[논문]대기환경에서 광산란 미세먼지 측정기의 PM2.5 보정계수 산정

김종범; 김단비; 노수진; 윤관훈; 박덕신; 이정주; 김정호

doi:10.11629/jpaar.2020.16.2.049

대기환경에서 광산란 미세먼지 측정기의 PM2.5 보정계수 산정
Estimation of PM2.5 Correction Factor for Optical Particle Counter in Ambient Air 원문보기

Particle and aerosol research = 한국입자에어로졸학회지, v.16 no.2, 2020년, pp.49 - 59

김종범 (충남연구원 서해안기후환경연구소) , 김단비 (국립환경과학원 기후대기연구부) , 노수진 (용인대 산업환경보건학과) , 윤관훈 ((주)에이피엠엔지니어링) , 박덕신 (한국철도기술연구원 교통환경연구팀) , 이정주 (용인대 산업환경보건학과) , 김정호 ((주)미세먼지연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Various devices have been developed to the measurement of particulate matter pollutants, and Optical Particle Counter (OPC) that can be easily and quickly measured is widely used lately. The measured value by OPC is converted to weight concentration using the correction factor (CF). The calculation of CF is very important to improve the reliability and accuracy of OPC. In this study, the CF calculation study of light scattering laser photometer (model 8533, TSI) was carried out to measure in the atmospheric environment using 2 gravimetric devices and 3 light scattering laser photometer devices. Regression analysis and Tukey tests were used to significance the test of measurement devices. Measurements were carried out twice. There was a comparative analysis of measurement data between light scattering laser photometer and gravimetric devices in 1st measurement, and then the Evaluation of PM2.5 concentration corrected by CF performed in 2nd measurement. As a result of the significance analysis between light scattering laser photometer and gravimetric devices, the correlation between the same method was high, but the correlation between different methods was low. CF was calculated as 0.4258 based on the measurement results, and it is a similar level to previous studies at home and abroad. It is expected that these results can be used as basic data in the future study for air quality measurement research using light scattering laser photometer. Also, in order to improve the accuracy of the measurement techniques and the development of technology in the atmospheric environment, CF calculation research should be conducted continuously.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Location of sampling sites, AWS and measurement view
그림 Fig. 2. Temperature, wind rose measured in both site a and b during measurement period
그림 Fig. 3. PM_2.5 distributions of each instruments measured in Site A
표 Table 1. Summary of PM_2.5 measurement results of each instruments
그림 Fig. 4. Correction factor estimated using linear regression analysis (n=25)
표 Table 2. Results of Tukey test of PM_2.5 in each instruments during the pre-test periods
그림 Fig. 5. PM_2.5 concentration of light scattering laser photometer, gravimetric and corrected light scattering laser photometer and correlation analysis of PMS and corrected light scattering laser photometer
표 Table 3. Results of Tukey test of PM2.5 applied correction factor
표 Table 4. Summary of the correction factors obtained by different investigators

AI 본문요약
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문제 정의

001~150 ㎎/㎥ 농도까지 측정할 수 있다. DustTrak모델은 실내용 측정장비로 알려져 있으나, 본 연구에서는 대기 조건에서 사용하기 위하여 하우징을제작하여 외기의 기상조건에 충분히 대응할 수 있도록 구성하였다. 유입구에는 PM_2.
광산란 미세먼지 측정기는 각 기기별로 측정된 광학적 정보에 보정계수를 반영하여 중량농도로 환산하여 나타내기 때문에 장비의 정확한 사용을 위해서는 이 계수의 산정이 중요하다. 본 연구에서는 광산란 미세먼지 측정기 장비의 한 종류인 DustTrak을 대상으로 기준 장비인 중량법과 비교 분석을 실시하였고, 아래와 같은 결론을 도출하였다.
, 2018b).이에 본 연구에서는 PM_2.5 측정에 활용되고 있는 광산란 미세먼지 측정기를 대상으로 도심지역의대기환경 조건에서 기준 측정방법인 중량법과 비교 분석을 통해 신뢰성 높은 CF를 산정하고자 한다.

가설 설정

행정구역으로 부천시에 위치한 Site A의 경우 차량 운행이 활발한 도심 상업지역으로 일반적인 도시지역의 대기질을 가정한 장소이다. 행정구역으로 인천시에 위치한 Site B는 주변에 지형지물이 존재하지 않는 개활지로 도심 배출 기여도가 낮을 것으로 판단되는 지역으로 가정한 위치이다. A와 B 두 지점 사이의 거리는 약 15 km로 두 지점의 중간에는 방재기상관측소(automatic weather system, AWS)가 위치한다.

