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2024년 12월 19일 (목) 05:23 판
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 차량부착형 미세먼지 포집 장치 개발
영문 : Vehicle-attached fine dust collection device
과제 팀명
타이어드(Tire D)
지도교수
서명원 교수님
개발기간
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부 20198900** 노**(팀장)
서울시립대학교 환경공학부 20198900** 김**
서울시립대학교 환경공학부 20208900** 이**
서울시립대학교 환경공학부 20178900** 최**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
도로변 미세먼지는 자동차 주행으로 인한 엔진 연소뿐만 아니라, 타이어 및 브레이크 마모, 재비산먼지 등이 주요 원인으로 지목되고 있다. 특히, 타이어와 브레이크 마모로 발생하는 중금속 및 카본 성분의 미세먼지는 호흡기 질환과 심혈관계 질환을 유발할 수 있으며, 비가 오면 하천과 해양으로 유입되어 환경 오염을 초래할 수 있다. 현재 고압 살수차와 분진 흡입차가 도로 미세먼지를 저감하는 방법으로 사용되고 있지만, 물 자원의 낭비와 재비산 먼지 문제, 운영 비용 등의 한계가 존재한다. 이를 해결하기 위해 개발되는 새로운 장치는 차량 주행 시 실시간으로 미세먼지를 포집하여 지속적이고 경제적인 해결책을 제공한다. 물을 사용하지 않아 자원을 절약할 수 있으며, 다양한 차량에 적용 가능하여 대규모 도로 환경에서도 효과적으로 활용된다. 이 장치는 미세먼지뿐만 아니라 외부에서 유입된 오염 물질까지 처리하여 대기 중 미세먼지 농도를 낮추고 수질 오염도 예방하는 종합적인 환경 보호 효과를 기대할 수 있다.
개발 과제의 배경
도로변 미세먼지는 자동차 주행으로 인한 엔진 연소뿐만 아니라, 타이어와 브레이크의 마모, 도로의 마모, 도로변에 쌓여 있던 먼지가 자동차 주행에 의해 다시 날리는 과정에서 발생하는 재비산먼지, 그리고 외부에서 대기나 빗물을 통해 유입된 먼지 등이 주요 원인이 된다. 도로변 미세먼지 농도는 도시의 대기 평균 미세먼지 농도에 비해 약 4~11 높게 나타나며, 도심지 (초)미세먼지의 주요 배출원은 도로 이동오염원인 것으로 나타났다(한국건설기술연구원, 2019). 특히 타이어나 브레이크 마모 과정에서 발생하는 중금속 입자(크롬, 납, 카드뮴 등)와 타이어 마모로 인해 발생하는 카본 성분의 미세먼지는 인체에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 미세먼지는 장기적으로 호흡기 질환, 심혈관계 질환 등을 유발할 수 있으며, 비가 올 때 우수와 함께 하수로 흘러가 하천 및 해양을 오염시킬 수 있다. 현재 고압살수차를 이용한 도로 물청소와 분진흡입차를 활용한 청소 방법 등이 사용되고 있기는 하지만, 이들 방법에도 몇 가지 문제점이 있다. 고압 살수 방식의 경우, 도로 위에 물을 고압으로 분사하여 먼지 입자를 눌러 안정시키는 방식이다. 하지만 이 방식은 도로가 건조된 후 자동차가 다시 주행하게 되면 먼지가 다시 재비산되는 문제가 있고, 겨울철에는 살수 된 물이 얼어 도로 결빙을 유발할 수 있으므로 사용이 어렵다. 또한 주요 자원 중 하나인 물을 소비함으로써 수자원 낭비 문제도 야기하고, 고압 살수차를 운용하는 데 있어서 추가적인 인건비와 유류비가 발생하는 경제적 부담이 있다. 반면에, 분진 흡입차는 재비산 문제를 해결하고 물을 사용하지 않기 때문에 더 나은 방법이라 할 수 있지만, 여전히 운영에 필요한 유류비와 인건비가 추가적으로 발생하는 경제적 부담이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 기존의 방법들보다 지속 가능하고 경제적이며 친환경적인 새로운 장치를 개발하고자 한다. 이 장치는 차량 주행으로 발생하는 미세먼지뿐만 아니라 외부에서 대기로 유입되거나 빗물과 함께 유입된 먼지까지도 처리할 수 있도록 설계될 것이다. 이를 통해 도로변에서 발생하는 미세먼지의 전반적인 양을 줄이고, 대기 중 미세먼지 농도를 저감하는 동시에 수계 오염 문제까지도 예방할 수 있을 것이다. 새로운 장치는 단순히 도로에서 발생하는 먼지를 제거하는 것에 그치지 않고, 외부에서 유입된 오염물질까지도 효과적으로 포집하여 더 나은 공기 질과 환경 보호를 동시에 달성할 수 있을 것이다.
개발 과제의 목표 및 내용
1. 개발과제 목표
현재 우리나라에서 도로 미세먼지를 처리하는데 도로 미세먼지의 특성을 고려하여 건식으로는 공기 재생식 청소차, 분진흡입청소차를 이용하고, 습식으로는 살수차를 사용하면서 도로의 미세먼지를 처리하고 있다. 하지만 운영 청소 장비가 많이 있으나 운영할 사람이 부족하고 재정여건이 충분하지 않은 도시에서는 유류비, 인건비 등 지원이 불가한 도시도 있다. 이러한 점을 보완하기 위해 택시와 버스의 경우 도로를 주행하는 시간이 많은 것을 활용하여, 택시와 버스에 미세먼지 포집 장치를 부착하여 별도의 차량을 운행하여 미세먼지를 포집하는 것이 아닌 차량 운행 시 미세먼지를 포집하는 차량부착형 미세먼지 포집 장치 설계를 목표로 한다.
