십일조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 세라믹 미니화덕용 미세먼지 정화장치
영문 : Air purifying device for ceramic mini firepot
과제 팀명
십일조
지도교수
김상일 교수님
개발기간
2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 이*수(팀장)
서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 김*중
서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 김*민
서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 김*민
서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 강*선
서울시립대학교 신소재공학과 20164500** 이*범
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
야외는 물론 일반 가정 및 음식점에서 간편한 사용을 목적으로 비엠씨코리아 사에서 세라믹 미니화덕을 개발했지만, 조리 시 다량의 미세먼지가 발생한다. 따라서 세라믹 미니화덕에서 발생하는 미세먼지 제거를 목적으로, 화덕에 탈부착이 가능한 공기 정화 장치를 개발한다. 연소 시 발생하는 다량의 미세먼지는 습식 세정방식을 이용해 제거한다. 이는 헤파필터를 사용할 경우 미세먼지의 저감률은 99.9% 이상으로 매우 뛰어나지만 기체의 흐름이 원활하지 못해 역류하는 현상이 자주 발생하고 조리 시에 발생하는 미세먼지의 양이 생활 미세먼지와 비교하여 상당히 높기 때문에 잦은 교체가 필요하다. 이러한 공학적 문제와 경제적 문제 때문에 물 입자를 이용한 세정집진을 설계했다. 먼저, 생성된 미세먼지 입자는 초음파 진동자 가습기의 미세한 물 입자로 인한 응축성장으로 크기가 커진다. 챔버에 격벽을 설치하여 와류를 형성한다. 이 과정에서 미세먼지와 물 입자가 긴 접촉 시간을 갖고 성장한다. 또한, 이 구조로 인해 소형화를 시킬 수 있다. 긴 경로를 통과하며 물 입자를 통해 성장한 미세먼지 입자는 전동분무기가 설치된 챔버로 이동한다. 분사된 물과 커진 미세먼지는 충돌하여 더 큰 입경의 입자가 되고 분사된 물은 아래 방향으로 운동량을 가지고 있어 미세먼지를 함유한 물 입자는 배수통으로 포집된다. 미세먼지 연통 내부에는 팬을 설치해 실제 조리 시 세라믹 화덕의 공기 흐름과 유사하게 제작한다. 각 연통의 연결부와 이음새는 아크릴 본드로 접착하고 욕실용 실리콘을 사용해 기밀성을 유지한다. 여러 차례의 실험을 통해 제작된 미세먼지 저감장치에서 발생 미세먼지 농도는 90% 감소를 목표로 설정했다. 또한, 우수한 기밀성을 갖추고 소형화를 적용한 설계로써 실내에서 화덕을 사용할 수 있게 함을 목표로 한다. 이를 통하여, 1인 1화덕 보급, 홈메이드 식문화와 실내 미세먼지 저감 등을 통해 삶의 질을 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다. 하지만, 설계를 위한 실험을 진행하면서, 현재 비엠씨코리아 사의 세라믹 화덕 시제품은 큰 온도 편차와 불규칙한 농도 편차를 보이는 것을 확인했다. 따라서 일정한 조건 아래서 실험할 수 없으므로, 시제품을 직접 동작하는 것이 아닌 내부에 모기향을 넣어 제품을 시연한다. 또한, 연통을 금속으로 제작할 시, 견적 비용이 100만원을 초과하게 되어 현실적으로 제작이 어렵고 내부 기체의 흐름을 쉽게 확인할 수 있도록 설계 완제품과 같은 크기의 아크릴판으로 연통을 제작한다.
개발 과제의 배경
비엠씨코리아 사에서는 1인 가족 및 캠핑 인구의 증가에 따라 에너지 소모가 크고 대형이며 고가인 기존 화덕에 접근이 어려운 일반 가정 사용자를 위해 적은 에너지 소모를 갖는 소형화된 세라믹 미니화덕을 개발했다. 하지만 조리 시 세라믹 미니화덕에서 다량의 유해가스가 발생하였고 이는 캠핑뿐만 아니라 실내 사용을 목표로 하는 세라믹 미니 화덕의 개발에 큰 문제가 되었다. 특히 최근에 여성 폐암 환자 중 비흡연자 비율이 92.7%이며 음식 조리 시 발생하는 유해가스가 여성 폐암의 주요 원인이라는 연구 결과와 세계적으로 연간 430만 명이 요리에 의한 실내 공기 오염으로 조기 사망한다는 유엔 환경계획부의 보고서가 발표되며 개발 중인 시제품의 유해가스 제거의 필요성이 두드러지게 되었다. 특히 조리 시 발생하는 유해가스 중 PM2.5 이상의 초미세먼지는 결막염, 각막염, 천식 등을 유발하며 폐 속으로 침투해 폐포에 흡착되어 손상을 입힐 수 있다. 따라서 본 십일조는 비엠씨코리아 사의 세라믹 미니 화덕 개발의 완성에 기여할 수 있도록 조리 시 발생하는 유해가스 중 자체 유해성을 띨 뿐 아니라 발암물질인 PAHS가 다량으로 함유되어 있는 PM2.5이상의 초미세먼지를 중심으로 저감하는 ‘세라믹 미니화덕 미세먼지 저감장치’를 개발하였다. 본 장치를 향으로 미세먼지를 발생시킨 후 대조군을 위해 전동분무기만을 이용해 미세먼지 저감 실험을 수행했고 초음파 진동자 모듈을 1개부터 6개까지 각각 10초 간격으로 미세먼지 농도를 측정하고, 원활한 유체의 흐름을 위해 팬을 작동시켜 동일한 실험을 다시 7번 수행하였다. 결과로 향에서 발생되는 미세먼지가 세정집진장치로 인해 60%이상 감소되는 효과가 있었다.
