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연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
CNT 작업장의 노출 메커니즘의 고찰과 CNT 노출 방지기술 연구
- 연구책임자
- 지준호(에코픽쳐스), 노광철, 육세진, 유일재, 지충근, 이광재, 김원근, 김종규
- 수 행 연 도
- 2015년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- ,1. 연구 제목 CNT 작업장의 노출 메커니즘의 고찰과 CNT 노출 방지기술 연구 2. 연구 필요성 및 목적 ○ 나노기술은 IT, BT, ET 관련 신산업 등 거의 모든 산업에 필요한 핵심 요소기술로 국제적으로도 산업화에 진입하는 단계이고, IT와 BT의 기반이 는 기술적·산업적 파급효과가 클 것으로 전망되는 분야로 나노 관련 산업과 관련 상품이 지속적으로 증가하고 있는 실정이다. ○ 나노물질, 나노입자에 대한 안전성의 문제가 국제적으로 논의되고 있고, 안전성을 확보하기 위한 독성연구와 노출평가 연구가 진행되고 있다. 그렇지만 아직까지 작업자의 안전에 가이드라인이 될 수 있는 자료가 충분하지 않고, 신뢰성 있는 데이터를 기반으로 개발된 나노물질 안전에 관련된 기준은 많지 않다. 최근, 작업장에서 작업 공정과 연관된 나노물질의 노출 특성이나 측정 방법 등의 연구가 진행되고 있고, 작업 공정에 따라 작업자의 노출을 저감할 수 있는 공학적 저감 기술에 관심이 필요한 상황이다. ○ 본 연구의 목적은 나노 작업장의 각각 Process 별로 노출 시나리오 및 저감시스템을 정리하고, 중앙환기, 국소배기, 여과집진, 전기집진기술, 개인보호구의 적용에 따른 현황을 살펴보고, 고효율 집진 방법이 적용되는 경우에 대한 비용을 분석하고자 한다. 국내 CNT 작업장의 저감시스템 현황 조사 및 요구 성능을 정리하고자 하고, 일반 시험 입자인 NaCl, 은나노입자, CNT를 대상으로 실험실에서 사이클론, 여과방법, 전기집진방법, 마스크 보호구의 성능 특성 데이터를 확보하고자 한다. 최종적으로 CNT 작업 공정에 따른 적합한 엔지니어링 제어시스템의 적용 가이드라인 개발하고자 한다. 첫째, 작업장 내 나노물질 노출 저감 방법을 정리한다. 먼저 CNT 제조 방법 및 제조 공정 특성을 정리하고, 처리 공정에 따른 노출 가능성을 분석한다. 나노물질에 대한 노출저감 기술을 분석하고, 저감장치의 공정별 적용 현황 및 저감장치의 효과에 대한 데이터를 정리한다. 둘째, 국내 대표 CNT 제조 작업장의 현황 조사 및 제어시스템 적용 현황을 분석한다. CNT 작업장을 포한한 5군데의 나노작업장을 설문 조사하고 방문하여, 작업장에 노출저감 관리 상태를 분석하고, 공학적 저감장치의 적용 현황을 정리한다. 셋째, 나노물질에 대한 방지기술의 비용 효과를 분석한다. 특히, 공학적 제어장치의 적용 유무에 따른 노출 특성을 CFD 방법을 이용하여 정성적으로 시뮬레이션을 통해 가시적으로 보여주고, 이에 따른 문제점을 정리한다. 또한 국소배기 장치에 HEPA급 필터가 적용되는 경우의 비용과 효과에 대한 분석을 진행하여 향후, 나노작업장 내에 HEPA급 필터의 적용성을 검토한다. 넷째, 전통적인 입자상물질 제거기술의 나노물질 집진 특성을 평가한다. 일반적으로 필터의 평가에 사용되는 NaCl 입자와 함께 CNT와 은나노입자를 시험입자로 사용하여 사이클론, 중성능필터, HEPA 필터, 호흡용 보호구 필터의 입경별 집진효율 데이터를 확보하여, 집진특성을 분석한다. 