전기전도도(EC) 측정 원리와 µS/cm·mS/cm 환산, 정제수 전도도 기준

요약
전기전도도(EC, Electrical Conductivity)는 물이 전류를 얼마나 잘 흘리는지를 나타내는 값으로, 물에 녹아 있는 이온의 양을 알려 주는 지표입니다.
정수·폐수·냉각수 관리와 제약 정제수·주사용수의 품질 판정에 널리 씁니다.
이 글에서는 셀 상수(K)로 전도도를 구하는 원리, 1 mS/cm = 1,000 µS/cm 단위 환산, 온도계수 2%/℃로 25℃ 값을 환산하는 계산 예시를 다룹니다.
USP <645> 정제수 전도도 시험의 3단계 판정 흐름(25℃ 1.3 µS/cm, 2단계 2.1 µS/cm)도 표로 정리합니다.

정제수 설비 화면에 전도도가 1.5 µS/cm로 떠 있으면 담당자는 이 값이 합격인지 불합격인지 바로 판단하기 어렵습니다. 물 온도가 몇 도였는지, 측정기가 온도 보상을 켠 상태였는지에 따라 같은 숫자도 판정이 달라지기 때문입니다.

냉각수나 폐수 현장에서는 다른 문제가 자주 생깁니다. 측정기마다 표시 단위가 µS/cm, mS/cm, mS/m로 제각각이라 기록을 옮기다가 1,000배 차이가 나는 실수가 생깁니다. 겨울과 여름의 수온 차이 때문에 수질은 그대로인데 전도도가 오르내려 보이는 경우도 흔합니다.

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1. 전기전도도(EC)란?

전기전도도는 단위 길이·단위 면적의 물이 가진 전기 전도 능력이며 단위는 S/cm(지멘스 퍼 센티미터)를 씁니다. 순수한 물 분자는 전기를 거의 흘리지 않지만 나트륨·칼슘·염화물·탄산수소 같은 이온이 녹아 있으면 이온이 전하를 옮기면서 전류가 흐릅니다.

그래서 전기전도도는 "물속에 녹은 이온이 얼마나 많은가"를 빠르게 보여 줍니다. 어떤 이온인지는 알려 주지 않으므로 특정 성분 농도가 필요하면 별도 분석을 함께 합니다. 전기전도도의 역수는 비저항(Resistivity)이며 초순수 설비에서는 MΩ·cm 단위의 비저항으로 표시하는 경우가 많습니다.

2. 전기전도도는 어떻게 측정할까? 셀 상수와 전극 방식

2-1. 셀 상수(K)와 계산식

전도도 센서는 일정한 간격으로 떨어진 두 전극 사이에 교류 전압을 걸고 흐르는 전류로 전도율(컨덕턴스, G)을 잽니다. 이 값은 전극 크기와 간격에 따라 달라지므로 전극 간격(L)을 전극 면적(A)으로 나눈 셀 상수 K = L / A (단위 cm⁻¹)를 곱해 물 자체의 성질인 전도도로 바꿉니다.

식으로 쓰면 전도도(κ) = G × K = K / R 입니다. 예를 들어 셀 상수 1.0 cm⁻¹ 센서를 25℃의 0.01 mol/L 염화칼륨(KCl) 표준액(1,413 µS/cm)에 넣었을 때 저항이 708 Ω으로 나왔다면, K = 1,413 × 10⁻⁶ S/cm × 708 Ω ≈ 1.000 cm⁻¹ 로 셀 상수가 맞는지 확인할 수 있습니다.

셀 상수 (일반적 구분)	주로 쓰는 물	이유
0.01~0.1 cm⁻¹	초순수, 정제수, 주사용수	전극을 넓고 가깝게 두어 아주 작은 전류도 안정적으로 읽음
약 1 cm⁻¹	수돗물, 공정수, 냉각수	중간 범위에서 범용으로 사용
약 10 cm⁻¹ 이상	폐수, 해수, 세정액, 약품 용액	전류가 너무 커지는 것과 전극 분극을 줄임

정확한 측정 범위는 제품마다 다르므로 센서 사양서의 범위와 셀 상수를 함께 보고 고릅니다.

