8조-더스트버스터즈

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 신소재종합설계

영문 :

과제 팀명

더스트버스터즈

지도교수

정재필 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 염*아 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 원*호

서울시립대학교 신소재공학과 201645000** 최*원

서울시립대학교 신소재공학과 201645000** 오*수

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 임*현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

1. 제품 소개
   1. 외부공기를 전기집진형 공기 청정기로 통과시킴은 물론 내부 공기를 흡입하여 공기청정기를 통과시키는 과정에서 공기를 정화한다. 이렇게 깨끗해진 공기를 내부로 유입시켜 버스 내부의 미세먼지와 이산화탄소의 농도를 저감한다.
   2. 버스설치 전기집진형 공기청정기의 필터들은 간단하게 물로 헹구는 방식으로 세척이 가능해 누구나 간편하게 청소할 수 있고, 장기간 이용 및 손쉬운 교체가 가능하다.
   3. 버스 천장에 부착하는 방식으로, 버스의 기존 환기 시스템을 위한 구멍을 최대한 활용하여 버스 차체에 손상이 적은 방향으로 부착한다
2. 주된 이론 및 원리
   1. 코로나 방전
      1. 전극 주위에 플라스마를 형성하도록 이온화되어 주변 지역에 전하를 넘겨주게 됨. 그 주변이 이온화되고 전도성을 띄는 구역의 밖에서는 대전 입자가 중성이 되기 위해 천천히 반대 전하의 물체를 향하게 됨.
   2. 코로나 방전 원리의 이용
      1. 흡입한 오염입자는 Pre-Filter에서 비교적 큰 입자가 포집되고 미세한 입자는 Ionizer에서 (+)로 대전시킴. 미분자가 정전 Filter를 통과하면서 집진부에 흡착되어 포집 후 깨끗한 공기 방출.

개발 과제의 배경

1. 한국은 OECD 회원국 중 미세먼지 및 초미세먼지 문제가 가장 심각하다. 특히 버스에서는 역마다 개폐되는 문과, 초미세먼지를 걸러주지 못하는 기존의 환기 시스템에 의해 승객들의 건강이 위협받고 있다
2. 많은 탑승객들이 배출하는 이산화탄소 때문에 오랜 운행 시간 동안 버스 내부의 이산화탄소 농도가 증가하는데, 이산화탄소와 미세먼지는 졸음을 유발하기 때문에 운전기사에게 악영향을 줄 수 있다.
3. 코로나 바이러스 확산 위험으로 인해 버스와 같은 밀폐된 공간에서의 환기가 더더욱 중요해지고 있는 실정이다.
4. 따라서 이러한 문제들을 해결하기 위해, 버스 상단에 설치하는 전기집진형 공기청정기를 제작한다.

개발 과제의 목표 및 내용

1. 이온발생기와 집진판을 이용하여 효과적으로 미세먼지를 제거하는 전기집진형 공기청정기를 만든다. 목표치 99% 이상.
2. 외부 공기를 깨끗하게 걸러내어 버스내부로 충분히 유입시킴으로써 버스 내부의 이산화탄소 농도를 저감하는 효과를 얻는다.
3. 차체의 훼손을 최소화하고 기존의 버스 위에 장착할 수 있도록 함으로써 이 제품을 적용하기 위한 특정한 버스를 만들어야하는 불필요한 노력 및 비용을 최소화한다.
4. 오존필터를 적용함으로써 코로나방전으로 인해 발생하는 오존의 영향을 최소화한다.
5. 미세먼지 농도를 측정하여 작동하는 이온 발생기 개수를 자동으로 컨트롤하는 시스템을 활용하여 공기청정기를 가동할 때 낭비되는 불필요한 전력을 최소화하고 오존의 발생을 줄인다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

• 특허조사 및 특허 전략 분석

1. 특허 조사
2. 특허 전략
   1. 단순한 공기청정기가 아닌 버스에 장착하는 목적이라는 점을 강조하여 차체를 훼손시키지 않고 버스의 천장에 장착하는 방법이나 전원 공급 방법을 통해 차별점을 둔다.
   2. 미세먼지 농도를 측정하여 자동으로 작동 단계를 다르게 한다.
   3. 기존의 필터식과 전기 집진식 공기청정기의 방법을 결합한 뒤 오존 필터를 추가하여 오존의 발생 위험을 최소화한다.
   4. 버스 내부의 공기를 정화할 뿐만 아니라 외부의 공기를 유입시키는 환기 시스템의 효과도 있기 때문에 공기 청정과 환기 시스템의 결합 형태임을 강조한다.

• 기술 로드맵

1. 발전과정

19세기 산업화를 거치면서 대기오염의 심각성으로 공기 청정 기술이 도입되었다. 필터형과 전기 집진 방식의 공기 청정기가 개발되었고, 다른 다양한 방식의 공기청정기의 개발이 이루어지고 있다. 대기오염이 점점 심각해지고 미세먼지에 의한 여러 가지 악영향이 대두되면서 가정 및 회사, 학교에서도 공기청정기를 흔하게 사용하고 있다.

1. 현재 기술의 문제점
   1. 필터형 공기청정기는 초미세먼지 및 유해물질의 제거 효과가 전기 집진 방식에 비해 높지 않다.
   2. 전기 집진형 공기청정기는 고전압에 의해 인체에 유해한 오존이 발생할 위험이 있다.
   3. 대중교통에 적용 가능한 차단율이 높은 공기청정기는 개발되지 않았다.
2. 발전 방향 예측
   1. 전기집진 방식으로 인해 발생하는 오존을 제거할 수 있는 기술을 적용한다.
   2. 공공시설과 대중교통에 적용하기 위한 소형화와 경제성을 갖출 수 있도록 한다.
   3. 기존 필터형과 전기 집진형의 결합으로 내구성과 집진 효율을 개선한다.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

현재 버스 내부 공기 정화를 위한 경쟁 제품은 이미 출시된 것이 없다. 그 외에 서울시에서 버스 내부 공기 정화를 위해 환풍구에 필터를 적용하고 있지만 이는 pm 2.5 이하의 초미세먼지는 거의 필터링하지 못하고 있는 상황이다.

• 마케팅 전략 제시

1. Strength
   1. 외부 공기와 내부 공기를 발아들여 미세먼지와 같은 오염물질을 걸러주어 깨끗한 공기를 버스 내부에 유입할 수 있다.
   2. 위 과정으로 버스 내부의 이산화탄소 농도 저감 효과를 얻을 수 있다.
   3. 코로나 방전의 집진 원리로 인해 발생하는 오존을 오존필터로 걸러주어 오존의 영향을 최소화한다.
2. Opportunity
   1. 현재 미세먼지나 여러 세균의 위험성에 대한 높은 인ㄴ지도로 밀폐된 공간에 보다 효율적인 환기시스템을 요구하고 있다.
   2. 많은 인구가 이용하고 있는 대중교통 중 하나인 버스의 환기시스템은 열악하다.
   3. 버스뿐문 아니라 다른 대중교통의 환기 시스템에도 적용 가능하다.
3. Weakness
   1. 다른 대중교통의 환기 시스템에 적용시, 그 교통수단의 외형 변화의 가능성이 있다.
4. Threat
   1. 버스 설치형 전기집진 공기청정기의 설치로 인한 가격 인상의 우려가 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 환경부 권고기준인 초미세먼지(PM-2.5) 35μg/m³를 기준으로 미세먼지 저감효과를 얻을 수 있다.
2. 국가법령정보센터의 실내공기질 관리를 위한 대중교통차량의 제작과 관련한 행정규칙에 따라 시간당 외부공기 유입량 = 설계정원수 × 20㎥ 이상으로 한다. 이에 따라 이론적으로 계산한 결과로, 송풍구를 통해 나오는 필터링된 공기의 양인 송출량이 약 144m³/h 이며, 이는 밀폐된 공간인 버스의 내부 공기를 환기시키는데 적절한 값이다.
3. 이 실험에서 사용될 송풍기의 사양을 고려했을 때, 발생하는 소음은 39dB로, 소음 분류 기준인 60데시벨 이하이므로, 승객들의 불편에 영향을 미치지 않을 것이다.
4. 오존 필터를 사용함으로써 코로나방전으로 발생하는 오존의 농도를 0.01ppm 이하로 유지한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1. 버스 내부의 환경 개선 및 밀폐된 버스를 이용함으로서 탑승객들이 겪는 불안함을 해소시켜 안정감을 주고 버스 이용 빈도를 늘릴 수 있다. 이는 버스 관련 기업들의 이익 증대 및 대중교통 이용량 증가로 인한 환경 정화 효과를 가져올 수 있다.
2. 버스 내부의 이산화탄소 농도를 저감시켜 운전기사의 피로로 인한 사고의 발생 가능성을 줄일 수 있다.
3. 기존 버스의 차체를 최대한 훼손하지 않고 장착할 수 있기 때문에 적용에 많은 비용과 시간이 필요하지 않다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

