덮어조씌워조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 대기질 자동감지 센서를 이용한 환기식 보호각 설계 및 관리자용 모니터링 시스템 개발

영문 : Design of Ventilation Shelter using Automatic Air Quality Detection Sensor and Development of Monitoring System for Administrator

과제 팀명

덮어조씌워조

지도교수

박영권 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 홍**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 서**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 심**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 현존하는 우리나라 야외 문화재는 대부분 석재로 이루어져 있어 여러 가지 환경과 주변 여건으로부터 많은 영향을 받고 있다. 특히, 탑골공원에 있는 원각사지 십층석탑은 국보 제2호로 세조 13년(1467년)에 조성되었으며 창건 이래 한 번도 해체한 적이 없이 원위치에 원형대로 유지되어 와 역사적 가치가 높으며, 조선 시대 조성된 탑 중 형태가 특이하고 표현장식이 풍부하여 미술사적으로 훌륭한 걸작으로 손꼽히고 있다. 우리나라 석탑의 대부분은 화강암으로 이루어져 있는데 비해 대리암으로 이루어져 유백색의 색감과 화려한 조각이 어우러진 아름다운 탑이다. 대리암의 성질로 인해, 외부요인에 의한 손상에 훨씬 취약하다는 단점이 있다. 이 석탑은 5백 년 이상 대기 환경에 노출되어 인위적 및 자연적 풍화 훼손이 진행된 상태이며, 위치한 곳이 대도심의 중심가로 산업의 발달과 인구 밀도가 높아지면서 동반되는 환경변화와 대기오염으로 훼손이 가속화되어 대책이 시급해졌다. 이에 따라 풍화와 훼손의 위험으로부터 석탑을 보존하기 위해 1999년 12월에 외부에 유리 보호각을 설치하였다. 유리 보호각 설치 이후 산성비를 비롯한 대기 환경변화와 조류의 배설물 등으로부터 직접적인 오염 노출은 차단되었다. 그러나 보호각 설치 이후 내부에 충분한 통풍량이 확보되지 않아, 낮은 기류로 인한 보호각 내부로 유입되는 부유 먼지의 침적과 보호각 상부의 누수 및 결로, 관람환경 저해 문제 등의 이차적인 문제가 지속적으로 제기되고 있다.

◇ 따라서 본 과제에서는 손상요인으로부터의 보호, 주변 경관과의 조화를 고려한 미관적 측면, 내부 모니터링을 통한 청결 유지관리 측면을 모두 고려한 새로운 보호각을 설치해 옥외 석조문화재를 보존하고자 한다. 개략적인 구성으로는 자연 환기와 기계 환기를 모두 이용한 하이브리드 환기 시스템을 이용하고 모니터링 시스템을 활용하여 관리하는 형태이다. 내부 공기질 자동감지 시스템을 통해 공기질이 악화되었을 때 선택적으로 기계 환기 시스템을 가동함으로써 경제적인 부분도 해결할 수 있을 것으로 기대한다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 개발 과제의 배경

석조문화재는 대부분 건조 시기가 천년이 넘고 자연적, 인위적 손상이 심해 원래의 모습이 크게 훼손되어 있으며 구성암석의 강도도 크게 약화되어 있다. 석조문화재의 손상요인은 비, 바람, 기온변화, 대기오염, 미생물 등의 환경요인에 의한 풍화 훼손과 조류 배설물 등이 있다. 석조문화재의 풍화, 훼손에 영향을 미치는 대기오염물질은 황산화물, 질소산화물, 미세먼지, 매연 등이 있으며, 이러한 대기오염물질은 지상에 건조된 상태 또는 빗물 및 수분에 녹아 산성우와 산성안개 및 산성눈 등의 형태로 영향을 미치게 된다. 이러한 빗물과 바람에 따른 풍화작용을 방지하고 자외선과 복사열을 차단해 재질의 열화현상을 방지하는 용도로 보호각을 설치했다. 
 그러나 문화재 보존을 위한 보호각의 설치가 그 특성 등을 고려하지 않고 행정편의주의적으로 강행되어 문화재를 망치고 있다는 비난이 크다. 현재 설치된 보호각은 내부 기류가 낮아 환기공을 통해 내부로 유입된 먼지가 석탑표면에 집적해 외부로 유출되지 못한다는 문제를 가진다. 보호각은 단순히 문화재를 보호하는 부가시설로서 보호적 기능을 가질 뿐만 아니라, 그 자체로 직접적인 관람환경을 제공하는 기반시설이다. 이는 보호각의 기능적 측면 뿐 만 아니라, 관람의 저해를 가져오는 건축 디자인적 측면을 경시할 수 없음을 뜻한다. 즉, 주변경관과 조화를 이루어 관람에 지장이 없도록 디자인하며 보호각의 청결을 지속적으로 유지해야한다.
따라서 본 과제는 손상요인으로부터의 보호, 미관적 측면, 청결유지 관리 측면을 모두 제고한 보호각을 설치해 옥외 석조문화재를 보존하고자 한다. 

