4조- 불사조

프로젝트 개요

기술개발 과제

IoT와 광촉매를 이용한 담배연기물질 제거용 화장실 공기청정기

Air purifier for removing smoke substances using photocatalysts and IoT .

과제 팀명

불4조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 김*연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 김*연

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 소*현

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 이*솔

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 2020년 ‘국민신문고’에 접수된 층간 간접흡연 피해 건수는 약 2,844건으로, 평균적으로 하루에 약 8건의 피해가 접수되고 있다. 공동주택의 화장실을 통한 층간 간접흡연의 피해를 환풍기 내부에 필터의 설치를 통해 방지하고, 그 작동을 아두이노의 센서 설치로 제어한다. 유해물질의 탈취율을 최소 15분간 70%이상 제거하는 것을 목표로 하며, 담배연기의 정화를 통해 신체적, 정신적 건강의 증진을 추구한다. 

개발 과제의 배경

◇ 아파트와 같은 공동주택은 사적 공간을 포함하고 있어 법 집행의 실효성과 사생활 공간 침해와 같은 이유로 공간 전체를 금연구역으로 지정하기 어렵다는 점과 코로나 바이러스로 인하여 사람들이 집에 있는 시간이 길어지면서 다음과 같은 문제가 발생하였다고 추측하였다.
◇ 담배연기는 흡연자가 들여 마신 후 내뿜는 연기인 주류연과 담배가 혼자 연소되면서 발생하는 연기인 부류연으로 구분한다. 간접흡연으로 인해 흡입되는 연기의 80%가 부류연으로부터 생성되고 있다. 부류연은 주류연보다 독성물질의 농도가 높은 것이 특징이며, 주류연의 타르 4.3배, 톨루엔 5.6배, 메탄 3.1배 등 약 250개의 독성물질과 발암물질을 함유한다. 간접흡연은 태아의 발육을 억제하고, 아동에게 기관지천식, 중이염을 유발한다. 또한 각종 암을 일으키고, 폐에도 영향을 미쳐 기도폐쇄성 질환을 유발하는 등, 인체에 해로움이 명백하다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 환풍기의 내부에 필터(프리필터, UV 광촉매 필터, 헤파필터)를 설치하여 유입/유출되는 담배연기의 오염물질을 저감하여 청정한 공기를 유지하며, 그 작동은 아두이노 센서로 제어
◇ 한국이동식구조물산업협동조합의 흡연부스 (표준번호 SPS-KMSC-001-2015-6591)를 참고하여 유해물질의 탈취율을 최소 15분간 70%이상 제거 
◇ 아크릴판으로 간이 실험실을 제작하여 실제 제거 효율을 측정하고, 문제점을 보완

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 공기청정기 글로벌 시장 현황 (최종보고서 글로벌 시장현황 표 삽입)

연구개발특구진흥재단의 2021년 “가정용공기청정기 시장보고서”에서의 현재 공기청정기 글로벌 시장 현황을 보면 2020년에는 92억 달러, 2025년에는 136억 달러로 예상되는 것으로 보아 시장규모가 계속 성장 중임을 알 수 있다.

◇ 2020년의 공기청정기 적용기술 점유율을 보면 헤파필터를 사용하는 것이 77%, 전기집진기가 8.4%, 이온화 및 오존발생기를 6.95%로 사용하고 있음을 알 수 있다. 향후 2025년에는 헤파필터의 사용이 79%로 늘어날 것으로 예측된다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

(1) 담배연기 제거용 제연장치

특허 출원번호 – 10-2013-0071352 (2013.10.30.)

특허 출원인 - 웰 엘엔케이

◇ 본 발명은 담배연기가 실내로 유입되는 것을 방지하고, 담배연기에 포함된 유해성분을 제거한 후 외부로 배출할 수 있는 장치이다.

◇ 외부와 격리 공간이 마련된 하우징, 니코틴 및 냄새를 제거하는 유해성분 제거부, 유해성분 제거부를 톻과한 공기를 외부로 배출하는 배기팬을 포함한다.

(2) 휴대용 담배연기 정화기

특허 출원번호 – 10-2004-0041910(2004.06.08)

특허 출원인 – 기현민

◇ 본 발명을 통해 흡연자가 배출한 담배연기를 정화하여 실내공기 오염을 방지하는데 그 목적이 있다.

