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2020-07 19 중요기사

[학술][이달의 연구자] 박성욱 교수, 가솔린 자동차에서 배출되는 미세먼지 저감에 기여해

사람들은 흔히 경유 자동차가 미세먼지의 주범이라고 생각한다. 가솔린 자동차도 마찬가지다. 가솔린 자동차의 GDI 엔진에서 배출되는 미세먼지의 양도 상당하다. 박성욱 서울캠퍼스 기계공학부 교수는 가솔린 자동차에서 배출되는 미세먼지의 저감에 관한 연구를 진행하고 있다. ▲ 박성욱 서울캠퍼스 기계공학부 교수의 모습. 박 교수는 자동차 미세먼지 배출을 저감하기 위한 연구를 진행했다. 박 교수는 자동차 엔진의 효율 향상과 자동차로 인한 미세먼지 저감에 대해 연구하고 있다. 박 교수의 이번 연구도 자동차 미세먼지 배출과 관련이 있다. 현재 대부분의 가솔린 엔진은 연료를 연소실 내로 직접 분사하는 GDI(Gasoline Direct Injection) 방식이다. 연소실 내로 분사된 연료 분무의 거동을 ‘Spray behavior’이라고 한다. 이 분무는 연소실 내 주위 공기와 혼합하게 되는데, 이때 발생하는 주위 공기의 유동을 in-cylinder flow라고 한다. 박 교수의 연구에는 이러한 개념들이 중요하게 사용됐다. 박 교수는 약 5년간 이러한 연료분사 전략을 최적화해 GDI 엔진의 미세먼지를 줄이고자 연구를 진행했다. 현대자동차, 현대케피코, 환경부, 산업부 등 여러 기관의 꾸준한 지원 덕분에 안정적으로 연구를 진행할 수 있었다. 박 교수는 해당 연구를 통해 연료를 고압으로 분사할 경우 연소실 내의 유동이 강화되고, 연료 분무의 미립화가 촉진돼 미세먼지가 저감된다는 것을 규명했다. 실제로 관련 기업들은 연료 분사 압력 상승을 활용해 자동차의 연비 향상과 미세먼지 배출 저감을 위한 연구를 활발하게 진행하고 있다. 그는 연료를 늦게 분사할 경우, 분사 입력이 미세먼지 배출 증가를 야기할 수 있다는 점도 규명했다. 향후 전기자동차, 연료 전기자동차 등의 보급은 증가할 가능성이 높다. 상당 기간 자동차 업계 이익의 대부분은 순수 내연기관 자동차나 하이브리드 자동차 판매를 통해 창출될 것이기 때문에 자동차의 내연기관은 여전히 중요한 연구 분야다. 자동차에서 배출되는 미세먼지를 가장 효과적으로 감소시키는 방법은 내연기관에서의 미세먼지 배출량을 줄이는 것이다. 박 교수는 “미세먼지를 더 감소시키기 위해 앞으로도 내연기관의 연비향상, 배기 배출물 저감에 관한 연구를 꾸준히 진행해 자동차 산업 발전에 기여하고 싶다”고 말했다. ▲박 교수가 김동환(융합기계공학과 4) 씨에게 연구를 설명하고 있다. 이번 연구에서 엔진의 연료혼합기 형성 과정과 화염 전파 과정을 고속 카메라로 촬영했다. 단기통 엔진 구성에 어려움이 많았지만 관련 기업 전문가들과의 협력을 통해 해결할 수 있었다. 박 교수는 연구진에게 감사의 인사를 전했다. “이 연구를 통해 배출된 5명의 우수한 박사가 학계, 산업계, 연구소에서 활발하게 활동하고 있습니다. 연구에 기여한 제자들에게 감사의 말을 전합니다” 글/김수지 기자 charcoal6116@hanyang.ac.kr

