차량 주행 시 타이어와 도로의 경계면에서 발생하는 조대입자, 미세입자 및 초미세입자의 특성 연구

Characterization of Coarse, Fine, and Ultrafine Particles Generated from the Interaction between the Tire and the Road Pavement

Abstract

The non-exhaust coarse, fine, and ultrafine particles were characterized by on-road driving measurements using a mobile sampling system. The on-road driving measurements under constant speed driving revealed that mass concentrations of roadway particles (RWPs) were distributed mainly in a size range of 2~3 ${\mu}m$ and slightly increased with increasing vehicle speed. Under braking conditions, the mode diameters of the particles were generally similar with those obtained under constant speed conditions. However, the PM concentrations emitted during braking condition were significantly higher than those produced under normal driving conditions. Higher number concentrations of ultrafine particles smaller than 70 nm were observed during braking conditions, and the number concentration of particles sampled 90 mm above the pavement was 6 times higher than that obtained 40 mm above the pavement. Under cornering conditions, the number concentrations of RWPs sampled 40 mm above the pavement surface were higher than those sampled 90 mm above the pavement. This might be explained that a nucleation burst of a lot of vapor evaporated from the interaction between the tire and the road pavement under braking conditions continuously occurred by cooling during the transport to the sampling height 90 mm, while, for the case of cornering situations, the ultrafine particle formation was completed before the transport to the sampling height of 40 mm.

1. 서론

고도의 산업발달로 환경오염이 심화되면서 전 세계적으로 기후변화에 대한 관심의 증가와 함께 세계 각국은 환경보호 및 탄소배출량 감축 등을 내세워 환경관련 규제를 강화하고 있는 추세이다. 도로 오염원 부문에 있어 지금까지는 자동차에서 발생되는 배출가스가 대기오염의 주된 원인으로 여겨져 왔으나, 배출가스 중 입자상 물질 (PM)의 배출규제 강화로 인하여 자동차 배기관에서 배출되는 입자상 물질 (exhaust PM)은 많이 감소되었다. 하지만, 차량 주행 시 타이어와 도로의 마찰에 의해 발생하는 마모입자 등과 같은 ‘non-exhaust PM’이 도로 오염원 부문에서 큰 기여를 하고 있는 것으로 보고되고 있다(Dahl et al., 2006; Querol et al., 2004; Harrison et al., 2001; Lenschow et al., 2001). Kreider et al.(2010)은 발생원에 따라 입자의 종류를 정의하였는데, 도로입자(roadway particles; RWPs)는 도로와 타이어의 마찰에 의해서 발생하는 타이어 마모입자 및 도로 표면 마모 입자뿐만 아니라 기존에 도로 위에 축적되어 있는 도로 먼지가 공기 중으로 재비산된 입자 및 브레이크 마모입자까지도 모두 포함하는 것으로 정의하였다. 타이어 마모입자 (tire wear particle; TWPs)는 실험실 규모의 로드 시뮬레이터 (road simulator)로 실험 시 발생되는 순수한 타이어 트레드 마모입자로 규정하였다. 이러한 기계적 마찰에 의한 마모입자는 주로 공기역학적 직경(aerodynamic diameter)이 축적모드(accumulation mode, 0.05~2.5 μm)보다 큰 범위에서 나타나며, 도로 표면에서 발생하는 재비산 먼지의 경우 10 μm 이하에서 관찰되는 것으로 알려져 있다(Lee et al., 2013; Harrison et al., 2012; Orza et al., 2011).

차량 주행 시 발생하는 입자에 대한 최근의 연구 결과에서는 큰 비표면적 (surface area-to-volume ratio)으로 인해 반응성 및 독성이 높은 100 nm 이하의 초미세입자 (ultrafine particle) 발생 또한 상당한 것으로 보고되면서 미세입자의 질량농도뿐 아니라 초미세입 자의 물리 · 화학적 특성에 대한 관심이 증가하고 있는 추세이다(Mathissen et al., 2011; Dahl et al., 2006). 이러한 미세입자 및 초미세입자는 지구 복사평형, 구름형성에 영향을 주며 시정장애를 유발시킬 뿐만 아니라 인체에 단/장기간 노출 시 호흡기 질환과 노인이나 영아의 사망에 영향을 주는 것으로 평가되고 있으며, 인체에 흡입된 입자들은 체내에서 물리/화학적 반응을 거쳐 호흡기 및 폐기관에 손상을 초래해 건강에 유해한 것으로 알려져 있다(Pope et al., 2002; Oberdörster, 2000; Peters et al., 1997).

