1. 서 론
1)
지하철 시스템은 대도시에서 교통체증을 줄일 수 있는 수단으로써 각광받고 있다. 하루에도 수백만의 사람들이 지하철을 이용하여 출퇴근하고, 일상생활 에서 목적지로의 이동 수단으로 이용한다. 지하철은 전기를 이용하여 작동하기 때문에 일반적으로 친환 경적이라고 여겨졌다. 하지만, 최근 미세먼지가 사회 적으로 큰 이슈가 되면서 지하철 시스템의 공기 질에 도 큰 관심이 쏠리고 있다.
지하철은 지상의 도로시스템과 달리 밀폐된 공간 을 철도 차량이 이동하는 시스템이다. 따라서 발생 또 는 지상으로부터 유입되는 미세먼지는 터널에 갇히 게 되고 이는 높은 미세먼지 농도로 이어진다. 문헌 들[1-12]에 따르면 지하철 시스템의 미세먼지 농도
저자(E-mail: [email protected])
는 지상보다 아주 많이 높다. 이렇게 터널에 갇힌 미 세먼지는 지하철 차량 이동시 열차 풍(train induced airflow)에 의한 피스톤 효과(piston effect)로 지하 철 역사로 이동되어 역사의 공기를 오염시킨다[13].
또한, 미세먼지는 차량의 공조 시스템을 통해 객차로 유입되어 차량 내부도 오염시킨다. 미세먼지는 어떤 형태로든 인체에 유해하다는 것은 잘 알려져 있다 [14]. 따라서 지하철 이용객들은 이러한 미세먼지로 오염된 환경에 놓이게 되고 건강의 위협을 받고 있는 상황이다. 이러한 이유로 지하철 시스템의 공기 질 향상을 위한 다양한 연구가 진행 중이다. 본 서지에 서는 지하철 미세먼지에 대한 이해를 돕기 위해 지하 철 미세먼지의 대부분을 차지하고 있는 미세마모입 자(airborne wear particle)에 대한 기본 정보를 제공 하고, 지하철 미세마모입자 발생의 주된 원인 중 하 나인 휠-레일 접촉에서 발생하는 미세마모입자에 관
지하철 실내 공기 질 개선을 위한 철도차량 휠-레일 접촉 미세마모입자 발생 연구 소개
이 현 욱†
한국철도기술연구원 교통환경연구팀
Introduction of Study on the Airborne wear Particles Generated from Wheel-rail Contacts to Improve the Air Quality of the Subway System
HyunWook Lee†
Transportation Environmental Research Team, Korea Railroad Research Institute, 176 Cheoldobangmulgwan-ro, Uiwang-si, Gyeonggi-do 16105, Republic of Korea
Abstract: 최근 미세먼지가 사회적 이슈가 됨에 따라 지하철 시스템의 공기 질에도 많은 관심이 쏠리고 있다. 지하철 미세먼 지는 지상과 달리 폐쇄적인 환경이라는 특징이 있는데, 이로 인해 발생 및 유입된 미세먼지는 지하철 시스템에 축적된다.
지하철 미세먼지의 대부분을 차지하는 미세마모입자들은 철 성분을 주축으로 다양한 중금속 성분을 포함하므로 인체에 해롭 다. 본 기고문에서는 이러한 지하철 미세먼지 및 미세마모입자에 대한 기본 지식과 미세마모입자의 주된 발생원인 휠-레일 접촉 미세먼지발생 연구에 대해 소개하고자 한다. 연구 결과들은 지하철 공기 질 향상을 위해 미세마모입자 발생 저감에 기여할 것으로 기대된다.
Keywords: wheel-rail contacts, airborne wear particles, subway system, air quality, slip
이 발생하는 부분에서의 마찰에 의해 발생한다. 지하 철 차량은 대부분 전기를 이용하여 운용(operation) 되므로 지하철 미세먼지의 대부분은 비 배기 미세먼 지가 차지한다. 비 배기에 의해 발생하는 미세먼지의 발생원은 크게 전차선 접촉(catenary system contact), 브레이크 디스크-패드 접촉(brake disk-pad contact), 휠-레일 접촉(wheel-rail contact)이 있다.
