Bridging Primary and Secondary Traffic-Related Sources in PM2.5 via Automated SEM-EDS

Abstract

초미세먼지(PM2.5)는 유기물, 광물, 금속 등 다양한 물질이 부착된 형태로, 호흡기 깊숙이 침투해 잠재적으로 건강에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 특히, 교통 기원 초미세먼지 (Traffic-related PM2.5)는 타이어 및 브레이크 마모, 도로 포장재 파편화 등 비배기(non-exhaust) 과정을 통해 다량의 중금속을 포함하며, 대기 뿐만 아니라 해양 미세플라스틱의 주요 공급원으로 주목받고 있다. 그러나 기존 연구들은 도로 주행 등 현장 특성에 따른 분석적 제약으로, 대기로 발생하는 개별 입자의 형태 및 조성 정보를 충분히 확보하지 못하였다. 또한, Positive Matrix Factorization (PMF)과 Chemical Mass Balance (CMB)와 같은 통계 기반 모델은 원소 성분 비율에 기반하여 입자의 형태학적 특성이나 다성분 간 상호작용, 비선형적 생성 과정을 반영하는 데 한계가 있다. 이에 따라 입 자의 형상, 크기 분포, 조성을 통합적으로 분석하는 접근이 요구된다. 비배기 교통 기원 미세먼지는 포장도로에서 채취될 수 있으며, 이는 타이어, 아스팔트, 도로 연석, 브레이크 패 드 등의 1차 오염원이 혼재되어 있는 2차 오염원으로 분류될 수 있다. 본 연구에서는 대면적 SEM-EDS 자동 분 석을 활용하여 교통 기원 초미세먼지 입자의 형상 및 조성 특성을 분석하고, 이를 기반으로 2차 오염원의 형 성과 1차 오염원 간의 연관성을 규명하였다. 이를 위해, 2차 오염원인 포장도로 인증표준물질(certified reference material, CRM) 시료와 1차 오염원 타이어, 아스팔트, 도로 연석, 브레이크 패드 시료의 특성을 정밀 하게 추적하였다. 다양한 입자 크기로 구성된 CRM은 싸이클론을 이용해 2.5 um 크기 이하 입자만을 재포집하였으며, Cold-FEG SEM (Regulus 8230, Hitachi) 와 EDS (Ultim Max170, Oxford) 를 사용하여 약 3,500개 이상의 1차 및 2차 오염원 개 별 입자에 대한 형상 및 조성 데이터 획득하였다. 1차 오염원 시료는 특정 형상 및 조성 특성을 보였다. 타이어 및 브레이크 패드 입자는 ZnO, Zn-Fe-O, BaSO4 등 마찰로 생성된 탄소계 부산물과 함께 비정형 입자 형태로 확인되었다. 아스팔트 및 연석 입자는 Si, Ca 기반의 광물성 입자 중심이나, 내마모성 및 구조 강화를 위해 첨가된 Cr-O 및 TiO2 입자가 구분 지표로 작용하였다. 2 차 오염원인 포장도로 시료 분석결과, 약 90 % 이상은 주요 1차 오염원 입자와 높은 상관성을 보였고, 나머지 10% 화합물은 교통 외 도시 오염원의 기여를 시사했다. 추가적으로, Random Forest 및 SHAP 분석을 통해 오염 원 기여도를 정량화하여 기존 통계 모델의 한계를 보완하였으며다. 본 연구는 PM2.5 오염원 추적 및 인체 건 강 평가 체계 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.