서 론

연구의 목적

감염원의 전파방식은 접촉감염, 비말감염, 공기감염로 구분한다. 결핵, 수두, 인플루엔자 등과 같은 다양한 질병이 공기전파를 통하여 확산되며, 최근의 COVID-19의 경우 접촉감염, 비말감염, 공기전파감염 모두가 가능한 형태라고 볼 수 있다. 미국질병통제예방센터(Centers for Disease Control and Prevention, 이하 CDC)에서는 백신접종, 거리두기, 마스크 착용, 청소, 환기, 손씻기 등을 COVID-19의 확산 방지를 위한 예방행동수칙으로 제시하고 있다(CDC, 2021). 본 연구에서 다루고자 하는 공기전파 감염원 확산 방지를 위해서는 환기, 마스크 착용, 거리두기 등과 같은 방법이 적용될 수 있다.

CDC에서는 초등학교의 경우, 학생들의 신체적인 면역력, 환경적 특징 등에 의해 일반 커뮤니티에 비해 COVID-19의 감염확률이 다소 낮다고 언급하고 있다(CDC, 2021). 그럼에도, 본격적인 거리두기 완화조치가 시행되고, 정상으로의 복귀(Back to normal)를 본격적으로 수행하려는 시점에서, 초등학교와 같은 학교 시설은 장시간 밀집된 상태로 재실하는 공간으로, 감염원의 확산이 이루어지는 시발점으로 작용할 가능성이 있다. 이에 따라, 초등학교와 같은 학교 시설에서의 감염확산 관리 방식에 유의할 필요가 있다고 판단된다. 접촉감염은 손씻기 등과 같은 방식으로, 비말감염은 거리두기와 마스크 착용 등과 같은 방식으로 대응할 수 있으나, 공기를 매개로한 전파의 경우 마스크 착용과 환기이외의 다른 대안이 특별히 없는 상황이다. 또한, 제한된 자원만이 확보된 조건에서 감염방지를 위하여 어떤 항목에 조금 더 중점을 두어야 할지 모호한 상황이다. 이에 따라, 본 연구에서는 공기전파감염 확률을 평가하는 Wells-Riley Equation에 공기전파감염관리에 고려되는 인자들을 반영하고, 이를 이용해, 공기전파감염관리를 위한 방법들의 적용 우선순위를 분석하였다. 이를 통해 초등학교 내 공기전파 감염관리에 있어 보다 효율성을 높일 수 있는 기초적인 근거자료를 제시하고자 하였다.

연구의 목표 및 범위

본 연구는 공기전파감염 확산방지에 효과가 있는 것으로 알려진, 다양한 방법들의 적용우선순위를 분석하는 것을 목표로 한다. 이를 통해, 공기전파 감염관리에 있어 활용가능한 지침 구축의 기초적 정보를 제공하고자 한다. 검토하고자 하는 공기전파 감염방지 방법은 발열확인을 통한 감염자 스크리닝(무증상감염자, 일반증상 감염자로 구분), 마스크 착용, 환기, 공기청정기이다. 전체 연구는 Wells-Riley Equation를 변형하는 이론적 고찰과, 이를 이용한 시나리오 분석과정으로 구성된다. 세부적인 과정은 아래와 같다.

① 공기전파감염방지 방식 분석을 위한 Wells-Riley Equation 변형

② 공기전파감염관리 우선순위 분석을 위한 시나리오 수립

③ 산출결과 기반 공기전파감염관리 항목 우선순위 분석

이론적 배경

기존 Wells-Riley Equation 형태

Wells–Riley equation은 공기전파감염확률을 분석할 수 있는 이론적 수식으로 식 (1)과 같이 표현된다(Wells, 1955; Rudnick and Milton, 2003; Zhu et al., 2012; Issarow et al., 2015).

P_I : Airborne infection probability of a susceptible person (%)

S : Number of susceptible person

C : Number of infection cases

I : Number of infectors

p : Breathing rate of a susceptible person (m³/hr)

q : Quantum generation rate by an infector (quanta/hr)

Q : ventilation rate (m³/hr)

t: exposure period (hr)

이 식은 실내의 완전확산농도를 가정하며, 지수부분이 실내 감염원의 완전확산농도를 계산하는 Iq/Q 부분과 비감염자가 흡입하는 공기량을 표현하는 pt 부분으로 구성된다.

또한, 다른 연구에서 감염원의 감쇠와 제거를 반영한 식을 (2)~(3)과 같이 제시하고 있다(Fennelly and Nardell, 1998, Nazaroff et al., 1998; Fisk et al., 2005; The Built Environment Research Group, 2013). 이 식은 필터에 의한 감염원제거(κf), 실내에서의 침착에 의한 감염원 감소(κd)의 영향을 반영할 수 있도록 하고 있다.

V: indoor air volume (m³)

λv: clean air ventilation rate (Q/V, 1/hr)

κf: infectious particle removal rate due to filtration (1/hr)

κd: infectious particle deposition rate (1/hr)

fHVAC: functional HVAC operation time (hr)

Qf: airflow rate through filter (m³/hr)

ηf: particle removal efficiency of filter (%)

λr: recirculation rate through the HVAC filter (1/hr)

연구의 방법

변형된 Wells-Riley Equation 형태

앞서 언급한 식 (1), (2), (3)은 감염원이 전파되는 경로를 단순하게 모사하고 있다는 한계가 있으며, 공기전파감염원의 확산방지에 효과가 높다고 평가되고 있는 마스크 착용(Ueki et al., 2020)에 의한 효과를 반영할 수 없다는 한계가 있다. 기존 연구 문헌에서는 들숨과 날숨에 필터 효율을 적용한 식이 존재하며(Dai and Zhao, 2020), 본 연구에서는 이를 고려하여, 식 (2)를 변형하고, 감염자와 비감염자가 쓴 마스크의 효율과, 실내 공기청정기의 효율을 반영하여 공기전파감염확률을 평가할 수 있도록 식 (4)를 정리하였다. 이 식에서는 식 (2)에 나타난 감염원의 자연감쇠는 무시하였다. 이 식은 실내 감염원의 완전확산농도를 산정하는 부분 중 감염원 배출량 부분에 마스크 효율을 고려하여 배출량을 감소시키는 (1-m1) 항을 추가하였으며, 비감염자가 흡입하는 감염원 양을 계산하는 부분에도 (1-m2)을 추가하여, 비감염자의 감염원 흡입량을 감소시킬 수 있도록 하였다.

m₁: infectious particle removal efficiency by facial mask (infector) (%)

m₂: infectious particle removal efficiency by facial mask (susceptible person) (%)

공기전파감염원 확산 시나리오

초등학교 내에서 공기전파 감염원이 확산되는 시나리오를 아래 Table 1과 같이 설정하였다. 그리고, 이러한 시나리오별 공기전파감염확률을 분석하여, 공기전파감염원 확산 제어 방안별 효과와 적용 우선순위를 검토하였다. Table 2에서는 시나리오별 감염확률 계산에 사용된 입력값을 제시하고 있다. Table 2에 나타난 공기전파감염원 발생량인 Quanta는 감염발생 사건의 정보를 바탕으로 Wells-Riley equation으로 역산하여 계산한 값이다. 이는 감염원의 특징과 감염력을 함축한 수치로 표현이 된다. Influenza가 대상 감염원으로 설정되었는데, Influenza의 발생 quanta 범위가 리노바이러스(1~10/hour), 결핵균(1~50/hour), SARS (10~300/hour) 의 범위를 포함하기 때문이다(The Built Environment Research Group, 2013). Table 1에서 제시된 시나리오에서는 상대적인 우선순위를 간략하게 평가하기 위하여, 감염자는 1명으로 제한하여 실내 감염자의 증가는 없는 것으로 하였다. 또한, 무증상감염자(quanta generation: 5)와 일반적인 조건의 유증상감염자(quanta generation: 100) 조건을 기준으로 분석하였다. 무증상 감염자의 바이러스 배출량은 비교적 안정된 신체활동 상태에서 날숨 속의 바이러스 량을 실측한 Fabian et al. (2008)의 연구결과를 참조하였다. 따라서, 교실 내 활동량 증가에 의한 배출량 증가는 고려하지 않았다. 일반적인 조건 유증상감염자의 바이러스 배출량은 실제 감염사례를 바탕으로 Wells-Riley 식을 이용하여 역산한 값이며, 일반적인 감염원 배출량 수준으로 고려하는 범위의 값이다(Beggs et al., 2010; The Built Environment Research Group, 2013).

공기전파감염원 노출시간은 정규 수업시간 6시간에 방과 후 교과 2시간을 고려하여 총 8시간으로 가정하였다. 교실의 기본적인 침기량은 1 ACH 조건으로 설정하였으며, 실내 환기량은 법적 기준조건을 고려하였다. 단, 환기 실시 조건에서는 실내를 가압하여, 침기가 일어나지 않는 것으로 가정하였다. 공기청정기의 용량은 기존 연구를 참조하여, 기존 용량(3~4.5 CMM)의 약 2배에 해당하는 용량(7 CMM)으로 설정하였다(Park et al., 2021). 공기청정기의 공기전파 감염원 제거 효율과 관련된 자료는 찾기 어려웠으나, Zhao et al. (2021)의 연구를 참고로 하여 임시적으로 60%로 가정하였다. 이는 바이러스의 크기가 일반적으로 20 nm~ 300 nm로(Hinds, 1999), 일반적인 HEPA 필터가 제거할 수 있는 입자크기 (H13 필터 0.3 ㎛ 기준 99.95% 이상 포집) 보다 더 작으며, 크기가 상대적으로 큰 에어로졸 또는 비말에 바이러스가 포함되어 공기청정기 필터에 흡착되더라도, 시스템 내 건조로 인해 비말핵이 재비산 할 수 있다는 보수적인 조건을 가정한 것이다. 공기청정기의 필터는 호기에 의해 습도가 높게 형성되는 개인 마스크 내의 환경과는 차이가 있다고 판단된다. 시나리오 15~18는 본 연구에서 대상으로 하는 모든 감염방지방안을 적용한 예이며, 시나리오 19~22는 공기청정기 설치 없이 기존 초등학교에 확보된 자원만을 활용한 방안이다.

결 과

시나리오별 공기전파 감염확률 분석

Figure 1은 산출된 감염확률을 도시하고 있다. 파란색 막대는 증상이 없는 무증상감염자에 대한 산출결과이며, 오렌지색 막대는 일반적인 유증상자의 산출결과이다. 전반적으로 일반적 유증상자의 감염원 배출량(quanta generation)이 무증상 감염자에 비해 20배 정도 높기 때문에 공기전파감염 확률 증가에 감염자 증상발현 유무가 가장 큰 영향을 미쳤다고 판단된다.

Figure 1.

Evaluated infection risk

시나리오 1~14 까지의 결과는 공기전파감염 방지 방안을 단독적으로 적용했을 때의 공기전파감염확률을 산출한 것이다. 시나리오 1~2는 아무런 감염관리 방안을 적용하지 않았을 조건에 해당한다. 시나리오 1의 경우 무증상 감염자가 있는 조건에서 약 1 ACH의 침기량이 있는 경우 8시간 노출 시 감염확률은 13.9%인 것으로 나타났다. 반면, 일반적인 유증상자가 있는 경우 감염확률은 95%로 높아졌다.

시나리오 3~4는 재실인원 25명에 적합한 법정 환기량을 공급한 조건이다. 이 경우 무증상 감염자 재실시 4.5%, 유증상 감염자 재실시 60%로 공기전파 감염확률이 크게 낮아지는 것을 확인하였다.