◇ 개발 과제의 효과

1. 문화재 보호 측면 
- 가장 문제되는 보호각 내부의 환기를 본 발명으로 해결함으로써, 통풍량을 확보하고 온도, 습도를 외기와 비슷하게 유지해주어 본래 야외문화재이었던 것의 보 존 적합성을 확보할 수 있게 된다. 즉, 환기 시스템을 갖춘 새로운 보호각을 설계하여 미세먼지 등으로 인한 문화재 오염을 방지할 수 있다.
- 필터를 설치하여 공기가 유입될 때 오염물질의 유입을 최소화한다. 
- 보호각의 설치 기준을 마련하여 추후 옥외 석조 문화재의 보존에 도움을 줄 수 있다.

2. 미관적 측면
- 문화재의 경관을 해치지 않는 디자인으로 설계함으로써 주변과 조화를 이루는 외관을 조성할 수 있다. 

3. 관리적 측면
- 실시간 내부 대기질 감지 시스템으로 효과적으로 내부 대기질 모니터링이 가능하다.

개발 과제의 목표와 내용

본 발명의 개략적인 구성으로는 자연 환기와 기계 환기를 모두 이용한 혼합형 환기 시스템 형태이다. 내부 공기질 자동감지 시스템을 통해 공기질이 악화되었을 때 선택적으로 기계 환기 시스템을 가동함으로써 보호각 내부의 공기질을 문화재에 손상이 가지 않는 범위 내에서 관리 할 수 있게 된다. 따라서 본 설계안의 목표는 다음과 같다.

◇ 개발 과제의 목표

1. 문화재의 온전한 보존을 위한 보호각의 필요성을 제고하고, 보호각의 기능적 효용성을 높여 훼손을 유발하는 오염물질로부터 문화재를 보호한다.

2. 보호각 설치시 원활한 관람을 위해 문화재와 주변 경관과의 조화를 고려하여 미적요소를 결정한다.

3. 보호각 설치 기준을 제시하고 관리 시스템을 도입하여 문화재를 보다 면밀히 관리하는 방안을 마련한다.

◇ 개발 과제의 내용

1. 내부 대기질 감지센서와 환기시스템을 갖춘 보호각 개발 
- 문화재 훼손을 일으키는 오염인자들을 조사하고, 영향을 미치는 농도와 기준치를 결정하여 내부 대기질 관리의 가이드라인을 제시한다. 
- 보호각 내부에 대기질 감지센서를 설치하여 내부 공기질을 데이터화하고, 이를 시스템으로 확인할 수 있도록 한다. 
-내부 공기질 최적화를 위한 보호각 환기시스템의 규모와 위치를 설정한다. 

2. 보호각의 디자인에 대한 가이드라인 제시 및 관리시스템 시스템 도입 제안 
- 원활한 관람을 위해 당해 문화재와 주변 관경이 조화를 이룰수 있도록 건축 디자인적 측면을 고려한다. 미적요소를 해치는 기존 보호각의 문제점을 조사·연구하여 다양성을 포함하는 보호각의 디자인을 새로이 제시한다.
- 내부 대기질 데이터와 문화재 현장 상황을 받아 볼 수 있는 시스템을 제시하여 효과적인 관리를 가능케 한다. 관리자는 시스템을 통해 실시간으로 문화재에 영향을 미칠 수 있는 오염인자들의 농도를 알 수 있다.

