1. 수행배경

• 일반적으로 마스크는 황사, 미세먼지 등의 유해성 물질의 차단을 용이하게 하기 위해 사용하는 것으로, 착용자의 호흡기를 보호하기 위해 만들어진 제품이다. 기상청 국가기후데이터센터 통계분석시스템의 연별 황사 발생횟수와 지속일 수 관련 조사에 따르면, 2012년부터 지속해서 황사 발생횟수 및 지속일 수는 지속일수는 증가해왔다. 이에 따라 마스크의 중요성이 주목받지만 유한킴벌리에서 조사한 자료에 따르면, 황사와 미세먼지 주의보에도 최근 3개월 이내 황사용 마스크 착용 횟수가 0~3회인 비율이 40%에 도달한다. 이때, 많은 사람이 마스크를 착용하지 않는 이유는 김 서림 및 호흡의 불편함 등 때문이었다.
   
  
• 전술한 바와 같은 문제점을 해결하려는 방안으로써 본 고안품은 의의가 있다. 본 고안품은 착용 시 통로를 통해 원활한 호흡이 가능하면서도 판막이 있어 미세 먼지나 중금속을 효과적으로인 걸러냄으로써 인체의 건강을 증진할 수 있고 통로를 통한 날숨의 원활한 배출로 코 부분으로 습기가 올라가지 않아 김 서림이 방지되는 기능성 마스크에 관한 것이다.​

2. 수행기간

• 4월 20일 ~ 8월 30일 경희대학교 창의적 종합 설계 교내 경진대회 준비

• 9월 28일 거점대회 발표

• 11월 9일~10일 전국대회 발표  

3. 개발작품 설명

• 본 고안품은 정면에서 바라볼 시 <그림 1>의 첫 번째 사진과 같은 모습이며 공기가 이동하는 코와 입 부분에 통로를 내어 공기가 바로 빠져나갈 수 있게 디자인되었다. 마스크는 기존의 마스크의 외형을 그대로 차용하였으나 숨 쉬는 부분이 외부 공기와 바로 연결이 될 수 있는 통로가 나 있다는 것이 차이점이다.

   

  <그림 1>의 두 번째 사진은 는 마스크 측면에서의 모습을 보여주는데 날숨 때에는 마스크 내부의 상대적으로 높은 내압으로 닫혀있던 공간이 활성화되며 통로를 통해 숨을 내보내게 된다. 그 후 들숨 때에는 기존의 마스크처럼 작동하며 열려있던 공간이 닫히며 필터링 된 깨끗한 공기를 흡입할 수 있게 된다. 이와 같은 공기배출방법으로 기존의 안경을 착용하던 사용자들에게는 안경에 김이 서리는 것을 방지할 수 있고, 안경을 착용하지 않는 사용자들 또한 호흡이 훨씬 수월해지는 장점을 얻을 수 있다.

   

• <그림 1>의 첫 번째 사진과 <그림 2>의 부호를 참고하여 더욱 상세하게는 마스크에 대한 설명은 이러하다. 코와 입을 가릴 수 있는 총 3개의 시트로 구성되어 있다. 이때, 각 시트는 낱개의 면으로 이루어지지 않았고 필터링 효과를 주기 위해 여러 겹의 면이 합쳐져 한 개의 시트를 구성한다. 다음은 마스크의 구성에 대한 세부 설명이다. 상부 시트(10), 중부 시트(20), 하부 시트(30)로 구성되고 상기 상부, 중부, 하부 시트의 측면 가장자리 부분은 서로 연결된다. 상기 상부 시트(10)는 코 상부에 밀착되는 상부 시트 상단(11)과 그 중앙 위치하여 코 상부에 밀착된 상부 시트를 고정하는 코 와이어(13)로 구성된다. 상기 중부 시트(20)는 그 일부가 상부 시트(10) 하단 하부에 이격되어 위치하여 마스크 내부 공간(60)의 공기가 외부로 나가는 제1통로(40)를 형성하고, 상기 중부 시트(20)의 위쪽 끝단에 연결되어 외측으로 접힌 제 1판막(21)으로 구성된다. 마찬가지로, 상기 하부 시트(30)는 그 일부가 중부 시트(20) 하단 하부에 이격되어 위치하여 마스크 내부 공간(60)의 공기가 외부로 나가는 제2통로(50)를 형성하고, 상기 하부 시트(30)의 위쪽 끝단에 연결되어 외측으로 접힌 제2판막(31)으로 구성된다. ​

• 본 고안품이 제대로 작동되기 위한 여러 가지의 장치들을 생각하였는데, 그 중 첫 번째는 판막의 원리를 사용하는 것이다. 판막이란 인체 내부의 혈관 내에 존재하며 혈액의 역류를 막기 위한 장치인데 이것을 마스크에 그대로 사용을 하였다. 그 모습이 <그림 3>에 표현이 되어있으며 주황색 실선이 공기의 주 흐름선을 나타낸 것이다. 날숨 때에는 판막이 작동하지 않아 공기의 유출이 원활하게 진행이 되지만 들숨 때에는 판막이 작동하여 공기의 흐름을 차단하게 되며 차단된 마스크로 주황색 실선 공기의 유입량이 증가하여 마스크의 통로가 완전히 차단되게 된다. 그 후 사용자는 깨끗한 공기만을 들이쉬게 되며 이후 다시 날숨이 되면 통로가 개방되어 공기의 빠른 배출과 일반적인 마스크와 같이 코 윗부분의 공기유출로 인한 김 서림과 마스크 내의 과다한 수분증가를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한, 추가로 판막이 내부 공간 안쪽으로 완전히 꺾이는 것을 방지하기 위해 판막이 있는 시트 바로 위 시트에 걸림부를 설치하였다. 이를 통해 판막의 역할을 보다 확실하게 수행할 수 있다. ​

