연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
공기 중 탄소나노튜브 발생에 미치는 요인 연구
- 연구책임자
- 이나루 외 5명
- 수 행 연 도
- 2016년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- , 1. 연구제목: 공기 중 탄소나노튜브 발생에 영향을 미치는 요인 연구 2. 연구 필요성 및 목적 분말의 분진날림(Dustiness)은 작업장 노출 관리의 중요한 지표이며, 물질의 본질적인 특성에 따라 달라진다. 제조나노물질의 분진날림 방법은 현재 표준화되어 있지 않고, 노출 매트릭스가 결정되지 않았다. 국외에서도 탄소나노튜브 제품에 따라 공기 중 입자 농도가 달라지는지를 연구하고 있다. 작업장 탄소나노튜브 노출 관리를 위해, 탄소나노튜브의 분진날림 방법을 개발하고, 공기 중 탄소나노튜브 입자 발생에 영향을 미치는 요인들을 조사하기 위해 본 연구를 수행하였다. 3. 연구 내용 및 방법 공기 중에 탄소나노튜브를 비산시키기 위해 회전형 브러쉬를 이용한 발생장치와 챔버를 구성하였고, 공기 중 입자 수·원소탄소· 중금속 농도 및 입자 모양(투과전자현미경)을 분석하였다. 실험에 사용한 물질은 상품으로 판매되고 있는 다중벽탄소나노튜브 13종 및 단일벽탄소나노튜브 1종이었다. 공기 중 탄소나노튜브 분진날림에 영향을 주는 요인을 분석하기 위해, 겉보기 밀도, 표면적, 중금속 함량을 측정하였고, 주사전자현미경으로 모양을 관찰하였다. 탄소나노튜브 제품별 분진날림 정도를 노출 매트릭스에 따라 비교하고, 분진날림에 영향을 미치는 요인을 분석하였다. 시료의 압축 정도, 수분량 변화가 분진날림에 미치는 영향을 조사하였다. 또, 탄소나노튜브 입자 비산 감소를 위한 취급 지침을 제안하였다. 4. 연구결과 ○ 공기 중 탄소나노튜브 입자의 수 농도를 측정한 결과, OPC로 측정한 시간에 따른 입자 수 농도는 제품별 특징을 보였다. SMPS로 측정한 총 입자 수는 제품에 따른 패턴을 찾기가 어려웠고, 그 농도 범위도 매우 컸다. 즉 350 ㎚ 이하의 입자들은 일정하게 발생하고 움직이는 것이 아니라, 예측이 불가능하게 움직이는 것 같다. OPC로 측정한 총 입자 수 농도가 가장 낮았던 제품은 MWCNT-NC-1과 MWCNT-AM-1이다. SMPS로 측정한 총 입자 수 농도 역시 낮았다. 겉보기 밀도가 높은 제품이 공기 중 입자 수 농도가 낮은 경향을 확인할 수 있었다. 탄소나노튜브 원재료에 대해 SEM으로 촬영한 결과 MWCNT-AM-1과 MWCNT-NC-1 두 제품은 동글동글하게 솜 덩어리처럼 뭉쳐져 있었다. 이렇게 솜 덩어리처럼 뭉쳐진 제품은 MWCNT-JY-3 및 MWCNT-CN-1로 겉보기 밀도는 0.0409 g/㎤ 및 0.0431 g/㎤ 였다. 나머지 제품들은 탄소나노튜브 가닥들이 밧줄처럼 꼬여있는 모습이었다. ○ SMPS와 OPC로 측정한 입자 크기 분포는 형태를 정의하기 어려웠다. 탄소나노튜브 제품들은 대개 탄소섬유와 금속이 혼합되어 있어서 입자 크기 분포를 측정하기 어려운 점도 있을 것이다. 비교적 금속 함유량이 다른 제품에 비해 적은 MWCNT-JY-1 및 MWCNT-JY-2 제품은 350 ㎚에서 입자 수 농도가 높았다. OPC 측정 결과도 0.325 ㎛ 주위에서 입자 수 농도가 가장 높았다. ○ 본 연구 실험조건에서 1가지 제품을 제외하고는 공기 중 원소탄소 농도를 정량적으로 평가하였다. 탄소나노튜브 제품마다 6개의 시료를 채취하였는데, 고농도의 시료에서는 시료간의 농도 변이가 컸고, 낮은 농도의 시료에서는 시료 간의 농도 변이가 작았다. 