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TWA STEL 노출기준 완벽 정리: 의미, 계산법, 작업환경측정 실무 적용

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이 글의 목적은 작업장에서 사용하는 유해물질 노출 기준인 TWA와 STEL의 정확한 의미와 계산 방법을 정리하고, 작업환경측정 결과를 해석하여 실무에 바로 적용할 수 있도록 돕는 것이다.

1. 작업장 유해물질 노출기준이 중요한 이유

유해화학물질을 사용하는 작업장은 항상 급성 중독과 만성 건강장해 위험에 노출되어 있다. 단시간에 높은 농도로 노출되면 의식소실·질식·화학화상 등 급성 영향이 나타나고, 상대적으로 낮은 농도라도 장기간 반복 노출되면 암, 폐질환, 신경계 및 생식독성 등 만성 질환이 발생할 수 있다.

이러한 건강장해를 예방하기 위해 각국의 산업보건기관과 법령에서는 물질별로 허용농도, 즉 노출기준을 제시한다. 현장에서 가장 널리 사용되는 개념이 시간가중평균농도(Time-Weighted Average, TWA)와 단기노출한계(Short-Term Exposure Limit, STEL)이다.

단순히 농도 수치만 아는 것으로는 충분하지 않다. 기준이 어떤 시간 범위를 전제로 하는지, 휴게시간은 어떻게 반영하는지, 교대근무나 혼합노출 상황에서 어떻게 계산해야 하는지까지 이해해야 안전한 설계와 관리가 가능하다.

2. TWA(Time-Weighted Average) 기본 개념

TWA는 말 그대로 일정 시간 동안의 노출농도를 시간으로 가중 평균한 값이다. 일반적으로 8시간 작업시간을 기준으로 하며, 해당 기간 동안 노동자가 흡입한 평균 농도가 TWA 노출기준 이하가 되도록 관리해야 한다.

실제 작업환경에서는 공정조건, 환기상태, 작업강도, 설비 가동 여부에 따라 시간대별 농도가 변동한다. TWA는 이 변동을 모두 반영하여 “하루 전체를 통틀어 평균하면 어느 정도 농도에 노출되었는가”를 수치로 표현한 것이다.

2.1 TWA 계산 공식

TWA 계산의 기본 공식은 다음과 같다.

TWA = (C₁ × t₁ + C₂ × t₂ + ... + Cₙ × tₙ) ÷ (t₁ + t₂ + ... + tₙ)
C₁, C₂, ..., Cₙ : 각 구간의 공기 중 농도

t₁, t₂, ..., tₙ : 각 구간의 노출 시간(시간 단위로 환산)

즉, 각 시간 구간별 농도에 해당 구간의 노출시간을 곱해 모두 더한 뒤, 전체 노출시간으로 나누면 된다. 일반적으로 농도 단위는 ppm 또는 mg/m³, 시간은 시간 단위(분 단위 측정값을 시간으로 환산)로 통일한다.

2.2 TWA 계산 예제

예를 들어 어떤 용제를 사용하는 작업자가 하루 8시간 근무하면서 다음과 같이 노출되었다고 가정한다.

  • 1구간: 2시간 동안 10 ppm
  • 2구간: 4시간 동안 30 ppm
  • 3구간: 2시간 동안 5 ppm

이때 TWA는 다음과 같이 계산한다.

TWA = (10 ppm × 2 h + 30 ppm × 4 h + 5 ppm × 2 h) ÷ (2 h + 4 h + 2 h) = (20 + 120 + 10) ÷ 8 = 150 ÷ 8 = 18.75 ppm

만약 해당 물질의 8시간 TWA 노출기준이 20 ppm이라면, 계산된 18.75 ppm은 기준 이내로 관리되고 있는 것으로 평가한다.

주의 : TWA는 하루 전체 평균값이므로 특정 시간대에 단기적으로 매우 높은 농도에 노출되었더라도 낮은 농도 구간이 길면 평균이 낮아질 수 있다. 따라서 급성 영향 방지를 위해서는 TWA와 별도로 STEL 또는 Ceiling(상한농도) 기준을 함께 확인해야 한다.

2.3 휴게시간·비노출 시간의 처리

근로자에게 실제로 유해물질 노출이 없는 휴게시간, 사무실 체류 시간 등은 농도 0으로 간주하여 TWA 계산에 포함하는 것이 일반적이다. 예를 들어 8시간 중 1시간 식사·휴게시간 동안 작업장에서 완전히 벗어나 있다면, 해당 시간의 농도는 0으로 계산한다.

그러나 작업장에서 대기만 하고 있거나, 설비는 멈추었지만 잔류농도가 충분히 낮다고 객관적으로 입증되지 않은 경우에는 노출농도를 0으로 간주해서는 안 된다. 이 경우에는 실제 측정 또는 보수적 추정을 통해 농도를 반영해야 한다.

