입자 크기를 측정하는 방식은 목적에 따라 달라진다. Feret 직경은 입자의 투영에서 한쪽 가장자리와 반대쪽 가장자리 사이의 거리를 잴 때 얻어지는 값으로, 불규칙한 입자에서 측정 방향에 따라 최대 길이가 선택되면 실제 평균 크기보다 과대평가될 위험이 있다. Martin 직경은 입자의 투영 면적을 이등분하는 선의 길이로 정의되며, 자르는 방향에 따라 값이 달라 과소평가될 가능성이 있다. 등면적 직경은 입자 단면적과 같은 원의 지름을 취하므로 모양 영향이 상대적으로 적다.
공기역학적 직경은 입자의 거동을 기준으로 한 정의로, 밀도 1인 가상의 구형 입자와 동일한 침강속도를 가지는 구형의 직경으로 환산한 값이다. 이 정의는 입자의 침강 거동이나 호흡기 내 침착 특성을 표준화하는 데 유용하다. 따라서 '침강속도'와 '밀도 1인 구형'이라는 조건이 주어지면 공기역학적 직경을 선택해야 한다.
호흡기 침착 기준은 입경에 따라 구분된다. ACGIH 분류 기준에서 50% 침착 입경은 흡입성 100μm, 흉곽성 10μm, 호흡성 4μm로 정리되므로 각 범위가 침착되는 호흡기 부위를 연결하여 기억해야 한다. 또한 먼지와 흄은 발생 원리와 입자 크기에서 구분된다. 먼지는 고체의 파쇄로 발생하는 상대적으로 큰 입자이며, 흄은 금속의 증발이 공기 중에서 산화·응결하여 생성되는 매우 미세한 금속산화물 입자이다.
여과나 채취 과정에서는 여러 물리적 기전이 작용한다. 차단(Interception) 기전은 입자 크기와 여과지 공경의 물리적 관계에 의존하므로 입자 밀도보다는 크기와 공경이 주요 영향 인자이다. 반면 관성충돌이나 침강 등은 입자 밀도와 속도의 영향을 크게 받는다.
예제
침강속도 계산 예는 스토크스 법칙을 사용한다. 스토크스 법칙에 따라 침강속도 V는 V = (g·d²·ρ) / (18·η)로 구한다. 예를 들어 비중 5, 직경 3 μm(=0.0003 cm)인 입자의 경우 g=980 cm/s², 공기 점성계수 η≈0.00018 g/(cm·s)을 대입하면 V≈0.136 cm/s가 된다. 50 cm 침강 거리를 나누면 시간 t ≈ 50 / 0.136 ≈ 367 s ≈ 6.1분이므로 약 6분에 침강한다고 계산된다.
직경 표시에 관한 판단 문제에서는 키워드를 확인하면 정답을 고르기 수월하다. 예컨대 '한쪽 끝과 다른쪽 끝 사이 거리'라는 표현이 나오면 Feret 직경을 떠올리고, '면적 이등분'이 나오면 Martin 직경을 떠올리며, '밀도 1인 구형과 동일 침강속도'가 있으면 공기역학적 직경을 선택하면 된다.
대표 기출 3문항
미국 ACGIH에서 모든 입자상물질에 대하여 침착하는 부위 및 먼지 입경에 따라 분류하는 것 중 가스교환지역인 폐포나 폐기도에 침착되었을 때 독성을 나타내는 입자상물질의 크기로 50%가 침착되는 평균입자의 크기가 10μm 인 것은?
흡입성 입자상 물질
흉곽성 입자상 물질
호흡성 입자상 물질
폐포성 입자상 물질
정답과 해설 보기
정답 ② · ACGIH는 입자상 물질이 호흡기 내 침착 부위에 따라 세 가지로 분류합니다. 코와 인후 등 상부 호흡기에 주로 침착하는 50% 분할 입경 100μm를 '흡입성 입자상 물질(Inhalable)', 기관 및 기관지 등 가스교환 지역 이전의 기도에 침착하는 50% 분할 입경 10μm를 '흉곽성 입자상 물질(Thoracic)', 폐포 등 가스교환 지역에 침착하는 50% 분할 입경 4μm를 '호흡성 입자상 물질(Respirable)'로 규정하고 있습니다.
ACGIH 기준 50% 침착 입경 10μm는 기관지 등 가스교환 이전 부위에 침착하는 흉곽성 입자상 물질에 해당한다.
먼지의 한쪽 곧 가장자리와 다른쪽 끝 가장자리 사이의 거리를 측정함으로써 입자상물질의 크기를 과대평가할 가능성이 있는 직경은?
Martin 직경
Feret 직경
등면적 직경
공기역학적 직경
정답과 해설 보기
정답 ② · 문항은 입자 크기를 측정할 때 한쪽 가장자리와 반대쪽 가장자리 사이의 거리를 직경으로 쓸 경우 어떤 정의가 과대평가될 가능성이 있는지를 묻는다. Feret 직경은 투영된 윤곽에서 특정 방향의 최대 길이를 재는 방식이어서 불규칙한 입자에서는 실제 평균 크기보다 크게 나올 수 있다.
Feret 직경은 입자의 특정 방향 최대 길이를 측정하므로, 입자가 불규칙할 때 실제 입자 크기를 과대평가할 수 있다.
공기 중 입자상 물질은 여러 기전에 의해 여과지에 채취된다. 차단, 간섭 기전에 영향을 미치는 요소와 가장 거리가 먼 것은 무엇인가?
입자크기
입자밀도
여과지의 공경(막여과지)
여과지의 고형분(solidity)
정답과 해설 보기
정답 ② · 라돈은 우라늄이 붕괴되면서 발생하는 천연 방사성 비활성 기체로, 토양, 암석, 콘크리트 등 건축 자재에서 자연적으로 방출됩니다. 특히 지하나 밀폐된 실내 공간에 많이 축적되며, 공기보다 약 9배 무거워 낮은 곳에 깔리고, 폐암을 유발하는 것으로 잘 알려져 있습니다.
차단 기전은 입자 크기와 여과지 공경의 물리적 관계에 의존하므로 입자 밀도와는 가장 거리가 먼 요소이다.