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===개발 과제의 개요===
 
===개발 과제의 개요===
 
====개발 과제 요약====
 
====개발 과제 요약====
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◇ 현존하는 우리나라 야외 문화재는 대부분 석재로 이루어져 있어 여러 가지 환경과 주변 여건으로부터 많은 영향을 받고 있다.
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◇ 현존하는 우리나라 야외 문화재는 대부분 석재로 이루어져 있어 여러 가지 환경과 주변 여건으로부터 많은 영향을 받고 있다. 특히, 탑골공원에 있는 원각사지 십층석탑은 국보 제2호로 세조 13년(1467년)에 조성되었으며 창건 이래 한 번도 해체한 적이 없이 원위치에 원형대로 유지되어 와 역사적 가치가 높으며, 조선 시대 조성된 탑 중 형태가 특이하고 표현장식이 풍부하여 미술사적으로 훌륭한 걸작으로 손꼽히고 있다. 우리나라 석탑의 대부분은 화강암으로 이루어져 있는데 비해 대리암으로 이루어져 유백색의 색감과 화려한 조각이 어우러진 아름다운 탑이다. 대리암의 성질로 인해, 외부요인에 의한 손상에 훨씬 취약하다는 단점이 있다. 이 석탑은 5백 년 이상 대기 환경에 노출되어 인위적 및 자연적 풍화 훼손이 진행된 상태이며, 위치한 곳이 대도심의 중심가로 산업의 발달과 인구 밀도가 높아지면서 동반되는 환경변화와 대기오염으로 훼손이 가속화되어 대책이 시급해졌다. 이에 따라 풍화와 훼손의 위험으로부터 석탑을 보존하기 위해 1999년 12월에 외부에 유리 보호각을 설치하였다. 유리 보호각 설치 이후 산성비를 비롯한 대기 환경변화와 조류의 배설물 등으로부터 직접적인 오염 노출은 차단되었다. 그러나 보호각 설치 이후 내부에 충분한 통풍량이 확보되지 않아, 낮은 기류로 인한 보호각 내부로 유입되는 부유 먼지의 침적과 보호각 상부의 누수 및 결로, 관람환경 저해 문제 등의 이차적인 문제가 지속적으로 제기되고 있다.
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특히, 탑골공원에 있는 원각사지 십층석탑은 국보 제2호로 세조 13년(1467년)에 조성되었으며 창건 이래 한 번도 해체한 적이 없이 원위치에 원형대로 유지되어 와 역사적 가치가 높으며, 조선 시대 조성된 탑 중 형태가 특이하고 표현장식이 풍부하여 미술사적으로 훌륭한 걸작으로 손꼽히고 있다. 우리나라 석탑의 대부분은 화강암으로 이루어져 있는데 비해 대리암으로 이루어져 유백색의 색감과 화려한 조각이 어우러진 아름다운 탑이다. 대리암의 성질로 인해, 외부요인에 의한 손상에 훨씬 취약하다는 단점이 있다. 이 석탑은 5백 년 이상 대기 환경에 노출되어 인위적 및 자연적 풍화 훼손이 진행된 상태이며, 위치한 곳이 대도심의 중심가로 산업의 발달과 인구 밀도가 높아지면서 동반되는 환경변화와 대기오염으로 훼손이 가속화되어 대책이 시급해졌다. 이에 따라 풍화와 훼손의 위험으로부터 석탑을 보존하기 위해 1999년 12월에 외부에 유리 보호각을 설치하였다. 유리 보호각 설치 이후 산성비를 비롯한 대기 환경변화와 조류의 배설물 등으로부터 직접적인 오염 노출은 차단되었다. 그러나 보호각 설치 이후 내부에 충분한 통풍량이 확보되지 않아, 낮은 기류로 인한 보호각 내부로 유입되는 부유 먼지의 침적과 보호각 상부의 누수 및 결로, 관람환경 저해 문제 등의 이차적인 문제가 지속적으로 제기되고 있다.
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◇ 따라서 본 과제에서는 손상요인으로부터의 보호, 주변 경관과의 조화를 고려한 미관적 측면, 내부 모니터링을 통한 청결 유지관리 측면을 모두 고려한 새로운 보호각을 설치해 옥외 석조문화재를 보존하고자 한다. 개략적인 구성으로는 자연 환기와 기계 환기를 모두 이용한 하이브리드 환기 시스템을 이용하고 모니터링 시스템을 활용하여 관리하는 형태이다. 내부 공기질 자동감지 시스템을 통해 공기질이 악화되었을 때 선택적으로 기계 환기 시스템을 가동함으로써 경제적인 부분도 해결할 수 있을 것으로 기대한다.
  
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◇ 따라서 본 과제에서는 손상요인으로부터의 보호, 주변 경관과의 조화를 고려한 미관적 측면, 내부 모니터링을 통한 청결 유지관리 측면을 모두 고려한 새로운 보호각을 설치해 옥외 석조문화재를 보존하고자 한다. 개략적인 구성으로는 자연 환기와 기계 환기를 모두 이용한 하이브리드 환기 시스템을 이용하고 모니터링 시스템을 활용하여 관리하는 형태이다. 내부 공기질 자동감지 시스템을 통해 공기질이 악화되었을 때 선택적으로 기계 환기 시스템을 가동함으로써 경제적인 부분도 해결할 수 있을 것으로 기대한다.
 
 
====개발 과제의 배경 및 효과====
 
====개발 과제의 배경 및 효과====
 
◇ 개발 과제의 배경  
 
◇ 개발 과제의 배경  
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◇ 개발 과제의 효과
 
◇ 개발 과제의 효과
  
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1. 문화재 보호 측면  
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1. 문화재 보호 측면  
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- 가장 문제되는 보호각 내부의 환기를 본 발명으로 해결함으로써, 통풍량을 확보하고 온도, 습도를 외기와 비슷하게 유지해주어 본래 야외문화재이었던 것의 보존 적합성을 확보할 수 있게 된다. 즉, 환기 시스템을 갖춘 새로운 보호각을 설계하여 미세먼지 등으로 인한 문화재 오염을 방지할 수 있다.
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- 가장 문제되는 보호각 내부의 환기를 본 발명으로 해결함으로써, 통풍량을 확보하고 온도, 습도를 외기와 비슷하게 유지해주어 본래 야외문화재이었던 것의 보 존 적합성을 확보할 수 있게 된다. 즉, 환기 시스템을 갖춘 새로운 보호각을 설계하여 미세먼지 등으로 인한 문화재 오염을 방지할 수 있다.
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- 필터를 설치하여 공기가 유입될 때 오염물질의 유입을 최소화한다.  
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- 필터를 설치하여 공기가 유입될 때 오염물질의 유입을 최소화한다.  
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- 보호각의 설치 기준을 마련하여 추후 옥외 석조 문화재의 보존에 도움을 줄 수 있다.
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- 보호각의 설치 기준을 마련하여 추후 옥외 석조 문화재의 보존에 도움을 줄 수 있다.
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2. 미관적 측면
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- 문화재의 경관을 해치지 않는 디자인으로 설계함으로써 주변과 조화를 이루는 외관을 조성할 수 있다.  
  
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2. 미관적 측면
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3. 관리적 측면
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- 문화재의 경관을 해치지 않는 디자인으로 설계함으로써 주변과 조화를 이루는 외관을 조성할 수 있다.  
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- 실시간 내부 대기질 감지 시스템으로 효과적으로 내부 대기질 모니터링이 가능하다.
  
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3. 관리적 측면
 
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- 실시간 내부 대기질 감지 시스템으로 효과적으로 내부 대기질 모니터링이 가능하다.
 
 
====개발 과제의 목표와 내용====
 
====개발 과제의 목표와 내용====
 
  본 발명의 개략적인 구성으로는 자연 환기와 기계 환기를 모두 이용한 혼합형 환기 시스템 형태이다. 내부 공기질 자동감지 시스템을 통해 공기질이 악화되었을 때 선택적으로 기계 환기 시스템을 가동함으로써 보호각 내부의 공기질을 문화재에 손상이 가지 않는 범위 내에서 관리 할 수 있게 된다. 따라서 본 설계안의 목표는 다음과 같다.
 
  본 발명의 개략적인 구성으로는 자연 환기와 기계 환기를 모두 이용한 혼합형 환기 시스템 형태이다. 내부 공기질 자동감지 시스템을 통해 공기질이 악화되었을 때 선택적으로 기계 환기 시스템을 가동함으로써 보호각 내부의 공기질을 문화재에 손상이 가지 않는 범위 내에서 관리 할 수 있게 된다. 따라서 본 설계안의 목표는 다음과 같다.
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◇ 개발 과제의 목표
 
◇ 개발 과제의 목표
  
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1. 문화재의 온전한 보존을 위한 보호각의 필요성을 제고하고, 보호각의 기능적 효용성을 높여 훼손을 유발하는 오염물질로부터 문화재를 보호한다.
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1. 문화재의 온전한 보존을 위한 보호각의 필요성을 제고하고, 보호각의 기능적 효용성을 높여 훼손을 유발하는 오염물질로부터 문화재를 보호한다.
  
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2. 보호각 설치시 원활한 관람을 위해 문화재와 주변 경관과의 조화를 고려하여 미적요소를 결정한다.
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2. 보호각 설치시 원활한 관람을 위해 문화재와 주변 경관과의 조화를 고려하여 미적요소를 결정한다.
  
