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==서론==
 
==서론==
 
===개발 과제의 개요===
 
===개발 과제의 개요===
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====개발 과제 요약====
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  밀폐 공간 내에서 산소결핍, 황화수소, 일산화탄소 등에 의해 일어나는 질식사고는 지난 10년간 193건 발생하여 332명의 사상자가 발생하였으며 그중 절반이 넘는 171명이 사망하는 사고 유형이다.
  
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밀폐공간 내에서 산소결핍, 황화수소, 일산화탄소 등에 의해 일어나는 질식사고는 지난 10년간 193건 발생하여 332명의 사상자가 발생하였으며 그중 절반이 넘는 171명이 사망하는 사고 유형이다.
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  밀폐 공간 내 질식사고를 방지하기 위해 기본적으로 호흡용 보호구(공기호흡기 또는 송기 마스크)를 착용하지 않더라도 작업할 수 있도록 환기를 통해 밀폐 공간 내부를 적정 공기 상태로 만들어야 하며 환기를 할 수 없거나 환기만으로 불충분할 경우 호흡용 보호구를 반드시 착용해야 한다는 안전 수칙이 있고 안전하다고 판단되었더라도 예상치 못한 변수로 인해 사고가 발생할 수 있으므로 예방 조치가 필요하다.  
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밀폐공간 내 질식사고를 방지하기 위해 기본적으로 호흡용 보호구(공기호흡기 또는 송기 마스크)를 착용하지 않더라도 작업할 수 있도록 환기를 통해 밀폐공간 내부를 적정 공기 상태로 만들어야 하며 환기를 할 수 없거나 환기만으로 불충분할 경우 호흡용 보호구를 반드시 착용해야 한다는 안전 수칙이 있고 안전하다고 판단되었더라도 예상치 못한 변수로 인해 사고가 발생할 수 있으므로 예방 조치가 필요하다.  
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   그러나 호흡용 보호구는 큰 무게와 부피, 시야 제한, 비싼 가격 등의 단점 때문에 예방책으로는 사용되기 어렵다. 이에 일부 작업장에서는 비상용 산소 공급기의 휴대를 권고하는 것이 대부분이다. 하지만, 비상용 산소 공급기를 휴대하였음에도 밀폐화를 인식하지 못하거나 빠른 시간 내로 착용을 하지 못하고 발생한 인명사고가 보고된 바 있다.
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그러나 호흡용 보호구는 큰 무게와 부피, 시야 제한, 비싼 가격 등의 단점 때문에 예방책으로는 사용되기 어렵다. 이에 일부 작업장에서는 비상용 산소공급기의 휴대를 권고하는 것이 대부분이다. 하지만, 비상용 산소공급기를 휴대하였음에도 밀폐화를 인식하지 못하거나 빠른 시간 내로 착용을 하지 못하고 발생한 인명사고가 보고된 바 있다.  
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  따라서, 본 과제는 밀폐 공간 내 작업 시 예상치 못한 변수로 인한 사고 발생을 방지하기 위해 기존의 안전장비를 대체하여 신속한 착용을 가능하게 함과 동시에 기능성을 확보한 후드 형태의 비상 탈출용 산소공급 장치의 설계를 목표로 한다.
  
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따라서, 본 과제는 밀폐공간 내 작업 시 예상치 못한 변수로 인한 사고 발생을 방지하기 위해 기존의 안전장비를 대체하여 신속한 착용을 가능하게 함과 동시에 기능성을 확보한 후드 형태의 비상 탈출용 산소공급 장치의 설계를 목표로 한다.
 
  
 
====개발 과제의 배경 및 효과====
 
====개발 과제의 배경 및 효과====
 
'''개발 과제의 배경'''
 
'''개발 과제의 배경'''
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  분뇨처리장, 맨홀 내부, 오수처리장 정화조 등과 같은 밀폐공간들은 작업자의 안전을 고려한 공간은 아니지만, 노동자가 직접 들어가 작업을 해야만 한다. 그리고 이런 밀폐공간 속에는 보이지 않는 위험이 도사리고 있다. 바로 "질식"이다.
 
 
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  그림 1에 따르면 질식 재해를 가장 많이 일으킨 유해인자는 황화수소로, 전체 193건 가운데 55건(28.5%)을 차지했다. 황화수소는 정체된 공간에서 바닥층에 가라앉아 있다가, 퇴적물이 뒤섞일 때 뿜어져 나와 농도가 급증하게 된다. 이 뒤를 이어 산소결핍으로 인한 질식 재해는 46건이었고, 일산화탄소의 경우 39건이었다.
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  분뇨처리장, 맨홀 내부, 오수처리장 정화조 등과 같은 밀폐 공간들은 작업자의 안전을 고려한 공간은 아니지만, 노동자가 직접 들어가 작업을 해야만 한다. 그리고 이런 밀폐 공간 속에는 보이지 않는 위험이 도사리고 있다. ‘질식’이다.
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그림 1에 따르면 질식 재해를 가장 많이 일으킨 유해인자는 황화수소로, 전체 193건 가운데 55건(28.5%)을 차지했다. 황화수소는 정체된 공간에서 바닥층에 가라앉아 있다가, 퇴적물이 뒤섞일 때 뿜어져 나와 농도가 급증하게 된다. 이 뒤를 이어 산소결핍으로 인한 질식 재해는 46건이었고, 일산화탄소의 경우 39건이었다.
 
  질식사고는 다른 사고에 비해 발생 건수는 적지만 사망률은 절반이 넘는다. 그림 1에 따르면 질식 재해 193건의 사상자 332명 가운데 171명이 죽고 161명이 다쳤다. 사망률이 51.5%다. 또한, 그림 2에 따르면, 123건의 질식 재해 가운데 죽거나 다친 임시∙일용직 노동자가 72명으로, 중대 재해 사상자의 31%를 차지한다. 하청업체 노동자는 58명으로, 25%에 해당한다. 이들이 맡은 작업은 임시∙간헐적 성격이 짙다. 임시∙간헐적 작업은 47건으로, 38%에 달했다. 질식 재해에서는 의식을 잃은 동료를 구조하려던 노동자들 또한 질식해 죽거나 다칠 수 있다. 그림 2에 따르면 123건의 질식 재해 가운데 44건이 쓰러진 동료를 구조하던 도중에 사상자가 추가로 발생한 경우다.
 
  질식사고는 다른 사고에 비해 발생 건수는 적지만 사망률은 절반이 넘는다. 그림 1에 따르면 질식 재해 193건의 사상자 332명 가운데 171명이 죽고 161명이 다쳤다. 사망률이 51.5%다. 또한, 그림 2에 따르면, 123건의 질식 재해 가운데 죽거나 다친 임시∙일용직 노동자가 72명으로, 중대 재해 사상자의 31%를 차지한다. 하청업체 노동자는 58명으로, 25%에 해당한다. 이들이 맡은 작업은 임시∙간헐적 성격이 짙다. 임시∙간헐적 작업은 47건으로, 38%에 달했다. 질식 재해에서는 의식을 잃은 동료를 구조하려던 노동자들 또한 질식해 죽거나 다칠 수 있다. 그림 2에 따르면 123건의 질식 재해 가운데 44건이 쓰러진 동료를 구조하던 도중에 사상자가 추가로 발생한 경우다.
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  이에 산업안전보건공단에서는 맨홀 등 밀폐 공간에서 공사 작업 시, 산소농도측정기를 통한 산소농도의 사전 측정, 승인받은 곳에서만 작업 진행, 이동식 환기 팬, 산소 호흡기 또는 송기 마스크 사용 등의 안전 수칙을 정해 놓고 있다. 하지만, 고용노동부에서 작성된 질식사고에 대한 ‘재해조사 의견서’에 123건 중 절반이 넘는 54.5%인 66건이 안전 수칙 미준수를 지적하고 있다.
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  이에 산업안전보건공단에서는 맨홀 등 밀폐공간에서 공사 작업 시, 산소농도측정기를 통한 산소 농도의 사전 측정, 승인받은 곳에서만 작업 진행, 이동식 환기 팬, 산소 호흡기 또는 송기 마스크 사용 등의 안전 수칙을 정해 놓고 있다. 하지만, 고용노동부에서 작성된 질식사고에 대한 ‘재해조사의견서’에 123건 중 절반이 넘는 54.5%인 66건이 안전 수칙 미준수를 지적하고 있다.
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  즉, 밀폐 공간 내 질식사고를 방지하기 위해서는 기본적으로 호흡용 보호구(공기호흡기 또는 송기 마스크)를 착용하지 않더라도 작업할 수 있도록 환기를 통해 밀폐 공간 내부를 적정 공기 상태로 만드는 것이 중요하며 환기를 할 수 없거나 환기만으로 불충분할 경우 호흡용 보호구를 반드시 착용해야 한다.
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그러나, 작업 중 산소농도의 급격한 변화 또는 탄산 캔 음료를 흔들어 따면 거품이 넘쳐나오는 것처럼 분뇨, 오수, 펄프액 및 부패하기 쉬운 물질을 휘저을 경우 녹아있던 황화수소, 암모니아, 탄산가스가 급격히 발생하는 거품 효과(Soda Can Effect)에 의해 비상 상황이 발생할 수 있고 이렇게 사고를 당한 동료를 보호구 없이 구조하려다 추가로 사상자가 발생하는 경우가 빈번하다. 따라서 측정기를 통해 환기가 이루어졌다고 판단되었음에도 호흡용 보호구를 착용한 채로 작업을 진행할 필요가 있다.
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다시 말해, 밀폐 공간에서는 안전하다고 생각되는 순간에도 언제나 위험이 존재하기에 예방적으로 호흡용 보호구를 항상 착용하고 있는 것이 바람직하나 이를 준수하는 것은 어렵다고 판단된다. 그 이유는 우선 그림 3의 산소 호흡기의 경우 산소통의 매우 큰 부피와 무게, 호흡기 착용 시 시야 제한, 비싼 가격 등의 단점들일 것이다. 이에 산소통이 필요 없이 외부 공기를 사용하는 그림 4의 송기 마스크를 대안으로 제시되고 있다. 그러나 송기 마스크 또한 작업 반경을 제한하고 호스의 꼬임이나 눌림 또는 모터의 멈춤으로 인해 공기를 제대로 공급받을 수 없다는 문제가 있다. 특히 밀폐 공간에서의 작업은 그림 5에서 보이듯 매우 좁은 공간에서 이루어지는 경우가 많으므로 산소 호흡기나 송기 마스크의 불편함이 더욱 크게 느껴질 것이다.
  
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  즉, 밀폐공간 내 질식사고를 방지하기 위해서는 기본적으로 호흡용 보호구(공기호흡기 또는 송기 마스크)를 착용하지 않더라도 작업할 수 있도록 환기를 통해 밀폐공간 내부를 적정 공기 상태로 만드는 것이 중요하며 환기를 할 수 없거나 환기만으로 불충분할 경우 호흡용 보호구를 반드시 착용해야 한다.
 
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그러나, 작업 중 산소농도의 급격한 변화 또는 탄산 캔 음료를 흔들어 따면 거품이 넘쳐나오는 것처럼 분뇨, 오수, 펄프액 및 부패하기 쉬운 물질을 휘저을 경우 녹아있던 황화수소, 암모니아, 탄산가스가 급격히 발생하는 거품효과(Soda Can Effect)에 의해 비상 상황이 발생할 수 있고 이렇게 사고를 당한 동료를 보호구 없이 구조하려다 추가로 사상자가 발생하는 경우가 빈번하다. 따라서, 측정기를 통해 환기가 이루어졌다고 판단되었음에도 호흡용 보호구를 착용한 채로 작업을 진행할 필요가 있다.
 
