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Original Article

J Environ Health Sci. 2022; 48(2): 116-122

Published online April 30, 2022 https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.116

Copyright © The Korean Society of Environmental Health.

Filtration Efficiencies of Commercial Face Masks in Korea for Biological Aerosols

국내 출시 마스크의 바이오에어로졸 여과효율 평가

Sueun Choi1 , Doseon Choi1, Sung Jae Jang1, SungJun Park1,2 , Chungsik Yoon1,3 , Kiyoung Lee1,3 , GwangPyo Ko1,2,3 , Cheonghoon Lee1,3*

최수은1, 최도선1, 장성재1, 박성준1,2, 윤충식1,3, 이기영1,3, 고광표1,2,3, 이정훈1,3*

1Department of Environmental Health Sciences, Graduate School of Public Health, Seoul National University, 2N-Bio, Seoul National University, 3Institute of Health and Environment, Seoul National University

1서울대학교 보건대학원 환경보건학과, 2서울대학교 생명공학공동연구원, 3서울대학교 보건환경연구소

Correspondence to:Department of Environmental Health Sciences, Graduate School of Public Health, Seoul National University, 1 Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul 08826, Republic of Korea
Tel: +82-2-880-2900
Fax: +82-2-745-9104
E-mail: shota2@snu.ac.kr

Received: March 8, 2022; Revised: April 10, 2022; Accepted: April 19, 2022

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/), which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Highlights

ㆍ Filtration efficiencies of commercial face masks for biological aerosols were evaluated.
ㆍ The filtration efficiency of the tested masks was high (>99.6%) for biological aerosols.
ㆍ Certified commercial face masks are useful for preventing infectious airborne diseases.

Background: The recent COVID-19 pandemic is one of the worst disease outbreaks of the 21th century. Due to a lack of reliable antiviral therapeutics, wearing face masks is recommended to prevent airborne infection originating from virus-contaminated bioaerosols.
Objectives: The aim of this study was to evaluate the filtration efficiencies of face masks that are commercially available in South Korea for a biological aerosol of Staphylococcus aureus (S. aureus) and murine coronavirus, a well-known surrogate for human coronaviruses.
Methods: We collected six different kinds of commercial masks: two Korea Filter (KF)94 (KF94-1, KF94-2) masks, one surgical (Surgical-1) mask, one anti-droplet (KF-AD-1) mask, and two dust (Dust-1, Dust-2) face masks. S. aureus (ATCC 6538), a well-performing test bacteria and murine coronavirus (ATCC VR-764) were prepared under a suitable culture condition. Then, a mask biological filtration tester was used to examine the microbial filtration efficiencies of masks. Test microorganisms were quantitatively measured via cultivation methods and microbial filtration efficiencies were calculated appropriately.
Results: All face masks showed over 99.6% filtration efficiency for S. aureus or murine coronavirus. There were no significant differences among the bacterial filtration efficiencies of the face masks. KF94-1 (99.97±0.08%) and Dust-1 mask (99.97±0.07%) showed the highest (over 99.9%) filtration efficiency for murine coronavirus. KF94-1 or Dust-1 masks showed a significant virus filtration efficiency compared to Surgical-1 mask (p<0.05; Mann-Whitney U test).
Conclusions: All the commercially available face masks used in this study can filter S. aureus or murine coronavirus in bioaerosols efficiently, regardless of the mask type. Therefore, our results suggest that wearing a certified face mask is a reliable means to prevent the transmission of infectious airborne diseases via biological aerosols.

KeywordsBiological aerosol, bacteria, coronavirus, face mask, filtration efficiency

신종 코로나바이러스(COVID-19, 코로나-19)감염증은 21세기 최대 대유행 감염증(pandemic)으로 간주되고 있으며, 높은 감염률과 사망률 등으로 인한 보건학적 중대성과 더불어 급속한 사회문화적 변화까지 야기하고 있다. 2022년 3월 4일 기준, 전세계 확진자는 4억 4천 2백 4십만명에 달하며, 6백만명 이상의 사망자가 보고되었다.1) 한국에서도 2022년 3월 3일 기준 3백 9십만명 이상의 확진자와 8천 5백명 이상의 사망자가 보고되었다.2)

코로나-19를 비롯한 호흡기 바이러스 및 세균은 일반적으로 기침이나 대화 중에서 발생하는 비말 등의 바이오에어로졸(bioaerosol)과 사람-사물 간 접촉 등의 경로를 통해 전파되는 양상을 보인다.3,4) 대다수의 현대인은 하루 중 대부분을 실내에서 지내고 있어 집단 감염에 매우 취약하다. 현재까지 제시되어 있는 호흡기 감염 미생물 예방 방안으로는 마스크 및 개인위생 관리, 사회적 거리두기, 백신 접종 등이 있으며, 치료 방안으로는 항바이러스제가 있다. 그러나 코로나-19의 경우 델타 및 오미크론 변이 등 다양한 변이(variants)로 인한 백신접종 완료자의 돌파감염 사례가 계속 보고되고 있으며, 전 연령층을 대상으로 적용할 수 있는 항바이러스제 역시 한계가 있는 상황이다. 또한 백신 부작용이나 불신 등으로 인한 안티 백서(anti-vaxxer)의 활동과 개발도상국의 백신 미확보 등은 전 세계적인 백신 접종률을 낮추는 원인이 되고 있다.5) 이렇듯 확고한 제어 방안이 미비한 현 상황에서, 코로나-19 감염을 예방하기 위한 가장 기본적이고 효과적인 방법은 마스크 등의 개인보호구 착용이다.6) 특히 마스크 착용을 의무화하지 않는 국가 내 확진자가 급증하여 착용을 재차 권장하고 있는 실정을 고려할 때, 마스크 착용은 국내 및 전 세계에서 상당기간 지속될 전망이다.

마스크 인증 기준은 미국 및 유럽연합의 기준이 대표적이며, 한국 역시 유럽연합의 기준을 토대로 염화나트륨 및 파라핀 오일의 필터효율을 고려하여 Korea filter (KF)80, KF94 및 KF99로 나눈 바 있다.7) 또한 최근 코로나-19 대유행에 맞추어, 유럽연합 및 미국의 마스크 세균 여과효율 평가 역시 포함하게 되었다.7-9) 그러나 주로 사용하는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus, S. aureus)의 크기는 약 3.0 µm로 코로나바이러스(약 0.1 µm)에 비해 훨씬 크며, 세균과 바이러스의 세포벽, 모양 등 특성이 다양하게 다르기 때문에 여과효율이 크게 다를 수 있다.10,11) 따라서, 표준 세균인 황색포도상구균 외 코로나바이러스 등의 주요 호흡기 바이러스에 대한 마스크 여과효율을 평가할 필요가 있다.

현재 국내에는 KF80 및 KF94 등의 KF인증 마스크 이외에도 외과용 마스크(surgical mask), 비말차단용 마스크(KF-AD mask) 및 방진 마스크(dust mask) 등 실로 다양한 마스크가 유통되고 있으며, 이는 외부 재질과 필터 유무, 필터 종류 등에 있어 큰 차이를 보인다. 이에 코로나-19 등 공기매개 감염증 전파를 예방하기 위한 목적으로써, 세균 및 호흡기 바이러스를 포함한 바이오에어오졸을 적절히 여과할 수 있는, 검증된 마스크를 선택하고 착용하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는, 시중에서 구입 가능한 6종의 마스크를 선택하여, 황색포도상구균 및 사람코로나바이러스(human coronavirus)의 주요한 대체바이러스(surrogate)인 쥐코로나바이러스(murine coronavirus)를 포함한 바이오에어로졸 여과효율을 평가함으로써, 호흡기 감염증 전파를 방지할 수 있는 올바른 마스크 선택 및 마스크 착용에 따른 미생물학적 안전성 확보와 관련한 기초 정보를 제시하고자 하였다.

