1. 서 론

동절기 고속철도차량의 고속주행 시, 고속철도차량 하부 및 대차부 에 착설로 인한 결빙된 설빙이 도상자갈구간에서 차량의 떨림으로 인 해 고속으로 낙하하여 자갈을 비산시키게 된다. 비산된 자갈에 의해 철도차량 구조물 및 시설물의 피해가 지속으로 발생하고 있다[1,2]. 특히, 겨울철 철도차량 유리창 파손의 주요 원인으로 차량 하부에 착 설된 설빙의 낙하와 연관이 있음을 제시하였다[3]. 동절기 설빙의 낙 하로 인해 발생한 물리적인 피해로는 고속철도차량 창유리 파손이 가 장 많으며, 그 외 차축 보호재, 궤도 구성품, 신호 보안장치 및 주행장 치 구성품 등의 파손이 있다. 이러한 파손으로 인해 차량 운행 및 유 지 보수에 대한 간접적인 피해로는 열차지연, 유지보수 비용 부담 증 가 및 주행 안전성 저하 등의 피해가 있다[4]. 고속철도차량 하부에 착설로 인한 결빙된 얼음에 의한 자갈비산 피해 이외에도 철도차량 출입문 동결, 제동장치 잔류수분 동결, 차량 노출부 전기장치 결빙 등 의 차량 동결에 의한 열차 지연 및 부품장치 기능 저하의 문제도 함께 지속적으로 발생됨에 따라 동절기 de/anti-icing 기반 피해 예방 및 대 응 기술이 필요하다. 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 철도운영기 관에서는 자체적으로 자갈비산방지 네트, 감속 운행, 인력에 의한 차 량 제빙 등 운영 및 유지보수 관점에서의 즉각적인 대책을 수립하여 대응하고 있지만 효율성이 떨어진다[5-7]. 현재 철도차량(누리로, ITX-새마을, ITX-청춘, 무궁화호 등) 동결 및 결빙 시 제빙작업은 차 량기지 내 인력에 의한 제빙에 의존하고 있고 고속차량(KTX-1, KTX- 산천, SR, 호남선, 원강선 등)의 경우 이동식 열풍기를 사용하고 있지 만 제빙에 소요되는 시간이 상당히 오래 걸려 에너지 효율이 떨어지 며 동절기에 한정하여 일시적으로 인력이 과다하게 필요한 문제점들 이 있다[8,9]. 따라서 이를 대체할 수 있는 효율적인 화학적 제ㆍ방빙 기술 개발이 필요한 실정이다[4,10]. 이전 연구에서 다양한 제빙액 물 질에 대해 융빙성능 평가를 통해 살포 시스템에 적합한 프로필렌글리 콜 타입의 제빙액을 선정하였다[11-14]. 제빙액은 이미 결빙된 설빙을 녹이기 위해 살포하는 것으로 결빙 부위가 클수록 얼음을 녹이는 시 간 또한 길어지게 되므로, 제빙액을 고속철도차량에 미리 살포하여 눈의 부착을 최소화하면 해빙 효율을 더 높일 수 있다. 하지만 고속철 도의 경우 제빙액을 살포하여도 고속으로 운행 시 대차 표면에서 거 의 소실되기 때문에 눈의 부착을 방지할 수 없어 anti-icing (방빙) 성 능은 떨어진다. 고속주행에서의 방빙성능 저하를 해결하기 위해 발수 제의 사용을 검토하였다. 최근 초발수성 표면을 이용하여 눈이 쌓이 거나 얼음층이 형성되는 것을 막는 anti-icing 기능성 표면에 대한 연 구가 활발하게 진행 중이다[15-17].

따라서 본 연구에서는 효율적인 제ㆍ방빙을 모두 할 수 있는 화학 적 제ㆍ방빙액 개발을 위한 기초연구로 발수 성분을 포함한는 프로필 렌글리콜을 기반 de/anti-icing fluid에 대해 융빙 성능, 접촉각 및 방빙 성능에 대한 비교 평가를 실시하였다. 본 연구는 현재 살포 시스템에 적합한 제ㆍ방빙액 선정에 있어 기초 자료로 활용할 수 있다.

2. 실 험

2.1. 재료 및 시약

실험에 사용된 프로필렌글리콜(propylene glycol, PG) 시약은 Junsei Chemical Co., Ltd.(Japan)에서 구매하였으며, 프로필렌글리콜 70 wt%(-67.7 °C) 수용액을 제조하여 사용하였다. 용매는 전기전도도 10 μS/cm 이하 증류수를 사용하였다. 발수제는 Table 1과 같이 다양한 제품을 구입하였고, Table 2와 같이 프로필렌글리콜 수용액에 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 wt% 함량별로 첨가하여 평가를 진행하였다.

