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문제 정의
- 이에 따라 나노입자에 대한 방진마스크 포집효율을 측정하였으며 아울러 사람 호흡 형태와 유사하게 들숨, 날숨이 가능한 인공폐를 연결하여 총누설률을 측정하였다. 또한 연속흡입이 가능한 마네킹을 이용하여 총누설률을 측정하여 나노입자에 대한 방진마스크 효율을 파악함으로서 방진마스크 선택 및 착용 지침 방향 제시에 필요한 기초자료를 제공하고자 본 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 12 m/s 의 속도로 피시험자의 머리위로 직접 흘러내리도록 하고, 피시험자는 5가지 운동을 순서에 따라 실시하면서 안면부 내부 및 챔버내의 염화나트륨 에어로졸의 농도는 총누설률 시험장치를 이용하여 측정한다. 그러나 본 연구에서는 은나노입자의 독성이 우려되어 마네킹을 이용하여 총누설률을 측정하였다.
- 챔버내에 시험인두를 설치하고, 시험인두에 방진마스크를 착용시키고, 챔버와 연결된 인공폐를 작동시켰다. 그리고 챔버 내 은나노입자 수농도를 측정하고, 은나노입자가 마스크를 통과한 후 수농도를 측정 하여 총누설률을 측정하였다(Figure 2).
- 마네킹에 마스크를 장착시키고 인공폐를 이용하여 들숨, 날숨을 쉬도록 한 상태에서 은나노입자의 총누설률을 측정하였다.
- 은나노입자는 top-down(bulk 소재를 녹여 입자상 물질을 만드는 방식) 방식의 발생장치를 사용하여 발생시켰으며 본 실험에서는 은와이어를 기화시킨 후 냉각시켜 입자상 물질을 발생시켰다. 발생방법은 은 와이어(2 cm)의 녹는 점 이상의 온도인 800~900℃에 해당하는 전류 100 volts를 전압조정기인 Slidacs를 이용하여 은 와이어가 놓여 있는 평판 플레이트에 가하였다. 녹은 은 와이어를 통해 발생된 은나노 입자는 청정공기발생기를 통해 주입된 20 L/min의 sheath air로 시험 챔버로 인입되었다.
- 방진마스크에 포집된 은나노입자를 초분해능 주사 전자현미경(Ultra High Resolution Field Emission Scanning Electron Microscope, Hitachi S-4800, Japan)를 사용하여 분석하였다. 초분해능 주사전자현미경의 가속전압은 3.
- 보호구 안전인증 고시(고용노동부고시 제2014-46호)에서 누설률 시험은 깨끗하게 면도한 10명을 피시험자로 선정한 후 안면길이, 안면넓이, 안면깊이 및 입의 가로크기를 측정한다. 염화나트륨 에어로졸이 챔버로 들어가도록 하고, 최소한 0.
- Rengasamy & Eimer(2011)이 이용한 인공폐 실험 방법과 유사하며 마네킹(시험인두)은 보호구 안전인증 고시(Ministry of Employment and Labor, 2014)의 방진마스크 전처리에 사용되는 규격의 마네킹 및 인공폐를 사용하였다. 사람이 마스크를 착용한 상태에서 총누설률을 측정하는 것이 바람직하나 본 연구에서는 은나노입자의 독성으로 인하여 마네킹(시험인두)를 활용하여 총누설률을 측정하였다.
- 보호구 안전인증 고시(고용노동부고시 제2014-46호)에서 누설률 시험은 깨끗하게 면도한 10명을 피시험자로 선정한 후 안면길이, 안면넓이, 안면깊이 및 입의 가로크기를 측정한다. 염화나트륨 에어로졸이 챔버로 들어가도록 하고, 최소한 0.12 m/s 의 속도로 피시험자의 머리위로 직접 흘러내리도록 하고, 피시험자는 5가지 운동을 순서에 따라 실시하면서 안면부 내부 및 챔버내의 염화나트륨 에어로졸의 농도는 총누설률 시험장치를 이용하여 측정한다. 그러나 본 연구에서는 은나노입자의 독성이 우려되어 마네킹을 이용하여 총누설률을 측정하였다.