관련 기술의 현황

State of art

◇ 우리나라의 보호각 사례
우리나라에서는 외부 요인으로부터 석조문화재를 보호하기 위해 110기의 보호각이 설치되어 있으며, 그중 폐쇄형의 경우 총 2기의 보호각이 존재한다.

1) 원각사지십층석탑(서울시 종로구)

대표적인 밀폐형 보호각의 예이다. 원각사지십층석탑의 보호각은 사면이 유리로 둘러싸인 형태로, 외부로부터 출입을 통제하는 현대식 밀폐형 보호각이다. 직사광선을 막기 위해 반사형 강화유리를 사용하였고 별도의 환기 시스템이 없어 천장과 옆면의 통풍구를 통한 자연적인 환기만 이루어지고 있다. 

2) 대흥사 북미륵암 마애여래좌상(해남)

현대식과 전통식이 혼합된 폐쇄형 보호각이다. 유리 온실 모양의 보호 전각으로 내부 출입이 가능하다. 

◇ 해외의 보호각 사례

1) 광개토대왕릉비(중국 지안시)

외부 오염으로부터 문화재를 보호하기 위한 유리 보호각이 설치되어 있다. 통풍을 위한 설비가 제대로 갖추어지지 않았고 유리로 둘러싸여 있어 보호각 내부의 온도가 매우 높다. 관람을 위한 내부 출입이 가능하다.

기술 로드맵

특허조사

특허전략

◇ 현재 외부석조문화재를 보존하기 위해 설치된 보호각에 관한 특허는 존재하지 않는다. 원각사지십층석탑의 보호각은 별도의 환기시설 없이 자연 환기만 이루어지고 있다. 본 과제에서는 자연 환기와 기계 환기를 결합한 혼합형 환기 시스템을 도입하여 새로운 보호각을 설계하고자 한다.

◇ 기존 유리 보호각에는 대기질 감지시스템이 설치되어 있지 않아 관리에 어려움을 겪고 있다. 본 과제에서는 대기질, 습도가 일정하게 유지되고 먼지나 해충이 들어가지 않도록 하는 것을 목적으로 한다.

◇ 센서를 통해 보호각 내부 공기질을 측정하고 그 결과가 대기환경기준의 기준치를 초과했을 때 환풍기를 가동함으로써 전력사용을 최소화하여 환기를 가능케 한다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇ 원각사지 10층 석탑 보호각

- 서울 탑골공원에 있는 원각사지 탑의 보호각으로 예산 10억 원이 투입되어 99년 완공되었다.

- 4면이 강화유리로 둘러싸고 있는 폐쇄형 보호각이며, 각 면의 모서리에 통풍구를 만들어 외부공기의 유입을 가능케 하였다.

- 보호각 상부와 하부에 필터를 설치하였으며 내부에는 철골 지지대를 설치하여 구조적 안정성을 확보하였다. 누수현상을 막기 위한 보수작업과 분진 제거 보존처리가 이루어진 바 있다.

마케팅 전략

◇ 높은 초기비용이 들지만, 문화재는 한번 상실되면 원상 복원이 불가능한 불가역적인 가치재기 때문에 투자에 당위성이 있다. 또한, 원각사지 10층 석탑 외에도 다른 문화재에 적용, 확대하여 문화재의 가치를 보존할 수 있다.

◇ 문화재 보존에 적합한 공기질을 조성하기 위해 기계환기 시스템을 도입하고 실시간 자동감지 센서로 관리 감독하게 한다. 또한, 보호각의 크기를 키워 폐쇄형 보호각의 습도, 온도 등을 외기와 비슷하게 유지할 수 있다. 이를 통해 공기질 관리 및 규격 기준을 제시한다.