2.2. 동점도 평가

선정된 평가물질에 대한 동점도 평가는 살포시스템을 통해 분사되 는 분사 능력과 관련되어 있다. 제조된 제ㆍ방빙액에 대한 점도 성능 평가를 위해, 국제 동점도 규격인 ASTM D455-06에 따라 시험을 진 행하였다. 본 시험 방법은 동점도관(Figure 1a)을 아세톤으로 세척ㆍ 건조 후 일정량의 시료를 투입하여 측정고자 하는 온도와 시험액의 온도가 평행 상태가 되기 위해 측정 온도의 오일 배스(Figure 1b)에 20분 침지한다. 20분 후 압력을 이용하여 시험액을 시작점에 위치시 켜 시험액이 시작점-종료점을 이동한 시간을 측정하여 동점도를 계산 한다. 시험은 평가 물질 당 3회 이상 평가하여 평균값을 계산하였고, 소수점 둘째자리까지 기록하였다.

2.3. 융빙성능 평가

선정된 평가물질에 대한 융빙성능 평가는 환경부 고시 환경표지 인 증기준 EL610. 제설제 내 EM502-3 (2015)에 따라 평가를 진행하였다. 시험 방법은 직경 23.0 cm, 깊이 2.0 cm 시험용기(Figure 2a)에 5 mm 두께의 균일한 얼음을 생성하여 그 위로 평가물질 3.2 mL를 살포하고 시험온도 영하 20 °C에서 30분 동안 방치 후 융빙액의 부피를 측정하 였다. 시험온도는 저온항온조(Figure 2b)를 이용하여 유지하였다. 시 험은 평가물질 당 3회 이상 평가하여 평균값을 계산하였으며, 융빙액 의 무게 측정은 주사기를 이용하여 채취한 뒤 소수점 넷째자리까지 측정하였다[12].

2.4. 접촉각 평가

선정된 평가물질에 대한 접촉각을 평가는 한국산업표준(KS) 인증 기준 자동차용 발수성 워셔액 KS M 2163 평가 항목 중 7.7 발수성 항목에 준하여 시험을 진행하였다. 본 시험 방법은 5 × 5 cm 시험편 (강판, 고속철도 하부 재질)에 평가액을 도포 후 10분 동안 상온에 방 치하고 시험편에 물을 떨어트려 액체-고체 표면사이의 계면에 발생하 는 액체의 표면장력에 의한 접촉각을 측정하는 방법이다. 고속철도의 경우 300 km/h 고속 주행으로 인해 살포된 제ㆍ방빙액이 대차표면에 서 거의 소실될 것으로 예상되어, 본 평가에서는 위의 절차로 시행한 1차 접촉각 측정과 그 표면을 천으로 닦은 후의 2차 접촉각을 측정하 였다. 시험은 평가물질 당 임의로 3지점에서 접촉각을 측정하고 평균 을 구하여 소수점 첫째자리까지 측정하였다.

2.5. 방빙성능 평가

선정된 평가물질에 대한 방빙성능 평가는 항공기 동체용 인증기준 AS5901 “Water Spray and High Humidity Endurance Test Method for SAE AMS 1424 SAE AMS 1428 Aircraft De-icing/Anti-icing Fluids” 중 강설 대한 결빙 방지성능을 평가하는 WSET (Water Spray Endurance Test) 평가방법으로 진행하였다. 국내에서 WSET 평가 진행이 불가하 여 본 연구에서 진행한 WSET 시험 방법은 AS5901 조건을 고속철도 용에 적합하도록 변경한 조건으로 진행하였으며, 평가에 사용된 장비 의 사진은 Figure 3에 나타내었고 평가 조건은 Table 3에 정리하였다. 평가 방법은 동결 조건에서 10 (W) × 30 (L) cm 시험편(강판, 고속철 도 하부 재질)에 5 g의 용액을 도포 후 스프레이 삭제, 노즐(Figure 3a) 을 통해 물이 2시간 동안 계속 살포되며, 살포된 물은 도포된 시험판 (Figure 3b)에 부착되어 동결 조건(저온환경챔버(Figure 3d) -10~-5 °C 유지)에 의해 시험편 표면에서 결빙을 형성하게 되며, 시험판에 결빙 이 발생하는 시간을 측정하여 결빙 방지 성능을 평가하는 방법이다. 본 평가는 내부 구조(Figure 3c)로 인해 시험편의 경사면이 80° 이상 으로 제ㆍ방빙액 도포 시 거의 대부분 경사면을 따라 아래로 흐르게 되며, 첨가된 발수제 성분이 시험편 표면에 잔류하여 결빙을 방지할 것으로 예상하였다. 아래 표에 평가 조건에 대해 정리하였다. 시험은 평가물질 당 3회 이상 평가하여 시험편 결빙이 발생하는 시간과 시험편 전체에 결빙이 발생하는 시간을 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 동점도 평가 결과