- 여과재의 은나노입자 포집효율시험은 보호구 안전인증 고시(MOEL, 2014) 여과재의 분진 등 포집효율시험에 준하여 실시하였다. 은나노입자 발생장치에서 발생된 은나노입자를 20 L/min의 유량으로 mixing chamber로 보내고 75 L/min의 신선한 공기를 mixing chamber로 보낸 후 95 L/min 유량으로 여과재에 통과시켜 후 여과재 통과 전후의 농도를 SNPS(Scanning Nano-particle Spectrometer)(HCT, Korea)를 이용하여 입자크기를 측정하였으며, DMA(Differential Mobility Analyzer), CPC(Condensation Particle Counter)(HCT, Korea)를 이용하여 수 농도를 측정하였다(Figure 1). 측정시료수는 3개이었으며, 각 시료의 측정값은 3회 측정한 값의 평균값으로 하였다.
- 은나노 발생장치는 Kim 등(2007)의 은나노입자 발생 장치와 유사하게 구축하였다. 은나노입자는 top-down(bulk 소재를 녹여 입자상 물질을 만드는 방식) 방식의 발생장치를 사용하여 발생시켰으며 본 실험에서는 은와이어를 기화시킨 후 냉각시켜 입자상 물질을 발생시켰다. 발생방법은 은 와이어(2 cm)의 녹는 점 이상의 온도인 800~900℃에 해당하는 전류 100 volts를 전압조정기인 Slidacs를 이용하여 은 와이어가 놓여 있는 평판 플레이트에 가하였다.
- 41 ㎜인 경우 입자크기 50㎚에서 누설률은 약6~10%이었다. 이 연구에서는 마스크를 마네킹에 장착시키고 마스크 가장자리를 실리콘 봉합제(silicon sealant)로 봉합한 후 측정하였다. 그러나 본 연구에서는 마스크 가장자리를 봉합처리 하지 않은 상태로 총누설률을 측정하여 본 연구의 총누설률이 Rengasamy연구보다 높게 관찰된 것으로 사료된다.
- 그러나 근로자를 보호할 수 있는 방진마스크에 대한 연구가 충분치 않아 나노입자 발생 사업장에서 현재 상용되고 있는 방진 마스크 사용에 따른 우려가 많다. 이에 따라 나노입자에 대한 방진마스크 포집효율을 측정하였으며 아울러 사람 호흡 형태와 유사하게 들숨, 날숨이 가능한 인공폐를 연결하여 총누설률을 측정하였다. 또한 연속흡입이 가능한 마네킹을 이용하여 총누설률을 측정하여 나노입자에 대한 방진마스크 효율을 파악함으로서 방진마스크 선택 및 착용 지침 방향 제시에 필요한 기초자료를 제공하고자 본 연구를 수행하였다.
- 방진마스크에 포집된 은나노입자를 초분해능 주사 전자현미경(Ultra High Resolution Field Emission Scanning Electron Microscope, Hitachi S-4800, Japan)를 사용하여 분석하였다. 초분해능 주사전자현미경의 가속전압은 3.0 kv로 하였으며, 시료는 초분해능 주사전자현미경으로 5,000배, 10,000배율에서 관찰하였다.
대상 데이터
- Rengasamy & Eimer(2011)이 이용한 인공폐 실험 방법과 유사하며 마네킹(시험인두)은 보호구 안전인증 고시(Ministry of Employment and Labor, 2014)의 방진마스크 전처리에 사용되는 규격의 마네킹 및 인공폐를 사용하였다.
- 포집효율, 인공폐를 이용한 총누설률 시험을 위하여 보호구 안전인증 고시(MOEL, 2014)에 따라 안전보건공단에서 인증되어 국내에서 많이 사용되는 7개사 7개 방진마스크(특급)를 시중에서 구입하여 사용하였다. 그 중 3종류의 방진마스크는 안면부 여과식 마스크(A, B, C)이며, 4종류의 직결식 반면형 마스크(D, E, F, G)이었다.
데이터처리
- 시험결과는 평균과 표준편차로 표시하였으며, SPSS 18을 이용하여 일원배치 분산분석(One-way ANOVA)을 검정하였으며 유의성이 인정된 자료의 사후검증은 Dunnett's test와 Duncan multiple rage test를 이용하여 유의성을 검정하였다.
