운전자 생명선인 차선은 주간 시인성, 야간 시인성, 야간 젖은 상태 시인성, 야간 강우시 시인성으로 구분된다. 본 연구는 특히, 비와 관련되어 기상이 불안전한 조건에서 운전자의 주행 안전 확보를 목적으로 하였다. 차선의 시인성은 사전 인지시간(Preview time) 과 감지거리(Detection distances)와 밀접한 관계가 있으며, 야간 교통사고 감소를 위하여 차선 재료 성능을 향상시켜 차선의 주야간과 우천시 주야간 시인성의 척도인 Dry 재귀반사도(Dry retroreflectivity) 및 Wet 재귀반사도(Wet Retroreflectivity)를 높이기 위한 방안을 마련하는 데 있다. 이를 위하여 일반적으로 사용되고 있는 차선 도료용 유리알 굴절률 nD=1.50의 분석과 시인성의 척도인 재귀반사도를 향상시키기 위하여 가장 중요한 변수인 기능성 차선 도료용 유리알 굴절률 nD=2.2.을 도입하였다. 국내외 최소 한계 재귀반사도(Minimum threshold retroreflectivity) 및 최소 인지 재귀반사도(Install minimum retroreflectivity)를 조사하여 차선의 시인성 확보를 위한 최소한의 관리 수치를 규명하였으며 아울러 국내기존 차선 재료의 물리적 특성 그리고 재귀반사도의 시험을 통하여 우천 시 야간 재귀반사도 향상 방안을 마련하였다.
운전자 생명선인 차선은 주간 시인성, 야간 시인성, 야간 젖은 상태 시인성, 야간 강우시 시인성으로 구분된다. 본 연구는 특히, 비와 관련되어 기상이 불안전한 조건에서 운전자의 주행 안전 확보를 목적으로 하였다. 차선의 시인성은 사전 인지시간(Preview time) 과 감지거리(Detection distances)와 밀접한 관계가 있으며, 야간 교통사고 감소를 위하여 차선 재료 성능을 향상시켜 차선의 주야간과 우천시 주야간 시인성의 척도인 Dry 재귀반사도(Dry retroreflectivity) 및 Wet 재귀반사도(Wet Retroreflectivity)를 높이기 위한 방안을 마련하는 데 있다. 이를 위하여 일반적으로 사용되고 있는 차선 도료용 유리알 굴절률 nD=1.50의 분석과 시인성의 척도인 재귀반사도를 향상시키기 위하여 가장 중요한 변수인 기능성 차선 도료용 유리알 굴절률 nD=2.2.을 도입하였다. 국내외 최소 한계 재귀반사도(Minimum threshold retroreflectivity) 및 최소 인지 재귀반사도(Install minimum retroreflectivity)를 조사하여 차선의 시인성 확보를 위한 최소한의 관리 수치를 규명하였으며 아울러 국내기존 차선 재료의 물리적 특성 그리고 재귀반사도의 시험을 통하여 우천 시 야간 재귀반사도 향상 방안을 마련하였다.
The performance of road markings is classified into the visibility at daytime, night time, wet condition and rainy conditions. The objective of this study is to obtain the driving safety of drivers under conditions of unstable weather condition such as the rain. The visibility of road markings is cl...
The performance of road markings is classified into the visibility at daytime, night time, wet condition and rainy conditions. The objective of this study is to obtain the driving safety of drivers under conditions of unstable weather condition such as the rain. The visibility of road markings is closely related to the preview time and detection distances and the ways to improve road marking materials and increase the dry retroreflectivity and wet retroreflectivity, which are the measures of daytime and nighttime visibility is researched to decrease the traffic accidents. For this purpose, Road marking glass beads with the refraction rate of 1.5 and 2.2 are introduced to raise the retroreflectivity. After investigating the minimum threshold retroreflectivity and Install Minimum retroreflectivity at home and abroad, minimum control values for the roadmarking visibility and improvement of nightime rainy retroreflectivity are suggested by physical properties and retroreflectivity experiments.
