[논문]휴대형 미세플라스틱 수거 장비 경량화 부품 설계 및 구조강도 평가

김명규; 서형석; 박희승; 김상호

doi:10.7234/composres.2022.35.6.447

휴대형 미세플라스틱 수거 장비 경량화 부품 설계 및 구조강도 평가
Study on Structural Strength and Application of Composite Material on Microplastic Collecting Device 원문보기

Composites research = 복합재료, v.35 no.6, 2022년, pp.447 - 455

김명규 (School of Naval Architecture & Ocean Engineering, University of Ulsan) , 서형석 (School of Naval Architecture & Ocean Engineering, University of Ulsan) , 박희승 (Green Ship Research Division, Research Institute of Medium & Small Shipbuilding) , 김상호 (Green Ship Research Division, Research Institute of Medium & Small Shipbuilding)

초록
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현재 해양 미세플라스틱에 의한 해양 환경 오염문제가 국제적으로 심각하게 대두되고 있다. 이와 관련하여 본 연구에서는 휴대용 미세플라스틱 수거 장비의 경량화 개발을 위해 대한민국 전국 21개소 해안가에서의 미세플라스틱종류와개수를조사하였고, 미세플라스틱수거장비진공장비의내구성, 내부식성, 경량화를위해 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic), GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer), aluminum과 같은 다양한 소재를 적용하여 설계 및 해석을 수행하였다. 해안가에서의 시료 채취 및 분류결과 함덕해수욕장에서 미세플라스틱이 가장 많이 분포되어 있는 것을 확인하였고, 주로 폴리스타이렌(Polystyrene)의 미세플라스틱이 분포되어 있는 것으로 나타났다. 해안가 현장 조사를 통한 입자정보 분석과 전산유체해석을 통해 모래 및 불순물 등의 입자 유동속도 및 분포를 분석하였고, 이를 진공 본체 내부의 중요 부품인 싸이클론 장치의 구조해석에 적용하였다. 싸이클론 장치의 모래 및 불순물 흡입 시 발생되는 입자 충격을 고려한 구조해석 결과 CFRP, GFRP, aluminum, ABS의 순으로 구조적 안전성이 우수한 것으로 평가되었다. 경량화 측면으로는 싸이클론 장치에 aluminum 소재를 적용했을 때와 비교하여 CFRP는 53%, GFRP는 47%, ABS는 61%의 경량화가 가능한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Currently, the problem of pollution of the marine environment by microplastics is emerging seriously internationally. In this study, to develop a lightweight portable microplastic collection device, the types and number of microplastics in 21 coastal areas nationwide in Korea were investigated. And CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic), GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic), ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer) and aluminum were applied for design and analysis of microplastic collection device to have the durability, corrosion resistance and lightweight. As a result of sample collection and classification from the shore, it was confirmed that microplastics were distributed the most in Hamdeok beach, and the polystyrene was found to be mainly distributed microplastics. Particle information through coastal field survey and CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis were used to analyze the flow rate and distribution of particles such as sand and impurities, which were applied to the structural analysis of the cyclone device using the finite element method. As a result of structural analysis considering the particle impact inside the cyclone device, the structural safety was examined as remarkable in the order of CFRP, GFRP, aluminum, and ABS. In the view of weight reduction, CFRP could be reduced in weight by 53%, GFRP by 47%, and ABS by 61% compared to aluminum for the cyclone device.

주제어

표/그림 (24)

그림 Fig. 1. Coastal microplastics distribution
그림 Fig. 2. Backshore microplastic distribution
그림 Fig. 3. Process of sampling
그림 Fig. 4. Concept model of microplastic collecting device
표 Table 1. Distribution of microplastic on beaches
그림 Fig. 5. Detailed concepts of main vacuum device
그림 Fig. 6. Boundary condition of cyclone
그림 Fig. 7. Graph of polystyrene discharge from cyclone outlet
그림 Fig. 8. Distribution of particles in cyclone
표 Table 2. Physical properties of particles
그림 Fig. 9. Analysis model of main vacuum device
그림 Fig. 10. Finite Element Model
표 Table 3. Material properties of ABS and aluminum [10,11]451
표 Table 4. Material properties of GFRP and CFRP [12]
그림 Fig. 11. Boundary condition
그림 Fig. 12. Load condition
표 Table 5. Particle information
그림 Fig. 13. Direction of fiber
그림 Fig. 14. Stress result of cyclone: CFRP. (a) X-direction; (b) Y-direction
그림 Fig. 15. Stress result of cyclone: GFRP. (a) X-direction; (b) Y-direction
그림 Fig. 16. Stress result of cyclone: Von-Mises. (a) ABS; (b) Aluminum
그림 Fig. 17. Deformation result of cyclone. (a) CFRP; (b) GFRP
그림 Fig. 18. Deformation result of cyclone. (a) ABS; (b) Aluminum
표 Table 6. Result of finite element analysis

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 휴대형 미세플라스틱 수거장비의 장비 활용 효율을 높이기 위해 경량화와 해수에 의한 부식을 방지하기 위해 주 진공 장치 내부에 탑재된 싸이클론 장치에 CFRP, GFRP, ABS 그리고 aluminum의 적용 가능성 검토 및 구조강도를 평가하였다. 구조해석 결과 각 소재 별 입자의 충돌로 인해 발생되는 응력은 안전계수 0.

