1. 서 론

지하철 터널 등은 미세먼지로 심하게 오염되어 있 는데, 이들 미세먼지의 대부분은 지하철 차량 운행 시 휠-레일 접촉 및 브레이크 디스크-패드 접촉 등의 접 촉면에서 발생하는 미세마모 입자(airborne wear particles)들이다. 발생한 미세마모 입자들은 지하철 차 량 이동 시 피스톤 효과(piston effect) (Pan et al., 2013) 로 인해 터널에서 터널로, 터널에서 역으로 이동하면 서 전체 지하철 시스템의 공기 질을 악화시킨다. 미 세마모 입자들은 철, 구리, 망간(Dockery et al., 1993;Karlsson et al., 2005;Pope III et al., 1995) 등 다양한 중금속 성분들을 포함하고 있는데, 이들은 흡입 시 인 체에 해로운 영향(Bigert et al., 2008;Karlsson et al., 2005;Karlsson et al., 2006)을 줄 수 있다. 따라서, 이러 한 미세마모 입자 발생을 줄이는 것은 지하철 시스템 의 공기 질 향상과 이를 통한 승객들의 건강을 지키 기 위해 매우 중요하다.

움직이는 두 물체의 접촉면에서 속도 차이가 발생 하면 접촉면에서 슬립(slip)이 발생한다. 이때 슬립은 마찰력을 발생시키고, 이는 기계적 마모(mechanical wear) 발생과 접촉 온도 상승으로 이어진다. 접촉 온 도는 슬립이 클수록(Fischer et al., 2003), 그리고 속도 가 빠를수록(Fischer et al., 2003;Vo et al., 2014) 더 높 아진다. Zimmer and Maynard (2002)에 따르면, 입자 지름이 1 μm보다 큰 마이크로 입자는 주로 기계적 마 모 프로세스에 의해, 그리고 입자 지름이 1 μm보다 작 은 나노 입자는 주로 열적 마모(thermal wear) 프로세 스에 의해 발생한다. 차량 주행 중 휠-레일 접촉면에 서는 끊임없이 슬립이 발생하고 이로 인해 미세마모 입자 또한 지속해서 발생한다(Lee et al., 2018a;Lee, 2019, Lee, 2020a). 제동 시 기계 제동(mechanical braking) 을 작동시키면 브레이크-패드 및 휠-레일 접촉 모두 에서 미세마모 입자가 발생하지만, 전기 제동(electrical braking)만 작동시키면 휠-레일 접촉에서만 미세마모 입자가 발생한다(Abbasi et al., 2012;Lee et al., 2018b). 최근 유지 보수 비용 감소를 위해 제동 시 회생 제동 을 먼저 작동시켜 속도를 20 km/h대로 낮춘 후 최종 정지를 위해 기계 제동을 작동시키고 있다. 이는 휠- 레일 접촉에서 발생하는 미세마모 입자가 지하철 시 스템 공기 질 악화의 가장 주된 원인임을 알려준다.

