01분반 2조 0존

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 유해물질 감지 기반 연구실 자동 환기 및 실시간 모니터링 시스템

영문 : Hazardous Substance Detection-Based Laboratory Automatic Ventilation and Monitoring System

과제 팀명

0존

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2025년 03월 ~ 2025년 06월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 유**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20228900** 황**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 연구실 내 유해가스나 화학물질 누출로 인한 안전사고를 사전에 예방하고, 보다 쾌적하고 안전한 실험 환경을 조성하기 위한 자동 환기 및 공기질 모니터링 시스템을 구축하는 데 목적이 있다. 연구실에서 발생하는 다양한 유해물질을 실시간으로 감지할 수 있는 센서를 설치하고, 이 데이터를 기반으로 환기 시스템이 자동으로 작동하도록 구성한다. 기준 농도를 초과할 경우 환기 시스템이 가동되어 실내 공기를 신속히 배출하며, 이러한 작동 상태는 웹 기반 대시보드에서 실시간으로 확인할 수 있어 연구원들이 직관적으로 위험 상황을 인지하고 대응할 수 있다. 이 시스템을 통해 연구실 내 사고를 줄이고, 연구원의 건강과 장비를 보호하는 동시에, 안전의식을 고취키는 데 기여하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

화학물질에 대한 노출은 사람의 몸으로 흡수될 수 있는 물질과의 접촉을 의미한다. 노출을 평가한다는 것은 측정 등을 통하여 흡수의 가능성을 추정하는 것을 말한다. 공기 중에 가스와 증기, 흡입성 입자로 존재하는 것은 주로 호흡기계를 통해서 근로자의 몸으로 들어간다. 호흡기계는 인체에 대한 화학물질의 가장 중요한 흡수경로이다. 어떤 물질은 피부나 소화기계를 통해서 흡수되기도 한다. 화학물질을 사용할 때 환기 등 적정한 관리대책을 수립하여 유해성을 낮추었다 해도 환기의 부적절, 근로자의 부주의 등으로 노출 가능성이 높다면 위험은 높을 수 있다.

과학기술정보통신부의 ‘연구실 안전사고 현황’에 따르면 2023년 연구실 안전사고는 395건을 기록했으며, 부상자가 401명으로 처음 400명을 넘어섰다. 연도별로 보면 2020년 225건에서 2021년 291건, 2022년 326건에 이어 2023년 395건으로 점차 가파르게 늘고 있다. 뿐만 아니라 부상자 중 후유장해 등급을 받은 중상자도 2020년 4명, 2021년 6명, 2022년 11명 등을 기록하다 2023년 21명으로, 사고가 2배가량 늘어나는 동안 중상자는 5배 늘어난 것으로 강도도 점차 커지는 추세다. 
지난해 과학기술정보통신부는 유해물질 노출도가 높은 기관 400곳을 집중 관리하는 한편 연구원들이 안전 교육과 연구실 점검 등에 활용할 수 있는 모바일 애플리케이션 ‘랩스’(Labs) 등을 출시했지만, 출시 50여일 간 다운로드 건수는 500여 회에 그친 것으로 나타났다. 이러한 연구실 안전사고 증가와 연구자들의 낮은 안전의식을 고려할 때, 단순한 교육과 점검만으로는 실질적인 변화를 기대하기 어렵다.
 실제로 서울시립대학교 환경공학부의 약 8개 연구실을 대상으로 연구실 안전관리 현황에 대해 설문조사를 진행한 결과, 연구실 내 공기질에 대해 대체로 불만족을 표했으며, 약 60% 이상이 화학사고를 경험했다고 답했다. 그럼에도 불구하고 70% 이상이 안전장비를 착용하지 않고 있으며, 일부 연구자들은 자연 환기가 충분하다고 판단해 인공적인 환기 장치를 가동하지 않는 것으로 드러났다. 
따라서 연구원들의 안전의식을 높이고 연구실 내 유해물질 노출 위험을 줄이기 위해 자동 환기 시스템을 도입하여, 연구원이 별도로 환기 장치를 조작하지 않더라도 최적의 공기질을 유지할 수 있도록 자동화된 시스템을 구축하고자 한다. 또한, 연구원들이 실시간으로 유해물질 농도를 확인할 수 있는 모니터링 인터페이스를 개발하여 시각적이고 직관적인 방식으로 데이터를 전달하여 위험 여부를 쉽게 인지할 수 있도록 하여, 보다 안전한 환경에서 연구를 수행하고 실험실 내의 화학사고를 최소화하는 것이 목표이다.

