1. 서 론

현대인은 하루의 평균 90%의 시간을 실내에서 보내 고 있으며 실내공기질(indoor air quality : IAQ)이 인 간의 건강에 영향을 주고 있다(Lee et al., 2015;An et al., 2018). 실내공기질에 영향을 미치는 원인에는 외부 공기질 뿐만 아니라 건축자재 또는 가구류, 가전제품, 주방의 조리과정, 실내 활동 등 실내 내부 오염원이 있 다(Lee et al., 2014).

실내 바닥에 존재하는 먼지 중 외부에서 유입되는 토양먼지의 비율이 상당한 부분을 차지하며 인체 또는 환경에 유해한 물질이 실외에서 실내로 운반될 수 있 다(Hunt et al., 2006, Layton and Beamer, 2009, McNeill et al., 2011, Hunt and Johnson, 2012). 실내 먼지 중 실외에서 유입된 토양 먼지가 차지하는 비율은 대략 20-45%를 차지한다(Davies et al., 1985;Fergusson and Kim, 1991;Rutz et al., 1997;Trowbridge and Burmaster, 1997;Culbard et al., 1988). Johnson (2008)은 실내로 유입되는 토양먼지의 양은 환경 특성에 따라 다양하지만, 일반적으로 가정집에서 50-300 mg/day로 나타날 수 있다고 밝혔다. Hunt et al. (2006)은 신발에 오염된 먼지가 실내 바닥으로 유입되는 정도를 파악함 으로서 신발 먼지에 의한 실내 환경의 오염을 보고하 였다. MacNeill et al. (2011)은 공항 승객의 신발에 묻 은 토양먼지가 외래 미생물의 이동에 약 52-84%를 기 여한다고 밝혔다. 이러한 연구들을 통해 신발에 의한 먼지의 이동이 인체 또는 실내 환경에 유해한 영향을 끼칠 수 있음을 확인할 수 있다.

실내 바닥에 쌓인 미세먼지가 인간의 활동에 의해 부유하여 실내공기질에 영향을 준다는 것이 실험적 연 구를 통해 밝혀졌다(Rosati et al., 2008, Qian et al., 2014, Lai et al., 2017). Qian et al. (2014)은 보행에 의 한 실내먼지의 비산정도가 최대 약 10 mg/min이라고 밝혔고, 실내 미세먼지 발생원 중 보행비산이 실내공기 질에 미치는 영향이 상당함을 보고하였다. Lai et al.(2017)은 바닥재의 종류, 신발바닥의 재질, 신발바닥 의 모양, 보행습관 등이 비산먼지의 발생에 영향을 줄 수 있음을 밝혔다. 하지만, 외부 활동으로 오염된 신발 로 인한 먼지의 실내 유입과 이로 인한 실내공기질의 영향에 대한 연구 다소 미미한 실정이다.

본 연구는 신발바닥의 먼지가 실내공기 중 미세먼지 의 농도에 미치는 직접적인 영향을 파악하고자 하였다. 또한, 신발먼지 제거장치를 활용하여 오염된 먼지의 제 거가 실내공간에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.

2. 연구방법

2.1 신발먼지 비산 실험

신발먼지의 비산을 통한 실내공기 중 미세먼지 농도 의 변화를 파악하고자, 비산 높이별 농도 변화를 평가 하였다. 실험은 대학 캠퍼스 건물 내부의 일부 공간을 폐쇄하여 확보한 장소에서 수행하였다. 실험 장소는 바 닥과 벽면이 대리석으로 구성된 3 m × 4m× 2.5m (30.5 m³)의 독립된 실내 환경으로 외부 영향을 최소화 할 수 있도록 장치하였으며, 실험장소의 중앙지점에서 실험용 신발을 신은 발을 제자리 한발 보행하여 비산 먼지를 측정할 수 있도록 계획하였다. 실험용 신발(270 mm 크기)은 200±3 mg의 시험먼지가 신발바닥면에서 오염되도록 사전에 준비하였다. 신발바닥면을 오염시 키는 방법은 별도 준비된 실험실에서 일정 면적(0.3 m × 0.3m)을 가진 대리석 타일 윗면에 충분 량의 시험먼 지를 도포한 후, 계획된 양의 시험먼지가 실험용 신발 에 오염되도록 타일 위를 직접 보행하였다.

비산 실험의 비산 먼지 측정높이는 영·유아, 성인의 호흡기 위치를 고려하여 지면으로부터 0.2 m, 0.7 m, 1.5 m로 설정하였다. 신발에 오염시킨 먼지로는 광물 성 시험먼지(IEC 60312 5.1.2.1 Mineral Dust)를 사용 되었다. 시험먼지의 입경은 입도분석기(Paritcle Size Analyzer, Otuka Electrons, Japan)를 통해 건식으로 분 석하였으며 분석된 입경별 부피 분율을 질량 분율, 개 수 분율로 환산하여 Fig. 1에 나타내었다.

