커피 비즈니스를 위한 코로나19의 이해 (3), 무엇이 코로나19의 전파 가능성을 높이는가?

지난 10월 1일 미국 캘리포니아에 위치한 글로벌 스페셜티 커피 협회(Specialty Coffee Association, 이하 SCA)에서 코로나바이러스감염증-19 이후 스페셜티 커피 산업과 관련하여 수집한 여러 조사 프로젝트의 결과를 바탕으로 아래 내용을 준비했다. 영상을 바탕으로 한 아래의 내용은 US 데이비스 커피 센터의 교수로 일하고 있는  William D. Ristenpart 교수가 진행했으며, 커피 비즈니스를 하고 있는 많은 커피인들에게 유용한 도움이 될 것이다. 특히 공기 중 감염을 일으키는 바이러스에 대응하기 위해 어떻게 안전하게 카페를 운영할 수 있는지에 대한 좋은 지침이다. 블랙워터이슈에서는 위 영상의 Part 1부터 Part4까지 각 4부분을 기사로 다룰 예정이다. 오늘은 "Part 3. 무엇이 코로나19의 전파 가능성을 높이는가?" 이다.

위 이미지에서 우리는 두 가지 위협 요인에 대해 알 수 있다. 한 가지는 호흡기를 통해 배출되는 미세 입자 및 비말들이고, 하나는 "밀폐"된 공간을 통해 퍼지는 '공기 중 미세 입자(Aerosol)'이다. (위 이미지에서 언급된 plume는 '기둥'이란 의미로 호흡기를 통해 배출되는 숨으로 인해 발생하는 기둥처럼 묘사되는 공기의 배출을 의미한다. 흔히 지붕 굴뚝에서 올라가는 연기 기둥과 같은 것들을 가리키는 데 사용되는 단어이다.)첫 번째 요소인 호흡기를 통해 배출되는 미세 입자 및 비말들은 우리가 현재 시행하고 있는 사회적 거리두기 2m(6피트)의 근거가 되는 반경 범위를 가지고 있다. 사람 간 감염이기 때문에 더 직접적이고 간염 가능성이 높을 수 있다. 

다음 요인인 밀폐된 공간에서의 감염의 경우, 비교적 감염된 입자의 농도가 적을 수 있으나 에어컨과 같은 매개들로 인해 2미터가 넘는 반경에서도 감염될 수 있으며, 집단 감염을 일으킬 수 있는 경우이다. [이 경우의 직접적인 사례는 커피 비즈니스를 위한 코로나19의 이해 Part 2 기사를 참고할 수 있다.]

호흡을 통해 전파될 가능성

공기를 통해 미세 입자들의 흐름을 알아보기 위해 슐리렌 장치를 이용할 수 있다. 슐리렌 장치는 투명한 매질을 통과하는 초음파 빔의 가시적인 표시를 위하여 사용하는 광학 장치인데 쉽게 말하면, 공기의 떨림을 눈으로 볼 수 있게 해주는 장치라고 말할 수 있다. 위 이미지를 보면 몸에서 발생하는 뜨거운 공기가 위로 올라가는 모습을 슐리렌 장치를 이용해 볼 수 있다. 즉 우리는 인지하지 못하지만 우리는 늘 공기의 흐름을 만들어 내고 있으며, 공기의 떨림은 계속되고 있다.

위 영상에서 확인할 수 있는 것처럼 마른 기침과 같은 행위만으로 꽤 멀리 미세 입자들을 이동시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 때문에 우리가 어떤 사람과 대화하면서 그 사람의 입에서 나는 커피 냄새를 맡았다면, 그것은 그의 숨을 통해 배출된 입자를 우리의 들숨을 통해 폐로 받아들인 것일 수도 있다. 어쩌면 우리는 그 순간 잠재적으로 바이러스를 들이킨 것일 수 있다는 것이다. 그렇다면 우리의 날숨을 통해 배출된 미세 입자들은 얼마나 오래 공기 중에 떠 있을까?

위 이미지를 보면 2미터 높이에서 일정 크기를 가진 입자들이 바닥까지 떨어지는 시간을 보면 1mm의 직경을 가진 입자는 0.5초에 떨어지지만 1미크론의 경우 3시간이나 공기 중에 떠 있을 수 있다는 것을 볼 수 있다. 따라서 우리가 알고 있는 코로나19 바이러스는 0.1미크론임을 고려한다면 '공기 중 미세 입자'가 얼마나 오래 공기 중에 머무를 수 있는지 우리는 쉽게 이해할 수 있다. 만약 이 점이 믿겨지지 않는다면 아래의 동영상을 확인할 수 있다. 

위 영상에서 레이저 포인터의 녹색 빔은 실제 빔이 아니라 입자들이다. 즉 레이저 포인터가 비추는 빛을 반사하는 미세 입자들을 우리는 보고 있는 것이다. 

