작품의 기능
Covid19, 인플루엔자등 매해 바이러스성 기저 질환은 점점 인류에게 발생하는 빈도수가 잦아지고 있습니다. 하지만 부족한 시설과 자원으로 인해 펜데믹이 발생할때마다 늘어나는 환자들을 병원에서 감당하기 어렵습니다. 옥시나이저는 전기 없는 산소 발생기로 일반 대기의 산소대비 약 1.5~2배 산소농도를 높여 환자에게 제공합니다. 또한 펌프 혹은 페달링 펌프, 컴프레셔등 증상별 다양한 기기를 결합하여 산소 공급을 지속시키며 산소 시스템을 보급할 수 있습니다.
영감의 원천
매해 산소 부족은 사람들을 죽이고 있습니다. 코로나19 사태로 많은 사람들이 호흡곤란을 겪었고, 이때 적시의 산소 공급을 받지 못해 많은 사람들이 사망했습니다. 아프리카에서는 13만 명 이상이 제때 산소를 공급받지 못해 사망했습니다. 산소부족은 펜데믹 상황에만 국한되지 않습니다. 매년 2500만 명의 사람들이 적시에 산소 치료를 받지 못해 사망하고 있습니다. 이를 해결하기 위해서 많은 양의 산소 공급이 필요하지만, 제3국가는 의료 인프라, 특히 전력시설이 부족해 이를 감당할 수 없습니다. 때문에 우리는 옥시나이저를 통해 모두에게 양질의 산소를 공급하려하였습니다.
작동원리
옥시나이저는 압축, 필터링, 리프레쉬 세가지 단계를 순환 하며 산소공급을 지속합니다 주입된 공기는 압축단계에서는 호스구조를 통해 고압으로 압축 됩니다. 또한 압축 된 공기는 실리카겔을 거쳐 건조 되며 이후 미세한 다공성 물질인 제올라이트에 의해 대기중 질소 분자만을 걸러 냅니다. 이를 통해 옥시나이저는 산소의 농도를 높이며 환자에게 일반 대기 보다 높은 농도의 산소를 공급할 수 있습니다. 또한 제올라이트 층은 리프레쉬 벨브를 통해 쌓인 질소분자를 대기중으로 방출시키며 지속적인 순환을 이룹니다.
개발 과정
옥시나이저를 위한 개발은 5개월 간 진행되었으며, 반복적인 실험과 검증 과정을 거쳤습니다. 옥시나이저는 펌프를 이용하여 일반 공기를 높은 압력으로 주입한 뒤, 고압의 공기가 실리카겔을 거쳐 수분을 제거하고 제올라이트를 거쳐 질소를 탈락시켜 고순도의 산소를 발생시키는 원리로 작동됩니다. 이를 위해서 가장 먼저 수동 펌프로 압력을 발생시킬때 목표 압력을 지속적으로 유지할 수 있는 재료를 선정하는 단계를 거쳤습니다. 파이프, 3D 프린팅물, 실린더, 우레탄 호스 등 다양한 직경의 재료를 사용하여 압력 실험을 진행하였고, 실험 결과, 일정한 압력을 안정적으로 유지할 수 있는 가장 이상적인 형태인 8mm의 우레탄 호스를 핵심 재료로 채택하였습니다. 옥시나이저는 전력을 사용하지 않고 수동 펌프를 사용하기 때문에 특별한 구조가 필요했습니다. 따라서 우리는 체크밸브를 이용하여 각각의 호스가 공압 챔버와 같은 역할을 할 수 있도록 하였고, 누수 발생으로 인한 내부 압력 감소를 방지하기 위해 공압 피팅 시스템을 차용하여 독자적인 구조를 제작하였습니다. 다음으로는 해당 구조의 우레탄 호스가 필터 역할을 할 수 있도록 실리카겔과 제올라이트의 양을 선정하는 실험을 진행하였습니다. 실리카겔 입자의 크기, 제올라이트의 양, 호스의 길이가 발생되는 산소 농도에 직접적인 영향이 있었기에 여러 차례의 실험을 통한 검증이 필요했습니다. 결론적으로 일반 대기 산소 농도 20.9%를 옥시나이저에 주입했을 때, 목표치인 50%를 넘어서는 최대 54%의 산소를 발생시키는 구조가 만들어졌습니다. 또한 실험 내용과 완성된 구조를 토대로 의료진의 자문을 받아 경미한 환자들을 대상으로 하는 의료환경에서 활용할 수 있다는 것을 확인하였습니다. 이후 더 포괄적인 의료환경에서 활용될 수 있도록, 벤틸레이터 등 추가적인 기기가 필요하므로, 이를 반영할 계획입니다.
독창성
옥시나이저는 전기를 필요로 하지 않아 휴대 및 이동이 편리한 형태의 산소발생기입니다. 시중에 판매되는 산소발생기는 전기시설이 충분한 환경에서만 사용할 수 있습니다. 하지만, 옥시나이저는 전기 콘센트에 연결되지 않고 실내외에서 도움이 필요한 환자에게 신속하게 산소를 제공할 수 있습니다. 옥시나이저는 범용적인 산소발생기입니다. 쉽게 구하고 교체할 수 있는 범용적인 호스, 피팅, 자전거 타이어 밸브, 의료용 마스크로 구성되어 있습니다. 옥시나이저는 지속가능한 산소발생기입니다. 옥시나이저에 포함되어있는 제올라이트는 반영구적인 물질이며, 제올라이트와 실리카겔은 고온에서 건조시켜 환원시킬 수 있습니다. 옥시나이저는 환자의 증상과 심각도에 따라 자전거 펌프, 페달링 펌프, 컴프레셔 등 다양한 기기와 결합되어 산소를 공급할 수 있습니다. 가벼운 일산화탄소 중독, 천식발작 등의 증상의 경우, 5분에서 15분 동안의 동력 공급이 가능한 자전거 펌프와 결합될 수 있습니다. 스트레스, 탈수, 알레르기 또는 열사병으로 인한 급성 호흡 곤란과 같은 증상에서는 15분에서 1시간 동안의 동력 공급이 가능한 페달링 펌프과 결합될 수 있습니다. 폐렴, 만성 폐쇄성 폐질환(COPD), 급성 호흡 곤란 증후군(ARDS)과 같은 심각한 만성 호흡기 질환에서는 지속적인 동력 공급이 가능한 컴프레셔와 결합될 수 있습니다. 이는 더욱 긴 시간동안 환자에게 산소를 공급할 수 있습니다.
향후 계획
현재 옥시나이저는 최대 54%의 산소를 발생시키며 장시간 더위 노출, 소량의 유독가스 노출, 호흡기 질환, 알러지/약물 반응, 극심한 스트레스, 과도한 신체 움직임으로 인한 어지럼증의 상황에 사용 가능합니다. 하지만 더 극단적인 의료 상황에 적용하기 위해서는 전체 작동 시간 동안 일정한 유량과 농도를 유지할 수 있도록 벤틸레이터와 같은 역할을 하는 기기가 필요합니다. 이를 위해 추가 연구를 진행하고 있으며, 향후 다양한 의료 상황에 대처할 수 있는 더욱 고도화된 기능을 구현할 수 있을 것으로 기대합니다.
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