제안 방법

CF 산정을 위한 실험은 PMS-103 2대(PMS#1,PMS#2)와 광산란 미세먼지 측정기 3대(D#1, D#2,D#3)를 24시간 연속측정하여 얻어진 1일 측정결과를 비교·분석하였다.
시료채취 전 유량교정 및 누설시험을 실시하였으며, 유량은 공정시험기준에 적합하도록 변이계수(coefficient of variation, CV)를 ±2% 이내로 유지하였다. PM_2.5 포집에 사용한 여과지는 온도 25℃, 습도 50% 이하로 유지되는 전자식 데시케이터(desiccator)에 24시간 이상 항량된 47 ㎜ PTFE 멤브레인 필터(Zeflouor, pore size 2 ㎛, Pall)를 사용하였고, 측정 후에는 측정 전과 동일한 조건에서 항량 후 항온 항습실에서 10^-6 g까지 측정이 가능한 전자저울을 활용 3회 이상 반복 칭량하여 중량농도를 산정하였다.
05에서 Tukey test를 실시하였으며, 결과를 Table 2에 요약하였다. 본 연구에 서 얻어진 5대의 측정값을 Tukey test에 입력하여 총 10개의 비교 그룹으로 나열하여 고찰하였다. 두 장비간의 평균값의 차이를 나타내는 DIFF는 G10 이 0.
시료채취 전 유량교정 및 누설시험을 실시하였으며, 유량은 공정시험기준에 적합하도록 변이계수(coefficient of variation, CV)를 ±2% 이내로 유지하였다.
측정 전 유입구 전단에는 1차 표준유량계(Model: Gilibrator-2, SENSIDYNE, USA)를 연결하여 실제 유량을 확인하여 교정하였다. 유량 교정 후 HEPA filter (PN 801797, TSI,USA)를 입구에 장착하여 바탕 값과 산란강도의 영점을 교정하였다. 광산란 미세먼지 측정기는 측정된 값을 농도정보로 환산하기 위한 CF가 설정되어있는데 본 연구의 경우 초기 설정 값인 1.
5 분립장치를 장착하였고, 하단에는 스마트히터가 구성되어 상대습도 50% 이하로 조절하였다. 측정 전 유입구 전단에는 1차 표준유량계(Model: Gilibrator-2, SENSIDYNE, USA)를 연결하여 실제 유량을 확인하여 교정하였다. 유량 교정 후 HEPA filter (PN 801797, TSI,USA)를 입구에 장착하여 바탕 값과 산란강도의 영점을 교정하였다.
본 연구에서는 해당 AWS 자료를 측정기간의 기상정보로 활용하였다. 측정은 먼저 A 지점에서 2014년 2월 4일에서 2월 28일까지 25일간 실시하여 도시지역의 CF를 산정한 후, 이 값을 B 지점에 적용하여 2014년 3월 4일부터 3월 11일까지 7일간 검증평가를 진행하였다.
, 2011). 포집후의 여과지 무게와 포집 전의 여과지 무게를 칭량하여 그 차이를 통해 입자의 무게를 산정하고, 채취한 공기의 부피로 나누어 공기 중의 중량농도로 계산한다. 이 방법은 입자상 물질을 측정하는 가장 기본적인 방법으로 타 방법들에 비해 측정방법이 쉽고, 가장 정확한 값을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

대상 데이터

CF 산정 실험을 위해 각각 부천시 도심과 인천 시 외곽에 2곳의 장소를 선정하였다. 측정장소의 위치에 대한 정보를 Fig.
광산란 미세먼지 측정기는 DustTrak (model 8533,TSI, USA)을 사용하였다. 이 장비는 유량 3.