2-2. 전극 방식에 따른 차이

방식	특징	알맞은 현장
2전극 접촉식	구조가 간단하고 저전도도에서 감도가 좋음. 고전도도에서는 전극 분극으로 값이 낮게 나올 수 있음	정제수·초순수 배관
4전극 접촉식	전류 전극과 전압 전극을 나눠 분극·오염 영향을 줄이고 넓은 범위를 측정	공정수, 농도 변화가 큰 탱크
유도식(토로이달, 무전극)	전극이 물에 직접 닿지 않아 부식·오염에 강함. 아주 낮은 전도도는 측정이 어려움	산·알칼리 세정액(CIP), 폐수

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3. µS/cm·mS/cm 단위는 어떻게 환산할까?

전도도 단위는 접두어만 다를 뿐 모두 같은 양입니다. 1 S/cm는 1,000 mS/cm이고 1 mS/cm는 1,000 µS/cm입니다. 길이 기준이 m인 단위(mS/m, dS/m)는 cm 기준과 100배 차이가 나므로 농업·환경 자료를 옮길 때 특히 주의합니다.

기준 값	µS/cm	mS/cm	mS/m	dS/m
1 µS/cm	1	0.001	0.1	0.001
1 mS/cm	1,000	1	100	1
1 mS/m	10	0.01	1	0.01
1 dS/m	1,000	1	100	1

비저항은 전도도의 역수라서 MΩ·cm 값 = 1 ÷ (µS/cm 값) 으로 바로 바뀝니다. 비저항 1 MΩ·cm는 1 µS/cm이고, 초순수 설비에서 자주 보는 18.2 MΩ·cm는 약 0.055 µS/cm(25℃)에 해당합니다. 총용존고형물(TDS)로 바꾸는 계수는 물의 성분에 따라 달라서 일반적으로 0.5~0.7 사이 값을 쓰며, 정확한 판정용이 아니라 참고용으로만 봅니다.

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4. 전도도 온도 보상, 25℃ 환산은 어떻게 계산할까?

전기전도도는 온도가 오르면 이온이 더 빨리 움직여 값이 커집니다. 일반적인 자연수와 공정수는 1℃당 약 2% 변하므로 서로 다른 온도에서 잰 값을 비교하려면 기준 온도 25℃의 값으로 환산합니다. 이것을 온도 보상(Temperature Compensation)이라고 합니다.

선형 보상식은 EC25 = ECt ÷ [1 + α × (t − 25)] 입니다. ECt는 측정 온도 t에서 읽은 값, α는 온도계수(1℃당 비율)입니다.

계산 예시 : 냉각수를 18℃에서 재니 1,250 µS/cm가 나왔고 α = 2.0%/℃(0.02)로 설정했다면
EC25 = 1,250 ÷ [1 + 0.02 × (18 − 25)] = 1,250 ÷ 0.86 ≈ 1,453 µS/cm 입니다.
같은 물을 32℃에서 쟀다면 1,250 ÷ [1 + 0.02 × 7] = 1,250 ÷ 1.14 ≈ 1,096 µS/cm 로 환산됩니다. 화면 숫자가 같아도 수온이 다르면 실제 이온 농도는 이만큼 차이가 납니다.

정제수처럼 이온이 아주 적은 물은 물 자체의 해리 때문에 온도 특성이 비선형이어서 2%/℃ 보상을 그대로 쓰면 오차가 커질 수 있습니다. USP <645> 1단계가 온도 보상을 끈 원래 측정값으로 판정하라고 정한 것도 이 때문입니다.

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5. 정제수 전도도 기준, USP <645> 단계별 판정은?

미국약전(USP) 일반시험 <645> Water Conductivity는 정제수(Purified Water)와 주사용수(Water for Injection)의 벌크수 전도도를 3단계로 판정합니다. 1단계를 통과하면 그 자리에서 합격이고 넘으면 다음 단계로 넘어가 이산화탄소 흡수 영향과 pH를 차례로 따집니다.

그림 1. 1단계를 넘으면 2단계, 2단계를 넘으면 3단계로 넘어가 판정합니다.

그림 1은 USP <645> 벌크수 판정 흐름입니다. 1단계는 측정 온도별 표 값과 비교하고(25℃ 1.3 µS/cm), 2단계는 시료를 25±1℃에서 흔들어 공기와 평형을 맞춘 뒤 2.1 µS/cm 이하인지 보고, 3단계는 염화칼륨을 넣어 pH를 잰 다음 pH별 한계값과 비교합니다.

