한국입자에어로졸학회

(사)한국입자에어로졸학회

TSI Aerodynamic Particle Sizer 3321, Grimm Aerosol Spectrometer 1.109, HCT Particle Sensor 3030을 이용한 PM2.5 측정결과 비교

김두용¹⁾⋅정혁²⁾⋅박재홍^3)*⋅현준호⁴⁾⋅황정호^1),4)

1)연세대학교 기계공학과, ²⁾(주)에이치시티

3)University of Iowa, Department of Occupational and Environmental Health, USA

4)연세대학교 청정공학협동과정

(2011년 12월 17일 투고, 2012년 1월 19일 수정, 2012년 3월 6일 게재확정)

Comparison Study of the TSI Aerodynamic Particle Sizer 3321, Grimm Aerosol Spectrometer 1.109 and HCT Particle Sensor

3030 for PM2.5 measurement

Du-Yong Kim¹⁾, Hyuck-Chung²⁾, Jae-Hong Park^1)*, Jun-Ho Hyun⁴⁾, Jungho Hwang^1),4)

1)Department of Mechanical Engineering, Yonsei University, ²⁾HCT Co. Ltd

3)University of Iowa, Department of Occupational and Environmental Health, USA

4)Graduate Program in Clean Technology, Yonsei University

(Received 17 December 2011; Revised 19 January 2012; Accepted 6 March 2012)

Abstract

Three different commercial particle counters were used to measure the PM2.5 particles in this study. An Aerosol Spectrometer (AS) 1.109 model of Grimm and a Particle Sensor (PS) 3030 model of HCT were compared with an Aerodynamic Particle Sizer (APS) 3321 model of TSI. The responses of these instruments were compared for four sizes (1.0㎛, 1.5㎛, 2.0㎛ and 2.5㎛) of polystyrene latex (PSL) particles and indoor air particles of the office room.

The mode diameter, particle size distribution and total particle number concentration of PSL particles were measured by each instrument. In the office room, the total particle number concentration was measured for 25 minutes. In results of particle size distribution and mode diameter, the APS 3321 (52 size-channels) was more accurate than the AS 1.109 (31 size-channels) and PS-3030 (10-szie channels) since the APS has more number of size-channels than the other instruments. However, AS 1.109 and PS-3030 provided similar results of total particle number concentration to those from the APS 3321. In results of office room test, there were no significant difference from each instrument similar to results of PSL test.

Keywords：Optical Particle Counter, PM2.5, Aerosol measurement

* Corresponding author.

Tel：+1-319-335-4534, E-mail：[email protected]

1. 서 론

현대 사회의 인간 생활은 약 80% 이상의 시간을 일반 주택이나, 사무실뿐만 아니라 실내 작업장, 공 공건물, 학교, 병원, 상가 및 각종 교통수단(자동차, 지하철, 택시 등)을 포함한 실내공간에서 이루어지 는 것으로 보고되고 있다(Kim, 1995). 따라서 실내 공간의 공기질은 현대인의 생활과 건강에 매우 중 요한 영향을 끼친다. 실내 공기질(indoor air quality) 문제는 1970년대 선진국을 중심으로 부각 되었으며, 국내의 경우 1990년대 중반부터 웰빙(well-being)이 라는 문화적 유행에 따라 관심이 증대되고 있으며 2004년 에는 ‘다중이용 시설의 실내공기질 관리법 령’을 통해 실내 공기질을 관리하고 있다(박영옥, 2002; 환경부, 2004). 상기 관리법령에서 실내공간에 서 중요하게 다루어지는 공기오염물질로는 휘발성 유기화합물(VOCs, volatile organic compounds), 미세 입자, 바이오에어로졸 등이 있다. 이 중, 미세입자의 경우 10㎛ 이하의 입자를 관리대상으로 하고 있으 며 기준치는 질량 농도(mass concentration)를 통해 나타내고 있다. 입경이 작을수록 호흡기내 침착량은 증가하며 그 영향으로 호흡기 및 심혈관계 질환의 발생빈도 증가와 사망률 증가에 대한 보고가 확인 되었다(Mitsakou et al., 2007; Shin, 2007). 따라서 규 제되는 입자의 크기는 작아질 것으로 예상되고 있 으며 실제 미국 EPA(Environmental Protection Agency) 에서는 1998년부터 2.5㎛ 이하의 입자(particulate matter; PM2.5)를 규제대상으로 하고 있다(U.S. EPA, 1998). 또한 입자의 크기가 작을수록 질량은 극히 작 아서 PM2.5에 대한 질량 농도 평가방법은 한계가 있다(Hinds, 1999). 이에 따라 수농도(number concen- tration)에 의한 평가가 필요하지만, 표준장비 개발과 같은 기술적 어려움 때문에 정책적 움직임은 미미 하다.