2.1. 미세먼지 분류
미세먼지는 일반적으로 질량 농도(mass concen- tration)를 이용해서 나타내는데 이를 PM (particulate matter)으로 표시한다. 미세먼지는 공기중력학적 직 경(aerodynamic diameter, AD)을 활용하여 다양하 게 분류할 수 있다. 자주 사용하는 분류에 대한 예시 는 다음과 같다.
ㆍPM2.5: AD가 2.5 μm 이하인 입자들의 질량 농도 ㆍPM10: AD가 10 μm 이하인 입자들의 질량 농도 ㆍ초미세먼지(ultrafine particles) (PM0.1): AD가 0.1
μm 이하인 입자들의 질량 농도
ㆍ미세먼지(fine particle) (PM(0.1-2.5)): AD가 0.1~
2.5 μm인 입자들의 질량 농도
ㆍ조대먼지(coarse particle) (PM(2.5-10)): AD가 2.5~
10 μm인 입자들의 질량 농도
미세먼지 연구에 있어서 미세먼지 분류는 일반적 으로 초미세먼지, 미세먼지, 조대먼지로 나뉜다. 이 세 가지 분류는 AD를 기반으로 하지만, 기준은 명확 히 정해져 있지는 않다. 환경분야의 연구에서는 위에 예시로 언급한 분류를 주로 활용하지만, 마찰학 (tribology) 또는 마모(wear) 분야 연구에서는 미세 먼지를 PM(0.1-1.0)로, 조대먼지를 PM(1.0-10)로 분류하
질량 농도에서 차지하는 비중은 아주 낮다. 반면에 조대먼지는 발생수량은 상대적으로 아주 적지만 질 량 농도에서 차지하는 비중은 아주 높다. 따라서 초 미세먼지 및 미세먼지에 중점을 맞춰 연구하기 위해 서 수농도(number concentration)를 활용한다.
2.2. 나노 마모 입자 발생 메커니즘
나노 마모 입자의 발생 메커니즘은 마이크로 마모 입자의 발생 메커니즘과 달리 열이 중요한 역할을 한 다. 나노 마모 입자 발생 메커니즘의 예가 Figure 1 에 나타나 있다. 두 마찰(friction) 면에서 슬립(slip) 이 발생하면 기계적 마모 프로세스에 의해 구의 형태 가 아닌 다양한 형태의 수백 나노미터 크기의 나노 마모 입자들이 발생한다. 슬립의 크기가 증가함에 따 라 접촉면에서의 마찰열도 같이 증가하게 되고, 특정 온도를 넘어서게 되면 연소(combustion) 작용 등에 의해 재료의 증발(evaporation)이 발생한다. 발생된 증기(vapor)는 마찰 면을 이탈하여 공기와 만나면서 빠르게 온도가 떨어지며 핵 생성(nucleation)의 과정 을 거쳐 구 형태의 수 나노 크기의 나노 입자들을 형 성한다. 이렇게 생성된 나노 입자들의 농도가 높아지 게 되면 이 입자들은 응집(coagulation)하여 응집체 (agglomerate)들을 형성하거나 기존에 발생한 큰 나 노 마모 입자의 표면에 응축(condensation)하여 더 큰 나노 마모 입자를 만들게 된다. 이러한 과정을 통해 다양한 크기의 나노 마모 입자가 생성된다. 참고로 접촉면의 마찰열은 수 백도까지 올라가기도 하고, 조 도(asperity) 레벨에서 발생하는 플래쉬 온도(flash temperature)는 900 ℃ 정도까지 올라가기도 한다[17].