2. 개발 과제의 내용
도로 미세먼지는 Al, K, Ca 등 뿐만 아니라 자동차 배출가스, 타이어 및 브레이크 마모에서 발생하는 Cd, Pb, Cr 등 유해한 성분을 포함한다. 이처럼 도로 미세먼지가 10 가 증가했을 때 65세 이상 노인 사망률은 0.4%가 증가하였으며, 초미세먼지에 의한 심혈관계 관련 질병은 1.75% 증가하였다. 이러한 점을 보았을 때 우리나라의 도시들이 환경정책기본법시행령의 기준에 따라 연간 평균치, 24시간 평균치, 1시간 평균치 등 초과하고 있지는 않지만, 세계보건기구(WHO)의 기준으로 보았을 때 우리나라에서 기준을 만족하고 있는 도시가 없다. 따라서 현실적으로 사람들에게 가장 많은 영향을 줄 수 있는 도로 미세먼지를 포집할 수 있는 차량부착형 미세먼지 포집 장치를 설계하고자 한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
1. 나노섬유필터 개발
기존 헤파필터는 직경 수십㎛ 크기의 섬유로 만들어졌다. 이에 비해 나노섬유는 머리카락 500분의 1정도 두께인 수십에서 수백 ㎚(나노미터) 직경의 초극세사 섬유를 말한다. 즉 헤파필터에 쓰이는 섬유의 1,000분의 1 두께다. 기존의 헤파필터의 경우 미세먼지들이 필터는 통과하면서 압력 차이가 발생하면서 미세먼지 제거효율이 낮아져 이를 위해 소비전력이 높아지는 단점이 있었다. 이에 비해 나노섬유 기반 필터의 경우 미세먼지 포집 성능이 약 25% 증가하였고, 압력 손실은 30% 개선되었다. 낮은 소비전력으로 초미세먼지 농도 70μg/㎥ 오염된 자동차를 16분 만에 정화했다.
2. 재사용 가능한 광촉매 필터
기존에는 공기정화 시스템에서 미세먼지와 유해가스 제거를 위한 필터가 각각 필요해서 설비에 문제가 있었고, 재사용이 어려워 6개월에서 1년에 1번씩 교체가 필요한 문제점이 있었다. 삼성전자 SAIT 연구진은 이 같은 문제를 해결하기 위해 세계 최초로 아산화동(Cu2O), 이산화타이타늄(TiO2) 등과 같이 빛을 이용하는 광촉매를 적용해 신개념 필터 기술을 구현하고 상용화 가능성을 입증했다. 이러한 광촉매 필터의 경우 필터의 단일화가 되고 기존의 필터 보다 성능이 4배 가량 증가하였다. 또한 광촉매의 경우 방수 특성이 있어 물세척이 가능하여 20년 동안 사용이 가능하여 수명이 40배 가량 증가하였다.
3. 무필터 전기집진 공기 청정 (대전 유성온천 지하철역)
한국기계연구원은 극세사 방전극과 비금속 탄소판을 이용해 저배압 모듈을 만들었다. 낮은 전류를 흘려보내면 지하철 역사 내부로 퍼져 부유해 있는 초미세먼지를 만나 정전기를 띠게 만드는 공기 이온을 발생시킨다. 이온이 붙어 있는 초미세먼지가 공기청정기로 흡입돼 집진기로 포집된다. 포집된 미세먼지는 바람을 통해서 분리하여 먼지를 포집하는 건식 세정 방식이다. 이 기술을 적용하면 이온을 발생시킬 때 비금속 코팅으로 오존이 거의 발생하지 않는다. 집진부를 세정할 때 물 대신 바람을 사용해 2차 오염 발생 가능성이 없고 전력 사용도 80%를 절감할 수 있다. 지하철 역사 500개에 적용하면 연간 유지보수비 20억-30억 원, 팬 교체비용 150억 원의 저감 효과도 기대된다고 연구진은 밝혔다.
- 특허 조사
1. 전동차 부착용 미세먼지 제거장치 (박덕신 외 2명 -2012)
전동차 하부에 설치하여 전동차의 운행 시 발생하는 미세먼지 등을 흡입하여 미세먼지를 포집하기 위한 것이다. 본체의 뒷부분에서 팬에 의해 기류가 형성되어 공기가 흡입되어 정화하는 방식이다. 흡입된 공기가 여러 개의 전자석(212)에 의해 금속성분인 먼지를 먼저 분리한 후, 철제필터(210)를 통과하여 미세먼지가 부착되어 제거된다. 서랍식 먼지받이(130)를 둠으로 전자석과 철제필터에서 분리된 먼지를 용이하게 처리할 수 있도록 하였다.
2. 이동 수단을 이용한 대기 미세먼지 포집 장치 (손동욱-2013)
외부 동력 없이 이동 수단의 주행에 의한 공기 흐름만으로, 대기 중에 부유 중인 미세먼지를 집진 하는 것이 가능한 이동 수단을 이용한 대기 미세먼지 포집 장치이다. 주행 방향을 기준으로 그리스 필터(121), 프리 필터(122), 미디엄 필터(123), 케미컬 필터(124) 및 헤파 필터(125)를 통과하는 방법으로 미세먼지를 포집한다. 또한, 상기 제1 차압계(115)와 제2 차압계(131)에서 계산된 공기의 차압이 큰 경우, 공기의 흐름이 방해를 받는다. 따라서 원활한 공기 흐름을 위하여 상기 동력 팬(132)을 이용하여, 강제적으로 공기의 흐름을 만들 수 있다.
3. 차량용 미세먼지 절감장치 (방승수-2018)
자동차에 일반적으로 실내공기를 위한 공조 장치가 구비되어 있으나, 좁고, 밀폐되어 있어 쉽게 오염될 수 있기에 이러한 점을 해결하기 위해 장치가 개발되었다. 미세먼지 필터 부와, 상기 필터 부는 부직포(11) 부와 금속판(12)과 필터(14)로 구성되어 프레임의 패킹(15)에 안착 구성되며, 프레임(25)의 후단 부는 배터리(22)와 모터(23)가 있다. 금속판의 일 측면에 다수개의 자석(13)이 구성되어 공기 중의 금속을 포집할 수 있도록 구성되며, 개폐 커버(24)는 자동차가 일정 속도 이상 또는 우천 시에 개폐됨을 특징으로 한다. 미세먼지 저감장치 내부에 구성되는 모터(23)의 전원을 공급하기 위하여 태양 전지(21)이 구성되며 발전된 전원을 저장하기 위한 배터리(22)가 구성되어 차량 내부의 전원을 사용하지 않고도 원활한 개폐 커버(24)의 동작이 가능하도록 한다.