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3. 보호각 설치 기준을 제시하고 관리 시스템을 도입하여 문화재를 보다 면밀히 관리하는 방안을 마련한다.
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3. 보호각 설치 기준을 제시하고 관리 시스템을 도입하여 문화재를 보다 면밀히 관리하는 방안을 마련한다.
  
 
◇ 개발 과제의 내용  
 
◇ 개발 과제의 내용  
  
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1. 내부 대기질 감지센서와 환기시스템을 갖춘 보호각 개발  
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1. 내부 대기질 감지센서와 환기시스템을 갖춘 보호각 개발  
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- 문화재 훼손을 일으키는 오염인자들을 조사하고, 영향을 미치는 농도와 기준치를 결정하여 내부 대기질 관리의 가이드라인을 제시한다.  
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- 문화재 훼손을 일으키는 오염인자들을 조사하고, 영향을 미치는 농도와 기준치를 결정하여 내부 대기질 관리의 가이드라인을 제시한다.  
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- 보호각 내부에 대기질 감지센서를 설치하여 내부 공기질을 데이터화하고, 이를 시스템으로 확인할 수 있도록 한다.  
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- 보호각 내부에 대기질 감지센서를 설치하여 내부 공기질을 데이터화하고, 이를 시스템으로 확인할 수 있도록 한다.  
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-내부 공기질 최적화를 위한 보호각 환기시스템의 규모와 위치를 설정한다.
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-내부 공기질 최적화를 위한 보호각 환기시스템의 규모와 위치를 설정한다.  
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2. 보호각의 디자인에 대한 가이드라인 제시 및 관리시스템 시스템 도입 제안
 
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- 원활한 관람을 위해 당해 문화재와 주변 관경이 조화를 이룰수 있도록 건축 디자인적 측면을 고려한다. 미적요소를 해치는 기존 보호각의 문제점을 조사·연구하여 다양성을 포함하는 보호각의 디자인을 새로이 제시한다.
 
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- 내부 대기질 데이터와 문화재 현장 상황을 받아 볼 수 있는 시스템을 제시하여 효과적인 관리를 가능케 한다. 관리자는 시스템을 통해 실시간으로 문화재에 영향을 미칠 수 있는 오염인자들의 농도를 알 수 있다.  
 
  
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2. 보호각의 디자인에 대한 가이드라인 제시 및 관리시스템 시스템 도입 제안
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- 원활한 관람을 위해 당해 문화재와 주변 관경이 조화를 이룰수 있도록 건축 디자인적 측면을 고려한다. 미적요소를 해치는 기존 보호각의 문제점을 조사·연구하여 다양성을 포함하는 보호각의 디자인을 새로이 제시한다.
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- 내부 대기질 데이터와 문화재 현장 상황을 받아 볼 수 있는 시스템을 제시하여 효과적인 관리를 가능케 한다. 관리자는 시스템을 통해 실시간으로 문화재에 영향을 미칠 수 있는 오염인자들의 농도를 알 수 있다.
  
 
===관련 기술의 현황===
 
===관련 기술의 현황===
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====기술 로드맵====
 
====기술 로드맵====
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[[파일:덮어조기술로드맵.GIF]]
  
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[[파일:기술로드맵.GIP]]
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====특허조사====
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[[파일:관련특허.GIF]]
  
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====특허조사====
 
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내용
 
 
====특허전략====
 
====특허전략====
 
◇ 현재 외부석조문화재를 보존하기 위해 설치된 보호각에 관한 특허는 존재하지 않는다. 원각사지십층석탑의 보호각은 별도의 환기시설 없이 자연 환기만 이루어지고 있다. 본 과제에서는 자연 환기와 기계 환기를 결합한 혼합형 환기 시스템을 도입하여 새로운 보호각을 설계하고자 한다.  
 
◇ 현재 외부석조문화재를 보존하기 위해 설치된 보호각에 관한 특허는 존재하지 않는다. 원각사지십층석탑의 보호각은 별도의 환기시설 없이 자연 환기만 이루어지고 있다. 본 과제에서는 자연 환기와 기계 환기를 결합한 혼합형 환기 시스템을 도입하여 새로운 보호각을 설계하고자 한다.  
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===관련 시장에 대한 분석===
 
===관련 시장에 대한 분석===
 
====경쟁제품 조사 비교====
 
====경쟁제품 조사 비교====
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내용
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◇ 원각사지 10층 석탑 보호각
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- 서울 탑골공원에 있는 원각사지 탑의 보호각으로 예산 10억 원이 투입되어 99년 완공되었다.
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- 4면이 강화유리로 둘러싸고 있는 폐쇄형 보호각이며, 각 면의 모서리에 통풍구를 만들어 외부공기의 유입을 가능케 하였다.
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- 보호각 상부와 하부에 필터를 설치하였으며 내부에는 철골 지지대를 설치하여 구조적 안정성을 확보하였다. 누수현상을 막기 위한 보수작업과 분진 제거 보존처리가 이루어진 바 있다.
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====마케팅 전략====
 
====마케팅 전략====
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내용
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[[파일:SWOT 분석.GIF]]
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◇ 높은 초기비용이 들지만, 문화재는 한번 상실되면 원상 복원이 불가능한 불가역적인 가치재기 때문에 투자에 당위성이 있다. 또한, 원각사지 10층 석탑 외에도 다른 문화재에 적용, 확대하여 문화재의 가치를 보존할 수 있다.
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◇ 문화재 보존에 적합한 공기질을 조성하기 위해 기계환기 시스템을 도입하고 실시간 자동감지 센서로 관리 감독하게 한다. 또한, 보호각의 크기를 키워 폐쇄형 보호각의 습도, 온도 등을 외기와 비슷하게 유지할 수 있다. 이를 통해 공기질 관리 및 규격 기준을 제시한다.
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◇ 국가적 차원에서 문화재 보존에 대한 필요성을 지속적으로 홍보하여 시민의 인식을 개선하고 충분한 예산을 확보한다.
  
 
===개발과제의 기대효과===
 
===개발과제의 기대효과===
 
====기술적 기대효과====
 
====기술적 기대효과====
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내용
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◇ 하이브리드 환기 시스템을 설치한 보호각 최초 개발
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- 자연 환기와 기계 환기를 결합한 혼합형 환기 시스템을 도입하여 보호각 내부를 강제로 순환시킴으로써 미세먼지를 배출하여 오염물질로부터 문화재를 보호할 수 있다.
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- 미세먼지를 효과적으로 차단하기 위해 급기구에 필터를 부착하여 미세먼지와 오염물질의 유입을 방지하고, 배기구에는 송풍기를 설치하여 보호각 내부공기의 순환을 통해 효과적으로 미세먼지를 배출할 수 있다.
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- 대기환경기준으로 보호각 내부의 미세먼지 농도를 PM10은 100μg/m³ 미만, PM2.5는 35μg/m³ 미만으로 저감하여 미세먼지에 의한 문화재의 오염을 방지할 수 있다.
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- 기존 보호각은 내부 기류의 순환이 저해되어 문화재에 2차 오염을 발생시키는 것을 확인한 바 있다. 경제성과 효율성을 고려하여 적절한 환기 시스템을 선택하여 2차 오염을 효과적으로 방지한다.
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◇ 모니터링 시스템을 통한 관리자의 접근성 증대
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- 공기질 자동감지 센서를 이용한 모니터링 시스템을 통해 관리자의 접근성을 증대시킴으로써 전반적인 제어 시스템을 확립한다.
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====경제적 및 사회적 파급효과====
 
====경제적 및 사회적 파급효과====
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내용
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◇ 선택적 환기 시스템을 통한 필요전력량 감소
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-  환풍기를 24시간 가동시킬 때 보다 공기질 관리시스템을 통하여 선택적으로 가동하면 전력소비량을 줄일 수 있다.
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◇ 보호각 개발을 통한 문화재 보존 및 방향 제시
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- 기존 보호각의 문제점을 개선한 보호각을 개발하여 문화재 보호 효율을 향상시키고, 문화재 기준을 제시함으로써 앞으로 문화재 보호각을 설치할 때에 제대로 마련된 기준에 맞춰 문화재를 알맞게 보호할 수 있다.
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◇ 문화재 관람 편의 증대
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- 주변 경관을 고려하여 보호각 외관을 디자인하고 시민들로 하여금 문화재 관람에 어려움이 없도록 한다.
  
