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2022년 12월 10일 (토) 03:59 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 생분해성 플라스틱 QR코드 선별기

영문 : Biodegradable plastic QR code separator

과제 팀명

수거수거룬

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 황**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 김**

서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 신**

서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 개발 과제의 주제는 생분해 플라스틱 QR코드 선별기로, QR코드로 생분해 플라스틱을 인식하고 무게 오차로 이물질 여부를 판단하여 파쇄 혹은 흡입하는 장치이다. COVID-19 이후 일회용품 특히 플라스틱의 사용량이 증대하였고, 이에 대한 방안으로 생분해 플라스틱이 대두되고 있다. 생분해 플라스틱은 쉽게 분해되지 않는 기존 플라스틱과 달리 일정한 조건에서 미생물에 의해 완전히 분해될 수 있는 소재이다. 다양한 제품에 생분해 플라스틱이 도입되고 있지만, 국내에서 생분해 플라스틱만을 선별하여 처리하는 장치와 체계는 확립되어있지 않은 실정이다. 본 과제는 생분해 플라스틱 제품에 제품의 무게 정보를 담은 QR코드를 부착하고, 생분해 플라스틱 제품들을 데이터베이스로 구축하여 선별기로 올바르게 처리될 수 있도록 한다. 선별기의 도입으로 대중들로 하여금 생분해 플라스틱의 인식을 고취시키고 기업에서 플라스틱을 생분해성 플라스틱으로 대체하도록 하여, 플라스틱 폐기물을 감축하고 탄소 중립에 기여하는 것이 본 과제의 목표이다. 처리공정은 “QR인식→무게측정→파쇄/흡입→적재” 의 절차로 이루어진다.

개발 과제의 배경 및 효과

◆ 2050 탄소중립을 위해 10대 핵심기술 중 하나인 석유 화학산업의 원료를 바이오매스와 폐플라스틱 등과 같은 탄소중립 원료를 활용하는 방안이 대두되고 있다. 바이오매스를 기반으로 폐플라스틱도 줄일 수 있는 생분해성 플라스틱이 그 해결 방안이다.

◆ 현재 우리나라는 생분해성 플라스틱만을 처리할 수 있는 시설이 없고, 일반 플라스틱과 함께 분리 배출되면 다른 플라스틱 제품의 재활용을 방해하게 된다.

◆ 생분해성 플라스틱만을 수거하는 시스템을 만든다면 자원 활용의 효율을 높일 수 있고, 처리 계통도가 확립된다면 생분해성 플라스틱이 더 널리 쓰일 수 있는 발판이 마련된다.

◆ 생분해성 플라스틱 사용과 수거에 대한 어드벤테이지를 부여하는 정책 등을 연계하여 도입한다면 생분해성 플라스틱 사용이 더 활발해질 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

◆ 생분해 플라스틱 선별을 통한 개별 수거 시스템 확립으로 생분해 효율 극대화

◆ 생분해 플라스틱 선별의 높은 정확도와 파쇄기능의 정상 작동을 통한 수거율의 확대

◆ 생분해 플라스틱에 묻은 이물질 등을 판별하여 수거 가능 여부 판단 정확성 확인

◆ 수거 처리 시스템의 부재로 사라진 생분해 플라스틱 일회용품의 인증마크를 수거 체계의 확립으로 인증 범위 확대 도모

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◆ 플라스틱 스캐너

해당 기술은 근적외선 분광법을 이용하여 파장 850~1650nm 적외선 광을 플라스틱 쓰레기에 조사하고 반사광을 읽어 플라스틱 쓰레기 소재를 비과피, 비접촉율로 분석한다. 광다이오드와 8개의 LED로 구성되어 있는 플라스틱 스캐너는 PET, PE, PVC, PP, PS 등의 5가지 종류로 구분이 가능하다.

본 과제는 플라스틱 생산 공정 자체에서 표기되는 QR 정보에 플라스틱의 종류에 관한 내용도 포함이 되지만, 추가적인 미분류 대상을 구별하는 보조 수단으로 사용될 수 있다.

