팀원 및 개발기간

팀원

기계정보공학과 2012430009 박상선

기계정보공학과 2012430020 유환기

기계정보공학과 2012430022 이경열

기계정보공학과 2012430028 이종성

기계정보공학과 2012430033 전호열(팀장)

개발기간

2017.09.01 ~ 2017. 12.22

서론

개발과제의 개요

개발과제요약

미세 먼지의 위험성이 높아진 현재 미세먼지 측정의 중요성이 대두되었다. 미세먼지의 농도를 알 수 있는 방법은 기상청에서 발표한 자료를 통해서 아는 방법과 직접 미세먼지 농도를 측정하여 알 수 있는 방법 두 가지가 있다. 기상청에서 발표하는 방식은 광범위한 범위를 대략적으로 보여주기 때문에 우리 생활에 밀접한 연관을 가지지 못한다. 그런 이유로 미세먼지 측정기의 중요성이 부각되었다.

우리 조는 조도 센서와 테이프의 접착력을 이용한 간단한 원리의 흡착성 미세먼지 측정기를 만들고자 한다. 이를 통해 원가를 절감하여 누구나 싼 가격에 사용할 수 있는 간단하지만 정확한 측정이 가능하도록 하는 것이 목표이다.

개발 과제의 배경 및 효과

기존의 미세먼지 측정기는 가격이 저렴하지 않아 다양한 곳에 보급이 되지 않았다. 값비싼 측정기의 경우 미세먼지의 농도를 정확히 측정할 수는 있지만 가격 때문에 보급이 힘들다. 따라서 비교적 정확하지는 않지만 많은 곳에 보급할 수 있도록 값싼 미세먼지 측정기를 개발하려 한다.

이 장비를 가로등에 부착하여 가동시킨다면 도심의 미세먼지의 방향, 원인 등을 보다 더 정확하게 알 수 있고, 수집한 데이터를 이용해 보다 더 나은 미세먼지의 정책을 수립할 수 있게 된다.

개발 과제의 목표와 내용

최대한 저렴하게 만들자는 개발 목표에 따라 가격을 최대한 저렴하게 만든다. 또한 단가는 저렴하여도 데이터에 신뢰도가 있어야 하기 때문에 기존의 미세먼지 데이터 대비 오차율을 ±10%가 정도로 측정되도록 한다.

기존의 광산란 측정방식은 단가가 비싸지므로 새로운 측정방법의 메커니즘을 개발하여야 했고, 일정시간 동안 접착면에 접착되는 미세먼지의 양을 빛의 조도를 통해 측정하는 메커니즘을 구상하였다.

관련 기술의 현황

State of art

측정방법	장점	단점	추정 정밀도
필터에 의한 중량측정 샘플러 (Filter based gravimetric samplers)	EU First Daughter Directive에 명시된 PM10 표준방법(Reference Method)	고가의 운영비 소요샘플링 시간이24시간으로 제한EU First Daughter Directive의 보고 요구사항들을 충족할 수 없고, 시료채취 종료 후 며칠이 소요되어야 결과를 제공받을 수 있다.	±2 ㎍/㎥
TEOM 측정기(TEOM analysers) Tapered Element Oscillating Microbalance	시간 해상도가 짧아 (<1hr) 대국민 홍보를 위한 실시간 데이터 제공이 가능Reference Method에 비해 정밀도가 우수하다	시료 유입구의 가열로 인해 Reference Method보다 반휘발성(semi-volatile) 물질의 손실이 크다.초기비용이 높다.	±2 ㎍/㎥
β -감쇄 측정기 (β -attenuation analysers)	시간 해상도가 짧아 (<1hr) 대국민 홍보를 위한 실시간 데이터 제공이 가능	시료 유입구를 가열할 경우 일부 반 휘발성(semi-volatile) 물질이 손실될 수 있다.가열하지 않을 경우 수분으로 인한방해를 받을 수 있다. 측정기에는방사성 발생원이 탑재되어 있다.	±5 ㎍/㎥이지만 측정기의형태에 따라다르다.
광학 측정기 (Optical analysers)	배터리를 이용한 조작이 가능한 휴대용측정기이며, 동시에 다양한 입도분리(size fraction)측정이 가능함	시간과 장소에 따라 입자특성이 다양한 결과를 나타낸다.	측정기의 형태에 따라 다르다.
흑연 (Black smoke)	간단하고, 튼튼하며, 값이 싸고, 유지관리가 용이하다	중량농도보다는 index를 측정한다.실제로 오염원이 혼재되어 있을 경우calibration factor가 맞지 않다.샘플링 시간이 24시간으로 제한됨	±2 ㎍/㎥이지만, 실제농도보다 높을 수 있다.
개인 휴대용 샘플러 (Personal samplers)	현장 설치가 용이한 휴대용 샘플러로 입자상 물질에 대한 개인 노출량 평가에사용	사용된 측정방법에 따라 다르다. 모든개인 피폭도 평가는 많은 노동력이필요하다.

기술 로드맵

최종목표	장점	흡착식 미세먼지 측정기 개발
Time Span		10월	11월	12월
월별 목표		제품 설계	제품 제작	제품 테스트
핵심요소기술	측정메커니즘 설계	단순하며 효율이 좋은 측정 장치 설계	모든 설계를 종합적으로 조정 후 재료를 구매하여 시제품 제작	실제 데이터와 오차율
	공기 흡입부 설계	팬을 통해 공기가 흡입되는 덕트 설계		팬으로 흡입한 공기를 집중 분사할 수 있는지 여부
	기타장치 설계	측정된 데이터를 처리하고 쉽게 판별 가능한 표시장치 설계		사용자 친화적인지 여부

특허조사

국 가 : KR ( Republic of Korea) 특 허 명 : 미세먼지 농도 측정시스템 출원번호 : 10-2017-0127621 공개번호 : 10-2017-0117960
	본 발명에 의한 미세먼지 농도 측정시스템은, 유입되는 미세먼지를 공기 역학적으로 분류시키는 분류유닛, 분류된 미세먼지를 전기적으로 하전시키는 하전유닛 및, 하전된 미세먼지의 농도에 비례하는 유도전류 값으로 농도를측정하는 측정유닛을 포함한다. 이러한 구성에 의하면, 소형으로 제조되어 실시간으로 장소에 상관없이 미세먼지의 농도 측정이 가능해진다.

국 가 : KR ( Republic of Korea) 특 허 명 : 미세먼지 측정 장치 출원번호 : 10-2016-0100298 공개번호 : 10-2017-0035767
	본 발명의 일 실시 예에 따른 미세먼지 측정 장치는 비행체, 상기 비행체 및 벌룬을 탈착하는 벌룬 연결부 및 상기 비행체에 부착되어, 외부 유체를 샘플링한 샘플링 유체에 포함된 미세먼지 농도를 측정하는 미세먼지 측정부를 포함하되, 상기 비행체는 미리 지정된 프로그램 또는 컨트롤러로부터 수신한 제어 신호에 따라 상기 벌룬 연결부로 분리 요청 신호를 전송하고, 상기 벌룬 연결부는 분리 요청 신호를 수신하는 경우, 상기 비행체와 상기 벌룬을 분리시키는 것을 특징으로 한다.

국 가 : KR ( Republic of Korea) 특 허 명 : 미세먼지 측정장치 출원번호 : 10-2014-0064600 공개번호 : 10-2015-0136904
	본 발명은 미세먼지 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 관성필터 및 확산필터가 구비된 장치로, 상기 관성필터는 먼지가이드 및 베인 날개를 포함하여 공기 중의 먼지를 여과하는 적어도 하나 이상의 베인(Vane); 상기 베인의 하부에 위치하며, 먼지가이드에서 여과된 먼지를 배출하는 먼지배출구; 상기 베인으로 유입되는 공기의 저항을 최소화시키기 위해 베인간 쳐지는 베인 날개에 위치하는 공기가이드(Air Guide); 상기 베인을 고정시키며, 표면에 전도성 고분자가 코팅된 케이싱(Casing); 및 상기 베인의 내부에 위치하며 지지대 및 분리대 역할을 하는 세퍼레이터(Separator)로 구성됨으로써, 실시간으로 미세먼지를 감지할 수 있고 관성과 중력을 이용한 방식을 사용하여 먼지를 여과함으로 장비를 반영구적으로 사용할 수 있는 미세먼지 측정장치에 관한 것이다.

국 가 : KR ( Republic of Korea) 특 허 명 : 미세먼지 측정장치 출원번호 : 10-2014-0051396 등록번호 : 10-1414858
	본 발명의 미세먼지 측정 장치로써, 해결하고자 하는 기술적 과제는 미세먼지의 유입시에 미세먼지의 농도를 측정하되 미세먼지의 농도에 따른 위험성을 사용자에게 알리고, 미세먼지의 농도뿐만 아니라 인체에 유해한 휘발성 유기화합물의 위험성을 알리도록 하는 미세먼지 측정 장치 및 미세먼지 측정 방법을 제공하는 데 있다.그에 따른 본 발명의 미세먼지 측정 장치는 공기중에 있는 미세먼지의 농도를 측정하고, 미세먼지의 농도와 대응하는 미세먼지 농도정보를 생성하는 미세먼지 측정부; 상기 미세먼지 측정부와 연동하며, 상기 미세먼지 농도정보를 입력받아 상기 미세먼지 농도정보를 수치화하여 디스플레이하는 디스플레이부; 상기 디스플레이부의 주변에 배치되는 스피커; 및, 상기 미세먼지 측정부와 연동하며, 상기 미세먼지 농도정보를 입력받아 상기 미세먼지 농도정보가 기설정된 미세먼지 농도기준값보다 증가하는 경우, 상기 디스플레이부에 위험을 알리는 경고표시를 출력시키고, 상기 스피커를 통해 경고알람을 출력하는 미세먼지 경고부;를 포함한다.따라서, 본 발명은 가정이나 사무실에 있는 사용자가 경고표시를 통해 시각적으로 미세먼지의 경보상황을 알 수있을 뿐만 아니라, 경고알람을 통해 청각적으로도 미세먼지의 경보상황을 알 수 있기 때문에, 그에 따라 즉각적으로 미세먼지에 대한 대처를 시행할 수 있는 효과가 있다.

특허전략

상기된 특허들은 미세먼지 검출을 정밀한 계측장치(집진기, 필터, 샘플링장치 등등)을 이용하여 상용화할 경우 단가가 매우 비쌀 것으로 예산된다. 또한 장치의 높은 복잡도로 인한 요인도 있다. 따라서 우리 제품은 단가를 낮추어 도심의 가로등이나 안테나, 공장 주변, 아파트, 주거지역 등등 많은 장소에 설치가 가능하게 되어 이에 따를 데이터 처리 솔루션도 포함해 차별화를 갖게 할 것이다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

저렴한 미세먼지 측정기를 어디에나 있는 가로등에 설치한다면 도심의 전반적인 미세먼지 데이터를 낮은 가격으로 데이터를 얻을 수 있다. 도심에서는 미세먼지가 많지 않더라도 대기의 질은 좋지 않다. 기존의 노후화된 가로등을 교체하지 않고도 여 점차 개수를 늘려나간다면, 비교적 저렴한 가격으로 도심 대기질의 데이터를 얻을 수 있고 이 데이터를 통해 정책수립, 미세먼지의 근원 등등을 수치화 할 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

대기오염물질의 배출 원인으로는 외국에서 유입되는 것도 있지만 우리나라에서 발생하는 분진들도 무시할 수 없다. 중국에서 오는 미세먼지는 대기의 흐름을 통해 알 수 있지만 차량배출, 산업체 연소, 생활오염원 등등에 대한 구체적인 집계나 통계는 데이터가 부족해 어렵다. 이러한 데이터를 얻기 위해 도로주변, 공장주변 위치 즉 국소적인 위치에서의 공기의 질을 파악 할 수 있어야 한다. 이러한 데이터의 수집은 가로등에 저렴한 미세먼지 측정기를 설치함으로TJ 데이터를 충분히 수집 가능할 것이라 볼 수 있다.