4. 차량을 이용한 대기의 미세먼지 모니터링 시스템 및 포집 장치 (김동현-2019)
차량이 이동하면서 미세먼지 모니터링 시스템 및 포집 장치를 모두 포함 장치이다. 미세먼지 측정 장치가 설치되지 않은 지역에서도 미세먼지를 측정할 수 있어 넓은 지역의 미세먼지를 측정할 수 있다. 미세먼지 모니터링 시스템은 운전자의 스마트폰 앱과 실시간 연동으로 미세먼지 정보를 서버로 전송하여 전국 단위 실시간 미세먼지 농도 및 분포를 GIS 기반으로 일반인에게 제공한다. 포집 장치에서 미세먼지 포집량 및 농도 정보를 외부에서 확인할 수 있도록 표시가 된다. 미세먼지 포집 장치는 결합부(107)는 자석으로 200km/h 속력으로 이동하더라도 포집 장치가 차량에서 떨어지지 않도록 자력을 가지는 자석을 이용하였다. 유입 도어(103)는 속도에 따라 개폐되도록 고안되었다. 약 100km/h 이상의 속도로 주행 시 필터의 손상이 발생할 우려 및 연비 문제로 폐쇄할 수 있다. 필터의 경우는 필터 홈(FH)에 여러 종류의 필터를 설치함으로 미세먼지를 포집하는 방법을 이용한다.
5. 이동 장치에 구비되는 미세먼지 저감 장치 (김우현 외 1명-2020)
실시간으로 측정된 미세먼지 정보 및 기상 정보를 포함하는 오염지도를 스마트 폰의 애플리케이션이나, 인터넷, IoT 플랫폼 등을 통해 제공받을 수 있어 접근이 용이한 미세먼지 저감 장치를 제공함에 있다. 우천 상황을 판별하는 강수 센서 및 우천 상황에 비 유입을 방지하는 강수 배제 필터를 포함하고 있다. 제1 필터(131)는 여러 개의 제1 필터가 바람의 진행 방향에 연직인 방향으로 일렬로 마련될 수 있으며, 이러한 배열을 통해 PM10 이하의 미세먼지를 효과적으로 여과 및 포집할 수 있다. 차폐 부재(122)는 고속으로 움직이는 이동 장치로 인해서 공기가 과도하게 미세먼지 측정 센서(121)쪽으로 빠르고 많은 양이 유입됨에 따라, 미세먼지 측정 센서(121)의 미세먼지 센싱 능력이 떨어지는 것을 방지하기 위하여 연직 방향으로 연장되는 격벽이 서로 지그재그 형태로 배열함으로 이상적인 미세먼지 정보를 측정할 수 있도록 하였다. 이동장치의 평균 속력에 따라 격벽 겹침 비율은 제어부에 의해 조절 변경이 가능하다. 조도 센서(175)는 야간 상황 등 광량이 부족한 경우에는 인디케이터의 조도가 높을 수 있으므로, 제어부(160)의 제어에 의해 야간 상황에서 조도를 낮추도록 제어될 수 있다.
- 특허 전략
- 현재 많이 상용화 중인 헤파 필터의 교체주기가 짧아 교체비용이 많이 발생하는 문제와 입자 먼지와 가스 먼지를 함께 포집하는 광촉매(세라믹) 필터를 사용함으로 해결하고자 함.
- 미세먼지 농도에 따라 빨간색 - 노랑색 - 초록색 등으로 표시하면서 외부에서 미세먼지 농도를 빠르게 확인할 수 있게 함.
- 태양광 센서, 풍력을 동력으로 하여 우수 감지 센서를 통해서 우수 시 전면 커버 개폐할 수 있도록 설계.
- 앤시스를 통해서 유체역학적으로 차량 주행 중 공기저항을 최소화하는 방법으로 설계.
- 루프랙 혹은 자석을 이용하여 미세먼지 포집 장치를 차량에 부착하는 방법으로 설계.
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
현재 사용되는 차량에 부착하는 미세먼지 제거 장치에 대해 조사하였으며, 조사 결과 크게 3가지 종류로 구분할 수 있었다. 관련 장치의 종류는 크게 1) 차량 앞부분에 부착하는 미세먼지 흡착 필터 2) 노면 청소차(진공 청소차) 3) 분진 흡입차 로 구분할 수 있었다. 각 항목은 가격, 정화량, 장•단점에 대해 조사해 보았다.
1. 차량 앞부분에 부착하는 미세먼지 흡착 필터
위 사진과 같이 차량의 전면에 필터를 부착하여 미세먼지를 제거하는 장치이다.
가격
해당 장치의 정확한 가격에 대해서는 알 수 없었으나, 복수의 기사를 통해 가격을 유추할 수 있었다. 경기 광주시는 1400만 원을 들여 35대에 부착, 경북 예천군은 950만 원을 들여 총 7대에 부착했다는 기사를 보아, 대당 40만~136만 원이 소요되는 것으로 보인다. 구매 수량에 따라 단가에 차이가 나므로, 평균 개당 100만원으로 가정할 수 있다.
정화량
정화량에 대한 정보(기사)를 찾을 수는 있었지만, 대체로 “나무 몇 그루를 심는 효과” 정도로 표현이 되어, 수치상으로 정확한 결과를 확인하기가 어려웠다. 정확한 수치에 대한 조사가 추가적으로 이루어져야 할 것 으로 보인다. 1m2당 연간 초미세먼지 흡수량이 4kg이라는 수치가 있으나, 운행량에 대한 정보가 없으므로 추후 자세한 조사가 필요하다.