미세입자 및 초미세입자에 대한 자동차 발생원의 기여도를 산출하고 인체에 대한 위해성을 파악하기 위해서는 발생되는 입자의 물리·화학적 특성에 대한 평가 또한 꼭 필요하다. 실험실에서 차대 동력계나 로드 시뮬레이터를 이용하여 측정된 마모입자의 발생량 또는 배출 특성은 실제 도로 조건과 다르므로 그 측정 결과가 실제 주행 조건에서 발생하는 배출 특성과 상이할 수 있다. 따라서 이동형 측정 차량을 이용해 실제 도로 상에서 주행하면서 타이어와 도로의 경계면에서 발생하는 입자를 실시간으로 측정하는 것이 중요하다. 그러나 아직까지 국내에서는 실제 도로 조건에서 차량을 주행하는 경우 발생하는 타이어 마모입자에 관하여 총체적으로 연구한 사례는 거의 없는 실정이다. 따라서, 국제 환경관련 규제에 대응하고 추후 국내 대기 중 미세입자 및 초미세 입자의 기준설정에 대한 자료구축 및 저감방안 수립을 위해 본 연구는 의미가 있다고 하겠다.

본 연구에서는 입자측정 장비를 직접 차량에 장착한 이동형 측정 시스템을 이용하여 실제 도로 주행 과정 중 타이어와 도로의 경계면에서 발생하는 도로 입자(RWPs)의 질량농도, 수농도 및 입경분포를 다양한 주행 조건(정속 주행, 제동조건, 코너링)에서 측정하였다. 또한 입자가 샘플링 되는 높이를 달리하여 측정되는 입자의 특성 변화를 관찰하고자 하였다.

2. 실험 방법

차량 주행 시 발생하는 입자 측정을 위하여 구축된 이동형 측정시스템은 공차중량이 1,400 kg인 2000 cc 급 가솔린 승용차이며 타이어는 summer tire(Kumho KU39 225/45/R18, UTQG tread wear 280)를 이용하였다. 그림 1에서 보는 바와 같이 (a) 차량 전면에서 유입되는 대기 중의 입자(배경농도)와 (b) 타이어 후면 에서 발생하는 도로입자를 각각 측정하기 위해 샘플링 inlet 2개를 별도로 장착하였다. 각 샘플링 inlet에서 유입되는 먼지의 농도를 동시 측정하여 그 차이 값을 실제 차량 주행 시 타이어와 도로의 경계면에서 발생하는 입자로 간주하였다. 본 연구에서 도로입자는 Kreider et al. (2010)이 정의한 바와 같이 타이어와 도로의 경계면에서 발생되는 입자뿐만 아니라 기존에 도로 위에 축적되어 있는 도로 먼지 등이 차량 주행에 의해 공기 중에서 재비산되어 함께 샘플링 되는 입자까지도 모두 포함하는 것으로 보았다.

Fig. 1. Schematic of the current mobile sampling system.