3. STEL(Short-Term Exposure Limit) 기본 개념

STEL은 단시간(대표적으로 15분) 동안 허용되는 최대 평균농도를 의미한다. 주로 자극성이 강하거나 신경계에 급성 영향을 주는 물질에 대해 설정한다. STEL을 초과하는 농도에 짧은 시간만 노출되어도 어지러움, 호흡곤란, 점막 자극 등 급성 증상이 나타날 수 있기 때문이다.

일반적인 운용 원칙은 다음과 같다.

  • STEL은 보통 15분 평균농도로 정의한다.
  • 해당 15분 평균농도가 STEL을 초과해서는 안 된다.
  • 하루 근무시간 동안 STEL 수준의 노출이 허용되는 횟수는 제한된다(예: 1일 4회 이내 등 기관별 가이드 준용).
  • STEL 노출 사이에는 일정 시간 이상의 간격을 두어야 한다(예: 최소 60분 이상).

3.1 STEL 측정 및 평가 방법

STEL 평가를 위해서는 다음과 같은 절차를 따른다.

  1. 공정, 작업패턴을 분석하여 단기적으로 농도가 높아질 것으로 예상되는 구간을 특정한다.
  2. 그 시간대에 맞춰 개인시료채취 또는 고정식 채취를 15분 단위로 수행한다.
  3. 분석 결과를 15분 평균농도로 환산하여 STEL 값과 직접 비교한다.
  4. 여러 시간대에서 측정한 경우, 가장 높은 15분 평균값을 기준으로 평가한다.
주의 : 작업환경측정에서 15분보다 짧게 채취한 시료는 그대로 STEL 비교에 사용할 수 없다. 채취시간에 비례하여 환산하거나, STEL 전용 측정 전략을 별도로 수립해야 한다.

3.2 STEL이 필요한 대표 물질

다음과 같은 특성을 가진 물질은 STEL 관리가 특히 중요하다.

  • 강한 자극성 가스를 발생시키는 산·염기(예: 염산, 암모니아 등)
  • 급성 중추신경계 영향이 두드러지는 용제류
  • 후각 둔화, 질식 위험 등으로 단시간 고농도 노출이 치명적인 가스류

이들 물질은 8시간 평균 농도가 기준 이내라 하더라도, 특정 작업(탱크 세척, 밸브 교체 등)에서 단시간 고농도 노출이 반복되면 건강장해 위험이 커지므로 STEL 관리를 병행해야 한다.

4. TWA와 STEL의 차이와 관계

TWA와 STEL은 서로 다른 건강영향을 관리하기 위한 보완적 지표이다. 핵심 차이를 표로 정리하면 다음과 같다.

구분 TWA STEL
기준 시간 통상 8시간(근무시간 전체) 통상 15분(단기 구간)
관리 목적 만성·장기적 건강영향 관리 급성·단기적 자극·독성 관리
평가 방법 시간가중 평균 계산 최악의 15분 평균과 직접 비교
허용 초과 여부 8시간 평균이 기준 이하여야 함 어느 15분 구간도 기준 초과 불가
적용 물질 대부분의 유해물질 급성 영향이 뚜렷한 물질 중심
주의 : TWA 기준을 만족한다고 해서 STEL 기준이 자동으로 만족되는 것은 아니다. 반대로 STEL만 만족하고 8시간 TWA 기준을 초과하는 경우도 허용되지 않는다. 항상 두 기준을 동시에 검토해야 한다.

5. TWA·STEL 실제 계산 실무 예시

5.1 단일 물질에 대한 TWA·STEL 동시 평가

어느 도장공정에서 유기용제 A에 대한 측정을 다음과 같이 수행했다고 가정한다.

  • 08:00~10:00 : 20 ppm
  • 10:00~11:00 : 5 ppm
  • 11:00~12:00 : 휴게시간(작업장 외부, 0 ppm)
  • 12:00~15:00 : 25 ppm
  • 15:00~16:00 : 10 ppm

전체 노출시간은 7시간이지만, TWA 평가는 8시간 기준으로 하는 것이 일반적이다. 이 경우, 휴게시간 1시간(0 ppm)을 포함한 8시간으로 계산한다.

TWA = (20×2 + 5×1 + 0×1 + 25×3 + 10×1) ÷ 8 = (40 + 5 + 0 + 75 + 10) ÷ 8 = 130 ÷ 8 = 16.25 ppm

만약 물질 A의 TWA 기준이 20 ppm이라면 TWA는 기준 이내로 관리되고 있다고 평가할 수 있다.

동일 작업에서 STEL 측정을 위해 15분 단위 채취를 했다고 가정한다.

  • 도장 시작 직후 15분 평균: 30 ppm
  • 도장 중간 15분 평균: 40 ppm
  • 도장 종료 직전 15분 평균: 35 ppm

STEL 기준이 50 ppm인 경우, 최고 15분 평균인 40 ppm이 기준 이내이므로 STEL 기준도 만족한다. 그러나 만약 어느 한 구간에서 55 ppm이 나왔다면, TWA가 기준 이내여도 STEL 기준 위반으로 판단하고 국소배기 강화, 작업시간 단축, 보호구 상향 등 개선조치를 해야 한다.

5.2 12시간 교대근무 시 TWA 보정 개념

노출기준은 대체로 8시간 교대를 기준으로 설정된다. 10시간, 12시간 등 장시간 교대에서 동일 농도로 노출된다면 하루 전체의 흡입량이 증가하므로, 동일 기준을 그대로 적용하면 과소평가가 될 수 있다.

이를 보정하기 위해 일부 가이드에서는 작업시간이 길어질수록 허용농도를 낮춰 적용하는 보정식을 사용한다. 대표적인 개념은 다음과 같다.

  • 작업시간이 길어질수록 기준치를 선형적으로 낮춘다.
  • 하루 24시간 중 비노출 시간(휴식·수면)이 짧을수록 회복 가능성이 줄어든다고 본다.

실무에서는 법적 기준, 기관 가이드, 사내 규정을 종합하여 보수적인 방향으로 기준을 설정해야 한다.

주의 : 교대제 보정식을 사용할 때에는 출처가 명확한 공신력 있는 가이드를 기준으로 삼아야 하며, 자체적으로 임의 조정한 값을 법적 기준으로 간주해서는 안 된다.

5.3 혼합 노출 시 합산지수(Mixture Index) 적용

같은 장기 건강영향(예: 유기용제에 의한 중추신경계 영향)을 유발하는 여러 물질에 동시에 노출되는 경우, 각 물질의 TWA가 기준 이내라 하더라도 합산하면 과다 노출이 될 수 있다. 이때는 합산지수(혼합지수)를 사용한다.

대표적인 판단식은 다음과 같다.

혼합노출 지수 = (C₁ ÷ 기준₁) + (C₂ ÷ 기준₂) + ... + (Cₙ ÷ 기준ₙ)
혼합노출 지수 ≤ 1 : 허용 범위

혼합노출 지수 > 1 : 과다 노출 가능성, 관리 강화 필요

예를 들어 서로 유사한 작용기전을 가진 용제 B, C에 대한 8시간 TWA와 기준이 다음과 같다고 가정한다.

  • B: 측정 TWA 30 ppm, 기준 50 ppm
  • C: 측정 TWA 60 ppm, 기준 100 ppm

혼합노출 지수는 다음과 같다.

혼합노출 지수 = (30 ÷ 50) + (60 ÷ 100) = 0.6 + 0.6 = 1.2

지수가 1을 초과하므로, 두 물질의 개별 TWA는 기준 이내라도 혼합노출 전체로 보면 과다노출 가능성이 있다고 해석한다. 이 경우 환기 개선, 공정 캡슐화, 용제 대체, 보호구 강화 등의 대책을 검토해야 한다.

6. 작업환경측정 결과에서 TWA·STEL 읽는 법

실제 작업환경측정 보고서에는 다양한 항목이 포함되며, 기관·양식에 따라 다소 차이가 있지만 일반적으로 다음과 같은 항목이 공통적으로 기재된다.

  • 물질명, CAS 번호
  • 측정 위치, 공정, 작업내용
  • 시료채취 방법(개인시료, 고정시료 등)
  • 채취 시작·종료 시각, 채취시간
  • 분석 농도(μg, mg, ppm 등) 및 공기 중 농도로의 환산
  • 8시간 TWA 환산값
  • STEL 또는 Ceiling 측정값(해당되는 경우)
  • 노출기준 대비 비율, 적합·부적합 판단

6.1 TWA 평가 항목 해석

보고서에서 TWA 평가는 대체로 다음과 같이 정리된다.

  • “TWA(8h)” 또는 “8시간 시간가중평균” 등의 표기로 8시간 기준 값이 표시된다.
  • “기준 대비 비율(%)” 또는 “지수” 항목에서 TWA ÷ 기준 × 100% 형태의 결과를 제시한다.
  • “적합/부적합”, “양호/불량” 등으로 최종 판정이 기록된다.

실무자는 단순히 판정 결과만 보는 것이 아니라, TWA와 기준의 여유 정도를 함께 확인해야 한다. 예를 들어 기준의 90% 수준이라면 당장 부적합은 아니더라도 공정 변경, 생산량 증가, 환기 설비 노후화 등으로 쉽게 기준을 초과할 수 있다.

