01분반 2조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 환경미화원 실시간 유해가스 탐지 웨어러블 기기 설계

영문 : Design of a Real-Time Hazardous Gas Detection Wearable Device for Sanitation Workers

과제 팀명

연결고리

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 이**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 권**

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 최**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

• 환경미화원은 미세먼지, 한파, 폭염 등 기상학적, 계절적 위험에 지속적으로 노출되며, 유해물질, 중량물 작업, 소음 등에 상시 노출되는 등 업무상 피해는 심각하나 정확한 실태조사가 이루어지지 않고 있다.

• 이에 유해물질에 만성적으로 노출되는 환경미화원을 위해 작업환경 및 근로자의 건강상태에 대한 데이터를 실시간으로 수집하여 건강 모니터링 및 대응할 수 있는 웨어러블 기기를 설계하고자 한다.

• 이를 통해 환경미화원의 직업성 질환을 예방하고, 적절한 조치를 취하여 안전과 건강을 증진시키고자 한다. 더불어 환경미화원의 작업 환경에 대한 정보를 수집하여 노동 안전 인식 개선에 이바지하고자 한다.

개발 과제의 배경

필수업무 종사자인 환경미화원은 미세먼지, 한파, 폭염 등 기상적, 계절적 위험에 지속적으로 노출되며, 유해물질, 소음 등에 상시 노출되어 있다. 이에 환경미화원은 만성 질환, 피부 질환, 호흡기 질환, 뇌혈관 질환과 같은 직업성 질환이 발생하기도 한다. 원인으로는 작업 중 노출되는 다량의 바이오 에어로졸, 쓰레기에 포함되어 있는 부산물로부터 발생하는 유해가스, 디젤배출물질, 휘발성유기화합물 등이 있다. 이러한 물질에 동시에 노출되기 때문에 다른 업종에 비해 높은 비율로 호흡기 질환과 소화기 질환이 나타나고 있는 것으로 추정한다(안전보건공단, 2018). 또한, 지속적인 추위/더위 노출, 야간 근무, 교대 근무와 같은 직업적 특성이 뇌심혈관계 질환, 불면증 등의 발병률을 높인다.

환경미화원의 주 6일 근무가 61%, 주 5일 근무가 37%였고, 61%가 새벽 5시 근무 시작이며, 생활폐기물/음식물/재활용 수거 환경미화원의 경우 응답자의 약 30% 정도가 새벽 3~4시에 근무를 시작한다. 오후 8~9시에 출근하여 심야 작업을 수행하는 경우도 다수 있다(안전보건공단, 2018). 이렇듯 고강도 근무를 하는 환경미화원에 대한 건강관리가 필수적으로 이루어져야 한다고 판단했다.

그림 1. 설문조사 참여 환경미화원의 건강 유해인자에 대한 위험인지 수준(출처: 안전보건공단(2018))

건강에 나쁜 영향이 ‘매우 많다’라고 답변한 경우의 그래프이며, 수행 업무에 따라 유해인자에 대한 건강위험을 느끼는 수준에 차이가 있었다. 또한, 안전보건공단(2018)에서는 많은 환경미화원들이 암과 같은 건강문제를 염려하고 있으며, 이에 과거 유해물질 노출 양상을 파악하고 그로 인한 건강영향의 추적과 관리가 가능한 체계가 도입되어야 한다고 강조하고 있다. 특히 환경미화원의 특성을 정확히 평가할 수 있고, 환경미화원들의 상황에 맞는 건강검진 포맷이 필요하다. 또한, 야간작업, 교대근무, 유해화학물질 노출을 감안한 특수건강검진이 이루어져야 하며, 더욱 적극적인 건강관리가 도입되어야 한다. 이에 직군 별로 주요 측정 유해인자를 달리할 수 있으면 효과적이라 판단하였다.

그림 2. 환경미화원의 산업재해 현황(출처: 근로복지공단 정보공개청구)

김신범(2010)에 따르면, 50개의 사업장을 조사한 결과 2009년에 재해율은 7.4%로써 우리나라 평균 재해율 0.7%의 8배에 해당하며, 만약 공상까지 포함하면 환경미화원의 재해율은 11.0%로 높아졌다고 보고되고 있다. 환경미화원의 산재 신청 현황은 2016년 4,870건에서 2020년 7,034건으로 증가하는 추세이며, 승인 현황도 2016년 4,319건에서 2020년 6,354건으로 증가하는 경향을 보인다.