시나리오 5~6은 60%의 감염원 제거 효율을 가지는 7 CMM의 용량의 공기청정기만을 적용했을 때의 효과이다. 이 역시 무증상 감염자의 경우 6%, 유증상 감염자의 경우 70%로 감염확률이 감소됨을 확인할 수 있다. 단, 이 때 공기청정기는 실내공기의 재순환을 전제로 한 것으로 한 것이다. 따라서, 바이러스제거 성능 측면에서 충분히 검증되지 않은 공기청정기의 경우 신선외기를 도입하는 환기장치에 비해 실내에서 감염원의 확산으로 인한 현실적인 적용의 위험성이 존재하나, 시나리오 상의 성능을 발현할 수 있는 공기청정기가 도입될 경우 교실에 적용 중인 환기장치에는 미치지 못하나 일정 부분 그 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 시나리오 7~10의 경우 면마스크를 착용하였을 때의 감염확률을 분석한 것이다. 이 경우, 무증상 감염자의 경우 8시간 노출에 따른 감염확률이 5~9%로 그리 높지 않았다. 그러나, 유증상 감염자의 경우 감염자와 비감염자 중 한 쪽 유형만이 면마스크를 착용한 경우 84%의 감염확률을, 두 유형 모두 모두 면마스크를 착용한 경우 66%의 높은 감염확률을 보였다. 이는 유증상 환자는 면마스크 만으로는 자신으로부터 배출되는 감염원을 충분히 줄일 수 없고, 동시에 비감염자 역시, 실내에 유증상환자가 있는 경우, 면마스크 만으로 스스로를 보호하기 어렵다는 것을 의미한다.

시나리오 11~14의 경우 KF94의 효율을 가진 경우의 감염확률 산출결과이다. 실내에 유증상자가 있을 때, KF94 성능의 마스크를 1명이라도 착용한 경우(시나리오 12, 53%) 감염자와 비감염자 모두 면마스크를 착용한 경우(시나리오 10, 66%)보다 감염확률이 낮아짐을 확인할 수 있었다. 유증상감염자와 비감염자 모두 KF94를 착용한 경우 감염확률은 17%로 낮아졌다. 그러나, 감염자와 비감염자 중 1명만이 KF94를 착용한 경우에도 환기나 공기청정기와 같은 환경적인 제어가 이루어지지 않는 조건의 공간에 유증상자와 함께 오래 재실하는 것은(산출조건: 8시간 재실) 감염확률을 크게 높일 수 있기 때문에 피하는 것이 바람직하다.

시나리오 15~18은 마스크 착용, 환기, 공기청정기(감염원 60% 제거조건)를 모두 적용한 조건에서의 감염확률을 분석한 것이다. 실내 유증상자가 있는 조건에서, 면마스크를 감염자, 비감염자 모두 착용한 조건은 감염확률이 20.3%이다. 동일 환경 조건에서 KF94를 감염자, 비감염자 모두 착용한 경우 감염확률은 3.8%로 나타났다.

시나리오 19~22는 감염원 제거효율 60% 수준의 공기청정기를 제외하고, 현재 초등학교 건축물에 적용된 환기장치와 마스크 착용만을 적용하였을 때의 감염확률 산출결과이다. 그 결과, 유증상자 재실 조건에서 감염자, 비감염자 모두 면마스크를 착용하였을 때 감염확률은 28.3%, KF94를 착용하였을 때 5.6%의 감염확률을 보인다.

논 의

본 연구에서는 공기전파 감염확률 저감 방법에 따른 감염확률 저감효과를 분석하였다. 그 결과, 공기전파 감염확률에 가장 큰 영향을 주는 것은 유증상자의 실내유입 여부이다. 즉, 초등학교에서 발열체크 및 증상발현 여부를 확인하는 스크리닝 과정이 가장 중요한 관리 항목으로 판단된다.

