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2019년 6월 20일 (목) 09:28 판

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** 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

기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
 *전 세계적인 기술현황
-내용
+. 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.
+. 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.
+. 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.
+. 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
-내용
 *기술 로드맵
-내용
 ====시장상황에 대한 분석====