 
===구성원 및 추진체계===
 
===구성원 및 추진체계===
−
내용
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◇ 홍선아: 업무 총괄 및 경쟁력 분석, 특허출원
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◇ 심혜령: 상세 설계 구성 및 특허출원
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◇ 이유진: 경제성 평가 및 최종 설계 구성
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◇ 서혜정: 개념 설계 구성 및 경제성 평가
  
 
==설계==
 
==설계==
 
===설계사양===
 
===설계사양===
−
내용
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====제품 요구사항====
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필요사항(D)과 희망 사항(W)을 명시하였다. 중요도를 대, 중, 소의 등급으로 분류하였다.
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[[파일:덮어조요구사항.GIF]]
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====평가 내용====
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[[파일:덮어조평가내용.GIF]]
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====목적계통도====
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본 설계의 요구사항을 반영하여 목적계통도를 3가지 요소인 기능성, 심미성, 경제성으로 나누어 나타내었으며 목적계통도에서 세분화한 항목이 지닌 장점에 대해 파악해볼 수 있다.
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[[파일:덮어조목적계통도.gif]]
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====QFD====
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◇ QFD는 신제품 개념 정립, 설계, 공정계획에서부터 판매까지 모든 단계에서 고객의 요구가 최종 제품과 서비스에 충실히 반영되도록 하여 고객을 만족시키는 데 초점을 두는 품질 관리 기법이다. 이는 고객 요구사항과 기술적 요구사항의 상관관계를 도출하는 것으로, HOQ(House Of Quality)를 통해 효과적이고 체계적인 제품 설계를 할 수 있다. 본 평가에서는 아래 5가지의 Step을 통해 QFD를 작성하였다.
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Step 1. 고객 요구사항
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-주 고객층은 문화재를 보호하는 문화재청, 정부이다.
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-해당 고객층에게 맞는 요구사항을 작성한다.
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Step 2. 중요도
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-고객 관점에서 각 항목의 중요도를 1, 3, 5 (= 하, 중, 상)으로 수치화하여 나타낸다.
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Step 3. 기술적 요구사항 설정
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- 본 기술과제에 요구되는 기술적 요구사항들을 설정한다.
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Step 4. 고객의 요구사항과 기술적 요구사항과의 관계
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-고객의 요구사항과 기술적 요구사항과의 상관관계를 기호로써 설정한다.
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-기호는 ◎(높음, 9), ○(보통, 3), △(낮음, 1), 공백(상관 관계없음, 0)이다.
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Step 5. 기술적 요구사항 간의 관계
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-HOQ의 지붕에 해당하며, 각 설계변수 간의 관계를 위와 같은 기호로 설정한다.
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[[파일:덮어조QFD.gif]]
  
 
===개념설계안===
 
===개념설계안===
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◇ 본 과제의 전체적인 개념설계안은 다음과 같다.
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◇ 최대한 자연환기를 유지하되 내부 공기질이 나빠졌을 경우나 필요한 경우에 팬을 사용해 기계 환기를 함으로써 보호각 내 공기 환경을 효과적으로 유지하면서 에너지 소비량을 저감하는 방식으로 설계하였다.
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◇ 본 설계 내용을 토대로 TinkerCad를 활용해 보호각 도안을 만들었다.
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[[파일:보호각대표도.gif]]
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  가. 환기 방식
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◇ 창문을 보호각 정면을 제외한 세 면의 양측에 설치하여 환풍기를 가동하지 않을 때, 자연적인 환기가 이루어지도록 한다.
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◇ 보호각 측면의 하부와 상부에 각각 흡기구와 배기구를 설치해 창문을 통한 기계환기가 필요할 경우 추가적으로 환기 시스템을 가동하여 2차 오염을 방지한다.
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2.1 창문
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- 창문은 1000mm*1000mm 크기로 보호각 세 면의 양측에 설치하여 환풍기를 가동하지 않을 때, 자연적인 환기가 이루어지도록 한다. 본 설계에서는 틸트창 형식의 창문을 선정하였다. 틸트창은 내부개폐 방식으로 우천 시 빗물의 유입을 방지하고 폭우에도 환기가 가능하도록 한다. 보호각의 외벽 밖으로 돌출되는 부분이 없어 심미적 부분도 만족한다. 또한, 환기 성능이 좋고 외부 접근이 어렵다. 비둘기나 벌레 등을 차단하기 위해 방충망을 추가로 설치하여 외부 요인의 접근을 사전에 방지한다.
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- 창문의 유리는 로이유리로 설계한다. 로이유리는 은을 사용한 특수 금속막으로 이루어져 있다. 이는 가시광선을 투과시켜 실내에 채광성을 높여주고, 적외선은 반사하여 실내외 열의 이동을 최소화하여 실내의 온도변화를 적게 만들어주는 장점이 있다. 창문뿐 아니라 보호각 전체에 로이유리를 적용함으로써 태양 복사열이 보호각 내부로 들어오는 것을 방지한다.
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2.2 필터
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- 효율적인 미세먼지 차단을 위해 급기구에 필터를 부착한다. 본 설계에서 사용할 필터는 미디엄필터(Medium filter)로 선정하였다. 보호각 내부는 관람객의 출입을 허용하지 않기 때문에 헤파필터(Hepa filter)보다 가격이 저렴한 종류를 선택하였다. 미디엄 필터는 미세분진(PM 2.5)의 입경 2μm인 입자상 물질을 95%까지 포집할 수 있고, 압력 대비 처리하는 풍량이 높아 환기에 방해가 되지 않는다. 따라서 에너지의 저감을 통해 운영비도 절감할 수 있으며 담배 연기, 꽃가루, 황사, 배기가스, 미세분진처리에 용이하다.
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  나. 모니터링 시스템
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◇ 문화재 내부의 공기질 상황을 모니터링 할 수 있는 센서를 부착해 모니터링 시스템으로 정보를 전달한다.
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◇ 본 설계에서 아두이노를 이용해 공기질을 모니터링 할 수 있도록 하였다.
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  다. 보호각 설치 및 관리 기준
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◇ 현재 우리나라는 행정적으로 보호각 크기와 관리 방안에 대한 법이나 규제가 없어, 문화재 보존 및 관리에 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 설계에서는 규모와 관리 측면에 대한 가이드라인을 제시함으로써 그 관리를 보다 용이하게 한다.
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◇ 규모
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1. 보호각의 좌우너비는 문화재의 단면의 최대 길이를 기준으로, 그 2배에서 3배 사이의 거리를 유지해야 한다. 이 때, 문화재의 규모에 따라 그 기준을 유동적으로 적용하도록 한다.
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2. 보호각의 높이는 문화재의 최대 높이보다 1-2m 높게 설계하도록 한다. 소형(2m이하) 문화재의 경우 1m, 중형(2-5m)문화재의 경우 1m에서 2m 사이, 대형(5m이상)문화재의 경우 2m 정도의 여유를 두도록 한다.
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1,2는 보호각의 설치로 인한 문화재 주위 환경의 급격한 변화를 막고, 충분한 환기 공간을 설정해 내부 습기와 온도를 외기와 비슷하게 유지하여 문화재 손상을 낮추기 위함이다
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◇ 관리 측면
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1. 모든 석조문화재의 연혁, 보수 및 보존처리 이력을 조사하여 모니터링 시스템 내에서 통합 관리가 가능하도록 한다.
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2. 매분기 1회 이상 문화재 및 보호각의 사진을 촬영하여 모니터링 시스템으로 전송하고, 변화 상태를 관찰할 수 있도록 한다.
 +
3. 해당 문화재 및 보호각의 상태의 변화가 있으면 이상이 발생한 것으로 파악 후, 유지 및 보수가 이루어질 수 있도록 한다.
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4. 폭1m,높이2m 의 유리문을 보호각 후면부에 설치하여 관리자가 출입가능하게 하고, 이를 통해 문화재 관리의 편의를 도모한다.
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===이론적 계산 및 실험===
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====이론적 계산====
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◇ 오염물질의 농도에 의한 환기식을 이용하여 필요 환기량을 산정하였다. 이를 통해 송풍기의 스펙을 결정한다.
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가. 오염물질농도를 이용한 환기량
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[[파일:덮어조계산1.GIF]]
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나. 축동력
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[[파일:덮어조계산2.GIF]]
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◇ 송풍기를 상단에 4대 설치할 것이므로 개별적으로 32W 이상의 송풍기를 선정해야 한다. 따라서 위의 결과를 토대로 전원 220V 60Hz, 규격 410*410*161mm, 날개 직경 300mm, 풍량 17㎥/min, 소음 43.0dB, 회전수 870rpm, 소비전력 44W, 무게 2.9kg의 송풍기를 본 설계에 사용하기로 하였다.
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====실험====
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◇ 실험 날짜: 2020.12.03.
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◇ 실험 목적
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- 본 설계의 기계 환기의 미세먼지 제거 효율을 알아보기 위해 원리적인 실험을 수행한다.
  
