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2025년 6월 29일 (일) 04:06 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 유해물질 감지 기반 연구실 자동 환기 및 실시간 모니터링 시스템

영문 : Hazardous Substance Detection-Based Laboratory Automatic Ventilation and Monitoring System

과제 팀명

0존

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2025년 03월 ~ 2025년 06월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 유**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20228900** 황**

서론

개발 과제의 개요

(1) 개발 과제 요약

본 과제는 연구실 내 유해가스나 화학물질 누출로 인한 안전사고를 사전에 예방하고, 보다 쾌적하고 안전한 실험 환경을 조성하기 위한 자동 환기 및 공기질 모니터링 시스템을 구축하는 데 목적이 있다. 연구실에서 발생하는 다양한 유해물질을 실시간으로 감지할 수 있는 센서를 설치하고, 이 데이터를 기반으로 환기 시스템이 자동으로 작동하도록 구성한다. 기준 농도를 초과할 경우 환기 시스템이 가동되어 실내 공기를 신속히 배출하며, 이러한 작동 상태는 웹 기반 대시보드에서 실시간으로 확인할 수 있어 연구원들이 직관적으로 위험 상황을 인지하고 대응할 수 있다. 이 시스템을 통해 연구실 내 사고를 줄이고, 연구원의 건강과 장비를 보호하는 동시에, 안전의식을 고취키는 데 기여하고자 한다.

(2) 개발 과제의 배경 및 효과

화학물질에 대한 노출은 사람의 몸으로 흡수될 수 있는 물질과의 접촉을 의미한다. 노출을 평가한다는 것은 측정 등을 통하여 흡수의 가능성을 추정하는 것을 말한다. 공기 중에 가스와 증기, 흡입성 입자로 존재하는 것은 주로 호흡기계를 통해서 근로자의 몸으로 들어간다. 호흡기계는 인체에 대한 화학물질의 가장 중요한 흡수경로이다. 어떤 물질은 피부나 소화기계를 통해서 흡수되기도 한다. 화학물질을 사용할 때 환기 등 적정한 관리대책을 수립하여 유해성을 낮추었다 해도 환기의 부적절, 근로자의 부주의 등으로 노출 가능성이 높다면 위험은 높을 수 있다.

과학기술정보통신부의 ‘연구실 안전사고 현황’에 따르면 2023년 연구실 안전사고는 395건을 기록했으며, 부상자가 401명으로 처음 400명을 넘어섰다. 연도별로 보면 2020년 225건에서 2021년 291건, 2022년 326건에 이어 2023년 395건으로 점차 가파르게 늘고 있다. 뿐만 아니라 부상자 중 후유장해 등급을 받은 중상자도 2020년 4명, 2021년 6명, 2022년 11명 등을 기록하다 2023년 21명으로, 사고가 2배가량 늘어나는 동안 중상자는 5배 늘어난 것으로 강도도 점차 커지는 추세다.

지난해 과학기술정보통신부는 유해물질 노출도가 높은 기관 400곳을 집중 관리하는 한편 연구원들이 안전 교육과 연구실 점검 등에 활용할 수 있는 모바일 애플리케이션 ‘랩스’(Labs) 등을 출시했지만, 출시 50여일 간 다운로드 건수는 500여 회에 그친 것으로 나타났다. 이러한 연구실 안전사고 증가와 연구자들의 낮은 안전의식을 고려할 때, 단순한 교육과 점검만으로는 실질적인 변화를 기대하기 어렵다.

실제로 서울시립대학교 환경공학부의 약 8개 연구실을 대상으로 연구실 안전관리 현황에 대해 설문조사를 진행한 결과, 연구실 내 공기질에 대해 대체로 불만족을 표했으며, 약 60% 이상이 화학사고를 경험했다고 답했다. 그럼에도 불구하고 70% 이상이 안전장비를 착용하지 않고 있으며, 일부 연구자들은 자연 환기가 충분하다고 판단해 인공적인 환기 장치를 가동하지 않는 것으로 드러났다. 따라서 연구원들의 안전의식을 높이고 연구실 내 유해물질 노출 위험을 줄이기 위해 자동 환기 시스템을 도입하여, 연구원이 별도로 환기 장치를 조작하지 않더라도 최적의 공기질을 유지할 수 있도록 자동화된 시스템을 구축하고자 한다. 또한, 연구원들이 실시간으로 유해물질 농도를 확인할 수 있는 모니터링 인터페이스를 개발하여 시각적이고 직관적인 방식으로 데이터를 전달하여 위험 여부를 쉽게 인지할 수 있도록 하여, 보다 안전한 환경에서 연구를 수행하고 실험실 내의 화학사고를 최소화하는 것이 목표이다.

