[논문]선형엑츄에이터를 이용한 실내 공기질 개선 시스템에 대한 연구

서도원; 윤근영

doi:10.13067/jkiecs.2021.16.1.183

선형엑츄에이터를 이용한 실내 공기질 개선 시스템에 대한 연구
A Study on Indoor Air-quality Improvement System Using Actuator 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.16 no.1, 2021년, pp.183 - 190

서도원 (호남대학교 전기공학과) , 윤근영 (호남대학교 전기공학)

초록
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본 논문은 실내 공기질 개선을 위한 스마트 공기청정 시스템 구현 및 구동에 관한 연구이다. 최근 다양한 환경적 요인으로 인해 실내 공기질 오염에 따른 문제가 심각해지고 있다. 본 연구에서는 이와 같은 실내 공기질 오염의 문제점을 개선하기 위해, IoT 센서를 활용한 스마트 공기청정 시스템을 구현하고자 한다. 특히 공기질 오염도를 실시간으로 측정하고, 오염도에 따라 서로 다른 공기 정화 경로를 가변시켜 줄 수 있는 시스템을 제안하였다. 이를 통해 효율적인 공기질 개선 및 필터의 수명 연장, 시스템 에너지 저감 등을 검토하였다. 또한 실내 공기질 개선 시스템에 대한 기능을 구현하기 위해 주요 부품을 선정하였고, 시제품을 제작하여 동작성을 확인하였다. 최종적으로 선형엑츄에이터를 활용한 실내 공기질 개선 시스템의 구현을 통해, 공기질 개선에 대한 효용성을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is a study on the implementation and operation of smart air cleaning system to improve indoor air quality. Recently, the problem of indoor air quality is getting serious due to various environmental factors. In this study, to improve the problems of indoor air quality, we implement an air cleaning system using IoT sensor. In particular, we proposed a system that can measure air pollution in real time and change different air flow paths according to pollution level. Through this, we examined efficient air quality improvement, extension of filter life, and system energy reduction. In addition, the main functions of the indoor air quality improvement system were constructed and prototypes were manufactured to confirm the operability. Finally, the utility of fine dust resolution through the implementation of the indoor air quality improvement system was examined.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. 실내 공기질 개선 시스템의 구성 개념도 Fig. 1 Concept of indoor air-quality improvement system
그림 그림 2. 실내 공기질 개선 동작 프로세스 Fig. 2 Operation process of air-quality improvement system
그림 그림 3. 실내 공기질 오염도에 따른 동작 프로세스 Fig. 3 Operation process according to indoor air-quality pollution level
그림 그림 4. AC Adapter의 파형변화 Fig. 4 Waveform change of AC adapter
그림 그림 5. 미세먼지 센서의 데이터 시트 Fig. 5 Data Sheet of fine-dust sensor
그림 그림 6. 미세먼지 센서의 펄스 파형 Fig. 6 Pulse waveform of fine-dust sensor
그림 그림 7. Arduino UNO의 형태 Fig. 7 The appearance of arduino UNO
그림 그림 8. 주요 부품 연결 구성 Fig. 8 Configuration diagram of main parts
그림 그림 9. 실내 공기질 개선 시스템의 시제품 Fig. 9 Prototype of smart air cleaning system
그림 그림 10. 스마트 공기청정 시스템의 시제품 구동 시험 Fig. 10 Operation of smart air cleaning system
그림 그림 11. 공기질 디스플레이부 Fig. 11 Air-quality display part
그림 그림 12. 공기질 변화에 대한 저장 정보 Fig. 12 Storage information about air-quality