환경미화원의 직무는 가로청소, 생활폐기물, 음식폐기물, 재활용폐기물, 선별/소각 등의 작업으로 나눌 수 있으며, 직무 별로 주요 노출 유해인자가 다르다. 예를 들면, 디젤차량 운행 및 청소 작업 과정에서 PAHs, 질소산화물, 황산화물, VOCs와 같은 다양한 유해인자에 노출될 수 있다. 청소 작업에 있어서는 여러 형태의 분진과 생물학적 인자에 노출될 가능성이 높다. 소각장에서는 폐기물의 종류에 따라 발암 물질인 다이옥신이 발생할 수 있으며, 실제 근무자의 혈중 다이옥신 농도가 매우 높게 나타났다. 또한, 음식물 쓰레기 혹은 오물 쓰레기에서 나오는 악취, 공정 과정에서의 소음, 소각 시설의 고온환경 작업 등 매우 다양한 위험에 지속적으로 노출되고 있다. 특히, 환경미화 종사자의 상당수가 50세 이상 중장년 층으로, 직업성 질환 발병에 더욱 취약하다.

표 1. 환경미화원에게 노출 가능한 유해인자의 구분(출처: 안전보건공단(2018))

표 1과 같이 환경미화원들의 건강을 위협할 수 있는 요인은 다양하지만, 위험 정도를 비교할 수 있는 관련 기준은 제한적이다. 예를 들어 PM10과 PM2.5의 경우 대기 환경 기준만 제정되어 있고, 작업환경기준에는 별도의 기준이 마련되어 있지 않다. 특히, 유해물질 노출 기준 이하이더라도, 환경미화원은 노출 확률과 노출 빈도가 높기 때문에 종합적으로 판단해야 한다. 즉, 현재 수행되고 있는 작업환경측정은 근무자의 작업환경의 특성을 온전히 반영하지 못한다는 한계가 있다.

이와 같이 환경미화원의 업무상 피해는 다른 업종에 비해 심각함에도 정확한 실태조사가 이루어지지 않고 있다. 심지어 환경미화 작업은 대부분 야외에서 이루어지기 때문에 안전관리가 더욱 어렵다. 따라서 환경미화원의 작업 특성상 노출되는 다양한 위험의 분포를 확인하여 노출 위험 평가가 진행되어야 하며, 적절한 조치가 취해져야 할 것이다. 이에 환경미화원의 작업환경에 대한 데이터를 수집하여 실태를 알릴 수 있는 시스템과 적극적인 관찰 및 적절한 예방 조치, 신속한 후처리에 기여할 수 있는 장비를 개발하고자 한다.

개발 과제의 목표

위험한 작업환경, 높은 업무 강도, 작업 안전 가이드라인 미준수, 열악한 노동 안전 의식 등으로 여전히 높은 환경미화원의 위험도를 낮추고자 한다. 작업 시 노출되는 유해인자를 실시간으로 모니터링하고, 건강 상태를 파악할 수 있는 웨어러블 기기를 설계할 예정이다. 이를 통해 환경미화원의 안전과 건강을 증진시키고, 작업 환경의 위험 요소를 사전에 인지하여 환경미화원의 다양한 직업병 발병률을 낮추고자 한다.

개발 과제의 내용

• 유해가스 및 미세먼지 감지

- 센서 기술: 다양한 유해가스(예: 이산화탄소, 일산화탄소, 황화수소 등) 및 미세먼지(PM10, PM2.5) 농도를 측정할 수 있는 고감도 센서를 사용한다. 이 센서는 실시간 데이터 수집이 가능하여 환경미화원이 작업하는 지역의 공기 질을 지속적으로 모니터링한다.

- 데이터 전송: 수집된 데이터는 무선 통신 기술(예: Bluetooth, LoRaWAN)을 통해 스마트폰이나 클라우드 서버로 전송되어, 실시간으로 상황을 확인할 수 있다.

• 건강 모니터링 기능

- 온도 및 습도 센서: 다양한 환경에서 환경미화원의 체온 및 습도를 측정하여, 열사병이나 저체온증과 같은 건강 위험 요소를 사전에 감지한다.

- 심박수 및 산소포화도 모니터링: 심박수 센서를 통해 작업 중의 심박수를 실시간으로 모니터링하여 과도한 스트레스나 피로를 조기에 인지할 수 있도록 한다. 또한 산소포화도 모니터링을 통하여 위급 상황 발생을 빠르게 전달한다.