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===이론적 계산 및 시뮬레이션===
+
◇ 실험 준비
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내용
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보호각의 형태와 유사한 실험환경 조성을 위해 아크릴판을 이용하여 직육면체의 모형을 제작하였다. 모형 내부에 미세먼지 측정 아두이노를 설치하여 오염물질의 농도를 측정하고 저감 정도를 확인할 수 있도록 한다. 기본적인 원리를 이용하여 실험을 진행하므로 모형의 상단에는 1개의 소형 팬을 설치하고, 하단에는 한 부분만 미세먼지 필터를 부착하여 본 설계의 기계 환기 장치를 일부 구현하였다.
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[[파일:덮어조실험1.gif]]
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◇ 실험방법
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① 모형 내부의 초기 농도를 측정한다.
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② 모기향을 피워 내부에 넣고 상단을 폐쇄하여 1분 후 미세먼지의 농도를 측정한다.
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③ 소형 팬을 6분 동안 작동시킨다.
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④ 작동 후의 내부 오염물질 농도를 측정한다.
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⑤ 모형 내부의 오염물질 농도가 초기 농도와 비슷하게 정상화 될 때까지 대기한다.
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⑥ ①-⑤를 반복하여 오염물질 농도를 측정하고, 미세먼지 저감률을 계산한다.
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 +
◇ 실험결과 및 고찰
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본 실험은 기계 환기를 통한 미세먼지 저감률을 알아보기 위해 진행하였다. 초기 실험 농도는 실험 모형의 내부를 비운 상태에서 측정하였으며, 그 값은 49.68μg/m3로 나타났다. 실험의 결과를 표에 나타내었다.
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[[파일:덮어조실험2.GIF]]
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실험은 총 5회차로 진행하였으며, 각 저감률의 평균을 계산한 결과 76.96%로 나타났다. 본래 설계에서는 보호각 양 측면의 상단과 하단에 배기구 4개와 급기구 4개를 배치하였으나, 본 실험의 목적은 환기 시스템의 원리 구현과 미세먼지 저감 효과 확인에 있으므로 한 개의 배기구와 급기구만 설치하였다. 실험의 오차를 최소화하고 실험 모형의 통풍 효과를 높이기 위해 급기구에 미디움필터보다 미세먼지 필터링 효과는 적지만 통풍이 더 잘 되는 프리필터를 사용하였고 그 결과 목표치인 80%보다 평균 저감률이 적게 나온 것으로 보인다.
 +
 
 +
결과적으로 본 설계의 환기 시스템에서 배기구와 급기구의 위치는 적절하다고 판단하였고, 실제 설계에서는 환기구의 개수를 더 늘림으로써 저감률을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
  
 
===조립도===
 
===조립도===
−
====조립도====
+
  가. 보호각
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내용
+
 
−
====조립순서====
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◇ 가로 8.7m, 세로 8.7m, 높이 15.7m 크기로 제작하며 철골 구조의 뼈대에 유리를 사용하여 전면을 둘러싼다. 측면과 후면에는 양 사이드에 가로 1m, 세로 1m의 창문을 설치하며, 후면 왼쪽 아래에 출입이 가능한 가로 1m, 세로 2m의 유리문을 설치한다.
−
내용
+
 
 +
◇ 보호각의 전면도, 측면도, 후면도는 다음과 같다. 급기구는 빨간색, 배기구는 파란색, 출입구는 회색으로 표시하였다.
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◇ 평면도
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[[파일:덮어조평면도.GIF]]
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◇ 모식도
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[[파일:덮어조모식도.GIF]]
  
 
===부품도===
 
===부품도===
−
내용
+
◇ 본 설계 보호각의 주요 부품은 급기구와 배기구의 미세먼지 필터와 송풍기이다.
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  가. 급기구
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 +
◇ 급기구는 가로 0.5m, 세로 0.5m으로 안쪽에 미세먼지 필터를 설치하여, 보호각 측면 하단부에 두 개씩 배치한다. 평면도와 모식도는 다음과 같다.
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[[파일:덮어조급기구.GIF]]
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  나. 배기구
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◇ 배기구는 직경 0.5m, 팬 날개 0.15m의 송풍기를 보호각 측면 상단부에 두 개씩 배치한다. 평면도와 모식도는 다음과 같다.
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[[파일:덮어조배기구.GIF]]
  
 
===제어부 및 회로설계===
 
===제어부 및 회로설계===
−
내용
+
◇ Tinkercad를 이용하여 설계한 아두이노의 회로도를 나타내었다. 미세먼지 센서((SM-PWM-03A-02)와 온습도 센서(DHT11)의 경우 부품이 Tinkercad에 있지 않아 실물로 나타내었다.
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[[파일:덮어조회로도.GIF]]
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◇ 미세먼지 농도와 온습도를 측정하기 위해 아두이노를 이용하였다.
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◇ 측정된 농도를 표시하기 위한 LCD 판과 미세먼지와 온습도 측정 모듈을 아크릴판에 부착하고 아두이노 우노 보드를 사용해 공기질을 측정할 수 있도록 하였다.
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◇ 완성된 사진은 다음과 같다.
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[[파일:덮어조아두이노.gif]]
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◇ 미세먼지와 온습도 측정을 위한 아두이노 코딩 세부 내용과 설명은 다음과 같다.
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[[파일:덮어조아두이노코딩.gif]]
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===설문조사===
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====설문조사 시행====
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시민들의 인식 정도를 파악하기 위하여 ‘문화재 보호각 디자인에 대한 설문조사’를 실시하였다. Google form의 설문링크를 통하여 11월 29일부터 12월 5일까지 설문을 진행하였다. 총 23명의 남녀가 설문에 참여하였다.
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설문을 통해 얻고 싶은 정보는 다음과 같다.
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1. 문화재 및 문화재 보호에 대한 관심도 : 문화재 보존에 대한 관심도를 파악하고, 보호각을 알고 있는지, 문화재 보호각의 필요성을 느끼고 있는지 알아보고자 한다.
  
−
===소프트웨어 설계===
+
2. 보호각 디자인 만족도 : 본 설계의 보호각 디자인이 전체적으로 주위 환경과 잘 어우러지는지 알아보고자 한다.
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내용
+
 
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3. 보호각 설치로 인한 관람 편의성 : 본 설계의 창문과 환기 시스템으로 인해 관람 편의성이 저해되지는 않는지 알아보고자 한다.
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설문 문항은 다음 표와 같다.
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[[파일:설문조사1.GIF]]
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====설문결과 및 분석, 반영====
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각 질문에 대한 응답 비율은 다음과 같다.
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[[파일:설문조사2.GIF]]
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문화재에 대한 관심도를 알아보기 위한 설문으로 다음과 같은 응답결과가 나타났다. 문화재에 대한 관심이 있다고 응답한 비율은 ‘60.8%’에 해당하며, 보호각을 알고 있다고 응답한 비율은 ‘65.2%’에 해당한다. 본 설계는 문화재 보호각의 필요성 제기로부터 나온 것 이므로 긍정 답안 지수를 높여야 할 필요가 있다. 이와 같은 주요점은 문화재 보호에 대한 꾸준한 홍보와 보호각 필요성에 대한 광고를 통해 높이도록 한다.
 +
 
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아래는 디자인 관련 문항과 그 응답을 백분율 결과로 나타낸 그림이다. 보호각의 디자인이 주변 환경과 잘 어울리고, 관람편의를 저해하지 않는지 그 정도를 평가 하였으며 ‘매우그렇다’와 ‘그렇다’ 답안이 각각, ‘60.9%’, ‘56.5%’, ‘65.2%’, ‘60.9%’로 ‘30.4%’, ‘39.1%‘, ‘26.1%‘, ‘26.1%‘나타났다.
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디자인 평가 기준에서 60% 이상의 만족도를 달성하는 것이 목표였으며 3-1번 항목을 제외하고 ’매우 그렇다‘ 답변이 60%를 넘었다. 긍정적인 평가인 ’매우 그렇다‘와 ’그렇다‘를 합한 값이 전부 60%를 넘었으므로 만점인 20점의 점수를 부여하였다.
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[[파일:설문조사3.GIF]]
  
 
===자재소요서===
 
===자재소요서===
−
내용
+
[[파일:덮어조자재소요서.GIF]]
  
 
==결과 및 평가==
 
==결과 및 평가==
 
===완료작품 소개===
 
===완료작품 소개===
 
====프로토타입 사진====
 
====프로토타입 사진====
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내용
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[[파일:덮어조프로토.GIF]]
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====포스터====
 
====포스터====
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내용
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[[파일:덮어조포스터.gif]]
  
 
====특허출원번호 통지서====
 
====특허출원번호 통지서====
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내용
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◇ 본 설계안 내용 중 “대기질 자동감지 센서를 이용한 환기식 보호각” 부분에 대하여 특허출원함.
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◇ 특허출원번호는 10-2020-0171136으로 출원 완료함.
  
 
===개발사업비 내역서===
 
===개발사업비 내역서===
−
내용
+
[[파일:덮어조개발사업비.GIF]]
  
 
===완료 작품의 평가===
 
===완료 작품의 평가===
−
내용
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[[파일:덮어조평가기준.GIF]]
  
 
===향후평가===
 
===향후평가===
−
내용
+
◇ 국내 보호각의 설치 및 관리에 대한 기준 부재의 상황에서, 그에 대한 가이드 라인을 제시함으로써 문화재 보존의 획기적인 방안이 될 수 있다.
 +
◇ 자연 환기만 적용된 기존 보호각이 가지고 있던 문제점을 개선한 혼합식 환기 시스템을 도입함으로써 원각사지 십층석탑 뿐만 아니라 화순의 운주사 등 국내의 다른 외부 석조 문화재에 적용할 수 있도록 하여 추후문화재의 바람직한 보존을 목표로 한다.
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◇ 문화재에 대한 구체적인 조사와 기술적인 시뮬레이션을 통해 보다 정확한 데이터를 확보하여 전체적인 시스템을 발전시키고, 이를 통해 전 시스템의 효율적인 자동화를 이루도록 한다.
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◇ 문화재의 효율적인 보존과 추가적인 홍보 등을 통해 국민의 문화재에 대한 인식과 문화생활 향상을 도모하고 이로 인해 문화재의 사회경제적 가치를 창출할 수 있다.
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◇ 문화재청에서 본 설계의 모니터링 시스템을 도입한다면 현재 분산된 업무를 통합적으로 관리할 수 있고, 이로써 총괄적인 문화재 보존·관리 체계 구축이 가능할 것이다.
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◇ 본 설계에서 제안하는 가이드 라인의 도입과 문화재청 및 정부의 협력 등 추가적인 노력이 수반된다면 본 시스템이 문화재 보존에 미치는 긍정적인 영향은 더욱 극대화될 것이다.
  