2.3. 지하철 미세먼지의 성분
지하철 미세먼지의 대부분은 마찰에 의해 발생한 마모입자들이다. 마찰하는 물체들의 재료를 구성하 는 화학적 성분과 접촉 조건에 따라 다양한 크기 및 화학적 성분을 가지는 미세마모입자들이 발생한다.
앞에서 언급했듯이 미세마모입자의 발생원은 크게 전차선 접촉(catenary system contact), 브레이크 디 스크-패드 접촉(brake disk-pad contact), 휠-레일 접 촉(wheel-rail contact)이 있다. 전차선은 대부분 구 리(Cu)로 만들어져 있다. 브레이크 시스템과 휠 및 레일은 일반적으로 스틸(steel) 재질로 만들어져 있으 므로 철(Fe) 성분이 풍부하다. 뿐만 아니라 니켈(Ni), 망간(Mn), 아연(Zn) 등 다양한 중금속들을 포함하고 있다. 지하철 터널에서 포집한 미세먼지를 성분 분석
해보면 철 성분이 가장 많이 포함되어 있다(Figure 2).
이러한 결과는 터널뿐만 아니라 지하철 역사에서도 마찬가지이다. 많은 연구들이 대도시 지하철 시스템 에서 미세먼지를 측정 및 분석하였고, 비슷한 결과를 보고하였다[19-21]. 이러한 결과를 비추어 보면, 지하 철 미세마모입자 생성의 가장 주된 원인은 휠-레일 접 촉 및 브레이크 시스템 접촉임을 유추할 수 있다[22].
그리고 미세마모입자의 구리 성분은 전차선 접촉에 서 발생하는 것을 유추할 수 있다.
2.4. 미세마모입자의 인체 유해성
지하철 미세마모입자들은 주로 중금속으로 이루어 져 있다. 그리고 미세 또는 초미세 입자들은 아주 쉽 게 호흡을 통해 인체에 유입되고 입자 크기에 따라
*출처: Environ. Sci. Technol., 50, 3453-3461 (2016).
Figure 1. Generation mechanism of airborne nano-sized wear particles.
*출처: Int. J. Environ. Res. Public Health, 15, 2534 (2018).
Figure 2. Mass concentrations of inorganic components in PM at subway tunnel.
에 비해 폐 세포에 더 유전자독성(genotoxic)적이 고 더 많은 산화스트레스(oxidative stress)를 야기 할 수 있음[25].
ㆍ지하철 미세마모입자는 세포독성(cytotoxic)을 가 지고 있고, 염증을 유발시킬 수 있음[24,26].
위의 예시 외에도 미세마모입자의 인체 유해성에 관한 다양한 연구가 진행 중에 있다. 미세마모입자의 입자 크기와 성분을 고려해볼 때 인체에 침투하였을 때 어떠한 형태로든 유해한 영향을 줄 수 있는 가능 성을 내포하므로 가능한 미세마모입자에 대한 노출 을 줄이는 것이 건강에 도움이 될 것이다.
3. 휠-레일 접촉 미세마모발생 연구
철도 차량은 휠과 레일 사이의 접촉면에서 발생하 는 점착력(adhesion force)을 이용하여 트랙션(trac- tion)을 발생시켜 앞으로 나아간다. 휠은 작은 기울 기(약 5°)를 가지는 프로파일을 가지고 있고, 레일의 헤드(head)는 곡선의 프로파일을 가지므로 수 mm 정도로 작은 타원형의 접촉면이 발생한다. 좌우의 휠 은 하나의 축을 통해 연결되어 있으므로 같은 속도로 회전한다. 하지만, 기울어져 있는 휠 프로파일로 인 해 좌우 휠 의 접촉점까지의 반경은 달라진다. 이로 인해 좌우 휠의 선속도(circumferential velocity) 차 이가 생기고 이는 접촉면에서 슬립을 발생시킨다. 슬 립은 두 접촉면 사이의 속도 차이에 의해 생겨나는 물리적 현상이다. 회전하는 물체는 접촉 생태에 따라 순수 구름 접촉(pure rolling contact), 구름/미끄럼 접 촉(rolling/sliding contact), 순수 미끄럼 접촉(pure
*출처: Handbook of Railway Vehicle Dynamics, CRC Press (2006) Figure 3. Relationship between coefficient of adhesion and slip rate.