미세입자의 측정은 실내 공기질 평가를 위한 기 본 기술이다. 현재 미세먼지 농도 측정에 주로 사용 되는 방법은 소용량 공기포집법, 저용량 공기포집법 이며 여과지를 이용, 8시간 동안 채취한 미세먼지의 중량을 나타내는 방법이다(환경부, 2010). 이 방법은 미세먼지의 채취 및 결과 확인 시 실시간 측정 방법 에 비해 많은 시간이 소요된다. 따라서 시간에 따라 변화하는 공기질 측정에 있어 그 한계가 있다. 다른

방법으로는 광산란(Light Scattering)을 통해 측정한 데이터를 전기적 신호로 분석하여 크기별 개수를 파악하는 광학입자계수기(OPC; Optical Particle Cou- nter)가 있다. 대표적인 상용 OPC로는 독일 Grimm사 의 Aerosol Spectrometer(이하, AS)가 있다. OPC와는 다르게 입자의 공기역학적 이동시간을 이용한 미국 TSI사의 Aerodynamic Particle Sizer(이하, APS)도 주 로 사용되고 있다. 이들 광학 방식의 장치들은 미세 입자의 입경별 수농도를 실시간으로 측정하기 때문 에 공기질 변화에 빠른 대응을 할 수 있다. 각 장비 들은 측정원리가 다르기 때문에 사용목적에 따라 비교실험을 통해 그 성능차이를 평가하는 과정을 거치게 된다. Burkart et al.(2010)은 도시 에어로졸 상태에 대해 Grimm사의 AS 1.108과 AS 1.109를 이 용한 비교실험을 실시하였고, Bae et al.(2004)은 대 기 에어로졸 입경분포를 TSI사의 APS 3320과 AS 1.108를 이용하여 측정하였다. Peters et al.(2003)은 TSI사의 APS 3321과 APS 3320을 비교 실험을 하여 장비들의 입자 농도 측정 성능과 계수 효율성 (counting efficiency)을 분석하였다. Peters et al.(2006) 은 Grimm사의 AS 1.108, AS 1.109와 TSI사의 APS 3321에 대해 비교 평가하였다. HCT사의 Particle Sensor(PS; PS-3030)는 국내에서 개발된 장비로 AS 1.109와 동일하게 광산란을 이용하여 입자를 계측하 는데 크기가 기존 장비에 비해 작고 가벼워 제한된 공간에서 사용하거나 이동이 요구될 때 사용하기에 편하다는 장점이 있으나 아직 그 측정 결과에 대해 서 많은 연구가 진행되지 않았다.

본 연구에서는 TSI사의 APS 3321, Grimm사의 AS 1.109, 그리고 HCT사의 PS-3030 장비를 이용하여 PM2.5에 대한 비교측정을 수행하였다. 이를 위해 시 험 입자로 직경 1.0㎛, 1.5㎛, 2.0㎛, 2.5㎛의 PSL(poly stylene latex)을 사용하였다. 또한, 실제 PM2.5 측정 을 위해 실내 사무실 공간에 대한 측정도 수행하였 다. 이를 통해 PS-3030에 대한 PM2.5 측정 장비로써 의 성능을 평가하였다.

2. 연구 방법

본 연구의 실험장치 구성은 그림 1과 같다. 실험 장치는 크게 청정공기 공급 장치, 입자 발생부, 입자

APS 3321 AS 1.109 PS-3030 Manufacturer, Country TSI, USA Grimm, Germany HCT, Korea

Size range (㎛) 0.5-20 0.25-30 0.3-7

Diameter Aerodynamic diameter Light scattering diameter Light scattering diameter

Concentration range (particles/㎤)

1000@5㎛

1000@10㎛

10000@usable data

2000 212

Scanning time (sec) 1 6 2-240

Sampling flow (L/min) 1aerosol + 4Sheath

= 5total 1.2 2.83

Optical source (mW, Type) 30 Laser diode

0.5-30 Laser diode

35 Laser diode

Number of size-channels 52 31 10

Dimension (LxHxW, mm) 380 x 300 x 180 240 x 120 x 60 160 x 100 x 120

Weight (kg) 10kg 2.5kg 1.6kg

Table 1. Information of each instrument.