◆ 플라스틱 파ㆍ분쇄 기술

㈜크러텍 사의 폐PET병 전용 파ㆍ분쇄기는 2차 공정을 거치지 않고 압출성형이 가능한 8 mm 내외의 플레이크로 분쇄가 가능하다. 또한 재연삭으로 인한 자가 발열문제를 해결하였으며, 저소음 동력장치의 개발로 아파트 등 생활밀집 지역에도 설치가 가능해 물류비, 분류, 선별 등 폐PET병의 재활용 공정에 투입되는 비용을 현저히 줄일 수 있다. 해당 기술의 라인은 3가지로 나뉜다. 초소형의 ‘페트인’은 자판기 형태의 수거함 내장용으로 용기 파ㆍ분쇄에 적합하며, 소형의 ‘페트온’은 공동주택 등 개별설치용으로 용기 파ㆍ분쇄에 적용된다. 대량 집중 파ㆍ분쇄가 가능한 라인은 ‘페트리온’이다. 해당 기술 중 가장 이목을 끈 대목은 2가지로, 2차 공정없이 압출성형이 가능하다는 것과 저소음이라는 점이다. 본 과제의 결과물이 상용될 장소가 주거밀집지역이라는 점, 한 기계 내 추가적인 공정 없이 단순 공정으로 해결할 수 있다는 점에서 주요 관련 기술로 채택하였다.

• 특허조사

• 특허전략분석

특허 전략은 위와 같이 네 단계를 거쳐 수립하였다. 기존의 최신 특허들을 분석한 결과, 재활용 쓰레기 분리수거 기술과 플라스틱 파쇄 장치가 있음을 알 수 있었다. 그러나 무게를 이용해 쓰레기를 선별하는 기술과 생분해성 플라스틱을 수거하는 장치의 특허는 존재하지 않았기에 기존 특허들의 시스템에 적용된 기술을 대체하고 응용하여 생분해성 플라스틱에 특화된 선별기의 특허를 준비할 것이다. 타겟은 재활용 분리수거장이 구축된 아파트단지로 한다.

• 기술 로드맵

◆ 적외선 분광법

- 1800년대 : 윌리엄 허셀(W. Herschel)에 의해 가시광선 온도 측정 실험이 시행되었다. 이 과정에서 눈에 보이지 않는 전자기파, 적외선이 발견되었다. 이후 F.W.Herschel에 의해 Dispersion IR Spectrometer가 개발되었다. Prism 대신 Grating을 이용하게 되고 반도체 등의 이용으로 최근 Fourier transform IR. 적외선분광장치가 개발되었다. - 1900년 : 슈테판, 빈, 볼츠만 등을 거쳐 1900년 대에 막스 플랑크에 의해 적외선이 물체의 온도와 관련이 있음을 통해 파장과 온도의 함수로 된 복사 법칙이 정립되었다. 이후 적외선 센서는 주로 온도 측정용으로 사용되었다. - 1969년 : 미국에서 Interferometer를 이용한 FT-IR이 상품화되었다. 그 후 Sofeware 및 DS의 개발과 고집적, 고감도의 연구를 통해 FT – IR Spectrometer가 개발되었다.

◆ 플라스틱 압축적재 기술

- 본 과제에 사용되는 플라스틱 파ㆍ분쇄 기술의 목적은 압축적재를 통한 수거 주기의 연장과 운송ㆍ수송 등의 비용 절감을 위함이다. - 현재 시장 내 플라스틱 압축 기술의 경우 수동이 대다수 - 인적 자원은 운송ㆍ수송 부문으로, 최소한의 투입을 목적으로 하기에 추가적인 자동 압축 설비 혹은 파ㆍ분쇄 설비가 필요

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

• 마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◆ 생분해성 플라스틱 선별 기술의 단순화

현재 대한민국에서 생분해성 플라스틱을 처리하는 가장 큰 공정은 열분해 공정, 즉 소각 방식이다. 탄소 배출 절감을 위해 생분해 기능을 갖춘 생분해성 플라스틱 또한 탄소 배출에 기여하고 있는 상황이다. 이러한 과정이 이루어지게 된 배경에는 생분해성 플라스틱을 선별적으로 회수하기 어렵다는 점, 생분해성 플라스틱만을 매립하고 처리하는 관리시설이 없다는 점으로 분석되었다.