sliding contact)을 하는 구간으로 나뉜다. 순수 구름 접촉에서는 슬립이 발생하지 않고, 구름/미끄럼 접촉 에서는 접촉면의 일부분에서만 슬립이 발생하며, 순 수 미끄럼 접촉에서는 접촉면 전체에서 슬립이 발생 한다(Figure 3). 실제 차량 운행 중에 순수 구름 접촉 은 거의 발생하지 않는다. 순수 미끄럼 접촉은 일반 적으로 브레이크 작동 시 및 급 곡선 주행 시 발생한 다. 이 외에는 대부분 휠과 레일 사이의 접촉면은 구 름/미끄럼 접촉 구간에 놓이게 된다. 여기서 중요한 것은 철도 차량이 운행하는 동안에는 접촉면에서 끊 임없이 슬립이 발생한다는 것이다. 앞에서 언급했듯 이 미세마모입자는 기계적 프로세스와 열 또는 화학 적 프로세스에 의해 발생한다. 슬립이 발생하면 기계 적 마모 프로세스가 발생하고, 슬립에 의한 마찰열이 증가함에 따라 열 또는 화학적 프로세스가 동반된다.
여기서 간단히 설명한 이론은 휠-레일 접촉에서의 미 세마모입자 발생을 이해하는데 아주 중요한 역할을 한다.
3.1. 차량을 이용한 실험
위에서 언급했듯이 지하철 시스템에 존재하는 미 세먼지의 발생원을 터널 미세먼지 포집 및 입자 분석
을 통해 추정할 수 있다. 하지만 지하철 시스템의 미 세먼지는 지하철 차량뿐만 아니라 환기 시스템을 통 해 외부의 미세먼지가 유입되기도 한다. 따라서 위에 서 추정한 미세마모입자 발생원을 확인하기 위해 드 물지만 실제 지하철 차량을 이용하여 실험을 진행하 기도 한다. 전차선 접촉에서 발생하는 미세마모입자 측정은 안전 문제 때문에 차량을 이용하여 실제 주행 중 실험을 하지는 않는다. 그러나 휠-레일 접촉[27]
과 브레이크 디스크-패드[28]에서의 미세마모입자 발생을 차량 운행 시 측정한 예는 드물지만 있다.
Figures 4와 5는 차량 주행 중 미세마모입자를 측정 한 예시들을 나타낸다. 차량 운행 중 순수하게 발생 한 미세마모입자를 측정하기 위해서는 이미 발생되 어 있는 미세마모입자들의 영향을 제거하여야 한다. 따라서 일반적으로 차량 창문을 통해 터널 중간쯤에 위치하고 있는 미세마모입자의 농도를 측정하여 휠-
레일 접촉면 또는 브레이크 디스크-패드 접촉면에서 측정된 미세마모입자의 농도에서 빼준다. 물론, 여기 에는 다양한 환경 변수가 많이 고려되어야 하지만, 이를 통해 최소한 발생 여부는 판단할 수 있다. 실험 결과에 따르면 기계 제동 시 브레이크 시스템에서 미 세마모입자가 측정되었고, 전기 제동 시에는 측정되 지 않았다[28]. 반면에, 전기 제동 시에는 휠-레일 접 촉에서 다량의 미세마모입자들이 발생하였다[27].
