H.E.P.A

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 스마트 필터 그리드 공기청정기 설계

영문 : Design of Smart Filter Grid Air Conditioner

과제 팀명

H.E.P.A

지도교수

오희경 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2017890020 김재호(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2017890004 김기현

서울시립대학교 환경공학부 2017890029 박상현

서울시립대학교 환경공학부 2017890055 이창균

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

세계의 공기청정기 시장 전망 리서치에 따르면 공기청정기의 수요량은 매년 증가하고 있으며 세계의 공기청정기 시장 규모는 2020년 174억 1,000달러로 평가되었으며 연간 시장 규모 증가량은 5.06%로, 2030년에는 629억 8,000만 달러에 이를 것으로 전망하고 있다. 증가한 수요량에 비례해 공기청정기의 기능 및 효율 관련 내용 또한 강조되고 있다. 공기청정기의 부품 중 소모품인 헤파필터의 경우, 필터의 면적 대비 필터링의 효과를 최대화한다면, 공기청정기의 유지비용을 절감할 수 있다. 따라서 본 설계에서는 헤파필터의 필터링 효율을 높이기 위하여 스마트 그리드형 공기청정기를 설계하고자 한다.

헤파필터를 9등분한 뒤 LED 센서 및 카메라를 활용하기 때문에 공기청정기가 막간차압 센서에만 의존하지 않아도 되며, 필터를 전체적으로 교체하는 것이 아닌 특정 부위만 교체할 수 있도록 제작하였다. 동시에 필터를 전면부에서 교체하는 것이 아닌 측면부에서 교체하도록 만들어 필터 교체를 용이하게 할 수 있도록 설계했다.

스마트 그리드형 공기청정기는 크게 하드웨어 부, 소프트웨어 부로 구성된다. 본 설계에 적용되는 독창적인 아이디어는 ‘일반적인 필터를 사용하는 것이 아닌 9등분으로 나누는 것',‘막간차압 센서가 아닌 카메라와 LED 센서를 이용한다는 것', '그레이 스케일을 통해 필터의 사용 용량을 파악한다는 것’등이 있으며 이를 이용해 실제 모형을 제작하였다. 최종적으로 하드웨어 소프트웨어의 기능성, 경제성, 공익성 안전성 등을 고려해 설계작품을 평가하고 그 과정에서의 비용편익 분석을 진행하였다.

내용

개발 과제의 배경

실내공기질 오염은 한정적인 공간에서 외부 대기오염물질 유입과 다양한 건축자재, 생활 및 사무용품으로 인한 실내 오염원에 의해 발생한다. 미국 EPA(United States Environmental Protection Agency)의 통계에 따르면, 사람이 실내공기질에 의해 노출되는 오염물질의 농도가 실외에서 노출되는 대기오염물질에 비해 2-5 배, 때로는 100 배 이상 높다고 발표한 바 있다. 더욱이 사람은 하루 중 80~90 % 이상을 실내에서 생활하고 있어 실내공기질 오염은 실외 오염물질보다 사람에게 더 많은 영향을 끼친다. 공기청정기는 실내공기질을 제어해 인간의 삶의 질을 높이는 데 큰 기여를 해왔다. 또한 연구개발특구진흥재단에서 작성한 ‘글로벌 시장동향보고서'에 따르면 증가하는 대기 오염 수준과 알레르기 및 천식 사례 증가로 인한 공기청정기의 수요가 증가하는 것을 보여주며, 이를 통한 HEPA 필터의 연평균 성장률이 8.6%로 증가할 것으로 추정한다. 또한 산업 환경 분석에 따르면 2019년 공기청정기의 대체재가 에어컨과 같은 공기 질 조절 장치가 있지만, 공기질 유지 대비 비용 비 기기 가격의 격차가 심해 사실상 대체재가 거의 없는 것으로 판단되며 추후 이런 경향이 동일하게 유지될 것으로 예상된다. 이는 공기청정기는 추후 대체재가 없는 유일한 가전기기로 자리매김하게 될 것을 암시한다.

