"3조- MEDIC"의 두 판 사이의 차이

2021년 12월 16일 (목) 01:03 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 개인 소형 병원에서 활용할 수 있는 소형 UV 멸균분쇄기

영문 : Miniaturized Sterilizing Grinder Using Ultroaviolet for Small Hospital

과제 팀명

MEDIC조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 남*선(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 김*준

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 김*겸

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 한*영

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

2021년 현재, COVID-19 바이러스 확산 장기화로 인해 의료폐기물이 급증하였고 처리시설 용량은 한계가 있기 때문에 의료폐기물 적체 문제가 심화되고 있다. 이로 인해 의료폐기물 처리단가 역시 상승하고 있어서 병원들의 재정적 부담으로 작용하고 있기 때문에 정부에서는 병원 자체적으로 의료폐끼물을 처리할 수 있는 시설(멸균분쇄기)에 대한 규제를 완화하였다. 그러나 개인병원의 경우 의료폐기물 처리단가가 대형병원에 비해 높기 때문에 의료폐기물 자체 처리시설에 대한 필요성이 대형병원보다 더 크지만, 현재 사용 가능한 멸균분쇄기는 대형병원에만 적용이 가능할 정도로 크기가 크기 때문에 개인병원에는 적용이 어렵다. 따라서 의료폐기물로 인한 개인병원의 재정적 부담을 완화하기 위해 UV 기술을 활용하여 소형병원에서 사용 가능한 멸균분쇄기를 설계 및 제작하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

개발 과제의 배경

• 2019년 12월, 중국 후베이성 우한시에서 처음 관찰되었던 COVID-19 바이러스(이하 코로나-19)는 2021년 9월 현재까지도 그 확산세가 그칠 줄 모르며 범세계적으로 확진자 수가 지속해서 증가하고 있다. 한국 역시 최근 7, 8월부터 4차 대유행이 지속됨에 따라 확진자가 매일 1,000명 이상 발생하고 있어 코로나-19 확산세에 자유롭지 않다. 현재 한국의 백신 접종 완료율은 약 41.6%이고 지속해서 증가할 것으로 보이나, 코로나-19의 새로운 변이가 새로이 보고되고 있으며 백신이 변이 바이러스의 면역까지 보장하지 못하는 사례까 발견되고 있어 당분간은 코로나-19 확산세가 그치지 않을 것으로 예상된다.

• 2년 가까이에 이르는 코로나-19 확산세로 인하여 의료계는 현재 전례 없는 격리시설 부족, 업무 부담에 휩싸이고 있으며 급증한 업무와 더불어 늘어나는 의료폐기물 역시 상당한 사회적 부담으로 작용하고 있다. 특히 환경부 방침에 따라 확진자에게서 발생한 모든 폐기물은 격리 의료폐기물로 처리되고 또한 생활 치료센터에서 발생한 확진자와 관련 없는 폐기물 역시 일반 의료폐기물로 취급됨에 따라 의료폐기물 발생량이 증가하고 있다. 그러나 의료폐기물은 당일 수거, 당일 소각이 원칙이고 의료폐기물 처리시설 용량은 한정적이어서 의료폐기물 적체 현상이 발생하고 있으며 이에 따라 코로나-19 이전 시기 대비 의료폐기물 톤당 처리비용이 2배 이상 오르는 등 기하급수적으로 상승하고 있다.

• 대학병원이나 공공의료원의 경우 자본 규모가 클 뿐만 아니라 의료폐기물 처리 업체를 경매를 통해 선정하기 때문에 이러한 처리비용 상승이 엄청난 부담으로 느끼지 않을 수 있으나 개인병원의 경우 매달 의료폐기물을 처리함에 따라 톤당 처리단가가 높게 책정되어 상당히 어려운 상황이다. 또한, 신규 의료폐기물 처리시설을 설치하는 것 역시 지역주민의 반대, 인허가의 어려움 등으로 인해 난항을 겪고 있어 당분간 개인병원의 고충은 지속할 것으로 전망된다.

• 정부에서는 병원의 의료폐기물 부담을 완화하기 위해 교육환경 보호법을 개정하여 의료폐기물을 자체적으로 멸균 분쇄할 수 있도록 허용하였다. 이로 인해 대학병원과 같은 대형병원에서 적극적으로 멸균분쇄기를 도입하여 자체적으로 의료폐기물을 처리하고 처리 후 남은 폐기물을 사업장 폐기물과 동일하게 처리할 수 있게 되었다.

• 의료폐기물은 폐기물관리법 시행령 제4조에 의해 격리 의료폐기물, 위해 의료폐기물, 일반 의료폐기물로 분류된다. 격리 의료폐기물은 「감염병의 예방 및 관리에 관한 법률」 제2조 제1항의 감염병으로부터 타인을 보호하기 위하여 격리된 사람에 대한 의료행위에서 발생한 일체의 폐기물이다. 위해의료폐기물은 인체 또는 동물의 조직·장기, 사체, 혈액 성분이 포함된 폐기물, 폐백신, 시험·검사 등에 사용된 의료폐기물을 의미한다. 그리고 일반의료폐기물은 탈지면, 붕대, 거즈, 일회용 주사기 등을 포함하는 의료폐기물이다.

• 2018년 기준으로 의료폐기물 중 일반의료폐기물은 전체 의료폐기물의 78%이며 코로나-19가 유행하는 2020년에도 일반 의료폐기물이 의료폐기물 중 가장 많은 비중을 차지했다. 이러한 사실들을 종합하여보면 위해성이 상대적으로 크지 않은 일반의료폐기물이라도 의료기관 자체적으로 처리하여 사업장 폐기물로 배출하여도 의료폐기물 처리비용을 상당히 감축할 수 있을 것이라 예상된다.

• 또한, 2018년 의료폐기물 업종별 배출업소 수 그래프와 2019년 의료폐기물 배출자 업종별 발생량 그래프를 살펴보면, 두 해의 의료폐기물 업종별 배출업소 수와 발생량이 현격한 차이가 없다고 가정했을 때, 의원이 배출량은 10%로 비중이 크지 않으나 배출업소 수는 76%를 차지하여 타 업종대비 월등하다는 것을 확인할 수 있다. 의료폐기물 배출업소 중 의원의 비중이 크기 때문에 대형병원 등지에서만 사용할 수 있는 현재의 멸균파쇄시설보다는 저렴한 소규모 처리시설에 대한 수요가 더 많을 것으로 예상된다.

• 그러나 현행 법령상 허용된 멸균분쇄시설은 증기멸균분쇄시설, 열관멸균분쇄시설, 마이크로웨이브멸균시설에 한정되어 있으며 해당 설비들은 유지관리 비용이 높을 뿐만 아니라 상당히 거대한 규모의 시설이기 때문에 부지가 한정적인 병원에서는 멸균분쇄시설의 도입을 쉽게 결정할 수 없는 것이 현실이다. 따라서 현재 멸균분쇄시설을 도입할 수 있는 병원은 극소수 일부 대형병원에 한정되며 의료폐기물 처리에 더 큰 경제적 비용을 지급해야 하는 개인병원의 경우 여전히 의료폐기물을 위탁 처리하는 방법밖에 존재하지 않는다.

• 기존의 멸균분쇄시설보다 소규모에 최적화된 시설을 위해서 새로운 멸균분쇄 방식을 고민할 필요가 있다. 기존에 행해지던 방역 방법이나 멸균방법을 고려하면 소독제를 사용한 멸균분쇄, 과초산을 이용한 멸균분쇄방식을 고려해볼 수 있다. 그러나 이들 방식은 화학약품 사용으로 인한 폐수문제와 유지관리 난이도의 문제가 있고 결정적으로 소독제를 별도로 보충해야하기 때문에 경제성이 떨어진다는 단점이 있다. 그러므로 화학약품을 사용하는 화학적 멸균분쇄시설 역시 소형 병원에 설치하기에는 적절치 않다.

• 최근 UV를 통한 코로나-19 바이러스 사멸이 성공적으로 진행될 것이라는 예측이 있었고 실제로 UV가 바이러스를 1초 만에 99% 이상 사멸시키는 결과가 보고되는 등 UV 멸균이 효과가 있음이 확인되고 있다. UV는 파장 범위가 10-400nm인 빛이며 파장에 따라 UV-A (320-400nm), UV-B (280-320nm), UV-C (200-280nm), V-UV (10-200nm), E-UV (10-121nm)로 분류되고 이 중 미생물 및 바이러스 사멸에 특히 효과적인 UV 종류는 UV-C로 알려져 있다. UV를 미생물이나 바이러스에 조사할 경우 DNA 구조의 변화가 발생하여 증식이 어려워지며 또한 UV는 단백질 손상 및 변성을 야기하여 세포 및 바이러스의 사멸을 이끈다.

• UV를 이용한 멸균은 에너지가 많이 소모되지도 않고 특정 물질이 잔류하지도 않아 사용이 간편하며 매우 경제적인 방법이다. 그러므로 의료폐기물의 위해성을 감소시켜 이후 후속처리를 용이하게 하고, 최종적으로 일반적인 사업장 폐기물로서 처리되어 소규모 병원의 의료폐기물 처리 부담을 경감시키기 위해 UV를 활용한 소규모 일반 의료폐기물 처리시설 개발을 고려할 수 있을 것이라 예상된다.