데이터처리

1차 측정과 마찬가지로 2차 측정 역시 Tukey test를 통해 장비 간 유의성 검사를 실시하였고, 그 결과를 Table 3에 나타냈다. 광산란 미세먼지 측정기와 중량법, 그리고 광산란 미세먼지 측정기와 CF를 사용하여 보정된 농도의 DIFF가 각각 48.
CF 산정을 위한 실험은 PMS-103 2대(PMS#1,PMS#2)와 광산란 미세먼지 측정기 3대(D#1, D#2,D#3)를 24시간 연속측정하여 얻어진 1일 측정결과를 비교·분석하였다. Site A에서 중량법 장비와 광산란 미세먼지 측정기의 측정을 통해 장비 간 상관성과 보정계수를 산정 후(pre-test), Site B에서 반복측정을 통해 산정된 CF에 대한 검증(correlationfield test)을 실시하였다. 데이터의 과학적 검증을 위해 평균농도(mean), 표준편차(standard derviation,S.
Site A에서 측정된 자료들에 대해 장비 간 유의성 검사를 위해 유의수준 0.05에서 Tukey test를 실시하였으며, 결과를 Table 2에 요약하였다. 본 연구에 서 얻어진 5대의 측정값을 Tukey test에 입력하여 총 10개의 비교 그룹으로 나열하여 고찰하였다.
Site A에서 중량법 장비와 광산란 미세먼지 측정기의 측정을 통해 장비 간 상관성과 보정계수를 산정 후(pre-test), Site B에서 반복측정을 통해 산정된 CF에 대한 검증(correlationfield test)을 실시하였다. 데이터의 과학적 검증을 위해 평균농도(mean), 표준편차(standard derviation,S.D.), 표준오차(standard error, S.E.), 왜도(skewness,Sk), 첨도(kurtosis, Ku) 등을 활용하여 통계분석을 수행하였고, 유의수준 0.05에서 Tukey Test를 통해 측정장비들 간의 유의성 검사를 실시하였다. 측정값을 각각 종속변수와 독립변수로 단순회귀추정모형의 최소자승법(ordinary least squares)을 적용, 회귀직선을 작성하여 CF를 산정하였다.
주어진 그림에 1:1 라인을 표시하였으며, 측정 자료는1:1 라인에서 y-축 방향으로 산포되어 있는 특징을 가진다. 측정된 자료(n=25)를 이용하여 중량법과 광산란 미세먼지 측정기에 대한 1차 회귀분석을 실시하였으며, 결정계수(r²) 0.69 수준에서 두 장비간의 절대 값의 차이를 고려한 후에 CF를 0.4258로 산정하였다.
측정값을 각각 종속변수와 독립변수로 단순회귀추정모형의 최소자승법(ordinary least squares)을 적용, 회귀직선을 작성하여 CF를 산정하였다. 측정자료의 통계처리에는 IGOR (Ver. 6.34, Wavematrics, USA) 상용소프트웨어를 이용하였다.

이론/모형

중량법으로 PM2.5를 측정하기 위해 초미세먼지 연속채취기(model PMS-103, APM Engineering, Korea)를 사용하였다. PMS-103은 유입구에 PM₁₀ 분립장치와PM_2.
05에서 Tukey Test를 통해 측정장비들 간의 유의성 검사를 실시하였다. 측정값을 각각 종속변수와 독립변수로 단순회귀추정모형의 최소자승법(ordinary least squares)을 적용, 회귀직선을 작성하여 CF를 산정하였다. 측정자료의 통계처리에는 IGOR (Ver.

