1. 서 론
2019년 국민생활시간 조사에 따르면, 우리나라 국민들은 하루에 약 41분을 승용차에 머무르는 것으로 조사 되었다(KOSTAT, 2020). 나라별로 차이는 있으나 하루 중 약 5%를 자동차 내에 머무르는 것으로 조사되었다 (Klepeis et al., 2001). 자동차 실내 오염물질 농도는 실외나 다른 실내 환경에 비해 종종 매우 높은 것으로 보고된 바 있다(Zhu et al., 2005;Geiss et al., 2009;Jung, 2013). 다른 공간에 비해 자동차에서 보내는 시간이 상대적으로 짧음에도 불구하고 높은 주변 농도를 고려하였을 때, 자동차 내에서의 오염물질에 대한 노출은 총 일일 노출의 대부분을 차지할 수 있다(Zhu et al., 2007;Fruin et al., 2008;Brown et al., 2012).
경제성장과 도시화에 따라 국내외 자동차 보유대수는 계속해서 증가하는 것으로 조사되었으며(MOLIT, 2023), 증가한 자동차 수는 많은 오염물질 배출을 유발하며 교통 혼잡을 초래할 수 있다. 교통 혼잡으로 인한 도로 정체는 우리가 더 많은 시간을 자동차 내에서 머무르게 하며, 이로 인해 오염물질에 더 많이 노출될 가능성이 있다. 특히 승용차는 차체와 환기 시스템의 흡기 지점이 낮아 다른 차량에서 배출되는 배기가스에 노출되기 쉬워 통근 차량 중 가장 높은 노출 수준으로 보고된 바 있다(Kaur et al., 2007;El-Fadel and Abi- Esber, 2009;Knibbs et al., 2011).
국제암연구소는 2012년 디젤 배기가스와 폐암의 연관성 분석을 통해 디젤 배기가스를 2A에서 1급 발암물질로 상향 조정하였으며, 가솔린 배기가스는 2B(‘인간 에게 발암가능성이 있음’)로 유지를 결정하였다(IARC, 2014). 자동차에서 발생하는 오염물질은 배기가스 뿐 아니라 자동차 타이어(Tire) 및 브레이크 패드(Brake pad) 마모, 도로 표면 마모, 도로 재비산먼지 등 교통 관련 비배기가스가 있다. 자동차에서 배출되는 대기오염물질은 사람이 흡입할 수 있고, 호흡기 질환, 심혈관 질환, 조기사망 등과 같은 수많은 건강영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Weisel et al., 1992;Brauer et al., 2002;Pope III et al., 2004;Mills et al., 2005;Boldo et al., 2006;Törnqvist et al., 2007;HEI, 2010).
세계보건기구(World Health Organization; WHO)는 대기오염과 실내공기오염으로 인해 매년 670만명이 조기사망한다고 보고하였다(WHO, 2022). 공기질과 관련된 사회적 관심은 현대인의 삶에서 매우 자주 사용되는 교통수단인 자동차로까지 이어지고 있으며, 자동차 보급 확대와 함께 소비자들의 쾌적한 자동차 실내환경에 대한 관심 또한 증가하고 있다.
그러나 다른 실내공간에 비해 자동차 실내공기질에 대한 연구는 비교적 제한적이며, 관리기준 역시 2011년 국토교통부에서 마련한 “신규제작자동차 실내공기질 관리기준(MOLIT, 2022)을 통한 휘발성유기화합물에 대한 권고기준이 유일한 실정이다. 또한 쾌적한 자동차 실내 환경을 위해 우리가 실제 자동차 내에서 머무르는 환경과 동일한 주행 중에 실내로 유입될 수 있는 오염 물질을 규정하고 이를 평가하기 위한 객관적이고 신뢰성 있는 기준 마련의 필요성이 제기되고 있다.
UNECE WP.29 (World Forum for Harmonization of Vehicle Regulations) 내 GRPE (Working Party on Pollution and Energy) 분과 VIAQ IWG (Vehicles Interior Air Quality Informal Working Group)에서는 주행 중 차실내로 유입되는 외부오염물질 평가 방법론의 국제조화를 위해 자동차 실내공기질 상호결의안 (M.R.3) Part 4에 차실내로 유입되는 외부오염물질과 차실내 공기정화효율을 평가하는 시험절차를 포함하기 위한 작업 추진 중에 있다.
