1. 서론
최근 자동차 배출가스 오염에 대한 인식이 변화하고 있다. 과거에는 대기질 악화 방지에 중점을 두어서 PM(입자상 물질), HC, NOx, CO, SO2 등과 같은 주요 배출가스만을 규제하였지만 근래에는 자동차 배출가스가 인체 건강에 미치는 영향을 심각하게 고려하기 시작하였다. 이에 따라 자동차에서 배출되는 극미세입자(Nano-particle)의 개수 농도 및 PAHs(다환방향족탄화수소)를 규제하려는 동향이 있으며, 향후에는 배출가스가 지구온난화에 미치는 영향까지도 고려하여 CO2 및 BC(Black Carbon)을 규제하려는 움직임도 있다. 우리나라에서도 미국 및 유럽과 마찬가지로 배출가스에 의한 오염을 관리하기 위하여 PM, HC, CO,NOx 등의 배출가스 및 연료의 황함량을 규제하고 있으며, 인체 위해성이 큰 극미세입자를 규제할 예정이다.

글 / 이석환 (한국기계연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 3월호

현재 우리나라에서는 자동차 배출가스 및 극미세입자에 의한 대기오염을 줄이기 위하여 DPF/DOC 부착,운행 경유차 엔진을 LPG 엔진으로 개조, CNG 버스 보급 등의 대기질 개선 정책을 적극적으로 시행하고 있고, 대기질 개선에 많은 성과를 얻은 것이 사실이다. 하지만 이러한 사업의 효과를 현장에서 정량적으로 평가하는 노력은 미흡했으며, 아직까지도 자동차 인접 대기오염 모니터링 자료 및 인체 위해성 자료가 충분하지 않은 실정이다.

인체 위해성 측면에서 자동차에서 배출되는 극미세입자의 물리적, 화학적 특성을 이해하는 것은 매우 중요한 연구 분야이다. 자동차에서 배출되는 극미세입자를 도로변에서 측정할 경우 입자들의 입경분포 특성은 샘플링 방법에 따라 다른 결과를 나타낼 수 있다. 즉, 실제 대기에서 측정되는 미세입자의 입경분포는 엔진에서 측정되는 결과와 다를 수 있다. 이를 보완하기 위하여 동력계 실험 결과와 실도로 주행조건의 계측 결과를 상호 비교한 후 실제 주행조건에서 극미세입자의 배출특성을 파악하는 연구들이 필요하다. 또한 배기후처리장치를 부착하거나 경유자동차를 LPG 자동차로 개조하는 등 저공해 기술 도입의 대기질 개선 효과를 실도로 주행조건에서 평가하는 것이 필요하며, 실도로 주행 시 개별 자동차의 배출특성을 평가하여 엔진동력계 또는 차대동력계 시험결과를 검증 및 보완하는 연구도 필요하다. 운행 중인 자동차에서 배출되는 배출가스 및 입자상 물질의 배출 특성을 평가하기 위해서 Mobile Laboratory를 이용하는 방법이 제안되고 있다. 이와 관련하여 많은 연구들이 수행 중이며, 본 고에서는 이와 관련한 연구동향을 기술하고자 한다.

2. 자동차에서 배출되는 PM/극미세입자 측정법
날로 강화되는 배기규제에 의해 입자상 물질의 중량은 현저하게 감소하였지만 매연여과장치 등 특별한 기술이 적용되지 않은 경우 50nm 이하의 극미세입자의 개수는 크게 감소하지 않는 결과들이 보고되었다.

한편, 극미세입자의 경우 상대적으로 큰 입경을 가지는 입자들에 비하여 폐 증착률이 높기 때문에 인체 위해성에 더 큰 영향을 미친다고 알려져 있다. 현재 경유자동차에서 배출되는 입자상 물질에 대한 배출 목록(Emission Inventory)은 엔진 동력계에서 수행되는 차량 배기규제 인증 시험 데이터에 기초하여 구할 수 있다. 엔진 실험으로부터 측정한 배출가스 결과는 실제 주행조건을 완벽하게 재현할 수 없으므로 엔진 시험 데이터에 기초하여 구한 배출 목록은 실제 주행에서 배출되는 배출량과는 차이가 있을 수 밖에 없다. 게다가 도로 이동 오염원의 경우 자동차의 연식, 주행거리, 연료특성, 윤활유 상태에 따라서 민감하게 영향을 받을 뿐만 아니라 습도, 온도, 압력 등의 대기조건에 따라서도 배출 경향이 달라지므로 이들 사이의 불일치는 더욱 심하다. 배출 목록은 대기질 오염 제어를 위한 정책에 기본적인 자료로 제공되므로 이에 대한 정확도는 매우 중요하다. 따라서 실제 도로 주행조건에서 배출되는 배출량과 비교하여 배출 목록의 정확도를 평가하는 작업이 필요하다.