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다시 말해, 밀폐공간에서는 안전하다고 생각되는 순간에도 언제나 위험이 존재하기에 예방적으로 호흡용 보호구를 항상 착용하고 있는 것이 바람직하나 이를 준수하는 것은 어렵다고 판단된다. 그 이유는 우선 그림 3의 산소 호흡기의 경우 산소통의 매우 큰 부피와 무게, 호흡기 착용 시 시야 제한, 비싼 가격 등의 단점들일 것이다. 이에 산소통이 필요 없이 외부 공기를 사용하는 그림 4의 송기 마스크를 대안으로 제시되고 있다. 그러나 송기 마스크 또한 작업 반경을 제한하고 호스의 꼬임이나 눌림 또는 모터의 멈춤으로 인해 공기를 제대로 공급받을 수 없다는 문제가 있다. 특히 밀폐공간에서의 작업은 그림 5에서 보이듯 매우 좁은 공간에서 이루어지는 경우가 많으므로 산소 호흡기나 송기 마스크의 불편함이 더욱 크게 느껴질 것이다.
 
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  즉, 밀폐공간 내 질식사고를 방지하기 위해서는 기본적으로 호흡용 보호구(공기호흡기 또는 송기 마스크)를 착용하지 않더라도 작업할 수 있도록 환기를 통해 밀폐공간 내부를 적정 공기 상태로 만드는 것이 중요하며 환기를 할 수 없거나 환기만으로 불충분할 경우 호흡용 보호구를 반드시 착용해야 한다.
 
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   그러나, 작업 중 산소농도의 급격한 변화 또는 바닥에 가라앉아 있던 유해가스의 분출로 인해 비상 상황이 발생할 수 있고 이렇게 사고를 당한 동료를 보호구 없이 구조하려다 추가로 사상자가 발생하는 경우가 빈번하다. 따라서, 측정기를 통해 환기가 이루어졌다고 판단되었음에도 호흡용 보호구를 착용한 채로 작업을 진행하고 외부의 동료는 비상용 공기호흡기를 준비해놓는 추가적인 안전 조치가 필요할 것이다.  
 
   그러나, 작업 중 산소농도의 급격한 변화 또는 바닥에 가라앉아 있던 유해가스의 분출로 인해 비상 상황이 발생할 수 있고 이렇게 사고를 당한 동료를 보호구 없이 구조하려다 추가로 사상자가 발생하는 경우가 빈번하다. 따라서, 측정기를 통해 환기가 이루어졌다고 판단되었음에도 호흡용 보호구를 착용한 채로 작업을 진행하고 외부의 동료는 비상용 공기호흡기를 준비해놓는 추가적인 안전 조치가 필요할 것이다.  
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   다시 말해, 밀폐공간에서는 안전하다고 생각되는 순간에도 언제나 위험이 존재하기에 예방적으로 호흡용 보호구를 항상 착용하고 있는 것이 바람직하나 이를 준수하는 것은 어렵다고 판단된다. 그 이유는 우선 그림 3의 산소 호흡기의 경우 산소통의 매우 큰 부피와 무게, 호흡기 착용 시 시야 제한, 비싼 가격 등의 단점들일 것이다. 이에 산소통이 필요 없이 외부 공기를 사용하는 그림 4의 송기 마스크를 대안으로 제시되고 있다. 그러나 송기 마스크 또한 작업 반경을 제한하고 호스의 꼬임이나 눌림 또는 모터의 멈춤으로 인해 공기를 제대로 공급받을 수 없다는 문제가 있다. 특히 밀폐공간에서의 작업은 그림 5에서 보이듯 매우 좁은 공간에서 이루어지는 경우가 많으므로 산소 호흡기나 송기 마스크의 불편함이 더욱 크게 느껴질 것이다.
 
   다시 말해, 밀폐공간에서는 안전하다고 생각되는 순간에도 언제나 위험이 존재하기에 예방적으로 호흡용 보호구를 항상 착용하고 있는 것이 바람직하나 이를 준수하는 것은 어렵다고 판단된다. 그 이유는 우선 그림 3의 산소 호흡기의 경우 산소통의 매우 큰 부피와 무게, 호흡기 착용 시 시야 제한, 비싼 가격 등의 단점들일 것이다. 이에 산소통이 필요 없이 외부 공기를 사용하는 그림 4의 송기 마스크를 대안으로 제시되고 있다. 그러나 송기 마스크 또한 작업 반경을 제한하고 호스의 꼬임이나 눌림 또는 모터의 멈춤으로 인해 공기를 제대로 공급받을 수 없다는 문제가 있다. 특히 밀폐공간에서의 작업은 그림 5에서 보이듯 매우 좁은 공간에서 이루어지는 경우가 많으므로 산소 호흡기나 송기 마스크의 불편함이 더욱 크게 느껴질 것이다.
  
  
 
'''개발 과제의 효과'''
 
'''개발 과제의 효과'''
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  따라서, 앞서 서술한 이유로 인해 호흡용 보호구의 착용이 어려운 경우에 휴대하는 비상용 산소 공급기를 대체하기 위해 (1) 호흡용 보호구보다 작은 부피 및 무게와 저렴한 가격을 가지며 (2) 쉽고 빠른 착용이 가능하며 (3) 산소가 공급되는 동안 착용자의 안전을 보장할 수 있는 작품이 필요하다. 이 작품의 개발을 통해 안전 수칙의 준수가 어렵고 매우 높은 사망률을 기록하는 질식사고를 예방할 수 있다.
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따라서, 앞서 서술한 이유로 인해 호흡용 보호구의 착용이 어려운 경우에 휴대하는 비상용 산소 공급기를 대체하기 위해  
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(1) 호흡용 보호구보다 작은 부피 및 무게와 저렴한 가격을 가지며  
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(2) 쉽고 빠른 착용이 가능하며  
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(3) 산소가 공급되는 동안 착용자의 안전을 보장할 수 있는 작품이 필요하다.  
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이 작품의 개발을 통해 안전 수칙의 준수가 어렵고 매우 높은 사망률을 기록하는 질식사고를 예방할 수 있다.
  
 
====개발 과제의 목표 및 내용====
 
====개발 과제의 목표 및 내용====
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   호흡용 보호구는 큰 부피와 무게로 인하여 사용에 불편함이 많기 때문에 비상용 보호구로서는 휴대용 산소 공급기를 많이 사용하고 있다. 그러나, 기존의 휴대용 산소 공급기는 보관용 가방에 따로 보관하여 손에 들거나 허리에 매고 다니는 형태이며 두건을 뒤집어쓰는 방식을 가지고 있어 안전모와 함께 착용할 수 없다. 질식사고는 1초라도 빠르게 대처하는 것이 중요하기 때문에 착용 시간을 줄일 필요가 크다.
 
   호흡용 보호구는 큰 부피와 무게로 인하여 사용에 불편함이 많기 때문에 비상용 보호구로서는 휴대용 산소 공급기를 많이 사용하고 있다. 그러나, 기존의 휴대용 산소 공급기는 보관용 가방에 따로 보관하여 손에 들거나 허리에 매고 다니는 형태이며 두건을 뒤집어쓰는 방식을 가지고 있어 안전모와 함께 착용할 수 없다. 질식사고는 1초라도 빠르게 대처하는 것이 중요하기 때문에 착용 시간을 줄일 필요가 크다.
 
  따라서, 작은 무게와 부피를 유지하면서도 착용 시간을 감소시키기 위해 지퍼를 올리기만 하면 착용이 완료되어 후드 zip-up 형태의 안전 조끼를 제안한다. 착용이 완료되면 착용자는 외부로부터 차폐되고 내부에 산소를 공급하여 갑작스럽게 발생한 유해가스로부터 스스로를 보호할 수 있다.
 
  따라서, 작은 무게와 부피를 유지하면서도 착용 시간을 감소시키기 위해 지퍼를 올리기만 하면 착용이 완료되어 후드 zip-up 형태의 안전 조끼를 제안한다. 착용이 완료되면 착용자는 외부로부터 차폐되고 내부에 산소를 공급하여 갑작스럽게 발생한 유해가스로부터 스스로를 보호할 수 있다.
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  2) 경보기능
 
  2) 경보기능
 
   대부분의 유해가스는 색을 나타내지 않으며 바쁜 작업 중 냄새만으로 유해가스 발생 여부를 판단하는 것은 어려운 일이다. 따라서, 유해가스 측정 센서를 활용하여 그 농도를 실시간으로 보여주고 위험 수준에 도달하면 착용자에게 시각·청각적 요소로 위험을 인지시켜줄 수 있는 회로부 제작을 목표로 한다.
 
   대부분의 유해가스는 색을 나타내지 않으며 바쁜 작업 중 냄새만으로 유해가스 발생 여부를 판단하는 것은 어려운 일이다. 따라서, 유해가스 측정 센서를 활용하여 그 농도를 실시간으로 보여주고 위험 수준에 도달하면 착용자에게 시각·청각적 요소로 위험을 인지시켜줄 수 있는 회로부 제작을 목표로 한다.
  
 
  3) 후드 오염 방지 기능   
 
  3) 후드 오염 방지 기능   
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   구상한 디자인은 평범한 후드처럼 내부가 외부에 노출된 형태로 있고 밀폐공간 작업은 외부 오염 요인이 많다. 따라서, 후드 내부의 오염을 방지하는 기능 개발을 목표로 설정하되 착용의 신속성을 잃지 않는 것을 목표로 한다.
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   구상한 디자인은 평범한 후드처럼 내부가 외부에 노출된 형태로 있고 밀폐 공간 작업은 외부 오염 요인이 많다. 따라서, 후드 내부의 오염을 방지하는 기능 개발을 목표로 설정하되 착용의 신속성을 잃지 않는 것을 목표로 한다.
  
 
  4) 후드 자동 착용 기능  
 
  4) 후드 자동 착용 기능  
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  5) 양압 유지 기능
 
  5) 양압 유지 기능
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   일산화탄소, 황화수소 등 밀폐 환경 및 상하수도 작업 중 발생하기 쉬운 유해가스는 소량만으로도 사람에게는 치명적일 수 있다. 따라서, 주입되는 공기를 이용하여 후드 안을 양압으로 유지해주어, 후드 내부로 외부 공기의 침입을 방지해주는 기능을 추가하고자 한다. 안전 조끼를 차폐성이 있는 소재와 밀폐 지퍼를 이용해 제작하여 최대한의 양압을 유지하는 것을 목표로 한다.
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   일산화탄소, 황화수소 등 밀폐 환경 및 상하수도 작업 중 발생하기 쉬운 유해가스는 소량만으로도 사람에게는 치명적일 수 있다. 따라서, 주입되는 공기를 이용하여 후드 안을 양압으로 유지해 주어, 후드 내부로 외부 공기의 침입을 방지해 주는 기능을 추가하고자 한다. 안전 조끼를 차폐성이 있는 소재와 밀폐 지퍼를 이용해 제작하여 최대한의 양압을 유지하는 것을 목표로 한다.
  
 
===관련 기술의 현황===
 
===관련 기술의 현황===
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''1. 공기 호흡기''
 
''1. 공기 호흡기''
 
  호흡이 불가능한 장소나 상황(화재 현장, 화생방 상황)에서 압축공기를 이용해 호흡을 할 수 있도록 만들어진 호흡 장비.
 
  호흡이 불가능한 장소나 상황(화재 현장, 화생방 상황)에서 압축공기를 이용해 호흡을 할 수 있도록 만들어진 호흡 장비.
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  (1) 양압식
 
  (1) 양압식
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====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
 
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
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1) 밀폐공간 내 질식사고를 예방하기 위해서 호흡용 보호구(공기호흡기 또는 송기 마스크)를 착용해야 하나 호흡용 보호구는 큰 무게와 부피, 시야 제한, 비싼 가격 등의 단점으로 인해 사용하기 힘든 것이 현실이다. 이에 호흡용 보호구 대신 기존의 비상용 산소 공급기를 사용하는 경우가 존재하나 휴대와 좁은 공간에서 착용에 있어 불편함이 있고 눈과 호흡기를 유해가스로부터 완벽하게 보호할 수 없다는 단점이 있다. 본 제품은 이런 단점들을 극복하여 질식사고의 예방률을 크게 높일 수 있다.
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1) 밀폐 공간 내 질식사고를 예방하기 위해서 호흡용 보호구(공기호흡기 또는 송기 마스크)를 착용해야 하나 호흡용 보호구는 큰 무게와 부피, 시야 제한, 비싼 가격 등의 단점으로 인해 사용하기 힘든 것이 현실이다. 이에 호흡용 보호구 대신 기존의 비상용 산소 공급기를 사용하는 경우가 존재하나 휴대와 좁은 공간에서 착용에 있어 불편함이 있고 눈과 호흡기를 유해가스로부터 완벽하게 보호할 수 없다는 단점이 있다. 본 제품은 이런 단점들을 극복하여 질식사고의 예방률을 크게 높일 수 있다.
  
 
  2) 관련된 사고로는, 2016년 8월 12일 정화조 청소 도중 발생한 질식사, 2020년 8월 19일 인천에서 발생한 질식사고 등이 있다. 잦은 사고가 아니라, 한 번 사고가 발생하면 목숨까지 위험할 수 있는 위험성이 아주 높은 사고에서 생명을 보호한다. 중대 재해 처벌법이 제정됨에 따라, 공공기관과 더불어 기업들에 안전문제는 큰 문제로 대두되었다. 이러한 사회적 상황에서, 경쟁력이 우수한 제품을 공급함으로써 사회적으로 안전제품과 관련된 인식이 변화되고 여러 방면에서 연구가 진행되리라 판단된다.
 
  2) 관련된 사고로는, 2016년 8월 12일 정화조 청소 도중 발생한 질식사, 2020년 8월 19일 인천에서 발생한 질식사고 등이 있다. 잦은 사고가 아니라, 한 번 사고가 발생하면 목숨까지 위험할 수 있는 위험성이 아주 높은 사고에서 생명을 보호한다. 중대 재해 처벌법이 제정됨에 따라, 공공기관과 더불어 기업들에 안전문제는 큰 문제로 대두되었다. 이러한 사회적 상황에서, 경쟁력이 우수한 제품을 공급함으로써 사회적으로 안전제품과 관련된 인식이 변화되고 여러 방면에서 연구가 진행되리라 판단된다.
  
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  3) 산업안전보건공단의 조사에 따르면 밀폐공간을 보유하고 있는 전국 1만 2천718개 사업장 가운데 고위험 평가를 받은 사업장이 20.13%로 2,560개에 달했다. 중위험 평가는 1,430개(11.24%)였고, 저위험 평가는 8,728개, 68.62%였다. 위험도가 높을수록 질식 위험과 위험관리방법을 알지 못하고, 질식 재해 예방 장비도 충분히 보유하고 있지 못하다는 의미이다. 본 제품이 상용화되어 전국에 산재하여있는 고위험 사업장들부터 보급된다면 질식사고의 발생률을 줄일 수 있다.
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  3) 산업안전보건공단의 조사에 따르면 밀폐 공간을 보유하고 있는 전국 1만 2천718개 사업장 가운데 고위험 평가를 받은 사업장이 20.13%로 2,560개에 달했다. 중위험 평가는 1,430개(11.24%)였고, 저위험 평가는 8,728개, 68.62%였다. 위험도가 높을수록 질식 위험과 위험관리 방법을 알지 못하고, 질식 재해 예방 장비도 충분히 보유하고 있지 못하다는 의미이다. 본 제품이 상용화되어 전국에 산재하여있는 고위험 사업장들부터 보급된다면 질식사고의 발생률을 줄일 수 있다.
  
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  4) 사용자에게 편리한 구조의 생명유지장치를 제공함으로써, 안전 수칙으로 정해져 있지만, 실제 사용률은 미미한 안전장치의 사용을 증진 시킬 수 있을 것이다. 이는 사고 발생 시, 사용자를 위험 상황으로부터 지켜줄 수 있는 장치이기에, 중대 사고 발생 시, 사망률을 크게 낮추고 사회적 안전의 경종을 울릴 것이다.
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  4) 사용자에게 편리한 구조의 생명유지 장치를 제공함으로써, 안전 수칙으로 정해져 있지만, 실제 사용률은 미미한 안전장치의 사용을 증진 시킬 수 있을 것이다. 이는 사고 발생 시, 사용자를 위험 상황으로부터 지켜줄 수 있는 장치이기에, 중대 사고 발생 시, 사망률을 크게 낮추고 사회적 안전의 경종을 울릴 것이다.
  
 
===기술개발 일정 및 추진체계===
 
===기술개발 일정 및 추진체계===
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===설계사양===
 
===설계사양===
 
====제품의 요구사항====
 
====제품의 요구사항====
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① 1번 항목에서 산소 최소 배출량을 4L/min X 10min으로 기준을 설정한 이유는 다음과 같다. 본 제품과 같은 방식의 두건식 공기호흡기는 착용자의 날숨에 포함된 산소에 추가적인 산소를 더해주는 방식으로 분당 최소 4L를 공급하는 것을 참고해 작성했다.
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1) 본 제품에 적용한 산소 공급기는 분당 4L의 산소를 10분간 공급하고 산소가 공급되는 동안 후드 내부를 외부에 비해 양압으로 유지시켜 외부 공기의 유입을 차단하는 것을 목표로 한다. 산소가 공급되는 10분간 후드 내부와 외부의 기압을 측정하여 양압 유지 여부를 평가한다.
  
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② 2번 항목에서 재질의 중요 성질로 내구성과 차폐성을 설정한 이유는 먼저 작업 간 착용하는 장비로서 외부 요인에 의해 쉽게 손상되어 비상 상황 시 제 역할을 하지 못하는 경우를 대비해 내구성이 중요하고, 비상 상황 시 오염된 외부 공기로부터 착용자를 보호할 수 있도록 차폐성을 가진 재질을 설정해야 한다. 제품의 소재가 되는 재질이 샘플에 대해 스크래치 테스트를 진행해 내구성을 평가한다. 그리고 기압계와 가스 측정기를 이용해서 후드 내에 산소가 공급되는 동안 차폐성에 대해서 확인한다.
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2) 2번 항목에서 재질의 중요 성질로 내구성과 차폐성을 설정한 이유는 먼저 작업 간 착용하는 장비로서 외부 요인에 의해 쉽게 손상되어 비상 상황 시 제 역할을 하지 못하는 경우를 대비해 내구성이 중요하고, 착용 시 오염된 외부 공기가 후드 내부로 들어올 수 없도록 뛰어난 차폐성을 가져야 한다. 제품의 소재가 되는 재질이 샘플에 대해 스크래치 테스트를 진행해 내구성을 평가한다. 그리고 가스 측정기를 이용해서 후드 내부와 외부의 가스 농도를 비교하여 차폐성을 평가한다.
  
−
③ 일산화탄소 및 가연성 가스 등을 측정할 수 있는 센서가 밀폐공간에서 가스에 노출되었을 때 LED 스트립 소자, 알람 버저, 디스플레이 등을 통해 경고 신호를 보내는 실험을 반복 진행해 기준 시간 내 목표 달성 확률을 평가한다.
+
3) 일산화탄소 및 가연성 가스 등을 측정할 수 있는 센서가 밀폐 공간에서 가스에 노출되었을 때 LED 스트립 소자, 알람 버저, 디스플레이 등을 통해 경고 신호를 보내는 실험을 반복 진행해 기준 시간 내 목표 달성 확률을 평가한다.
−
④ 위 3번 항목에서 진행하는 간이 테스트에 이어 측정기와 스텝 모터를 연결해 후드를 고정하는 스텝 모터가 신호를 받아 자동으로 고정을 푸는 실험을 반복 진행해 기준 시간 내 목표 달성 확률을 평가한다.
 
  
−
⑤ 5번 항목에서 각 부분의 최대 무게를 설정한 이유는 먼저 제품을 착용하고 작업 시 불편함을 주지 않는 무게이자, 각 부분에 필요한 부품의 무게를 사전 조사한 최대한의 무게로 2.5kg으로 설정했다. 제품을 저울 올려 무게를 측정해 평가한다.
+
4) 측정기와 스텝 모터를 연결해 커버를 고정하는 서보모터가 신호를 받아 자동으로 고정을 푸는 실험을 반복 진행해 기준 시간 내 목표 달성 확률을 평가한다.
  
−
⑥ 6번 항목에서는 기준 농도 도달 시 CO2 인젝터와 연결된 서보모터를 작동해 TPU 튜브를 팽창시켜 후드를 자동 착용하는 실험을 반복 진행해 기준 시간 내 목표 달성 확률을 평가한다.
+
5) 각 부분의 최대 무게를 설정한 이유는 먼저 제품을 착용하고 작업 시 불편함을 주지 않는 무게이자, 각 부분에 필요한 부품의 무게를 사전 조사한 최대한의 무게로 2.0kg으로 설정했다. 제품을 저울 올려 무게를 측정해 평가한다.
 +
 
 +
6) 기준 농도 도달 시 CO2 인젝터와 연결된 서보모터를 작동해 TPU 튜브를 팽창시켜 후드를 자동 착용하는 실험을 반복 진행해 기준 시간 내 목표 달성 확률을 평가한다.
  
 
====설계 사양====
 
====설계 사양====
−
   산소통 밸브 개방 때 10분 이상 평 호흡할 수 있어야 한다.  
+
   산소통 밸브 개방 때 10분 이상 호흡할 수 있어야 한다.  
  
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   고정부(103)의 모터의 경우 사람의 힘으로 돌릴 수 있어야 한다.  
+
   고정부의 모터의 경우 사람의 힘으로 돌릴 수 있어야 한다.  
  
−
   측정 센서(301)의 경우 탈부착이 가능하고 기능의 이상이 없어야 한다.  
+
   측정 센서의 경우 탈부착이 가능하고 기능의 이상이 없어야 한다.  
  
−
   시야 부(202)는 투명한 재질에 습기가 잘 차지 않아야 한다.  
+
   시야부는 투명한 재질에 습기가 잘 차지 않아야 한다.  
  
−
   잠금장치(102)는 공기를 차폐할 수 있어야 한다.
+
   후드 작동 시, 외부 공기를 차폐할 수 있어야 한다.
  
 
===개념설계안===
 
===개념설계안===
−
내용
+
◇ 종래 기피되는 공기호흡기의 단점을 보완하여 평상시에는 후드를 착용한 형태로 사용자를 구속하지 않아 불편함을 덜어주면서 비상 상황 시에는 신속하게 착용하여 안전성을 제공한다.
 +
 
 +
◇ 안전 조끼의 구조는, 산소통 및 측정 센서가 결합하여 있는 결합부, 산소통으로부터 호스가 연결된 후드부, 후드부를 말아진 상태로 고정시킬 수 있는 고정부, 측정센서 및 고정부와 연결되어 외부 공기질 농도에 따라 경고음, 및 고정부를 작동하는 제어부를 포함한다.
 +
 
 +
1) 후드부
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후드부는 삼중 구조로서 공기 차폐 성능이 뛰어난 폴리에스터 위에 내구성이 뛰어난 폴리우레탄을 코팅한 소재로 제작한 뒤 안쪽에 매쉬 소재를 덧대어 착용감을 향상시킨다. 착용 시 시야 확보를 위해 투명한 PVC 재질의 시야부와 후드와 목 사이 공간을 없애 외부 공기의 유입을 막을 수 있는 조임끈을 포함한다. 평소 입고 다니는 후드와 달리 지퍼를 머리끝까지 올릴 수 있어야 하고 착용하고 있는 안전모의 크기를 고려하여 디자인한다.
 +
 
 +
2) 제어부
 +
제어부는 측정 센서, 경고 버저, LED, 디스플레이, 전원 버튼, 충전단자를 포함하는 아두이노 회로와 이를 보관하는 케이스로 구성된다.
 +
 
 +
3) 고정부
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평소에는 후드의 오염을 막기 위해 그 위를 커버가 덮고 있고 유사시에는 커버가 자동으로 벗겨짐으로서 오염을 방지와 동시에 신속한 착용을 보장할 수 있도록 커버를 고정할 수 있는 장치가 필요하다. 커버와 연결된 탄성 끈을 빗장뼈 쪽의 서보모터와 연결해 후드를 고정하고 비상 상황 발생 시 제어부로부터 전기 신호를 전달받아 고정을 해제한다.
 +
 
 +
4) TPU 튜브
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커버가 벗겨진 후 또 다른 서보모터로 전기적 신호가 전달되어 CO2 카트리지로부터 CO2가 분출되고 TPU 튜브가 팽창되면서 후드가 정수리까지 올라올 수 있다. 그 결과, 착용자는 지퍼를 올리고 조임끈만 조이면 착용을 완료할 수 있다.
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[[파일:f22.png|가운데]]
 +
 
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【부호의 설명】
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101 안전 조끼
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102 잠금장치 / 103 고정부 / 104 산소통 결합부 / 105 측정장비 결합부 / 106 고정끈
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 +
201 후드부
 +
202 투명한 재질의 시야부 / 203 공급부 / 204 배출부 / 205 조임끈
 +
 
 +
301 측정 센서
 +
302 디스플레이 / 303 전원버튼 / 304 공기 농도 센서부
 +
 
 +
401 TPU-튜브
 +
402 Y자 튜브 / 403 공기주입 인젝터부
  
 
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
 
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
−
내용
+
1) 내부 양압 유지 실험
 +
 
 +
(1) 실험 내용
 +
- 착용 후 1. 산소 미공급, 2. 산소공급 중 걸을 때, 3. 산소공급 중 달릴 때, 총 세 가지 조건에서 아두이노 BPM180 대기압 센서를 활용하여 후드 내부와 외부의 대기압을 측정하고 그 차이를 비교한다.
 +
 
 +
(2) 실험 결과
 +
- 1번 조건(산소가 공급되고 있지 않을 때)에서는 내부와 외부 모두 약 1010.65hPa의 대기압이 유지되었으나 산소 공급 시작 후 내부 대기압은 상승하여 2번 조건(산소공급 중 걸을 때)에서 약 1010.8hPa, 3번 조건(산소공급 중 달릴 때)에서 약 1010.85hPa이 측정된 반면, 외부 대기압은 2,3번 조건에서도 1010.65hPa이 유지되었다.
 +
- 이 실험을 통해 후드 착용 후 산소가 공급되는 동안 후드 내부가 외부와 비교하여 0.1~0.25hPa의 양압을 유지할 수 있다는 것을 확인하였다.
 +
[[파일:f23.png|가운데]]
 +
[[파일:f24.png|가운데]]
 +
 
 +
2) 외부 공기 차폐 성능 실험
 +
 
 +
(1) 실험 내용
 +
- 폼보드과 아크릴판으로 제작한 밀폐공간에서 유해가스 발생 시 산소가 공급되는 10분 동안 아두이노 MQ-7 일산화탄소 센서를 활용하여 후드 내부와 외부의 유해가스 농도를 측정하고 그 차이를 비교한다. (본 실험에서는 유해가스의 위험성 때문에 마네킹을 활용하였고 사람의 호흡을 대체하기 위해 사람의 호흡량과 최대한 유사하게 500ml 주사기를 4초 간격으로 왕복 운동해 공기를 순환시키는 방법을 사용하였다.)
 +
 
 +
(2) 실험 결과
 +
- 1차 유해가스 주입 전까지 외부는 4ppm으로 유지되었고 후드 내부의 유해가스 농도는 깨끗한 산소가 공급되면서 5ppm에서 4ppm으로 소폭 감소하였다.
 +
- 실험 시작 2분 후, 1차 유해가스 주입 시, 외부 농도는 최대 14ppm까지 상승 후 점점 감소하였고 내부 농도 또한 소폭 상승하였으나 6ppm을 초과하지 않았다.
 +
- 실험 시작 5분 후, 2차 유해가스 주입 시, 외부 농도는 18.26ppm까지, 내부 농도는 6.26ppm 까지 상승하였다.
 +
- 가스 주입 전 유해가스 농도는 4ppm이었고 가스 주입 후, 외부 유해가스 농도는 최대 18.26ppm까지 약 350% 증가한 것에 비해 내부 유해가스 농도는 최대 6.26ppm까지 약 50%만 증가하여 제작 소재와 내부양압 유지에 의한 차폐 성능을 확인할 수 있었다.
 +
 
 +
[[파일:f25.png|가운데]]
  
 
===상세설계 내용===
 
===상세설계 내용===
−
내용
+
===조립도===
 +
 
 +
1) 후드 조끼
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[[파일:f90.png|가운데]]
 +
 
 +
(1) 조끼의 크기는 성인 남성 기준 100(L)으로 제작, 후드의 크기는 평균적인 안전모(좌우 22.5, 앞뒤 27.5, 높이 17, 단위 : cm)를 고려하여 약 2~3cm 정도의 여유가 있게끔 제작. (일반 의류의 후드 모자는 안전모를 착용한 채로 쓰기에는 크기가 작음. )
 +
(2) 패턴 디자이너에게 기준 치수를 전해주고, 패턴을 제작
 +
(3) 패턴을 의류 공장에 옷감(바깥감 : 폴리우레탄(PU) 코팅된 폴리에스터(PE), 안 감 :　매쉬 패턴 천), 투명창 : 연질 PVC, 가스 차폐 지퍼)과 함께 전달하여 주문 제작
 +
 
 +
2) 측정ㆍ제어부
 +
[[파일:f34.png|가운데]]
 +
 
 +
(1) 아두이노 우노 보드를 중심으로 브레드보드, 가스 센서, 배터리, 스위치, 디스플레이, LED, 경고 부저, 서보모터 3개를 연결한다.
 +
(2) 측정 및 제어부를 안전하게 보호하기 위해 케이스를 3D printer를 이용하여 제작하고 내부에 (1)에서 제작한 측정·제어부를 적절하게 배치한다
 +
 
 +
3) TPU 튜브
 +
[[파일:f28.png|가운데]]
 +
(1) TPU 천을 도안에 맞게 2장 재단한다.
 +
(2) 겹친 후 실링기를 사용하여 테두리를 붙인다.
 +
 
 +
===부품도===
 +
[[파일:f29.png|가운데]][[파일:f30.png|가운데]][[파일:f31.png|가운데]]
 +
 
 +
 
 +
===제어부 및 회로부 설계===
 +
[[파일:f32.png|가운데]]
 +
 
 +
  본 발명품의 제어부의 설계도는 위와 같다. 리튬이온 배터리는 C-type 단자를 이용하여 충전할 수 있으며 배터리의 정격출력전압은 3.7V이므로 5V 승압 컨버터를 이용하여 아두이노에 5V 전원을 공급한다. 아두이노 보드에서는 공기 중 유해가스 농도를 측정할 수 있는 MQ-7 센서, 측정된 농도를 표사할 수 있는 디스플레이, 정해진 기준 이상으로 농도가 측정될 시 착용자에게 경고할 수 있는 LED와 버저, 커버의 고정을 해제하는 서보모터 2개, CO2 카트리지를 작동시키는 서보모터 1개가 연결되어있다.
 +
 
 +
 
 +
===소프트웨어 설계===
 +
[[파일:f33.png|가운데]]
 +
【알고리즘의 설명】
 +
 
 +
  1. 작업 투입(측정 시작) 시 “전원 off?(No) → LCD display 농도 표시 → 일산화탄소 농도 > 30ppm?(No) → LED strip 적색 발광 여부(No) → 전원 off?(No)”의 경로를 따른다.
 +
 
 +
  2. 일산화탄소 감지(일산화탄소 농도 > 30ppm) 시 “아두이노로 디지털 신호 전송 → servo motor 잠금 풀림 여부(최초의 경우에만 No) → servo motor 잠금 풀림 → 버저 경고음 발생 → LED strip 적색 발광 → 전원 off?(No)”의 경로를 따르며 지속해서 공기의 상태를 확인한다.
 +
 
 +
  3. 공기 오염 지역을 벗어났을 때 “전원 off?(No) → LCD display 농도 표시 → 일산화탄소 농도 > 30ppm?(No) → LED strip 적색 발광 여부(Yes) → 부저 경고음 중단 → LED strip 녹색 발광 → 전원 off?(No)”의 경로를 따른다.
 +
 
 +
  4. 작업 종료 시 “전원 off?(Yes) → servo motor 잠금 → 측정 종료”의 경로를 따라 알고리즘을 종료한다.
  
 
==결과 및 평가==
 
==결과 및 평가==
 
===완료 작품의 소개===
 
===완료 작품의 소개===
 
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
 
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
−
내용
+
[[파일 : F50.png|가운데]]
 +
[[파일 : F51.png|가운데]]
 +
 
 +
'''작업자 사용 메뉴얼'''
 +
[[파일: F91.png|가운데]]
 
====포스터====
 
====포스터====
−
내용
+
[[파일: f52.png|가운데]]
  
 
===관련사업비 내역서===
 
===관련사업비 내역서===
−
내용
+
[[파일:f53.png|가운데]]
 +
[[파일:f54.png|가운데]]
  
 
===완료작품의 평가===
 
===완료작품의 평가===
−
내용
+
[[파일:f55.png|가운데]]
 +
[[파일:f56.png|가운데]]
  
 
===향후계획===
 
===향후계획===
−
내용
 
  
−
===특허 출원 내용===
+
◇ 현재, 후드를 씌워주는 것까지만 자동화되어있으나 이를 더욱 발전시켜서 CO2 카트리지를 대체하여 O2 카트리지로 착용이 이루어지고 산소 용기의 작동까지 자동화할 수 있다면 더욱 빠른 속도로 착용자에게 안전을 제공할 수 있는 장치를 만들 수 있을 것으로 생각한다. 이러한 자동화가 이루어진다면 작업자가 작업 중 갑작스러운 유해가스가 발생했을 때, 작업자에게 즉각적인 보호를 제공하여 작업자의 안전성 증진을 기대할 수 있을 것이다.
−
내용
+
 
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◇ 지하에서 작업이 이루어지고, 작업환경이 습기가 많은 환경이기에 센서 등이 습기나 주위 환경의 오염으로부터 방수될 수 있도록 발전시킨다면 신뢰성 측면에서 더욱 발전시킬 수 있을 것이라 기대된다. 이에 더하여 장치에 필수적인 요소에 방수 기능을 더하면 신뢰성을 최대화할 수 있을 것이라 기대한다.
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◇ 지하와 같은 밀폐된 장소에서 작업이 이루어지는 경우, 안전 관리공단에서는 질식과 같은 밀폐 사고를 예방하기 위하여, 예방적 산소호흡기가 필수적으로 있어야 한다. 우리의 안전장치는 이러한 예방적 산소호흡기가 될 수 있으며, 이러한 예방적 산소호흡기가 되기 위해서는 안전 관리공단의 제품 적격성 시험을 통과해야 하는데, 이러한 적격성 시험에서 통과할 수 있으면 현재 시중에 공급되고 있는 다른 산소호흡기에 비해서 훨씬 더 저렴한 가격으로 시장에 제품을 공급할 수 있을 것으로 기대된다. 안전장치의 가격 때문에 사업주들은 안전장치의 구비를 망설이는 경우가 많은데, 시중의 제품보다 낮은 가격에 제품을 공급할 수 있으므로, 많은 노동자에게 안전한 작업환경을 제공하리라 기대할 수 있을 것이다.
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===부록===
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'''A-1 참고문헌 및 참고사이트'''
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이은숙; 김성효; 김정숙. 폐쇄형 흡인술이 인공호흡기 환자의 산소포화도, 인공호흡기 관련 폐렴 및 흡인간호 효율성에 미치는 영향. Journal of Korean Academy of Nursing, 2004, 34.7: 1315-1325.
 +
 
 +
김영수; 김민욱; 박용환. 산소 공급압력 변화에 따른 운반형 인공호흡기의 성능 특성 연구. 한국화재소방학회 논문지, 2016, 30.2: 87-91.
 +
 
 +
전희은; 서정호. 맨홀 내부 작업자의 안전과 작업효율성을 위한 비상용 산소호흡기. 한국디자인학회 학술발표대회 논문집, 2017, 274-274.
 +
 
 +
송유선, et al. 사람 호흡기 상피세포에서 Protopanaxadiol 의 Lipopolysaccharide 로 유도된 활성산소 생성과 MUC5AC 과발현 억제 효과. 대한이비인후과학회지-두경부외과학, 2019, 62.9: 507-514.
 +
 
 +
김덕수; 임현숙; 김두희. 분뇨 처리용 선박 저장탱크에서 발생한 황화수소로 인한 사고 증례.동국의학, 2000, 7.1: 147-155.
 +
 
 +
최연정, et al. 성인의 13 가지 신체활동의 에너지 소비량 및 가속도계 정확성의 남녀비교. Journal of Nutrition and Health, 2017, 50.6: 552-564.
 +
 
 +
이은숙; 김성효; 김정숙. 폐쇄형 흡인술이 인공호흡기 환자의 산소포화도, 인공호흡기 관련 폐렴 및 흡인간호 효율성에 미치는 영향.Journal of Korean Academy of Nursing, 2004, 34.7: 1315-1325.
 +
 
 +
김영수; 김민욱; 박용환. 산소 공급압력 변화에 따른 운반형 인공호흡기의 성능 특성 연구. 한국화재소방학회 논문지, 2016, 30.2: 87-91.
 +
 
 +
전희은; 서정호. 맨홀 내부 작업자의 안전과 작업효율성을 위한 비상용 산소호흡기.한국디자인학회 학술발표대회 논문집, 2017, 274-274.
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송유선, et al. 사람 호흡기 상피세포에서 Protopanaxadiol 의 Lipopolysaccharide 로 유도된 활성산소 생성과 MUC5AC 과발현 억제 효과. 대한이비인후과학회지-두경부외과학, 2019, 62.9: 507-514.
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김덕수; 임현숙; 김두희. 분뇨 처리용 선박 저장탱크에서 발생한 황화수소로 인한 사고 증례.동국의학, 2000, 7.1: 147-155.
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"보이지 않는 위험, 밀폐 공간 ‘질식 재해’ 해부". 단비뉴스, 3월 25일 접속,
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http://www.danbinews.com/news/articleView.html?idxno=13672
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“화재 대피용 산소 공급기”. 코리아 테크, 3월 25일 접속,
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http://cableprice.net/product/%ED%99%94%EC%9E%AC%EB%8C%80%ED%94%BC%EC%9A%A9-%EC%82%B0%EC%86%8C%EA%B3%B5%EA%B8%89%EA%B8%B0-escape-o2-%EC%9D%B4%EC%8A%A4%EC%BC%80%EC%9D%B4%ED%94%84%EC%98%A4%ED%88%AC/2996/
 +
 
 +
“휴대용 산소 스프레이”. eNURI, 3월 25일 접속,
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http://www.enuri.com/detail.jsp?modelno=30423296
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“송기 마스크”. COUPANG, 3월 25일 접속,
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https://www.coupang.com/vp/products/1786906907?itemId=3042368646&vendorItemId=71030419647&sourceType=srp_product_ads&q=%EC%86%A1%EA%B8%B0%EB%A7%88%EC%8A%A4%ED%81%AC&itemsCount=36&searchId=7a1b131f4bfa4a55aafd60874148479a&rank=0&isAddedCart=
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“양압식 공기 호흡기”. COUPANG, 3월 25일 접속,
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https://www.coupang.com/vp/products/250279434?itemId=790739164&vendorItemId=70220446256&q=%EA%B3%B5%EA%B8%B0%ED%98%B8%ED%9D%A1%EA%B8%B0&itemsCount=36&searchId=9f837e67d16241568c49ceb8ea1a699c&rank=15&isAddedCart=
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KOREA INDUSTRIAL HEALTH ASSOCIATION, et al. 밀폐공간에서의 질식재해 예방.
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The Safety technology, 2004, 84: 64-67.
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박대수. 비상탈출용 호흡기. 특허 출원번호 10-2016-0155179, 출원일 2016년 11월 21일, 등록일 2018년 2월 21일.
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박대수. 비상탈출용 호흡기. 특허 출원번호 10-2017-0009967, 출원일 2017년 1월 20일, 등록일 2017년 5월 29일.
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코리아세이프티주식회사. 비상탈출용 호흡기. 특허 출원번호 10-2015-0087680, 출원일 2015년 6월 19일, 등록일 2017년 1월 18일.
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'''A-2 관련특허'''
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① 비상탈출용 호흡기(Emergency Escape Respirator)
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- 특허 번호 : KR 10-1832817 B1
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- 출원 일자 : 2016.11.21.
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[[파일:f92.png|가운데]]
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- 내용 : 비상탈출용 호흡기를 제공한다. 전방주시가 가능하도록 투명창을 갖추어 사용자의 머리를 덮도록 착용하는 되는 헤드부를 포함하여 두건부, 산소공급부, 호흡부 등이 구성이 특징이다.
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② 비상용 산소호흡기(Portable oxygen respiratory apparatus)
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- 특허 번호 : KR 10-1699514 B1
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- 출원 일자 : 2015.06.19
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[[파일:f93.png|가운데]]
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- 내용 : 산소저장용기 및 상기 배출구에 접합가능하게 형성된 장착부, 호스부와 공급되는 산소의 압력에 의해 점멸되도록 형성된 조명부 등이 특징이다.
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③ 비상탈출용 호흡기(Emergency Escape Respirator)
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- 특허 번호 : KR 10-1743271 B1
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- 출원 일자 : 2017.01.20
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[[파일:f94.png|가운데]]
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- 내용 : 비상탈출용 호흡기를 제공한다. 사용자의 머리를 덮도록 뒤집어 씌워지는 헤드부를 갖추고, 상기 헤드부로부터 하향 연장되어 사용자의 어깨를 덮는 어깨부를 갖추어 사용자가 착용하게 되는 착용부와 물어서 산소를 공급받는 마우스 피스 등이 특징이다.
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'''A-3 소프트웨어 프로그램'''
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fritzing : https://fritzing.org/
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Matlab : https://kr.mathworks.com/products/matlab.html
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3D CAD : https://www.autodesk.co.kr/solutions/3d-cad-software
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3D 그림판 : https://www.microsoft.com/ko-kr/p/%EA%B7%B8%EB%A6%BC%ED%8C%90-3d/9nblggh5fv99
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'''설계구성요소 및 제한요소'''
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2021년 6월 20일 (일) 22:35 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 비상시 산소 공급을 위한 자동 후드형 안전조끼

영문 : Automatic Hooded Safety Vest for Oxygen Supply in Case of Emergency

과제 팀명

5G조

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2021년 3월 ~ 2021년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 2017450*** 김*수(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 2015450*** 손*석

서울시립대학교 신소재공학과 2017450*** 고*빈

서울시립대학교 신소재공학과 2017450*** 류*훈

서울시립대학교 신소재공학과 2017450*** 문*조

서울시립대학교 신소재공학과 2017450*** 이*형

서론

개발 과제의 개요

 밀폐 공간 내에서 산소결핍, 황화수소, 일산화탄소 등에 의해 일어나는 질식사고는 지난 10년간 193건 발생하여 332명의 사상자가 발생하였으며 그중 절반이 넘는 171명이 사망하는 사고 유형이다. 

 밀폐 공간 내 질식사고를 방지하기 위해 기본적으로 호흡용 보호구(공기호흡기 또는 송기 마스크)를 착용하지 않더라도 작업할 수 있도록 환기를 통해 밀폐 공간 내부를 적정 공기 상태로 만들어야 하며 환기를 할 수 없거나 환기만으로 불충분할 경우 호흡용 보호구를 반드시 착용해야 한다는 안전 수칙이 있고 안전하다고 판단되었더라도 예상치 못한 변수로 인해 사고가 발생할 수 있으므로 예방 조치가 필요하다. 

 그러나 호흡용 보호구는 큰 무게와 부피, 시야 제한, 비싼 가격 등의 단점 때문에 예방책으로는 사용되기 어렵다. 이에 일부 작업장에서는 비상용 산소 공급기의 휴대를 권고하는 것이 대부분이다. 하지만, 비상용 산소 공급기를 휴대하였음에도 밀폐화를 인식하지 못하거나 빠른 시간 내로 착용을 하지 못하고 발생한 인명사고가 보고된 바 있다.

 따라서, 본 과제는 밀폐 공간 내 작업 시 예상치 못한 변수로 인한 사고 발생을 방지하기 위해 기존의 안전장비를 대체하여 신속한 착용을 가능하게 함과 동시에 기능성을 확보한 후드 형태의 비상 탈출용 산소공급 장치의 설계를 목표로 한다.


