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문제 정의
- 1) 본 연구에서는 타이어와 도로의 마찰에 의해서 발생하는 미세먼지를 도로 주행 조건에서 실시간으로 계측하기 위하여 이동형 측정 시스템을 구축하였으며 실제 측정시스템을 사용하여 아스팔트 도로 조건에서 차량의 속도에 따른 도로 입자의 특성을 살펴보았다. 본 연구를 통하여 다음의 결론들을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 도로 주행 조건에서 도로먼지 및 타이어 마모입자를 측정하기 위하여 이동형 측정 장치를 구성하였으며 차량 운행 조건에 따라서 도로입자를 우선 측정하였다. 아스팔트 재질로 건설된 고속주회로에서 정속 조건 및 급가속, 급감속 조건에서 발생하는 입자들의 특성을 파악하였으며 입자들을 필터에 포집한 후 SEM-EDX법을 이용하여 입자들의 형상 및 성분 분석을 수행하였다.
제안 방법
- “정속주행” 조건에서는 차량의 핸들을 조작하지 않고 속도를 30, 50, 70, 90, 110 km/h로 변화시키면서 차량 속도에 따른 도로입자의 발생특성을 파악하였다.
- “정속주행”, “급가속, 급감속 주행”의 두 가지 운전상황에 따라서 도로입자 측정 시험을 수행하였다.
- 2) 타이어 마모 미세먼지 측정용 이동형 측정시스템을 단독으로 구축하였다. 타이어에서 발생하는 도로입자를 실시간으로 계측하기 위하여 FMPS, APS, Dusttrak 등 다양한 장비들이 차량에 장착되었다.
- 또한 국내 및 해외 타이어업체들을 중심으로 마모입자의 조사를 위한 Working Group를 구성하여 연구를 추진하고 있다.4) 도로 주행 조건에서 타이어 미세먼지를 포집하는 경우 타이어 마모입자 뿐만 아니라 도로먼지가 같이 포집되며 이를 구분하는 것이 어려우므로 타이어 마모입자만을 평가하기 위하여 도로 시뮬레이터(Road simulator)를 통해 타이어 마모입자 평가가 진행되었다.5-7) 하지만 실험실에서는 실제 주행 조건에 비해 가혹한 환경 에서 시험하게 되므로 발생된 마모입자가 크기가 증가되는 문제가 발생하며,1,8) 미세입자의 성분차이로 인하여 환경 위해성 평가도 어렵기 때문에 실제 차량에 샘플링 장치를 장착하며 도로를 실제로 주행하면서 타이어 미세먼지를 측정하는 연구들도 수행되었다.
- Fig. 8과 Fig. 9에 나타나 있는 SEM 촬영 이미지들 중에서 각각 두 이미지를 선택하여 전체 영역을 SEM-EDX 분석하였다. Fig.
- 샘플링 포트는 차량 내에 설치된 샘플링 플래넘에 연결되어 있으며 샘플링 플래넘에 연결된 펌프에 의하여 먼지들이 흡입된다. 각 샘플링 플래넘에 포집된 먼지는 여러 측정 장비들로 연결되는데 특히 작은 입자들의 손실을 방지하기 위하여 APS와 FMPS로 연결할 때는 8 mm의 지름을 가지는 전도튜브(Conductive tube)를 사용하여 2 m의 길이로 연결하였다.
- 도로입자들의 형상 및 구성 성분을 파악하기 위하여 미세입자 샘플링 장치를 이용하여 미세입자를 포집한 뒤 SEM (Scanning Electron Microscopy) 이미지 측정을 하였다. 도로입자를 입경별로 포집하기 위하여 포어 사이즈가 8 μm (the first coarse fraction) 와 0.
- 도로입자를 입경별로 포집하기 위하여 포어 사이즈가 8 μm (the first coarse fraction) 와 0.4 μm (the second fine fraction)인 47 mm Nuclepore polycarbonate membrane 필터를 연속적으로 장착하였다.
- 도로입자에 포함된 조세입자(Coarse particle) 및 미세입자(Fine particle)를 구분하여 포집하기 위하여 포어 사이즈가 8 μm (the first coarse fraction)와 0.4 μm (the second fine fraction)인 47 mm Nuclepore polycarbonate membrane 필터를 연속적으로 장착하였다.