개발 과제의 목표 및 내용

(1) 설계 대상지 선정

서울시립대학교 환경공학부의 약 8개의 연구실의 연구원들을 대상으로 한 설문조사에 의하면 상당수의 답변자가 연구실에서의 공기질에 대한 불만을 표출하였다. 또한, 마스크와 같은 안전장비는 ‘가끔 착용’ 또는 ‘착용하지 않음’ 응답이 대부분이었는데, 그 이유는 ‘귀찮음’, ‘크게 위험하지 않다고 생각’, ‘불편함’, ‘답답함’ 등으로 나타났다. 연구실 내 환기 시스템의 작동 현황에 대한 이해도 또한 낮았으며, 특히 일부 연구실에서는 작동 기준조차 모르는 경우가 있었다. 따라서 연구실 내의 환기 기준을 명확히 하고, 자동화된 환기 시스템을 구축할 필요가 있음을 확인했다.
실험 도중 유해물질 누출로 인한 불편사항 발생 빈도를 조사한 결과 연 1, 2회에서 많게는 주 1, 2회까지 발생하는 것으로 확인되었으며, 이에 대한 대응 방식도 환기 및 대피로 제한적인 모습을 보였다. 또한, 일부 연구실에서는 바쁨, 대처 방법 미숙 등의 이유로 적극적인 대응이 이루어지지 않고 있었다.
설문 결과를 종합해 보면, 연구실 내 유해물질 노출 위험은 항상 존재하지만 이에 비해 연구원들의 안전 의식 및 대응 능력은 한계가 있음을 알 수 있다. 이에 따라, 안전한 실험 환경 조성을 위해 자동 환기 시스템을 도입하는 것이 필요하며, 설문 응답자들 또한 이에 대해 긍정적인 반응을 보였기에 서울시립대 환경공학부 연구실 중 시대융합관 516호를 설계 대상지로 선정하였다.

(2) 각 연구실에서 배출되는 유해물질 조사 및 환기시스템 작동 기준 설정

① 유해물질 조사

서울시립대학교 환경공학부의 각 연구실에서 배출되는 물질은 설문조사 결과 NH₃, NOx, HCl, H₂,SO₄, CO, CO₂, CH₄, CH₃OH, VOCs, PFAS, 중금속, 타르 등으로 나타났다. 이들 물질은 인체에 유해할 수 있으며, 호흡기 질환, 신경계 손상, 발암 가능성 등을 초래할 위험이 있다. 특히, NOx, HCl, H₂SO₄, VOCs 등은 자극성이 강해 흡입 시 호흡기 손상을 유발할 수 있으며, CO는 산소 운반을 방해하여 심각한 건강 문제를 초래할 수 있다. 또한, 중금속과 PFAS는 체내에 축적되어 장기적으로 독성을 나타낼 수 있다.

② 환기시스템 작동기준

‘화학물질 및 물리적 인자의 노출기준 제1조’에 따르면, 인체에 유해한 가스, 증기, 미스트, 흄, 분진, 소음 및 고온 등 화학물질 및 물리적 인자에 대한 작업환경 평가를 수행하고, 근로자의 건강에 유해하지 않은 기준을 정하여 관리함으로써 유해물질로부터 근로자의 건강을 보호하는 것을 목적으로 한다. 이에 따라, 본 과제에서는 환기 시스템의 작동 기준을 법령에서 정한 노출기준을 기반으로 설정하고자 한다. 노출기준은 시간가중평균노출기준(Time Weighted Average, TWA), 단시간노출기준(Short Term Exposure Limit, STEL), 최고노출기준(Ceiling, C)으로 구분된다. 연구실 및 산업 환경에서는 다양한 화학물질이 혼재하는 경우가 많으므로, 혼합물의 노출기준 또한 환기 시스템 작동 기준에 반영되어야 한다. 혼합물의 노출기준은 다음식과 같이 산출되며,

C1/T1 + C2/T2 + ... + Cn/Tn ( C: 화학물질 각각의 측정치 , T: 화학물질 각각의 노출기준 )

다음과 같은 기준이 적용된다.

- 서로 다른 부위에 작용한다는 명확한 증거가 없는 경우, 각 유해물질의 노출 산출값의 합이 1을 초과하지 않도록 자동 환기 시스템이 작동한다.

- 혼합된 물질이 인체의 서로 다른 부위에 영향을 미칠 경우, 어느 하나라도 개별 노출기준을 초과하면 환기 시스템이 즉시 가동된다.

본 기준은 화학물질 및 물리적 인자의 노출기준 제6조에 근거하며, 연구실에서 근로자의 건강을 보호하기 위해 자동 환기 시스템이 효과적으로 작동하도록 설정한다.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

제품의 요구사항

[표1] 설계 요구사항

설계의 목적 계통도

[그림1] 설계의 목적 계통도

설계 대상지 선정 및 예상 배치도 설계

(1) 연구실 배치도

본 설계의 적용 대상은 서울시립대학교 환경공학부 연구실 중 시대융합관 516호이며 평면도는 다음과 같다.

시대융합관 516호를 기준으로 구성한 환기시스템의 예상 이미지는 다음과 같다.

(2) 세부 배치 내용

⓵ 가스 센서

연구원이 실험 중 유해 물질에 직접 노출될 가능성이 높은 높이를 기준으로 가스 센서를 설치한다. 센서는 일반적인 성인 연구원의 호흡기 위치에 해당하는 높이(약 1.5m 내외)에 배치하여, 실내 공기 중 연구원이 흡입하는 유해 물질의 농도를 실시간으로 감지할 수 있도록 한다.

