대기 에어로졸은 대기 중에 부유하는 입자상 물질로서 기후변화, 인간건강, 그리고 육상 및 해양 생태계 전반에 걸쳐 다양한 영향을 끼친다. 이러한 에어로졸은 다양한 인류 활동 및 자연에서 기인하며, 액체, 고체, 반고체 상태로 존재한다. 에어로졸은 대기 중에서 개별적으로 존재하고 거동하기에, 에어로졸 입자의 물리화학적 특성은 입자마다 매우 상이하다. 따라서 에어로졸 입자의 대기 거동에 대해 명확히 규명하기 위해서는 단일 입자 수준에서 개개 입자의 물리화학적 특성을 파악하는 것이 긴요하다. 단일 입자 분석은 개개 입자의 발생 또는 형성, 대기 중에서의 반응 및 노화에 대해 상세히 규명할 수 있기에, 그들이 환경과 인류에 미치는 영향을 보다 자세히 파악하는데 있어 매우 유용하다. 후속 장에서는 개별 에어로졸 입자의 구성, 형태, 반응성, 화학종 및 산도와 같은 물리화학적 특성에 대하여 논의하였다.
본 연구의 첫번째 주제는 KORUS-AQ campaign기간 동안 포집한 대기 에어로졸의 단일입자 분석에 대한 것이다. KORUS-AQ campaign은 한반도 대기 오염의 시공간적 특성을 이해하기 위해 수행된 국제 협력 연구이다. 본 연구에서는 해당 campaign 기간 중 2016년 5월 23일부터 6월 5일까지 일별로 오전과 오후 두차례에 걸쳐 PM2.5-10과 PM1-2.5에 해당하는 에어로졸 시료를 포집하였다. 총 52개의 시료에서 8004개의 개별 에어로졸 입자를 low-Z particle EPMA 분석법으로 조사하였으며, 이들의 형태와 화학조성을 기반으로 7가지 주요 입자 유형(광물 입자, 해염 입자, 이차 생성 에어로졸 입자, 중금속 함유 입자, 연소 입자, 철 입자 및 기타)으로 구분하였다. 연구 기간 동안 개별 에어로졸 입자는 물리화학적 특성과 상대적 관찰빈도에서 뚜렷한 차이를 나타내었으며, 이를 토대로 연구 기간을 다음과 같은 다섯개의 특정 대기 상황으로 분류하였다. 1) 지역 배출 및 대기 정체에 따른 대기 오염, 2) 고농도의 황산염 함유 입자의 관찰 및 북서쪽 기단의 영향을 강하게 받은 전형적인 외부유입으로 인한 대기 오염, 3) 북서쪽 기단 및 지역 배출의 영향을 종합적으로 받은 대기 오염, 4) 고기압 및 낮은 PM 농도를 나타낸 청명한 기간, 5) 중금속 함유 입자가 높은 빈도로 관찰된 기간. 본 연구에서는 Zn 함유 입자가 주로 차량 및 폐기물 소각에 따른 지역적 배출원에 기인한다는 것을 확인하였으며, Mn, Ba, Cu와 같은 중금속은 주로 공장이나 광업에서 기인하는 것으로 나타났다. 결과적으로 도시 지역의 대기 에어로졸 입자의 형태 및 화학 조성은 그들의 크기, 기원, 그리고 반응 및 노화 상태에 따라 상이하며, 지역 배출 및 장거리 이동에 의한 복합적인 영향을 받는 것으로 확인되었다.
