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2024년 12월 18일 (수) 22:05 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 차량부착형 미세먼지 포집 장치 개발

영문 : Vehicle-attached fine dust collection device

과제 팀명

타이어드(Tire D)

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 노**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 최**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 도로변 미세먼지는 자동차 주행으로 인한 엔진 연소뿐만 아니라, 타이어 및 브레이크 마모, 재비산먼지 등이 주요 원인으로 지목되고 있다. 특히, 타이어와 브레이크 마모로 발생하는 중금속 및 카본 성분의 미세먼지는 호흡기 질환과 심혈관계 질환을 유발할 수 있으며, 비가 오면 하천과 해양으로 유입되어 환경 오염을 초래할 수 있다. 현재 고압 살수차와 분진 흡입차가 도로 미세먼지를 저감하는 방법으로 사용되고 있지만, 물 자원의 낭비와 재비산 먼지 문제, 운영 비용 등의 한계가 존재한다.
 이를 해결하기 위해 개발되는 새로운 장치는 차량 주행 시 실시간으로 미세먼지를 포집하여 지속적이고 경제적인 해결책을 제공한다. 물을 사용하지 않아 자원을 절약할 수 있으며, 다양한 차량에 적용 가능하여 대규모 도로 환경에서도 효과적으로 활용된다. 이 장치는 미세먼지뿐만 아니라 외부에서 유입된 오염 물질까지 처리하여 대기 중 미세먼지 농도를 낮추고 수질 오염도 예방하는 종합적인 환경 보호 효과를 기대할 수 있다.

개발 과제의 배경

 도로변 미세먼지는 자동차 주행으로 인한 엔진 연소뿐만 아니라, 타이어와 브레이크의 마모, 도로의 마모, 도로변에 쌓여 있던 먼지가 자동차 주행에 의해 다시 날리는 과정에서 발생하는 재비산먼지, 그리고 외부에서 대기나 빗물을 통해 유입된 먼지 등이 주요 원인이 된다. 도로변 미세먼지 농도는 도시의 대기 평균 미세먼지 농도에 비해 약 4~11 높게 나타나며, 도심지 (초)미세먼지의 주요 배출원은 도로 이동오염원인 것으로 나타났다(한국건설기술연구원, 2019). 특히 타이어나 브레이크 마모 과정에서 발생하는 중금속 입자(크롬, 납, 카드뮴 등)와 타이어 마모로 인해 발생하는 카본 성분의 미세먼지는 인체에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 미세먼지는 장기적으로 호흡기 질환, 심혈관계 질환 등을 유발할 수 있으며, 비가 올 때 우수와 함께 하수로 흘러가 하천 및 해양을 오염시킬 수 있다.
 현재 고압살수차를 이용한 도로 물청소와 분진흡입차를 활용한 청소 방법 등이 사용되고 있기는 하지만, 이들 방법에도 몇 가지 문제점이 있다. 고압 살수 방식의 경우, 도로 위에 물을 고압으로 분사하여 먼지 입자를 눌러 안정시키는 방식이다. 하지만 이 방식은 도로가 건조된 후 자동차가 다시 주행하게 되면 먼지가 다시 재비산되는 문제가 있고, 겨울철에는 살수 된 물이 얼어 도로 결빙을 유발할 수 있으므로 사용이 어렵다. 또한 주요 자원 중 하나인 물을 소비함으로써 수자원 낭비 문제도 야기하고, 고압 살수차를 운용하는 데 있어서 추가적인 인건비와 유류비가 발생하는 경제적 부담이 있다. 
 반면에, 분진 흡입차는 재비산 문제를 해결하고 물을 사용하지 않기 때문에 더 나은 방법이라 할 수 있지만, 여전히 운영에 필요한 유류비와 인건비가 추가적으로 발생하는 경제적 부담이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 기존의 방법들보다 지속 가능하고 경제적이며 친환경적인 새로운 장치를 개발하고자 한다. 이 장치는 차량 주행으로 발생하는 미세먼지뿐만 아니라 외부에서 대기로 유입되거나 빗물과 함께 유입된 먼지까지도 처리할 수 있도록 설계될 것이다.
 이를 통해 도로변에서 발생하는 미세먼지의 전반적인 양을 줄이고, 대기 중 미세먼지 농도를 저감하는 동시에 수계 오염 문제까지도 예방할 수 있을 것이다. 새로운 장치는 단순히 도로에서 발생하는 먼지를 제거하는 것에 그치지 않고, 외부에서 유입된 오염물질까지도 효과적으로 포집하여 더 나은 공기 질과 환경 보호를 동시에 달성할 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

