그레이 (단위)
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1. 개요
그레이(Gy)는 물질 1kg당 1줄(J)의 방사선 에너지가 흡수되는 것을 의미하는 방사선 흡수 선량의 국제 단위이다. 영국의 물리학자 루이스 해럴드 그레이의 이름을 따 1975년 국제도량형총회에서 채택되었다. 그레이는 방사선생물학, 방사선 치료, 방사선 방호 등 다양한 분야에서 활용되며, 방사선 경화, 식품 조사 등에서도 사용된다. 과거에는 라드(rad)가 사용되었으나, 현재는 그레이가 국제단위계에서 사용되며, 1 그레이는 100 라드에 해당한다.
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| 그레이 (단위) | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 기호 | Gy |
| 명명 유래 | 루이스 해럴드 그레이 |
| SI 단위 | |
| 단위계 | SI 유도 단위 |
| SI 기본 단위 | J⋅kg−1 |
| CGS 단위 (비 SI) | 100 rad |
| SI 단위로 표현 | m2⋅s−2 |
| 정의 | |
| 흡수선량 | 방사선에 의해 1 kg의 물질에 1 J의 에너지가 흡수되었을 때의 흡수선량 |
| 커마 | 간접 전리 방사선의 조사에 의해 직접 방출되는 모든 하전 입자의 초기 운동 에너지의 합이 물질 1 kg당 1 J의 일에 상당할 때의 커마 |
2. 정의
1 그레이(Gy)는 1 킬로그램(kg)의 물질에 1 줄(J)의 방사선 에너지가 흡수되는 것을 의미한다. 수학적으로는 다음과 같이 표현된다.
:
구체적으로 그레이는 다음과 같은 두 가지 방식으로 정의될 수 있다.
- '''흡수 선량''': 전리 방사선의 조사에 의해 물질 1 kg당 1 J의 일에 상당하는 에너지가 주어질 때의 흡수 선량을 1 그레이로 정의한다.
- '''커마''': 간접 전리 방사선의 조사에 의해 직접 방출되는 모든 하전 입자의 초기 운동 에너지의 합이 물질 1 kg 당 1 J의 일에 상당할 때의 커마를 1 그레이로 정의한다.[18]
그레이는 시버트(Sv)와 단위 자체(J/kg)는 같지만, 그 의미와 사용 목적이 다르다. 흡수된 방사선의 양을 나타낼 때는 '''그레이'''를 사용하고, 방사선이 인체에 미치는 생물학적 영향을 고려한 등가선량(조사량)을 나타낼 때는 '''시버트'''를 사용한다. 이는 두 개념의 혼동으로 인해 발생할 수 있는 위험을 피하기 위함이다.
3. 기원
그레이(Gy) 단위는 1975년, 영국의 물리학자 루이스 해럴드 그레이(Louis Harold Gray, 1905~1965)의 이름을 따서 정의되었다. 그는 방사선이 생체 조직에 미치는 영향을 연구하며 흡수 선량 개념 정립에 중요한 기여를 한 인물이다.
그레이 단위의 필요성은 X선의 발견과 사용 역사와 밀접한 관련이 있다. 1895년 11월 8일 빌헬름 콘라트 뢴트겐(Wilhelm Röntgen)이 X선을 발견한 이후, X선은 특히 골절 진단이나 몸속 이물질 제거 등 의료 분야에서 혁신적인 기술로 빠르게 확산되었다. 그러나 초기에는 이온화 방사선의 위험성에 대한 인식이 부족하여 안전 조치 없이 사용되는 경우가 많았다.
