1. 서 론

플라스틱은 낮은 제조 비용, 우수한 물리적 특성, 가공 용이성 등의 장점으로 다양한 산업 및 생활 분야에서 광범위하게 사용되어 왔다. 그러나 자연 분해가 어려워 환경에 장기적으로 잔류하며, 미세한 입자로 변형되어 여러 환경 매체에 축적된다. 그중 크기가 작은 미세플라스틱은 Thompson et al. (2004)의 해변 퇴적물 연구에서 처음 언급되었다. 미세플라스틱의 정의는 국제적으로 일관되지는 않으나, 일반적으로 5 μm 이하의 작은 플라스틱 조각으로, 생물군에 의해 섭취되거나 생태계에 위협이 될 수 있는 것으로 간주된다(Arthur et al., 2009;GESAMP, 2015;ECHA, 2020). 2023년 국제표준화기구(ISO)는 ISO 24187을 통해 1~1,000 μm의 물에 녹지 않는 고체 플라스틱 입자로 정의하였다(ISO, 2023). 미세플라스틱의 건강 영향에 대한 연구는 아직 초기 단계이나, 다양한 연구에서 잠재적 유해성이 보고 되었다(Wright and Kelly, 2017;Smith et al., 2018;Li et al., 2019). 미세플라스틱은 분해가 어려워 생태계에 축적되고, 동물의 소화기관이나 호흡기를 막을 수 있으며(Cole et al., 2013), 플라스틱 첨가제 중 일부는 내분비계 장애물질이나 독성을 유발할 수 있다(Diamanti- Kandarakis et al., 2009). 또한 표면에 병원성 미생물이 바이오필름을 형성하여 감염 위험을 증가시킬 수 있다(Ali et al., 2024).

미세플라스틱은 해수, 담수, 토양에서 주로 연구되어 왔으나, 최근에는 대기를 통해 수일에서 수주 동안 수천 km 이동·확산되는 것으로 보고되고 있으며(Allen et al., 2019), Amato-Lourenço et al. (2021)은 성인 폐 조직에서 1.6~16.8 μm 크기의 미세플라스틱을 확인하여 폐 축적 가능성을 제기하였다. 그러나 대기환경 연구는 아직 초기 단계로, 표준화된 분석방법이 부재하여 현황 파악이 어려운 실정이다. 기존에는 FT-IR 분광법을 사용해 20 μm 이상의 미세플라스틱을 단기간 조사한 사례가 있으나(Chang et al., 2023), 크기가 작은 입자가 인체 위해성을 더 크게 유발할 수 있어(Schraufnagel et al., 2019) 보다 정밀한 분석이 요구된다. 이에 본 연구에서는 20 μm 이하 입경 분석이 가능한 라만분광현미경(μ-Raman spectroscopy)을 활용해 서울시 대기 중 미세플라스틱을 장기간 모니터링하였다. 라만분광현미경은 단색 레이저로 시료 고유의 진동수 차이를 측정해 성분을 구별하며, 비파괴적이고 정성·정량 및 형태 분석이 가능한 장점을 가진다. 본 연구에서는 PM₁₀ 공기 포집기를 이용해 시료를 채취하고, 5 μm 이상의 미세플라스틱에 대해 라만분광현미경으로 정성·정량 분석을 수행하여 서울시 대기 중 분포 특성을 파악하고, 전 처리 및 분석 방법을 제안하여 표준화에 기여하고자 하였다.

