Environmental Chemistry Lab., Department of Applied Chemistry, Faculty of Science and Technology, Keio University
게이오기주쿠대학 이공학부
응용화학과환경화학 연구실
Led by Tomoaki OKUDA, Ph.D.

실제 대기환경 에어로졸의 대전 메커니즘 해명

본 연구에서는 전기 이동도의 원리를 이용해 독자적으로 개발한 입자의 대전 상태 측정 장치 K-MACS(Keio-Measurement System of Aerosol Charging State)를 이용하여 실제 대기 에어로졸의 대전 상태를 측정하고, 그 대전 메커니즘을 해명하는 것을 목적으로 하고 있습니다.

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우리 연구실에서 독자적으로 개발한 K-MACS 사진입니다. 실제 대기 에어로졸의 대전 분포를 작성할 때 사용합니다. 본 장치에 관한 논문은 미국 에어로졸 학회 국제 잡지 Aerosol Science&Technology의 Most 10 Top Downloaded Articles에 2개월 연속 선출되었습니다.

실제 대기 에어로졸의 대전상태를 측정하기위한 실험계 입니다.

독자적으로 개발한 K-MACS를 사용하여 측정한 대기 에어로졸의 대전상태의 관측 결과입니다.

탠덤 DMA를 이용한 입자대전상태의 측정

일반적으로 대기이온과의 충돌·부착에 의해 일어나는 입자대전은 입자의 성장이나 제거 메커니즘에서 중요하기 때문에 극히 미소한 입자에 대해서는 몇 가지 연구에 의해 조사되어 왔습니다. 한편 인체에 보다 현저하게 영향을 미치는 서브미크론 영역의 입자의 대전상태에 대해서는 대기조건에 따라 다르다는 것이 보고되고 있으나 입경의 불확실성 등 아직 불분명한 점이 많이 남아 있습니다. 본연구에서는, 입자 대전상태를 고려한 입자의 유해성을 평가하기 위해서 서브미크론 입자에 주목하여 대전상태를 조사하고 있습니다.

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장치의 외관입니다. 2대의 DMA를 직렬로 연결한 Tandem DMA에서 대전상태를 분석합니다.

알루미늄 용기 내에서 연소 유래의 입자를 발생시켜 대전상태를 분석합니다.

탠덤 미분형 전기 이동도 분급기를 이용한 입자 대전상태 측정 모습입니다. 저희는 여러가지 장치를 제어하는 프로그램을 스스로 개발하고, 입자의 특성을 연구하고 있습니다.

KPFM법을 이용한 방사성 Cs미립자의 전기적 특성의 해명

후쿠시마 제1 원자력 발전 사고에 의해 대기 중에 방사성 물질(방사선이 발생하는 물질)이 비산되어 일본 각지, 나아가서는 해외에 방사선 오염을 일으켰습니다. 사고로부터 몇 년 후 특히 방사성 Cs에 대해서 방사성 Cs 미립자(CsMP: Radiocaesium-bearing microparticles)라고 불리는 불용성 입자가 일본 각지에 존재하고 있음이 밝혀졌습니다. 통상적인 Cs 화합물은 수용성을 나타내는 데 반해, 이 입자는 원전 사고 시에 방사성 Cs와 원자로 재료의 금속이나 유리 등이 혼합되어 생성된 것이므로 불용성을 나타내는 것이 특징입니다. 이 입자를 흡입했을 때에는 호흡기계에 침착한 후 입자가 불용성이기 때문에 그 자리에 계속 머무르며 방사선을 발함에 따라 건강에 미치는 큰 악영향이 우려되고 있습니다. 대기 중의 에어로졸 입자는 그 대전으로 인기도 내부에서의 침착이 대폭 촉진되는 것으로 알려져 있습니다만, 방사성의 에어로졸 입자는 그 β붕괴에 의해 자가 대전하는 것이 선행 연구에 의해 지적되고 있습니다. 그 때문에 방사성 Cs미립자의 건강 영향을 정확하게 평가하기 위해서는 그 대전 상태에 대해서도 분명히 할 필요가 있습니다. 그렇지만 실제 환경 중에서 채취된 입자 개개의 상세한 전기적 특성을 측정하는 수법은 아직 확립되지 않았고, 특히 실제 후쿠시마 제일 원자력 발전 사고 유래의 입자에 대해 측정한 예는 없습니다. 본 연구에서는 원자간력현미경의 일종인 KPFM (Kelvin Probe Force Microscopy) 법을 이용해 입자의 표면전위를 측정하는 방법을 확립하고, 방사성 Cs미립자의 상세한 전기적 특성을 밝히는 것을 목적으로 하고 있습니다.

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측정장치는 본교 중앙시험소에 있습니다. 통상적인 AFM (Atomic Force Microscopy) 전용 KPFM 모듈(저희 연구실 소유)을 장착하는 것으로, KPFM으로서 측정을 할 수 있습니다.

실제로 후쿠시마에서 채취된 방사성 Cs 미립자에 대해 KPFM 측정을 실시한 예입니다. 왼쪽 그림이 전자현미경상, 중앙이 KPFM 높이상, 오른쪽 그림이 표면 전위상으로 되어 있으며 오른쪽 그림에서는 시야 오른쪽 아래의 방사성 Cs 미립자가 다른 입자에 비해 양의 표면 전위를 가지고 있음을 알 수 있습니다.