대부분의 지하철 미세먼지 연구는 미세먼지 상태 모니터링 및 필터를 이용한 미세먼지 제거에 초점이 맞춰져 있다. 이런 연구들은 이미 발생한 미세먼지 감 소에 도움이 된다. 하지만, 궁극적인 지하철 시스템 미 세먼지 감소를 위해서는 휠-레일 접촉에서의 미세마 모 입자 발생량을 줄이는 것이 필수적이다. 이를 위 해 우선 발생 조건 및 발생 특성 등의 기초 연구가 필 요한데, 현재까지 관련 연구는 전 세계적으로 아주 드 물다. Abbassi et al. (2012) 및 Lee et al. (2018b)는 실 제 철도 차량을 이용하여 휠-레일 접촉에서의 미세마 모 입자 발생 현상을 확인하였다. Sundh et al. (2009) 및 Liu et al. (2016)는 pin-on-disk 실험기를 활용하여 순수 미끄럼 접촉(pure sliding contact)에서의 미세마 모 입자 발생 조건 및 발생 특성 연구를 수행하였다. 하지만, 현장 실험은 이미 존재하는 미세마모 입자들 과 발생한 미세마모 입자들의 구분이 어렵고, 발생 조 건 확인이 불가능한 문제가 있다. 그리고 pin-on-disk 실험기는 오직 순수 미끄럼 접촉 실험만 가능하므로 다양한 접촉 현상이 나타나는 휠-레일 접촉 현상을 제 대로 모사할 수 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위 해 Lee (Lee et al., 2018a;Lee, 2019;Lee, 2020a)는 실 제 차량의 휠-레일 접촉을 가장 잘 모사하는 것으로 인정받고 있는 twin-disk 실험기를 활용하여 미세마 모 입자 발생 기초 연구를 수행하였다. 언급한 연구 들은 모두 수 농도의 관점에서 연구를 수행했는데, 이 를 통해 건조한 레일 표면 조건에서 하중(normal load) (Lee, 2019;Lee, 2020b;Sundh et al., 2009), 상대 속도 (sliding velocity) (Liu et al., 2016), 슬립율(slip rate) (Lee et al., 2018a;Lee, 2019;Lee, 2020a), 열차 속도 (Lee et al., 2018a;Lee, 2020a)가 미세마모 입자 발생 특 성 및 발생량에 영향을 미침을 확인하였다.

미세마모 입자 발생 감소 방법에 관한 연구는 아주 드문데 이는 위에 언급했듯이 현재까지 미세마모 입 자 관련 연구는 대부분 발생 특성 및 조건 규명에 초 점이 맞춰져 있기 때문이다. 현재까지 휠-레일 접촉 미세마모 입자 발생 감소 방법 관련 연구는 Lee (Lee, 2020b;Lee, 2020c)의 연구가 유일한데, Lee는 물이 윤 활제로써 기계적 마모의 원인인 마찰력과 열적 마모 의 원인인 접촉 온도 모두를 낮춰 줄 수 있음에 착안 하여 미세마모 입자 발생 감소 효과를 twin-disk 실험 기를 활용하여 확인하였다. 이를 통해 Lee는 물 윤활 제(water lubricant)가 휠-레일 접촉에서 발생하는 다 양한 크기의 입자 발생량 저감에 효과가 있음을 수 농 도의 관점에서 확인하였다. 그러나, 아직 공기 질의 관 점에서 물 윤활제의 효과를 검증한 연구는 없다. 공 기 질의 일반적인 지표는 질량 농도인데, 질량 농도 는 입자 지름의 세 제곱에 비례하므로 작은 입자일수 록 발생 수량은 많지만 질량 농도에 대한 영향은 적 다. 그러므로, 물 윤활제가 공기 질 향상에 이바지할 수 있는지 확인하기 위해서는 질량 농도 관점에서의 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 twin-disk 실 험기를 활용하여 건조(dry) 및 살수(water-lubricated) 조건에서의 휠-레일 접촉 미세마모 입자 발생 모사 실 험을 수행하였고, 측정된 미세마모 입자의 질량 농도 를 비교하여 살수 방법의 공기 질 향상 효과를 확인 하였다.

2. 연구 방법

2.1 실험 구성

2.1.1 Twin-disk 실험기

본 연구에서는 twin-disk 실험기를 이용하여 선형 으로 연속적으로 변하는 슬립율에서 휠-레일 접촉 미 세마모 입자 발생 실험을 수행하였다(Fig. 1). 실험기 는 독립적 회전 속도 제어가 가능한 두 개의 350 kW AC 서보모터(servomtor)를 가지고 있다. 회전 속도를 측정할 수 있는 엔코더(Heidenhain, ERN 33.061-1024) 는 각 모터 안에 삽입되어 있고, 휠 축에는 하중을 측 정할 수 있는 로드셀(HBM, U10M 250)이 부착되어 있다.

