1호선빌런조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 지하철 전동차 내 공기질 개선(이산화탄소, 초미세먼지, 바이러스) 에어커튼 설계

영문 : Aircurtain for improving air quality(CO2, PM2.5, Virus) in subway

과제 팀명

1호선 빌런

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20**8900** 안**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20**8900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20**8900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20**8900** 조**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 대중교통에서 지하철이 차지하는 비중 및 지하철 이용 승객은 지속적으로 증가하는 추세이다. 이는 시민들이 지하환경에 노출되는 시간이 늘어난다는 것을 의미한다. 이에 따라 효율적인 지하철 공기질 관리를 위한 공기정화시스템 개선에 대한 검토가 필요하다. 현재 지하철은 지상의 공기가 환기구를 통해 유입되어 필터로 걸러진 후 지하로 공급된다. 하지만 이 필터는 일산화탄소, 이산화탄소, 바이러스와 같은 오염물질을 모두 걸러내지 못하여 지상의 대기질이 악화되면 이에 비례해 지하의 공기도 악화된다는 특징이 있다. 실내공기의 경우 폐쇄성으로 인해 확산할 수 있는 공간이 크지 않아 한번 오염이 되면 정화가 어려운 특성을 가지기 때문이다. 오염물질의 지속적인 유입과 누적이 계속되면 다양한 질환을 유발하게 된다. 서울 교통공사는 열차 출입문 개폐 시 객실로 유입되는 미세먼지 저감을 위해 열차 내부에 공기 질 개선장치를 새로 설치하였지만, 해당 장치는 미세먼지만을 대상으로 하여 다른 오염물질은 정화하지 못한다. 또한, 전동차 출입문에 장착한 에어커튼은 객실 내부와 외부의 공기를 차단해 전동차 내의 이산화탄소가 확산하지 못하고 누적되고 있음을 예상할 수 있다. 이 외에도 최근 코로나 19와 같은 전염성 질병의 유행 사례가 증가하여 실내 바이러스에 대한 시민들의 두려움이 커지고 있다. 그러므로 본 과제는 지하철 전동차 내 에어커튼 사용으로 인해 축적된 CO2 정화와 UV를 이용한 공기 살균이 가능한 공기 질 개선장치를 설계하는 것을 목표로 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 개발 배경
 현대인들은 많은 시간을 교통수단에서 보낸다. 통계개발원의 ‘국민 삶의 질 2021’ 보고서에 따르면, 2020년 전국 평균 출퇴근 시간은 61.6 분이었으며, 국토교통부와 한국교통안전공단의 2020년 ‘수도권 대중교통 이용실태’ 데이터에 따르면 수도권 평균 출퇴근 시간은 1시간 27분으로 나타났다. 이는 OECD 평균인 28분에 비해 굉장히 높은 수치이다. 같은 자료에 의하면 경기도-서울 방면으로 출근하는 사람은 버스와 광역·도시철도를 환승해서 이용(39.3%)하는 경우가 많았고, 인천-서울 출근자의 경우 광역·도시철도(54.3%)가 주된 교통수단이었다. 서울-인천 출근은 버스+광역·도시철도 환승(56.5%) 이용이 많았다. 이 자료를 토대로 많은 시민들이 대중교통을 이용하며 그 중에서도 도시철도 이용 비율이 매우 높다는 것을 알 수 있다. 실제로 교통카드 빅데이터 통합정보시스템에서 2021년 도시철도의 이용 건수가(2,168,228,164 회)이 시내버스(2,078,592,329)에 비해 높다는 것을 확인할 수 있다. 이 자료들을 토대로 한국인은 지하철 내에서 소요하는 시간이 길다는 것을 예측할 수 있으며 지하철에서의 대기질은 시민들의 건강에 적지 않은 영향을 끼칠 것이라고 간주된다.

◇ 기존 제도의 문제점
 현재 지하철 객차 내에서는 초미세먼지, 이산화탄소가 측정되고 있으며 혼잡시와 비혼잡시 모두 실내공기질 유지기준에 부합하지만 이산화탄소 농도는 혼잡시에는 기준에 근접하고 높은 수치를 보이고 있다. 따라서, 지하철 객차 내 이산화탄소 농도를 관리할 필요성이 있다. 또한, 현재 지하철 차량에는 공기질 개선장치 및 에어커튼이 설치되어 있으나 이는 (초)미세먼지와 부유세균만을 제거할 뿐 다른 오염물질을 제거하지는 못하고 있으며 이산화탄소 센서가 차량 내 설치되어 있으나 이산화탄소 농도 제어는 환기를 통해서만 이루어지고 있다.

 서울교통공사는 2020년부터 일 년간 지하철 7호선 747편성 차량에 에어커튼을 부착하여 시범 운영을 하였으며 전 차량에 에어커튼을 설치할 계획에 있다고 보고하였다. 에어커튼은 지하철 차량 출입문에 설치되어 차량 문이 열릴 때 바람을 일으켜 (초)미세먼지를 차단하는 역할을 한다. 그러나, 에어커튼 작동으로 인해 객차 내의 공기가 밖으로 빠져나가지 못해 이산화탄소가 차량 내부에 머물러 있어 실내 공기질이 악화될 가능성이 있다. 특히, 현재 이산화탄소 농도 제어는 환기를 통해서만 이루어지고 있기 때문에 이를 제거하기 위한 장치를 설치할 필요성이 있다.