각각의 샘플링 inlet은 먼지가 균일하게 혼합, 층류 유동(laminar flow) 조건을 형성해주는 플래넘(plenum)에 연결되어 있으며 진공펌프에 의하여 차량 주행 시 발생되는 입자들을 흡입하게 된다. 이 때 차량 내의 측정 장비로 흡입되는 입자의 손실을 최소화하기 위해서 샘플링 inlet으로 유입되는 공기속도와 외부에서 흐르는 공기속도가 같도록 등속샘플링 (isokinetic sampling) 조건을 만들어 주었으며, 샘플링 inlet의 입구를 유선과 일직선으로 평행하게 되도록 하였다(Hinds, 1999). 각 샘플링 플래넘에 유입되는 입자는 여러 측정 장비들로 연결되며 전도성 튜브 (conductive tube)를 사용하여 2 m의 길이로 연결하였다. Mathissen et al. (2012)은 mobile trailer를 이용하여 차량 주행 시 발생하는 ‘non-exhaust PM’을 실험하면서 샘플링 inlet 위치에서 측정되는 실제 풍속은 차량 속도와 다르다고 보고하였다. 본 연구에서도 마찬가지로, 차량 주행 속도와 타이어 후면에서의 공기속도는 다를 것이므로 차량 속도에 따른 타이어 후면에서의 풍속를 알기 위해 열선풍속계(TSI TA460)를 이용해 측정하였다. 타이어 후면에서 측정된 실제 공기속도는 차량 속도보다 낮았으며 두 측정 값 간에 높은 선형 관계 (R²=0.96, y=0.18x+0.84)를 나타내었다. 본 연구에서는 등속샘플링을 위한 계산식에 실제 측정된 풍속을 이용하였다. 진공펌프는 65 LPM 유량으로 입자를 흡입하게 되고 플래넘의 직경은 48 mm로 플래넘 내의 유속은 0.58 m/s이며, 이때 Reynold’s number는 1,858로 층류유동 조건이 형성된다. 이 때 유량은 배경농도용 흡입구와 도로입자용 흡입구 모두 동일하게 하였으며, 로터미터(rotameter)를 배경농도용 플래넘과 도로입자용 플래넘 앞에 설치하여 일정한 유량(65 LPM)을 유지하도록 하였다. 차량 속도 50~140 km/h 범위에서 등속샘플링을 위해 샘플링 inlet의 직경을 50~80 km/h 범위에서는 20 mm로, 110~140 km /h 범위에서는 14 mm로 각각 설계하여 적용하였다.

조대입자의 샘플링 시, 흡입 효율 (aspiration effi-ciency) 및 침전(settling loss)과 관성충돌(bend loss)에 의한 입자 손실을 고려한 총 입자 수송 통과율(total penetration efficiency)을 알아보기 위해 Belyaev and Levin (1974), Fuchs (1964), 그리고 Crane and Evans (1977) 식을 이용하여 계산하였으며, 자세한 계산 방법은 Kwak et al. (2013)에 설명되어 있다. 위의 수치 값들을 이용하여 조대입자 범위에서의 이론적인 총입자 수송 통과율을 계산한 결과, 2.5 μm 크기 입자에서는 총 입자 수송 통과율이 거의 1에 근접하여 손실이 거의 없으나 5 μm 크기 입자의 경우 총 입자 샘플링 효율은 87~94%, 10 μm 크기 입자의 경우 52~ 78% 범위인 것으로 나타났다. 본 연구에서는 위에서 계산된 총 입자 수송 통과율을 실험으로부터 측정된 질량농도 및 입경별 질량농도분포에 보정하지는 않았다.

차량 주행 과정에서 발생하는 입자를 실시간으로 측정하기 위하여 2대의 DustTrak (TSI 8533)과 Fast Mobility Particle Sizer (FMPS, TSI 3091), 그리고 Aerodynamic Particle Sizer (APS, TSI 3321)를 사용하였다. DustTrak의 경우 배경농도와 도로입자를 각각 동시에 측정하도록 하였으며 유량 2 LPM으로 PM₁₀, PM_2.5의 농도를 실시간으로 측정하였다. 입경에 따른 질량농도 분포는 APS를 이용하여 유량 1 LPM으로 0.37~ 20 μm 크기 입자에 대해 측정된 수농도에서 입자의 밀도를 2.8 g/m³으로 고려해준 후 질량농도로 변환하였다(Hussein et al., 2008). 차량 주행 시 발생하는 초미세입자의 전기적 입경(electrical mobility equivalent diameter) 분포와 그에 따른 수농도(number concentration)를 실시간으로 측정하기 위하여 FMPS를 사용하였으며, 유량 10 LPM으로 5.6~560 nm 입자에 대해 실시간으로 측정하였다. DustTrak과 APS는 동시 측정하였으며, FMPS는 독립적으로 측정하였다. 이들 장비들의 유량을 고려하여 흡입구에서의 총 유량이 항상 65 LPM을 유지하도록 모니터링 하였다.