Fig. 1. Experimental setup.

측정부로 구성되었다. 청정공기 공급 장치는 공급된 공기가 오일트랩(oil trap), 확산건조기(diffusion dryer), 헤파(HEPA; high efficiency particulate air) 필터로 구 성된 구역을 지나면서 압축공기에 포함된 윤활유, 습기, 입자상 오염물질을 제거하여 건조한 청정공기 를 공급하도록 구성되었다. 입자 발생부는 Collison type 분무발생기(single jet atomizer, 9302, TSI, 미국), 확산건조기(diffusion dryer), 실험 챔버(test chamber;

43㎝×43㎝×44㎝)로 구성되었다. 청정공기 공급 장치 에서 건조한 청정공기가 PSL 현탁액이 담긴 분무발 생기로 공급되어 현탁액 속의 PSL 입자들을 공기

중으로 부유 시킨다. 시험 입자인 입경 1.0㎛, 1.5㎛, 2.0㎛, 2.5㎛의 PSL을 증류수(D.I Water)로 현탁액을 만들어 사용하였다. 부유된 입자는 확산 건조기를 통과하며 입자 주변의 물이 제거된다. 건조된 입자 는 2L/min의 유량으로 희석관에 공급되며 동시에 또 다른 건조된 청정공기(5L/min)로 희석되어 챔버로 공급되었다.

챔버로 공급된 입자는 챔버에 설치된 샘플링 포 트(sampling port)와 연결된 입자 측정부의 APS 3321, AS 1.109, PS-3030를 통해 입경별 수농도가 측 정되었다. 입자 샘플링 간격은 APS 3321과 PS-3030

Fig. 2. Particle mode diameter by size measured for PSL particles.

의 경우 10초, AS 1.109는 1분으로 총 25분간 측정 하였다. 측정한 데이터를 비교하기 위하여 측정된 데이터는 APS 3321을 기준으로 AS 1.109와 PS-3030 의 결과를 환산하여 나타내었다. PS-3030의 경우 채 널별 누적 값을 나타내므로 각 채널에 해당하는 값 으로 환산하였다. 챔버 내부의 온도와 상대습도는 각각 26±2℃, 25±5%로 유지하였으며 챔버 외부 공 간은 26±2℃, 22±5%였다.

실제 공간에서의 각 장비별 농도 변화를 비교하 기 위해 실내 사무실 공간(1000㎝×700㎝×280㎝)에 서 PM2.5 농도 측정 실험을 실시하였다. 높이 80㎝

의 위치에 샘플링 포트를 설치하여 총 25분에 걸쳐 5회 반복 실험을 수행하였다. 사무실 공간 내부 온 도는 20±2℃, 상대습도는 45±5%로 유지하였다.

3. 결과 및 고찰

그림 2에는 시험 입경별 장비별로 측정된 모드 입 경(mode diameter) 결과를 나타냈다. APS 3321의 경 우 사용한 PSL의 입경과 동일한 측정결과를 나타냈 다. AS 1.109의 경우 1.0㎛와 1.5㎛ 입자에 대해서는 1.15㎛, 2.0㎛입자는 1.8㎛, 2.5㎛입자는 2.25㎛에서 모드 입경을 나타내어 최대 23%의 오차를 나타내었

다. PS-3030의 경우 1.0㎛, 1.5㎛, 2.0㎛ 입자에 대해 서 각각 0.6㎛, 0.6㎛, 1.75㎛로 작은 값을 보였고 2.5

㎛ 입자는 2.75㎛로 크게 측정되었으며, 이에 대한 오차는 각각 40%, 60%, 12.5%, 10%이다. PS-3030의 경우 60%로 아주 큰 오차를 보였는데, 이는 1.0㎛에 서 2.5㎛까지 한 채널로 측정함으로 인하여 그 오차 가 커진 것으로 판단된다. 그림 3은 세 가지 장비들 로 측정한 PSL 입자의 입경별 농도 분포를 나타낸 것이다. 2.5㎛를 제외한 나머지 경우에서는 확연한 차이를 볼 수 있는데, APS 3321의 경우 다른 장비들 에 비해 모드 입경에서 폭이 좁은 형태의 곡선을 보 이고 있다. 이는 APS 3321의 경우 52개의 채널로 구 분하여 입자를 측정할 수 있어 단분산 입자의 분포 를 정확하게 제시한 것이다. 반면 AS 1.109의 경우 31개, PS-3030은 10개의 채널로 구성되어 있어 그 분포를 정확하게 판별해내지 못하였다. 이러한 결과 는 AS 1.108, AS 1.109, APS 3321을 사용하여 단분 산 입자의 분포를 측정한 Peters et al.(2006)의 연구 에서도 확인할 수 있다. 그러나 입경별 수농도 분포 와는 달리 측정된 총 수농도(total particle number concen- tration) 결과는 큰 차이를 보이지 않았다. 그 림 4에는 PSL 입경별 계측된 총 수농도를 나타냈다.