2.1.2 디스크 시편

실험에 사용된 휠과 레일 시편은 300 mm의 지름을 가지는 디스크(disk)로써 실제 휠과 레일 제작에 사용 되는 고탄소강(SSW–Q1R)으로 만들어졌다. 실제 휠- 레일 접촉을 구현하기 위하여 휠 시편은 편평(flat)한 트레드(tread)를 가지도록, 그리고 레일 시편은 UIC60 헤드 프로파일(head profile) 모양을 가지도록 제작되 었다(Fig. 2). 두 시편의 초기 표면 조도(initial surface roughnss, Ra)는 휠 0.26 μm, 레일 0.24 μm였다. 시편 제 작에 사용된 재료의 화학적 조성(chemical composition) 및 경도는 Table 1에 나타나 있다.

2.1.3 입자 측정 센서 및 setup

공기 질은 일반적으로 질량 농도(W, 단위: μg/m³)로 나타낸다. 입자의 질량 농도는 입자 지름의 세제곱에 비례하기 때문에 나노 입자들이 질량 농도에서 차지 하는 비율은 마이크로 입자들과 비교해 아주 작다. Lee (2021)에 따르면 500 nm이하 입자들이 PM₁₀에서 차 지하는 비율은 무시할 만큼 작다. 또한, 본 실험에서 는 슬립율이 시간에 따라 변하는 동적 조건에서 미세 마모 입자를 측정하기 때문에 샘플링 속도(sampling rate)가 빠른 입자 측정기가 필요하다. 따라서, 샘플링 속도가 빠른 optical particle sizer (OPS, TSI 3091, USA)를 이용하여 지름이 0.3~10 μm인 입자들의 질량 농도를 최대 샘플링 속도인 1 Hz로 측정하였다. Fig. 1 에 나타난 것처럼 OPS에 연결된 프로브(probe)를 휠- 레일 접촉 바로 아래에 위치시켜 실험 중에 발생한 미 세마모 입자들의 질량 농도를 측정하였다. 일반적으 로, 측정된 입자에 포함된 수분의 영향을 배제하기 위 하여 확산 건조기(diffusion dryer)를 사용하여 수분을 제거하지만, 본 실험에서는 실제 터널 등에서 살수 방 법이 사용되었을 때 나타나는 미세마모 입자 발생 현 상을 확인하고자 확산 건조기를 사용하지 않았다.

2.2 시험 조건

지하철 차량은 일반적으로 70 km/h 대의 속도 영역 에서 주행한다. 따라서, 본 연구에서는 1300 rpm의 회 전 속도(상응하는 열차 속도 약 73 km/h)에서 0%에서 3%까지 선형으로 연속적으로 변하는 슬립율을 인가 하여 휠-레일 접촉에서 미세마모 입자를 발생시켰다. 인가된 슬립율 0%~3%는 휠-레일 접촉에서 발생하는 모든 접촉 현상, 즉 순수 구름 접촉(pure rolling contact), 구름/미끄럼 접촉(rolling/sliding contact), 순 수 미끄럼 접촉(pure sliding contact) 모두를 모사할 수 있는데, 이는 가속, 감속, 커브 주행 및 제동 등 차량 주행 중 나타나는 대부분의 휠-레일 접촉 동역학 현 상에 적용할 수 있다. 하중은 15 kN을 인가하였고, 이 는 최대 Hertzian 압력 약 1200MPa을 발생시킨다. 발 생한 압력은 새(new) 휠과 새 레일의 접촉 조건에 해 당한다. 휠-레일 접촉 표면 조건은 건조 및 살수 조건 을 실험하였다. 살수 조건을 만들기 위하여 수돗물을 활용하여 7 L/min의 물줄기를 실험 시작부터 끝날 때 까지 휠-레일 접촉에 뿌렸다. 본 연구에서 건조 조건 은 살수 조건이 미세마모 입자 발생 감소에 효과가 있 는지 확인하기 위한 비교 대상(reference)이다.

2.3 실험 순서

휠-레일 접촉 미세마모 입자 발생 실험은 다음의 순 서에 따라 진행하였다.

실험은 각 표면 조건에서 두 번씩 수행하였다. 슬립 율은 다음의 식(1)과 같이 정의된다.

여기서, RPM_wheel 및 RPM_rail는 각각 휠과 레일의 회전 속도를 의미한다.

