나노물질을 사용하는 작업자 안전 수칙

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배경

산업이 발달함에 따라 나노 물질이 섬유, 화장품 반도체, 약물전달체 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다[1]. 이에 따라 나노 물질을 사용하는 작업 환경에서 종사하는 근로자의 수도 증가하고 있으며, 나노 물질의 독성 문제가 사회적으로 대두되고 있다. 일반적으로 나노 물질은 지름이 1~100 나노미터인 물질을 의미하고, EU에서는 “불용성 또는 생체 내에서 지속적이고, 의도적으로 제조된 것으로서, 하나 이상의 외부 치수 또는 내부구조가 1~100 나노미터의 규모인 물질”을 나노물질로 표시 가능하다고 정의하고 있다. 인체에 독성이 없는 물질이더라도, 나노미터 수준으로 작아지게 되면 거시세계에서 볼 수 없는 특이한 물리 화학적 성질을 나타나고, 작은 크기로 인해 세포나 조직으로 침투할 수 있기에 강한 독성을 나타낼 수 있다는 연구 결과가 발표되고 있다[1][2].


나노 물질 제조 및 사용 현황

나노 세계의 장을 처음으로 연 계기가 되었던 1959년의 리차드 파인만의 강연 이후, 나노기술의 현재 위상은 21세기 현대기술 중 최고봉을 차지하면서도 모든 기술의 근간을 이루게 되었다고 할 수 있다. 보다 작고 보다 효율이 좋은 미시의 나노세계로 접근하지 않는 기술은 살아남지 못하게 되고 있다. 나노라는 화두를 중심으로 화학, 물리, 생물, 공학 등 기존의 학문 분야의 계승뿐만 아니라 다학제간의 연구를 통한 기술의 진화를 이루고 있다. 이러한 나노기술의 발전을 확인할 수 있는 방법은 생활 속에 얼마나 많은 나노기술이 침투하였는지를 확인해 보면 쉽게 알 수 있다[3]. 나노입자를 제조하는 방법은 기계적 제조방법, 화학적 합성밥법, 전기적 제조 방법이 있고, 이 중 기계적인 힘을 활용하여 분해하는 기계적 제조방법은 공정상 불순물의 혼입으로 고순도의 입자를 합성하기 어렵고, 나노 사이즈의 균일한 입자의 형성이 불가능하다고 보고되었다[4]. 화학적 합성방법은 기상법과 액상법으로 나뉘고, 기상법의 경우 플라즈마나 기체 증발법을 활용할 때 고가의 장비가 요구되어, 저비용으로 균일한 입자 형성이 가능한 액상법이 주로 사용되는 것으로 알려져 있다[5]. 대표적 나노물질 중 하나인 은 나노입자의 경우 액상법을 이용해 제조되고, 입자의 응집을 막고자 폴리비닐피를리돈(PVP) 등의 분산제를 사용한다.


그림 1. 분산안정제(PVP) 첨가 전후의 은나노입자의 입도 및 모양의 변화, 위, 입도분석기 분석; 아래 투과전자현미경(TEM) 분석.png

그림 1. 분산안정제(PVP) 첨가 전후의 은나노입자의 입도 및 모양의 변화, 위, 입도분석기 분석; 아래 투과전자현미경(TEM) 분석 (출처: 김상민 등, 2009)[6]

2007년 국내에서 제조 및 사용한 나노 물질을 사용한 사업장 현황을 조사한 보고서에 따르면, 세계적으로 개발되어 사용되는 나노물질은 탄소나노튜브, 플러렌, 덴드리머, 카본블랙 같이 탄소로 구성되어 있거나, TiO₂, ZnO, SiO₂, ZrO₂, Fe₂O₃과 같은 무기산화물 또는 양자점물질인 2-6족(CdS, ZnS 등), 3-5족(GaAs, GaP 등), 4족(Si, Ge 등) 등과 금속 또는 복합체 인자인 은, 금, 백금, 팔라듐, 유·무기 나노 복합체, 코어-쉘 구조 나노복합체 등이 있다[7]. 이 보고서에 따르면 2007년 국내에서 나노 물질을 제조하고 있는 기업은 총 21개 사업장이며, 나노 물질 중 실리카(SiO₂)(6개 사업장), 탄소나노튜브(5개 사업장), 은 (Ag)(5개 사업장) 등이 많은 사업장에서 제조되었다.