단계	측정 방법	판정
1단계	온도 보상 없이 전도도와 수온을 측정. 표에서 측정 온도보다 낮거나 같은 가장 가까운 온도의 한계값 사용 (보간하지 않음). 배관 인라인 측정 가능	한계값 이하면 합격, 넘으면 2단계
2단계	시료를 25±1℃로 맞추고 세게 저어 공기 중 이산화탄소와 평형. 5분 동안 변화가 0.1 µS/cm 미만이 되면 기록	2.1 µS/cm 이하면 합격, 넘으면 3단계
3단계	2단계 후 약 5분 안에 같은 시료(25±1℃)에 포화 염화칼륨 용액을 시료 100 mL당 0.3 mL 넣고 pH를 0.1 단위까지 측정	2단계 전도도가 그 pH의 한계값 이하이고 pH가 5.0~7.0이면 합격, 아니면 불합격

5-1. 1단계 온도별 한계값 (일부)

수온 (℃)	0	10	20	25	30	50	70	80
한계값 (µS/cm)	0.6	0.9	1.1	1.3	1.4	1.9	2.5	2.7

판정 예시 : 정제수 순환 배관의 수온이 23.4℃이고 온도 보상을 끈 전도도가 1.0 µS/cm라면 23.4℃보다 낮은 가장 가까운 표 온도인 20℃의 한계값 1.1 µS/cm와 비교합니다. 1.0 ≤ 1.1 이므로 1단계에서 합격입니다. 같은 조건에서 1.2 µS/cm가 나왔다면 2단계 시험으로 넘어갑니다.

3단계에서 2단계 값이 2.4 µS/cm이고 pH가 5.8이면 표의 pH 5.8 한계값 2.4 µS/cm 이하이므로 합격입니다. pH 6.6일 때 한계값은 2.1 µS/cm로 더 엄격해지니 pH를 반드시 0.1 단위로 읽습니다.

측정 장비 요건도 함께 정해져 있습니다. 셀 상수는 ±2% 이내로 알고 있어야 하고, 가장 낮은 범위의 분해능은 0.1 µS/cm 이상, 온도 측정 정확도는 ±2℃ 이내입니다. 멸균 포장수(멸균정제수·멸균주사용수 등)는 3단계 대신 용기 용량에 따라 별도 한계값을 적용합니다. 국내 제조소는 대한민국약전 정제수·주사용수 항의 전도율 기준도 함께 확인해 품질 기준서에 반영합니다.

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6. 현장에서 전도도 센서를 운영할 때 확인할 점

• 설치 위치 : 정제수 루프는 사용처 끝단과 리턴 배관처럼 물이 계속 흐르는 곳에 둡니다. 정체 구간이나 기포가 모이는 배관 꼭대기는 피하고 센서가 늘 물에 완전히 잠기도록 합니다.
• 온도 보상 설정 : USP 1단계 판정용 값은 보상을 끈 원래 값으로 기록합니다. 추세 관리용으로 보상값을 함께 보는 경우 어느 값이 판정용인지 화면과 기록서에 이름을 나눠 둡니다.
• 교정과 검증 : 셀 상수는 표준액이나 교정된 기준 센서로 확인하고, 계측기는 정밀 저항으로 따로 점검합니다. 주기는 드리프트 이력을 보고 정하며 방법은 센서 교정과 보정의 차이 글을 참고하면 됩니다.
• 신호 전송 : 변환기 출력을 4-20mA로 받는다면 범위(예: 0~20 µS/cm)를 판정값 근처에서 분해능이 충분하도록 좁게 잡습니다. 결선과 노이즈 대책은 4-20mA 전류 루프 전송 표준 글에 정리했습니다.
• 알람 기준 : 판정 한계값 바로 아래에 경고 알람을 두고(예: 25℃ 운전 시 1.0 µS/cm 경고, 1.3 µS/cm 이탈) 순간 기포로 인한 튐은 지연 시간으로 거릅니다.
• 기록 관리 : 전도도와 수온을 같은 시각으로 함께 저장해야 1단계 판정을 나중에 다시 검증할 수 있습니다. 제약 현장의 전자 기록 요건은 GMP 환경 모니터링 글에서 다룹니다.