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

미세먼지 측정 농도가 높은 경우(2단 운전)에는 흡입되는 공기가 필터 2개를 거치도록 동작이 되며, 화살표 방향으로 흡입된 공기는 2개의 필터를 거치고 외부로 방출되게 된다. 또한 실내 공기 질 개선 여부를 확인하기 위하여, 미세먼지의 투입과 토출 과정에서의 공기질 정보를 저장할 수 있도록 구성하여 향후 실내 공기질 환경 정보를 분석할 수 있도록 장치화하였다. 그림 11은 공기질 개선 전, 후를 확인할 수 있는 디스플레이부 및 내부에 저장되는 공기 질 정보에 대한 내용을 나타내며, 그림 12은 시스템을 통한 공기질 변화에 대한 저장정보를 나타낸다.
본 연구에서 실내 공기질 개선을 위해서 스마트 공기 청정 시스템 구현 및 구동에 관한 내용을 수행하였다. 특히 실내 공기질을 실시간으로 측정, 분석하고 오염도에 따라 공기질 개선 경로를 차별화함으로써 실내 공기에 포함된 오염물을 효율적으로 제거하는 기능을 제안하였다.
본 연구에서는 실외뿐만 아니라 실내에서도 발생되는 미세먼지로 인한, 환경오염 및 질병 유발을 방지하기 위하여 미세먼지에 대한 피해 및 걱정을 줄여줄 수 있는 실내 공기질 개선 시스템이 필요하다. 이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 본 연구에서는 센서에 측정된 미세먼지 농도 값에 따라서 자동으로 동작이 가능한 스마트 공기청정 시스템 구현 및 구동에 대한 연구를 수행하였다.
이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 본 연구에서는 센서에 측정된 미세먼지 농도 값에 따라서 자동으로 동작이 가능한 스마트 공기청정 시스템 구현 및 구동에 대한 연구를 수행하였다. 특히 본 연구는 미세먼지 센서를 통해 측정된 값에 따라서 선형엑츄에이터의 작동을 조절하여 1단 필터링과 2단 필터링 등의 동작으로 자동전환시킴으로써 효율적인 실내 공기질 개선이 될 수 있는 구조를 검토하였다.
또한 기존의 공기청정기와는 다르게 필터의 수명을 늘릴 수 있는 시스템 구현 및 구동 방식을 검토하였다. 즉 본 연구에서는 미세먼지 센서를 2단계로 구성을 하여 실내 공기질 오염도를 측정한 후에 1단계 시에는 먼지망과 미세먼지 필터를 1개로 구성하여 오염물을 제거하고, 실내 공기질 오염도 2단계 시에는 오염 농도 증가에 따라 1차와 2차 필터 쪽을 모두 자동 개폐하는 구조를 제안하고자 한다. 그림 1은 미세먼지 제거를 위한 스마트 공기청정 시스템의 주요 구성개념도를 나타낸다.
이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 본 연구에서는 센서에 측정된 미세먼지 농도 값에 따라서 자동으로 동작이 가능한 스마트 공기청정 시스템 구현 및 구동에 대한 연구를 수행하였다. 특히 본 연구는 미세먼지 센서를 통해 측정된 값에 따라서 선형엑츄에이터의 작동을 조절하여 1단 필터링과 2단 필터링 등의 동작으로 자동전환시킴으로써 효율적인 실내 공기질 개선이 될 수 있는 구조를 검토하였다. 또한 실내 공기질 개선 정보를 저장하고 분석할 수 있도록 함으로써 향후 활용 가능성을 높일 수 있었다.

제안 방법

개선 시스템의 효율적인 공기청정 기능을 구현하기 위해, 기본 구성은 Arduino 보드와 흡입, 토출팬 그리고 미세먼지센로로 구성을 하였다. 전원 인가시 실내공기 질 오염도는 상시 측정이 되며, 1개의 흡입 팬은 토글스위치와 동시에 작동하게 되도록 설계하였으며, 나머지 1개의 흡입팬은 실내 공기질의 오염도가 2단로 높아질 경우, 자동으로 작동이 될 수 있도록 하였다.
구조이다. 따라서 미세먼지 센서를 흡입구와 토출구 쪽에 설치를 하였으며, 미세먼지 센서에서 계측되는 실내 공기 질 오염도 정보를 저장하도록 하였다. 그림 5는 미세먼지 센서의 데이터 시트를 나타내며, 전원연결을 확인할 수 있다.
필터는 보통 프리필터, 헤파필터, 탈취필터 3가지 종류로 구분되며, 필터의 성능이 공기청정기의 성능을 좌우하게 된다. 또한 기존의 공기청정기와는 다르게 필터의 수명을 늘릴 수 있는 시스템 구현 및 구동 방식을 검토하였다. 즉 본 연구에서는 미세먼지 센서를 2단계로 구성을 하여 실내 공기질 오염도를 측정한 후에 1단계 시에는 먼지망과 미세먼지 필터를 1개로 구성하여 오염물을 제거하고, 실내 공기질 오염도 2단계 시에는 오염 농도 증가에 따라 1차와 2차 필터 쪽을 모두 자동 개폐하는 구조를 제안하고자 한다.
실내 공기질 청정기능을 구현하기 위하여 오염도를 포함하고 있는 실내공기를 흡입하기 위한 흡입팬과 오염물질을 제거한 공기를 실내로 공급하는 송부팬과 전환 시켜줄 필터로 구성하였다. 또한 주요 핵심 부품은 시스템의 구현성을 위해서 적합한 사양을 검토한 후 선정하였다. 그림 2는 스마트 공기 청정 시스템에 대한 동작 프로세스를 나타낸다.
시스템에 전원을 공급하는 방식은 Switching mode power supply (SMPS)를 구비해 내부 전원을 공급하거나, AC 어댑터를 이용한 충전기능을 추가하여 무선으로도 사용이 가능하도록 하였으며, 공기청정기 스스로 가동 및 정지 제어를 위하여 미세먼지 센서와 아두이노를 이용하여 자동 제어가 가능하도록 소스 코드를 구현하였다. 실내 공기질 청정기능을 구현하기 위하여 오염도를 포함하고 있는 실내공기를 흡입하기 위한 흡입팬과 오염물질을 제거한 공기를 실내로 공급하는 송부팬과 전환 시켜줄 필터로 구성하였다.
구현하였다. 실내 공기질 청정기능을 구현하기 위하여 오염도를 포함하고 있는 실내공기를 흡입하기 위한 흡입팬과 오염물질을 제거한 공기를 실내로 공급하는 송부팬과 전환 시켜줄 필터로 구성하였다. 또한 주요 핵심 부품은 시스템의 구현성을 위해서 적합한 사양을 검토한 후 선정하였다.
04ms 만큼 흐르면 적외선 LED를 꺼야 한다. 이 후에 미세먼지 센서를 동작시키기 위해서는 220uF 전해 커패시터와 150옴의 저항을 함께 연결하여 구성하였다.
만약 공기 질의 오염도가 낮으면 1개의 팬만을 구동하므로 상대적으로 필터 및 시스템 사용에너지를 저감할 수 있다. 이와 같은 동작을 구현하기 위해서는 전원 및 미세먼지 센서와 Arduino 연결 구성으로 크게 나뉠 수 있으며 목표 동작 구현을 위해 각각의 동작 특성에 대해서 검토하였다.
미세먼지센로로 구성을 하였다. 전원 인가시 실내공기 질 오염도는 상시 측정이 되며, 1개의 흡입 팬은 토글스위치와 동시에 작동하게 되도록 설계하였으며, 나머지 1개의 흡입팬은 실내 공기질의 오염도가 2단로 높아질 경우, 자동으로 작동이 될 수 있도록 하였다. 그림 8은 주요 부품연결 구성을 나타낸다.
제안 시스템의 주요 구동원으로는 선형엑츄에이터를 활용하여 기능을 검토하였는데, 선형엑츄에이터는모터와 기구적 연결구조물을 일체화한 구조로 회전운동을 직선 운동으로 변환하여 부하를 이동시키는 구조이며 [6-7], 정밀한 직선 운동이 가능하고 정밀속도, 고토크 및 위치 제어가 가능하다 [8-12].
특히 실내 공기질을 실시간으로 측정, 분석하고 오염도에 따라 공기질 개선 경로를 차별화함으로써 실내 공기에 포함된 오염물을 효율적으로 제거하는 기능을 제안하였다. 1장에서는 실내 공기질 오염에 따른 다양한 문제를 개선하고자 IoT 센서를 활용한 개선 시스템을 제안하였고, 2장에서는 제안된 방식의 프로세스 및 주요 부품 선정에 대해 기술하였다.

