초록 ▼

1. 제목
자동차 극미세입자 형식승인 및 정도검사(안) 마련 연구
2. 사업추진 필요성 및 목적
전 세계적으로 자동차 생산량 및 이용률이 증가하면서, 자동차 배출 가스가 미치는 환경적 요인을 줄이기 위한 국제적인 노력을 통해 세계 각 국가들은 자동차 배기가스 규제와 관련한 법규를 제정하고 이와 관련한 검사 제도를 시행하여 철저한 법규 이행을 촉구하고 있다. 대부분의 자동차 배출 가스를 구성하는 물질들이 지구환경에 대한 악영향을 미치는 요인이나, 입자상 물질(PM)과 CO같은 물질은 인체에 대한 유해 영향 요소로 구분

1. 제목
자동차 극미세입자 형식승인 및 정도검사(안) 마련 연구
2. 사업추진 필요성 및 목적
전 세계적으로 자동차 생산량 및 이용률이 증가하면서, 자동차 배출 가스가 미치는 환경적 요인을 줄이기 위한 국제적인 노력을 통해 세계 각 국가들은 자동차 배기가스 규제와 관련한 법규를 제정하고 이와 관련한 검사 제도를 시행하여 철저한 법규 이행을 촉구하고 있다. 대부분의 자동차 배출 가스를 구성하는 물질들이 지구환경에 대한 악영향을 미치는 요인이나, 입자상 물질(PM)과 CO같은 물질은 인체에 대한 유해 영향 요소로 구분되며, 특히 입자상 물질(PM)의 경우 호흡기 장애뿐만 아니라 발암 물질로도 판정되어 이에 대한 규제가 점점 더 강화 되고 있는 실정이다. 특히 입자상 물질(PM)은 중량기준 및 수량기준에 따라 입자 크기별 분포 형태를 달리한다. 중량기준으로 할 경우 입자 직경 30～500nm(accumulate mode)에 분포되어 있으며 100～200nm에 집중되어 있으나 수량 기준으로 보면 3～30nm(nuclei mode)에 분포되어 있으며 10～20nm에 집중되어 있다. 특히 nuclei mode 영역에 분포된 입자들의 중량은 전체의 10% 이내이나 수량은 90% 이상이다. 그중에서도 중량비율은 미미하나 입자수량 면에서는 대부분을 차지하고 있는 50nm 이하의 nano-particles의 인체 유해도가 훨씬 큰 것으로 알려지고 있다. PM2.5 이상의 굵은 입자상 물질(PM)은 코나 호흡관 등의 호흡계통 상부에 흡착되나, nano-particle과 같은 50nm이하의 미세한 PM은 폐나 기관지 등과 같은 깊숙한 호흡기 계통에 흡착된다. 또한 이들 입자는 세포막까지 침투할 수도 있을 것으로 예상되고 있다. 1998년 CARB에서는 PM을 Toxic Air Contaminant로 지정하고 암의 원인이 될 수 있음(Diesel exhaust may cause an increase in the likelibood of cancer.)을 발표하였으며, 2002년 EPA에서도 입자상 물질(PM)을 발암물질로 지적하고 있다. 지금까지 입자상 물질(PM)에 대한 규제는 물질 전체 덩어리에 대한 규제로 시간당 배출되는 매연 입자들의 무게를 제한하고 있었다. 하지만 앞서 기술한 바와 같이 입자상 물질(PM)의 중량별, 크기별 분포 특성 및 인체에 미치는 유해성을 고려하여 입자상 물질(PM)의 무게뿐만 아니라 개수에 대해서도 규제의 폭을 넓히려는 계획들이 점차 중요시 되고 있다. 이에 대응하여 현재 UN-ECE(유럽 통상 위원회) GRPE 기관을 중심으로 입자 측정 프로그램(PMP: Particle Measuring Program)의 일환으로 측정 방식 및 규제치 등을 마련하고 있으며 2011년 10월부터 Euro 5 +PMP에 반영되어 시행될 예정이다. 자동차 수출국인 우리나라도 국제적인 추세에 신속하게 대응하기 위하여 2005년 3월 KPMP(Korea Particle measuring program)를 조직하여 유럽의 PMP 회의에 적극적으로 참여하고 있으며, 국내에서 PMP Inter-lab. Test를 통하여 어느 정도 극미세 입자(nano-particle)의 규제 및 측정방법이 설정되어 가고 있는 중이다. 극미세입자(nano-particle)의 국내 규제는 2012년부터 시행하는 것으로 계획을 잡고 있다. 국내 규제가 시작되면 국내에서 사용하는 환경측정기기는 통일성 및 정확성을 유지하기 위하여 “환경 분야 시험ㆍ검사에 관한 법률”에 의거하여 형식승인 및 정도 검사를 받도록 되어 있다. 그에 따라 세부 기술 규격인 “환경측정기기의 형식승인ㆍ정도검사 등에 관한 고시” 기준을 작성함으로서 측정기기 피 사용자로 하여금 합리적인 장비의 선택 및 주기적인 관리 체계를 만드는데 주된 필요성이 제기 된다. 또한, 극미세 입자(nano-particle) 측정기기의 검사주기에 대한 기술적 근거를 정함과 동시에 입자 측정 장치에 대한 정도관리 체계를 확립함으로서 국내ㆍ외적으로 시행되는 극미세 입자 측정 및 규제에 대비하는 것이 필요하다.