◇ 개발 효과
 인체는 이산화탄소에 노출되었을 때 심각한 영향을 받게된다. 높은 농도의 이산화탄소에 노출될 경우, 신체 내 산소의 비중을 낮추어 중독증상(호흡곤란, 어지럼증, 피로 등)이 발생하게 된다. 실제로 Fig 1.1을 통해 볼 수 있듯, 지하철 혼잡시 전동차 내 이산화탄소 농도는 전체 평균 1,373 ppm 인 것을 알 수 있는데, 이는 인체에 피로를 줄 수 있는 농도이다. 따라서 지하철 내에서 인체에 유해한 물질을 감소시킨다면 국민의 건강과 삶의 질 향상에 도움을 줄 것으로 예측된다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇‘2050 탄소중립’ 정책에 맞추어 지하철 객차 내 이산화탄소를 제거하고 실내공기질을 개선한다.
◇ 지하철 객차 출입문에 설치될 이산화탄소 흡착장치 및 공기 분사 에어커튼을 간소화한다.
◇ 이산화탄소 흡착제가 들어간 에어커튼 가동 시 필요한 동력을 산출한다.
◇ 기기 설치로 인해 발생하는 불편함과 승객의 건강에 미치는 영향을 최소화한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 미국 지하철 전동차 공기질 개선시스템
 미국 지하철 전동차 내 환기 시스템은 우리나라 전동차 환기 시스템과 유사하다. 외부 공기는 평균 3분 20초마다 지하철 양측 끝 2개의 환기장치에서 유입된다. 유입된 공기는 환기장치 내의 필터 및 냉각 코일을 통해 실내로 유입된다. 필터는 덕트 유입 전 크고 작은 에어로졸을 차단하는 임무를 수행하며, 일부 입자 및 바이러스는 필터를 통과하게 된다. 이 필터는 일반적으로 면과 합성 섬유로 이루어져 있고 골판지 프레임 형식으로 표면적을 증가시켜 수분의 통과를 막는 것에 효율적인 방식으로 설계되어 있다. 필터의 효율은 최소효율 보고 값인 Minimum efficiency reporting value(이하 MERV)로 평가되는데, 1에서 20의 단계로 이루어져 있다. 등급이 클수록 필터의 성능이 더 뛰어나다고 평가되며 현재 뉴욕 지하철은 MERV -7등급의 필터를 사용하고 있다. 평균 교체주기는 36일이다. 하지만 COVID-19 확산 방지를 위해서는 MERV -13 이상의 필터 사용이 요구된다.
 미국 지하철 내 공기 질에 대한 논란이 계속됨에 따라 미국 교통국(Metropolitan Transportation Authority, 이하 MTA)은 자외선을 이용한 바이러스 제거 기술을 테스트하고 있다고 밝혔다. 또한, 샌프란시스코 지역의 Bay Area Rapid Transit(BART) 시스템은 2021년 8월 기존보다 성능이 우수한 필터 및 자외선을 이용한 공기 살균 시스템을 시험하고 있으며, 이 차량은 기존의 3분 20초의 약 1/3가량인 70초마다 공기를 교체한다.

◇ 인도 급행열차의 공기질 개선 시스템
 인도의 대도시 첸나이의 Integral Coach Factory(ICF)는 2023년 8월까지 75대의 ‘Vande Bharat’ 열차를 생산한다는 계획을 수립하였다. 이 열차는 공기 정화를 위해 지붕 장착 패키지 유닛(Roof-Mounted Package Unit, RMPU)에 광촉매 자외선 공기 정화 시스템을 갖추고 있다. 이 시스템은 외기 공기를 통해 들어오는 세균, 박테리아, 바이러스를 여과하고 제거하도록 RMPU의 양 끝에 설계 및 설치되어 있다. 
 이 RMPU 시스템에 포함된 공기 필터는 세 가지이다. 이 필터들은 직물 파손 방지, 열접착 난연성 합성물질로 만들어졌다.

◇ 캐나다 토론토의 지하철 비산먼지 연구
 캐나다는 지하철 철도 차량을 현대적으로 도입함으로서 플랫폼 및 전동차의 (초)미세먼지를 개선하였다. 토론토 대학의 연구원들은 지하철 플랫폼과 열차 내부에서 2010-2011년의 PM2.5와 1호선에 신차를 도입한 이후인 2018-2020년의 PM2.5 수준을 비교하였다. 결과적으로 1호선 플랫폼의 PM2.5 수준이 2010-2011년 수준에 비해 약 30% 감소했으며 1호선 열차 내부의 수준이 약 50% 감소했다. 또한, 토론토 내에서도 플랫폼에 따라 공기질은 상이했으며 부분적으로 외부로 개방된 곳에서 공기질이 더 개선되었다고 밝혔다. 
 이와 대조적으로 신차를 도입하지 않은 토론토의 2호선에서는 2010-2011년에 비해 플랫폼에서 PM2.5 수준이 거의 50%, 지하철 2호선 내부에서 13% 증가한다는 것을 발견하였다. 비산먼지의 증가 원인은 브레이크 먼지와 관련된 것으로 확인되었으며, 2018년 이후 지하철 열차의 제동 패턴이 기존 열차의 제동 패턴보다 비산먼지를 저감하는 것으로 밝혀졌다. 

기술 로드맵

특허 조사 및 특허 전략

◇ 철도 차량 객실용 에어커튼
  - 출원번호 (출원일자) : 1020210070072 (2021.06.14)
 철도차량 객실용 에어커튼으로 특히 철도차량 객실 내 빈 공간을 활용하여 설치 가능하도록 구성되었다. 객실 내 공기를 이용하여 공기가 유입되는 유입구와 공기가 배출되는 배출구, 본체 내의 모터로 구성되어 있으며 모터가 회전됨에 따라 유입구를 통해 객실 내 공기를 흡입하여 배출구로 공기를 배출함으로써 에어커튼을 형성한다. 본체는 출입문에 인접한 의자와의 사이 공간에서 배출구가 출입문을 향하도록 설치되는 것을 특징으로 한다. 출입문의 테두리를 따라 에어분출 파이프를 설치하고, 에어탱크로에 저장된 에어를 에어분출 파이프를 통해 배출하여 에어커튼을 형성한다. 그러나, 이것은 현실적으로 출입문의 테두리를 따라 에어분출 파이프를 설치하는 것이 어려우며, 이를 위해 에어탱크를 별도로 철도차량에 설치하여야 하므로 해당 공간을 확보하기 어렵다는 문제가 있다.