- 은나노입자 발생장치에서 발생된 은나노입자를 20 L/min의 유량으로 mixing chamber로 보내고 75 L/min의 신선한 공기를 mixing chamber로 보낸 후 95 L/min 유량으로 여과재에 통과시켜 후 여과재 통과 전후의 농도를 SNPS(Scanning Nano-particle Spectrometer)(HCT, Korea)를 이용하여 입자크기를 측정하였으며, DMA(Differential Mobility Analyzer), CPC(Condensation Particle Counter)(HCT, Korea)를 이용하여 수 농도를 측정하였다(Figure 1). 측정시료수는 3개이었으며, 각 시료의 측정값은 3회 측정한 값의 평균값으로 하였다. 그리고 여과재의 포집 효율을 다음과 같이 산출하였다.
이론/모형
- 여과재의 은나노입자 포집효율시험은 보호구 안전인증 고시(MOEL, 2014) 여과재의 분진 등 포집효율시험에 준하여 실시하였다. 은나노입자 발생장치에서 발생된 은나노입자를 20 L/min의 유량으로 mixing chamber로 보내고 75 L/min의 신선한 공기를 mixing chamber로 보낸 후 95 L/min 유량으로 여과재에 통과시켜 후 여과재 통과 전후의 농도를 SNPS(Scanning Nano-particle Spectrometer)(HCT, Korea)를 이용하여 입자크기를 측정하였으며, DMA(Differential Mobility Analyzer), CPC(Condensation Particle Counter)(HCT, Korea)를 이용하여 수 농도를 측정하였다(Figure 1).
성능/효과
- 7개 방진마스크에 대한 필터 투과율을 측정한 결과 6개 방진마스크는 투과율이 2%미만 이었다. 제품에 따라 투과율은 다르게 관찰되었으나 통계적으로 유의한 차이는 관찰되지 않았다.
- 16E+07#/cc이었다. 7개 방진마스크에 대한 필터 포집효율 측정한 결과 6개 방진마스크(A, C, D, E, F)는 투과율이 2%이하였으며, 1개 방진마스트(B)는 투과율이 5%이상으로 4개 방진마스크(A, C, D, E, F)보다 통계적으로 유의하게 높았다.
- 98E+06#/cc이었다. 들숨, 날숨이 가능한 인공폐를 이용하여 7개 방진마스크에 대한 총누설률을 측정한 결과 C 방진마스크의 총누설률이 7.6%로 가장 낮았으며, G 방진마스크는 8.5%이었다. 그리고 D(21.
- 마스크 C, G의 인공폐 총누설률은 다른 제품 마스크 총누설률보다 통계적으로 유의하게 낮았다. 또한 기계식 필터마스크의 인공폐 총누설률이 정전필터 마스크, 부직포필터 마스크의 총누설률보다 통계적으로 유의하게 낮았다(Table 3).
- 입자는 전자스프레이(electrospray)를 이용하여 8~80 ㎚ 단분산 sucrose를 발생시켰으며, 아토마이져(atomizer)를 이용하여 20~1000 ㎚ 다분산 NaCl 에어로졸을 발생시켰다. 또한 호흡량(breathing flow rates)을 20, 30, 40 L/min으로 변화시키면서 총누설률을 측정한 결과 총누설량은 유량이 증가할수록 증가하였으며, 누설 구멍 크기가 증가할수록 증가하였다. 누설 구멍 크기가 2.
- 많은 방진 필터들은 필터 섬유에 정전기 처리를 하고 있어 정전기적 상호 인력으로 입자포집 능력을 향상시킬 것으로 가정하고 방진 마스크 필터재질형식(정전마스크, 부직포마스크, 기계식마스크)에 따라 투과율의 차이가 발생할 것으로 예상하고 포집율을 측정한 결과 정전필터마스크 C의 포집효율이 가장 높았으며, 기계식마스크 G의 포집효율도 높게 측정되었으나 통계적 유의한 차이는 관찰되지 않았다. 정전필터는 필터가 정전기를 가지고 있어 공기 중의 미세한 입자와 먼지를 흡착한다.
- 본 연구결과 7개 방진마스크에 대한 필터 포집효율 측정한 결과 6개 방진마스크는 포집효율은 98%이상이었으며, 1개 방진마스크는 94.9%이었다. 안면부 여과식 마스크는 20 ㎚ 은나노입자에 대한 포집 효율이 가장 높았다.
- 그러나 본 연구에서는 마스크 가장자리를 봉합처리 하지 않은 상태로 총누설률을 측정하여 본 연구의 총누설률이 Rengasamy연구보다 높게 관찰된 것으로 사료된다. 본 연구결과와 직접적으로 비교하기에는 무리가 있으나 총누설률이 최고 42.6%임을 감안하면 보호구와 시험 인두와 잘 맞지 않아서 생기는 누설현상(faceseal leakage)이 많이 발생하였음을 추정할 수 있었다.