실제 지하철 차량 주행 중 대부분은 전기 제동을 이 용하여 열차의 속도를 제어한다. 따라서 터널 미세마 모입자의 많은 부분이 브레이크 디스크-패드 접촉면 에서가 아닌 휠-레일 접촉에서 발생함을 유추할 수 있다. 문헌[27]에는 특이한 결과를 보고하였는데, 제 동 시 미세마모입자 발생이 제동을 건 시점으로부터 약 7초 후에 나타난다는 것이다(Figure 6). 아직 이 러한 현상이 나타나는 이유는 알 수 없지만, 만약 이
*출처: Aerosol and Air Quality Research, 18, 2230-2239 (2018).
Figure 4. Side view of the sampling point (A: tunnel, B: under train).
*출처: Wear, 273, 93-99 (2011).
Figure 5. Two sampling points, brake pad sampling point (right) and global sampling point (left).
결과가 일반적인 현상이라면 이는 아마도 제동 작동 후 휠-레일 접촉에서 순수 미끄럼 접촉이 발생하는 슬 립율에 도달하는 시간이 약 7초 정도가 아닌가 추측 된다. 여기서, 슬립율은 휠과 레일 사이의 속도 차이 를 차량의 속도로 나눈 값의 백분율로 정의된다. 이 러한 추측의 이유는 3.2 시험기를 활용한 실험에 설 명되어 있다.
3.2. 시험기를 활용한 실험
차량을 이용한 실험은 비용 및 안전의 문제 때문 에 실험이 용이하지 않다. 뿐만 아니라, 시험 조건 제 어도 어렵다. 그리고 지하철 터널 자체가 이미 오염 되어 있기 때문에 측정한 데이터는 다양한 불확실성 (uncertainty)을 내포하고 있다. 이러한 이유로 차량 을 이용한 실험의 결과는 미세마모입자 발생 현상 파 악 및 발생원 추정 정도로만 활용할 수 있다. 실제 휠 -레일 접촉면에서 미세마모입자가 발생하는지를 확 인하려면 가장 좋은 방법은 모사시험기를 활용하는 것이다. 발생 확인뿐만 아니라 발생 조건 및 발생에 영향을 미치는 인자(factor)들을 확인하기 위해서는
시험기를 활용한 시험이 반드시 필요하다. 위에서 언 급했듯이 실제 터널에서 시험을 하게 되면 시험 및 환경 조건들을 제어(control)하기가 어렵다. 그리고 측정된 데이터에 어떤 인자들이 영향을 미쳤는지 확 인 불가능하다.
미세마모관련 연구의 궁극적인 목적인 미세마모입 자 저감을 위해서는 반드시 이러한 조건 및 영향 인 자들의 확인이 필요하다. 이를 알아야 저감 방법을 모색할 수 있기 때문이다. 휠-레일 접촉에서 발생하 는 미세마모입자를 연구하기 위해서는 순수 구름접 촉부터 순수 미끄럼 접촉까지 모두 시험할 수 있는 시험기가 필요한데 국내에는 관련 시험기가 한국철 도기술연구원 밖에 없다. Figure 7은 한국철도기술 연구원에서 보유 중인 대형 휠-레일 접촉 시험기이 다. 여기서 두개의 디스크는 각각 휠과 레일을 모사 한다. 그리고 두 디스크의 회전 속도에 차이를 둬서 슬립을 발생시킨다.
기본적으로 미세마모입자 발생 또한 마모의 한 가 지이므로 마찰학(tribology)적 접근을 통해 연구를 진행한다. 일반적으로 마모에 영향을 미치는 가장 기
*출처: Aerosol and Air Quality Research, 18, 2230-2239 (2018).
Figure 6. Total concentration in the subway tunnel and under the train in each case.
*출처: Veh. Syst. Dyn., 58, 590-603 (2020).
Figure 7. Twin-disc rig.
*출처: Wear, 426-427, 1797-1806 (2019)
Figure 8. Typical airborne wear particle number concen- tration for (a) nanoparticles and (b) microparticles under three different normal loads as a function of slip rate.