성능/효과

0℃를 기록하였다. B 지점이 A 지점보다 평균온도와 최저온도는 소폭 상승한 것으로 나타났으나, 일교차는 유사한 수준으로 확인되었다. B 지점에서 강수는 측정기간 중 3월 9일 하루 관찰되었고, 강수량은 3 ㎜를 기록하였다.
46으로 낮게 나타났다. DIFF와 SE를 바탕으로 산정된 q값 또한 광산란 미세먼지 측정기와 중량법, 그리고 광산란 미세먼지 측정기와 CF를 사용하여 보정된 값 사이에서는 q_c를 만족하지 못하여 기각되었지만 보정된 광산란 미세먼지 측정기와 중량법 간의 q_c 값은 만족하는 것으로 나타났다. 회기분석과 Tukey test 결과를 바탕으로 CF0.
91로 나타났다. 각 장비들의 DIFF와 SE를 이용하여 q값을 산정한 결과 최종적으로 q_c 이내를 만족하는 G1, G8,G9, G10이 적합한 것으로 채택되었다. 이 결과는 동일 측정장비 즉, 중량법은 중량법과, 광산란 미세먼지 측정기는 광산란 미세먼지 측정기와 적합도가 높았고, 중량법과 광산란 미세먼지 측정기간의 유의성은 기각되었다.
각 장비별 PM2.5 측정결과 광산란 미세먼지측정기는 D#1이 77.1 ± 36.6 ㎍/㎥, D#2 90.8 ± 37.9㎍/㎥, D#3 90.5 ± 44.3 ㎍/㎥로 나타나 D#2와 D#3의경우 매우 유사한 농도를 나타냈으나, D#1은 다소 낮은 농도 값을 보였다.
1차 측정과 마찬가지로 2차 측정 역시 Tukey test를 통해 장비 간 유의성 검사를 실시하였고, 그 결과를 Table 3에 나타냈다. 광산란 미세먼지 측정기와 중량법, 그리고 광산란 미세먼지 측정기와 CF를 사용하여 보정된 농도의 DIFF가 각각 48.43 과 42.97로 차이가 크게 나타난 반면, 보정된 광산란 미세먼지 측정기와 중량법 농도와의 DIFF는5.46으로 낮게 나타났다. DIFF와 SE를 바탕으로 산정된 q값 또한 광산란 미세먼지 측정기와 중량법, 그리고 광산란 미세먼지 측정기와 CF를 사용하여 보정된 값 사이에서는 q_c를 만족하지 못하여 기각되었지만 보정된 광산란 미세먼지 측정기와 중량법 간의 q_c 값은 만족하는 것으로 나타났다.
이 결과는 동일 측정장비 즉, 중량법은 중량법과, 광산란 미세먼지 측정기는 광산란 미세먼지 측정기와 적합도가 높았고, 중량법과 광산란 미세먼지 측정기간의 유의성은 기각되었다. 그러므로 이 결과를 통해CF를 1로 사용했을 경우에는 중량법과 광산란 미세먼지 측정기간의 표본의 절대적인 차이 즉 평균값의 차이가 너무 크기 때문에 적합하지 않으며, 서로 다른 장비간의 적합한 결과를 얻기 위해서는CF 계수를 조정하여 사용할 필요가 있다라는 것을 확인할 수 있었다.
6 ㎍/㎥으로 유사한 농도와 경향성을 보였다. 기기별로는 광산란 미세먼지 측정기 81.6 ㎍/㎥, 중량법 37.8 ㎍/㎥으로 광산란 미세먼지 측정기가 중량법에 비해 2.2배정도 높게 나타났다. 표준편차는 광산란 미세먼지 측정기에서 36.
대기환경을 대상으로 동시 측정결과 중량법은 37.8 ㎍/㎥, 광산란 미세먼지 측정기는 86.1 ㎍/㎥로 약 2.3배 높은 농도 수준을 보였고, 표준편차 역시 중량법 17.0 ㎍/㎥, 광산란 미세먼지 측정기 39.6㎍/㎥으로 정확도와 정밀도면에서 큰 차이를 보였다.
보정계수를 반영하여 2차 검증평가에서 중량법과 광산란 미세먼지 측정기 측정 값간 회귀분석 결과 결정계수(r²)가 0.9557로 매우 높게 나타났고, Tukey test 또한 만족하는 것으로 나타났다.
유의수준 0.05 수준에서 Tukey test를 수행하여 장비별 유의성을 검토하였고, 분석결과 중량법 장비와 광산란 미세먼지 측정기 간의 상관성과 유의성은 매우 낮게 나타난 반면, 동일 장비 간 유의성은 높게 나타났다. Tukey test와 회기분석을 통해 결정계수(r²) 0.
각 장비들의 DIFF와 SE를 이용하여 q값을 산정한 결과 최종적으로 q_c 이내를 만족하는 G1, G8,G9, G10이 적합한 것으로 채택되었다. 이 결과는 동일 측정장비 즉, 중량법은 중량법과, 광산란 미세먼지 측정기는 광산란 미세먼지 측정기와 적합도가 높았고, 중량법과 광산란 미세먼지 측정기간의 유의성은 기각되었다. 그러므로 이 결과를 통해CF를 1로 사용했을 경우에는 중량법과 광산란 미세먼지 측정기간의 표본의 절대적인 차이 즉 평균값의 차이가 너무 크기 때문에 적합하지 않으며, 서로 다른 장비간의 적합한 결과를 얻기 위해서는CF 계수를 조정하여 사용할 필요가 있다라는 것을 확인할 수 있었다.
4258)를 사용하여 보정된 농도를 나타낸 것이다. 측정 전체구간에 대해 평균농도는 중량법이 26.1 ㎍/㎥로 나타났고, 광산란 미세먼지 측정기는 74.6 ㎍/㎥로 광산란 미세먼지 측정기 농도가 중량법에 비해 2.9배 높게 나타났으나, 보정계수 적용 시 31.6 ㎍/㎥으로 두 농도 값의 차이가 줄어들긴 했지만 역시 1.2배정도 높았다. Fig.
6배 높게 보고하였다. 측정값에 대한 분석결과 측정 농도간의 표준편차는 광산란 미세먼지 측정기가 중량법에 비해 2.1~2.7배 크게 나타났으며, 표준오차 또한 유사한 수준인 2.2~2.7배로 확인되는 등본 연구 역시 선행연구들과 유사한 결과를 확인할 수 있었다.
표준정규분포의 분포의 크기와 폭을 나타내는 첨도인 Ku는 모두 양의 값을 보여 정규분포보다 분포의 폭이 좁은 것으로 나타났다. 특히 광산란 미세먼지측정기에 비해 중량법의 Ku가 더 큰 값을 가지는 것으로 확인되었으며, 이것은 광산란 미세먼지 측정기의 측정자료 분포의 분산정도가 크고 반대로 중량법의 측정 자료는 평균에 수렴하는 정도가 높다고 볼 수 있다. 이와 같은 비대칭성과 첨도의 특성은 대기 중의 미세먼지의 분포가 대수정규분포특성을 가지기 때문인 것으로 판단된다(Wang etal.
2배정도 높게 나타났다. 표준편차는 광산란 미세먼지 측정기에서 36.6~44.3로 중량법의 16.3~17.6에 비해 농도 값들의 편차가 2.3배 정도 크게 나타났으며, 평균에 대한 표준오차 또한 유사한 수준으로 확인되었다. 측정자료의 왜도를 의미하는 Sk는 모두 양(positive)의 값으로 우측 비대칭인 형태를 가지는 것으로 파악된다.
DIFF와 SE를 바탕으로 산정된 q값 또한 광산란 미세먼지 측정기와 중량법, 그리고 광산란 미세먼지 측정기와 CF를 사용하여 보정된 값 사이에서는 q_c를 만족하지 못하여 기각되었지만 보정된 광산란 미세먼지 측정기와 중량법 간의 q_c 값은 만족하는 것으로 나타났다. 회기분석과 Tukey test 결과를 바탕으로 CF0.4258로 보정된 광산란 미세먼지 측정기 값은 중량법과 높은 일치율을 보이는 것으로 확인되었다.

