02분반 6조

1 프로젝트 개요
2 개발 과제의 개요
3 관련 기술 조사
- 3.1 관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 3.2 시장상황에 대한 분석
  - 3.2.1 경쟁제품 조사 비교
  - 3.2.2 마케팅 전략 제시
4 개발과제의 기대효과
5 설계
6 결과 및 평가
- 6.1 프로토 타입 사진 및 세부 내용
- 6.2 포스터
7 개발사업비 평가 내역서
8 완료 작품의 평가
9 향후 계획

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 페트(PET) 선별 수거에 특화된 플라스틱 수거함

영문 : Plastic collection box specialized for PET selective collection

과제 팀명

이루핑

지도교수

구자용 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 2021890088 박**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 2021890085 김**

서울시립대학교 환경공학부·과 2021890086 나**

서울시립대학교 환경공학부·과 2021890094 정**

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

플라스틱 폐기물은 전 세계적으로 심각한 환경 문제를 야기하고 있다. 특히 PET용기의 경우, 재활용률은 높은 편이지만 고품질 원료로 재활용되는 비율은 10%에 불과하다. 이는 플라스틱 종류의 혼합 배출, 세척 부족, 그리고 비효율적인 수거 시스템에 기인한다. 한국에서는 이를 해결하기 위해 투명 PET병 분리배출 제도를 도입했지만, 현장에서는 여전히 수거함 부족, 내용물 잔여로 인한 위생 문제, 그리고 비효율적인 수거작업이 주요 장애로 작용하고 있다. 본 개발 과제는 교내뿐만 아니라 향후 공공기관 및 다중 이용시설로의 확대 적용 가능성을 염두에 두고 있으며, 지속 가능한 플라스틱 폐기물 관리 시스템 구축에 기여할 것으로 기대된다.

개발 과제의 배경

한국의 PET 재활용률에 비해 고품질 원료로 재활용되는 비율은 10%에 불과하다. 이는 다양한 종류의 플라스틱이 혼합 배출되기 때문이며, 이를 개선하기 위해 2020년부터 투명 PET병 분리배출 제도가 시행되고 있다. 그러나 교내 현장과 외부 조사 결과, 쓰레기통 용량 부족으로 인해 플라스틱 용기가 넘쳐나는 경우가 많고, 버려진 용기 내부의 잔여물로 인한 위생 문제가 지속되고 이는 실정이다. 
넘쳐나는 PET는 자연과 생태계를 파괴한다. 현재 미세플라스틱으로 인한 인간 건강의 문제가 심각해지고 있는데 미세플라스틱은 공기, 물, 음식 등을 통해 인간의 몸에 유입된다. 이는 재활용되어 버려지지 못한 플라스틱 폐기물이 분해되며 환경에 방출되는 유독물질에 기인한 것으로 보인다. 또한 재활용되지 못한 플라스틱은 제조 및 소각 과정에서 다량의 온실가스를 배출하여 기후 변화에 직접적인 영향을 미치고 있다. 이에 재활용률을 높여 기후변화와 환경문제를 해결하고자 본 과제를 수행한다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 프로젝트는 교내에서 발생하는 PET 용기를 선별적으로 세척하고 압축하는 특수 수거함을 개발하여 재활용 효율성을 높이고 위생 문제를 개선하고자 한다. 이를 위해 IoT 기술을 활용한 효율적인 관리와 마일리지 시스템 도입으로 분리배출 참여를 독려하고 위생을 개선하여 PET 처리 효율을 증대하는 것을 목표로 한다. 주로 기대되는 효과는 재활용 효율 극대를 통한 고품질 재활용 원료의 비율증대, 작업 부담 감소, 쓰레기통 주변의 오염 문제 해결 및 보건 수준 향상으로 위생환경 조성 등이 있다

시립대 내 쓰레기통 용량 확인

- 현재 학교 내 사용되고 있는 쓰레기통을 활용하기 위해 중앙도서관 쓰레기통을 측정함. - 측정기준(외직경): 34×34×54cm³ - 부피 계산시 57~62L(내직경~외직경)

→ 시중 판매되는 쓰레기통은 10L 단위로 판매되기에 규격에 맞는 쓰레기통들을 찾아보다가, 해당 쓰레기통은 60L임을 확인.