이에 따라 본 연구에서는 실도로 주행 경로 및 실험 방법론을 제시하고, 이를 바탕으로 주행 중 자동차 실내외 오염물질 농도 변화를 분석하여 자동차 실내공기질 평가 방법 개발을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
2. 연구방법
2.1 대상물질 및 측정방법
자동차 실내공기질은 대기오염, 배기가스, 교통관련 비배기가스로 인해 영향을 받을 수 있다. 이와 국내외 자동차 실내공기질 관련 연구 및 유사 관리기준 검토를 통해 인체 노출 및 주행 중 측정 가능성 등을 고려하여 대상물질로 PM2.5, NO, NO2를 선정하였다.
각 물질별 측정장비는 설치 가능성, 내부 유동 흐름 영향, 무게로 인한 차량 부하 등을 고려하여 선정 하였다. PM2.5 측정은 Dusttrak (TSI Inc., USA)을 사 용하였으며, NO 및 NO2 농도는 Serinus40 (Ecotech, Australia)를 사용하였다.
차량 외부 공기질 샘플링 노즐은 차량의 2열 왼쪽 창문을 통해 확보되었으며, 차량 주행 속도의 영향을 최소화하기 위하여 등속 흡입 프로브 ISP-1000 (Palas GmbH, Germany)와 바이패스 펌프를 사용하여 일정 유량으로 샘플링될 수 있도록 하였다. 또한 외기를 측정한 장비에서 배출되는 공기는 차량 내부로 혼입되지 않도록 별도의 배출 라인을 확보하였다. 내부 공기질은 운전자 및 동승자의 호흡기 높이 위치를 대표할 수 있다고 판단되는 헤드레스트(Headrest) 사이에서 샘플링 되었다(Qiu et al., 2019) (Fig. 1).
차량의 주행 속도를 확인하기 위하여 GPS 수집 장비를 포함하였으며, 모든 장비는 1초 단위로 데이터가 수집되었으며, 동시간대에 측정된 데이터는 프로그램을 통해 실시간으로 병합되어 기록되었다.
2.2 실도로 주행 실험 조건
2.2.1 주행 경로
실도로 주행 경로 선정 방법론은 국내 자동차 실도로 주행 배출가스 측정방법(제작자동차 시험검사 및 절차에 관한 규정 별표 4의3)을 참고하였다. 본 연구에서는 인천시에서 도심 및 고속도로 복합경로로 구성된 실도로 주행경로를 선정하였다. 각 경로의 최소 주행거리는 16 km 이상이 되도록 하여 총 35 km의 경로로 구성하였다. 도심 경로는 제한속도 60 km/h 이하, 고속도로 경로는 110 km/h 이하의 도로를 의미한다.
2.2.2 실험 조건
자동차 내 오염물질의 농도는 자동차 내 오염물질의 농도는 차량 외부 대기질, 공조조건, 차량 부피, 팬 속도, 탑승자 수, 필터 효율성 및 차량 주행 속도와 같은 많은 변수에 따라 달라질 수 있다(Kim et al., 2013). 이를 고려하여 공조(HVAC) 모드 설정, 시험절차 및 조건 등을 설정하였다.
HVAC 모드는 1) 내기 순환 모드(RC, In-vehicle recirculation), 2) 외기 유입 모드(OA, Outside air ventilation), 3) 오토 모드(Automatic mode with aircleaning) 로 나누었다(Table 1). 설정온도는 22°C이며, 에어컨은 켠 상태로 모든 플랩은 정면을 향하도록 하고 팬 속도는 중간(또는 50%)로 하였다. 차량의 공기청정 기능은 RC 및 OA 모드에서는 비활성화하였으며, Auto 모드에서만 활성화하였다.
차량에 사용된 에어컨 필터는 모두 제조사 정품 필터를 사용되었다. 실험인력은 총 2명(운전자 및 실험 기록을 위한 동승자)으로 제한하였으며, 사람으로 인한 영향을 최소화하기 위해 실험인력은 향수 사용 및 흡연을 지양하고 먼지가 많이 발생하지 않는 합성섬유 소재의 의복을 착용하도록 권장하였다.
2.2.3 실험 절차
출발지점에 도착하여 시동을 끈 후 창문과 문을 개방하여 환기를 통해 차량 내외부 오염도를 동일 수준으로 포화시켰다. 측정 장비 웜업(Warm-up)이 모두 완료된 후 시동을 켜고 HVAC 모드 세팅을 점검하고 창문을 닫은 후 실도로 주행 실험을 시작하였다.
