| 연구개발개요 |
○ 재난재해에 준(準)하는 최악의 미세먼지로 인한 대기질 악화로 몸살 앓는 한반도 - 다양한 원인에 의해 발생하는 미세먼지는 직경의 크기에 따라서 미세먼지와 극미세먼지로 구분되며, 주로 세기관지에 염증반응을 일으켜 천식, 만성기관지염, 기도폐쇄 또는 악화 등 다양한 호흡기 질병 원인이 됨 - 2013년 세계보건기구 산하의 국제암연구소(IARC, International Agency for Research on Cancer)에서 미세먼지를 사람에게 발암이 확인된 1군 발암물질(Group 1)로 지정 - 특히 국내의 경우 미세먼지(PM10) 오염도는 2006년 이후 개선 정체 경향을 보이며, 최근 봄·겨울철의 PM2.5 평균농도가 지속적으로 상승 및 주의보 발령횟수도 증가(관계부처 합동, 2017, 미세먼지 관리 종합대책)○ 건설·교통 사업장이 국내 미세먼지 발생 원인 1순위 배출원으로 분석 - (국내배출) 대도시는 경유차가, 전국적으로는 사업장이 1순위 배출원 · (수도권) 경유차(23%) 〉건설기계·선박등(16%) 〉사업장(14%) · (전국) 사업장(38%) 〉건설기계·선박등(16%) 〉발전소(15%) - (국외영향) 평상시 중국, 북한 등을 포함한 국외영향은 연평균 30∼50%, 고농도시(´15∼´16년연간18∼29일)에는 60∼80%로 추정(미세먼지 관리 종합대책(2018) 주요내용과 방향, 2018, KEI)○ 건설·교통 부문에 지속적·과학적인 미세먼지 측정을 위한 저비용·고효율의 미세먼지 측정기술 적용 필요성 증대 - 국립환경과학원에서 학교나 건설현장 설치된 미세먼지 간이측정기 정확도 검증결과 48%에서부터 86%까지 다양하며, 장비 설치 및 제작을 위한 비용이 고가로 저효율·고비용장비 사용으로 인한 예산낭비 심각(2018.04.12. 중앙일보) - ‘휴대용 미세먼지 측정기는 신뢰도가 낮기 때문에 절대적인 수치를 믿기보다는 장소별 차이를 비교‘해야 하므로 광역적이고 시공간적 분석이 가능한 신뢰도 높은 미세먼지 측정기술 필요 (동 보도) - 또한 정책 의사결정을 위한 과학적이고 체계적인 실시간 보조자료 제공을 통해 건설·교통부문 종사자뿐만 아니라 대국민 삶의 질 개선을 위한 미세(비산)먼지 측정기술 필요 - 미세먼지 조사·단속원이 미세먼지 발생원에 직접 접촉하여 미세먼지 농도를 측정하는 종래의 재래식 방식을 벗어나 실시간으로 발생원을 감시·관리할 수 있는 비접촉식 고효율·고신뢰성이 보장된 기술 개발 요구 발생○ 미세먼지 관측기술 개발 및 현업 운영 동향 - 현재 현업에 사용되는 미세먼지 관측 장비는 대기 중에 공기를 흡입하여 질량농도를 관측하는 부유분진측정기(β-ray PM10), 광학입자계수기(OPC : Optical Particle Counter)와 입경별 수농도를 관측하는 전자기유도입자계수기(SMPS : Scanning Mobility Particle Sizer), 공기역학입자계수기(APS : Aerodynamic Particle Sizer), 응결핵계수기 (CPC : Condensation Particle Counter) 등이 사용되고 있음. - 기존 장비는 측정하고자 하는 장소마다 관측 장비를 설치하여 질량농도나 수 농도를 관측하므로 광역적·입체적 관측을 수행하기 위해서는 비용/공간적인 면에서 많은 어려움 발생 - 이를 극복하기 위해 기존 Point 관측에서 벗어나 광역적 미세먼지 분포를 측정하는 드론 기술이 활용되고 있지만 날씨와 드론에 탑재되는 센서 중량 등 많은 제약이 따름 - 최근 미세먼지의 입체적 관측을 위해 라이다 방식을 이용한 기술이 개발되어 오염 배출원 주변 입체적 관측이 가능하게 됨. - 국내에서는 환경부와 기상청 공동으로 한반도에서의 에어로졸(황사, 미세먼지 등) 발생과 이동을 실시간으로 관측하기 위해 KALION (Korea Aerosol LIDAR Observation Network) 네트워크를 운용하고 있지만, KALION에 사용된 에어로졸 라이다는 고출력/저반복률(lower repetition)의 레이저가 사용되어 시간 분해능이 낮고 고가이며, 스캐닝 기능이 없어 오염 배출원 주변 입체적 관측이 어려운 단점이 상존- 이에, 본 사업을 통해 라이다 방식을 이용한 오염 배출원 주변 미세먼지 입체적 관측 및 질량농도 관측용 저가형 원격 관측 장비를 개발하고자 함.○ 미세먼지 오염 배출원 주변 입체적 관측 및 질량농도 관측이 가능한 원격관측 기술 개발- 본 사업의 목표인 오염 배출원 주변 미세먼지 원격 관측 장비는 크게 4가지로 구성됨. · 송신부 : 대기 중으로 레이저 빔을 조사 · 수신부 : 대기 중에서 공기 분자, 에어로졸에 의해 후방 산란되는 신호 수집 · 데이터 처리부 : 수집된 신호 처리 · 통합·관리부 : 건설현장 비산먼지 규정에 따른 미세먼지 수치 도시
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| 연구내용 및 범위 |
○ 1차년도: 3차원 미세먼지 관측용 시작품 개발- 3차원 미세먼지 관측용 라이다 시작품 H/W 구조 분석 및 개념 설계- 3차원 미세먼지 관측용 시작품 H/W 설계 및 제작 - 3차원 미세먼지 관측용 라이다 시스템 시작품 S/W 신호처리 기술 설계 및 개발 - 선행연구를 통해 개발된 광자계수기, 광센서 성능 개선 - 시작품 자체 성능평가？ 3차원 미세먼지 관측용 시작품을 개발하는데 있어서 가장 핵심은 송·수신 광학계 설계 및 개발에 있음.？ 송·수신 광학계의 설계 및 개발은 전체 시스템의 안정도, 효율에 직접적이고 광범위하게 영향을 미치는 요소임. ㈜솔탑은 대기 관측용(구름, 에어로졸, 오염물질 등) 라이다 개발에 경험이 많은 핵심인력을 바탕으로 송·수신 광학계에 대하여 광학설계프로그램을 이용한 이론적 분석을 하고 최적의 광학부품을 선정하여 기존 상용시스템에 경쟁력이 있도록 함.？ 3차원 미세먼지 관측용 라이다를 개발함에 있어서 신호 획득용 광센서와 디지털 신호 변환용 광자계수기는 각각 1천만 원 이상의 고가로 가격적인 측면에서 중요한 부분을 차지함.？ 선행 연구를 통해 개발된 라이다용 광센서와 디지털 광자계수기의 장비활용을 극대화하기 위해 성능개선을 수행하여 미세먼지에 의해 산란되는 미세한 신호도 검출이 가능하도록 최적화를 통해 미세먼지 원격 관측용 라이다의 가격을 저가로 개발이 가능하도록 함.？ 기상청, 대학교 등에서 실시하는 연구세미나 및 보고회 활동과 논문발표 및 학회 활동을 통한 다양한 트랜드 및 기술 확보- (외부용역) 품질관리 전문기관을 통한 관측 관련 품질관리(QC) 프로세스 개발○ 2차년도: 현장 적용 가능한 3차원 미세먼지 관측용 시제품 개발- 3차원 미세먼지 관측용 라이다 시제품 H/W 설계 및 제작- 3차원 미세먼지 관측용 라이다 시제품 S/W 개발 - 시제품 구성요건 분석 - 시제품 자체 성능평가 ？ 1차년도 시작품의 성능을 바탕으로 조립 중에 발생하는 오차를 가능한 줄이고, 시작품의 문제점을 파악하여 악조건에서도 측정이 가능한 시제품을 개발. ？ 사용 환경 및 조건 변화에 따른 자체 성능평가를 실시하고 실험결과를 분석하여 현장적용이 가능한 수준으로 개선.？ 미세먼지의 광학적 특성은 klett’s method를 통해 산출하고, 미세먼지의 거리별 분포는 slope method 또는 Gradient method 등을 이용하여 실시간 자동 산출이 가능하도록 신호처리/분석 알고리즘을 개발하고 H/W를 구성하고 있는 레이저 및 데이터 수집 장치의 제어를 위해 시스템 제어 통합 운영프로그램 개발.- (외부용역) 정확도 및 신뢰성을 높이기 위한 데이터 처리 방식의 품질관리(QC) 프로세스 개발○ 3차년도: 3차원 미세먼지 관측용 시제품 현장 적용 실험을 통한 최적화 및 내구성 테스트- 3차원 미세먼지 관측용 라이다 시제품 최종 성능 검증- 3차원 미세먼지 관측용 라이다 시제품 최적화 - 3차원 미세먼지 관측용 라이다 사업화 준비？ 환경부, 기상청 등에서 운용중인 비교 관측 사이트에 개발된 시제품을 설치하여 장기 비교 관측을 통해 성능 시험 및 데이터 신뢰성 확보.？ 상용화의 주요 필수조건이 내구성 및 시스템 확장성을 위해 야외 테스트 실험을 충분히 수행(환경 테스트 및 LongRun Test)하여 시스템 수정 보완을 통해 내구성 확보. ？ 마케팅 및 매출 증대를 위해 최종산출물에 대하여 홈페이지 등록 및 e-카달로그/브로슈어 제작을 통하여 제품홍보 및 전시회 참가.- (외부용역) 관측 결과의 실제 정확도를 분석하기 위한 비교 분석 프로세스 개발
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