9조- UP

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 풍선을 활용한 대기오염물질 측정 시스템의 개발

영문 : Development of an air pollutant measurement system using balloons

과제 팀명

UP조

지도교수

이상철 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 안**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 대기오염 측정장치를 부착한 풍선을 공중에 띄우고 감시하는 시스템을 구축하여 환경감시, 대기질 측정등에 사용하고자 한다.

개발 과제의 배경

◇ 굴뚝 감시 체계는 다이옥신 등 측정이 되지 않는 항목이 존재하고 채취공이 막힐 경우 결측치가 발생하는 한계점이 있다.

◇ 드론을 이용한 대기질 감시 시스템은 초기 비용이 매우 비싸고 항속시간이 매우 짧아 지속적인 측정에 어려움이 있다.

◇ 기존의 굴뚝 원격감시체계의 문제로 다양한 문제들이 제기되고 있다. 예를 들어, 기존의 측정방식은 측정항목이 적은데, 다이옥신같은 경우 1급 발암물질인데 항목에 포함되어있지 않는 등의 문제가 있다. 또한, 대기오염기준을 초과해도 처벌이 약해서 대기오염방지시설을 철저하게 구축할 동기부여가 약하다.

◇ 저렴한 비용으로 사용가능하고, 오랫동안 측정, 감시가 가능하며, 이동 및 설치에 원활한 장치를 설계하는 것을 목표로 하였으며 이후에 IOT 시스템을 이용하여 위치, 시간, 오염물질의 측정 데이터를 수집 및 관리하는게 가능할 것으로 기대된다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 본 설계의 목적은 “풍선을 활용한 대기오염물질 측정 시스템을 통해 다양한 대기오염물질의 감시가 가능하고 경제적인 대기오염물질 측정 시스템의 구축”하는 것을 목표로 하였다.

◇ 기존 시스템를 발생하는 미비점들을 감시할 수 있는 보완적인 측정 시스템을 구축하고자 하였다.

◇ 기존 원격감시체계로 측정이 불가능한 항목에 대해서도 측정이 가능한 시스템을 구축하고자 하였다.

◇ 쉽게 재활용이 가능하여 가격경쟁력 있는 장치를 설계하고자 하였다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

1) 드론

◇ 드론을 띄워 드론에 장착된 포집망에 배출가스를 포집한 뒤 이를 이동식 측정 차량으로 가져와 성분을 분석하는 방식으로 감시가 이루어진다.

◇ 드론을 띄워 배기가스에 적외선을 쏜 다음 반사되는 빛의 흡광도를 분석하여 배기가스의 조성을 분석하는 기술도 존재한다.

2) 무인비행선

◇ 무인비행선에 GPS 및 지상 연결 통신시스템, 조정 장치, 자동비행 제어장비, 측정모듈 및 초분광 카메라를 장착하여 원격으로 굴뚝 배기가스 성분을 측정하는 방식으로 시료 포집 및 측정이 가능한 기기가 장착되어 있어 대기오염물질 불법배출 실태를 효과적으로 파악할 수 있다.

3) 차등 흡광 검출 시스템(DIAL)

◇ 굴뚝 매연에 빛을 쏜 다음 통과·산란하는 빛을 스캔해 분석하여 배기가스의 조성을 파악하는 장치로, 기존의 투과·산란 뒤 빛 탐지를 반대쪽에서 하던 기기들과는 달리, 빛을 쏜 자리에서 그대로 탐지가 가능한 신기술을 활용한다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 굴뚝용 대기오염측정 드론장치 (등록번호 10-2151353) 사람이 접근하기 어려운 공장이나 선박의 높은 굴뚝의 대기질을 드론을 이용하여 측정하는 방법에 관한 특허이다. 적외선 광원과 가스에서 반사된 적외선을 수광하는 가스 검출기를 장착하고, 검출기에 수광된 적외선의 데이터를 원격 무선통신을 이용하여 지상의 분석기기로 전송하여 가스의 화학종 및 농도를 분석하는 방식을 사용한다. → 본 방식은 적외선 데이터를 지상의 분석기기로 전송시켜 지상에서 배출가스를 분석해야 하는 단점이 존재한다. 본 설계에서는 측정기기를 풍선에 연결시켜 상공에서 바로 배출가스를 분석하는 방식을 취해 이러한 단점을 개선할 계획이다.

◇ 드론 및 풍선을 이용한 이동식 기상 관측 장치 (등록번호 10-2045307) 드론과 풍선을 함께 사용하는 장치로, 풍선부의 하부에 배치된 드론을 활용하여 보다 넓은 범위에 대한 기상 또는 공기를 관측할 수 있다. → 드론은 1회 충전 시의 비행 가능 시간이 매우 짧기 때문에 방전 후에는 무게를 가중시킬 뿐 쓸모없는 물체가 된다. 이는 풍선의 크기를 비효율적으로 크게 만드는 원인이 될 것으로 판단된다. 본 설계에서는 풍선을 지상에서 제어할 수 있는 적절한 줄을 사용하여 불필요한 이동장치 없이 효과적으로 측정장치를 위치시켜 더 효율적인 설계가 되도록 할 계획이다.

• 기술 로드맵

1. 대기오염물질을 측정할 수 있는 장치 개발.

2. 장치의 측정값을 원격으로 지상에서 받을 수 있도록 하는 시스템 개발.

3. 측정 장치를 목표 지점까지 띄울 수 있도록 하는 풍선을 활용한 이동 장치 개발.

4. 개발된 장치 테스트 후 피드백.

5. 문제점들을 보완하여 장치를 수정한 후 최종 테스트.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

◇ 부산시 드론 및 대기질 정밀측정 차량 부산시 보건환경연구원은 산업단지를 대상으로 첨단 장비를 탑재한 대기질 정밀측정 차량을 실시간 운행하고, 드론과 연계해 실시간 대기오염조사를 진행하였다.

◇ 환경부 무인비행선 미세먼지 계절 관리제 기간에 서해안과 남해안의 대규모 산업단지 밀집 지역에 무인비행선을 운영하여 사업장을 감시 중에 있다.

◇ 환경부 차등 흡광 검출 시스템(DIAL) 미세먼지 유발사업장에 단속 공무원이 들어가지 않고도 측정차량을 이용하여 불시점검과 실제 배출농도를 실시간으로 감시할 수 있다. 2021년 3월부터 본격적으로 사용될 예정이었으며 아직 자세한 운영 상황에 관한 자료는 공개되어있지 않다.

◇ 현재 산단 감시를 위해 활용 중인 드론은 1회 충전으로 20여 분 비행 가능하여 사용성이 떨어진다는 문제 및 1대 당 가격이 4천만원 선으로 경제성이 떨어진다는 문제가 있다. 실제 미세먼지 측정 드론 운용 시 드론의 내구성이 떨어진다는 문제와 위치정보 수신 불량으로 인한 측정 위치 파악이 어렵다는 문제가 발생하였다.

◇ 무인비행선의 경우 1회 충전으로 4시간 연속 장시간 비행이 가능하며 사업자가 멀리서도 인식할 수 있어 불법배출에 대한 경각심을 고취하고 홍보까지 병행 가능하다는 장점이 있음. 하지만 불법 배출 공장을 특정하기 어렵다는 문제가 있으며 이러한 경우 단속이 어려워 드론과 이동 측정 차량을 추가로 활용해야 한다는 문제가 발생한다.

◇ DIAL의 경우 아직 자세한 운영 자료가 없지만 2차 감시 목적에 비춰봤을 때 경제성이 매우 떨어지며 장비가 1대뿐이기 때문에 전국단위 산발적·기습적 감시에 적절하지 않다고 판단된다.

• 마케팅 전략 제시

◇ 본 설계를 통해 휴대성이 높고 장시간 측정이 가능하며 연료 소모가 없는 경제적인 대기질 감시 시스템을 구축할 수 있을 것으로 판단되며 이를 활용하여 굴뚝원격감시체계에 대한 신뢰도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.

◇ 풍선 재질의 한계로 인해 강한 내구성을 확보하기는 어렵고 헬륨 손실을 완벽하게 막을 수 없지만 이러한 단점을 최소화할 수 있는 재질을 선택할 필요가 있다고 판단된다.

◇ 기상 변화나 굴뚝 배출가스와의 접촉과 같은 외부요인에 의한 장치 파손을 최소화할 수 있는 방향으로 설계할 필요가 있다. 특히 장비 추락 시 안전사고 발생 가능성이 있기 때문에 이를 방지할 수 있는 설계가 필요하다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 장치 경량화를 통해 휴대성을 높임으로써 여러 지역을 이동하며 사용하기 용이할 것으로 판단된다.

◇ 측정장치를 목표지점으로 이동시키는데 풍선을 사용하기 때문에 별도의 전원장치를 필요로 하지 않아 기술적 난이도를 낮춰 장치 제작에 대한 진입장벽을 낮추었다.

◇ 대기질을 측정할 수 있는 사용하기 쉽고 간단한 장치를 개발함으로써 굴뚝원격감시체계에 대한 2차 감시뿐만 아니라 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 환경부에서 대기질 관리를 위해 미세먼지를 측정하는 드론 및 기타 장비 구입에 수십억원이 넘게 투입하였지만 다양한 환경적 변수에 의해 적절한 활용이 어려운 실정이다. 이러한 배경에서 본 설계 장치를 활용해 대기오염물질 불법배출을 효과적으로 감시할 수 있게 된다면 효과적이고 경제적인 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.

◇ 본 장치를 활용하는 시민단체 또는 기관의 대기오염물질 불법배출행위 감시 활동이 증대됨에 따라 오염물질 불법배출 행위를 근절할 수 있을 것으로 기대되며, 이를 바탕으로 지역사회 공기질 개선 효과까지 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

(1) 대기오염물질을 측정할 수 있는 장치 설계.

(2) 장치로부터 얻은 데이터를 지상에서 받을 수 있도록 하는 시스템 개발.

(3) 확정한 측정 장치의 스펙을 바탕으로 측정 장치를 띄울 수 있는 적절한 이동 장치 선정.

(4) 이동 장비를 이용하여 안정적으로 측정 장치를 이동시키고 재활용 할 수 있는지 테스트.

(5) 장치의 대기오염물질 측정 성능을 평가.

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

개념설계안

◇ 풍선장치의 설계와 운용방식은 굴뚝원격감시체계의 대기질 측정자료 검증에 맞춰져 있다. 이를 선정하여 특정한 오염발생원에서의 비교우위를 분명히 하고, 이를 이용한 결과를 바탕으로 다양한 오염원의 대기질 측정에 사용하는것을 목표로 한다.

가) 풍선부

풍선이 바람에 의한 외력이나 대기중의 이물질에 의해 파손되는 것을 방지하기 위해 방수 스프레이를 이용하여 풍선 외부를 코팅한다.

나) 대기질 측정 및 전송부

상공에서 대기질 측정 후 지상에서 원격으로 데이터를 받을 수 있는 구조이다.

다) 풍선의 고정을 위한 지지대

삼각지지대 형태를 가진 고정물의 바닥에 강력한 스티커를 부착하여 고정시키고 줄을 매달아 풍선이 일정 위치에서 벗어나지 않도록 한다.

라) 회수시 고려사항

일반적으로 인력을 이용해서 풍선을 회수하고, 기체를 제거한다. 만약 풍선과 대기질 측정장치사이의 줄이 끊어지는 경우에 측정장치를 보호하기 위한 비상낙하산을 설치한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 풍선의 부력 계산

g: 중력가속도 (kg/m3) m: 풍선의 무게 + 장비의 무게 (kg) V: 풍선 부피(m3) ρHe: 헬륨 밀도(0℃, 1기압) ρa: 공기 밀도(0℃, 1기압)

◇ 헬륨 사용 시뮬레이션

헬륨가스 용기 부피: 22 L 헬륨가스 용기 안 헬륨의 대기압 하에서의 부피: 3000 L 보유한 헬륨 총 부피(헬륨가스 용기 2개 보유): 6000 L

전체 무게 m을 최댓값으로 예상하고 있는 2 kg으로 두면, 이를 띄우기 위한 헬륨의 최소 부피는 약 1824 L이며, 체공 안정성을 위해 안전하게 이보다 조금 더 충전할 필요가 있다. 1회 테스트 시 헬륨 2000 L를 사용한다고 가정하면 총 3회 테스트 가능할 것으로 예상된다.

조립도

가. 조립도

◇ 단면도

◇ 모델링

나. 조립순서

1) 상자부에 측정장치 고정 2) 지지부, 상자부, 드론을 조립 3) 지지부, 상자부, 드론을 줄과 연결 4) 풍선에 헬륨 충전하고 줄과 연결 5) 테스트 진행

제어부 및 회로설계

가. 아두이노 소프트웨어

◇ 아두이노는 오픈소스를 기반으로 하는 장치로써, 프로그래밍을 통해 기계 다수의 스위치, 센서등으로 데이터를 받고 LCD 모니터 등의 장치를 통하여 상호작용 할 수 있도록 개발되었다. 위 기기는 임베디드 시스템을 통해 다양한 환경에 사용할 수 있는 장치를 쉽게 개발할 수 있도록 한 것이다

(1) 아두이노 전체회로도

◇ 아두이노를 이용하여 측정항목을 LCD모니터에 나오도록 구성하였고, 이를 IOT 기술에 접목하였다. 예를 들어서, 미세먼지, 온습도, 일산화탄소 측정 데이터를 블루투스를 이용하여 핸드폰으로 전송받거나, 와이파이를 이용하여 Thinkspeak서버에 업로드하여 확인할 수있도록 할 계획이다.