개발 과제의 효과

• UV 멸균을 멸균파쇄기에 활용할 경우 기존의 거대했던 멸균파쇄기를 소형화하여 설계할 수 있고 기존 멸균파쇄기보다 유지관리비가 적게 들어 경제성 역시 확보할 수 있다. 이러한 멸균파쇄기의 변화는 부지가 없어 멸균파쇄기를 도입하지 못했던 병원들에 멸균분쇄기 도입을 재고할 기회가 될 것이며 동시에 현재 의료폐기물 처리에 큰 비용부담을 느끼고 있는 개인병원들에도 도입을 고려할 수 있어 개인병원들의 부담을 완화하는데 기여할 것이다.

• 더불어 인허가 절차의 까다로움과 주변 주민들의 반대가 많은 의료폐기물 처리시설을 늘릴 필요 없어지고 대부분의 부지를 활용성이 좋은 환경 처리시설로 활용할 수 있는 장점이 생긴다. 특히 의료폐기물은 매년 증가하는 추세기 때문에 향후에도 증가할 것으로 예상되는데 늘어나는 의료폐기물을 시설 확장 없이 처리할 수 있다는 장점이 있다. 더불어서 각 병원에 멸균분쇄기가 도입될 경우 코로나-19와 같은 팬데믹 상황에 대한 폐기물 처리 능력이 향상되어 폐기물 발생 급증에 대응하기 용이하다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 본 과제는 개인병원에서 활용할 수 있는 UV를 활용한 소형 멸균분쇄기 제작을 목적으로 한다. 제작하는 멸균분쇄기는 상용화된 세탁기 정도의 부피로 제작되어야 하며, 이는 소규모 병원에서도 큰 공간 차지 없이 사용할 수 있을 정도가 되는 최소한의 기준이다.

• UV 소독을 통해 멸균 기준을 달성할 수 있도록 한다. 멸균율 99.9%는 다른 멸균방법과 비견될 수 있는 최소한의 성능이므로 가능한 한 최고의 멸균율을 얻을 수 있도록 설계할 필요가 있다. 이는 아직 UV를 이용한 멸균분쇄기가 허용되지 않았기 때문이며 정부의 승인을 얻기 위해서는 좋은 성능을 달성할 필요가 있다. 또한, 멸균분쇄기는 인체에 악영향을 미칠 수 있는 바이러스와 UV가 외부로 유출되지 않는 안전성 높은 구조가 되어야 한다.

• 파쇄를 통해 폐기물의 겉보기 밀도를 향상시켜 일정 이상의 성능을 확보한다. 이는 의료폐기물의 UV 접촉면적을 넓혀주므로 멸균율을 높이는데 도움 된다. 또한, 파쇄는 폐기물 수송 효율과 밀접한 연관이 있으며 소각로에서도 좋은 연소조건을 만들어 준다. 그러므로 일반의료폐기물을 기기 이상 없이 분쇄 가능한 정도의 파쇄능력을 확보한다.

• UV의 멸균은 UV가 조사되는 면만 소독이 진행되는 약점이 있기 때문에 이를 보완하기 위해 본 과제의 멸균분쇄기에는 폐기물을 파쇄한 뒤 UV 램프가 가동됨과 동시에 의료폐기물을 지속적으로 교반하여 멸균의 사각지대가 없도록 한다.

• 제작 대상은 기존의 일반의료폐기물 처리비용을 감축시키는데 기여해야 하며 이를 위해 기존 제품대비 전력을 적게 쓰고 부품 수명이 길어야 하며 가격이 낮아야 한다. 또한, 제품의 사용 및 유지관리가 쉽도록 설계되어야 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

• 국내 멸균분쇄기 관련 특허가 처음 등장한 시기는 1990년대 말이며 첫 특허는 1996년 출원되고 1998년에 등록되었고 해당 특허에서 사용한 멸균방식은 현재의 증기 멸균방식과 동일하였다. 멸균분쇄기는 법제상으로 2000년 7월 22일 시행된 폐기물관리법시행령에서 ‘증기멸균분쇄시설’로 처음 등장하며 이 시기에는 증기멸균방식만 허용되었다. 그러나 여러 번의 개정을 거쳐서 2004년 2월 17일에 시행된 폐기물관리법시행령에서 ‘증기멸균분쇄시설’이라는 명칭은 ‘멸균분쇄시설’로 바뀌었고 2004년 8월 11일 시행된 폐기물관리법시행규칙에서 멸균방식으로 세 가지 방법을 사용할 수 있도록 개정되었다. 이후 멸균분쇄시설 관련 규정은 지금까지 이어져 현행법상 멸균분쇄시설로 허용된 시설에는 증기로 수분을 침투시킨 후 고온으로 가열하는 증기멸균분쇄시설, 증기로 수분을 침투시킨 후 나선형 열관에서 고온으로 가열하는 열관멸균분쇄시설, 증기로 수분을 침투시킨 후 마이크로웨이브를 조사하는 마이크로웨이브멸균분쇄시설이 있다. 2020년 9월 25일부터 교육환경보호법 시행령이 개정되어 멸균분쇄시설 설치 규제가 완화되었고 이에 따라 대학병원 등지에서 멸균분쇄시설을 설치할 수 있게 되었다. 현재에는 실증 특례로 소독제를 사용하는 멸균분쇄기가 일부 대형병원에 시범 적용 중에 있으며 최근에는 의료폐기물 멸균분쇄시설의 세부기준을 멸균방법 규제에서 멸균 기준으로 전환하는 논의가 이어지고 있으며 규제 완화 효과로 다양한 멸균분쇄시설 도입을 통한 의료 수가 합리화, 의료폐기물에서 비롯되는 2차 감염 예방 등을 기대하고 있다 (경기도 안양시 정책기획과, 2021).

• UV를 통한 소독 및 멸균은 세계 곳곳에서 사용되고 있으며 특히 COVID-19 바이러스 확산세의 장기화로 지속적으로 조명받고 있다. UV가 가장 활발하게 사용되는 분야는 수처리 분야이며 짧은 요구 접촉시간, 좋은 소독력 등으로 인해 각광을 받고 있다. 최근에는 설비의 간단함, 좋은 살균 성능으로 주목받고 있으며 COVID-19 바이러스로 인해 방역의 중요성이 커진 지금, 각종 살균기에 응용되어 좋은 성능을 내고 있다. 또한, 세균뿐만 아니라 바이러스에도 뛰어난 살균력을 보이고 있다는 결과가 발표되고 있어(이기종, 2021) 앞으로 더 많은 분야에 응용이 가능할 것으로 전망된다.

기술 로드맵

특허 조사

• 의료폐기물 멸균장치

• 증기 멸균방식을 이용한 멸균분쇄기이며 밀폐된 통 내에서 증기로 멸균이 진행됨과 동시에 파쇄가 진행되는 것이 특징적이다. 증기멸균방식 자체는 기존에 존재하는 방식이었으나, 당시 멸균분쇄기의 처리속도가 느리다는 문제점을 해결하기 위해 해당 특허에서는 새로운 분쇄 수단을 도입하여 분쇄시간을 단축시키고자 하였다. 결과적으로 새로운 분쇄 방식의 변화를 통해 처리용량을 증대시켜 대형병원 등 의료폐기물 발생량이 많은 곳에 사용하기 적합한 멸균분쇄기를 제작할 수 있었다.

• 모듈형 파쇄기를 적용한 의료폐기물 멸균분쇄기

• 기존 멸균분쇄기의 파쇄부가 다단으로 구성되어 있어 구조가 복잡하며 고장이 날 경우 장치를 해체하여 파쇄부를 수리해야 하고 수리의 난이도가 높아지는 등 멸균분쇄기 유지 관리상의 문제를 해결하기 고안된 특허이다. 멸균방식은 기존에 존재하던 마이크로웨이브방식을 적용하였으나 파쇄부가 탈부착이 가능하게 설계하여 기존 발명들과 차별점을 두었다. 이 특허를 통해 거둘 수 있는 효과로는 파쇄부 교체시간 및 비용 절감, 수리시간 절감을 통한 폐기물 처리 지연시간 단축이 있다.

• 의료폐기물의 멸균분쇄장치

• 마이크로웨이브방식을 사용하는 멸균분쇄기로 멸균 효율을 향상시키는데 초점을 맞춘 특허이다. 기존의 마이크로웨이브방식 멸균분쇄기는 마이크로파가 발생하는 마그네트론의 직경이 작은 반면에 의료폐기물이 이송되는 관 내부의 면적이 크기 때문에 마이크로파가 골고루 전달되지 않는다는 문제와 함께 기기 작동과정에서 발생하는 열이 멸균부 전자부품에 전달되어 악영향을 미칠 가능성이 있었다. 이를 해결하기 위해 마이크로파가 골고루 도파되고 공냉식으로 기기를 냉각시킬 수 있도록 기기 구조를 변경함으로써 특허를 등록하였다.

