국내 유일을 넘어 세계 제일의 첨단 모니터링시스템 인프라 구축
다양한 오염입자 실시간 측정 관련연구기술 특허 출원과 우수 SCI논문발표
황사입자에 포함된 유해성분의 실시간 검출 및 파악은 국민보건관점에서 매우 중요
시시각각 빠르게 물리·화학적 특성이 변하는 입자의 발생원, 생성 및 성장, 이동, 변환, 구름형성 영향, 광학적 영향, 건강유해성 등을 파악하고 이해하기 위해서는 다양한 크기를 갖는 입자의 물리·화학적 특성을 신속하게 측정하는 것이 가장 기본적이다. 예를 들어 입자의 대기 중 생존시간, 이동, 확산, 침전 특성 등이 입자의 크기에 따라 변화하며 건강유해성 등은 입자의 크기와 더불어 물리적·화학적 성분에 따라 달라진다. 특히 대기 중 기체상 물질에서부터 새롭게 생성되는 나노입자(<10 nm)들의 경우 수시간 내에 빠르게 성장해 (100nm 크기이상) 지역적 기후변화에 매우 큰 영향을 준다. 초기 10nm 미만의 나노입자의 생성 및 성장 메커니즘을 파악하기 위해서는 입자의 물리적·화학적 성질을 실시간으로 측정하고 파악하는 나노입자 측정기술 개발은 필연적이다.
또한 중국 등으로부터 한반도로 들어오는 황사의 경우 중국의 공업지대를 통과하면서 유해 오염물질을 포함할 수 있는 가능성이 제시되면서 황사입자에 포함된 유해성분의 실시간 검출 및 파악은 국민보건관점에서 매우 중요하다. 광주과학기술원 대기입자공학연구실은 이러한 유해한 입자(황사에서 나노입자까지)를 실시간으로 물리적·화학적 특성을 측정하고 분석하는 연구를 중점적으로 하고 있다.
나노입자를 실시간 측정할 수 있는 질량분석법과 분광계 시스템 개발에 총력
기후변화 영향과 인체 건강의 유해성 문제로 많은 관심을 가지고 있는 나노입자의 화학적 측정기술은 보통 일정 유량으로 작은 입자를 필터에 24시간 정도 포집한 후 추출해 각 성분에 맞는 다양한 분석시스템을 사용, 입자의 화학적 조성을 파악하는 것이 일반적이다. 이러한 필터 포집방법은 시간분해 능력이 낮고(즉 24시간 평균 자료), 많은 시간과 비용이 들며, 상태의 평균적인 화학적 조성만 얻을 수 있으므로 입자의 혼합상태(mixing state), 단일입자의 조성 등의 특성은 파악 할 수 없는 단점을 갖고 있다. 때문에 이 연구실에서는 나노입자의 화학적 조성과 원소성분을 실시간으로 측정할 수 있는 질량분석법 (mass spectrometry)과 분광계(spectrometer)시스템을 개발하는데 박차를 가하고 있다.질량분석법은 보통 aerosol mass spectrometry 기술로 불린다. 고진공 상태에서 공기에 부유한 입자를 제어하고 집중하여 입자빔(particle beam)을 형성하게 한 뒤 레이저, 전자빔 등을 이용해 입자를 이온화시킨 뒤 이온들의 질량을 질량분석기로 측정함으로써 입자의 화학적 조성을 측정하는 방법이다. 분광계를 이용하는 기술은 대표적으로 레이저 유도 플라즈마 분광분석법 (laser induced breakdown spectroscopy)(LIBS) 기술이 쓰인다. 대기압 하에서 흐르는 공기에 부유한 입자를 펄스 레이저를 이용하여 정확히 맞춘 다음에 플라즈마 상태의 고에너지 상태로 전위 시키고 다시 저 에너지 상태로 전위 될 때 나오는 빛을 분광계로 측정해 입자의 화학적 원소성분을 실시간으로 측정하게 된다.