일반 도로에서는 주변 차량들에 의해 속도를 일정하게 유지하기 어려우며 주변 차량에서 발생되는 배출가스에 의한 오염 문제가 생기므로 이를 배제하고 측정결과의 신뢰성을 높이기 위하여 자동차안전연구원(KATRI) 내의 고속주회로와 선회시험장에서 각각 실험을 수행하였다. 고속주회로에서는 자동차 주행 조건을 크게 2가지로 나누어 실험을 하였는데, 첫 번째 주행 조건은 차량 속도를 50, 80, 110, 140 km/h로 일정하게 변화시키는 정속 주행(constant speed)이며, 두 번째 주행 조건은 제동(braking)으로 차량을 정지 상태에서 0.71 m/s²의 가속도로 150 km/h까지 가속 후 3.02 m/s²의 가속도로 정지하였다. 선회시험장에서는 직경 50 m의 원형 트랙에서 횡가속도 5.1 m/s² (차량속도 50 km/h)의 조건으로 코너링 (cornering) 실험을 수행하였다. 또한 입자가 샘플링되는 위치에 따른 측정결과를 비교하기 위해 도로 표면으로부터 약 40 mm 높이와 90 mm 높이에 샘플링 inlet을 각각 설치하여 측정 후 그 결과를 비교하였다. 타이어 후면의 샘플링 inlet과 타이어 표면 간의 간격은 40 mm와 90 mm 높이의 샘플링 inlet 모두 40 mm가 되도록 하였다.

3. 실험 결과

3. 1 정속 주행 시 차량에서 발생하는 도로입자의 특성

그림 2는 고속주회로에서 차량 속도를 50~150 km /h로 변화시키면서 도로 표면으로부터 약 40 mm 높이의 타이어 후면에서 DustTrak을 이용하여 실시간 (1초 단위)으로 측정한 도로입자의 PM_2.5 질량농도를 나타낸 것이다. 도로입자의 경우 일정한 차량 속도 조건에서 점진적으로 속도를 높여가면서 실험을 수행함에도 불구하고 도로에 존재하는 비산먼지에 의한 농도의 변화가 심한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 2. Temporal variation of PM_2.5 mass concentrations of RWPs sampled 40 mm above the pavement surface under constant speed conditions.

고속주회로에서의 위치별 농도분포를 확인하기 위하여 80 km/h와 110 km/h 정속 주행 조건에서 1회전 (길이 5 km) 주행 시 각각 측정한 배경농도와 도로입자의 PM_2.5 질량농도는 그림 3(a), (b), (c)와 같다. 배경농도의 경우 측정 위치에 따른 질량 농도변화가 적고 차량 속도 증가에 따른 PM_2.5의 농도 값도 큰 변화가 없었으며 평균 80~100 μg/m³ 범위로 거의 일정하였다. 그러나 도로입자의 경우 80 km/h와 110 km/h 모두에서 위치별 PM_2.5 농도 값의 변동이 크며, 동 · 서쪽에 비해 남 · 북쪽에서 농도가 대체로 높았으며 이러한 경향은 차량 속도 120~150 km/h 구간에서도 비슷하게 관찰되었다. 이는 고속주회로 도로 상에 기존에 존재하는 비산먼지의 양이 구역에 따라 다르게 분포하기 때문에 농도 편차가 심한 것으로 사료된다(Pirjola et al., 2010).

Fig. 3. Spatial variation of PM_2.5 mass concentrations of (a) background, and of RWPs sampled 40 mm above the pavement surface under (b) 80 km/h and (c) 110 km/h constant speed for one round driving of 5 km.