• Integrated Medical Waste Management System And Operation

• 살균제를 사용한 멸균분쇄기이다. 해당 특허에서는 병원성 미생물의 유출을 최소화하기 위해 폐기물 유입구 덮개에 UV 램프를 설치하고 소독방식으로는 살균제를 사용하는 방식을 채택하였으며 액체성 살균제를 사용하기 때문에 발생하는 폐기물 함수율 문제를 해결하기 위해 액체를 분리할 수 있는 노즐과 원심분리기를 설치하였다.

• System and Method for Disinfecting Medical Waste

• 열원을 통한 멸균방식을 사용한 특허이며 파쇄기 하단에 체를 설치하여 폐기물이 특정 입경 이하에 도달하지 못하면 통과하지 못하고 체에 걸러진 폐기물은 다시 투입되어 파쇄과정을 한 번 더 거치게 되는 것이 특징이다. 또한, 추가적으로 자성이 있는 물질을 멸균분쇄기 내에 배치하여 의료폐기물 내의 금속류를 별도로 제거하여 처리하는 것 역시 본 특허의 차별점이다.

특허 전략

• 한국 특허와 미국 특허 공통적으로 멸균분쇄기에 관한 특허는 새로운 파쇄방식의 제시 또는 파쇄부의 성능 개선에 관련된 특허이거나 기존 멸균분쇄기의 멸균방식을 이용하였으나 멸균분쇄기의 구조를 개선하여 성능을 향상시키는 특허가 많은 반면, 새로운 멸균방식을 제시하는 특허는 거의 존재하지 않는다. 그러므로 파쇄부에 차별점을 두거나 단순한 멸균분쇄기 구조변화를 통한 특허 등록은 이미 선행특허가 상당수 존재하기 때문에 쉽지 않을 것으로 예상되나 새로운 멸균방식의 효용성을 입증할 경우에는 특허로 등록될 수 있을 것으로 예상된다.

• 한국 특허의 경우 특허가 실용성이 떨어질 경우 특허 등록이 잘 승인되지 않는 경향이 있다. 그러므로 새로운 멸균방식을 특허로 인정받기 위해서는 성능을 입증할 필요가 있다. UV의 경우 기존 멸균방식에 비해 경제적일 것으로 전망되지만 현재는 멸균 성능이 보장되지 않는다. 또한, UV가 접촉하는 곳만 멸균이 진행되므로 UV가 폐기물 곳곳에 조사되어야 멸균분쇄기 기준을 만족할 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 UV가 골고루 폐기물 표면에 접촉할 수 있는 방안까지 마련되고 성능을 입증하여야 UV를 이용한 멸균분쇄기가 특허로 등록될 수 있을 것으로 예상하는 바이다.

• 특허가 인정받기 위해서는 발명의 신규성과 독창성을 인정받아야 한다. 의료폐기물 멸균분쇄기에 UV를 적용하는 사례는 전무후무하기 때문에 UV를 사용한 멸균 과정을 포함한 멸균분쇄기의 경우 신규성을 인정받을 수 있을 것으로 전망된다. 또한, UV의 경우 UV가 조사되는 표면에서만 멸균반응이 일어난다는 단점 때문에 멸균에 잘 사용되지 않았으나, 이러한 UV의 문제점을 교반을 통해 극복한다는 아이디어를 제시하고 해당 아이디어의 독창성을 인정받을 경우 특허 등록이 가능할 것이다.

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

• 기존의 의료폐기물 대상 멸균분쇄장치로 사용되는 제품에 대해서 조사하여 대표적으로 사용되는 제품을 표로 정리하면 아래와 같다.

위의 표에 나와있는 UM2 1500DS, GHC-200의 경우 개인병원에서 의료폐기물의 멸균을 위해 사용하기에는 크기가 매우 크다. 실제로 위의 두 제품은 대형병원에서 사용되는 중이며 기기의 설치는 공간을 따로 두어 설치할 만큼 큰 것을 확인할 수 있었다. 또 소독제를 사용하는 Envomed 80의 경우 크기는 상대적으로 작으나 지속적인 소독제를 투여해야 하므로 운영비용 측면에서 개인병원이 의료폐기물 처리를 위해 기기를 설치하는 이점이 크지 않다.

• 따라서 시중에 나와 있는 의료폐기물 멸균파쇄장치는 설계 목표인 개인병원에서 쓸 수 있을 정도로 소형화되어 있거나 운영비용이 적은 멸균파쇄장치에 해당하지 않기 때문에 기존의 멸균파쇄장치와는 다른 장치를 만들어야 한다는 것을 알 수 있다.

마케팅 전략

1. SWOT 분석

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

• SWOT 분석을 통해 각각의 요소에 해당하는 전략을 수립하면 아래와 같다.

1. SO전략

• 기존의 멸균분쇄장치는 규모가 커 소형 개인병원에 도입이 불가능했다. 그러나 본 설계물은 세탁기 정도 크기의 소형으로 제작되어 개인병원 정도의 규모에서도 충분히 도입이 가능하다.

• 코로나 팬데믹으로 인한 시민들의 의료폐기물 관련 관심이 증대될 것으로 예상되며 국제적으로 의료폐기물 처리에서 ‘발생지 처리원칙’을 기조로 변화하고 있다. 이에 발맞추어 의료기관의 절대 다수이면서 소규모인 의원에서도 도입이 가능한 자가처리시설을 만듦으로서 세계적인 시류에 편승할 수 있다.

• 의료폐기물의 톤당 위탁처리 비용은 2019년 기준 대규모의 종합병원 약 75만원/톤, 소규모의 개인병원은 약 100만원/톤으로 33%가 더 비싸다. 또한, 대형병원은 현재 멸균분쇄시설 설치를 통한 자가처리라는 선택지가 있는 반면 개인병원은 위탁처리밖에 선택지가 없다. 소형 멸균분쇄기는 개인병원에서도 의료폐기물의 자체 처리를 가능하게 하여 종합병원과 개인병원 간의 처리비용 격차를 줄일 수 있을 것이라 예상한다.

• 코로나 팬데믹 전후로 의료폐기물 발생량과 위탁처리 비용이 급증했을 뿐만 아니라 의료폐기물 처리단가는 2010년 이후 지속적으로 상승해왔다. 이러한 상황은 소형 UV 멸균파쇄장치의 설비 자체 및 운영관리 비용이 저렴하다는 장점과 연결되어 위탁처리 비용에 비해서 장기적으로 충분한 경제성을 가진다.

• 의료폐기물이 급증하는 것에 반해 의료폐기물의 처리장은 주민들의 반대, 인허가의 어려움 등으로 추가적인 설치가 어려웠다. 소규모의 개인병원에서도 의료폐기물의 자체 처리를 가능하게 함으로써 의료폐기물 처리장의 증설의 필요성을 줄여 의료폐기물 급증에 의한 적체문제를 완화할 수 있다.

2. WO전략

• 의료폐기물 멸균보다 더 엄격한 멸균이 필요한 의료계에서도 UV 멸균이 적용된 사례가 있으며(캐머런 외, 1989)(크로스니, 2016) 이를 통해 소형 UV 멸균파쇄장치가 기존 멸균분쇄장치와 비교하여도 인체에 무해한 정도까지 충분히 멸균이 가능하다고 추론할 수 있다. 또한, UV 외의 다른 멸균방식으로는 소형 멸균분쇄기 제작이 어려워 유일하게 개인병원에 도입이 가능한 멸균분쇄기라는 점을 강조할 수 있다.

• 처리속도 및 처리량 문제는 기존 멸균분쇄기를 도입할 수 없고 제품의 주된 판매대상인 개인병원에서는 의료폐기물 발생량이 적기 때문에 큰 약점이 되지 않을 것으로 예상된다. 또한 처리단가의 증가 및 UV 멸균분쇄기의 가격 경쟁력을 고려하면, 소형 멸균분쇄기를 여러 대 설치하는 것이 타 제품 하나 설치하는 것보다 경제적일 수 있다.

3. ST전략

• 개인병원의 경우, 초기 구매 비용이 부담되거나 폐기물 발생량이 많지 않아 수요가 적을 수 있으나 설비 자체 및 운영관리 비용이 저렴하고 사용 및 유지관리의 편의성 또한 높다는 점을 강조하여 경제성을 납득시킬 수 있을 것으로 예상한다.

• 기존의 멸균분쇄시설과 처리 방식 및 규모가 달라 성능과 별개로 장치 자체의 불신 가능성이 있을 수 있다. 따라서 교반 장치를 도입해 UV 멸균 효과 증대시켰고 바이러스 및 UV의 외부 유출 또한 원천 차단하여 안전성을 확보하였으며, UV 파장을 주기적으로 바꾸어 바이러스 및 세균의 내성 생성을 방지한다는 점을 적극 홍보할 필요가 있겠다. 또한, 시험성적서 및 특허를 제시하여 신뢰성을 높일 수도 있다.

