| 연구개발개요 |
최근 계절과 관계없이 한반도 전역에서 고농도 미세먼지 발생이 빈번해짐에 따라 건강에 대한 우려가 커지고 있고 국제환경단체 그린피스가 에어비주얼(AirVisual)의 ‘2018 세계 대기질 보고서’를 분석한 결과, 한국은 경제협력개발기구(OECD) 회원국 중 초미세먼지 오염 농도 2위를 차지해 최악의 대기오염 국가로 나타났다. 2018년 한국의 초미세먼지 농도는 ㎥당 24㎍(마이크로그램, 1㎍=100만분의 1g)으로 조사대상 73개국 중에서 27번째로 높았으며, OECD 도시 중 초미세먼지 오염도가 가장 높은 100개 도시에 국내 도시 44개가 포함되었고, 2017년까지 전국 대부분의 지역에서 PM10 연평균 농도는 연간 대기환경기준인 50 μg/m3이하이고 따라서 최근 우리나라의 미세먼지 농도는 PM10 기준으로 볼 때 낮아지고 있다고 볼 수 있지만 고농도 미세먼지 발생일수 증가, 미세먼지 농도 최고치 갱신 등 최근 들어 한국의 미세먼지 상황은 오히려 악화되고 있는 실정이다. 현대사회에서 미세먼지는 인간의 건강을 위협하고 경제적으로도 큰 손실을 유발하고 있어 사회적으로도 큰 이슈가 되고 있고 국가의 정책 방향도 국민의 삶의 질 개선을 목표로 다양한 분야의 연구개발을 지원을 추진하고 미세먼지로 인한 인체의 건강 위협과 경제적 손실을 살펴보면 다음과 같다.○ 미세먼지의 인체 건강 위협 미세먼지로 인한 영향은 호흡기에 침착 또는 체내에 흡수되어 건강을 위협하고 있며, WHO 산하 국제암연구소(IARC)는 미세먼지를 1군 발암물질로 지정하고 있다.2009년 국립 환경과학원과 인하대 연구팀이 연구한 결과, 서울의 미세먼지(PM10) 농도가 10 ㎍/㎥ 증가할 때마다 65 살 이상 노인 등 대기오염에 민감한 집단의 사망률은 0.4%씩 증가하는 것으로 파악되었다.○ 미세먼지로 인한 경제적 손실 OECD는 2016년 대기오염 경제 영향보고서에서 초미세먼지 등 대기오염으로 인해 한국의 2060년 GDP 감소 등 경제적 피해비용을 OECD 국가 중 1위로 분석하였고, 조기사망률 증가, 질환 증가 등으로 인한 건강 비용은 ‘60년까지 5배 가량 증가할 것으로 전망하였고, 의료비 증가, 노동생산성 저하 등 경제적 손실이 크게 증가할 것을 예측되고 있다.○ 미세먼지에 대한 사회적 관심 증가 대기질 정보의 질적·양적 증가로 인해 환경 인식이 높아짐. 2013년 8월 수도권 시범 예보 시행, 2014년 2월 전국 예보 시행, 2015년 1월 초 미세먼지 예보 시행 등 미세먼지 예경보제 시행 이후 미세먼지 관련 언론보도 건수 폭발적 증가(예보 시행 이전1,000건 안팎이던 언론보도가 예보제 시행 이후 9,000건에 육박)언론보도 증가와 더불어 국민들이 대기질에 관해 접하는 정보의 질적·양적 증가가 심화되고 있다.○ 미세먼지에 대한 정부의 정책 - 정부는 2017년 ？미세먼지 관리 종합대책(2017.9.26.)？과, 2018년 이를 보완한 ？비상·상시 미세먼지 관리 강화대책(2018.11.8.)？을 발표하고 있다. - 미세먼지 관련 법률 “미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법”, “대기관리권역의 대기 환경개선에 관한 특별법”, “항만지역등 대기질 개선에 관한 특별법” 제정, 사회재난 대상에 미세먼지 피해를 추가하는 “재난 및 안전관리 기본법”이 개정되었다. - 국정과제로 지정한 ‘미세먼지 오 염현황과 대책’과 관련하여 ‘미세먼지 종합대책’ 수립(‘13년) 이후 미세먼지 관련 R&D 사업을 꾸준히 수행하고 있으며, 국정기획자문위 원회 17년 7월 발표에서 ‘내 삶을 책임지는 국가’라는 국정 목표 하에 국민안전과 생명을 지키는 안심사회의 일환으로 미세먼지 문제에 대한 정부의 의지를 표명하고 있다.본 연구는 " 탄소나노튜브를 적용한 정전분무 방식의 지능형 실내 미세먼지 전기집진기 개발 " 에 관한 연구로 기존의 미세먼지 집진기의 장단점을 분석하고 실내에서 활용시에 오존 발생 문제를 해결하고 인공지능을 적용하여 고효율 회로 구동이 가능하게 하여 대기오염에 대한 인간의 삶의 질을 개선하고 최신 IT 기술의 접목을 통해 미세먼지제거 기술 분야에 선진기술 확보를 이루고자 한다. ○ 미세먼지의 인체 건강 위협 미세먼지로 인한 영향은 호흡기에 침착 또는 체내에 흡수되어 건강을 위협 WHO 산하 국제암연구소(IARC)는 미세먼지를 1군 발암물질로 지정함. 2009년 국립 환경과학원과 인하대 연구팀이 연구한 결과, 서울의 미세먼지(PM10) 농도가 10 ㎍/㎥ 증가할 때마다 65 살 이상 노인 등 대기오염에 민감한 집단의 사망률은 0.4%씩 증가하는 것으로 파악되었음.