◇ 전철 객차의 에어커튼 장치
   - 출원번호 (출원일자) : 1020080102208 (2008.10.17)
  전철 객차의 출입문에 설치되어 출입구로 공기를 분출하여 개방된 객차의 출입구에 에어커튼이 형성되도록 하는 장치이다. 전철 객차의 에어커튼 장치는 에어송출기, 에어커튼용 덕트, 방향 전환 수단, 출입구용 센서, 제어장치로 이루어진다. 에어송출기는 전철의 객차 천장 상부공간에 설치되어 외부로 공기를 배출하며 에어커튼용 덕트는 에어송출기와 연통이 가능하게 설치되고, 분출구가 객차의 출입구에 위치되어 에어송출기로부터 배출되는 공기가 객차의 출입구로 분출될 수 있도록 한다. 방향 전환 수단은 에어송출기와 에어커튼용 덕트 사이에 설치되어 에어송출기에서 배출되는 공기가 객차의 내부 공간과 에어커튼용 덕트의 출구 중에서 선택된 어느 하나로 유도되도록 한다. 출입구용 센서는 객차의 출입구 개폐여부를 검출하게 된다. 제어장치는 출입구용 센서로부터 출입구의 개폐 정보를 입력받아 방향 전환 수단을 작동시키되, 출입구가 폐쇄된 상태에서는 객차의 내부 공간으로 공기가 유도되도록 하고, 출입구가 개방된 상태에서는 개방된 출입구에 출구가 형성된 에어커튼용 덕트로 공기가 유도되도록 한다.

◇ 철도차량 객실용 공기질 개선시스템
  - 출원번호 (출원일자) : 1020190089681 (2019.07.24)
 철도차량 객실용 공기질 개선시스템에 관련된 것으로 이 공기질 개선시스템은 특히 외부공기를 유입시키지 않고 객실 내 공기를 순환시키며 공기질을 개선할 수 있도록 객실 천장에 설치되는 천장형 본체와, 상기 천장형 본체의 내측 일단부에 구비되어 객실 내 공기를 천장형 본체의 내부로 유입시키는 제1 유입팬과, 상기 천장형 본체의 내측 타단부에 구비되어 유입된 공기를 정화하는 제1 필터를 포함하는 천장형 공기청정장치를 포함하고 있다. 천장형 공기청정장치는 객실의 천장에 설치되어 외부공기를 유입시키지 않고 객실 내 공기를 순환시키면서 포집 공간으로 먼지를 선 제거하고 필터를 통해 미세먼지 입자를 제거하여 공기질을 개선할 수 있다. 측면형 공기청정장치도 객실의 상측 측벽에 설치되어 객실 내 공기를 순환시키면서 미세먼지 입자를 제거하고 공기질을 한층 더 개선할 수 있다. 또한, 천장형 공기청정장치와 측면형 공기청정장치 모두 필터의 교환을 용이하게 하여 유지보수의 편의성을 증대시킨다.

◇ 바이오차를 이용한 이산화탄소 흡착제 및 이의 제조방법
  - 출원번호 (출원일자) : 1020200066045 (2020.06.01)
 본 특허는 다양한 바이오매스를 이용하여 활성화된 바이오차를 제조하고, 이를 이용한 이산화탄소 흡착제를 제조하는 것을 포함한다. 또한, 바이오차를 제조하는 단계에서 바이오차에 KOH 활성화 및 CO2 활성화 중 어느 하나 이상을 수행하는 단계를 포함하고, 표면적이 1000 m2/g 이상이고 총 공극 부피가 0.5 cm3/g 이상인 것인, 이산화탄소 흡착제의 제조방법을 포함한다. 현재까지 이산화탄소를 흡착하기 위하여 활성탄을 주로 사용였으나 활성탄은 바이오매스를 이용하는 바이오차에 비하여 비용이 높고, 효과적으로 재생이 어렵다는 단점이 있다. 반면, 바이오차는 활성탄의 가격의 대략 15 % 미만으로 매우 경제적이다. 즉, 저가의 비용으로 높은 이산화탄소 흡착능을 갖는 바이오차를 이용한 이산화탄소 흡착제를 제조할 수 있으며, 본 발명에 따르면 계분 등을 바이오매스로 이용함으로써 가축 폐기물을 처리할 수 있고, 재사용이 가능한 이산화탄소 흡착제를 제조할 수 있다. 본 특허에서는 KOH 또는 CO2가 활성화된 바이오차는 빠른 흡착속도 및 우수한 재생능력을 가졌고, 특히 N2에 대한 CO2 선택성이 매우 우수함을 확인하여 KOH 활성화, 또는 KOH 및 CO2 활성화는 지구 온난화 방지를 위해 바이오차의 CO2 흡착 능력을 향상시키는 효과적인 옵션으로 사용될 수 있을 것으로 예상한다.