The performance of road markings is classified into the visibility at daytime, night time, wet condition and rainy conditions. The objective of this study is to obtain the driving safety of drivers under conditions of unstable weather condition such as the rain. The visibility of road markings is closely related to the preview time and detection distances and the ways to improve road marking materials and increase the dry retroreflectivity and wet retroreflectivity, which are the measures of daytime and nighttime visibility is researched to decrease the traffic accidents. For this purpose, Road marking glass beads with the refraction rate of 1.5 and 2.2 are introduced to raise the retroreflectivity. After investigating the minimum threshold retroreflectivity and Install Minimum retroreflectivity at home and abroad, minimum control values for the roadmarking visibility and improvement of nightime rainy retroreflectivity are suggested by physical properties and retroreflectivity experiments.
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문제 정의
5인 그라스 비드가 최상의 Wet 재귀반사를 발현하는 것으로 보고되어 있다. 그러나 상업적 생산이 가능한 굴절률 2.3의 그라스 비드를 사용하여 물속에서의 상대 굴절률이 1.729임을 활용하여 우천시 재귀반사성능을 향상시키면서 Flat type의 야간 우천시 시인성을 향상시키고자 하였다.
차선 재료의 시인성은 결국 광학적 거동과 직결되기 때문에 스넬 법칙에 대한 Review가 필수적이다. 따라서 다음과 같이 스넬 법칙에 관한 Review를 통하여 그라스 비드의 물리 화학적인 거동을 검토하고자 한다.
특히, 우천시 야간에 차선의 품질 규격이 KS M 6080에 만족한다 하더라도 빗물의 수막(水膜)에 의해 재귀반사기능을 하는 현행 그라스 비드의 기능을 원천적으로 무효화시켜 재귀반사기능 상실에 의한 시인성을 열악하게 하여 우천시 야간 안전에 많은 문제점을 야기 시키고 있음에도 불구하고, 국내는 이러한 우천시 야간 재귀반사도(Wet-night retroreflectivity) 규격이 제정되어 있지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 우천시 야간 시인성 향상을 위해 ASTM 및 EN 규격에 의한 시험을 실시하여 각종 차선재료의 품질을 확인하여 개선하고자 한다.
본 시험에 사용한 재료는 수용성, 고성능 융착식 및 상온경화형 도료를 사용한 Flat type의 차선과 Dot type의 돌출형 차선을 대상으로 전용 Wet 재귀반사체인 Sigma STI사의 GBE-6080 WW를 사용하여 Wet 재귀반사 성능에 의한 우천 시 야간 시인성 향상 방안을 얻고자 하였다. 본 연구 목적에 부합되는 고굴절률 그라스 비드는 앞서 이론적으로 기술한 스넬 법칙에 의거 빗물(수막)속에서 최대 재귀반사도를 갖기 위해서는 이론적 굴절률이 2.
본 연구는 이 같은 Profile 차선 시스템과는 달리 광학적 이론을 도입하여 일부 Preformed retroreflective 테이프 시스템에서 운영되고 있는 고굴절률의 그라스 비드를 이용하여 비교적 Flat한 차선재료로서 수막이 형성되어도 Wet 재귀반사 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 Wet 재귀반사 성능 향상 방안을 제시하고자 한다. 본 연구의 Wet 재귀반사 성능 향상 방향은 스넬 법칙에 의거 물과 공기 속에서의 그라스 비드의 상대 굴절률(Relative Refractive Index)를 구하여 물(수막)속에서의 최대 굴절률의 그라스 비드를 사용함으로써 Flat type의 Wet 재귀반사 성능을 구현하고자 하였다.
본 연구는 차선재료의 내마모성 확인을 위하여 현재 생산중인 국내 제품 및 새로 개발된 제품에 대하여 EN 규격의 시험방법을 통하여 품질시험을 실시하여 각종 차선재료의 품질을 확인하였다.
차선재료로 그라스 비드를 사용하여 야간 시인성을 높이려는 아이디어는 1930년 후반에 캐나다에서 “Luminous marking for highways”란 보고서를 통하여 제안된 뒤 1942년 미국 필라델피아에서 500 마일을 시공한 후 매우 만족스러운 야간 시인성을 얻은 후 점차 전세계로 확대되어 오늘날에 이르게 되었다. 본 연구에서는 이같이 야간 시인성을 발현하는 그라스 비드에 관한 문헌적 Review를 통하여 이론적 방향을 얻고자 하였다. 통상 빛은 굴절률이 작은 매질에서 굴절률이 커다란 매질로 지나갈 때 휘어지게 된다.