2. 연구 방법

2.1 정도관리

미세플라스틱은 생활환경 전반에 존재하여 시료 채취 및 분석 과정에서 교차오염 가능성이 높다. 대기 중 미세플라스틱의 분석 정확도와 신뢰성 확보를 위해 전 과정에서 체계적인 정도관리를 수행하였다. 시료 채취 장비는 사용 전·후 면봉에 에탄올(Fisher Brand)을 적셔 세척한 후 건조하여 사용하였으며, 전처리 및 분석 과정에서는 면 재질의 시험복을 착용하였다. 또한, 가능한 모든 도구는 금속 또는 유리 재질을 사용하였고, 사용 전 에탄올로 세척하였다. 전처리에 사용된 증류수와 시약은 공극 1.2 μm 유리섬유여과지(Whatman)로 여과하였으며, 방법 바탕시료(Method blank)를 통해 교차오염 여부를 확인하였다. 입자 크기 측정의 정확도는 표준 인증된 마이크로슬라이드 자(Graticules Optics Ltd.)를 이용해 분석 소프트웨어를 보정한 뒤 10 μm 폴리스타이렌 입자(Thermo Fisher Scientific)를 활용하여 검증하였다. 동일한 폴리스타이렌 입자를 대상으로 분석한 회수율은 70.2%로, 이는 국립환경과학원에서 제안한 기준(NIER, 2024)인 60% 이상을 충족하여 본 연구의 분석 방법이 신뢰 가능한 수준임을 확인하였다.

2.2 시료 채취

대기 중 미세플라스틱 시료는 2023년 9월부터 2024년 3월까지 매월 1회씩 총 7회에 걸쳐 강우가 없는 맑은 날 약 18.5 m 높이 건물 옥상에서 채취하였다. 시료 채취는 ⸢대기오염공정시험기준 ES 01115 환경대기 시료채취 방법⸥에 따라 수행하였으며 미세먼지(PM₁₀) 채취를 위해 저용량 공기포집기(KN-L25P1, KNJ엔지니어링) 흡입구에 PM₁₀ 임팩터를 장착하고, 유량 16.7 L/ min으로 24시간 연속 시료를 포집하였다. 여과지는 교차오염을 방지하기 위해 스테인리스스틸 필터(Ø47 μm, 공극 크기 1.0 μm)를 사용하였다. 포집된 필터는 24시간 이상 건조 후 0.0001 g 단위까지 측정 가능한 자동 칭량시스템(ChamBAL-500, MTL)을 이용해 먼지 질량을 측정하였다.

2.3 시료 전처리

시료는 30% 과산화수소(H₂O₂) 50 mL가 담긴 유리 비커에 넣어 주파수 40 kHz 및 출력 50 W의 초음파세정기(SD-121H, 성창초음파, Korea)로 초음파를 5분 처리한 후 24시간 이상 실온에서 유기물을 산화하였다. 본 연구의 초음파 조건은 미세플라스틱의 물리적 분해 가능성을 검토한 선행연구의 범위 내에 해당하였다. 특히 Büks et al. (2021)은 0~500 J/mL의 초음파 에너지에서도 PE, PET 등 미세플라스틱의 입도 분포 및 회수율 변화가 나타나지 않음을 보고하였으며, 본 연구의 조건(약 300 J/mL)은 미세플라스틱의 분해 및 분쇄를 유발하지 않는 것으로 판단하였다. 이후 분광분석이 가능하며 고배율 초점 조정이 용이한 실리콘 필터(Si filter, 공극 크기 1.0 μm)에 여과하였다. Schymanski et al. (2021)의 미세플라스틱 연구 가이드라인에 따라 입자의 과밀이 예상될 경우 일부를 분석한 뒤 비율 환산하여 농도를 계산하였다.

2.4 라만분광현미경 분석

전처리를 마친 실리콘 필터는 라만분광현미경(DXR3, Thermo Scientific)으로 분석하였으며 사용된 소프트웨어는 OMNIC for Dispersive Raman (Thermo Scientific)이다. 라만 스펙트럼은 200~4,000 cm^–1 범위에서 레이저 파장, 레이저 출력, 획득 시간 및 스펙트럼 누적 횟수 등을 조정하여 분석하였다. 현미경의 20배 및 50배의 대물렌즈를 사용하여 Dark-field 모드에서 모자이크 이미지를 얻어 입자의 위치 및 형태를 확인한 후, 532 nm 단일 파장의 레이저를 이용하여 낮은 레이저 출력(3~5 mW)으로 1~2초씩 5~10회 노출하여 입자의 스펙트럼을 확보하였다. 스펙트럼은 OMNIC for Dispersive Raman 소프트웨어에서 실리콘 필터의 배경 피크(Background peak)인 400~600 cm^–1와 900~1,000 cm^–1를 제외하고 폴리머 라이브러리와 비교하여 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리스타이렌(Polystyrene, PS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리우레탄(Polyurethane, PU), 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC), 폴리아마이드(Polyamide, PA), 아크릴(Acrylic, AR), 기타(Other)로 분류하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 미세플라스틱 농도

본 시험에서는 PM₁₀ 공기포집기를 이용해 총 23.87 m³의 대기 시료를 연속 채취하였으며 이를 바탕으로 미세플라스틱의 농도와 입자 특성을 분석하여 서울 지역 대기 중 분포를 평가하였다. 미세플라스틱의 평균 농도는 74.0 ± 29.9 개 /m³였으며 최소 농도는 2023년 11월의 36.5 개 /m³, 최대 농도는 2023년 12월의 122.0 개/m³로 확인되었다(Fig. 2). Table 1에는 대기 중 PM₁₀ 농도를 제시하였다. PM₁₀ 평균 농도는 31.1 μg/ m³이었고, 2023년 12월에 PM₁₀ 농도가 85 μg/m³로 가장 높게 나타났다. 또한 스피어만 상관분석(Spearman correlation) 결과 미세플라스틱 농도와 PM₁₀ 간의 상관 계수(r)는 0.252 (p = 0.585)로 낮게 나타나 통계적으로 유의한 상관성은 확인되지 않았다. Zhu et al. (2021)의 연구에 따르면 대기 중 미세플라스틱은 주로 환경 내 플라스틱의 물리적 및 광화학적 분해를 통해 생성되며, 주요 발생원이 생활 폐기물 등 인간 활동에 기인하고 발생원과 분포 특성이 다른 PM₁₀과 통계적으로 유의한 상관성이 없는 것으로 보고하였다. 향후 PM₁₀을 포함한 입자성 대기오염물질과 외부 기상 조건이 대기 중 미세 플라스틱 농도에 미치는 영향을 규명하기 위해 장기적인 모니터링이 필요할 것으로 판단된다.

3.2 미세플라스틱 종류

대기 중 미세플라스틱의 종류별 분포를 분석한 결과, PE이 전체 검출량의 46.7%로 가장 높았으며, PS이 21.8%로 두 번째로 높게 나타났다. PET (6.2%), PP (6.1%), PU (5.4%) 순으로 검출되었고, PVC (1.6%), PA (1.0%), AR (0.5%)은 상대적으로 낮은 수준이었다(Fig. 3). Table 2에 나타난 바와 같이, PE는 세계에서 가장 많이 생산되며 낮은 밀도(0.91~0.96 g/ mL)와 포장재를 비롯한 광범위한 생활용도 특성으로 대기 유입 가능성이 클 것으로 추정된다. PS는 생산량은 6위이지만 스티로폼 등 취약한 기계적 강도로 쉽게 분해되어 전체 검출량의 21.8%를 차지한 반면, PP는 높은 결정성과 강도로 검출 비율이 6.1%에 그쳐 상대적으로 낮은 수준을 보였다. 대기 중 미세플라스틱 종류의 결과는 단순히 생산량 순위(Geyer et al., 2017) 로는 설명하기 어려우며, 고분자의 물리·기계적 특성, 분해 용이성, 사용 형태 등이 복합적으로 작용한 결과로 판단된다.

월별 분포를 살펴보면 PE이 10월(68.0%), 12월(51.8%), 3월(47.4%)에 높았고, PS은 11월(52.6%)과 3월(23.2%)에 상대적으로 높았다. PET는 12월에 20.4%로 가장 높았으며, PP, PU, PVC 등은 일부 시기에 비율이 증가했고, PA와 AR은 1% 미만으로 낮게 나타났다(Fig. 4).