점도 특성은 propylene glycol 기반 제ㆍ방빙액이 효율적인 화학적 제ㆍ방빙 방법으로서 인력이 아닌 살포시스템을 통해 살포 가능 여부 와 관련되어 있다. 고속철도차량용 제ㆍ방빙액 개발을 위해 선정된 4 종의 발수제를 프로필렌글리콜 수용액에 최대 2 wt% 첨가 시 점도 특 성에 대해 Table 2에 정리하였고, 동점도 평가 결과 2.72~2.99 cSt 사 이로 순수한 프로필렌글리콜 70 wt% 수용액과 크게 차이나지 않음을 확인하였다. 제ㆍ방빙액의 점도 특성은 68~70%를 차지하고 있는 기 재인 프로필렌글리콜과 30%를 차지하고 있는 물로 인한 프로필렌글 리콜 수용액의 특성에 의해 결정되는 것으로 확인되었다. 본 연구를 통해 발수 성분을 포함하는 프로필렌글리콜 기반 제ㆍ방빙액 또한 살 포시스템에 적용 가능할 것으로 판단하였다.

3.2. 융빙성능 평가 결과

고속철도차량용 제ㆍ방빙액 개발을 위해 제빙액의 특성인 융빙성 능 평가를 진행하였고, 선정된 발수제의 종류 및 함량에 대해 동일한 조건 속에서 녹일 수 있는 얼음의 양에 대한 평가를 진행하였다. 융빙 성능은 Table 2에 정리하였다. 융빙성능 평가 결과 녹은 얼음의 양은 10.8853 g부터 10.9478 g까지 융빙성능은 99.4~100%로, 순수한 프로 필렌글리콜 70 wt% 수용액과 크게 차이나지 않음을 확인하였다. 융 성성능 특성 또한 점도 특성과 동일하게 68~70%를 차지하고 있는 기 재인 프로필렌글리콜과 30%를 차지하고 있는 물로 인한 프로필렌글 리콜 수용액의 특성에 의해 결정되는 것으로 확인되었다. 발수 성분 이 포함된 프로필렌글리콜기반 제ㆍ방빙액의 경우 발수제를 넣지 않 는 순수한 프로필렌글리콜 수용액과 비교 시 융빙성능은 거의 동등하 였으며, 제빙액으로서의 유효한 성능을 확인하였다.

