01분반 1조 살려wear조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 의류 폐기물 재활용율 향상을 위한 천연섬유 자동 분류 시스템 설계

영문 : Design of an Automated Natural Fiber Sorting Systemto Improve Clothing Waste Recycling Rates

과제 팀명

살려wear

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2025년 03월 ~ 2025년 06월 (총 04개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2020890*** 이*든(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2020890*** 양*현

서울시립대학교 환경공학부 2020890*** 유*서

서울시립대학교 환경공학부 2020890*** 황*규

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

- 패스트패션으로 늘어난 폐의류 문제를 해결하기 위해 근적외선(NIR) 기반의 자동 섬유 선별 시스템을 구축하는 것을 목표로 한다.

- 현재 수작업에 의존하는 섬유 분류를 NIR 센서와 기계학습(SVM, KNN)을 활용해 자동화하여 정밀하고 빠른 분류를 가능하게 하고, 공압 제어 장치와 자동화 라인으로 연계하여 처리 효율을 높인다.

- 이를 통해 폐의류 재활용률을 높이고, 자원순환형 섬유 산업을 촉진하며, 환경오염을 줄이고 지속가능한 자원관리에 기여한다.

개발 과제의 배경

- 세계적으로 패스트패션 확산으로 의류 생산량과 폐의류 발생량이 크게 증가하고 있다. (2019년 5.9만 톤에서 2021년 11.8만 톤으로 증가. 이후 10만 톤 이상 유지)

- 한국은 중고 의류 수출 세계 5위국이며, 대부분의 폐의류가 수출되고 있으나 중국의 폐의류 수출 급증으로 세계 시장에서 공급 과잉 문제가 발생하고 있다.

- 국내 친환경적 폐의류 처리 방안 마련이 필요하지만, 이를 위해서는 천연섬유와 합성섬유의 정밀 분리가 필수적이나 현재는 수작업과 단순 기계에 의존해 효율성과 정확성이 낮다.

- 이에 따라 효율적인 자동 분류 기술 개발이 필요하며, 이를 통해 폐의류 처리 효율을 높이고 환경오염을 줄이고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 개발과제의 목표

① 폐의류를 구성하는 섬유 종류를 정확하게 식별할 수 있는 NIR 기반 분광 시스템을 구현하고

② 분석된 결과를 바탕으로 공압 분사 방식 등 기계적 선별장치를 통해 폐의류를 자동 분류하며

③ 선별된 폐의류의 품질 기준에 따라 후속 자원화 공정과 연계 가능한 구조를 구축하는 것이다.

2) 개발과제의 내용

① 폐의류 수거 및 입력 시스템 설계: 근적외선(NIR) 기반 자동 선별을 위해서는 폐의류가 센서 측정 위치를 안정적으로 통과할 수 있도록 이송 시스템을 구축

② 근적외선(NIR) 기반 섬유 판별 시스템 개발: 이송된 폐의류는 근적외선 분광 센서를 통과하며, 센서는 섬유의 반사 스펙트럼을 수집한다. 수집된 스펙트럼은 섬유의 화학적 구조에 따라 고유한 특성을 나타내므로, 이를 분석하여 천연섬유(면, 울 등)와 합성섬유(폴리에스터, 나일론 등)를 구분할 수 있다.

③ 자동 분류 및 분사 시스템 설계: 섬유 분류 결과에 따라 폐의류를 자동으로 분리하기 위해, 공압 분사 방식의 자동 분류 장치를 설계

➡️ 최종적으로, 폐의류 선별의 자동화와 고도화를 통해 재활용률을 제고하고, 의류 폐기물로 인한 환경 부담을 저감하는 것을 본 과제의 핵심 목표로 한다.

- 이를 통해 다양한 섬유 혼합 폐의류도 실시간으로 자동 식별할 수 있으며, RGB 센서와 전용 알고리즘으로 보완성을 강화했다.

- 기술적으로는 스마트 재활용 설비의 표준화 가능성을 열었고, 사회적으로는 재활용률 향상, 자원순환 촉진, 작업자의 안전성 확보, 환경오염 저감 및 지속가능한 순환형 패션 산업 구축에 기여할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

- 경제적·사회적 효과를 산정하기 위해 편익은 자원 재활용률 증가, 고부가가치 원단 회수, 운영비 절감 등으로 구성

- 비용은 시스템 설치·유지관리 요소로 설정한다. 아울러 기후변화 대응 정책, 순환경제 촉진, ESG 제도와 연계된 지원금·규제·사회적 파급 효과를 종합적으로 고려하여 B/C 분석을 수행한다.

- B/C Ratio 분석 결과 약 4.08로 본 시스템의 도입이 경제적 타당성이 매우 높음을 알 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

1) 시스템 완성도: 프로토타입의 구동이 정상적으로 작동하도록 제작 되었는가

2) 선별 장치 정확도: 근적외선을 활용하여 합성섬유를 정확히 선별해내는가

3) 실현 가능성: 기존 수 선별 대비 경제성이 있는가

4) 경제성: 후속 자원화 공정과의 연계 가능한가 + 소각/매립 되는 의류량 저감이 가능한가

설계 사양

1) 의류 제공부 :

- 의류 제공부에서 혼합된 의류를 적합하게 펼칠 수 있는 효과적인 방법 설계

- 유도 가열부를 이용한 건조 및 살균 전처리 과정 설계

- 로봇팔을 이용하여 수작업 최소화

2) 의류 이동부:

- 선별 재합류 형식

- 혼합 섬유의 경우 별도 효율을 높이기 위한 미선별 의류 검증라인 설치

3) 의류 선별부

- RGB 센서를 이용하여 어두운 계열 / 밝은 계열 섬유 구분 및 맞춤 알고리즘 적용

- NIR 센서를 이용하여 NIR 흡수율에 따른 섬유 종 구분

4) 의류 분리부

- 압축 공기 분사 장치를 이용한 자동 분리 설계

개념설계안

위 그림은 본 설계의 CAD 설계안으로, 장치는 로봇팔을 이용하여 컨베이어벨트 위에 의류를 하나씩 연속적으로 올려놓을 수 있는 제공부, NIR 및 RGB 센서와 섬유 선별 알고리즘으로 이루어진 선별부, 선별 결과를 바탕으로 압축 공기를 이용하여 의류를 분리하는 분리부로 구성된다. 해당 과정을 거치며 선별되지 않은 의류는 다시 선별부로 합류하는 구조로 설계했다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1) 이동부(컨베이어벨트) 설계

[컨베이어 이송 속도와 섬유 간 간격 계산]

본 과제의 컨베이어 벨트의 이송 속도는 의류 간 엉킴을 방지하고, 센서 및 알고리즘의 분석 시간이 충분히 확보될 수 있도록 0.5m/s로 설정하였다. 섬유 선별 알고리즘의 처리 시간은 약 1~3초로 예상되며, 이에 따라 의류 간 간격은 최소 0.5m에서 최대 1.5m 이상으로 설정되어야 한다. 컨베이어 속도(0.5m/s) 설정 시 NIR 알고리즘 반응시간(1~3초)에 맞춰 섬유 간 거리를 산정하는 식은 아래 식(1)과 같다. 컨베이어 벨트의 이동속도와 알고리즘 반응 시간을 곱하여 컨베이어 벨트 위의 섬유 간 간격을 구한다.

식(1)에 따라 0.5m/s의 속도로 1초간 이동 시 0.5m, 3초간 이동 시 1.5m의 간격이 필요함을 확인하였다. 따라서 본 시스템에서는 최소 1.2m 이상의 간격을 확보하는 것을 기준으로 설계하여, 데이터 처리 중 의류가 겹치는 현상을 방지하고 시스템 안정성을 확보하였다.

2) 분리부 설계

[압축공기 분사력 계산]

분리부 내 압축공기분사장치의 압력은 플라스틱 재활용 시스템인 TOMRA Recycling Systems 의 제원과 대한설비공학회의 한국표준협회 KS B ISO1217를 참고하여, 0.5 MPa로 설정했다. 위 자료에 따르면, 0.3 MPa 압축 공기로 10~20g의 물체를 충분히 밀어낼 수 있는데, 남성용 17수 티셔츠의 무게가 약 190g 임을 감안했을 때, 0.5 MPa 압축 공기를 사용하는 것이 경제성과 안정성을 보장할 수 있을 것이라 기대된다.

상세설계 내용

1) 식별 대상 섬유 설정

폐의류 섬유 식별 자동화 시스템 구축을 위해 먼저 식별 대상 섬유 목록을 확정하였다. 본 과제에서는 실제 폐의류에서 주요하게 발견되는 섬유를 고려하여 Cotton, Polyester, Nylon, Acrylic의 총 4종을 식별 대상으로 선정하였다. 섬유별 반사 특성 분석을 위해 파장별 반사 스펙트럼 데이터를 확보하였으며, 데이터는 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 제공하는 NIR-SORT 데이터베이스를 활용하였다(https://data.nist.gov/od/id/mds2-3325).

2) 섬유의 반사 스펙트럼 수집을 위한 아두이노 설계

본 설계에서는 폐의류 내 섬유 조성과 색상을 실시간으로 식별하기 위해 아두이노 기반 근적외선(NIR) 및 가시광선(RGB) 센서 시스템을 구축하고자 한다. 아두이노 기반 시스템은 a) SparkFun Triad Spectroscopy Sensor (AS7265x)와 b) TCS34725 RGB Color Sensor를 중심으로 구성되며, 향후 공압식 자동 분류 장치와 연동하여 섬유 종류 및 색상별 분리 작업을 제어하게 된다.

a. SparkFun Triad Spectroscopy Sensor (AS7265x) - 가시광선 및 근적외선(NIR) 감지 센서

- 측정 파장 범위: 410nm ~ 940nm

- 통신방식: I²C 및 UART (I2C 기본 주소: 0x49)

- 전원공급: 3.3V

- 아두이노, Python 라이브러리 제공

b. TCS34725 RGB Color Sensor - 정확한 색상 감지를 가능하게 하는 RGB 컬러 센서

-측정 파장 범위: 약 380nm ~ 780nm

-통신방식: I²C (주소: 0x29

-전원공급: 2.7V ~ 3.6V

-통합시간: 2.4 ms ~ 700 ms

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용