미세먼지 측정결과 연구자들마다 편차 너무 심하다.
타이어와 브레이크 마모에 의해서 발생하는 미세먼지 특성
Characterization of Non-exhaust Particulate Matters(PM) Generated from Tire and Brake
고도의 산업발달로 환경오염이 심화되면서 세계 각국은 환경보호 및 탄소배출량 감축 등을 내세워 환경관련 규제를 강화하고 있는 추세이다.
도로 오염원 부문에 있어 과거에는 자동차에서 배출되는 미세먼지(Exhaust PM)의 기여도가 매우 큰 것으로 보고되었으나 배출규제 강화로 인하여 현재는 브레이크, 타이어, 클러치 및 도로 표면 마모와 같은 비-배출 미세먼지(Non-exhaust PM)의 기여도가 동등한 것으로 추산되고 있다. 향후 배출규제가 더욱 강화되면 오히려 도로 오염원 부문에서 비-배출 미세먼지의 상대적 기여도가 점점 더 높아질 것으로 예상된다.
<그림 1>은 독일환경청에서 발표한 도로 오염원 부문에서 비-배출 미세먼지의 상대적 기여도를 나타낸 것인데 2030년에 이르 면 비-배출 미세먼지가 PM10의 경우 93%, PM2.5의 경우 74%를 차지할 것이라고 보고하였다.
근래에 비-배출 미세먼지 중 타이어와 브레이크 마모에 의해서 발생하는 미세먼지에 대한 관심이 고조되고 있으며 타이어/브 레이크 마모 미세먼지의 물리 화학적 특성 및 배출계수(Emission factor)를 산정하고자 하는 연구들이 진행되고 있다. 하지만 국내 및 전 세계적으로 타이어/브레이크 마모 미세먼지 관련 배출규제가 없기 때문에 관련 연구가 미진한 실정이다.
또한, 타 이어/브레이크 미세먼지를 측정하는 규정된 시험법의 부재로 연구자들마다 각기 다른 측정법을 이용하기 때문에 결과의 일관 성이 없으며 심지어는 서로 상충된 결과가 발표되는 문제점이 있다. UNECE 산하 PMP(Particle measurement program)에서 도 비-배출 미세먼지의 중요성 및 위해성에 관하여 인지하고 있는데 현재는 기 수행된 관련 연구들을 모니터링 하는 수준에 서 시작하고 있으며 향후에는 규정된 측정법을 개발하는 것을 목표로 워킹그룹이 운영되고 있다.
타이어/브레이크 마모 미세먼지의 물리 화학적 특성 및 배출량을 평가하기 위해서 국내외 여러 기관에서 관련 연구들이 수행 되고 있으며 본 고에서는 이와 관련한 연구결과들을 기술하고자 한다.
브레이크 마모에 의해서 발생하는 미세먼지
승용자동차의 경우 일반적으로 디스크 방식의 브레이크를 사용하고 있는데 제동 과정 중 브레이크 패드와 디스크의 기계적인 마찰에 의하여 차량의 운동 에너지가 열에너지로 공기 중에 소산되며 이로 인해 제동 작업이 수행된다. 제동 과정 중 브레이크에는 큰 마찰열이 발생하며 브레이크 패드와 디스크가 마모되면서 다양한 크기를 가지는 미크론 사이즈를 가지는 미세먼지 및 심지어는 초미세입자를 생성하게 된다.
브레이크 마모 미세먼지는 차량 속도, 제동 빈도 및 제동력에 의해서 발생 특성이 다르며 제동 과정 중 브레이크 마모가 발생하는 것을 고려하면 교차점, 신호등, 코너 근처에서 미세먼지 농도가 높게 관찰된다. 브레이크 마모 미세먼지를 발생하기 위한 장치로는 일반적으로 <그림 2>와 같이 브레이크 동력계(Dynamometer)를 이용하는데 온도, 습도, 외부의 오염된 공기 등 주변 환경을 제어할 수 있도록 외부에 추가적으로 챔버를 구성하게 된다.
이와 같은 장치를 이용하여 측정한 결과 브레이크 마모 미세먼지는 넓은 범위의 입경분포를 가지고 있으며 일부 연구 자들에 의해 PM10, PM2.5의 분율이 86%와 63%에 달한다고 보고되었다. 또한, 질량 분포 곡선은 2~4㎛의 입경 범위에서 최대값을 갖는 단봉 분포인 것으로 보고되었으며 공기 중에 분포하는 브레이크 마모 미세먼지를 포집하여 분석한 결과에서도 브레이크 마모 미세먼지가 2~3㎛의 크기를 가지는 단봉 분포로 이루어져 있는 것을 발견하였다.