개발 과제의 목표 및 내용

(1) 설계 대상지 선정

서울시립대학교 환경공학부의 약 8개의 연구실의 연구원들을 대상으로 한 설문조사에 의하면 상당수의 답변자가 연구실에서의 공기질에 대한 불만을 표출하였다. 또한, 마스크와 같은 안전장비는 ‘가끔 착용’ 또는 ‘착용하지 않음’ 응답이 대부분이었는데, 그 이유는 ‘귀찮음’, ‘크게 위험하지 않다고 생각’, ‘불편함’, ‘답답함’ 등으로 나타났다. 연구실 내 환기 시스템의 작동 현황에 대한 이해도 또한 낮았으며, 특히 일부 연구실에서는 작동 기준조차 모르는 경우가 있었다. 따라서 연구실 내의 환기 기준을 명확히 하고, 자동화된 환기 시스템을 구축할 필요가 있음을 확인했다.

실험 도중 유해물질 누출로 인한 불편사항 발생 빈도를 조사한 결과 연 1, 2회에서 많게는 주 1, 2회까지 발생하는 것으로 확인되었으며, 이에 대한 대응 방식도 환기 및 대피로 제한적인 모습을 보였다. 또한, 일부 연구실에서는 바쁨, 대처 방법 미숙 등의 이유로 적극적인 대응이 이루어지지 않고 있었다.

설문 결과를 종합해 보면, 연구실 내 유해물질 노출 위험은 항상 존재하지만 이에 비해 연구원들의 안전 의식 및 대응 능력은 한계가 있음을 알 수 있다. 이에 따라, 안전한 실험 환경 조성을 위해 자동 환기 시스템을 도입하는 것이 필요하며, 설문 응답자들 또한 이에 대해 긍정적인 반응을 보였기에 서울시립대 환경공학부 연구실 중 시대융합관 516호를 설계 대상지로 선정하였다.

(2) 각 연구실에서 배출되는 유해물질 조사 및 환기시스템 작동 기준 설정

① 유해물질 조사
서울시립대학교 환경공학부의 각 연구실에서 배출되는 물질은 설문조사 결과 NH₃, NOx, HCl, H₂,SO₄, CO, CO₂, CH₄, CH₃OH, VOCs, PFAS, 중금속, 타르 등으로 나타났다. 이들 물질은 인체에 유해할 수 있으며, 호흡기 질환, 신경계 손상, 발암 가능성 등을 초래할 위험이 있다. 특히, NOx, HCl, H₂SO₄, VOCs 등은 자극성이 강해 흡입 시 호흡기 손상을 유발할 수 있으며, CO는 산소 운반을 방해하여 심각한 건강 문제를 초래할 수 있다. 또한, 중금속과 PFAS는 체내에 축적되어 장기적으로 독성을 나타낼 수 있다. 

② 환기시스템 작동기준
‘화학물질 및 물리적 인자의 노출기준 제1조’에 따르면, 인체에 유해한 가스, 증기, 미스트, 흄, 분진, 소음 및 고온 등 화학물질 및 물리적 인자에 대한 작업환경 평가를 수행하고, 근로자의 건강에 유해하지 않은 기준을 정하여 관리함으로써 유해물질로부터 근로자의 건강을 보호하는 것을 목적으로 한다. 이에 따라, 본 과제에서는 환기 시스템의 작동 기준을 법령에서 정한 노출기준을 기반으로 설정하고자 한다. 노출기준은 시간가중평균노출기준(Time Weighted Average, TWA), 단시간노출기준(Short Term Exposure Limit, STEL), 최고노출기준(Ceiling, C)으로 구분된다. 연구실 및 산업 환경에서는 다양한 화학물질이 혼재하는 경우가 많으므로, 혼합물의 노출기준 또한 환기 시스템 작동 기준에 반영되어야 한다. 혼합물의 노출기준은 다음식과 같이 산출되며, 

C1/T1 + C2/T2 + ... + Cn/Tn ( C: 화학물질 각각의 측정치 , T: 화학물질 각각의 노출기준 )

다음과 같은 기준이 적용된다.