◇ 국가적 차원에서 문화재 보존에 대한 필요성을 지속적으로 홍보하여 시민의 인식을 개선하고 충분한 예산을 확보한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 하이브리드 환기 시스템을 설치한 보호각 최초 개발 - 자연 환기와 기계 환기를 결합한 혼합형 환기 시스템을 도입하여 보호각 내부를 강제로 순환시킴으로써 미세먼지를 배출하여 오염물질로부터 문화재를 보호할 수 있다. - 미세먼지를 효과적으로 차단하기 위해 급기구에 필터를 부착하여 미세먼지와 오염물질의 유입을 방지하고, 배기구에는 송풍기를 설치하여 보호각 내부공기의 순환을 통해 효과적으로 미세먼지를 배출할 수 있다. - 대기환경기준으로 보호각 내부의 미세먼지 농도를 PM10은 100μg/m³ 미만, PM2.5는 35μg/m³ 미만으로 저감하여 미세먼지에 의한 문화재의 오염을 방지할 수 있다. - 기존 보호각은 내부 기류의 순환이 저해되어 문화재에 2차 오염을 발생시키는 것을 확인한 바 있다. 경제성과 효율성을 고려하여 적절한 환기 시스템을 선택하여 2차 오염을 효과적으로 방지한다.

◇ 모니터링 시스템을 통한 관리자의 접근성 증대 - 공기질 자동감지 센서를 이용한 모니터링 시스템을 통해 관리자의 접근성을 증대시킴으로써 전반적인 제어 시스템을 확립한다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 선택적 환기 시스템을 통한 필요전력량 감소 - 환풍기를 24시간 가동시킬 때 보다 공기질 관리시스템을 통하여 선택적으로 가동하면 전력소비량을 줄일 수 있다.

◇ 보호각 개발을 통한 문화재 보존 및 방향 제시 - 기존 보호각의 문제점을 개선한 보호각을 개발하여 문화재 보호 효율을 향상시키고, 문화재 기준을 제시함으로써 앞으로 문화재 보호각을 설치할 때에 제대로 마련된 기준에 맞춰 문화재를 알맞게 보호할 수 있다.

◇ 문화재 관람 편의 증대 - 주변 경관을 고려하여 보호각 외관을 디자인하고 시민들로 하여금 문화재 관람에 어려움이 없도록 한다.

구성원 및 추진체계

◇ 홍선아: 업무 총괄 및 경쟁력 분석, 특허출원
◇ 심혜령: 상세 설계 구성 및 특허출원
◇ 이유진: 경제성 평가 및 최종 설계 구성
◇ 서혜정: 개념 설계 구성 및 경제성 평가

설계

설계사양

제품 요구사항

평가 내용

목적계통도

본 설계의 요구사항을 반영하여 목적계통도를 3가지 요소인 기능성, 심미성, 경제성으로 나누어 나타내었으며 목적계통도에서 세분화한 항목이 지닌 장점에 대해 파악해볼 수 있다. 

QFD

◇ QFD는 신제품 개념 정립, 설계, 공정계획에서부터 판매까지 모든 단계에서 고객의 요구가 최종 제품과 서비스에 충실히 반영되도록 하여 고객을 만족시키는 데 초점을 두는 품질 관리 기법이다. 이는 고객 요구사항과 기술적 요구사항의 상관관계를 도출하는 것으로, HOQ(House Of Quality)를 통해 효과적이고 체계적인 제품 설계를 할 수 있다. 본 평가에서는 아래 5가지의 Step을 통해 QFD를 작성하였다.

Step 1. 고객 요구사항 주 고객층은 문화재를 보호하는 문화재청, 정부이다. 해당 고객층에게 맞는 요구사항을 작성한다. Step 2. 중요도 고객 관점에서 각 항목의 중요도를 1, 3, 5 (= 하, 중, 상)으로 수치화하여 나타낸다. Step 3. 기술적 요구사항 설정 - 본 기술과제에 요구되는 기술적 요구사항들을 설정한다. Step 4. 고객의 요구사항과 기술적 요구사항과의 관계 고객의 요구사항과 기술적 요구사항과의 상관관계를 기호로써 설정한다. 기호는 ◎(높음, 9), ○(보통, 3), △(낮음, 1), 공백(상관 관계없음, 0)이다. Step 5. 기술적 요구사항 간의 관계 HOQ의 지붕에 해당하며, 각 설계변수 간의 관계를 위와 같은 기호로 설정한다.

개념설계안

◇ 본 과제의 전체적인 개념설계안은 다음과 같다.

◇ 최대한 자연환기를 유지하되 내부 공기질이 나빠졌을 경우나 필요한 경우에 팬을 사용해 기계 환기를 함으로써 보호각 내 공기 환경을 효과적으로 유지하면서 에너지 소비량을 저감하는 방식으로 설계하였다.