장점
해당 장치는 차량 앞면에 탈부착할 수 있으며, 탈부착 시 큰 어려움이 없다는 장점을 갖는다. 필터를 주기적으로 교체하기만 하면 되기 때문에, 유지보수에 강점을 지닌다고 할 수 있다. 또한 본 보고서에서 언급되는 다른 방법(청소차 등)에 비해 에너지 사용량이 적다는 점도 장점이다. 다만, 해당 필터는 차량이 운행하면 생기는 맞바람으로 인해 필터에 부착되는 미세먼지만을 제거한다. 따라서 동력장치를 사용하여 인공적으로 먼지를 흡입하는 다른 기기에 비해 미세먼지 포집 효과가 적을 것으로 예상된다.
2. 노면 청소차
차량에 부착된 솔을 회전시켜 도로 측구과 노면에 쌓인 면지, 모래, 쓰레기 등을 차량 안쪽으로 쓸어 모아 흡입하는 방식이다. 브러쉬를 이용해 부피가 큰 쓰레기를 처리하는 것이 주 목적이다. 브러시만을 이용한 기계식 방법과, 진공을 이용하여 청소하는 진공흡입식 청소차로 구분할 수 있다.
가격 노면 청소차 도입과 관련한 각종 기사들을 통해 차량 가격에 대한 정보를 유추할 수 있었다. 차량 가격은 중형(7.5톤-8.5톤)은 대당 3억원, 소형(1톤)은 1억원인 것으로 추정된다. 유지보수비 등은 분진 청소차와 비슷할 것으로 보이며, 대당 연간 7천 만원정도이다.
정화량 노면 청소차는 앞서 말했듯 비교적 부피가 큰 쓰레기를 버리기 위함으로, 전체 쓰레기에서 포집된 미세먼지만을 구분하기란 쉽지 않다. 도로 청소의 효과는 상대적으로 영향을 줄 수 있는 외부 요인이 다양하여 대기 중의 미세먼지 농도를 조사하는 것은 재현성을 확보하는 데에 어려움이 따른다. 이로 인해, 도로청소에 의한 미세먼지 저감 효과를 평가하는 사례는 대부분 청소 전 후의 도로 silt loading 조사를 이용한다. silt loading이란 단위면적당 쌓여 있는 기하학적 직경 75µm 이하인 먼지(silt)의 질량(g/m2)으로, 도로먼지가 대기 중으로 비산되는 척도로 활용된다. (정용원, 2007b, 인천지역 미세먼지의 주요 발생원 파악 및 도로 청소에 따른 미세먼지 저감방안) 따라서 정확한 미세먼지 포집량 자체는 알기 힘드나, 지속적인 도로 청소는 대기질 향상에 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
장단점 최근에는 미세먼지로 인한 문제가 심해지며 노면 청소차에도 초미세먼지를 포집할 수 있는 필터를 설치하는 경우도 있지만, 보통 노면 청소차에는 필터가 설치되어있지 않다. 따라서 분진 흡입차에 비해 필터에 의한 압력강하가 적다. 따라서 에너지 소모가 비교적 덜 드는 편이다. 또한, 현재 판매되는 특수 차량들을 확인해본 결과, 분진 흡입차는 대형 차량만 판매하는 것으로 보이나, 노면 청소차는 다양한 크기의 차량을 판매하여 차량 선택시 선택의 폭이 넓다고 할 수 있다. 다만 미세먼지 필터를 사용한 분진흡입차량에 비해 포집 효율이 낮은 것이 단점이다. 일부 연구에서는 노면 청소차는 필터가 없어 미세먼지를 그대로 외부로 배출하므로 미세먼지 저감 효과가 없거나 일시적으로 증가시키는 것으로 나타난 만큼, 상황에 맞게 사용하는 것이 중요하다고 할 수 있다.
3. 분진 흡입차
진공상태를 이용해 먼지를 흡입하는 방식으로, 필터가 부착되어 있어 미세먼지 제거에 효과적이다. 노면 청소차는 도로 위의 쓰레기를 청소하는 것이 주 목적이며, 분진 흡입차는 미세먼지를 제거하는 것이 주 목적이다.
가격 지자체에서 분진 진공흡입차 1대를 운영하기 위해서는 차량 가격(대당 2억 5천 만 원)과 차량 1대당 운영비용(운전요원 4천 5백 만 원, 운영비용 2천 5백 만 원) 정도가 사용된다. 이러한 가격은 충분한 예산을 확보할 수 없는 소형 지자체에서 분진흡입차를 도입하는 데 걸림돌이 되며, 분진흡입차를 도입했다고 하더라도 인력 확보가 되지 않아 방치되는 경우도 발생하는 것으로 확인했다.
정화량 미세먼지에 해당하는 비율을 분석하여 운행거리(km)당 미세먼지 포집량(g)을 계산할 수 있다. 전체 분진에서 체를 통해 직경 75µm 이하 먼지를 걸러낸 후 입도분석을 통해 PM10, PM2.5의 구성 비율을 분석할 수 있다. 서울연구원에서 발간한 “미세먼지 저감 위한 도로청소 개선방안”에서 이러한 방법을 통해 분석한 결과를 바탕으로 미세먼지와 초미세먼지의 포집량을 산출하였다. 8.5톤 분진흡입차를 이용하여 관악구 남부순환로 일대를 청소한 결과, 미세먼지(PM10)의 경우 51.4g/km, 초미세먼지(PM2.5)의 경우 14.5g/km 의 포집량을 보였다.
장단점 장점으로는 확실한 미세먼지 저감 효과를 보인다는 점을 들 수 있다. 하지만 주기적으로 필터의 세척과 교체가 필요하다는 단점이 있으며, 흡입구의 파손 우려로 인해 먼지가 많은 연석과 가까운 곳 쪽으로의 운행을 기피하게 되는 경우가 발생한다. 이 경우 포집 효과가 감소할 수 있다. 또한 타 방법 대비 높은 비용 역시 단점으로 작용한다.