실험은 2024년 4월부터 10월까지 총 77회 진행하였다(Table 2). 실험에 활용된 차량은 국내 생산 차량이며, 파워트레인(Powertrain)별로 가솔린차(GSL) 3대, 디젤차(DSL) 2대, 하이브리드차(HEV) 3대, 전기차(BEV) 3대가 활용되었다(Table 3).
2.3 통계 처리 방법
총 77회의 실험 결과는 모두 통계 분석에 활용되었으며, 데이터 측정 간격(1초)과 차량 주행 중 조건을 고려하여 이상값은 처리되었다.
본 연구의 데이터 통계 처리는 Python 프로그래밍 언어를 이용하였다. Shapiro-Wilk 검정을 통해 데이터의 정규성 검정을 실시하였으나 정규성을 만족하지 않아 비모수 검정 방법을 활용하였다. 조건별 집단 간 차이를 검토하기 위해 Kruskal-Wallis 검정을 실시하여 각 그룹 간의 통계적 유의성을 확인하였으며, 유의한 차이가 관찰된 경우 후속 분석으로 Dunn’s test를 적용하여 두 그룹 간의 차이를 추가적으로 검토하였다. p-value가 0.05 미만일 때 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 간주하였으며, 모든 분석 결과는 p<0.001 수준으로 유의하였다.
차량 내부 및 외부 오염물질별 농도 데이터와 영향인자를 변수로 하여 변수 간 상관관계를 분석하였다. 영향인자는 차량의 주행 속도(speed, km/h), HVAC 모드, 계절(봄: 3~5월; 여름: 6~8월; 가을: 9~11월), 파워 트레인으로 하였다. 연속형 변수간 상관관계는 피어슨 (Pearson) 상관계수(–1<r<1)를, 연속형 변수와 범주형 변수 간 상관계수는 다연(Polyserial) 상관계수의 근사치로 상관비를 산출하였고, 범주형 변수 간 상관계수는 크래머 V(Cramer’s V) 계수를 사용하여 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 주행 중 차량 내·외부 농도 변화
Fig. 2는 본 연구에서 실시한 실험 중 일부이며, 2024년 10월 8일에 A 제조사의 디젤 차량인 d 모델을 사용하여 동일한 경로에서 측정된 실내외 오염물질 농도를 시간의 변화에 따라 나타낸 것이다. 70회 이상의 실험 데이터 중 가장 HVAC 모드별 내외부 오염물질 농도 변화 양상이 잘 드러나는 일자의 그래프를 제시하였다. Fig. 2(a)는 내기순환(RC) 모드를 나타내는 그래프로, 실내 PM2.5는 시간이 지남에 따라 감소하였으며, NO는 점차 누적되어 소폭 증가하고, NO2는 일정 수준을 유지하는 양상으로 나타났다. (b)는 외기유입(OA) 모드이며, 시간에 따른 실내 PM2.5는 실외 PM2.5 농도 증감 양상과 유사한 변화를 보였다. 실내 NO와 NO2는 유사한 증감 양상을 보였으며, 실외 농도의 증감과도 유사한 양상을 보였다. (c)는 제조사 설정에 따라 다양한 요인에 의해 공조모드를 RC와 OA로 변환하는 Auto 모드이며, 실내 PM2.5의 경우 외기유입이 차단되어 RC 모드가 되면 농도가 감소하고 다시 외기가 유입되어 OA 모드가 되면 농도가 증가하는 양상을 보였다. 실내 NO와 NO2는 대부분 OA 조건에서의 변화와 유사한 양상을 보였으나, RC 모드가 되어 실내 PM2.5가 감소한 시간대(20분~25분 사이)에서 외부 농도가 증가함에도 내부 농도는 증가하지 않고 감소하는 것으로 나타났다.
이와 같은 PM2.5 변화 양상은 여러 선행연구에서도 동일하게 관찰된 바 있으며(Qiu et al., 2019;Russi et al., 2022), HVAC 모드 조건(Kwon and An, 2006;Abi- Esber and El-Fadel, 2013)과 외부 공기질(Faber and Brodzik, 2017)에 의한 실내공기질 영향을 의미한다.