또한, 이외, 개별적인 감염방지 기법의 감염확률 저감효과는 KF94 마스크 착용, 환기 실시, 감염자와 비감염자 모두 면마스크 착용, 공기청정기 적용, 면마스크 감염자/비감염자 중 1인 착용 순으로 나타났다. 초등학교의 경우 학생과 교직원의 마스크 착용을 면밀히 관리하고 있다고 가정하여 교실 내 감염자, 비감염자 모두 마스크를 착용한다면, 공기전파감염 방지 측면에서 KF94 마스크 착용, 환기 실시, 면마스크 착용, 공기청정기 적용 순으로 적용 효과가 높다고 판단된다. 단, 공기청정기의 경우 가정된 흡입 용량과 성능을 공기전파감염확률 산출 기준으로 활용한 것이라는 한계가 있다. 일반적으로 바이러스의 크기는 HEPA 필터의 집진성능 이하의 크기이며, 비록 공기청정기 필터에 바이러스를 포함한 비말입자가 흡착된다고 하더라도, 이 비말이 필터에서 건조될 경우 바이러스가 실내로 재유입 될 가능성을 배제하기 힘들다고 판단된다. 즉, 공기청정기는 부득이한 경우, 고려할 수 있는 대안으로 활용될 수 있지만, 공기전파감염 방지를 위한 우선방안으로 고려하기에는 어려움이 따른다고 판단된다. 이러한 연구 결과는 일반적인 실내공기질 관리 방법인 오염원 제거, 환기량 증가, 공기청정기 적용에 부합한다. 즉, 가장 최우선으로 공기전파감염 발생원을 제거하고(감염자 스크리닝을 통한 격리 조치, 마스크 착용), 환기량을 증가시키며(기계환기, 자연환기), 이 두 가지의 적용이 어려울 경우 공기청정기를 적용할 수 있다. 공기 청정기의 적용은 환기 시 외부 유입 오염물질의 제거 가능여부, 외부 오염물질과 실내공기전파감염원의 위험도 수준 등을 고려하여 반영하여야 할 것이다. 가장 바람직한 방안은 환기장치에 외부 유입 오염물질을 제거할 수 있는 적절한 성능의 필터를 적용하는 것이라 할 수 있다. 그러나, 이러한 조치를 취할 수 없을 경우에는 장기 노출 시 신체에 위해를 주는 외부 미세먼지 보다, 단기 노출에도 위중한 감염을 일으킬 수 있는 공기전파 감염원 제거에 우선순위를 두는 것이 합리적인 시설운영 방안이 될 수도 있다.

한편, 초등학교에서는 발열체크 등을 통한 감염자 스크리닝과 상시환기를 적절히 수행하고, 재실자 마스크 착용을 충실히 한다면 실내의 공기전파 감염확률을 충분히 낮출 수 있는 것으로 나타났다(시나리오 19~22). 이러한 연구결과는 학교 교사에서의 감염확률이 일반 커뮤니티에서의 감염확률보다 낮다는 기존 연구의 결과와 부합한다(Kim et al., 2020). 그리고, 이 상태에서 추가적인 공기청정기를 적용하더라도(시나리오 15~18), 그 효과는 면마스크만을 사용한 사례(시나리오16, 20)을 제외하고는 큰 기대효과를 얻을 수 없는 것으로 추정된다.

유증상자가 실내에 재실하는 경우, 법적 기준의 환기를 수행하고 감염자, 비감염자 모두 면마스크 만을 착용한 경우 감염확률이 28.3%로 높게 나타났다. 이 경우, 유증상자를 바로 격리 조치하는 것이 바람직하지만 유증상 여부를 명확히 판단하기 어려운 경우 최소한 유증상자에게 KF94성능의 마스크를 착용하게 한다면, 공기전파감염확률을 낮출 수 있을 것으로 판단된다. 이 상황에 대해 추가적으로 공기전파감염확률을 산출한 결과는 13.0%로 나타났다.

