Aerosol Electrical Mobility Spectrum Analyzer의 개발과 대기 에어로졸의 하전 특성 분석

Abstract

에어로졸 과학 및 입자 공학의 발전은 계측 기술 및 측정 장비의 개발과 그 맥을 같이 한다. 에어로졸 및 입자의 전기적인 특성을 이용하여 그 크기를 알아낼 수 있는 장비, DMA(Differential Mobility Analyzer)의 개발은 에어로졸 및 입자 측정 분야에 획기적인 기틀을 마련해 주었다. 또한 전기, 전자 및 광학 기술의 발전으로 입자의 개수농도를 측정할 수 있는 장비가 개발되었다(CPC, Condensation Particle Counter). DMA와 CPC를 연결한 형태인 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer)의 개발로 보다 짧은 시간에 입자의 분포를 파악할 수 있게 되었다. 에어로졸의 측정 방법론과 기술은 보다 빠른 시간, 즉 실시간으로 입자의 분포를 파악할 수 있는 방향으로 발전해왔다. 이와 같은 장비를 이용한 에어로졸 및 입자 측정의 근간을 이루고 있는 것은 입자의 전기적 특성을 이용하고 있다는 것이다. DMA의 가장 큰 단점은 전기적으로 대전된 입자 중에서 한 쪽 극성의 입자의 특성만 파악할 수 있다는 것이다. DMA를 이용하여 입자의 전기적인 대전 극성에 따라 동시에 측정할 수 있는 시스템을 구축할 수 있으나, 시스템이 복잡해지고 거대해진다. 시스템이 복잡하고 거대하다는 것은 많은 장비와 장치를 수반함으로써 조작이 어려워지고 다양한 분야에 적용할 때 이동성 및 휴대성이 감소된다. 이와 같은 불편함을 해소하고 에어로졸 측정의 새로운 패러다임을 제시하기 의해서, 입자의 전기적인 극성에 따른 특성을 파악할 수 있는 Aerosol Electrical Mobility Spectrum Analyzer(AEMSA)을 개발하였고 그 성능을 평가하였다. 본 장비는 전기적 이동도에 따른 농도 분포를 실시간으로 확인할 수 있도록 설계하였으며, 전기적인 대전 특성을 동시에 관찰할 수 있도록 하였다. 다시 말해서 AEMSA는 전기적으로 중성인 입자, 양으로 대전된 입자, 음으로 대전된 입자의 분포와 농도를 동시에 측정할 수 있다. AEMSA는 입자의 전기적 이동도에 따라 각기 다른 위치에서 측정하도록 설계하였기 때문에 기존의 한 점에서 측정할 수 있는 photodidode을 이용한 센서 방식이 아닌, CCD(Charge Coupled Device) 카메라와 광학계를 이용하여 입자의 위치별 개수농도를 측정할 수 있도록 하였다. 농도 측정과 위치 측정의 신뢰성을 평가하기 위해서 기존의 상용 CPC와 입자 개수 측정 효율을 비교하였고, 입자 크기에 따른 전기적 이동 속도(migration velocity)을 측정하였다. 또한 입자의 평형전하상태(equilibrium charge state)를 AEMSA를 이용하여 각각의 입자의 크기에 따른 분포를 측정한 후 Fuchs와 Boltzmann의 이론식과 비교하였다. AEMSA을 이용하여 에어로졸 측정에 있어서 가장 중요한 구성품인 중화기의 성능을 평가하였다. 성능 평가를 마친 AEMSA를 이용하여 대기 중 분포하는 에어로졸 및 입자의 하전 상태를 파악해 보았다. 대기 과학 및 기후학에서는 대기 중 이온 분포가 지구의 기후 및 온도에 미치는 영향을 파악하기 위한 연구를 지속해오고 있다. 이러한 이온 분포에 따른 에어로졸 및 입자의 하전에 미치는 영향을 파악하기 위해서 중위도 지역인 대한민국 안산과 극지방(대한민국 세종 남극 과학기지와 대한민국 다산 북극 과학기지)의 대기 입자를 측정하고, 입자의 전기적인 극성에 따른 특성 등을 비교 평가하였다.; A most common method to measure nano-size aerosol size distribution is based on the electrical mobility of charged particles. Since the introduction of modern differential mobility analyzer (DMA), a sub-micron particle measurement technique has been developed dramatically. Based on this DMA, a scanning mobility particle sizer (SMPS) that can measure a sub-micron particle size distribution become a main instrument in aerosol research area. However, SMPS can not measure aerosol charge distribution because of the system requirement of neutralizer. If a researcher wants to measure a charge distribution of an aerosol system then it requires a very complicate experimental set-up. In this study a new instrument is built to measure an aerosol charge distribution for both polarity in real time. To verify the performance of the instrument the particle charging ratio after neutralization is measured and compared with charging theories. An aerosol electrical mobility spectrum analyzer (AEMSA) is newly devised and its performance is tested. AEMSA can measure electrical mobility of bipolar charged particles without changing the applied electrical potential. Its performance is tested and compared with Fuchs and Boltzmann charging theory in nano-meter size range. The test result shows that Fuchs’ theory predicts better for neutralized particles than Boltzmann theory. In this study, we have characterized the electrical properties of airborne particles using AEMSA. Aerosol and atmospheric ion play an important role in climate changing of the Earth. So we installed the AEMSA in Arctic(The DASAN, Korean Arctic Station), Antarctic(The King Sejong Korean antarctic station) and mid-latitude region (Ansan, KOREA) and measured the airborne particles. The concentration of positively charged particle in polar region is higher than in the mid-latitude region. And the concentration of positively charged particles is same that of negatively charged particles in mid-latitude region.