- 서로 다른 부위에 작용한다는 명확한 증거가 없는 경우, 각 유해물질의 노출 산출값의 합이 1을 초과하지 않도록 자동 환기 시스템이 작동한다.
- 혼합된 물질이 인체의 서로 다른 부위에 영향을 미칠 경우, 어느 하나라도 개별 노출기준을 초과하면 환기 시스템이 즉시 가동된다.

본 기준은 화학물질 및 물리적 인자의 노출기준 제6조에 근거하며, 연구실에서 근로자의 건강을 보호하기 위해 자동 환기 시스템이 효과적으로 작동하도록 설정한다.

(3) 가스감지센서 설계 및 설치

가스 감지 센서에는 반도체 가스 센서, 전기화학 가스 센서, 적외선식 가스 센서 등이 있다. 이 중 반도체 가스 센서(MOS, 금속 산화물 반도체형)는 민감도가 높고 다양한 가스 감지가 가능하며, 가격이 저렴하고 수명이 길다는 장점이 있어 가장 널리 사용된다. 본 과제에서는 여러 종류의 유해가스를 효과적으로 감지하기 위해 MOS 기반 센서를 중심으로 구성하였다. MQ-8, MQ-7, MICS-6814 센서를 활용하여 수소(H₂), 일산화탄소(CO), 암모니아(NH₃), 이산화질소(NO₂) 등을 감지할 수 있으며, 이를 통해 실험실 환경에서 발생할 수 있는 주요 유해가스를 폭넓게 모니터링할 수 있다.

센서는 감지해야 할 가스의 종류와 물리적 특성을 고려하여 적절한 위치에 설치해야 한다. 일반적으로 가스의 비중과 확산 특성에 따라 이상적인 설치 위치는 다음과 같다.

센서는 경우에 따라 바닥 근처, 사람 키 높이, 천장 부근 등 다양한 위치에 설치할 수 있으나, 설계의 주 목적이 작업자의 호흡 피해 예방이기 때문에 작업자의 호흡 위치인 사람 키 높이를 기준으로 설치하는 것이 가장 효과적인 것으로 판단된다.

(4) 자동 환기 시스템 설치

화학물질 등을 취급하는 연구실에서는 유해물질의 증기가 연구실 내부에 확산되어 연구원에게 노출되어 건강에 악영향을 미치게 되므로 환기시설을 설치하여 연구원의 건강을 보호해야 한다. 그렇기 때문에 유해물질의 농도를 상시에 모니터링하여 환기를 시킴으로써 연구원의 건강을 보호하고, 유해물질의 농도가 일정 수준 이상으로 상승하지 않도록 관리하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 연구실 내 유해물질 농도를 센서를 이용해 실시간으로 측정하고, 그에 따라 자동으로 환기가 이루어지도록 하는 시스템이 작동하도록 하려고 한다.

센서로부터 유해가스 감지 > 기준 초과 시 자동 환기 작동 > 실내 공기질 정상화

① 환기 방식
환기 방식은 크게 자연환기, 기계환기, 혼합형 환기로 나뉘며, 이 중 기계환기는 송풍기 등의 기계장치를 이용하여 외부 공기를 실내로 공급하거나 실내 공기를 외부로 배출함으로써 실내 공기를 효과적으로 교환하는 방식이다. 본 설계에서는 이러한 기계환기를 기반으로 자동 환기 시스템을 설계하고자 한다.
또한 기계환기는 공기 흐름을 조절하는 방식에 따라 세 가지 유형으로 분류된다. 외부공기를 공급하는 송풍기와 실내공기를 배출하는 송풍기가 결합된 환기체계(기계환기 1종), 외부공기를 공급하는 송풍기와 실내공기가 배출되는 배기구가 결합된 환기체계(기계환기 2종), 외부공기가 도입되는 공기흡입구와 실내공기를 배출하는 송풍기가 결합된 환기체계(기계환기 3종)이다. 이 중에서 오염물질이 외부로 유출되는 것을 방지하면서도 실내 압력 조절이 가능한 기계환기 1종 방식으로 자동환기시스템을 설계한다.