• 사용자 친화적인 디바이스

- 이상징후 알림시스템 구축: 수집된 데이터를 기반으로 유해가스 농도가 특정 기준치를 초과하거나 건강 지표에서 이상 징후가 감지될 경우, 즉각적으로 사용자에게 알림을 제공하는 시스템을 구축한다. 이를 통해 사용자는 신속하게 대응할 수 있다.

- 데이터 분석 및 보고서 생성: 수집된 데이터를 기반으로 주기적인 건강 및 환경 상태 보고서를 생성하여, 관리자가 환경미화원의 작업 환경을 개선할 수 있도록 지원한다.

- 커스터마이징 가능한 센서: 직군별 주요 유해물질 항목이 다르므로, 근무자의 작업환경에 맞추어 측정항목 및 센서 변경이 가능하도록 한다. 추후 다양한 산업군에도 적용가능성이 있다.

• 즉각 대응 시스템 구축

- 안전 대피 경로 안내: 유해가스 농도가 위험 수준에 도달했을 때, 사용자가 즉시 안전한 장소로 대피할 수 있도록 미리 설정된 대피 경로와 안전지역을 안내한다.

- 개인보호장비(PPE) 착용: 유해가스 노출 시 즉각적으로 개인 보호 장비(예: 방독면, 장갑, 보호복)를 착용하도록 지시한다. 이를 통해 유해물질의 직접적인 접촉을 최소화한다.

- 응급처치키트 제공: 현장에서 사용할 수 있는 응급처치 키트를 제공하여, 유해가스 노출로 인한 초기 증상(예: 호흡곤란, 피부 자극 등)에 즉각적으로 대응할 수 있도록 한다.

- 전문가 호출 기능: 유해가스 노출 시, 현장에서 즉시 전문가를 호출할 수 있는 기능을 통해 신속한 도움을 받을 수 있도록 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

가. 응급 구조대원에게 보급되는 TDA Research의 웨어러블 화학센서

그림 3. 응급구조대원에게 보급되는 웨어러블 화학센서(출처: U.S. Department of Homeland Security)

TDA Research에서 개발한 웨어러블 화학 센서는 DHS의 지원을 받아 응급 구조대원이 유해 화학 물질에 노출되는 것을 방지하기 위해 제작되었다. 이 소형 기기는 암모니아, 염소 등 유독성 산업 화학 물질(TICs)을 실시간으로 감지하며, 경고음, 시각적 신호, 진동으로 위험을 알린다. 보호 장비와 쉽게 통합되도록 설계되었으며, 저렴한 교체 가능한 센서 스트랩을 사용한다는 장점이 있다. 이 기술은 기존 안전 프로토콜을 보완하도록 설계되어 현장 내 상황 인식과 의사 결정 능력을 향상시키는 역할을 한다.

나. 3M 직업 현장을 위한 개인 공기 질 샘플링 배지

그림 4. 직업 현장을 위한 개인 공기 질 샘플링 배지(출처: [1])

3M의 집게형 유해인자 샘플링 시료측정기는 특정 가스와 증기에 대한 개인 시료 측정을 통해 작업 환경에서 유해 물질 노출 수준을 확인하고, 적절한 호흡 보호구 및 정화통을 선택하는 데 도움을 준다. 이 과정은 근로자의 위험을 확인하고, 공기 샘플을 수집해 산업 위생 연구소로 보내 노출 수준을 직업적 노출 한도와 비교하는 절차로 진행된다. 위험이 제거되지 않으면 3M의 호흡보호구 선택 가이드와 맞춤형 호흡기 보호 프로그램을 통해 적절한 보호구를 선정한다.

다. PurpleAir Flex 실시간 공기질 모니터링

그림 5. Purpleair(출처: [2])

PurpleAir Flex는 PurpleAir의 최신 공기질 모니터 중 하나로, 주거, 상업 또는 산업용도의 실시간 PM2.5 농도를 측정한다. 풀 컬러 LED가 포함되어 있어, 그 결과 나오는 빛은 한눈에 실시간 공기질을 나타내며 실내 또는 실외에 설치할 수 있다. 내장 WiFi를 통해 공기질 모니터는 실시간 PurpleAir 맵으로 데이터를 전송할 수 있으며, 이 맵은 저장되어 모든 스마트 기기에서 사용할 수 있다.WiFi 접속이 제한적인 지역의 경우, PurpleAir Flex PM2.5 측정 장치는 실시간 시계와 SD 카드 기능을 통합하여 센서가 데이터를 기록하고 microSD 카드에 저장할 수 있다. 이후에는 교체할 수 있는 센서를 통해 기능을 확장할 수 있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

