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최근 강화된 배기가스 규제로 인하여 차량에서 배출되는 유해 배기가스 및 입자상물질(PM)의 배출량은 급격하게 감소하였다. 특히 유럽의 경우 승용 디젤차량에서 배출되는 PM의 배출량을 2001년 기준 50 mg/km에서 2020년 기준 4.5 mg/km로 90 % 이상 강화된 규제를 시행 중이다. 이로 인하여 엔진 연소에 의한 배기 미세먼지(Exhaust PM)의 발생량이 대폭 감소되면서 최근에는 비배기 발생원에서 생성되는 미세먼지에 대한 관심도가 높아지고 있다. 차량의 비배기 미세먼지(Non-exhaust PM)는 타이어 마모, 브레이크 마모, 도로 마모, 도로 재비산 등 엔진 연소 외의 발생원에서 생성되는 미세먼지를 통칭한다. 배기 미세먼지의 경우 엔진연소 개선 및 후처리장치 장착을 통하여 배출량을 대폭 감소시킬 수 있었던 것에 비해,^1-3) 비배기 미세먼지는 배출계수, 물리화학적 특성, 인체영향 등에 대한 연구가 많이 이루어지지 못하였으며 이를 저감할 방안도 없는 실정이다.²⁾

최근 몇 년간 유엔 유럽경제위원회(UN ECE) 산하의 PMP(Particle Measurement Program) 그룹에서는 비배기 미세먼지에 대한 정보를 교환하고 있으며, 특히 브레이크 마모입자(BWPs: Brake Wear Particles)에 대해서는 구체적인 연구결과들이 나오면서 규제를 위한 움직임이 가속화되고 있다. 현재 BWPs의 무게농도와 개수농도를 병행하여 연구하고 있으며, 공기 유동에 의한 브레이크 냉각, 기상조건 등에 의한 반복 측정의 재현성 및 신뢰성에 관한 연구가 진행되고 있다. 향후 BWPs에 대한 환경 규제가 유럽에 신설된다면, 배기가스 규제가 그러했듯이 한국도 유럽에 발맞추어 관련 규제가 신설될 것으로 예상된다. 따라서, 국내에도 PMP 그룹의 연구결과를 숙지하고 미리 관련 규제를 대응할 준비가 필요하다.

일반적으로 BWPs를 측정하는 방법으로는 실제 차량에서 직접 측정하는 방법^4-8)과 동력계를 이용한 측정 방법^9-13) 두 가지가 이용되고 있다. 특히 Hesse and Augsburg⁸⁾은 실제 자동차의 브레이크만을 감싸는 챔버를 구성해서 Real Driving Emission(RDE) 측정을 수행하였다. 하지만, 운전자 특성에 따라 BWPs가 생기는 특성이 크게 달라진다는 결과를 얻었다. 그에 반해 브레이크 동력계를 이용하는 방법은 반복실험의 재현성이 있으며, 다른 외부 요인(타이어 마모, 도로 재비산 등)을 제외한 브레이크 마모에서만 발생하는 PM을 측정할 수 있기 때문에 향후 공인시험법으로 적용될 것이다. Iijima 등¹⁴⁾과 Kukutschova 등¹⁵⁾은 브레이크 디스크와 패드만을 따로 분리하고 챔버 안에 입자 측정장비를 설치하여 BWPs를 측정하였다. 하지만 이들이 사용한 챔버 크기가 브레이크 디스크에 비해 상당히 크기 때문에, BWPs를 측정할 때 침강하는 입자 등 입자손실이 많다는 우려가 있었다. 또한 제동 이벤트에 대하여 즉각적인 미세먼지 농도 상승 및 감소 반응이 이루어지지 않는 문제점이 있었다. Hagen 등¹³⁾은 이러한 문제점을 해결하기 위해 공기순환시간이 3초 이내로 짧으면서 입자손실을 최소화할 수 있는 등속 흡인(Isokinetic)이 고려된 BWPs 측정 시스템을 제작하였다. 향후 BWPs에 관한 연구가 더 활발히 이루어질 것이므로, 국내에도 자체적으로 BWPs를 정확하게 측정할 수 있는 측정 시스템이 개발되어야 한다.

본 논문에서는 브레이크 마모에서 발생하는 BWPs를 높은 효율로 샘플링 하여 입자의 특성을 정확하게 분석하기 위한 목적으로 고안된 BWPs 측정시스템의 기술적인 세부사항을 소개한다. 또한, 본 연구에서 개발한 BWPs 측정시스템을 이용해서 다양한 주행 사이클에서 측정되는 BWPs 특성을 분석해 보았다.