2.4 데이터 분석

본 실험에서 관심 있는 영역은 슬립 영역이다. 따라 서, 실험 시작 전에 존재했던 미세먼지의 영향을 배 제하기 위하여, 배경 영역에서 15초 동안 측정한 질량 농도의 평균값을 계산하여 슬립 영역에서 측정된 각 입자 크기에서의 질량 농도에서 뺀 후, 각 입자 크기 에서의 질량 농도 평균값을 구했다. 이 평균값을 이 용하여 살수 방법의 미세마모 입자 발생 감소 효과를 확인하기 위하여 건조 및 살수 조건에서의 PM₁, PM_2.5, PM₁₀을 계산하였고, 각 입자 크기에서의 질량 농도를 비교하기 위하여 평균 입자 크기 분포(particle size distribution)를 계산하였다. 살수 조건의 미세마모 입 자 발생 감소 효과를 수치상으로 확인하기 위하여 건 조 조건에서 측정된 평균 PM 수치를 기준(reference) 으로 감소율을 아래 식(2)을 이용하여 계산하였다.

여기서, PM_dry 및 PM_{water-lubricated}은 건조 조건 및 살수 조 건에서 측정된 평균 PM 수치를 의미한다.

3. 결 과

Fig. 3은 건조 및 살수 조건에서의 평균 PM₁, PM_2.5, PM₁₀ 수치를 슬립율의 함수로 나타낸 결과이다. 건조 조건에서는 세 PM 모두 증가-감소 경향을 보였다. 세 PM 각각의 최댓값은 슬립율 1% 정도에서 나타났다. 살수 조건에서는 건조 조건과 달리, 세 PM 모두 슬립 율 발생과 동시에 증가했다가 약 0.25% 슬립율부터 거 의 일정하게 유지되었다.

슬립 영역에서 각 표면 조건마다 계산된 PM₁, PM_2.5, PM₁₀ 수치의 평균 및 표준편차를 Fig. 4에 나타내었다. 각 표면 조건에서의 표준편차는 모두 작게 나타났는 데, 특히 살수 조건에서의 표준편차는 아주 작았다. 건 조 조건과 달리 살수 조건에서는 PM₁, PM_2.5, PM₁₀ 평 균값 모두 거의 비슷하게 나타났다. 살수 조건에서의 PM₁ 평균값은 건조 조건과 비교해 52.8% 증가하였고, PM_2.5 및 PM₁₀의 평균값은 건조 조건과 비교해 각각 48.1, 78.5% 감소하였다.

Fig. 5는 각 표면 조건에서의 평균 입자 크기 분포를 보여준다. 그림에서 알 수 있듯이 건조 조건과 비교 해 살수 조건에서 측정된 입자들의 질량 농도가 대부 분 낮게 나타났다. 특히, 살수 조건에서 측정된 1 μm 보다 큰 입자들의 질량 농도는 건조 조건과 비교했을 때 무시할 수 있을 만큼 작은 수치를 보였다. 예외적 으로 약 0.9 μm 입자의 질량 농도는 건조 조건보다 훨 씬 크게 나타났다. 건조 조건에서는 약 0.5, 1, 2.5, 6 μm 에서 피크(peak)가 발생한 다중 모달(multi-modal) 현 상이 나타났고, 살수 조건에서는 약 0.9, 1.6 μm에서 피 크가 발생한 이중 모달(bi-modal) 현상이 나타났다.

1 μm 이하, 1 μm 초과 2.5 μm 이하, 2.5 μm 초과 10 μm 이하 입자 구간에서의 질량 농도 비율(proportion) 을 슬립율의 함수로 Fig. 6에 나타내었다. 여기서, 각 입자 구간의 질량 농도는 PM_0.3-1, PM_1-2.5, PM_2.5-10으로 표기하였다. 참고로, PM_0.3-1은 PM₁과 같다. Fig. 6가 보 여주듯이 두 표면 조건에서 확연히 다른 경향이 나타 났다. 건조 조건에서는 PM_0.3-1, PM_1-2.5, PM_2.5-10 모두 슬 립율 2% 정도까지 동적인 변화를 보이다가, 2% 이후 부터는 모두 거의 일정한 비율을 유지하였다. 살수 조 건에서는 이와 달리 PM_0.3-1, PM_1-2.5, PM_2.5-10 모두 슬립율 에 상관없이 거의 일정한 비율을 유지하였다. PM_0.3-1는 모든 슬립율에서 90% 이상의 비율을 보였다.