4. WT전략

• 인력 및 자금이 부족할 수 있는 개인병원에서 새로운 장치를 추가적으로 도입함으로써 유지관리 비용이 증가할 수 있고, 코로나 팬데믹 종식 후 의료폐기물 처리비용이 완화되어 설비의 경제성 감소 예상이 되지만 이 두 가지를 모두 고려하더라도 의료폐기물 처리 위탁 비용이 점차 상승할 것으로 예상되므로 장기적으로 멸균분쇄기를 도입하는 선택이 경제성을 가질 가능성이 매우 크다.

• 현재 멸균분쇄장비의 법적 요건 및 근거에 적합하지 않으나 기존 멸균분쇄의 법적 허용 요건 및 근거에 적합하지 않은 소독제로 멸균하는 방식을 도입한 ‘Envomed 80’의 실증 특례 선행 예시가 있어 본 설계물 또한 성능이 입증된다면 실증 특례 등으로 실제 현장 도입을 실현할 수 있을 것으로 예상된다.

2. 예상 제품 가격 및 마케팅 전략

• 타 기업, 타 제품의 제조원가계산서를 참고하여 기획재정부계약예규 예정가격작성기준에 따라 예상한 제조원가는 다음과 같다.

• 즉 병원 입장에서 CAPEX(Capital Expenditure)는 1,950,000원 가량이다. 멸균분쇄기 운영과정에서 발생할 수 있는 OPEX(Operation Expenditure)는 전력비용 및 부품교체비용이 있다. 전력비용의 경우 24시간 내내 가동한다고 가정했을 때 1년에 1,000kWh 사용되므로 10만원 정도 추가될 것으로 예상되며 UV램프의 경우 수명이 10,000시간 정도로 알려져 있으므로 해당 기간 이상 사용했을 때는 UV램프를 교체해야하기 때문에 약 30만원의 비용이 발생할 것으로 보인다.

• 2021년 의료폐기물 처리단가는 약 1,200\/kg이며 의료폐기물을 멸균분쇄하여 사업장폐기물로 처리할 경우는 처리비용으로 톤당 20만원에서 30만원이 소요되는 것으로 알려져 있다. 즉, 멸균분쇄기로 의료폐기물을 처리할 시 1,000\/kg의 이익이 발생한다. 상기한 점들을 반영하여 다음과 같이 손익분기점을 찾을 수 있다.

멸균분쇄기 사용시간이 9898시간에 도달했을 비용보다 편익이 더 커지는 때 첫번째 손익분기점에 도달하지만, 10000시간 때 UV LED를 교체하면서 다시 비용이 발생한다. 이후 11421시간 사용했을 때 손익분기점에 도달하고 이후에는 지속적으로 편익이 비용에 비해 더 크다. 따라서 의료폐기물 처리비용이 현 상태를 유지한다면 11421시간을 기점으로 순이익이 지속적으로 발생한다고 평가할 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

의료폐기물 멸균을 위한 소형 UV 멸균파쇄장치에서 기존의 제품 혹은 기존에 취급하던 방법과 차별화된 기술적 측면 및 기대효과는 아래와 같다.

• 제품의 멸균력이 기존 의료폐기물 멸균을 위한 제품들과 유사하면서, 기존 제품들보다 기기의 크기가 상대적으로 매우 작아 개인 소형 병원에서 부담 없이 사용할 수 있는 형태로 고안되었다.

• 파쇄된 의료폐기물의 표면에 UV가 잘 노출되도록 UV조 내에 교반기를 설치해 멸균이 원활하게 진행되도록 설계하였다.

• 기기 내부와 외부가 내부의 격벽에 의해 단절된 형태로 기존 의료폐기물 전용 상자에 비해 더 안전하고 위생적이다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 멸균방식을 UV로 채택하여 다른 멸균분쇄기보다 유지관리 비용이 적어 경제적이다.

• 일반의료폐기물을 개인병원에서 자체 처리하면서 의료폐기물 처리 비용 부담이 완화된다.

• 일반의료폐기물 자체 처리로 인하여 의료폐기물 처리시설 부족과 같은 사회적 문제를 해결 가능하고, 지속적인 의료폐기물 처리 비용 증가에 대해 대응 가능하다는 점에서 경제적 문제 역시 해결할 수 있다.

구성원 및 추진체계

• 남*선 : 기존 기술 분석, 기존 기술 문제점 개선 고안, 멸균 기술 선정, PPT 제작, 포스터 제작

• 김*준 : 파쇄기 설계, 배출구 설계, UV 멸균조 설계, CAD 도면 제작, 최종 발표

• 김*겸 : 제품 유입구 실험, UV 멸균조 제작, UV 멸균조 멸균율 실험, UV 멸균조 교반실험

• 한*영 : 자료 조사, 경제성 분석, 특허 조사, 보고서 작성

설계

설계사양

제품의 요구사항

평가 내용

목적계통도

QFD(Quality Function Deployment)

개념설계안

개념설계안

• 파쇄 입경 결정

폐기물관리법시행규칙 별표9 ‘폐기물 처분시설 또는 재활용시설의 설치기준’에 따르면 멸균분쇄시설은 원형이 파쇄되어 재사용할 수 없도록 분쇄할 수 있어야 한다. 멸균분쇄시설에는 파쇄에 대해서는 다른 제약조건이 없으나 같은 법령 내 파쇄·분쇄·절단시설은 결과물의 최대 직경이 15센티미터 이하가 되도록 규정하고 있다. 이렇듯 분쇄에 관해서는 분쇄과정을 거치기만 하면 될 정도로 규제가 없다시피 하지만 본 프로젝트의 경우 UV 멸균과 동시에 교반을 진행하므로 멸균 효과를 극대화시키기 위해 적정한 파쇄 입경을 선정할 필요가 있다. 파쇄 입경이 작을수록 UV가 골고루 조사될 것으로 예상되나 입경이 지나치게 작을 경우 교반 효과가 미미할 수 있으므로 지나치게 잘게 파쇄되면 안될 것이다. 이러한 점을 감안하여 다음과 같은 Rosin-Rammler 입자분포 모델을 활용하고 X, Y를 중요변수로 설정하여 적정한 파쇄 입경을 설정하고자 한다.

• 파쇄에너지 예상

Rosin-Rammler 입자분포 모델을 통해서 적정 입경을 설정하고 다음과 같은 식을 통해 파쇄에너지를 구할 수 있다.

1) Kick의 법칙 (n=1)

2) Rittinger의 법칙 (n=2)

3) Bond의 법칙

• 파쇄방식 결정

파쇄기의 종류에는 전단파쇄기, 충격파쇄기, 압축파쇄기, 습식파쇄기, 냉각파쇄기 등이 있다. 전단파쇄는 폐기물에 전단력을 가하여 파쇄하는 방식으로 목재, 플라스틱, 종이 파쇄에 적합한 파쇄방식이다. 파쇄물의 크기가 균일하다는 장점은 있으나 다만 후술할 충격파쇄기에 비해 파쇄속도가 느리고 금속류가 혼입될 경우 파쇄가 어렵다는 약점이 있다. 충격파쇄기는 주로 회전식을 채택하며 고속으로 회전하는 해머의 충격에 의해 파쇄한다. 유리나 목질류 파쇄에 적합한 방식이지만 소음문제와 분진문제가 발생하기 때문에 이에 대한 대책이 필요하다. 압축파쇄기는 주로 프레스를 이용하여 압축력을 발생시켜 파쇄하는 방식으로 자동차 등에 사용한다. 습식파쇄기는 폐기물을 물과 혼합하여 투입하고 이를 믹서에 의해 분쇄한다. 종이류가 많이 함유된 폐기물과 음식쓰레기에 적합하다. 냉각파쇄기는 상온에서 파쇄가 어려운 물질을 액체질소와 같은 냉매를 활용하여 파쇄에너지를 최소화하며 파쇄하는 방식이다. 이 중 의료폐기물을 대상으로 하는 파쇄방식으로 고려해볼 수 있는 것은 범용성이 좋은 전단파쇄, 금속 및 플라스틱 파쇄에 이점이 있는 충격 파쇄, 탈지면류 등의 분쇄에 유리한 습식파쇄이다.

• 파쇄부 아이디어

멸균분쇄기의 처리대상인 일반의료폐기물에는 혈액·체액·분비물·배설물이 함유되어 있는 탈지면, 붕대, 거즈, 생리대, 일회용 주사기, 수액 세트 등이 해당된다. 즉, 일반의료폐기물의 대부분은 면류이고 일부 플라스틱이 섞여있는 형태이다. 면류는 강도가 낮은 대신 유연성이 크고 반대로 플라스틱은 강도가 크지만, 유연성이 작은 특징이 있어 두 물질의 파쇄 성상은 다르게 나타난다. 따라서 파쇄 성능을 위해 각 물질 성상에 따라 파쇄기를 달리하는 유형과 파쇄부의 유지관리를 위해 파쇄기를 하나만 두는 유형을 고려해볼 수 있다.

