2조-커피버억스

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 신소재종합설계

영문 :

과제 팀명

커피버억스

지도교수

정재필 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 황*학(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 문*환

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 오*람

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 장*현

서울시립대학교 신소재공학과 201645000** 김*희

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

커피 수요의 증가로 인해 커피 찌꺼기의 발생량이 매년 증가하고 있다. 커피 찌꺼기는 탄소, 유기물과 풍부한 섬유소를 포함하고 있어 재활용 가치가 높은 자원이지만 현재까지는 많은 양이 일반 생활 쓰레 기로 버려지고 있다.

따라서 가치 있는 자원의 폐기와 일반 쓰레기 증가라는 두 가지의 문제가 대두된다. 이에 국내에서 커피 찌꺼기 재활용을 활성화시키기 위해 커피숍에서 커피 찌꺼기를 건조 시킬 수 있는 건조기와 커피숍과 수거업체를 이어주는 어플을 개발하고자 한다.

미리 건조된 커피 찌꺼기를 이용함으로써 후에 공정 과정에서 건조 과정을 단축할 수 있으며 보관에 용이하다. 또한 어플을 통해 현재 비효율적으로 돌아가는 수거 시스템을 개선할 수 있다. 따라서 본 제품은 지자체의 원활한 수거와 커피 찌꺼기 재활용 업체에서의 공정 과정 단축 및 장기간 보관을 가능하게 함으로써 커피 찌꺼기의 활용을 높일 것으로 보여진다.

개발 과제의 배경

A. 개발 과제의 배경

◇ 국내 커피 소비량이 매년 증가하며, 2018년 기준 성인 1인당 연간 커피 소비량은 353잔에 달한다.

◇ 이에 따라 발생하는 커피찌꺼기 량도 매년 증가하여 한 해 약 27만 톤이 발생한다.

◇ 커피찌꺼기 처리과정 중 매립, 소각으로 인해 토양 오염, 이산화탄소 발생 등 많은 환경오염이 발생 한다.

◇ 또한 지자체의 예산이 처리과정에 쓰이고 있어 연 7억 원 정도의 사회적 손실이 발생한다.

◇ 최근 바이오매스 에너지, 퇴비 등으로 재활용하는 해결책이 제시되어 일부 지자체와 기업에서 사업을 진행 중이다.

◇ 하지만 이 과정에서 가장 큰 문제가 커피찌꺼기 원료공급이 원활하게 되지 않는다는 점이다.

◇ 커피찌꺼기의 보관 시 곰팡이가 발생한다는 문제와 수거업체의 효율적인 수거 시스템이 미흡하여 바이오매스 에너지의 공급이 원활하게 되지 않는다.

B. 개발 과제의 효과

◇ 커피전문점: 커피찌꺼기 배출량 및 처리비용을 감소시킨다. 방향제의 역할을 대신 할 수 있다. 친환 경 브랜드 이미지를 구축할 수 있다.

◇ 커피찌꺼기 전문 수거 업체: 찌꺼기의 효율적인 유통 및 수거 네트워크를 구축한다. 찌꺼기 건조가 선행됨에 따라 인건비와 유통비 등을 감소시킨다.

◇ 바이오매스 연구기업: 원료인 찌꺼기의 원활한 공급으로 바이오매스 에너지 생산을 활성화한다.

◇ 지자체: 쓰레기 수거, 매립 등에 쓰이는 비용을 감소시킨다.

◇ 환경: 토양오염과 이산화탄소의 감소가 이루어진다. 바이오매스라는 신재생 에너지로의 가능성을 얻 는다.

개발 과제의 목표 및 내용

A. 개발 과제의 목표

◇ 커피찌꺼기 양 알림 어플리케이션 및 건조 장치를 설계 및 개발한다.

◇ 커피 전문점에서 보관하는 데에 따른 문제점 해결과 어플리케이션을 통한 수거업체, 커피 전문점 간의 네트워크를 활성화하여 수거 시스템을 효율적으로 바꾼다.

◇ 커피찌꺼기의 최종 수여자인 바이오매스 에너지로의 원료 공급을 원활하게 한다.

B. 개발 과제의 내용

◇ 커피 찌꺼기를 제작한 장치에 넣어 건조시키며 장시간 보관을 가능케 한다.

◇ 이 때 태양전지 등의 방법으로 전력을 공급한다.

◇ 커피찌꺼기의 중량을 측정하고 이를 디스플레이에 표시되게 한다.

◇ 일정 무게가 초과하면 이를 알림 어플리케이션에 표시되게 하여 수거 업체를 통한 수거를 진행한 다.

◇ 건조된 커피 찌꺼기의 수분 함량을 낮춘다.

◇ 커피숍에서 보유하고 있는 커피찌꺼기의 양과 위치를 앱에 나타내 수거 업체에서 알 수 있게 한다.

◇ 커피찌꺼기의 양에 따라 적절한 건조 시간과 온도를 제 시한다.

◇ 커피찌꺼기가 건조된 후 자동으로 수거통으로 들어간 다.

◇ 건조되는 중에는 사용자가 다치지 않도록 제품을 잠근 다.

설계 사양

개념설계안

처음 개념설계한 커피찌꺼기 건조통의 구조는 다음과 같다. 초기에는 스크류를 이용한 건조방식이었으나 태양열 에너지의 높지 않은 효율로 인한 에너지 공급 부족 이슈가 예상되어 모터와 열필름만을 이용한 건조 방식을 채택하였다. 또한 모터의 회전방식도 드럼 세탁기와 같이 위에서 아래로 회전하는 방식을 선택하였다.

① 태양열을 통한 에너지 공급 지속가능한 에너지 공급을 위해 태양광 패널을 통 위쪽에 설치한다.

② 배터리를 통한 에너지 충전 일조량이 높지 않을 때도 사용이 가능하여야 하기 때문에 컨트롤러를 통하여 에너지를 배터리에 충전하여 사용할 수 있도록 한다.

③ 열필름과 모터를 이용한 커피찌꺼기 건조 태양열을 통해 공급받은 에너지를 열필름의 열 발산과 모터가 회전하는 데 공급하여 커피찌꺼기가 충분히 건조될 수 있도록 한다.

④ 구멍을 통한 습기 방출 사용되고 나온 커피찌꺼기는 습기가 많기 때문에 건조과정에서 습기를 방출하기 위해 커피찌꺼기 건조통에 구멍을 뚫는다.

⑤ 아두이노와 어플리케이션의 활용 커피찌꺼기가 통에 얼마나 채워져 있는지, 채워져 있는 양을 건조시키려면 몇 시간동안 작동시켜야 하는지를 판단하기 위해 아두이노를 이용하여 커피찌꺼기의 무게가 디스플레이에 나타나게 하고 그 무게에 따라 작동시간을 조절하여 에너지의 효율적 이용과 사용자의 편리성을 극대화한다. 또한 효율적인 커피찌꺼기 수거 시스템 구축을 위하여 커피찌꺼기 수거량을 각 카페 직원이 어플리케이션에 입력하면 수거 업체에서 그 양을 확인하여 커피찌꺼기 수거의 능률을 높이도록 한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

① 이론적 계산

설계한 커피찌꺼기 수거 장치의 태양광 패널은 20W의 전력을 가지고 있다. 모터는 12V, 3.14W의 출력을 가지고 있다. 또한 컨트롤러는 12V, 배터리는 12V, 12A, 발열필름은 12V, 8W이다. 과전압이 흘러 배터리 또는 다른 부품이 오작동하는 경우를 미연에 방지하고자 같은 정격전압의 제품을 사용해야 한다. 우리나라에서 태양광 패널을 통해 에너지를 생산할 수 있는 일조시간은 하루에 3.5시간으로 알려져 있 다. 따라서 20W 전력을 가진 태양광 패널은 하루에 70Wh의 에너지를 생산할 수 있다. 따라서 70Wh의에너지를 배터리에 저장할 수 있으며, 이 에너지를 통해 모터를 70Wh/3.14W=22.3h 동안 작동시킬 수 있다. 또한 발열필름 1개는 70Wh/3.6W=19.4시간 동안 작동할 수 있다.

폐기물로 발생되는 커피찌꺼기의 수분은 약 60%이다. 일반적으로 이러한 커피찌꺼기를 건조하기 위해 서는 가정용 전자레인지에 1분간 돌리면 된다고 한다. 가정용 전자레인지는 700W의 전력을 가지고 있 는데, 이를 1분(1/60h)간 작동 시 사용한 에너지는 700W*(1/60)h=11.7Wh이다. 태양광 패널을 통해 하루에 70Wh의 에너지를 얻는 것이 가능하므로 커피찌꺼기 건조를 위한 에너지 공급은 충분할 것으로 예상된다.

② Simulation

커피찌꺼기 건조 장치의 수거 장치 파트의 시뮬레이션은 다음과 같다. 사용자는 전원 스위치(61)를 누르고 전력이 아두이노 본체(65)와 아두이노 회로에 흐른다. 수거 케이스 손잡이(66)를 돌려 수거 케이스본체(60)를 밖으로 빼낸다. 수거 케이스에 건조가 완료된 커피찌꺼기를 담으면 무게 측정판(621)은 아두이노 회로를 통해 아두이노 본체(65)에 무게 정보를 전달한다. 아두이노 본체(65)에 전달된 무게 정보는 변환 식을 통해 무게단위와 부피단위가 환산되어 아두이노 회로를 통해 LCD 패널(622)에 전달된다. LCD패널(622)에 전달 된 정보는 LCD 패널(622)에 눈으로 보이는 수치로 나타내어진다.

상세설계 내용

위의 [그림 1], [그림 2], 그리고 [그림 3]은 각각 커피찌꺼기 건조 장치의 정면도, 후면도, 수직단면도이다. 커피찌꺼기 건조 장치는 크게 전력 공급 장치(10)인 태양광패널(11), 수거통 부분과 연결하는 받침대(60) 와 직접 건조하기 위한 장치 부분 단열재(24), 열필름(25)을 부착하는 제 1 본체(20), 모터(52)를 커플링을 이용하여 축(51)을 연결해 건조하기 위해 회전력을 가해주는 제 2 본체(30), 본체(30)의 키(31)를 통해 키 홈(43)이 파여져 있어 제2본체2(30)의 회전력을 받아 커피찌꺼기를 건조 시키고 수거를 해가는 제 3 본체(40)는 손잡이 부분(42)과 덮개(41) 그리고 제2본체(30)의 회전력을 받기 위한 키 홈(43)이 뚫려있다.

본체는 커피찌꺼기를 넣는 통인 제3본체와 모터와 연결되어 있고 제3본체(40)를 회전시키는 제 2 본체(30)와 제3본체(40)와 제2본체(30)를 지지하는 제1본체(20)를 포함한다. 또한, 제1본체(20)의 내부는 단열재(24)를 포함하여 열이 빠져나가는 것을 방지하고 그 위에 부착되어 있는 열 필름(25)을 포함한다. 제3본체(40) 내부에는 축(51)을 연결시키기 위한 베어링(23)부분이 있고, 제 2 본체(30)에는 축(51)을 나사(33)로 고정을 시킨다.

덮개는 본체를 개방하기 위한 구성으로 제3본체(40)와 연결되는 제2 덮개(41)와 제1본체(20)와 연결되는 제 1 덮개(21)를 포함한다. 본체와 덮개를 용이하게 탈부착하기 위해서 테두리에 자석을 포함한다.

전력 공급 장치(10)는 제 1본체 위에 위치되어 있는 태양광 패널(11)과 패널을 제 1 본체로부터 고정해주는 지지대(12, 13)를 포함한다. 태양광 패널(11)로부터 발전 받은 전력을 충전하는 배터리(63)와 충전한 전력을 각 전기 장치에 흘려주는 컨트롤러(64)를 포함한다. 수거 장치 부분은 수거 케이스 본체(60), 케이스 손잡이(66), LCD 패널(622), 무게 측정 판(621), 아두이노 본체(65), 배터리(63), 전원 스위치(61), 아두이노 회로를 포함한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

향후계획

태양광을 이용한 전력 발전을 하고, 친환경 소재를 이용하여 제작하며, 최근 환경오염 문제가 대두되는 커피 찌꺼기를 효과적으로 재활용 할 수 있는 시스템을 제작하여 지속가능한 발전에 도움을 준다. 쉬운 작동법과 더불어 시간 설정 기능 등을 넣어 사용자(커피 전문점)에게 편리성과 접근성을 높였다. 무게 측정 장치와 디스플레이를 통해 사용자(커피 전문점)가 실시간으로 정보 습득이 가능하게 하였다. 어플리케이션의 지도와 경로 찾기 기능을 탑재하여 사용자(수거 업체)의 업무 효율을 높였다. 어플리케이션을 통해 커피 전문점과 수거 업체 간의 원활한 소통을 가능케 하고 네트워크를 신설하였다.

커피 전문점에서 나오는 커피 찌꺼기보다 유제품 가공업체에서 나오는 커피 찌꺼기를 활용한 재활용 사업이 더 가격 경쟁력이나 효율성이 높은 데에 비해, 커피 전문점에서 나오는 커피 찌꺼기를 활용한 사업은 이익 창출 면에서는 조금 아쉬운 측면이 있다. 건조 통 내부의 온도를 측정하여 소비자가 실시간으로 확인할 수 있는 기능이 있으면 훨씬 더 좋은제품이 될 수 있다. 장마철 등의 시기에 장시간 태양광 발전이 원활하지 못할 겨우를 대비한 무언가가 있으면 더 좋은제품이 될 수 있다.

특허 출원 내용

본 발명의 특징에 따르면, 전면이 개구되고 통형상의 제1 본체; 상기 제1 본체의 앞면에 결합되는 제1 뚜껑; 상기 제1 본체의 내부에 회전가능하게 설치되어 커피찌꺼기를 건조시키는 제2 본체; 상기 제2 본체의 후면부와 연결되어 상기 제2 본체를 회전시키는 모터; 상기 제2 본체의 내부에 상기 커피찌꺼기가 보관될 수 있도록 내부가 빈 통형상의 제3 본체; 상기 제3 본체의 앞면에 결합되는 제2 뚜껑; 상기 모터에 전원을 공급하는 배터리; 를 포함한다.

이로부터 전력을 공급받아 열 공급 및 회전으로 상기 커피찌꺼기를 건조시킬 수 있고, 수거통에 옮겨진 커피찌꺼기의 무게를 측정하여 디스플레이에 출력함으로써 건조된 커피찌꺼기의 양을 파악하게끔 구동할 수 있다.

2조-커피버억스

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

시장상황에 대한 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항