염정아: 기존 제품의 단점, 문제점 파악 및 보완

원찬호: 필요한 부품 구매처별 가격, 서능 비교, 제품 소재 선정

최지원: 시제품 제작 및 실험 데이터 기록/분석, 관련 자료 조사

오지수: 행정서류, 예산 및 일정 관리, 제품 내/외부 디자인

설계

설계사양

1. 원형 환풍기과 송풍기의 크기, 그리고 버스의 크기를 고려하여 비례식으로 축소시켜. 대략적인 높이 200mm, 너비 200mm, 길이 600mm의 기준을 정한다.
2. 전기 집진기의 원리에 맞게, Fan , Pre-Filter, 음이온 발생기, 집진판, 오존필터(또는 활성탄), 송풍기 순으로 배치한다.
3. 음이온 방출량은 개당 1~4x106pcs/cm3로 총 6개를 사용하여 충분한 양의 음이온을 발생시킨다.
4. 프리필터, 활성탄 필터 등은 제품의 크기에 맞게 재단하여 적용한다.
5. 원 공급은 220V 전원선으로 연결하되, 12V, 5V등 다른 전압을 필요로 하는 경우에는 중간에 컨버터를 두어 변압시켜 사용한다.
6. 흡입부 : 2개의 원형 환풍기. 버스 내부 및 외부의 공기를 장치 안으로 흡입한다.
7. 필터부 : 순서대로 프리필터, 활성탄 오존 필터. 프리필터는 큰 먼지를 1차적으로 거르는 역할을 하며 활성탄 오존 필터는 오존 제거 효과가 있다.
8. 미세먼지 센서 : 미세먼지 농도를 감지하여 작동 단계를 조절한다.
9. 이온발생기 : 음이온을 발생시켜 공기중의 오염물질에 붙게 한다. 음이온이 붙은 오염물질들은 음전하를 띠게 된다.
10. 집진기 : 양극으로 대전되어 음전하를 띠는 오염물질 및 먼지들을 포집한다.
11. 공기 방출부 : 송풍기를 통해 필터링된 깨끗한 공기를 버스 내부로 유입시킨다.

개념설계안

기존의 전기집진 공기청정 시스템에 오존필터를 추가한 이중 필터링 방식

현재 사용되고 있는 공기청정기는 크게 필터식과 전기집진식으로 나뉘는데, 이 중 우리가 선택한 방식은 전기집진식과 필터식의 혼합 형태이다. 전기집진식 공기청정기의 원리는 유입된 공기가 음이온에 의해 대전이 일어나고, 공기 내 불순물이 음전하를 띠게 되고, 양으로 대전된 집진판을 거치며 불순물은 집진판에 붙고 깨끗한 공기만 방출시키는 것이다. 이때 고전압을 사용하게 되는데, 고전압에의해 공기 중 산소 분자가 깨지며 오존이 발생하게 된다. 실내에 오존 농도가 일정 수준 이상이 되면 눈이나 호흡기 등 인체에 악영향을 주게 되므로 집진판 이후에 오존 필터링 시스템을 추가하였다.

버스 내, 외부의 공기를 모두 흡입하는 환기형 공기청정 시스템

기존 버스의 환기 시스템은 버스 외부의 공기를 필터링 없이 버스 내부로 유입하는 방식이었다. 우리는 이 시스템을 개선하여 버스 외부의 공기를 필터링하여 깨끗한 공기를 버스 내부로 방출할 뿐 아니라 버스 내부의 오염된 공기 또한 공기청정기 안으로 유입시켜 깨끗하게 정화한 후 버스 내부로 방출하는 방식을 사용한다. 이는 공기청정시스템과 환기 시스템의 결합으로 버스 내부의 공기를 깨끗하게 정화할 뿐 아니라 신선한 공기를 버스 내부로 꾸준히 유입시켜 이산화탄소 농도 또한 조절한다.

미세먼지 농도에 따라 작동 단계를 자동으로 조절하는 시스템

프리 필터 뒤쪽에 미세먼지 측정기를 장착하여 흡입된 공기의 미세먼지 농도를 측정한다. 이때 미세먼지 농도가 기준치 이상이면 음이온 발생기의 작동 개수를 늘려서 더 빠르고 효과적으로 공기를 정화할 수 있도록 한다. 아두이노를 이용한 자동화 시스템을 사용하며, LCD를 전면에 부착하여 실시간으로 미세먼지 농도를 모니터링 할 수 있도록 한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1. 음이온 발생기의 오존 발생량이 <0.05ppm 이기 때문에 목표치인 0.005 ppm 이하의 오존 농도를 유지하기 위해서는 90% 이상의 오존 필터링 성능이 보장되어야 한다.
2. 충분한 공기 청정 효과를 위해서는 시간당 공기 송출량이 버스 부피의 2배가 되도록 해야 하는데 일반적인 버스의 부피를 통해 계산했을 때 100m3/h 이상의 출력을 가진 송풍기를 사용해야 한다.
3. 전기 집진기 및 음이온 발생기에는 DC 12V의 전압이 필요하며 아두이노 보드는 DC 5V, 이외의 송풍기 및 환풍기는 220V를 사용하기 때문에 220V 전원을 사용했을 때 최소 2번의 변압 과정이 필요하다.
4. 시뮬레이션 결과는 다음과 같다.

상세설계 내용

조립도

제어부 및 회로설계

소프트웨어 설계

결과 및 평가

완료 작품의 소개

최근 몇 년 동안 미세먼지로 모두가 고통받고 있고, 코로나 사태의 발발로 인해 내부 공기 환기의 중요성이 더욱 대두되고 있는 상황이다. 하루 평균 대중교통 이용객은 약 719만명 중 버스 이용객은 출입문의 개폐와 창문을 통해서 미세먼지들이 여과 없이 버스 내부에 들어옵니다. 현재 시스템은 10마으키르미터의 미세먼지는 높은 차단율을 보여주지만, 2.5마이크로미터의 먼지 차단율은 높지 못합니다. 그렇기에 매우 작은 크기의 미세먼지도 높은 차단율로 걸래줄 수 있는 전기집진형 공기청정기를 구상했습니다

우선 앞에 있는 두개의 Fan이 외부공기와 내부공기를 빨아들입니다. 그 후 Pre-filter를 통해서 큰 먼지를 걸러주고, 그 후 음이본 상갱기에서 음이온을 방출하여 먼지를 음극으로 대전시킵니다. 그 후 양극으로 대전된 집진판에 음극으로 대전된 먼지들이 포집됩니다. 이때 음이온 방출기에서 소량의 오존이 발생되는데, 이를 필터링 해주기 위해서 오존 필터를 사용합니다. 최종적으로 여과된 공기를 송풍기를 이용해서 버스 내부에 공급해줍니다.

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

개발 일정

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

1. 소형화 및 간소화를 통해 향후 버스 뿐 아니라 일반 승용차 용으로도 발전 가능하다.
2. 공기 송출량을 높이고 장착 방법을 개선하면 버스 외에 다른 대중교통(지하철, 기차 등)에도 적용이 가능하다.
3. 향후 실제 버스를 이용한 실험을 통해 차체 훼손의 정도를 평가할 수 있을 것이다.
4. 제작비용을 따져보았을 때 가장 많은 부분을 차지하는 것은 외부 케이스와 실험 장치 제작 부분으로 실제 제품을 제작할 때는 충분히 절감할 수 있는 부분이므로 제품 가격의 큰 절감이 가능할 것이다. 또한 미세먼지 센서의 가격도 큰 비중을 차지하는데 센서는 제품의 기능에서 중요한 부분이므로 일정 수준 이상의 가격 절감은 불가능할 것으로 예상된다.