• UV 멸균방법

방사법은 전자기 방사를 이용하여 멸균하는 방법으로 자외선 멸균이 이에 해당한다. 자외선 멸균은 거의 모든 바이러스, 포자, 낭포에 효과적이며 화학적 방법에 비해 사용방법이 간단하다. 또한, UV 방사법의 경우 멸균 대상에게 내성이 잘 발생하지 않으며 기타 유해한 물질이 잔류하지 않고 상대적으로 짧은 접촉시간으로 멸균이 가능하다는 장점이 있다.

자외선 멸균 효과는 일반적으로 200 ~ 280nm 부근의 파장에서 멸균력이 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 멸균에 활용한 사례 또한 존재하였다.

• UV 파장 및 UV 램프 선정

UV-C를 멸균용으로 사용하는 이유는 사멸 대상 병원균 내에 존재하는 핵산에 UV-C가 변형을 잘 일으키기 때문이며 특히 파장 253.7nm인 UV가 효과적인 것으로 알려져 있다. 현재 시중에서 구할 수 있는 UV-C 램프는 UVC Lamp와 UVC LED가 있다. UVC Lamp의 경우 멸균에 가장 유리한 253.7nm의 파장을 갖는 UV를 방출하여 멸균성능이 보장되는 측면이 있다. 그러나 UVC Lamp는 인체에 유해한 수은이 함유되어 있어 안전성에 문제가 있을 수 있고 예열시간이 필요해 멸균시간이 길어지는 경향이 있으며 발열 문제가 존재한다. 또한, LED에 비해 소비 전력이 크고 사용수명이 약 1000시간으로 상대적으로 짧다.

반면 UVC LED의 경우 인체에 유해한 물질이 없고 예열이 필요 없어 멸균과정이 신속하게 진행된다. 그뿐만 아니라 UVC Lamp 대비 소비 전력이 낮고 1만시간 가량의 사용수명을 가지고 있다. 그러나 시중에서 구할 수 있는 UVC LED는 275nm이기 때문에 멸균성능이 불확실하다는 문제점이 있다.

• UV 멸균 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 멸균력과 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있으며 UV 멸균의 중요한 설계 지표이다. 이론상 UV 조사량이 같으면 멸균성능 역시 비슷하다. 즉, 강한 UV 강도와 짧은 접촉시간을 가진 시스템과 낮은 UV 강도와 긴 접촉시간을 가진 시스템의 멸균성능에는 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 멸균기의 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 멸균에 유리하다.

3) 접촉시간

접촉시간은 UV가 멸균 대상에게 조사되는 시간이며 회분식 반응조의 경우 UV 램프를 켜두는 시간과 동일하다. 접촉시간은 UV 강도와 달리 쉽게 조정이 가능한 변수이기 때문에 중요한 설계 인자이며 UV 조사량 변동에 큰 영향을 미친다. 접촉시간이 길수록 멸균성능이 좋지만, 접촉시간이 길어질수록 반응조 부피가 커져야 한다. 결론적으로 적용 가능한 UV 강도 범위와 접촉시간 범위를 설정해두고 멸균실험을 진행하여 목표 달성을 위해 필요한 UV 조사량을 구한 후 해당 UV 조사량을 만족시킬 수 있도록 UV 강도와 접촉시간을 설정하여 UV 멸균조를 설계할 수 있다.

• UV조 교반 방법 아이디어

UV 멸균의 경우 UV가 조사되는 표면만 멸균이 진행된다는 단점이 존재한다. 따라서 단순한 UV 조사만으로는 일정 성능 이상의 멸균력을 보장하기가 어렵다는 문제점이 있고 이를 해결하기 위해 UV조 내에서 교반을 실시하고자 한다. 다만 멸균분쇄기의 소형화를 목적으로 하고 있으므로 적용할 수 있는 교반 기술에는 한계가 있다. 이러한 점들을 모두 고려한, UV 멸균의 성능을 저해하지도 않고 소형화가 가능한 교반 방법으로 다음과 같은 세 가지 방법을 제시하고자 한다.

개념설계 평가

• 파쇄에너지 계산 식 결정

Kick의 법칙은 단일 입자의 이상 파쇄를 고려한 식으로 50mm를 초과하는 입경일 때 적용이 가능하다. 주로 조쇄나 충격 분쇄에 잘 맞는 것으로 알려져 있다. Rittinger의 법칙은 단일 입자의 이상 분쇄를 가정한 식으로 입경이 0.5mm 이하인 미분쇄 경향과 잘 맞는 것으로 알려져있어 이외의 경우에는 적용하지 않는 것이 좋다. bond의 법칙은 하나의 큰 입자가 다수의 작은 입자로 쪼개짐에 따라 표면적이 증가한다는 사실을 나타낸 법칙으로 에너지가 표면적/부피에 비례한다는 점에서 착안했다. 주로 습식 미분쇄, 건식 조쇄에 잘 맞는 것으로 알려져 있으며 파쇄 입경이 50mm에서 0.05mm 사용할 때 적용하는 것이 바람직하다. 본 설계에서는 UV 조사와 교반이 동시에 진행되므로 입경이 너무 작지도 크지도 않아야 한다. 또한, bond의 법칙은 표면적으로부터 유도된 식이기 때문에 표면적과 밀접한 연관이 있는 UV 멸균에 더 정확한 모델이 될 것으로 예상할 수 있다. 그러므로 범용적으로 조대입자를 대상으로 적용되는 Kick의 법칙보다는 bond의 법칙을 사용하여 설계하는 것이 실제 데이터와 더 큰 상관성을 보일 것으로 예상된다.

• UV조 교반 방법

상기한 평가 기준을 토대로 개념설계안에서 제시된 아이디어를 평가하면 아래와 같다.

따라서 기기 내부의 밀폐 정도, 동력비, UV 램프의 필요량, 교반 용이성을 고려할 때 1안 격벽형을 채택하는 것이 바람직하다고 판단할 수 있다.

• 파쇄부 설계

1) 파쇄방식 채택

앞서 설명한 파쇄방식 중 충격 파쇄방식의 경우 경질 폐기물에 유리하며 습식파쇄는 연질 폐기물에 적용되는 것이 바람직하고 전단파쇄방식은 금속류를 제외하고 범용적으로 사용할 수 있다. 다만 소형 UV 멸균분쇄기는 소규모 병원을 대상으로 하기 때문에 별도의 설치공간을 마련하기 어려워 인간이 점유하는 공간에 공존할 가능성이 크다. 이 경우 충격파쇄기에서 발생하는 소음 및 분진으로 인한 민원이 다수 발생할 여지가 있어 충격 분쇄방식의 사용은 지양하여야 한다. 또한 습식 파쇄의 경우 폐기물의 함수율이 급증하므로 폐기물의 탈수과정을 별도로 설치할 필요가 있다. 이 경우 폐기물 처리 공정이 복잡해져 멸균분쇄기의 크기가 필연적으로 증가해야 한다. 따라서 습식파쇄 역시 실제로 적용하기는 어렵다. 그러므로 의료폐기물 멸균분쇄기 파쇄방식으로는 전단파쇄방식이 가장 적절하다.

2) 파쇄부 아이디어 평가

다만, 소형 UV 멸균분쇄기에 적용 가능한 파쇄방식은 전단파쇄방식이 유일하다. 그러므로 용도에 따라 파쇄방식을 변경할 여지가 없기때문에 1안 용도 구분형을 채택함에 따라 상승하는 파쇄 성능은 무의미할 것으로 예상된다. 또한 용도 구분형의 경우 파쇄부 부피를 동일하다고 가정했을 때 통합형에 비해 파쇄속도가 느리기 때문에 효율성이 떨어지는 측면이 있다. 따라서 유지관리의 편의성 및 파쇄 효율성을 고려하여 2안 통합형을 채택한다.

• 파쇄부 설계안

의료폐기물은 거즈, 고무, 플라스틱 등 여러 폐기물이 혼합된 형태로 혼합폐기물에 대한 파쇄를 고려해야 한다. 의료폐기물은 강도에 따라 거즈나 고무와 같은 연질 폐기물과 플라스틱과 같은 경질 폐기물로 분류 가능하고 이에 따라 멸균분쇄기의 파쇄부를 경질 폐기물 파쇄부와 연질폐기물 파쇄부로 분리하는 방안을 제시할 수 있다. 의료폐기물 파쇄방식으로 고려할 수 있는 파쇄방식으로 습식 파쇄방식, 충격 파쇄방식, 전단 파쇄방식이 존재하는데, 습식 파쇄방식은 연질폐기물 분쇄에 유용하고 충격 파쇄는 경질 폐기물 파쇄에 뛰어난 효과를 보이며 전단 파쇄의 경우 금속을 제외한 폐기물에 대해 좋은 성능을 보인다. 다만, 소형 UV 멸균분쇄기의 경우 소형병원을 대상으로 설계되었기 때문에 반드시 소형화되어야 하며, 제품과 소비자의 거리가 가까운 것을 고려하여 소음을 완화해야 할 필요가 있다. 습식 파쇄방식의 경우 폐기물의 함수율을 낮춰야 하는 공정이 추가되어야 하기 때문에 제품을 소형화하기에 불리하며 충격 파쇄방식의 경우 분진 및 소음이 발생하여 소비자에게 불편을 초래할 가능성이 커서 사용을 지양해야 한다. 그러므로 소형 UV 멸균분쇄기에서 사용 가능한 파쇄방식은 전단 파쇄방식이 유일하고, 이에 따라 파쇄부를 분리하여도 두 파쇄부 사이에 유의미한 차이가 존재하지 않으므로 파쇄부를 분리하는 방안은 오히려 비효율적이다.