실제 도로에서 주행 중인 자동차에 의해 배출되는 PM의배출계수(Emission Factor)를 정확하게 구하기 위하여 차대동력계, 도로 터널, 원격측정장치(RSD : Remote Sensing Device)를 이용하는 방법이 있다. 차대동력계 측정법의 경우 미리 정해진 도로 주행 사이클에서 자동차를 주행하면서 배출가스를 측정하는 방법인데 이 경우 주행 사이클
이 실제 도로 운행조건을 정확하게 재현하기 어려우며 배출가스의 희석조건이 대기조건과 달라서 극미세입자의 배출경향이 <그림 1>과 같이 달라질 수 있다.

국내에서도 샘플링 조건에 따른 극미세입자의 배출 특성에 대한 연구들이 이루어지고 있지만 아직까지 입자의 배출 과정에 대하여 종합적으로 이해하지 못하고 있으며 표준화된 극미세입자 측정조건 및 방법들이 규정되어 있지 않다. 이러한 불확실성 외에도 실험 수행 단가가 비싸서 많은 샘플에 대한 결과를 얻기가 어려우므로 차대동력계에서 측정한 배출계수는 실제 도로 주행조건의 배출계수를 추정하기에는 한계가 있다.

도로 터널 측정법의 경우 차대동력계 측정법에서 발생하는 한계점을 일정 부분 해결할 수 있는데 도로 터널측정에서 추정한 배출계수를 엔진동력계에서 추정한 배출계수와 비교하니 둘 사이에 차이가 있었다는 결과들이 보고되었다.

도로 터널 측정의 경우 Time Scale이 상대적으로 길기 때문에 시간에 따른 변화 또는 터널 위치에 따른 입자의 특성 변화를 관찰할 수 있지만, 광화학 반응에 의한 2차 입자의 생성은 관찰할 수 없다. 또한 도로 터널 측정의 경우 대표적인 선단(Fleet)의 평균값만을 제공하므로, 각기 다른 차종에 대한 측정값 및 변동성에 대한 원인을 파악하기 어렵다. 게다가 측정 지역 및 조건이 보통 고정되므로 실험결과는 정해진 도로 상황 및 차종에 대하여 한정적인 정보를 제공할 뿐이다. 광투과 방식(Opacity)을 이용하는 원격측정장치의 경우 여러 해 동안 성능을 평가해 왔지만 입자상 물질을 측정하기에는 정확도가 상당히 낮아서 경유자동차에서 배출되는 입자상 물질의 배출계수를 평가하기에는 적합하지 않은 방법이다.

최근에는 실제 주행 중인 자동차에서 배출되는 배출가스를 측정하기 위한 방법으로 Mobile Laboratory를 이용해서 자동차를 추적하는 방법이 개발되었다. 자동차 추적을 통한 배출가스 측정법의 장점은 다양한 실도로 운행조건에서 여러 종류의 선단에 대한 배출계수 정보를 손쉽게 얻을 수 있다는 것이다. 또한 입자의 희석 및 샘플링이 대기조건에서 이루어지므로 자동차에서 배출되는 입자상 물질 중 특히 극미세입자의 생성 및 발달 과정을 파악할 수 있다. 하지만, 대기오염에 미치는 영향을 파악하기에는 확산, 이동, 반응의 Time Scale이 너무 짧으며 태양광에 의해 빠르게 변화하는 성분의 특성이 왜곡될 가능성이 있다.

3. 해외 연구 동향
외국의 경우 1990년대 말부터 Mobile Laboratory를 구축하여 실제 도로 주행 중인 자동차의 배출가스 측정을 위한 자동차 추적 실험을 수행하였으며, 2000년대부터는 여러 기관에서 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다. 실험실에서 엔진동력계 및 차대동력계를 이용하여 측정된 자동차의 대기오염물질 배출 특성은 실제 도로를 교통 흐름에 따라 주행하는 자동차의 배출 특성과 차이가 나기 때문에 이동이 가능한 실험실,
즉 Mobile Laboratory를 구축하여 연구를 수행하고 있다.

