1. 요약
자동차 산업의 발달은 인류에게 공간적 제한을 극복할 수 있는 이동의 자유를 제공함으로써 통신 기술의 발달과 함께 전 세계적인 산업화에 큰 기여를 하였으나, 자동차 대수의 급증과 이로 인한 부작용이 인류의 지속 가능한 발전에 큰 위협이 될 수 있다는 인식도 높아지고 있다.

글 / 이진하 (현대자동차)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 9월호

현재 자동차 산업에 큰 영향을 미칠 수 있는 세계적인 메가 트렌드를 몇 가지로 요약하면, 신흥 시장의 수요 급증에 기인한 석유 자원의 부족과 주요 산유국의 정치적 불안정에 따른 에너지 안보의 중요성이 대두되면서 고 효율, 저 연비 자동차 개발의 중요성이 강조되고 있으며, 온실 가스 과다 배출에 따른 지구 온난화와 기상 재난이 인류의 생존에 큰 위협이 될 수 있다는 공감대가 확산되면서 온실 가스 배출량에 대한 규제가 강화되고 있고, 이에 대응하기 위한 고 효율 차량과 온실 가스 배출량 저감이 가능한 신 재생 연료에 대한 개발이 가속되고 있다.

또한 인구의 도시 집중에 따라 초 거대 도시(Megacity)가 형성되면서 도심 지역의 대기 환경 개선을 위해 유해 배출물에 대한 규제가 지속적으로 강화되고 있다. 1950년 인구 천만 명 이상의 초 거대 도시로는 뉴욕시가 유일 하였으나, 1975년에는 동경, 뉴욕, 상하이, 멕시코시티, 상파울루 등 5개로 늘었고, 2000년에는 19개 도시의 인구가 천만 명을 초과하여 도시로의 인구 집중은 가속화되고 있는 것으로 판단된다.

이에 따라 거대 도심의 대기 질은 급격히 악화되고 있으며, 지속적으로 강화되고 있는 유해 배출물 규제는 도심 지역 대기 환경 개선을 위한 것으로, 특히 디젤엔진에 대한 차기 유로 6 배기규제 대응을 위해서는 기존의 산화 촉매(DOC, Diesel Oxidation Catalyst)와 디젤 입자상물질 필터(DPF, Diesel Particulate Filter)에 더해서 질소산화물 흡장 촉매(LNT, Lean NOx Trap) 또는 선택적 환원 촉매(SCR, Selective Catalytic Reduction) 등의 적용이 필요할 것으로 예상되고 있다.

또 하나의 메가 트렌드는 파워트레인 기술의 다양화로 앞서 언급한 규제와 다양한 시장의 요구에 부응하기 위해 기존의 가솔린과 디젤엔진에 더해 신 재생 에너지와 하이브리드 파워트레인, 전기차, 수소 연료 전지차 등 다양한 파워트레인에 대한 기술 개발이 이루어지고 있다.

본 고에서는 유로 6를 포함한 강화 배기규제에 대응하기 위한 디젤엔진의 후처리 기술에 초점을 맞추어 현재 진행되고 있는 기술개발 방향과 미래 기술에 대한 전망을 간단히 소개하고자 한다.

2. 서론
앞 절에서 언급한 바와 같이 지구 온난화, 화석연료의 부족, 대기 오염 등 인류의 지속 가능성에 큰 위협이 될 수 있는 문제점들을 해결하기 위해 기존의 가솔린 및 디젤엔진부터 연료 전지차에 이르기까지 전례 없이 다양한 파워트레인에 대한 개발이 이루어지고 있다. 특히 지구 온난화 방지를 위한 온실 가스 배출량(연비)에 대해서는 각국이 지속적으로 규제를 강화하고 있는데, 그림 2에 나타난 바와 같이 주요 국가의 강화 규제에 대응하기 위해서는 2020년까지 연 평균 5% 기준의 온실 가스 저감과 연비 개선이 필요할 것으로 예상된다.

디젤엔진은 가솔린에 비해 온실 가스 배출량이 20~30% 적고, 높은 토크로‘Fun to Drive’를 제공할 수 있는 프리미엄 엔진으로 인식되고 있으나, 다운사이징 기술 등을 통해 연비를 개선하고 있는 가솔린 엔진에 비해 차별화된 연비 경쟁력을 유지하면서 지속적으로 강화되고 있는 배기규제에 효과적으로 대응해야 하는 기술적인 과제에 직면하고 있다. 특히 <그림 3>에 나타낸 바와 같이 2017년 이후 도입이 예상되는 WLTP(Worldwide-harmonized Light-duty Vehicle Test Procedure)와 RDE(Real Driving
Emission) 시험 모드는 기존 NEDC(New European Driving Cycle)에 비해 고속, 고부하 영역 운전이 확대되고 가∙감속도가 증가하여 디젤엔진의 배출물 저감 개발 난이도가 높아질 것으로 예상되므로 유해 배출물의 정화효율과 함께 가격 경쟁력을 확보할 수
있는 효과적인 후처리시스템의 개발이 절대적으로 필요하다.