이를 위해, 은나노입자 발생장치(ISO10801)와 CNT발생장치를 구성하여 시험평가에 적용한다 다섯째, 이와 같은 연구결과를 정리하여 “CNT 작업 공정에 따른 엔지니어링 제어시스템의 적용 가이드라인”을 제안한다. 3. 연구 내용 및 방법 3.1 나노물질 제조 작업장 내 나노물질 노출 저감 방법의 정리 ○ CNT 제조 방법 및 제조 공정 특성 분석, CNT 및 나노물질의 처리 공정정리 및 노출 가능성 ○ 나노물질에 대한 노출저감 기술 분석 ○ CNT 제조 작업장의 특성 정리 3.2 국내 대표 CNT 제조 작업장의 현황 조사 및 제어시스템 적용분석 ○ 국내 CNT 노출평가/노출저감 연구의 분석 ○ CNT 제조 작업장 조사를 위한 설문 자료 작성 (설문지 구성) ○ CNT 제조 작업장 현황 분석 (국내 5개 사업장) 및 요약 3.3 나노물질에 대한 방지기술의 비용 효과 분석 ○ 저감장치 적용 유무에 의한 노출 특성 시뮬레이션 분석 ○ 저감장치 구동에 따른 비용과 노출저감 효과 분석 3.4 전통적인 입자상물질 제거기술의 나노물질 집진 특성 평가 ○ 나노물질 모사 시험입자와 측정평가 시스템 1) 분무형 입자 발생장치를 이용한 소금입자의 발생(일반적인 시험입자) 2) 은나노 입자 발생 장치의 발생 : ISO10801 국제표준 기술의 발생장치 사용 3) MWCNT 발생 장치의 발생 : 분무형 MWCNT 발생 방법 이용 4) 나노입자의 입경별 집진효율 평가를 위한 평가시스템 구성 ○ 전통적인 집진기술별 나노물질 저감 특성 평가 및 분석 (5~300nm) 1) 사이클론 2) 중성능 필터 3) 고성능 HEPA 필터 4) 호흡용 보호구 필터(미디어 테스트) 3.5 CNT 작업 공정에 따른 엔지니어링 제어시스템 적용 가이드라인 제안 4. 연구결과 4.1 작업장 내 나노물질 노출 저감 방법의 정리 ○ 탄소나노튜브를 제조하는 공정에서 나노입자의 노출은 다양한 형태로 나타날 수 있다. 촉매로 사용된 입자나 비의도적인 나노물질이 발생할 수 있고, 분말을 다루는 과정에서는 NOAA(Nano-Objects, and their Agglomerates and Aggregates)인 나노물질과 응집체가 함께 노출될 가능성도 있다. 특히, 다양한 비의도적 나노입자들이 제조 나노물질과 섞여 노출되기 때문에 발생원에 대한 충분한 이해가 필요하고, 이에 대한 저감시스템의 적용이 요구된다. ○ 나노물질(nanomaterial), 노출(exposure), 작업장(workplace) 세 가지 키워드를 이용하여 나노물질이 작업자에게 노출되는 상황을 연구한 문헌을 분석하여 나노물질과 관련된 노출상황을 조사하였다. - 조사된 MWCNT 52개의 확인노출상태 중 정량적 분석 결과가 나타난 37개의 확인노출상태를 공학적 제어별 해당 공정과 정량적 농도를 나타내고 있는데, 합성공정이나 여러 처리 공정을 구분할 것 없이 아무런 조치를 취하지 않은 경우에 작업자가 가장 큰 농도로 노출되고, 밀폐된 국소배기장치나 흄 후드를 사용한 경우 측정된 CNT 노출이 확연히 줄어들었다. - 여러 처리조작 공정은 칭량(weighing), 배합(mixing), 회수(collecting), 분사(spraying), 분쇄(milling), 운반(transferring), 포장(packaging), 연마(grinding), 절단(cutting) 등의 일련의 공정들을 포함한다. 다양한 처리공정이 이루어지기 때문에 각 공정마다 특성과 노출위험도 및 노출량의 차이가 다르게 나타났지만, 밀폐된 국소배기장치나 흄 후드를 사용한 경우에 CNT노출량이 줄어드는 것으로 조사되었다. 