X선의 광범위한 사용과 함께 그 위험성이 점차 알려지면서, 방사선의 강도를 측정할 표준 단위의 필요성이 커졌다. 여러 나라에서 자체적인 표준을 만들었지만 정의와 측정 방법이 달라 혼란이 있었다. 이러한 문제를 해결하고 국제적인 표준을 마련하기 위해, 1925년 런던에서 열린 제1차 국제 방사선 회의(ICR)에서는 측정 단위를 논의할 별도의 기구를 만들자는 제안이 나왔다. 그 결과 1928년 스톡홀름에서 열린 제2차 ICR에서 만네 시에그반(Manne Siegbahn)을 의장으로 하는 국제 방사선 단위 및 측정 위원회(ICRU)가 공식 출범했다.[11][12]
초기 방사선 측정 기술 중 하나는 공기 중에서 X선이 만드는 이온화 효과를 측정하는 방식이었다. ICRU는 1928년, X선 조사량의 단위로 '뢴트겐'(R)을 정의했다. 이는 표준 상태(0 °C 및 1 기압)의 건조한 공기 1 cm³에서 1 esu의 전하량을 생성하는 X선의 양으로 정의되었으며, X선 발견자인 뢴트겐을 기리기 위해 명명되었다. 1937년에는 이 정의가 감마선에도 적용되도록 확장되었다.[13] 뢴트겐 단위는 방사선 측정 표준화에 큰 기여를 했지만, 공기 중에서의 이온화 효과만을 측정할 뿐 인체 조직을 포함한 다양한 물질에 흡수되는 방사선의 양, 즉 흡수 선량을 직접적으로 나타내지는 못하는 한계가 있었다.[14]
이러한 배경 속에서 1940년, 루이스 해럴드 그레이는 윌리엄 밸런타인 메이노드(William Valentine Mayneord), 존 리드와 함께 새로운 측정 단위 개념을 제시했다. 그는 인체 조직에 대한 중성자의 영향을 연구하며, 물질에 흡수된 에너지 양을 기준으로 하는 단위를 제안했다. 이 단위는 '그램 뢴트겐'(기호: gr)으로 불렸으며, "조직 단위 부피에서 1 뢴트겐의 방사선이 물 단위 부피에서 생성하는 에너지 증가와 동일한 에너지 증가를 생성하는 중성자 방사선의 양"으로 정의되었다.[15] 이는 방사선이 조사된 물질과 상호작용하여 전달하는 에너지, 즉 흡수 선량의 개념을 도입한 중요한 발전이었다. 이 단위는 공기 중에서 약 88 erg에 해당하는 에너지 흡수량과 같았다.
흡수 선량의 중요성이 부각되면서, 1953년 ICRU는 새로운 흡수 선량 단위로 '라드'(rad)를 권고했다. 라드는 1 그램(g)의 물질에 100 erg의 에너지가 흡수되는 것을 의미하며, 당시 널리 사용되던 Cgs 단위계를 기반으로 했다.[13]
1950년대 후반, 국제 도량형 총회(CGPM)는 ICRU에 국제 단위계(SI) 개발에 참여할 것을 요청했다.[16] 이에 따라 흡수 선량의 SI 단위를 정의하는 논의가 진행되었고, 물질 단위 질량당 흡수되는 에너지를 기준으로 하기로 결정했다. 이는 라드의 정의 방식과 동일하지만, MKS 단위계를 기반으로 하여 단위는 킬로그램당 줄(J/kg)이 되었다. 1975년 제15차 CGPM은 이 새로운 SI 단위를 공식적으로 채택하고, 흡수 선량 연구에 크게 기여한 루이스 해럴드 그레이를 기리기 위해 '그레이'(Gy)라고 명명했다. 1 그레이는 1 J/kg과 같으며, 기존 단위인 라드와의 관계는 1 Gy = 100 rad이다. 현재에도 방사선 치료 분야 등에서는 라드와 수치적으로 동일한 센티그레이(cGy, 1 cGy = 1 rad) 단위가 널리 사용되고 있다.
1975년 그레이 단위의 채택은 이온화 방사선의 본질에 대한 이해를 높이고 일관된 측정 단위를 만들기 위한 반세기 이상 노력의 결실이었다.[17]
4. 활용 분야
그레이(Gy)는 방사선 선량을 측정하는 데 여러 분야에서 응용된다.
4. 1. 방사선생물학 및 방사선 치료
조직 내 흡수 선량의 측정은 방사선생물학 및 방사선 치료 분야에서 기본적인 중요성을 가진다. 이는 입사된 방사선이 대상 조직에 전달하는 에너지의 양을 나타내는 척도이기 때문이다. 흡수 선량 측정은 방사선의 산란과 흡수 현상 때문에 복잡하며, 이를 위해 다양한 전문 선량계가 사용된다. 이러한 선량계는 1차원, 2차원, 3차원적 측정이 가능하다.[4][5][6]방사선 치료 시 적용되는 방사선의 양은 치료 대상인 암의 종류와 진행 단계에 따라 달라진다. 완치를 목표로 하는 경우, 고형 상피 조직에서 발생하는 종양에는 일반적으로 60~80 Gy의 선량이 조사되며, 림프종의 경우 20~40 Gy로 치료한다. 수술 후 재발 방지 등을 위한 예방적(보조적) 방사선 치료에는 보통 1회당 1.8~2 Gy씩 분할하여 총 45~60 Gy 정도를 조사한다. 이는 유방암, 두경부암 등의 치료에 적용되는 방식이다.
