Development of a new respirator with low breathing resistance

Abstract

Ever since the outbreak of Middle East Respiratory Syndrome (MERS) in 2015, which drove most of Korean into panic, health organizations have been strongly advising people to wear respirators whenever the seasonal airborne epidemics occur. However, the most commonly recommended N95 respirator has its own disadvantage of the breathing pressure drop, creating discomfort for the user. The existing respirator removes airborne biological contaminants in a concerted manner comprising of five filtration mechanisms: interception, impaction, diffusion, electrostatic attraction and sedimentation. When the respirator removes the airborne particles just like a sieve, the filter blocks not only the particles but also the airflow. Therefore, it generates a breathing resistance of the respirator. The objective of the study is to develop a low breathing resistance respirator (MIRI) by using micro corona discharge to charge and precipitate airborne microorganisms. The micro corona discharge enables us to miniaturize existing electrostatic precipitator that is well-known for its high filtration efficiency, over 90% in industrial fields. The removal nature of electrostatic precipitation is not based on filtering and blocking the particles, therefore MIRI is free from the pressure drop. MIRI 1, the first prototype respirator, was fabricated with PLA (polylactic acid) via 3D printing. It was attached to the existing N95 respirator from which a filter has been removed. It is composed of charging and capturing section for the airborne particles and the ozone removal section. Micro corona ionizer with 1.5 mm electrode gap is fitted at the air inlet. It is powered by a miniature high voltage DC-DC converter. Since the capturing plate is oppositely charged, the charged particles are controlled in the direction of attaching to the plate, or they are removed from the inlet air. The ozone removal filter is made by coating 70% manganese (IV) oxide nano-powder on the iron mesh. Specific objectives of the study are: 1. To evaluate the removal efficiency of MIRI targeting biological contaminants. 2. To measure the generated ozone level in MIRI and to reduce the ozone concentration to below the EPA safety level. 3. To verify that the pressure drop of MIRI is less than that of the existing N95 respirator. To carry out these specific objectives, airborne bacteria exposure and ozone removal were conducted under the condition of flow rates from 12 to 27.6 LPM. Above range of flow rates represents the breathing capacity of child playing or walking at 2 to 3 miles per hour as well as the adult breathing capacity for simple tasks. Subsequently, the pressure drop was measured for both MIRI and the existing N95 respirator. The airborne bacteria exposure experiment was performed under the air condition similar to health care centers by spraying pure E. coli culture. When the flow rate was 12 LPM, the MIRI showed the maximum removal efficiency of 89 ± 1%. MIRI 1 can demonstrate higher efficiency at higher voltage of micro corona discharge. The micro corona respirator can generate ozone that is a detrimental chemical species for human respiratory system. It was found that manganese oxide filters in MIRI 1 reduced the ozone generation below