② 환기량 계산
연구실의 공기질을 유지하고 유해물질을 효과적으로 제거하기 위해서는 환기 횟수와 환기량을 계산하여 이에 맞게 설계해야 한다. 유해물질 발생에 따른 전체환기 필요환기량을 계산한 결과와 구체적인 적용 내용은 3. 설계에서 다루기로 한다.

(5) 연구실 내부 및 외부 실시간 모니터링 시스템 구축

① 연구실 내부의 가스상 유해물질 실시간 모니터링 시스템

본 과제는 연구실 내부에서 발생하거나 외부로부터 유입되는 기체상 유해물질을 실시간으로 모니터링하는 시스템을 구축하는 것을 목표로 한다. 서울시립대학교 시대융합관 516호를 대상으로 센서를 설치하고, 연구실 내에서 발생할 수 있는 수소(H₂), 일산화탄소(CO), 암모니아(NH₃), 이산화질소(NO₂) 등의 가스를 24시간 실시간 모니터링한다. 수집된 데이터는 연구실 내부에 설치된 디지털 디스플레이 장치(웹 기반 대시보드)에 실시간으로 표시되며, 농도가 기준치를 초과할 경우 경고 메시지가 함께 출력된다. 이를 통해 연구실 내부 사용자에게 안전의식을 고취시키고, 위험 상황을 스스로 인지하고 즉각적으로 대응할 수 있도록 한다. 또한 기준치 초과 시 자동 환기 시스템이 작동하여 피해를 최소화한다.

② 연구실 외부로의 기체상 유해물질 유출 대비 실시간 모니터링 시스템

연구실 내부에서 발생한 유해가스가 외부로 유출되는 경우를 대비해, 연구실 외부(복도)에서도 실시간 모니터링이 가능하도록 시스템을 설계한다. 연구실의 센서 데이터는 MQTT 방식으로 전송되며, 복도에 설치된 디스플레이 장치를 통해 연구실 유해물질 정보를 제공한다. 마찬가지로 연구실의 유해물질 농도가 기준치를 초과하면 경고성 메세지를 함께 보여줌과 동시에 자동 환기 시스템이 작동하여 유해물질의 확산을 방지한다. 이 시스템은 연구실 내부 뿐만 아니라 연구실 외부 및 그 주변에 있는 사람들에게까지도 그 위험성을 스스로 인지하고 대비할 수 있게 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

내용

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

본 과제를 통해 구축되는 시스템은 센서 기반의 공기질 측정, 실시간 데이터 통신, 대시보드 시각화, 자동 환기 제어 등 다양한 IoT 기술이 통합된 구조로, 기존의 단순 감시형 안전관리 시스템에서 한 단계 진보된 형태의 안전 대응 시스템을 구현한다는 데 기술적 의의가 있다. 특히, MOS 기반의 다중 가스 센서를 활용해 수소, 일산화탄소, 암모니아, 이산화질소 등 다양한 유해가스를 실시간으로 감지하고, 그 데이터를 MQTT 프로토콜을 통해 중앙 시스템으로 전송하여 내부 및 외부 디스플레이에 시각적으로 전달함으로써 데이터 수집에서 사용자 알림까지의 과정을 자동화하였다.

