[논문 리뷰] Design of a Self-powered Smart Mask for COVID-19

Barnali Ghatak, Shib Shankar Banerjee외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 17.

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials참고 문헌 17인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 SARS-CoV-2를 함유한 에어로졸의 여과를 향상시키기 위해 텍스타일 트라이보일렉트릭 나노발전기기(TENG)를 통합한 자가전원 스마트 마스크를 제안한다. 호흡과 얼굴 운동으로 인한 접촉 전기화와 전기유도를 활용하여, 면-폴리에스터 섬유 조합을 통해 최적화된 트라이보일렉트릭 전하 밀도 최대 211.48 nC/m²를 달성함으로써 양방향 바이러스 비활성화를 효과적으로 구현한다.

ABSTRACT

Usage of a face mask has become mandatory in many countries after the outbreak of SARS-CoV-2, and its usefulness in combating the pandemic is a proven fact. There have been many advancements in the design of a face mask and the present treatise describes a face mask in which a simple textile triboelectric nanogenerator (TENG) serves the purpose of filtration of SARS-CoV-2. The proposed mask is designed with multilayer protection sheets, in which the first two layers act as triboelectric (TE) filter and the outer one is a smart filter. The conjugated effect of contact electrification, and electrostatic induction of the proposed smart mask are effective in inactivating the span of virus-ladden aerosols in a bidirectional way. Five pairs of triboseries fabrics i.e. nylon - polyester, cotton - polyester, poly(methyl methacrylate) - PVDF, lylon - PVDF and polypropylene - polyester have been optimized in this study in terms of their effective tribo-electric charge densities as 83.13, 211.48, 38.62, 69 and 74.25 nC/m2, respectively. This smart mask can be used by a wide range of people because of its simple mechanism, self-driven (harvesting mechanical energy from daily activities, e.g. breathing, talking, or other facial movements functionalities, and effective filtration efficiency and thus, it is expected to be potentially beneficial to slow down the devastating impact of COVID-19.

연구 동기 및 목표

• 외부 전원이 필요 없는 자가전원 마스크를 개발하여 SARS-CoV-2를 함유한 에어로졸을 능동적으로 비활성화하는 것.
• 에너지 수확 및 능동적 여과 기반 메커니즘을 통합하여 기존 마스크의 한계를 해결하는 것.
• 고밀도 전하 및 효과적인 바이러스 여과 효율을 위한 트라이보일렉트릭 재료를 최적화하는 것.
• 호흡과 대화와 같은 일상 활동에서 발생하는 기계적 에너지를 수확하여 광범위한 사용성을 확보하는 것.
• 수동 여과와 능동적 전기적 비활성화를 융합한 다층 스마트 필터 시스템을 제공하는 것.

제안 방법

• 두 개의 트라이보일렉트릭(TE) 필터 층과 하나의 외부 스마트 필터 층을 갖춘 다층 마스크 설계.
• 텍스타일 기반 트라이보일렉트릭 나노발전기기(TENG)를 통한 접촉 전기화와 전기유도 활용.
• 트라이보일렉트릭 계열과 전하 밀도 성능을 기반으로 한 5종의 섬유 조합(예: 면-폴리에스터, 나일론-폴리에스터)의 선정 및 최적화.
• 호흡 운동과 얼굴 운동으로부터 기계적 에너지를 수확하여 전기적 여과 메커니즘을 구동하는 것.
• 접촉 전기화와 전기유도의 공액 효과를 활용하여 공기 중 바이러스를 양방향으로 비활성화하는 것.
• 섬유 조합 간의 트라이보일렉트릭 전하 밀도 측정을 통해 최적의 재료 조합을 규명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TENG를 활용한 자가전원 마스크가 기계적 에너지 수확을 통해 SARS-CoV-2를 함유한 에어로졸을 효과적으로 비활성화할 수 있는가?
• RQ2 어느 섬유 조합이 최고의 바이러스 여과 효율을 위한 최고의 트라이보일렉트릭 전하 밀도를 생성하는가?
• RQ3 접촉 전기화와 전기유도의 공액 효과가 양방향 바이러스 비활성화에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 마스크가 매일의 얼굴 및 호흡 운동에서 발생하는 에너지만으로 높은 여과 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ5 제안된 설계는 외부 전원 없이 다양한 인구 집단에서 실용적으로 확장 가능하고 사용 가능한가?

주요 결과

• 면-폴리에스터 섬유 조합이 최고의 트라이보일렉트릭 전하 밀도 211.48 nC/m²를 기록하여 다른 테스트된 조합들을 압도적으로 뛰어넘었다.
• 나일론-폴리에스터 조합은 83.13 nC/m²의 전하 밀도를 보이며 높은 에너지 수확 잠재력을 보였다.
• 폴리(methyl methacrylate)-PVDF 조합은 38.62 nC/m²의 전하 밀도를 나타내어 중간 성능 응용에 적합하였다.
• 릴론-PVDF 및 폴리프로필렌-폴리에스터 조합은 각각 69 nC/m² 및 74.25 nC/m²의 전하 밀도를 기록하여 일관된 성능을 보였다.
• 마스크 설계는 호흡, 대화 및 얼굴 운동에서 발생하는 기계적 에너지를 수확하여 자가전원 작동을 가능하게 하였다.
• 접촉 전기화와 전기유도의 공액 메커니즘은 바이러스를 함유한 에어로졸에 대한 효과적인 양방향 비활성화를 가능하게 하였다.