◇ 본 설계 내용을 토대로 TinkerCad를 활용해 보호각 도안을 만들었다.

이론적 계산 및 실험

이론적 계산

내용

실험

내용

조립도

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

설문조사

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

내용

향후평가

◇ 국내 보호각의 설치 및 관리에 대한 기준 부재의 상황에서, 그에 대한 가이드 라인을 제시함으로써 문화재 보존의 획기적인 방안이 될 수 있다.
◇ 자연 환기만 적용된 기존 보호각이 가지고 있던 문제점을 개선한 혼합식 환기 시스템을 도입함으로써 원각사지 십층석탑 뿐만 아니라 화순의 운주사 등 국내의 다른 외부 석조 문화재에 적용할 수 있도록 하여 추후문화재의 바람직한 보존을 목표로 한다. 
◇ 문화재에 대한 구체적인 조사와 기술적인 시뮬레이션을 통해 보다 정확한 데이터를 확보하여 전체적인 시스템을 발전시키고, 이를 통해 전 시스템의 효율적인 자동화를 이루도록 한다. 
◇ 문화재의 효율적인 보존과 추가적인 홍보 등을 통해 국민의 문화재에 대한 인식과 문화생활 향상을 도모하고 이로 인해 문화재의 사회경제적 가치를 창출할 수 있다. 
◇ 문화재청에서 본 설계의 모니터링 시스템을 도입한다면 현재 분산된 업무를 통합적으로 관리할 수 있고, 이로써 총괄적인 문화재 보존·관리 체계 구축이 가능할 것이다. 
◇ 본 설계에서 제안하는 가이드 라인의 도입과 문화재청 및 정부의 협력 등 추가적인 노력이 수반된다면 본 시스템이 문화재 보존에 미치는 긍정적인 영향은 더욱 극대화될 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

[1]문화재 보존과학과 보존처리, 김세경 동덕여자대학교 박물관, 2007

[2]문화재 유지관리, 2007

[3]건물의 공조기 에어필터 성능에 관한 연구, 류재식 외, 대한건축학회 학술발표대회 논문집, 2014

[4]문화재와 보존환경, 강대일, 국립문화재연구소, 2003

[5]이건창호 가이드 책자, 이건창호

[6]미세먼지 문제 해결을 위한 건축물의 환기설비 유지관리 매뉴얼(2019,국토교통부)

[7]전통건축식 문화재 보호각의 보존환경 특성과 개선방안 연구

[8]석조문화재 보호각의 형식과 기능에 관한 고찰, 공주대학교 문화유산 대학원, 김경애, 2014.02

[9]해남 대흥사 북미륵암 마애여래좌상, 불교신문, 2014.12

[10]연재 | 장태동의 여행과 상념 - 서울 탑골공원과 수운회관, 나무신문, 2016.06

[11]국가지정문화재 보수복원사업 추진실태 감사보고서, 2019.02.

[12]서울 원각사지 십층석탑의 표면오염물 형성과정, 국립문화재연구소 보존과학연구실, 2016

[13]실내공기질 관리법 시행규칙 [환경부령 제858호, 2020. 4. 3., 일부개정]

[14]서울 원각사지 십층석탑의 보존환경 개선을 위한 조사 연구, 이선명, 전유근, 임보아, 2014

[15]원각사지10층석탑 보호각 내부 보존환경 조사연구, 보존과학연구 23집

[16]송풍기의 용어 및 단위, TS AIRTECH

[17]Investigation on the environment of facilities for conservation of the Ten storied stone pagoda of Wongaksa Temple site, Jung Ki Hong, Doo Sung Eom and Soon Kwan Kim

[18]CVM을 이용한 근대문화유산의 가치평가에 관한 연구, 정민섭 한혜숙 박선희, 2008

[19]문화유산의 가치평가에 관한 연구, 조민, 2004

[20]문화재 보존의 사회 경제적 가치 및 일자리 창출에 미치는 효과, 한국산업개발연구원, 2013.12

관련특허

[1] 문화재 전시용 밀폐형 진열장의 하부장을 이용한 환기장치 출원번호 : 10-2000-0027053 출원인 : 주식회사 시공테크

[2] 전시물 보존을 위한 진열장 출원번호 : 10-2005-0036336

소프트웨어 프로그램 소스

내용