또한, 센서 데이터를 기반으로 농도 변화에 따라 자동으로 환기 시스템이 작동하도록 설계되어, 단순 감지에 머물지 않고 실질적인 대응 기능까지 자동으로 수행되도록 구현하였다. 이러한 기술은 향후 고도화된 위험 예측 모델, AI 기반 이상 징후 탐지 시스템, 사용자 맞춤형 알림 시스템 등으로 확장할 수 있는 기반 기술이 되며, 데이터 축적을 통해 지속 가능한 연구실 환경 관리 플랫폼으로 발전할 수 있는 가능성을 제공한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

(1) 경제적 파급효과

기존 연구실 환기 방식은 연구원들의 자율적인 판단에 의한 것이었거나 항상 가동되었기 때문에 불필요한 에너지가 소모될 가능성이 있다. 하지만 본 시스템은 실시간 공기질 분석을 기반으로 자동 환기 시스템을 운영하여 에너지 사용을 최적화하고, 전력 소비를 줄여 연구실 운영비 절감 효과를 기대할 수 있다. 뿐만 아니라, 연구실 내 유해물질 유출 및 대기오염으로 인한 사고 발생 시 연구 장비 및 시설 손상으로 막대한 복구 비용이 발생할 수 있다. 본 시스템을 통해 실시간 감지 및 즉각적인 대응이 가능해져, 사고 발생 빈도를 줄이고 연구실 환경을 보다 안전하게 유지할 수 있다.

(2)사회적 파급효과

국가연구안전관리본부의 연구실 실태조사 보고서에 따르면 2018년부터 2020년 사이에 우리나라의 연구실 안전사고는 838건에 달하며 2020년 이후에도 증가하는 추세에 있다고 한다. 또한 사고 발생의 원인은 대부분 보호구 미착용 등 안전수칙 미준수, 안전점검 불량 등으로 인해 발생하였다고 한다. 연구실 안전사고는 대부분 연구원의 사소한 부주의에 의해 발생하는 것이며, 전반적인 안전 불감증으로 인해 연구실 안전사고는 해마다 증가하고 있다. 본 시스템은 연구실 안전사고를 예방하고 연구자들의 안전의식을 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 연구원들의 건강 보호 측면에서 실시간 공기질 모니터링을 통해 연구원들이 유해물질에 노출되는 위험을 줄일 수 있다. 기존 연구실에서는 연구원들의 자율적인 판단에 의존하거나 일정한 속도로 환풍기를 항상 가동시켰다. 하지만 본 시스템을 도입하면 자동으로 실험실 내 공기질을 측정하고, 기준치를 초과할 경우 즉각적으로 농도에 따른 정확한 환기 조치를 시행할 수 있다.

본 시스템이 정착되면, 대학 내 연구실뿐만 아니라 타 연구 기관 및 산업 연구소에서도 적용할 수 있는 연구실 안전관리 모델이 될 수 있다. 연구 환경이 자동화됨으로써 연구원들의 건강을 보호하고, 연구실 내 안전한 작업 환경을 조성하는 데 기여할 수 있다.

개발 과제의 경제성 분석

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

개발 일정

추진체계

설계

제품의 요구사항

[표1] 설계 요구사항

설계의 목적 계통도

[그림1] 설계의 목적 계통도

설계 대상지 선정 및 예상 배치도 설계

(1) 연구실 배치도

본 설계의 적용 대상은 서울시립대학교 환경공학부 연구실 중 시대융합관 516호이며 평면도는 다음과 같다.

시대융합관 516호를 기준으로 구성한 환기시스템의 예상 이미지는 다음과 같다.

(2) 세부 배치 내용

⓵ 가스 센서

연구원이 실험 중 유해 물질에 직접 노출될 가능성이 높은 높이를 기준으로 가스 센서를 설치한다. 센서는 일반적인 성인 연구원의 호흡기 위치에 해당하는 높이(약 1.5m 내외)에 배치하여, 실내 공기 중 연구원이 흡입하는 유해 물질의 농도를 실시간으로 감지할 수 있도록 한다.

⓶ 실시간 모니터링 디스플레이

연구원이 시각적으로 유해 물질 농도를 쉽게 확인하고, 필요 시 신속하게 대응할 수 있도록 가시성이 높은 위치에 설치한다. 연구자의 주요 동선과 시야 범위를 고려하여 배치하여 효과적으로 실시간 정보 전달이 가능하도록 설치한다.

⓷ 실시간 모니터링 외부 디스플레이

실험실 외부에서도 내부의 공기질 상태를 실시간으로 확인할 수 있도록 하여, 외부인의 안전 확보와 신속한 대응이 가능하도록 쉽게 시야에 들어오는 위치에 설치한다.