제자리 보행에 관한 실험 설정은 Lai et al. (2017)을 참고하여 구성하였다. 실험은 대기(5min), 보행(1min), 정체(9 min)로 구분하여 총 3단계로 진행되었으며, 1회 실험시간은 총 15 min이었다. 준비단계에 측정된 미세 먼지농도는 배경농도로 하고, 보행단계에서 측정된 농 도를 비산농도로 하였다. 또한, 정체단계에서는 비산한 먼지가 충분히 침강할 수 있도록 하였다. 제자리 보행 방식은 한 발을 높이 20 cm까지 올려 실내 바닥면에 가볍게 닿게 하였으며, 보행은 1분간 30보의 속도가 유지되도록 하였다. 실험은 총 7회 반복 하였으며, 실 험 진행 동안 실내온도 30±3°C와 실내습도 65±5%를 유지하였다.

미세먼지 농도 측정에는 입자계수장치(Grimm 1.108 aerosol spectrometer, Grimm, Germany)가 사용되었다. 장치의 출력값은 직경 1 μm 이하인 입자, 직경 1 μm 이상이고 2.5 μm 이하인 입자, 직경 2.5 μm 이상이고 10 μm 이하인 입자로 구분하여 기록하였다. 10 μm 이 상의 입자는 보행을 통해 비산되지 않는 것으로 확인 되어 결과에서 제외하였다.

2.2 신발먼지 제거 실험

신발먼지 제거 실험은 습식(수세척)과 건식(기계흡입) 방법으로 구분하여 수행하였다. 습식방법은 신발 바닥 의 먼지를 수세척으로 직접 제거한 후 실내 보행을 진 행하였고, 건식방법은 기계적 장치를 이용하여 신발 바 닥의 먼지를 흡입 제거한 후 실내 보행하도록 계획하 였다. 신발먼지 제거 실험은 실제 외부환경에 노출되어 먼지로 오염된 신발을 이용하였다.

습식 제거 실험은 대기(10 min)와 활동(15 min)단계 로 구분하여 대기단계에서 배경값을, 활동단계에서 실 험값을 얻었다. 신발은 외부환경(서울소재 대학교 교내 보도블록)에서 30 min 동안 보행된 후 실험에 사용하 였다. 실험은 30.5 m³의 독립된 실내공간에서 진행되었 으며, 모든 실험에서 동일한 조건을 반영하였다. 실험 은 신발먼지를 흐르는 수돗물로 수세척한 대조군 실험 (control)과 신발 바닥 먼지를 제거하지 않은 실험군 실 험(experiment)을 구분하여 진행하였다. 모든 실험은 총 4회 반복하였으며, 모든 실험은 10 hr 이상의 간격 을 두어서 실내바닥 청소 및 실내 환기가 가능하도록 하였다.

건식 제거 실험은 기계적 장치를 이용하여 보행자의 실내 유입 시 센서에 의한 자동 작동으로 신발 바닥 먼 지를 흡입하도록 장치하였다. 실험장치는 Fig. 2와 같 으며, 발판(stepping plate)과 사이클론 집진장치(cyclone separator), HEPA (high efficiency particulate air)필터, 흡입펌프로 구성하였다. 발판은 보행자가 위로 걸어갈 때 보행 충격에 따라 먼지를 흡입할 수 있도록 장치한 먼지흡입매트이며, 매트에 삽입된 용수철 핀이 보행 충 격에 수직 방향으로 작동하여 낙하먼지와 비산먼지를 흡입할 수 있도록 하였다. 먼지흡입매트의 기계적 구동 방식과 세부구성품의 성능에 관한 상세한 내용은 본 연구의 목적과 상이함으로 논문에 포함하지 않았다. 흡 입된 먼지는 사이클론 집진장치와 HEPA필터(H13등급) 를 통과한 후 최종 배출되도록 장치하였다. 선정된 펌 프(oilless air motor)의 최대 흡입유량은 3.0±0.3 m³/ min이었다.

실험장치의 성능은 포집성능실험과 실내공기질 영향 평가 실험으로 구분하여 평가하였다. 포집성능실험은 실험용 신발(see 2.1절)을 정량(1-10 g)의 시험먼지로 오염시킨 후 장치의 발판 위를 보행하여 시험먼지 흡 입률을 측정하였다. 장치의 시험먼지 흡입률은 최종 배 출구에 유리섬유여과지(934-AH Glass Microfiber Filter)를 장치하여 포집되지 않고 배출되는 입자와 보 행 후 신발에 남은 시험먼지를 측량하여 계산하였다. 또한, 사이클론과 HEPA 필터에 포집된 입자의 입경분 포를 분석하여 포집특성을 알아보았다.

