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2024년 12월 19일 (목) 05:59 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 자원순환 및 화재 예방을 위한 폐배터리 분류 시스템 설계

영문 : Design of a waste battery sorting system for resource circulation and fire prevention

과제 팀명

폐배터리나한테조

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 장*아(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 박*휘

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 황*태

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 김*민

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

최근 전기차 시장의 규모가 확대됨에 따라 전기차 수요와 더불어 폐배터리의 양도 기하급수적으로 증가하고 있다. 정부와 지자체에서는 전기 자동차 폐배터리 수거를 법적으로 규제하고 있기에 수거와 처리 과정이 순조롭게 이루어지고 있다. 하지만 일상생활에서 흔히 사용하는 전자담배, 휴대폰 보조배터리 등 소형 배터리들은 폐기 과정에 있어 정확한 법적 규제가 확립되어 있지 않다. 게다가 일반 시민들의 폐배터리 재활용에 대한 인식도 미비한 실정이다. 이에 따라 폐건전지함에 수거되어야 하는 대부분의 소형 배터리들이 일반 쓰레기로 버려지고 있다. 이러한 상황을 개선하고자 본 프로젝트에서는 해외에서 시행한 배터리 여권 제도 도입을 검토해 보고, 배터리 수거 과정에서 전자 코드 리더기와 분리 공정을 통해 폐배터리의 수거율을 높이고자 한다.
현재 일반쓰레기로 무분별하게 버려지고 있는 폐배터리들이 있으며, 이는 환경오염을 야기시킬 뿐 아니라, 수거 및 선별 과정에서의 화재 발생 가능성을 높이고 있다. 일반 시민들의 폐배터리 재활용에 대한 인식도 미비한 실정이기에 앞으로 올바른 재활용이 이루어질지가 확실하지 않은 상황이다. 또한 휴대용 선풍기, 보조배터리, 전자담배 등 소형 배터리들은 폐기과정에 있어 정확한 법적 규제가 확립되어있지 않다.
본 설계를 통해 일반쓰레기 내 폐배터리 수선별 과정에서의 인력난을 감소하고, 화재 감소를 위해 새로운 폐배터리 선별 공정을 시스템을 제안하고자 한다. 이를 위해 컨베이어 벨트 위에 전자코드 리더기를 설치하고, RFID가 부착된 배터리를 인식함과 더불어 폐배터리 수거함으로 이동시키는 설계 시스템을 도입하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

전기차 폐배터리는 재활용 의무화 관련 법안으로 대기환경 보존법, 수도권 대기환경개선에 관한 특별법이 존재한다. 다만, 소형 IT 기기용 배터리의 경우 재활용 의무 법안이 부재한 상황이다. 그로 인해 폐건전지와 휴대폰 보조배터리 등 소형 배터리들은 폐건전지함에 수거되어야 하나 일반 쓰레기로 취급되는 경우가 부지기수이다. 폐건전지의 경우 2021년에 29.5%가 재활용으로 버려졌다고 한다. 그 말은 열 개 중 일곱 개는 일반 쓰레기로 버려진다고 말할 수 있다. 일반 쓰레기로 버려진 폐건전지와 보조배터리는 파쇄, 보관하는 단계를 거치게 되는데, 이때 빗물이 스며들거나 마찰에 의해 화학 반응이 발생한다. 이것이 화재의 주된 원인이 되곤 한다. 소방 당국에서 추정한 바에 따르면 이러한 폐건전지 폐기로 1년에 100건이 넘는 화재가 발생한다고 하며, 그 피해 규모는 100억 원 이상이라고 한다.
해외에는 폐배터리에 관한 규정이 만들어지는 추세이다. 2023년 6월, 「EU 배터리 및 폐배터리 규정」이 유럽의회에 통과되었다. 이 중 주의 깊게 본 것은 배터리 여권(Digital Battery Passport)이다. 배터리 여권은 개별 배터리 성능, 성분 정보 등을 담은 전자식 기록이다. QR 코드로 접속하게 되며, QR 코드를 입력하면 해당 배터리의 경제 운영자 고유의 식별 코드와 연동된다. 배터리 여권은 공급 및 가치 사슬의 모든 이해 관계자가 배터리에 대한 정보와 이력을 공유하여 안전성을 극대화하고, 수명 주기 동안 배터리 사용을 최적화하며 수명이 다한 시점에서 책임 있는 재활용이 보장될 수 있도록 하는 기술 플랫폼이다. 특히 배터리 광물, 배터리 팩 및 핵심 구성품(모듈, 셀)은 IoT가 가능하므로 분산 원장 또는 블록체인을 통해, 자격을 갖춘 이해관계자 간 데이터 공유가 가능하다.
EU의 배터리 여권제도 도입 확실과 더불어 대한민국의 폐배터리 순환 경제 활성화도 멀지 않았다. 이에 앞서, 자원순환을 위하여 폐기된 배터리를 일반 쓰레기에서 분류하고, 알칼라인 건전지류의 크기별 분류를 하고자 한다. 또한 리튬 배터리의 경우, 생산 과정에서부터 폐기 과정에 이르기까지 구분해 낼 수 있는 매개체를 고려하고자 하였다.

