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[오토저널] 자동차 비배기관 미세먼지 저감 기술 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2022-04-29 12:17:02

본문

미세먼지의 정의 및 동향
대기오염 물질이란, 대기 중에 존재하는 물질 중 대기오염의 원인으로 인정된 가스·입자상 물질로 독성, 생태계에 미치는 영향, 배출량 그리고 환경기준에 대비한 오염도 등의 기준에 따라 정해진다. 대기오염 물질 중 가스상 물질은 물질의 연소, 합성, 분해 등에 의하여 발생하고, 입자상 물질은 물질의 파쇄, 선별, 이송, 기타 기계적인 처리 또는 연소, 합성, 분해시에 발생한다.

대기오염 물질 중 미세먼지는 직경에 따라 PM10과 PM2.5 등으로 구분하며, 공기 중 고체상태와 액적상태 입자의 혼합물로 배출되거나 화학반응 또는 자연적으로 생성된다. 미세먼지를 이루는 성분은 그 미세먼지가 발생한 지역이나, 계절, 기상 조건 등에 따라 달라질 수 있다. 먼지의 대부분은 코털, 기관지 점막에 걸려 배출되나 미세먼지는 필터링되지 않아 체내 침투시 면역 세포가 먼지 제거 기작, 염증 반응이 발생할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 특히 PM2.5는 흡입시 폐포까지 직접 침투하여 천식이나 폐질환의 유병률과 조기사망률을 증가시킨다고 알려져 있다.

국내 미세먼지 배출량을 살펴보면 PM10의 경우 1995년 측정 이래로 점차 감소하고 있으며, 2019년 오염도는 전년과 동일한 연평균 농도 41μm/m3을 보였으며, PM2.5의 경우 전년과 동일한 23μm/m3을 기록하였다. 

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미세먼지 배출원은 미세먼지를 대기 중으로 발생시키는 근원지를 말하며, 주요 배출원은 사업장, 건설기계, 자동차, 철도, 선박, 발전소, 비산먼지, 냉난방 등이 있다. 미세먼지 배출원은 국내 배출 및 국외 영향으로 구분될 수 있으며, 각 기여도는 기상조건이나 계절에 따라 차이가 있다. 국내 배출을 중심으로 배출원별 미세먼지 배출량을 살펴보면 전국적으로 사업장 배출이 가장 많고, 건설기계, 자동차, 발전소 등의 순이나, 밀접도가 높은 수도권에서는 자동차가 가장 많고, 건설기계, 사업장 순으로 자동차에서 배출되는 미세먼지의 양이 많은 것으로 알려져 있다.

자동차에서 발생하는 미세먼지
자동차에서 발생하는 입자상 물질(PM, Particulate Matter, 미세먼지)의 배출 주요 원인은 두 가지이며 첫 번째는 연소 엔진의 배기가스에서 발생하고, 두 번째는 자동차 부품 및 노면의 열화라는 원인에서 발생한다. 후자는 비배기 배출(Non-exhaust PM emissions)로 정의되며, 차량 부품 및 도로 마모와 도로 먼지의 재 부유로 인해 발생하는 모든 미립자를 포함한다. 비배기관에서 배출되는 PM 배출량의 비율은 최근 배기관에서 배출되는 PM양의 현저한 감소로 인해 급격히 증가하고 있는 추세이다. 

비배기 배출의 주요 프로세스는 브레이크, 타이어, 도로 표면 마모와 도로 먼지의 비산 등이 있으며, 비배기 배출에는 직접 마모 배출과 도로 비산먼지로 분류하기도 한다. 차량이 배출하는 PM 배출량은 차량 중량, 브레이크, 타이어 및 도로의 재질 구성, 노면의 먼지 양, 운전 스타일 등 여러 요인에 의해 결정된다. 실제 주행 조건에서 비배기관에서 배출되는 PM의 양에 대한 불확실성이 남아 있지만, 비배기 배출량은 2050년까지 현시점 대비 2배 이상 증가할 것으로 예측된다. 

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한편 증가하는 차량 수요의 맥락에서 전기자동차는 도로 운송으로 인한 온실 가스 배출 및 기타 대기오염 물질을 완화하는 해결책으로 널리 간주되고 있다. 하지만, 전기자동차는 배기가스를 제거하는 이점이 있으나, 비배기 배출 감소 측면에서 이점을 제공하지 않을 수 있다. 브레이크 마모, 타이어 마모, 도로 표면 마모 등은 여전히 전기자동차에서 발생하고, 내연기관 대비 전기자동차가 더 무거워 타이어와 브레이크 마모량이 증가하여 비배기 배출이 더 중요해지기 때문이다.