시립대 및 주변 상권 플라스틱(페트) 일회용 컵 발생량 조사

시립대학교 및 주변 일회용 컵 발생 카페 매출 건수 조사

시립대학교 내 
 : 2,600건/6일(학생회관) + 2,100건/6일(전농관) = 4,700건/6일 = 784건/일
시립대학교 외 
 : 300건/일 (메X커피) + 840건/일 (정문 매X드) + 400건/일 (후문 매X드) = 1,540건/일
 → 1일 총 매출건수 : 784 + 1,540 = 2,324건
 → 총 일회용컵 발생량 : 2,324건 x 1.5개/건 = 3,486개    
* 이X야 커피 등의 매점은 테이크 아웃 비율이 비교적 적어 제외
* 전체 매출 중 잔의 개수는 파악이 불가능하여 1건당 1~2잔을 구매하는 비율이 높다는 직원의 언급을 바탕으로 ‘1.5잔/건’으로 계산

일회용 플라스틱(페트) 컵 무게 및 크기 측정 및 압축 결과

압축 전 계산
 <압축 전 컵의 1개 평균 부피 계산>
  : (517.86 × 0.231)+(732.9 × 0.615)+(1088.8 × 0.154) = 738.03cm³/개
 <압축 전 쓰레기통 수거 가능 개수> 
  : 쓰레기통 부피 : 60L = 60,000cm³
    60,000cm³ / (738.03cm³ /개) = 81.30개 = 82개

 압축 후 계산
  <압축 후 컵의 1개 평균 부피 계산>
   : (495.9 × 0.615)+(945.38 × 0.154)+(355.52 × 0.231) = 532.69cm³/개
  <압축 후 컵의 1개 평균 부피 계산> 
   : 쓰레기통 부피 : 60L = 60,000cm³
     60,000cm³ / (532.69cm³/개) = 112.63개 = 113개

 압축 후 수거효율 계산
   : (82+(113-82)/82)*100% = 137.80%
    즉, 압축하여 수거하게 되면, 기존 수거량보다 최소 38%(=31개) 추가 수거 가능

설계 제품의 재료 및 구성

<세척수>
 - 플라스틱 컵 세척기 이용
 - 압축 후 최대 가용 플라스틱 개수 이용
 - 1회 세척 시 3초의 물 분사라 가정한다. 
      
 → 111.67mL/(sec * 1개) x 3sec x 113개 x 1L/1,000mL = 37.86L = 40L
 → 세척수 통의 사이즈는 10L 단위로 판매하기에 40L 말통으로 선택한다.

 <음폐수>
 - 음료는 ‘매X드커피’ 아이스 아메리카노 1잔을 기준으로 설정함.
 - 레시피 기준으로 에스프레소 1샷 (30mL)당 물 150mL 추가를 기준한다.
 - 사이즈별 샷은 다음과 같다. S:1샷, M:2샷, L:3샷
 - 사이즈별 컵 용량과 얼음양은 다음과 같다. 
   S:14oz (414mL), M:20oz (591mL), L:32oz (946mL)
   * S 사이즈 얼음양 : 414mL - 30mL coffee - 150mL water = 234mL Ice
   * M 사이즈 얼음양 : 591mL - 60mL coffee - 300mL water = 231mL Ice
   * L 사이즈 얼음양 : 946mL - 90mL coffee - 450mL water = 406mL Ice
     
 → 음폐수 최대 발생량은 음료를 20% 남겼고 얼음 50% 남았을 때라 가정한다.
    즉, 커피 1잔당 최대 음폐수는 (234mL x 0.231 x 0.5 + 180mL x 0.2) + 
    (231mL x 0.615 x 0.5 + 360mL x 0.2) + (406mL x 0.154 x 0.5 + 540mL x 
    0.2) = 349.5mL/1잔
     
 → 113잔 당 발생 최대 음폐수 : 349.5mL/1잔 x 113잔 x 1L/1,000mL = 39.49L
    (음료를 다 마신 경우가 더 많으나 이론상 최대 저장 용량 계산을 위해 해당 값을 
    도출함)

  <오수통 용량>
  - 이론상 최대 저장 용량 : 37.86L + 39.49L = 77.35L
  - 시판되는 물통은 10L 단위로 판매하기에 80L 물통으로 선택한다.

