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2024년 12월 22일 (일) 07:28 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 종이팩 재활용률 향상을 위한 종이팩 수거 시스템 구축

영문 : Establishing a Collection System to Enhance the Recycling Rate of Paper Cartons

과제 팀명

가온

지도교수

구자용 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 202189**** 노*철(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 201889**** 권*중

서울시립대학교 환경공학부·과 201989**** 지*현

서울시립대학교 환경공학부·과 202189**** 지*현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

- 종이팩 재활용률 향상을 위한 수거 시스템 구축

- 재활용 과정 최적화를 위한 전처리 및 자동화 기술 개발

- IoT 기반 스마트 관리 및 사용자 인센티브 시스템 도입

개발 과제의 배경

- 국내 종이팩 재활용률은 14% 불과하며, 멸균팩과 일반팩의 혼합 배출로 인해 재활용 체계가 비효율적으로 운영되고 있음

- 멸균팩의 사용 증가와 종이팩 전용 수거함 부족은 재활용률 감소의 주요 원인으로 지목됨

- 종이팩 재활용 인프라의 부재로 인한 재활용률 하락

개발 과제의 목표 및 내용

- 목표: 일반팩과 멸균팩을 효율적으로 분리배출하고, 재활용률을 향상시켜 자원 낭비와 환경 오염을 줄이는 시스템을 구축.

- QR코드를 활용한 종이팩 분츄 및 자동 개폐 시스템 개발

- 세척, 건조, 압축 공정을 포함한 통합 수거함 설계 및 제작

- IoT 기술을 기반으로 한 실시간 수거함 모니터링 및 데이터 분석 시스템 도입.

- 사용자의 분리배출을 유도하기 위한 인센티브 제도 개선

- 펄프 가격: 705달러/톤 × 1,200원 = 846,000원/톤

- 서울시립대 종이팩 발생량: 7.453kg/일 = 2.72톤/년

- 재활용률: 90%

- 연간 재활용 이익: 2.72톤 × 90% × 846,000원/톤 = 2,071,296원

2. 감축된 폐기물 처리 비용

- 매립/소각 비용 : 111,200원/톤

- 연간 감축량: 2.72톤 × 90% = 2.45톤

- 감축 이익: 2.45톤 × 111,200원/톤 = 272,440원

3. 총 연간 편익

- 재활용 이익 + 감축 이익 = 2,071,296원 + 272,440원 = 2,343,736원

◇비용(Cost)

초기 설치비용 = Tank 제작(빗물 받이 용수) + 수도 설치 + 기타 장치 비용

(1) Tank 제작, 설치 비용(빗물 받이 용수)

2023. 서울시 빗물이용시설 보조금 지원 사업 관련문서, 물 재이용 법령 규칙 제 27조, 28조에 따르면 재정지원에 따라 설치비의 일부와 전액을 지원받을 수 있다.

1. 물탱크 : 110,000원

2. PIPE 배관 : 205,924원

3. 압력용기 명판 : 45,559원

4. PIPE 현장 배관 : 28,516원

5. 빗물필터(전처리시설) 비용 : 380,000원

6. 펌프 및 펌프설치 비용 : 403,455원

총 비용 : 1,173,454원으로 빗물 재이용시설의 최대 지원금 2,084,000원 안의 비용으로 전액 지원이 가능하므로 펌프 비용, 설치 유지비용을 계산한다.

(2) 초기 설치 비용

1. 수도 설치 : 238,000원

2. 기타 장치 (터치 스크린, 압축기 ,환풍기 등) : 404,000원

총 초기 설치비용 : 642,000원

(3) 운영비용

1. 수도 사용 요금

- 1일 수도 사용량 : 약 134원

- 연간 수도 요금 : 134원 × 365일 = 48,910원

2. 전력 비용

- 하루 전력 사용량 : 2kWh × 160원 = 320원

- 연간 전력 비용: 320원 × 365일 = 116,800원

3. 노동 비용

- 시설청소원 월급여 시급 : 13,323원

- 월 작업 시간: 10시간 (가정)