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| 연구내용 및 범위 |
본 연구는 실내 공간 내 부유되어 있는 미세먼지, 초미세먼지 등을 실시간 모니터링하고 탄소나노튜브 전극을 적용한 지능형 정전분무 방식의 전기집진기를 설치하여 오존 발생이 없이 미세먼지를 효과적으로 제거하고 인공지능 기반의 능동적 전력공급 이 가능한 실내 공간 내 미세먼지 집진 시스템을 개발하고자 한다.기존의 미세먼지 집진 방식을 살펴보면 다음과 같다.○ 여과 집진(필터) 미세먼지를 제어하기 위해 주로 사용하는 섬유필터는 연소가스로부터 입자상 오염물질을 분리하는 데 매우 효과적으로 집진율이 우수하고 압력손실이 적고 취급이간단하고 여러 가지 형태의 분진을 포집하지만 습윤 환경에서는 여과포가 밀폐될 수 있으므로 사용 불가하고 여과포의 손상이 많아 보수 관리비가 소요되므로 설비비가 비싸지고 폭발 등의 위험성이 있다고 보고되고 있다.○ 원심력 집진(사이클론) 원심력 집진은 먼지를 함유한 공기를 원통 내에서 회전시켜, 그 원심력으로 먼지를 외측으로 분리시켜 집진하는 원리를 이용하며 구조가 간단하고 설치 공간이 적고, 고온가스 처리가 가능 및 유지보수 비용이 적은 장점이 있지만 미세입자의 경우 집진 효율이 적으며 장치가 온도, 압력, 유해가스의 영향을 받기 쉬우며 접착성, 부식성, 마모성 가스에는 부적합하다는 단점이 있다.○ 전기적 집진 일반적인 전기집진기의 동작 원리는 그림 7과 같이 미세먼지 입자 → 코로나 방전 → 대전 → 집진판으로 이동 → 포집 →중화 → 탈진 회수 과정을 거치며 낮은 압력 손실로 대량가스 처리가 가능, 광범위한 온도 범위에서 설계 가능 및 비교적 운영비가 적다는 장점을 가지고 있지만 코로나 방전방식의 전기집진기는 포집 대상의 미세먼지가 대전되는 효율이 낮고 코로나 방전 시 인체에 유해한 오존이 발생되는 문제점 있어 코로나 방전으로 인해 인체에 유해한 오존이 발생하므로 이에 대한 오존 제거 장치가 따로 구비되어야 하거나 사용 장소의 제한이 되는 단점이 있다.○ 기존의 정전 분무 방식 기존의 정전분무방식의 전기집진기는 분무액이 분사되는 노즐에 고전압을 걸어 대전된 액적을 발생시키는데 전력소모가 큰 단점 문제가 있고 노즐에 분사된 액체를 미립화하는 과정에서 고전압을 걸어 주게 됨으로써 액적의 분사양상이 콘젯 모드로 되기 전에 코로나 방전으로 진행되는 문제가 있다.본 연구의 주요 연구개발 내용은 다음과 같다.○ 미세먼지의 농도를 효율적으로 발생시키는 탄소나노튜브 전극 개발 기존의 정전분무 방식은 노즐에 고전압이 인가되어 노즐에서 분무되는 미세 액적이 대전되고 대전된 미세 액적이 미세먼지를 포집하는 방식으로 노즐에서 방출되는 미세액적을 대전시키기 위해서는 전기집진기가 동작하는 동안 노즐에 고전압을 지속적으로 인가해야함 따라서 전력소모와 크고 인가되는 전압이 고전압에 가깝기 때문에 코로나 방전에 따른 오존 발생의 여지가 존재함. 탄소나노튜브(Carbon nanotube : CNT) 는 기계적 강도가 철보다 100배가량 뛰어나면서도 구리와 비슷한 수준의 높은 전기전도도와 높은 열전도율을 지니고 있어 액체가 투과 가능한 성긴 구조물에 탄소나노튜브 로 코팅하면 내구성이 강한 전극 구조로 개발 가능하고 노즐에 직접 인가하는 방식에 비해 낮은 인가전압으로 대전 액적 발생이 가능하여 코로나 방전에 따른 오존 발생을 제한할 수 있다.○ 미세먼지의 농도에 따라 출력전압을 제어하는 딥러닝 시스템 개발미세먼지, 초미세먼지, 일산화탄소, 이산화질소, 아황산가스 5종류에 대한 대기 오염 상황에 대한 모니터링 시스템과 다양한 형태의 미세먼지 상황에서 가장 효율적으로 탄소나노튜브 전극에 인가되는 전압 제어 가능하게 하는 딥러닝 시스템 구축한다. ○ 미세먼지 농도에 따라 출력전압이 가변 가능한 고효율 회로 개발 직렬방식을 이용하여 탄소나노튜브에 인가되는 구동회로 개발하여 ±Vs 이용하여 1차측 전압을 생성하고 이를 트랜스포머를 이용하여 수 kV의 전압을 발생 시킬 수 있는 회로 구성에 있어 캐패시터 부하 특성에 따라 전압 인가시 피크 전류가 발생한다. 새로운 방식의 고효율 회로 개발을 통해 C에 충전된 에너지를 L과의 공진을 이용하여 전달/회수 하고 +Vs 전원만을 이용하여 하프브리지 타입을 구현함으로써 하드 스위칭에 의한 소비전력을 감소시키는 회로 개발하고자 한다.
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