회수 시설의 단순화를 위해 생분해 플라스틱 QR코드 선별기를 활용하게 된다면 생분해성 플라스틱의 처리 문제가 가지고 있는 첫 번째 문제를 해결해 선별적으로 생분해성 플라스틱을 회수 할 수 있을 것으로 예측된다.

◆ 신속, 정확한 생분해성 플라스틱 자원 관리

생분해성 플라스틱 자원 관리 효율을 극대화 하여 생분해성 플라스틱이 갖춘 특성과 역할을 극대화 시킬 수 있을 것이다. 생분해성 플라스틱이 회수된 이후 효율적인 매립, 생분해 과정을 위한 세척 확인, 파쇄 과정은 이후 생분해성 플라스틱 매립 관리에 도움이 될 것이다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◆ 생분해성 플라스틱 시장 규모 확대

늘어나는 생분해성 플라스틱 시장에 힘입어 생분해성 플라스틱 매립 업체를 시작으로 다양한 분야에서 생분해성 플라스틱 관련 산업이 확장될 수 있을 것이다. 생분해성 플라스틱 회수에 활용되는 QR코드를 통해 생분해성 플라스틱을 많이 소비하는 가정에 인센티브를 지급하는 등의 방식으로 생분해성 플라스틱 소비 시장을 촉진시킨다면 해당 산업군의 시장 규모 확대까지 고려할 수 있을 것이다.

◆ 생분해성 플라스틱 인식 제고

생분해성 플라스틱이 국내에서 효율적으로 처리되고 있지 못다하다는 정보와 함께 생분해성 플라스틱이 근본적인 환경문제의 해결법이 될 수 없다는 의견들이 제안되고 있다. 폐기물 산업군 중 새롭게 부상하는 분야인 생분해성 플라스틱 처리 분야를 새롭게 정의하고 방향을 잡아간다면 앞으로 생분해성 플라스틱이 가진 기능적 역할을 원활하게 수행할 수 있을 것이다. 올바른 처리 과정과 시장 확대를 바탕으로 사회 구성원들에게 생분해성 플라스틱의 환경적 이점을 보다 확실히 인식시킬 수 있을 것이다.

◆ B/C 분석

서울시 기준 25개의 자치구, 426개의 행정동, 2560개의 아파트 단지가 존재함. 1개의 아파트 단지에 1개의 B-ycle이 도입된다면 2560개의 기기가 투입되며, 한 기기당 하루 소요 전력량은 1.5kWh이므로 하루 2560kWh의 발전량이 필요하고, 기기 수거체계 관리인원으로 하루 25명의 인원이 25개의 자치구에 대한 1280개의 기기를 관리함.

[소요비용]

발전량에 따른 전기세(누진세 최대 포함) : 한 기기 연간 547.5kWh 발전, 누진세에 따른 기기당 전기세는 65,474 원 / 2560 대에 대한 연간 발전 전기세는 167,613,440 원 하루 25명의 인원에 대한 급여 : 220만 * 365 = 803,000,000 원 사업 진행 비용 970,613,440 원

[발생수익]

탄소감축량에 따른 탄소배출권 수익 : 하루 217.7 ton의 플라스틱에 대한 탄소감축량(90% 저감가정)

일반 플라스틱 탄소 발생량 = 479946.345lb * 2.8 = 1343849.766 lb

생분해성 플라스틱 탄소 발생량 = 129585.513 lb

저감량 = 1214264.253 lb

탄소배출권 가격(ton 당) : 15200(KAU22)

연간 저감량 = 550.781 ton * 365 day = 201035.065 ton

탄소배출권 판매대금(연간) = 3,055,732,988 원

즉, 발전비용과 임금에 따른 지출은 970,613,440 원, 탄소배출권 판매대금에 따른 수입은 3,055,732,988 원 이다.