실내공기질 영향평가 실험에서는 대학 건물의 1층 현관 출입문 바깥쪽에 기계장치를 설치하여 보행자의 신발먼지 포집량을 측정하였다. 포집된 먼지는 매일 칭 량하였고, 원자흡광광도계(Atomic absorption spectrometer, Thermofisher, US)를 이용하여 금속성분을 분석 하였다. 건물 현관으로 통하는 외부도로는 아스팔트 또 는 콘크리트로 포장된 상태(일부 구간은 보도블록)였 다. 실험은 하루 6 hr 연속으로 총 12일 동안 진행되었 으며, 실내 유입 보행자의 수는 162±42명/day이었다. 신발먼지 제거에 의한 실내영향을 평가하고자 포집된 먼지가 실내 내부로 비산되었을 경우를 가정하여 물질 수지(mass balance) 모델식을 사용하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 신발먼지 비산 실험

Fig. 3은 신발먼지의 비산 정도를 보여준다. 입경별 미세먼지 농도는 실험단계(background, resuspension, sink)와 높이(0.2 m, 0.7 m, 1.5 m)별로 구분하여 제시하 였다. 시험먼지로 오염된 신발을 실내 보행할 경우에 실내공기 중 2.5-10 μm 입자의 농도는 배경농도와 대 비하여 높이별로 각각 38배, 10배, 3배 이상 순간적으 로 증가하는 것과 sink단계에서 배경농도와 유사하거 나 다소 높은 농도까지 낮아짐을 관찰하였다. 특히, 1 μm 이하 입자의 경우 2배, 1.5배, 1.5배씩 각각 증가 하였다. 입자크기가 큰 미세먼지일수록 비산농도가 높 은 배수로 상승한 이유는 시험먼지의 입도분포에서 찾 을 수 있다. 2.5-10 μm 입자의 질량분율이 1 μm 이하 보다 월등히 높았다(see Fig. 1). 감쇄단계에서 먼지는 낮은 위치에서 또는 작은 입자일수록 느리게 침강하여 농도 감소의 폭이 낮았다. Stokes 법칙에 이용하여 해 석할 경우(가정: 1 g/cm³ 구형입자, 25°C, 1 atm), 직경 1 μm의 입자는 직경 10 μm 입자보다 약 100배 느린 침강속도를 보일 수 있다. 또한, 실제 환경에서 형성된 실내기류에 의해 일정 높이의 미세먼지가 침강하지 않 고 지속적으로 부유할 수 있다(Shi et al., 2014). 따라 서 신발 보행에 의해 재비산된 먼지가 실내공기 중 미 세먼지 농도를 상승시킬 가능성이 있으며, 일반 성인의 호흡기 위치(1.5 m)까지도 영향을 미칠 수 있음을 확인 할 수 있었다.

3.2 신발먼지 제거 실험

3.2.1 수세척 방법

Fig. 4는 외부환경에서 오염된 신발이 실내환경에 미 치는 영향을 보여준다. 대조군(control)은 오염신발의 바닥을 수세척한 경우이며, 실험군(experiment)은 신발 바닥먼지를 세척하지 않은 경우이다. 실내공기 중 PM10 농도의 상승률(%)은 배경(background) 농도와의 비로 표현하였다. 대조군은 104±4%의 농도 증가를 보 인 반면에 실험군은 118±9%를 보였다. 통계적 유의성 을 평가하기 위하여 독립표본 T-검정(Independent Sample T-test)을 실시한 결과, 대조군과 실험군의 결과 값은 유의한 차이(p<0.01)가 있는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 신발바닥에 부착 또는 흡착된 먼지를 제거함으로서 먼지의 실내 유입을 방지할 수 있고, 실 내공기 중 미세먼지 농도를 저감시킬 수 있음을 보여 준다. 다만, 신발먼지가 제거된 실험군에서도 PM10 농 도가 약 104배 증가하는 것은 실내바닥의 오염물질(먼 지 등)이 보행에 의해 재비산된 결과를 보이며, Serfozo (2014)는 실험을 통하여 실내환경(53.7 m³)의 바닥면 먼지(1 g/m²)가 보행에 의해 재비산하여 실내공기 중 미세먼지 농도가 평균 84% 증가하였다고 밝혔다.