진단 목적으로 사용되는 방사선량의 예로, 골반 CT 스캔은 6 mGy, 복부 및 골반 부위의 선택적 CT 스캔은 14 mGy의 흡수선량을 유발한다.[7]
4. 2. 방사선 방호
흡수 선량은 방사선 방호에서도 중요한 역할을 하는데, 이는 낮은 수준의 방사선에 의한 확률적 건강 위험을 계산하는 출발점이기 때문이다. 확률적 건강 위험은 암 유발 및 유전적 손상의 ''확률''로 정의된다.[8] 그레이는 방사선의 총 흡수 에너지를 측정하지만, 확률적 손상 역시 방사선의 종류와 에너지, 관련된 조직의 유형에 따라 달라진다. 이 확률은 시버트(Sv) 단위의 등가 선량과 관련이 있으며, 시버트는 그레이와 동일한 차원을 가진다. 이는 등가 선량과 유효 선량에 대한 문서에 설명된 가중 계수에 의해 그레이와 관련된다.
국제 도량형 위원회는 다음과 같이 명시한다. "흡수 선량 ''D''와 선량 당량 ''H'' 사이의 혼동을 피하기 위해, 각 단위에 대한 특수 명칭을 사용해야 한다. 즉, 흡수 선량 ''D''의 단위에 대해서는 킬로그램당 줄 대신 그레이라는 이름을 사용해야 하며, 선량 당량 ''H''의 단위에 대해서는 킬로그램당 줄 대신 시버트라는 이름을 사용해야 한다."[9]
: 1 Gy = 1 J/kg = 1 m2/s2
첨부된 다이어그램은 흡수 선량(그레이 단위)이 먼저 계산 기술을 통해 어떻게 얻어지는지, 그리고 이 값으로부터 등가 선량이 어떻게 파생되는지를 보여준다. X선 및 감마선의 경우 그레이는 시버트로 표현될 때 수치적으로 동일한 값을 가지지만, 알파 입자의 경우 1 그레이는 20 시버트에 해당하며, 이에 따라 방사선 가중 계수가 적용된다.
4. 3. 방사선 조사
그레이(Gy) 단위는 방사선량을 측정하는 여러 분야에서 활용된다. 특히 방사선 경화, 식품 조사, 전자 조사와 같은 과정에서 물질이 흡수한 방사선량(흡수 선량)을 측정하는 데 사용된다. 이러한 공정들이 올바르게 작동하도록 보장하기 위해서는 흡수 선량 값을 정확히 측정하고 제어하는 것이 매우 중요하다.
4. 4. 기타 활용
그레이(Gy)는 선량을 측정하는 데 여러 분야에서 응용된다.
급성 방사선 증후군그레이(Gy)는 고농도의 이온화 방사선에 급성으로 노출되었을 때 받는 선량으로 인한 '조직 효과'의 심각성을 나타내는 데 사용된다. 조직 효과는 방사선 피폭으로 인해 신체 조직에 직접적으로 나타나는 손상을 의미하며, 이는 저선량 피폭 시 나타날 수 있는 확률적 영향(예: 암 발생 위험 증가)과는 달리 일정 선량 이상 피폭 시 확실하게 발생하는 효과이다. 전신에 5Gy 이상의 고에너지 방사선에 급성으로 노출되면 보통 14일 이내에 사망에 이르게 된다. LD1(실험 대상의 1%가 사망하는 선량)은 2.5Gy, LD50(실험 대상의 50%가 사망하는 선량)은 5Gy, LD99(실험 대상의 99%가 사망하는 선량)는 8Gy이다.[10] LD50 선량은 체중 75kg의 성인에게 375J의 에너지가 흡수되는 것에 해당한다.
커마 (Kerma)커마('''k'''inetic '''e'''nergy '''r'''eleased per unit '''ma'''ss|커네틱 에너지 릴리즈드 퍼 유닛 매스eng, 단위 질량당 방출된 운동 에너지)는 방사선 계측학에서 방사선 조사로 인해 물질 내 하전 입자에 전달된 초기 운동 에너지의 총합을 단위 질량으로 나눈 값으로, 그레이(Gy) 단위로 표시된다. 중요한 점은 커마는 흡수 선량과 다르다는 것이다. 이는 관련된 방사선 에너지에 따라 달라지는데, 부분적으로 이온화 에너지가 고려되지 않기 때문이다. 낮은 에너지에서는 커마와 흡수 선량이 거의 같지만, 높은 에너지에서는 커마가 흡수 선량보다 훨씬 높을 수 있다. 이는 일부 에너지가 제동 복사 (X-선) 또는 빠르게 움직이는 전자의 형태로 흡수 부피 밖으로 빠져나가기 때문이다.