본 연구에서 고안된 브레이크 동력계는 빠른 순환시간이 장점이다. Figs. 4~7은 각 주행 사이클에서의 초미세먼지 농도를 나타낸 것인데 제동이 작동하는 시간에만 BWPs의 농도가 상승하였다. 이러한 빠른 입자 농도 변화는 각 제동 이벤트마다 생성되는 BWPs를 분리하여 분석할 수 있게 해준다. QCM은 10초의 측정시간으로 측정하였으므로 광학적으로 측정하는 APS보다 그래프의 유연성이 떨어지는 것이 확인된다. 브레이크 패드 온도는 가속이나 등속회전을 할 때는 감소하였으며, 제동할 때만 증가하였다.

Fig. 4 
Variation of particle mass concentration, vehicle speed and brake pad temperature for (a) whole WLTC time, and (b) between 25 to 30 minutes of WLTC

Fig. 5 
Variation of particle mass concentration, vehicle speed and brake pad temperature for (a) whole FTP time, and (b) between 10 to 20 minutes of FTP

Fig. 6 
Variation of particle mass concentration, vehicle speed and brake pad temperature for (a) whole NEDC time, and (b) between 15 to 20 minutes of NEDC

Fig. 7 
Variation of particle mass concentration, vehicle speed and brake pad temperature for (a) whole FADE time, and (b) between 20 to 25 minutes of FADE

Table 1은 각 주행 사이클에서 장비별로 측정되는BWPs의 배출계수를 나타낸 것이다. 결과를 살펴보면 반복 시험이 진행될수록 BWPs 배출량이 감소하는 것을 알 수 있다. WLTC, FTP, NEDC 주행 사이클의 세 번 반복시험에서 각 주행 사이클의 세번째 시험에서 배출계수는 첫번째 시험의 절반 이하로 감소하였다. 브레이크 패드가 처음 사용할 때는 배출계수가 높게 평가되다가, 사용시간이 길어질수록 표면이 닳아서 디스크와의 마찰되어 깎이는 표면이 줄어들면 배출계수가 줄어드는 것으로 추측된다. Mamakos 등¹²⁾은 BWPs 측정전에 WLTC를 20번 반복하여 BWPs 배출량이 수렴되도록 하는 burnishing 작업을 하였다. 본 연구에서도 측정 전에 burnishing 작업을 수행하였으나 BWPs 배출량이 수렴되지 않았으며, 패드 재질 등의 차이가 이유로 예측된다. BWPs의 배출계수를 평가할 때 브레이크 패드의 연식에 따라 지대한 영향을 받으므로, 기준을 명확히 정할 필요가 있다. 평균으로 비교하면 WLTC의 배출계수가 가장 높았으며, NEDC, FADE, FTP 순으로 배출계수가 낮았다. 입자 무게농도 배출계수는 APS 기준으로 브레이크 당 평균 0.56-1.52 mg/km으로 측정되었으며, 네 바퀴에서 나오는 양을 고려하면 디젤 승용차의 Euro6d 배출규제인 4.5 mg/km 값에 비해 동등 이상 수준의 값이다. DustTrak 측정 값은 WLTC, FTP 주행 사이클에서는 APS 측정 값보다 낮게 측정되었으며, NEDC와 FADE 주행 사이클에서는 APS보다 높게 측정되었다. QCM은 FADE 주행 사이클에서만 APS보다 높게 측정되었으며, 다른 주행 사이클에서는 APS의 절반 이하로 측정되었다. 중량법과 맞춰 보정한 WLTC 주행 사이클의 DustTrak 측정치를 기준으로 보면, APS는 과대 예측을 하며, QCM은 과소 예측된다고 나타난다. 하지만 주행 사이클이 달라지면 측정값이 APS, QCM과 상대적으로 달라졌으므로, DustTrak을 쓰기 위해서는 각 주행 사이클마다 다르게 보정을 해줘야 한다.