특허 전략

 ◇ 지하철 객실용 에어커튼에 관한 한국 특허는 새로운 임펠러 사용 또는 에어 송출기의 구조에 관련된 특허이거나 기존 에어커튼의 공기 분사 원리를 이용하였으나 에어커튼의 설치 위치에 따라 에어커튼 구조를 개선하여 성능을 향상시키는 특허가 많은 반면, 기존 에어커튼 장치 내 공기질을 개선하는 구조 장치를 더한 새로운 형식의 에어커튼을 제시하는 특허는 거의 존재하지 않는다. 그러므로 기존 에어커튼에 초미세먼지와 이산화탄소, 바이러스를 제거할 수 있는 장치를 더해 기기 장치의 효용성을 입증할 경우에는 특허로 등록될 수 있을 것으로 예상된다. 
 ◇ 한국 특허의 경우 특허가 실용성이 떨어질 경우 특허 등록이 잘 승인되지 않는 경향이 있다. 그러므로 지하철 객차 내의 공기 중 이산화탄소와 바이러스, 초미세먼지를 저감 시킬 장치가 들어간 에어커튼을 특허로 인정받기 위해서는 성능을 입증할 필요가 있다. 
 ◇ 특허가 인정받기 위해서는 발명의 신규성과 독창성을 인정받아야 한다. 기존 에어커튼에 초미세먼지 필터, UV, 이산화탄소 흡착제를 동시에 적용하는 사례는 전무후무하기 때문에 기존 에어커튼 내 초미세먼지 필터에 이산화탄소 흡착제를 더하고 UV 살균제를 첨가한다면 신규성을 인정받을 수 있을 것으로 전망된다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

 ◇ 기존의 지하철 내 시범운영되고 있는 공기질 정화 장치와 폐기물 재활용 흡착제에 대해서 조사하여 대표적으로 사용되고 연구되는 제품을 표로 정리하면 다음과 같다. 

마케팅 전략

 ◇ 마케팅 전략을 수립하기 위해 SWOT 분석을 하였다. SWOT에서 각 글자가 나타내는 뜻은 Strength, Weakness, Opportunity, Threat이며 이에 해당하는 방법과 같이 정리하면 아래와 같다.

1. SO 전략(강점살려 기회잡자!)

◇ 코로나 팬데믹 이후 시민들의 바이러스 예방 관련 관심이 증가되었다. 코로나 바이러스는 공기순환이 이루어지지 않는 실내에서 전염위험이 가장 높고 기존 에어커튼은 공기순환을 방해하여 바이러스 노출 위험이 높았다. 이에 UV 살균 기능을 추가하여 바이러스 예방 효과를 누릴 수 있다.
◇ 환경오염문제가 심화되며 야외 대기질 뿐만 아니라 실내 대기질 관리에 관한 관심 또한 높아지고 있다. 실내 환기가 부족하여 이산화탄소 농도가 증가할 시, 집중력 감소와 업무수행능력, 학습능력에 부정적인 영향을 끼친다. 시민들이 많은 시간을 보내는 공간이기에 공기질을 더욱 개선하여 삶의 질을 높일 수 있다. 
◇ 추가 장치를 부착하는 것 보다 낮은 설비 가격 및 운영 비용으로 환경부 고시 ‘제4차 실내공기질 관리 기본계획’ <핵심분야② 쾌적한 대중교통 이용환경 조성> 목표에 도달할 수 있다.

2. WO 전략(약점을 보완해 기회를 잡자!)

◇ 주기적으로 필터를 교체한다면 그 관리에 시간과 노력이 많이 소요될 것이다. 따라서 지하철의 혼잡시에는 필터를 부착하고 비혼잡시에는 필터를 탈착하여 교체주기를 늘려 편의성을 더할 것이다. 
◇ 기존에 사용하기로 한 흡착제 제올라이트 13X는 재생의 한계로 폐기물 발생량이 많아 환경에 부담을 준다. 따라서 제올라이트 대신 바이오매스를 활용한 흡착제를 사용하여 환경오염을 줄이고 추후 폐기물 처리시 발생 이산화탄소를 감소시켜 탄소중립 2050에 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 
◇ 기존의 이산화탄소 흡착제는 가격이 비싸 경제성이 떨어졌다. 하지만 이 장치는 폐기물 재활용 흡착제를 사용하여 가격이 저렴하고 흡착능이 떨어질 시 재생하였을 때 흡착능이 10번까지 떨어지지 않기에 흡착제 재생이 용이하며, 이산화탄소 흡착 효율 또한 기존 이산화탄소 흡착제보다 높아 더 낮은 운영비용으로 고효율의 공기질 정화가 가능할 것으로 예상된다. 

3. ST 전략(강점을 살려 위기를 극복하자!)

◇ 기존의 이산화탄소 흡착제는 가격이 비싸고 재사용의 한계로 경제성이 떨어지고 폐기물 발생량이 많았다. 하지만 이 장치는 폐기물 흡착제를 사용하여 가격이 저렴하고 흡착능이 떨어질 시 재생하였을 때 흡착능이 10번까지 떨어지지 않기에 흡착제 재생이 용이하며, 이산화탄소 흡착 효율 또한 기존 이산화탄소 흡착제보다 높아 더 낮은 운영비용으로 장치를 유지하고 효율 또한 높을 것으로 예상된다.
◇ 기존 지하철을 살펴보면 공기질 개선장치, 에어커튼 등 이미 여러 장치들이 설치되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 장치는 기존장치에 이산화탄소 저감 기능과 UV 살균 기능을 추가한 것이기 때문에 기존 지하철의 미관을 해치지 않으며 개별 장치를 추가하는 것보다 공간을 더 적게 차지한다.
◇ 실내 이산화탄소 농도가 높을 시 집중력 감소와 업무수행능력, 학습능력에 영향을 미치는 반면 전동차 내 이산화탄소 관리가 매우 미흡하다. 이산화탄소가 생명을 위협할 정도의 해를 미치지는 않지만 사람 개인의 특수성을 고려한다면 일상생활에서 불편함을 느끼기엔 충분하다. 따라서 이 장치를 설치함으로써 실내 이산화탄소 농도를 관리하는 것의 중요성을 더욱 강조할 수 있다.