◇ 폐배터리 배출 및 처리 현황

배터리의 탈부착이 가능한 기기의 경우 배터리를 분리하여 폐배터리함으로 배출하면 된다. 탈부착이 불가능한 보 조배터리, 무선 선풍기와 같은 소형의 배터리 일체형 전자기기는 분리 과정 없이 폐배터리함에 배출해야 한다. 배터 리에 이상이 있는 경우에는 랩으로 감아 산소나 수분 침투가 이루어지지 않도록 해야 한다. 전선이 부착되어 있는 경우에는 임의로 제거하려 하지 말고 단자에 절연테이프를 감싸 배출해야 한다. 각 지자체에서 전지별로 1차 선별 을 거친 후에 재활용업체로 입고된다. 재활용업체로 입고된 폐건전지는 재활용업체에서 전지 종류별로 최종 선별한 다. 건전지의 종류별로 재활용 공정 및 업체가 다르므로 처리 가능한 전지 외의 것들 것 처리가 가능한 재활용업체 로 운반된다. 폐배터리는 건식, 습식, 소각, 용융 등 재활용 처리가 진행된다. 폐배터리함에 사용한 배터리를 폐기하 는 것 이외의 잘못된 방법을 통해 배출되는 경우가 존재한다. 폐배터리를 일반쓰레기로 배출하거나 일체형 전자기 기의 경우 겉모습을 보고 혼동하여 재활용품 플라스틱류로 배출하는 것이다.

◇ 전자태그 리더기를 설치하는 방법 고안

▷ 폐기물 수거 트럭(암롤트럭, 5톤 압축·압착진개차)에 설치 암롤트럭은 폐기물을 적재할 수 있는 ‘암롤박스(Arm-roll Box)’를 트럭에 싣고 다니거나, 분리할 수 있는 구조로 제 작됐다. 주로 암롤박스를 다량의 쓰레기 배출되는 장소에 내려놓았다가 충분히 적재되면 실어 나르는 방식으로 운 행된다. 압축진개차는 내용물을 눌러 부피를 줄이는 형태이며 압착형진개차는 압력을 가하여 밀도를 높이는 형태이 다. 후부 쪽을 보면 압착진개차에는 회전판이, 압축진개차에는 유압실린더가 달려 있다. 압축진개차는 유압실린더를 사용한다. 유압실린더의 힘으로 내용물을 강하게 눌러 폐기물의 부피를 줄여주며 운행된다. 압착진개차는 파커에 회 전판이 달려 있다. 모터, 체인을 이용하여 회전하면서 내용물을 압착시켜 안쪽으로 밀어 넣어 주며 운행된다. 리더 기로 읽은 폐배터리 포함 폐기물을 보관해야 한다. 그러기 위해서는 트럭에 공간을 따로 분리하여 제작하거나 트럭 에 개폐장치를 다는 등 트럭 및 박스 개조 공정이 필요하다. 이는 효율성과 경제성에서 큰 우위를 점하지 못할 것 으로 파악된다.

▷ 전처리 공정에 설치

서울특별시의 자원회수시설은 4곳으로 강남, 노원, 마포, 양천에 각각 자리잡고 있다. 각 자원회수시설의 처리 공정은 비슷한 형태를 가진다. 공정 순서대로 반입공급설비. 소각설비, 연소가스냉각설비, 연소가스처리설비, 재반출설비의 형태로 구성되어 있다. 특별한 점은 마포 자원회수시설에만 소각 전 자력 선별을 통한 연료화 설비가 있는 것을 확인할 수 있다.

반입공급설비에는 수거차량에 의해 운반된 생활폐기물은 계근대(무게 측정)를 통과하여 반입량을 확인하고, 반입장으로 들어가게 된다. 반입장에서는 감시원이 상주하며, 반입된 폐기물에 대한 성상검사를 실시한다. 태워도 되는 생활폐기물만 지정된 투입문을 통하여 쓰레기 피트에 넣게 되며, 태워서는 안 되는 폐기물은 반출시키도록 하고 있다. 쓰레기 피트에는 최소 3일 동안 소각할 수 있는 쓰레기를 저장할 수 있다. 폐기물이 잘 탈 수 있도록 쓰레기 크레인으로 교반작업을 하고 크레인으로 소각로 상부에 투입하여 소각하게 된다. 폐기물 수거 트럭에서 전자태그를 읽는 것에 비하여 노동력, 효율성에서 장점을 가지고 있다고 판단하게 되었다. 따라서 자원회수시설에 설치하도록 결정하였다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 목표

폐배터리 파쇄, 매립, 소각 과정을 거치기 이전 선별 공정을 통해 더 높은 선별 효율을 끌어낼 수 있으며, 처리 과정에서 발생하는 화재 위험성 또한 낮출 수 있다. 폐배터리 및 기타 폐기물이 혼합되어 있는 공간에 전자 코드를 활용해 폐배터리의 인식률을 계산할 수 있다. 이를 바탕으로 폐배터리 수거 과정에서의 선별 정확도를 높일 수 있다. 수거 과정을 거친 후 파쇄, 매립, 소각 공정에 돌입하기 전, 자성 및 크기 선별을 통해 폐배터리를 선별해 낼 수 있다. 또한 폐배터리의 무분별한 매각 및 토양 침투 과정에서 일어날 수 있는 지하수 오염과 더불어 중금속 물질의 배출을 예방해 환경오염 문제에 대응할 수 있다. 따라서 본 프로젝트는 배터리 처리 효율을 높여 소각 또는 매립 시 배출되는 오염 물질을 저감하고, 재사용 및 재활용을 통한 자원순환사회를 형성하는 것을 목표로 한다.

◇ 내용

▷ 배터리 종류

전지는 1차 전지, 2차 전지로 나눌 수 있다. 일차 전지는 재사용이 불가능한 점과 반대로 이차 전지는 충전 및 방전을 통해 반영구적으로 사용할 수 있는 전지이다. 이차전지의 최초의 개발은 19세기 말 납축전지의 형태이다. 여기서 나아가 니켈계 전지, 리튬이온전지로 발전되어왔다. 과거에는 자동차 비상 전원의 공급인 보조 역할이었지만, 현재는 휴대폰, 전기차의 빠질 수 없는 부품이 되어 핵심 역할을 하고 있다.

배터리에는 가정에서 가장 많이 사용하는 망간/알칼리, 니켈-카드뮴, 니켈수소, 리튬 1차, 산화은, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철, 납축전지, 공기 아연 전지, 수은전지 등 다양한 품명이 존재한다. 건전지의 크기가 동일하여도 전지 종류 다르므로 별도의 분류를 요구한다.

▷ 배터리 특성

요즘 주목받는 전기차나 전기설비, 전자기기에 사용되는 배터리는 리튬이온 방식을 채택한 것이 대부분이다. 리튬은 에너지 밀도가 150~220 Wh/kg로 높으며 수명이 길어 전자기기의 성능에 도움을 준다. 리튬이온 배터리의 구성요소는 4가지이다. 양극과 음극, 그리고 분리막, 전해액이다. 분리막은 양극과 음극의 접촉을 차단하는 역할을 하며, 전해액은 이온이 원활히 이동할 수 있는 매개체이다. 리튬 이온을 음극으로 이동시키는 방식으로 충전되며, 방전되면서 다시 양극으로 복귀하게끔 설계하여, 충전과 방전 상태가 오가게 된다. 이 중 리튬 이온이 음극으로 이동하는 충전 과정, 특히 완전히 충전되었을 때 화학적으로 불안정하게 된다. 이 상태에서 화재로 연결되는 경우가 가장 많다고 한다. 또 다른 화재의 원인으로는 열 폭주 현상이 있다. 열 폭주란 배터리 내부 상승으로 인해 폭발하는 현상이다. 열 폭주의 원인으로는 외부 가열 및 충격, 과충전 또는 방전 등이 있다고 한다. 열 폭주 현상이 위험한 이유는 크게 두 가지가 있다. 첫째로는 화재 진압을 어렵게 한다. 화재 후 배터리 셀에 열이 가해지면 온도가 급격히 기하적으로 상승하며, 안정성을 잃게 된다. 그 결과 열에너지, 화학 에너지가 방출되며 진압을 어렵게 하는 요인이 되고 있다. 둘째로 불산 가스를 방출하기 때문이다. 불화수소가 금속과 접촉하면 수소가 발생해 화재의 규모가 더 커지게 된다. 그 결과 인적, 환경적 피해가 발생한다.

▷ 배터리 소각·매립 시 발생하는 문제점

폐배터리는 토양에 침투하여 지하수를 오염시킬 수 있는 중금속과 기타 화학물질이 포함되어 있다. 폐배터리가 매립지에서 분해되거나 소각되면 중금속과 오염 물질을 포함한 독성 가스를 방출한다. 이러한 배출물은 토양, 수질, 대기 오염을 유발하는 원인이 될 가능성이 있다.

▷ 개발 과제의 기대효과

폐배터리의 수거 회수율을 증가시킬 수 있다. 새롭게 생산되어 전자태그를 부착한 보조 배터리의 경우 100%에 가까운 회수율을 기대할 수 있다. 이렇게 회수된 폐배터리들을 재활용하거나 재사용함으로써 자원순환사회를 형성할 수 있다. 나아가 현재 수입에 의존하고 있는 희소금속인 리튬을 보다 오래 사용할 수 있다는 장점이 있다. 폐건전지의 경우, 파쇄하거나 매립, 소각하기 전에 선별 공정을 통해 이전보다 더 높은 선별 효율을 끌어낼 수 있다. 이 경우에도 폐건전지의 재활용을 통한 가치 상승을 기대할 수 있다. 종합적으로 이 모든 공정을 통해 폐배터리의 폐기 과정에서 발생하는 화재를 예방할 수 있어 폐기물 처리 공정의 안전성을 확보할 수 있다. 또한 폐배터리의 소각, 매립으로 발생하는 환경오염을 방지하는 효과 역시 기대할 수 있다.

5) 프로토타입 제작

▷ 개별 발표 분담

김*민: 과제제안서 발표, 국내 기술 분석, 프로젝트 최종 발표

박*휘: 개념설계 보고서 발표, 수거 시 폐배터리 분류 시스템 설계

장*아: 상세설계 보고서 발표, 수거 후 폐배터리 분류 시스템 설계

황*태: 국외 기술 분석, 경쟁력분석 보고서 발표, 프로젝트 최종 발표

설계

설계사양

제품의 요구사항

평가 내용

목적계통도

QFD (Quality Function Deployment)

개념설계안

모식도

본 설계의 모식도는 서울시 성북구 재활용 선별장을 기준으로 설계하였다.

일반 쓰레기를 파봉 후 컨베이어 벨트로 흘려보낸다. 컨베이어 벨트 위에 UHF RFID 리더기를 설치해 전자태그를부착한 폐배터리가 지나갈 때 인식한다. 폐배터리의 존재를 인식하면 측면에 위치한 와이퍼가 작동하게 된다. 해당 폐배터리 근방에 있는 쓰레기들을 와이퍼로 밀어 반대 측면 아래쪽에 위치한 상자로 떨어뜨린다. 해당 상자에는 추락 방지 매트를 깔아 충격을 흡수한다. 이렇게 따로 상자에 분류된 쓰레기는 1시간에 한 번씩 수선별을 통해 폐배터리를 완전히 분류해낼 수 있다. 위와 같은 선별 시스템을 통해 전체 일반쓰레기를 수선별 하는 것보다 훨씬 시간과 비용, 인력을 절약할 수 있다는 장점이 있다.

컨베이어 벨트의 수치는 서울시 공공 재활용 선별장 설치 및 운영 개선 방안(2005)의 YC 선별장과 KB 선별장의 평균값을 이용하였다.

일반폐기물 내 폐배터리 분류 시스템 설계를 위해 폐기물이 공급되는 입구에 RFID 리더기를 설치한다. 인식부의 리더 모듈이 폐배터리 내 전자태그를 감지하면 부저 모듈과 서보 모터가 작동된다. 컨베이어 벨트 중앙 부분에 위치한 와이퍼는 인식부의 리더 모듈이 인식한 시점에 곧바로 와이퍼에 달린 서보 모터에 의해 90°로 열리고 5초 후에 폐기물과 폐배터리를 쓸어 담으며 0°로 되돌아온다. 본 설계에 사용되는 와이퍼 소재는 경도가 약하여 쉽게 부러지는 등의 손상이 있지 않을 것, 강한 탄성으로 인해 폐기물이 튕겨 나가지 않을 것, 고비용의 소재가 아닐 것. 이런 점을 통해 소재는 폴리우레탄 고무 막대로 선정하였다. 폴리우레탄 고무의 경우 비중은 1.1, 인장강도는 70~300 kg/㎠, 신장율 700%, 경도 50~100의 특징을 가지고 있다. 폴리우레탄 고무는 내마모성과 찢김 저항성이 뛰어나고, 장기간 사용 시에도 내구성이 뛰어나며 적당한 마찰력으로 본 설계 목적인 폐기물 밀어내기에 사용 가능하다. 대한기계학회 2007년도 춘계 학술 대회 A, 2007 May 30, 우레탄 고무에 대한 물성평가 및 성형해석에서의 연구된 바에 의하면 폴리우레탄 고무의 손실계수는 수입 소재 기준 0.1 ~ 0.2로 마모도를 크게 고려하지 않아도 내구성이 뛰어나다고 판단한다. 폴리우레탄 내부에 금속 막대를 넣어 조립에 용이하고, 와이퍼의 단단함을 보강한다. 와이퍼가 쓸어 담은 폐기물과 폐배터리는 하단부에 위치한 보관함에 떨어지게 된다. 보관함 내 설치한 충진재로 인해 폐배터리의 손상을 막을 수 있도록 설계 시스템을 구축한다.

개념설계

◇ 전자태그

902~928MHz의 주파수를 지닌 UHF RFID 전자태그를 폐배터리에 부착한다. 고려할 점은 크게 3가지이다. 첫째는 금속에 부착 가능해야 한다는 점이다. 따라서 금속부착 UHF 태그를 찾아 적용하였다. 둘째는 가격이다. 폐배터리의 금액 대비 RFID 태그 금액의 비율이 과다하게 높으면 경제성이 떨어지기에 금액이 상대적으로 저렴한 라벨 태그를 택했다. 세 번째는 곡면에 부착 가능성이다. 폐배터리 중 폐건전지는 원통 모양이기 때문에 곡면에 부착 가능한 전자태그를 선택하였다.

◇ 아두이노 부품

▷ UHF RFID 모듈

RFID 태그를 읽고 데이터를 송수신할 수 있다. 초고주파에서 작동하며 판독 범위는 최대 20m로 설계하고자 하는 바에 부합한다. 폐배터리에 부착되어 있는 전자 태그를 읽기 위한 부품이다. ▷ 아두이노 우노 보드 마이크로 컨트롤러 보드이다. 마이크로 컨트롤러 보드란 마이크로프로세서와 입출력 모듈을 하나의 칩으로 만들어 정해진 기능을 수행하는 컴퓨터를 말한다. 다양한 센서와 모듈을 제어할 수 있다. 디지털 입출력 핀과 아날로그 입력 핀이 있으며, 다양한 프로그래밍 언어와 라이브러리를 통해 하드웨어와 소프트웨어를 통합해 작동하도록 설계할 수 있다.

▷ 브레드보드

회로를 납땜하지 않고도 구성할 수 있도록 돕는다. 부품을 연결하고 회로를 구성하여 실험할 수 있게 한다.

▷ 서보 모터 제어회로와 알고리즘을 포함한 피드백 회로를 구축하고 있는 모터를 사용하여 위치, 속도, 가감속도를 제어한다. 회전이 정해져 있기 때문에 정확한 움직임이 필요한 경우에 사용한다. 폐배터리가 포함된 폐기물 그룹을 그외와 분리하는 데에 사용하기 위한 부품이다.

▷ 부저 모듈

소리를 발생시키는 장치이다. 리더기가 전자태그를 인식했을 때 수선별 담당자에게 알리기 위한 부품이다.

◇ 충격 완화 제품

우레탄 수지 함량이 많으면 고경도 스펀지로 분류한다. 일반 스펀지보다 경도가 높아서 내구성이 우수하다. 밀도는 30kg/m^3이며, 탄성 회복 속도보다 충격 흡수 능력이 필요한 경우 사용된다. 이러한 특성으로 주로 충격 완충재, 방음 스펀지, 포장용 케이스, 건물 내부 마감재 등으로 사용된다.

◇ 배터리 색채분류

본 설계를 진행하면서 충전하여 재사용할 수 있는 2차 전지와 화재를 일으키는 리튬 배터리를 색채 분류 대상으로 판단하였다. 니켈카드뮴전지는 이동형 소형 가전제품, 무선 공구 등에 사용되고, 충전식 배터리이며 사용 전압은 1.2V이다. 니켈수소전지는 충전식 전지이고, 이동형 소형 가전, 전동 공구에 사용되며 사용 전압은 1.2V이다. 리튬 1차 전지는 비충전식 배터리이며 사용 전압은 3.0, 3.6V이다. 리튬이온전지는 핸드폰, 보조배터리, 노트북 등 충전식 전지 중 흔하게 사용되는 전지이다. 니켈카드뮴전지를 연두색으로, 니켈수소전지는 주황색으로, 리튬 1차 전지를 보라색으로, 리튬이온전지는 하늘색, 망간/알칼리 전지를 회색으로 패키징 하고자 한다.

법률 설계

◇ 조세특례제한법 제 2장(직접국세) 제 8절(공익사업지원을 위한 조세특례) 제 86조

제 86조(무분별한 폐배터리 폐기 방지를 위한 공정에 대한 세금 감면)

제 86조의 2(배터리 색상 지정 시행에 따른 과세특례)

정부의 배터리 원재료에 따른 지정 색상 도입에 참여한 기업에 대해 해당 배터리 생산 및 판매로 발생하는 법인세를 대상으로 세액을 감면한다. 감면 법인세율은 환경부장관령으로 정한다.

◇ 제 86조의 3(전자태그 부착 시행에 따른 과세특례)

배터리에 전자태그를 부착해 제작하는 기업에 대해 해당 전자태그 부착 배터리 생산 및 판매로 발생하는 법인세를 대상으로 세액을 감면한다. 감면 법인세율은 환경부장관령으로 정한다.

◇ 폐배터리 오폐기 및 오폐기로 인한 화재 예방을 위한 법률

제 1조(목적) 이 법은 폐배터리의 오폐기 및 오폐기로 인한 화재 예방을 위한 정책을 수립하여 추진하도록 함으로써 배터리 산업의 지속적인 발전과 재활용 선별장 화재 예방을 도모하며 환경에 이바지함을 목적으로 한다.

제 2조(정의) 이 법에서 사용하는 용어의 뜻은 다음과 같다.

1. “배터리”란 다음 각 목의 어느 하나에 해당하는 배터리 또는 건전지로서 대통령령으로 정하는 것을 말한다.

가. 니켈카드뮴, 니켈수소 등의 원재료로 구성된 알칼라인 배터리 및 소형 원형 배터리

나. 보조배터리, 전자담배 등에 사용되는 리튬이온배터리

2. “RFID”란 배터리의 분류를 위해 부착하는 전자태그를 말한다.

제 3조(배터리 색상 지정 시행에 따른 기업에 대한 지원)

국가는 정부의 배터리 원재료에 따른 지정 색상 도입에 참여한 기업에 대해 다음 각 호의 지원을 할 수 있다.

1. 색상 지정으로 인한 디자인 변경에 따른 인건비, 공정 수정 비용 전액 또는 일부의 보조

2. 배터리 색상 지정 도입 시행 기업에 대해 최초 1회에 한해 보조금 지급, 위 금액은 배터리 생산량에 비례하며 환경부장관령으로 정한다.

제 4조(전자태그 부착 시행에 따른 기업에 대한 지원) 국가는 배터리에 전자태그를 부착해 제작하는 기업에 대해 다음 각 호의 지원을 할 수 있다.

1. 태그를 직접 구매하는 기업의 경우 태그 구매비 전액 또는 일부의 보조

2. RFID 프린터를 구매해 직접 제작하는 기업의 경우 RFID 프린터 구매 비용과 태그 제작 및 유지 관리 비용의 전액 또는 일부의 보조

이론적 계산 및 시뮬레이션

동력 계산

본 설계의 모식도는 서울시 성북구 재활용 선별장을 기준으로 설계하였다. 와이퍼 길이 0.85 m, 한 번에 밀어내야 하는 물체의 무게: 3.7498 kg, 연간 작동 횟수 929,959회 임을 다음과 같은 계산을 통해 구할 수 있다.

한 번에 밀어내야 하는 물체의 무게

성동구 자원재활용센터에 문의하여 얻은 답변을 바탕으로 설계 계산을 진행했다. 재활용 선별장에 반입되는 폐기 물은 하루 60 ton이며 1 일 8 시간 작업한다. 그중에서 고비중 폐기물의 비율은 평균적으로 40% 정도이므로 하루 에 24 ton의 고비중 폐기물이 반입된다고 가정했다. 처리되는 고비중 폐기물은 24 ton/8 h 즉, 0.8333 kg/s이다.

한편 컨베이어 벨트는 0.3 m/s로 움직이고 폭이 0.85 m이므로 0.255 m²만큼의 면적에 1 초 분량의 폐기물이 위치한다. 면적당 폐기물 무게를 계산한 결과, 0.8333kg/s ÷0.255m^2/s=3.2678kg/m^2이다. 와이퍼가 한 번 작동할 때 와이퍼에 의해 걸러지는 부분의 면적을 계산했다. 컨베이어 벨트 속도를 고려해 배터리가 와이퍼보다 뒤쪽으로 넘어가 걸러지지 않는 경우를 방지하고자 와이퍼의 속도를 0.25pi rad/s = 0.7854 rad/s로 설정하였다. 따라서 컨베이어 벨트에 완전히 펼쳐지는 데에 2초가 걸린다. 이때, 폐배터리 인식 후 와이퍼 작동 시간에 발생하는 시차를 고려하여 인식 모듈과 와이퍼 시작 부분의 여유 거리를 0.5 m로 설계하였다, 와이퍼가 펼쳐진 곳으로부터 1.35 m(와이퍼 길이+와이퍼와 인식 모듈 사이의 거리) 떨어져 있는 폐배터리가 와이퍼에 닿을 때까지 걸리는 시간 4.5초가 필요하므로 와이퍼가 펼쳐진 후 2.5초 동안 대기한 후 닫는다. 해당 과정을 고려해 와이퍼에 의해 걸러지는 부분을 표시하였다. 이는 와이퍼가 열리고 닫힐 때 각 지점마다 와이퍼가 도달하는 시간을 계산 후 컨베이의 벨트의 속력을 계산해 와이퍼에 의해 걸러지는 부분을 찾아내었다. 노란 부분의 넓이를 구하는 것은 다음과 같다.

결과적으로 해당 면적은 1.1475 m²으로 계산되었다. 따라서, 와이퍼가 한 번에 밀어내야 하는 물체의 무게는 1.1475m^2 * 3.2678kg/m^2 = 3.7498kg이다.

연간 작동 횟수

폐배터리가 컨베이어 벨트에 균일하게 분포한다고 가정하였다. 해당 설계에 성동구 재활용선별장의 수치를 반영하였기에 성동구에서 1 년에 버려지는 폐배터리의 수를 가정하였다. 2024년 10월 기준 성동구의 인구를 토대로 계산에 사용할 인구는 274,966 명, 1 년 1 인의 버리는 배터리 개수는 약 1.2 개로 가정하였다.

① 보조배터리: 0.5 ~ 0.7 개 (1.5 ~ 2년 사용)

② 전자담배: 0.0125 ~ 0.08 개 (인구 대비 전자담배 사용자 4~8%, 1~2년 사용)

③ 손 선풍기: 0.5 개 (2년 사용)

④ 기타 소형 전자기기: 0.1 개

보조배터리와 손 선풍기는 편의상 모든 인원이 사용한다고 가정*

즉, 1년에 329,959개의 폐배터리가 버려진다. 폐배터리가 균일하게 분포한다고 가정하였으므로 1개당 1회의 와이퍼가 작동한다고 가정하였다. 이런 계산을 따라 결과적으로 와이퍼는 1 년에 329,959 회 작동하게 된다.

상세설계 내용

조립도

조립순서

1) 수선별 컨베이어 벨트 조립

우리 설계의 선별 타겟은 폐배터리이므로 사전선별, 비중선별을 거쳐 고비중으로 분류된 폐기물이 이동하는 곳에 설치할 준비를 한다. 이후에는 수선별 인원들이 자리한다. 공간을 확보하였다면 폐배터리 분류 시스템을 설치할 컨베이어 벨트를 조립한다.

2) RFID 인식부 설치

컨베이어 벨트의 너비를 고려하여 인식부를 조립한 후 컨베이어 벨트와 마주 보는 지점에 RFID 리더 모듈과 부저모듈을 설치한다. 컨베이어 벨트 위에서 폐기물이 지나가면 그 위에서 RFID 리더기로 전자태그를 읽는 방식이다. 완전히 밀착하여 읽는 것이 아니기 때문에 RFID 리더 모듈은 리더기와 컨베이어 벨트 사이 간격 이상에서도 작동하는 모델을 선정하여야 한다. RFID 리더 모듈은 노트북과 연결되어 있으며, 노트북과 부저 모듈은 아두이노와 연결되어 있다. 그 후 컨베이어 벨트를 가운데에 두고 인식부를 설치한다.

3) 와이퍼 설치

제작한 와이퍼를 서보 모터와 연결하여 컨베이어 벨트의 가장자리에 설치한다. 평상시의 와이퍼는 컨베이어 벨트의 작동 방향과 수평적이어야 한다. 작동했을 때 와이퍼는 컨베이어 벨트 위에 위치해야 하며 컨베이어 벨트 반대 지점까지 움직이는 데에 이상이 없는지 확인한다. 서보 모터는 아두이노와 연결되어 있다.

4) 보관함 설치

컨베이어 벨트의 너비에 맞는 상자를 제작하고 배터리 손상 방지를 위한 충진재를 박스에 장착한다. 시연물 제작에서는 에어캡으로 대신 사용한다.

부품도

회로도

본 설계를 구성하는 회로도이다. 전자태그가 부착된 폐배터리가 컨베이어 벨트 위를 지나가게 되면 인식부의 리더모듈이 이를 인식하게 되고, 부저 모듈과 서보 모터가 작동된다. 부저 모듈을 통해 RFID 리더 모듈이 폐배터리에 부착된 전자태그를 인식했음을 알리게 되고, 아두이노 코드를 활용하여 다음 단계로 넘어가게 된다. RIFD 리더 모듈이 폐배터리에 부착된 전자태그를 인식하는 시점에 와이퍼에 달린 서보 모터가 90°로 열리고 5초 후에 폐기물과 폐배터리를 쓸어 담으며 0°로 되돌아온다. 이후 하단부에 놓여있는 보관함에서 폐배터리를 수선별 할 수 있도록 설계를 진행하였다.

소프트웨어 설계

C#을 이용하여 개발한 StartStop 프로그램과 아두이노 코드를 통해 설계를 진행했다. StartStop 프로그램은 컨베이어 벨트 위를 지나는 폐배터리를 UHF RFID 리더기로 존재를 확인한다. 이는 폐배터리에 부착되어 출고되는 전자태그를 읽음으로써 가능하다. StartStop 프로그램 내에는 리더기에서 읽은 전자태그의 시리얼 넘버를 정말 유효한 정보인지 검사하는 기능이 있다. 유효성 검사를 마쳐 신뢰할 수 있는 전자태그를 읽을 경우 아두이노로 ‘ACTIVATE’라고 표시하여 신호를 전달한다. 이 신호를 받은 아두이노는 부저 센서와 서보 모터를 작동시킨다. 서보 모터를 작동하여 와이퍼를 원하는 위치, 원하는 시간에 맞춰 움직이게끔 조절한다. 와이퍼가 작동하여 준비된 적재함에 폐배터리와 그 부근의 폐기물을 밀어 담게 된다. 동시에 부저 센서를 작동하여 선별인원들이 적재함에서 폐배터리를 수거할 수 있게 신호한다. C#과 아두이노의 연결은 한 컴퓨터의 다른 포트로 연결했기에 가능하다.

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목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경 및 효과

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

시장상황에 대한 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

평가 내용

목적계통도

QFD (Quality Function Deployment)

개념설계안

모식도

개념설계

법률 설계

이론적 계산 및 시뮬레이션

동력 계산

한 번에 밀어내야 하는 물체의 무게

연간 작동 횟수

상세설계 내용

조립도

조립순서

부품도

회로도

소프트웨어 설계

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

특허 출원 내용

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