Fig. 3은 시험 차량에서 측정한 차량 실내 및 실외 PM2.5, NO 및 NO2 수준을 HVAC 모드에 따라 보여 준다. 실내 PM2.5 수준(mean±sd)은 공기가 내부 순환하는 모드인 RC 모드에서 3.91±5.27 μg/m3, 외기가 유입되는 OA 모드에서 6.99±9.63 μg/m3, 공기청정기능이 켜져 있고 자동으로 OA와 RC 모드로 변환되는 Auto 모드에서 7.18±9.15 μg/m3이었다. 실내 NO 수준은 RC 72.47±60.8 ppb, OA 94.43±82.66 ppb, Auto 96.39±85.14 ppb 이었으며, NO2 수준은 RC 20.27±14.58 ppb, OA 31.84±22.46 ppb, Auto 28.85±18.81 ppb이었다. 대부분의 실험에서의 차량 내 평균 PM2.5 농도는 취약계층 이용 다중이용시설 실내공기질 권고기준인 35 μg/m3보다 낮았으며, NO2는 권고 기준인 0.05 ppm 보다 낮았다.
평균 실내 PM2.5와 NO2는 RC 모드에서 가장 낮았고 OA 모드에서 가장 높았으며, NO는 RC 모드에서 가장 낮고 Auto 모드에서 가장 높았다. 그러나 차량 실내 농도는 실외 농도에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에 VIAQ-IWG M.R.3에서는 정화효율(Cleaning efficiency)을 산출하여 차량 내외부 농도를 비교하고 있다. 본 연구에서는 PM2.5, NO 및 NO2 모두 RC 모드에서 가장 효율이 높았으며, Auto 모드, OA 모드 순으로 나타났다(Table 4). 이러한 결과는 선행연구에서도 동일하게 나타났으며(Ham et al., 2017;Qiu et al., 2019), 환기 조건에 의한 영향을 의미한다.
영국 버밍엄에서 진행된 유사 연구에서도 실내 PM2.5 및 NO2 농도가 RC에서 보다 OA에서 높은 것으로 나타났으며(Matthaios et al., 2023a), 다른 여러 문헌에서도 유사한 결과가 보고되었다(Boogaard et al., 2009;Abi-Esber and El-Fadel, 2013;Leavey et al., 2017). 영국 버밍엄 연구에서는 AC라는 용어를 사용했지만 방법론을 살펴보았을 때, 이 용어는 본 연구에서의 OA 모드와 동일하였다. 또한, RC 조건에서 실내 PM2.5 농도가 낮은 것은 에어컨 필터로 인해 정화되었기 때문이며, 낮은 차량 내 NO2 농도는 새 것의 활성탄 포함 필터와 오래된 활성탄 포함 필터를 비교하였을 때 새 활성탄 필터에서 차량 내 NO2 농도가 더 많이 감소했다는 최근 연구결과(Pöhler et al., 2018;Matthaios et al., 2023a, 2023b)와 마찬가지로, 본 연구에서 새 활성탄 필터를 사용했기 때문이다.
파워트레인에 따라 비교하였을 때, 디젤(DSL) 차량이 실내 평균 농도와 정화효율이 가장 좋지 않은 것으로 나타났고, 전기차가 가장 좋은 것으로 나타났으며 (Table 4), 이는 파워트레인에 따라 발생한 자가오염이 영향을 미쳤을 가능성일 수 있다(Abi-Esber and El- Fadel, 2013).
참고적으로 HVAC 모드별 이산화탄소(CO2) 농도 변화는 센서형 장비(Smart aircok, Aircok Co., Ltd)를 통해 수집되었으나 RC 모드에서는 지속적으로 누적되어 1,000 ppm을 초과하였으며, OA 및 Auto 모드에서는 외기 수준보다 약 100~200 ppm 정도 높은 수준이었다.
3.2 오염물질 및 영향요인 간 상관관계 분석
차량 내부 및 외부 오염물질별 농도 데이터와 외부 영향인자 데이터를 변수로 하여 변수 간 상관관계를 분석 하였다(Fig. 4).
차량 실내 및 실외의 PM2.5 농도는 상관계수가 0.61의 뚜렷한 양적 선형관계로, 실외 PM2.5 농도가 실내 농도에 영향을 미칠 수 있다는 것을 의미한다. 계절-실내 PM2.5 간 상관비는 0.61으로 뚜렷한 관계가 있었으며, 계절-실외 PM2.5 간 상관비는 0.39로 중간 정도의 관계가 있는 것으로 나타났다. 이는 계절에 따라 실내 외 PM2.5 농도가 변화할 가능성을 의미하며 계절이 실내외 PM2.5 농도에 영향을 미친다는 것을 보여준다. 따라서 차량 내외부 PM2.5 간 상관관계와 계절-실내외 PM2.5 농도 간 상관관계를 살펴보았을 때, 계절은 차량 실내 PM2.5 농도에 영향을 미치는 중요한 요소이며, 실내 PM2.5 농도는 주로 실외 농도와 계절에 의한 영향을 받는 것을 의미한다. 또한, HVAC 모드와 내부 PM2.5의 상관비는 0.23으로 HVAC 모드로 인한 약한 영향이 확인되었다.