◇ 상기와 같은 목적 달성을 위해서 배기구, 유입구, 본체, 필터, 담배수납함, 담배연소부로 이뤄져있다. 이와 같이 구성된 발명의 휴대용 담배연기 정화기는 흡연자가 내뿜거나 담배가 타면서 배출하는 담배연기를 정화 후 배기함으로써 간접흡연을 방지할 수 있으며 흡연자 역시 간접흡연에 대한 죄책감 없이 어느 장소에서나 흡연이 가능하다.

(3) 특허 분석 결론

◇ 화장실 덕트 내부에 설치하는 담배연기물질 제거용 공기청정기는 없다는 점에 주목하여, 효율이 높은 직접제거용 공기청정기를 설계하는 것을 목표로 함

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

시중에서 판매되는 화장실 설치형 담배연기 공기청정기를 조사한 후, 유형을 분류하였다. 그 결과 벽면에 설치되어 오염물질을 제거하는 직접제거형보다 환풍기에 설치하는 차단형의 리뷰가 더 좋은 것을 확인 하였다. 

1) 직접제거형
◇ ㈜ 니즈컴퍼니 <전기세100원 화장실담배냄새 음이온 공기청정기>
 필터 없이 기기에 내장된 스마트칩이 음이온농도를 유지하여 악취, PM2.5 미세먼지 등을 제거한다.

2) 차단형 
◇ ㈜ 페틀코스완의 <화장실 담배냄새제거 역류방지 댐퍼 환풍기>
 천장형 환풍기에 부착하여 역류하여 들어오는 냄새(담배연기 등)와 유해물질을 제거하는 제품이다. 또한 화장실의 습기와 냄새를 다공성 황토볼패드로 제거하며, 환풍기 작동 시 자동으로 건조되는 특수 구조로 설계하였다.

◇ ㈜ 코코나의 <그렉스 화장실 욕실 환풍기 파워오토팬 교체 설치 담배냄새역류 곰팡이방지 습기제거    전동댐퍼>
 사용시 닫혀있던 파워오토팬과 역류방지댐퍼가 작동되어 2중으로 역류방지, 냄새차단, 소음방지가 가능하다. 특별한 필터를 사용하지는 않는다. 

• 마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 다중 필터를 이용하여, 오염물질의 제거 효율을 높일 수 있으므로 담배냄새 및 유해물질과 미세먼지를 대부분 제거 가능하다.

◇ 전처리 필터의 효율은 60%, 광촉매 필터의 효율은 90%, 헤파 필터(H13)는 효율을 99%의 성능을 보인다. 전처리 필터, 광촉매 필터, 헤파 필터 순으로 직렬로 연결되어 있을 때 집진 효율을 계산하면 다음과 같다.

(기술적 기대효과 넣기)

◇ 아두이노 센서를 이용하여 공기청정기에 설치된 송풍기의 on/off를 조절 

◇ 광촉매 필터와 UV LED의 결합을 이용해 실내 공기질 증진에 대한 새로운 기술을 개발

◇ 화장실 환풍기의 크기에 맞췄으므로 기존의 실내 공기청정기보다 크기가 작은 소형화 공기청정기 도입으로 경제성을 높일 수 있음.

◇ esp8266 wifi 모듈을 아두이노에 설치하여 휴대폰 앱과 연결한 후, 앱의 on/off 버튼을 눌러 송풍기의 on/off를 조절

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 쾌적한 실내 공기질의 증진으로 실내오염물질의 저감효과 및 국민의 건강을 증진.
비흡연자가 흡연자의 담배연기를 흡입하는 간접흡연은 폐암, 뇌혈관 질환, 심혈관 질환 등등을 유발할 수 있어 국민의 건강을 해칠 수 있음. 화장실 공기청정기는 유해가스 및 담배냄새를 제거하여 국민의 건강을 보호 가능.

◇ 담배연기로 인한 주민 간의 갈등 해결 가능. 
최근 코로나로 인해 사람들의 집콕이 늘면서, 층간 담배 냄새로 인한 갈등도 많이 발생함. 담배 냄새로 인한 민원이 끊이지 않지만 개인의 사유지에서 흡연하는 것을 제지할 법적 근거가 없는 실정이기에, 화장실 공기청정기는 이를 해결할 수 있음.

◇ 소형화 공기청정기로 국민의 경제적 부담을 줄이며 간편한 설치가 가능함

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

◇ 9,10월 초에는 설계물의 배경이 되는 사회적 동향과 특허, 경쟁력 분석을 실시하여 설계물의 나아가야할 방향을 정함. 10월 중순부터 12월까지는 이론적 계산 실시 및 직접 재료를 구매하여 실험을 진행하여 결과를 도출하였고, 설계물의 완성도를 높일 수 있는 방법을 고민함.

구성원 및 추진체계

◇ 김서연 : 마케팅 SWOT 분석, 설문조사 실시 및 QFD 작성, 오염물질 법규 조사, 특허 조사, 작성 및 제출, 물품 구매 서류 작성, 포스터 작성 및 실험의 고찰, 한계, 개선점 작성

◇ 김소연 (팀장) : 마케팅 SWOT 분석, 측정 기기 조사, 전력요금 계산, 제어부 및 소프트웨어 설계, 추가적인 실험 실시하여 데이터 도출

◇ 소지현 : 기술적 동향 조사 및 로드맵 작성, 특허 조사, 작성 및 제출, 물품 구매 서류 작성, 포스터 작성 및 실험의 고찰, 한계, 개선점 작성

◇ 이다솔 : 3D 모델 제작, 이론적 계산(압력손실, 유량, 체류시간 및 교체주기) 실시, 자재 소요서 작성, 추가적인 실험 실시하여 데이터 도출

설계

설계사양

제품의 요구사항

목적계통도

최종보고서 10페이지 다. 삽입

설문조사

◇ 고객의 요구를 파악하기 위해 “화장실 덕트 내장형 담배연기 물질 제거용 공기청정기의 우선순위”를 주제로 33명에게 설문조사를 실시하였다. 공기청정기 구매 시 중요하다고 생각되는 아래의 7가지 항목의 우선순위를 조사하였다. 1~5순위를 조사한 후, 1순위인 항목은 가중치 5점, 2위는 4점, 3위는 3점, 4위는 2점, 5위는 1점으로 가중치를 할당하여 고객들의 최종적인 우선순위를 파악하였다. 

QFD

◇ 제품 설계 시 기술적인 요소들과 고객 중요도를 고려하여 QFD 도표를 작성하였다. 

(최종보고서 11페이지 QFD 삽입)

개념설계안

◇ 한국이동식구조물협동조합에서 규정한 5가지 오염물질(암모니아, 톨루엔, 폼알데하이드, 일산화탄소, 입자상물질-미세먼지 PM10, PM2.5)을 제거하는 것을 목표로 한다. 실내공기질 시행규칙에 실내공기질 권고 또는 유지기준이 있는 오염물질은 해당 규칙을 따르며, 없을 시 담배 연기에서 배출되는 오염물질의 70%를 제거하는 것을 목표로 한다.

(최종보고서 12페이지 실내공기질 유지기준 표 2개 삽입)

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 필터의 효율 산정

(15페이지 필터 효율 표 삽입)

세 가지 필터를 직렬로 나열할 시, 전체 필터 효율은 다음과 같다.

(계산 식 삽입)

그러나, 필터는 사용할수록 공극이 막혀, 효율이 저하되므로 10%의 오차가 존재한다고 가정하면 최종적으로 전체 필터 효율은 약 90%이다.

나. 송풍량 산정

장치 내부 유속을 0.8m/s, 필터 효율은 90%로 산정한다. 장치 내부의 면적을 A라고 하였을 때, A는 부직포 필터의 면적을 기준으로 하면, 

(A 식 삽입)

송풍량 Q와 장치 내부의 면적 A, 장치 내부의 유속 v를 이용한 식은 다음과 같다.

(Q=Av 식 삽입)

다. 송풍기 흡입팬의 전력 소요량 산정

(압력손실 식 삽입)

라. 전체 전력 소요량 산정

(표 삽입)

마. 필터의 교체주기 산정

첫번째 필터인 전처리 필터는 유해가스에 대한 영향을 가장 많이 받으므로, 전처리 필터를 기준으로 교체 주기를 산정한다.

(식 삽입)

 헤파 필터, 광촉매필터는 유해가스에 대한 영향이 전처리 필터보다 적으므로, 각각 교체주기는 제품 사양을 참고하여 4개월, 1년으로 적용한다.

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

33페이지 표 삽입

향후 평가 및 계획

◇ 본 설계의 공기청정기는 시중의 공기청정기와 동일하게 전처리필터와 헤파 필터(H13)을 사용하나, UV LED와 광촉매 필터의 조합을 사용하여 TVOC를 제거하는 것이 특징이다. 또한, 아두이노를 제품 내에 설치하여 미세먼지 농도에 따라 송풍기의 on/off를 자동적으로 제어한다. 부가적으로, 아두이노에 esp8266 wifi 모듈을 설치하여 핸드폰의 앱과 연결시켜 휴대폰 앱으로도 송풍기의 on/off를 제어할 수 있다. 즉, 아두이노와 핸드폰 앱을 이용한 IOT 기반 공기청정기를 실현한다.