 
==부록==
 
==부록==
 
====참고문헌 및 참고사이트====
 
====참고문헌 및 참고사이트====
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내용
+
 
 +
[1]문화재 보존과학과 보존처리, 김세경 동덕여자대학교 박물관, 2007
 +
 
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[2]문화재 유지관리, 2007
 +
 
 +
[3]건물의 공조기 에어필터 성능에 관한 연구, 류재식 외, 대한건축학회 학술발표대회 논문집, 2014
 +
 
 +
[4]문화재와 보존환경, 강대일, 국립문화재연구소, 2003
 +
 
 +
[5]이건창호 가이드 책자, 이건창호
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 +
[6]미세먼지 문제 해결을 위한 건축물의 환기설비 유지관리 매뉴얼(2019,국토교통부)
 +
 
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[7]전통건축식 문화재 보호각의 보존환경 특성과 개선방안 연구
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[8]석조문화재 보호각의 형식과 기능에 관한 고찰, 공주대학교 문화유산 대학원, 김경애, 2014.02
 +
 
 +
[9]해남 대흥사 북미륵암 마애여래좌상, 불교신문, 2014.12 
 +
 
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[10]연재 | 장태동의 여행과 상념 - 서울 탑골공원과 수운회관, 나무신문, 2016.06
 +
 
 +
[11]국가지정문화재 보수복원사업 추진실태 감사보고서, 2019.02.
 +
 
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[12]서울 원각사지 십층석탑의 표면오염물 형성과정, 국립문화재연구소 보존과학연구실, 2016
 +
 
 +
[13]실내공기질 관리법 시행규칙 [환경부령 제858호, 2020. 4. 3., 일부개정]
 +
 
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[14]서울 원각사지 십층석탑의 보존환경 개선을 위한 조사 연구, 이선명, 전유근, 임보아, 2014
 +
 
 +
[15]원각사지10층석탑 보호각 내부 보존환경 조사연구, 보존과학연구 23집
 +
 
 +
[16]송풍기의 용어 및 단위, TS AIRTECH
 +
 
 +
[17]Investigation on the environment of facilities for conservation of the Ten storied stone pagoda of Wongaksa Temple site, Jung Ki Hong, Doo Sung Eom and Soon Kwan Kim
 +
 
 +
[18]CVM을 이용한 근대문화유산의 가치평가에 관한 연구, 정민섭 한혜숙 박선희, 2008
 +
 
 +
[19]문화유산의 가치평가에 관한 연구, 조민, 2004
 +
 
 +
[20]문화재 보존의 사회 경제적 가치 및 일자리 창출에 미치는 효과, 한국산업개발연구원, 2013.12
 +
 
 
====관련특허====
 
====관련특허====
−
내용
+
[1] 문화재 전시용 밀폐형 진열장의 하부장을 이용한 환기장치
 +
출원번호 : 10-2000-0027053
 +
출원인 : 주식회사 시공테크
 +
 
 +
[2] 전시물 보존을 위한 진열장
 +
출원번호 : 10-2005-0036336
 +
 
 
====소프트웨어 프로그램 소스====
 
====소프트웨어 프로그램 소스====
−
내용
+
[[파일:덮어조아두이노코딩.gif]]

2020년 12월 15일 (화) 09:03 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 대기질 자동감지 센서를 이용한 환기식 보호각 설계 및 관리자용 모니터링 시스템 개발

영문 : Design of Ventilation Shelter using Automatic Air Quality Detection Sensor and Development of Monitoring System for Administrator

과제 팀명

덮어조씌워조

지도교수

박영권 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 홍**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 서**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 심**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 현존하는 우리나라 야외 문화재는 대부분 석재로 이루어져 있어 여러 가지 환경과 주변 여건으로부터 많은 영향을 받고 있다. 특히, 탑골공원에 있는 원각사지 십층석탑은 국보 제2호로 세조 13년(1467년)에 조성되었으며 창건 이래 한 번도 해체한 적이 없이 원위치에 원형대로 유지되어 와 역사적 가치가 높으며, 조선 시대 조성된 탑 중 형태가 특이하고 표현장식이 풍부하여 미술사적으로 훌륭한 걸작으로 손꼽히고 있다. 우리나라 석탑의 대부분은 화강암으로 이루어져 있는데 비해 대리암으로 이루어져 유백색의 색감과 화려한 조각이 어우러진 아름다운 탑이다. 대리암의 성질로 인해, 외부요인에 의한 손상에 훨씬 취약하다는 단점이 있다. 이 석탑은 5백 년 이상 대기 환경에 노출되어 인위적 및 자연적 풍화 훼손이 진행된 상태이며, 위치한 곳이 대도심의 중심가로 산업의 발달과 인구 밀도가 높아지면서 동반되는 환경변화와 대기오염으로 훼손이 가속화되어 대책이 시급해졌다. 이에 따라 풍화와 훼손의 위험으로부터 석탑을 보존하기 위해 1999년 12월에 외부에 유리 보호각을 설치하였다. 유리 보호각 설치 이후 산성비를 비롯한 대기 환경변화와 조류의 배설물 등으로부터 직접적인 오염 노출은 차단되었다. 그러나 보호각 설치 이후 내부에 충분한 통풍량이 확보되지 않아, 낮은 기류로 인한 보호각 내부로 유입되는 부유 먼지의 침적과 보호각 상부의 누수 및 결로, 관람환경 저해 문제 등의 이차적인 문제가 지속적으로 제기되고 있다.

◇ 따라서 본 과제에서는 손상요인으로부터의 보호, 주변 경관과의 조화를 고려한 미관적 측면, 내부 모니터링을 통한 청결 유지관리 측면을 모두 고려한 새로운 보호각을 설치해 옥외 석조문화재를 보존하고자 한다. 개략적인 구성으로는 자연 환기와 기계 환기를 모두 이용한 하이브리드 환기 시스템을 이용하고 모니터링 시스템을 활용하여 관리하는 형태이다. 내부 공기질 자동감지 시스템을 통해 공기질이 악화되었을 때 선택적으로 기계 환기 시스템을 가동함으로써 경제적인 부분도 해결할 수 있을 것으로 기대한다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 개발 과제의 배경 

석조문화재는 대부분 건조 시기가 천년이 넘고 자연적, 인위적 손상이 심해 원래의 모습이 크게 훼손되어 있으며 구성암석의 강도도 크게 약화되어 있다. 석조문화재의 손상요인은 비, 바람, 기온변화, 대기오염, 미생물 등의 환경요인에 의한 풍화 훼손과 조류 배설물 등이 있다. 석조문화재의 풍화, 훼손에 영향을 미치는 대기오염물질은 황산화물, 질소산화물, 미세먼지, 매연 등이 있으며, 이러한 대기오염물질은 지상에 건조된 상태 또는 빗물 및 수분에 녹아 산성우와 산성안개 및 산성눈 등의 형태로 영향을 미치게 된다. 이러한 빗물과 바람에 따른 풍화작용을 방지하고 자외선과 복사열을 차단해 재질의 열화현상을 방지하는 용도로 보호각을 설치했다. 
 그러나 문화재 보존을 위한 보호각의 설치가 그 특성 등을 고려하지 않고 행정편의주의적으로 강행되어 문화재를 망치고 있다는 비난이 크다. 현재 설치된 보호각은 내부 기류가 낮아 환기공을 통해 내부로 유입된 먼지가 석탑표면에 집적해 외부로 유출되지 못한다는 문제를 가진다. 보호각은 단순히 문화재를 보호하는 부가시설로서 보호적 기능을 가질 뿐만 아니라, 그 자체로 직접적인 관람환경을 제공하는 기반시설이다. 이는 보호각의 기능적 측면 뿐 만 아니라, 관람의 저해를 가져오는 건축 디자인적 측면을 경시할 수 없음을 뜻한다. 즉, 주변경관과 조화를 이루어 관람에 지장이 없도록 디자인하며 보호각의 청결을 지속적으로 유지해야한다.
따라서 본 과제는 손상요인으로부터의 보호, 미관적 측면, 청결유지 관리 측면을 모두 제고한 보호각을 설치해 옥외 석조문화재를 보존하고자 한다.

◇ 개발 과제의 효과 

1. 문화재 보호 측면 
- 가장 문제되는 보호각 내부의 환기를 본 발명으로 해결함으로써, 통풍량을 확보하고 온도, 습도를 외기와 비슷하게 유지해주어 본래 야외문화재이었던 것의 보 존 적합성을 확보할 수 있게 된다. 즉, 환기 시스템을 갖춘 새로운 보호각을 설계하여 미세먼지 등으로 인한 문화재 오염을 방지할 수 있다.
- 필터를 설치하여 공기가 유입될 때 오염물질의 유입을 최소화한다. 
- 보호각의 설치 기준을 마련하여 추후 옥외 석조 문화재의 보존에 도움을 줄 수 있다.

2. 미관적 측면
- 문화재의 경관을 해치지 않는 디자인으로 설계함으로써 주변과 조화를 이루는 외관을 조성할 수 있다. 

3. 관리적 측면
- 실시간 내부 대기질 감지 시스템으로 효과적으로 내부 대기질 모니터링이 가능하다.

개발 과제의 목표와 내용

본 발명의 개략적인 구성으로는 자연 환기와 기계 환기를 모두 이용한 혼합형 환기 시스템 형태이다. 내부 공기질 자동감지 시스템을 통해 공기질이 악화되었을 때 선택적으로 기계 환기 시스템을 가동함으로써 보호각 내부의 공기질을 문화재에 손상이 가지 않는 범위 내에서 관리 할 수 있게 된다. 따라서 본 설계안의 목표는 다음과 같다.

◇ 개발 과제의 목표 

1. 문화재의 온전한 보존을 위한 보호각의 필요성을 제고하고, 보호각의 기능적 효용성을 높여 훼손을 유발하는 오염물질로부터 문화재를 보호한다.

2. 보호각 설치시 원활한 관람을 위해 문화재와 주변 경관과의 조화를 고려하여 미적요소를 결정한다.

3. 보호각 설치 기준을 제시하고 관리 시스템을 도입하여 문화재를 보다 면밀히 관리하는 방안을 마련한다.

◇ 개발 과제의 내용 

1. 내부 대기질 감지센서와 환기시스템을 갖춘 보호각 개발 
- 문화재 훼손을 일으키는 오염인자들을 조사하고, 영향을 미치는 농도와 기준치를 결정하여 내부 대기질 관리의 가이드라인을 제시한다. 
- 보호각 내부에 대기질 감지센서를 설치하여 내부 공기질을 데이터화하고, 이를 시스템으로 확인할 수 있도록 한다. 
-내부 공기질 최적화를 위한 보호각 환기시스템의 규모와 위치를 설정한다. 

2. 보호각의 디자인에 대한 가이드라인 제시 및 관리시스템 시스템 도입 제안 
- 원활한 관람을 위해 당해 문화재와 주변 관경이 조화를 이룰수 있도록 건축 디자인적 측면을 고려한다. 미적요소를 해치는 기존 보호각의 문제점을 조사·연구하여 다양성을 포함하는 보호각의 디자인을 새로이 제시한다.
- 내부 대기질 데이터와 문화재 현장 상황을 받아 볼 수 있는 시스템을 제시하여 효과적인 관리를 가능케 한다. 관리자는 시스템을 통해 실시간으로 문화재에 영향을 미칠 수 있는 오염인자들의 농도를 알 수 있다.

관련 기술의 현황

State of art

◇ 우리나라의 보호각 사례
우리나라에서는 외부 요인으로부터 석조문화재를 보호하기 위해 110기의 보호각이 설치되어 있으며, 그중 폐쇄형의 경우 총 2기의 보호각이 존재한다.

1) 원각사지십층석탑(서울시 종로구) 

대표적인 밀폐형 보호각의 예이다. 원각사지십층석탑의 보호각은 사면이 유리로 둘러싸인 형태로, 외부로부터 출입을 통제하는 현대식 밀폐형 보호각이다. 직사광선을 막기 위해 반사형 강화유리를 사용하였고 별도의 환기 시스템이 없어 천장과 옆면의 통풍구를 통한 자연적인 환기만 이루어지고 있다.

2) 대흥사 북미륵암 마애여래좌상(해남) 

현대식과 전통식이 혼합된 폐쇄형 보호각이다. 유리 온실 모양의 보호 전각으로 내부 출입이 가능하다.

◇ 해외의 보호각 사례

1) 광개토대왕릉비(중국 지안시) 

외부 오염으로부터 문화재를 보호하기 위한 유리 보호각이 설치되어 있다. 통풍을 위한 설비가 제대로 갖추어지지 않았고 유리로 둘러싸여 있어 보호각 내부의 온도가 매우 높다. 관람을 위한 내부 출입이 가능하다.

기술 로드맵

덮어조기술로드맵.GIF

특허조사

관련특허.GIF

특허전략

◇ 현재 외부석조문화재를 보존하기 위해 설치된 보호각에 관한 특허는 존재하지 않는다. 원각사지십층석탑의 보호각은 별도의 환기시설 없이 자연 환기만 이루어지고 있다. 본 과제에서는 자연 환기와 기계 환기를 결합한 혼합형 환기 시스템을 도입하여 새로운 보호각을 설계하고자 한다.

◇ 기존 유리 보호각에는 대기질 감지시스템이 설치되어 있지 않아 관리에 어려움을 겪고 있다. 본 과제에서는 대기질, 습도가 일정하게 유지되고 먼지나 해충이 들어가지 않도록 하는 것을 목적으로 한다.

◇ 센서를 통해 보호각 내부 공기질을 측정하고 그 결과가 대기환경기준의 기준치를 초과했을 때 환풍기를 가동함으로써 전력사용을 최소화하여 환기를 가능케 한다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇ 원각사지 10층 석탑 보호각

- 서울 탑골공원에 있는 원각사지 탑의 보호각으로 예산 10억 원이 투입되어 99년 완공되었다.

- 4면이 강화유리로 둘러싸고 있는 폐쇄형 보호각이며, 각 면의 모서리에 통풍구를 만들어 외부공기의 유입을 가능케 하였다.

- 보호각 상부와 하부에 필터를 설치하였으며 내부에는 철골 지지대를 설치하여 구조적 안정성을 확보하였다. 누수현상을 막기 위한 보수작업과 분진 제거 보존처리가 이루어진 바 있다.

마케팅 전략

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◇ 높은 초기비용이 들지만, 문화재는 한번 상실되면 원상 복원이 불가능한 불가역적인 가치재기 때문에 투자에 당위성이 있다. 또한, 원각사지 10층 석탑 외에도 다른 문화재에 적용, 확대하여 문화재의 가치를 보존할 수 있다.

◇ 문화재 보존에 적합한 공기질을 조성하기 위해 기계환기 시스템을 도입하고 실시간 자동감지 센서로 관리 감독하게 한다. 또한, 보호각의 크기를 키워 폐쇄형 보호각의 습도, 온도 등을 외기와 비슷하게 유지할 수 있다. 이를 통해 공기질 관리 및 규격 기준을 제시한다.

◇ 국가적 차원에서 문화재 보존에 대한 필요성을 지속적으로 홍보하여 시민의 인식을 개선하고 충분한 예산을 확보한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 하이브리드 환기 시스템을 설치한 보호각 최초 개발 - 자연 환기와 기계 환기를 결합한 혼합형 환기 시스템을 도입하여 보호각 내부를 강제로 순환시킴으로써 미세먼지를 배출하여 오염물질로부터 문화재를 보호할 수 있다. - 미세먼지를 효과적으로 차단하기 위해 급기구에 필터를 부착하여 미세먼지와 오염물질의 유입을 방지하고, 배기구에는 송풍기를 설치하여 보호각 내부공기의 순환을 통해 효과적으로 미세먼지를 배출할 수 있다. - 대기환경기준으로 보호각 내부의 미세먼지 농도를 PM10은 100μg/m³ 미만, PM2.5는 35μg/m³ 미만으로 저감하여 미세먼지에 의한 문화재의 오염을 방지할 수 있다. - 기존 보호각은 내부 기류의 순환이 저해되어 문화재에 2차 오염을 발생시키는 것을 확인한 바 있다. 경제성과 효율성을 고려하여 적절한 환기 시스템을 선택하여 2차 오염을 효과적으로 방지한다.

◇ 모니터링 시스템을 통한 관리자의 접근성 증대 - 공기질 자동감지 센서를 이용한 모니터링 시스템을 통해 관리자의 접근성을 증대시킴으로써 전반적인 제어 시스템을 확립한다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 선택적 환기 시스템을 통한 필요전력량 감소 - 환풍기를 24시간 가동시킬 때 보다 공기질 관리시스템을 통하여 선택적으로 가동하면 전력소비량을 줄일 수 있다.

◇ 보호각 개발을 통한 문화재 보존 및 방향 제시 - 기존 보호각의 문제점을 개선한 보호각을 개발하여 문화재 보호 효율을 향상시키고, 문화재 기준을 제시함으로써 앞으로 문화재 보호각을 설치할 때에 제대로 마련된 기준에 맞춰 문화재를 알맞게 보호할 수 있다.

◇ 문화재 관람 편의 증대 - 주변 경관을 고려하여 보호각 외관을 디자인하고 시민들로 하여금 문화재 관람에 어려움이 없도록 한다.

구성원 및 추진체계

◇ 홍선아: 업무 총괄 및 경쟁력 분석, 특허출원
◇ 심혜령: 상세 설계 구성 및 특허출원
◇ 이유진: 경제성 평가 및 최종 설계 구성
◇ 서혜정: 개념 설계 구성 및 경제성 평가

설계

설계사양

제품 요구사항

필요사항(D)과 희망 사항(W)을 명시하였다. 중요도를 대, 중, 소의 등급으로 분류하였다.

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평가 내용

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목적계통도

본 설계의 요구사항을 반영하여 목적계통도를 3가지 요소인 기능성, 심미성, 경제성으로 나누어 나타내었으며 목적계통도에서 세분화한 항목이 지닌 장점에 대해 파악해볼 수 있다.

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QFD

◇ QFD는 신제품 개념 정립, 설계, 공정계획에서부터 판매까지 모든 단계에서 고객의 요구가 최종 제품과 서비스에 충실히 반영되도록 하여 고객을 만족시키는 데 초점을 두는 품질 관리 기법이다. 이는 고객 요구사항과 기술적 요구사항의 상관관계를 도출하는 것으로, HOQ(House Of Quality)를 통해 효과적이고 체계적인 제품 설계를 할 수 있다. 본 평가에서는 아래 5가지의 Step을 통해 QFD를 작성하였다. 