B/C = 3.1482로 경제적이라고 판단할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◆ 황두희: 팀장 및 프로토타입 제작

◆ 김보성: 시장 조사 및 경제성 분석

◆ 신동호: 기술동향 분석 및 데이터 분석

◆ 이승한: 설계 총괄 및 핵심공정개발

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 시 제품의 요구사항을 다음과 같이 목록화하여 나타내었다. 각 목록의 요구를 D, 희망사항을 W로 두었고, 목록별 중요도를 선정하여 대중소를 결정하였다.

설계 사양

제품의 요구사항으로부터 실현 가능성을 고려하여 사양을 결정하였다.

개념설계안

가. QR인식 생분해 플라스틱 QR코드 선별기의 첫 공정인 QR코드 인식으로 물질이 생분해 플라스틱인지 판단한다. QR센서를 통해 물질이 생분해 플라스틱으로 인식이 되면 이물질 여부 판단을 위해 중량인식부로 이동한다.

나. 무게측정 이물질 여부를 판단하기 위한 무게 측정은 QR코드에 담겨있는 생분해 플라스틱의 무게와 오차를 통해 이루어진다. 무게 센서 위에 제품을 올리고 제품의 무게를 측정하여 무게가 오차범위 내일 때 투입될 수 있도록 한다.

다. 파쇄/흡입 오차범위 내로 측정된 제품은 제품의 재질에 따라 파쇄부 혹은 흡입부로 투입된다. 페트병과 같이 딱딱한 재질의 제품은 파쇄부로 투입되어 파쇄되고, 비닐 재질의 제품은 흡입모터를 이용해 흡입부로 빨려 들어간다.

라. 적재 파쇄부와 흡입부의 적재함 높이의 70% 지점에는 적외선 센서가 설치되어 센서에 물질이 감지되었을 시 정보를 전달하여 적재함을 비우고 폐기물을 수거할 수 있도록 한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

상세설계를 진행하며 B-ycle 실 도입 시 발생하는 CO2의 양을 계산할 수 있었고, 생분해성 플라스틱으로 대체된 이상적인 환경에서 B-ycle이 도입될 시 연간 몇 톤의 이산화탄소를 방지할 수 있는지를 계산하였다. 저감량에 대한 산출식은 다음과 같은 과정을 따랐다.

기기의 소요 전력을 산업용 진공청소기의 전력인 1300W에 보수적인 값 책정을 위해 1500W라 가정, 연간 기기의 소요 전력은 하루 실 가동시간이 1시간이라 가정하였을 때 한 기기의 하루 소요 전력량은 1.5kWh이다. 즉, 연간 소요 전력량은 547.5kWh이고 한국전력공사가 명시한 2021년 총 발전량 대비 연간 발생하는 온실가스의 양을 통해 1kWh 당 발생하는 온실가스를 역산하면 9g이 발생하므로 한 기기당 전력 소모에 의한 온실가스 발생량은 4928g이다.

다음으로는 생분해성 플라스틱으로 대체되었을 때 저감되는 온실가스의 양이다. 아래 자료를 통해 PLA소재의 플라스틱의 기존 프탈레이트계 가소제를 사용한 PET 플라스틱 대비 CO2 배출의 저감량을 확연하게 파악할 수 있다.

서울시 평균 1인당 하루 0.01kg의 플라스틱이 배출되고(환경부 2021) 전농 삼성 래미안 463세대에 대해 세대 당 3인 가구라 가정했을 때, 1400명에 대해 14kg의 플라스틱이 배출된다. 위 표를 토대로 이산화탄소 발생량을 산정한다면, PET 기준 31543.3lb가 발생하고, 생분해성 플라스틱으로 대체 시 3034.6lb가 발생한다. 대체 시 기기 소요 전력에 따른 발생량도 산정해야 하기 때문에 3045.46lb가 발생하고, 이에 최종적으로 B-ycle도입과 생분해성 플라스틱의 도입이 이루어진다면 기존 PET 플라스틱 사용 대비 90.35%의 저감이 이루어진다.

상세설계 내용

조립도

가. 조립도

나. 조립순서

① 파쇄부: 세절기를 설치한다.