커마를 공기에 적용할 경우, 기존의 방사선 노출 단위인 뢴트겐(R)과 유사한 개념으로 사용될 수 있지만, 두 단위의 정의에는 차이가 있다. 그레이는 어떤 대상 물질과도 독립적으로 정의되지만, 뢴트겐은 건조 공기에서의 이온화 효과로 특별히 정의되었으며, 이는 다른 매체에 미치는 영향을 반드시 나타내는 것은 아니다.
간접 전리 방사선(예: 중성자, 감마선)의 조사에 의해 직접 방출되는 모든 하전 입자의 초기 운동 에너지의 합이 물질 1 kg 당 1 J의 일에 해당할 때의 커마를 1 그레이로 정의한다.[18] 이는 J/kg = m2 s−2, 즉 T−2 L2의 차원을 갖는다.
5. 역사적 배경
1895년 11월 8일, 빌헬름 콘라트 뢴트겐(Wilhelm Röntgen)이 X선을 발견하면서 방사선의 시대가 열렸다. X선은 특히 골절 진단이나 몸속 이물질 제거 등 의료 분야에서 빠르게 활용되기 시작했으며, 기존 기술로는 불가능했던 진단을 가능하게 하는 혁신적인 기술로 평가받았다.
그러나 X선의 광범위한 사용과 함께 이온화 방사선의 위험성에 대한 인식도 점차 높아졌다. 이에 따라 방사선의 강도를 객관적으로 측정할 수 있는 표준 단위의 필요성이 제기되었다. 여러 국가에서 자체적인 표준을 개발했지만, 정의와 측정 방법이 달라 혼란이 있었다. 국제적인 표준을 마련하기 위해 1925년 런던에서 열린 제1차 국제 방사선 회의(ICR, International Congress of Radiology)에서는 방사선 측정 단위를 논의할 별도의 위원회 설립이 제안되었다. 이 제안에 따라 국제 방사선 단위 및 측정 위원회(ICRU, International Commission on Radiation Units and Measurements)가 창설되었고, 1928년 스톡홀름에서 열린 제2차 ICR에서 만네 시에그반(Manne Siegbahn)을 의장으로 공식 발족했다.[11][12]
초기에 X선 강도를 측정하는 방법 중 하나는 공기로 채워진 이온 전리함을 이용해 공기 중에서의 이온화 정도를 측정하는 것이었다. 제1차 ICRU 회의에서는 이를 바탕으로 새로운 방사선 피폭 단위를 정의할 것을 제안했다. 즉, 0°C, 1 표준 기압 조건의 건조한 공기 1cm3에서 1 esu의 전하를 생성하는 X선의 양을 1 단위로 정의하자는 것이었다. 이 단위는 X선 발견자인 빌헬름 뢴트겐을 기리기 위해 '뢴트겐'(roentgen)이라고 명명되었다. 1937년에는 이 정의가 감마선에도 적용되도록 확장되었다.[13] 뢴트겐 단위는 방사선 표준화에 큰 기여를 했지만, 공기 중에서 X선이 만드는 이온화 효과만을 측정할 뿐, 인체 조직을 포함한 다양한 물질에 방사선이 실제로 얼마나 흡수되는지를 직접 나타내지는 못하는 한계가 있었다.[14]
이러한 배경 속에서 1940년, 루이스 해럴드 그레이(Louis Harold Gray)는 윌리엄 밸런타인 메이노드(William Valentine Mayneord), 존 리드(John Read)와 함께 새로운 측정 단위 개념을 제시하는 논문을 발표했다. 그는 인체 조직에 대한 중성자의 영향을 연구하면서 물질에 흡수되는 방사선 에너지를 측정하는 단위의 필요성을 느꼈고, '그램 뢴트겐'(gram roentgen, 기호: gr)이라는 단위를 제안했다. 이는 "조직 단위 부피에서 1 뢴트겐의 방사선이 물 단위 부피에서 생성하는 에너지 증가와 동일한 에너지 증가를 생성하는 중성자 방사선의 양"으로 정의되었다.[15] 이 단위는 공기 중에서 88 erg에 해당하는 에너지 흡수량과 같다는 것이 밝혀졌으며, 방사선이 조사된 물질과 상호작용하여 흡수되는 에너지, 즉 흡수선량의 개념을 도입하는 중요한 계기가 되었다.