개발 과제의 배경 및 효과

개발 과제의 배경

제목 없음.png
  분뇨처리장, 맨홀 내부, 오수처리장 정화조 등과 같은 밀폐 공간들은 작업자의 안전을 고려한 공간은 아니지만, 노동자가 직접 들어가 작업을 해야만 한다. 그리고 이런 밀폐 공간 속에는 보이지 않는 위험이 도사리고 있다. ‘질식’이다.
그림 1에 따르면 질식 재해를 가장 많이 일으킨 유해인자는 황화수소로, 전체 193건 가운데 55건(28.5%)을 차지했다. 황화수소는 정체된 공간에서 바닥층에 가라앉아 있다가, 퇴적물이 뒤섞일 때 뿜어져 나와 농도가 급증하게 된다. 이 뒤를 이어 산소결핍으로 인한 질식 재해는 46건이었고, 일산화탄소의 경우 39건이었다.
질식사고는 다른 사고에 비해 발생 건수는 적지만 사망률은 절반이 넘는다. 그림 1에 따르면 질식 재해 193건의 사상자 332명 가운데 171명이 죽고 161명이 다쳤다. 사망률이 51.5%다. 또한, 그림 2에 따르면, 123건의 질식 재해 가운데 죽거나 다친 임시∙일용직 노동자가 72명으로, 중대 재해 사상자의 31%를 차지한다. 하청업체 노동자는 58명으로, 25%에 해당한다. 이들이 맡은 작업은 임시∙간헐적 성격이 짙다. 임시∙간헐적 작업은 47건으로, 38%에 달했다. 질식 재해에서는 의식을 잃은 동료를 구조하려던 노동자들 또한 질식해 죽거나 다칠 수 있다. 그림 2에 따르면 123건의 질식 재해 가운데 44건이 쓰러진 동료를 구조하던 도중에 사상자가 추가로 발생한 경우다.
이에 산업안전보건공단에서는 맨홀 등 밀폐 공간에서 공사 작업 시, 산소농도측정기를 통한 산소농도의 사전 측정, 승인받은 곳에서만 작업 진행, 이동식 환기 팬, 산소 호흡기 또는 송기 마스크 사용 등의 안전 수칙을 정해 놓고 있다. 하지만, 고용노동부에서 작성된 질식사고에 대한 ‘재해조사 의견서’에 123건 중 절반이 넘는 54.5%인 66건이 안전 수칙 미준수를 지적하고 있다.
F2.png
 즉, 밀폐 공간 내 질식사고를 방지하기 위해서는 기본적으로 호흡용 보호구(공기호흡기 또는 송기 마스크)를 착용하지 않더라도 작업할 수 있도록 환기를 통해 밀폐 공간 내부를 적정 공기 상태로 만드는 것이 중요하며 환기를 할 수 없거나 환기만으로 불충분할 경우 호흡용 보호구를 반드시 착용해야 한다.
그러나, 작업 중 산소농도의 급격한 변화 또는 탄산 캔 음료를 흔들어 따면 거품이 넘쳐나오는 것처럼 분뇨, 오수, 펄프액 및 부패하기 쉬운 물질을 휘저을 경우 녹아있던 황화수소, 암모니아, 탄산가스가 급격히 발생하는 거품 효과(Soda Can Effect)에 의해 비상 상황이 발생할 수 있고 이렇게 사고를 당한 동료를 보호구 없이 구조하려다 추가로 사상자가 발생하는 경우가 빈번하다. 따라서 측정기를 통해 환기가 이루어졌다고 판단되었음에도 호흡용 보호구를 착용한 채로 작업을 진행할 필요가 있다.
다시 말해, 밀폐 공간에서는 안전하다고 생각되는 순간에도 언제나 위험이 존재하기에 예방적으로 호흡용 보호구를 항상 착용하고 있는 것이 바람직하나 이를 준수하는 것은 어렵다고 판단된다. 그 이유는 우선 그림 3의 산소 호흡기의 경우 산소통의 매우 큰 부피와 무게, 호흡기 착용 시 시야 제한, 비싼 가격 등의 단점들일 것이다. 이에 산소통이 필요 없이 외부 공기를 사용하는 그림 4의 송기 마스크를 대안으로 제시되고 있다. 그러나 송기 마스크 또한 작업 반경을 제한하고 호스의 꼬임이나 눌림 또는 모터의 멈춤으로 인해 공기를 제대로 공급받을 수 없다는 문제가 있다. 특히 밀폐 공간에서의 작업은 그림 5에서 보이듯 매우 좁은 공간에서 이루어지는 경우가 많으므로 산소 호흡기나 송기 마스크의 불편함이 더욱 크게 느껴질 것이다.

 그러나, 작업 중 산소농도의 급격한 변화 또는 바닥에 가라앉아 있던 유해가스의 분출로 인해 비상 상황이 발생할 수 있고 이렇게 사고를 당한 동료를 보호구 없이 구조하려다 추가로 사상자가 발생하는 경우가 빈번하다. 따라서, 측정기를 통해 환기가 이루어졌다고 판단되었음에도 호흡용 보호구를 착용한 채로 작업을 진행하고 외부의 동료는 비상용 공기호흡기를 준비해놓는 추가적인 안전 조치가 필요할 것이다. 

 다시 말해, 밀폐공간에서는 안전하다고 생각되는 순간에도 언제나 위험이 존재하기에 예방적으로 호흡용 보호구를 항상 착용하고 있는 것이 바람직하나 이를 준수하는 것은 어렵다고 판단된다. 그 이유는 우선 그림 3의 산소 호흡기의 경우 산소통의 매우 큰 부피와 무게, 호흡기 착용 시 시야 제한, 비싼 가격 등의 단점들일 것이다. 이에 산소통이 필요 없이 외부 공기를 사용하는 그림 4의 송기 마스크를 대안으로 제시되고 있다. 그러나 송기 마스크 또한 작업 반경을 제한하고 호스의 꼬임이나 눌림 또는 모터의 멈춤으로 인해 공기를 제대로 공급받을 수 없다는 문제가 있다. 특히 밀폐공간에서의 작업은 그림 5에서 보이듯 매우 좁은 공간에서 이루어지는 경우가 많으므로 산소 호흡기나 송기 마스크의 불편함이 더욱 크게 느껴질 것이다.


개발 과제의 효과

따라서, 앞서 서술한 이유로 인해 호흡용 보호구의 착용이 어려운 경우에 휴대하는 비상용 산소 공급기를 대체하기 위해 

(1) 호흡용 보호구보다 작은 부피 및 무게와 저렴한 가격을 가지며 
(2) 쉽고 빠른 착용이 가능하며 
(3) 산소가 공급되는 동안 착용자의 안전을 보장할 수 있는 작품이 필요하다.

이 작품의 개발을 통해 안전 수칙의 준수가 어렵고 매우 높은 사망률을 기록하는 질식사고를 예방할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 후드 zip-up 형태의 안전 조끼
 호흡용 보호구는 큰 부피와 무게로 인하여 사용에 불편함이 많기 때문에 비상용 보호구로서는 휴대용 산소 공급기를 많이 사용하고 있다. 그러나, 기존의 휴대용 산소 공급기는 보관용 가방에 따로 보관하여 손에 들거나 허리에 매고 다니는 형태이며 두건을 뒤집어쓰는 방식을 가지고 있어 안전모와 함께 착용할 수 없다. 질식사고는 1초라도 빠르게 대처하는 것이 중요하기 때문에 착용 시간을 줄일 필요가 크다.
따라서, 작은 무게와 부피를 유지하면서도 착용 시간을 감소시키기 위해 지퍼를 올리기만 하면 착용이 완료되어 후드 zip-up 형태의 안전 조끼를 제안한다. 착용이 완료되면 착용자는 외부로부터 차폐되고 내부에 산소를 공급하여 갑작스럽게 발생한 유해가스로부터 스스로를 보호할 수 있다.
2) 경보기능
 대부분의 유해가스는 색을 나타내지 않으며 바쁜 작업 중 냄새만으로 유해가스 발생 여부를 판단하는 것은 어려운 일이다. 따라서, 유해가스 측정 센서를 활용하여 그 농도를 실시간으로 보여주고 위험 수준에 도달하면 착용자에게 시각·청각적 요소로 위험을 인지시켜줄 수 있는 회로부 제작을 목표로 한다.

3) 후드 오염 방지 기능  
 구상한 디자인은 평범한 후드처럼 내부가 외부에 노출된 형태로 있고 밀폐 공간 작업은 외부 오염 요인이 많다. 따라서, 후드 내부의 오염을 방지하는 기능 개발을 목표로 설정하되 착용의 신속성을 잃지 않는 것을 목표로 한다.

4) 후드 자동 착용 기능 
 위험 감지 시, 착용자에게 자동으로 후드를 씌워주는 것을 목표로 한다. 갑작스러운 위험 상황에서, 착용자는 당황하여 적절한 대처를 능동적으로 하기 어렵다. 따라서, 착용의 1단계를 자동화하여 일차적인 보호를 이룰 수 있게 하여 착용자가 적절한 대처를 할 수 있도록 돕는다. 

5) 양압 유지 기능
 일산화탄소, 황화수소 등 밀폐 환경 및 상하수도 작업 중 발생하기 쉬운 유해가스는 소량만으로도 사람에게는 치명적일 수 있다. 따라서, 주입되는 공기를 이용하여 후드 안을 양압으로 유지해 주어, 후드 내부로 외부 공기의 침입을 방지해 주는 기능을 추가하고자 한다. 안전 조끼를 차폐성이 있는 소재와 밀폐 지퍼를 이용해 제작하여 최대한의 양압을 유지하는 것을 목표로 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

1. 공기 호흡기 

호흡이 불가능한 장소나 상황(화재 현장, 화생방 상황)에서 압축공기를 이용해 호흡을 할 수 있도록 만들어진 호흡 장비.



(1) 양압식
 호흡용 마스크 내의 압력을 주위보다 높게 유지시켜 유독성 물질, 즉 생화학 병기 등이 공기 중에 퍼져있을 경우 이러한 오염된 공기가 마스크 내로 침투하는 것을 막아줄 수 있다. 실린더에서 고압으로 나오는 공기를 레귤레이터를 통해 압력을 낮춘 후 마스크의 양압을 유지하게 되어있다. 
 음압식과의 차이로는 양압식은 밸브가 항상 열려있어 마스크 내에 항상 압력이 유지된다는 것이다. 즉, 양압모드로 사용 중에는 마스크에 틈이 생기면 공기가 빠져나오기 때문에 외부 공기가 들어오지 않는다.
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(2) 음압식 

 음압식이란, 사용자가 숨을 들이켜 마스크 내의 밸브가 열릴 때만 작동한다는 의미이다. 양압이 유지되지 않기 때문에 주 마스크로 사용되지는 않고 보조 마스크 등에 사용되는 방식이다. 이러한 보조 마스크의 경우, 손으로 밸브를 조작할 수도 있어 피구조자에게 마스크를 씌우고 간이 인공호흡을 하는 것도 가능하다.
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2. 송기 마스크 

근로자의 호흡기를 보호하기 위해 외부의 공급원(콤프레셔, 공기저장탱크)으로부터 호스를 통해 마스크, 후드, 헬맷에 깨끗한 공기를 공급하는 호흡 장비.
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  • 특허조사 및 특허 전략 분석

1. 비상탈출용 호흡기(출원번호 : 10-1832817 B1 출원일자 : 2016.11.21)

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비상탈출용 호흡기를 제공한다. 전방주시가 가능하도록 투명창을 갖추어 사용자의 머리를 덮도록 착용하는 되는 헤드부를포함하여 두건부, 산소공급부, 호흡부 등이 구성이 특징이다. 산소저장용기 및 상기 배출구에 접합가능하게 형성된 장착부, 호스 부 와 공급되는 산소의 압력에 의해 점멸되도록 형성된 조명부 등이 특징이다.

2. 비상용 산소호흡기(출원번호 : 10-1699514 B1 출원일자 : 2015.06.19)

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산소저장용기 및 상기 배출구에 접합가능하게 형성된 장착부, 호스 부 와 공급되는 산소의 압력에 의해 점멸되도록 형성된 조명부 등이 특징이다.

3. 비상탈출용 호흡기(출원번호 : 10-1743271 B1 출원일자 : 2017.01.20)

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비상탈출용 호흡기를 제공한다. 사용자의 머리를 덮도록 뒤집어 씌워지는 헤드부를 갖추고, 상기 헤드부로부터 하향 연장되어 사용자의 어깨를 덮는 어깨부를 갖추어 사용자가 착용하게 되는 착용부와 물어서 산소를 공급받는 마우스 피스 등이 특징이다.