3. 입자상물질(PM) 중의 나노 입자 규제
디젤차(또는 가솔린 GDI)가 배출하는 입자상물질(PM, Particulate Matter) 중 나노 미터(10억 분의 1미터) 크기 수준의 입자가 새로운 대기오염 물질로서 주목 받고 있다. 규제대상인 PM의 미립자 평균적 등가직경(Median Diameter)은 100nm이며, 요소 입자(Element Particle)의 크기는 30~50nm로 알려져 있다.

이는 나노 기술의 발전에 의해 검출이 가능해 졌다. 디젤엔진 연소 과정에서 PM이 발생하지만, 그 중 직경 100nm 이하인 것들을 나노 입자라고 부른다(50nm 이하의 의견도 있음). 그림 4는 디젤엔진 입자상물질의 입자 크기에 따른 중량과 입자 개수의 특징에 대한 미국 미네소타 대학의 연구 결과를 표시한 것이다. PM에 대한 기존 배출가스 규제 방법인 질량 측정 방식만으로는 나노 입자의 대부분을 차지하는 100nm 이하의 입자에 대해 규제하기 어렵다. 따라서 나노 입자에 대한 배기환경 보호를 위하여 유로 5-b 규제부터는 나노 입자의 배출개수를 6×1011개/km로 제한하는 엄격한 규제가 도입되었다.

DPF를 통해 PM을 포집하면 포집층이 형성되어 PM 포집 효율은 더욱 높아지며, 나노 입자의 포집 효율 또한 높아져 나노 입자 배출규제도 만족한다. 그러나 필터는 엔진 배압을 상승시키므로 출력, 연비 등 성능에 미치는 영향을 가능한 한 적게 하기 위해 필터의 물성개선, 셀(Cell) 형상 최적화 등을 통해 단위 면적당 Soot와 Ash 포집량을 증가시키면서 배압을 저감하는 연구가 이루어지고 있다.

특히 필터 셀 형상 최적화는 <그림 5>에 나타낸 바와 같이 필터 입구부 셀 면적을 출구부 셀 면적보다 크게 하고, 입구를 팔각형, 출구를 사각형 조합 등으로 하거나, 여러 개의 작은 육각형 입구와 하나의 큰 육각형 출구를(작은 육각형 입구의 총 면적은 출구 육각형 면적보다 넓게 설계) 갖는 방식 등 다양한 접근이 이루어 지고 있다.

4. 질소산화물(NOx) 저감
디젤차에서 배출되는 유해 배출물은 일산화탄소(CO), 미연탄화수소(HC), 질소산화물(NOx), 입자상물질(PM)로, 유로 5 규제를 만족하는 디젤차의 유해 배출물 정화 대책은 산화 촉매(DOC)로 CO와 HC를 산화시키고 DPF로 PM을 포집, 제거한다. 반면, NOx배출물은 후처리장치가 아닌 배기가스 재순환(EGR,Exhaust Gas Recirculation)을 포함한 연소 제어를 통해 저감시키는 기술이 중심이 되고 있는데, 이는 NOx 저감을 위한 후처리장치(LNT, SCR 등) 추가에 따른 배압 상승, 후처리장치 재생을 위한 연비 악화, 원가 상승 및 후처리장치 장착을 위한 위치 확보 등 많은 과제를 갖고 있기 때문이다. 이로 인해 최근에는 두가지 부품을 결합하여 복합화하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 대표적으로 DPF에 LNT 촉매 또는 SCR 촉매를 코팅하여 PM과 NOx를 동시에 저감하도록 하는 복합화 연구개발이 이루어지고 있다.

LNT, SCR 등의 NOx 저감 촉매는 산화 촉매에 비해 많은 양의 촉매 워시코트를 사용하기 때문에, 다량의 NOx 저감 촉매 코팅에 의한 DPF의 배압 상승을 막기 위하여 고기공율(High Porosity)의 필터가 요구된다. 그러나 고기공율 필터는 강도가 약한 단점이 있기 때문에, DPF에 포집된 Soot를 제거하기 위해 배기가스 승온(통상 600도 이상) 시 보다 정밀한 온도 제어가 필요하며, DPF 재생 중 급격한 운전, 정지 등 환경 변화에도 대처할 수 있는 정밀한 제어 기술의 개발이 필요하다. 그림 6에는 디젤차에 대한 유로 5 및 6 배기규제를 나타내었는데, 유로 6는 유로 5 대비 NOx 규제가 56% 강화되어 이를 저감하는 것이 가장 중요한 기술적 과제가 되고 있다.