초미세입자를 대상으로 한 FMPS 측정 결과에서는 FADE에서 가장 높은 배출계수를 보여주었다. FADE에서는 브레이크 패드 온도가 135°C까지 올라간 반면, 다른 주행 사이클에서는 WLTC에서 80°C, NEDC에서 59°C, FTP에서 62°C 까지만 온도가 상승하였다. WLTC, NEDC, FTP 주행사이클에서는 패드 온도가 초미세입자를 생성할 수 있는 임계 온도보다 낮아서 초미세입자가 거의 생성되지 않았다. Hagen et al.¹³⁾도 160°C를 기준으로 그 이상 온도가 되어야 초미세입자가 발생하기 시작한다고 보고하였다. 기존 논문보다 본 연구의 동력계조건에서 초미세입자 발생 온도가 낮은 것은 온도를 측정한 위치가 다르거나, 사용한 패드의 종류가 다른 것이 원인으로 추측된다. WLTC, NEDC, FTP 주행 사이클에서 브레이크 당 5.6e+9에서 1.1e+10/km의 초미세입자 배출계수가 측정되었는데, 네 바퀴에서 배출되는 양을 고려하더라도 디젤 승용차의 Euro 6d 배출규제인 6e+11/km의 1/10이하 수준으로 평가된다. FADE 주행 사이클에서 발생한 초미세입자 개수 배출계수는 브레이크 당 6.7e+12/km로 단순 비교로 Euro6d 규제보다 10배 이상의 많은 입자들이 배출되었다. FADE는 일반적인 주행 사이클이 아닌 극한의 상황을 연출한 실험용 주행 사이클인 만큼 실제 차량의 초미세입자 배출 상황보다 과장된 면이 있지만 고속에서 급제동을 자주 사용하여 브레이크 디스크와 패드 온도가 급격하게 상승하면 브레이크에서도 초미세입자가 배기가스 이상으로 많이 배출될 수 있다는 것을 의미한다.

입자 개수 농도 입경 분포를 분석하면, 마이크론 크기의 BWPs는 WLTC, FADE 주행 사이클에서 많이 발생하였으며, 초미세입자는 FADE 주행 사이클에서 가장 많이 발생하였다. 제동이 작동하지 않는 구간에서는 FMPS의 개수농도가 전채널에서 0으로 측정되었다. 따라서 Fig. 8에 나타낸 초미세입자 분포는 온전히 브레이크 마모에서 기인한 값이라 할 수 있다. WLTC, NEDC, FTP처럼 일반적인 주행 사이클에서 BWPs는 10, 30, 100 nm 등의 입경에서 최빈값이 나타났고 100~300 nm 크기에서는 주행 사이클 별로 입자 개수농도 차이가 발생하였다. FTP 주행 사이클이 100~300 nm 크기의 입자 개수 농도가 가장 낮았으며, NEDC, WLTC, FADE 주행 사이클 순으로 100~300 nm 입경의 입자 개수 농도가 증가하였다. Fig. 7에 나타난 FADE 주행 사이클의 4번째 제동처럼 브레이크 패드 온도가 90°C 이상 올라갔을 때 10~100 nm 입경을 가지는 BWPs가 다량 발생하기 시작하였다. 개수농도가 높은 10~100 nm 크기의 입자는 온도상승에 의한 유기화합물의 휘발-응축으로 생성된 것으로 판단된다.¹⁵⁾ Fig. 9에 나타난 바와 같이 첫 제동에서는 1 μm 크기의 입자가 기계적 마모 현상으로 인하여 다량 발생하였다. 이어서 200 nm 입자가 발생하다가 몇 초 후 100 nm 이하의 입자가 급격히 많이 발생하기 시작했다. 입자의 최빈값 크기는 생성 초기에는 10 nm였으나 시간이 지나면서 20 nm까지 커지면서 응축되는 것이 확인되었다. 정리하면 기계적 마모로 인한 마이크론 크기의 입자는 제동과 동시에 발생하며, 200 nm 크기의 입자는 마이크론 입자 생성이 끝나면 발생한다. 또한, 100 nm 이하 크기의 초미세입자는 제동에 의해 패드의 온도가 임계 온도 이상으로 상승되면 발생한다. Fig. 8에 나타난 것처럼 브레이크 패드 온도가 높지 않았던 WLTC, FTP, NEDC 주행 사이클에서도 100 nm 이하 입자가 발생하는 점으로 미루어 보아 일부는 기계적 마찰로 발생하는 것으로 추정된다. 이 세 주행 사이클에서 발생한 100 nm 이하 입자들은 기계적 마모로 발생한 큰 입자에서 떨어져 나온 작은 입자들로 추측된다. 이에 대한 근거로는 Fig. 10에 나타나듯이 WLTC 주행 사이클에서 나타난 100 nm 이하 입자는 발생 시기가 200 nm 입자 발생시기와 일치하기 때문이다.