3. 사업의 범위
가. 외국의 입자 측정장치 교정 및 검증방법에 대한 해외사례 조사
○ 국제규격에 대한 교정 및 검증 적용성 해외연구사례조사
○ 국내 유사연구사례에 대한 종합분석
나. 입자 크기에 따른 측정장치 오차 해석
○ 표준입자측정기와 피교정기에 대한 측정장치간 오차해석 분석
다. 희석장치의 형식승인 및 교정방법 평가
○ 실차에 의한 입자희석장치의 반복시험에 의한 특성분석
○ 실차시험에 의한 입자배출특성 분석 및 현장 시험 적응성 평가
라. CPC(입자개수측정장치)의 형식승인 및 교정방법 평가
○ 시험실내 극미세입자별 교정 및 검증특성 분석
○ 각 제조사별 극미세입자 측정기 교정 및 검증방법 비교분석
마. 국내 희석장치 및 CPC(입자개수측정장치)의 형식승인 및 교정방법 도출
○ 국내 환경측정기기 성능시험 및 정도검사 등에 관한 고시(안) 도출
○ 정도검사 주기 및 수수료 신설 및 개정(안) 도출
4. 연구내용 및 결과
극미세입자에 대한 수량 규제에 대한 논의는 UN-ECE의 GRPE에서 처음 시작되었고, 이에 PMP(Particle Measurement Program)을 구성하여 관련 연구 및 규제 방안 논의를 진행해 왔다. 그동안의 축적된 자료들을 바탕으로 UN-ECE는 Regulation83을 발표하면서 극미세입자에 대한 수량 규제에 대해 구체적인 방안 및 권장 시스템을 공개하면서, 더불어 관련 측정 장비에 대한 검사 및 교정 방안에 대해서도 구체적으로 서술하고 있다. 이에 EU에서도 EURO 5b를 발표해 극미세입자에 대한 수량 규제를 명시하였다. 이렇듯 전 세계적으로 극미세입자에 대한 수량 규제에 대해 심각하게 고려하고 있음을 알 수 있다. 따라서 국내에서도 이러한 흐름에 발맞춰 나가기 위해서는 기존 해외 사례에 맞춰 국내 적용 가능성 및 실질적인 장비 검증이필요하다. 이에 본 연구에서는 해외 사례를 중심으로 그동안 연구된 자료를 수집하여 국내에서 유사 시험을 수행해 운용상 문제점 및 측정 장비의 형식승인 및 정도 검사관련 고시 마련에 필요한 사안을 검증하였다. 우선 해외 연구 사례 중 GRPE에서 수행한 Inter-Laboratory 시험을 토대로 극미 세입자 측정 방법 및 교정 방법에 대한 방법을 이해하고, 기존 국내에서 수행되었던 유사 시험과 비교해 추가적인 검증 사항에 대해 파악하였다. 이에 해외 연구 자료 및 국내 연구 자료에서 언급하고 있는 측정 장치의 오차 해석을 조사한 결과, 극미세입자의 농도 및 개수가 온도에 민감함을 알 수 있었으며, 이에 대한 오차를 줄이기 위해서는 샘플 이송관 및 측정 장치 내 온도 유지가 중요하다고 판단된다. 또한 입자의 크기가 작아질수록 이송관 내부에서 발생할 수 있는 저항으로 인해 입자가 손실될 수 있기 때문에 이에 대한 보정 및 장치 운영에 주의를 기울여야 한다. 국내 제작사 연구소 및 국가 연구소를 통해 극미세입자 측정 장치에 대한 반복성 및 기기 간 상관성을 시험을 통해 파악하였다. 실차 시험은 시험에 대한 환경 변수를 줄이기 위해 동일 모델 장비들을 활용하였으며, 대상 차량 또한 모델별로 1대씩 총 2대를 이용해 수행하였다. 또한 장비 검증을 위해 DPF 시험을 수행하여 측정 데이터에 대한 연계성을 확인할 수 있었다. 시험 모드는 국내에서 규정하고 있는 ECE15 + EUDC 모드를 사용하였다. 시험 결과, 기기 간의 상관성은 비교적 양호하였다. 하지만 극미세입자 측정 장치의 경우 시험실 환경 및 조건이 측정 결과 값에 미치는 영향이 비교적 큰 것으로 나타났으며, 이를 줄이기 위해서는 시험실 내 환경조건에 대한 엄격한 제시가 필요함은 불가피 하다. 또한 시험 과정에서 측정장비의 세척 및 온도 유지가 매우 중요하며, 전체 측정 시간에서 모드 운전 외에 준비 시간이 비교적 길게 소요됨을 알 수 있었다. 