개발 과제의 목표 및 내용
우선 세라믹 미니화덕의 미세먼지 저감장치의 본질에 맞게 정화장치가 발생되는 미세먼지 저감률 90% 이상을 최우선 목표로 설정한다. 현재 비엠씨코리아 사의 세라믹 화덕 시제품은 큰 온도 편차와 불규칙한 농도 편차를 보이기 때문에 일정한 조건 아래서의 실험이 어려우므로 모기향으로 미세먼지를 발생시킨 후 정화장치를 장착했을 때와 제거했을 때를 나누어 2회 측정한다. 또한, 기체가 누출하지 않는 것을 차우선 목표로 부품 장착부와 중간 이음부에서 비눗물을 통해 기체가 새고 있는지 측정한다. 또한, 실내 사용에 적합하도록 세라믹 미니화덕의 폭과 길이를 벗어나지 않게 장치 크기를 소형화, 60dB 이하의 소음 발생, 분리와 조립의 용이성, 가격 경쟁력 등을 각각의 기준에 맞게 목표를 설정하였다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
1. 여과집진장치 기체와 액체 중에 부유하는 입자를 필터로 집진시켜 제거하는 장치이다. 일반적으로 기체를 가압하거나 진공 흡입 방식으로 케이스 내부로 유입시키고, 장착된 필터로 부유하고 있는 입자를 분리해 제거한다. 필터에 흡착된 입자는 정전기력, 분자 간 상호인력에 의해 필터에서 떨어지지 않는다. 입자 포집 능력이 좋지만, 가스 흐름의 온도가 높거나, 수분, 산도 등이 포함되어있다면 파열되는 단점이 존재한다. 또한, 필터에는 수명이 있기 때문에 계속 교체해 줘야한다.
-여과집진 관련 최신 기술 : 세라믹 여과재
최근 세라믹 여과재는 고온, 고압의 환경 하에서 집진기술로서 개발 중이다. 최근 3M Inc.에서는 1400℉에서 99% 이상의 집진 효율을 낼 수 있는 세라믹 여과재, Nextel을 개발에 성공했다. 이러한 세라믹 여과재는 Altair, Ltd.나 Dedier, GmbH, FRG 등의 회사에서 튜브형 백의 형태로 세라믹 필터 상용화 연구에 큰 노력을 기울이고 있다. 세라믹 여과포의 사용은 고온 배기가스의 냉각과정에 필요한 설비 및 비용을 줄여주고, 부식성 가스의 응축으로 인한 유지, 보수 비용의 절감, 촉매 공정의 전처리 과정 등 다양한 분야에 유용하게 사용될 수 있다. 현재 미국 Electric Power Research Institute에서 이 여과포의 성능을 시험 중에 있다.
2. 전기집진장치
정전력을 이용해 분진 등의 입자를 코로나 방전에 의해 하전시킨다. 하전된 분진 입자들은 집진극으로 이동해 분진층을 형성하고 포집된 분자층이 일정한 두께에 이르면 주기적으로 제거된다. 기본적으로 전기집진기는 집진장치와 방전을 일으킬 수 있는 고전압 발생기가 필요하다. 99%이상의 높은 집진 효율, 0.1μm, 고온의 배기가스 처리가 간단하다는 장점이 있지만, 설치비 및 시설비가 높고 방전을 위한 고전압을 일으킬 수 있는 장비가 필요하다.
-전기집진 관련 최신 기술 : 이동전극형 전기집진기술
일본 ㈜ Hitachi Plant 건설에서 개발한 이동 전극형 전기집진장치는 종래의 전기 집진장치와는 달리 집진극을 회전시키며 배기가스 흐름이 없는 집진극의 하단부에서 brush를 사용해 집진극에 부착되는 분진을 100% 탈락시킨다. 집진극은 항상 분진이 부착되지 않은 상태를 유지할 수 있고 먼지의 높은 비저항에서 야기되는 역전리 현상을 방지하고, 적은 집진 용량으로 고효율의 집진이 가능하도록 개발했다. 이런 전기집진장치의 효과는 먼지의 전기저항이 높을수록 유리하며, 기존의 전극이 고정된 전기집진장치보다 설치면적을 50%이상 줄일 수 있는 것으로 밝혀졌다. 최근 일본에서는 각종 산업공정에 약 27기의 이동 전극형 전기집진장치를 설치해 현재 운전 중이다.
3. 세정집진장치
세정액 등의 액체를 분산시켜 생성되는 기포 등에 의하여 기체 중의 미립자를 분리해 포집하는 장치이다. 분진 입경이 1μm이상일 경우, 관성 충돌의 원리가 가장 지배적인 집진 작용력으로 작용하며, 0.1μm 이하의 미세한 입자 분리는 확산 작용에 의한 부착이 지배적이다. 고온 기체 중에 함유된 미세 분진 입자를 저온 수면으로 thermal force에 의해 추진시키는 냉수면에서의 열 침착 반응이 작용해 미세한 분진 입자일수록 영향이 크게 된다. 세정액의 처리 및 세정액에 의한 장치의 부식이 발생하는 문제점이 발생하기도 한다. 집진실 내 일정한 액체를 보유하고 기체를 빠른 속도로 통과시켜 세정시키는 유수식, 물을 가압 공급하여 함진 가스를 세정시키는 가압수식, fan의 회전을 이용해 물과 가스를 교반시켜 입자를 집진하는 회전식 등이 있다. 단점으로는 만약 1마이크로그램 보다 작은 미세먼지를 제거하기 위해서는 유속을 빠르게 해야 하는 점이 있으며 세정액에 의한 부식이 발생할 수 있다.
- 세정 집진 관련 최신 기술 : Annular Orifice Venturi Scrubber
Leisegang QTV-Process에서 입자상, 가스상 오염물질을 동시에 처리할 수 있는 세정기를 개발했다. 배가스는 우선 석회수에 의해 냉각된 후, 해당 장치에서 세정 된다. 폐수가 없고, 폐열을 이용해 찌꺼기를 수분 함유량을 가진 고형물로 변환시킨다. 최근 상용화되어 MSW incineration에서 성공적으로 사용되고 있으며, 16 in. water의 압력강하 조건에서 2.5μm 이상 입자를 99% 이상 집진할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
4. 복합 최신 기술
- 복합형 집진장치 및 가스상 입자 물질 동시 처리 기술
Southern Research Institute에서 전기집진기술과 여과포 집진기술을 접목해 기존의 여과포 집진기술의 성능을 향상시킨 일체형 전기 여과포 집진기술을 개발했다. Pulse Jet 여과집진장치의 장치 방식에 따라 2가지 디자인이 주로 사용되며, 집진 효율의 향상과 압력손실의 저감 효과를 얻어냈다. 전기집진방식과 여과포 집진방식의 조합으로 각 장점 2가지를 모두 얻었다. 이 장치는 이미 실험용 규모의 장치에서 실험을 거의 완료해 상용화 단계에 이르고 있으나 대용량의 규모에서 여과포 교체의 어려움과 유지보수, 인력과 시간, 고가의 설치비용 등의 문제로 추가적인 연구가 필요한 것으로 알려져 있다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
1. <분무를 이용한 집진관련>
2. <배기구조 또는 공기순환 관련>
3. <자체전력 관련>
출원인 주
4. <여과 집진 장치 관련>
5. <소형화 관련>
6. <유사 특허>
라. 특허전략
분무기 챔버에서 미세먼지를 잘 포집하기 위해서 초음파 진동자에서 미세먼지 입자를 크게 만든다. 위의 특허에서는 1번 특허(세라믹 볼 또는 나선형 구조)를 통해 와류를 생기게 하였다. 이것은 물 분자와 미세먼지의 접촉 시간을 늘려준다. 또한, 5번 특허에서는 장치에 작은 사이클론을 일으키고 와류를 발생시켜 소형화된 장치에 미세먼지 포집 효과를 증가시켰다. 위의 특허를 응용하여 본 제품의 구조에 격벽을 설치하여 와류를 형성하고 접촉 면적을 늘림으로써 미세먼지 포집 효율을 증가시키도록 하였다. 특히 1번 특허에서 세라믹 볼을 활용할 경우 공기의 흐름을 막게 되는 것이 단점으로 작용하는데 본 장치의 격벽은 이것을 해결 할 수 있는 1번 특허와는 다른 독창성을 가지고 있다. 2번 특허(공기 순환 장치)와 관련해서 본 제품에 이것을 응용하여 별도의 공기 순환 통로를 만들 경우에 제품의 크기가 매우 커지고 별도의 팬을 장착함으로써 외부전력을 새로 설치해야 하는 어려움이 따른다. 또한, 완성된 장치에 사용되는 초음파 진동자, 분무기, 팬 등을 가동하는 데 있어서 3번 특허를 활용하여 자체전력(열전소자)을 이용하는 방법을 생각해봤다. 하지만 소형화된 장치로 인해 원하는 성능을 얻을 만큼의 전력을 얻기가 힘들었다. 따라서 보조배터리, 리튬 전지 등의 간편한 외부전력을 사용하게 되었다. 초음파 진동자와 분무기를 사용하는 구조와 비교하여 4번 특허 (정전기 여과 장치)처럼 별도의 정전기 발생장치를 설치할 경우 새로운 외부전력을 설치해야 하며 크기도 커질 것이라고 예상했다. 또한, 요리할 때 상당히 많은 미세먼지가 발생할 경우 일반적인 환경에서 이용하는 위 특허의 제품 특성상 원하는 효율을 기대하기가 힘들기 때문에 특허 응용이 제한될 것으로 생각했다. 종합적으로 특허 조사에서 서술한 응용 방안들을 활용해 기존 "구이기용 공기 정화장치"과 같은 6번 특허와 경쟁제품과 대비해 창의성과 독창성을 얻을 수 있었고 세라믹 화덕에 알맞은 설계를 할 수 있었다.