② 흡입부: 흡입모터를 대체할 핸디청소기를 설치한다. 박스형의 지지대를 설치하여 청소기와 투입구가 접할 수 있도록 한다.

③ 수직중벽: 파쇄부와 흡입부 각각 높이 70% 지점에 LED 센서를 부착한다.

④ 수평중벽: 수평중벽에 무게센서를 경첩으로 부착한다. 플라스틱이 파쇄부로 들어갈 수 있도록 세절기 입구에 맞춰 투입구를 만들고, 물질이 투입구로 들어가도록 경사판을 설치한다.

⑤ 앞벽: 우측 상단에 QR인식 센서를 설치한다. 파쇄부와 흡입부의 투입구를 제작한다.

⑥ 양옆, 뒤, 상단에 벽을 설치하여 본체를 완성한다.

부품도

가. 파쇄부

파쇄부에 파쇄기를 대체할 세절기를 설치한다. 세절기의 입구에 플라스틱이 투입되었을 때 입구로 정확히 들어오도록 깔때기형 판을 설치한다. 수평중벽에 뒷부분에는 세절기 입구로 들어갈 수 있도록 직사각형 투입구를 만들고 경사판을 설치한다. 앞부분에는 무게센서를 설치하고 이를 경첩으로 연결하여 플라스틱 인식 후 그대로 들어 올려 투입구로 플라스틱이 들어가도록 한다. 수직중벽의 높이 70%인 230mm 지점에 적재량을 인식할 적외선 센서를 설치한다.

나. 흡입부

흡입부엔 흡입모터를 대체할 청소기를 설치한다. 청소기와 흡입구의 높이와 맞추기 위해 청소기 밑에 박스형 지지대를 설치한다. 수직중벽에는 파쇄부와 마찬가지로 230mm 지점에 적외선센서를 설치한다.

제어부 및 회로설계

B-ycle은 크게 투입부, 파쇄부, 적재부로 나뉜다. 여기서 투입부와 적재부에 필요한 제어 설계에 대하여 아래 회로도와 함께 설명한다.

가. 투입부

투입부를 구성하는 회로 설계 요소는 QR코드 인식부, 생분해성 플라스틱 제품 중량 인식부, 이용자 편의성을 고려한 LCD 디스플레이부로 나눠진다. QR코드 인식부는 생분해성 플라스틱애 등록된 QR코드를 인식해 사용자가 직접 생분해성 플라스틱을 구분해서 분류할 수 있도록 하는 장치이다. 제품 중량 인식부는 수거된 생분해성 플라스틱이 효과적으로 분해될 수 있도록 사전에 이물질이 제거되었는지 판단하는 장치이다. 제품 생산 단계에서 각 생분해성 플라스틱 소재 활용 제품의 제품 질량을 기준 삼아, 기준 질량(20%) 이상의 무게가 측정되면 내부에 이물질이 있다고 판단, 다시 배출자에게 반환하는 기능을 한다. 생분해성 플라스틱이 효율적으로 분해될 수 있는 환경이 조성될 수 있도록 수거 단계에서 사전에 이물질을 제거할 수 있도록 한다. 마지막 LCD 디스플레이부는 사용자가 정상적으로 생분해성 플라스틱이 배출되었는가를 확인할 수 있도록 제품 수거 결과와 진행 상황을 알려줄 수 있는 역할을 한다.

QR코드 인식부

충분하지 않은 설계 부품의 구성 상황으로 인하여 QR코드 인식부는 메인 컴퓨터 허브에 USB 연결을 통해 직접 데이터를 입력받는다.

해당 QR코드가 담고 있는 정보는 (https://www.bioplastic001_0012g.com/) 으로 URL의 형태로 기록되어 있다. 하지만 텍스트 입력 프로그램에 커서를 위치하고 바코드를 인식하면 해당 URL을 텍스트 라인으로 인식해 해당 정보를 기록함으로, 동일한 양식인 좌 우의 URL 텍스트를 제외하고 가운데에 위치한 플라스틱의 종류, 플라스틱의 무게를 정확하게 인식할 수 있다면 생분해성 플라스틱 투입 여부를 효과적으로 관리할 수 있을 것이다.