3.3. 접촉각 평가 결과

동절기 고속철도의 경우 대설 지역을 운행 시 비산된 눈과 얼음이 대차표면에 부착되어 결빙을 형성하게 되고 이러한 결빙이 도산 자갈 구갈을 운행 시 떨림에 의해 떨어져 자갈을 비산시키게 되고 비산된 자갈에 의해 유리창 파손과 같은 겨울철 안전사고가 발생하게 된다. 따라서 겨울철 사고를 방지하기 위해 대차 표면에 눈과 얼음의 형성을 방해하거나 지연시키는 성능이 요구된다. 본 연구에서는 발수 능력을 가진 발수제를 프로필렌글리콜 제빙액에 첨가하여 대차 표면에 살포 후 빠르게 발수층을 형성시켜 발수층에 의해 눈과 얼음의 형성을 억 제하는 방빙액으로서 유효한 성능을 가지는지 연구하였다. 접촉각 측 정을 통해 높은 접촉각을 나타낼수록 발수 능력이 우수하며, 높은 발 수력은 동절기 눈의 부착 및 결빙을 방지하거나 지연시킬 수 있을 것 으로 판단하였다. 고속철도차량용 제ㆍ방빙액 개발을 위해 선정된 4 종의 발수제를 프로필렌글리콜 수용액에 0.5, 1, 1.5, 2.0 wt% 첨가한 제ㆍ방빙액의 접촉각 평가를 진행하였고, Table 2에 정리하였다. 제ㆍ 방빙액을 도포하지 않은 시험편의 물에 대한 접촉각은 25.6°로 측정 되었으며, 순수한 프로필렌글리콜 70% 수용액을 도포한 시험편의 Figure 4. Effect of silane type water-repellent content on 2nd contact angle. 물에 대한 접촉은 15.4°로 측정되었다. 친수성의 프로필렌글리콜 수용 액이 시험편 전체 표면을 덮고 있어 물이 시험편에 접촉 시 시험편 전체에 넓게 확산되어 더 낮게 접촉각이 측정된 것으로 판단하였다. 발수성분이 포함된 4종의 제ㆍ방빙액에 대한 함량별 1차 접촉각 측정 결과 발수 성분이 포함되어 있지 않은 프로필렌글리콜 수용액의 접촉 각과 동일한 15.4° 정도의 낮은 접촉각이 측정되었다. 그 이유는 동일 하게 기재인 친수성의 프로필렌글리콜 수용액이 시험편 전체 표면을 덮고 있어 발수제의 영향 보다 기재인 프로필렌글리콜의 영향으로 인 해 낮은 접촉각을 보인 것으로 판단된다. 그러나 고속열차의 경우 고 속주행으로 인해 프로필렌글리콜은 소실되어 사라지게 되므로, 실제 차량에서 발생할 수 있는 환경에 대한 평가가 필요하여 2차 접촉각에 대해 측정을 하였다. 2차 접촉각 측정 결과 GCC사의 HEXAFOR 6380P 제품과 HYDROSIN NF-01 발수제를 함량별로 첨가한 제ㆍ방 빙액의 경우 도포하지 않은 시험편과 비슷한 25.4~25.6° 정도의 접촉 각이 측정되었고, DOW사의 OFS-6011은 최대 92.5° 정도의 접촉각과 Q3-9030 발수제의 경우 최대 103.4° 정도의 높은 접촉각이 측정되었 다. GCC사의 두 발수제의 경우 짧은 시간동안 시험편 표면에 발수층 을 형성하지 못하고 프로필렌글리콜과 함께 쉽게 제거되는 것으로 판 단된다. DOW사 ethoxysilane type의 두 발수제의 경우 분자 내 ethoxysilane 분자와 물이 반응하여 짧은 시간동안 시험편 표면에 부착되어 발수층을 형성하여 높은 발수력을 나타내며, fluoro 성분이 포함된 Q3-9030의 발수제의 경우 분자 내 낮은 표면 에너지를 가지는 -CF3의 구조로 인해 더 높은 접촉각을 나타낸 것으로 판단된다. DOW사의 두 발수제에 대한 함량별 접촉각 측정 시 Figure 4에 나타난 그래프와 같 이 1 wt% 함량부터 접촉각은 크게 변화지 않는 것을 확인하였다. 발 수 성분이 포함된 프로필렌글리콜 기반 제ㆍ방빙액에 대한 접촉각 평 가 시 ethoxysilane type 발수제가 적합하였으며, 함량은 1 wt% 이하로 사용하는 것이 가장 적합한 것으로 판단된다.

3.4. 방빙성능 평가 결과

3.3 2차 접촉각 측정을 통해 프로필렌글리콜 수용액이 사라진 환경 에서 ethoxysilane type 발수제가 시험편 표면에 빠르게 발수층을 형성 하여 높은 접착각을 가지는 것을 확인하였다. 방빙성능에 대한 평가 는 접촉각이 높은 ethoxysilane 발수제를 1 wt% 포함된 프로필렌글리 콜 기반 제ㆍ방빙액을 도포한 시험편, 발수 성분이 미포함된 프로필 렌글리콜 기반 제ㆍ방빙액을 도포한 시험편 및 제ㆍ방빙액을 도포하 지 않은 시험편에 대해 비교 평가를 진행하였고, Figure 5에 정리하였 다. 평가 결과 제ㆍ방빙액을 도포하지 않은 시험편과 발수 성분이 미 포함된 제ㆍ방빙액을 도포한 시험편의 경우 10분부터 시험편에 결빙 이 발생하였으며, 20분 후 시험편 전체에서 결빙이 발생한 것을 확인 하였다. 발수 성분이 미포함된 제ㆍ방빙액을 도포한 시험편의 경우 제ㆍ방빙액 도포 시 경사면을 따라 거의 대부분 흘러내려 소실되어 동일한 결과를 보인 것으로 판단된다. Ethoxysilane 발수제 성분이 1 wt% 포함된 프로필렌글리콜 기반 2가지 제ㆍ방빙액의 경우 모두 20 분부터 결빙이 시작되는 것을 확인하였고, 최종 2시간 후에도 시험편 에 전체에 결빙이 발생되지 않는 것을 확인하였다. 접촉각 평가 결과 와 같이 시험편 표면에 빠르게 발수층을 형성하고 높은 접촉각을 나 타내는 ethoxysilane type 발수 성분이 눈의 부착 및 결빙을 방지하는 것으로 판단하였다. 참고문헌 15의 경우 알루미늄 재질에 발수를 처 리한 표면과 처리하지 않은 표면에서의 결빙의 성장을 확인한 결과 발수 처리한 표면에서 얼음의 성장이 지연됨을 본 연구와 동일하게 확인하였다. 따라서 발수 성분이 포한된 프로필렌글리콜 기반 제ㆍ방 빙액의 경우 철도 운행 전 사전에 살포하여 발수 성분에 의해 빠르게 대차 표면에 발수층을 형성하여 눈의 부착 및 결빙을 지연시켜 운행 후 발생되는 부분적 결빙에 대해 해빙 효율을 더 높일 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구진이 최종적으로 개발하고자 하는 제빙액과 방빙액 의 특성 모두 가지는 고속철도차량용 제ㆍ방빙액으로 유효한 성능을 가진 것으로 판단하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 발수제 종류 및 함량이 프로필렌글리콜 제ㆍ방빙액 에 미치는 영향을 평가하기 위해 4종의 발수제에 대해 종류 및 함량 별 점도, 융빙성능, 접촉각 및 방빙성능을 비교 평가하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

