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2024년 12월 16일 (월) 21:35 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 에너지 효율을 고려한 3D 프린터 대기오염물질 처리기 설계

영문 : Design of processor which reduces air pollutant from 3D printer considering energy efficiency

과제 팀명

속이 쓰리디

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2019890003 공준호(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2019890008 김민석

서울시립대학교 환경공학부 2019890015 김정빈

서울시립대학교 환경공학부 2019890038 윤승범

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

현재 3D 프린터 산업의 성장에 따라 다양한 필라멘트 원료에서 발생하는 입자상 및 가스상 오염물질의 종류와 양이 증가하고 있다. 이로 인해 발암과 같은 사용자들의 건강에 악영향을 미친 사례가 발생하였고, 이에 대한 위험성이 대두되고 있다. 그러나 가스상 오염물질 등 유해물질 제거를 위한 기존 방안은 충분하지 않으며, 이를 통합적으로 처리할 수 있는 방법이 요구되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 3D 프린터 작업 공간을 대상으로 2단계 필터 시스템을 설계한다. 전단에는 HEPA 필터와 활성탄 필터를 사용한다. 후단의 광촉매 필터의 경우, 장기간의 작업과 불규칙한 VOC 발생을 고려하여 2way로 설계함으로써 저농도 VOC를 효율적으로 처리한다. 또한, 처리된 공기를 3D 프린터 작업 환경에 다시 유입시켜 에너지 및 비용 효율을 도모한다. 이후 해당 모델을 경제성, 유지관리성, 처리효율, 확장성, 차별성을 기준으로 평가한다.

개발 과제의 배경

전 세계 3D 프린팅 시장 규모는 2023년 223억 9천만 달러로 평가되었으며, 2024년에는 275억 2천만 달러, 2032년에는 1,502억 달러에 이를 것으로 전망된다. 이는 예측 기간 동안 연평균 성장률(CAGR)이 23.6%에 달함을 의미한다. 특히 국내에서는 2014년 창조경제 정책의 일환으로 학교에 3D 프린터 보급이 추진되어 2020년 기준 전국 5,222개교(보급률 43.45%)에 총 18,324대의 3D 프린터가 보급되었다. 이처럼 4차 산업혁명의 핵심 기술 중 하나인 3D 프린팅 기술이 다양한 산업에서 활용되며 급속히 발전하고 있다. 그러나 3D 프린터 사용 증가에 따라 사용자 건강과 안전에 대한 우려도 커지고 있다. 2020년 7월, 3D 프린터를 교재로 활용하던 한 과학 교사가 육종암으로 사망한 사례가 있었으며, 이와 유사한 사례들이 국내외에서 보고되고 있다. 미국 산업안전보건연구소(NIOSH)는 3D 프린팅 과정에서 발생하는 입자가 인간 폐 세포에 중간 정도의 독성을 유발한다고 발표했으며, 휘발성유기화합물(VOC) 배출과 그 위험성도 산업안전보건 연구에서 강조되었다. 미국 환경보호청(EPA) 역시 3D 프린터가 어린이와 청소년에게 특히 더 위험할 수 있다는 점을 경고하며 교육용 도구로 사용될 경우 신중을 기할 것을 권고하고 있다. 이에 반해, 국내에서는 과학기술정보통신부가 3D 프린터 가이드라인을 발간했으나, 환기 및 보호장치 착용 등 개인적인 실행을 강조하는 수준에 그치고 있으며, 이러한 지침조차 제대로 교육되지 않는 실정이다. 교육부가 2021년 5월 294개 학교를 대상으로 조사한 결과, 3D 프린팅 작업공간에서 별도의 환기시설 없이 자연 환기에 의존한다는 응답이 51.4%에 달했으며, 안전교육을 실시한다는 응답도 53.3%에 불과하였다. 따라서 본 설계에서는 3D 프린터 사용량 증가 추세, 위험성, 부실한 가이드라인 및 이행 실태에 따라 3D 프린터로 인한 유해 물질 저감을 위한 오염물질 처리 및 에너지 순환 장치를 설계하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

개발 과제는 오염물질 저감 및 에너지 효율성을 확보하는 것을 목표로 한다. 오염물질을 저감하기 위하여 전단에 HEPA 필터와 활성탄 필터를 설치하고, 후단에는 광촉매 필터를 설치한다. 또한, 광촉매 필터의 경우 나선형으로 설계하여 체류시간 및 처리 효율을 향상시키는 동시에 장치의 소형화를 도모한다. 에너지 효율성을 위하여 처리된 공기를 작업공간에 재유입하여 온도 유지를 위한 3D 프린터 heating bed의 사용 전력을 감소시키고, 광촉매 필터의 경우 2way로 설계하여 제거 효율을 최적화한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

현재 3D 프린터에서 VOC가 발생되는 문제를 해결하기 위해서 크게 발생량 저감 방안과 생성된 VOC를 제거하는 방안이 존재한다. 첫번째로, VOC발생량을 저감하는 방안에는 소재와 운전 설정을 조정하거나 통풍장치를 설치하는 방법이 있다. 3D프린터에서 원료로 사용하는 필라멘트는 PLA와 ABS, PETG, 나일론 등의 합성 수지가 주를 이루고 있다. 사용되는 필라멘트의 종류에 따라 발생하는 VOC의 종류가 다양하므로 독성과 배출량이 적은 제품을 사용하는 방안이 존재한다. 또한 하드웨어의 파라미터는 제조업체마다 다르므로 사용하는 원료에 따라 발생하는 VOC 양이 변화한다. 이에 노즐의 온도와 사용하는 노즐의 크기, 압축기의 설정 값들을 최적화하는 것이 효율적인 저감 방안으로 꼽히고 있다. 다음으로 환기 및 배기를 통해 VOC를 제거하는 방안이 존재한다. 환기를 통한 제거는 실내 공기 오염물질 제거에 효율적이다. 이를 위해서는 벽면과 천장에 환풍팬, 창문을 통한 40분 이상 환기가 이루어져야 하지만 3D프린터 작업장의 경우 작업장 여건에 따라 팬 또는 창문이 없거나 비효율적인 위치에 설치 되어있을 가능성이 있다. 또 다른 방안인 국소배기장치는 개방형 프린터를 작은 통풍구가 존재하는 부스로 덮어서 외부로 방출되는 속도를 저감한다. 하지만 대부분의 부스는 3D 프린터의 열 유지용이거나 작업 중 접근방지용으로만 사용하고 있다. 두번째로, 생성된 VOC를 제거하는 방안으로는 흡착법을 이용하고 있다. 사업장의 경우 흡착법, 세정법, (촉매)소각법 등을 사용하지만 3D 프린터에서는 고온의 열원 사용이 불가하여 대부분 필터를 이용한 흡착을 통해 제거한다. 필터로는 주로 활성탄과 제올라이트, 광촉매를 이용한다. 이 중 가장 기본적인 구성으로는 HEPA 필터, 활성탄 필터 조합이다. HEPA 필터는 주로 10μm 이상의 먼지를 제거하고 곰팡이 증식을 억제한다. 이후 활성탄 필터를 통하여 VOC 및 악취물질을 제거한다. 활성탄 필터의 경우 흡착능력이 강하면서 범용성이 높고, 저렴하여 많은 모델에서 사용하고 있다. 일부 모델에서는 활성탄 필터를 대신하여 제올라이트 필터를 사용하기도 하는데, 이러한 경우 실내 공간의 상대습도에 대한 대응력이 높으며 내열성이 높고, 재사용이 가능하다는 장점이 존재한다. 하지만 활성탄과 제올라이트 필터의 경우 흡착의 한계가 존재한다. 3D 프린터에서 발생하는 VOC는 배출되는 농도와 성분이 일정하지 않고, 다양한 물질이 혼합 배출되어 경쟁 흡착이 발생하여 흡착제의 수명 단축과 효율 감소를 야기한다. 광촉매 필터를 이용하는 경우 상온에서 암모니아 및 포름알데히드의 제거율이 높고 바이러스 비활성화에 효과적이다. 하지만 정기적인 유지보수를 필요로 하고, 아세트알데히드 등 특정 VOC에 대해서는 낮은 제거효율을 갖는다는 단점이 존재한다.

HEPA 필터는 현재 먼지 등의 입자성 물질 처리를 위한 필터로 다양한 사업에서 사용되고 있다. HEPA 필터는 주로 섬유 매트, 접착 유리 섬유, 합성 섬유, 셀룰로오스 섬유 등으로 구성되며 충돌, 확산, 스크리닝 등 기계적 여과를 바탕으로 0.3μm 입자의 처리 효율 99.97% 이상 수준까지 처리가 가능하다. HEPA 필터는 입자 포획 능력에 따라 MERV 등급으로 분류한다. MERV 등급이 높으면 더 많은 입자들이 필터에 포획되는 것을 의미한다. HEPA 필터는 항공기, 병원, 실험실, 청정실, 진공청소기, 공기청정기 등 여러 분야에서 사용된다. 특히 다양한 공기정화 장치에서 먼지와 세균을 제거하는 데 사용된다. 처리효율이 높고 제조가 용이하여 쉽게 사용될 수 있다는 장점이 있으나 가스상 물질은 분리해내지 못하며, 공기 흐름에 저항을 형성하고 정기적인 유지관리가 필요하다는 단점도 존재한다.

