흡입독성 평가를 위한 계면활성제 비 첨가 초순수에 분산된 MWCNT 섬유상 입자의 에어로졸화에 관한 연구

Abstract

2000년 이후 나노기술개발이 우리나라를 포함하여 미국, 일본, EU등에서 본격화됨에 따라 연구개발 성과가 가시화 되고 나노기술의 산업화가 가속화되고 있다. 이와 함께 나노기술의 사회적 영향 문제가 주요한 이슈로 등장하고 있다. 제품에 사용되어지는 나노물질에 대해서도 유해성 논쟁이 많이 이루어지고 있다. 같은 밀도를 가진 지름 1㎛ 입자 하나의 질량은 100nm 크기의 입자 1,000개, 10nm 크기입자 1,000,000개와 같다. 이렇게 같은 질량은 가진 입자가 크기 분포에 따라 입자수가 틀려지기 때문이다. 입자 수가 많아지면 표면적도 늘어나기 때문에 표면에 의한 영향이 발생한다. 그래서 입자 크기가 작은 나노 물질에 대해서 많은 연구가 필요한 실정이다. 나노물질에 대해 많은 국가에서 나노소재가 가지는 환경, 인체, 안전 측면의 유해성 연구와 함께 윤리, 법, 사회적 측면에 대한 연구를 수행 중에 있다. 나노 물질의 평가체계 구축 및 관련 지침 제정, 나노 물질 독성 평가 등 나노 기술의 응용기술을 전반적으로 평가할 수 있는 기술을 개발하여 적용한다. 나노물질을 수출입하기 위해서는 나노물질을 적용한 환경, 인체 유해성에 대한 나노물질 유해성 평가 기법 및 측정값을 제시하여야 한다. 나노물질의 규제가 시작되었다고 할 수 있다. 일반적인 입자상 물질 중 공기역학적 직경이 30㎛보다 큰 입자는 코나 구강을 통하여 흡입되는 양이 적으나, 직경이 10㎛ 이하의 작은 입자들 중 2.5㎛이상 크기의 입자는 대부분 코에서 제거된다. 2.5㎛ 이하의 입자는 호흡성 분진으로서 호흡 시 폐 깊숙이 흡입되어 폐포나 기관지 등에 침착(deposition)하여 폐암 등을 유발시키는 것으로 알려져 있다. 더욱이 입자의 크기가 200nm보다 작아질 경우 폐포에 적층이 증가하기 시작하여 그 크기가 10nm 정도가 되면 폐포에 적층되는 확률은 최고가 된다. 초미세입자는 물질자체의 독성영향도 존재하지만 입자크기가 작아질수록 그 표면적이 상대적으로 증가하기 때문에 유해물질의 흡착율 및 생체조직에 대한 반응성이 증가되어 독성이 발생되는 것으로 추정된다는 연구 결과가 발표되고 있다. 나노 물질을 유해성 평가를 세포에 물질 평가를 하는 방법과 생명체에 경구 또는 피부에 투여하여 독성 평가 방법과 호흡기에 흡입되어 독성평가를 하는 방법이 있다. 본 연구에서는 생명체에 공기를 통한 호흡기 독성 유해성 평가를 위해 발생장치를 개발 하였다. 흡입독성평가를 하기 위해서는 나노 물질을 균일하게 분산 유입시켜 줘야 한다. 균일하게 나노 물질을 발생하는 장치는 현재까지 많이 개발이 되어있다. 본 연구에서 나노물질 흡입독성평가를 위해 MWCNT 분산장치를 개발하였다. 현재까지 개발되어있는 MWCNT 발생장치는 균일하게 분산시켜주지 못하고 많이 뭉쳐있는 상태로 발생한다. 그리고 균일하게 분산하기위해 분산제인 계면활성제, 또는 알코올 용매를 사용하는 경우에는 후처리단계에서 분산제와 용매를 제거한다. 이러한 후처리 문제를 해결하고 균일하고 정량적 발생 장치를 연구 개발하였다. 본 연구에서 발생장치 개발 중점을 둔 것은 MWCNT에 계면활성제나 알코올을 첨가하지 않고, 초순수를 이용하여 정량적 균일한 농도로 분산된 MWCNT를 단일 섬유상 형태로 발생되는 장치를 개발하는 것이다. 기존의 nebulizer에서 발생된 MWCNT 뭉침을 해결하고 발생량을 높이기 위해 6-Jet nebulizer를 개발하였다. 기존 장치와 다르게 오리피스 노즐은 더 작게 하여 미세분무가 되도록 하였다. 미세분무가 되면 초순수가 빨리 증발하고 MWCNT 섬유상 입자만 나타나게 하기 위해서이다. 전기 전도도 특성을 적용하여 섬유상 입자와 뭉쳐있는 입자를 선별하기위해 전기 집진기 (electrostatic precipitator,ESP)를 설치하였다. 전기전도도 특성으로 인하여 뭉쳐있는 MWCNT를 선별하여 섬유상 입자를 분산시킬 수 있다. 