- 기술 로드맵
1. 과거
A. 여과집진
-최초의 정화장치: 16세기 입과 코 위에 착용하는 형태가 최초의 정화장치 형태이다.
-HEPA필터: 1940년대 HEPA(High-Efficiency Particulate Air)필터가 개발되었다. 맨해튼 프로젝트로 원자 폭탄을 개발하는 동안 사용되었다. 0.3um 입자 99.97% 제거 효율을 가지고 있다. 오늘날 공기청정기의 주요 필터이지만 당시에는 장치가 크고 무겁고 비싸다.
B. 전기집진
-Cottrell 집진기: 1824년, Hohlfeld에 의해 코로나 방전을 처음 사용해 Aerosol로부터 입자를 제거하는 기술이 발명되었다. 이 집진기는 개선과 발전이 반복되어 현재 대기오염 방지장치로 가장 널리 쓰이고 있다. 30,000~100,000V의 고전압에서 작동하며 구조가 간단하고 성능이 우수해 대규모 공업 플랜트에 자주 이용된다.
C. 세정집진
-분무탑(Spray tower): 강철 또는 플라스틱으로 만든 탑 내에 3~4단의 spray를 설치해 가스와 액체와의 접촉시간을 충분히 취해 집진을 한다. Venturi scrubber보다 직경이 큰 500~1000μm인 물방울을 사용한다. 또한, 유속은 0.3~1.2m/s로 느린 편이다. 따라서 10μm 이상의 큰 입자를 포집하는 데에 사용된다.
-Venturi Scrubber: 1940년 후반, H.F. Johnstone과 William Jones가 발전시킨 Venturi Scrubber는 세정집진장치 중 집진율이 가장 높아서 광범위하게 사용된다. 덕트에 위치한 Venturi에 의해 기체의 유속이 가속된다. 함진 가스는 slot부에서 가속되고 세정수는 주위의 분사 노즐에서 공급되어 미세한 액적을 만들고 전단면에 분사되어 분진과 접촉한다. 이렇게 접촉된 분진은 액적에 의해 집진되게 한다.
2. 현재
-하이필터(HI-FILTER) 시스템: 대용량 배출가스를 빠른 유속으로 처리하는 전기집진기의 장점과 높은 분진 제거 효율을 지닌 여과집진기의 장점을 취해 만든 신개념 하이브리드형 설비이다. 현재 충남 서천 화력발전소에서 성능을 검증 중으로, 안정적인 성능을 보인다.
-탄소섬유를 이용한 공기정화기술: 5-10um급의 마이크로 탄소섬유 방전극을 이용하여 낮은 인가전압에서도 초미세먼지를 고효율로 하전시키고, 전기장이 형성된 수막형 집진판을 사용하여 필터를 사용하지 않고 초미세먼지를 제거하는 습식정전 공기정화기술이다.
3. 미래
-대기오염 원인 차단: 미세먼지의 정확한 발생 원인을 찾아 오염원을 차단하고 감소시키는 방식이다. 공해물질이 적게 배출되는 대체 연료나 대체 장치 등을 개발하는 방향으로 나아갈 것이다. -인공지능을 활용한 스마트 집진: 여러 가지 산업 설비의 배출 특성, 환경에 맞는 고효율, 최적 성능 집진 방식을 인공지능을 이용해 능동적으로 선택 적용하는 방향으로 나아갈 것이다.
4. 기술로드맵을 통한 정화장치의 발전 방향
세라믹 화덕용 정화장치는 화덕에 장착하는 소형 장치라는 특징으로 인해 큰 전압 발생장치가 필요한 전기집진장치나, 하이필터는 사용이 힘들 것으로 판단된다. 한편, 과거의 HEPA필터와 Spray tower의 공기정화 원리는 비교적 소형 장치에 사용되며 전력이 많이 필요하지 않으므로 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 요리를 할 때 미세먼지가 꽤 많이 발생하므로 이로 인해 필터의 수명이 매우 짧을 것으로 예상하기 때문에 세라믹 화덕에 이용하기에는 용이하지 않은 것으로 생각된다. 그러므로 장치를 교체하는데 어려움이 적은 세정방법을 더욱 발전시켜 사용하는 것이 적절할 것이다. 미래에는 더 나아가 인공지능을 활용해 조리하는 음식에 따라 알맞은 정화방식을 적용하고 더 나아가 미세먼지 저감 장치가 사용되는 장소에 따라서 가장 효율적인 정화방법을 알려주는 스마트 집진기술의 방향으로 발전되어 나아갈 수 있을 것으로 생각한다.
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
- 마케팅 전략 제시
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 필터를 사용할 때 공기의 흐름을 막아 대체로 빠른 공기 순환이 불가능하다. 또한, 자칫하면 공기가 역류하여 조리하고 있는 요리에 영향을 줄 위험이 있다. 또한, 요리 시에 발생하는 미세먼지의 양이 고등어 조리 시 최대 2290㎍/㎥ 정도로 상당히 많으므로 필터의 성능에 문제를 일으키고 또한 교체 주기가 상당히 빨라진다. 세정집진장치를 사용할 경우 분사되는 물이 공기의 흐름을 바꾸지는 않기 때문에 문제를 해결할 수 있다. 그리고 본 장치를 사용할 경우 교체를 신경 써줘야 하는 부분은 사실상 물밖에 없으므로 유지보수가 매우 간편하므로 기술적으로 상당히 좋은 편의성을 기대할 수 있을 것이다.
일반적으로 충분한 효율을 가진 세정집진장치를 만들기 위해서 많은 물을 사용해야 하고 이와 더불어서 상당히 큰 구조가 될 수밖에 없다. 하지만 그것과 비교하여 우리의 장치는 초음파 진동자를 이용하여 미세먼지 입자를 성장시켜 분무기의 포집 효율을 증가시켰고 격벽을 설치해서 와류를 발생시킴으로써 초음파 진동자와 미세먼지의 흡착에 관련된 시간, 면적을 증가시켰다. 이를 통해 전체적인 미세먼지 저감효과 효율을 증대시켜 상대적으로 작은 크기(53.5×43.5×33cm)를 유지할 수 있도록 만들었다.
◇장치를 세라믹 화덕과 분리할 수 있도록 설계하여 휴대를 가능하게 하였고 계속해서 물을 교체 해야 하는 불편함을 해결하기 위해 초음파 진동자 부분에서는 화분에 물을 주는 것과 비슷하게 물을 따르면 되도록 설계하였다.
그리고 분무기도 물을 계속 교체하기 편리하며 배수통 또한 물을 제거하기 쉽게 호스와 쉽게 분리되도록 설계하였다. 밑의 그림은 편의성을 얻기 위해 설계한 초음파 진동자와 배수통이다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 1인 가족 및 캠핑 인구의 증가와 함께 고가이고 대형인 기존 화덕은 일반 소비자들이 접근하기 매우 어려웠다. 이를 위해 비엠씨코리아 사에서는 일반 소비자들이 손쉽게 사용할 수 있도록 세라믹 미니화덕을 개발하였으나 조리 시 발생하는 많은 양의 유해가스로 인해 일반 가정, 캠핑 등에서의 사용은 여전히 쉽지 않았다. 일반 사용자를 위한 미니화덕에 부착되는 미세먼지 저감장치를 개발함으로써 가족 중심의 여가 문화를 확산시키고, 치유/힐링을 사회의 중요한 트렌드로 부상하는 현 상황에서 캠핑, 여행, 홈메이드 식문화 장착 등 다양한 여가 문화를 확산시키고 보급하는 데 일조할 것으로 예상한다.
◇ 일반적인 가스레인지나 오븐 그리고 에어 프라이어와 비교하여 세라믹 화덕은 일부 음식점을 제외하고 가정에서 흔하게 사용되지 않는다. 요리 시 애로사항을 해결할 수 있는 미세먼지 저감장치를 만들어 세라믹 화덕의 가정 도입을 촉진함으로써 다른 조리기구들과 차별된 세라믹 화덕만의 풍미가 있는 요리를 사람들에게 보급하는 데 도움을 줄 것으로 기대한다.
◇ 본래 폐암의 발병 원인의 70~80%는 흡연인 것으로 알려져 있다. 하지만 폐암에 걸린 주부들의 10명 중 1명만이 흡연자라고 한다. 이러한 주부들의 폐암 원인은 주로 요리 시 발생하는 연기 안의 미세먼지 때문이라고 한다. 소형 세라믹 화덕은 현재 미세먼지 저감을 위한 장치가 없다. 이것을 가정에서 사용할 경우 결국 미세먼지를 저감하는 것이 큰 해결과제가 될 것이다. 소형 세라믹 화덕이 본 장치와 함께 가정에 보급될 경우 간편한 조리와 맛있는 요리와 함께 건강에도 큰 도움이 될 것으로 예상한다.