- 차량 내부에 장착된 두개의 펌프를 이용하여 대기 중에 존재하는 입자(Back ground)와 타이어 50 mm 후단에서 샘플링 되는 먼지를 동시에 측정하여 그 차이 값을 비산먼지(Road dust) 및 타이어마모(Tire wear particle)에 의하여 발생하는 도로입자(Roadway particle)라고 판단한다. 도로입자의 중량농도는 중량 농도 측정기(DustTrak DRX; TSI)를 이용하여 측정하였으며 개수분포 및 수농도는 FMPS (Fast mobility particle sizer, 3091; TSI), 중량분포는 APS (Aerosol Particle Sizer, 3321; TSI)를 사용하여 측정하였다. APS의 경우 0.
- 50 nm 이하의 극미세입자 크기를 가지는 입자들이 다수 포함되어 있음을 알 수 있다. 미세입자들의 형상만으로 배출원을 구분할 수 없으므로 SEM-EDX 분석을 통하여 성분을 분석하였다.
- 실제로 차량 주행 조건에서 발생하는 도로입자들의 형상을 파악하기 위하여 미세입자 샘플링 장치를 이용하여 도로입자를 채취한 뒤 SEM (Scanning Electron Microscopy) 이미지 측정을 하였다. 도로입자에 포함된 조세입자(Coarse particle) 및 미세입자(Fine particle)를 구분하여 포집하기 위하여 포어 사이즈가 8 μm (the first coarse fraction)와 0.
- 본 연구에서는 도로 주행 조건에서 도로먼지 및 타이어 마모입자를 측정하기 위하여 이동형 측정 장치를 구성하였으며 차량 운행 조건에 따라서 도로입자를 우선 측정하였다. 아스팔트 재질로 건설된 고속주회로에서 정속 조건 및 급가속, 급감속 조건에서 발생하는 입자들의 특성을 파악하였으며 입자들을 필터에 포집한 후 SEM-EDX법을 이용하여 입자들의 형상 및 성분 분석을 수행하였다. 이를 통하여 향후 도로입자에 포함되어 있는 타이어 마모입자의 환경적인 영향을 파악할 예정 이다.
- 이동형 측정 차량에는 입자의 중량농도(PM mass), 수농도 (Particle number), 입경별 개수분포 및 중량분포 (Particle number & mass size distribution)를 측정할 수 있는 장비들이 장착되어 있다. 차량 내부에 장착된 두개의 펌프를 이용하여 대기 중에 존재하는 입자(Back ground)와 타이어 50 mm 후단에서 샘플링 되는 먼지를 동시에 측정하여 그 차이 값을 비산먼지(Road dust) 및 타이어마모(Tire wear particle)에 의하여 발생하는 도로입자(Roadway particle)라고 판단한다. 도로입자의 중량농도는 중량 농도 측정기(DustTrak DRX; TSI)를 이용하여 측정하였으며 개수분포 및 수농도는 FMPS (Fast mobility particle sizer, 3091; TSI), 중량분포는 APS (Aerosol Particle Sizer, 3321; TSI)를 사용하여 측정하였다.
- 1은 실제 이동형 측정 차량에 탑재된 측정 장비 및 샘플링 포트의 위치를 나타내고 있다. 차량 전면에 샘플링 포트를 설치하여 대기 중의 미세먼지를 측정하였고 차량의 앞바퀴에서 50 mm 후단 지점에 도로입자 측정을 위한 샘플링 포트를 설치하였다. 샘플링 포트는 차량 내에 설치된 샘플링 플래넘에 연결되어 있으며 샘플링 플래넘에 연결된 펌프에 의하여 먼지들이 흡입된다.
- 차량 주행 과정에서 발생하는 타이어 마모입자를 실시간으로 측정하기 위하여 미니밴을 베이스로 하는 이동형 측정 차량을 구축하여 실험을 수행하였다. 우리나라에서는 징이 박힌 Studded 타이어를 사용하지 않기 때문에 모든 실험은 일반타이어(Summer tire)를 사용하여 진행되었다.