- 마케팅 전략 제시
본 프로젝트에서 개발하고자 하는 차량부착형 미세먼지 포집 장치의 마케팅 전략을 다음과 같이 SWOT 분석을 통해 알아보았다.
SWOT 분석
◇ Strengths (강점)
- 청소 차량이나 분진흡입차 대비 월등히 저렴한 가격
- 높은 유지보수 편리성, 차량 모델에 구애받지 않는 범용성
- 전문청소차량보다 더 넓은 범위의 도로(골목 등)에서 활동 가능
◇ Weakness (약점)
- 대형 저감 기기(청소차량 등)에 비해 적은 포집량
- 필터 교체 등의 유지 비용 발생 가능성
- 비산먼지가 차량 아래에 머무를 경우 낮은 효과 예상
◇ Opportunities (기회)
- 버스나 택시 등에 장착할 수 있어 자세한 미세먼지 농도 지도 등을 작성 가능
- 대중교통 활용 시 청소차에 비해 월등히 많은 수를 보급 가능
◇ Threats (위협)
- 대기업의 진입 가능성
- 유사한 특허가 많아, 비슷한 종류의 타 제품군 출시 가능성 높음
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
- 전문청소차량에 비해 월등히 많은 수 보급할 수 있어 적은 효율에도 비슷한 미세먼지 저감 효과를 기대할 수 있다.
- 도로변 미세먼지 저감을 통해 국민 건강 증진에 기여할 수 있다. 미세먼지는 WHO 산하 국제암연구소에서 1급 발암물질로 지정하고 미세먼지가 암 발병과 연관성이 있다는 많은 연구가 보고되고 있는 만큼, 미세먼지 저감은 국민 건강에 직접적인 영향을 줄 수 있을 것이다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
- 차량에 부착하는 미세먼지 포집 장치는 비교적 저렴한 비용 덕분에, 예산이 적어 분진흡입차를 도입하기 힘든 지자체에서 유용하게 사용할 수 있을 것으로 보인다.
- 시민들이 자주 이용하는 대중교통에 및 일반 차량들에 미세먼지 저감 장치가 부착되면 많은 사람들에게 미세먼지에 대한 경각심을 심어줄 수 있을 것으로 보인다. 특히 LED등과 같은 도구를 활용하여 현재 미세먼지 농도를 실시간으로 표시함으로써 보다 많은 사람들이 미세먼지 저감의 필요성을 절감할 수 있을 것으로 기대한다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
조장: 노형철(2019890022)
조원: 최희훈(2017890075), 김민성(2019890010), 이승엽(2020890053)
설계
설계사양
설계 사양
1. 제품 요구사항
2. 목적계통도
3. QFD (Quality Function Deployment)
개념설계안
1. 모식도
제품 요구사항에 맞추어 차량부착형 미세먼지 포집 장치의 모식도를 설계하였다. 미세먼지 포집 장치는 기기 전면에서 불어오는 맞바람이 기기 내부를 통과하며 필터에 의해 포집되며, 필터는 기기 내부에 위치한다.
기기는 크게 필터가 장착되어있는 필터부와 기타 센서 및 전자장비가 위치한 센서부(하우징)으로 나뉜다. 센서부는 기기를 감싸는 하우징으로서의 역할을 겸하기 때문에, 센서부의 모습은 기기의 외관으로 볼 수 있다. 센서부와 필터부는 분리가 가능하도록 함으로써 필터의 교체를 용이하게 하고자 하였다.
필터부에는 기기 바닥판, 프리필터, 미디엄필터, 광촉매필터가 위치한다. 세 개의 각 필터는 포집 면적을 증가시키기 위해 연직 방향에서 약간 뒤로 누운 사선 방향이며, 필터는 교체가 가능하도록 탈부착이 가능한 홈에 고정된다. 각 필터 사이에는 공기 중에 부유하는 먼지를 제거하기 위한 흡착 장치(활성탄 등)를 설치할 수 있으며, 흡착 장치의 사용 여부는 상세 설계 시 계산을 통해 사용 효율에 따라 결정한다.
센서부에는 기기 하우징, 개폐가 가능한 전면 커버, 전면 커버 개폐를 위한 모터, 소형 풍력발전기, 배터리, 미세먼지 측정 센서 및 이를 통제하는 중앙제어장치(아두이노)가 존재한다.
2. 세부 항목
장치의 크기는 1) 다양한 차량에 부착 가능해야 한다는 점, 2) (공기역학적 설계 등을 통해) 연비에 미치는 영향을 최소화해야 한다는 점, 3) 경제성 등을 고려하여 폭 30cm, 길이 60cm, 높이 12cm로 설정하였다. 위 크기는 상세설계 시 변경될 수 있다. 프로토타입 제작 시 바닥판 및 하우징의 부품은 아크릴판와 포맥스를 혼용할 예정이며, 기타 모듈과 장치는 상세설계 시 조사한 내용을 바탕으로 장치에 가해지는 부하 및 효율을 고려하여 산정한다.
각 장치에 대한 설명은 다음과 같다.
필터부
- 기기 바닥판: 기기 바닥판의 하단면은 차량과 직접적으로 접촉하거나 고정장치와 연결되는 부분으로, 차량 진동에도 필터와 하우징을 고정할 수 있도록 튼튼한 재질이 요구되며, 자석 등을 이용해 차량에 부착할 수 있도록 한다. 자석을 이용한 부착이 불가능할 경우에는 차량의 루프랙을 활용하여 차량에 고정할 수 있는 장치를 추가로 설치한다. 바닥판의 상단면에는 필터가 고정될 홈이 위치하며, 필터의 탈•부착이 용이하도록 하여야 한다.
- 프리필터: 프리필터는 미세먼지를 포집하기에 앞서, 눈에 보이는 비교적 입자가 큰 먼지들을 걸러주는 역할을 한다. 프리필터는 물세척이 가능하여 재활용하여 쓸 수 있고, 미세먼지를 걸러주는 역할을 하는 후단에 위치한 필터 수명을 연장시키는 역할을 한다. 보통의 미세먼지 포집 장치의 경우, 헤파필터를 사용하나, 본 장치에서는 기존 헤파필터 대비 재사용이 가능한 광촉매 필터의 적용을 염두에 두고 있으므로, 필터의 수명을 늘리는 것을 포함하여 세척 주기를 늘리는 역할을 겸한다.