Step 1. 고객 요구사항 
-주 고객층은 문화재를 보호하는 문화재청, 정부이다. 
-해당 고객층에게 맞는 요구사항을 작성한다. 
Step 2. 중요도 
-고객 관점에서 각 항목의 중요도를 1, 3, 5 (= 하, 중, 상)으로 수치화하여 나타낸다. 
Step 3. 기술적 요구사항 설정 
- 본 기술과제에 요구되는 기술적 요구사항들을 설정한다. 
Step 4. 고객의 요구사항과 기술적 요구사항과의 관계 
-고객의 요구사항과 기술적 요구사항과의 상관관계를 기호로써 설정한다. 
-기호는 ◎(높음, 9), ○(보통, 3), △(낮음, 1), 공백(상관 관계없음, 0)이다. 
Step 5. 기술적 요구사항 간의 관계 
-HOQ의 지붕에 해당하며, 각 설계변수 간의 관계를 위와 같은 기호로 설정한다.

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개념설계안

◇ 본 과제의 전체적인 개념설계안은 다음과 같다.

◇ 최대한 자연환기를 유지하되 내부 공기질이 나빠졌을 경우나 필요한 경우에 팬을 사용해 기계 환기를 함으로써 보호각 내 공기 환경을 효과적으로 유지하면서 에너지 소비량을 저감하는 방식으로 설계하였다.

◇ 본 설계 내용을 토대로 TinkerCad를 활용해 보호각 도안을 만들었다.

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 가. 환기 방식

◇ 창문을 보호각 정면을 제외한 세 면의 양측에 설치하여 환풍기를 가동하지 않을 때, 자연적인 환기가 이루어지도록 한다. ◇ 보호각 측면의 하부와 상부에 각각 흡기구와 배기구를 설치해 창문을 통한 기계환기가 필요할 경우 추가적으로 환기 시스템을 가동하여 2차 오염을 방지한다.

2.1 창문 - 창문은 1000mm*1000mm 크기로 보호각 세 면의 양측에 설치하여 환풍기를 가동하지 않을 때, 자연적인 환기가 이루어지도록 한다. 본 설계에서는 틸트창 형식의 창문을 선정하였다. 틸트창은 내부개폐 방식으로 우천 시 빗물의 유입을 방지하고 폭우에도 환기가 가능하도록 한다. 보호각의 외벽 밖으로 돌출되는 부분이 없어 심미적 부분도 만족한다. 또한, 환기 성능이 좋고 외부 접근이 어렵다. 비둘기나 벌레 등을 차단하기 위해 방충망을 추가로 설치하여 외부 요인의 접근을 사전에 방지한다. - 창문의 유리는 로이유리로 설계한다. 로이유리는 은을 사용한 특수 금속막으로 이루어져 있다. 이는 가시광선을 투과시켜 실내에 채광성을 높여주고, 적외선은 반사하여 실내외 열의 이동을 최소화하여 실내의 온도변화를 적게 만들어주는 장점이 있다. 창문뿐 아니라 보호각 전체에 로이유리를 적용함으로써 태양 복사열이 보호각 내부로 들어오는 것을 방지한다.

2.2 필터 - 효율적인 미세먼지 차단을 위해 급기구에 필터를 부착한다. 본 설계에서 사용할 필터는 미디엄필터(Medium filter)로 선정하였다. 보호각 내부는 관람객의 출입을 허용하지 않기 때문에 헤파필터(Hepa filter)보다 가격이 저렴한 종류를 선택하였다. 미디엄 필터는 미세분진(PM 2.5)의 입경 2μm인 입자상 물질을 95%까지 포집할 수 있고, 압력 대비 처리하는 풍량이 높아 환기에 방해가 되지 않는다. 따라서 에너지의 저감을 통해 운영비도 절감할 수 있으며 담배 연기, 꽃가루, 황사, 배기가스, 미세분진처리에 용이하다. 


 나. 모니터링 시스템

◇ 문화재 내부의 공기질 상황을 모니터링 할 수 있는 센서를 부착해 모니터링 시스템으로 정보를 전달한다.

◇ 본 설계에서 아두이노를 이용해 공기질을 모니터링 할 수 있도록 하였다. 


 다. 보호각 설치 및 관리 기준

◇ 현재 우리나라는 행정적으로 보호각 크기와 관리 방안에 대한 법이나 규제가 없어, 문화재 보존 및 관리에 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 설계에서는 규모와 관리 측면에 대한 가이드라인을 제시함으로써 그 관리를 보다 용이하게 한다.

◇ 규모 1. 보호각의 좌우너비는 문화재의 단면의 최대 길이를 기준으로, 그 2배에서 3배 사이의 거리를 유지해야 한다. 이 때, 문화재의 규모에 따라 그 기준을 유동적으로 적용하도록 한다. 2. 보호각의 높이는 문화재의 최대 높이보다 1-2m 높게 설계하도록 한다. 소형(2m이하) 문화재의 경우 1m, 중형(2-5m)문화재의 경우 1m에서 2m 사이, 대형(5m이상)문화재의 경우 2m 정도의 여유를 두도록 한다. 1,2는 보호각의 설치로 인한 문화재 주위 환경의 급격한 변화를 막고, 충분한 환기 공간을 설정해 내부 습기와 온도를 외기와 비슷하게 유지하여 문화재 손상을 낮추기 위함이다

◇ 관리 측면 1. 모든 석조문화재의 연혁, 보수 및 보존처리 이력을 조사하여 모니터링 시스템 내에서 통합 관리가 가능하도록 한다. 2. 매분기 1회 이상 문화재 및 보호각의 사진을 촬영하여 모니터링 시스템으로 전송하고, 변화 상태를 관찰할 수 있도록 한다. 3. 해당 문화재 및 보호각의 상태의 변화가 있으면 이상이 발생한 것으로 파악 후, 유지 및 보수가 이루어질 수 있도록 한다. 4. 폭1m,높이2m 의 유리문을 보호각 후면부에 설치하여 관리자가 출입가능하게 하고, 이를 통해 문화재 관리의 편의를 도모한다.

이론적 계산 및 실험

이론적 계산

◇ 오염물질의 농도에 의한 환기식을 이용하여 필요 환기량을 산정하였다. 이를 통해 송풍기의 스펙을 결정한다.

가. 오염물질농도를 이용한 환기량

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나. 축동력

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◇ 송풍기를 상단에 4대 설치할 것이므로 개별적으로 32W 이상의 송풍기를 선정해야 한다. 따라서 위의 결과를 토대로 전원 220V 60Hz, 규격 410*410*161mm, 날개 직경 300mm, 풍량 17㎥/min, 소음 43.0dB, 회전수 870rpm, 소비전력 44W, 무게 2.9kg의 송풍기를 본 설계에 사용하기로 하였다.

실험

◇ 실험 날짜: 2020.12.03.

◇ 실험 목적 - 본 설계의 기계 환기의 미세먼지 제거 효율을 알아보기 위해 원리적인 실험을 수행한다.

◇ 실험 준비 보호각의 형태와 유사한 실험환경 조성을 위해 아크릴판을 이용하여 직육면체의 모형을 제작하였다. 모형 내부에 미세먼지 측정 아두이노를 설치하여 오염물질의 농도를 측정하고 저감 정도를 확인할 수 있도록 한다. 기본적인 원리를 이용하여 실험을 진행하므로 모형의 상단에는 1개의 소형 팬을 설치하고, 하단에는 한 부분만 미세먼지 필터를 부착하여 본 설계의 기계 환기 장치를 일부 구현하였다.

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◇ 실험방법 

① 모형 내부의 초기 농도를 측정한다.
② 모기향을 피워 내부에 넣고 상단을 폐쇄하여 1분 후 미세먼지의 농도를 측정한다.
③ 소형 팬을 6분 동안 작동시킨다.
④ 작동 후의 내부 오염물질 농도를 측정한다. 
⑤ 모형 내부의 오염물질 농도가 초기 농도와 비슷하게 정상화 될 때까지 대기한다.
⑥ ①-⑤를 반복하여 오염물질 농도를 측정하고, 미세먼지 저감률을 계산한다.

◇ 실험결과 및 고찰 본 실험은 기계 환기를 통한 미세먼지 저감률을 알아보기 위해 진행하였다. 초기 실험 농도는 실험 모형의 내부를 비운 상태에서 측정하였으며, 그 값은 49.68μg/m3로 나타났다. 실험의 결과를 표에 나타내었다.

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실험은 총 5회차로 진행하였으며, 각 저감률의 평균을 계산한 결과 76.96%로 나타났다. 본래 설계에서는 보호각 양 측면의 상단과 하단에 배기구 4개와 급기구 4개를 배치하였으나, 본 실험의 목적은 환기 시스템의 원리 구현과 미세먼지 저감 효과 확인에 있으므로 한 개의 배기구와 급기구만 설치하였다. 실험의 오차를 최소화하고 실험 모형의 통풍 효과를 높이기 위해 급기구에 미디움필터보다 미세먼지 필터링 효과는 적지만 통풍이 더 잘 되는 프리필터를 사용하였고 그 결과 목표치인 80%보다 평균 저감률이 적게 나온 것으로 보인다.