4. WT 전략(약점을 보완하여 위기를 극복하자!)

◇ 지하철 전동차 내 공기질 UV살균의 수요가 불분명하지만 이는 코로나 팬데믹으로 인한 승객들의 불안감을 감소시킬 수 있으며 코로나가 종식되더라도 대중교통 이용자수 및 이용시간의 증가추세에 따라 대중교통의 공기질에 대한 관심이 늘어 날것으로 예상되므로 UV살균의 수요가 증가할 가능성이 크다. 
◇ 현재 서울교통공사의 지하철 전동차 내 CO2 농도 관리는 환기를 통해서만 이루어지고 있다. 하지만 현재 설치계획에 있는 에어커튼에 이산화탄소 흡착제로 처리가 된 필터를 추가하여 경제성있게 CO2 농도의 저감이 가능하다면 이는 효율적인 지하철 전동차 내 공기질관리를 가능하게 할 것이다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 지하철 전동차 내 이산화탄소 농도 저감 장치에서 기존의 제품 혹은 기존에 취급하던 이산화탄소 흡착제와 차별화된 기술적 측면 및 기대효과는 다음과 같다. 
◇ 에어커튼 장치에 이산화탄소 흡착제로 코팅된 필터와 UV살균기를 추가하였다. 따라서 하나의 장치에 미세먼지 차단과 CO2 농도 저감 및 공기살균 기능이 집약돼 있어 미세먼지뿐만 아니라 CO2 농도 및 바이러스까지 관리할 수 있도록 설계하였다.
◇ 기존에 사용하기로 한 이산화탄소 흡착제 대신 바이오매스를 활용한 흡착제를 이용하여 흡착효율을 높이고 재생할 시 흡착능이 10번까지 감소하지 않아 재사용이 가능하다. 따라서 적은 비용으로 유지가 가능할 것으로 예상된다.
◇ 지하철에 추가 장치를 설치하는 대신 기능이 추가된 에어커튼 부착으로 공간을 더 적게 차지한다. 
◇ UV 살균을 통해 정체되는 공기의 바이러스 확산 위험을 낮추었다.
◇ 폐기물 흡착제를 이용하여 필터사용에서 폐기물 사용을 줄이고, 더 효율 높은 흡착제를 사용하여 폐기물 발생은 줄이고 효과는 극대화하였다. 

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 현재 서울교통공사의 지하철 전동차 내 유입미세먼지를 차단하는 에어커튼, 그리고 바이러스와 미세먼지를 제거하는 공기질정화장장치의 확대설치 예정에 있다, 하지만 에어커튼 장치만으로 미세먼지, 이산화탄소 및 바이러스 관리가 가능하다면 이는 국민의 건강을 보호하는 기술이며 경제적으로 효율적인 지하철 전동차 내 공기질 관리를 가능하게 할 것이다. 
◇ 10번 이상 재생이 가능한 바이오매스를 활용한 흡착제를 사용하여 폐기물 발생량을 줄이고 추후 폐기물 처리시 발생 이산화탄소를 감소시켜 환경오염을 저감시킬 수 있을 것으로 예상된다. 
◇ 폐기물 흡착제를 사용함으로써 탄소중립 2050에 적합한 제품을 제작하여 환경과 인간을 동시에 보호할 수 있다.
◇ 코로나 팬데믹으로 바이러스 전염의 위험성에 대한 관심이 높아져 정체된 실내 공기질 관리의 중요성이 높아졌다. 이 장치는 바이러스 전염을 예방할 수 있는 좋은 장치가 될 것이다.

기술개발 일정 및 추진체계

구성원 및 추진체계

◇ 안효빈 : 업무 총괄, 이론적 계산, CAD 설계, 최종 설계물 제작, 프로그램 코딩
◇ 박예원 : 특허 출허, 시장 분석, 파급 효과 조사, 일정관리
◇ 이주원 : 설계 운영비 관리, 경제성 분석, 외부 산업체 컨택, 프로그램 코딩
◇ 조문선 : CAD 설계, 이론적 계산, 발표 자료 제작, 외부 산업체 컨택

설계

설계사양

제품의 요구사항

평가 내용

◇ 목적계통도

◇ QFD(Quality Function Deplyment)

Step 1. 고객 요구사항

- 주 고객층은 서울교통공사이다.

Step 2. 고객 중요도

- 각 항목의 고객 중요도를 1(낮음), 3(보통), 5(높음)로 수치화하여 나타내었다. 제품의 요구사항이 고객의 요구사항과 부합할수록 높게 산정하였고 편의성, 내구성 등은 임의로 산정하여 중요도를 표시하였다.

Step 3. 기술적 요구사항 결정

- 본 설계에서 요구되는 설계변수들을 설정하였다.

Step 4. 고객 중요도와 설계변수와의 관계

- 고객 중요도와 본 설계의 설계변수와의 관계를 기호 ●(높음, 5), ◎(보통, 3), ○(낮음, 1) 으로 표시하였다.

Step 5. 설계변수 간의 관계

- 지붕에 해당하며 각 설계변수 간의 관계를 기호 ●(높음), ◎(보통), ○(낮음)로 표시하였다.

개념설계안

◇ 미세먼지 제거 방식 결정

 필터는 기상이나 액상 중의 작은 고형물을 제거하기 위한 여과체이다. 미세먼지를 제어하기 위해 주로 사용하는 섬유필터는 연소가스로부터 입자상 오염물질을 분리하는 데 매우 효과적이다. 필터에 있어서 단일섬유의 포집원리는 관성, 차단, 확산, 중력에 의한 메커니즘이 작용하며, 단일섬유 자체도 일부 먼지를 포집하지만 직물 위에 빠르게 쌓인 먼지 입자층에 의해 더욱 효율적으로 입자가 포집된다. 필터는 섬유의 종류, 필터의 형태, 집진기 내의 필터 배치 방법, 처리가스가 필터로 유입되는 방법 등에 따라 다양하다. 필터의 형태를 인위적으로 조작할 수 있기 때문에 여러 가지 형태의 먼지를 포집할 수 있으며, 설계규모에 따라 처리용량을 조절할 수 있다. 또한 다양한 압력 저항의 조건에서 운전할 수 있으며, 다른 집진 방식에 비해 가격이 저렴하다는 장점을 지닌다.

◇ 미세먼지 제거효율

 필터를 통과하는 먼지에 대하여 질량보존법칙을 적용하게 되면, 필터의 집진효율(E)과 섬유 한 가닥의 단일섬유 집진효율()과의 상관관계를 도출할 수 있다. Figure 2와 같이 도식화된 필터를 사용하면 E와  및 물리적인 특성들과의 상관관계를 얻을 수 있다. Figure 2의 도식화된 필터를 이용하여 물질수지식을 세우면 식 1과 같다.

식 3에서 섬유의 단일섬유 집진효율, 필터의 충진율, 필터의 두께 L, 섬유경을 대입함으로써 필터의 집진효율(E)을 계산하고자 한다.

◇ 미세먼지 필터 압력손실

 단일섬유 집진효율을 예측할 때와 마찬가지로 Fan Model Filter을 이용하여 압력손실을 예측한다. 압력손실 식은 식 4에 나타내었다.

◇ UV 살균 방법

 방사법은 전자기 방사를 이용하여 살균하는 방법으로 자외선 살균이 이에 해당한다. 자외선 살균은 거의 모든 바이러스, 포자, 낭포에 효과적이며 화학적 방법에 비해 사용방법이 간단하다. 또한, UV 방사법의 경우 살균 대상에게 내성이 잘 발생하지 않으며 기타 유해한 물질이 잔류하지 않고 상대적으로 짧은 접촉시간으로 살균이 가능하다는 장점이 있다. 자외선 살균 효과는 일반적으로 200 ~ 280nm 부근의 파장에서 살균력이 강하며 그중에서도 253.7nm의 파장이 DNA에 가장 잘 흡수되어 미생물 유전자 DNA를 영구히 손상하여 사멸케 한다. 실제로 박혜리 외. (2021), 김경호 외. (2019) 이외의 많은 논문에서 UV 파장을 253.7nm로 설정하여 UV 방사를 통한 살균에 활용한 사례 또한 존재하였다.

◇ UV 살균 설계변수

① UV 조사량

 램프로부터 방출된 UV 복사는 와트(W)단위로 표현할 수 있다. 램프의 복사선 분포는 램프로부터의 거리에 의존하여 특정한 양의 UV 복사선이 목표물에 도달하게 된다. 빛의 투과 밀도는 제곱미터에 대한 와트 즉, W/m2으로 나타낸다. UV 조사량은 살균력과 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있으며 UV 살균의 중요한 설계 지표이다. 이론상 UV 조사량이 같으면 살균성능 역시 비슷하다. 즉, 강한 UV 강도와 짧은 접촉시간을 가진 시스템과 낮은 UV강도와 긴 접촉시간을 가진 시스템의 살균성능에는 큰 차이점이 없다. UV 조사량은 램프의 출력감소와 램프 표면 오염 정도에 따라 감소할 수 있기 때문에, 조사량 감소율을 고려하여 UV 조사량을 결정해야 한다. 즉, UV 살균기의 중요한 설계 인자는 UV 조사량이며 UV 조사량은 UV 강도와 접촉시간을 통해 계산할 수 있다.

② UV 강도

 UV 강도는 대상 시료에 조사되는 253.7nm의 UV 복사에너지가 투과되는 속도이며, UV 복사는 램프 형태, 대상 시료와 램프의 거리, 매질의 특성, 램프의 코팅 두께 등에 의해 영향을 받는다. UV 강도는 UV 램프의 출력에 따라 변화하며 강할수록 살균에 유리하다.

③ 접촉시간

 접촉시간은 UV가 살균 대상에게 조사되는 시간이며 올인원 에어커튼의 경우 장치 내 공기가 체류하는 시간과 동일하다. 공기유속이 낮을수록 체류시간이 길어져 살균성능이 좋지만, 전기 사용량이 증가하고 반응조 부피가 커질 수 있으며 에어커튼 유속에 영향을 끼쳐 미세먼지 차단 효과가 미약해질 가능성이 있다. 미세먼지 차단을 할 수 있는 충분한 유속을 유지하면서 장치 내 체류시간을 최대로 늘리는 것이 중요하다.  

◇ 장치 크기 결정

 에어커튼은 모터를 회전시켜 생성된 바람을 이용하여 지하철 객실 내로 유입되는 미세먼지를 차단하는 역할을 한다. 현재 7호선 객실 내부에서 사용하고 있는 에어커튼 사양과 설계하고자 하는 장치의 외부적인 구조는 호환성을 위해 유사하게 만들고자 한다. 공기의 유입부에는 미세먼지 필터와 이산화탄소 필터를 장착할 예정이기 때문에 유입부의 길이를 기존 장치 대비 50 mm 더 길게 제작 할 것이며, 앞면에 설치하는 UV 장치는 기존 장치 크기에 영향을 미치지 않는다. 

◇ 장치 동력 결정

무게를 위해 모터의 수는 동일하게 유지 할 것이며 필터 장착으로 인해 유속이 감소할 것으로 예상되기 때문에 모터의 회전수를 증가시켜야 한다. 따라서 소비전력 또한 증가하게 될 것이다.

◇ 이산화탄소 흡착 방식 결정

 활성탄은 수많은 모세관이 있는 흑색의 다공성 탄소물질로서 유기물질의 흡착특성을 갖는다. 원료중 식물계로는 야자각, 목재 등을 주로 사용하고 광물계로는 갈탄, 유연탄, 역청탄, 무연탄 등을 주로 사용하는데 이러한 물질들은 무정형탄소를 이루고 있다. 이것들을 탄화와 활성화 과정에서 분자크기 정도로 미세공(pore)을 발달시켜 흡착능력을 배가시킨 것으로 pore의 내부면적이 활성탄 1g당 1000㎡ 이상이 된다. 직경이 100~10000nm의 대기공(macropore)과 0.1~10nm의 세기공(micropore)으로 형성되어 있다. 

◇ 이산화탄소 흡착량

 바이오 차에서의 CO2에 대한 대상 흡착제의 흡착 평형 특성 관계는 Langmuir 흡착등온식과 Freundlich 흡착등온식이 가장 일반적으로 이용되고 있다. 

① Langmuir 흡착등온식

이 등온 흡착식은 단일 피 흡착제가 흡착제의 단일 자리(site)와 결합하며 흡착제의 모든 표면 지점이 흡수제에 대하여 같은 친화도를 가진다고 가정한다. Langmuir 등온식은 표면착물이론(surface complexation theory)을 이용하여 개발할 수 있다. 

② Freundlich 흡착등온식

Freundlich 등온식은 각 피흡착제 대하여 서로 다른 가정을 이용하며 Langmuir 등온식으로부터 유도할 수 있다. 여기서 K는 흡착제의 능력을 나타내는 척도(피흡착제 질량/흡착제 질량)이고, n은 흡착밀도가 변함에 따른 피흡착제에 대한 친화도가 어떻게 변하는가를 나타내는 척도이다. n=1인 경우 Freundlich 등온식은 선형등온식과 같아지며, 이는 모든 흡착제의 자리가 피흡착제에 대하여 동일한 친화도를 가짐을 나타낸다. n>1이라는 것은 흡착밀도가 감소함에 따라 친화도가 감소함을 나타낸다. 이를 선형으로 변화시키면 K와 n값을 구할 수 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 실험 계획서

- 실험 준비물: 테들러백, 아크릴박스, 필터(활성탄+헤파필터), CO2, 활성탄, CO2 측정기, 전자저울, 송풍기

- 실험시 유의점: 테들러백과 아크릴박스 내 이산화탄소 초기농도가 설계대상인 1호선의 CO2 평균 농도 1700 ppm이 되도록 설계한다.

<실험 1>

목표: 활성탄 흡착용량 및 교체주기 계산

1. 이산화탄소를 희석하여 테들러백 내부의 이산화탄소 농도를 1700ppm으로 맞춘다.

2. 활성탄 10 g을 테들러백에 넣는다.

3. 활성탄이 이산화탄소를 흡착하도록 테들러백을 흔든다.

4. 이산화탄소의 농도변화를 1분 간격으로 기록하며 더 이상의 감소가 없을 때 까지 실험을 진행한다.

5. 시간-농도 그래프를 도식화한다.

<실험 2>

목표: 필터(활성탄 + 헤파필터) 사용 시 이산화탄소 제거효과 구하기

1. 아크릴 박스 내부에 필터를 설치한다.

2. 이산화탄소를 희석하여 아크릴 박스 내부 이산화탄소 농도를 1700 ppm으로 맞춘다.

3. 필터를 향해 송풍기 방향을 조절한 후 작동시킨다.

4. 감소하는 이산화탄소 농도를 1분 간격으로 측정한다.

5. 시간-농도 그래프를 도식화한다.

◇ 이론적 계산

 위의 실험계획서에 따라 이산화탄소 흡착 실험을 진행했지만 유의미한 이산화탄소 수치의 변화를 관찰하지 못하여 이론적 계산을 통해 설계목표치인 전동차 내 이산화탄소 농도 200ppm 저감에 필요한 활성탄 양을 계산하도록 하였다.

지하철 한 량의 부피

= 2.86 m (L) x 19 m (W) x 2.33 m (H) = 126.61 m3

저감하는 이산화탄소의 양

= 200 mL/m3 x 126.61 m3 x (44 mg/24.4 mL) = 49739.6429 mg

지하철 한량에 설치되는 에어커튼 수

= 8(출입문 수) x 4(출입문 당 설치되는 에어커튼 수) = 32대

에어커튼 한 대당 이산화탄소 1554.3638 mg을 저감시켜야 한다. 따라서 아래 그래프에 따라 40분 내 CO2 흡착량(mg)/활성탄(g)이 약 85 임을 참고하여,

필요한 활성탄 양 = 1554.3638 mg x (1 g 활성탄/85 mg CO2) = 18.2866 g

또한 출퇴근 시 2회, 필터주기를 20일로 설정 하였으므로,

18.2866 g x 2 x 20 day(필터 교체주기) = 731.464 g 의 활성탄이 필요하다.

조립도

가. 조립도

◇ 에어커튼 장치의 전반적인 모형과 세부 설계 장치의 치수는 아래와 같다.

◇ 에어커튼 3D 모형도

나. 조립순서

조립순서는 에어커튼 케이스(아래판 포함), 모터 및 제어부, 필터, UV 살균장치 및 윗판, 앞 케이스 순서대로 한다.

부품도

① 에어커튼 케이스

에어커튼 케이스는 길이와 너비를 각각 400 mm로 잡고 심미성을 위해 부채꼴 모양으로 제작함. 두께는 12 mm로 설계하고 바람이 유출되는 곳을 표현하기 위해 부채꼴 호 면에 구멍을 낸다.