4.2 국내 CNT 제조 작업장의 현황 조사 및 제어시스템 적용 분석 ○ CNT 제조 및 취급 작업장에서의 근로자의 노출 위험성을 파악하고 효과적인 관리제어방법을 제안하기 위해서는 설문자료를 이용한 기본적인 조사를 수행하고자 하였다. 설문자료는 ① 일반현황 ② 취급 물질 현황 ③ 공정 현황 ④ 작업자 현황 ⑤ 관리제어 현황으로 구분하여 구성하였다. ○ 국내 5개 나노물질 제조 작업장의 노출저감장치는 다음과 같은 방식으로 설치되어 있었다. - 양산 규모의 작업장에서는 대부분의 제조시스템이 밀폐공정으로 이루어지고 있다. - 전체 환기 방식은 주로 팬을 이용한 환기나 국소배기에 의해 환기가 이루어지고 있었다. - 분말을 다루는 공정을 밀폐 공정으로 구성하고자 하는 노력이 진행되고 있었지만, 사람에 의해 이루어지는 최종 작업에서 노출 가능성이 있다고 보인다. 양산에 가까운 공정을 가지고 있는 대기업이나 중견기업은 저감장치나 공정을 밀폐시스템으로 운영하고 있었지만, 상대적으로 관리가 미흡한 벤처 기업이나 대학연구실에서는 공정에서 노출이 이루어질 가능성이 높아 보인다. - 호흡기보호구는 N95급(1급이상) 마스크 수준을 사용하고 있지만, 마스크 등급에 대한 이해는 떨어지고 있다. 고성능 마스크의 착용 필요성은 인식하고 있지만, 일부 기업에서 작업자들이 착용하지 않는 경우도 있었다. - 후처리 시스템은 합성공정에서 적용되고 있지만, 나노크기까지 적절하게 제어되어 배출되는지에 대해서는 확인되지 않았고, 국소 배기 장치의 경우 HEPA급의 고효율 필터가 채용될 필요가 있다. - 특히, 밖으로 배출된 나노입자의 작업장 실내 재유입 가능성에 대해서 인식이 필요하고, 이와 관련된 연구가 필요하다. 4.3 나노물질에 대한 방지기술의 비용 효과 분석 ○ 나노물질을 처리하는 작업장 중 하나를 선정하여 나노물질의 노출과 노출저감 특성을 확인하였다. 클린벤치에서의 비용-효과를 분석하는 방법으로 CFD Tool로 클린벤치에서의 환기효율(Ventilation Effectiveness, 또는 외부공기 유인에 따른 오염물질 제거효율)을 계산하였고 여기에 필터효율과 풍량을 곱하여 클린벤치 운전상태에 따른 청정화능력(CADR, Clean Air Delivery Rate)을 계산하였다. - 청정화능력은 클린벤치 사용에 따른 효과를 의미한다. 제조사가 제공하는 정보를 기준으로 클린벤치 외부로 공기가 배출되는 위치에 HEPA필터와 HEPA급 전기집진식 필터가 사용된 경우를 가정하여 비용-효과 분석을 수행하였다. 소비되는 전력을 운전비용으로 가정할 때, HEPA 필터, HEPA급 전기집진기, 고성능공조필터를 사용한 경우에 대하여 각각 370W, 300W, 330W이다. ○ 나노물질이 발생하는 작업장에서 환기조건과 클린벤치, 필터시스템의 종류에 따라 비용-효과를 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. - 나노물질 작업장에서 나노물질 농도의 감소는 환기량의 변화보다는 클린벤치 및 필터시스템을 채용한 경우 더 큰 것으로 나타났다. 따라서 고농도 나노물질이 배출되는 곳에는 클린벤치를 설치하는 것이 바람직하다. - 클린벤치를 사용한 경우, 나노물질의 농도감소는 HEPA를 채용한 것이 가장 크며, HEPA급 전기집진방식도 큰 농도감소를 보였다. - 비용-효과분석에 의하면, 클린벤치에 전기집진기를 설치한 경우가 다른 경우에 비해 큰 것으로 나타났고 이러한 현상은 환기량 작은 작업장에서 더 두드러지게 나타났다. ○ 클린벤치에서의 비용-효과를 분석하기 위하여 CFD Tool로 클린벤치에서의 환기효율(Ventilation Effectiveness, 또는 외부공기 유인에 따른 오염물질 