◇ 본래 효율을 측정하기 위해 담배연기의 TVOC, HCHO, PM 2.5, CO, 암모니아 농도를 측정하려고 했다. 이 중 CO와 암모니아 농도는 측정값 과부화로 인해 정확한 측정이 쉽지 않았다. 이는 더 정밀한 측정기를 사용하면 정확한 효율값을 도출할 수 있다. 최종적으로 측정한 오염물질은 TVOC, HCHO, PM 2.5이다. 

◇ 본 설계를 통해 이루고자  제거하고자 하는 3가지 물질(TVOC, HCHO, PM 2.5) 중 HCHO, PM2.5는 목표 제거효율 70%를 만족하였으나, TVOC는 47.54%로 제거효율을 만족하지 못하였다. TVOC는 광촉매 시스템에 의해 제거된다. 광촉매에 사용한 UV LED가 방출하는 파장과 TVOC가 분해되는 파장이 서로 달라, 효율이 47.54%인 것으로 판단된다. TVOC 분해에 적합한 파장을 방출하는 UV LED를 사용하면 TVOC 제거효율을 높일 수 있다. 

◇ 이 이외에도, 정확한 효율을 산정하기 위해서는 정밀한 측정기 사용, 가스 시료 채집용 테들러 백 사용, 실험회수 증가, 실제 환경과 유사한 환경에서 실험을 진행하는 방법이 있다.

◇ 환풍구를 공유하는 아파트에 설치하여, 흡연자는 흡연을 걱정없이 하고 비흡연자는 간접흡연의 위험으로부터 보호할 수 있다. 

◇ '건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’에 따르면, 환기설비 설치 의무 대상 공동주택 가구수 기준이 30가구로 확대되었다. 이러한 규칙에 따라 본 설계의 공기청정기가 공동주택에서 의무적으로 사용될 수 있다.

◇ 아파트 뿐만 아니라 카페나 당구장 등 환기가 잘 안 되는 곳에 흡연부스 및 공기청정기를 설치하여 실내 공기질을 높일 수 있다.

특허 출원 내용

◇ 전처리필터, 광촉매필터, 헤파필터를 사용하여 HCHO 70.38%, PM2.5 97.15%, TVOC 47,54%를 제거하였고, esp8266 와이파이 모듈과 IoT를 활용하여 앱으로 송풍기의 전원을 제어하였다. 
◇ 설계물의 독창성인 CD 트레이에 착안한 필터 교체 방법을 청구항에 작성함으로써, 중요성을 더욱 강조함.

참고문헌

◇ 김영생. "가정용 공기청정기 기술 및 시장동향." (2004)

◇ 김태영 외 2인. "광촉매공정과 필터를 이용한 흡연부스 공기정화연구." (2016)

◇ 박근영 외 6인. "공간 내 부유한 바이러스에 대한 광촉매 TiO2가 코팅된 에어 필터의 항바이러스 효율 평가." (2019)

◇ 박찬정. "공기청정기 시장 및 기술동향." (2016)

◇ 서홍관. "간접흡연의 해로움." (2007)

◇ "실내공기청정기 규격." 한국공기청정협회 (2015)

◇ "아파트 화장실 담배 연기 위·아랫집 5분만에...", topdaily(2014), 윤하나

◇ 이기영. "흡연실 설치가 실내 공기질에 미치는 영향." (2014)

◇ 정종수. "담배연기 유해물질 처리기술 현황." (2015)

◇ 특허 정보넷, http://kportal.kipris.or.kr/kportal/search/total_search.do 

◇ 풍량-정압 그래프, 힘펠 공기청정기 사이트 

◇ "현장 측정 및 장기 모니터링을 기반으로 한 중국 동북부 주거용 건물의 실내 공기질 분석." 한국환경산업기술원 (2018)

◇ "화장실에서 담배 피우지 말아주세요, 엘리베이터에 붙은 글…범인은", 중앙일보(2017), 이가영

◇ International Agency for Research on Cancer (IARC), "List of classifications by cancer sites with sufficient or limited evidence in humans.", IARC Monographs Volumes (2020), 1–129a