제동 과정 중에는 브레이크 패드와 디스크에 고온의 열이 발생하므로 패드와 디스크에 포함된 유기화합물 및 오일류의 증발/응축 과정에 의해서 100nm 이하의 입경 사이즈를 가지는 다량의 초미세입자가 발생하게 된다. 이는 대기 중 미세먼지의 중량에는 영향을 미치지 못하지만 대기중에 오랜 시간 동안 체류되면서 잠재적으로 인체에 심각한 위해성을 지니게 된다.
배출계수는 개별 차량 또는 차량 선단(Vehicle fleet)에 의해서 발생하는 특정 오염 물질의 배출량을 정량화하는 도구로 사용된다. 비-배출 미세먼지 배출원의 개별 배출계수와 대기 미세먼지 농도에 미치는 기여도는 배출원으로부터 직접 측정하거나 수용체 모델링(Receptor modelling) 방법을 사용하여 추산하게 된다. 직접 측정하는 경우에는 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있지만 샘플의 수가 너무 적을 수 있으며 수용체 모델링의 경우 브레이크 마모 미세먼지의 추적물질을 정확하게 지정할 필요성이 있다.
연구자들에 따라서 실험방법 및 조건이 상이하므로 브레이크 마모 미세먼지의 배출계수도 다르게 평가되었는데 전반적으로 직접 실험을 통해서 측정한 결과에서 승용자동 차의 경우 배출계수는 차량 당 2.0~8.0mg/km(PM10) 및 2.1~5.5mg/km(PM2.5)의 범위에 해당한다고 보고되었다.
이어 마모에 의해서 발생하는 미세먼지타이어 마모에 의해서 발생하는 미세먼지는 타이어 트레드 고무와 도로 사이의 전단력(Shear force)에 의해 발생하는데 이 경우 타이어 마모 미세먼지는 기계적인 마찰에 의해서 발생하는 조대입자(Coarse particle, PM2.5-10) 크기를 가지거나 타이어에 포함된 유기화합물 및 오일류의 증발/응축에 의해 발생하는 미세입자(Fine particle) 혹은 초미세입자 (Ultra fine particle) 크기로 존재하게 된다.
타이어 마모 미세먼지는 <그림 4>와 같이 시뮬레이터를 사용하여 통제된 실험실 조건 하에서 측정하거나 <그림 5>와 같이 차량을 이용하여 실제 주행 조건에서 측정하게 된다. 시뮬레이터를 사용하는 경우는 격리된 환경에서 실험하게 되므로 외부에서 유입되는 오염된 공기의 접촉을 막을 수 있으며 타이어 마모 미세먼지만을 포집할 수 있는 장점이 있지만 실제 도로 상황을 구현하기는 어렵다.
실도로 주행 조건에서 차량에서 직접 측정하는 경우는 실제 주행 상황을 모사할 수 있지만 타이어 마모 미세먼지와 도로 먼지가 함께 유입되며 이를 구분하는 것은 매우 어렵다고 할 수 있다. 승용 타이어의 경우 평균적으로 40,000~50,000km 정도의 수명을 가지는데 이 기간 중에 타이어 트레드 고무는 약 10~30%가 마모되어 대기 중으로 배출된다.
<그림 6>에서는 여러 연구자들이 측정한 타이어 트레드 마모계수(Wear factor)를 나타내고 있는데 마모계수는 타이어 크기(반경, 폭, 깊이), 타이어 소재, 운전조건(코너링, 브레이킹, 가속), 타이어 위치, 도로 조건(아스팔트, 콘트리트)과 같은 인자들에 매우 큰 영향을 받게 된다. 특히 겨울철 북유럽 국가에서 주로 사용되는 스터드 타이어(쇠징이 박힌 스노우 타이어)의 경우 타이어와 도로 표면에서의 마모도가 매우 높아 봄철 고농도 미세먼지의 주요 요인으로 작용하기도 한다.