3.3 미세플라스틱 크기

대기 중 미세플라스틱 크기는 평균 17.68 μm (5.1~ 967.7 μm)이었으며, 그 중 입경 5~10 μm의 입자가 전체의 64.5%로 절반 이상을 차지하였다. 일반적으로 10 μm 이하의 미세입자는 호흡으로 쉽게 흡입될 수 있어 건강 위해성이 높다고 알려져 있다. Fig. 5는 종류별 크기 분포와 변동성을 나타냈다. 크기의 차이는 각 고분자의 물리적 특성에 기인한 것으로 추정된다(Fig. 5, Table 2). PVC는 평균 46.1 μm로 가장 컸으며, PET가 35.9 μm로 뒤를 이었다. PVC와 PET는 주로 건설 자재나 섬유 등 견고하고 안정성이 요구되는 제품에 사용된다. 반면, PE (22.2 μm), PP (11.8 μm), PU (13.8 μm), PS (8.1 μm), AR (8.4 μm), PA (7.2 μm)는 상대적으로 작은 크기로, 포장재, 쿠션재, 섬유류 등 쉽게 분해되는 형태로 존재한다. 또한 PVC와 PET는 큰 입자와 넓은 분포를 보였으며, PS, PA, AR은 크기가 작고 분포가 좁았다. 일부 시료에서는 중앙값과 평균값 차이가 크게 나타났다. 본 연구에 사용된 PM₁₀ 공기포 집기는 공기역학적 직경(Aerodynamic diameter) 10 μm에 대해 50%의 포집 효율(cut-off efficiency)을 갖는다. 이에 따라 입자의 형상, 밀도, 표면적 등의 물리적 특성으로 10 μm를 초과하는 입자도 포집될 수 있다. 특히 미세플라스틱의 낮은 밀도 등의 특성으로 인해 PM₁₀ 포집기에서도 10 μm를 초과하는 큰 입자가 검출된 것으로 판단된다.

3.4 미세플라스틱 형태

미세플라스틱의 형태는 생물학적 위해성에 영향을 미치는 중요한 요인으로, 해양 무척추동물 연구 등에서 입자 형상에 따른 독성 반응이 보고된 바 있다(Gray and Weinstein, 2017). 이에 형태 분석은 위해성 평가에 필수적 요소로 인식된다. 본 연구에서는 유럽화학물질청(ECHA) 기준(ECHA, 2020)에 따라 길이 대비 폭 비율이 3:1 이상이면 섬유형(Fiber), 그 외는 파편형(Fragment)으로 분류하였다.

분석 결과, 전체 시료에서 파편형이 평균 98.9%로 대부분이었고 섬유형은 1.1%에 불과하였으며(Table 3), 이러한 결과는 기존 연구와 유사한 경향을 보였다(Dris et al., 2015). 월별 분석 결과 파편형이 96.2~99.7%의 분포 범위를 보였고 섬유형은 2023년 11월(3.8%)에 다소 높고, 전반적으로는 매우 낮은 수준으로 나타났다.

형태별 미세플라스틱의 종류 분포를 살펴본 결과(Fig. 7), 섬유형에서는 PE과 PS이 각각 48.5% 및 29.2%로 주요 비중을 차지하였으며, 그 외 PET (6.6%), PP (6.4%), PVC (6.1%) 등이 검출되었다. 파편형에서는 PE가 54.4%로 가장 높은 비율을 보였고, PS (16.5%)와 PET (9.7%), PP (3.2%), PU (3.7%), PVC (2.6%), PA (1.3%), AR (0.8%) 등의 순으로 나타나 전반적으로 PE와 PS가 두 형태 모두에서 우세하게 검출되었다. 이러한 결과는 대기 중 미세플라스틱이 형태에 따라 종류 분포에서 차이를 보일 수 있음을 시사하며, 향후 위해성 평가와 노출 특성 분석을 위해 형태 및 고분자 특성에 대한 종합적인 평가가 필요할 것으로 판단된다.