위 내용들을 종합해 보면 무증상자가 자각 없이 내쉬는 모든 숨들을 통해서 폐 속 혹은 성대 사이에서 발생하는 미세 입자들이 배출되고, 그 입자들을 통해 바이러스가 전파될 수 있다는 것이다.

밀폐된 공간에서의 '공기 중 미세 입자'의 전파

아마 두 번째 위협 요인인 밀폐된 공간에서의 전파는 커피 산업에 종사하는 카페 비즈니스 종사자들에게 매우 중요한 내용일 것이다. 아래의 영상은 밀폐된 공간에서 미세 입자들이 어떻게 전파되는지를 잘 보여주는 영상이다.

 위 영상은 미국의 대표적인 인스턴트 커피 브랜드 폴져스(Folgers)의 80년대 커머셜 영상이다. 위 영상을 보면 아침에 자고 있던 부부가 커피가 끓는 향을 맡고 일어나는 장면을 볼 수 있다. 무엇이 이 부부의 잠을 깨운 것일까? 영상에서는 1층의 키친에서 만들어진 커피의 아로마가 2층 부부의 침실까지 이동했다는 것을 이해할 수 있다. 

중요한 점은 밀폐된 공간 내부에 공기의 움직임에 큰 영향을 미치는 요소가 없었음에도 불구하고 그들이 커피의 아로마를 맡을 수 있었다는 것이다. 위 슐리렌 장치를 통해 확인하실 수 있었던 것처럼 우리의 몸의 열기를 통해서도 미세 입자들은 이동하며, 밀폐된 장소에서의 아주 약한 공기의 흐름도 미세 입자를 이동시킬 수 있다.

13일 의학 논문 사전공개 사이트인 ‘메드아카이브(medRxiv)’에는 신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19·코로나19)를 유발하는 사스코로나바이러스-2(SARS-CoV-2)의 확산에 에어컨과 같은 환기 시스템이 어떤 역할을 하는지 수학 모델을 이용해 컴퓨터로 시뮬레이션한 결과가 실렸다. 

이를 증명하는 사례로 이미 전 기사들에서 언급된 바 있는 광저우에 위치한 레스토랑 내에서 발생한 집단 감염 사례를 들 수 있다. 위 이미지에 표기된 Index Patient는 1번 확진자(무증상 감염자)를 가리킨다. 이 레스토랑의 문제점 중 주목할만 한 점은 환기 설비가 충분하지 않았다는 것이다.(배기 팬이 닫혀 있었다.) 즉 외부의 신선한 공기가 유입된 것이 아니라 밀폐된 곳의 공기가 재순환된 것이다. 

위쪽의 에어컨 공기의 재순환을 통해 감염된 사람들의 경우를 보면 어떤 사람들은 감염이 되었고, 어떤 사람들은 감염이 되지 않았다. 무엇이 전파 가능성에 영향을 미쳤을까? 

위의 그래프는 밀폐된 공간에서 전파 가능성을 보여주는 곡선이다. 이 곡선의 X축은 들숨으로 우리가 받아들일 수 있는 미세 입자들의 수이며, Y축은 전파 가능성을 의미한다. 요점은 X축과 Y축이 비례한다는 것이다. 즉, 들숨으로 받아들일 수 있는 미세 입자(병원체)들의 수가 줄어들 수록 전파 가능성이 낮아진다는 것이다. 중요한 점은 우리가 이 곡선의 관계를 통해 전파 가능성을 어떻게 낮출 것인가이다. 그 점을 아래에 나오는 X축의 N값을 구하는 과정을 살펴보자.

위 등식을 보면 N을 증가시킬 수 있는 요인이 2가지가 있음을 알 수 있다. q값과 t값이다. 여기서 t값은 우리가 밀폐된 공간에 노출된 시간을 의미한다. 즉 밀폐된 공간에 오래 머물수록 전파 가능성은 높아진다는 것이다. q값은 '공기 중 감염된 미세 입자의 비율(Virus Aerosolization Rate)'을 나타낸 값이다. 즉 우리가 에어로졸을 많이 배출할 수록 이 수치가 증가할 것은 자명하다. 이는 앞서 언급된 기사들에서 알 수 있듯이 기침이나 대화 등을 통해 더 높아질 수 있는 수치이다. 

N값을 낮출 수 있는 유일한 변수는 ACH이다. ACH는 Air Changes per Hour의 약자로 시간당 신산한 공기의 유입과 변화를 나타내는 수치이다. 이는 배기구 환기구를 통해 높일 수 있는 값일 것이다. 이는 카페가 위치한 건물에 공조기가 있는지 그렇지 않은지가 전파 가능성에 영향을 미칠 수 있는 중요한 요소가 될 것이다.

