개념 한 쪽
입자상 물질은 모양과 밀도에 따라 크기 표시에 여러 정의가 존재하고, 각 정의는 측정 목적과 침강·호흡기 침착 거동을 달리 반영한다. Feret, Martin, 등면적, 공기역학적 직경 등 주요 직경 정의의 의미와 측정 오류 특성을 이해하면 분진 관리와 제어대책을 설계하는 데 도움이 한다
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출제기준 단원 「입자상 물질별 특성」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 폐 심부 자극제 판별 | 1 | 저용해성 가스와 전신 독성 물질의 구별 근거를 묻는다 |
| 용접흄 발생 영향 요인 | 1 | 아크 용접 조건이 흄 발생량에 미치는 영향 관계를 묻는다 |
| 입자 직경 정의 선택 | 1 | 특정 측정법이 과대·과소평가하는 이유를 식별하게 한다 |
입자 크기를 나타내는 여러 직경 정의는 각각 다른 물리적 의미를 가진다. Feret 직경은 입자의 투영에서 한쪽 가장자리와 반대쪽 가장자리 사이의 최대 거리로 정의되어 불규칙한 형태에서 최대 길이를 반영하므로 과대평가할 가능성이 있다. Martin 직경은 투영 면적을 이등분하는 선의 길이로 정의되어 측정 방향에 따라 짧게 나올 수 있어 과소평가 위험이 존재한다. 등면적 직경은 입자 면적과 같은 원의 지름으로 기하학적 면적을 기준으로 한 정의다.
공기역학적 직경은 입자의 침강속도 등 공기 중 거동을 반영한 표준치다. 밀도 1g/cm³의 구형 입자와 동일한 침강속도를 가지는 가상 구형의 직경으로 정의하여 서로 다른 모양과 밀도의 입자들의 침강 거동을 비교할 수 있게 한다. 따라서 호흡기 내 침착률 예측이나 공기 정화 설비 설계 등 거동 중심의 평가에서는 공기역학적 직경이 중요하다.
입자의 침강속도는 스토크스 법칙으로 근사할 수 있으며, 침강속도는 입자 직경의 제곱에 비례하고 점성계수 등에 반비례한다. 실제 계산에서는 단위 통일과 점성계수 등 물리량 값을 정확히 적용해야 하며, 문제에서 주어지는 조건(비중, 직경, 거리 등)을 이용해 침강시간을 직접 계산할 수 있다.
분진 위험 저감 관점에서는 입자 크기와 밀도가 노출 경로 및 침착 부위를 결정하므로, 분체의 입자 크기를 크게 하는 것은 흡입 위험을 낮추는 전략이 될 수 있다. 반대로 입자 크기 정의를 혼동하면 관리대책과 측정·표시 간 불일치가 발생할 수 있으므로 각 직경의 정의와 한계를 구분해야 한다
스토크스 법칙을 이용한 침강시간 계산 예를 제시한다. 직경 3 μm, 비중 5인 입자가 층류 조건에서 침강속도를 구하면 V=(g·d²·ρ)/(18·η)를 사용한다. 문제에서 제시된 값들을 단위로 환산하여 적용하면 약 0.136 cm/s의 침강속도가 도출되고, 50 cm 침강에 필요한 시간은 약 367초(약 6.1분)가 산출된다. 계산 과정에서는 직경의 단위 변환과 점성계수 단위 일치를 반드시 확인해야 과오를 피할 수 있다.
또 다른 예시는 직경 지표별 선택 기준이다. 호흡기 침착 예측이 목표라면 '밀도 1인 구형과 동일한 침강속도'라는 조건을 만족하는 공기역학적 직경을 선택해야 하고, 단순한 영상 기반 기하학적 분석에서는 등면적 직경이나 Martin 직경을 사용할 수 있다
종말기관지 및 폐포점막 자극제와 가장 거리가 먼 것은?
정답 ④ · 종말기관지 및 폐포 점막을 자극하는 대표적인 물질은 폐 심부에 도달할 수 있는 저용해성 가스들입니다. 이산화질소(NO2), 포스겐(COCl2), 3염화비소(AsCl3)는 모두 폐 심부에 침투하여 심각한 폐수종이나 점막 자극을 유발하는 물질입니다.
산화에틸렌은 전신 알킬화 독성을 주로 나타내므로, 폐포 점막 자극제와는 거리가 먼 물질입니다.
용접방법과 조건은 흄과 가스발생에 영향을 준다. 아크 용접에서 용접흄 발생량을 증가시키는 원인으로 옳지 않은 것은?
정답 ② · 아크 용접 시 발생하는 흄의 양은 용접봉의 종류, 극성, 아크 전압 및 길이 등의 조건에 의해 크게 좌우됩니다. 일반적으로 아크 전압이 높을수록, 아크 길이가 길수록, 그리고 용접봉 극성이 역극성(+)일수록 금속 용융 및 증발이 활발해져 흄 발생량이 증가합니다.
아크 전압이 낮으면 금속 증발이 줄어들어 흄 발생량이 감소하므로, 증가시키는 원인으로 옳지 않다.
먼지의 한쪽 곧 가장자리와 다른쪽 끝 가장자리 사이의 거리를 측정함으로써 입자상물질의 크기를 과대평가할 가능성이 있는 직경은?
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.
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