1. 대상 마스크

현재 국내에서 인증 받은 제품 중, 시중에서 구입 가능한 보건용 KF94 마스크 2종(KF94-1: 컵[cup]형, KF94-2: 접이[flat fold]형) 및 보건용 이외로 사용하는 의약외품 마스크 덴탈(외과용) 마스크 1종(Surgical-1: 덴탈[flat]형) 및 비말차단용 마스크 1종(KF-AD-1: 덴탈형)과 1급 방진 마스크12) 2종(Dust-1: 컵형, Dust-2: 접이형)을 확보하여 바이오에어로졸 여과효율 평가에 사용하였다(Table 1). 모든 마스크들은 국내에서 가장 많이 사용되는 제품 중 하나로써, 동일 종류의 마스크는 형태 역시 추가 고려하여 최종 선정하였다. 국내외 표준시험법에 따라, 각 마스크 시편(10×10 cm)을 6개씩 준비하고, 21±5°C 및 상대습도 85±5%의 멸균된 환경에 하룻밤 방치하여 사용하였다.7-9) 시료 준비 및 채취 등에 사용한 모든 도구 및 장비는 고압증기멸균기를 이용하여 멸균을 실시하였다(121°C, 15분).

Table 1 Features of commercial face masks used in this study

Mask

KF94-1KF94-2Surgical-1KF-AD-1Dust-1Dust-2
Approved classKF94KF94SurgicalKF-ADClass 1*Class 1
ShapeCupFlat foldFlat and flexible with 3 pleatsFlat and flexible with 3 pleatsCupFlat fold
ValveNoNoNoNoYesYes
Layer(s)221133

*Classified following the public notice from Ministry of Employment and Labor (2020).12)

Without inner and outer layers.


2. 시험용 세균 및 바이러스

시험용 세균으로, 미국 및 유럽연합, 국내 시험법에서 제시하고 있는 황색포도상구균(American Type Culture Collection [ATCC] 6538)을 사용하였다.7-9) 대두카제인소화액체배지(tryptic soy broth; MBcell, 기산바이오)에 황색포도상구균을 접종하고 37°C에서 24시간 배양하였다. 이후 10배 단계 희석법으로 대두카제인소화한천배지(tryptic soy agar; MBcell, 기산바이오)에 접종하고 37°C에서 24시간 배양한 후, 평판계수법으로 계수하여 농도를 확인하였다. 이후 실험 전까지 배양한 세균을 냉장고(4°C)에 보관하였다.

시험용 바이러스로, 사람코로나바이러스의 주요 대체바이러스인 쥐코로나바이러스(murine coronavirus [murine hepatitis virus, ATCC VR-764])를 사용하였다. 숙주세포 및 바이러스 배양법은 ATCC가 제시한 방법을 일부 변형하여 사용하였다. L2 세포주를 10% 우태아혈청(fetal bovine serum; Thermo Fisher Scientific) 및 10 mM HEPES (Thermo Fisher Scientific), 10 mM 탄산수소나트륨(sodium bicarbonate; Thermo Fisher Scientific), 10 mM 비필수아미노산(non-essential amino acids; Thermo Fisher Scientific), 50 µg/µL 젠타마이신(gentamicin reagent; Thermo Fisher Scientific)를 포함한 Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM, Gibco)을 활용하여 37°C 및 5% CO2 조건에서 배양하였다. 완전히 자라 단층을 형성한 L2 세포에 바이러스를 접종하여 2일간 37°C 및 5% CO2 조건에서 배양하였다. 바이러스의 세포 탈출을 돕기 위해, 감염된 세포는 얼림과 녹임을 세 번 반복하였다. 배양액을 회수하여 4°C에서 원심분리하고(5,000×g, 20분), Stericup filter unit (0.22 µm, Merck Millipore)를 사용하여 세포 파편(cell debris)을 제거하였다. 이후, 한외여과기(Amicon Ultra-15 tube, Millipore)로 농축하여 고농도의 바이러스를 확보하였고, 실험 전까지 초저온냉동고(-80°C)에 보관하였다.

3. 세균 바이오에어로졸 여과효율 평가

마스크의 세균 바이오에어로졸 여과효율은, 국내외 표준시험법을 일부 변형하여 평가하였다.7-9) 황색포도상구균을 펩톤염화나트륨완충액(buffered sodium chloride-peptone solution, pH 7.0)으로 희석하여 각 시험 회당 세균 수를 1,700~3,000 colony forming unit (CFU)로 유지하였다. 여과효율 시험장치(mask bacterial filtration efficiency tester, 에이알티플러스, BFET-1853)를 사용하여 여과효율을 평가하였으며, 이때 평균 입경은 3.0±0.3 µm으로, 펌프 유량은 28.3 L/분으로 조절하였다. 황색포도상구균 세균현탁액을 펌프를 이용하여 분사기에 넣고 다단포집장치의 각 층에 대두카제인소화한천배지를 넣은 다음, 마스크를 장착하지 않은 상태에서 황색포도상구균 에어로졸 발생기와 진공펌프를 작동시켰다. 매 회 에어로졸 발생기를 1분 가동 후 다단포집장치를 1분간 작동하였으며, 시험 종료 후 다단포집장치에서 배지를 회수하고 해당 층수를 표시하여 양성대조군 a로 설정하였다. 이후 마스크 시편을 장착한 뒤 동일한 과정을 6회 반복하여 시험군으로 설정하였으며, 끝으로 마스크 시편을 장착하지 않은 상태에서 시험하여 양성대조군 b로 설정하였다. 황색포도상구균 에어로졸을 발생시키지 않고 다단포집장치만 2분간 작동한 뒤 확보한 배지로부터 얻은 결과를 음성대조군으로 설정하였다. 각 시험이 끝난 후, 확보한 배지는 37±2°C 배양기에서 48±4시간 동안 배양하여 CFU 값을 계수하였다.