- 미디움필터: 미디움필터는 프리필터에서 걸러주지 못하고 공기 중에 부유하는 입자를 여과하는 필터이다. 미디움필터는 프리필터와 마찬가지로 후단에 위치할 광촉매필터의 수명과 교체주기를 늘리는 것을 목적으로 한다. 미디움필터의 효율은 MERV등급 기준 9-16을 사용하며, 자세한 스펙은 상세설계 시 계산을 통해 구한다.
- 광촉매필터: 본 미세먼지 포집장치의 설계에는 대중적으로 사용되는 헤파필터 대신 물세척을 통한 광촉매필터를 사용한다. 광촉매필터를 사용하여 헤파필터 대비 월등히 긴 수명을 가질 수 있으나, 빛을 제공해주어야 촉매가 제 역할을 할 수 있기에, 지속적으로 빛을 제공하기 위해 UV-LED를 사용하여 자외선을 공급받을 수 있도록 설계하였다.
센서부
- 기기 하우징: 기기의 모양은 전반적으로 공기역학을 고려하되 센서부의 각종 장치들을 모두 포함할 수 있어야 한다. 기기 하우징에는 하단에 적힌 목록을 모두 포함하여야 하며, 이 장치들이 유기적으로 연결되어 각 조건에서 정상적으로 동작할 수 있어야 한다. 아치형 지붕을 가진 센서부 상단에는 배터리와 중앙제어장치, 모터가 장착되며, 이곳에는 커버가 열릴 시 커버가 들어갈 공간 및 이를 위한 장치가 차지하는 공간을 포함한다. 이 공간은 공기가 지나가는 통로와 구분된다. 광촉매필터를 사용할 예정이므로 광촉매필터가 성능을 유지할 수 있도록 햇빛을 받기 위해 기기 상단은 투명한 재질을 사용한다. 미관을 고려하여 기기 측면은 불투명한 재질을 사용할 수 있다. 소형 풍력발전기와 미세먼지 측정 센서는 하우징 상단 공간과 분리되는 곳에 위치하며, 공기가 지나가는 통로에 위치한다.
- 전면 커버 & 모터: 전면 커버는 닫힘 시에는 하우징의 측면 모양과 일치하도록 뒤로 기울어진 형태를 유지하며, 열림 시에는 하우징 상단 공간으로 들어간다. 전면 커버는 차고의 레일처럼 여러 단계로 접혀 내부로 들어갈 수 있으며, 모터에 의해 전동으로 개폐가 가능하다. 개폐 여부는 차량의 속도, 대기질 등을 고려하여 중앙제어장치(아두이노)에서 자동으로 결정한다.
- 소형 풍력발전기: 소형 풍력발전기는 3~4개의 소형 프로펠러로 구성되며 차량 주행 시 맞바람에 의해 프로펠러가 회전하며 발전한다. 발전된 전력은 배터리에 저장되어, 각종 동력장치 및 센서의 구동에 사용할 수 있다. 프로펠러는 모래 및 기타 이물질에 의한 파손을 막기 위해 전면에 간단한 망을 부착할 수 있다. 프로펠러의 회전축은 공기의 진행 흐름과 수직이 되도록 설계하였다. - 배터리: 배터리는 하우징 상단 공간에 설치되며 소형 풍력발전기 및 (가능할 경우) 태양광발전기를 통해 생산된 전력을 저장한다.
- 미세먼지 측정 센서: 미세먼지 측정 센서는 상단 하우징 뒤쪽에 장착되어 미세먼지가 필터링된 후 배출되는 공기의 공기질을 측정한다. 센서로 측정한 미세먼지 값은 모터 구동 또는 LED 점등의 작동 기준이 된다. - 조도 센서 및 LED: 광촉매필터의 경우 빛(자외선)을 이용하는 만큼, 필터의 성능을 유지하기 위해서는 자외선을 지속적으로 조사해야 한다. 장치의 천장을 투명하게 설계하여 낮 시간대에는 태양빛을 이용하고, 날씨가 흐리거나 해가 진 경우에는 조도 센서를 이용하여 광량이 충분한 지 여부를 확인한 후, 필요 시 UV-LED를 이용하여 광촉매 필터에 조사할 수 있도록 한다.
- 중앙제어장치(아두이노): 중앙제어장치는 장치에 부착된 모터를 조작하고 LED등의 점등 등에 활용된다. 차량 속도에 따라 전면 커버를 개폐하고, 미세먼지 측정 센서를 통해 배출되는 공기질을 측정하여 LED등을 통해 외부에 현재 공기질을 표시할 수도 있다.
3. 아두이노 설계
본 미세먼지 포집장치에는 다양한 센서와 이를 바탕으로 동작하는 다양한 장치들이 존재한다. 이를 위해 아두이노를 활용하여 특정 조건에서 장치들이 동작하도록 구현할 예정이다. 아두이노에 연결될 모듈은 1) 빗물감지센서, 2) 모터, 3) 미세먼지 측정 센서, 4) 조도 센서 가 있으며, 이 외에도 5) 풍력발전 모듈, 6) 배터리 도 포함한다.
- 빗물감지센서(SZH-SSBH-022 또는 MH-RD)
빗물감지센서는 빗물 또는 빗방울을 감지하는 센서이다. 이는 토양의 수분 감지 센서나 수위 감지 센서와 같은 동작 원리를 갖는다. 센서 기판의 전극 부분에 접하는 물의 양이 클수록 저항 값이 작아지고, 흐르는 전류량이 커지게 된다. 빗물감지센서를 통해 비가 오는 경우 전면 커버를 닫도록 설계하였다.