본 연구는 이 같은 Profile 차선 시스템과는 달리 광학적 이론을 도입하여 일부 Preformed retroreflective 테이프 시스템에서 운영되고 있는 고굴절률의 그라스 비드를 이용하여 비교적 Flat한 차선재료로서 수막이 형성되어도 Wet 재귀반사 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 Wet 재귀반사 성능 향상 방안을 제시하고자 한다. 본 연구의 Wet 재귀반사 성능 향상 방향은 스넬 법칙에 의거 물과 공기 속에서의 그라스 비드의 상대 굴절률(Relative Refractive Index)를 구하여 물(수막)속에서의 최대 굴절률의 그라스 비드를 사용함으로써 Flat type의 Wet 재귀반사 성능을 구현하고자 하였다. 물과 공기 속에서의 그라스 비드의 상대 굴절률(Relative Refractive Index)는 표 1과 같다.
본 연구의 목적은 사전 인지시간(Preview time)과 감지거리(Detection Distances)를 향상시켜 안전성 향상에 의한 야간 교통사고 감소를 위하여 차선의 주야간과 우천시 시인성의 척도인 Dry 재귀반사도 및 Wet 재귀반사도를 높이기 위한 방안을 마련하는데 있다.
제안 방법
이를 위하여 시인성의 척도인 재귀반사도와 교통사고 발생과의 상관관계를 문헌적 고찰을 통하여 규명하였고 본 연구가 지향한 우천 시 야간 재귀반사도 향상 방안을 마련하기 위한 실험적 Data를 얻은 결과 다음과 같은 결론에 얻었다.
대상 데이터
이에 본 시험에서는 국내 연구소인 Sigma STI가 개발한 Drop On type 고굴절 전용 Wet 재귀반사용 세라믹 엘라멘트(600~800㎛)를 사용하여 시험을 실시하였다. 아울러, 고굴절률인 1.93의 Drop On type의 300~800㎛를 참고 시험으로 실시하였다.
2의 그라스 비드는 제법 상 입자 Size가 최대 120㎛까지만 상업적으로 생산이 가능하기 때문에 차선 도료의 Drop On type의 그라스 비드로의 적용이 크기가 작아서 도료에 완전 가라앉아 사용이 곤란하였다. 이에 본 시험에서는 국내 연구소인 Sigma STI가 개발한 Drop On type 고굴절 전용 Wet 재귀반사용 세라믹 엘라멘트(600~800㎛)를 사용하여 시험을 실시하였다. 아울러, 고굴절률인 1.
이론/모형
이들 Wet 재귀반사 향상 방안에 대한 2004년 Virginia Transportation Research Council Report를 근거로 Review해 보면 다음과 같으며, 일반 그라스 비드 사용 표준 페인트(Standard Paint with Beads), 대구경 비드(Paint with Large Beads), Wet재귀반사 테이프, 준-Wet재귀반사 테이프, Thermoplastic Profile, Raised Retroreflective markings 5종의 차선 재료를 Dry 및 Rain 상태 하에서 미국 ASTM E 2177 및 ASTM E 2176의 측정법에 준하여 30M-Geometry로 측정하였다.
성능/효과
Wet 재귀반사 성능 향상방안 중 대구경 비드에 의한 효과는 약간의 Wet 재귀반사 성능 및 Recovery 향상을 보이고 있으나 , 그다지 괄목할만한 효과는 보이지 않으며, Raised profile 및 Profile type은 그 효과가 커다란 것으로 나타났다. 결론적으로, 차선의 Profile이 클수록 수막 허용치가 크기 때문에 Wet 재귀반사 향상에 효과적으로 판단된다.
Wet 재귀반사 성능 향상방안 중 대구경 비드에 의한 효과는 약간의 Wet 재귀반사 성능 및 Recovery 향상을 보이고 있으나 , 그다지 괄목할만한 효과는 보이지 않으며, Raised profile 및 Profile type은 그 효과가 커다란 것으로 나타났다. 결론적으로, 차선의 Profile이 클수록 수막 허용치가 크기 때문에 Wet 재귀반사 향상에 효과적으로 판단된다. 그러나, 주지하는 바와 같이 Flat type 차선의 경우 차량의 차륜하중과 주행 역방향으로의 반작용 짝힘에 대한 힘이 차선과 도로가 골고루 힘의 분산이 일어나지만 이들 Profile 차선 및 대구경차선의 경우, 힘이 차선에 집중되어 높은 전압력이 걸리기 때문에 그라스 비드에 걸리는 힘이 매우 높게 된다.