◇ 본 장치는 필터를 사용하지 않고 기존 습식방식과 대비해 소형화를 시킴으로써 대형 공장뿐만 아니라 상대적으로 좁은 공장, 선박, 식당, 가정 등에 응용되어 사용될 것으로 기대된다. 또한, 더 나아가 여러 방식과 비교해 물의 교체에만 신경 쓰면 되기 때문에 유지보수가 간단해 아주 심각한 중국, 인도 그리고 개발도상국 등의 대기오염을 해결하는 데 있어서 큰 수요가 있을 것으로 예상한다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 회의록 작성 & 보고서 제작
강형선 : 상세설계 보고서 최종 작성 및 발표. 김성중 : 개념설계 보고서 최종 작성 및 발표. 김영민 : 경쟁력 분석보고서 최종 작성 및 발표. 김택민 : 최종보고서 최종 작성 및 발표. 이민수 : 과제 제안서 최종 작성 및 발표. 이준범 : 과제 아이디어 및 포스터 발표.
※ 회의록 작성은 구성원 전원이 돌아가면서 작성 후 에듀클래스에 업로드
◇ 제품 설계 & 제작
강형선 : 예비 타당성 검증을 위한 세라믹 화덕 내의 유체역학 계산 및 시뮬레이션 작동. 혼합 및 성장부 설계. 김성중 : 초미세먼지 기기 작동원리 습득. 물 입자 생성부 설계. 김영민 : 연통의 미세 조성 선정, 연통 재료(PMMA) 선택. 물 분사부 설계. 김택민 : 기체 누설 방지를 위한 설계, 연통과 화덕의 이음새 체결. 배출부 누설 수증기 제거방법 설계. 이민수 : BMC코리아와의 제품 제작 스튜디오 섭외, 아크릴 재단 업체 문의. 제품 전체적 구조 설계. 이준범 : 제품 가격조사, 제품 견적 비교, 학과 사무실 물품 주문, CAD 프로그램 사용하여 설계도면 제작.
※ 구성원 전원 아크릴판 절단 및 조립
◇ 실험
강형선 : 실험재료 구매, 가습기 모듈 및 전동분무기 동작. 김성중 : 시간에 따른 온도 변화와 미세먼지 농도 측정 및 분석. 김영민 : 실험결과에 따른 데이터 분석, 일반화 도출. 김택민 : 관련 법안에 근거하여 방재, 안전 담당. 이민수 : 실험 스튜디오 예약, 회사와의 실험결과 토의. 이준범 : 표준 실험 절차 설정, 실험 후 세척, 환기 담당.
※ 실험은 전원 참가를 원칙으로 하고, 실험 후 토의는 구성원 전원의 참여로 한다.
◇ 포스터 제작 & 시연
강형선 : 포스터 디자인 담당, 시연 담당. 김성중 : 포스터 제작 참여, 미세먼지 측정 담당, 데이터 기록. 김영민 : 실험결과 그래프 도출, 작성. 제품 시연 촬영 담당. 김택민 : 최종 발표 담당. 공학교육 혁신센터로부터 견적서를 제출하여 포스터 출력. 이민수 : 최종 포스터 감수 및 결재, 시연용 세라믹 화덕 운반 담당. 이준범 : 포스터 발표 담당, 3D_CAD 프로그램 사용하여 제품 디자인, 정화장치 보관 및 설치.
설계
설계사양
제품의 요구사항
설계 사양
개념설계안
본 그림은 미세먼지 저감 장치의 개념 설계서이다. 미세먼지의 포집 원리와 공기의 흐름에 관련된 내용을 설명하자면, 화덕에서 배출된 미세먼지를 포함한 기체는 연통 구조를 따라 이동하다가 1번에서 초음파 진동자가 설치된 부분을 지나게 된다. 초음파 진동자에서 0.5~5μm의 물 입자를 분사함으로써 미세먼지 입자의 응축성장을 유도한다. 직경 2.5μm 이하의 초미세먼지의 크기를 수 마이크로 단위로 키워 3번 분무기에서의 흡착 효율을 증가시킨다. 격벽 구조로 만든 2번 챔버에서 응축된 미세먼지는 형성된 와류를 통해 더욱 성장한다. 그다음 분무기가 있는 3번 챔버를 지나면서 응축성장된 미세먼지들이 분무기에서 분사되는 물과 함께 밑으로 배출된다. 분무 된 물이 미세먼지 입자와 충돌을 유도해 관성 충돌 원리를 이용하여 미세먼지가 물 입자에 흡착되는 원리를 이용한다. 이렇게 정화된 공기는 3번 챔버의 배출부로 배출된다. 미세먼지 저감 장치의 주재료인 아크릴판은 3mm 두께의 투명 아크릴을 사용한다. 세라믹 화덕에 장착할 수 있도록 고려하여 그 크기에 맞춰서 설계하였다. 본 장치와 화덕을 연결하기 위해서 스테인리스 연통을 화덕에 붙여 길이를 연장하고 이곳에 아크릴 연통을 연결한다. 이것은 화덕의 연결부가 너무 짧아 미세먼지 저감장치 연결에 어려움이 있기 때문이다. 그다음 부분에서 팬을 설치하여 공기와 물 입자가 역류하거나 머무르지 않고 바깥 방향으로 배출되도록 한다. 본래 팬에서 이용하는 5V 1A 보조배터리 대신 3.7V 리튬 배터리 한 개를 이용해서 바람 세기를 낮춰서 화덕 조리와 비슷한 환경을 조성한다. 다음 1번에서 초음파 진동자는 총 6개를 설치한다. 장치의 천장 부분에 구멍을 6개 뚫고 그곳에 초음파 진동자를 기밀성을 유지하면서 물 입자를 장치 안으로 공급할 수 있도록 한다. 이때, 아크릴 본드를 이용하여 초음파 진동자를 접착시키며 실리콘으로 빈 곳을 꼼꼼히 마감함으로써 기밀성을 유지할 수 있게 한다. 6개의 초음파 진동자 주변에 사각의 외벽을 설치하여 물을 담을 수 있도록 하여 초음파 진동자에 물 공급을 용이하게 한다. 실험을 통한 결과를 토대로 4개의 초음파 진동자를 사용하는데, 이때 여분의 모듈은 고장에 대비할 수 있게 해준다. 초음파 진동자는 5V 전원을 사용하며 마이크로 5핀 케이블로 보조배터리에 연결한다. 보조배터리는 장치의 벽에 고정하여 사용한다. 5V 2A 포트 하나, 5V 1A 포트 두 개로 구성된 20000mAh 용량의 보조배터리 하나로 5V 0.4A 모듈을 최대 여섯 개 구동하는 것이 가능하다. 다음 2번에서는 격벽 5개로 이루어진 챔버가 위치한다. 이곳에서는 미세먼지 입자들이 물 입자와 함께 형성된 와류에 의하여 더욱더 효율적으로 응축성장 할 수 있도록 돕는다. 이때, 미세먼지가 흡착된 소량의 물이 바닥에 고이게 된다. 이것은 2번 챔버의 바닥 부분에 직경 1cm의 구멍을 세 개 뚫고 고무마개로 막음으로써 물을 빼내고 건조한다. 3번에서는 분무기를 장착할 수 있는 챔버가 위치한다. 연결부의 통로를 분무기에 가깝게 5cm 더 집어넣음으로써 기체와 분무한 물 입자가 더 가까이에서 접촉할 수 있게 유도한다. 이곳에 또한 0.5cm의 턱을 설치해 물의 역류를 방지한다. 챔버 위에는 직경 3cm 구멍을 뚫어서 분무기 집어넣는다. 또한, 가습기 챔버 위에 삼각형 받침을 설치하여 분무기를 고정함으로써 90도의 각을 가지고 분무할 수 있도록 유도한다. 챔버 바닥에는 5도 기울기의 벽을 설치한 후 오른쪽 끝에 직경 2cm의 구멍을 바닥에 뚫어서 배수할 수 있도록 만든다. 배수하는 부분은 구멍과 호스, 밀폐용기 사이를 커넥터를 이용해 연결하여 기밀성을 유지한다. 밀폐용기는 따로 분리할 수 있게 설계하여 물을 버리는데 편리하다. 구체적으로 전동분무장치는 7.4V 전압의 리튬이온 배터리 두개를 사용하여 3~20μm의 물 입자를 최대 55psi 압력으로 분사한다. 또한, 누를 때만 물이 분사되는 버튼식 작동장치를, 볼트와 너트를 사용해 스위치형 작동 장치로 변경하여 사용의 편의성을 도모한다. 이후 활성탄막에 기체가 닿게 된다. 활성탄은 표면적이 아주 넓고 수증기를 잡는데 아주 효과적이다. 이곳에서 초음파 진동자와 분무기에서 발생한 미세한 물 입자 들와 미세먼지를 포함한 것들도 흡수하게 된다. 격벽과 유사하게 와류를 발생시키고 접촉 면적이 증가하게 되어 미세먼지 저감 효과를 효율적으로 만든다. 물론 물입자를 흡수하기 때문에 미세먼지의 응축성장과는 관련이 없는 것이 격벽과의 차이점이다. 마지막으로 챔버 바로 옆에 칸막이의 형식으로 기체 배출구를 설치하는데 별도의 배출구를 빼지 않음으로써 소형화 얻는다. 미세먼지 저감 장치의 안정된 설치를 위해 챔버 두 곳에 다리를 각각 네 개씩 설치한다. 38cm의 긴 다리를 8cm로 줄이고 30cm 높이의 받침대를 설치해 안정성과 소형화를 도모한다. 받침대 재질은 9mm 두께의 MDF 재질의 합판을 사용한다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
논문에 따르면 같이 따르면 2μm의 크기로 미세먼지를 성장시켰을 때 제거 효율이 가장 높았다. 저농도/저유량 조건에서 미세먼지 응축성장 시 성장 속도는 다음과 같다.