이후 흡수선량을 직접 나타내는 단위의 필요성이 더욱 강조되었고, 1953년 ICRU는 새로운 흡수선량 단위로 라드(rad)를 권장했다. 라드는 1 그램(g)의 물질에 100 에르그(erg)의 에너지가 흡수되는 것을 의미하며(1 rad = 100 erg/g), 당시 널리 사용되던 Cgs 단위계를 기반으로 했다.[13]
1950년대 후반, 국제 도량형 총회(CGPM, Conférence Générale des Poids et Mesures)는 ICRU에 다른 과학 단체들과 협력하여 국제 단위계(SI, Système International d'unités) 개발에 참여할 것을 요청했다.[16] 국제단위계위원회(CCU, Consultative Committee for Units)는 흡수선량의 SI 단위를 '흡수된 물질의 단위 질량당 전달된 에너지'로 정의하기로 결정했다. 이는 라드의 정의와 동일한 개념이지만, MKS 단위계를 기반으로 하므로 단위는 킬로그램당 줄(J/kg)이 된다.
1975년, 제15차 CGPM은 이 새로운 SI 흡수선량 단위를 공식적으로 채택하고, 1965년에 사망한 루이스 해럴드 그레이를 기리기 위해 '그레이'(gray, 기호: Gy)라고 명명했다.[17] 따라서 1 그레이는 1 킬로그램의 물질에 1 줄의 에너지가 흡수되는 것을 의미하며(1 Gy = 1 J/kg), 기존 단위인 라드와의 관계는 '''1 Gy = 100 rad'''가 된다.[18] 그레이 단위의 채택은 이온화 방사선에 대한 이해가 깊어지고 일관된 측정 체계를 확립하려는 반세기 이상 노력의 결실이었다.
현재 라드는 국제 단위계에서 일관성이 없는 비 SI 단위로 분류되어 사용이 줄어들고 있다. 다만, 일부 국가에서는 법정 계량 단위로 여전히 인정하고 있다. 미국의 국립표준기술연구소(NIST)는 SP811 문서에서 라드, 큐리, 뢴트겐, 렘과 같은 비 SI 단위의 사용을 강력히 자제할 것을 권고하고 있다.[20] 하지만 방사선 치료 분야에서는 여전히 센티그레이(cGy)가 널리 사용되는데, 이는 1 cGy가 기존의 1 rad와 수치적으로 동일하여 임상 적용에 편리하기 때문이다.
6. 변환
1 그레이(Gy)는 100 라드(rad)와 같다.[13][18] 즉, 1 라드는 0.01 그레이이다.[18]
과거에는 흡수 선량의 단위로 라드(rad)가 널리 사용되었다. 라드는 1 그램(g)의 물질에 100 에르그(erg)의 에너지가 흡수되는 양을 나타내며(Cgs 단위계 기반), 1953년 국제 방사선 단위 및 측정 위원회(ICRU)에서 사용을 권장하였다.[13]
그러나 1975년 제15차 국제 도량형 총회(CGPM)에서는 국제 단위계(SI)의 일부로 그레이(Gy)를 이온화 방사선의 흡수 선량에 대한 공식 단위로 채택하였다.[17] 그레이는 1 킬로그램(kg)의 물질에 1 줄(J)의 에너지가 흡수되는 것으로 정의된다. 이 정의에 따라 1 그레이는 정확히 100 라드와 동일한 값을 갖는다.
센티그레이(cGy)는 1 그레이의 100분의 1을 의미하며, 이는 1 라드와 수치적으로 같다 (1 cGy = 1 rad). 센티그레이는 특히 방사선 치료 분야에서 절대 흡수 선량을 나타내는 데 여전히 널리 사용되고 있다.
라드는 국제 단위계(SI)에 속하지 않는 비 SI 단위이며, 현재는 그레이가 표준 단위로 사용되면서 사용 빈도가 크게 줄었다. 다만, 대한민국의 계량에 관한 법률에서는 여전히 법정 계량 단위로 인정하고 있다. 한편, 미국의 미국 국립표준기술원(NIST)은 라드를 포함하여 큐리, 뢴트겐, 렘과 같은 오래된 방사선 단위의 사용을 강력히 권장하지 않는다.[20]
참조
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문서
SIBrochure8th
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문서
1992年（平成4年）11月18日政令第357号「計量単位令」別表第1、項番58 吸収線量、項番60 カーマ
[19]
문서
医療の領域では、数mGyの診断に伴う被曝から、放射線治療に伴う数10Gyに及ぶ線量まで幅広い線量領域の被曝が取り扱われる。そのため、定義から[[等価線量]]、[[実効線量]]は用いることはできない（数Gyに比例する高い線量域において等価線量は適用できない）。この幅広い線量領域で共通して使える線量は、線量概念の基本量としての吸収線量である。
[20]
NIST
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웹사이트
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https://www.unicode.[...]
2015
[22]
웹사이트
The Unicode Standard, Version 8.0.0
http://www.unicode.o[...]
The Unicode Consortium
2015
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