앞 절에서 언급한 바와 같이 2014년 9월부터 시행될 유로 6 배출가스 규제에 대응하기 위해서 개발 중인 디젤차의 NOx 저감 후처리장치는 LNT와 SCR 시스템의 두 가지로, 이들의 NOx 정화효율은 촉매의 성능에 의해 크게 좌우되므로 촉매 특성에 맞추어 엔진 제어가 이루어진다. 촉매의 경우 각 제조사별로 고유한 기술을 보유하고 있으며, 자세한 기술 정보 등은 각 촉매 제작사별 중요한 보안사항으로 본 고에서는 잡지,
학회 논문 등에 발표되거나 공개된 중요한 촉매 기술의 흐름을 언급하겠다.

5. LNT (Lean NOx Trap) 시스템
LNT 촉매는 기본적으로 가솔린 삼원 촉매와 NOx 정화 원리가 동일하다. 희박 공연비 조건에서 NOx를 촉매 중의 흡장 물질에 흡장하고, 일정량 이상 NOx가 흡장되면, 엔진을 농후한 공연비 운전으로 전환하여 흡장 된 NOx를 배기가스 중의 환원제(CO, HC, H2)와 반응시켜 질소(N2)로 환원시킨다. 최근 엔진의 연소 효율과 연비 개선으로 배기가스 온도가 저하되어 LNT 촉매의 저온 활성 효율을 개선하는 방향으로 촉매 개발이 이루어지고 있으며, 이를 위해 저온 흡장 성능이 우수한 바륨(Ba)을 NOx 흡장 물질로 사용하는 추세를 볼 수 있다.

그림 7에는 NOx 정화효율 향상 관점에서 촉매의 승온 특성(Light-Off) 향상을 위해 LNT와 DPF 시스템을 일체화하여 터보차저 직 후방에(Close Coupled Position) 장착한 형태를 표시하였으며, 그림 8에 나타낸 바와 같이 LNT는 고온에서 NOx 정화효율이
급격히 악화되는 특성을 보이기 때문에 LNT 개발의 초점은 저온 성능 개선과 함께 고온 내구 강화의 두 가지 관점에 맞추어지고 있다.

6. SCR (Selective Catalytic Reduction) 시스템
SCR 촉매는 높은 NOx 정화효율에도 불구하고, 별도의 Urea 수용액 탱크, Urea 인젝터 등 많은 부가 장치를 필요로 하는데, 이로 인한 원가 상승, 장착 위치 확보의 어려움 등을 극복해야 하는 기술적 과제를 가지고 있다. 그러나 WLTP 및 RDE 모드가 도입되는 2017년 이후 유로 6-2 배출가스 규제에 대비하여 SCR 시스템의 각종 문제점을 해결하기 위한 활발한 개발이 이루어지고 있으며, SCR 촉매 또한 여러 환경 조건을 고려한 개발이 이루어지고 있다. SCR 촉매 개발의 주요 방향은 1) 배출가스 온도 저하에 대비한 저온 암모니아 흡착 성능 향상, 2) HC에 대비한 내피독성 강화, 3) NOx 중의
NO2/NO 비율에 대한 민감도 감소 등이다.

그림 9에 각종 SCR 촉매 종류에 따른 특성을 정리하였다. 유로 6 대응 SCR 촉매는 승용디젤차를 중심으로 구리(Cu) 계열의 제올라이트 기반 SCR촉매가 주류를 이룰 것으로 예상된다. 구리(Cu) 제올라이트는 배기가스 중의 NO2/NO 비율에 크게 영향을 받지 않기 때문에 NO2 비율 상승을 위해 고가의 귀금속 사용을 억제할 수 있고, HC에 의한 내피독성도 강하며, 그림 10에 나타낸 것과 같이 저온 NOx 정화효율도 우수하다. 단, 철(Fe) 계열 제올라이트보다 열 내구에 약하여 엔진 제어에 의한 촉매 열화 관리에 주의하여야 한다. 최근에는 구리(Cu) 제올라이트와 철(Fe) 제올라이트 각각의 장점을 활용하기 위해 구리(Cu), 철(Fe) 복합 촉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

7. 후처리장치의 복합화
강화되는 배출가스 규제에 대응하기 위해 DOC, DPF, De-NOx 시스템 등 요구되는 후처리장치가 늘어나고 있으며, 장착상의 문제와 과도한 원가 부담이 발생하고 있다. 이러한 문제를 해결하고자 기존의 DOC, DPF, de-NOx 장치의 기능을 통합하는 복합화 연구 개발이 진행되고 있으며, De-NOx 기능(LNT, SCR)이 추가된 DPF, De-NOx 기능이 강화된 DOC 또는 CO, HC 산화 기능이 강화된 LNT 등 기능 복합화 시스템이 장착된 Super Clean 디젤 자동차의 출시 또한 먼 미래의 이야기는 아닐 것이다.