Table 2는 슬립 영역 전체에서 측정된 질량 농도에 서의 PM_0.3-1, PM_1-2.5, PM_2.5-10이 차지하는 비율을 보여 준다. 두 표면 조건에서 측정된 각 입자 구간이 차지 하는 질량 농도 비율은 아주 다른 결과를 보여주었다. 건조 조건에서는 1 μm 초과 입자가 약 87%로 질량 농 도 대부분을 차지했지만, 살수 조건에서는 이와 달리 PM_0.3-1가 약 95%로 대부분을 차지했다.

식(2)을 활용하여 슬립율 변화에 따른 PM_0.3-1, PM_1-2.5, PM_2.5-10의 감소율을 Fig. 7에 나타내었다. 참고로 음 (negative)의 감소율은 살수 조건에서의 PM 수치가 건조 조건에서의 PM 수치보다 더 높음을 의미한다. PM_0.3-1 의 경우 슬립율 전체에서 대부분 음의 감소율을 보였 다. 이와 달리, PM_1-2.5와 PM_2.5-10는 슬립율 전체에서 대 부분 75% 이상 양의 감소율을 보였는데, 특히 0.75% 이상 슬립율에서는 두 질량 농도 모두 95% 이상의 높 은 양의 감소율을 보였다. 슬립율 전체서의 평균 감 소율은 PM_0.3-1, PM_1-2.5, PM_2.5-10 각각 –52.8, 98.5, 98.9% 로 1 μm 이하 입자의 질량 농도는 증가하였고, 1 μm 초과 입자의 질량 농도는 매우 감소하였다.

4. 고 찰

본 연구에서는 휠-레일 접촉 미세마모 입자 발생 저 감 방법 연구를 위해 twin-disk 실험기를 활용하여 실 험실에서 모사 실험을 수행하였다. 미세마모 입자 발 생 감소를 위해서는 발생 조건, 환경 및 영향 인자 등 을 먼저 파악하는 것이 중요하다. 지하철 터널 등의 현장 실험에서는 실험 환경 및 조건 제어가 불가능하 다. 그리고, 차량 주행 중에 발생한 미세마모 입자 측 정 시 새롭게 발생한 미세마모 입자와 이미 존재하던 미세먼지의 구분, 발생 온도 및 슬립율 등의 발생 조 건 파악이 불가능하다. 이에 반해, 실험실 환경에서는 실험 조건 및 환경을 안정적으로 제어할 수 있을 뿐 만 아니라 이미 존재하는 배경 먼지들의 영향 또한 제 거할 수 있다. 따라서, 휠-레일 접촉 미세마모 입자 발 생에 대한 기초 연구를 위해서는 실험실 환경에서의 연구가 필요하다.

실험에 사용된 미세먼지 측정 센서인 OPS는 광산 란 방식(ligh scattered method)으로 입자를 측정하므 로 측정된 입자의 밀도 확인이 불가능해 질량 농도를 정확히 측정할 수 없다. 따라서, 본 실험에서 측정된 질량 농도는 해당 조건에서 발생한 질량 농도의 실제 값을 대변하지는 않는다. 하지만, 본 연구의 목적은 두 표면 조건에서 측정된 미세마모 입자 질량 농도의 상 대 비교를 통해 살수 방법의 미세마모 입자 발생 감 소 효과를 확인하는 것이다. 이를 위해서 본 실험에 서는 휠-레일 접촉 표면 조건을 제외한 다른 모든 실 험 조건을 공유하여 실험을 수행하였다. 따라서, 측정 된 질량 농도의 상대 비교를 통해 살수 방법의 효과 를 확인하는 것에는 문제가 없다. 또한, 120초 동안 시 간에 따라 동적으로 변하는 슬립율에서 미세마모 입 자 질량 농도를 측정을 위해서는 빠른 샘플링 속도가 중요한데 최대 1 Hz의 측정 속도를 가지는 OPS는 이 에 잘 부합한다.