Mobile Laboratory를 이용하여 수행되는 연구 중 자동차 추적 및 도로상 자동차 배출가스 측정에 관한 연구가 있는데, 이는 실제 도로 주행 중 측정한 도로상 입경분포 자료를 이용한 오염원 기여도 파악 및 도로 이격거리에 따른 미세입자의 이동 현상에 관한 연구이다. 이를 통하여 상세 대기오염지도를 작성할 수 있으며 기후변화 관련 디젤 엔진의 전 주기(Life Cycle)를 분석할 수 있는 기초 데이터를 제공하게 된다.

미국의 University of Minnesota의 Kittelson 교수팀은 1990년대부터 디젤 극미세입자에 관한 연구를 활발하게 수행하고 있다. 디젤 엔진의 다양한 운전조건에서 배출되는 극미세입자의 수농도 및 입경분포를 측정하였으며, 트럭을 베이스 차량으로 하는 Mobile Laboratory를 이용한 자동차 추적 실험을 통해 다양한 차종의 배출계수를 조사하고 있다.

<그림 2>와 같이 Cargo Truck에 추적시험용 라인을 설계하고 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer), CPC(Condensation Particle Sizer) 등의 측정장비를 장착하여 자동차 추적 실험을 수행하고 있으며, 대형 디젤 트럭을 실제 도로에서 추적하면서 트럭에서 배출되는 디젤 극미세 입자를 측정하였다. 신형 디젤 엔진과 구형 디젤 엔진에서 극미세입자의 발생량을 비교하였으며, 희석비(Dilution Ratio), 잔류시간(Residence Time), 1차 희석온도(Primary Dilution Temperature)와 같이 여러 희석조건에 따른 극미세 입자의 발생 특성을 파악하였다.

핀란드의 Helsinki Polytechnic의 Pirjola 연구팀은 Sniffer라고 명명된 Mobile Laboratory를 이용하여 자동차 배출오염물질의 시공간적 고해상도 자료 확보 및 자동차 추적 실험을 수행하였다.

대기오염을 측정하기 위한 메인 샘플링 라인을 자동차 루프 쪽에 설치하였고 전면 범퍼 쪽에 자동차 추적실험을 위한 샘플링 라인을 설치하였다. 차량 내부에는 CO, CO2, NOx와 같은 가스상 배출가스를 측정할수 있는 장비 및 CPC, SMPS, ELPI(Electric Low Pressure Impactor)와 같이 입자상 물질의 측정장비를 자동차 내부에 장착하였다.

실도로 주행조건에서 디젤 시내버스를 대상으로 입자상 물질을 차량속도, 추적거리 등을 변화시키며 측정하였는데, 배출되는 입자의 75% 이상이 입경이 50nm 이하인 핵생성 모드(Nuclei Mode)의 입자라는 결과를 발표하였다. 이러한 결과들은 자동차 배출 오염물질의 이동 및 확산 현상 연구에 활용될 수 있는 중요한 연구결과들이다.

일본 JARI에서는 Sasaki 등이 차대동력계 측정법을 통하여 측정한 극미세입자의 분포와 실도로 주행조건에서 자동차 추적 실험을 통하여 측정한 극미세입자의 입경분포를 비교하는 연구를 수행하였다. 이들은 자동차에 SMPS를 장착하여 극미세입자의 입경분포를 파악하였는데, 추적거리에 따른 희석비를 측정하기 위하여 추적차량의 Tail Pipe NOx와 Mobile Laboratory에서 측정한 추적차량의 NOx 배출량을 비교하여 희석비를 결정하였다.

Full Flow Diluter, Partial Flow Diluter, Wind Tunnel<그림4>, 자동차 추적조건에서 입경분포를 비교하였는데, 자동차 추적조건의 경우 배출가스 내의 휘발성 성분(Volatile Compounds)의 응축으로 인한 입자 생성 및 2차 입자 생성 등의 효과로 인하여 타조건에 비해 극미세입자의 농도가 높았다.

또한 자동차 추적 실험에서 추적거리가 증가하면 희석비도 증가하므로 핵생성 모드 영역의 입자 농도가 증가하였다. Cornell University의 Westerdahl 교수팀은 중국의 베이징과 총칭에서 운행되는 디젤 트럭 및 버스 300여 대에 대한 추적 실험을 수행하였
으며, 각각의 자동차에서 배출되는 BC(Black Carbon), CO, PMMass, PM Number에 대한 배출계수를 측정하였다.