그림 4와 표 1은 고속주회로에서 차량 속도를 50, 80, 110, 140 km/h로 변화시키면서 도로 표면으로부터 약 40 mm 높이의 타이어 후면에서 측정한 PM_2.5과 PM₁₀의 질량농도를 나타낸 것이다. 그림 4와 표 1에 나타난 측정결과는 Lee et al. (2012)와 Lee et al. (2013)에 의해 본 연구와 동일한 이동형 차량시스템을 이용하여 측정한 도로입자의 농도에 비해 현저히 높게 나타났는데, 이는 Lee et al. (2012)와 Lee et al. (2013)에서 사용된 샘플링 inlet이 본 논문에서 사용된 inlet과 다르게 지표면으로부터 현저히 떨어져 있으며 (90 mm 이상) 흡입유량 또한 본 논문에서 적용한 유량과 다르기 때문인 것으로 판단된다. 배경농도의 경우 차량 속도 증가에 따른 PM_2.5 및 PM₁₀의 농도 값은 큰 변화가 없었으며 평균 81 μg/m³과 89 μg/m³을 각각 나타내었다 (그림 4와 표 1에는 배경농도 데이터 생략). 차량 속도가 증가함에 따라 도로입자의 질량농도도 2~50% 증가하였다. 도로입자에 대한 평균 PM_2.5/PM₁₀ 비는 표 1에 나타난 바와 같이, 50 km/h에서 0.79, 140 km/h에서 0.73으로 차량 속도가 증가함에 따라 다소 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 실제 도로 주행 시 도로입자의 경우 차량 속도가 증가함에 따라 조대입자에 의한 기여도가 커지는 것을 의미하며 타이어 마모입자와 함께 발생하는 도로 표면 마모입자 및 비산먼지 등의 영향 때문인 것으로 판단된다. Han et al. (2007)의 연구에서도 서울시와 인천시를 대상으로 도로에서 재비산되는 미세입자를 차량에 탑재한 실시간 먼지농도 계측기기로 측정한 결과에서 자동차의 운행으로 비산되어 발생하는 재비산 먼지가 상당한 것으로 보고하였다.

Table 1. PM₁₀, PM_2.5, and particle number concentrations of RWPs sampled 40 mm above the pavement under constant speed conditions.

Fig. 4. Average PM_2.5 and PM₁₀ concentrations of RWPs sampled 40 mm above the pavement surface under constant speed conditions.

그림 5(a)는 도로 표면으로부터 40 mm 높이의 타이어 후면에서 APS에 의해 측정된 도로입자의 입경별 질량농도분포를 나타낸 것이다. 배경농도의 경우 약 0.7 μm 부근에서 최빈값(mode diameter)을 나타내는 반면, 도로입자의 경우 2~3 μm 범위에서 최빈값이 관찰되었으며 차량 속도의 증가에 따라 최빈값에 서의 질량농도도 7~32% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 기존 연구에 의하면, 마모에 의해 발생하는 입자는 공기역학적 직경이 주로 축적모드(accumulation mode)보다 큰 쪽에 분포하며 (Harrison et al., 2012), 재비산 된 입자의 경우 마모입자보다 큰 직경을 가지는 것으로 보고된 바 있다(Orza et al., 2011). 또한 최근 Kwak et al. (2013)에 의해 본 연구와 동일한 이동형 차량시스템을 이용하여 주행시험장과 로드시뮬레이터에서 차량 주행 시 발생하는 입자를 측정한 결과, 타이어 및 도로 마모에 의해 발생하는 입자가 2~3 μm 범위에 분포하는 것으로 보고되었다. 따라서, 본 실험에서의 측정결과도 마찬가지로 타이어와 도로의 경계면에서 타이어 및 도로 마모에 의해 발생하는 입자가 주로 2~3 μm의 입경을 가지며 속도 증가에 따라 발생되는 마모입자도 증가하는 것을 의미한다. Sjödin et al. (2010)은 로드 시뮬레이터 실험과 도시 및 배경지역의 대기 측정을 통해 입자의 입경별 물리적 특성을 관찰하였다. 그는 입경별 질량농도 분포 결과에서 최빈값 직경은 studded tire에서 3~4 μm, friction tire에서 2~4 μm, summer tire의 경우 2 μm 이하에서 나타나는 것으로 보았다. Thorpe and Harrison (2008)은 타이어 트레드의 마모에 의해 발생하는 입자는 주로 2.5 μm보다 큰 범위에 존재한다고 보고하였으며, Boulter (2005)는 그의 보고서에서 타이어 마모입자의 미세입자와 조대입자의 상대적인 질량분포는 샘플링 조건에 따라 그 결과값이 달라진다고 설명하였다. 본 연구에서의 실험조건이 기존의 보고된 연구와 상이함에도 불구하고 최빈값이 나타나는 입경은 크게 다르지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 5. Average (a) mass and (b) number size distributions of RWPs sampled 40 mm above the pavement surface under constant speed conditions.