4. 바이러스 바이오에어로졸 여과효율 평가

마스크의 바이러스 바이오에어로졸 여과효율에 대해 현재까지 표준화된 시험법이 없는 바, 국내외 표준시험법을 바이러스에 맞게 변형하여 평가하였다.7-9) 배양 후 쥐코로나바이러스를 1× 인산완충생리식염수(1× phosphate-buffered saline)로 희석하여 각 시험 회당 바이러스 수를 1,700~3,000 plaque forming unit (PFU)로 유지하였다. 세균과 동일한 여과효율 시험장치를 사용하여 여과효율을 평가하였으며, 이때 평균 입경은 3.0±0.6 µm으로, 펌프 유량은 28.3 L/분으로 조절하였다. 바이러스를 적절히 포집하기 위해, 포집배지를 제작하여 다단포집장치에 넣었다. 포집배지는 37°C 상에서, 100 cm2 멸균 페트리디쉬에 1× DMEM 및 7% 젤라틴 용액(gelatin, Sigma-Aldrich)을 1:1로 혼합한 용액 15 mL를 넣은 후, 4°C에서 고체화시켜 제작하였다. 이후 세균 여과효율 평가와 동일하게 양성대조군 a, 시험군, 양성대조군 b 및 음성대조군 시험을 진행한 후, 회수한 포집배지를 37°C 배양기에서 20분 동안 정치하여 액상화하였다. 액상화 한 시료의 바이러스 농도 계산을 위한 플라크 어세이(plaque assay) 과정을 살펴보면 다음과 같다. 배양한 L2 세포를 수확하여 세포 배양용 100 cm2 디쉬에 분주 후, 2일간 37°C 및 5% CO2 조건에서 배양하였다. 이후 시료를 DMEM으로 10배 단계 희석하여 2.5 mL씩 접종하고, 37°C 및 5% CO2 조건에서 15분마다 한 번씩 흔들어주며 총 60분 동안 감염시켰다. 다음으로 접종용 배지를 제거하고, 2% 우태아혈청을 포함한 2× DMEM 및 SeaPlaque agarose (Lonza)를 혼합하여 만든 유지용 배지를 12 mL 첨가하여 40분간 실온에 두어 완전히 굳혔다. 이후 37°C 및 5% CO2 조건의 항온배양기에서 48시간 배양 후 나타난 플라크를 계수하여 각 시료 내 바이러스 수(PFU)를 계산하였다. 실험 여건으로 인하여 Dust-2 마스크의 바이러스 여과효율 측정은 생략하였다.

5. 미생물 여과효율 계산 및 통계 분석

하기 식 (1)에 따라 미생물 여과효율(%)을 구하였고, 음성대조군으로 보정하였다.

E=CTC×100

E: 여과효율(%)

C: 양성대조군 a와 양성대조군 b의 평균 CFU 또는 PFU

T: 시험군에서 측정한 총 CFU 또는 PFU

여과효율 자료에 대해 Prism ver. 9.0.0 (GraphPad Software, San Diego, CA, USA)을 활용하여 평균, 표준편차를 구하였다. 또한 Mann-Whitney U test를 실시하여, 마스크 종류에 따른 여과효율 차이 또는 특정 마스크에서의 세균 또는 바이러스 여과효율 차이 등을 비교 분석하였다. p-값(p-value, p) <0.05를 통계적으로 유의한 것으로 판단하였다.

1. 마스크의 세균 바이오에어로졸 여과효율 평가

다양한 마스크를 대상으로 황색포도상구균 바이오에어로졸 여과효율을 평가한 결과는 Table 2와 같다. 실험한 모든 마스크들이 99.7% 이상의 높은 여과효율을 보였으며, 특히 2종의 KF94 마스크 및 2종의 방진 마스크는 99.9% 이상의 효율을 나타냈다. 덴탈 마스크인 Surgical-1의 경우 상대적으로 가장 낮은 효율을 보였으나, 대상 마스크들의 황색포도상구균 여과효율을 비교한 결과 통계적인 차이를 확인할 수 없었다.

Table 2 Filtration efficiencies of face masks for biological aerosols

Biological aerosol*Mask

KF94-1KF94-2Surgical-1KF-AD-1Dust-1Dust-2
Staphylococcus aureus
(ATCC 6538)
99.99±0.0299.91±0.1999.74±0.3399.93±0.0699.92±0.1999.92±0.15
Murine coronavirus
(ATCC VR-764)
99.97±0.08a99.66±0.7699.76±0.15ab99.84±0.2599.97±0.07b-

*Biological aerosol containing test microorganism.

Presented as mean±standard deviation (n=6).

Lower-case letters indicate statistical significance for comparisons between masks (p<0.05; Mann-Whitney U test).


2. 마스크의 바이러스 바이오에어로졸 여과효율 평가

다양한 마스크를 대상으로 쥐코로나바이러스를 포함한 바이오에어로졸 여과효율을 평가하였으며, 실험한 모든 마스크들이 99.6% 이상의 높은 여과효율을 보이는 것으로 확인되었다(Table 2). 특히 KF94-1 및 Dust-1 등 2종의 마스크는 99.9% 이상의 가장 높은 효율을 보였는데, 이것은 Surgical-1 마스크(99.76±0.15%)와 비교했을 때 통계적으로 유의하게 높은 결과였다(p<0.05; Mann-Whitney U test).

3. 각 마스크의 세균 및 바이러스 바이오에어로졸 여과효율 비교

각 마스크의 황색포도상구균 및 쥐코로나바이러스 바이오에어로졸 여과효율을 비교한 결과를 나타내고 있다. KF94-1 및 Dust-1 마스크는 두 종의 바이오에어로졸에 대해 99.9% 이상의 가장 높은 여과효율을 보였다(Table 2). 또한 KF94-2 마스크는 세균(99.91±0.19%) 및 바이러스 바이오에어로졸 여과효율(99.66±0.76%)이 소폭 차이를 보였다. 그러나 전반적으로 동일 마스크 상 황색포도상구균과 쥐코로나바이러스의 여과효율은 통계적인 차이를 확인할 수 없었다.

한국은 현 코로나-19 대유행 중, 확고한 바이러스 제어 방안이 없는 상황에서 전파 예방 및 통제를 위해 개인 위생, 사회적 거리두기 및 의약외품에 해당하는 마스크 착용을 권고하고 있다.13-15) 모델 분석6) 및 역학조사16,17) 등을 통해 마스크 착용이 코로나-19 전파를 줄이는데 효과적임이 제시되고 있으나, 실제 바이러스에 대한 마스크의 여과효율을 확인한 연구 결과는 아직까지 보고된 사례가 많지 않다.18,19) 특히, 국내에서 구입 가능한 의약외품 마스크들을 대상으로 한 바이러스 여과효율 평가는 전무한 실정이다. 비록 현재 국내외에 제시되어 있는 표준 마스크 인증 기준들이 실험 편의를 고려하여 황색포도상구균으로 제정되어 있으나, 실제 바이러스들은 세균과 완전히 다른 형태 및 분자생물학적 특성을 지니고 있음을 간과할 수 없다. 이에, 특히 바이러스 감염의 주된 전파 예방 방법 중 하나인 마스크 착용의 안전성을 담보하고 권장하기 위해서, 연구 기관들은 마스크의 바이러스 여과효율을 검증할 필요성이 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 시중에서 구입 가능한 주요 마스크들에 대한 세균 및 바이러스 바이오에어로졸 여과효율을 평가하였으며 평가한 모든 마스크가 매우 높은 효율을 지니고 있음을 확인하였다.

본 연구에서 사용한 국내 출시 마스크들의 여과효율은 세균 및 바이러스 모두 99.66% 이상으로(Table 2), 95% 이상인 국내 세균 여과효율 기준 뿐만 아니라 미국 및 유럽연합이 제시하고 있는 최고 수준(98% 이상) 역시 만족하고 있다.7-9) 기존 연구결과들을 살펴보면, 바이러스 여과효율은 KF94 마스크와 동등한 등급의 N95 마스크 및 FFP-2 마스크에서 각각 99.3~99.9% 및 98.1%, 덴탈 마스크에서 94.7~99.9%로 현재 제시되어 있는 세균 여과효율 기준에 근접하거나 만족하는 것으로 보고한 바 있다.18,19) 반면에, 면이나 실크 재질로 만든 천 마스크(fabric mask)나 캔버스 직조 면 재질로 만든 패션 마스크(community mask)는 90% 미만의 바이러스 여과효율을 보여, 상대적으로 여과 효과가 떨어졌다.18,19) 따라서 국내에서 권고하는 필터를 포함한 KF94, 덴탈, 비말차단용 등의 의약외품 마스크가 천 및 패션 마스크보다 코로나-19 전파 감소에 보다 크게 기여할 수 있을 것이라 여겨진다. 또한 바이러스를 포함한 에어로졸에 대한 연구 결과로 미루어 볼 때(Table 2), 병원 및 요양시설 등 고위험 장소에는 본 연구에서 사용한 마스크와 같이 식품의악품안전처와 같은 규제기관으로부터 여과효율이 검증된 마스크를 권장할 필요성이 있다.