② 미세먼지 및 활성탄 필터

미세먼지 및 활성탄 필터는 에어커튼의 외부 케이스 규격에 맞는 사이즈로 제작한다.

③ UV 살균장치

UV 살균장치는 에어커튼 상부 뚜껑에 설치하여 위에서 쏠 수 있는 형태로 제작되며 모터와 겹치지 않도록 튜브형으로 설계하였다.

④ 모터 및 제어부

지름이 170 mm인 모터를 설치하고 지름이 80 mm인 원통에 전선을 넣어 정리하였다.

제어부 및 회로설계

⃟ 전체적인 회로설계를 회로도로 나타내면 아래와 같다.

소프트웨어 설계

 ⃟ 아두이노의 소프트웨어 설계코드는 아래와 같다. 

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

◇ 에어커튼 프로토타입

◇ 에어커튼 설치부 모형

포스터

◇ 포스터 사진

개발사업비 내역서

완료작품의 평가

1. 이산화탄소 저감 효율

2021년 1~9호선 전동차 실내공기질 혼잡 시 CO2 평균농도 약 2,000ppm에서 10%에 해당하는 200ppm을 저감시키기 위해 활성탄 필터를 사용하였다. 문헌정보를 통해 활성탄 731g 사용 시 개발 목표치를 달성할 수 있는 것을 확인하였다. 

2. 필터 교체주기

공기청정기에서 용인되는 10일 이내의 교체 주기를 충족시키기 위해 이산화탄소 200ppm을 저감시키기 위해 필요한 활성탄의 질량을 산정하고 교체주기가 10일 이내가 되도록 이론적인 계산을 진행하였다. 하지만 이론적 계산을 한 결과 활성탄의 질량이 과도하게 설정되기 때문에 교체주기를 늘리는 것을 고려해야 한다고 판단된다.

3. 유사 제품 대비 차별점

지하철에 부착된 기존 에어커튼과의 사용성 및 경쟁력을 비교하였을 때 먼저 각각의 장치를 좁은 지하철 내부에 부착하는 것보다 올-인원 에어커튼 장치를 부착하여 지하철 내부 공간을 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 올-인원 에어커튼은 기존의 에어커튼보다 더 많은 동력이 필요하지만 기존의 에어커튼의 전기사용량이 35W점을 고려하였을 때 각각의 장치를 운전하기 위해 필요한 225W보다 적은 전기사용량을 가질 것으로 판단된다. 

4. 운용비용

각각의 장치를 설치할 때와 올-인원 에어커튼을 설치할 때의 가격을 비교하였을 때, 각각의 공기정화장치, UV 살균장치, 에어커튼을 설치할 경우 각각 약 20만원, 약 120만원, 약 20만원으로 장치비에만 약 160만원이 소요될 것으로 예상된다. 반면 올-인원 에어커튼의 경우 기존 에어커튼 장치의 가격에 필터가격과 UV살균 램프의 가격을 추가하였을 때 에어커튼의 기존 가격 20만원에 약 3만원의 필터가격과 약 5만원 내외의 UV살균 램프의 가격이 추가되어 30만원 내외의 가격이 산정될 것으로 예상된다. 또한, 세 개의 장치를 설치하는 가격보다 하나의 장치를 설치하는 것이 설치비도 확연히 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

향후평가

 ◇ 본 프로젝트에서 수행한 실험은 이산화탄소 초기농도 세팅과 활성탄 흡착 성능을 구하는 과정 등 여러 가지 한계 조건에서 수행되었다. 그러므로, 실제 에어커튼 필터에 사용할 활성탄 양과 상이할 수 있다. 또한, 앞서 언급한 바이오차를 이용한 활성탄을 사용한다면 필터 교체주기를 줄이고 필터를 재사용하면서 경제성을 확보할 수 있으나 이러한 활성탄이 시중에 나와야 하며 시간이 많이 걸릴 것으로 예상된다. 이와 관련하여, 구체적이고 체계적인 실험이 요구되며 활성탄 성능을 검증받아야 한다.
 ◇ 에어커튼 내부에 활성탄 필터, 미세먼지 헤파필터가 이중으로 설치되면 압력손실이 클 수 있으며 이는 더 큰 모터의 동력이 요구된다. 따라서, 경제적인 측면에서 전력소비량을 줄이려면 활성탄 필터와 헤파필터를 한 개의 필터로 얇게 제작하여 경제성을 확보할 필요가 있다. 또한, 한 개의 필터로 제작할 때 각각의 필터를 교체하는 데 어려움이 있을 수 있으므로 이에 대한 추가적인 설계가 필요할 것으로 사료된다.
 ◇ 본 설계물이 지하철 객차 내부에 설치되면서 발생하는 이산화탄소 양을 추가적으로 산정해야 하며 설계물을 설치할 때 발생하는 이익과 손실을 고려해야 한다. 본 프로젝트에서는 에어커튼 가동 시간을 혼잡시로 설정하였지만 실제 에어커튼 설치 후 지하철 운행을 통해 가동 시간을 조정할 필요가 있다.
 ◇ 본 설계물이 설치되는 장소가 중·대규모의 인원이 몰리는 지하철 객차 내부이므로 제품을 붙박이 형태 또는 매립형태로 제작할 경우 지하철 승객의 불편함이 감소할 것으로 보인다. 혼잡시에는 지하철 객차 내부가 꽉 찰 정도로 인파가 몰리기 때문에 에어커튼 설치로 인한 불편함을 호소할 가능성이 있다. 따라서, 본 보고서의 지하철 객차 내 에어커튼 설치 도면과 같이 에어커튼을 부착형이 아닌 매립형태로 제작하는 것을 고려해보아야 한다.