하지만 6-Jet nebulizer의 특성으로 발생량은 높게 나타내고 있지만, 뭉쳐있는 MWCNT 비율이 높게 나타나고 있다. 그렇기 때문에 6-Jet nebulizer로는 흡입독성 평가에 적용하기 어렵다. 6-Jet nebulizer에서 분무된 MWCNT를 전기 집진기로 섬유상 입자와 뭉쳐있는 입자를 선별하였듯이, MWCNT의 전기전도도 특성을 이용하여 건식으로 발생장치를 개발하였다. 건식방식은 초순수에 혼합 분무하지 않아 습기제거 장치 구성을 하지 않아도 된다. 뭉쳐있는 MWCNT를 섬유상 입자로 만들기 위해서는 기계적 방법인 마찰, 연마 또는 충격으로 섬유상 입자로 분산시켜야 한다. MWCNT는 제조사마다 모양과 특성이 상이하지만, 본 연구에 사용된 MWCNT는 서로 꼬여 뭉쳐있기 때문에 섬유상 입자 형태로 만들기 어렵다. MWCNT의 전기전도도가 높아 서로 왕복 운동의 충돌하여 깨지는 현상을 이용하여 마치 볼밀링 분산장치와 비슷한 방법을 이용하여 MWCNT 섬유상 단일 입자로 분산시키기 위함이다. 전기 전도도 특성을 이용하여 서로 충격에 의해 뭉쳐있던 MWCNT가 충격으로 더 뭉치는 현상을 나타내었다. MWCNT를 전기전도도만을 이용하여 분산시키면 섬유상 입자보다는 더 뭉치는 현상을 나타내고 있다. MWCNT 전기 전도도 특성만을 적용하여 분산시키기에는 어려움이 있어 6-Jet nebulizer에서 적용하였던 전기전도도 특성과 초순수에 혼합, 초음파를 가해 분산시키는 방법을 조합하여 새로운 발생장치를 구성하였다. 초순수에 혼합하여 초음파를 가하는 것이 기계적인 다른 방법에 비해서 MWCNT를 가장 손상이 가지 않으면서 분산시킬 수 있는 방법이다. MWCNT의 전기전도도 특성을 최대한 적용할 수 있는 장치를 구성하였다. 액적에서 습기가 제거되면 표면장력에 의해 굽는 것을 방지하기 위해 높은 전압 위상차 장치를 발생장치와 결합하였다. 높은 전압 위상차로 인하여 습기가 제거되면서 섬유상 입자 양극성에 의해 펴지는 특성을 적용한 것이다. 미세 액적을 만들기 위해 앞서 6-Jet orifice nozzle 방식이 아닌 capillary tube를 사용하였다. Capillary tube는 미세 액적을 발생시키면서 높은 전압 위상차를 주기 위한 전극으로 사용하였다. 초순수의 온도를 상승시키면 표면장력과 밀도가 내려가 계면활성제 역할을 하도록 하여 초순수만으로 MWCNT가 분산되도록 하였다. 높은 전압으로 인하여 하전된 섬유상 입자의 정전기를 제거하기 위해 Soft x-ray 중화기를 설치하여 발생된 MWCNT 섬유상 입자가 정전기로 인하여 뭉치는 것을 방지하였다. 본 발생 장치는 기존에 연구 발표되어 있는 장치와는 차별성을 두어 전기전도도 특성과 capillary tube 특성 그리고 물의 온도 변화에 대한 특성을 모두 적용된 발생장치이다. 개발된 장치를 이용하여 6시간 동안 분무 시험과 분무되는 MWCNT 단일 섬유상 입자의 형태를 확인하였다. 발생한 MWCNT 섬유상 입자는 뭉친 부분이 조금씩 있지만, 단일 섬유상 입자 형태를 유지하고 있다. 하지만 초음파를 이용하여 분무 4시간 이상에서는 MWCNT 섬유상 입자가 원형 형태로 말리는 현상을 보이고 있다. 섬유상 입자가 원형으로 말리는 현상을 규명하기 위해 10m 의 금속관에 분무된 MWCNT 10lpm을 유입시켜 금속관내부에서 시간 지연에 따라 단일 섬유상 입자의 변화를 확인하였다. 발생된 MWCNT 단일 섬유상 입자가 발생 후 5분이 지나면 단일 섬유상 입자의 구조가 원형으로 말리는 것을 볼 수 있었다. 초순수를 이용하여 흡입독성 평가에 적용할 수 있는 분산장치를 개발하였으며, 평가결과 훌륭한 분산율을 보였다. 하지만 발생된 MWCNT 단일 섬유상 입자는 일정 시간이 경과되면 원형형태로 말리는 것을 볼 수 있었다. 그러나 본 연구에서 개발된 장치를 이용하면 원형형태로 말리기 전에 흡입독성 시험 장치에 유입되어, 펴진 상태로 흡입독성 평가에 적용할 수 있다. 본 연구에 의해 개발된 Capillary Tube Atomizer (CTA)는 훌륭한 성능을 보이며, 흡입독성평가에 적용하기 적합하며 매우 뛰어나다고 사료된다.