1. 개발과제 목표

현재 우리나라에서 도로 미세먼지를 처리하는데 도로 미세먼지의 특성을 고려하여 건식으로는 공기 재생식 청소차, 분진흡입청소차를 이용하고, 습식으로는 살수차를 사용하면서 도로의 미세먼지를 처리하고 있다. 하지만 운영 청소 장비가 많이 있으나 운영할 사람이 부족하고 재정여건이 충분하지 않은 도시에서는 유류비, 인건비 등 지원이 불가한 도시도 있다. 이러한 점을 보완하기 위해 택시와 버스의 경우 도로를 주행하는 시간이 많은 것을 활용하여, 택시와 버스에 미세먼지 포집 장치를 부착하여 별도의 차량을 운행하여 미세먼지를 포집하는 것이 아닌 차량 운행 시 미세먼지를 포집하는 차량부착형 미세먼지 포집 장치 설계를 목표로 한다.

2. 개발 과제의 내용

도로 미세먼지는 Al, K, Ca 등 뿐만 아니라 자동차 배출가스, 타이어 및 브레이크 마모에서 발생하는 Cd, Pb, Cr 등 유해한 성분을 포함한다. 이처럼 도로 미세먼지가 10 가 증가했을 때 65세 이상 노인 사망률은 0.4%가 증가하였으며, 초미세먼지에 의한 심혈관계 관련 질병은 1.75% 증가하였다. 이러한 점을 보았을 때 우리나라의 도시들이 환경정책기본법시행령의 기준에 따라 연간 평균치, 24시간 평균치, 1시간 평균치 등 초과하고 있지는 않지만, 세계보건기구(WHO)의 기준으로 보았을 때 우리나라에서 기준을 만족하고 있는 도시가 없다. 따라서 현실적으로 사람들에게 가장 많은 영향을 줄 수 있는 도로 미세먼지를 포집할 수 있는 차량부착형 미세먼지 포집 장치를 설계하고자 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

1. 나노섬유필터 개발

기존 헤파필터는 직경 수십㎛ 크기의 섬유로 만들어졌다. 이에 비해 나노섬유는 머리카락 500분의 1정도 두께인 수십에서 수백 ㎚(나노미터) 직경의 초극세사 섬유를 말한다. 즉 헤파필터에 쓰이는 섬유의 1,000분의 1 두께다. 기존의 헤파필터의 경우 미세먼지들이 필터는 통과하면서 압력 차이가 발생하면서 미세먼지 제거효율이 낮아져 이를 위해 소비전력이 높아지는 단점이 있었다. 이에 비해 나노섬유 기반 필터의 경우 미세먼지 포집 성능이 약 25% 증가하였고, 압력 손실은 30% 개선되었다. 낮은 소비전력으로 초미세먼지 농도 70μg/㎥ 오염된 자동차를 16분 만에 정화했다.

2. 재사용 가능한 광촉매 필터

기존에는 공기정화 시스템에서 미세먼지와 유해가스 제거를 위한 필터가 각각 필요해서 설비에 문제가 있었고, 재사용이 어려워 6개월에서 1년에 1번씩 교체가 필요한 문제점이 있었다. 
삼성전자 SAIT 연구진은 이 같은 문제를 해결하기 위해 세계 최초로 아산화동(Cu2O), 이산화타이타늄(TiO2) 등과 같이 빛을 이용하는 광촉매를 적용해 신개념 필터 기술을 구현하고 상용화 가능성을 입증했다. 이러한 광촉매 필터의 경우 필터의 단일화가 되고 기존의 필터 보다 성능이 4배 가량 증가하였다. 또한 광촉매의 경우 방수 특성이 있어 물세척이 가능하여 20년 동안 사용이 가능하여 수명이 40배 가량 증가하였다.