  • 기술 로드맵
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시장상황에 대한 분석

  • 경쟁제품 조사 비교
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  • 마케팅 전략 제시
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개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1) 본 제품은 특정한 공간(정화조, 하수구 정비, 지하에 있는 물탱크 등)에서 일하는 작업자에게 즉각적으로 착용할 수 있는 후드 형태의 산소 호흡기를 제공해, 황화수소 및 산소 부족, 다른 유해 가스등으로부터 작업자를 보호하여준다. 위급 상황 발생 시, 작업자를 위험한 장소에서 안전한 장소로 안전하게 이동할 수 있는 환경을 제공한다.

2) 산소 공급기와 일체화된 후드형 안전 조끼를 제공하여 호흡기를 외부 공기로부터 차폐시킬 수 있는 기능을 제공한다. 손에 휴대하거나 허리에 매고 있다가 꺼내 뒤집어쓰는 형태의 기존 비상용 산소 공급기와 다르게 안전모를 쓴 상태에서도 지퍼를 올리는 것만으로도 신속하게 착용할 수 있는 형태의 호흡기를 제공함으로써, 미지의 위험으로부터 작업자를 빠르게 차단할 수 있다.

3) 밀폐 기능을 갖는 지퍼와 소재로 제작된 후드 형태의 산소 공급기로서 외부의 소재 자체의 밀폐성과 더불어 후드 내부를 양압으로 유지하여 외기의 유입을 차단해 작업자의 호흡기뿐만 아니라 얼굴 전체를 위험으로부터 보호할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1) 밀폐 공간 내 질식사고를 예방하기 위해서 호흡용 보호구(공기호흡기 또는 송기 마스크)를 착용해야 하나 호흡용 보호구는 큰 무게와 부피, 시야 제한, 비싼 가격 등의 단점으로 인해 사용하기 힘든 것이 현실이다. 이에 호흡용 보호구 대신 기존의 비상용 산소 공급기를 사용하는 경우가 존재하나 휴대와 좁은 공간에서 착용에 있어 불편함이 있고 눈과 호흡기를 유해가스로부터 완벽하게 보호할 수 없다는 단점이 있다. 본 제품은 이런 단점들을 극복하여 질식사고의 예방률을 크게 높일 수 있다.

2) 관련된 사고로는, 2016년 8월 12일 정화조 청소 도중 발생한 질식사, 2020년 8월 19일 인천에서 발생한 질식사고 등이 있다. 잦은 사고가 아니라, 한 번 사고가 발생하면 목숨까지 위험할 수 있는 위험성이 아주 높은 사고에서 생명을 보호한다. 중대 재해 처벌법이 제정됨에 따라, 공공기관과 더불어 기업들에 안전문제는 큰 문제로 대두되었다. 이러한 사회적 상황에서, 경쟁력이 우수한 제품을 공급함으로써 사회적으로 안전제품과 관련된 인식이 변화되고 여러 방면에서 연구가 진행되리라 판단된다.

3) 산업안전보건공단의 조사에 따르면 밀폐 공간을 보유하고 있는 전국 1만 2천718개 사업장 가운데 고위험 평가를 받은 사업장이 20.13%로 2,560개에 달했다. 중위험 평가는 1,430개(11.24%)였고, 저위험 평가는 8,728개, 68.62%였다. 위험도가 높을수록 질식 위험과 위험관리 방법을 알지 못하고, 질식 재해 예방 장비도 충분히 보유하고 있지 못하다는 의미이다. 본 제품이 상용화되어 전국에 산재하여있는 고위험 사업장들부터 보급된다면 질식사고의 발생률을 줄일 수 있다.

4) 사용자에게 편리한 구조의 생명유지 장치를 제공함으로써, 안전 수칙으로 정해져 있지만, 실제 사용률은 미미한 안전장치의 사용을 증진 시킬 수 있을 것이다. 이는 사고 발생 시, 사용자를 위험 상황으로부터 지켜줄 수 있는 장치이기에, 중대 사고 발생 시, 사망률을 크게 낮추고 사회적 안전의 경종을 울릴 것이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

F12.png

구성원 및 추진체계

손훈석 (재료 구매/예산 관리) (BUYING)

고한빈 (선행 기술 조사/특허 진행) (PATENT)

김준수 (총괄/성능 평가 설계) (MANAGE 1)

류상훈 (설계/부품 배치) (DESIGN)

문상조 (성능 평가/분석) (TEST)

이민형 (총괄/감독) (MANAGE 2)

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설계

설계사양

제품의 요구사항

F21.png
1) 본 제품에 적용한 산소 공급기는 분당 4L의 산소를 10분간 공급하고 산소가 공급되는 동안 후드 내부를 외부에 비해 양압으로 유지시켜 외부 공기의 유입을 차단하는 것을 목표로 한다. 산소가 공급되는 10분간 후드 내부와 외부의 기압을 측정하여 양압 유지 여부를 평가한다.

2) 2번 항목에서 재질의 중요 성질로 내구성과 차폐성을 설정한 이유는 먼저 작업 간 착용하는 장비로서 외부 요인에 의해 쉽게 손상되어 비상 상황 시 제 역할을 하지 못하는 경우를 대비해 내구성이 중요하고, 착용 시 오염된 외부 공기가 후드 내부로 들어올 수 없도록 뛰어난 차폐성을 가져야 한다. 제품의 소재가 되는 재질이 샘플에 대해 스크래치 테스트를 진행해 내구성을 평가한다. 그리고 가스 측정기를 이용해서 후드 내부와 외부의 가스 농도를 비교하여 차폐성을 평가한다.

3) 일산화탄소 및 가연성 가스 등을 측정할 수 있는 센서가 밀폐 공간에서 가스에 노출되었을 때 LED 스트립 소자, 알람 버저, 디스플레이 등을 통해 경고 신호를 보내는 실험을 반복 진행해 기준 시간 내 목표 달성 확률을 평가한다.

4) 측정기와 스텝 모터를 연결해 커버를 고정하는 서보모터가 신호를 받아 자동으로 고정을 푸는 실험을 반복 진행해 기준 시간 내 목표 달성 확률을 평가한다.

5) 각 부분의 최대 무게를 설정한 이유는 먼저 제품을 착용하고 작업 시 불편함을 주지 않는 무게이자, 각 부분에 필요한 부품의 무게를 사전 조사한 최대한의 무게로 2.0kg으로 설정했다. 제품을 저울 올려 무게를 측정해 평가한다.

6) 기준 농도 도달 시 CO2 인젝터와 연결된 서보모터를 작동해 TPU 튜브를 팽창시켜 후드를 자동 착용하는 실험을 반복 진행해 기준 시간 내 목표 달성 확률을 평가한다.

설계 사양

 산소통 밸브 개방 때 10분 이상 호흡할 수 있어야 한다. 

 고정부의 모터의 경우 사람의 힘으로 돌릴 수 있어야 한다. 

 측정 센서의 경우 탈부착이 가능하고 기능의 이상이 없어야 한다. 

 시야부는 투명한 재질에 습기가 잘 차지 않아야 한다. 

 후드 작동 시, 외부 공기를 차폐할 수 있어야 한다.

개념설계안

◇ 종래 기피되는 공기호흡기의 단점을 보완하여 평상시에는 후드를 착용한 형태로 사용자를 구속하지 않아 불편함을 덜어주면서 비상 상황 시에는 신속하게 착용하여 안전성을 제공한다.

◇ 안전 조끼의 구조는, 산소통 및 측정 센서가 결합하여 있는 결합부, 산소통으로부터 호스가 연결된 후드부, 후드부를 말아진 상태로 고정시킬 수 있는 고정부, 측정센서 및 고정부와 연결되어 외부 공기질 농도에 따라 경고음, 및 고정부를 작동하는 제어부를 포함한다. 

1) 후드부
후드부는 삼중 구조로서 공기 차폐 성능이 뛰어난 폴리에스터 위에 내구성이 뛰어난 폴리우레탄을 코팅한 소재로 제작한 뒤 안쪽에 매쉬 소재를 덧대어 착용감을 향상시킨다. 착용 시 시야 확보를 위해 투명한 PVC 재질의 시야부와 후드와 목 사이 공간을 없애 외부 공기의 유입을 막을 수 있는 조임끈을 포함한다. 평소 입고 다니는 후드와 달리 지퍼를 머리끝까지 올릴 수 있어야 하고 착용하고 있는 안전모의 크기를 고려하여 디자인한다.

2) 제어부
제어부는 측정 센서, 경고 버저, LED, 디스플레이, 전원 버튼, 충전단자를 포함하는 아두이노 회로와 이를 보관하는 케이스로 구성된다.

3) 고정부
평소에는 후드의 오염을 막기 위해 그 위를 커버가 덮고 있고 유사시에는 커버가 자동으로 벗겨짐으로서 오염을 방지와 동시에 신속한 착용을 보장할 수 있도록 커버를 고정할 수 있는 장치가 필요하다. 커버와 연결된 탄성 끈을 빗장뼈 쪽의 서보모터와 연결해 후드를 고정하고 비상 상황 발생 시 제어부로부터 전기 신호를 전달받아 고정을 해제한다.

4) TPU 튜브
커버가 벗겨진 후 또 다른 서보모터로 전기적 신호가 전달되어 CO2 카트리지로부터 CO2가 분출되고 TPU 튜브가 팽창되면서 후드가 정수리까지 올라올 수 있다. 그 결과, 착용자는 지퍼를 올리고 조임끈만 조이면 착용을 완료할 수 있다.
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【부호의 설명】

101 안전 조끼 102 잠금장치 / 103 고정부 / 104 산소통 결합부 / 105 측정장비 결합부 / 106 고정끈

201 후드부 202 투명한 재질의 시야부 / 203 공급부 / 204 배출부 / 205 조임끈

301 측정 센서 302 디스플레이 / 303 전원버튼 / 304 공기 농도 센서부

401 TPU-튜브 402 Y자 튜브 / 403 공기주입 인젝터부

이론적 계산 및 시뮬레이션

1) 내부 양압 유지 실험 

(1) 실험 내용
- 착용 후 1. 산소 미공급, 2. 산소공급 중 걸을 때, 3. 산소공급 중 달릴 때, 총 세 가지 조건에서 아두이노 BPM180 대기압 센서를 활용하여 후드 내부와 외부의 대기압을 측정하고 그 차이를 비교한다.

(2) 실험 결과
- 1번 조건(산소가 공급되고 있지 않을 때)에서는 내부와 외부 모두 약 1010.65hPa의 대기압이 유지되었으나 산소 공급 시작 후 내부 대기압은 상승하여 2번 조건(산소공급 중 걸을 때)에서 약 1010.8hPa, 3번 조건(산소공급 중 달릴 때)에서 약 1010.85hPa이 측정된 반면, 외부 대기압은 2,3번 조건에서도 1010.65hPa이 유지되었다.
- 이 실험을 통해 후드 착용 후 산소가 공급되는 동안 후드 내부가 외부와 비교하여 0.1~0.25hPa의 양압을 유지할 수 있다는 것을 확인하였다.
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2) 외부 공기 차폐 성능 실험 

(1) 실험 내용
- 폼보드과 아크릴판으로 제작한 밀폐공간에서 유해가스 발생 시 산소가 공급되는 10분 동안 아두이노 MQ-7 일산화탄소 센서를 활용하여 후드 내부와 외부의 유해가스 농도를 측정하고 그 차이를 비교한다. (본 실험에서는 유해가스의 위험성 때문에 마네킹을 활용하였고 사람의 호흡을 대체하기 위해 사람의 호흡량과 최대한 유사하게 500ml 주사기를 4초 간격으로 왕복 운동해 공기를 순환시키는 방법을 사용하였다.)