• 본 고안품이 제대로 작동하기 위한 두 번째 방안은 최대 변화량 제한을 통한 내구성 추구이다. <그림 5>를 참고하면, 먼저 상부, 중부, 하부 시트의 측면 가장자리 부분의 연결부는 판막이 없이 일정 부분이 서로 접혀있어 전체적인 마스크 틀을 잡게 해준다. 또한, 판막이 구성된 마스크의 중앙부에는 상부, 중부, 하부 시트를 연결해주는 접합부(80)가 구성되어있어 판막의 최대 변화량을 제한한다. 이때 접합부는 미세먼지 등의 유해 물질을 차단하는 기능성 마스크이므로 박음질과 같은 바늘을 통해 구멍을 만드는 방법은 지양하고 열처리와 압력을 가하거나 초음파 실링을 사용하는 방법을 통해 틈이 아예 생기지 않는 방안으로 이루어진다.

   

  본 고안품이 제대로 작동하기 위한 마지막 방안은 소재의 선정이다. 먼저 마스크의 소재는 일반적인 마스크 소재인 부직포 등으로 구성되어 필터링 기능이 있는 것으로 한다. 또한, 판막은 탄성이 있는 불투과성 박막으로 구성되고 표면에 마그네틱 소재가 코팅된 것으로 한다. 마지막으로 걸림부는 표면에 마그네틱 소재가 코팅된 것으로 하여 판막이 작동하는 들숨 시에 판막과 걸림부가 서로 붙어 틈으로 미세먼지가 유입되지 않도록 한다.

• 구체적인 작동방법은 <그림5>와 같다. 들숨 때에는 왼쪽의 그림처럼 마스크가 닫혀 깨끗한 공기가 들어오고 날숨 때에는 마스크 내의 압력 상승으로 위의 그림의 진한 노란색과 진한 초록색 부분이 움직이며 공기배출이 가능하게 된다.

   

  본 고안품과 같은 마스크 사용 시 발생하는 문제점을 보완하기 위해 고안된 선행 기술을 특허를 통해 살펴본 결과 기존의 마스크들은 별도의 파이프나 밸브와 같은 장치를 필요로 하여 그 마스크의 가격이 매우 높아지지만, 본 고안품은 별다른 추가 장치 없이 마스크의 구조를 바꾸는 방안이어서 경제성 측면에서 탁월한 효과를 보인다.

• 본 고안품의 실제 작동 여부를 판단하기 위해 2가지 실험을 했다. 첫 번째는 미세먼지 측정실험으로 아크릴관을 통해 계를 완성하고 앞 부분에는 프로펠러를 장착하고 뒤 부분에는 마스크를 장착하여 아크릴 관 내부에 연소되는 담배를 넣어 미세먼지로 활용하여 측정하였다. 이때 사용한 측정도구는 BR-AIR-82K이다. 그 결과 날숨 시 판막 마스크에서는 공기가 판막이 열려있었지만 들숨 시에는 다시 판막이 닫혀서 미세먼지 농도가 급격히 떨어짐을 알 수 있었다. 3M 마스크의 미세먼지 필터링 기술이 KF94를 인정받았는데, KF등급을 계산해본 결과 들숨 시 판막 마스크는 약 KF90 정도의 효과를 보임을 알 수 있었다. 

• 그 두 번째 실험은 습도 측정실험이다. 수분 생성기를 이용하여 외부 상대습도, 내부 상대습도, 비교대상인 3M마스크 사용 시 습도, 판막 마스크 날숨 시 습도, 판막 마스크 들숨 시 습도를 측정하여 상대습도를 알아보았다. 그 결과 들숨 시 판막 마스크를 사용할 때 3M 마스크보다 3배의 수분이 외부로 배출됨을 확인할 수 있었고, 이를 통해 본 고안품이 착용 시 착용 부위의 습도를 조절해줌으로서 김 서림 및 습도로 인한 착용 불편함을 줄여줌을 알 수 있었다.  

4. 활용방안

• 위와 같은 마스크를 개발을 하게 된다면 일회용 마스크처럼 저렴한 마스크에도 적용이 가능할 뿐만 아니라 고가의 기능성마스크에도 적용이 가능해 더 많은 수익이 창출될 수 있을 것으로 생각이 된다. 갈수록 심각해지는 황사와 미세먼지로 인해 마스크 착용이 필수화 되고 있지만 여러 가지 불편함 때문에 사용을 꺼려했던 사람들에게 도움을 줄 수 있을 것이다.

• ​본 발명의 도면과 같이 코와 입 부분뿐만 아니라 마스크의 양 옆에도 판막이 설치된 통로가 위치할 수 있으며, 통로의 크기와 개수에도 제한을 두지 않아 원활한 호흡과 효과적인 필터링을 도울 수 있을 것이다.​

• 본 마스크는 소재의 두께에 따라 계절별로 착용 가능함에 장점이 있다. 겨울철, 보온성이 뛰어난 소재를 이용해 비교적 두꺼운 두께로 본 마스크를 만든다면 통로를 통한 수분배출로 김 서림을 방지해 줄 뿐만 아니라 판막의 기능으로 인해 차가운 바람이 마스크 안으로 들어오는 것을 동시에 막아줄 것이다. 반면에 마스크를 착용하기에 습하고 무더운 여름철, 비교적 얇은 두께의 소재를 이용해 본 마스크를 만든다면 통로를 통한 수분배출이 바로 일어나 불쾌감을 줄여주고 판막의 기능으로 인해 바깥의 습한 공기가 마스크 안으로 들어오는 것을 막아주어 조금 더 쾌적한 착용감을 줄 수 있다.​