상세설계 내용

조립도

①번 : 쓰레기통 → 크기 : 길이(L) 340mm, 폭(W) 340mm, 높이(H) 540mm → 용도 : 선별된 플라스틱들을 저장 → 좌측 쓰레기통: 세척하고 모든 조건에 적합한 PET 재질 플라스틱 저장 쓰레기통 → 우측 쓰레기통: 조건 외의 플라스틱 저장 쓰레기통

②번 : 세척수 저장탱크 → 크기 : 길이(L) 360mm, 폭(W) 280mm, 높이(H) 500mm → 용도 : 세척 노즐대을 통해 용기를 세척하기 위해 필요한 세척수를 보관하는 탱크 → 구성

  1. 세척수 저장탱크
  2. 세척수 저장탱크 내 수위 알림용 수위 센서 모듈
  3. 세척수를 공급하기 위해 저장탱크에 워터펌프 설치

③번 : 오수 저장탱크 → 크기 : 길이(L) 640mm, 폭(W) 280mm 높이(H) 270mm → 용도 : 용기 내 내용물 및 세척 후 발생된 오수들을 모아 연결 통로(하얀색)로 통

        해 이송된 오수를 저장하는 탱크

→ 구성

  1. 내용물 및 사용된 세척수를 저장하는 오수 저장탱크
  2. 오수 저장탱크 내 수위 알림용 수위 센서 모듈

④번 : 플라스틱 선별 및 이송 장치 → 재질 : 우드락 → 크기 : 길이(L) 746mm, 폭(W) 130mm 높이(H) 368mm → 이송바닥 각도 : 15˚ → 용도 : 투입구로 플라스틱을 넣으면 자동으로 상태, 재질, 라벨을 확인하고 조건에

        만족하는 플라스틱 군과 아닌 플라스틱 군들을 나눔. 나뉜 플라스틱들을 세
        척 후 쓰레기통으로 이송

→ 구성

  1. 플라스틱 상태, 재질, 라벨을 확인하는 선별 센서(RGB센서 4개)
  2. 선별된 플라스틱을 각 쓰레기통으로 옮겨주는 회전형 날개(서보 모터 2개)
  3. 선별된 플라스틱을 각 쓰레기통으로 옮겨주는 기울어진 이송바닥
  4. 선별된 플라스틱의 개수를 측정하는 센서(IR센서)
  5. 세척 작업 진행 시, 내장된 ‘용기 내부 세척용 노즐대’가 리니어 레일을 통해 
    위로 이동
  6. 철판으로 된 깔대기가 투입구 바로 아래 위치하며, 용기 내 내용물과 세척 후
    발생된 오수를 모아 오수 저장탱크로 이송시키는 튜브가 연결되어 있다.

⑤번 : 투입구 여닫이문 → 재질 : 우드락 → 크기 : 길이(L) 120mm, 폭(W) 20mm, 높이(H) 360mm → 용도 : LCD 화면에서 버튼을 누르면 자동으로 투입구가 개폐되고, 세척수의 유출

        을 차단하는 역할

→ 구성 : 서보 모터와 여닫이문을 결합

⑥번 : 용기 내부 세척용 노즐바 → 크기 : 지름(R) 20mm, 길이(L) 600mm → 용도 : 고압 세척수로 내부 오염물질들을 제거하는 역할 → 구성

  1. 노즐바와 노즐헤드으로 구성 
  2. 튜브로 노즐바와 워터펌프를 연결 
  3. 리니어 레일에 노즐바 설치

⑦번 : 압축판 → 재질 : PCV → 크기 : 길이(L) 300mm, 폭(W) 300mm → 용도 : 선별되어 쓰레기통에 모인 페트를 압축하는 역할 → 구성 : 리니어 엑추에이터에 압축판을 설치

조립순서

1) 선별 장치

벽면에 센서는 RGB 센서, 재질 선별 센서(NIR) 두 가지로 설치한다.
플라스틱 재질 선별 센서로 사용할 근적외선 센서(NIR)는 바닥 기준 4cm 높이 벽면에 설치한다.
플라스틱 라벨, 색깔 선별을 위해 RGB센서 4개를 사용해야 한다. 각 센서들은 바닥 기준 6cm, 12cm, 18cm, 25cm 높이 벽면에 설치한다.
각 센서들을 부착한 벽면은 철판 재질로 제작한다.