표 . 2007년 국내 나노 물질 제조량 (단위 : kg/ 년)

순위 나노물질 제조
제조량 업체수
1 이산화티타늄(TiO₂) 50,000,300 3
2 실리카(SiO₂) 8,267,485 6
3 나노점토 67,000 1
4 산화이티륨(Y₂O₃) 12,200 1
5 산화비스무트(Bi₂O₃) 5,400 1
6 알루미나(Al₂O₃) 3,050 2
7 탄소나노튜브(CNT) 2,560 5
8 칼슘(Ca) 2,000 1
9 이산화세륨(CeO₂) 1,560 1
10 ITO 입자 1,200 1
11 1,111 5
12 La₂O₃ 1,100 1
13 산화주석(SnO₂) 220 1
14 산화아연(ZnO) 100 1
15 탄소 15.1 2
16 백금 10 1
17 구리 1 1
18 산화철(Fe₂O₃) 0.9 2
19 0.5 1
20 기타 157 3
합계 58,365,470.5 40

(중복제거 21)

(출처: 김은주,2010)[7]

이 중 나노 물질을 50톤 이상 다량 제조하는 5개 사업장의 제조량이 전체 제조량의 99.98%를 차지하는 것을 알 수 있다. 다량 제조하는 나노 물질 중 이산화티타늄은 자체 사업장에서 사용되며, 실리카는 주로 건축용 실란트, 실리콘, 단열제 등으로 사용된다. 그리고 나노 점토의 경우 코팅제, 난연제, 향균제 등으로 사용되고 있다.

나노 물질은 주로 화장품원료, 도료 및 안료, 코팅제, 전기전자제품원료, 금속제품 원료 등의 분야에 많이 사용되고 있고, 이 중 도료 및 안료용 및 화장품원료로 사용하는 나노 물질의 양이 가장 많았다. 또한 나노 물질을 화장품 원료로 사용하는 작업장 수가 7개 사업장으로 가장 많았고, 화장품 원료용 나노 물질로는 산화아연이 가장 많이 사용되고 있다. 다음으로 나노 물질을 코팅제로 사용하는 작업장이 4개, 도료 및 안료용으로 나노 물질을 사용하는 사업장이 3개 순으로 보고되었다.

표 . 2007년 국내 나노 물질 활용 제품 취급장 현황 (단위 : kg/ 년)

제품명 사용
사용량 업체수
도료 및 안료 50,000,120 3
건축자제 200 1
코팅제 20,997 4
화장품 162,319 7
금속제품 10 1
식품/식품첨가제 39,675 1
전기전자제품 17,630 4
세정제 1,620 1
의약품 2,042 3
필터 162 2
시험연구용 13 1
태양전지 5 2
합계 50,244,792 30

(출처: 김은주,2010)[7]

나노 물질 독성 평가 동향

나노 물질의 독성 평가는 국제기관 및 선진국에서 다양한 방법을 통해 진행되었다. 경제협력개발기구(Organisation for Economic Co-operation and Development)에서는 2006년 제조나노물질작업반(Working Party Manufactured Nanomaterial, WPMN)을 설립하여 인체건강 및 환경안전을 위해 8개의 과제를 다루고 있고, 이를 통해 제조나노물질의 독성 평가의 기준을 잡고 있다.[8]


표. WPMN의 인체건강 및 환경안전을 위해 8개의 과제

번호 항목
1 인체건강 및 환경안전 연구의 DB 구축
2 제조나노물질에 대한 안전성 시험
3 제조나노물질과 시험지침
4 자발적인 계획 및 규제 프로그램에 대한 협력
5 위해성평가에 대한 협력
6 나노독성에 대한 대체 시험방법의 역할
7 노출측정 및 노출완화에 대한 협력
8 환경적으로 나노기술의 지속가능한 이용

(출처: 안윤주 외, 2010)[8]