실시간 공기질 모니터링 및 제어 시스템 설계

본 설계의 연구실 내 유해물질 측정 시스템은 실외에서 유입되거나 실내에서 발생할 수 있는 화학적, 물리학적 유해물질을 실시간으로 측정하고, 모니터링 시스템을 통해 연구자들에게 실시간으로 정보를 제공한다. 시스템 구성은 아래와 같다.

(1) 센서 모듈

서울시립대학교 환경공학부의 각 연구실에서 배출되는 물질은 설문조사 결과 NH₃, NOx, HCl, H₂SO₄, CO, CO₂, CH₄, CH₃OH, VOCs, PFAS, H2, 중금속, 타르 등으로 나타났다. 본 설계에서는 이들 물질 중 센서로 효과적으로 감지할 수 있는 가스를 중심으로 설계를 진행하고자 한다. 특히, 다양한 가스를 보다 정밀하게 식별하기 위해 여러 종류의 센서를 조합하여 감지 특성의 차이를 분석하고, 이를 기반으로 유해물질을 구분할 수 있도록 설계하였다. 구체적인 센서별 성능[표2]은 다음과 같다. 모든 MQ센서는 –15°C~70°C 까지 측정할 수 있지만, 열에 민감한 MQ센서의 특성상, 최적의 온습도를 고려하여야한다고 판단하였으므로 온습도 센서도 추가한다.

(2) 농도 기준

주요 물질에 대하여 산업안전보건공단에서 제공하는 노출기준(TWA, STEL)과 폭발한계(LEL)를 종합적으로 고려하여, 환기 시스템이 자동으로 작동하는 임계값을 설정하고자 한다. 가스별로 설정된 임계 기준치는 연구실 내 안전성을 강화하기 위한 핵심 지표로 활용되며, 이러한 기준을 기반으로 환기 및 경보 시스템이 효율적으로 작동하게 된다. 화학물질별 노출기준 및 폭발한계에 대한 구체적인 내용은 아래 표에 정리하였다.

(3) 환기량 계산

유해 물질이 기준 이상 발생할 경우 아래 식을 이용하여 아래 식에서 계산한 환기량을 충족할 때까지 자동 환기된다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

(1) ppm 단위 변환 계산

반도체식 가스 센서는 센서의 저항(Rs)이 공기 중 가스 농도에 따라 변화하는 특성을 이용하여 ppm 단위의 농도로 변환하였다. MQ-7과 MQ-8 센서는 모두 깨끗한 공기(실내 외기와 유사한 조건)에서 충분한 예열을 거친 후, 안정화된 상태에서의 Rs 값을 측정하여 이를 기준 저항값인 R₀으로 설정하였다. R₀은 데이터시트의 그래프에 제시된 Rs/R₀ 대 ppm 관계식을 적용하기 위한 기준점으로 사용된다. 이후 실시간으로 측정된 Rs 값을 R₀과 비교하여 Rs/R₀ 비를 계산하였고, 이 값을 기반으로 데이터시트 상 로그 스케일의 곡선을 근사한 지수 함수를 통해 가스 농도(ppm)를 산출하였다. 한편, MiCS-6814 복합 가스 센서는 NH₃, NO₂, CO에 대해 각각의 아날로그 출력 전압을 제공하는 구조로, 직접적인 Rs 측정이 불가능하다. 따라서 본 실험에서는 센서에서 출력되는 전압 값을 직접 이용하여 농도를 계산하였다. 이를 위해 데이터시트 상의 출력 전압 대 농도(ppm) 그래프를 로그 스케일로 변환하고, 선형 근사를 통해 각 가스 성분에 대한 전압–농도 관계를 지수 함수 형태로 모델링하였다. 해당 근사식을 통해 실시간 측정 전압으로부터 NH₃ 및 NO₂의 농도를 추정하였다.

⓵ MQ-8

Rs/R0 비를 계산한 뒤, 다음의 근사식을 사용하여 수소 농도로 변환하였다.