환경부는 지난 2020년,‘제 4차 실내공기질 관리 기본계획’을 마련하여 정부 차원의 중장기적 실내공기질 관리정책을 추진하고 있으며, 그중 어린이, 학생 등 민감계층 이용시설에 대한 공기정화설비 설치 확대 및 사후관리 강화, 다중이용시설의 환기설비 설치·관리 의무 강화, ‘실내공기질 안심시설 인증제도’ 도입 및 활성화 지원 등을 통해 안심하고 머무를 수 있는 실내환경을 조성하고자 한다. 이를 위해 서울시는 200억원 가까이 투입해 245개 역에 3,996대의 공기청정기를 설치했으며, 어린이집 전 보육실 공기청정기 관리비를 월 24,900원 한도 내에서 지원하는 등의 활동을 진행했다. 하지만, 실내 공기질 개선을 위해 설치한 공기청정기의 관리 부실 및 성능미달이 잇달아 적발됨에 따라 공기청정기 유지 및 관리에 대한 대응을 촉구하고 있는 실정이다. 이를 해결하기 위해 지하상가의 경우, 지난 7월 지하도상가의 실내공기질 집중 관리를 위해 공기질 자동측정 지점을 늘리거나 일부 노후화된 공기조화설비의 필터를 고효율로 교체하는 등, 공기청정기의 헤파필터 교체 주기를 단축할 것을 계획했으나, 이에 따른 비용에 대한 우려의 목소리는 높아지고 있다.

위와 같은 문제를 해결하기 위해 본 조는 LED 센서와 카메라를 사용해 효율적으로 필터의 유지보수 및 관리가 가능한 스마트 그리드형 공기청정기를 제작했다. 스마트 그리드형 공기청정기의 장접은 다음과 같다. 먼저 필터를 9분할 하여 센서를 통해 각 필터의 사용 용량을 파악한 뒤 국소부위 사용 필터 교체 여부를 판단하는 것이다. 기존의 공기청정기의 경우 필터가 1매로 이루어져 있어 필터 교체 시 필터의 사용 면적과 별개로 전체 교체를 진행해야 한다. 하지만, 필터를 9분할 하여 활용함으로써, 푼할된 필터를 각각 최대한으로 사용할 수 있으며 이를 통해 필터 교체 비용을 감축할 수 있다.

다음 장점은 필터의 교체가 용이하다는 점이다. 기존의 공기청정기의 경우, 필터를 교체하기 위해서는 전면부를 분해하여 필터를 교체해야 하는데, 스마트 그리드형 공기청정기의 경우 필터를 측면부에서 뽑아 교체할 수 있어 필터의 교체 과정이 쉬워진다. 이는 노인과 일부 장애인들과 같은 취약계층이 공기청정기를 관리하기 힘들어 오염된 필터를 교체하지 않고 사용해 발생할 수 있는 건강상의 문제를 사전에 방지할 수 있으며 이는 취약계층을 위한 다중이용시설에서 높은 수요가 예상된다. 또한 교체하는데 많은 시간이 필요하지 않아 다량의 필터를 빠른 시간에 교체하기 쉬워 지하역사나 지하상가와 같이 많은 수의 공기청정기를 이용하는 장소에서의 수요 또한 높을 것으로 추정된다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 과제를 통해 달성하고자 하는 목표는 다음 세 가지이다.
1. 그리드 형태로 필터를 분리함으로써 오염된 국소 부위의 필터를 선택적으로 교체
2. 차압센서와 광센서를 이용한 정확한 필터의 오염부위 제시
3. R studio를 활용한 필터의 시각적 데이터 제시
본 과제에서는 필터의 오염 부위와 상태를 센서를 통해 정확하게 알려주어 효율적인 필터 교체 시기를 제시하고 필터 교체의 비용을 절감시킬 수 있는 스마트 그리드형 공기청정기 제작 설계를 진행한다. 그리드형 공기청정기에 대한 설명은 다음과 같다.

가장 먼저, 차압센서를 활용하여 필터의 교체 시기를 대략적으로 측정한다. 필터 차압의 상승을 통해 필터에 축전된 먼지의 포화 정도를 알 수 있으며, 갑작스러운 차압의 하강으로 필터의 누출 또는 파열까지 알 수 있는 필터의 수명을 판단하는 척도이다. 필터의 종류에 따라 상이하지만 일반적으로 초기 차압의 2배 이상을 필터의 교체 기준으로 잡고 있다.

차압센서를 통해 필터의 교체 시기를 확인하면 광학센서를 통해 더 상세한 필터의 상태를 측정한다. 광학센서는 LED와 촬영 장치로 구성되어 있으며, 필터의 전면부에서 LED로 단색광을 조사한 상태에서 후면부에서 이를 촬영한다. 촬영된 데이터를 그레이 스케일(Gray scale)  상태로 변경한 후, 각 픽셀의 명암을 수치화하여 특정한 수치를 기준으로 이보다 밝은 경우에는 화이트, 어두운 경우에는 블랙으로 데이터를 변환한다. 이렇게 화이트와 블랙으로 변환된 전체 촬영 데이터에서 블랙도트(픽셀)의 비율을 계산하여 필터의 오염도를 측정하는 방식이다. 이는 그리드 형태로 분리된 필터를 함께 사용함으로써 필터의 오염도뿐만 아니라 주요 오염 부위까지 측정할 수 있게 하여 오염된 부위의 필터만 선택적으로 교체할 수 있으며, 오염되지 않은 필터를 교체함으로써 발생되는 필터의 낭비를 미연에 방지할 수 있다. 

또한 우리는 광학센서와 아두이노를 결합하여 필터의 교체시기 알림과 함께 각 그리드의 필터의 세부상태 등을 시각적 데이터로 제공할 수 있도록 설계한다. 이는 관리의 용이성을 위해 일정 주기마다 일괄적으로 필터를 교체하는 지하철 또는 집단시설·다중이용시설 등에서 더 효율적인 필터의 사용과 유지보수를 가능하게 설계한다. 한편, 일반적으로 필터의 교체를 위해서는 프리 필터, 미디움 필터 등 모든 필터를 제거해야 하는 경우가 대다수이다. 그러나 우리가 설계하는 그리드형 필터의 경우 오염된 부위의 선택적 제거를 위해서 서랍 형태의 그리드를 설계하여 교체가 필요한 부분의 필터만을 쉽게 제거하고 교체할 수 있도록 설계한다. 따라서 차압센서와 광학센서의 연계를 통해 공기청정기용 필터의 교체 시기를 기설정된 값에 따라 정확하게 판단할 수 있으며, 정확한 오염 부위, 오염도를 추가적으로 판단할 수 있다. 이와 함께 그리드형 필터를 설계하여 오염된 필터만을 제거함으로써 필터 교체 비용이 절감되는 효과도 가져올 수 있을 것으로 기대된다. 최종적으로 다수의 공기청정기를 통합하여 관리해야 하는 시스템을 가진 지하철, 다중이용시설, 실험실 등의 시설에서 효율적인 필터 관리를 통해 실내 공기질의 향상에 기여하는 것이 본 설계의 목표이다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

■ 공기청정기

공기청정기는 입자상이나 가스상의 유해·오염물질 제어, 항균, 탈취나 음이온 공급 등을 통해 자정능력이 없는 실내공기를 인체의 행위에 요구되는 가장 적합한 조건으로 제어하여 실내공기의 질(IAQ: Indoor Air Quality)의 인위적 제고를 목적으로 한다.

- 공기청정기의 성능은 청정화 능력, 적용면적, 정격 풍량, 소음도, 집진효율, 소비전력 및 대기전력에 의해 평가되며, 최근 미세먼지와 초미세먼지가 사회적 문제로 대두되면서 PM2.5 수준의 초미세먼지 제거 기능이 필수적으로 탑재된 고성능 공기청정기의 수요가 증가하고 있음

■ 감지 기술 및 스마트 기술

공기청정기의 주요 기술은 감지 기술, 공기정화 기술, 스마트 기술로 구분할 수 있다.

현재 감지 기술은 초미세먼지 감지센서 기술에 연구개발이 집중되고 있으며 복수의 먼지 감지 및 감지 신호 일치율을 계산하는 미세먼지 분류 기술, 광의 산란광을 이용한 입자 검출 센싱 기술 등이 개발되고 있다. 