본적인 마찰학적 파라미터들은 속도와 하중이다. 현 재 관련 휠-레일 접촉 미세마모입자 발생 연구는 아 주 기초단계로 속도와 하중의 영향에 대한 실험 및 분석이 진행 중이고, 결과들을 논문으로 보고중이다 [30-33]. 실험 결과에 따르면 하중이 커질수록 미세 마모입자의 발생량도 많아진다(Figure 8)[31]. 그리
고 속도는 미세마모입자 발생에 아주 큰 영향을 미치 는 인자로 판명되었는데 발생량뿐만 아니라 발생 경 향에도 영향을 미친다(Figure 9)[30,32,33]. 특히 Figure 9는 아주 특이한 경향을 보여주고 있는데, 미 세마모입자 발생량이 낮은 속도 영역에서는 슬립율 이 증가할수록 지속적으로 증가하고, 상대적 고속 영 역에서는 약 슬립율 1%에서 피크가 나타나고 감소 하는 경향을 보인다. 슬립율 1%는 구름/미끄럼 접촉 영역에서 순수 미끄럼 접촉 영역으로의 변화 (transition)가 발생하는 지점이다. 이 결과를 활용하 면 차량 주행 시험 중 미세마모입자가 제동 후 약 7 초 뒤에 발생한 것을 유추해 볼 수 있다. 참고로, 미 세마모입자 측정에 사용되는 센서는 1초에 한 번씩 농도를 측정한다. 연구 결과 초미세마모입자 보다는 미세마모입자가 더 많이 발생하고 피크가 나타나는 입자 크기는 대략 170 nm 정도의 입자 크기 영역이 다. 이는 차량을 이용한 시험 결과[27]와도 잘 부합 하는 결과이다. Figure 10은 속도에 따른 입자 사이 즈별 수농도를 표시한 예이다. 시험 결과에 따르면 초미세, 미세, 조대입자 모두 슬립이 발생하는 모든 슬립율 영역에서 발생하였다(Figure 9). 위에서 언급 했듯이 차량 운행 시 휠과 레일 사이에서 슬립은 항 상 발생한다. 따라서 발생량이 적을 수는 있지만 차 량이 주행 중에는 항상 미세마모입자를 발생시킨다 는 것을 알 수 있다.
4. 결 론
본 서지에서는 지하철 시스템 미세먼지에 대한 이 해를 돕기 위해 기본적인 미세먼지 및 미세마모입자 관련 지식을 소개하였다. 그리고 지하철 미세마모입 자의 가장 큰 원인이라고 판단되는 휠-레일 접촉에서 의 미세마모입자 관련 연구 및 연구 결과를 소개하였 다. 지하철은 친환경 적이기도 하지만 인체에 유해한 미세마모입자들을 주행 중 끊임없이 발생시킨다. 따 라서 지하철 시스템의 공기 질은 현재로는 좋을 수가 없다. 현재 많이 진행 중인 미세먼지 모니터링 관련 연구도 많은 정보를 제공하지만 미세먼지 발생 자체 를 없앨 수 있는 정보는 제공할 수 없다. 지하철 시스
템의 미세먼지를 줄이기 위해서는 미세마모입자 발 생 자체를 줄이는 것이 가장 효과적일 것이다. 앞으 로 미세마모입자를 저감할 수 있는 다양한 연구가 진 행될 것이다. 그리고 이러한 연구는 지하철 공기 질 향상에 큰 기여를 할 것이라 믿는다.
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이 현 욱
1996~2003 인하대학교 기계공학과 학사 2003~2007 Virginia Polytechnic Institute
and State Univ. (USA) Biomedical Engineering, M.S.
2007~2010 Virginia Polytechnic Institute and State Univ. (USA) Mechanical Engineering, Ph.D.
2010~2014 삼성전자 생산기술연구소 책임연구원
2014 한국철도기술연구원
교통환경연구팀 선임연구원