트레드 마모계수는 일반적인 운전 조건에서 30~300mg/vkm 수준을 나타내고 있는데 트레드 마모 입자의 대부분은 상대적으로 큰 입자(20㎛ 이상)로 배출되기 때문에 도로변에 퇴적되며 0.1~10%의 마모 입자만이 공기 중으로 부유 하여 PM10, PM2.5 농도에 영향을 미치는 것으로 추정된다. 측 정 위치 및 측정 방법의 차이로 인하여 연구자들마다 다양한 수치를 보고하고 있지만 일반적으로 타이어 마모 미세먼지는 비-배출 미세먼지의 5~30%를 차지할 정도로 중요한 발생원으로 인식되고 있으며 대기중 PM10 농도에 1~7% 정 도 기여한다고 보고되었다.
일반적으로 정속 주행 조건에서는 타이어에서 초미세입자가 발생하지 않는다고 보도되지만 극한 주행 조건(급제동, 코너링) 하에서는 50nm 이하의 크기를 가지는 초미세입자가 다량 발생하는 것으로 파악된다. 급제동 조건에서는 타이어와 도로면의 마찰에 의하여 높은 마찰열이 발생하며 이로 인하여 타이어에 포함된 유기화합물 및 오일류가 증발/응축 과정을 거치게 되면서 초미세입자가 발생한다고 알려져 있는데 아직은 발생과정에 대한 논란이 있다.
브레이크 마모 미세먼지 배출계수와 마찬가지로 타이어 마모 미세먼지의 배출계수를 추산하고자 하는 다양한 시도가 이루어졌다. 연구자들은 직접 측정, 수용체 모델링, 배출 목록(Emission inventory)에서 유추하는 방법을 사용하여 배출계수를 유추하는데 방법론 및 조건이 상이하므로 다양한 수치가 보고되었다. 유럽의 경우 타이어 마모로 인한 미세먼지 배출량을 추산하기 위해 EEA/CORINAIR 배출계수를 개발하여 적용하고 있으며 미국의 경우 환경청에서 MOVES2014 배출계수를 개발하여 적용 중이다.
두 경우 모두 전반적으로, 경량차량의 타이어 마모로 인 한 PM10 미세먼지 배출계수를 대략 6.0~10.0mg/vkm로 추 산하고 있는데 PM2.5/PM10의 비율을 유럽은 0.7, 미국은 0.15 로 다르게 적용하고 있다. 우리나라의 경우 아직 타이어 및 브레이크 마모 미세먼지 배출계수를 따로 관리하고 있지 않으며 CAPSS(대기정책시스템)에서는 총부유입자(TSP) 기준으로만 118mg/vkm을 제시하고 있기 때문에 미국 및 유럽 대비 매우 높은 수준을 보여주고 있다.
근래 자동차 배출가스 규제의 강화로 인하여 차량에서 배출되는 배출 미세먼지(Exhaust PM)는 감소하는 반면에 타이어/브레 이크 마모, 도로 파손 등에 의해서 발생하는 비-배출 미세먼지(Non-exhaust PM)의 배출량은 상대적으로 증가하는 추세이다. 하지만 비-배출 미세먼지의 경우 아직까지 측정법이 정해지지 않은 관계로 관련 연구가 미미한 실정이며 측정결과에 대해서도 연구자들마다 편차가 매우 심하다.
타이어/브레이크 마모 미세먼지는 PM10, PM2.5를 포함하는 미세먼지 뿐만 아니라 초미세입자의 발생원으로도 밝혀지고 있기 때문에 이들의 인체위해성에 대한 관심도 고조되고 있다. 하지만 현재 국내의 경우 타이어/브레이크 마모 미세먼지의 배출계 수조차 정해지지 않은 실정이므로 향후 타이어/브레이크 마모 미세먼지 관리 대책을 수립하기 위해서는 미세먼지의 특성 및 국내 운행 환경을 고려한 배출계수 개발 관련 연구를 진행하여야 한다.
이를 통하여 중장기적으로 CAPSS의 타이어/브레이크 마모 미세먼지 배출량을 산정하여야 하며 신뢰성 있는 측정법을 개발한다면 규제 방안도 마련할 수 있을 것이다. 본 연구분야 는 보건환경 및 국가정책에 밀접한 분야이므로 정부의 충분한 지원을 통하여 신뢰성 있는 연구들이 이루어진다면 타이어/브 레이크 마모 미세먼지에 대한 명확한 측정법을 확립할 수 있으며 대도시 대기환경 개선 및 국민건강 증진을 위한 국가정책 수 립에 과학적인 근거를 제시할 수 있을 것이다. [이석환 한국기계연구원]
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