건조 조건에서 PM₁, PM_2.5, PM₁₀이 구름/미끄럼 접 촉 영역에 해당하는 1% 슬립율까지 슬립율과 함께 증 가하는 경향이 나타났다(Fig. 3 (left)). Zimmer and Maynard (2002)에 따르면 나노 및 마이크로 입자들은 각각 주로 열적 및 기계적 마모 프로세스를 통해 발 생한다. 휠-레일 접촉면은 스틱(stick)-슬립(slip) 영역 으로 나뉘는데, 구름/미끄럼 접촉 구간에서는 슬립율 이 증가함에 따라 접촉면 전체가 슬립 영역이 될 때 까지(구름/미끄럼 접촉-순수 미끄럼 접촉 전환 (transition)) 스틱 영역이 줄어들고 슬립 영역이 증가 하게 된다. 슬립 영역 증가는 마찰력 증가로 이어져 기계적 마모를 증가시키고, 증가한 마찰력은 마찰열 증가 (Gallado-Hernandez et al., 2006)로 이어져 열적 마모를 증가시킨다. 따라서, 1%까지 슬립율 증가와 함 께 증가한 마찰력 및 마찰열이 구름/미끄럼 접촉 영 역에서의 PM₁, PM_2.5, PM₁₀ 증가에 큰 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.

일반적으로 건조 조건에서는 높은 슬립율에서 기 계적 및 열적 마모가 더 크게 나타난다. 하지만, Fig. 3 (left)는 이와 달리 슬립율 1% 이후부터 세 PM 수치 모 두 감소하는 경향을 보였다. Liu et al. (2016)는 건조 조 건의 높은 슬립에서 재료 표면에 산화층(oxidative layer) 이 발생하여 미세마모 입자 발생량이 줄어듦을 보고 하였다. 따라서, 본 연구에서 관찰된 슬립율 1% 이후 에서의 세 PM 수치 감소 현상 또한 휠-레일 시편의 접 촉 표면에 산화층이 발생하여 기계적 및 열적 마모를 줄여 주었을 가능성이 있다. 하지만, 현재 이를 검증 할 수 있는 부가적인 데이터가 부족하므로 이를 밝혀 줄 후속 연구가 필요하다.

Fig. 3 (left)를 보면, 건조 조건에서 슬립이 발생함과 동시에 1 μm 초과 및 이하 입자 모두가 발생함을 알 수 있다. 지하철 차량의 휠은 원뿔 모양(conical shape) 이다. 따라서, 차량 주행 중 좌우 휠에서는 레일과의 속도 차이가 발생하여 끊임없이 슬립이 발생한다. 위 에서 언급했듯이 슬립이 발생하면 접촉면에 슬립 영 역이 발생하여 마찰력 및 마찰열을 발생시키고, 결과 적으로 나노 및 마이크로 마모 입자를 발생시킨다. 특 히 주목할 점은 73 km/h에서 발생한 아주 낮은 슬립 율에서도 나노 입자가 발생했다는 것이다. 이는 지하 철 차량이 운행하는 동안 휠-레일 접촉에서 10 μm 이 하 미세마모 입자들이 끊임없이 발생하여 공기 질을 지속해서 악화시키고 있음을 알려준다.

건조 조건의 휠-레일 접촉에서 발생하는 1 μm 초과 입자들은 1 μm 이하 입자들보다 월등히 적은 수 농도 (number concentration)를 보인다(Lee et al., 2018a;Lee, 2019;Lee, 2020a). 하지만, 질량 농도의 경우 본 연 구 결과처럼 더 큰 입자를 포함할수록 훨씬 큰 질량 농도 값을 보이는데 이는 질량 농도가 입자 지름의 세 제곱에 비례하기 때문이다. Table 2를 보면 슬립 영역 전체에서 발생한 입자의 질량 농도 중 1 μm 이하 입 자들이 차지하는 비율은 약 13%, 1 μm 초과 입자들은 약 87%를 차지하였다. 따라서, 1 μm 초과 입자들의 발 생량을 줄일 수 있다면 PM_2.5 및 PM₁₀ 수치를 크게 낮 출 수 있을 것이다.