ACH는 두 가지 요소에 영향을 받을 수 있는데 첫 번째는 (1) 밀폐된 공간의 크기(Volume, 부피)이다. 이는 카페의 천정의 높이 역시 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다. 두 번째는 신선한 공기를 얼마나 자주 유입시키는가(The ventilation flow rate)이다. 이 비율은 공조기나 다양한 방법으로 수치를 높일 수 있을 것이다. 카페 오너나 매니저는 이 점을 염두에 두고 환기에 깨어 있다면 분명 전파 가능성을 낮추는데 도움을 얻을 수 있을 것이다. 아래 이미지를 참고해 보면 이 수치를 높일 수 있는 방법을 알 수 있다.

환기 시스템(공조 시스템)을 간단히 도식화한 삽화이다.[HVAC는 Heating, Ventilation, Air Conditioning의 약자로 난방, 환기, 냉방 즉 이들을 통합하여 실내 및 자동차 환경의 안락을 위해 쓰이는 기술로 흔히 공기조화기술이라고 불린다.]이 삽화에서는 신선한 공기를 유입하고, 기존의 밀폐되 내부의 공기를 배출하는 과정을 묘사하고 있다. 그렇다면 The ventilation flow rate를 어떻게 측정할 수 있는가? 풍속계를 이용할 수 있다.

위 이미지에서 알려주는 것처럼 풍속계를 이용하여 각 공조 시스템에 풍속계를 사용하여 평균 속도를 구할 수 있다. 공조 기술자를 부른다면 카페 내부의 The ventilation flow rate를 보다 정확히 측정할 수 있을 것이다. 결론적으로 ACH 값을 산출하는 방법은 아래와 같다.

카페의 공간(볼륨, 부피)을 측정(위의 예시에서는 9,000 세제곱 피트 즉, 미터로 환산하면 대략 255세제곱 미터)하고, 공조기 장치의 개수와 각 공조기 장치의 The ventilation flow rate 값을 구한다.(위 예시에서 300은 분당 100 세제곱 피트 부피의 공기를 3개의 공조 장치에서 공급한다는 의미이다.) 즉, ACH는 신선한 공기의 유입 속도/공간의 부피로 구할 수 있다. 

따라서 2라는 값의 의미는 ACH가 시간당 공기 순환을 얼마나 시켜야 하는지를 의미하므로 밀폐된 카페 내부의 공기를 시간당 적어도 2번 신선한 공기로 완전히 바꿔줘야 함을 의미한다.

위 곡선은 공기 중에 입자들 99%를 제거하는데 필요한 시간(분)과 ACH와의 관계를 그래프로 표기한 내용이다. 한 가지 예시로 손님이 카페에 들어와서 고성을 지르고, 재채기를 한 경우 그가 배출한 오염균을 완전히 제거하는데는 얼마의 시간이 걸릴까. 우리가 고려한 카페의 경우 설치된 공조기의 공기 유입 속도를 고려한다면 위 그래프에서 약 2시간이 더 걸린다는 것을 알 수 있다. 즉, 시간당 2회의 공기 순환이 필요한 카페의 경우 99% 이상 카페 내의 모든 공기 중 입자를 제거하는데에는 2시간이 더 걸린다는 말이다. 물론 2시간 동안 전파 가능성을 계속 낮아지긴 할 것이다. 중요한 점은 ACH 횟수가 증가할 수록 극적으로 공기 중 입자 교체가 빠르게 이뤄진다는 것이다.

미국 내 질병 관리 본부의 가이드에 따르면 밀폐된 공간의 종류에 따라기대하는 ACH의 값이 달라진다는 것을 이해할 수 있다. 예를 들어 식사를 하는 장소의 경우 ACH 수치 즉, 시간당 4회가 기대된다.(물론 공조 시스템의 성능에 따라 이 값은 달라질 수 있을 것이다.) 

이와 관련해서 우리가 방금 고려했던 ACH 2회는 최소값이라는 점을 기억해야 한다. 우리가 가정한 카페의 부피와 공조 시스템을 고려한 최소값이다. 따라서 위 표에서 알려주는 것처럼 2회 이상의 환기가 필요하다는 점을 이해할 수 있다.(이를 단지 문을 열어놓는 환기로 오해해서는 안된다. 공조 시스템의 경우 공기를 유입시키고, 배출시키는 시스템이기 때문이다.)

위의 사례로 언급되었던 광저우의 레스토랑의 경우에는 ACH 값이 0.56에서 0.77였다고 한다. 즉, ACH 값을 고려해 보면, 시간당 1회조차 없었다는 의미이다.

우리는 이 기사를 통해 공기 중 전파를 일으키는 2가지 요인에 대해 다뤘다. 다음 부분의 기사에서는 우리가 어떻게 카페의 전파 가능성을 최대로 낮출 수 있는지에 대해 알아볼 것이다.

커피 비즈니스를 위한 코로나19의 이해 (2) 

커피 비즈니스를 위한 코로나19의 이해 (1)