활성탄 필터는 다공성 구조로 높은 비표면적을 바탕으로 흡착을 통해 입자성 및 가스상 오염물질을 제거하는 필터이다. 활성탄은 다양한 종류의 오염물질에 대해 높은 흡착능력을 가지고 있어 높은 범용성을 가진다. HEPA 필터와는 달리, 기체상 물질 제거에도 사용할 수 있다는 장점이 있다. 활성탄 필터의 종류는 목표 제거 물질에 따라서 분진부터 pellet 형태까지 다양하며 VOC제거에 많이 이용되고 있다. 이에 VOC 물질 중 하나인 톨루엔 제거실험에서 확인하기를, 고농도(9~90ppm)에서는 필터의 두께가 6mm 이상에서 높은 효율과 파과까지 오랜 시간이 걸린다. 이에 반해 저농도 VOC에서는 고밀도(5.6g/100cm2), 넓은 표면적에서 높은 효율과 파과까지 오랜 시간이 걸린다. 3D 프린터에서 발생하는 VOC는 주로 저농도, 고유량으로 배출되므로 3D프린터용 공기정화장치에서 사용하는 필터의 경우 고밀도의 필터를 주로 사용하여 VOC와 악취제거용으로 사용한다. 하지만 낮은 재생성과 상대습도에 취약하여 수분이 많은 환경에서는 사용이 어렵다는 단점이 있다.

광촉매 산화는 UV 영역대의 (λ < 388 nm) 빛에 의해 생성된 전자-양공 쌍이 산화환원 반응을 통해 직접적으로 오염 물질을 분해하거나 •OH와 같은 강력한 산화제를 생성하여 오염물질을 분해하는 촉매 반응이다. 저렴한 가격, 높은 안정성, 제조의 단순함, 효과적인 분해 등의 장점으로 인해 주로 TiO2 또는 modified TiO2가 사용되고 있다. 상업적으로는 세라믹 honeycomb, mesh 등 다양한 지지체에 광촉매를 코팅하여 악취, VOC 제거용 필터로 사용하기도 한다. 상대습도, 공기 유량, UV 강도 및 종류, 초기 오염물의 농도, doping 여부 등의 조건에 따라 효과가 상이하다. 더욱 활발한 상용화를 위해 deactivation, scale up, recombination, visible light region activation과 같은 문제가 해결 과제로 남아있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

KR101594834B는 기존 오염물질 처리용 챔버와 비교했을 때 소형화가 가능하다는 장점을 가진다. 또한, 오염물질 발생지점 부근에서 흡입하기에 확산을 방지할 수 있다. 하지만, 노즐 구조를 변경한 후 공기를 노즐 부위에서 흡입하도록 설계되었기 때문에 기존 제품과의 호환성이 낮고, 해당 기술을 적용하려면 새로운 제품을 구매해야 한다는 범용성의 한계가 있다. KR102656993B1는 앞선 특허와 마찬가지로 챔버가 필요 없으며, 노즐 부근에서 국소 배기를 수행한다. 이 기술은 기존 노즐을 교체하지 않아도 되고, 노즐 부위에 장치를 간단히 설치할 수 있다는 설치 편의성이 장점이다. 그러나 부스가 없는 오픈형 3D프린터에서는 효율이 떨어지며, 설치 가능한 노즐의 종류가 제한적이어서 범용성이 여전히 낮다. KR102163950B1는 광촉매 필터의 효율을 높이기 위해 유로를 지그재그 형태로 설계하여 광촉매와의 접촉 효율을 향상시켰다. 그러나 소형화와 다양한 프린터 환경에서의 적용성 면에서는 보완이 필요하다. 위 세 가지 특허의 장단점을 바탕으로, 높은 범용성을 갖춘 소형화 장치를 설계한다. 이를 위해 주름관을 활용하여 오염물질 처리 장치의 설치 위치를 유연하게 조정하고, 다양한 3D프린터 배기 팬 크기에 적응할 수 있도록 했다. 또한, 광촉매 필터를 나선형 구조로 설계하여 소형화와 동시에 오염물질 제거 효율을 높였다. 마지막으로, 오염물질 농도에 따라 필터를 선택적으로 사용할 수 있는 기능을 추가하여 필터 수명을 연장하도록 고안하였다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

• 마케팅 전략 제시

S / O 전략 [강점을 살려 기회를 최대화] : 3D 프린팅 시장의 규모가 커짐에 따라 3D 프린터 사용 업종 종사자에게 오염물질 노출 최소화하여 작업 환경을 개선 가능하다.

S / T 전략 [강점을 이용한 위협을 극복] : 처리가스 재투입 및 기존 제품에 바로 적용 가능함으로 경제적 부담이 완화된다. 이에 따라 오염물질을 관리하는 방향으로 개인의 선택을 간접적으로 유도할 수 있다.

W / O 전략 [약점을 보완하여 기회를 포착] : 3D 프린터 제조사 입장에서 악영향인 건강상 부정적 인식을 개선한다. 이는 발생량 대비 높은 비용에도 불가하고, 마케팅에서 부가적인 경제적 이익을 창출할 수 있다.

W / T 전략 [약점을 최소화하여 위협에 대처] : 2way 시스템을 통해 필터의 교체 주기를 연장하여 비전문가 사용자의 유지 관리 용이성을 도모한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

내용

관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용