(2) 실험 결과
- 1차 유해가스 주입 전까지 외부는 4ppm으로 유지되었고 후드 내부의 유해가스 농도는 깨끗한 산소가 공급되면서 5ppm에서 4ppm으로 소폭 감소하였다.
- 실험 시작 2분 후, 1차 유해가스 주입 시, 외부 농도는 최대 14ppm까지 상승 후 점점 감소하였고 내부 농도 또한 소폭 상승하였으나 6ppm을 초과하지 않았다.
- 실험 시작 5분 후, 2차 유해가스 주입 시, 외부 농도는 18.26ppm까지, 내부 농도는 6.26ppm 까지 상승하였다.
- 가스 주입 전 유해가스 농도는 4ppm이었고 가스 주입 후, 외부 유해가스 농도는 최대 18.26ppm까지 약 350% 증가한 것에 비해 내부 유해가스 농도는 최대 6.26ppm까지 약 50%만 증가하여 제작 소재와 내부양압 유지에 의한 차폐 성능을 확인할 수 있었다.
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상세설계 내용

조립도

1) 후드 조끼

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(1) 조끼의 크기는 성인 남성 기준 100(L)으로 제작, 후드의 크기는 평균적인 안전모(좌우 22.5, 앞뒤 27.5, 높이 17, 단위 : cm)를 고려하여 약 2~3cm 정도의 여유가 있게끔 제작. (일반 의류의 후드 모자는 안전모를 착용한 채로 쓰기에는 크기가 작음. )
(2) 패턴 디자이너에게 기준 치수를 전해주고, 패턴을 제작
(3) 패턴을 의류 공장에 옷감(바깥감 : 폴리우레탄(PU) 코팅된 폴리에스터(PE), 안 감 :　매쉬 패턴 천), 투명창 : 연질 PVC, 가스 차폐 지퍼)과 함께 전달하여 주문 제작

2) 측정ㆍ제어부

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(1) 아두이노 우노 보드를 중심으로 브레드보드, 가스 센서, 배터리, 스위치, 디스플레이, LED, 경고 부저, 서보모터 3개를 연결한다.
(2) 측정 및 제어부를 안전하게 보호하기 위해 케이스를 3D printer를 이용하여 제작하고 내부에 (1)에서 제작한 측정·제어부를 적절하게 배치한다

3) TPU 튜브

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(1) TPU 천을 도안에 맞게 2장 재단한다.
(2) 겹친 후 실링기를 사용하여 테두리를 붙인다.

부품도

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제어부 및 회로부 설계

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 본 발명품의 제어부의 설계도는 위와 같다. 리튬이온 배터리는 C-type 단자를 이용하여 충전할 수 있으며 배터리의 정격출력전압은 3.7V이므로 5V 승압 컨버터를 이용하여 아두이노에 5V 전원을 공급한다. 아두이노 보드에서는 공기 중 유해가스 농도를 측정할 수 있는 MQ-7 센서, 측정된 농도를 표사할 수 있는 디스플레이, 정해진 기준 이상으로 농도가 측정될 시 착용자에게 경고할 수 있는 LED와 버저, 커버의 고정을 해제하는 서보모터 2개, CO2 카트리지를 작동시키는 서보모터 1개가 연결되어있다.


소프트웨어 설계

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【알고리즘의 설명】 

 1. 작업 투입(측정 시작) 시 “전원 off?(No) → LCD display 농도 표시 → 일산화탄소 농도 > 30ppm?(No) → LED strip 적색 발광 여부(No) → 전원 off?(No)”의 경로를 따른다.

 2. 일산화탄소 감지(일산화탄소 농도 > 30ppm) 시 “아두이노로 디지털 신호 전송 → servo motor 잠금 풀림 여부(최초의 경우에만 No) → servo motor 잠금 풀림 → 버저 경고음 발생 → LED strip 적색 발광 → 전원 off?(No)”의 경로를 따르며 지속해서 공기의 상태를 확인한다.

 3. 공기 오염 지역을 벗어났을 때 “전원 off?(No) → LCD display 농도 표시 → 일산화탄소 농도 > 30ppm?(No) → LED strip 적색 발광 여부(Yes) → 부저 경고음 중단 → LED strip 녹색 발광 → 전원 off?(No)”의 경로를 따른다.

 4. 작업 종료 시 “전원 off?(Yes) → servo motor 잠금 → 측정 종료”의 경로를 따라 알고리즘을 종료한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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작업자 사용 메뉴얼

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

◇ 현재, 후드를 씌워주는 것까지만 자동화되어있으나 이를 더욱 발전시켜서 CO2 카트리지를 대체하여 O2 카트리지로 착용이 이루어지고 산소 용기의 작동까지 자동화할 수 있다면 더욱 빠른 속도로 착용자에게 안전을 제공할 수 있는 장치를 만들 수 있을 것으로 생각한다. 이러한 자동화가 이루어진다면 작업자가 작업 중 갑작스러운 유해가스가 발생했을 때, 작업자에게 즉각적인 보호를 제공하여 작업자의 안전성 증진을 기대할 수 있을 것이다.

◇ 지하에서 작업이 이루어지고, 작업환경이 습기가 많은 환경이기에 센서 등이 습기나 주위 환경의 오염으로부터 방수될 수 있도록 발전시킨다면 신뢰성 측면에서 더욱 발전시킬 수 있을 것이라 기대된다. 이에 더하여 장치에 필수적인 요소에 방수 기능을 더하면 신뢰성을 최대화할 수 있을 것이라 기대한다.

◇ 지하와 같은 밀폐된 장소에서 작업이 이루어지는 경우, 안전 관리공단에서는 질식과 같은 밀폐 사고를 예방하기 위하여, 예방적 산소호흡기가 필수적으로 있어야 한다. 우리의 안전장치는 이러한 예방적 산소호흡기가 될 수 있으며, 이러한 예방적 산소호흡기가 되기 위해서는 안전 관리공단의 제품 적격성 시험을 통과해야 하는데, 이러한 적격성 시험에서 통과할 수 있으면 현재 시중에 공급되고 있는 다른 산소호흡기에 비해서 훨씬 더 저렴한 가격으로 시장에 제품을 공급할 수 있을 것으로 기대된다. 안전장치의 가격 때문에 사업주들은 안전장치의 구비를 망설이는 경우가 많은데, 시중의 제품보다 낮은 가격에 제품을 공급할 수 있으므로, 많은 노동자에게 안전한 작업환경을 제공하리라 기대할 수 있을 것이다.

부록

A-1 참고문헌 및 참고사이트

이은숙; 김성효; 김정숙. 폐쇄형 흡인술이 인공호흡기 환자의 산소포화도, 인공호흡기 관련 폐렴 및 흡인간호 효율성에 미치는 영향. Journal of Korean Academy of Nursing, 2004, 34.7: 1315-1325.

김영수; 김민욱; 박용환. 산소 공급압력 변화에 따른 운반형 인공호흡기의 성능 특성 연구. 한국화재소방학회 논문지, 2016, 30.2: 87-91.

전희은; 서정호. 맨홀 내부 작업자의 안전과 작업효율성을 위한 비상용 산소호흡기. 한국디자인학회 학술발표대회 논문집, 2017, 274-274.

송유선, et al. 사람 호흡기 상피세포에서 Protopanaxadiol 의 Lipopolysaccharide 로 유도된 활성산소 생성과 MUC5AC 과발현 억제 효과. 대한이비인후과학회지-두경부외과학, 2019, 62.9: 507-514.

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최연정, et al. 성인의 13 가지 신체활동의 에너지 소비량 및 가속도계 정확성의 남녀비교. Journal of Nutrition and Health, 2017, 50.6: 552-564.

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"보이지 않는 위험, 밀폐 공간 ‘질식 재해’ 해부". 단비뉴스, 3월 25일 접속, http://www.danbinews.com/news/articleView.html?idxno=13672

“화재 대피용 산소 공급기”. 코리아 테크, 3월 25일 접속, http://cableprice.net/product/%ED%99%94%EC%9E%AC%EB%8C%80%ED%94%BC%EC%9A%A9-%EC%82%B0%EC%86%8C%EA%B3%B5%EA%B8%89%EA%B8%B0-escape-o2-%EC%9D%B4%EC%8A%A4%EC%BC%80%EC%9D%B4%ED%94%84%EC%98%A4%ED%88%AC/2996/

“휴대용 산소 스프레이”. eNURI, 3월 25일 접속, http://www.enuri.com/detail.jsp?modelno=30423296

“송기 마스크”. COUPANG, 3월 25일 접속, https://www.coupang.com/vp/products/1786906907?itemId=3042368646&vendorItemId=71030419647&sourceType=srp_product_ads&q=%EC%86%A1%EA%B8%B0%EB%A7%88%EC%8A%A4%ED%81%AC&itemsCount=36&searchId=7a1b131f4bfa4a55aafd60874148479a&rank=0&isAddedCart=

“양압식 공기 호흡기”. COUPANG, 3월 25일 접속, https://www.coupang.com/vp/products/250279434?itemId=790739164&vendorItemId=70220446256&q=%EA%B3%B5%EA%B8%B0%ED%98%B8%ED%9D%A1%EA%B8%B0&itemsCount=36&searchId=9f837e67d16241568c49ceb8ea1a699c&rank=15&isAddedCart= KOREA INDUSTRIAL HEALTH ASSOCIATION, et al. 밀폐공간에서의 질식재해 예방. The Safety technology, 2004, 84: 64-67.

박대수. 비상탈출용 호흡기. 특허 출원번호 10-2016-0155179, 출원일 2016년 11월 21일, 등록일 2018년 2월 21일.

박대수. 비상탈출용 호흡기. 특허 출원번호 10-2017-0009967, 출원일 2017년 1월 20일, 등록일 2017년 5월 29일. 코리아세이프티주식회사. 비상탈출용 호흡기. 특허 출원번호 10-2015-0087680, 출원일 2015년 6월 19일, 등록일 2017년 1월 18일.

A-2 관련특허 ① 비상탈출용 호흡기(Emergency Escape Respirator) - 특허 번호 : KR 10-1832817 B1 - 출원 일자 : 2016.11.21.

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- 내용 : 비상탈출용 호흡기를 제공한다. 전방주시가 가능하도록 투명창을 갖추어 사용자의 머리를 덮도록 착용하는 되는 헤드부를 포함하여 두건부, 산소공급부, 호흡부 등이 구성이 특징이다.

② 비상용 산소호흡기(Portable oxygen respiratory apparatus) - 특허 번호 : KR 10-1699514 B1 - 출원 일자 : 2015.06.19

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- 내용 : 산소저장용기 및 상기 배출구에 접합가능하게 형성된 장착부, 호스부와 공급되는 산소의 압력에 의해 점멸되도록 형성된 조명부 등이 특징이다.

③ 비상탈출용 호흡기(Emergency Escape Respirator) - 특허 번호 : KR 10-1743271 B1 - 출원 일자 : 2017.01.20

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- 내용 : 비상탈출용 호흡기를 제공한다. 사용자의 머리를 덮도록 뒤집어 씌워지는 헤드부를 갖추고, 상기 헤드부로부터 하향 연장되어 사용자의 어깨를 덮는 어깨부를 갖추어 사용자가 착용하게 되는 착용부와 물어서 산소를 공급받는 마우스 피스 등이 특징이다.

A-3 소프트웨어 프로그램 fritzing : https://fritzing.org/ Matlab : https://kr.mathworks.com/products/matlab.html 3D CAD : https://www.autodesk.co.kr/solutions/3d-cad-software 3D 그림판 : https://www.microsoft.com/ko-kr/p/%EA%B7%B8%EB%A6%BC%ED%8C%90-3d/9nblggh5fv99


설계구성요소 및 제한요소

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