그림 5(b)는 도로 표면으로부터 40 mm 높이의 타이어 후면에서 FMPS에 의해 측정된 도로입자의 입경별 수농도 분포를 나타내고 있다. 도로입자와 배경 농도 모두 60 nm 부근에서 최빈값을 나타내고 있으며 차량 속도 증가에 따른 최빈값에서의 수농도는 배경 농도와 도로입자 모두 약 2.4×10⁴개/cm³으로 일정하여 정속 주행 조건에서는 초미세입자의 발생이 거의 없는 것으로 사료된다. 본 실험결과는 Mathissen et al. (2011)의 연구결과와도 일치하는 것으로 나타났다. Mathissen et al. (2011)의 경우 본 연구와 유사하게 실시간 측정장비를 탑재한 이동형 측정차량을 이용하여 주행시험장에서 정속 주행 시 summer tire에서 발생하는 초미세입자를 차량 속도 증가에 따라 측정 하였는데 배경농도와 별다른 차이가 없다는 결과를 보고하였다.

3. 2 제동 조건에서 발생하는 도로입자의 특성

그림 6(a)는 제동 조건에서 도로 표면으로부터 약 40 mm 높이의 타이어 후면에서 측정된 입경별 질량 농도 분포를 나타내고 있다. 그림에서 나타난 바와 같이 도로입자는 정속 주행 조건에서와 유사하게 1~ 4 μm 크기의 입경 범위에 주로 분포하고 있으며 제동 시에서는 질량농도가 8,000 μg/m³까지 증가하였다. 차량에서 급 제동을 하는 경우 ABS (Anti-lock braking system)가 작동하지만 차량이 일정 부분 미끄러지면서 타이어와 도로 표면 사이에서 마찰이 크게 발생하여 마모입자 발생 양이 높다. PM_2.5/PM₁₀의 비를 살펴보면, 제동 시작점 이전까지는 평균 0.69의 값을 나타내지만 감속 후에는 0.45로 값이 감소하여 타이어와 도로의 경계면에서 발생하는 조대입자의 비중이 증가하는 것으로 관찰되었다. 본 실험결과는 Kwak et al. (2013)의 연구결과와도 일치하며, 그의 실험에서 제동 시 타이어 후면에서 발생하는 도로입자는 정속 주행 조건에 비해 농도가 최대 6배까지 증가하여 급감속 시 입자 발생이 상당한 것으로 보고하였다.

Fig. 6. Average (a) mass and (b) number size distributions of RWPs sampled 40 mm above the pavement surface under braking conditions.

제동 조건 시 도로 표면으로부터 약 40 mm 높이의 타이어 후면에서 FMPS에 의해 측정된 입경별 수농도 분포는 그림 6(b)와 같으며 그림 6(a)의 질량농도 분포에서와 마찬가지로 제동 시작 시점에서부터 수농도가 현저히 증가하는 것을 볼 수 있다. 대부분의 수농도는 70 nm 이하에 주로 분포하고 있으며 제동 조건에서의 총 수농도는 1×10⁶개/cm³까지 증가하였고 이는 Mathissen et al. (2011)의 실험에서 제동 시 타이어 후면에서 측정한 미세입자들의 분포와 유사한 경향을 나타냈다. 제동조건의 경우 정속 주행에 비해 50 nm 이하의 나노입자 발생이 현저하여 대도시와 같이 자동차에 의한 국소 고농도 오염 현상이 심한 지역의 경우 인체의 위해도도 증가할 것으로 사료된다. 그러나 제동 시 타이어 후면에서 발생하는 100 nm 이하의 초미세입자의 경우 기계적 마찰에 의해 발생하는 마모입자와는 생성 메커니즘이 다를 것으로 예상 된다. Dahl et al. (2006)은 로드 시뮬레이터에서 studded tire와 friction tire를 이용하여 50~70 km/h의 속도 조건에서 발생하는 초미세입자를 측정한 결과 최빈값은 15~50 nm 범위에 존재하며 이는 타이어 부분의 온도가 상승하게 되면 reinforcing filler나 oil에서 생성되는 반휘발성 (semi-volatile) 물질이 증발 되면서 발생하는 것으로 판단하였다. 또한 도로 아스팔트에 포함된 역청(bitumen)이 마찰열에 의해서 증발 되면서 발생할 가능성이 있다. 제동 시 브레이크 패드 부분에서도 마찰에 의해 발생하는 열이 상당하며 400 ~500℃까지 온도가 상승하면서 증발에 의해 발생하는 나노입자가 상당하다는 연구보고도 있으며 (Sanders et al., 2003), 본 실험에서 타이어 후면의 샘플링 inlet에서 측정되는 입자의 경우 타이어와 도로의 경계면에서 발생하는 입자뿐 아니라 브레이크 패드 부분에서 발생하는 입자도 함께 포함되어 있을 것으로 사료된다.