the safety level (0.07 ppm, EPA standard) at low relative humidity (< 30%). At high relative humidity (> 48%), the MIRI 1 without any filter generated ozone less than EPA standard. The order of pressure drop in each respirator likes follow: the original N95 respirator > MIRI 1 > the N95 respirator without filter. The pressure drop result of respirators showed that the highest pressure drop occurred in the original N95 respirator with the filter in it. The pressure drop of MIRI 1 was 50 – 56% less than that of the original N95 respirator. It means that the users can breathe more easily with MIRI 1 instead of the N95 respirator. Followed by MIRI 1, MIRI 2 as a commercial prototype was developed by the collaboration with the Root Item (Seoul, Korea). While MIRI 1 has a separate corona discharge section that is supposed to be attached to the existing N95 respirator, MIRI 2 is an integrated respirator comprising corona discharge, ozone removal, and mask. Bacterial exposure and ozone removal were also measured for MIRI 2 and the results were similar to those of MIRI 1. ;2015년 대한민국 국민들을 혼란으로 몰아넣은 MERS의 여파로, 감기와 같은 전염성 질병이 유행할 때마다 보건기구들은 사람들에게 마스크 착용을 강력하게 권고해왔다. 그러나 가장 보편적으로 권고되는 N95 마스크는 호흡 저항이 커, 사용자로 하여금 불편함을 느끼게 한다. 이러한 전통적인 마스크는 필터로 구성되어있으며, 마치 체처럼 입자를 거른다. 따라서 공기의 흐름에도 방해가 되어 압력강하가 일어나고, 결과적으로 사용자들의 호흡 저항이 발생한다. 이 연구의 최종 목적은 MIRI라 칭하는 호흡 저항이 낮은 마스크를 제작하는 것이며, MIRI의 주요부는 소형화 전기집진장치인 미세전기집진장치로 이루어져 있다. 미세전기집진장치의 입자 제거 방식은 기존의 거름 형식이 아닌 입자를 대전시켜 제거하여 공기의 흐름에 방해가 없어, MIRI을 사용하였을 때 압력강하가 적다. 첫 번째 prototype인 MIRI 1은 3D 프린트를 사용하여 PLA (polylactic acid)로 제작되었으며, 기존의 N95 마스크 필터를 제거한 후, 그 대체제로 부착하여 사용이 가능하다. MIRI 1은 입자를 대전시켜 제거하는 코로나 방전부가 포함된 입자제거부과 오존제거부로 구성된다. 코로나 방전부는 최초로 공기가 유입되는 부분에 위치하며, pin 전극과 ground 전극의 사이의 거리는 1.5 mm이고, 소형 고전압 DC-DC 컨버터에 의해 전원을 공급받는다. 입자집진판은 대전된 입자와 반대 전하를 띠고 있어, 입자들이 달라붙어 제거된다. 오존제거필터는 70%의 산화망간으로 코팅된 철망으로 제작되었다. 본 연구의 세부 목표는 다음과 같다. 1. MIRI의 공기 중 생물학적 오염 입자 제거효율 평가 2. MIRI에서 발생하는 오존의 농도 측정 및 안전 기준 적합성 판단 3. MIRI의 압력강하 정도와 기존 N95 마스크의 압력강하 정도 비교 세부 목표를 위해 관련 실험이 수행되었다. 먼저, 공기 중 생물학적 오염 제거효율 평가와 오존 농도 측정은 호흡 유속이 12-27.6 LPM인 가정하에서 진행되었는데, 이는 일반적인 대중의 호흡 유속을 대표한다고 할 수 있다. 압력강하 측정 실험에서는 기존의 N95 마스크와 MIRI 1에서의 압력강하 정도를 측정하였다. 각 실험의 결과는 다음과 같다. 1. 공기 중 생물학적 오염 입자 제거효율 평가는 E. coli를 분사하여 기존 의료기관의 대기 중 미생물 농도와 비슷한 환경을 조성하여 진행했다. MIRI 1의 오염 입자 제거 효율은 유속이 증가할수록 감소하였으며 이는 오염물질들이 대전되는 반응 시간이 감소했기 때문이다. 따라서 호흡 유속이 12 LPM일 경우, 제거 효율이 0.89 ± 0.01로 가장 높았다. 이러한 입자 제거 효율은 코로나 방전의 세기 조절을 통하여 더 높일 수 있다. 따라서 MIRI 1을 발전시키면 좀 더 효율적인 입자 제거가 가능할 것으로 기대된다. 2. 코로나 방전은 인간의 호흡기관에 문제를 일으킬 가능성이 있는 오존을 발생시킨다. 그러므로 MIRI는 오존 제거 필터가 장착되어야만 한다. 7 겹의 오존 제거 필터가 장착된 MIRI 1은 습도가 30% 미만으로 낮은 환경에서 유속에 관계없이EPA 안전기준인 0.07 ppm보다 낮은 농도의 오존을 배출하였다. 습도가 높아짐에 따라 오존 농도가 감소한다. 따라서 7 겹의 오존 제거 필터가 장착된 MIRI 1은 유속과 습도에 관계없이 사용자에게 오존의 부정적인 영향을 주지 않을 것으로 판단된다. 3. 마스크의 압력강하 정도는 다음과 같다: 기존의 N95 마스크 > MIRI 1≥ 필터를 제거한 N95 마스크 MIRI 1의 압력강하는 기존 마스크의 50-56%로 크게 감소하였다. 따라서 MIRI 1은 기존의 마스크보다 사용자들의 호흡저항을 감소시켜 보다 편하게 착용될 수 있을 것으로 기대된다. MIRI 1을 기반으로 MIRI 2가 제작되었으며, 이는 시제품 제작 업체인 Root item (서울, 대한민국)과의 협업으로 진행되었다. MIRI 1이 기존의 N95 마스크에 부착되어 사용되는 반면, MIRI 2는 통합적인 형태로 사용되는 것이 장점이다. 결론적으로 본 연구에서는 MIRI라고 불리는 새로운 형태의 마스크를 개발되었다. MIRI 1은 공기 중 생물학적 오염물질을 제거하는데 있어 기존의 마스크보다 효율이 낮지만 이는 코로나 방전에 제공되는 전압 조절로 효율을 높일 수 있다. 게다가 MIRI 1의 압력강하 정도는 기존의 마스크보다 현저히 낮기에 사용자들에게 숨쉬기 편한 환경을 제공할 수 있다. 따라서 MIRI 1은 가까운 미래에 보편적으로 사용되기에 유망한 마스크라고 기대된다.