본 연구에서는 지하철 공기 질 향상을 위한 수단으 로 살수 방법을 실험해 보았다. 실험 결과 살수 방법 은 PM₁, PM_2.5, PM₁₀ 모두의 발생 특성을 변화시켰다. 세 PM 수치 모두 건조 조건과 달리 슬립 영역 전체에 서 거의 일정하게 유지되는 경향을 보였는데(Fig. 3 (right)), 이는 PM₁이 차지하는 비율이 슬립율과 상관 없이 90% 이상일뿐만 아니라(Fig. 6 (right)) 1 μm 초과 입자들의 발생량이 무시할 수 있을 만큼 줄었기 때문 으로 판단된다(Figs. 5 and 7). 슬립 영역 전체에서 계 산된 살수 조건에서의 PM₁, PM_2.5, PM₁₀ 평균값은 더 큰 입자들을 포함할수록 아주 약간씩 증가하였지만 거의 차이가 없었다(Fig. 4). 입자 구간이 질량 농도에 서 차지하는 비율은 건조 조건에서는 1 μm 초과 입자 들이 약 87%를 차지하였지만, 살수 조건에서는 약 5% 를 차지하였다. 입자 크기 분포에서는 건조 조건과 달 리 이중 모달 현상이 나타났으며, 최대 농도가 나타 난 입자 크기는 약 6 μm(건조 조건)에서 약 0.9 μm(살 수 조건)로 이동하였다.

본 연구 결과 살수 조건에서 1 μm 초과 입자의 질 량 농도는 매우 감소하였다. 슬립 영역 전체에서 살 수에 의한 PM_1-2.5와 PM_2.5-10의 감소율은 모두 98% 이 상이었고, 이로 인한 PM_2.5 및 PM₁₀의 감소율은 각각 48.1, 78.5%였다. 여기서 PM_2.5의 감소율이 상대적으 로 작은 이유는 PM_2.5에서 PM₁이 차지하는 비율이 상 대적으로 크기 때문이다. 슬립율이 변함에도 PM_1-2.5 와 PM_2.5-10의 감소율은 크게 변하지 않고 대체로 95% 이상을 나타내었다(Fig. 7 (right)). 1 μm 초과 마모 입 자들은 대부분 기계적 마모로 발생하는 데 이를 줄일 수 있는 가장 좋은 방법은 마찰력을 줄이는 것이다 (Zimmer and Maynard, 2007). 살수 방법은 휠-레일 접 촉면에 수막(water film)을 형성하여 경계 윤활 (boundary lubrication) 조건을 만들고 (Abbasi et al., 2013), 산화작용을 통해 산화물층(oxide layer)을 형성 한다(Chen et al., 2008). 이 두 요인은 휠과 레일 요철 (asperity)끼리의 접촉을 줄일 수 있는데, 이를 통해 마 찰력이 줄어들어 결과적으로 기계적 마모 저감으로 이어졌을 것으로 추측된다. 또한, 발생한 미세마모 입 자 중 일부는 수막에 갇혀있다가 회전 시 접촉면에서 수막이 빠져나갈 때 같이 씻겨져 나갔을 수도 있다 (Abbasi et al., 2013). 따라서, 살수는 다양한 요인으로 1 μm 초과 입자의 질량 농도를 줄일 수 있는 효과적 인 방법이 될 수 있다.