대상 데이터

실내 공기질 오염도에 따른 시스템의 구동을 구성하기 위하여 일반적인 Arduino UNO 보드를 활용하였으며, 그림 7은 Arduino UNO를 나타낸다.

성능/효과

이때 오염된 실내 공기는 2개의 필터를 경유하게 되므로 신속하게 오염물질을 제거할 수 있다. 공기오염도에 따라 2단 시스템으로 구성을 함으로써, 효율적인 시스템 동작을 할 수 있으며, 특히 고가의 필터 교체 주기를 연장할 수 있어 사용자의 편의성을 증대할 수 있다. 그림 3은 실내 공기 질 오염도에 따른 동작프로세스를 나타낸다.
시제품의 제작 및 운전 시험 결과, 동작 알고리즘에 맞게 구동됨을 확인하였고, 미세먼지 센서가 측정한 농도 값에 따라서 필터링 동작이 구분됨을 확인하였다. 향후 저장된 환경 정보에 대한 분석을 통해 보다 실용적이고 효율적인 시제품의 구조를 개선해야 할 것으로 사료된다.
또한 실내 공기질 개선 정보를 저장하고 분석할 수 있도록 함으로써 향후 활용 가능성을 높일 수 있었다. 특히 시제품을 제작하고 동작성을 확인함으로써 미세먼지 필터링에 대한 효용성을 확인하였고, 이로 인하여 필터 교체 주기를 저감하고 필터의 수명을 연장할 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다. 향후 본 연구를 통해 확인된 취약점을 보강하고, 보다 실용적인 시스템이 되도록 추가연구를 진행해야 할 것으로 사료된다.

후속연구

특히 본 연구는 미세먼지 센서를 통해 측정된 값에 따라서 선형엑츄에이터의 작동을 조절하여 1단 필터링과 2단 필터링 등의 동작으로 자동전환시킴으로써 효율적인 실내 공기질 개선이 될 수 있는 구조를 검토하였다. 또한 실내 공기질 개선 정보를 저장하고 분석할 수 있도록 함으로써 향후 활용 가능성을 높일 수 있었다. 특히 시제품을 제작하고 동작성을 확인함으로써 미세먼지 필터링에 대한 효용성을 확인하였고, 이로 인하여 필터 교체 주기를 저감하고 필터의 수명을 연장할 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다.
특히 시제품을 제작하고 동작성을 확인함으로써 미세먼지 필터링에 대한 효용성을 확인하였고, 이로 인하여 필터 교체 주기를 저감하고 필터의 수명을 연장할 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다. 향후 본 연구를 통해 확인된 취약점을 보강하고, 보다 실용적인 시스템이 되도록 추가연구를 진행해야 할 것으로 사료된다.
향후 저장된 환경 정보에 대한 분석을 통해 보다 실용적이고 효율적인 시제품의 구조를 개선해야 할 것으로 사료된다.

참고문헌 (13)

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G. Kim, J, Jnag, M. Park, "Complete conquest of Arduino," bogdoo publishing company, 2014

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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