- 차량 주행 중에 발생하는 도로입자를 측정하기 위하여 이동형 측정 차량을 운행하면서 타이어에서 발생하는 도로입자 및 대기 중에 존재하는 미세먼지를 동시에 측정하였다. 일반 도로에서는 속도를 일정하게 유지하기 어려우며 주변 차량에서 배출되는 배출가스가 나노 사이즈의 미세먼지에 큰 영향을 미치므로 측정의 신뢰성을 높이기 위하여 시외에 위치한 고속주회로에서 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 모든 실험은 화성시에 위치한 자동차성능연구소 (Korea Automobile Testing & Research Institute)의 5.5 km 고속주회로를 이용하였는데 이 도로는 아스팔트 재질로 만들어진 도로이다.
- 차량 주행 과정에서 발생하는 타이어 마모입자를 실시간으로 측정하기 위하여 미니밴을 베이스로 하는 이동형 측정 차량을 구축하여 실험을 수행하였다. 우리나라에서는 징이 박힌 Studded 타이어를 사용하지 않기 때문에 모든 실험은 일반타이어(Summer tire)를 사용하여 진행되었다. 이동형 측정 차량에는 입자의 중량농도(PM mass), 수농도 (Particle number), 입경별 개수분포 및 중량분포 (Particle number & mass size distribution)를 측정할 수 있는 장비들이 장착되어 있다.
- 차량 주행 중에 발생하는 도로입자를 측정하기 위하여 이동형 측정 차량을 운행하면서 타이어에서 발생하는 도로입자 및 대기 중에 존재하는 미세먼지를 동시에 측정하였다. 일반 도로에서는 속도를 일정하게 유지하기 어려우며 주변 차량에서 배출되는 배출가스가 나노 사이즈의 미세먼지에 큰 영향을 미치므로 측정의 신뢰성을 높이기 위하여 시외에 위치한 고속주회로에서 실험을 수행하였다. 모든 실험은 화성시에 위치한 자동차성능연구소 (Korea Automobile Testing & Research Institute)의 5.
이론/모형
- 4 μm (the second fine fraction)인 47 mm Nuclepore polycarbonate membrane 필터를 연속적으로 장착하였다. 포집된 미세먼지는 SEM 촬영을 하였으며 성분 분석을 위하여 SEM-EDX 분석법도 수행하였다.
성능/효과
- 3) 차량 속도의 증가에 따라서 측정되는 도로입자의 PM10 농도, 입자의 수농도는 증가하는 경향을 가졌다.
- 4) 정속 주행 조건으로 아스팔트 도로를 주행하는 경우 극미세입자들은 낮게 검출되었으며 입자들의 중량분포에서 최대값은 2.5 μm 입경 부근에 위치하였다.
- 5) 차량이 급감속하는 경우 도로와의 마찰에 의해서 PM10 농도 및 미세입자들의 수농도가 매우 높게 측정된다.
- 6) 도로입자들의 형상 및 구성 성분을 SEM-EDX 분석법을 통하여 측정한 결과 여러 형상을 가지는 입자들이 측정되었으며 구성 성분을 분석한 결과 도로입자들의 발생원은 도로 비산먼지, 브레이크 마모, 타이어 마모가 주원인으로 파악되었다.
- 5에서는 차량의 속도에 따라서 FMPS로 측정한 타이어에서 발생하는 도로입자의 입경분포를 나타내고 있다. 결과를 살펴보면 속도의 증가에 따라서 각 입경별 존재하는 입자의 수도 약간 증가하는 경향을 나타내고 있다. 특히 80 nm에서 미세입자의 수농도는 피크값을 나타내고 있다.
후속연구
- 아스팔트 재질로 건설된 고속주회로에서 정속 조건 및 급가속, 급감속 조건에서 발생하는 입자들의 특성을 파악하였으며 입자들을 필터에 포집한 후 SEM-EDX법을 이용하여 입자들의 형상 및 성분 분석을 수행하였다. 이를 통하여 향후 도로입자에 포함되어 있는 타이어 마모입자의 환경적인 영향을 파악할 예정 이다.
- 5인 것으로 확인되었다. 향후 국내에서도 PM2.5를 규제하고자 하는 움직임이 있는데 이를 적용하게 되면 타이어 마모 입자 및 비산먼지가 대기오염의 주된 요인으로 작용할 것으로 판단된다.
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