3.2.2 기계흡입 방법

시험먼지를 인위적 주입하여 평가한 기계흡입 장치 의 먼지포집율은 98.7±1.2%이었다. 장치 구성품의 기 능을 기준으로 판단해 보면, 입자크기가 큰 먼지 (10 μm 이상)는 1차 필터 역할을 담당하는 사이클론 장치에서 99% 이상 제거되고, HEPA필터에서 0.3 μm 이상의 미세먼지가 99% 이상 제거된 것으로 보인다.

기계흡입장치를 실제 환경에 설치하여 총 12일 동안 실내환경영향 평가를 실시하였다. 실험기간 동안 외부 에서 실내로 유입한 보행자는 평균 27 person/hr이었고, 기계장치에 의한 먼지포집량은 5.2±1.2 mg/person이었 다. 실험조건은 완전 밀폐가 불가하고, 외부 및 내부 환경조건이 변화하는 특성을 고려하여 물질수지(mass balance)식에 의한 실내환경 영향평가를 계획하였다. 물질수지식은 미세먼지의 확산과 이동, 발생강도, 공기 환기량, 제거량 등의 요인을 포함하여 미세먼지의 실내 공간에서 농도 변화를 다음과 같이 표현하였다.

여기서, t = time (hr), V = indoor volume (m³), C_i = indoor concentration (μg/m³), Q = volumetric flow rate (m³/hr), C_o = outdoor concentration (μg/m³), P = penetration factor (dimensionless), E = mass emission rate (μg/hr)이다.

eq. 1의 양 변을 부피(V)로 나눠주고 air exchange rate (I, hr⁻¹)로 표현하면,

정상상태(dC_i/d_t = 0)를 가정하고 C_i에 대하여 정리 하면 eq. 3과 같다.

미세먼지 발생량(E)는 Fig. 3의 결과를 통해 계산하 여 산정하였고, 건물 현관의 부피는 41 m³이었다. 실외 미세먼지 농도(C_o)는 실험기간 동안 일평균 PM2.5 농 도 38 μg/m³, PM10 농도 63 μg/m³로 설정하였고, Penetration factor (P)와 Air exchange rate (I)은 Lee et al. (2000)의 연구를 참고하여 각각 0.6과 1.1을 사용하 였다.

실내공기 중 미세먼지의 물질수지식(eq.3)를 이용하 여 신발먼지를 제거한 경우와 제거하지 않은 경우로 구분하여 미세먼지를 농도를 추정하고, 그 차이를 신발 먼지 제거에 의한 미세먼지 농도의 감소율로 보았다. 기계흡입장치를 이용하여 일일 6 hr 동안 실내유입 신 발먼지를 제거할 경우에 실내공기 중 PM2.5의 농도는 약 7%, PM10의 농도는 약 17% 개선되는 것으로 분석 되었다(Fig. 5).

흡입장치에 포집된 먼지의 중금속을 분석한 결과에 서는 포집먼지 1 g 당 Zn 1,574 μg, Fe 16,301 μg, Mn 450 μg, Pb 378 μg이 검출되었다. 실외 환경에서 보행 할 경우에 흙먼지로부터 Mn과 Fe, 자동차의 브레이크 라이닝 또는 타이어의 마모에 의한 Zn 등에 노출될 수 있으며, 유사한 결과를 Lim (2012)의 연구에서 찾아볼 수 있다. 도심 주택의 집먼지 중 외부유입먼지는 내부 발생 먼지보다 높은 중금속 함량을 보인다(Lim, 2012).

본 실험은 보행자의 실내유입률이 평균 27명/시간이 며, 보행자의 실내유입이 보다 빈번한 환경에서는 신발 먼지에 의한 실내공기질의 저하가 우려된다고 볼 수 있다. 또한, 본 실험의 조건은 건물주변이 콘크리트와 아스팔트로 포장된 상태이며, 외부환경에 더 노출된 환 경에서는 신발 바닥의 오염도가 상승할 것으로 예상할 수 있다. 실제 환경에서는 실내공간의 특성과 신발 오 염도, 또는 오염물질의 특성에 따라 실내공기질에 미치 는 영향이 상이할 수 있다고 본다. 다만, 본 연구에서 는 신발 오염이 실내공기질에 영향을 미칠 수 있음을 보여주고 있으며, 실내공기질 향상을 위한 적극적 관리 가 요구됨을 시사한다.

4. 결 론

본 연구는 신발에 묻은 먼지가 실내 환경에서 보행 과정을 통하여 실내공기질에 어떠한 영향을 주는지 알 아보고, 신발 먼지를 제거함으로서 실내공기의 개선 정 도를 파악하였다. 본 연구를 통해 도출된 세부 결론은 다음과 같다.