나노물질의 독성 평가는 최근 활발히 수행되고 있지만, 물질의 특성 상 응집, 침전 등이 나타나 독성평가 시 용량·반응 평가가 뚜렷하게 관찰되지 않는 경우도 나타나고, 일부 나노물질에 대해서만 연구가 집중되고 있는 실정이다. 이런 한계에도 불구하고 다양한 독성평가를 통해 나노물질의 독성이 알려져 있다. 나노물질의 독성을 알아보기 위하여 다양한 생태 독성 실험이 이루어졌다. 육상식물에 대한 나노독성평가는 Yang과 Watt(2005)는 Al₂O₃의 표면처리에 따른 독성을 5가지 식물을 이용하여 뿌리 생장 실험을 진행하였고, Lin과 Xing(2007)은 5가지 나노물질(MWNT, Al₂O₃, Al, Zn, ZnO)을 이용하여 식물의 발아 및 뿌리생장에 미치는 영향을 평가하여 나노물질 Zn과 ZnO가 식물 성장에 유의한 영향을 끼친다고 발표하였다 [9] [10]. 지렁이를 이용한 독성 평가 실험에서는 Scott-Fordsmand 등(2008)이 은 나노입자를 먹이에 혼합하여 지렁이에게 공급하였을 때, 지렁이의 번식률이 감소하는 것을 보고하였다11. 미생물을 이용한 나노물질 독성 평가로는 주로 나노물질이 분산된 배지에 미생물을 분주하여 흡광도를 측정하여, 미생물을 생장 정도를 파악하는 방법으로 진행되었고, 은 나노물질을 비롯한 다양한 나노물질의 독성이 평가되었다[11][12]. 생태 독성 실험 이외에도 몇몇 연구들을 통하여 인체에 흡수된 나노물질이 뇌, 간, 신장, 면역계, 혈관계로 침투되어 각 장기에 영향을 끼칠 수 있는 것이 밝혀졌다[13][14]. Donaldson 등 (2002)은 산화 티타늄이나 탄소나노튜브 같은 나노물질을 쥐의 폐에 낮은 농도로 주입하였을 때 강한 염증 반응이 나타나는 것을 통해 나노물질이 호흡기에 심각한 염증을 유발한다고 보고하였으며, 이는 나노물질이 기관지 세포액 내에서 염증 매개인자를 증가시킴으로서 발현되는 것으로 알려졌다[15][16]. 또한 Li 등(2007)은 탄소나노튜브가 기관지 세포의 미토콘드리아 DNA를 손상시켜 나노 물질이 유전 독성을 유발한다고 보고하였으며, 이러한 현상은 나노 물질이 폐에서 유발하는 염증과 연관되어 있는 것으로 예측된다 [17]. In vitro 실험에서도 나노 물질을 처리하였을 때 유전독성이 나타나는 결과가 관찰되었다[18]. 한편 나노물질은 발암성과도 연관되어 있다고 보고되었다. 나노물질의 발암성은 염증 유발 및 활성 산소 증가로 인한 산화적 스트레스와 연관되어 있다고 보고되었다[19]. 마지막으로 나노물질이 순환계에 영향을 끼치는 것이 알려져 있다. 나노물질 중 이산화 티타늄의 경우 노출량에 비례하여 혈관 내 혈전 생성량이 증가하였고, 탄소나노튜브 또한 혈관 내 혈전 생성의 증가를 유발하는 것을 관찰하였다[20] [21]. 이를 통해 체내에 흡수된 나노물질이 순환계에 이를 수 있으며, 혈액 순환을 방해할 수 있음을 보여준다. 이와 같이 나노물질의 독성은 입자의 크기, 구조와 화학적 조성에 따라 생물체 내에서 퍼져나가는 양상이 달라지며, 그에 따라 각 조직에 끼치는 영향이 달라진다. 이러한 특징 때문에 나노물질을 사용하는 작업장에서 사용하는 물질에 따라 사용자가 유의해야 될 사항이 달라질 수 있다.