그림 7(a)는 동일한 제동 조건에서 도로 표면으로 부터 90 mm 높이의 타이어 후면에서 측정된 도로입자의 입경별 질량농도 분포를 나타낸다. 도로 표면으로부터 40 mm 높이의 타이어 후면에서 측정된 결과와 마찬가지로 대부분의 질량농도는 1~4 μm 범위에 주로 분포하고 있으며 제동 조건에서의 측정값은 약 6,500 μg/m³으로 약간 감소하였다. 감속부근에서의 PM_2.5/PM₁₀의 비는 약 0.44로 40 mm 높이의 타이어 후면에서 측정된 결과와 유사한 값을 나타냈다. 그림 7(b)의 FMPS에 의해 측정된 수농도의 경우도 제동 조건에서 총 수농도가 최대 6×10⁶개/cm³까지 관찰 되어 도로 표면으로부터 40 mm 높이의 타이어 후면에서의 측정값과 비교했을 때에 비해 오히려 수농도가 6배 증가하였다. 이는 제동조건에서는 타이어 후면에서 마찰열 등으로 인해 한꺼번에 많은 증발이 일어나기 때문에 뜨거운 증기가 상승하면서 찬 공기와 만나 응축되는 과정에서 초미세입자들이 형성되기 때문에 40 mm 높이에서보다 90 mm 높이에서 초미세입자의 농도가 높아진 것으로 설명할 수 있다. 또한 브레이크 패드 부분에서도 상당한 초미세입자가 발생하는 것으로 알려져 있으며(Lee et al., 2012), 브레이크 패드 부분에 좀 더 가까이 위치해 있는 90 mm 높이에서는 이러한 초미세입자도 함께 샘플링이 될 가능성이 있다.

Fig. 7. Average (a) mass and (b) number size distributions of RWPs sampled 90 mm above the pavement surface under braking conditions.

3. 3 코너링 조건에서 발생하는 도로입자의 특성

그림 8은 코너링 조건에서 도로 표면으로부터 40 mm와 90 mm 높이를 가지는 지점에서 APS에 의해 각각 측정된 도로입자의 질량농도 분포를 나타내고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 코너링 조건 시 발생 되는 도로입자의 질량농도 최빈값은 bimodal 형태로 2~3 μm와 10 μm 이상의 입경에서 관찰되었다. 2~3 μm에서의 최빈값은 정속 주행 조건과 유사한 입경 범위에서 관찰되어 이는 주로 타이어 및 도로 마모에 의해 발생한 것이다. 10 μm 이상의 입경크기를 최빈값으로 가지는 입자들은 타이어와 도로의 경계면에서의 마모에 발생하는 입자 외에 기존 도로 위에 존재하는 조대입자 범위의 도로먼지가 재비산 되면서 함께 유입된 입자들로 판단된다. 최빈값에서의 질량 농도는 배경농도에 비해 현저히 높으며, 정속 주행 조건과 비교 시 최대 18배까지 증가하였다. Ntziachristos and Boulter (2009)의 보고서에 의하면 코너링 조건의 경우 타이어와 도로의 경계면에서 발생하는 마찰 전단력 (frictional shear forces)이 증가하므로 마모 입자가 더 많이 발생한다고 설명하였다.

Fig. 8. Particle mass size distributions of RWPs sampled 40 mm and 90 mm above the pavement surface under cornering conditions.

도로입자 샘플링 높이에 따른 입경별 질량농도분포 측정결과를 살펴보면, 지면에서 40 mm 높이에서 측정된 질량농도가 90 mm 높이에서의 측정값에 비해 10~1000배 높았다. PM 2.5 /PM 10 비의 경우 40 mm 높이에서 측정된 값은 0.36, 90 mm 높이에서는 0.57로 샘플링 지점의 위치가 낮을수록 포함되는 조대입자의 비율이 증가하였으며, 샘플링 지점이 높을 경우 10 μm 이상의 입경크기를 가지는 조대입자들은 비산 되지 않으므로 거의 샘플링 되지 않았다.