자동차에 장착되어 있는 엔진의 배기규제 만족 등급에 따라서 Euro II, Euro III, Euro IV급 디젤 엔진 및 CNG 엔진이 장착된 자동차로 구분하였다. 추적 실험 결과 BC의 경우 Euro II급 디젤엔진이 장착된 자동차에 비하여 Euro IV급 디젤 및 CNG 엔진이
장착된 자동차의 배출계수가 75% 이상 낮다는 결과를 제시하였다.

또한 근래에 자기 자동차에서 배출되는 배출가스의 측정 및 진단목적으로 이용되는 PEMS(Portable Emission Measurement System)의 경우 설치 시간이 길며 시험 비용도 많이 드는 편이어서 많은 차종에 대하여 실험하기 어려운데, 이를 자동차 추적 실험
을 통하여 보완할 수 있으며 둘 사이의 상관성도 밀접하다고 발표하였다.

4. 국내 연구 결과
국내에서도 실도로 주행조건에서 경유자동차에서 배출되는 PM의 측정법에 대한 관심이 많아지면서 한국과학기술연구원(KIST),한국기계연구원(KIMM), 연세대학교를 중심으로 Mobile Laboratory가 구축되었으며, 이를 이용하여 도로상 대기오염 측정 및 분석, 자동차 추적 실험, 디젤 입자상 물질의 동물 독성 평가와 같은 연구들이 진행되었다.

<그림 6>은 국내에서 구축된 Mobile Laboratory를 보여주고 있는데, 대기오염 측정을 위하여 자동차의 루프 부분에 샘플링 라인을 설치하였으며 자동차 추적 실험을 위해서 전단 부분에 2개의 샘플링 라인을 고정하였다. THC, CO, CO2, NOx와 같은 가스상 배출가스 및 BC, PAH, PM Mass, PM Number, 입자의 입경분포를 측정할 수 있는 장비들을 자동차 내부에 장착하였다.

Mobile Laboratory를 이용하여 다양한 연료(디젤,CNG, LPG, DME), 후처리 장치(DOC, DPF, Urea-SCR)및 추적 차종(버스, 승용차, RV 차량)에 따른 배출가스 추적 실험을 수행하였으며, 희석조건을 변화시키기 위하여 자동차의 속도 및 추적거리를 변화시키면서 실험을 수행하였다.

<그림 7>은 고속 주행로에서 디젤 버스에서 배출되는 배출가스를 추적 계측하고 있는 상황을 나타낸 것이다. 자동차 배출가스 추적 실험 결과 차대동력계 측정에서는 PM이
거의 발생하지 않는 LPG, CNG, DME 버스의 경우에도 실도로 주행조건에서는 <그림 8>과 같이 극미세입자들의 농도가 매우 높게 측정되었으며, 이는 배출가스 내의 휘발
성 성분 및 미연가스들이 대기 희석조건에서 입자로 변환되어 발생하는 현상으로 판단된다.

5. 결론
경유자동차에서 배출되는 입자상 물질의 배출계수는 엔진동력계를 이용하여 측정하는 경우와 실도로 주행조건에서 측정하는 경우 결과 값이 상이하다. 특히 극미세입자의 경우 아직까지 배출과정에 대한 종합적인 이해 및 표준 측정방법이 정립되지 못한 실정이다. 따라서 실제 도로 운행조건에서 배출되는 배출가스를 측정하기 위하여 여러 가지 방법들이 제시되고 있으며, 그 중에 자동차 배출가스 추적 평가법도 하나의 효과
적인 방법이다. 자동차 배출가스 추적 평가는 실도로 주행조건에서 이루어지므로 여러 차종 및 운행조건에 서 차량의 배출계수를 손쉽고 정확하게 측정할 수 있다. 따라서 차대동력계 실험, PEMS, RSD 등과 같은 다른 측정방법과 상호 비교, 보완할 수 있다면 보다 정확한 배출 목록 구축에 큰 역할을 할 수 있다. 또한 이 방법을 이용하여 극미세입자의 생성 및 발달 과정에 대한 심도 있는 연구가 이루어진다면 극미세입자에 대한 명확한 측정법을 확립할 수 있으며, 대도시 대기환경 개선 및 국민건강 증진을 위한 국가정책 수립의 과학적인 근거를 제시할 수 있을 것이다.