극미세입자 개수 측정 시스템을 교정하기 위해서는 CPC(입자 계수기)와 VPR(휘발성 입자 제거기)에 대한 통합적인 교정이 필요하다. CPC의 경우 입자 크기 별로 5～6단계로 나눠 각각의 입자 크기에 대한 계수 능력을 검사하며, 이때 일정한 입자를 생성시키기 위해 DMA 장비를 활용해 특정 입자만 골라 내어 교정 검사에 활용한다. 또한 피교정 CPC를 교정함에 있어 기준이 되는 장비는 Aerosol Electrometer를 활용하며, 기교정된 CPC를 활용할 수도 있다. 이때 Aerosol Electrometer에서 나온 결과값과 CPC의 결과 값에 대한 반응의 선형도를 구하여 직선의 기울기가 0.9～1.1 사이에 존재하는 지 확인하여 교정 성공 여부를 판단할 수 있다. 이와 같은 시험 결과 및 기존 해외 자료 조사에서 파악된 해외 국가 및 기관들의 극미세입자 개수 규제를 참고하여 국내 실정 및 실질적인 장비 운용에 적합하도록 관련 고시 및 세부 규정을 마련하였다. 또한 시험 준비 및 수행 시간을 고려한 시험 수수료와 세부 산정 안을 정리하였다.

목차 Contents

• 차 례 ... 7
• 제 1 장 서 론 ... 14
• 제1절 연구의 배경 및 필요성 ... 14
• 제2절 연구목적 ... 17
• 제3절 연구범위 ... 17
• 제4절 연구결과의 활용방안 ... 18
• 제5절 연구 추진체계 ... 19
• 제 2 장 국내외 현황 ... 22
• 제1절 해외 연구 현황 ... 22
• 1. 개 요 ... 22
• 2. UN-ECE ... 23
• 3. EU Commission ... 28
• 4. TSI ... 29
• 제2절 국내 연구 현황 ... 30
• 1. 개 요 ... 30
• 제 3 장 측정 장치 오차 해석 ... 35
• 제1절 표준 입자 측정기와 피 교정기에 대한 측정 장치 간 오차해석 분석 ... 35
• 1. 개 요 ... 35
• 2. 입자 개수 측정기(CPC) 시스템의 오차 원인 분석 ... 36
• 제 4 장 희석장치의 형식승인 및 교정방법 평가 ... 46
• 제1절 실차에 의한 입자희석장치의 반복시험에 의한 특성분석 ... 46
• 1. 개 요 ... 46
• 2. 반복 시험 ... 46
• 3. 기기 간 상관성 시험 ... 54
• 제2절 실차시험에 의한 입자배출특성 분석 및 현장 시험 적응성 평가 ... 57
• 1. 개 요 ... 57
• 2. DPF 시험 ... 57
• 제 5 장 CPC(입자개수측정장치)의 형식승인 및 교정방법 평가 ... 62
• 제1절 시험실내 극미세입자별 교정 및 검증특성 분석 ... 62
• 1. 개 요 ... 62
• 2. 시험 결과 ... 63
• 제2절 각 제조사별 극미세입자 측정기 교정 및 검증방법 비교 분석 ... 68
• 1. 개 요 ... 68
• 2. TSI사의 교정 및 검증 방법 ... 68
• 3. GRIMM 사 ... 69
• 제 6 장 국내 희석장치 및 CPC(입자개수측정장치)의 형식승인 및 교정방법 도출 ... 74
• 제1절 국내 환경측정기기 성능시험 및 정도 검사 등에 관한 고시(안) 도출 ... 74
• 1. 희석장치(VPR) 검/교정 절차서 ... 74
• 2. 입자개수 측정장치(CPC) 검/교정 절차서 ... 103
• 3. 원동기 및 차대용 극미세 입자 측정장치 고시(안) ... 114
• 제2절 정도검사 주기에 대한 검토 ... 119
• 1. 극미세 입자 측정장치 및 그 부속기기 ... 119
• 제3절 성능시험 및 정도검사 수수료 대한 검토 ... 121
• 1. 수수료 작성 기준 ... 121
• 2. 검사 수수료 산출근거 ... 124
• 3. 검사 수수료 종합 ... 127
• 제 7 장 결론 ... 131
• 참고문헌 ... 135
• 부록 ... 138
• 1. 한경측정기기 형식승인·정도검사 등에 관한 고시(안) ... 138
• 2. ECE Reg 83 규격 번역 ... 144