가. 환경정보 측정을 지원하는 웨어러블 장치

나. 공기 중 위험상황 감지를 위한 웨어러블 가스 측정 시스템

• 기술 로드맵

그림 6. 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

가. 테스토코리아의 testo DiSCmini

그림 7. testo DiSCmini(출처: testo 초미세먼지 측정 솔루션.pdf)

나. 씨피디그룹의 캠지에어(CAMG-A1000)

그림 8. 캠지에어(CAMG-A1000)(출처: [3])

다. Aeroqual의 Series 500 Portable Air Quality Monitor

그림 9. Aeroqual의 AirQuality Monitor(출처: [4])

• 마케팅 전략 제시

가. 경쟁 제품과의 차별성

가격 측면에서는 TDA Research의 웨어러블 화학센서 배지(200달러, 한화 27만원), Series 500 Portable Air Quality Monitor(275만원)와 비교하면, 15만원 내외로 가격면에서도 경쟁 제품에 비해 유리하다.

기능적인 측면에서는 한 번에 여러 항목을 측정할 수 있으며, 데이터 전송 및 추출을 위해 기타 장치가 필요하지 않아 즉각 대응이 가능한 점, 센서 교체를 통해 환경미화원(타겟)에게 최적화된 항목 측정 가능, 자동 데이터 저장 및 보고서 생성 등에서 차별성을 지닌다.

또한, 외형적인 측면에서는 목표로 하는 무게가 200g으로 경쟁 제품 testo DiSCmini(700g) 보다 휴대하기 용이하며, 밴드형으로 제작할 경우 허리, 발목, 손목 등 다양한 곳에 착용이 가능하다. 심박수와 체온을 측정하는 밴드가 필요 없는 경우, 조끼나 재킷 등에 부착하여 사용할 수 있어 활용성이 뛰어나다.

나. SWOT 분석

그림 10. SWOT 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과 - 실시간 데이터 수집 및 모니터링

해당 기기는 다양한 센서를 통해 대기 중 유해물질 농도, 체온, 심박수 등의 데이터를 실시간으로 수집한다. 이는 환경미화원이 근무하는 동안 자신이 노출되는 위험을 직접 확인할 수 있게 하고, 행동 지침을 제공하여 위험한 상황을 예방하는데 기여할 수 있다. 또한, 직무에 따라 필요한 데이터를 맞춤형으로 수집하여 제공하는 기능은 환경미화원의 건강을 더 효육적으로 관리할 수 있게 한다.

사회적 기대효과 - 정책 지원 및 통계 활용

수집된 데이터를 자동으로 보고서화 하여 문서로 남기고, 관련 기관에 전송함으로써, 정책 수립 및 개선의 기초 자료로 활용할 수 있다. 이는 전체적인 환경 관리 체계의 향상뿐만 아니라, 지속 가능한 근무 환경 조성을 위한 사회적 책임에 도움을 줄 수 있을 것이다.

경제적 기대효과 - 직업 안정성과 건강 관리 비용 절감

환경미화원의 근무환경이 개선됨에 따라 직업병 발생률이 감소함으로써, 직업 안정성 또한 증가할 것이다. 나아가 환경미화원에 대한 사회적 인식 변화와 긍정적 이미지 형성에 기여할 수 있다. 또한, 의료비용과 관련된 경제적 부담이 줄 수 있으며, 사회 전체의 의료비 절감 효과로 이어질 것이다.

정책적 파급효과 - 근무환경 실태조사 및 정책 활용

환경부는 2022년 6월, 주간작업 전환, 3인 1조 작업, 악천후로부터 보호 등 환경미화원의 안전한 노동 환경을 구축한다는 ‘환경미화원 작업안전 가이드라인’을 발표했지만, 대다수의 작업장에는 반영되지 않고 있다(SURFER, 2022). 실제로 환경미화원의 인터뷰에 따르면, 악천후로 작업을 중지하는 경우는 드물다며, 악천우에는 노동 강도가 더욱 높아진다고 호소했다.

고용노동부(2024)에서 한랭질환, 미세먼지 대책, 추락 및 끼임 사고 가이드 등을 안내하고 있지만, 여전히 권고 사항이며, 업무 과다 및 민원 등 현장 특성상 가이드라인을 지키기 어려운 경우가 많다.