설계에 참고하기 위해 기존에 존재하는 멸균분쇄기들의 파쇄부를 조사한 결과 모두 전단 파쇄방식을 채용하고 있었으며 의료폐기물을 분쇄하는데 큰 문제가 없음을 확인하였다. 따라서 파쇄부는 분리하지 않고 하나로 하며 파쇄방식은 전단 파쇄방식으로 한다.

또한 여러 종류의 파쇄날을 사용하여 다양한 성상의 의료폐기물에 대응한 사례도 존재하였다. 이 경우 탄력이 있는 폐기물도 파쇄가 용이하기 때문에 플라스틱류와 같은 경질 폐기물은 물론 고무, 거즈류 등에도 좋은 성능을 보일 것으로 예상하고 있다.

• UV조 설계

UV가 접촉한 면에서만 멸균이 진행된다는 UV 멸균의 단점을 보완하기 위해 UV조에서 교반을 진행하고자 한다. 교반 방법으로는 UV조 내에 교반기를 설치하는 방안, UV조 자체를 회전시키는 방안 그리고 격벽으로 UV조를 분리하고 소형 교반기를 설치하는 방안이 제시되었는데 최종적으로 UV조를 격벽으로 분리하고 소형 교반기를 사용하는 방안을 채택하였다. 이는 UV조가 소형화될 경우 밀폐형 구조를 갖추기 유리하고 사용되는 UV 램프 개수도 적으며 교반 동력도 적게 소모되기 때문이다.

멸균에 사용되는 램프는 UVC 수은 Lamp와 UVC LED가 존재하는데, 수은 램프의 경우 인체에 유해한 수은이 포함되어 있고 실제 멸균 효과를 나타내기까지 예열시간이 필요하다. 게다가 전력 효율이 좋지 않아 발열이 발생하여 기기에 이상을 일으킬 여지가 있고 소비 전력이 많으며 수명이 짧다는 단점을 가지고 있어 UVC 수은 Lamp는 별도의 유지관리 인력 충원이 어려울 것으로 예상되는 소형 멸균분쇄기에 적합하지 않다는 결론을 내렸다. 반면 LED의 경우 유해 물질도 없고 예열시간도 필요 없으며 전력효율도 좋고 수명이 길어서 LED를 사용하는 것이 기기 수명과 유지관리 측면에서 장점을 가지고 있다. 따라서 멸균 램프는 UVC LED를 사용하고자 한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

• 파쇄 입경 결정

현행 법령에 따르면 멸균분쇄시설은 원형이 파쇄되어 재사용할 수 없도록 분쇄할 수 있어야 한다. 파쇄에 관하여는 이 외의 다른 제약 조건이 없으나 본 설계의 경우 교반을 시행하여 UV 멸균의 성능을 높이고자 하므로 적정한 파쇄 입경을 설정할 필요가 있다. 파쇄 입경이 작을수록 UV가 골고루 조사될 것으로 예상되나 지나치게 작을 경우 분진이 발생하여 UV 조사의 효율을 낮추거나 지나치게 표면적이 넓어져 요구 접촉시간이 길어질 수 있다. 그러나 입경이 지나치게 크면 교반에 필요한 동력이 많이 필요하고 교반 효과가 미미할 가능성이 있다. 본 설계에 적절한 파쇄 입경을 Rosin-Rammler 입자 분포 모델을 활용하고 X, Y를 주요 변수로 하여 설정하고자 한다.

1) 폐기물의 90%를 1cm보다 작게 파쇄할 경우

2) 폐기물의 90%를 2cm보다 작게 파쇄할 경우

3) 폐기물의 90%를 0.5cm보다 작게 파쇄할 경우

Eq. 3.5, 3.9, 3.13을 도식화하면 다음과 같다.

파쇄 입경 2cm를 기준으로 할 경우 폐기물 질량의 약 63.21%가 직경 0.8686cm보다 작아 대부분의 입자는 직경 1cm보다 작다. 그러나 5% 정도의 입자가 직경 2.5cm보다 클 것으로 보이며 또한 직경 3cm를 넘는 입자는 3%, 직경 4cm보다 큰 입자는 1% 확률로 발견될 가능성이 있다. 조립자는 교반을 방해하고 UV를 가려 멸균효율을 감소시킬 뿐만 아니라 UV가 투과되지 않아 폐기물 내부까지 멸균이 진행되기 어려워 멸균이 진행되지 않을 가능성이 있다. UV멸균분쇄기의 경우 미립자가 존재하지 않을 정도로 파쇄하는 것이 바람직하며 따라서 파쇄입경을 2cm로 설정하는 것은 부적합하다.

파쇄입경이 0.5cm일 경우는 직경이 1cm보다 큰 입자의 분율이 1%이며 직경이 1.5cm이상인 입자는 0.1%, 직경이 2cm인 입자는 0.01%로 조립자가 발견될 확률이 극히 낮다고 예상할 수 있다. 그러나 파쇄입경이 0.5cm이고 플라스틱 및 연질폐기물 함께 파쇄할 수 있는 전단파쇄기는 시중에 존재하지 않으며 현실적으로 제작이 어렵고 동력이 많이 소요될 것으로 예상된다. 따라서 설계상의 문제로 인해 파쇄입경을 0.5cm로 설정하는 것은 불가능하다.

상기한 이유들로 인해 파쇄입경은 1cm로 설정한다. 다만 파쇄 입경이 1cm일 경우 직경이 1.5cm 이상인 입자의 분율이 3%, 2cm 이상인 입자의 분율은 1%이기 때문에 조립자가 존재할 가능성이 있다. 이러한 문제점을 해결하고 조립자가 멸균조에 유입되는 것을 방지하기 위해 파쇄부 하단에 체를 설치할 필요가 있다. 파쇄부 하단에 체를 설치할 경우 지정된 입경 이상의 폐기물은 파쇄기를 통해 다시 파쇄가 진행되어 잔존하는 폐기물 없이 파쇄가 가능하며 조립자도 존재하지 않아 멸균과정을 원활하게 진행할 수 있을 것으로 예상하는 바이다.

• UV 멸균 메커니즘

UV 멸균 메커니즘은 기존 화학적 방식과 차이가 있다. 기존 화학적 방식은 세포를 파괴하여 불활성화 하지만, UV에 의한 병원균 불활성화는 병원균 내 핵산 즉, RNA와 DNA의 손상에서 비롯되고 핵산의 손상은 병원균의 자가증식을 방해하게 되어 불활성화가 이루어진다.

DNA와 RNA는 뉴클레오타이드 중합체이며 뉴클레오타이드는 인산, 5탄당, 염기로 이루어져 있는데 DNA의 경우 아데닌, 구아닌, 티아민, 사이토신 네 가지 종류의 염기를 가지고 있으며 염기의 배열을 통해 유전 정보를 저장한다. DNA에 UV가 조사될 경우 서로 인접한 티아민 사이에 결합이 형성되어 티아민 이량체가 형성되고 이량체가 다수 형성될 경우 DNA는 기능을 상실한다.

UV는 파장이 100nm~400nm에 해당하는 빛이며 파장영역에 따라 UVA(315~400nm), UVB(280~315nm), UVC(200~300nm), vacuum UV(100~200nm)로 분류된다. UVA와 UVB는 DNA가 거의 흡수하지 못하기 때문에 소독용으로는 사용하기 어렵고 vacuum UV는 대부분 매질에서 소모되어 병원균에 흡수되는 비율이 현저히 적으므로 소독용으로 사용하기는 어렵다.

소독에 사용되는 UVC 중에서도 특히 파장 253.7nm에 해당하는 UVC가 살균효과가 좋은 것으로 알려져 있으며 또한 시중에 보급된 UVC LED의 경우 275nm를 사용하는 것이 많다. 두 파장의 자외선 가지는 자외선의 에너지를 비교하면 다음과 같다.

1) 파장이 253.7nm인 경우

2) 파장이 275nm인 경우

435kJ/mol의 에너지는 H2를 해리할 수 있는 에너지이며 메탄에서 메틸 라디칼을 생성할 수 있는 에너지량이다. 따라서 275nm의 UV 역시 병원균 내에서 원활하게 반응을 일으킬 수 있을 것으로 예상할 수 있다.

또한 Fig 3.4를 참고하면 티아민 염기의 경우 275nm 파장의 UV를 가장 잘 흡수하는 것으로 나타났으며 253.7nm UV와 275nm UV의 소독능 차이가 현격하지 않게 나타나는 실험 결과가 있는 등 두 UV 사이의 멸균 효과 차이는 크지 않을 것으로 예상된다.