후속연구

본 연구에서 단편적이긴 하지만 도심지역 대기환경을 대상으로 CF 값을 제안하였고 본 자료는 향후 광산란 미세먼지 측정기를 활용한 대기질 측정연구 시 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 앞으로 대기환경 분야의 측정기술 정확도 향상과 기술 발전을 위해 CF 관련 산정연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
하지만 보정계수를 반영한 7일간의 2차 측정값 중 농도가 낮은 4일의 데이터는 유사한 농도를 보이나 상대적으로 높은 농도를 나타낸 나머지 3일의 경우 보정계수 적용에도 불구하고 큰 농도 차이를 보였다. 본 연구는 A 지점에서 보정계수를 산정하여 B 지점의 측정 자료에 적용함에 따라 제한점으로 작용할 수 있으며, 이러한 오차를 줄이기 위해서는 동일한 지점에서 측정한 중량법으로 광산란 미세먼지 측정기의 값을 보정할 필요가 있다.
앞서 언급한 것과 같이 대기 중 입자상 오염물질은 다양한 요인과 주변 환경에 따라 변하기 때문에 장기간 축정된 데이터를 바탕으로 보정계수가 적용되어야 한다. 본 연구에서 단편적이긴 하지만 도심지역 대기환경을 대상으로 CF 값을 제안하였고 본 자료는 향후 광산란 미세먼지 측정기를 활용한 대기질 측정연구 시 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 앞으로 대기환경 분야의 측정기술 정확도 향상과 기술 발전을 위해 CF 관련 산정연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중량법의 단점은 무엇인가?	이 방법은 입자상 물질을 측정하는 가장 기본적인 방법으로 타 방법들에 비해 측정방법이 쉽고, 가장 정확한 값을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 중량법은 실내환경에서 8시간 그리고 대기환경에서 24시간을 연속적으로 채취함에 따라 시간이 오래 소요되며 하나의 대표농도 값만 얻을 수 있고(Kang et al., 2018a), 공기 중에 입자개수가 적은 경우에는 여과지에 채취되는 무게가 작아짐에 따라 여과지를 칭량하는 과정에서 오차가 발생할 수 있다.
	중량법은 무엇인가?	이와 같은 입자상물질을 정확하게 측정하기 위해 중량법이 사용되어왔다(Hinds, 1999). 중량법은 기체 펌프를 가동하여발생하는 압력차를 이용해서 공기 중의 벌크형태의 에어로졸을 목적에 따라 다양한 크기의 입자 분립기에 통과시켜 입자를 분리한 다음에 여과지에 포집하는 방식을 가진다(Kulkarni et al., 2011).
	기상인자는 PM2.5 측정에 어떻게 영향을 미치는가?	5 측정에 매우 중요한 인자로 작용한다. 풍향과 풍속은 해당 지역에서 입자의 침강 및 확산과 같은 동적변화에 영향을 주며, 온도와 습도는 입자의 생성 및 성장등과 같은 응집, 응축현상과 밀접한 관련이 있다(Liu, 1976). 측정지점별로 기상인자를 살펴보면 다음과 같다.

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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