3. 무필터 전지집진 공기 청정 (대전 유성온천 지하철역)

한국기계연구원은 극세사 방전극과 비금속 탄소판을 이용해 저배압 모듈을 만들었다. 낮은 전류를 흘려보내면 지하철 역사 내부로 퍼져 부유해 있는 초미세먼지를 만나 정전기를 띠게 만드는 공기 이온을 발생시킨다. 이온이 붙어 있는 초미세먼지가 공기청정기로 흡입돼 집진기로 포집된다. 포집된 미세먼지는 바람을 통해서 분리하여 먼지를 포집하는 건식 세정 방식이다. 
이 기술을 적용하면 이온을 발생시킬 때 비금속 코팅으로 오존이 거의 발생하지 않는다. 집진부를 세정할 때 물 대신 바람을 사용해 2차 오염 발생 가능성이 없고 전력 사용도 80%를 절감할 수 있다. 지하철 역사 500개에 적용하면 연간 유지보수비 20억-30억 원, 팬 교체비용 150억 원의 저감 효과도 기대된다고 연구진은 밝혔다.

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ===관련 기술의 현황===
 ====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
-*전 세계적인 기술현황
+. 나노섬유필터 개발
-내용
+ 기존 헤파필터는 직경 수십㎛ 크기의 섬유로 만들어졌다. 이에 비해 나노섬유는 머리카락 500분의 1정도 두께인 수십에서 수백 ㎚(나노미터) 직경의 초극세사 섬유를 말한다. 즉 헤파필터에 쓰이는 섬유의 1,000분의 1 두께다. 기존의 헤파필터의 경우 미세먼지들이 필터는 통과하면서 압력 차이가 발생하면서 미세먼지 제거효율이 낮아져 이를 위해 소비전력이 높아지는 단점이 있었다. 이에 비해 나노섬유 기반 필터의 경우 미세먼지 포집 성능이 약 25% 증가하였고, 압력 손실은 30% 개선되었다. 낮은 소비전력으로 초미세먼지 농도 70μg/㎥ 오염된 자동차를 16분 만에 정화했다.
-*특허조사 및 특허 전략 분석
-내용
+. 재사용 가능한 광촉매 필터
-*기술 로드맵
+ 기존에는 공기정화 시스템에서 미세먼지와 유해가스 제거를 위한 필터가 각각 필요해서 설비에 문제가 있었고, 재사용이 어려워 6개월에서 1년에 1번씩 교체가 필요한 문제점이 있었다.
-내용
+ 삼성전자 SAIT 연구진은 이 같은 문제를 해결하기 위해 세계 최초로 아산화동(Cu2O), 이산화타이타늄(TiO2) 등과 같이 빛을 이용하는 광촉매를 적용해 신개념 필터 기술을 구현하고 상용화 가능성을 입증했다. 이러한 광촉매 필터의 경우 필터의 단일화가 되고 기존의 필터 보다 성능이 4배 가량 증가하였다. 또한 광촉매의 경우 방수 특성이 있어 물세척이 가능하여 20년 동안 사용이 가능하여 수명이 40배 가량 증가하였다.
+. 무필터 전지집진 공기 청정 (대전 유성온천 지하철역)
+ 한국기계연구원은 극세사 방전극과 비금속 탄소판을 이용해 저배압 모듈을 만들었다. 낮은 전류를 흘려보내면 지하철 역사 내부로 퍼져 부유해 있는 초미세먼지를 만나 정전기를 띠게 만드는 공기 이온을 발생시킨다. 이온이 붙어 있는 초미세먼지가 공기청정기로 흡입돼 집진기로 포집된다. 포집된 미세먼지는 바람을 통해서 분리하여 먼지를 포집하는 건식 세정 방식이다.
+ 이 기술을 적용하면 이온을 발생시킬 때 비금속 코팅으로 오존이 거의 발생하지 않는다. 집진부를 세정할 때 물 대신 바람을 사용해 2차 오염 발생 가능성이 없고 전력 사용도 80%를 절감할 수 있다. 지하철 역사 500개에 적용하면 연간 유지보수비 20억-30억 원, 팬 교체비용 150억 원의 저감 효과도 기대된다고 연구진은 밝혔다.
 ====시장상황에 대한 분석====