4조- 불사조

프로젝트 개요

기술개발 과제

IoT와 광촉매를 이용한 담배연기물질 제거용 화장실 공기청정기

Air purifier for removing smoke substances using photocatalysts and IoT .

과제 팀명

불4조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 김*연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 김*연

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 소*현

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 이*솔

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 2020년 ‘국민신문고’에 접수된 층간 간접흡연 피해 건수는 약 2,844건으로, 평균적으로 하루에 약 8건의 피해가 접수되고 있다. 공동주택의 화장실을 통한 층간 간접흡연의 피해를 환풍기 내부에 필터의 설치를 통해 방지하고, 그 작동을 아두이노의 센서 설치로 제어한다. 유해물질의 탈취율을 최소 15분간 70%이상 제거하는 것을 목표로 하며, 담배연기의 정화를 통해 신체적, 정신적 건강의 증진을 추구한다.

개발 과제의 배경

◇ 아파트와 같은 공동주택은 사적 공간을 포함하고 있어 법 집행의 실효성과 사생활 공간 침해와 같은 이유로 공간 전체를 금연구역으로 지정하기 어렵다는 점과 코로나 바이러스로 인하여 사람들이 집에 있는 시간이 길어지면서 다음과 같은 문제가 발생하였다고 추측하였다.
◇ 담배연기는 흡연자가 들여 마신 후 내뿜는 연기인 주류연과 담배가 혼자 연소되면서 발생하는 연기인 부류연으로 구분한다. 간접흡연으로 인해 흡입되는 연기의 80%가 부류연으로부터 생성되고 있다. 부류연은 주류연보다 독성물질의 농도가 높은 것이 특징이며, 주류연의 타르 4.3배, 톨루엔 5.6배, 메탄 3.1배 등 약 250개의 독성물질과 발암물질을 함유한다. 간접흡연은 태아의 발육을 억제하고, 아동에게 기관지천식, 중이염을 유발한다. 또한 각종 암을 일으키고, 폐에도 영향을 미쳐 기도폐쇄성 질환을 유발하는 등, 인체에 해로움이 명백하다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 환풍기의 내부에 필터(프리필터, UV 광촉매 필터, 헤파필터)를 설치하여 유입/유출되는 담배연기의 오염물질을 저감하여 청정한 공기를 유지하며, 그 작동은 아두이노 센서로 제어
◇ 한국이동식구조물산업협동조합의 흡연부스 (표준번호 SPS-KMSC-001-2015-6591)를 참고하여 유해물질의 탈취율을 최소 15분간 70%이상 제거 
◇ 아크릴판으로 간이 실험실을 제작하여 실제 제거 효율을 측정하고, 문제점을 보완

◇ 이다솔 : 3D 모델 제작, 이론적 계산(압력손실, 유량, 체류시간 및 교체주기) 실시, 자재 소요서 작성, 추가적인 실험 실시하여 데이터 도출

설계

설계사양

제품의 요구사항

평가 항목 및 방법

목적계통도

설문조사

◇ 고객의 요구를 파악하기 위해 “화장실 덕트 내장형 담배연기 물질 제거용 공기청정기의 우선순위”를 주제로 33명에게 설문조사를 실시하였다. 공기청정기 구매 시 중요하다고 생각되는 아래의 7가지 항목의 우선순위를 조사하였다. 1~5순위를 조사한 후, 1순위인 항목은 가중치 5점, 2위는 4점, 3위는 3점, 4위는 2점, 5위는 1점으로 가중치를 할당하여 고객들의 최종적인 우선순위를 파악하였다.

QFD

◇ 제품 설계 시 기술적인 요소들과 고객 중요도를 고려하여 QFD 도표를 작성하였다.

개념설계안

가. 오염물질 제거 목표량

◇ 한국이동식구조물협동조합에서 규정한 5가지 오염물질(암모니아, 톨루엔, 폼알데하이드, 일산화탄소, 입자상물질-미세먼지 PM10, PM2.5)을 제거하는 것을 목표로 한다. 실내공기질 시행규칙에 실내공기질 권고 또는 유지기준이 있는 오염물질은 해당 규칙을 따르며, 없을 시 담배 연기에서 배출되는 오염물질의 70%를 제거하는 것을 목표로 한다.

나. 세부 설계 사항

일산화탄소, 폼알데하이드, 톨루엔, 입자성물질의 경우 실내공기질 시행규칙 별표에 의거하여 기준을 정하였지만, 암모니아는 별도의 법적 기준이 없어, 담배연기에서 발생하는 암모니아 농도의 70%를 제거하는 것을 목표로 하였다.

◇ 구조
설계하고자 하는 공기청정기는 화장실 내 담배 냄새 제거용이므로, 화장실 환풍구 위에 설치한다. <그림1>을 참고하면, 환풍구가 원기둥임을 고려하여 prototype이 아닌 시중에 판매될 실제 공기청정기는 원기둥 모양이다. 담배연기가 위로 올라가므로 화장실 덕트 내부에 공기청정기를 설치한다. <그림 2>는 송풍기로 흡입되어 덕트를 통해 배출되는 구조를 나타낸다. 담배연기 성분 중 거동이 제일 느린 타르까지 완전히 공기청정기로 끌어들이기 위해 용량이 크되 효율적인 송풍기를 사용한다. 송풍기 다음에 위치한 전처리필터가 있어 1차적으로 담배연기 유해성분을 걸러주고, 광촉매 필터와 UV 램프로 TVOC와 바이러스 세균을 살균한다. 마지막으로 헤파필터가 위치하여 유해 유기물질을 제거한다.

◇ 송풍기
제거하고자 하는 담배의 유해물질 및 미세먼지는 입자와 질량이 상당히 작아서 매우 빠르게 움직이는 난류 운동을 한다. 공기의 흐름을 안정하게 하여 제거하고자 하는 물질을 공기청정기에 효율적으로 포집하기 위해서 충분한 용량의 송풍기가 필요하다.

◇ 필터
첫 번째로 위치한 전처리 필터는 타르를 제거한다. 타르의 점도가 상당히 커서 1차적으로 제거가 필요하다. 그 다음은 공기청정기의 핵심 기술인 광촉매 필터를 사용한다. 광촉매 필터는 UV 램프에 의해 활성화 할 때 소재 표면에 활성 산소가 발생하고, 세균과 바이러스가 활성 산소 산화력에 의해 제거 및 감염력을 상실하게 된다. 광촉매 필터를 사용해 입자상, 톨루엔 및 포름알데히드 같은 유해성 TVOC 물질을 제거한다. 마지막으로 헤파 필터로 처리하지 못한 유해 유기물질을 여과한다.
QFD를 참고하면, 필터의 수납공간은 중요도 2위를 차지할 만큼 상당히 중요하다. 원활한 필터 교체를 위하여 공기청정기의 필터 투입구를 CD 디스크 투입구 형식으로 한다. 투입구에는 손잡이가 있어, 손쉽게 오래된 필터를 교체하고 새 필터를 삽입할 수 있다.


<그림 3> 실제 공기청정기에 적용하는 필터 교체 기술

◇ 아두이노 시스템
파이썬 프로그램을 기반으로 하는 아두이노를 이용하여 송풍기의 on/off를 제어한다. 아두이노와 연결된 PM 2.5 인식 센서가 일정 PM 2.5 농도 이상을 인식하면, 송풍기가 작동하여 유입되는 오염물질을 제거하기 시작한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 필터의 효율 산정

세 가지 필터를 직렬로 나열할 시, 전체 필터 효율은 다음과 같다.

그러나, 필터는 사용할수록 공극이 막혀, 효율이 저하되므로 10%의 오차가 존재한다고 가정하면 최종적으로 전체 필터 효율은 약 90%이다.

나. 송풍량 산정

장치 내부 유속을 0.8m/s, 필터 효율은 90%로 산정한다. 장치 내부의 면적을 A라고 하였을 때, A는 부직포 필터의 면적을 기준으로 하면,

송풍량 Q와 장치 내부의 면적 A, 장치 내부의 유속 v를 이용한 식은 다음과 같다.

다. 송풍기 흡입팬의 전력 소요량 산정

전력 소요량 산정에는 다음의 식을 이용한다.


먼저, 전압력손실부터 구한다.

1) 정압 구하기


<그래프> 풍량-정압의 관계 그래프

 정압이란, 유체가 관 내를 흐르고 있을 떄 흐름과 직각방향으로 작용하는 압력이다. 즉, 이를 공기청정기에 적용하면 정압이 높을수록 환풍기를 통해 흡입된 공기가 배기되는 양이 많아진다. 
실험 설계에 사용하는 팬은 특성 상 중정압팬이라고 가정한다. 중정압팬 그래프를 참고하면, 송풍량 73.8m^3/h 일 때 정압은 약 60Pa이다.

2) 동압 구하기

라. 전체 전력 소요량 산정



따라서, 전체소요전력량= 2.3W + 8W + 2.5W =12.8 W

마. 필터의 교체주기 산정

첫번째 필터인 전처리 필터는 유해가스에 대한 영향을 가장 많이 받으므로, 전처리 필터를 기준으로 교체 주기를 산정한다.

 
 
만약, 화장실에서 흡연자가 하루에 담배를 3번 피운다면, 전처리 필터의 교체 주기는 약 70일이다. 
또는, 화장실에서 흡연자가 하루에 담배를 7번 피운다면, 전처리 필터의 교체 주기는 약 30일이다.
결론적으로, 부직포 필터를 1개월에서 2개월동안 사용 가능하다.

헤파 필터, 광촉매필터는 유해가스에 대한 영향이 전처리 필터보다 적으므로, 각각 교체주기는 4개월, 1년으로 적용한다.

조립도

가) 정면도

나) 측면도

다) prototype 도면도

설계한 공기청정기에 대하여 성능을 측정하기 위해 제작한 prototype모델과 실제 제품이 설치되었을 때를 나타냈다. 실험의 용이를 위해서 prototype에서는 환풍구의 원형 벽면을 고려하지 않았다. 또, 실제 설치된 제품에서는 제품에서 개별 필터를 따로 교체하기 편한 구조물이 있다.

부품도

부품도에서는 각 조립체들의 조립위체에 따라 부품을 분리하여 설명하였다. 본 설계의 실현 가능성을 위한 실험에서는 prototype형을 제작하여 실험을 진행하였다. 또한 아래 모식도의 길이 단위는 cm이다.

제어부 및 회로설계

◇ 아두이노：오픈소스를 기반으로 하여 외부의 하드웨어장치들을 통제하는 보드로, Arduino 1.8.15   IDE를 이용하여 코드작성

◇ 미세먼지 센서 : 센서 속 발광부에서 방출한 빛의 산란된 양을 수광소자에서 검출하여 공기중 미세먼지의 농도를 측정함

◇ 온·습도 센서: 센서 속 두 전극사이의 저항값의 변화를 측정하여 공기의 온도와 습도값을 측정함

◇ LCD 화면: 각 미세먼지 센서와 온·습도센서에서 감지한 현재의 농도값을 표시하는 화면

◇ LED 전구: 미세먼지의 농도에 따라서 특정 빛을 방출함

◇ 팬: 공기를 공기청정기 속으로 흡인하도록 하여 공기를 정화하도록 함

◇ 브레드보드: 납땜을 하지 않고도 전자회로의 제품제작을 가능하게 함

◇ 커페서터: 전압에 따라 전하를 조절하여 전압을 일정하게 유지시킴

◇ esp8266: wifi를 이용하여 아두이노를 제어하도록 하는 모듈이며 esp01모델을 사용함

◇ 와이파이 모듈 어댑터: 사용하는 esp8266가 적절한 전압에서 작동 되도록 전압을 조절함

소프트웨어 설계

결과 및 평가

완료 작품의 소개

가. 프로토타입 사진 혹은 작동 장면

정면

뒷면

측면1

측면2

윗면

나. 포스터

완료작품의 평가

향후 평가 및 계획

◇ 본 설계의 공기청정기는 시중의 공기청정기와 동일하게 전처리필터와 헤파 필터(H13)을 사용하나, UV LED와 광촉매 필터의 조합을 사용하여 TVOC를 제거하는 것이 특징이다. 또한, 아두이노를 제품 내에 설치하여 미세먼지 농도에 따라 송풍기의 on/off를 자동적으로 제어한다. 부가적으로, 아두이노에 esp8266 wifi 모듈을 설치하여 핸드폰의 앱과 연결시켜 휴대폰 앱으로도 송풍기의 on/off를 제어할 수 있다. 즉, 아두이노와 핸드폰 앱을 이용한 IOT 기반 공기청정기를 실현한다.