(2) 미세먼지 측정부

◇ 본 미세먼지 측정 센서는 입경 0.8 μm 이상의 미세먼지를 측정할 수 있는 센서이다.

◇ 측정 범위는 0~250 μg/m3이며 작동온도는 –10~65 ℃이다.

(3) 온습도 측정부

◇ 위 기기는 두 전극 사이의 전기저항을 통해 수증기를 측정하며, 서미스터 열가변저항기를 통해서 온도를 측정하는 장치이다.

◇ 측정범위는 온도 0~50 ℃, 습도 20~90%이다.

(4) CO 측정부 (MQ-7)

◇ 위 기기는 센서를 가열하여 공기중의 일산화탄소가 센서에 붙게되면 전극의 전도도에 따른 저항값이 변화하며 일산화탄소를 측정한다.

◇ 측정범위는 20~2000 ppm 이다.

(5) 다양한 대기오염 측정부

◇ 다양한 오염물질 측정 센서를 오염물질 측정 수요에 따라 달리 장착할 수 있기 때문에 보다 넓은 범위에서 장치 활용이 가능하다는 장점이 있다.

소프트웨어 설계

◇ 아두이노를 통해서 습득된 데이터는 40초동안 측정된 평균 데이터를 각각의 모바일, 또는 Thingspeak 서버로 전송할 계획이다.

◇ 측정하는 데이터는 온도(℃), 습도(%), 미세먼지농도(μg/m3), 일산화탄소(ppm)이며, 이를 LCD모니터, 와이파이모듈, 블루투스모듈 등의 다양한 방식으로 출력할 수 있도록 코딩하였다.

(1) 데이터 송수신

(2) 아두이노 코딩

◇ 라이브러리 및 WiFi 설정 부분

◇ 센서 설정 부분

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

◇ 대부분의 평가항목에 대해 개발 목표치를 달성하였다.

◇ 다만 안전성 항목의 경우 기준을 다소 낮게 설정하였기 때문에 실제로 장비가 충분히 안전한지에 대한 더 엄격한 검증이 필요할 것으로 판단된다.

향후계획

◇ 점오염원에 대한 안정적인 대기오염물질 측정을 위해 드론을 활용하는 추가 설계를 실시하였다. 드론의 동력을 활용하여 본 장치를 대기오염물질 측정을 위한 정확한 위치에 고정시킬 수 있을 것으로 생각된다. 다만, 실제 설계에서는 예산 문제와 드론 활용 방안 아이디어 도출 시기의 문제로 인해 드론을 사용하지는 못하였다.

◇ 점오염원에 대한 장치 활용 시 드론을 사용해야한다는 점은 기존의 드론을 활용한 대기질 측정 시스템과 비교했을 때 문제점으로 지적될 수 있다. 하지만 기존 드론 시스템은 드론에 각종 첨단 장비를 요하며 시료를 채취하기 위한 부수적인 기구도 탑재해야하는데 반해 본 설계에서 활용할 드론은 오직 동력을 위한 드론으로 부수적인 장비가 필요하지 않다는 차이가 있다.

◇ 점오염원인 굴뚝원격감시체계를 보완한다는 아이디어로부터 시작한 설계이지만, 도심지역의 공사장이나 도로에서 발생하는 미세먼지나 소음과 같은 비점오염원에 대한 폭넓은 감시에도 대단히 유용할 것으로 판단된다.

◇ 특정 사례를 예로 들면, 도로에 인접한 아파트에서 발생하는 소음이나 미세먼지의 경우 단순히 특정 지점에서 소음과 미세먼지를 측정하는 방식으로는 정확한 문제 파악이 어려울 수 있다. 이때 본 장치를 응용하여 측정장치를 아파트 각 세대 별 높이를 고려하여 일정한 간격으로 여러 개 장착한 뒤 장시간 모니터링을 실시하면 각 층 별 소음과 미세먼지에 대한 정량적인 모니터링이 가능하다.

