달리며 미세먼지 잡는 자동차…시속 30㎞서 초미세먼지 95% 제거[과학을읽다]

기계연, 카니발·쏘나타에 공기정화 기술 실차 검증
브레이크 먼지도 발생 즉시 포집…연비 영향 1% 이내

자동차가 도로를 달리면서 주변 공기의 미세먼지를 제거하고, 스스로 만들어내는 브레이크 먼지까지 대기 중으로 퍼지기 전에 잡아내는 기술이 개발됐다. 차량 전면으로 들어오는 바람과 브레이크 마찰 과정에서 자연스럽게 발생하는 전기를 이용해 별도의 고출력 송풍장치 없이 먼지를 포집하는 방식이다.

한국기계연구원은 한방우 친환경에너지연구본부 도시환경연구실장 연구팀이 주행 중 도로 주변 미세먼지와 브레이크 마모 먼지를 동시에 줄이는 공기정화 자동차 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 연구팀은 카니발과 쏘나타에 기술을 실제 적용해 성능을 검증했다.

브레이크 마모 먼지를 포집하는 캘리퍼형 집진기. 연구팀 제공

공기정화 자동차는 차량 전면의 '그릴형 집진 장치'와 브레이크 주변의 '캘리퍼형 집진 장치', 주차 중에도 공기정화를 가능하게 하는 무선 전력 전송 기술로 구성된다.

그릴형 집진 장치는 일반 공기청정기처럼 촘촘한 필터로 먼지를 걸러내는 대신 미세먼지에 전기를 띠게 한 뒤 전기적 힘으로 집진판에 붙인다. 정전기가 주변 먼지를 끌어당기는 것과 비슷한 원리다.

연구팀은 미세먼지에 전기를 띠게 하는 방전극에 머리카락보다 훨씬 가는 탄소섬유를 사용했다. 적은 전류로 먼지를 처리하면서 전기집진 과정에서 발생할 수 있는 오존도 최소화했다.

특히 차량이 달릴 때 전면으로 들어오는 '주행풍'을 이용하기 때문에 공기를 강제로 밀어 넣는 고출력 송풍장치가 필요 없다. 성능 평가 결과 시속 30㎞에서 초미세먼지(PM2.5)를 95% 이상, PM2.5보다 크고 PM10보다 작은 미세먼지를 99% 이상 제거했다. 시속 50㎞에서도 비슷한 성능을 유지했다. 차량 한 대가 시간당 약 1800㎥의 공기를 정화할 수 있는 수준이다.

카니발과 쏘나타 모두 장치를 설치하기 전후 연비 차이는 1% 이내였다. 무선 전력 공급 설비가 갖춰진 주차장에서는 차량의 기존 라디에이터 팬을 돌려 정차 중에도 공기를 정화할 수 있다.

도심 미세먼지를 제거하는 차량 전면 그릴형 집진 장치. 연구팀 제공

브레이크 먼지는 만들어지는 순간 잡는다

연구팀은 자동차가 직접 발생시키는 브레이크 먼지를 줄이는 기술도 함께 개발했다. 브레이크 패드와 디스크가 마찰하면 미세한 마모 입자가 발생한다. 전기차나 수소차도 브레이크와 타이어에서 이런 '비배기 미세먼지'가 발생한다.

연구팀은 브레이크 마모 입자가 패드와 디스크의 마찰 과정에서 자연스럽게 전기를 띤다는 점을 이용했다. 바퀴 안쪽 브레이크 캘리퍼 뒤에 집진 장치를 설치하면 별도로 입자에 전기를 가하거나 먼지를 빨아들이는 팬을 사용하지 않아도 전기적 힘으로 마모 먼지를 포집할 수 있다.

국제표준 자동차 시험 주행방식(WLTC)으로 시험한 결과 차량 한 대에서 1㎞ 주행할 때 22.2㎎의 브레이크 마모 먼지를 포집했다. 450㎞를 주행한다고 가정하면 약 10g에 해당한다.

브레이크와 타이어에서 나오는 비배기 먼지 규제는 세계적으로 강화되는 추세다. 유럽연합(EU)의 새로운 자동차 환경규제인 '유로7(EURO 7)'은 기존 배기가스뿐 아니라 브레이크에서 발생하는 입자도 규제 대상으로 포함한다. 연구팀은 기존 차량의 공간과 부품을 최대한 활용해 구조 변경과 추가 전력 소비를 줄인 만큼 관련 규제 대응 기술로 활용할 수 있을 것으로 보고 있다.

대기 미세먼지 대응 상호협력형 공기정화 자동차를 개발한 한방우 기계연 도시환경연구실 실장(가운데) 연구팀. 기계연 제공

한방우 실장은 "자동차가 이동하면서 도로 주변 미세먼지를 정화하고 브레이크 먼지까지 발생 지점에서 줄일 수 있다는 것이 특징"이라며 "도심 대기질 개선에 기여할 수 있는 공기정화 기술의 활용을 확대해 나가겠다"고 말했다.

이건희 선임연구원은 "차량의 기존 구조와 주행풍을 활용해 추가 동력 사용을 최소화했다"며 "앞으로 실도로 성능과 장기 내구성을 검증해 기술을 고도화하겠다"고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 '트라이볼로지 인터내셔널(Tribology International)'과 '애트머스피어(Atmosphere)' 등에 게재됐으며, 연구팀은 관련 기술에 대해 한국과 미국, 독일 등에 특허를 출원했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr