1호선빌런조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 지하철 전동차 내 공기질 개선(이산화탄소, 초미세먼지, 바이러스) 에어커튼 설계

영문 : Aircurtain for improving air quality(CO2, PM2.5, Virus) in subway

과제 팀명

1호선 빌런

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2019890031 안효빈(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2019890026 박예원

서울시립대학교 환경공학부 2019890048 이주원

서울시립대학교 환경공학부 2019890062 조문선

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

대중교통에서 지하철이 차지하는 비중 및 지하철 이용 승객은 지속적으로 증가하는 추세이다. 이는 시민들이 지하환경에 노출되는 시간이 늘어난다는 것을 의미한다. 이에 따라 효율적인 지하철 공기질 관리를 위한 공기정화시스템 개선에 대한 검토가 필요하다. 현재 지하철은 지상의 공기가 환기구를 통해 유입되어 필터로 걸러진 후 지하로 공급된다. 하지만 이 필터는 일산화탄소, 이산화탄소, 바이러스와 같은 오염물질을 모두 걸러내지 못하여 지상의 대기질이 악화되면 이에 비례해 지하의 공기도 악화된다는 특징이 있다. 실내공기의 경우 폐쇄성으로 인해 확산할 수 있는 공간이 크지 않아 한번 오염이 되면 정화가 어려운 특성을 가지기 때문이다. 오염물질의 지속적인 유입과 누적이 계속되면 다양한 질환을 유발하게 된다. 서울 교통공사는 열차 출입문 개폐 시 객실로 유입되는 미세먼지 저감을 위해 열차 내부에 공기 질 개선장치를 새로 설치하였지만, 해당 장치는 미세먼지만을 대상으로 하여 다른 오염물질은 정화하지 못한다. 또한, 전동차 출입문에 장착한 에어커튼은 객실 내부와 외부의 공기를 차단해 전동차 내의 이산화탄소가 확산하지 못하고 누적되고 있음을 예상할 수 있다. 이 외에도 최근 코로나 19와 같은 전염성 질병의 유행 사례가 증가하여 실내 바이러스에 대한 시민들의 두려움이 커지고 있다. 그러므로 본 과제는 지하철 전동차 내 에어커튼 사용으로 인해 축적된 CO2 정화와 UV를 이용한 공기 살균이 가능한 공기 질 개선장치를 설계하는 것을 목표로 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 개발 배경
 현대인들은 많은 시간을 교통수단에서 보낸다. 통계개발원의 ‘국민 삶의 질 2021’ 보고서에 따르면, 2020년 전국 평균 출퇴근 시간은 61.6 분이었으며, 국토교통부와 한국교통안전공단의 2020년 ‘수도권 대중교통 이용실태’ 데이터에 따르면 수도권 평균 출퇴근 시간은 1시간 27분으로 나타났다. 이는 OECD 평균인 28분에 비해 굉장히 높은 수치이다. 같은 자료에 의하면 경기도-서울 방면으로 출근하는 사람은 버스와 광역·도시철도를 환승해서 이용(39.3%)하는 경우가 많았고, 인천-서울 출근자의 경우 광역·도시철도(54.3%)가 주된 교통수단이었다. 서울-인천 출근은 버스+광역·도시철도 환승(56.5%) 이용이 많았다. 이 자료를 토대로 많은 시민들이 대중교통을 이용하며 그 중에서도 도시철도 이용 비율이 매우 높다는 것을 알 수 있다. 실제로 교통카드 빅데이터 통합정보시스템에서 2021년 도시철도의 이용 건수가(2,168,228,164 회)이 시내버스(2,078,592,329)에 비해 높다는 것을 확인할 수 있다. 이 자료들을 토대로 한국인은 지하철 내에서 소요하는 시간이 길다는 것을 예측할 수 있으며 지하철에서의 대기질은 시민들의 건강에 적지 않은 영향을 끼칠 것이라고 간주된다.

◇ 기존 제도의 문제점
 현재 지하철 객차 내에서는 초미세먼지, 이산화탄소가 측정되고 있으며 혼잡시와 비혼잡시 모두 실내공기질 유지기준에 부합하지만 이산화탄소 농도는 혼잡시에는 기준에 근접하고 높은 수치를 보이고 있다. 따라서, 지하철 객차 내 이산화탄소 농도를 관리할 필요성이 있다. 또한, 현재 지하철 차량에는 공기질 개선장치 및 에어커튼이 설치되어 있으나 이는 (초)미세먼지와 부유세균만을 제거할 뿐 다른 오염물질을 제거하지는 못하고 있으며 이산화탄소 센서가 차량 내 설치되어 있으나 이산화탄소 농도 제어는 환기를 통해서만 이루어지고 있다.

 서울교통공사는 2020년부터 일 년간 지하철 7호선 747편성 차량에 에어커튼을 부착하여 시범 운영을 하였으며 전 차량에 에어커튼을 설치할 계획에 있다고 보고하였다. 에어커튼은 지하철 차량 출입문에 설치되어 차량 문이 열릴 때 바람을 일으켜 (초)미세먼지를 차단하는 역할을 한다. 그러나, 에어커튼 작동으로 인해 객차 내의 공기가 밖으로 빠져나가지 못해 이산화탄소가 차량 내부에 머물러 있어 실내 공기질이 악화될 가능성이 있다. 특히, 현재 이산화탄소 농도 제어는 환기를 통해서만 이루어지고 있기 때문에 이를 제거하기 위한 장치를 설치할 필요성이 있다.

◇ 개발 효과
 인체는 이산화탄소에 노출되었을 때 심각한 영향을 받게된다. 높은 농도의 이산화탄소에 노출될 경우, 신체 내 산소의 비중을 낮추어 중독증상(호흡곤란, 어지럼증, 피로 등)이 발생하게 된다. 실제로 Fig 1.1을 통해 볼 수 있듯, 지하철 혼잡시 전동차 내 이산화탄소 농도는 전체 평균 1,373 ppm 인 것을 알 수 있는데, 이는 인체에 피로를 줄 수 있는 농도이다. 따라서 지하철 내에서 인체에 유해한 물질을 감소시킨다면 국민의 건강과 삶의 질 향상에 도움을 줄 것으로 예측된다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇‘2050 탄소중립’ 정책에 맞추어 지하철 객차 내 이산화탄소를 제거하고 실내공기질을 개선한다.
◇ 지하철 객차 출입문에 설치될 이산화탄소 흡착장치 및 공기 분사 에어커튼을 간소화한다.
◇ 이산화탄소 흡착제가 들어간 에어커튼 가동 시 필요한 동력을 산출한다.
◇ 기기 설치로 인해 발생하는 불편함과 승객의 건강에 미치는 영향을 최소화한다.

관련 기술의 현황

기술 로드맵

특허 조사 및 특허 전략

◇ 철도 차량 객실용 에어커튼
  - 출원번호 (출원일자) : 1020210070072 (2021.06.14)
 철도차량 객실용 에어커튼으로 특히 철도차량 객실 내 빈 공간을 활용하여 설치 가능하도록 구성되었다. 객실 내 공기를 이용하여 공기가 유입되는 유입구와 공기가 배출되는 배출구, 본체 내의 모터로 구성되어 있으며 모터가 회전됨에 따라 유입구를 통해 객실 내 공기를 흡입하여 배출구로 공기를 배출함으로써 에어커튼을 형성한다. 본체는 출입문에 인접한 의자와의 사이 공간에서 배출구가 출입문을 향하도록 설치되는 것을 특징으로 한다. 출입문의 테두리를 따라 에어분출 파이프를 설치하고, 에어탱크로에 저장된 에어를 에어분출 파이프를 통해 배출하여 에어커튼을 형성한다. 그러나, 이것은 현실적으로 출입문의 테두리를 따라 에어분출 파이프를 설치하는 것이 어려우며, 이를 위해 에어탱크를 별도로 철도차량에 설치하여야 하므로 해당 공간을 확보하기 어렵다는 문제가 있다.

◇ 전철 객차의 에어커튼 장치
   - 출원번호 (출원일자) : 1020080102208 (2008.10.17)
  전철 객차의 출입문에 설치되어 출입구로 공기를 분출하여 개방된 객차의 출입구에 에어커튼이 형성되도록 하는 장치이다. 전철 객차의 에어커튼 장치는 에어송출기, 에어커튼용 덕트, 방향 전환 수단, 출입구용 센서, 제어장치로 이루어진다. 에어송출기는 전철의 객차 천장 상부공간에 설치되어 외부로 공기를 배출하며 에어커튼용 덕트는 에어송출기와 연통이 가능하게 설치되고, 분출구가 객차의 출입구에 위치되어 에어송출기로부터 배출되는 공기가 객차의 출입구로 분출될 수 있도록 한다. 방향 전환 수단은 에어송출기와 에어커튼용 덕트 사이에 설치되어 에어송출기에서 배출되는 공기가 객차의 내부 공간과 에어커튼용 덕트의 출구 중에서 선택된 어느 하나로 유도되도록 한다. 출입구용 센서는 객차의 출입구 개폐여부를 검출하게 된다. 제어장치는 출입구용 센서로부터 출입구의 개폐 정보를 입력받아 방향 전환 수단을 작동시키되, 출입구가 폐쇄된 상태에서는 객차의 내부 공간으로 공기가 유도되도록 하고, 출입구가 개방된 상태에서는 개방된 출입구에 출구가 형성된 에어커튼용 덕트로 공기가 유도되도록 한다.

◇ 철도차량 객실용 공기질 개선시스템
  - 출원번호 (출원일자) : 1020190089681 (2019.07.24)
 철도차량 객실용 공기질 개선시스템에 관련된 것으로 이 공기질 개선시스템은 특히 외부공기를 유입시키지 않고 객실 내 공기를 순환시키며 공기질을 개선할 수 있도록 객실 천장에 설치되는 천장형 본체와, 상기 천장형 본체의 내측 일단부에 구비되어 객실 내 공기를 천장형 본체의 내부로 유입시키는 제1 유입팬과, 상기 천장형 본체의 내측 타단부에 구비되어 유입된 공기를 정화하는 제1 필터를 포함하는 천장형 공기청정장치를 포함하고 있다. 천장형 공기청정장치는 객실의 천장에 설치되어 외부공기를 유입시키지 않고 객실 내 공기를 순환시키면서 포집 공간으로 먼지를 선 제거하고 필터를 통해 미세먼지 입자를 제거하여 공기질을 개선할 수 있다. 측면형 공기청정장치도 객실의 상측 측벽에 설치되어 객실 내 공기를 순환시키면서 미세먼지 입자를 제거하고 공기질을 한층 더 개선할 수 있다. 또한, 천장형 공기청정장치와 측면형 공기청정장치 모두 필터의 교환을 용이하게 하여 유지보수의 편의성을 증대시킨다.

◇ 바이오차를 이용한 이산화탄소 흡착제 및 이의 제조방법
  - 출원번호 (출원일자) : 1020200066045 (2020.06.01)
 본 특허는 다양한 바이오매스를 이용하여 활성화된 바이오차를 제조하고, 이를 이용한 이산화탄소 흡착제를 제조하는 것을 포함한다. 또한, 바이오차를 제조하는 단계에서 바이오차에 KOH 활성화 및 CO2 활성화 중 어느 하나 이상을 수행하는 단계를 포함하고, 표면적이 1000 m2/g 이상이고 총 공극 부피가 0.5 cm3/g 이상인 것인, 이산화탄소 흡착제의 제조방법을 포함한다. 현재까지 이산화탄소를 흡착하기 위하여 활성탄을 주로 사용였으나 활성탄은 바이오매스를 이용하는 바이오차에 비하여 비용이 높고, 효과적으로 재생이 어렵다는 단점이 있다. 반면, 바이오차는 활성탄의 가격의 대략 15 % 미만으로 매우 경제적이다. 즉, 저가의 비용으로 높은 이산화탄소 흡착능을 갖는 바이오차를 이용한 이산화탄소 흡착제를 제조할 수 있으며, 본 발명에 따르면 계분 등을 바이오매스로 이용함으로써 가축 폐기물을 처리할 수 있고, 재사용이 가능한 이산화탄소 흡착제를 제조할 수 있다. 본 특허에서는 KOH 또는 CO2가 활성화된 바이오차는 빠른 흡착속도 및 우수한 재생능력을 가졌고, 특히 N2에 대한 CO2 선택성이 매우 우수함을 확인하여 KOH 활성화, 또는 KOH 및 CO2 활성화는 지구 온난화 방지를 위해 바이오차의 CO2 흡착 능력을 향상시키는 효과적인 옵션으로 사용될 수 있을 것으로 예상한다.