여기서 a = 99.042, b = -1.518로 설정하였다. 이는 MQ-8 데이터시트 상 Rs/R0 vs H₂(ppm) 곡선을 로그 스케일에서 직선으로 근사하여 도출한 값이다.

⓶ MQ-7

마찬가지로, 실시간 Rs 값을 기준으로 Rs/R0 비를 구한 후, 다음 식을 적용하여 CO 농도를 계산하였다

여기서 a = 100.0, b = -1.5로 설정하였으며, 이는 MQ-7의 데이터시트 그래프를 참고하여 도출한 근사값이다.

⓷ MiCS-6814

MiCS-6814는 센서 내부 저항을 직접 구하는 방식이 아닌, 전압 출력값을 기반으로 농도를 근사하는 방식으로 처리하였다.실험에서는 데이터시트 상의 출력 전압 대 농도(ppm) 곡선을 참고하여, 각 가스에 대해 다음의 지수 함수를 적용하였다.

여기서 Vout 은 센서 출력 전압이며, a,b는 데이터시트에 제시된 로그 스케일 곡선을 기반으로 선형 근사하여 도출한 근사값이다. (NH₃ : a=10.0, b=2.0, NO₂ : a=20.0, b=1.8)

이러한 근사식을 통해 실시간 측정 전압으로부터 NH₃ 및 NO₂의 농도를 정량적으로 추정할 수 있었다. CO 채널은 본 실험에서는 사용하지 않았다.

이렇게 변환된 수소 및 일산화탄소 농도 값은 ESP32를 통해 MQTT로 전송하였고, Node-RED 대시보드에서 시각화하였다. 또한, 설정된 임계값을 초과하는 경우 자동으로 환기 시스템이 작동하도록 로직을 구성하였다.

하드웨어 설계

(1) 유해물질 감지 센서 모듈

연구실 내의 유해물질을 실시간으로 감지하기 위하여 여러 개의 센서 모듈을 아두이노 회로를 활용하여 연결하였다. 각 센서별로 출력 방식에 맞게 아날로그, 디지털, 직렬(UART) 방식으로 데이터를 ESP32로 전송하도록 설계 및 연결하였다. 또한, 연구실 내의 유해물질을 감지할 뿐만 아니라, 온습도에 민감한 센서의 특징을 고려하여, 온습도 측정까지 더하여 센서의 정확도를 높이고자 하였다. MQ-8 수소 센서를 회로에 연결할 때, 센서 출력 전압을 ESP32의 ADC 입력 범위에 맞도록 조정하기 위해 두 개의 저항을 사용하여 전압 분배기를 구성하였다. 센서의 아날로그 출력 라인에는 10kΩ과 20kΩ 저항을 직렬로 연결하였고, 이 가운데에서 분압된 전압을 ESP32의 ADC 핀으로 입력받도록 하였다. 이를 통해 MQ-8 센서의 출력 전압이 5V를 초과하지 않도록 조정하였으며, ESP32가 안정적으로 수소 농도를 측정할 수 있도록 회로를 설계하였다. 이러한 저항 분배 구조는 센서의 동작 안정성과 측정 정확도를 높이기 위한 목적으로 적용되었다. 한편, DHT22 온습도 센서는 단일 와이어 방식으로 데이터를 송수신하는 디지털 센서이기 때문에, 데이터 핀에 풀업 저항을 연결하였다. 풀업 저항은 신호의 안정성과 정확한 데이터 수신을 위해 필수적이며, 본 회로에서는 10kΩ 저항을 사용하여 ESP32의 디지털 입력 핀에 연결하였다. 이와 같은 저항 구성은 센서의 정상적인 동작과 데이터의 신뢰성 확보를 위한 필수 요소로 적용되었다.

(2) 자동환기 제어부

센서 모듈을 통해 실시간으로 연구실 내의 유해물질 농도를 전달받고, 센서 측정값이 설정 기준 이상일 경우 자동으로 환기 장치가 작동하도록 아두이노 회로를 활용하여 설계 및 연결하였다. ESP32가 모든 센서 데이터를 처리하고, 조건을 판단한 뒤, MOSFET모듈을 LOW로 구동하여 DC팬의 작동 여부를 제어할 수 있다. 작동 시 과전압,역전류 등를 우려하여 팬은 외부 전력과 연결하여 설계하였다.

