01분반 1조 살려wear조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 의류 폐기물 재활용율 향상을 위한 천연섬유 자동 분류 시스템 설계

영문 : Design of an Automated Natural Fiber Sorting Systemto Improve Clothing Waste Recycling Rates

과제 팀명

살려wear

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2025년 03월 ~ 2025년 06월 (총 04개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2020890*** 이*든(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2020890*** 양*현

서울시립대학교 환경공학부 2020890*** 유*서

서울시립대학교 환경공학부 2020890*** 황*규

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

- 패스트패션으로 늘어난 폐의류 문제를 해결하기 위해 근적외선(NIR) 기반의 자동 섬유 선별 시스템을 구축하는 것을 목표로 한다.

- 현재 수작업에 의존하는 섬유 분류를 NIR 센서와 기계학습(SVM, KNN)을 활용해 자동화하여 정밀하고 빠른 분류를 가능하게 하고, 공압 제어 장치와 자동화 라인으로 연계하여 처리 효율을 높인다.

- 이를 통해 폐의류 재활용률을 높이고, 자원순환형 섬유 산업을 촉진하며, 환경오염을 줄이고 지속가능한 자원관리에 기여한다.

개발 과제의 배경

- 세계적으로 패스트패션 확산으로 의류 생산량과 폐의류 발생량이 크게 증가하고 있다. (2019년 5.9만 톤에서 2021년 11.8만 톤으로 증가. 이후 10만 톤 이상 유지)

- 한국은 중고 의류 수출 세계 5위국이며, 대부분의 폐의류가 수출되고 있으나 중국의 폐의류 수출 급증으로 세계 시장에서 공급 과잉 문제가 발생하고 있다.

- 국내 친환경적 폐의류 처리 방안 마련이 필요하지만, 이를 위해서는 천연섬유와 합성섬유의 정밀 분리가 필수적이나 현재는 수작업과 단순 기계에 의존해 효율성과 정확성이 낮다.

- 이에 따라 효율적인 자동 분류 기술 개발이 필요하며, 이를 통해 폐의류 처리 효율을 높이고 환경오염을 줄이고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 개발과제의 목표

① 폐의류를 구성하는 섬유 종류를 정확하게 식별할 수 있는 NIR 기반 분광 시스템을 구현하고

② 분석된 결과를 바탕으로 공압 분사 방식 등 기계적 선별장치를 통해 폐의류를 자동 분류하며

③ 선별된 폐의류의 품질 기준에 따라 후속 자원화 공정과 연계 가능한 구조를 구축하는 것이다.

2) 개발과제의 내용

① 폐의류 수거 및 입력 시스템 설계: 근적외선(NIR) 기반 자동 선별을 위해서는 폐의류가 센서 측정 위치를 안정적으로 통과할 수 있도록 이송 시스템을 구축

② 근적외선(NIR) 기반 섬유 판별 시스템 개발: 이송된 폐의류는 근적외선 분광 센서를 통과하며, 센서는 섬유의 반사 스펙트럼을 수집한다. 수집된 스펙트럼은 섬유의 화학적 구조에 따라 고유한 특성을 나타내므로, 이를 분석하여 천연섬유(면, 울 등)와 합성섬유(폴리에스터, 나일론 등)를 구분할 수 있다.

③ 자동 분류 및 분사 시스템 설계: 섬유 분류 결과에 따라 폐의류를 자동으로 분리하기 위해, 공압 분사 방식의 자동 분류 장치를 설계

➡️ 최종적으로, 폐의류 선별의 자동화와 고도화를 통해 재활용률을 제고하고, 의류 폐기물로 인한 환경 부담을 저감하는 것을 본 과제의 핵심 목표로 한다.

- 이를 통해 다양한 섬유 혼합 폐의류도 실시간으로 자동 식별할 수 있으며, RGB 센서와 전용 알고리즘으로 보완성을 강화했다.

- 기술적으로는 스마트 재활용 설비의 표준화 가능성을 열었고, 사회적으로는 재활용률 향상, 자원순환 촉진, 작업자의 안전성 확보, 환경오염 저감 및 지속가능한 순환형 패션 산업 구축에 기여할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

- 경제적·사회적 효과를 산정하기 위해 편익은 자원 재활용률 증가, 고부가가치 원단 회수, 운영비 절감 등으로 구성

- 비용은 시스템 설치·유지관리 요소로 설정한다. 아울러 기후변화 대응 정책, 순환경제 촉진, ESG 제도와 연계된 지원금·규제·사회적 파급 효과를 종합적으로 고려하여 B/C 분석을 수행한다.

- B/C Ratio 분석 결과 약 4.08로 본 시스템의 도입이 경제적 타당성이 매우 높음을 알 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

1) 시스템 완성도: 프로토타입의 구동이 정상적으로 작동하도록 제작 되었는가

2) 선별 장치 정확도: 근적외선을 활용하여 합성섬유를 정확히 선별해내는가

3) 실현 가능성: 기존 수 선별 대비 경제성이 있는가

4) 경제성: 후속 자원화 공정과의 연계 가능한가 + 소각/매립 되는 의류량 저감이 가능한가

설계 사양

1) 의류 제공부 :

- 의류 제공부에서 혼합된 의류를 적합하게 펼칠 수 있는 효과적인 방법 설계

- 유도 가열부를 이용한 건조 및 살균 전처리 과정 설계

- 로봇팔을 이용하여 수작업 최소화

2) 의류 이동부:

- 선별 재합류 형식

- 혼합 섬유의 경우 별도 효율을 높이기 위한 미선별 의류 검증라인 설치

3) 의류 선별부

- RGB 센서를 이용하여 어두운 계열 / 밝은 계열 섬유 구분 및 맞춤 알고리즘 적용

- NIR 센서를 이용하여 NIR 흡수율에 따른 섬유 종 구분

4) 의류 분리부

- 압축 공기 분사 장치를 이용한 자동 분리 설계

개념설계안

위 그림은 본 설계의 CAD 설계안으로, 장치는 로봇팔을 이용하여 컨베이어벨트 위에 의류를 하나씩 연속적으로 올려놓을 수 있는 제공부, NIR 및 RGB 센서와 섬유 선별 알고리즘으로 이루어진 선별부, 선별 결과를 바탕으로 압축 공기를 이용하여 의류를 분리하는 분리부로 구성된다. 해당 과정을 거치며 선별되지 않은 의류는 다시 선별부로 합류하는 구조로 설계했다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1) 이동부(컨베이어벨트) 설계

[컨베이어 이송 속도와 섬유 간 간격 계산]

본 과제의 컨베이어 벨트의 이송 속도는 의류 간 엉킴을 방지하고, 센서 및 알고리즘의 분석 시간이 충분히 확보될 수 있도록 0.5m/s로 설정하였다. 섬유 선별 알고리즘의 처리 시간은 약 1~3초로 예상되며, 이에 따라 의류 간 간격은 최소 0.5m에서 최대 1.5m 이상으로 설정되어야 한다. 컨베이어 속도(0.5m/s) 설정 시 NIR 알고리즘 반응시간(1~3초)에 맞춰 섬유 간 거리를 산정하는 식은 아래 식(1)과 같다. 컨베이어 벨트의 이동속도와 알고리즘 반응 시간을 곱하여 컨베이어 벨트 위의 섬유 간 간격을 구한다.

식(1)에 따라 0.5m/s의 속도로 1초간 이동 시 0.5m, 3초간 이동 시 1.5m의 간격이 필요함을 확인하였다. 따라서 본 시스템에서는 최소 1.2m 이상의 간격을 확보하는 것을 기준으로 설계하여, 데이터 처리 중 의류가 겹치는 현상을 방지하고 시스템 안정성을 확보하였다.

2) 분리부 설계

[압축공기 분사력 계산]

분리부 내 압축공기분사장치의 압력은 플라스틱 재활용 시스템인 TOMRA Recycling Systems 의 제원과 대한설비공학회의 한국표준협회 KS B ISO1217를 참고하여, 0.5 MPa로 설정했다. 위 자료에 따르면, 0.3 MPa 압축 공기로 10~20g의 물체를 충분히 밀어낼 수 있는데, 남성용 17수 티셔츠의 무게가 약 190g 임을 감안했을 때, 0.5 MPa 압축 공기를 사용하는 것이 경제성과 안정성을 보장할 수 있을 것이라 기대된다.

상세설계 내용

1) 식별 대상 섬유 설정

폐의류 섬유 식별 자동화 시스템 구축을 위해 먼저 식별 대상 섬유 목록을 확정하였다. 본 과제에서는 실제 폐의류에서 주요하게 발견되는 섬유를 고려하여 Cotton, Polyester, Nylon, Acrylic의 총 4종을 식별 대상으로 선정하였다. 섬유별 반사 특성 분석을 위해 파장별 반사 스펙트럼 데이터를 확보하였으며, 데이터는 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 제공하는 NIR-SORT 데이터베이스를 활용하였다(https://data.nist.gov/od/id/mds2-3325).

2) 섬유의 반사 스펙트럼 수집을 위한 아두이노 설계

본 설계에서는 폐의류 내 섬유 조성과 색상을 실시간으로 식별하기 위해 아두이노 기반 근적외선(NIR) 및 가시광선(RGB) 센서 시스템을 구축하고자 한다. 아두이노 기반 시스템은 a) SparkFun Triad Spectroscopy Sensor (AS7265x)와 b) TCS34725 RGB Color Sensor를 중심으로 구성되며, 향후 공압식 자동 분류 장치와 연동하여 섬유 종류 및 색상별 분리 작업을 제어하게 된다.

a. SparkFun Triad Spectroscopy Sensor (AS7265x) - 가시광선 및 근적외선(NIR) 감지 센서

- 측정 파장 범위: 410nm ~ 940nm

- 통신방식: I²C 및 UART (I2C 기본 주소: 0x49)

- 전원공급: 3.3V

- 아두이노, Python 라이브러리 제공

b. TCS34725 RGB Color Sensor - 정확한 색상 감지를 가능하게 하는 RGB 컬러 센서

-측정 파장 범위: 약 380nm ~ 780nm

-통신방식: I²C (주소: 0x29

-전원공급: 2.7V ~ 3.6V

-통합시간: 2.4 ms ~ 700 ms

AS7265x 및 TCS34725는 각각 아두이노(Arduino Uno R3)와 연결되며, 통신 안정성과 전압 호환을 위해 논리레벨 변환기(Bi-Directional Logic Level Converter)를 함께 사용한다. 수집된 스펙트럼 및 색상 데이터는 아두이노를 통해 실시간 처리되어 섬유 종류 및 색상별로 폐의류를 자동 분류하는 시스템을 제어한다.

3) 제어부 및 회로 설계

폐의류 섬유 분류를 위해 AS7265x 근적외선(NIR) 센서와 TCS34725 RGB 센서를 아두이노 보드에 연결하여 반사율 데이터를 수집하였다. RGB 센서의 반사율은 기준 색상 값과 비교하여 색상을 판별하고, 이를 통해 색상 기반 분류 모델을 선택한다. NIR 센서로부터 측정된 스펙트럼 반사율을 모델의 입력값으로 활용하여 섬유의 종류를 예측한다. 폐의류의 색상과 섬유의 종류를 LCD 패널에 출력되도록 한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용