국내외 비배기관 미세먼지 저감을 위한 기술 동향

● 국외 동향
도로 이동원에서 미세먼지(PM)를 다루는 대부분의 공공 정책은 배기관 배출을 대상으로 하며, 배기관 배출 대비 비배기 배출 미세먼지는 여러 측면에 대한 이해가 부족한 것이 사실이다. 이러한 비배기 배출 미세먼지를 효과적이고 효율적으로 다루기 위해서는 비배기 배출량의 규모, 영향 등을 객관적으로 측정·평가할 수 있어야 하며, 비배기 배출 미세먼지를 저감하기 위한 설계·개발 기술의 검증이 필요하다.

비배기 배출 미세먼지 저감을 목표로 하는 공공 정책의 개발 및 구현은 미세먼지 발생의 양에 영향을 미치는 다양한 요인(차량 특성, 주행 환경 등)으로 생성된 미세먼지의 크기(질량, PM), 수(PN)의 측정 방법 등이 설정된 측정방법론의 표준화가 우선 순위가 되어야한다. 이와 관련하여 UNECE GRPE(오염 및 에너지 전문분과) 내 PMP IWG(입자상 물질측정 전문가기술그룹)에서 연구를 수행하고 있다. 

PMP IWG는 자동차 배기관에서 발생하는 입자상 물질과 타이어와 브레이크에서 발생되는 입자상 물질에 대한 연구를 수행하고 있다. 배기 입자상 물질과 관련하여 23nm 이상은 EURO 5/6에서 규제하고 있다. 비배기 입자상 물질 관련해서는 브레이크 마모와 관련한 많은 연구를 추진하여 일부 진전이 있었으나, 타이어 마모, 도로 마모 및 도로 먼지의 비산 측정에 대해서는 진행이 더딘 상황이다. 

GM에서는 브레이크 시스템에서 발생하는 미세먼지를 줄이기 위해 라이닝 타입(Non-Steel, Low Steel), 디스크 타입(회주철, 질화코팅)을 고려한 PM/PN 배출 연구를 진행하였다. 라이닝의 경우, Non-Steel 타입을 적용시 Low Steel 타입 대비 PM 및 PN 배출량이 감소하는 것을 확인하였으며, 조성에서 구리의 유무는 PN 특성에 일부 영향을 미치나(구리 첨가시 PN 감소) PM에는 영향이 없는 것을 확인하였다. 또한, 질화코팅 디스크가 일반 회주철 디스크 타입 대비 PM 및 PN 배출 특성에 영향을 미치는 것을 확인하였으며, Non-Steel 타입 라이닝과 질화코팅 디스크 조합에서 높은 저감 특성을 나타내었다. 

프랑스의 Tallano Technologie는 차량 감속시 발생하는 브레이크 시스템 배출 미세먼지의 흡입/필터링 시스템을 개발하였다. 브레이크 패드 표면에 공기 채널과 흡입 홀을 가공하여 차량 내부에서 필터링하는 구조이며, 장착 결과 PM은 80~85% 저감되었고, PN은 68% 저감되는 것을 확인하였다. 

● 국내 동향
국내에서는 미세먼지 저감을 위한 다양한 정책을 시행하고 있다. 미세먼지에 대한 사후 대응에서 사전 예방으로 패러다임이 변경되었으며 미세먼지 배출원 관리를 강화하고 있다. 이와 더불어, 2019년 미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법을 시행하였으며, 각 부처에서 다양한 미세먼지 저감을 위한 기술개발을 지원하고 있다. 이에 대한 일환으로 산업통상자원부는 2019년도부터 “수송분야 비배기관 미세먼지 저감사업”을 지원하고 있으며, 한국자동차연구원을 비롯한 산학연이 협업하여 비배기관 미세먼지 저감을 위한 타이어용 소재부품, 브레이크 시스템용 소재부품 개발과 과학적이고 객관적인 비배기관 미세먼지 측정·평가 시스템 개발을 추진하고 있다. 