현재 표준화된 바이러스 여과효율 측정법이 없는 관계로, 연구 결과들이 차이를 보일 수 있는 여지가 있다. 실제 본 연구에서는 임팩터(impactor) 방식18)을 사용한 기기를 활용하였기에, 임핀지(impinge) 등의 다른 포집 방식19) 및 별도 기기를 활용하여 측정할 경우 바이러스 회수율이 차이가 날 수 있으며, 이는 여과효율 결과 값에 영향을 미칠 수 있다.20) 또한 본 연구는 코로나바이러스의 대체미생물로써 쥐코로나바이러스를 사용한 반면, MS2 파지(phage)18) 나 고양이코로나바이러스(feline coronavirus)19) 등을 사용하는 등, 각 연구마다 활용한 시험용 바이러스가 다르다. 각 바이러스들은 크기 및 모양 등에 차이가 있어, 마스크의 여과효율에 영향을 미칠 수 있다.11) 따라서 향후 마스크 종류나 제조회사 등에 의한 여과효율의 차이는, 향후 국가 또는 글로벌 수준에서 제시된 통일된 표준시험법으로 평가했을 때 보다 큰 신뢰성을 담보할 수 있을 것으로 여겨진다.

본 연구에서 사용한 바이러스 여과효율 시험 방법은 기존에 제시된 바 있는 세균 여과효율 시험 방법과 전반적으로 동일하되, 숙주가 있어야 증식할 수 있는 바이러스의 특성을 고려하여 포집배지를 통한 바이러스 포집 후 플라크 어세이로 계수하도록 변화를 주었다. 또한 세균 여과효율 시험장치와 동일한 장치를 사용할 수 있어 호환성이 높다는 장점이 있다. 코로나-19와 진화적으로 유사하여, 다양한 용도에서 성공적인 코로나-19의 대체바이러스로 활용하고 있는 쥐코로나바이러스를 대상 바이러스로 사용했다는 부분 역시 향후 활용성을 높일 수 있는 부분이다.21-23) 따라서 본 연구 방법 및 결과는 차후 국내 및 국제적으로 마스크 바이러스 여과효율 평가에 대한 표준시험법을 제정할 시 기초 자료로써 사용될 수 있을 것이다.

본 연구는 여과효율의 측정에 있어 각 마스크들의 시편을 사용하여, 마스크 설계 자체의 오류 및 각 개인의 얼굴 모양 등에 따른 얼굴-마스크 간 밀착도의 차이를 고려하지 않은 바, 현실 상황을 완벽하게 반영한 조건을 구축하지 못한 한계점이 있다. 실제 마스크 밀착이 제대로 되지 않을 경우 여과효율이 크게 감소한다는 연구결과가 보고된 바 있다.24,25) 따라서, 마스크 밀착도를 고려한 후속 바이오에어로졸 여과효율 연구를 통하여 보다 현실적이고 실용적인 결과를 산출할 필요성이 있다. 또한 본 연구에서 적용한 미생물 현탁액의 에어로졸로 인해 발생한 액적(droplet)은 실제 침이나 콧물 등 다양한 성분들이 포함되어 있는 미생물 비말과 비교 시 그 성상이 다를 수 있으며, 건조 후 남은 잔여물 역시 미생물 이외의 성분들을 포함하고 있다. 따라서 본 연구에 적용한 바이오에어로졸의 물리적 크기 및 분포가 현실을 대표한다고 가정하기에는 한계가 있어, 다양한 실험을 통해 보다 적합한 에어로졸 시험법을 제시할 필요성이 있다. 아울러 현재 시장에 출시된 마스크의 종류 및 특징들이 실로 다양한 바 본 연구에서 사용한 마스크들의 여과효율을 섣불리 일반화할 수는 없으며, 이에 더욱 다양한 마스크들을 대상으로 한 충분한 규모의 후속 연구가 이루어질 필요성이 있다. 향후 보다 확고한 실험법을 바탕으로, 코로나-19 이후 올 수 있는 대규모 감염증들에 대비하기 위해 다양한 세균 및 바이러스에 대한 여과효율을 파악하여 마스크 착용의 보편성 및 정당성에 대한 자료를 확보할 필요가 있다.

본 연구는 국내에서 구입 가능한 6종의 마스크를 선택하여 세균 및 바이러스를 포함한 바이오에어로졸의 여과효율을 평가함으로써, 마스크 착용에서 기대할 수 있는 미생물학적 안전성 확보와 관련한 기초 정보를 확보하고자 수행되었다. 대상 마스크로 KF94 마스크 2종, 덴탈 마스크 1종, 비말차단용 마스크 1종 및 방진 마스크 2종을 선정하였으며, 시험용 세균으로 황색포도상구균을, 시험용 바이러스로 사람코로나바이러스의 주요한 대체미생물인 쥐코로나바이러스를 사용하였다. 실험한 모든 마스크들은 바이오에어로졸 내 황색포도상구균에 대해 99.7% 이상의 여과효율을 보였으며, 쥐코로나바이러스에 대해 99.6% 이상의 여과효율을 보였다. 특히 KF94-1 및 Dust-1 마스크는 두 종의 바이오에어로졸에 대해 가장 높은 여과 효율을 보였다. 이는 기존 연구들에 비해 뛰어난 수치로, 특히 병원 및 요양시설 등의 고위험 장소에는 KF94 등 여과효율이 검증된 마스크를 권장할 필요성이 있다. 아울러 본 연구에서 사용한 바이러스 여과효율 시험 방법은 기존 세균 여과효율 시험 방법을 바이러스에 알맞게 변화를 주고 성공적인 코로나-19 대체미생물인 쥐코로나바이러스를 적용한 것으로, 향후 바이러스 표준시험법 제정 시 기초 자료로 충분히 활용할 수 있다. 본 연구 결과로 미루어 볼 때, 현재까지 확고한 코로나-19 바이러스 제어 방안이 없는 상황에서, 검증된 마스크 작용은 이러한 호흡기 감염증들의 전파를 예방할 수 있는 주요한 방법으로 권고될 필요성이 있다고 사료된다.

본 연구는 서울대학교 발전기금(도부 학술장학금)의 재원으로 수행하는 연구사업의 지원을 받아 수행하였습니다.

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

최수은(박사과정), 최도선(석사과정), 장성재(박사과정),

박성준(연구원), 윤충식(교수), 이기영(교수),

고광표(교수), 이정훈(교수)

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Article

Original Article

J Environ Health Sci. 2022; 48(2): 116-122

Published online April 30, 2022 https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.116

Copyright © The Korean Society of Environmental Health.