2019-12 30

[학술][이달의 연구자] 안강호 교수, 드론으로 미세먼지 흐름 파악하다

나들이가 어려운 날이 많아지고 있다. 통계청은 지난 13일 2015년 이후 서울시 일평균 초미세먼지 농도가 76㎍/㎥를 넘는 빈도가 점차 증가하고 있다고 밝혔다. 정부는 석탄발전소 가동을 멈추고 계절 관리제를 시행하는 등 미세먼지 저감에 힘쓰고 있다. 이때 미세먼지의 움직임, 원인과 분포를 알아야 효과적인 대책을 세울 수 있다. 안강호 ERICA캠퍼스 기계공학과 교수는 드론으로 미세먼지 생성 원인을 파악하고자 한다. ▲안강호 ERICA캠퍼스 기계공학과 교수는 드론으로 미세먼지 생성 원인을 파악하고자 한다. 국제암연구소(IARC)에서 지난 2013년 10월 미세먼지를 1군 발암물질로 분류하면서 미세먼지에 관한 관심이 급증했다. 크기를 기준으로 미세먼지는 지름이 10μm보다 작은 미세먼지(PM10)와 지름이 2.5μm보다 작은 초미세먼지(PM2.5)로 나뉜다. 미세먼지는 톱다운(top-down)방식과 보텀업(bottom-up)방식을 통해 생성된다. 톱다운은 큰 물질에서 작은 물질로 변하는 과정이다. 바위에서 자갈로, 자갈에서 모래로 변하는 과정으로 보통 분자 단위까지 진행되지 않기 때문에 인체에 덜 유해하다. 반면 보텀업은 분자들이 화학반응을 일으키면서 크기가 커지는 방식이다. 초미세먼지로 분류되는 PM0.1~1 크기로 성장하기 때문에 폐 안까지 들어갈 수 있다. ▲ 28일 동안 미세먼지에 노출된 쥐의 림프 사진(왼쪽)과 그 후 90일 동안 깨끗한 공기를 마신 쥐의 림프 사진. (안강호 교수 제공) 폐는 배출 기능이 부족해서 폐에 침투한 미세먼지가 배출되기에는 오랜 시간이 걸린다. 실제로 안 교수는 쥐를 28일 동안 미세먼지에 노출한 뒤 90일 동안 깨끗한 공기를 마시게 하는 실험을 진행했다. 그 결과 90일이 지났음에도 불구하고 림프 안에서 미세먼지를 확인할 수 있었다. ▲안 교수가 제작한 계측장비(왼쪽)와 풍선에 장착한 초기 모델. (안강호 교수 제공) 안 교수는 시시각각 변하는 미세먼지의 흐름을 파악하고 효율적인 미세먼지 저감 정책에 도움을 주기 위해 이 연구를 시작했다. 기존 측정 장비는 규모가 커서 실험실에서만 사용할 수 있었다. 밖에서 표본을 채취해 실험실에서 표본을 연구하는 방식은 변화가 심한 대기환경을 파악하기 힘들다. 이뿐 아니다. 관측소 대부분이 지상에 위치해서 상공의 대기환경을 파악하기 힘든 문제가 있다. 안 교수는 문제를 해결하기 위해 계측장비를 소형화했고 고도에 따른 미세먼지 농도를 측정하기 위해서 장치를 풍선에 매달았다. 풍선 모델은 풍선을 잡아주고 데이터를 받아주는 사람 등 많은 인력이 필요했고 넓은 범위를 측정하기 힘든 단점이 있었다. 안 교수는 드론을 이용하여 단점을 극복했다. 드론은 미세먼지의 농도와 풍속, 풍향 정보를 수집할 수 있기 때문에 단위 시간당 미세먼지의 양을 확인할 수 있다. ▲항만 지역의 미세먼지를 측정하는 드론. (안강호 교수 제공) 안 교수는 평택 공업단지, 고속도로변, 항만 지역과 농촌지역에 드론을 띄울 계획이다. 공업단지와 자동차에서 발생하는 먼지뿐만 아니라 배와 축산업에서 발생하는 먼지도 무시할 수 없기 때문이다. 안 교수는 드론 추락 위험 우려에 “새로운 기술에 대해 어떤 이는 두려움을 가지고 어떤 이는 환상을 가지고 있다"며 "객관적인 시선으로 새로운 기술을 바라볼 필요가 있다”고 드론을 통한 미세먼지 측정의 필요성을 역설했다. 글/ 윤석현 기자 aladin@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr