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2024년 12월 21일 (토) 04:24 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 근적외선 센서를 이용한 스티로폼 선별 장치 설계

영문 : Development of Polystrene Sorting Device Using Near-Infrared Sensors

과제 팀명

숨쉬는 예술

지도교수

구자용 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 박**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 오**

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 정**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

- 환경부의 발표에 따르면 스티로폼의 재활용률이 100%로 조사되었으나, 실제 재활용센터나 관련 업무 종사자들의 인터뷰 및 뉴스 기사를 참고하면, 오염물질로 의해 재활용되지 못하는 스티로폼이 분명히 존재.

- 오염된 스티로폼의 경우, 재활용 공정에 섞여 들어가 생성되는 잉곳의 품질을 저하시킬 뿐만 아니라, 때로는 공정의 고장과 중단을 유발.

- 실제 매립지에서 조사되고 있는 스티로폼 처리량을 기준으로, 전체 스티로폼 재활용 공정으로의 도입이 가능한 수준의 시스템 설계를 목적으로 개발 과제를 추진.

개발 과제의 배경

내용

개발 과제의 목표 및 내용

내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

(1) 플라스틱선별기

- 광학선별기 SORTEX® B (제조사 : Buhler)

1) 원리 : 중력에 의해 쏟아지는 플레이크에 대한 광학적 센서를 통해 이물질와 불량품을 공기분사로 선별하고, 색상선별을 통해 재품의 품질을 파악.

2) 연계성 : 스티로폼은 밀도가 매우 작아 중력식으로 설계 시 선별이 어려울 것으로 판단.

- 색상선별기 (제조사 : 이오니아이엔티)

1) 원리 : 적외선, 자외선 또는 RGB 센서를 이용하여 물체 표면의 색상 정보를 감지

2) 연계성 : 수분이 포함되거나 무색 코팅이 된 스티로폼을 판단하기에는 부적합

- 자동 플라스틱 재질 및 색상선별기 (제조사 : 수엔비텍(주))

1) 원리 : 근적외선 분광법을 이용한 선별기술로서 물질 고유의 적외선 흡수 스펙트럼을 분석하여 실시간으로 공급된 물질의 재질을 판별하고 에어 토출 장치를 통해 선별하는 기술

2) 특장점 : 재질(NIR)과 색상(RGB)를 한 장비로 원하는 선별 가능, 진동 방지를 위해 컨베이어와 선별기를 이원화하여 설치

3) 단점 : ⓐ 플라스틱은 색상이 많아 근적외선 투과도 감지가 정밀하지 못할 수 있음. 특히, 검정·불투명한 플라스틱은 선별이 어려움.

ⓑ 에어토출 방식은 물질을 공기로 밀어내므로, 성상이 다양할 경우 분리 정밀도가 떨어짐.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

[특허조사]

(1) 폐스티로폼 감융 재생방법 및 그 재생장치(공개특허 10-2002-0009769)

(2) 폐 스티로폼을 폴리스티렌 잉곳 펠릿 또는 발포성 잉곳 펠릿으로 재생하는 폐 스티로폼 재생방법 및 장치 그리고 그 잉곳 펠릿(공개번호 10-2014-0033936)

(3) 폐스티로폼 감용장치(공개번호 10-2019-0008704)

[특허 전략 분석]

(1) 특허조사를 통한 현행 스티로폼 처리방식은 모두 수분이 함유되어있거나, 오염된 스티로폼을 수작업으로 선별하고 이를 가열 또는 압축하거나(1번 특허), 세척하여(2번 특허) 잉곳 펠릿을 만듦.

(2) 이러한 작업은 매립·소각되는 폐스티로폼을 줄이는 역할을 하지만 근본적인 문제를 해결하지 못함.

(3) 수선별을 통해 들어가는 비용과 불확실성을 줄이고, 더 컴팩트한 스티로폼 감융장치를 설계하기 위해서 폐스티로폼 선별장치를 제안.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

- 자동 플라스틱 선별 기술 확대 적용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

[경제적 기대효과]

[사회적 기대효과]

• 선별 시스템의 변화로 도모할 수 있는 인건비 절감, 선별 작업에 투입된 인력에게 유발될 수 있는 보건 피해, 선별 시스템의 안정적인 운영시 도모할 수 있는 재활용 산물(잉곳)의 질적 향상을 비용적으로 계산.
• 인건비 절감 : 2022년 매립장 운영·관리 민간위탁 동의안에 따른 노무종사원의 월급은 4,088,015원으로, 절감되는 연간 인건비는 다음과 같음. 4,088,015(원/명/달) × 12(달/년) × 12(명) = 588,674,160원/연
• 보건 피해 저감 비용 : 단순 반복 노동으로 인해 근육이 쉽게 피로해지고 통증이 오는 ‘섬유근육통과 항우울제를 복용, 정신적인 고통으로 인한 진료를 동반, 보건 피해 저감 비용 = (12,000 + 9,700)원 × 5.64(명) × 12회/연 = 1,468,656원/연

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

9월 : 아이디어 고안 및 자료 조사
10월 : 특허 조사
11월 : 센서를 이용한 실험 진행
12월 : 프로토타입 제작, 최종 설계 및 발표

구성원 및 추진체계

박** : 기기설치비 조사, 공정운영비 조사, 개념설계 구상 토의, 개념설계안 제작, 최종자료 검토, 최종발표 포스터 제작
오** : 개념설계 구상 토의, 정전기 방지 패드 조사 및 계산, 기존 수작업 체계 효율성 계산, 감용기 및 로봇판 조사, 사회적 기대효과 산정
이** : 관련 특허 조사, 관련 선별 기술 및 분광법 조사, 비용-편익 분석, 근적외선 분광분석 조사, 개념설계 구상 토의, 최종 자료 검토, 아두이노 회로 및 시뮬레이션 진행
정** : 비용-편익 분석, 관련 선별 기술 및 분광법 조사, 개념설계 구상 토의, 최종 자료 검토, 발표 자료 제작

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

1. 파쇄기 : 제주도의 경우 하루에 800kg의 폐스티로폼이 발생, 장비 가동시간을 8시간으로 설정 시 시간당 최대 100.02kg의 폐스티로폼을 처리, 해당 장치의 처리용량은 100kg/h, 소비 전력은 20kW
2. 정전기 방지 장치 : 가로 길이 0.934m, 세로 길이 0.65m, 굵기 0.22m의 그물
3. 근적외선 분광 분석 : 근적외선 영역(약 700nm~2500nm)을 사용하여 투과되는 빛 또는 반사되는 빛을 측정하여 물질의 특성을 판단.

근적외선 파장 범위

4. 컨베이어 벨트와 로봇팔 : 로봇팔은 분당 최대 51개의 조각들을 처리 가능하고, 컨베이어 벨트의 경우, 로봇팔 인식 가능 작업 범위가 160cm임을 확인

델타로봇 사양

개념설계안

• 스티로폼 선별 및 감융기 모식도 : 구체적인 지역을 선정하여 실제 발생량을 통해 설계 크기를 가늠, 제주도의 경우, 800kg/day의 EPS가 발생하고 있음. 발생되고 있는 실제 폐스티로폼 양에 맞춰 설계를 진행
• 설계 구성은 ① 파쇄기 ② 정전기 방지 패드 ③ 컨베이어 벨트와 로봇팔 ④ 감융 및 잉곳 생성으로 구성하여 구체화.

1. 파쇄기 : 처리할 수 있는 폐플라스틱 처리량과 소모 전력을 고려하여 선정, 800kg/day의 폐스티로폼이 발생하므로 시간당 33.34kg보다 처리량이 높은 파쇄기를 선정.
   
   

   파쇄기 사양
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
2. 정전기 방지 장치 : 파쇄 진행 시 마찰에 의해 정전기가 발생해 이동에 제약이 생길 것을 우려, 파쇄기와 컨베이어 벨트 사이에 정전기 방지 장치를 설비하여 공정 변수를 최소화.
   
3. 근적외선 분광 분석 : 스티로폼 선별 작업에 세 항목으로 분류 (ⓐ 깨끗한 스티로폼, ⓑ 수분 제거 시 고품질의 잉곳으로 전환이 가능한 스티로폼, ⓒ 오염이 심한 스티로폼)
   목재의 수분함량에 따른 적외선 반사량에 대한 논문과 담배의 수분함량에 따른 논문을 참고하면, 1400nm, 1900nm, 2500nm 근처에서는 큰 차이를 보임.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   따라서, 스티로폼의 흡수피크인 (1670nm, 1720nm, 1760nm), 물의 흡수 피크인 (1400nm, 1900nm, 2500nm), 그 외의 영역인 (1000nm, 1200nm)에서 우선적으로 파장을 조사
4. 컨베이어 벨트와 로봇팔 : 폐플라스틱의 양 800kg/day, 선별해야 할 필요성이 있는 폐스티로폼을 10%로 가정(지역 종사자의 인터뷰) 시, 분당 11개 정도 선별을 필요로 하는 값을 계산.

이론적 계산 및 시뮬레이션

• FD : 유체의 항력, CD : 항력계수, p : 유체의 밀도, V : 컨베이어 벨트의 속도, A : 물체의 단면적, m : 물체의 무게, g : 중력가속도
• 스티로폼이 이탈하지 않는 컨베이어 벨트의 최대 이동속도를 계산 (스티로폼의 밀도 : 15~30kg/m3, 물체의 크기 : 15mm, 항력계수(원형) : 0.5, 유체(공기)의 밀도 : 1.225kg/m3)
  
• 이때, V(속도)가 6.2m/s 이하에서 스티로폼은 이탈하지 않는다.
  

상세설계 내용

1. 조립도
   
   

   상부 단면도
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

   정면 단면도
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
2. 부품도
   
   

   부품도
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
3. 소프트웨어 및 회로 설계
   
   

   AS7265x (근적외선 감지 센서)
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용