Filtration Efficiencies of Commercial Face Masks in Korea for Biological Aerosols

Sueun Choi1 , Doseon Choi1, Sung Jae Jang1, SungJun Park1,2 , Chungsik Yoon1,3 , Kiyoung Lee1,3 , GwangPyo Ko1,2,3 , Cheonghoon Lee1,3*

1Department of Environmental Health Sciences, Graduate School of Public Health, Seoul National University, 2N-Bio, Seoul National University, 3Institute of Health and Environment, Seoul National University

Correspondence to:Department of Environmental Health Sciences, Graduate School of Public Health, Seoul National University, 1 Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul 08826, Republic of Korea
Tel: +82-2-880-2900
Fax: +82-2-745-9104
E-mail: shota2@snu.ac.kr

Received: March 8, 2022; Revised: April 10, 2022; Accepted: April 19, 2022

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/), which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

Background: The recent COVID-19 pandemic is one of the worst disease outbreaks of the 21th century. Due to a lack of reliable antiviral therapeutics, wearing face masks is recommended to prevent airborne infection originating from virus-contaminated bioaerosols.
Objectives: The aim of this study was to evaluate the filtration efficiencies of face masks that are commercially available in South Korea for a biological aerosol of Staphylococcus aureus (S. aureus) and murine coronavirus, a well-known surrogate for human coronaviruses.
Methods: We collected six different kinds of commercial masks: two Korea Filter (KF)94 (KF94-1, KF94-2) masks, one surgical (Surgical-1) mask, one anti-droplet (KF-AD-1) mask, and two dust (Dust-1, Dust-2) face masks. S. aureus (ATCC 6538), a well-performing test bacteria and murine coronavirus (ATCC VR-764) were prepared under a suitable culture condition. Then, a mask biological filtration tester was used to examine the microbial filtration efficiencies of masks. Test microorganisms were quantitatively measured via cultivation methods and microbial filtration efficiencies were calculated appropriately.
Results: All face masks showed over 99.6% filtration efficiency for S. aureus or murine coronavirus. There were no significant differences among the bacterial filtration efficiencies of the face masks. KF94-1 (99.97±0.08%) and Dust-1 mask (99.97±0.07%) showed the highest (over 99.9%) filtration efficiency for murine coronavirus. KF94-1 or Dust-1 masks showed a significant virus filtration efficiency compared to Surgical-1 mask (p<0.05; Mann-Whitney U test).
Conclusions: All the commercially available face masks used in this study can filter S. aureus or murine coronavirus in bioaerosols efficiently, regardless of the mask type. Therefore, our results suggest that wearing a certified face mask is a reliable means to prevent the transmission of infectious airborne diseases via biological aerosols.

Keywords: Biological aerosol, bacteria, coronavirus, face mask, filtration efficiency

I. 서 론

신종 코로나바이러스(COVID-19, 코로나-19)감염증은 21세기 최대 대유행 감염증(pandemic)으로 간주되고 있으며, 높은 감염률과 사망률 등으로 인한 보건학적 중대성과 더불어 급속한 사회문화적 변화까지 야기하고 있다. 2022년 3월 4일 기준, 전세계 확진자는 4억 4천 2백 4십만명에 달하며, 6백만명 이상의 사망자가 보고되었다.1) 한국에서도 2022년 3월 3일 기준 3백 9십만명 이상의 확진자와 8천 5백명 이상의 사망자가 보고되었다.2)

코로나-19를 비롯한 호흡기 바이러스 및 세균은 일반적으로 기침이나 대화 중에서 발생하는 비말 등의 바이오에어로졸(bioaerosol)과 사람-사물 간 접촉 등의 경로를 통해 전파되는 양상을 보인다.3,4) 대다수의 현대인은 하루 중 대부분을 실내에서 지내고 있어 집단 감염에 매우 취약하다. 현재까지 제시되어 있는 호흡기 감염 미생물 예방 방안으로는 마스크 및 개인위생 관리, 사회적 거리두기, 백신 접종 등이 있으며, 치료 방안으로는 항바이러스제가 있다. 그러나 코로나-19의 경우 델타 및 오미크론 변이 등 다양한 변이(variants)로 인한 백신접종 완료자의 돌파감염 사례가 계속 보고되고 있으며, 전 연령층을 대상으로 적용할 수 있는 항바이러스제 역시 한계가 있는 상황이다. 또한 백신 부작용이나 불신 등으로 인한 안티 백서(anti-vaxxer)의 활동과 개발도상국의 백신 미확보 등은 전 세계적인 백신 접종률을 낮추는 원인이 되고 있다.5) 이렇듯 확고한 제어 방안이 미비한 현 상황에서, 코로나-19 감염을 예방하기 위한 가장 기본적이고 효과적인 방법은 마스크 등의 개인보호구 착용이다.6) 특히 마스크 착용을 의무화하지 않는 국가 내 확진자가 급증하여 착용을 재차 권장하고 있는 실정을 고려할 때, 마스크 착용은 국내 및 전 세계에서 상당기간 지속될 전망이다.

마스크 인증 기준은 미국 및 유럽연합의 기준이 대표적이며, 한국 역시 유럽연합의 기준을 토대로 염화나트륨 및 파라핀 오일의 필터효율을 고려하여 Korea filter (KF)80, KF94 및 KF99로 나눈 바 있다.7) 또한 최근 코로나-19 대유행에 맞추어, 유럽연합 및 미국의 마스크 세균 여과효율 평가 역시 포함하게 되었다.7-9) 그러나 주로 사용하는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus, S. aureus)의 크기는 약 3.0 µm로 코로나바이러스(약 0.1 µm)에 비해 훨씬 크며, 세균과 바이러스의 세포벽, 모양 등 특성이 다양하게 다르기 때문에 여과효율이 크게 다를 수 있다.10,11) 따라서, 표준 세균인 황색포도상구균 외 코로나바이러스 등의 주요 호흡기 바이러스에 대한 마스크 여과효율을 평가할 필요가 있다.

현재 국내에는 KF80 및 KF94 등의 KF인증 마스크 이외에도 외과용 마스크(surgical mask), 비말차단용 마스크(KF-AD mask) 및 방진 마스크(dust mask) 등 실로 다양한 마스크가 유통되고 있으며, 이는 외부 재질과 필터 유무, 필터 종류 등에 있어 큰 차이를 보인다. 이에 코로나-19 등 공기매개 감염증 전파를 예방하기 위한 목적으로써, 세균 및 호흡기 바이러스를 포함한 바이오에어오졸을 적절히 여과할 수 있는, 검증된 마스크를 선택하고 착용하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는, 시중에서 구입 가능한 6종의 마스크를 선택하여, 황색포도상구균 및 사람코로나바이러스(human coronavirus)의 주요한 대체바이러스(surrogate)인 쥐코로나바이러스(murine coronavirus)를 포함한 바이오에어로졸 여과효율을 평가함으로써, 호흡기 감염증 전파를 방지할 수 있는 올바른 마스크 선택 및 마스크 착용에 따른 미생물학적 안전성 확보와 관련한 기초 정보를 제시하고자 하였다.

II. 연구 방법

1. 대상 마스크

현재 국내에서 인증 받은 제품 중, 시중에서 구입 가능한 보건용 KF94 마스크 2종(KF94-1: 컵[cup]형, KF94-2: 접이[flat fold]형) 및 보건용 이외로 사용하는 의약외품 마스크 덴탈(외과용) 마스크 1종(Surgical-1: 덴탈[flat]형) 및 비말차단용 마스크 1종(KF-AD-1: 덴탈형)과 1급 방진 마스크12) 2종(Dust-1: 컵형, Dust-2: 접이형)을 확보하여 바이오에어로졸 여과효율 평가에 사용하였다(Table 1). 모든 마스크들은 국내에서 가장 많이 사용되는 제품 중 하나로써, 동일 종류의 마스크는 형태 역시 추가 고려하여 최종 선정하였다. 국내외 표준시험법에 따라, 각 마스크 시편(10×10 cm)을 6개씩 준비하고, 21±5°C 및 상대습도 85±5%의 멸균된 환경에 하룻밤 방치하여 사용하였다.7-9) 시료 준비 및 채취 등에 사용한 모든 도구 및 장비는 고압증기멸균기를 이용하여 멸균을 실시하였다(121°C, 15분).