◇ 특허 전략
 ◇ 지하철 객실용 에어커튼에 관한 한국 특허는 새로운 임펠러 사용 또는 에어 송출기의 구조에 관련된 특허이거나 기존 에어커튼의 공기 분사 원리를 이용하였으나 에어커튼의 설치 위치에 따라 에어커튼 구조를 개선하여 성능을 향상시키는 특허가 많은 반면, 기존 에어커튼 장치 내 공기질을 개선하는 구조 장치를 더한 새로운 형식의 에어커튼을 제시하는 특허는 거의 존재하지 않는다. 그러므로 기존 에어커튼에 초미세먼지와 이산화탄소, 바이러스를 제거할 수 있는 장치를 더해 기기 장치의 효용성을 입증할 경우에는 특허로 등록될 수 있을 것으로 예상된다. 
 ◇ 한국 특허의 경우 특허가 실용성이 떨어질 경우 특허 등록이 잘 승인되지 않는 경향이 있다. 그러므로 지하철 객차 내의 공기 중 이산화탄소와 바이러스, 초미세먼지를 저감 시킬 장치가 들어간 에어커튼을 특허로 인정받기 위해서는 성능을 입증할 필요가 있다. 
 ◇ 특허가 인정받기 위해서는 발명의 신규성과 독창성을 인정받아야 한다. 기존 에어커튼에 초미세먼지 필터, UV, 이산화탄소 흡착제를 동시에 적용하는 사례는 전무후무하기 때문에 기존 에어커튼 내 초미세먼지 필터에 이산화탄소 흡착제를 더하고 UV 살균제를 첨가한다면 신규성을 인정받을 수 있을 것으로 전망된다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

 ◇ 기존의 지하철 내 시범운영되고 있는 공기질 정화 장치와 폐기물 재활용 흡착제에 대해서 조사하여 대표적으로 사용되고 연구되는 제품을 표로 정리하면 다음과 같다.

마케팅 전략

 ◇ 마케팅 전략을 수립하기 위해 SWOT 분석을 하였다. SWOT에서 각 글자가 나타내는 뜻은 Strength, Weakness, Opportunity, Threat이며 이에 해당하는 방법과 같이 정리하면 아래와 같다.

1. SO 전략(강점살려 기회잡자!)

◇ 코로나 팬데믹 이후 시민들의 바이러스 예방 관련 관심이 증가되었다. 코로나 바이러스는 공기순환이 이루어지지 않는 실내에서 전염위험이 가장 높고 기존 에어커튼은 공기순환을 방해하여 바이러스 노출 위험이 높았다. 이에 UV 살균 기능을 추가하여 바이러스 예방 효과를 누릴 수 있다.

◇ 환경오염문제가 심화되며 야외 대기질 뿐만 아니라 실내 대기질 관리에 관한 관심 또한 높아지고 있다. 실내 환기가 부족하여 이산화탄소 농도가 증가할 시, 집중력 감소와 업무수행능력, 학습능력에 부정적인 영향을 끼친다. 시민들이 많은 시간을 보내는 공간이기에 공기질을 더욱 개선하여 삶의 질을 높일 수 있다.