제거효율)을 계산하였고 여기에 필터효율과 풍량을 곱하여 클린벤치 운전상태에 따른 청정화능력(CADR, Clean Air Delivery Rate)을 계산하였다. - HEPA급 전기집진기를 사용하면 클린벤치에서 배출되는 오염물질 저감에 대한 효과는 조금 감소하지만 총 압력손실(클린벤치+덕트+카본필터+HEPA필터 또는 전기집진기 압력손실)도 감소하게 되어 최종 비용-효과는 HEPA급 전기집진기의 사용이 우수하다. 4.4 전통적인 입자상물질 제거기술의 나노물질 집진 특성 평가 ○ 전통적인 입자상물질 제거기술인 사이클론, 여과방법, 호흡기보호구 등의 입경별 집진효율 특성을 확인하였다. 특히, 100㎚ 이하의 나노미터 크기의 특성에 초점을 맞추어 시험 데이터를 확보하였고, 기존의 시험입자로 사용되는 소금(NaCl) 입자와 함께 은나노입자와 CNT 나노입자를 시험 입자로 사용하여 입경별 집진효율 데이터를 확보하였다. ○ 개인샘플러 입구 설치 사이클론에 대한 MWCNT의 입경별 제거성능을 확인하였다. 50% 절단경이 약 1.8㎛에서 나타났고, 약 4㎛ 이상의 입자는 100% 제거하는 것으로 나타났다. 하지만, 이것은 사용한 계측기의 특성한 광학등가직경을 기준으로 얻은 값으로, 향후 공기역학경을 기준으로 한 데이터가 요구된다. ○ 입경별 나노입자 제거를 평가하기 위해 소금(NaCl) 입자, MWCNT 및 은나노 입자를 사용하였다. 소금입자와 은나노입자의 안정적인 시험 데이터의 확보가 이루어진 반면, MWCNT의 경우 발생방법이 충분한 안정성을 확보하지 못하였다. HEPA 필터의 경우, 모든 입자에 대해 모든 입경에서 거의 99.9% 이상의 입자제거효율을 나타냈다. ○ 호흡용 보호구 필터의 여과특성을 측정하기 위해서 은나노입자, MWCNT, NaCl 입자를 대상으로 입경별 집진효율을 평가하였다. - 호흡용 보호구 필터는 2가지 종류를 사용하였다. 안면부 여과식 방진마스크인 특급 방진마스크, 1급 방진마스크의 배기밸브 부분을 제외한 부분을 직경 47 ㎜로 잘라내어 직경 47 ㎜ 필터홀더에 부착하여 시험하였다. - 1급 마스크 필터와 특급 마스크 필터의 NaCl 입자의 입경별 최소효율이 30~50㎚ 사이에서 나타나는 특성은 기존 연구와 비슷한 결과를 나타냈다. - 은나노입자의 경우, 1급 마스크 필터와 특급 마스크 필터 모두에서 소급 입자보다 같은 입경에서 높은 효율을 나타내고 있는데, 이것은 은나노입자의 발생 특성에 의한 것으로 보인다. 본 연구에서는 작업장에서 은나노 입자가 고농도로 노출될 경우를 모사하여, 증발-응축에 의한 방법의 은나노입자 발생장치를 사용하였는데, 이 때 상대적으로 높게 대전된 입자들이 많이 만들어진다. 이로 인해, 정전필터인 마스크 필터의 포집이 상대적으로 활발하여 입경별 효율이 높아진 것으로 보인다. 4.5 CNT 작업 공정의 엔지니어링 제어시스템 적용 가이드라인 제안 ○ 국내외 자료를 기반으로 하여 탄소나노튜브 제조 작업장에서 작업자의 노출저감을 위한 엔지니어링 제어시스템의 적용 가이드라인을 정리하고자 하였다. 탄소나노튜브를 제조하는 작업장에서의 노출을 최소화하기 위해 사용 가능한 공학적 제어시스템을 구분하였다. 탄소나노튜브의 작업 공정을 정리하였고, 각 공정에 적합한 공학적 제어시스템을 제안하였다. - CNT의 합성 공정이나 소규모 칭량 및 나노분말을 취급하는 공정에서 공학적 제어장치는 재료의 물리적 특성, 작업환경, 장비의 요구사항 및 처리수준, 작업의 규모에 따라 선택되어야 한다. 본 지침에서는 네 가지 공정을 분류하여 각각 공정에 적합한 엔지니어링 제어시스템을 적용할 것을 제안하였다. 