(2)식에서 상수를 제외하면 우리가 제어할 수 있는 변수는 온도와 시간이다. 하지만 우리 설계에서 의도적인 온도 차이는 설계하지 않았고, 따라서 격벽 구조를 통과할 때 형성되는 온도 차를 이용하였고 그 값은 시작부 온도는 약 28±0.5°C 종결부 온도는 약 27±0.5°C였다. 따라서 △T는 0.5°C였다. 이때 시간은 0.03s 이상일 경우 2μm 이상의 조대한 크기로 미세먼지를 키울 수 있다.
하지만 논문에 따르면 조대해진 미세먼지가 그림 4와 같이 넓은 크기 분포를 갖는 문제점이 있었다. 논문에 따르면 그 이유는 물 입자와 미세먼지의 불균일한 혼합의 영향으로 판단된다. 따라서 이를 해결하기 위해 와류를 형성하여 미세먼지가 충분히 성장할 수 있는 격벽 구조를 만들어 이론적으로 2μm의 크기 FWHM가 줄어들 수 있도록 설계하였다. 또한 이러한 집적된 구조를 통해 소형화를 적용하였다.
상세설계 내용
미세먼지 저감장치의 성능을 향상시키기 위해 각종 변수를 통제하고 변화시켜 여러 가지 실험을 수행하고 데이터 값을 분석하였다. 모든 실험은 동일한 조건에서 각각 3회 수행하였고 측정된 데이터를 평균 낸 수치이다.
실험 1. 소금물 집진 실험
실험 2. 풍량 변화 실험
실험 3. 활성탄 적용 실험
실험 4. 격벽 실험
실험 5. 발생 증기량에 대한 미세먼지 감소율 실험(활성탄 無)
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
향후계획
◇ 냉각장치 적용
본 설계는 세라믹 미니화덕을 이용한 조리 시 발생하는 미세먼지를 저감할 목적으로 개발되었다. 이에 따른 소형화로 인해 초음파 진동자 모듈에서 발생한 미세한 물 입자를 응결시킬 냉각장치를 장착하지 않았다. 이로 인해 일부 물 입자가 배출구로 빠져나와 미세먼지 측정 장치에 측정된다. 따라서 물 입자를 제외한 정확한 미세먼지의 측정이 불가능하다. 배출구에 펠티어 소자를 활용한 냉각장치를 장착하여 물 입자가 응결되는 이슬점까지 냉각시킨다면 더욱 뛰어난 미세먼지 저감 효율을 보일 것으로 기대한다.
◇ 국내
정부에서 경유세 인상, 차량 2부제, 도심 초대형 미세먼지 타워, 인공강우 등 다양한 미세먼지 저감 아이디어를 내놓고, 2조원 가량의 추경 편성을 추진하고 있다. 하지만 전문가들은 이에 부정적이다. 특히 전문가들이 공통적 의견은 “모아서 버릴 수 없는 대기오염은 굴뚝(배출 시점)에서부터 잡는 게 원칙”이라는 것이다. 본 설계는 미세한 물 입자로 미세먼지를 응축성장 시켜 분무기에서 분무된 액적과 성장한 먼지를 충돌시켜 포집·제거하는 방법으로, 상대적으로 좁은 공간에서 설치할 수 있으며, 적은 유량의 물로 미세먼지를 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다. 따라서 소형공장 및 소각시설, 선박, 식당 등의 굴뚝에 공간과 비용의 제약이 덜한 본 설계를 적용한다면, 미세먼지 배출 시점부터 더욱 효과적인 저감이 이뤄질 것으로 기대한다.
◇국외
세계보건기구(WHO)는 전 세계 92%가 대기오염으로 인한 영향을 받고 있다고 보고했다. 특히 중국, 인도 등 신흥국의 대기 오염도가 심각한 수준이다. 이러한 신흥국들의 높은 대기 오염도의 영향으로 아시아, 아프리카를 중심으로 미세먼지 저감장치 시장이 크게 성장할 것으로 전망된다. 그중 인도는 대기오염으로 인한 사망자 수가 전체 사망자 수의 8분의 1에 달한다. 특히 인도의 대기오염 발생 원인의 약 70%가 공장시설, 식당, 소각시설에서 발생하는 미세먼지이다. 이러한 공장시설, 식당, 소각시설 등에 설치비용과 교체비용의 제약이 덜하고, 유지 및 보수가 간편한 본 설계의 높은 수요가 예상된다. 또한, 이를 통해 세계 대기오염 문제 해결에 기여할 것으로 기대한다.
