러스 코팅 기술이 요구된다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

금속나노 입자인 Ag은 바이러스 표면의 단백질과 결합하여 바이러스의 구조와 기능을 파괴시켜 감염 능력을 제한하고 세포에 침투하는 것을 어렵게 만든다. 하지만 시중에서 사용하는 대부분의 Ag 입자가 고분자 박막 안에 존재하고 있어 바이러스와의 접촉이 매우 낮다. 이번 나노코팅 기술은 상용 항바이러스 은 필름 구조에 비해 바이러스와의 접촉을 향상시키게끔 충분한 양의 은 나노입자를 박막 표면 위에 코팅하고, 실제 공기 중 바이러스의 농도 보다 높은 조건에서 일반 상용 필름 대비 2배 이상의 빠른 하이러스 사멸 효과를 보였다. 또한, 고가 장비를 이용하는 진공 과정에 비해 저렴하고 제작 시간효율이 높은 졸겔 방법으로 개발된 코팅에 추가 심미적 효과를 도입하게끔 표면에 다양한 색과 무늬를 낼 수 있다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

기 개발된 금속나노코킹 기술은 의료재 산업, 소비재 산업, 건설 산업에서 다양하게 응용되어 장비나 건물의 표면에 항바이러스/항균 효과를 부여하여 감염예방에 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 병원과 의료 시설에서 활용되는 기기의 안전성과 위생을 향상시키는데 기여할 수 있으며, 다양한 소비재 즉, 의류 및 섬유 그리고 세정제 및 소독제의 보관 자재에 적용될 수 있을 것으로 보인다. 이는 향후 미생물 관리 및 감염 대응에 있어서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 또한, 항바이러스/항균 기능뿐 아니라 코팅 두께를 조절하여 다양한 색과 무늬를 낼 수 있다는 점에서 심미적 표면 장식 효과까지 보일 수 있다.

□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?

최근 COVID19 감염을 비롯한 바이러스 전파를 막기 위해 항바이러스 필름을 만드는 데 관심기업이 많이 보이며, 본 개발한 기술은 상업적 기술로 연결하는 데 도움이 될 것으로 판단한다. 특히, 상용 필름은 대형 사이즈로도 만들어야 하는데, 본 기술은 저렴하고 시간 효율적인 졸겔 방법을 도입함으로써 진공 코팅 기술보다 간단하고 효율적인 제작이 가능해질 것으로 기대된다. 표면 장식, 심미적 색을 내여, 주면 표면, 건물 표면, 장비에 항바이러스 효과를 부여하는 데 관심 있는 의료, 소비재, 건설 산업 등의 기업들이 본 기술에 대해 실용화에 관심을 가질 것으로 예상된다.