본 연구에서는 고속도로 통행료 무료 정책이 대기오염에 미치는 영향을 에어코리아의 미세먼지(PM10) 자료와 기상청의 기상관측자료에 시계열회귀단절(Regression Discontinuity in Time, 이하 RDiT) 추정기법을 적용하여 분석하였다. 분석 결과, 첫째, 무료 정책으로 대기 중 PM10 농도가 최저 40.6%에서 최대 58.4%까지 증가하여 민감군(영·유아, 어린이, 임신부, 노인, 호흡기·심혈관 질환자)이 유의할 수준인 것으로 나타났다. 둘째, 분석 결과의 강건성 확인을 위해 정책 시행 이전 2개년도(2015년, 2016년 추석)에 대한 위약효과(Placebo Effect)를 검증한 결과, 대기오염에 미치는 부정적인 효과가 고속도로 통행료 무료 정책효과에 기인한 것임을 확인하였다. 셋째, 교통량 패널 회귀모형 결과, 2017년도 추석 연휴 기간 교통량 증가가 PM10 증가의 주요 원인인 것으로 나타났다. 이상에서 고속도로 통행료 무료 정책이 교통량 증가를 통해 대기질을 악화시켜, 동 정책이 정부의 미세먼지 저감 대책과 배치되었다고 말할 수 있다. 이 분석 결과와 중국발 미세먼지가 유입되는 설 명절 연휴에는 대기질 오염정도가 더 크게 나타날 수 있다는 점을 고려하여 고속도로 통행료 무료 정책의 종합적인 정책 평가가 필요하다는 시사점을 도출할 수 있다.