◇ 본래 효율을 측정하기 위해 담배연기의 TVOC, HCHO, PM 2.5, CO, 암모니아 농도를 측정하려고 했다. 이 중 CO와 암모니아 농도는 측정값 과부화로 인해 정확한 측정이 쉽지 않았다. 이는 더 정밀한 측정기를 사용하면 정확한 효율값을 도출할 수 있다. 최종적으로 측정한 오염물질은 TVOC, HCHO, PM 2.5이다.

◇ 본 설계를 통해 이루고자  제거하고자 하는 3가지 물질(TVOC, HCHO, PM 2.5) 중 HCHO, PM2.5는 목표 제거효율 70%를 만족하였으나, TVOC는 47.54%로 제거효율을 만족하지 못하였다. TVOC는 광촉매 시스템에 의해 제거된다. 광촉매에 사용한 UV LED가 방출하는 파장과 TVOC가 분해되는 파장이 서로 달라, 효율이 47.54%인 것으로 판단된다. TVOC 분해에 적합한 파장을 방출하는 UV LED를 사용하면 TVOC 제거효율을 높일 수 있다.

◇ 이 이외에도, 정확한 효율을 산정하기 위해서는 정밀한 측정기 사용, 가스 시료 채집용 테들러 백 사용, 실험회수 증가, 실제 환경과 유사한 환경에서 실험을 진행하는 방법이 있다.

◇ 환풍구를 공유하는 아파트에 설치하여, 흡연자는 흡연을 걱정없이 하고 비흡연자는 간접흡연의 위험으로부터 보호할 수 있다. 

◇ '건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’에 따르면, 환기설비 설치 의무 대상 공동주택 가구수 기준이 30가구로 확대되었다. 이러한 규칙에 따라 본 설계의 공기청정기가 공동주택에서 의무적으로 사용될 수 있다.

◇ 아파트 뿐만 아니라 카페나 당구장 등 환기가 잘 안 되는 곳에 흡연부스 및 공기청정기를 설치하여 실내 공기질을 높일 수 있다.

특허 출원 내용

◇ 전처리필터, 광촉매필터, 헤파필터를 사용하여 HCHO 70.38%, PM2.5 97.15%, TVOC 47,54%를 제거하였고, esp8266 와이파이 모듈과 IoT를 활용하여 앱으로 송풍기의 전원을 제어하였다.

◇ 설계물의 독창성인 CD 트레이에 착안한 필터 교체 방법을 청구항에 작성함으로써, 중요성을 더욱 강조함.

참고문헌

◇ 김영생. "가정용 공기청정기 기술 및 시장동향." (2004)
◇ 김태영 외 2인. "광촉매공정과 필터를 이용한 흡연부스 공기정화연구." (2016)
◇ 박근영 외 6인. "공간 내 부유한 바이러스에 대한 광촉매 TiO2가 코팅된 에어 필터의 항바이러스 효율 평가." (2019)
◇ 박찬정. "공기청정기 시장 및 기술동향." (2016)
◇ 서홍관. "간접흡연의 해로움." (2007)
◇ "실내공기청정기 규격." 한국공기청정협회 (2015)
◇ "아파트 화장실 담배 연기 위·아랫집 5분만에...", topdaily(2014), 윤하나
◇ 이기영. "흡연실 설치가 실내 공기질에 미치는 영향." (2014)
◇ 정종수. "담배연기 유해물질 처리기술 현황." (2015)
◇ 특허 정보넷, http://kportal.kipris.or.kr/kportal/search/total_search.do 
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◇ "현장 측정 및 장기 모니터링을 기반으로 한 중국 동북부 주거용 건물의 실내 공기질 분석." 한국환경산업기술원 (2018)
◇ "화장실에서 담배 피우지 말아주세요, 엘리베이터에 붙은 글…범인은", 중앙일보(2017), 이가영
◇ International Agency for Research on Cancer (IARC), "List of classifications by cancer sites with sufficient or limited evidence in humans.", IARC Monographs Volumes (2020), 1–129a