(3) 실시간 모니터링 시스템

본 설계에서 ESP32와 MQTT, 그리고 Node-RED를 활용하여 센서 데이터를 웹 브라우저에서 실시간으로 시각화하고, 정해진 기준값을 초과할 경우 사용자에게 경고 및 환기 작동 상황을 전달하는 시스템을 구축하였다. 센서가 연결된 ESP32가 주기적으로 데이터를 측정하고, 이를 MQTT 프로토콜을 통해 브로커로 전송한다. Node-RED는 이 데이터를 받아 실시간으로 처리하고, 대시보드에 시각적으로 표시한다. 사용자는 웹 브라우저를 통해 Node-RED 대시보드에 접속함으로써 현재 상태를 연구실 내의 디스플레이에서 실시간으로 확인할 수 있다. 특정 기준을 초과할 경우에는 경고 메시지를 표시하거나, 대시보드 상의 색상을 변경하여 이상 상황을 직관적으로 알 수 있도록 구현하였다.

소프트웨어 설계

(1) 데이터 수집 및 변환 알고리즘

ESP32는 주기적으로 각 센서로부터 데이터를 수집하며, 센서의 종류에 따라 데이터 획득 방식이 달라진다. 아날로그 센서의 경우, ESP32의 ADC값을 통해 아날로그 전압 값을 읽는다. 이 전압 값은 센서의 특성 곡선을 기반으로 실질적인 가스 농도로 환산된다. 그리고 가스 농도에 따라 저항 값이 변하며, 이 변화된 전압을 수학적으로 보정하여 ppm 단위로 변환한다. 디지털 센서의 경우, UART 통신을 통해 센서가 직접 측정한 농도를 ppm 값으로 수신한다.

(2) 기준 비교 및 상태 판단 알고리즘

각 센서로부터 측정된 농도는 사전에 정의된 노출 기준치와 비교되며, 정상상태, 경고 단계, 자동 환기 단계, 비상 단계의 4가지로 분류된다. 이러한 알고리즘은 Node-RED의 Function 노드를 통해 구현되며, 센서별로 독립적으로 작동되도록 설계하였다.

(3) 제어 및 경보 출력 알고리즘

ESP32는 MOSFET 모듈을 통해 환기 팬의 ON/OFF를 제어하고, Node-RED로 MQTT를 통해 상태를 전송하여 대시보드에 표시할 수 있도록 알고리즘을 설계하였다.

(4) 시각화 알고리즘

Node-RED를 활용하여 웹 기반 대시보드 상에서 각 센서의 데이터를 실시간으로 시각화하며, 게이지, 경고 메시지 박스 등을 통해 상태 정보를 전달하도록 알고리즘을 설계하였다.

[그림] 대시보드 화면 노드 구성 에시

결과 및 평가

완료 작품의 소개

(1) 유해물질 감지 기반 자동 환기 및 실시간 모니터링 시스템

아래는 시연물 전체의 모습으로, 도면을 참고하여 시대융합관 516호 연구실의 규격과 덕트 위치 등을 참고하여 제작하였다.

(2) 유해물질 감지 센서

각각의 센서가 공기 중의 유해물질을 감지하고 이 값을 MQTT를 통해 Node-RED 대시보드로 보내어 모니터링 할 수 있다.

(3) 실시간 모니터링 시스템

아래는 인위적으로 MQ-7 센서에 가스를 감지시켜 일산화탄소를 증가시켰을 때 모니터링 화면의 모습이다. 각각 설정한 기준을 넘으면 환기 팬이 작동되고 ‘환기 작동 중’ 박스가 초록색으로 바뀌며 사용자에게도 환기가 작동되고 있음을 시각적으로 확인시켜 줄 수 있다. 이는 연구실 외부 대시보드 화면으로, 연구실 내부 대시보드에는 ‘연구실1’, ‘연구실2’ 와 같이 어느 위치에 연구실의 공기질 정보인지를 나타내는 기능을 생략하였다.

포스터

파일:설계 포스터 0존.pdf

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용