이러한 데이터를 근거로 지방자치 단체나 국가에서 미세먼지 정책의 올바른 방향으로 수립이 가능할 것이다.

구성원 및 추진체계

구성원	구 분	역 할
박상선	센서 등 하드웨어 설계	센서부 설계
유환기		외관 설계
이경열		회로 제작
이종성	측정 메커니즘 개발	메커니즘 개발 및 수정
전호열	측정 메커니즘 개발	테스트 및 수정

설계

설계사양

미세 먼지의 위험성이 높아진 현재 미세먼지 측정의 중요성이 대두되었다. 미세먼지의 농도를 알 수 있는 방법은 기상청에서 발표한 자료를 통해서 아는 방법과 직접 미세먼지 농도를 측정하여 알 수 있는 방법 두 가지가 있다. 기상청에서 발표하는 방식은 광범위한 범위를 대략적으로 보여주기 때문에 우리 생활에 밀접한 연관을 가지지 못한다. 그런 이유로 미세먼지 측정기의 중요성이 부각되었다. 우리 조는 조도 센서와 테이프의 접착력을 이용한 간단한 원리의 흡착성 미세먼지 측정기를 만들고자 한다. 이를 통해 원가를 절감하여 누구나 싼 가격에 사용할 수 있는 간단하지만 정확한 측정이 가능하도록 하는 것이 목표이다.

개념설계안

전체 구성도

센서부

포집된 미세먼지를 흡착시킨 테이프에 빛을 쏘기 위한 레이저 포인터와 조도 센서 모듈을 통한 광량을 측정한다. 미세먼지의 양에 따라 조도센서에 들어가는 빛의 양이 달라지는데 이 때 전도율이 달라진다. 빛의 양이 많아질수록 전도율이 높아져 저항이 낮아지므로 전류가 더 많이 흐르고 전압이 낮아집니다. 여기서 측정된 광량은 추후에 미세먼지 농도값을 도출하기 위한 핵심적인 데이터로 사용된다.

제어부

Arduino UNO R3의 On / Off Rocker 스위치를 이용하여 각 센서부에서 데이터를 측정할 지 제어한다. 조도센서에서 측정한 데이터를 실제 미세먼지 농도로 변환하는 작업을 거쳐 LCD화면에 출력한다. 출력한 농도가 위험수준이면 빨간색 LED를 작동시켜 사용자에게 알려준다.

포집부

테이프의 투명도 차이를 이용하여 미세먼지 농도를 측정하는 특성 때문에 테이프의 투명도 차이가 클수록 측정이 용이하다. 따라서 팬을 이용하여 테이프에 미세먼지가 많이 붙도록 하여 측정한다. 측정결과는 제어부에서 함수를 이용하여 미세먼지 농도로 변환한다.

출력부

조도센서를 이용하여 측정한 데이터를 제어부에서 미세먼지 농도로 변환한 후 LCD 화면에 출력해준다. 출력 형태는 Value : Data 형태 이다.

개념설계 다이어그램

이론적 계산 및 시뮬레이션

팬을 사용했을 때 출구의 유량은 0.04m^3/s이다. 이 때, 미세먼지의 평균 농도가 X라면 출구에서의 미세먼지의 ug/s 는 x(ug /m^3) * 0.04(m^3/s) = x*0.04 ug/s 이다. 예를 들면, PM10 일때 24시간 평균 50 ug/s 이므로 이 때 출구에서의 미세먼지는 50 * 0.04 = 2ug/s이다.
실험을 했을 때 미세먼지의 농도(기상청 기준)가 25ug/m^3 였다. 이 때 출구에서의 미세먼지는 25 * 0.04 = 1ug/s 로 나온다. 먼지를 테이프에 분사하는 시간이 5초 정도 이므로 5ug의 미세먼지가 테이프에 부착된다. 5ug의 미세먼지를 2cm^2의 테이프에 분사하면 조도센서로 측정하기에 충분한 양이 분사된다고 판단하였다.
조도센서의 값은 광량이 줄어들수록 증가한다. 따라서 미세먼지의 농도와 조도센서값은 비례관계이다. 미세먼지의 농도가 25ug/m^3일 때 조도센서의 값이 60을 나타냈다. 따라서 25/60 = 0.417 로 조도센서값에 0.417을 곱하게 되면 미세먼지농도가 나오게 된다.

조립도

공기배출부 2-D 도면

공기배출부 3-D 도면

부품도

센서부

종류	B31 CDS 광전센서 모듈 조도 포토 센서 아두이노	CCG 라인 레이저 모듈 적색 12mm 5mW 650nm 레이저
기능	레이저를 먼지가 포집된 테이프에 통과시켜 조도의 변화를 측정

제어부

종류	Arduino Uno R3	Bread Board
기능	센서를 통한 입력값을 바탕으로 데이터 처리를 통해 미세먼지 측정값 계산 및 LCD로 출력

포집부

종류	모터	테이프	팬
기능	팬을 통해 순환시킨 공기중의 먼지를 테이프에 흡착시켜 포집하게 된다.

출력부

종류	Serial LCD 모듈 (2*16)(AM-SLCD216)	LED
기능	미세먼지의 측정값을 출력	일정 농도이상 측정시 점등

제어부 및 회로설계

소프트웨어 설계

	소프트웨어 알고리즘은 위와 같다. 먼저 스위치가 On이되면 모터가 작동되어 테이프의 투명한 면이 나오도록 한다. 그 후 테이프의 투명도를 조도센서로 측정한다. 측정한 후 팬으로 먼지를 포집하여 테이프에 먼지를 부착시키고 어두워진 테이프의 조도를 측정한다. 전후의 조도차이를 이용하여 미세먼지농도를 계산하고 계산된 미세먼지 농도는 LCD화면에 출력하고 그 수준이 기준치(50)이상이면 빨간 LED가 점등된다

자재소요서

부품번호	부품명	수량	구매, 외주, 제작
1	W70 아두이노 우노 R3 스타터키트/센서 모듈 LCD LED	1	구매
2	Arduino,Rocker button switch/락커버튼스위치	1	구매
3	D6/DC,FAN/팬/FD1225D24HBL/120mm/12V/24V/쿨링팬/25T FD1225D12HBL	1	구매
4	18650배터리팩 모음 DC5.5 12V 보조배터리전원(특허)	1	구매
5	B31 CDS,광전센서 모듈 조도 포토 센서 아두이노	1	구매
6	B58,A3967 스텝모터 드라이버 EasyDriver 아두이노	1	구매

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

특허출원번호 통지서

개발사업비 내역서

항목 (품명, 규격)		수 량	단 가	금 액		비 고
항목 (품명, 규격)		수 량	단 가	계	현금	비 고
1	W70아두이노 우노 R3	1	8,000원			구매
2	락커 버튼 스위치	1	500원			구매
3	쿨링팬 FD1225D24HBL/120mm/12V/24V	1	8,000원			구매
4	B58B58 A3967 스텝모터 드라이버	1	6.360원			구매
5	접퍼선 묶음(40EA)	1	1.800원			구매
6	합 계		24,660원

완료 작품의 평가

평가항목	평가방법	적용기준	개발 목표치	비중(%)	평가결과
실제실제 미세먼지 농도와의 오차율	지역측정소 데이터와 비교	지역측정소 데이터와의 오차율	±15%	60%	범위안에 모두 들어감->양호
단가	총 재료 단가 취합	총 재료 단가	30,000원 이하	25%	제작 결과24,660원-> 양호
전력소모량	7800mAh배터리를 이용하였을 때 구동시간	연속 구동시간	5시간 연속구동	5%	6시간20분 구동-> 양호
휴대성	무게와 크기	무게와 크기	크기 200X200X200이하무게 500g 이하	5%	양호
디자인	심미성		5%	5%	양호