발수성분을 포함하는 프로필렌글리콜 기반 제ㆍ방빙액의 점도 및 융빙성능은 전체 비율 중 98% 이상을 차지하고 있는 기재인 프로필 렌글리콜과 물에 의한 프로필렌글리콜 수용액의 특성에 의해 결정되 는 것으로 확인되었다. 발수제를 포함하여도 동일한 살포시스템을 통 해 살포 가능하며, 제빙액으로 유효한 성능을 가진다.

발수성분을 포함하는 프로필렌글리콜 기반 제ㆍ방빙액의 접촉각 평가 결과, 1차 접촉각 측정 시 발수제 종류 및 함량과 관계없이 대략 15.4° 정도의 낮은 접촉각이 측정되었으며, 그 이유는 친수성의 프로 필렌글리콜이 시험편 표면을 덮고 있어 프로필렌글리콜 수용액의 영 향으로 인해 낮은 접촉각을 보인 것을 판단된다. 2차 접촉각 측정 시 발수제의 종류와 함량에 따라 접촉각은 크게 차이가 나며, ethoxysilane type 발수제가 짧은 시간 표면에 발수층을 형성하여 90° 이상 의 높은 접촉각을 가지는 것을 확인하였다. 비 silane type 발수제의 경우 프로필렌글리콜과 함께 쉽게 제거됨을 확인하였다. 또한, ethoxysilane type의 발수제의 경우 분자 내 fluoro 성분이 포함된 경우 더 높은 접촉각을 가지는 것으로 확인되었고, 발수제 함량의 경우 1 wt% 이상 첨가 시 접촉각 변화가 크지 않은 것으로 측정되어, 발수제의 함 량은 최대 1 wt%인 것을 확인하였다.

방빙 성능 평가 결과, ethoxysilane type 발수제를 1 wt% 포함한 프로 필렌글리콜 기반 제ㆍ방빙액을 도포한 시험편과 미도포 시험편 및 발 수제 성분이 없는 프로필렌글리콜 기반 제ㆍ방빙액을 도포한 시험편 을 비교 평가한 결과 접촉각 특성과 같이 ethoxysilane type의 발수제 성분이 포함된 제ㆍ방빙액을 도포한 시험편에서 결빙의 발생이 지연 됨을 확인하였다. ethoxysilane type의 발수제가 시험편에 빠르게 발수 층을 형성하여 물의 부착을 방해하여 결빙을 지연시키는 것으로 판단 된다.

본 연구에서는 동절기 설빙으로 인한 고속철도차량의 피해 저감을 위해 프로필렌글리콜을 기재로하는 제빙액에 발수 성분을 첨가하여 방빙 기능을 부여한 제ㆍ방빙액을 설계하였다. 이러한 제ㆍ방빙액은 운행 전 살포되어 대차 표면에 발수층을 형성하여 눈의 부착 및 결빙 을 지연시키고, 운행 중 발생한 작은 결빙을 쉽게 제거할 수 있어 더 효율적인 화학적 제ㆍ방빙이 가능하다.