증상	흔한 원인	조치
값이 갑자기 튀었다 돌아옴	배관 기포, 펌프 기동 직후 흐름 변화	설치 위치 변경, 알람 지연 시간 설정
샘플 채취 후 실험실 값이 인라인보다 높음	공기 중 이산화탄소 흡수	판정은 인라인 1단계 값 우선, 채취 시 용기 즉시 밀봉
고전도도에서 값이 점점 낮게 나옴	전극 분극, 전극 표면 오염	셀 상수 큰 센서나 4전극·유도식으로 변경, 세척
계절마다 값이 오르내림	온도 보상 꺼짐 또는 온도계수 부적합	보상 설정 확인, 해당 물에 맞는 α 확인

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7. 관련 산업용어

■ 셀 상수(Cell Constant, K)
전극 간격을 전극 면적으로 나눈 값(cm⁻¹)으로, 측정한 전도율을 전도도로 바꾸는 계수입니다.

■ 비저항(Resistivity)
전도도의 역수로 단위는 MΩ·cm입니다. 초순수처럼 이온이 아주 적은 물을 표시할 때 주로 씁니다.

■ 온도계수(α)
온도 1℃ 변화에 전도도가 몇 % 바뀌는지 나타내는 값으로, 일반적인 물은 약 2%/℃를 씁니다.

■ 총용존고형물(TDS, Total Dissolved Solids)
물에 녹아 있는 고형물의 총량(mg/L)입니다. 전도도에 환산 계수를 곱해 추정할 수 있지만 계수가 물마다 다릅니다.

■ pH
수소 이온 농도를 나타내는 지표로 USP <645> 3단계 판정에 함께 씁니다. 측정 원리는 수질 pH 산도 측정의 원리 글을 참고하면 됩니다.

8. 자주 묻는 질문

Q. 1 mS/cm는 몇 µS/cm인가요?
1,000 µS/cm입니다. 반대로 1 µS/cm는 0.001 mS/cm이며 mS/m 단위로는 0.1 mS/m입니다.

Q. 정제수 전도도 기준은 몇 µS/cm인가요?
USP <645> 1단계 기준은 25℃에서 1.3 µS/cm이며 수온에 따라 표의 한계값이 달라집니다. 1단계를 넘으면 2단계에서 25±1℃ 기준 2.1 µS/cm 이하인지 다시 판정합니다.

Q. 정제수 전도도 측정할 때 온도 보상을 켜야 하나요?
USP 1단계 판정용 값은 온도 보상을 끈 값이어야 합니다. 이온이 아주 적은 물은 온도 특성이 비선형이라서 일반 보상식을 쓰면 오차가 생길 수 있습니다.

Q. 전도도 25℃ 환산은 어떻게 하나요?
EC25 = ECt ÷ [1 + α × (t − 25)] 로 계산합니다. 18℃에서 1,250 µS/cm, α 2%/℃이면 약 1,453 µS/cm가 됩니다.

Q. 18.2 MΩ·cm는 µS/cm로 얼마인가요?
약 0.055 µS/cm입니다. 비저항과 전도도는 역수 관계라 1 ÷ 18.2 로 계산합니다.

Q. 주사용수도 같은 전도도 기준을 쓰나요?
네, USP에서는 벌크 주사용수도 정제수와 같은 3단계 전도도 판정을 씁니다. 다만 멸균 용기에 담긴 제품은 용기 용량에 따른 별도 한계값을 적용합니다.

9. 마무리

전기전도도는 셀 상수를 곱해 구하고 수온이 1℃ 달라지면 일반적인 물에서 약 2%씩 바뀌므로 25℃ 환산값으로 비교합니다. 단위는 1 mS/cm = 1,000 µS/cm, 비저항은 전도도의 역수라는 관계만 잡아 두면 대부분의 환산이 해결됩니다. 정제수 판정은 USP <645>의 3단계 순서를 따르며 1단계는 온도 보상을 끈 값과 수온을 함께 기록해야 판정할 수 있다는 점을 꼭 기억해 두면 좋습니다. 실제 기준서에는 현재 시행 중인 약전 원문 값을 넣습니다.

참고 기준 : USP General Chapter <645> Water Conductivity, 대한민국약전(식품의약품안전처 고시) 정제수·주사용수 항, IUPAC 「Electrolytic conductivity: Measurements and standards」(Pure Appl. Chem. 73, 2001)

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