측정 범위의 원소탄소를 농도에 따라 3개의 그룹으로 구분하였는데 High 그룹에 속한 제품은 MWCNT-HH-1, MWCNT-JY-1, MWCNT-KH-1으로 이들의 겉보기 밀도는 0.0108 g/㎤, 0.0227 g/㎤, 0.0160g/㎤ 으로 비교적 겉보기 밀도가 작았다. 전자현미경 상으로 뚜렷한 특징을 찾기는 어려웠으나 섬유 가닥들이 상대적으로 굽어지지 않고 쭉쭉 뻗어 있는 모양이었다. ○ 탄소나노튜브의 정전기가 원소탄소 측정에 영향을 미치는 것을 최소화하기 위해 전도성 카세트를 사용하였으나 여과지 위에 시료가 불균일하게 측정된 경우가 종종 있었다. 원소탄소 농도가 매우 높지 않음에도 불구하고 정전기를 부착한 경우와 정전기를 부착하지 않은 경우 원소탄소 농도의 차이가 컸다. 실험 과정에서 이 두 제품은 정전기가 많이 발생한다고 관찰된 제품이었다. 원소탄소 농도 측정은 정전기 영향을 받는 것으로 보이므로 탄소나노튜브의 정전기가 원소탄소 농도 측정에 미치는 영향은 추후 더 연구가 필요하다. ○ 원소탄소 농도는 OPC 혹은 SMPC로 측정한 총 입자 수 농도와 상관관계가 있었으나 어느 한 장비 측정 결과 보다 두 측정 영역 모두 원소탄소 농도와 관련이 있는 것 같다. 탄소나노튜브의 원소탄소 농도와 겉보기 밀도는 음의 관계가 있다. 다만, 원소탄소 발생을 겉보기 밀도만으로 설명하기는 어려워 보인다. 유사한 겉보기 밀도를 가진 제품이 원소탄소 발생은 Low 그룹에 포함 되었으나, MWCNT-CN-1 시료는 겉보기 밀도가 0.0431 g/㎤ 였으나, 원소탄소 발생은 Medium 그룹에 포함되었다. ○ 탄소나노튜브의 분진날림에 압축정도가 미치는 영향을 파악하기 위해 시료를 더 압축시켜서 실험 한 결과, OPC로 측정한 총 입자 수 농도는 증가하였으나, SMPS로 측정한 총 입자 수 농도는 감소하였고, 원소탄소 농도 역시 감소하였다. ○ 탄소나노튜브의 분진날림에 수분변화가 미치는 영향을 파악하기 위해 시료를 건조시켜서 실험 한 결과, OPC로 측정한 총 입자 수 농도는 증가하였으나, SMPS로 측정한 총 입자 수 농도는 감소하였고, 원소탄소 농도 역시 감소하였다. ○ 공기 중 탄소나노튜브 입자를 포집하여 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 결과, 공기 중에 탄소나노튜브입자 뿐 아니라 금속입자가 비산되어 있음을 확인하였다. 공기 중 금속 농도를 측정한 결과, 노출 관리에서 코발트에 대해 주목할 필요가 있음을 확인하였다. ○ 탄소나노튜브 제품에 따라 공기 중으로 비산하는 정도(분진날림)가 다르다는 것을 원소 탄소 농도를 측정하여 밝혔다. 원소탄소농도는 탄소나노튜브의 겉보기 밀도 등과 관계가 있고, 겉보기 밀도는 탄소나노튜브 생산 기법과 관련이 있으므로, 궁극적으로 공기 중으로 덜 날리는 탄소나노튜브 개발이 탄소나노튜브 노출 관리에서 가장 원천적인 방법이 될 것이다. 5. 활용방안 및 기대성과 지속가능한 나노기술 개발을 위해 원천적으로 안전한 탄소나노튜브개발 및 탄소나노튜브 취급 근로자 노출 관리를 위해 본 연구 결과를 활용할 수 있으므로 전문 학술지 게재 및 기고 등을 통해 본 연구 결과를 홍보하고자 한다. 6. 중심어 탄소나노튜브, 분진날림, 입자 수 농도, 원소탄소 농도, 투과전자현미경, 주사전자현미경 7. 연락처 ▶ 연구책임자：화학물질독성연구실 이나루 부장 ▶ 연구원 담당자：산업안전보건연구원 화학물질독성연구실 이나루 부장
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