• UV조 멸균 실험

UV조 내에서는 파쇄물들의 교반과 동시에 UV 램프가 작동하여 멸균이 진행된다. 이때 UV 램프는 다수가 동시에 작동하고 폐기물의 입경은 균일하지 않으며 교반 효과를 정량적으로 나타내기는 어렵기 때문에 UV조의 이론적 모델링은 불가능하다. 그러므로 반드시 실험을 통해 UV와 교반을 동시에 실행했을 때의 멸균이 정상적으로 이루어지는 지 검증할 필요가 있다.

1) 실험기기

실험에 사용할 UV멸균 모형은 3mm 아크릴 평판을 가공하여 30 x 15 x 15 규격의 직육면체로 제작하였다. 실제 제품에서는 UV조 내부가 스테인리스강 재질인 것과 아크릴에 빛이 잘 투과하기 때문에 UV가 외벽을 투과해 인체에 악영향을 줄 수 있는 점을 고려하여 내부를 알루미늄 호일로 포장하였다. 실험에 사용된 UV LED는 275nm 파장을 방출하는 제품으로 ㈜로보메카에서 생산된 제품이다. 또한 교반을 위해 UV조 측면에 교반기를 설치하였으며 교반기는 ㈜라이트컴에서 생산된 제품이다. UV조 내에 교반기가 설치된 면을 제외한 4면에 UV LED를 설치하였으며 한 면에 UV LED 램프 5개씩 총 20개의 램프가 설치되었다.

2) 실험 방법

i) 실험 균주 배양 방법

본 실험에서는 학부생의 안전상 문제로 ‘서울시립대학교 미생물 연구실’에서 제공된 DH5-alpha 대장균[Escherichia coli (E. coli)]을 사용하였고 정량적인 결과를 산출하기 위해 배지법을 실험방법으로 선택하였다. 미생물 배지는 배지가 함유하는 성분, 배지 성상과 같은 기준으로 분류할 수 있다. 액체배지는 미생물의 일반적인 생육과 물질의 생산을 목적으로 사용하고 고체배지는 액체배지에 한천 또는 gelatin을 첨가하여 굳힌 배지이며 미생물의 순수분리, 보존, 활성화 목적으로 사용된다. 이번 실험에서는 Luria-Bertani (LB) 배지를 이용하였다.

대장균은 3ml LB 배지에 접종하고 200 rpm, 37℃의 조건으로 Shaking incubator에서 20시간 동안 배양되었으며 해당 용액 1ml를 100ml LB 배지가 담긴 플라스크에 접종하여 20시간 배양한 뒤 사용하였다.

ii) UV LED 실험 및 Colony 측정 방법

실험에 사용될 일반의료폐기물 시료는 일반 의료폐기물의 구성품인 주사기, 거즈 , 붕대, 탈지면이 직경 1cm로 분쇄되었다는 가정 하에 직경 1cm로 절단하여 준비하였다. 또한 실험 전에 미리 UV를 작동시켜 시료들이 사전에 오염되었을 가능성을 배제하였다.

실험을 위해 일반의료폐기물 시료들을 미리 만든 대장균 배양액에 적시고 시료를 오븐에 넣어 70℃로 1시간 건조시키고, 대조군을 따로 150mg 덜어낸 후 남은 시료들을 UV조 모형에 넣은 후 모형을 작동시켰다. 시료는 UV조 모형이 가동된 지 5분, 10분, 20분, 40분이 되었을 때 채취하였으며, 대조군 및 각 체류시간별 시료는 UV조 모형에서 각각 150mg씩 채취하여 증류수 20mL에 넣고 10분간 교반하였다.

대장균 군체를 측정을 용이하게 진행하기 위해 희석 평판법을 사용하였다. 교반이 완료된 용액들은 의 희석배수로 희석한 뒤 100μL씩 희석용액들을 추출하여 고체 배지 위에 도말하였다. 해당 배지들은 37℃ heat chamber에서 24시간 성장시킨 후 배지 위에 대장균 colony 수(CFU)를 계측하였다.

iii) 실험 결과 및 결론

실험 결과 CFU 측정에 사용할 수 있는 배지들은 다음과 같이 나타났다.

각 배지의 Colony 개수와 희석배수를 통해 CFU/mL를 측정한 결과, 대조군 35.9*10^4 CFU/ml 5분 34.4*10^3 CFU/ml 10분 20.1*10^3 CFU/ml 20분 21.2*10^2 CFU/ml 40분 20.6*10^2 CFU/ml로 산출되었다. 해당 데이터와 다음 공식을 통해 멸균율을 산출할 수 있다.

실험 결과 멸균율은 5분 90.42%, 10분 94.4%, 20분 99.41%, 40분 99.43%로 나타났다. 실험결과를 통해 체류시간이 증가함에 따라 멸균율 역시 증가하는 것을 확인할 수 있고 이는 일반적인 UV멸균 과정에서의 UV조사량과 멸균율의 상관관계와 일치한다. 따라서 UV멸균과 교반을 동시에 진행하여도 UV조사량이 충분하다면 멸균이 완료될 것으로 예상할 수 있다. 즉, 실제 제품 규모의 실험을 통해 적정한 UV 강도와 체류시간을 설정하면 실제 제품의 멸균성능을 확보하고 멸균 목표를 달성할 수 있을 것으로 예상된다. 비록 목표 멸균율 99.9%에 도달하는 것은 확인할 수 없었으나 실험이 교반과 UV조사가 동시에 진행되었을 때 병원균 사멸 과정이 정상적으로 진행되는 지 검증하는 것에 목적이 있었고 기기의 사양이 실제 제품의 사양과 동일하지 않기 때문에 시간에 따른 멸균 경향성이 나타나는 것만으로도 의미가 있는 실험이라 평가할 수 있다.

다만, 30cm*15cm*15cm 규격의 실험조에서 20개의 UV 램프로 목표 멸균율을 확보하지 못한 것을 고려하였을 때 기존의 UV조 설계로는 멸균이 어려울 것으로 예상되어 UV조의 높이를 줄이고 한 번에 처리되는 폐기물의 양을 감소시켜 멸균성능을 높이는 것으로 설계를 변경하였다. 해당 설계 변경을 통해 폐기물 표면과 UV램프사이의 거리를 최적의 UV멸균성능을 보이는 3cm 이내로 위치하게 되어 멸균성능이 향상될 것으로 예상된다. 또한 시료가 클 경우 탈지면과 같은 시료 내부까지 UV가 투과되지 못해 시료 내부에 존재하는 대장균이 사멸되지 않을 것이라는 ‘서울시립대학교 미생물 연구실’의 조언에 따라 목표 파쇄입경을 더 작게 수정하였다. 이에 따라 UV의 폐기물 투과가 용이해져 병원균이 잔류하는 현상을 방지할 수 있을 것으로 예상된다.

• 이론적 처리 용량

반응시간 t를 구함에 따라 UV 멸균분쇄기의 이론적 처리 용량을 다음과 같이 계산할 수 있다.

설계도면상의 반응조 부피는 약 8.735L이고 교반효과를 충분히 활용할 수 있도록 UV조에서는 1회 처리시 UV조 용량의 10%에 해당하는 폐기물만 처리한다. 폐기물의 밀도는 거즈, 붕대, 탈지면, 라텍스 장갑, 일회용 주사기로 이루어진 폐기물 시료를 바탕으로 측정하였을 때 90g/L로 측정되었다. 소형UV멸균분쇄기의 주된 사용자는 국가 의료기관 분류상 ‘의원’에 해당하는 의료기관이며 2019년 기준 의원 한 곳당 평균적인 의료폐기물 발생량은 1.11kg/d였다. 다만 통계상에서 지역에 따라 상당한 편차를 보였고 또한 의원 외에 다른 의료폐기물 배출기관에서도 활용할 수 있는 가능성을 고려하여 목표 폐기물 처리용량을 5kg/d로 설정하였다. 멸균분쇄기의 폐기물 처리용량 5kg/d를 만족시키기 위해 필요한 반응시간의 최댓값은 다음과 같이 구할 수 있다.

즉 멸균분쇄기의 처리용량을 5kg/d로 설정하기 위한 UV조 내 최대 체류시간은 32.6분 이하이다. 이는 설계 목표로 설정했던 UV조 체류시간 20분을 초과하는 수치이므로 기존 설계목표를 만족한다는 것을 확인할 수 있다.

상세설계 내용

조립도

• 전체적인 3D 모델링과 그 부분들을 나누어 각 부분 마다의 설계 치수를 보여주면 아래와 같다.

1) 뚜껑 및 기기 외부 상단부 통

• 뚜껑을 열고 일반 의료폐기물을 넣고 닫으면 입구 양 옆의 경사로 인해 아래의 파쇄부로 폐기물이 내려가는 구조이며 통 양 옆에 공간을 두어 파쇄기 모터가 들어갈 수 있는 공간을 마련하였음.