이와 같이 현재 시행되고 있는 작업안전 가이드라인은 권고사항에 불과하여 현장에서 제대로 지켜지지 않고 있다. 이에 해당 기기로 환경미화원의 작업 환경을 실시간으로 모니터링하여 즉각 대응을 취할 수 있게 하고, 데이터 수집 및 자동 보고서화를 통해 이후 통계자료, 정책 등에 활용될 수 있도록 하는 것이 목표이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

표 2. 기술 개발 일정

구성원 및 추진체계

표 3. 구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

표4. 제품 요구사항 및 중요도

목적 계통도

그림11. 설계의 목적계통도

QFD(Quality Function Deployment)

그림12. 설계의 QFD

개념설계안

WAVE 기기

그림13. 프로토 타입

그림14. WAVE 기기 시스템

환경미화원이 WAVE 기기를 착용하고 근무를 시작하면, 실시간으로 유해물질을 감지할 수 있는 체계가 작동된다. 작업자는 자신의 스마트폰과 WAVE 기기를 블루투스로 연결하여 WAVE MONITOR 앱에서 실시간 데이터를 수집하게 된다. 이 앱은 환경 데이터를 자동으로 기록하여 하루의 작업 환경을 모니터링하며, 사용자는 근무 중에 발생하는 위험 또는 경고 상황을 즉각 알 수 있도록 팝업 알람을 제공한다. 예를 들어 유해물질의 농도가 위험 수준에 도달하면, 앱은 즉시 경고를 표시해 신속한 대처가 가능하게 한다. 이를 통해 작업자는 실시간으로 환경 상태를 파악하며, 즉각적으로 필요한 보호 조치를 취할 수 있다.

근무를 종료할 때, 사용자가 블루투스 연결을 해제하면 하루 동안의 작업 환경 데이터가 자동으로 보고서 형태로 정리된다. 보고서는 측정된 주요 항목과 평균 수치, 경고 발생 횟수 등을 간략히 요약하여 제공해, 작업자가 그날의 환경 노출 상태를 한눈에 확인할 수 있도록 한다. 이러한 보고서는 매일 자동으로 축적되며, 매월 말에는 각 항목별 노출 수치와 변동 패턴이 포함된 월간 보고서가 생성된다. 이 월간 보고서는 각 유해 인자별로 데이터를 그래프 및 차트 형태로 시각화하여, 작업자의 한 달간 노출 경향을 손쉽게 파악할 수 있게 해준다.

특히, 월간 보고서에서 특정 유해 인자가 기준치를 초과하거나 이상치가 반복적으로 발생한 경우, 시스템은 익월 건강검진을 권고하는 알림을 제공한다. 이는 작업자의 건강 보호를 위해 추가 검진을 유도하고, 문제를 조기에 확인하여 예방적 조치를 취할 수 있는 기회를 제공한다. 이와 같은 자동화된 모니터링 및 보고 체계는 환경미화원의 건강을 관리하는 데 있어 중요한 역할을 하며, 작업 환경 개선을 위한 데이터로도 활용될 수 있다.

센서 모식도

그림15. 모식도

환경미화원의 작업 환경을 측정하기 위해 온도, 습도, PM10, PM2.5, TVOC, CO2, CO, NH3, NO2 등을 측정하고자 한다. 이를 위해 DHT22 센서, PMS7003 센서, CCS811 센서, MICs-6814 센서 등을 설치한다. 또한, 블루투스 모듈과 LCD 판을 연결한다. 블루투스 모듈을 설치하여 앱과 연동 가능하게 한다. LCD 판은 농도와 안내사항을 즉시 확인할 수 있게 한다. 아두이노 보드와 센서들을 보호할 수 있는 케이스를 제작한다. 케이스 내부에 외부 공기가 들어올 수 있도록 구멍을 뚫는다. 케이스 내부에 있는 센서가 이 구멍을 통해 들어온 공기의 유해물질을 측정한다. 측정된 결과값은 앱을 통해 확인 가능하고, 위험/경고 기준을 넘으면 알림이 가도록 한다. 측정된 값은 자동 보고서화 되어 그래프 등으로 확인 가능하다. 이 보고서는 자동 저장되어 지난 기록들을 확인할 수 있고, 추후 산업재해 피해 등에 도움이 되는 근거 자료로 활용 가능하다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

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상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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