⓶ 실시간 모니터링 디스플레이

연구원이 시각적으로 유해 물질 농도를 쉽게 확인하고, 필요 시 신속하게 대응할 수 있도록 가시성이 높은 위치에 설치한다. 연구자의 주요 동선과 시야 범위를 고려하여 배치하여 효과적으로 실시간 정보 전달이 가능하도록 설치한다.

⓷ 실시간 모니터링 외부 디스플레이

실험실 외부에서도 내부의 공기질 상태를 실시간으로 확인할 수 있도록 하여, 외부인의 안전 확보와 신속한 대응이 가능하도록 쉽게 시야에 들어오는 위치에 설치한다.

실시간 공기질 모니터링 및 제어 시스템 설계

본 설계의 연구실 내 유해물질 측정 시스템은 실외에서 유입되거나 실내에서 발생할 수 있는 화학적, 물리학적 유해물질을 실시간으로 측정하고, 모니터링 시스템을 통해 연구자들에게 실시간으로 정보를 제공한다. 시스템 구성은 아래와 같다.

(1) 센서 모듈

서울시립대학교 환경공학부의 각 연구실에서 배출되는 물질은 설문조사 결과 NH₃, NOx, HCl, H₂SO₄, CO, CO₂, CH₄, CH₃OH, VOCs, PFAS, H2, 중금속, 타르 등으로 나타났다. 본 설계에서는 이들 물질 중 센서로 효과적으로 감지할 수 있는 가스를 중심으로 설계를 진행하고자 한다. 특히, 다양한 가스를 보다 정밀하게 식별하기 위해 여러 종류의 센서를 조합하여 감지 특성의 차이를 분석하고, 이를 기반으로 유해물질을 구분할 수 있도록 설계하였다. 구체적인 센서별 성능[표2]은 다음과 같다. 모든 MQ센서는 –15°C~70°C 까지 측정할 수 있지만, 열에 민감한 MQ센서의 특성상, 최적의 온습도를 고려하여야한다고 판단하였으므로 온습도 센서도 추가한다.

(2) 농도 기준

주요 물질에 대하여 산업안전보건공단에서 제공하는 노출기준(TWA, STEL)과 폭발한계(LEL)를 종합적으로 고려하여, 환기 시스템이 자동으로 작동하는 임계값을 설정하고자 한다. 가스별로 설정된 임계 기준치는 연구실 내 안전성을 강화하기 위한 핵심 지표로 활용되며, 이러한 기준을 기반으로 환기 및 경보 시스템이 효율적으로 작동하게 된다. 화학물질별 노출기준 및 폭발한계에 대한 구체적인 내용은 [표3]에 정리하였다.

(3) 환기량 계산

유해 물질이 기준 이상 발생할 경우 아래 식을 이용하여 아래 식에서 계산한 환기량을 충족할 때까지 자동 환기된다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

(1) ppm 단위 변환 계산

반도체식 가스 센서는 센서의 저항(Rs)이 공기 중 가스 농도에 따라 변화하는 특성을 이용하여 ppm 단위의 농도로 변환하였다. MQ-7과 MQ-8 센서는 모두 깨끗한 공기(실내 외기와 유사한 조건)에서 충분한 예열을 거친 후, 안정화된 상태에서의 Rs 값을 측정하여 이를 기준 저항값인 R₀으로 설정하였다. R₀은 데이터시트의 그래프에 제시된 Rs/R₀ 대 ppm 관계식을 적용하기 위한 기준점으로 사용된다. 이후 실시간으로 측정된 Rs 값을 R₀과 비교하여 Rs/R₀ 비를 계산하였고, 이 값을 기반으로 데이터시트 상 로그 스케일의 곡선을 근사한 지수 함수를 통해 가스 농도(ppm)를 산출하였다. 한편, MiCS-6814 복합 가스 센서는 NH₃, NO₂, CO에 대해 각각의 아날로그 출력 전압을 제공하는 구조로, 직접적인 Rs 측정이 불가능하다. 따라서 본 실험에서는 센서에서 출력되는 전압 값을 직접 이용하여 농도를 계산하였다. 이를 위해 데이터시트 상의 출력 전압 대 농도(ppm) 그래프를 로그 스케일로 변환하고, 선형 근사를 통해 각 가스 성분에 대한 전압–농도 관계를 지수 함수 형태로 모델링하였다. 해당 근사식을 통해 실시간 측정 전압으로부터 NH₃ 및 NO₂의 농도를 추정하였다.

⓵ MQ-8

Rs/R0 비를 계산한 뒤, 다음의 근사식을 사용하여 수소 농도로 변환하였다.

여기서 a = 99.042, b = -1.518로 설정하였다. 이는 MQ-8 데이터시트 상 Rs/R0 vs H₂(ppm) 곡선을 로그 스케일에서 직선으로 근사하여 도출한 값이다.

⓶ ⓷

상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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