박기홍 교수에 따르면 이렇게 나노입자의 화학적조성을 실시간으로 측정하고 파악함으로써 우리 주위에 발생하는 나노입자 생성 및 성장기제를 규명하고 발생원을 빠르게 추적할 수 있다는 것. 추가적으로 태양 빛을 반사 및 흡수 정도, 구름 형성역할 규명, 기후변화 영향, 인체의 건강 유해성에 대한 정보를 신속히 획득할 수 있다는 설명이다. 이밖에 이 연구실에서는 미세입자 및 나노입자의 수농도, 크기, 흡습성, 휘발성, 구름형성응축특성을 실시간으로 측정할 수 있는 시스템을 개발하고 있고, 이러한 첨단모니터링시스템들은 현재 종합적인 에어로졸 분석에 활용하고 있다.
박기홍 교수는 “이번 연구에서는 대기 중에 있는 에어로졸을 포집하고 레이저가 정확히 입자를 조준하도록 에어로졸 도입시스템과 포커싱 시스템을 설계하고 토양 중 중금속 오염물질을 전처리 과정 없이 레이저로 직접 실시간 분석을 가능케 하는 다목적 통합형 레이저유도플라즈마 분광분석시스템을 개발했다”고 밝혔다. 이를 통해 공기 중에 부유한 다양한 미세먼지, 황사, 나노입자와 토양시료의 화학적 원소 실시간 분석에 성공했다는 것.
또한 대기 중 오염물질 (미세먼지)과 토양 내 오염물질 (중금속)을 하나의 시스템으로 분석할 수 있도록 샘플링 챔버 시스템을 통합해 다양한 시료형태 (에어로졸, 토양시료)에 대해 실시간으로 현장에서 물질의 감식 및 분석을 가능하게 했다고 한다. 고체 시료의 경우 극소량의 시료분석과 높은 공간분해능을 가지며, 대기 중 미세먼지의 경우 단일입자 분석이 가능케 하고 작은 나노입자까지 측정이 가능하게 했다고 한다. 이 연구실은 또 추가적으로 개발된 실시간 측정시스템을 이용해 도시오염지역, 공단지역, 배경농도지역 등에서 대기 중 미세먼지 원소 분석을 실시했다.
다양한 오염물질 실시간 측정 관련연구기술 특허 출원
박 교수는 “이러한 다양한 오염물질에 대한 실시간 측정분석 결과는 여러 편의 우수 SCI논문에 결과를 발표하는 한편 관련연구기술을 특허 출원했다”고 밝혔다. 이러한 연구성과를 바탕으로 박기홍 교수는 교육과학기술부와 한국연구재단이 시행하는 ‘2010년 기초연구 우수성과’에 선정됐다. 기초연구 우수성과 선정사업은 매년 교육과학기술부 연구개발사업 수행자 중 이공계 기초연구, 인문사회연구, 국책연구 부문의 우수사례를 발굴·시상하는 제도다.
광주과학기술원 대기입자공학연구실은 현재 지도교수 박기홍 교수를 포함 총10명의 석·박사 연구원이 밤낮없이 에어로졸 나노입자 실시간 측정기술 개발에 박차를 가하고 있다. 국내에서는 유일하게 에어로졸 질량분석기, 레이저 유도 플라즈마 분광시스템을 개발하고 보유하여 세계적인 입자공학연구실과 비교해도 전혀 손색이 없는 인프라를 갖추고 연구에 전념하고 있다. 최근 교과부 기초연구 우수성과에 선정된 것 뿐 만 아니라 환경부 우수성과 연구논문에 2차례 선정되었고 한국입자에어로졸학회, 한국대기환경학회, 대한환경공학회 등에서 다수의 우수 발표상 및 포스터상을 수상하기도 했다. 박기홍 교수는 향후 계획에 대해 “우리 연구실은 공기 중에 부유한 다양한 크기의 입자를 실시간으로 종합적이고 완벽하게 분석해 내는 첨단 모니터링 시스템 개발을 목표로 하고 있다”고 말했다.
광주과학기술원 대기입자공학연구실 박기홍 교수
ㆍ광주과학기술원 환경공학부 부교수
ㆍ미국 미네소타주립대학 기계공학과 방문교수
ㆍ광주과학기술원 환경공학부 조교수
ㆍ미국 Desert Research Institute 조교수
ㆍ미국 표준과학연구소/메릴랜드 대학 박사후 연구원
ㆍ미국 미네소타주립대학 기계공학과 박사
ㆍ서울대학교 기계공학과 학사, 석사