Fig. 8 
BWPs distribution of WLTC, FTP, NEDC and FADE measured by APS and FMPS

Fig. 9 
Variation of particle number distribution for FADE driving cycle measured by APS and FMPS

Fig. 10 
Variation of particle number distribution for WLTC driving cycle measured by APS and FMPS

Fig. 11과 같이 입자 무게농도 분포는 2 μm를 최빈값으로 가지는 Mono-modal 분포를 보여주었다. 단, 초미세입자가 대량으로 발생하는 FADE 주행 사이클에서는 300 nm 영역에서도 무게농도로 최빈값이 추가로 나타났다. APS, FMPS와 QCM의 측정값을 비교하면 1 μm 이하에서는 무게농도 측정 값이 일치하였다. 하지만 1~2.5 μm 입경 크기에서는 주행 사이클에 따라 QCM과 APS간에 분포차이가 나타났다. 브레이크 마모 미세먼지 발생량이 상대적으로 적은 FTP 주행 사이클과 NEDC 주행사이클에서는 QCM의 0.7~1 μm 크기의 무게농도가 1~2.5 μm보다 높았던 반면, WLTC와 FADE 주행 사이클에서는 1~2.5 μm 크기의 무게농도가 가장 높았다. 반면 APS의 입경분포는 모두 동일하게 2 μm 근처로 나타났다. 제동으로 발생하는 마모 미세먼지 농도 수준에 따라 QCM과 APS의 측정값이 달라지는 것은 BWPs의 특성이 서로 다른 주행 사이클에서 항상 일정하지 않음을 의미한다.

Fig. 11 
BWPs mass concentration distribution for (a) WLTC, (b) FTP, (c) NEDC, and (d) FADE

BWPs를 신뢰성 높게 측정하기 위해서 브레이크 동력계와 입자 샘플링 라인을 설계하고 네 종류의 주행 사이클 마다 차이점을 분석해 보았다. 본 연구에서 구축한 BWPs 측정용 동력계로 브레이크 마모 미세먼지의 수농도와 무게농도, 입경분포, 브레이크 패드 및 디스크의 온도를 측정할 수 있다. 샘플링 라인은 각 측정기기의 샘플링 유량에 따라 입자의 등속 흡인, 이송 손실을 고려하여 설계되었다. 브레이크 디스크와 패드를 감싸는 챔버로 공급되는 공기는 HEPA 필터를 통과하였으므로 순수하게 브레이크 마모 입자만 측정할 수 있었다.

배출계수는 주행 사이클 마다 차이가 컸으며, APS 기준으로 WLTC, NEDC, FTP 순으로 평균 PM₁₀ 배출계수가 브레이크 당 1.52, 0.82, 0.56 mg/km로 높게 나타났다. 하지만 같은 주행 사이클을 세번 반복하였을 때 첫 번째 사이클에 비해 세 번째 사이클에서 배출량이 절반 이하로 감소하였다. 그러므로 실험을 더 반복 진행했다면 PM₁₀ 배출계수가 더 감소할 것으로 예측되었다. 브레이크 디스크와 패드 온도가 각 주행사이클에서 최대 80 °C까지만 상승하였으므로 초미세입자 개수 농도는 매우 적은 양만 배출되었다. 하지만 브레이크 디스크와 패드 온도를 135 °C까지 상승시킨 FADE 주행사이클에서는 나노 입자 개수 농도가 브레이크 당 6.7e+12/km로 매우 많은 양이 배출되었으며, 주행 습관에 따라 초미세입자가 브레이크에서도 배기가스 수준 이상으로 배출될 수 있다는 것을 보여주었다.

초미세입자와 미세입자의 발생 시점은 제동 시간에 따라 차이가 있었다. 마이크론 크기의 입자는 기계적인 마모로 발생하기 때문에 제동시작과 동시에 발생하며, 그보다 작은 200 nm 입자는 마이크론 입자의 발생이 끝날 때 발생한다. 100 nm 이하의 초미세입자도 소량이 200 nm 입자가 생성될 때 같이 생성되었다. 100 nm 이하 입자 중에서 증발에 의해 발생한다고 추측되는 입자는 제동이 끝나고 브레이크 패드와 디스크의 온도 상승이 시작되면서 발생하였다. 10 nm 입자가 패드 내의 유기화합물의 휘발로 인하여 가장 먼저 발생하였고 20 nm까지 응축으로 성장하였다.

입자 무게농도 분포는 2 μm를 최빈값으로 가지는 mono-modal 분포였으며, QCM과 APS의 측정값이 1 μm 이하에서는 일치하였으나 주행 사이클에 따라 1-2.5 μm에서 차이가 있었다. 주행 사이클에 따라 QCM과 APS의 측정 분포가 달라지는 것은 브레이크 마모 미세먼지의 특성이 주행 사이클마다 다르기 때문이라고 추측된다. 이렇듯 현존하는 주행 사이클 마다 발생되는 브레이크 마모 미세먼지의 특성이 달라지기 때문에 브레이크 마모 미세먼지에 대한 배출계수 구축보다는 브레이크 마모 미세먼지를 정확하게 측정하기 위한 발생 사이클 및 측정방법이 먼저 정립되어야 한다.