Table 1 . Features of commercial face masks used in this study.

Mask

KF94-1KF94-2Surgical-1KF-AD-1Dust-1Dust-2
Approved classKF94KF94SurgicalKF-ADClass 1*Class 1
ShapeCupFlat foldFlat and flexible with 3 pleatsFlat and flexible with 3 pleatsCupFlat fold
ValveNoNoNoNoYesYes
Layer(s)221133

*Classified following the public notice from Ministry of Employment and Labor (2020).12).

Without inner and outer layers..



2. 시험용 세균 및 바이러스

시험용 세균으로, 미국 및 유럽연합, 국내 시험법에서 제시하고 있는 황색포도상구균(American Type Culture Collection [ATCC] 6538)을 사용하였다.7-9) 대두카제인소화액체배지(tryptic soy broth; MBcell, 기산바이오)에 황색포도상구균을 접종하고 37°C에서 24시간 배양하였다. 이후 10배 단계 희석법으로 대두카제인소화한천배지(tryptic soy agar; MBcell, 기산바이오)에 접종하고 37°C에서 24시간 배양한 후, 평판계수법으로 계수하여 농도를 확인하였다. 이후 실험 전까지 배양한 세균을 냉장고(4°C)에 보관하였다.

시험용 바이러스로, 사람코로나바이러스의 주요 대체바이러스인 쥐코로나바이러스(murine coronavirus [murine hepatitis virus, ATCC VR-764])를 사용하였다. 숙주세포 및 바이러스 배양법은 ATCC가 제시한 방법을 일부 변형하여 사용하였다. L2 세포주를 10% 우태아혈청(fetal bovine serum; Thermo Fisher Scientific) 및 10 mM HEPES (Thermo Fisher Scientific), 10 mM 탄산수소나트륨(sodium bicarbonate; Thermo Fisher Scientific), 10 mM 비필수아미노산(non-essential amino acids; Thermo Fisher Scientific), 50 µg/µL 젠타마이신(gentamicin reagent; Thermo Fisher Scientific)를 포함한 Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM, Gibco)을 활용하여 37°C 및 5% CO2 조건에서 배양하였다. 완전히 자라 단층을 형성한 L2 세포에 바이러스를 접종하여 2일간 37°C 및 5% CO2 조건에서 배양하였다. 바이러스의 세포 탈출을 돕기 위해, 감염된 세포는 얼림과 녹임을 세 번 반복하였다. 배양액을 회수하여 4°C에서 원심분리하고(5,000×g, 20분), Stericup filter unit (0.22 µm, Merck Millipore)를 사용하여 세포 파편(cell debris)을 제거하였다. 이후, 한외여과기(Amicon Ultra-15 tube, Millipore)로 농축하여 고농도의 바이러스를 확보하였고, 실험 전까지 초저온냉동고(-80°C)에 보관하였다.

3. 세균 바이오에어로졸 여과효율 평가

마스크의 세균 바이오에어로졸 여과효율은, 국내외 표준시험법을 일부 변형하여 평가하였다.7-9) 황색포도상구균을 펩톤염화나트륨완충액(buffered sodium chloride-peptone solution, pH 7.0)으로 희석하여 각 시험 회당 세균 수를 1,700~3,000 colony forming unit (CFU)로 유지하였다. 여과효율 시험장치(mask bacterial filtration efficiency tester, 에이알티플러스, BFET-1853)를 사용하여 여과효율을 평가하였으며, 이때 평균 입경은 3.0±0.3 µm으로, 펌프 유량은 28.3 L/분으로 조절하였다. 황색포도상구균 세균현탁액을 펌프를 이용하여 분사기에 넣고 다단포집장치의 각 층에 대두카제인소화한천배지를 넣은 다음, 마스크를 장착하지 않은 상태에서 황색포도상구균 에어로졸 발생기와 진공펌프를 작동시켰다. 매 회 에어로졸 발생기를 1분 가동 후 다단포집장치를 1분간 작동하였으며, 시험 종료 후 다단포집장치에서 배지를 회수하고 해당 층수를 표시하여 양성대조군 a로 설정하였다. 이후 마스크 시편을 장착한 뒤 동일한 과정을 6회 반복하여 시험군으로 설정하였으며, 끝으로 마스크 시편을 장착하지 않은 상태에서 시험하여 양성대조군 b로 설정하였다. 황색포도상구균 에어로졸을 발생시키지 않고 다단포집장치만 2분간 작동한 뒤 확보한 배지로부터 얻은 결과를 음성대조군으로 설정하였다. 각 시험이 끝난 후, 확보한 배지는 37±2°C 배양기에서 48±4시간 동안 배양하여 CFU 값을 계수하였다.

4. 바이러스 바이오에어로졸 여과효율 평가

마스크의 바이러스 바이오에어로졸 여과효율에 대해 현재까지 표준화된 시험법이 없는 바, 국내외 표준시험법을 바이러스에 맞게 변형하여 평가하였다.7-9) 배양 후 쥐코로나바이러스를 1× 인산완충생리식염수(1× phosphate-buffered saline)로 희석하여 각 시험 회당 바이러스 수를 1,700~3,000 plaque forming unit (PFU)로 유지하였다. 세균과 동일한 여과효율 시험장치를 사용하여 여과효율을 평가하였으며, 이때 평균 입경은 3.0±0.6 µm으로, 펌프 유량은 28.3 L/분으로 조절하였다. 바이러스를 적절히 포집하기 위해, 포집배지를 제작하여 다단포집장치에 넣었다. 포집배지는 37°C 상에서, 100 cm2 멸균 페트리디쉬에 1× DMEM 및 7% 젤라틴 용액(gelatin, Sigma-Aldrich)을 1:1로 혼합한 용액 15 mL를 넣은 후, 4°C에서 고체화시켜 제작하였다. 이후 세균 여과효율 평가와 동일하게 양성대조군 a, 시험군, 양성대조군 b 및 음성대조군 시험을 진행한 후, 회수한 포집배지를 37°C 배양기에서 20분 동안 정치하여 액상화하였다. 액상화 한 시료의 바이러스 농도 계산을 위한 플라크 어세이(plaque assay) 과정을 살펴보면 다음과 같다. 배양한 L2 세포를 수확하여 세포 배양용 100 cm2 디쉬에 분주 후, 2일간 37°C 및 5% CO2 조건에서 배양하였다. 이후 시료를 DMEM으로 10배 단계 희석하여 2.5 mL씩 접종하고, 37°C 및 5% CO2 조건에서 15분마다 한 번씩 흔들어주며 총 60분 동안 감염시켰다. 다음으로 접종용 배지를 제거하고, 2% 우태아혈청을 포함한 2× DMEM 및 SeaPlaque agarose (Lonza)를 혼합하여 만든 유지용 배지를 12 mL 첨가하여 40분간 실온에 두어 완전히 굳혔다. 이후 37°C 및 5% CO2 조건의 항온배양기에서 48시간 배양 후 나타난 플라크를 계수하여 각 시료 내 바이러스 수(PFU)를 계산하였다. 실험 여건으로 인하여 Dust-2 마스크의 바이러스 여과효율 측정은 생략하였다.