네 가지 공정은 다음과 같다. (1) 반응로 운영 및 청소 (2) 소규모 칭량및 나노분말의 취급 (3) 중간 및 마무리 공정 (4) 유지보수 작업. 5. 활용방안 및 기대성과 ○ 본 연구에서는 나노 작업장의 각각 Process 별로 노출 시나리오 및 저감시스템을 정리하고, 나노작업장의 중앙환기, 국소배기, 집진기술, 개인보호구의 적용에 따른 현황을 살펴보았고, 고효율 집진 방법이 적용되는 경우에 대한 비용을 분석하였다. 국내외 현황과 자료를 참고로 CNT 작업 공정에 따른 엔지니어링 제어시스템의 적용 지침을 제안하였다. 첫째, 국내외 자료 분석과 국내 나노물질 제조 회사의 설문을 통해 CNT 작업장의 저감시스템 특성 조사 및 노출 특성을 정리였다. 국내외의 데이터가 부족하기 때문에, 관련 조사 내용은 향후 국내 CNT 작업장 분석에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 보인다. 둘째, 나노작업장의 나노물질 저감장치의 비용 효과 분석 결과는 향후 저감 장치에서 고효율 집진필터나 집진장치를 결정할 때, 자료로 사용될 수 있을 것으로 보인다. 특히, 에너지 비용과 노출 저감 효과를 정량적인 값으로 제시하였다. 향후 HEPA 필터의 채용에 필요한 비용 산정을 위한 기초 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대한다. 셋째, 일반 시험 입자인 NaCl, 은나노입자, CNT를 대상으로 실험실에서 사이클론, 중성능필터, HEPA 필터, 마스크 보호구 필터의 여재 성능 특성 데이터를 제공하였다. 나노입자에 대한 필터의 입경별 효율 데이터로 향후 저감기술 적용에 기본 데이터로 활용될 수 있을 것으로 기대한다. 넷째, 탄소나노튜브의 제조작업장에서 작업자의 노출 저감을 위한 엔지니어링 제어시스템의 적용 가이드라인 제안하였고, 향후 CNT는 물론 다양한 나노물질 제조 작업장에 대한 저감장치의 적용 지침으로 활용이 가능할 것으로 기대한다. ○ 본 연구결과를 활용하는데 주의할 점이나 한계점은 다음과 같다. - 본 연구의 대상이었던 탄소나노튜브 및 나노물질을 다루는 국내 나노작업장에 대한 노출 특성 및 엔지니어링 제어시스템의 적용 특성에 대해 전반적으로 정리하였지만 국내외 데이터가 충분하지 않았고, 특히 국내 전체를 대표하는 나노작업장을 분석하였다고 하기 어렵다. 향후 CNT는 물론 다양한 나노물질 제조 작업장에 대한 현황 조사 및 분석과 나노물질 처리 공정과 저감장치의 특성 데이터를 충분히 확보한 상세한 연구가 필요할 것으로 생각된다. - 입경별 나노입자 제거를 평가하기 위한, 시험 소금(NaCl) 입자, MWCNT 및 나노 silver 입자를 사용하였지만, 소금입자와 은나노입자의 안정적인 시험 데이터의 확보가 이루어진 반면, MWCNT의 경우 발생방법이 충분한 안정성을 확보하지 못하여 아직 데이터의 신뢰성을 충분히 제공하기 어렵다고 판단되었고, 향후 이에 대한 추가 연구가 필요하다. - 본 지침의 대상이었던 탄소나노튜브 및 나노물질을 다루는 국내 나노작업장에 대한 노출 특성 및 엔지니어링 제어시스템의 적용 특성에 대한 데이터가 충분하지 않아, 향후 이에 대한 현황 조사 및 분석과 나노물질 처리 공정과 저감장치의 특성 데이터를 충분히 확보하여 지침의 보완이 필요할 것으로 생각된다. 6. 중심어 나노작업장, 나노물질, 엔지니어링 제어시스템, 은나노 입자, 탄소나노튜브, SMPS, 입경별 제거효율, 비용분석 -연락처 : 산업안전보건연구원 연구위원 김종규
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