3.5 국내외 문헌 비교

본 연구에서 대기 중 미세플라스틱의 평균 농도는 74.0 개/m³로, 기존의 국내·외 연구 결과와 비교하였다(Table 4). 인천 지역에서 라만분광법을 이용하여 수행된 연구(Won et al., 2023)에서 미세플라스틱 평균 농도는 2.5 개/m³로 보고되어 본 연구보다 현저히 낮은 수준이었다. 한편, 중국의 5개 대도시(베이징, 톈진, 상하이, 난징, 항저우)를 대상으로 수행된 연구(Zhu et al., 2021)에서는 형광현미경과 FT-IR을 결합한 분석을 통해 평균 282 개/m³가 보고되어 타 국가에 비해 높게 보고되었다. 독일 북서부 및 중부 지역의 하천 유역 6개 지점을 대상으로 한 연구(Kernchen et al., 2022)에서 μ-Raman 및 FT-IR을 병행한 분석을 통해 평균 91 개/ m³가 확인되어 본 연구와 유사한 수준이었다.

각 연구의 농도 차이는 산업화, 교통량, 기상 조건 등의 외부 요인과 시료 채취 장비, 유량, 분석 기법 등 기술적 변수에 기인한다. 특히 대기 중 미세플라스틱에 대한 국제적 표준 분석방법이 부재하여 연구 결과 간 직접 비교에는 한계가 있다. 대부분 연구에서 시료 채취 장비, 여과지, 전처리 방식, 분석 기기의 분해능 및 검출 방식(FT-IR, μ-raman 등)이 상이하므로 연구 결과 해석 시 고려가 필요하다.

4. 결 론

본 연구는 라만분광현미경과 PM₁₀ 공기포집기를 이용하여 서울시 도심의 대기 중 미세플라스틱을 분석하였다. 분석 결과, 미세플라스틱 평균 농도는 74.0 ± 29.9 개/m³이었고, 주로 PE과 PS 등 비교적 낮은 밀도와 기계적 강도를 가진 미세플라스틱이 대부분을 차지하였다. 미세플라스틱 크기는 5~10 μm 범위에 집중되었고, 형태는 96% 이상이 파편형으로 나타났다. 건강 위해성과 인체 흡입 가능성을 고려할 때, 고해상도 식별이 가능한 라만분광현미경과 실외 장기 모니터링에 적합한 PM₁₀ 기반 시료 채취 방식의 적용이 적절하다고 판단된다. 한편, 필터 면적이 넓거나 장시간 채취한 후 입자의 수가 과도할 경우 필터의 일부를 절단하여 분석하는 방식은 흔히 사용되지만 그 과정에서 시료 손실과 오염이 발생할 위험이 있다(Chyzhykov et al., 2025). 또한 대기 입자성 물질을 라만분광현미경으로 분석하기 위해서는 실리콘 필터에 균일하게 분포하며 다층 적층이 발생하지 않는 상태가 필수적이다. Chauhan et al. (2024)의 연구에 따르면 과도한 적층에 따른 입자 중첩(overlapping)이 현미경 분석 시 과소평가 오류를 불러올 수 있으며 이를 방지하기 위해 적절한 전처리와 시료 분취 및 희석 과정이 필요하다고 보고하였다. 이러한 이유로 본 연구에서는 균질한 입자 분포를 확보하고 분석 효율성 향상을 위해 시료 일부를 분취하여 새로운 필터에 로딩하는 방법을 적용하였으며, 이는 대기 시료에서 과밀 현상으로 인한 오류를 줄이기 위한 대안적 방법으로 적용되었다. 다만 현재까지 분취 기반 일부분석 방법에 관한 표준 가이드라인이 마련되어 있지 않으므로 향후 연구에서는 본 방법을 반복 실험과 비교 분석을 통해 정확도와 대표성을 정량적으로 평가하고 과밀 시료 조건에 적용 가능한 부분 분석 방법의 표준화 방안을 마련할 필요가 있다. 더 나아가 다양한 환경과 조건에서의 모니터링 체계를 구축함으로써 생활환경 공간에서의 미세플라스틱 분포 특성을 정밀하게 파악하고 장기적인 대기환경 관리 및 정책 수립에 기초자료를 제공할 수 있을 것이다.