1.0㎛, 1.5㎛ 크기의 입자에 대해서 APS 3321에 비해 서 AS 1.109는 작은 값을 나타냈으나 PS-3030은 큰 값을 나타냈다. 2.0㎛ 크기의 입자에 대해서는 AS 1.109와 PS-3030 모두 APS 3321보다 큰 값을 나타냈 다. 2.5㎛ 크기의 입자에 대해서는 반대로 AS 1.109 와 PS-3030 모두 APS 3321보다 작은 값을 나타냈다.

총 수농도 측정결과에서 장치별 결과에 대한 두드 러진 차이점을 확인할 수 없었으며 각 기기별 오차 범위가 겹치는 것을 확인할 수 있었다.

그림 5에 사무실 공간에서 측정한 PM2.5에 해당 하는 입자들의 총 수농도를 나타냈다. APS 3321과 AS 1.109의 경우 평균 농도는 각각 16.08개/㎤,16.44 개/㎤로 거의 같은 값을 보여주었고, 표준편차가 각 각 0.61, 0.59로 유사한 결과를 나타냈다. PS-3030의 경우 다른 장비에 비해 표준편차가 0.90로 크고 14.45개/㎤의 평균 농도로 APS 3321과 AS 1.109에 비해 10%의 오차의 적은 농도를 나타냈으나 시간이 지나면서 다른 두장비와 같이 수농도가 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 앞서의 PSL 입자를 대상으로 실험한 총 수농도 측정결과와 유사하다. 이들 결과

Fig. 4. Total particle concentration for PSL particles.

Fig. 3. Particle size distribution of a) 1.0㎛, b) 1.5㎛, c) 2.0㎛ and d) 2.5㎛ sized PSL particles.

를 통해 총 수농도 측정에서는 입경별 수농도 분포 측정 실험과는 다르게 측정입경 범위의 세분화된 채널이 크게 영향을 주지 않음을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 대표적인 상용 광학 입자 측정 장 치인 TSI사의 APS 3321과 Grimm사의 AS 1.109, 그 리고 HCT사의 PS-3030을 이용하여 PM2.5 입자에 대한 측정 성능을 비교하였다. PM2.5 입자의 모사를 위해서 1.0㎛, 1.5㎛, 2.0㎛, 2.5㎛의 PSL 입자를 사용 하였으며 각 입자를 개별적으로 측정하여 장비별

Fig. 5. Total particle number concentration of PM2.5 in an office room across a 25-min trial.

성능을 평가하였다. 각 장비별로 측정된 모드 입경 의 경우 APS 3321이 시험입자에 해당하는 정확한 값을 나타냈으며 AS 1.109와 PS-3030의 경우 시험입 자의 크기와 측정된 모드 입경에 다소 차이가 나타 났다. 입경별 수농도 분포 측정결과는 APS 3321이 모드 입경을 중심으로 비교적 분산 값이 작은 폭이 좁은 곡선을 보였으며 다른 두 장비의 경우 APS 3321과 비교하여 분산값이 큰 곡선을 보였다. 이는 장비별로 측정입경의 세분화된 정도가 달라서 나타 난 결과이며, 때문에 입경별로 세분화된 채널수가 많은 APS 3321의 경우 다른 두 장비에 비해서 입경 별 수농도 측정 시 유리하게 나타났다. 총 수농도의 경우 세 장비 모두 비슷한 결과를 보였으며 이는 각 장비의 입경별로 세분화된 채널수가 총 수농도 계 측에는 영향을 미치지 않음을 보여준다. 실제 사무 실 공간을 대상으로 세 장비들을 이용한 PM2.5 입 자 계측 실험도 수행하였으며, 이 경우 PSL 입자를 대상으로 수행한 총 수농도 계측 결과와 유사하게 10%의 적은 오차 범위를 보여주었다.

감사의 글

본 연구는 한국환경산업기술원 (KEITI) 환경융합 신기술개발사업(212-101-006)의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.

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