- 스마트 기술의 경우 사용자 맞춤 기술로서 센서 최적 배치 기술, 초고온 방전 안정화를 위한 압력 최적화 기술 등이 개발되고 있으며, IoT 기술로서 IoT 연계 복수의 공기정화 시스템 기술, 스마트폰 등 스마트 기기 연동 기술 등이 연구 개발되고 있음

• 특허조사 및 특허 전략 분석

1. 특허조사

■ 칼라 센서를 이용한 먼지필터의 교체시기 알람표시장치 및 이의 동작방법

출원번호 : 10-2014-0173650 / 출원일자 : 2014 년 12 월 05 일 구성 칼라센서, 정보처리부, 알람 표시부 요약 먼지필터의 변색 정도 및 집진된 먼지량에 따른 색을 검출한 색검출정보를 내부에 설정된 색상별 점수 값을 이용하여 점수화한 후, 점수를 합산하여 먼지필터의 전체 먼지량을 산출하고 교체시기를 시각적·청각적으로 제공한다. 효과

사용자에게 먼지필터의 교체시기 및 전체 먼지량을 시각적 및 청각적으로 알려줄 수 있으며, 이러한 이점을 통해 사용자는 먼지필터의 교체방치로 인한 먼지필터의 색균 번식, 먼지필터의 필터기능 저하 등과 같은 문제점을 사전 인지할 수 있다는 이점이 있다.

■ 분리형 그리스 필터

출원번호: 10-2014-0062964 / 출원일자: 2014 년 05 월 26 일 구성 다수의 제 1 레지스터 및 다수의 제 2 레지스터, 배플, 필터, 가이드 수단

• 배플: 공기의 흐름을 유도하여 냉각효율을 증대 시키는 역할을 하는 구조물

요약 필터를 고정하는 배플 프레임에 다수의 제 1 레지스터와 다수의 제 2 레지스터 구조를 형성하여 유입된 공기 중의 미세한 기름 증기가 액화되며 배플 프레임 양측에 가이드홈이 있어 위, 아래로 필터를 삽입하거나 외부로 인출하고 프레임의 하단부에 가이드홈이 연통하는 ‘ㄷ’ 형상의 홈이 형성되어 있어 상기 홈에 필터의 단부가 삽입됨으로써 보다 안정적인 결합이 이루어진다. 효과

배플 일측에 형성된 가이드를 따라 필터를 손쉽게 장착하거나 분리할 수 있으므로 사용 편의성이 높아지고, 배플 또는 필터 중 손상된 것만 교체하는 것이 가능하므로 유지 보수 비용을 크게 줄일 수 있다.

■ 블록 조립되는 대형 에어필터

출원번호 : 20-2003-0037565 / 출원일자 : 2003 년 12 월 02 일 구성

공조설비, 에어필터, 조립식, 결합 돌조, C 형 클램프

요약 - 대형의 에어필터를 보다 손쉽게 제작할 수 있게 하는 블록조립되는 대형 에어필터 - 에어필터조립체의 합체되는 내측마감프레임의 대응부위에 결합돌조들을 형성하고 측방에서 C 형 클램프를 삽입하여 결속시킴으로써 작업공정의 단순화 효과 - 기존의 대형 에어필터는 구조에 기인하여 제품불량율이 높고 작업시간이 오래 걸리는 폐단이 있다. 본 고안을 통해 작업공정의 단순화를 기하여 대형의 에어필터를 보다 손쉽게 제작할 수 있는 블록조립되는 대형 에어필터를 제공할 수 있다. - 대형 에어필터의 제조시 대형 필터를 일체로 제조할 때에 비하여 메디아 및 세퍼레이터를 우레탄접착제로 접착하여 경화시키는 시간을 반으로 줄일 수 있고, 분할된 작은 필터는 조립 및 운반이 손쉬워 손상을 방지하고 작업성이 향상되는 효과가 있다. - 본 고안의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에 의해서만 한정되거나 제한받는 것은 아니고, 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론, 균등한 다른 활용이 가능하다.