- 009%로 성능검정기준보다 낮았다. 본 연구에서 사용된 방진마스크는 우리나라 인증기관에서 모두 합격한 제품으로 성능기준을 모두 만족한 제품이다. 그러나 본 연구에서 사용된 방진마스크의 은나노 입자에 대한 포집효율은 98%(투과율 2% 미만)이었다.
- Martin & Moyer(2000)의 연구에서도 isopropanol로 정전기를 제거한 결과 입자크기가 증가함에 따라 투과율이 증가하였다. 본 연구에서 은나노입자 크기에 따른 방진마스크 포집효율을 분석한 결과 정전필터가 부직포마스크, 기계식마스크보다 적은 입자를 더 잘 포집하고 있음을 관찰할 수 있었다. 정전필터 방진마스크 A는 50 ㎚이하, B는 60 ㎚이하, C는 70 ㎚이하 은나노입자에 대하여 90%이상의 포집효율을 보였다.
- 실리콘 봉합제를 이용한 실험에서도 누설률이 5%를 넘는 경우가 60~90%발생하였다. 본 연구에서는 마스크 가장자리를 봉합처리 하지 않은 상태로 총누설률을 측정한 결과와 비교 시 누설현상(faceseal leakage)이 많이 발생하고 있음을 확인할 수 있었다. Holton et.
- 정전필터 방진마스크인 A는 50 ㎚이하, B는 60 ㎚이하, C는 70 ㎚이하 은나노입자에 대하여 90%이상의 포집효율을 보였다.
- 7개 방진마스크에 대한 필터 투과율을 측정한 결과 6개 방진마스크는 투과율이 2%미만 이었다. 제품에 따라 투과율은 다르게 관찰되었으나 통계적으로 유의한 차이는 관찰되지 않았다. 미국 NIOSH에서 N95의 반면형 마스크의 검정기준은 투과율이 5%미만이다.
- 초분해능 주사전자현미경(Ultra High Resolution Field Emission Scanning Electron Microsccope, UHR-FESEM)을 이용하여 마스크 필터에 포집된 나노입자크기를 분석한 결과 34~172 ㎚이었다.
- 필터 포집효율과 총누설률을 비교한 결과 방진마스크 필터 포집효율은 C, G, F, D, E, A, B 순 이었으며, 이 결과는 총누설률이 C, G, D, F, A, E, B 순인 것과 전반적으로 비슷한 경향을 보였다. 포집효율은 F가 D 보다 좋으나, 총누설률에서는 F가 높은 것으로 보아 본 실험에서 사용된 마네킹과의 밀착도가 낮은 것으로 추정되며, 마스크 A, E의 경우에도 마스크 E의 포집효율이 좋으나, 총누설률에서는 E가 높게 관찰되었다. 마스크 C, G의 경우 포집효율이 높음에도 불구하고 총누설률은 7.
- 필터 포집효율과 총누설률을 비교한 결과 방진마스크 필터 포집효율은 C, G, F, D, E, A, B 순 이었으며, 이 결과는 총누설률이 C, G, D, F, A, E, B 순인 것과 전반적으로 비슷한 경향을 보였다. 포집효율은 F가 D 보다 좋으나, 총누설률에서는 F가 높은 것으로 보아 본 실험에서 사용된 마네킹과의 밀착도가 낮은 것으로 추정되며, 마스크 A, E의 경우에도 마스크 E의 포집효율이 좋으나, 총누설률에서는 E가 높게 관찰되었다.
- 6%이었다. 필터투과율이 0.73~5.02%임을 감안하면, 마스크와 시험인두 밀착부분에서 누설되는 입자, 마스크 부품을 통과하는 입자가 더 많음을 관찰할 수 있었다.
후속연구
- 특히 독성이 확인되지 않은 나노물질, 독성이 강한 무질을 취급하는 근로자의 경우는 정성적 밀착도 검사뿐만 아니라 정량적 밀착도 검사를 실시하도록 보건관리자, 안전관리자 등의 세심한 관리가 필요하다. 또한 향후 NaCl 을 이용한 나노입자 포집효율 비교 연구가 필요하며, 사람이 마스크를 착용한 상태에서 총누설률의 연관성 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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