- 모터는 전면 커버를 개폐하는 역할을 한다. 전면 커버는 자동차 차고의 레일과 비슷한 형식으로 개폐하도록 설계하였으며, 모터는 중앙처리장치(아두이노)에 의해 제어된다. 다음은 빗물감지센서를 통해 비가 오는 경우를 인식하여 모터를 동작하도록 하는 아두이노 코드의 일부이다.
- 미세먼지 측정 센서
미세먼지 측정 센서는 센서부의 후단에 위치하여 미세먼지 포집 후 배출되는 공기질을 실시간으로 측정할 수 있다. 미세먼지 측정 센서로는 GP2Y10 등을 사용할 수 있다. 해당 센서로 측정한 공기질을 외부 LED 등을 통해 보여줌으로써 미세먼지 포집 장치의 효과를 실시간으로 관찰할 수 있다.
- 조도 센서(GUVA S12SD)
조도 센서는 UV(자외선)를 감지하기 위해 설치하며, 빛(가시광선)의 밝기를 측정하는 조도 센서와 자외선을 측정하는 자외선 측정 센서를 사용한다. 밝기를 측정하는 조도 센서는 현재 날씨와 시간을 파악하는 데에 사용되며, 조도 센서에서 빛이 어둡다고 판단한 경우, 자외선 센서를 이용해 자외선량을 측정 후 광촉매필터에 도달하는 자외선량이 부족하다고 판단할 경우 UV-LED를 이용하여 광촉매필터가 제 성능을 낼 수 있도록 구현한다.
- 풍력발전 모듈: 기기 전면에 위치한 풍력발전모듈은 기기가 운행 시에 발생하는 맞바람을 이용하여 발전한다. 발전된 전기는 배터리에 공급되며, 배터리는 아두이노에 연결되어 아두이노에 공급할 수 있다.
- 배터리: 배터리는 센서부(하우징) 내부 상단에 위치하도록 설계하였다. 이를 통해 인접한 아두이노에 전력을 공급할 수 있으며, 기기 전면에 위치한 풍력발전기로부터 전력을 공급받아 충전할 수도 있다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
1.미세먼지 포집량 계산
- 필터 효율
유럽규격 EN779의 등급에 따른 미디움 필터 M6 등급의 경우 포집률 70%이고, 광촉매 필터의 경우 12개월 이상 사용했을 시에도 90%의 포집효율을 보이므로 2개의 필터를 사용했을 시 필터의 효율은
1-(1-0.7)*(1-0.9)=97%
- 미세먼지 포집 장치에 대한 유입 유량
Q=Av
A(필터의 면적) = 0.3m(가로)×0.1m(세로) = 0.03m^2
택시에 설치한다는 가정하에 한국교통연구원에 따르면 택시의 일일 평균 운행거리가 244km이고, 일일 평균 운행시간이 12시간이다.
v(속도) = 평균 운행거리 / 평균 운행시간 = 244km / 12hr = 20.3 km/hr = 5.64 m/s
따라서
Q= 0.03m^2 × 5.64 m/s = 0.1692m^3/s이다.
- 미세먼지 포집량 비교
관악구에서 분진흡입청소차량을 667km 운행한 결과 미세먼지 포집량의 경우 PM10은 51.4 g/km, PM2.5은 14.5 g/km로 추정되었다. 분진흡입청소차량 1대가 하루에 미세먼지를 65.9 g/km 정도 포집한다고 볼 수 있다.
분집흡입청소차량의 경우 작업속도가 5~10km/h으로 평상시는 30~40km/d 정도 이루어지고, 미세먼지 주의보가 발령되었을 때는 50~60km/d 정도 작업이 이루어진다. 가장 많은 시간의 작업이 이루어졌을 경우로 가정하였을 때, 분진흡입청소차량의 경우 1대의 경우 65.9g/km * 60km/d = 3954 (g/d *대)의 양만큼 미세먼지를 포집한다.
미세먼지 포집 장치의 하루 미세먼지 량 목표치(100대에 설치)는 분진흡입청소차량과 비교하여
3954g/d ÷ 244km/d ÷ 100대 = 0.1620 g/km * 대
미세먼지 포집 장치의 미세먼지 포집량이 0.1620 g/km 이상 포집되어야 현재 미세먼지 처리를 위해 사용되고 있는 분집흡입청소차량의 효율보다 더 높은 효율을 보일 수 있다.
정상상태일 경우 silt loading 0.03g/m^3으로 가정하고, 미세먼지 포집장치를 사용했을 때의 미세먼지 포집량을 계산해 보았을 때, 앞에서 구한 포집장치를 통과하는 유량과 필터의 효율을 통해 계산해 보았을 때 1개의 미세먼지 포집 장치의 미세먼지 포집량은
0.03g/m^3 * 0.1692 m^3/s * 0.97 = 0.0049 g/s이다.
이를 통해서 택시의 평균 운행거리와 운행시간을 통해 얻은 속도를 통해서 운행 거리당 포집하는 미세먼지의 양은 다음과 같다.
0.0049 g/s ÷ 20.3km/hr × 3600s/hr = 0.8690 g/km
따라서 미세먼지 포집장치를 100대의 택시에 설치하였을 때 가정으로 분진흡입차량 1대를 운영하는것보다 약 5.3배 많은 양의 미세먼지를 포집한다고 볼 수 있다. 20대에 미세먼지 포집장치를 설치했을 때 1개의 분집흡입청소차량과 비슷한 효과를 볼 수 있다.
2. 경제성 비교
분진흡입차량 1대 가격이 2억 5천만원 정도 초기 비용이 필요하고, 2023년 관악구 분진흡입청소 차량 기간제 근로자 채용 공고안에 따르면 06:00~15:00 (근로 8시간, 휴게 1시간)의 근로시간에 월 240만원으로 연간 약 3000만원의 인건비와 운영비도 2500만원 정도 소요된다. 초기 투자비용도 2억 5천만원 정도 투자되고, 분진흡입차량 1대 운영하는데 연간 약 5500만원의 예산이 소요된다.
이와 비교했을 시 차량부착형 미세먼지 포집 장치의 비용은 아래와 같다.
필터의 경우 광촉매 필터의 경우 현재 상용화 되고 있는 LG 천장형 에어컨에 사용되고 있는 23cm(가로) × 7cm(세로) 크기의 광촉매 필터의 가격이 22,300원이고 교체주기는 따로 없으며, 미디움 필터의 경우는 교체주기는 대략 3개월~6개월으로 연 3번 교체로 가정했을 시 1개 가격이 20,000원으로 연 60,000원의 비용이 발생한다. 포집 장치를 차량 위에 설치하기 위한 루프랙 설치 비용은 약 30만원이고 기타 재료 및 제작 비용으로 50만원으로 선정하였을 때 초기 투자비용이 1대 당 약 100만원이고, 운영 비용으로는 연간 10만원정도 발생한다. 100대 설치했을 때 초기 투자비용이 1억, 운영 비용은 연간 1,000만원으로 분진흡입차량에 비해 초기 투자비용 측면에선 1억 5000만원 정도 저렴하고, 연 운영 비용 측면에서는 연간 4,500만원 정도 저렴하다.
상세설계 내용
1. 조립도
1.1 조립도
1.2 조립 순서
1) 센서부 조립
센서부는 아두이노와 센서부의 조합이다. 아두이노와 연결되는 센서는 미세먼지 센서와 우수 감지 센서이며, LED조명과 모터가 같이 연결되어 센서의 측정값에 따라 동작한다.
미세먼지 센서는 LED에, 우수 감지 센서는 모터에 연결하여 동작하도록 조립하고, 아두이노가 제대로 동작할 수 있도록 코드를 작성한다. 제어부와 센서의 결합과 관련한 내용은 6. 제어부 및 회로설계에서 자세하게 다룬다.
2) 하우징과 센서부 조립
미세먼지 포집 장치는 크게 두 부분으로 나누면 센서부와 제어부, 세 부분으로 나누면 하우징, 센서부, 포집부로 구분할 수 있다. 하우징은 센서부에 부착되는 각종 센서와 제어장치를 감싸며, 외부 이물질이 들어가지 않도록 감싸는 역할을 하므로, 하우징과 센서부는 사실상 붙어있다고 볼 수 있으며, 둘은 분리되지 않도록 단단히 고정해야 한다.
하우징은 유선형의 모양으로 상단면이 둥근 모양이며, 아치형의 공간 안에 아두이노 및 센서가 들어간다. 1)에서 조립한 아두이노는 센서부 중앙에 놓되, 하우징과 결합 시 지붕과 부딪히지 않도록 위치를 조정할 수 있다. 아두이노와 연결된 미세먼지 측정 장치는 센서부 바닥면의 아래쪽(바깥쪽)에 붙어있도록 위치하며 센서부 뒤쪽 바닥면에 구멍을 뚫어 전선을 연결한다. 미세먼지 측정 센서는 우수 감지 센서는 하우징 앞쪽 윗면에 설치한다. 광촉매 필터를 사용하기 때문에, 하우징 가운데 윗면은 투명한 재질로 되어있으며, 우수 감지 센서를 설치할 때 투명한 지붕 영역을 가리는 일이 없도록 주의한다.
3) 필터부 제작
필터부에는 바닥판과 필터가 위치한다. 필터는 앞쪽부터 프리필터, 미디움필터, 그리고 광촉매필터가 위치하며, 각 필터는 바닥판에 고정될 수 있도록 필터 고정대를 설치한다. 필터는 뒤로 약 30° 기울어지도록 설치하되, 각도는 장치의 효율이나 기타 공간적인 여건에 따라 바뀔 수 있다. 각 필터의 이격거리는 최소 10cm를 유지하고, 광촉매필터 지지대의 후면은 바닥판 후면으로부터 10cm 이상 떨어지도록 위치시킨다.
4) 하우징+센서부와 필터부 결합
하우징과 센서가 결합할 때에는 필터의 상단이 센서부의 바닥판과 밀착되어 필터를 거치지 않고 뒤로 새어나가는 공기가 없도록 한다. 하우징+센서부와 필터부는 탈착이 가능해야 하나, 공기가 새어나가지 않도록 해야 한다.
2. 부품도
3. 제어부 및 회로설계
미세먼지 포집 성능 및 시스템 제어를 하기 위한 아두이노 회로는 다음과 같다.
미세먼지 측정 센서(GP2Y10)를 통해 미세먼지 농도를 측정하여, 측정한 데이터를 통해 기준을 나누어 LED를 통해서 오염도에 따라 파란색, 초록색, 노란색, 빨간색으로 현재의 대기질과 필터의 성능을 확인할 수 있도록 회로를 설계하였다.
빗물감지센서(MH-RD)의 경우에는 평상시에는 차단막이 올라가 미세먼지를 포집할 수 있는 상태로 있다가 빗물이 감지된 경우에 서브 모터가 작동하여 필터 전면부에 차단막이 내려올 수 있도록 설계하였다.
4. 소프트웨어 설계
아래와 같은 코드를 통해서 미세먼지 농도를 측정하여 LED로 표시하고, 빗물감지 센서를 통해 필터 앞부분의 개폐장치가 작동할 수 있게 한다.
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
향후계획
- 택시 및 대중교통에 주로 부착하는 제품 특성상, 사업 시행을 위해 정부 혹은 지자체와의 협력이 필요하다.
- 운전자들의 선호도가 낮을 것을 고려해 부착 차량에 대해 인센티브 지급 및 유류비 할인 등의 혜택을 통해 설치를 장려하는 정책 등이 필요하다.
- 유체역학을 고려하여 연비 하락을 최소화하고 디자인 완성도를 높일 필요가 있어 보인다.
- 사용 후 폐기되는 필터를 처리하는 인프라를 구축하여 환경 오염을 최소화한다.
- 실제로 구현된 전면 커버의 개폐 방식에서 당초 계획했던 슬라이드 방식으로 개선하고자 한다.
참고문헌
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