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브레이크 시스템에서 배출되는 미세먼지를 저감하기 위하여, 디스크에서는 질화 조건별 질화층 특성 분석 및 가공 공법 기술 개발을 추진하고 있으며, 라이닝 패드 분야에서는 구성 세라믹 원료 물성 설계, 보강재의 표면처리 연구와 미세먼지 저감/성능/NVH/내마모성을 동시에 만족하는 배합 및 공정 설계 기술 개발을 진행중이다. 타이어에서 배출되는 미세먼지를 저감하기 위하여, 타이어용 고무 구조 및 분자량 설계, 카본 블랙 ASD(Aggregated size distribution) 조절, 컴파운드 처방 등에 따른 미세먼지 발생량을 연구하고 있으며 미세먼지 저감형 최적 소재 개발을 진행중이다. 

앞서 국외 동향에서 말한 바와 같이, 미세먼지 저감을 위해서는 객관적인 측정·평가 시스템 및 평가법 확립이 매우 중요하다. 이를 위한 한국자동차연구원에서는 승·상용 브레이크 시스템용 미세먼지 측정평가 시스템과 상용 타이어용 미세먼지 측정평가 시스템을 개발하고 있으며, 시스템의 안정적 운용과 핵심 인프라 구축을 위해 별도의 비배기관 미세먼지 시험 환경을 구축하였다. 또한, 비배기관 미세먼지의 평가법에 대한 객관화를 위해 “자동차 브레이크 마모 미세먼지 측정 시험방법”과 “자동차 타이어 마모 미세먼지 측정 시험방법”에 대한 표준화가 진행되고 있다. 

수송분야 비배기관의 미세먼지 저감을 위해서는 산업계의 노력뿐 아니라 규제, 인증 등의 정책적인 측면에서도 접근해야만 하며, 북미·유럽 등의 국제 규제에 대한 산업적/환경적 정책 대응도 필요하다. 이를 위해 산·학·연·관이 참여하는 다부처 협업 체계 구축에 대한 필요성이 대두되어, 산업통상자원부와 환경부를 비롯한 민관 전문가 및 이해당사자가 참여한 산업정책위원회가 운영되고 있다. 해당 위원회를 통해 수송분야 비배기관 미세먼지 저감 소재부품 정책 개발·제안 및 국내 산업 보호 대책에 대한 논의 및 협의를 진행하고 있다. 이와 더불어 한국자동차연구원과 국립환경과학원 교통환경연구소는 UNECE GRPE 내 PMP IWG의 TF3에 참여하여, 브레이크 동력계를 이용한 반복성, 재현성 등에 대한 Round Robin 시험을 진행할 예정이다. 

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미세먼지는 WHO가 지정한 1급 발암물질로, 다양한 배출원에서 나오는 미세먼지를 저감하기 위한 노력이 다방면으로 이루어지고 있다. 자동차에서 발생하는 미세먼지는 배기계와 비배기계로 나뉠 수 있으며, 환경 및 연비 규제로 인해 배기계에서 배출되는 미세먼지의 양은 향후 급속도로 줄어들고 있는 반면, 비배기계에서 배출되는 미세먼지의 양은 자동차 수요 증가와 더불어 증가 추세에 있어 이에 대한 규제 목소리가 증가하고 있는 실정이다. 비배기 배출 미세먼지 저감을 위해서는 미세먼지 저감형 소재부품 개발과 함께 과학적이고 객관적인 미세먼지 측정·평가 시스템 개발이 필수적으로 이에 대한 연구가 국내외에서 활발히 추진중이다.

브레이크 시스템에서 배출되는 미세먼지를 저감하기 위해 라이닝 소재 배합 연구, 디스크 표면처리 연구와 함께 미세먼지 포집형 필터 소재 연구가 진행되고 있다. 타이어에서 배출되는 미세먼지를 저감하면서 타이어의 기본성능(회전저항, 내마모 등)을 만족하는 소재 배합 연구가 추진되고 있다. 또한, 객관화된 미세먼지 측정을 위한 측정·평가 시스템 개발과 평가법의 표준화를 추진하고 있으며, 국제 규제에 대한 산업적/환경적 정책 대응을 위해 다부처 협업체계 구축에 매진하고 있다. 

이와 같은 수송분야 비배기관 미세먼지 저감을 위한 소재부품 개발, 측정평가 시스템 개발 등을 추진함으로써 국내 배출 미세먼지 저감에 일조할 것으로 기대된다.​

 

글 / 정선경 (한국자동차연구원)

출처 / 오토저널 2021년 7월호   

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