◇ 추가 장치를 부착하는 것 보다 낮은 설비 가격 및 운영 비용으로 환경부 고시 ‘제4차 실내공기질 관리 기본계획’ <핵심분야② 쾌적한 대중교통 이용환경 조성> 목표에 도달할 수 있다.

2. WO 전략(약점을 보완해 기회를 잡자!)

◇ 주기적으로 필터를 교체한다면 그 관리에 시간과 노력이 많이 소요될 것이다. 따라서 지하철의 혼잡시에는 필터를 부착하고 비혼잡시에는 필터를 탈착하여 교체주기를 늘려 편의성을 더할 것이다.

◇ 기존에 사용하기로 한 흡착제 제올라이트 13X는 재생의 한계로 폐기물 발생량이 많아 환경에 부담을 준다. 따라서 제올라이트 대신 바이오매스를 활용한 흡착제를 사용하여 환경오염을 줄이고 추후 폐기물 처리시 발생 이산화탄소를 감소시켜 탄소중립 2050에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

◇ 기존의 이산화탄소 흡착제는 가격이 비싸 경제성이 떨어졌다. 하지만 이 장치는 폐기물 재활용 흡착제를 사용하여 가격이 저렴하고 흡착능이 떨어질 시 재생하였을 때 흡착능이 10번까지 떨어지지 않기에 흡착제 재생이 용이하며, 이산화탄소 흡착 효율 또한 기존 이산화탄소 흡착제보다 높아 더 낮은 운영비용으로 고효율의 공기질 정화가 가능할 것으로 예상된다.

3. ST 전략(강점을 살려 위기를 극복하자!)

◇ 기존의 이산화탄소 흡착제는 가격이 비싸고 재사용의 한계로 경제성이 떨어지고 폐기물 발생량이 많았다. 하지만 이 장치는 폐기물 흡착제를 사용하여 가격이 저렴하고 흡착능이 떨어질 시 재생하였을 때 흡착능이 10번까지 떨어지지 않기에 흡착제 재생이 용이하며, 이산화탄소 흡착 효율 또한 기존 이산화탄소 흡착제보다 높아 더 낮은 운영비용으로 장치를 유지하고 효율 또한 높을 것으로 예상된다.

◇ 기존 지하철을 살펴보면 공기질 개선장치, 에어커튼 등 이미 여러 장치들이 설치되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 장치는 기존장치에 이산화탄소 저감 기능과 UV 살균 기능을 추가한 것이기 때문에 기존 지하철의 미관을 해치지 않으며 개별 장치를 추가하는 것보다 공간을 더 적게 차지한다.

◇ 실내 이산화탄소 농도가 높을 시 집중력 감소와 업무수행능력, 학습능력에 영향을 미치는 반면 전동차 내 이산화탄소 관리가 매우 미흡하다. 이산화탄소가 생명을 위협할 정도의 해를 미치지는 않지만 사람 개인의 특수성을 고려한다면 일상생활에서 불편함을 느끼기엔 충분하다. 따라서 이 장치를 설치함으로써 실내 이산화탄소 농도를 관리하는 것의 중요성을 더욱 강조할 수 있다.

4. WT 전략(약점을 보완하여 위기를 극복하자!)

◇ 지하철 전동차 내 공기질 UV살균의 수요가 불분명하지만 이는 코로나 팬데믹으로 인한 승객들의 불안감을 감소시킬 수 있으며 코로나가 종식되더라도 대중교통 이용자수 및 이용시간의 증가추세에 따라 대중교통의 공기질에 대한 관심이 늘어 날것으로 예상되므로 UV살균의 수요가 증가할 가능성이 크다.

◇ 현재 서울교통공사의 지하철 전동차 내 CO2 농도 관리는 환기를 통해서만 이루어지고 있다. 하지만 현재 설치계획에 있는 에어커튼에 이산화탄소 흡착제로 처리가 된 필터를 추가하여 경제성있게 CO2 농도의 저감이 가능하다면 이는 효율적인 지하철 전동차 내 공기질관리를 가능하게 할 것이다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용