■ 조립형 필터

출원번호: 20-2005-0036558 / 출원일자: 2005 년 12 월 28 일 구성 필터 유니트, 외각틀 요약 - 공기 청정기 전면에 공기정화를 위한 내용물을 수용하는 셀로 형성되는 수용공간을 형성하는 수용부재와 그 전면으로 결합되는 덮개부재를 결합 구성한 필터유니트를 상하 및 좌우로 다수 결합하고, 그 테두리를 따라 외곽 틀을 감싸도록 고정 설치한다. - 상기 필터유 니트를 구성하는 수용부재의 상하면에는 중앙에 조립돌기와 조립공, 그 좌우측으로 전방 또는 후방으로 상호 엇갈리게 삽입 조립하기 위한 조립돌기와 조립홈을 대향 형성하고, 상기 외곽 틀은 프레임의 내측으로 조립 요홈을 형성하여 양 끝단 부위에서 연결구를 조립 요홈에 삽입하여 상호 연결 고정하는 조립형 필터를 제공한다 효과 필터를 구성하는 다수의 필터유니트, 외곽틀의 조립구조를 간단하면서도 견고하게 제공하여 조립 생산성 및 견고성을 극대화함은 물론 외곽틀의 결합부재 가 외부로 노출되지 않는 간단한 조립구조에 의해 종래 필터가 갖는 문제점을 해결하여 사용상의 신뢰도를 극대화하는데 그 특징이 있다

2. 특허전략

최신 특허들을 분석한 결과, 다양한 센서를 통한 필터교체 시기 측정 및 필터 교체의 용이성을 위한 장치 기술이 있음을 알 수 있었다. 그러나, 공기청정기의 구획을 나누어 각각의 필터 사용연한을 결정하는 기술이 적용된 특허는 없었기에, 기존 공기청정기 필터 사용도 인식시스템에 물리적 요소인 격자형 필터를 집어넣는 방향으로 특허 진행을 준비할 것이다. 타겟이 될 곳은 필터형 공기청정기를 사용하는 다중이용시설이다. 

• 기술 로드맵

■ 공기청정기 국내/외 기술 Trend 1. 별도의 독립된 기기로 개발되던 제습기, 가습기, 선풍기/공기순환기 등이 공기청정 기능을 공통으로 탑재하면서 다기능 융복합 기기로 개발되고 있다. - 계절가전인 에어컨이 공기청정 기능을 강화하는 추세이며, 선풍기, 공기청정기, 가습/제습기가 합쳐진 제품이 출시되기 시작 - 소형주택 수요의 꾸준한 증가로 공간효율을 극대화할 수 있는 올인원제품이 시 장에서의 경쟁력을 확보할 것으로 예상됨

2. 공기청정기는 대표적으로 내·외부 환경과 연동하여 동작하는 장치이며 가스, 먼지 등 실내환경에 대한 측정 기능, 실내에서의 사람의 위치를 감지하여 대응하는 감응형 공기청정기 등 다양한 제품이 출시 중

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교
• 마케팅 전략 제시

■ SWOT 분석

 SO 전략

- 다중이용시설에 스마트 필터 그리드 공기청정기를 공급함으로써 필터의 오염된 부위에 대한 선택적인 교체를 유도하고, 일반쓰레기 감축 실현 및 2050 탄소중립에 기여 - 기기가 필터 그리드의 교체시기를 알려줌으로써 필터 교체 단계의 효율성 증대

 WO 전략

- 점차적으로 그리드형 필터 제작 비용을 낮춤으로써 역사 내 스마트 필터 그리드 공기청정기 공급률 증대 - 다중이용시설의 공기청정기의 필터 교체 관리 미흡으로 인한 공기질 악화를 알리는 등 현재 필터 교체 시스템에 대한 시민들의 인식 제고

 ST 전략

- 필터의 분해 및 조립을 용이하게 함으로써 공기청정기의 유지 및 보수 비용 절감 - 필터 위치에 따른 필터의 소모량 및 교체 시기를 데이터화 함으로써 효율적인 공기청정기 모델 개발 모색

 WT 전략

- 압력센서를 활용한 차압 변화 측정 및 카메라 촬영을 활용한 그레이스케일링을 통해 필터의 교체시기를 정확하게 판단함으로써 기존의 공기청정기 필터 알림 시스템과 차별성 마련 - 국소적인 오염으로 인한 필터의 폐기, 소각, 매립 처리율을 낮추어 환경성 증대

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

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용