실내-실외 NO 간 상관계수는 0.27, 실내-실외 NO2 간 상관계수는 0.35로, 약한 상관관계를 보였으며, 이는 차량 외부에서 내부로 유입될 때 여러 요인으로 인해 영향을 받기 때문이라고 볼 수 있다. 차량 외부 NO와 NO2 농도는 r=0.59의 뚜렷한 선형관계로, 동반 발생하거나 서로 전환될 수 있음을 의미한다. 교통관련 배출가스 중 NO가 NO2로 변환되는 반응이 일어나는 것으로 알려져 있으며 여러 연구에서 관찰된 바 있다 (Anttila et al., 2011;Yang et al., 2018). 이로 인한 연관성이 나타난 것으로 보인다. 차량 내부의 NO 및 NO2도 r=0.32로 약한 상관관계를 가지지만 외부 NO 및 NO2 간 상관관계에서 보다는 낮다. 내부에서는 외부 환경에 비해 NO-NO2 간 전환을 위한 화학적 조건이 부족함으로 인한 영향이거나 HVAC 모드 등 다른 요인으로 인하여 내부에서 각각 독립적인 요인에 의해 영향을 받기 때문일 수 있다.
파워트레인과 내부 PM2.5 (r=0.39) 및 NO2 (r=0.31) 농도 간에 상관관계가 있으며, 이는 본 연구에서 디젤 차량이 실내 농도와 정화효율이 가장 좋지 않았던 결과와 마찬가지로 파워트레인 유형이 내부 공기질에 영향을 미쳤을 수 있음을 의미한다.
4. 결 론
경제성장과 도시화에 따라 증가하고 있는 국내외 자동차 보유대수는 오염물질 배출 증가와 교통 체증을 유발한다. 현대인들은 하루 중 약 5%를 자동차에서 보내며, 이로 인해 교통관련 오염물질에 노출될 가능성도 높아진다. 또한 이동성을 위해 차량과 같은 이동수단에 의존할 가능성이 높은 노인이나 취약계층은 오염물질 노출로 인한 영향을 더 많이 받을 수 있기 때문에 차량 실내공기질은 중요하다고 할 수 있다. 그러나 관련 평가 방법과 기준은 부재한 실정이다.
본 연구는 이에 대한 기초자료 마련을 위해 주행 중 차실내유입에 대한 실도로 주행 평가 방법을 수립하고, 차량 실내공기질 변화와 이에 영향을 미치는 요인들과의 상관관계를 분석하였다. 차량 실내 오염물질의 농도는 계절, 외부 오염물질의 농도, HVAC 모드에 중요한 영향을 받는 것으로 나타났다. RC 모드가 실내공기질 개선에 효과적이었고, OA 모드는 외부 농도와 유사한 수준 또는 유사한 변화 양상을 보였으며, Auto 모드는 환경 변화에 따라 RC와 OA 모드로 전환되며 혼합적인 농도 패턴을 보였다. 실내 오염물질 농도와 파워트레인 간의 약한 상관관계가 있음을 확인하였다.
본 연구에는 몇 가지 한계점이 존재한다. 실험은 봄, 여름, 가을에 수행되어 분석에 겨울 데이터가 포함되지 못하였으며, 실험에 사용한 차량이 모두 동일 차량이 아니라는 한계점이 있다. 또한, 조건별 시험의 횟수가 동일하지 않기 때문에 차량 내에서의 승객에 대한 노출을 대표하지 못할 수 있다. 실험은 일반적인 평일 주간 시간에만 수행되었기 때문에 오염물질 배출이 많은 극한 조건인 러시아워(Rush hour)를 대표하지 못할 수 있다. 또한, 분석에는 운전자의 운전습관 및 실험인력에 대한 요인이 포함되지 않았는데 이것이 결과에 영향을 미쳤을 수 있다는 한계점이 있다. 분석 결과가 잠재적으로 편향이 있을 수 있으며, 이러한 편향을 줄이고 결과를 확장하기 위해 추가연구가 필요하며, 다른 지리적 지역 특성을 반영하고 더 많은 데이터 확보를 통해 큰 표본이 확보되어야 할 것이다.
그럼에도 본 연구는 주행 중 자동차 실내 오염물질 평가를 위해 반복적인 실험을 진행하였으며, 이러한 결과는 향후 자동차 실내공기질 평가 방법과 기준을 마련하는데 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