- 연간 노동비용: 13,323원 × 10시간 × 12개월 = 1,598,850원

4. 총 연간 운영비용: 48,910 + 116,800 + 1,598,850 = 1,764,560원

◇B/C Ratio

1. 총비용

총 비용 = 초기 설치비용 + (연간 운영비용 × 운영 기간)

총 비용 = 642,000 + (1,764,560 × 운영 기간)

2. 총 편익

총 편익 = 연간 편익 × 운영 기간

총 편익 = 2,343,523 × 운영 기간

3. B/C Ratio 계산

- B/C = 총 편익 ÷ 총 비용

- B/C = (2,343,523 × 운영기간) ÷ (642,000 + 1,764,560 × 운영기간)

- B/C > 1이 되는 최소 기간을 찾기 위해 반복 계산

- 결론 : 운영 기간이 2년일 때 B/C > 1을 만족한다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

설계

설계사양

제품의 요구사항

개념설계안

세척부

- 수거함 상단에 위치하며, 사용자 입력 후 세척 노즐에서 물이 나와 종이팩 내부를 세척

- 세척된 물은 하수관을 통해 배출

QR코드 인식부

- 세척된 종이팩을 QR코드 스캐너로 스캔하여 일반팩과 멸균팩을 자동으로 구별

- 구별된 종이팩은 해당하는 투입구로 자동 개폐 후 분류

건조 및 압축수거부

- 자연 통풍과 환풍기를 퉁해 세척 후 종이팩을 건조

- 초음파 센서를 이용해 적재량을 감지하고, 부피가 일정 수준을 초과하면 압축기로 부피를 줄여 수거 공간 최적화

설치 장소와 시스템 설계

- 세척수 잔여물이 고이지 않도록 바닥과 이격된 수거통 설계

- 효율적인 분리배출과 수거를 위해 QR코드 기반의 자동화 시스템과 환기 장치 적용

인센티브 제도 개선 및 제안

'

학생들이 종이팩 수거 활동에 참여할 수 있는 실질적인 인센티브 설계

- 기존 종이팩 수거의 인센티브는 화장지 2롤로 학생들에게 실질적인 보상으로 느껴지지 않음

- 부평구의 사례를 통해 자원봉사 시간 제공으로 재활용 참여율 상승효과

- 대학 내 종이팩 전용 수거함 설치후 자원봉사 시간 인정과 같은 실질적인 보상 제공

- 타 기관에서 채택 가능한 모범 사례 모델 구축

이론적 계산 및 시뮬레이션

CO2 감축효과

상세설계 내용

설계 사양

- 수거함 규격 : 가로 1.2m, 세로 0.6m, 높이 1.1m로 최대 수거 용량 고려

- 투입구 크기 : QR코드 인식 후 자동 개폐되는 구조로, 최대 1L 팩 크기를 수용할 수 있도록 설계

시스템 작동 절차

1. 사용자가 QR코드를 스캔하여 종이팩 종류를 인식.

2. 스크린 안내에 따라 세척 노즐에서 10~20초 동안 물을 분사해 내부를 세척

3. 일반팩과 멸균팩으로 분류된 팩은 각각의 투입구로 이동

4. 수거함이 2/3 이상 차면 압축기가 작동하여 부피를 줄임

5. 환풍기를 통해 잔여 수분 제거 및 악취 방지

장치 설치 계획

(1) 설치 위치

- 100주년 기념관, 학생회관, 중앙도서관

- 접근성과 사용자 이용 편의를 고려한 위치 선정

(2) 환경 관리

- 바닥과의 간격을 두어 물 고임 방지 및 내부 환기

운영 및 유지 관리

(1) 운영 주기 : 3일마다 수거 및 점검

(2) 유지 비용

- 수도 요금 : 하루 약 134원

- 전력 요금 : 하루 약 15Wh 소비

- 인건비 : 월 133,230원 (연간 약 1,598,850원)

제어부 및 회로설계

프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

설계내용

- 종이팩의 QR코드 인식 후 종류(일반팩, 멸균팩)에 따라 각각의 투입구 자동 개폐

- 종이팩이 투입도니 후 적외선 센서와 모터를 이용한 압축기 작동

- 압축된 종이팩들이 수거통에 2/3 이상 쌓이게 되면 초음파 센서와 LED를 활용한 알림 시스템 작동

소프트웨어 설계

아두이노 QR 코드 스캐너 및 LCD 패널 코드

아두이노 적외선 센서 및 모터 코드

아두이노 초음파 센서 및 LED 코드

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

향후계획

- 시범 운영 데이터를 분석항 사용자 이용률과 재활용 효과 최적화

- 지역사회 및 공공기관과 협력해 시스템을 전국적으로 확산하고 지속 가능한 운영 체계 구축

- 수거함에 IOT 통신 센서를 추가하여 적재함 용량 한계 시 자동 알람을 통한 수거 업체와의 수거 계획 최적화

- 수거함에서 발생되는 종이팩의 데이터들을 활용하여 향후 다량 수거되는 종이팩의 종류 확인을 통한 제조사 펄프 비용 조정 가능성

- 시연물에서 구현되지 못한 종이팩 분류 적재함 자동 개폐 시스템 추가적인 설계

- 인센티브 제공을 위한 전용 어플리케이션 도입

- 종이팩 수거율 낮은 지방 자치단체 (대전광역시, 세종특별자치시, 전라북도등)에 설치비 지원을 통한 수거율 향상 방안

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 ====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
 *전 세계적인 기술현황
-내용
+. Clean Cube
+[[파일:24관련기술1.PNG]]
+- 자동 압축 기능: 내장된 센서가 쓰레기 양을 감지하면 압축기가 작동하여 부피를 줄임.
+- 효율성 증가: 최대 8배까지 쓰레기 적재 용량을 늘릴 수 있음.
+- 에너지 절약: 태양광 집광장치를 활용하여 별도의 전력이 필요하지 않음.
+- 운영 효율성: 압축으로 쓰레기 수거 빈도를 줄여 관리 비용 감소.
 *특허조사 및 특허 전략 분석
-내용
-*기술 로드맵
+[[파일:24특허1.PNG]]
-내용
+[[파일:24특허2.PNG]]
+[[파일:24특허3.PNG]]
+[[파일:24특허4.PNG]]
 ====시장상황에 대한 분석====
@@ 65번째 줄: / 82번째 줄: @@
 [[파일:2분4조경쟁.PNG]]
 *마케팅 전략 제시
-[[파일:2분4조swot.PNG]]
+[[파일:24swot.PNG]]
 ===개발과제의 기대효과===
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 . 사회적 기대효과 : 재활용률 향상과 인센티브 제공으로 환경 인식 개선과 국가적 재활용 체계 강화 기대
-====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
+====경제적 기대효과====
-내용
+◇ '''편익(Benefit)'''
+'''1. 종이팩 재활용 이익'''
+- 펄프 가격: 705달러/톤 × 1,200원 = 846,000원/톤
+- 서울시립대 종이팩 발생량: 7.453kg/일 = 2.72톤/년
+- 재활용률: 90%
+- 연간 재활용 이익: 2.72톤 × 90% × 846,000원/톤 = 2,071,296원
+'''2. 감축된 폐기물 처리 비용'''
+- 매립/소각 비용 : 111,200원/톤
+- 연간 감축량: 2.72톤 × 90% = 2.45톤
+- 감축 이익: 2.45톤 × 111,200원/톤 = 272,440원
+'''3. 총 연간 편익'''
+- 재활용 이익 + 감축 이익 = 2,071,296원 + 272,440원 = 2,343,736원
+◇'''비용(Cost)'''
+초기 설치비용 = Tank 제작(빗물 받이 용수) + 수도 설치 + 기타 장치 비용
+'''(1) Tank 제작, 설치 비용(빗물 받이 용수)'''
+. 서울시 빗물이용시설 보조금 지원 사업 관련문서, 물 재이용 법령 규칙 제 27조, 28조에 따르면 재정지원에 따라 설치비의 일부와 전액을
+지원받을 수 있다.
+. 물탱크 : 110,000원
+. PIPE 배관 : 205,924원
+. 압력용기 명판 : 45,559원
+. PIPE 현장 배관 : 28,516원
+. 빗물필터(전처리시설) 비용 : 380,000원
+. 펌프 및 펌프설치 비용 : 403,455원
+'''총 비용''' : 1,173,454원으로 빗물 재이용시설의 최대 지원금 2,084,000원 안의 비용으로 전액 지원이 가능하므로 펌프 비용, 설치 유지비용을 계산한다.
+'''(2) 초기 설치 비용'''
+. 수도 설치 : 238,000원
+. 기타 장치 (터치 스크린, 압축기 ,환풍기 등) : 404,000원
+'''총 초기 설치비용''' : 642,000원
+'''(3) 운영비용'''
+. 수도 사용 요금
+- 1일 수도 사용량 : 약 134원
+- 연간 수도 요금 : 134원 × 365일 = 48,910원
+. 전력 비용
+- 하루 전력 사용량 : 2kWh × 160원 = 320원
+- 연간 전력 비용: 320원 × 365일 = 116,800원
+. 노동 비용
+- 시설청소원 월급여 시급 : 13,323원
+- 월 작업 시간: 10시간 (가정)
+- 연간 노동비용: 13,323원 × 10시간 × 12개월 = 1,598,850원
+. '''총 연간 운영비용: 48,910 + 116,800 + 1,598,850 = 1,764,560원'''
+◇'''B/C Ratio'''
+. '''총비용'''
+총 비용 = 초기 설치비용 + (연간 운영비용 × 운영 기간)
+총 비용 = 642,000 + (1,764,560 × 운영 기간)
+. '''총 편익'''
+총 편익 = 연간 편익 × 운영 기간
+총 편익 = 2,343,523 × 운영 기간
+. '''B/C Ratio 계산'''
+- B/C = 총 편익 ÷ 총 비용
+- B/C = (2,343,523 × 운영기간) ÷ (642,000 + 1,764,560 × 운영기간)
+[[파일:24BC.PNG]]
+- B/C > 1이 되는 최소 기간을 찾기 위해 반복 계산
+- 결론 : 운영 기간이 2년일 때 B/C > 1을 만족한다.
 ===기술개발 일정 및 추진체계===
 ====개발 일정====
 [[파일:2분4조역할.PNG]]
-====구성원 및 추진체계====
-내용
 ==설계==
 ===설계사양===
 ====제품의 요구사항====
-내용
+[[파일:2분4조제품요구.PNG]]
-====설계 사양====
-내용
 ===개념설계안===
-내용
+[[파일:설계모식도.PNG]]
+[[파일:4조설계도.PNG]]
+'''세척부'''
+- 수거함 상단에 위치하며, 사용자 입력 후 세척 노즐에서 물이 나와 종이팩 내부를 세척
+- 세척된 물은 하수관을 통해 배출
+'''QR코드 인식부'''
+- 세척된 종이팩을 QR코드 스캐너로 스캔하여 일반팩과 멸균팩을 자동으로 구별
+- 구별된 종이팩은 해당하는 투입구로 자동 개폐 후 분류
+'''건조 및 압축수거부'''
+- 자연 통풍과 환풍기를 퉁해 세척 후 종이팩을 건조
+- 초음파 센서를 이용해 적재량을 감지하고, 부피가 일정 수준을 초과하면 압축기로 부피를 줄여 수거 공간 최적화
+'''설치 장소와 시스템 설계'''
+- 세척수 잔여물이 고이지 않도록 바닥과 이격된 수거통 설계
+- 효율적인 분리배출과 수거를 위해 QR코드 기반의 자동화 시스템과 환기 장치 적용
+'''인센티브 제도 개선 및 제안'''
+[[파일:24인센티브.PNG]]'
+'''학생들이 종이팩 수거 활동에 참여할 수 있는 실질적인 인센티브 설계'''
+- 기존 종이팩 수거의 인센티브는 화장지 2롤로 학생들에게 실질적인 보상으로 느껴지지 않음
+- 부평구의 사례를 통해 자원봉사 시간 제공으로 재활용 참여율 상승효과
+- 대학 내 종이팩 전용 수거함 설치후 자원봉사 시간 인정과 같은 실질적인 보상 제공
+- 타 기관에서 채택 가능한 모범 사례 모델 구축
 ===이론적 계산 및 시뮬레이션===
-내용
+'''CO2 감축효과'''
+[[파일:24감축량.PNG]]
 ===상세설계 내용===
-내용
+'''설계 사양'''
+- 수거함 규격 : 가로 1.2m, 세로 0.6m, 높이 1.1m로 최대 수거 용량 고려
+- 투입구 크기 : QR코드 인식 후 자동 개폐되는 구조로, 최대 1L 팩 크기를 수용할 수 있도록 설계
+'''시스템 작동 절차'''
+. 사용자가 QR코드를 스캔하여 종이팩 종류를 인식.
+. 스크린 안내에 따라 세척 노즐에서 10~20초 동안 물을 분사해 내부를 세척
+. 일반팩과 멸균팩으로 분류된 팩은 각각의 투입구로 이동
+. 수거함이 2/3 이상 차면 압축기가 작동하여 부피를 줄임
+. 환풍기를 통해 잔여 수분 제거 및 악취 방지
+'''장치 설치 계획'''
+(1) 설치 위치
+[[파일:24위치선정.PNG]]
+- 100주년 기념관, 학생회관, 중앙도서관
+- 접근성과 사용자 이용 편의를 고려한 위치 선정
+(2) 환경 관리
+- 바닥과의 간격을 두어 물 고임 방지 및 내부 환기
+'''운영 및 유지 관리'''
+(1) 운영 주기 : 3일마다 수거 및 점검
+(2) 유지 비용
+- 수도 요금 : 하루 약 134원
+- 전력 요금 : 하루 약 15Wh 소비
+- 인건비 : 월 133,230원 (연간 약 1,598,850원)
+'''제어부 및 회로설계'''
+프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도
+[[파일:24아두이노회로도.PNG]]
+'''설계내용'''
+- 종이팩의 QR코드 인식 후 종류(일반팩, 멸균팩)에 따라 각각의 투입구 자동 개폐
+- 종이팩이 투입도니 후 적외선 센서와 모터를 이용한 압축기 작동
+- 압축된 종이팩들이 수거통에 2/3 이상 쌓이게 되면 초음파 센서와 LED를 활용한 알림 시스템 작동
+'''소프트웨어 설계'''
+[[파일:24QRLCD.PNG]]
+아두이노 QR 코드 스캐너 및 LCD 패널 코드
+[[파일:24적외선.PNG]]
+아두이노 적외선 센서 및 모터 코드
+[[파일:24초음파LED.PNG]]
+아두이노 초음파 센서 및 LED 코드
 ==결과 및 평가==
 ===완료 작품의 소개===
 ====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
-내용
+[[파일:2분4조프로토.PNG]]
 ====포스터====
 [[파일:2분4조포스터.PNG]]
 ===관련사업비 내역서===
-내용
+[[파일:24관련사업내역.PNG]]
 ===완료작품의 평가===
-내용
+[[파일:24완작평.PNG]]
 ===향후계획===
-내용
-===특허 출원 내용===
+- 시범 운영 데이터를 분석항 사용자 이용률과 재활용 효과 최적화
-내용
+- 지역사회 및 공공기관과 협력해 시스템을 전국적으로 확산하고 지속 가능한 운영 체계 구축
+- 수거함에 IOT 통신 센서를 추가하여 적재함 용량 한계 시 자동 알람을 통한 수거 업체와의 수거 계획 최적화
+- 수거함에서 발생되는 종이팩의 데이터들을 활용하여 향후 다량 수거되는 종이팩의 종류 확인을 통한 제조사 펄프 비용 조정 가능성
+- 시연물에서 구현되지 못한 종이팩 분류 적재함 자동 개폐 시스템 추가적인 설계
+- 인센티브 제공을 위한 전용 어플리케이션 도입
+- 종이팩 수거율 낮은 지방 자치단체 (대전광역시, 세종특별자치시, 전라북도등)에 설치비 지원을 통한 수거율 향상 방안