나노물질 사용자 안전 수칙

우리나라에서는 산업통상자원부 산하 국가기술표준원에서 2009년 개정된 나노물질을 취급하는 작업장/연구실의 작업안전지침(KS A 6202,2009)를 작성하여 나노물질을 취급하는 작업장에서의 안전 수칙을 정해두었다 [22]. 작업안전지침에 따르면 우선 나노물질의 노출 방지를 위해 예방적 대응을 우선해야한다. 나노물질 노출 가능성이 높은 여섯 가지 작업

1. 적절한 개인보호구 없이(보호장갑 등) 액체 매질의 나노물질을 사용하는 작업은 피부노출 위험을 증가시킨다.

2. 나노물질을 혼합하거나, 액체매질의 나노물질을 취급하는 작업 또는 심한 교반이 수반되는 경우에는 흡입성 에어로졸이나 호흡성 에어로졸을 형성할 가능성이 증가된다.

3. 밀폐식이 아닌 작업에서 기체 상태로 발생하는 나노입자는 작업장으로 에어로졸을 배출시킬 가능성을 증가시킨다.

4. 나노구조 분말의 취급 작업은 공기 중으로 에어로졸을 배출시킬 가능성을 증가시킨다.

5.나노물질을 생산 또는 가공하는 장비나 설비의 유지ㆍ보수 등의 작업은 나노입자 노출 가능성을 증가시킨다.

6. 나노입자의 포집에 사용되는 집진 시스템의 청소 작업은 피부와 호흡기를 통한 노출 가능성을 높인다. )을 규정하여 이러한 작업 시 주의하는 것을 권고하고 있다.

이러한 노출 가능성이 높은 작업을 줄이는 방법으로는 나노물질 사용 공정 대체, 나노물질로부터의 격리, 환기장치 설치, 행정적 관리 대책, 개인 보호구 사용 등이 있지만, 이 중 나노물질 사용자의 입장에서 노출을 줄일 수 있는 방법은 적절한 개인 보호구(Personal protective equipment)를 착용하는 것으로 나머지 대책들은 고용주가 책임을 지어야할 부분이다. 적절한 보호구에는 공인인증기관으로부터 합격한 입자 포집 효율이 99.9% 이상의 방진마스크, 보호장갑, 보호안경, 나노물질 취급 전용 보호의 등을 착용하여야 한다. 또한 나노물질을 취급하는 작업장에서 사용자는 나노물질을 사용 전·후 관련 장비나 기구를 항상 정리·정돈해야 되며, 바닥이나 벽에 달라붙은 나노물질들을 제거하기 위해 나노입자의 축적, 공기 중 재비산되는 위험성, 폭발 등을 고려하여 주기적으로 규칙적인 청소를 해야한다. 청소하는 방법으로는 젖은 걸레로 닦는 습식 청소 방법과 고성능 필터 진공청소기 또는 마른걸레를 사용하는 건식 청소 방법이 있다. 나노 작업장을 청소하기에는 두 가지 방법을 병용한 방법이 적합하다. 고성능 필터 진공청소기를 이용하는 경우에는 제조사의 권고에 따라 고성능 필터를 장착해야만 하고, 정상적으로 작동되는지 확인 후 사용해야만 하고, 제조사의 권고대로 포집망과 필터를 교체해야만 한다. 또한 이 방법은 습식 방법에 비해 효과적이지만, 나노물질과의 정전기 때문에 나노입자를 제거하기 어려운 경우도 있으므로 정전기를 중화시키는 진공청소기를 사용해야만 한다. 그리고 진공청소기의 전기모터는 인화성 나노물질을 발화시킬 가능성이 있기 때문에 전선으로부터의 스파크에 의한 인화 위험성도 고려해야 한다. 다량의 나노물질을 청소하는 경우에는 진공청소기보다는 진공 호스를 사용하는 것이 더 좋다. 마른걸레를 사용하는 건식청소는 액체 상태를 청소할 때만 사용한다. 청소 시 나오는 폐기물에는 접촉하지 않도록 하고 폐기물의 처리는 관련 기준을 따르고 나노물질로 오염된 걸레는 폐기해야 한다. 또한 나노물질을 취급하는 장소에서 음식과 음료의 저장 및 섭취, 흡연 등은 금지되어야 하며, 작업 후에는 세면기와 샤워설비로 노출된 피부의 세척을 해 주어야 한다. 주기적으로 교육훈련을 받아 건강과 안전을 확보하는 것이 중요하다.



References

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