2) 파쇄부 내부 격벽

• 일반 의료폐기물이 파쇄기에 들어가기 전에 투입량을 조절하기 위해 설계되었음.

3) 윗부분 격벽

• 파쇄기에 의해 파쇄된 일반의료폐기물이 UV조에 들어가기 전에 격벽으로 막아 먼저 UV조에 투입된 일반의료폐기물이 멸균 처리되기 이전에 새로운 폐기물이 UV조에 추가 투여되는 것을 방지하기 위해 설계되었음.

4) 파쇄기

• 4회전 파쇄를 하여 파쇄력이 더 좋게끔 의도하고 설계를 하였고 파쇄기를 감싸는 통의 하단부에 적정 크기까지 파쇄되기 이전에 밑으로 낙하하지 않도록 원하는 입경 크기만큼 구멍을 뚫음.

5) UV조

• 양쪽 벽에 교반기를 2개씩 총 4개의 교반기를 설치하여 일반의료폐기물이 멸균되는 도중 조 내부 전체를 순환시켜 UV가 골고루 조사되도록 유도함과 동시에 통 내부 구석에 일반 의료폐기물이 잔류하여 멸균 사각지대가 생기지 않도록 교반기 옆 부분의 구조를 곡선부로 설계하였음.

6) 아랫부분 격벽

• UV조에서 멸균 처리 중에는 하단부 쓰레기 수거 공간과 분리하여 UV와 균 및 바이러스의 외부 유출을 차단하는 역할을 하고, UV조에서 멸균 처리된 일반 의료폐기물을 하단부 쓰레기 수거 봉지에 낙하시키도록 설계되었음.

7) UV조 격벽의 상세 형태

• 서보모터로 격벽을 이동시킬 때 적은 힘으로 용이하게 이동시켜야 하므로 격벽 위, 아래, 내부에 바퀴를 설치하여 UV조와 그 외 구조와의 마찰을 최소화할 수 있는 구조로 설계하였음.

8) 기기의 외부 및 하단부 통

• 기본적으로 UV조를 포함할 수 있는 형태이며, 추가적으로 회로가 들어갈 수 있는 충분한 여유 공간, 격벽이 내부에서 열고 닫힐 수 있는 공간이 확보되게끔 설계하였음. UV조에서 멸균처리된 의료폐기물이 하단부의 폐기물 봉투에 들어갈 수 있고 봉투의 내부가 외부로 노출되지 않도록 하단부 구멍에 링으로 고정될 수 있는 구조로 설계하였음.

조립 순서

부품도

제어부 및 회로설계

• 전체적인 회로설계를 회로도로 나타내면 아래와 같다.

• 회로 구성에 사용된 소프트웨어 보드는 아두이노 우노 보드를 사용하였다. 보드의 위치는 UV조의 옆면에 설치할 예정이며 그림으로 표현하면 아래와 같다.

• 추가적으로 UV조 내부의 UV LED의 대략적인 배치를 UV조의 3D 캐드 내에 노란색 라인으로 표현하면 아래의 그림과 같다. 벽면의 재질은 스테인리스 스틸을 사용하여 UV 광선이 골고루 퍼지도록 유도한다.

소프트웨어 설계

• 아두이노 보드에 들어갈 컴파일 코드는 아래와 같다.

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후평가

• 제품의 주된 소비처가 소규모의 의원임을 감안했을 때 제품의 이동성을 확보할 경우 사용자의 만족도가 올라갈 것으로 보인다. 의원에 근무하는 인원의 절대다수가 상대적으로 근력이 약한 여성임을 감안하였을 때 제품 하단에 바퀴가 달려있지 않다면 제품을 설치하거나 이동시키는데 상당한 불편을 호소할 가능성이 크다. 그러므로 현재 도면에는 반영되어 있지 않으나 실제 제품에서는 기동성의 확보를 위해 제품 하단부에 바퀴를 설치하는 것이 바람직할 것이다.

• 제품의 안전성을 위해 제품 유입구 혹은 파쇄부 뚜껑 설계에 추가적인 아이디어나 세밀한 설계가 필요하다. 파쇄부에 인체의 일부가 끼일 경우 치명적인 사고로 이어질 수 있으며 이에 따른 안전 대책이 필요하기 때문이다. 이에 따라 뚜껑이 닫힌 이후에만 파쇄기가 작동하고 이물질 등으로 인해 뚜껑이 완전히 닫히지 않은 경우에는 작동이 되지 않도록 설계하면 더 좋은 평가를 받을 수 있을 것으로 예상된다. 또한 의료폐기물의 경우 주사바늘은 위해의료폐기물로 분류되어 멸균분쇄 처리가 불가능하지만 주사기 몸체는 멸균분쇄가 가능한 것처럼 제품의 사용자가 의료폐기물에 대한 지식이 있어야 한다. 따라서 병원 내 불특정인이 자유롭게 기기를 사용할 경우 의료폐기물이 혼입되는 등의 문제가 발생할 여지가 있다. 이러한 점을 보완하기 위해 RFID 시스템을 적용하여 특정 카드를 가진 사람만 뚜껑을 열 수 있게하는 등의 설계를 고려해봄직 하다.

• 설계한 제품은 기본적으로는 회분식 반응조 내에서 멸균이 진행되기 때문에 폐기물 처리가 지체되는 상황이 발생할 수 있다. 폐기물 처리의 지체는 사용자의 불편을 초래하기 때문에 이에 대한 대책을 마련할 필요가 있다. 본 설계에서도 파쇄부와 UV조 사이에 공간이 존재함에 따라 해당 공간에서 파쇄된 폐기물을 저장하여 폐기물 부하조정이 가능하지만 정확히 어느 정도 부하변동을 감당할 수 있는 지 제시되지 않았다. 따라서 추후에 계산 혹은 실험을 통해 기기가 처리할 수 있는 최대 부하변동을 구하고 해당 부하 이상으로 투입될 경우 사용자에게 알려 투입을 중지할 수 있도록 하는 시스템을 고안할 필요가 있다. 이는 부하조정공간 내 감지 센서 등을 설치하여 일정 부피 이상으로 폐기물이 잔존하고 있을 때에는 파쇄부의 작동을 멈추는 등의 방법을 통해 가능할 것으로 예상된다.

• 본 설계에서는 UV조 1회 가동시 UV조의 10% 부피의 폐기물만 처리하는 것을 가정하고 설계되었다. 그러나 파쇄 완료 후 UV조에 폐기물이 투입될 때 수직으로 낙하하기 때문에 투입량을 조절할 수 있는 수단이 존재하지 않아 현재로써는 이상적인 조건으로 운전하기가 어려울 것으로 예상된다. UV조에 투입하는 폐기물량을 조정할 수 있는 시스템을 추가적으로 고민해야 할 필요가 있는 것으로 사료된다.

• 본 프로젝트에서 시행한 실험은 실험실 규모의 실험으로 실제 제품 사양과는 상당한 괴리가 있는 조건으로 진행하였으며 이에 따라 정성적인 결론을 내릴 수밖에 없었다. 실제 제품 사양의 UV조를 제작하고 이를 통해 멸균 및 교반 성능을 검증할 필요가 있다. 특히 제품의 상용화를 위해서는 국가기관으로부터 성능을 인증 받아야하기 때문에 국가공인시험검사기관에 의뢰하여 그 성능을 평가받아야할 것이다.

• 제품의 경제성을 평가하였을 때 제품을 총 9,898시간 사용하였을 때 손익분기점이 나타났다. 그러나 제품에 사용될 UV LED의 경우 수명이 10,000시간으로 알려져 있어 손익분기점을 지난 지 얼마되지 않아 제품을 사용할 수 없게 된다는 문제점이 있다. UV LED의 수명이 다 했을 때 마다 제품을 폐기하고 다시 구매해야할 경우 사용자 입장에서 번거로울 뿐만 아니라 제품 수명이 더 긴 파쇄기를 낭비하게 되는 결과를 야기한다. 따라서 제품의 경제성을 극대화하기 위해서는 수명이 다한 UV LED를 교체할 수 있도록 설계할 필요가 있다. UV LED 교체를 고려한다면 기기에서 UV조를 따로 분리해낼 수 있도록 설계할 필요가 있을 것으로 예상되며 교체 방법으로는 UV조 자체를 교체하는 방법과 램프를 탈부착이 가능하게 설계하여 램프만 간단하게 교체하는 방법을 제시할 수 있을 것이다. UV조 자체를 교체할 경우 UV조 자체의 단가는 단순 램프 교체에 비해 비쌀 수 있으나 UV조를 재활용하여 교체 비용을 절감할 수 있을 것으로 예상한다.

• 파쇄기의 경우 폐기물이 파쇄기에 끼는 등 파쇄를 원활하지 않게 만드는 요인들이 존재할 가능성이 다분하다. 따라서 파쇄 과정에서 문제가 발생하여도 자가수복할 수 있도록 역회전이 가능한 파쇄기를 도입하게 된다면 제품 사용자가 제품을 사용하면서 겪는 불편을 상당히 줄일 수 있을 것으로 예상된다.

특허 출원 내용

부록

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관련 특허

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