두번째 연구 주제에서는 대기 PM10 에어로졸 중 대기 미세플라스틱(airborne microplastics, AMPs) 입자를 조사하기 위한 새로운 분석방법을 제시하였으며, 이를 기반으로 AMP 입자의 시간적 변화에 대해 고찰하였다. 다양한 환경에서 미세플라스틱에 대하여 많은 연구가 수행되었지만, PM10 에어로졸에서는 이를 명확히 식별가능한 분석법의 부재로 인해 매우 한정적인 연구만이 진행되었다. 본 연구에서 새로이 제시하는 분석법은 형광현미경, 라만분광법, SEM/EDX를 통합적으로 활용하는 것으로, 대기 에어로졸 중 AMP 입자에 대한 효과적이고 신뢰성 높은 연구를 가능케 하였다. 특히 형광 염색 및 형광 현미경의 사용은 수많은 대기 에어로졸 입자 중 미세플라스틱일 가능성이 높은 입자만을 선별하는 것을 용이하게 한다. 이후 이들 입자를 라만분광법과 SEM/EDX로 분석하게 되면 이들 화학종에 대한 자세한 규명이 가능하다. 본 연구에서는 대기 PM10 에어로졸 중 Nile Red로 염색된 입자들이 주로 AMP와 타이어/도로 마모 입자로 구성되어 있는 것을 확인하였다. 타이어/도로 마모 입자의 경우 타이어의 고무 성분이 Nile Red로 염색되지 않는 것으로 알려져 있으나, 생성과정에서 염색 가능한 화학종과 혼합이 되어 염색되는 것으로 확인되었다. 이는 형광현미경을 단독으로 사용하게 되면 타이어/도로 마모 입자의 존재로 인해 AMP 입자의 수를 과대 평가할 가능성이 있음을 시사한다. 시간적 특성과 관련하여, 대기 PM10 에어로졸 중 AMP의 입자 수는 평균적으로 1,966 particles/㎥으로 확인되었다. 특히, 태풍의 영향을 받은 이후 AMP의 수 농도가 급격하게 증가하였는데, 이는 태풍이 바다에 존재하는 미세플라스틱을 운반하는 동시에, 강한 바람에 의해 침전되어 있는 미세플라스틱들이 다시 대기 중으로 재비산하기 때문인 것으로 추정된다. AMP의 수 농도와 PM10 농도 간의 높은 상관관계(R²=0.71)가 관찰되었다. 이는 AMP의 발생, 운반, 그리고 침전과정에 있어서 대기 PM10 에어로졸과의 유사성이 높다는 것을 강조한다. 또한, 폴리스티렌(PS)는 전체 AMP의 절반 이상을 차지하는 것으로 나타났으며, 이는 대기 미세플라스틱 오염을 완화하는데 있어서 PS의 감축이 긴요함을 시사한다. 결론적으로 본 연구는 대기 PM10 에어로졸 중 AMP 입자의 물리화학적 및 시간적 특성에 대한 명확한 통찰을 제공한다. 이는 기후 변화 및 인류 건강 측면에 있어 AMP의 영향을 정확히 예측하는 것과 더불어 해양 및 육상에 존재하는 미세플라스틱의 순환에 있어 대기의 영향을 보다 명확히 판단하는 데에 의의가 있다.
세 번째 연구 주제는 개별 대기 에어로졸의 pH 규명에 대한 것이다. 대기 에어로졸 pH를 개별 입자 수준에서 분석하는 것은 상당한 도전 과제로 남아 있기에, 에어로졸의 pH에 대한 입자간 변동성, 크기 의존성, 그리고 고해상도에서의 공간 및 일별 변동에 대해서는 현재까지 밝혀진 바가 매우 적다. 이를 해결하기 위해, 본 연구에서는 표면 증강 라만 분광법(SERS)을 기반으로 개별 에어로졸 입자의 pH를 분석 가능한 혁신적인 분석 기술을 개발하였다. 이를 위해 은 거울 반응을 통해 SERS 활성을 가지는 기질을 제작하고 pH에 민감하게 반응하는 4-mercaptopyridine (4-MPY) 분자를 자가조립 단층으로 표면에 코팅하였다. 해당 기질은 pH 1 - 7.8 범위 내에서의 개별 에어로졸 입자의 pH를 민감하고 재현성 있게 분석하는 것이 가능하다. 대기 에어로졸이 주로 산성이라는 것을 감안할 때, 이 방법은 이들의 pH를 조사하기 위해 매우 적합하다 할 수 있다. 이를 기반으로 본 연구에서는 최초로 대기 PM10 에어로졸 입자의 pH를 개별 입자 수준에서 분석하였다. 측정한 11개의 입자에서 pH는 동일한 시간에 채취된 에어로졸 입자임에도 불구하고 3.31에서 5.71까지 넓은 변동성을 가지는 것을 확인하였다. 관찰된 입자 간 pH의 변동성은 지금까지 알려진 계절, 온도, 상대습도 등의 조건에 따른 에어로졸 pH의 변동성만큼이나 현격한 것으로 나타났다. 또한, 개별 입자의 형태, 원소 조성 및 흡습성 거동과 같은 특성에 대한 정보를 기반으로 입자별 pH의 차이는 입자의 반응 및 노화 상태와 관련성이 높음을 규명하였다. 현재까지 대기 에어로졸의 pH가 주로 전량분석 및 모델링을 기반으로 연구되어 왔다는 점을 감안할 때, 본 연구는 이를 단일 입자 수준으로 확장하는 혁신적인 연구라 할 수 있다. 또한, 실제 대기 에어로졸의 pH를 개개 입자 수준에서 측정하는 것은 본 연구에서 최초로 성공한 것이며, 이는 대기 에어로졸의 형성, 반응, 그리고 노화 전반에 걸친 대기 화학에 보다 깊은 이해를 제공할 것이라 판단한다.