코너링 조건에서 차량을 주행하는 경우 도로 표면으로부터 40 mm와 90 mm 높이의 타이어 후면에서 FMPS로 측정한 도로입자들의 입경별 수농도 분포는 그림 9(a), (b)와 같으며 두 경우 모두 입경별 수농도 분포의 양상은 비슷하나, 지면에서 40 mm 높이의 경우 최빈값이 약 100 nm 이하와 200 nm 부근에서 관찰되는 반면, 지면으로부터 90 mm 높이 지점에서 샘플링 된 경우 최빈값이 주로 50 nm 이하에 분포하고 있다. 또한, 지면에서 40 mm 높이의 경우 최빈값에서의 수농도 (5×10⁶개/cm³)가 지면으로부터 90 mm 지점에서 샘플링된 수농도 (5×10⁴개/cm³)에 비해 약 100배 정도 높은 것을 확인할 수 있다. 제동 조건에서는 한꺼번에 많은 증발이 일어나기 때문에 뜨거운 증기가 상승하면서 차가운 공기와 만나 응축이 일어나는 과정이 서서히 발생하면서 90 mm 높이의 샘플링 inlet에 다다르는 동안 초미세입자 농도가 점점 높아질 수 있다. 반면, 코너링 조건의 경우 상대적으로 증발이 서서히 분산돼서 일어나면서 증발한 증기가 응축되는 과정이 40 mm 높이 이전에 완결되고, 따라서 90 mm 높이에서는 추가적인 응축 없이 희석만 일어나기 때문에 농도가 낮게 관찰된 것으로 해석할 수 있다. 코너링 시 타이어 후면에서 발생하는 50 nm 이하의 초미세입자의 경우 또한 제동조건의 실험결과에서와 마찬가지로 타이어 부분의 온도 상승으로 인해 reinforcing filler나 oil으로부터 반휘발성(semi-volatile) 물질의 증발에 의해 입자가 발생하거나 도로 아스팔트에 포함된 역청(bitumen)이 마찰열에 의해서 증발되면서 입자가 발생한 것으로 판단된다.

Fig. 9. Particle number size distributions of RWPs sampled (a) 40 mm and (b) 90 mm above the pavement surface under cornering conditions.

4. 결론

본 연구에서는 타이어와 도로 경계면에서 발생하는 입자를 도로 주행 조건에서 실시간으로 측정하기 위하여 이동형 측정 시스템을 이용하였으며 실제 측정시스템을 사용하여 주행시험장에서 정속 주행, 제동 및 코너링 조건에 따른 입자들의 발생 특성을 관찰하였다. 실험결과, 정속 주행 시 발생되는 마모입자의 최빈값은 2~3 μm에서 관찰되었으며 차량의 속도 증가에 따라 질량농도도 증가하는 경향을 나타내었으나, 100 nm 이하의 초미세입자는 발생하지 않는 것으로 관찰되었다. 제동조건의 경우 감속 부근에서 질량농도가 현저히 증가하였으며 정속 주행과 유사한 입경별 질량농도 분포를 나타내었으나, 70 nm 이하의 초미세입자에 대한 수농도가 현저히 증가하여 대도시와 같이 자동차에 의한 국소 고농도 오염 현상이 심한 지역의 경우 인체의 위해도도 증가할 것으로 사료된다. 도로 표면으로부터 샘플링되는 위치에 따른 영향을 관찰한 결과 제동 조건에서는 한꺼번에 많은 증발이 일어나고 뜨거운 증기가 상승하면서 차가운 공기와 만나 응축하는 과정이 서서히 발생하면서 샘플링 지점이 도로 표면에서 멀어질수록 초미세입자 농도가 높아지는 것으로 사료된다. 코너링 조건의 경우도 제동조건과 마찬가지로 미세입자의 질량농도와 초미세입자의 수농도 증가가 현저하였으나, 상대적으로 증발이 서서히 분산되어 일어나면서 증발한 증기가 응축되는 과정이 40 mm 높이 이전에 완결되어 샘플링 지점이 도로 표면에서 멀어질수록 응축 없이 희석만 일어나기 때문에 농도가 낮게 관찰된 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 환경부에서 지원되는 “친환경 자동차 개발사업”의 연구비로 수행되었으며, 이에 감사의 뜻을 표합니다.