본 연구의 감염확률 산출 결과는 실제 현장의 환경 조건에 따라, 다소 상이할 수 있을 것으로 판단된다. 최근의 COVID-19와 같이 감염력이 기존의 바이러스보다 높다고 예측되는 경우에는 무증상감염자에 의한 감염확률이 본 연구의 결과보다 높아져 유의해야할 만한 수준에 이를 수 있음을 염두해 두어야 한다. 특히, 본 연구에서 제시한 무증상감염자의 바이러스 배출량은 기존 연구에서 보여진 가장 최소값에 해당하는 조건이며, 활동량 증가에 따른 바이러스 배출량 증가를 반영하지 않았다(Fabian et al., 2008). SARS-CoV-2 배출량과 관련된 기존 연구에 따르면 경작업 시 대화조건에서는 76 quanta/h가 발생하지만, 시끄럽게 대화하는 조건에서는 거의 4배에 가까운 490 quanta/h가 배출된다고 언급하고 있다(Buonanno et al., 2020). 이러한 기존 연구결과를 참고할 때, 무증상감염자라 하더라도 활동량 증가에 의해 바이러스 배출량이 증가하고, 결과적으로 공기전파감염확률이 증가할 수 있다는 가능성을 무시해서는 안된다. 또한, 무증상감염자가 본 연구에서 가정한 1명 이상 재실 할 가능성을 배제할 수 없다. 따라서 결과를 해석함에 있어, 무증상감염자가 재실하는 상황은 공기전파감염 관리 상 안전하다는 잘못된 일반화의 오류에 빠지는 것에 유의해야 한다. 따라서, 비록 재실자가 아무런 증상이 없더라도 보수적인 측면에서 마스크 착용, 환기, 사회적 거리두기에 소홀함이 없어야 할 것이다. 또한, 본 연구는 문헌조사를 통한 가정을 기반으로 분석을 수행한 것으로 실제 현장의 상황과 미래에 발생할 수 있는 상황(감염원의 감염력 향상 등)을 모두 반영할 수 없다는 한계가 있음을 명확히 할 필요가 있다.

결 론

본 연구의 결론은 다음과 같이 요약될 수 있다.

(1) Influenza를 기준으로 했을 때, 초등학교 내에서 공기전파감염확률에 저감에 효과가 있는 방법은 유증상 감염자 유입방지, KF94마스크 착용, 환기 실시, 면마스크 착용, 공기청정기 적용 순이다. 이 중에 유증상 감염자 유입방지의 중요성이 매우 높게 나타났다. 따라서, 초등학교 내에서의 효과적인 공기전파 감염방지를 위해 감염자 선별 과정이 매우 중요하게 고려되어야 할 것이다.

(2) 기존 초등학교에서 활용하고 있는 발열체크(유증상 감염자 유입방지), 환기, 마스크 방식을 충분히 활용할 경우, 실내에서의 공기전파감염확률을 충분히 낮출 수 있는 것으로 나타났다. 공기청정기의 경우에도 적절한 성능이 확보될 경우, 초등학교의 방역활동에 보조적으로 활용할 수 있는 것으로 나타났다.

(3) 유증상 감염자가 재실할 경우, KF94 성능의 마스크 착용과, 환기 두 가지 방법이 함께 적용되었을 때, 공기전파 감염확률을 충분히 낮출 수 있는 것으로 나타났다. 단, 이 경우, 면마스크 착용만으로는 재실자의 감염확률을 충분히 낮출 수 없기 때문에 유증상자를 즉시 격리 시키거나, 격리가 애매한 상황(격리장소 없거나, 애매한 증상)에는 최소한 의심 대상자에게 KF94 성능의 마스크를 착용하게 하여 재실자의 감염확률을 낮출 수 있는 것으로 판단된다.