5. 미생물 여과효율 계산 및 통계 분석

하기 식 (1)에 따라 미생물 여과효율(%)을 구하였고, 음성대조군으로 보정하였다.

E=CTC×100

E: 여과효율(%)

C: 양성대조군 a와 양성대조군 b의 평균 CFU 또는 PFU

T: 시험군에서 측정한 총 CFU 또는 PFU

여과효율 자료에 대해 Prism ver. 9.0.0 (GraphPad Software, San Diego, CA, USA)을 활용하여 평균, 표준편차를 구하였다. 또한 Mann-Whitney U test를 실시하여, 마스크 종류에 따른 여과효율 차이 또는 특정 마스크에서의 세균 또는 바이러스 여과효율 차이 등을 비교 분석하였다. p-값(p-value, p) <0.05를 통계적으로 유의한 것으로 판단하였다.

III. 결 과

1. 마스크의 세균 바이오에어로졸 여과효율 평가

다양한 마스크를 대상으로 황색포도상구균 바이오에어로졸 여과효율을 평가한 결과는 Table 2와 같다. 실험한 모든 마스크들이 99.7% 이상의 높은 여과효율을 보였으며, 특히 2종의 KF94 마스크 및 2종의 방진 마스크는 99.9% 이상의 효율을 나타냈다. 덴탈 마스크인 Surgical-1의 경우 상대적으로 가장 낮은 효율을 보였으나, 대상 마스크들의 황색포도상구균 여과효율을 비교한 결과 통계적인 차이를 확인할 수 없었다.

Table 2 . Filtration efficiencies of face masks for biological aerosols.

Biological aerosol*Mask

KF94-1KF94-2Surgical-1KF-AD-1Dust-1Dust-2
Staphylococcus aureus
(ATCC 6538)
99.99±0.0299.91±0.1999.74±0.3399.93±0.0699.92±0.1999.92±0.15
Murine coronavirus
(ATCC VR-764)
99.97±0.08a99.66±0.7699.76±0.15ab99.84±0.2599.97±0.07b-

*Biological aerosol containing test microorganism..

Presented as mean±standard deviation (n=6)..

Lower-case letters indicate statistical significance for comparisons between masks (p<0.05; Mann-Whitney U test)..



2. 마스크의 바이러스 바이오에어로졸 여과효율 평가

다양한 마스크를 대상으로 쥐코로나바이러스를 포함한 바이오에어로졸 여과효율을 평가하였으며, 실험한 모든 마스크들이 99.6% 이상의 높은 여과효율을 보이는 것으로 확인되었다(Table 2). 특히 KF94-1 및 Dust-1 등 2종의 마스크는 99.9% 이상의 가장 높은 효율을 보였는데, 이것은 Surgical-1 마스크(99.76±0.15%)와 비교했을 때 통계적으로 유의하게 높은 결과였다(p<0.05; Mann-Whitney U test).

3. 각 마스크의 세균 및 바이러스 바이오에어로졸 여과효율 비교

각 마스크의 황색포도상구균 및 쥐코로나바이러스 바이오에어로졸 여과효율을 비교한 결과를 나타내고 있다. KF94-1 및 Dust-1 마스크는 두 종의 바이오에어로졸에 대해 99.9% 이상의 가장 높은 여과효율을 보였다(Table 2). 또한 KF94-2 마스크는 세균(99.91±0.19%) 및 바이러스 바이오에어로졸 여과효율(99.66±0.76%)이 소폭 차이를 보였다. 그러나 전반적으로 동일 마스크 상 황색포도상구균과 쥐코로나바이러스의 여과효율은 통계적인 차이를 확인할 수 없었다.

IV. 고 찰

한국은 현 코로나-19 대유행 중, 확고한 바이러스 제어 방안이 없는 상황에서 전파 예방 및 통제를 위해 개인 위생, 사회적 거리두기 및 의약외품에 해당하는 마스크 착용을 권고하고 있다.13-15) 모델 분석6) 및 역학조사16,17) 등을 통해 마스크 착용이 코로나-19 전파를 줄이는데 효과적임이 제시되고 있으나, 실제 바이러스에 대한 마스크의 여과효율을 확인한 연구 결과는 아직까지 보고된 사례가 많지 않다.18,19) 특히, 국내에서 구입 가능한 의약외품 마스크들을 대상으로 한 바이러스 여과효율 평가는 전무한 실정이다. 비록 현재 국내외에 제시되어 있는 표준 마스크 인증 기준들이 실험 편의를 고려하여 황색포도상구균으로 제정되어 있으나, 실제 바이러스들은 세균과 완전히 다른 형태 및 분자생물학적 특성을 지니고 있음을 간과할 수 없다. 이에, 특히 바이러스 감염의 주된 전파 예방 방법 중 하나인 마스크 착용의 안전성을 담보하고 권장하기 위해서, 연구 기관들은 마스크의 바이러스 여과효율을 검증할 필요성이 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 시중에서 구입 가능한 주요 마스크들에 대한 세균 및 바이러스 바이오에어로졸 여과효율을 평가하였으며 평가한 모든 마스크가 매우 높은 효율을 지니고 있음을 확인하였다.

본 연구에서 사용한 국내 출시 마스크들의 여과효율은 세균 및 바이러스 모두 99.66% 이상으로(Table 2), 95% 이상인 국내 세균 여과효율 기준 뿐만 아니라 미국 및 유럽연합이 제시하고 있는 최고 수준(98% 이상) 역시 만족하고 있다.7-9) 기존 연구결과들을 살펴보면, 바이러스 여과효율은 KF94 마스크와 동등한 등급의 N95 마스크 및 FFP-2 마스크에서 각각 99.3~99.9% 및 98.1%, 덴탈 마스크에서 94.7~99.9%로 현재 제시되어 있는 세균 여과효율 기준에 근접하거나 만족하는 것으로 보고한 바 있다.18,19) 반면에, 면이나 실크 재질로 만든 천 마스크(fabric mask)나 캔버스 직조 면 재질로 만든 패션 마스크(community mask)는 90% 미만의 바이러스 여과효율을 보여, 상대적으로 여과 효과가 떨어졌다.18,19) 따라서 국내에서 권고하는 필터를 포함한 KF94, 덴탈, 비말차단용 등의 의약외품 마스크가 천 및 패션 마스크보다 코로나-19 전파 감소에 보다 크게 기여할 수 있을 것이라 여겨진다. 또한 바이러스를 포함한 에어로졸에 대한 연구 결과로 미루어 볼 때(Table 2), 병원 및 요양시설 등 고위험 장소에는 본 연구에서 사용한 마스크와 같이 식품의악품안전처와 같은 규제기관으로부터 여과효율이 검증된 마스크를 권장할 필요성이 있다.