그라스 비드의 잠김 정도의 변화에 따른 재귀반사율 변화는 그림 4와 같다. 굴절률이 1.5인 기존의 그라스 비드의 경우 확산반사 도료에 약 60% 정도 Embedding(1) 되었을 때 확산반사 효율의 증가와 함께 재귀반사 광량이 가장 크게 구현되어 재귀반사 효율이 높아지고, 굴절률이 1.9인 경우 50%의 Embedding(2)에서 가장 효율적인 재귀반사 성능을 발 현 하 며 , 굴 절 률 이 2.2인 경우 약 30%의 Embedding(3)에서 가장 효율적인 재귀반사 성능이 발현됨을 알 수 있다.
따라서, 이 같은 수막 Thickness에 의하여 입사광의 실질적인 상대굴절률이 낮아지게 되어 입사광의 재귀반사 초점이 길게 변화되고 따라서 그라스 비드로의 투과광이 산란 및 흡수량이 높아지게 되어 재귀반사도가 감소될 수 밖에 없다. 그러나, 본 연구는 그라스 비드의 물과의 상대 굴절률을 높이도록 굴절률이 2.2 이상인 그라스 비드를 활용하여 Elements화한 Wet전용 Elements를 사용한 결과 종전의 프로화일 타입이 아닌 Flat 타입으로도 Wet 재귀반사도가 Dry 한계 재귀반사도 기준인 100~150mcd(㎡₩lx) 이상으로 구현이 가능함과 동시에 프로화일 타입에 적용 시 더 더욱 뛰어난 Wet 재귀반사도가 발현됨을 확인하였고, 결론적으로 본 연구 목적인 우천 시 야간 시인성 향상을 위한 가장 효율적인 방안으로는 고굴절률의 Elements를 혼용한 차선 시스템이 매우 높은 우천 시 야간 시인성을 확보할 수 있다고 판단된다. 그러나, 향후 이들 Elements를 혼용한 새로운 차선 재료 시스템의 내구성 평가가 보완되어 실시되어야 할 필요가 있을 것으로 판단된다.
본 결과에서 알 수 있듯이 Elements를 30% 정도만 사용한 Flat type차선 시스템은 Dry RL 거동과는 전혀 다르게 Wet 상태에서의 RL값이 마치 일반 그라스 비드의 Dry RL값과 거의 유사한 수준까지 상승되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 Elements를 사용한 차선 시스템은 Wet 상황에서도 최소 한계 재귀반사도(minimum threshold retroreflectivity)를 훨씬 상회하는 Wet RL값을 구현할 수 있음을 알 수 있었다.
본 연구 결과 빗물 수막의 Thickness Control에 의존한 nD=1.50 대구경 혹은 nD=1.50 그라스 비드를 사용한 돌출형, 럼블형 및 역프로화일 형태의 차선 우천 시 야간 시인성은 근본적으로 빗물의 굴절률 1.33 영향을 받기 때문에 실험적 Data 즉, 수막 Thickness가 500㎛인 수막 영향을 받을 수 밖에 없는 환경에 놓이게 된다. 따라서, 이 같은 수막 Thickness에 의하여 입사광의 실질적인 상대굴절률이 낮아지게 되어 입사광의 재귀반사 초점이 길게 변화되고 따라서 그라스 비드로의 투과광이 산란 및 흡수량이 높아지게 되어 재귀반사도가 감소될 수 밖에 없다.