◇ 본 설계장치는 2 kg 이상의 대기측정장치등을 매달 수 있고 계류식임으로 항공안전법 시행규칙의 초경량비행장치기준에 포함되며, 따라서 항공안전법을 준수해야 한다. 단, 계류식 무인비행장치는 항공안전법 시행규칙에 따라 신고 등이 불필요하다.

◇ 매우 정확한 측정, 모니터링 또는 모델링을 위하여 더 정확한 센서를 사용하는 경우와 드론을 활용하는 경우에는 추가적인 비용이 발생하기 때문에 이에 대한 별도의 경제성 평가가 필요할 수 있다.

특허 출원 내용

부록

참고문헌

1. 한국환경공단 굴뚝원격감시체계, https://www.keco.or.kr/kr/business/climate/contentsid/1531/index.do

2. 울산방송, “대기질 ‘셀프 측정’..또 드러난 ‘허점’”, http://web.ubc.co.kr/wp/archives/89721

3. 전자신문, “부산시, 대기환경 감시에 첨단 드론·이동시스템 투입”, https://www.etnews.com/20200401000150

4. CleanAir, “Using Drones to Measure Stack Emissions”, https://www.cleanair.com/using-drones-to-measure-stack-emissions/

5. 기계신문, “무인비행선 활용해 산업단지 미세먼지 배출사업장 상세 감시한다”, http://www.mtnews.net/news/view.php?idx=7455

6. 중앙일보, “공장 굴뚝 오염 잡기 위해 전 세계 두 대뿐인 장비 들여온다”, https://www.joongang.co.kr/article/23579141#home

7. MBC뉴스, “1대 4천만 원인데...한 번 측정하고 무용지물”, https://imnews.imbc.com/replay/2021/nwdesk/article/6108847_34936.html

8. MBC뉴스, “[투데이 현장]비행선으로 미세먼지 감시”, https://imnews.imbc.com/replay/2020/nwtoday/article/5672608_32531.html

9. 항공안전법 시행규칙 https://www.law.go.kr/%EB%B2%95%EB%A0%B9/%ED%95%AD%EA%B3%B5%EC%95%88%EC%A0%84%EB%B2%95%EC%8B%9C%ED%96%89%EA%B7%9C%EC%B9%99

관련특허

1. 굴뚝용 대기오염측정 드론장치 (등록번호 10-2151353)

◇ 사람이 접근하기 어려운 공장이나 선박의 높은 굴뚝의 대기질을 드론을 이용하여 측정하는 방법에 관한 특허.

◇ 적외선 광원과 가스에서 반사된 적외선을 수광하는 가스 검출기를 장착하고, 검출기에 수광된 적외선의 데이터를 원격 무선통신을 이용하여 지상의 분석기기로 전송하여 가스의 화학종 및 농도를 분석하는 방식을 사용.

2. 드론 및 풍선을 이용한 이동식 기상 관측 장치 (등록번호 10-2045307)

◇ 드론과 풍선을 함께 사용하는 장치로, 풍선부의 하부에 배치된 드론을 활용하여 보다 넓은 범위에 대한 기상 또는 공기를 관측할 수 있음.

3. 드론 및 풍선을 이용한 기상 관측 장치 (등록번호 10-1992581)

◇ 부력이 있는 기체를 담는 풍선과, 기상 또는 공기의 상태 측정 측정기, 하부 지지부, 연결부, 통신부로 구성되어 대기중의 기상관측이나 공기질 측정을 하도록 고안한 기구.

4. 드론을 이용한 기상관측센서 복귀장치 (등록번호 10-2260358)

◇ 풍선에 기상을 관측할 수 있는 기상관측센서가 설치된 드론을 장착하여, 기상 관측을 수행한 후 기상관측센서가 설치된 드론이 목표 장소로 자동으로 복귀할 수 있게 구성.

◇ 고가의 기상관측센서를 용이하게 회수할 수 있도록 함.

소프트웨어 프로그램 소스

◇ 아두이노로 취득한 데이터를 wifi 모듈을 통해서 thingspeak 웹페이지로 전송(CO는 20 ppm 이하시 측정값 없음으로 취급).

감사의 말

◇ 환경종합설계의 방향 설정 및 기술 자문에 도움을 주신 장서일 교수님, 김주식 교수님, 이상철 교수님, 이창구 멘토님(일신종합환경), 정철희(에이치에스엔텍)께 감사의 말씀을 드립니다.