향후평가

단가를 낮추기 위해 측정된 데이터와 기상청과의 데이터에 오차가 존재한다. 제작단가를 더 올린다면 보다 정확한 데이터을 산출할 수 있을 것이다.
낮은 단가의 강점을 이용하면 도심 공공재(가로등) 곳곳에 설치할 수 있을 것이고, 이를 통해 기존의 미세먼지 측정소가 넓은 지역을 담당하는 것보다 정밀한 미세먼지 데이터를 얻을 수 있을 것이다. 이를 통해 도심의 미세먼지 농도의 실시간 변화와 흐름 나아가 미세먼지의 원인을 알 수 있을 것이다. 이러한 데이터를 바탕으로 미세먼지 정책의 방향을 제시할 수 있다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

소프트웨어 프로그램 소스

설계구성요소 및 제한요소

설계구성요소	과제보고서내의 항목	내용 요약
목표설정	1.1 개발과제의 개요	- 과제의 배경, 목표, 내용을 설정함
합성	2.1 설계사양 2.2 개념설계안 2.4 조립도 2.5 부품도	- 목표를 수행하기 위한 아이디어 제시 - 제시된 설계 조건에 부합하는 설계변수 설정
분석	2.1 설계사양 2.3 이론적 계산 및 시뮬레이션	- 목표에 부합하는 설계사양 설정 - 안전성 검증
제작	2.8 자재소요서 3.1완료작품소개 3.2 개발사업비 내역서	- 제품 제작을 위한 CAD 모델링 - 금액 산출
시험 및 평가	3.3 완료작품의 평가	- 동작 확인 및 안정성 검증

설계제한요소	과제보고서내의 항목	내용 요약
원가	1.3 관련시장에 대한 분석 3.2 개발사업비 내역서	- 설계제품의 시장 분석
안정성 및 윤리성	1.1 개발과제의 개요 1.4 개발과제의 기대효과 2.1 설계사양	- 설계제품의 실현 가능성 검토 - 설계제품의 사회적 기대효과 검토
신뢰성	2.1 설계사양 2.3 이론적 계산 및 시뮬레이션	- 설계제품의 안전성 검증
사회에 미치는 영향	1.1 개발과제의 개요 1.4 개발과제의 기대효과	- 설계제품의 사회적 기대효과 검토
환경요인	2.1 설계사양 2.3 이론적 계산 및 시뮬레이션	- 설계제품의 안전성 검증
기타	2.1 설계사양 3.3 완료작품의 평가	- 동작 확인 및 안정성 검증

Strength	Weakness
▶ 실용성 - 인구가 밀집된 도심의 미세먼지 측정값을 통해 일상생활에 실질적인 도움을 가져다 줄 수 있다.	▶지속적인 유지보수 필요 - 먼지를 흡착하는 흡착장치는 소모품이므로 교체가 필요하다.
Opportunity	Threat
▶사회적 이슈화 - 봄, 가을철의 중국발 미세먼지 문제가 해가 지날수록 심화되면서 대중들의 관심도가 높아졌고 이로 인해 필요성을 주목받을 수 있다.	▶ 데이터의 신뢰도 - 단가를 낮추기 위해 새로운 메커니즘을 개발하였지만 오차율이 존재한다.

		강점(Strength)	약점(Weakness)
		내적요소
외적요소	기회(Opportunity)	SO 전략	WO 전략
	기회(Opportunity)	▶ 사회적 이슈로 미세먼지 관련 제품의 수요가 늘어나는데 경제적 이점을 부각시켜서 시장을 공략한다.	▶ 흡창장치 소모를 최소화 하는 방향으로 개발을 하거나 다른 대체 소모품을 고안한다.
	위협(Threat)	ST 전략	WT 전략
	위협(Threat)	▶ 데이터 메커니즘 연구를 활발히 진행하여 측정값의 오차를 최소화 한다.	▶ 잦은 유지보수 데이터를 바탕으로 제품의 성능을 끌어올린다.

1조 - 1조

목차