본 시험에 사용한 재료는 수용성, 고성능 융착식 및 상온경화형 도료를 사용한 Flat type의 차선과 Dot type의 돌출형 차선을 대상으로 전용 Wet 재귀반사체인 Sigma STI사의 GBE-6080 WW를 사용하여 Wet 재귀반사 성능에 의한 우천 시 야간 시인성 향상 방안을 얻고자 하였다. 본 연구 목적에 부합되는 고굴절률 그라스 비드는 앞서 이론적으로 기술한 스넬 법칙에 의거 빗물(수막)속에서 최대 재귀반사도를 갖기 위해서는 이론적 굴절률이 2.57 이상 되어야 하지만, 상업적 생산이 이루지고 있는 굴절률 2.2의 그라스 비드를 이용한 Flat type의 우천 시 야간 시인성 향상을 꾀할 수 있으나, 기존의 굴절률 2.2의 그라스 비드는 제법 상 입자 Size가 최대 120㎛까지만 상업적으로 생산이 가능하기 때문에 차선 도료의 Drop On type의 그라스 비드로의 적용이 크기가 작아서 도료에 완전 가라앉아 사용이 곤란하였다. 이에 본 시험에서는 국내 연구소인 Sigma STI가 개발한 Drop On type 고굴절 전용 Wet 재귀반사용 세라믹 엘라멘트(600~800㎛)를 사용하여 시험을 실시하였다.
시험결과에서 알 수 있듯이 nD=1.50 단독으로 사용한 차선의 재귀반사도보다 nD=1.93의 그라스 비드를 30%가량 혼합하여 사용한 차선의 재귀반사도가 높게 발현되고 있으며, nD=2.2~2.3을 사용한 Elements를 30%가량 혼합하여 사용한 차선은 역시 서론에서 기술된 이론적 근거에 의해 오히려 Dry RL은 감소하였다. 한편, En 1436의 Wet & Rain Retroreflectivity 측정법에 의해 측정한 결과는 매우 판이하게 반대적인 결과로 도출되었다.
본 결과에서 알 수 있듯이 Elements를 30% 정도만 사용한 Flat type차선 시스템은 Dry RL 거동과는 전혀 다르게 Wet 상태에서의 RL값이 마치 일반 그라스 비드의 Dry RL값과 거의 유사한 수준까지 상승되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 Elements를 사용한 차선 시스템은 Wet 상황에서도 최소 한계 재귀반사도(minimum threshold retroreflectivity)를 훨씬 상회하는 Wet RL값을 구현할 수 있음을 알 수 있었다. 한편, 동일한 Elements를 Dot 돌출형 차선에 적용한 결과 다음과 같다.
즉 , Elements를 30% 혼용한 그라스 비드 시스템을 Dot돌출형에 적용한 결과 Dry RL뿐만 아니라 Wet RL이 매우 우수하며 이에 따른 우천시 야간 시인성 향상에 의한 사전 인지 시간(Preview Time)과 감지거리(Detection Distances)를 길게 가져갈 수 있음으로써 운전자가 위급 상황에 대한 충분한 대처 시간을 확보할 수 있어 교통 사고 발생 확률을 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
2 이상인 그라스 비드를 활용하여 Elements화한 Wet전용 Elements를 사용한 결과 종전의 프로화일 타입이 아닌 Flat 타입으로도 Wet 재귀반사도가 Dry 한계 재귀반사도 기준인 100~150mcd(㎡₩lx) 이상으로 구현이 가능함과 동시에 프로화일 타입에 적용 시 더 더욱 뛰어난 Wet 재귀반사도가 발현됨을 확인하였고, 결론적으로 본 연구 목적인 우천 시 야간 시인성 향상을 위한 가장 효율적인 방안으로는 고굴절률의 Elements를 혼용한 차선 시스템이 매우 높은 우천 시 야간 시인성을 확보할 수 있다고 판단된다. 그러나, 향후 이들 Elements를 혼용한 새로운 차선 재료 시스템의 내구성 평가가 보완되어 실시되어야 할 필요가 있을 것으로 판단된다.
참고문헌 (8)
CEN EN 13459-3, Road marking materials - Quality control - Part 3:Performance in use (1999).
CEN EN 12802, Road marking materilas - Laboratory methods for identification (2000).
KS M 6080, 도로표지용 도료 (2008).
ASTM D 1214, Standard Test Method for Sieve Analysis of Glass Spheres (2004).
ASTM G 154, Standard Practice for Operating Fluorescent Light Apparatus for UV Exposure of Nonmetallic Materials (2004).
Neville A. Parker and Massawe S. J. Meja, Evaluation of Performance of Permanent Pavement Markings, Transportation Research Record 1824 (2003).
Ronald B. Gibbons, Wet Night visivility of pavement markings (2004).
Zwahlen & Schnell, Visibility of new centerline and edge line pavement markings, Transportation Research Record 1605 (1997).
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