제품 중량 인식부

제품 중량 인식부는 생분해성 플라스틱을 단순 수거만이 아닌 생분해성 플라스틱이 최종 페기 및 매립단계에 들어설 때 효과적으로 분해 될 수 있도록 설계한 장치이다. 생분해성 플라스틱의 분해 효율 저하의 가장 큰 원인은 수거물 내 이물질이다. 따라서 QR코드로 수거물을 인식하는 단계를 활용해 제품의 생산 질량을 데이터화 하여 기준 질량을 초과하는 경우 이물질이 있는 것으로 판단, 해당 이물질을 배출자가 직접 처리 이후 재배출 하는 시스템을 적용하고자 하였다. 회로를 구성하는 핵심툴은 아두이노 UNO이다.

LCD 디스플레이부

LCD 디스플레이부는 설계물 사용자가 배출한 폐기물이 정상적으로 수거되었는지, 폐기물이 반환되었다면 어떤 이유에서 반환되었는지 확인할 수 있도록 정보를 제공한다.

나. 적재부

배출된 생분해성 플라스틱의 효율적인 관리를 위해 채택한 방식은 적외선 장애물 센서 설치이다. 장애물이 근접하면 경고를 울리는 적외선 센서를 설치하여 일정 범위 이상의 폐기물이 수거된다면 알림을 보내 효과적으로 폐기물을 적환, 최종 매립 할 수 있도록 관리할 수 있을 것이다.

소프트웨어 설계

B-ycle 생분해성 플라스틱 수거 시스템의 핵심 요소는 정확하게 생분해성 플라스틱을 수거하여 생분해성 플라스틱 처리 효과를 극대화 하고 생분해성 플라스틱 데이터 수집을 바탕으로 추후 생분해성 플라스틱 산업 발전의 데이터베이스로 삼을 수 있는 근거자료를 제작할 수 있도록 설계하였다.

가. 투입부

QR코드 인식부

QR코드 인식부는 텍스트화 된 정보로 EXCEL에 등록된다. EXCEL 파일에서 데이터 취합에 필요한 정보들을 수거한다. EXCEL에 등록된 정보를 기반으로 데이터베이스를 구축하고 질량, 수거 적합도를 판단 할 수 있도록 처리한다.

제품 중량 인식부

제품 중량 인식부는 데이터가 입력된 이후 특정 주기를 반복하여 센서에 입력되는 무게를 인식한다. 해당 데이터는 EXCEL 데이터베이스에 취합되어 짧은 시간 내에 인식된 수거물 질량의 평균을 측정하여 수거물에 이물질이 포함되어있는지 판단한다.

LCD 디스플레이부

해당 코딩 데이터는 질량 측정 및 QR코드 정보를 기준으로 VALUE 값을 지정해 LCD 기판에 해당 정보를 나타내게 된다. 직관적으로 정보를 인식 할 수 있도록 짧고 간결하게 정보를 구성했다.

나. 적재부

생분해성 플라스틱의 효율적인 배출 관리를 위하여 저장고의 70% 이상의 플라스틱이 쌓이게 되면 적외선 센서를 통해 신호가 전달된다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

(1) 산업용 파쇄기 설치한다면 페트병 크기의 생분해 플라스틱을 처리할 수 있고, 산업용 흡입모터를 설치한다면 강한 흡입력으로 더욱 간편하게 비닐재질 생분해 플라스틱을 처리할 수 있다.

(2) QR 코드 인식 및 중량 측정 속도가 증가하면 편의성이 증가할 것이다.

(3) B-ycle의 모든 공정을 자동화한다면 편의성이 증가할 것이다.

(4) 적재부 적외선 센서 데이터를 수거 업체와 실시간으로 연동하여 적재함 용량의 70% 초과시 바로 처리하게 한다면, 적재함이 넘칠 우려를 제거할 수 있다.

(5) 생분해 플라스틱 제품에 QR코드 기입을 정부 정책으로 의무화하면, 기업 및 소비자의 생분해 플라스틱 사용량은 증가할 것이고 그에 따라 B-ycle의 도입 효과도 증가할 것이다.

특허 출원 내용

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