예상과 달리 살수 방법은 1 μm 이하 입자들의 질량 농도를 증가시켰다. 살수 후 PM₁의 수치는 건조 조건 과 비교해 약 53% 증가하였고(Fig. 4), 전체 질량 농도 에서 차지하는 비율은 슬립율에 상관없이 95% 이상 을 유지하였다(Fig. 6 (right)). 입자 크기 분포 결과를 보면 1 μm 초과 입자의 경우와 달리, 1 μm 이하 입자 들의 질량 농도는 건조 조건과 비교해 전반적으로 크 게 줄어들지 않았다(Fig. 5). 특히, 약 0.9 μm에서의 질 량 농도는 오히려 두드러지게 증가하여 약 270% 증 가율을 보였다. 이러한 현상이 발생한 이유로 두 가 지의 가능성을 생각해 볼 수 있다. 첫째, 수막이 증발 (evaporation)하여 발생한 수증기(water vapor)가 영향 을 끼쳤을 가능성이 있다. 건조 조건에서 차량 주행 시 발생하는 접촉 온도는 수 백도 에 달한다(Spriyagin et al., 2010). 또한, 요철 수준(asperity level)에서 발생하 는 플래시 온도(flash temperature)는 약 900°C까지 도 달하기도 한다(Fischer et al., 2003). 살수 방법은 이러 한 접촉 온도를 감소시킬 수 있지만, 반드시 100°C 아 래로 낮출 수 있는 것은 아닐 것이다. 따라서, 살수에 의해 형성된 수막은 접촉 온도 100°C 이상에서는 증 발(evaporation)하여 수증기가 된다. 발생한 수증기는 수증기끼리 또는 이미 존재 및 새롭게 발생한 여러 가 지 입자들과 응집(coagulation)/응축(condensation)하 여 입자의 크기를 키울 수 있다. 둘째, 수돗물이 증발 하면서 생성되는 미네랄 결정체(mineral crystal)가 영 향을 끼쳤을 가능성이 있다. 본 연구에서는 수돗물을 활용하여 살수 조건을 만들었는데 수돗물은 Na, Mg, Si, Ca 등 다양한 미네랄을 포함하고 있다(Umezawa et al., 2013). 수돗물이 증발할 때 다양한 미네랄 결정체 (mineral crystal)가 생성되는데 크기는 대체로 300 nm 이하이다(Krames et al., 1991). 생성된 미네랄 결정체 들은 수막 증발 시 발생한 수증기 그리고 이미 존재 및 새롭게 발생한 다양한 입자들과 응집(coagulation)/ 응축(condensation)하면서 더 큰 입자가 될 수 있다. 이 두 가지 가능성을 고려한다면 살수 조건에서 측정된 입자들의 크기는 수증기와 미네랄 결정체에 의해 과 대평가된 것으로 추측되며, 이는 PM 수치들의 과대 평가로 이어졌을 가능성이 있다. 따라서, 실제 휠-레 일 접촉에서 발생한 1 μm 이하 미세마모 입자의 질량 농도는 현재 측정된 수치들보다 훨씬 작을 것으로 예 상되고, 이 두 영향을 제거한다면 Fig. 7(left)의 결과는 양의 감소율이 나타날 것으로 예상된다.

5. 결 론

본 기초 연구에서는 지하철 공기 질 악화의 가장 주 된 원인인 휠-레일 접촉 미세마모 입자 발생 저감 방 법을 연구하기 위하여 살수 방법의 효과를 확인하였 다. 이를 위해 twin-disk 실험기를 활용하여 73 km/h의 차량 속도에서 건조 조건 및 살수 조건에서 발생한 휠 -레일 접촉 미세마모 입자의 질량 농도를 측정하였다. 실제 지하철 환경에서 살수 했을 때 발생하는 미세먼 지 발생 현상 확인을 위하여 확산 건조기 없이 OPS를 이용하여 0.3~10 μm 입자의 질량 농도를 측정하였다. 건조 조건 및 살수 조건에서 측정된 미세마모 입자의 PM₁, PM_2.5, PM₁₀, 입자 구간별 질량 농도인 PM_0.3-1, PM_1-2.5, PM_2.5-10, 그리고 입자 크기 분포의 비교 분석 을 통해 공기 질 향상 여부 및 살수 방법의 효과를 확 인하였데, 이 결과들을 통해 다음과 같은 결론 및 향 후 연구 주제를 도출하였다.

본 연구 결과가 향후 지하철 공기 질 향상을 목표 로 하는 연구들에 다양한 연구 아이디어를 제공할 수 있기를 기대한다.