6.2 STEL 평가 항목 해석

STEL이 설정된 물질에 대해서는 별도의 단기노출 평가 결과가 제시된다. 형식 예시는 다음과 같다.

  • “STEL(15min)” 항목에 각 15분 구간의 평균농도
  • 각 구간별 측정값과 기준의 비교
  • 최대 측정값 기준의 적합/부적합 판정

여러 구간을 측정한 경우, 그중 가장 높은 값을 기준으로 판단하는 것이 일반적이다. STEL 기준을 단 한 번이라도 초과하면 급성 위험이 존재한다고 보고 시급한 개선조치를 요구하는 것이 바람직하다.

7. 실무에서 자주 발생하는 오류와 예방 팁

7.1 측정값 단순 평균과 TWA 혼동

시료채취 시간이 서로 다른 여러 시료를 채취한 뒤 단순 산술평균으로 계산하는 오류가 자주 발생한다. TWA는 반드시 각 구간의 농도에 노출시간을 곱한 후 전체 시간으로 나누어야 한다.

주의 : “농도값들의 평균”이 아니라 “시간가중평균”이라는 점을 항상 인지해야 한다. 시료마다 채취시간이 다르면 단순 평균은 의미 있는 지표가 아니다.

7.2 보호구 착용 시간을 TWA에서 임의로 제외

방독마스크 등 보호구를 착용했다고 해서 공기 중 농도가 사라지는 것은 아니다. 일부 현장에서는 보호구 착용시간을 아예 노출시간에서 제외하여 TWA를 낮게 계산하는 오류를 범한다.

노출기준 자체는 공기 중 농도 기준이므로, 보호구 착용 여부와 상관없이 작업자가 숨쉬는 환경의 공기 중 농도를 기준으로 평가하는 것이 원칙이다. 보호구는 개별 근로자 보호를 위한 추가 수단으로 취급해야 한다.

7.3 교대제 변화 시 기준 재검토 누락

8시간 주간근무에서 12시간 교대근무로 변경되었음에도, 예전 측정결과와 기준을 그대로 적용하는 사례가 있다. 근무시간이 늘어나면 하루 누적 노출량이 증가하므로, 다시 측정을 수행하고 기준 적용 방식을 재검토해야 한다.

7.4 STEL 측정을 TWA 측정으로 대체

공정 특성상 단기 고농도 노출 가능성이 분명함에도, 측정비용 절감 등을 이유로 8시간 TWA 측정만 반복하는 경우가 있다. 이 경우 급성 노출 위험을 놓칠 수 있다. STEL이 설정된 물질·공정이라면 주기적으로 단기노출 측정을 수행해야 한다.

FAQ

TWA가 기준치보다 낮으면 STEL은 따로 보지 않아도 되는가?

그렇지 않다. TWA와 STEL은 서로 다른 목적의 지표이다. 하루 평균농도는 낮더라도 특정 시간대에 매우 높은 농도로 노출되는 경우 급성 중독이나 자극 증상이 나타날 수 있다. 특히 STEL이 설정된 물질은 TWA와 별도로 STEL 기준을 반드시 확인해야 한다.

근무시간이 8시간보다 짧은 근로자의 TWA는 어떻게 계산하는가?

기본적으로는 실제 노출시간을 분모로 하여 TWA를 계산한다. 예를 들어 4시간 단시간 작업만 수행하고 나머지 시간은 작업장 외부에 있다면 4시간 동안의 시간가중평균이 TWA가 된다. 다만, 법령·가이드에 따라 평가 방식이 다를 수 있으므로 해당 기준을 우선적으로 확인해야 한다.

가스검지관으로 순간 농도만 측정했는데 TWA를 어떻게 추정할 수 있는가?

가스검지관은 특정 시점 또는 짧은 기간의 농도만을 보여주므로, 이를 그대로 8시간 TWA로 간주하는 것은 부정확하다. 공정 특성과 작업패턴을 잘 아는 관리자가 여러 시점에서 반복 측정을 수행한 뒤, 농도 변동 양상을 보수적으로 가정하여 TWA를 추정할 수는 있다. 그러나 중요한 판단이 필요한 경우에는 펌프식 정밀 측정과 공식적인 작업환경측정을 수행하는 것이 바람직하다.

환기 개선 후 TWA·STEL 재평가는 언제 하는 것이 좋은가?

국소배기장치 설치·덕트 개조·공정 캡슐화 등 공학적 개선을 한 경우, 실제로 공기 중 농도가 어느 수준으로 감소했는지 확인하기 위해 개선 직후 가급적 빠른 시점에 재측정을 수행하는 것이 좋다. 이후 공정 안정화, 생산량 변화 등을 고려하여 정기 측정 주기에 맞추어 재평가를 반복하면 개선 효과를 장기적으로 검증할 수 있다.

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