결과적으로 본 설계의 환기 시스템에서 배기구와 급기구의 위치는 적절하다고 판단하였고, 실제 설계에서는 환기구의 개수를 더 늘림으로써 저감률을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.

조립도

 가. 보호각

◇ 가로 8.7m, 세로 8.7m, 높이 15.7m 크기로 제작하며 철골 구조의 뼈대에 유리를 사용하여 전면을 둘러싼다. 측면과 후면에는 양 사이드에 가로 1m, 세로 1m의 창문을 설치하며, 후면 왼쪽 아래에 출입이 가능한 가로 1m, 세로 2m의 유리문을 설치한다.

◇ 보호각의 전면도, 측면도, 후면도는 다음과 같다. 급기구는 빨간색, 배기구는 파란색, 출입구는 회색으로 표시하였다.

◇ 평면도

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◇ 모식도

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부품도

◇ 본 설계 보호각의 주요 부품은 급기구와 배기구의 미세먼지 필터와 송풍기이다.

 가. 급기구

◇ 급기구는 가로 0.5m, 세로 0.5m으로 안쪽에 미세먼지 필터를 설치하여, 보호각 측면 하단부에 두 개씩 배치한다. 평면도와 모식도는 다음과 같다. 덮어조급기구.GIF 

 나. 배기구

◇ 배기구는 직경 0.5m, 팬 날개 0.15m의 송풍기를 보호각 측면 상단부에 두 개씩 배치한다. 평면도와 모식도는 다음과 같다. 덮어조배기구.GIF

제어부 및 회로설계

◇ Tinkercad를 이용하여 설계한 아두이노의 회로도를 나타내었다. 미세먼지 센서((SM-PWM-03A-02)와 온습도 센서(DHT11)의 경우 부품이 Tinkercad에 있지 않아 실물로 나타내었다.

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◇ 미세먼지 농도와 온습도를 측정하기 위해 아두이노를 이용하였다.

◇ 측정된 농도를 표시하기 위한 LCD 판과 미세먼지와 온습도 측정 모듈을 아크릴판에 부착하고 아두이노 우노 보드를 사용해 공기질을 측정할 수 있도록 하였다.

◇ 완성된 사진은 다음과 같다.

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◇ 미세먼지와 온습도 측정을 위한 아두이노 코딩 세부 내용과 설명은 다음과 같다.

덮어조아두이노코딩.gif

설문조사

설문조사 시행

시민들의 인식 정도를 파악하기 위하여 ‘문화재 보호각 디자인에 대한 설문조사’를 실시하였다. Google form의 설문링크를 통하여 11월 29일부터 12월 5일까지 설문을 진행하였다. 총 23명의 남녀가 설문에 참여하였다.

설문을 통해 얻고 싶은 정보는 다음과 같다.

1. 문화재 및 문화재 보호에 대한 관심도 : 문화재 보존에 대한 관심도를 파악하고, 보호각을 알고 있는지, 문화재 보호각의 필요성을 느끼고 있는지 알아보고자 한다.

2. 보호각 디자인 만족도 : 본 설계의 보호각 디자인이 전체적으로 주위 환경과 잘 어우러지는지 알아보고자 한다.

3. 보호각 설치로 인한 관람 편의성 : 본 설계의 창문과 환기 시스템으로 인해 관람 편의성이 저해되지는 않는지 알아보고자 한다.

설문 문항은 다음 표와 같다.

설문조사1.GIF

설문결과 및 분석, 반영

각 질문에 대한 응답 비율은 다음과 같다.

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문화재에 대한 관심도를 알아보기 위한 설문으로 다음과 같은 응답결과가 나타났다. 문화재에 대한 관심이 있다고 응답한 비율은 ‘60.8%’에 해당하며, 보호각을 알고 있다고 응답한 비율은 ‘65.2%’에 해당한다. 본 설계는 문화재 보호각의 필요성 제기로부터 나온 것 이므로 긍정 답안 지수를 높여야 할 필요가 있다. 이와 같은 주요점은 문화재 보호에 대한 꾸준한 홍보와 보호각 필요성에 대한 광고를 통해 높이도록 한다.

아래는 디자인 관련 문항과 그 응답을 백분율 결과로 나타낸 그림이다. 보호각의 디자인이 주변 환경과 잘 어울리고, 관람편의를 저해하지 않는지 그 정도를 평가 하였으며 ‘매우그렇다’와 ‘그렇다’ 답안이 각각, ‘60.9%’, ‘56.5%’, ‘65.2%’, ‘60.9%’로 ‘30.4%’, ‘39.1%‘, ‘26.1%‘, ‘26.1%‘나타났다.

디자인 평가 기준에서 60% 이상의 만족도를 달성하는 것이 목표였으며 3-1번 항목을 제외하고 ’매우 그렇다‘ 답변이 60%를 넘었다. 긍정적인 평가인 ’매우 그렇다‘와 ’그렇다‘를 합한 값이 전부 60%를 넘었으므로 만점인 20점의 점수를 부여하였다.

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자재소요서

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결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

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포스터

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특허출원번호 통지서

◇ 본 설계안 내용 중 “대기질 자동감지 센서를 이용한 환기식 보호각” 부분에 대하여 특허출원함.

◇ 특허출원번호는 10-2020-0171136으로 출원 완료함.

개발사업비 내역서

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완료 작품의 평가

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향후평가

◇ 국내 보호각의 설치 및 관리에 대한 기준 부재의 상황에서, 그에 대한 가이드 라인을 제시함으로써 문화재 보존의 획기적인 방안이 될 수 있다.
◇ 자연 환기만 적용된 기존 보호각이 가지고 있던 문제점을 개선한 혼합식 환기 시스템을 도입함으로써 원각사지 십층석탑 뿐만 아니라 화순의 운주사 등 국내의 다른 외부 석조 문화재에 적용할 수 있도록 하여 추후문화재의 바람직한 보존을 목표로 한다. 
◇ 문화재에 대한 구체적인 조사와 기술적인 시뮬레이션을 통해 보다 정확한 데이터를 확보하여 전체적인 시스템을 발전시키고, 이를 통해 전 시스템의 효율적인 자동화를 이루도록 한다. 
◇ 문화재의 효율적인 보존과 추가적인 홍보 등을 통해 국민의 문화재에 대한 인식과 문화생활 향상을 도모하고 이로 인해 문화재의 사회경제적 가치를 창출할 수 있다. 
◇ 문화재청에서 본 설계의 모니터링 시스템을 도입한다면 현재 분산된 업무를 통합적으로 관리할 수 있고, 이로써 총괄적인 문화재 보존·관리 체계 구축이 가능할 것이다. 
◇ 본 설계에서 제안하는 가이드 라인의 도입과 문화재청 및 정부의 협력 등 추가적인 노력이 수반된다면 본 시스템이 문화재 보존에 미치는 긍정적인 영향은 더욱 극대화될 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

[1]문화재 보존과학과 보존처리, 김세경 동덕여자대학교 박물관, 2007

[2]문화재 유지관리, 2007

[3]건물의 공조기 에어필터 성능에 관한 연구, 류재식 외, 대한건축학회 학술발표대회 논문집, 2014

[4]문화재와 보존환경, 강대일, 국립문화재연구소, 2003

[5]이건창호 가이드 책자, 이건창호

[6]미세먼지 문제 해결을 위한 건축물의 환기설비 유지관리 매뉴얼(2019,국토교통부)

[7]전통건축식 문화재 보호각의 보존환경 특성과 개선방안 연구

[8]석조문화재 보호각의 형식과 기능에 관한 고찰, 공주대학교 문화유산 대학원, 김경애, 2014.02

[9]해남 대흥사 북미륵암 마애여래좌상, 불교신문, 2014.12

[10]연재 | 장태동의 여행과 상념 - 서울 탑골공원과 수운회관, 나무신문, 2016.06

[11]국가지정문화재 보수복원사업 추진실태 감사보고서, 2019.02.

[12]서울 원각사지 십층석탑의 표면오염물 형성과정, 국립문화재연구소 보존과학연구실, 2016

[13]실내공기질 관리법 시행규칙 [환경부령 제858호, 2020. 4. 3., 일부개정]

[14]서울 원각사지 십층석탑의 보존환경 개선을 위한 조사 연구, 이선명, 전유근, 임보아, 2014

[15]원각사지10층석탑 보호각 내부 보존환경 조사연구, 보존과학연구 23집

[16]송풍기의 용어 및 단위, TS AIRTECH

[17]Investigation on the environment of facilities for conservation of the Ten storied stone pagoda of Wongaksa Temple site, Jung Ki Hong, Doo Sung Eom and Soon Kwan Kim

[18]CVM을 이용한 근대문화유산의 가치평가에 관한 연구, 정민섭 한혜숙 박선희, 2008

[19]문화유산의 가치평가에 관한 연구, 조민, 2004

[20]문화재 보존의 사회 경제적 가치 및 일자리 창출에 미치는 효과, 한국산업개발연구원, 2013.12

관련특허

[1] 문화재 전시용 밀폐형 진열장의 하부장을 이용한 환기장치 출원번호 : 10-2000-0027053 출원인 : 주식회사 시공테크

[2] 전시물 보존을 위한 진열장 출원번호 : 10-2005-0036336

소프트웨어 프로그램 소스

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