현재 표준화된 바이러스 여과효율 측정법이 없는 관계로, 연구 결과들이 차이를 보일 수 있는 여지가 있다. 실제 본 연구에서는 임팩터(impactor) 방식18)을 사용한 기기를 활용하였기에, 임핀지(impinge) 등의 다른 포집 방식19) 및 별도 기기를 활용하여 측정할 경우 바이러스 회수율이 차이가 날 수 있으며, 이는 여과효율 결과 값에 영향을 미칠 수 있다.20) 또한 본 연구는 코로나바이러스의 대체미생물로써 쥐코로나바이러스를 사용한 반면, MS2 파지(phage)18) 나 고양이코로나바이러스(feline coronavirus)19) 등을 사용하는 등, 각 연구마다 활용한 시험용 바이러스가 다르다. 각 바이러스들은 크기 및 모양 등에 차이가 있어, 마스크의 여과효율에 영향을 미칠 수 있다.11) 따라서 향후 마스크 종류나 제조회사 등에 의한 여과효율의 차이는, 향후 국가 또는 글로벌 수준에서 제시된 통일된 표준시험법으로 평가했을 때 보다 큰 신뢰성을 담보할 수 있을 것으로 여겨진다.

본 연구에서 사용한 바이러스 여과효율 시험 방법은 기존에 제시된 바 있는 세균 여과효율 시험 방법과 전반적으로 동일하되, 숙주가 있어야 증식할 수 있는 바이러스의 특성을 고려하여 포집배지를 통한 바이러스 포집 후 플라크 어세이로 계수하도록 변화를 주었다. 또한 세균 여과효율 시험장치와 동일한 장치를 사용할 수 있어 호환성이 높다는 장점이 있다. 코로나-19와 진화적으로 유사하여, 다양한 용도에서 성공적인 코로나-19의 대체바이러스로 활용하고 있는 쥐코로나바이러스를 대상 바이러스로 사용했다는 부분 역시 향후 활용성을 높일 수 있는 부분이다.21-23) 따라서 본 연구 방법 및 결과는 차후 국내 및 국제적으로 마스크 바이러스 여과효율 평가에 대한 표준시험법을 제정할 시 기초 자료로써 사용될 수 있을 것이다.

본 연구는 여과효율의 측정에 있어 각 마스크들의 시편을 사용하여, 마스크 설계 자체의 오류 및 각 개인의 얼굴 모양 등에 따른 얼굴-마스크 간 밀착도의 차이를 고려하지 않은 바, 현실 상황을 완벽하게 반영한 조건을 구축하지 못한 한계점이 있다. 실제 마스크 밀착이 제대로 되지 않을 경우 여과효율이 크게 감소한다는 연구결과가 보고된 바 있다.24,25) 따라서, 마스크 밀착도를 고려한 후속 바이오에어로졸 여과효율 연구를 통하여 보다 현실적이고 실용적인 결과를 산출할 필요성이 있다. 또한 본 연구에서 적용한 미생물 현탁액의 에어로졸로 인해 발생한 액적(droplet)은 실제 침이나 콧물 등 다양한 성분들이 포함되어 있는 미생물 비말과 비교 시 그 성상이 다를 수 있으며, 건조 후 남은 잔여물 역시 미생물 이외의 성분들을 포함하고 있다. 따라서 본 연구에 적용한 바이오에어로졸의 물리적 크기 및 분포가 현실을 대표한다고 가정하기에는 한계가 있어, 다양한 실험을 통해 보다 적합한 에어로졸 시험법을 제시할 필요성이 있다. 아울러 현재 시장에 출시된 마스크의 종류 및 특징들이 실로 다양한 바 본 연구에서 사용한 마스크들의 여과효율을 섣불리 일반화할 수는 없으며, 이에 더욱 다양한 마스크들을 대상으로 한 충분한 규모의 후속 연구가 이루어질 필요성이 있다. 향후 보다 확고한 실험법을 바탕으로, 코로나-19 이후 올 수 있는 대규모 감염증들에 대비하기 위해 다양한 세균 및 바이러스에 대한 여과효율을 파악하여 마스크 착용의 보편성 및 정당성에 대한 자료를 확보할 필요가 있다.

V. 결 론

본 연구는 국내에서 구입 가능한 6종의 마스크를 선택하여 세균 및 바이러스를 포함한 바이오에어로졸의 여과효율을 평가함으로써, 마스크 착용에서 기대할 수 있는 미생물학적 안전성 확보와 관련한 기초 정보를 확보하고자 수행되었다. 대상 마스크로 KF94 마스크 2종, 덴탈 마스크 1종, 비말차단용 마스크 1종 및 방진 마스크 2종을 선정하였으며, 시험용 세균으로 황색포도상구균을, 시험용 바이러스로 사람코로나바이러스의 주요한 대체미생물인 쥐코로나바이러스를 사용하였다. 실험한 모든 마스크들은 바이오에어로졸 내 황색포도상구균에 대해 99.7% 이상의 여과효율을 보였으며, 쥐코로나바이러스에 대해 99.6% 이상의 여과효율을 보였다. 특히 KF94-1 및 Dust-1 마스크는 두 종의 바이오에어로졸에 대해 가장 높은 여과 효율을 보였다. 이는 기존 연구들에 비해 뛰어난 수치로, 특히 병원 및 요양시설 등의 고위험 장소에는 KF94 등 여과효율이 검증된 마스크를 권장할 필요성이 있다. 아울러 본 연구에서 사용한 바이러스 여과효율 시험 방법은 기존 세균 여과효율 시험 방법을 바이러스에 알맞게 변화를 주고 성공적인 코로나-19 대체미생물인 쥐코로나바이러스를 적용한 것으로, 향후 바이러스 표준시험법 제정 시 기초 자료로 충분히 활용할 수 있다. 본 연구 결과로 미루어 볼 때, 현재까지 확고한 코로나-19 바이러스 제어 방안이 없는 상황에서, 검증된 마스크 작용은 이러한 호흡기 감염증들의 전파를 예방할 수 있는 주요한 방법으로 권고될 필요성이 있다고 사료된다.

감사의 글

본 연구는 서울대학교 발전기금(도부 학술장학금)의 재원으로 수행하는 연구사업의 지원을 받아 수행하였습니다.

CONFLICT OF INTEREST

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

<저자정보>

최수은(박사과정), 최도선(석사과정), 장성재(박사과정),

박성준(연구원), 윤충식(교수), 이기영(교수),

고광표(교수), 이정훈(교수)

Fig 1.

Journal of Environmental Health Sciences 2022; 48: 116-122https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.116

Table 1 Features of commercial face masks used in this study

Mask

KF94-1KF94-2Surgical-1KF-AD-1Dust-1Dust-2
Approved classKF94KF94SurgicalKF-ADClass 1*Class 1
ShapeCupFlat foldFlat and flexible with 3 pleatsFlat and flexible with 3 pleatsCupFlat fold
ValveNoNoNoNoYesYes
Layer(s)221133

*Classified following the public notice from Ministry of Employment and Labor (2020).12)

Without inner and outer layers.


Table 2 Filtration efficiencies of face masks for biological aerosols

Biological aerosol*Mask

KF94-1KF94-2Surgical-1KF-AD-1Dust-1Dust-2
Staphylococcus aureus
(ATCC 6538)
99.99±0.0299.91±0.1999.74±0.3399.93±0.0699.92±0.1999.92±0.15
Murine coronavirus
(ATCC VR-764)
99.97±0.08a99.66±0.7699.76±0.15ab99.84±0.2599.97±0.07b-

*Biological aerosol containing test microorganism.

Presented as mean±standard deviation (n=6).

Lower-case letters indicate statistical significance for comparisons between masks (p<0.05; Mann-Whitney U test).


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The Korean Society of Environmental Health

Vol.48 No.3
June, 2022

pISSN 1738-4087
eISSN 2233-8616

Frequency: Bimonthly

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