2) 분류이송 장치

벽면을 회전시키기 위해 서보 모터를 각 방향에 1개씩 설치한다.
서보 모터는 내장된 날개 최상단에 위치하며 각도는 최대 170˚까지 회전하여 플라스틱을 넘어뜨리는 역할을 한다.
좌측 쓰레기통으로 옮겨지는 이송관 중앙 부분 바닥면으로부터 10cm 높이에 IR 센서를 설치한다.
각 통으로 이송되는 쓰레기 통로들은 12˚ 기울어진 통로로 구성되며 재질은 오염에 강한 PVC로 제작한다. (분류 이송장치에서 이송관 재질인 PVC는 예산 초과로 시연물 제작에서 우드락으로 대체한다.)

3) 세척 장치

투입구 바닥면보다 2cm 튀어나오도록 노즐바를 설치하고 노즐바는 리니어 레일과 연결하여 설치한다.
노즐바에 세척을 위한 노즐헤드를 설치하고, 리니어 레일은 수거함 중앙 내부에 고정시킨다.
세척시 리니어 레일을 통해 노즐바는 32cm 위로 올린다.
세척수통에 워터펌프를 설치하고 실리콘 튜브를 연결하고 이를 노즐바에 연결시킨다.
내용물 및 이용된 세척수를 모아 실리콘 튜브로 오수통으로 이송하기 위한 목적으로 철판으로 된 깔대기 모양을 제작하여 투입구 바로 아래에 설치한다.

(세척을 위한 장치들은 예산 초과로 시연물 제작에서 제외한다.)

4) 압축 장치

좌측 저장 쓰레기통의 천장에 프레스형 압축 장치를 설치한다.
설치한 프레스형 압축 장치는 분류 이송 장치에서 IR 센서를 통해 특정 개수(8개) 이상 측정시 자동으로 일정한 힘과 시간으로 압축을 진행한다.
압축판은 PVC판으로 수거함의 크기인 300mm x 300mm 정방형 크기로 제작 후 리니어 액추에이터에 설치한다.

(압축을 위한 리니어 액추에이터와 PVC판은 예산 초과로 시연물 제작에서 제외한다.)

5) 저장 장치

‘쓰레기통’은 시판 중인 60L 쓰레기통을 사용한다
‘세척수 저장탱크와 오수 저장탱크’는 사각 PE 물탱크를 사용하며 각 통의 상단에 수위 센서를 설치한다.
‘세척수 저장탱크’는 40L 말통으로, ‘오수 저장탱크’는 80L 탱크를 이용한다.

6) 수거함 외부 장치

사용자 정보를 입력할 수 있는 터치형 LCD 모니터를 설치한다.
사용자 정보 입력 후 투입구가 자동으로 개폐되는 자동문을 설치한다. 이때, 자동문의 재질은 PVC로 제작하며 회전 방식은 서보 모터를 설치하여 최대 90˚ 까지 회전하여 개폐한다.

부품도

회로설계

어플리케이션 제작

<관리자용 애플리케이션>

관리자용 대시보드에서 각 수거함의 현재 용량 상태를 실시간으로 파악한다.
센서 및 기타 장치 고장 시 관리자에게 정보를 제공한다.
각 수거함이 가득 찬 상태에 도달하면 관리자에게 알림을 보낸다.

<사용자용 애플리케이션>

사용자가 근처의 플라스틱 용기 수거함 위치를 쉽게 찾을 수 있도록 위치 정보를 제공한다.
GPS 기반 지도를 통해 현재 위치와 가장 가까운 수거함을 표시하며, 선택한 수거함의 현재 사용 가능 여부 및 용량 상태를 실시간으로 확인할 수 있다.
수거함이 찼을 때 대체 가능한 수거함 위치를 추천한다.
마일리지 적립 제도를 통해 사용자의 분리수거를 극대화한다.