가설 설정

현장 조사결과로 미세플라스틱과 함께 유입되는 모래입자의 일반적인 크기는 5 mm 이하의 크기를 가짐을 확인하였다. 이에 해변가에 분포하는 모래입자의 크기 중 가장 큰 크기의 입자를 충돌입자로 가정하였다. 흡입되어 장비 내벽에 충돌하는 입자의 경우 미세플라스틱 입자보다 현저히 밀도가 높은 규소로 가정하였으며 Table 5는 입자의 정보를 나타낸다.
이에 해변가에 분포하는 모래입자의 크기 중 가장 큰 크기의 입자를 충돌입자로 가정하였다. 흡입되어 장비 내벽에 충돌하는 입자의 경우 미세플라스틱 입자보다 현저히 밀도가 높은 규소로 가정하였으며 Table 5는 입자의 정보를 나타낸다.

제안 방법

이에 본 연구에서는 휴대형 미세플라스틱 수거장비의 주진공 장치(Main vacuum device) 내부에서 중요 부품인 싸이클론 장치(cyclone device)의 구조강도 평가를 위해 해안가 현장조사를 통해 미세플라스틱 및 모래 입자분포와 특성을 분석하였다. 구조해석에 필요한 하중 조건을 도출하기 위해 현장 조사에서 얻어진 입자정보를 이용한 전산유체 해석을 수행하여 싸이클론 장치 내부에서의 미세플라스틱 입자의 유동과 속도 분포를 파악하였다. 그리고, 싸이클론 장치의 경량화와 내부식성 방지를 위해 금속 소재인 aluminum과 비강도와 비강성이 우수한 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer), 유리섬유강화복합재료(Glass Fiber Reinforced Plastic)와 탄소섬유강화복합재료(Carbon Fiber Reinforced Plastic)를 적용하여 구조해석을 통한 구조적인 안전성을 검토하였다.
구조해석에 필요한 하중 조건을 도출하기 위해 현장 조사에서 얻어진 입자정보를 이용한 전산유체 해석을 수행하여 싸이클론 장치 내부에서의 미세플라스틱 입자의 유동과 속도 분포를 파악하였다. 그리고, 싸이클론 장치의 경량화와 내부식성 방지를 위해 금속 소재인 aluminum과 비강도와 비강성이 우수한 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer), 유리섬유강화복합재료(Glass Fiber Reinforced Plastic)와 탄소섬유강화복합재료(Carbon Fiber Reinforced Plastic)를 적용하여 구조해석을 통한 구조적인 안전성을 검토하였다.
이에 본 연구에서는 휴대형 미세플라스틱 수거장비의 주진공 장치(Main vacuum device) 내부에서 중요 부품인 싸이클론 장치(cyclone device)의 구조강도 평가를 위해 해안가 현장조사를 통해 미세플라스틱 및 모래 입자분포와 특성을 분석하였다. 구조해석에 필요한 하중 조건을 도출하기 위해 현장 조사에서 얻어진 입자정보를 이용한 전산유체 해석을 수행하여 싸이클론 장치 내부에서의 미세플라스틱 입자의 유동과 속도 분포를 파악하였다.

대상 데이터

Fig. 4에서 보이는 바와 같이 본 장비는 크게 다섯가지 주요 부품인 주 진공 장치(main vacuum device), 휴대 보조장치(ARM vest), 흡입 및 진공 발생 장치(middle suction device), 연장 및 이동 관(transfer stick), 하부 흡입 장치(bottom suction device)로 구성된다. 주 진공 장치는 싸이클론 장치(cyclone device)를 탑재하여 수거장비의 진공환경을 형성하고, 수거된 모래와 미세플라스틱을 분급하는 분급기가 위치한 부품이다.
CFRP의 경우 섬유의 길이방향에 대한 인장강도 1050 MPa, 폭방향에 대한 인장강도 35 MPa로 계산됐으며, GFRP의 경우 섬유의 길이방향에 대한 인장강도는 700 MPa, 폭방향에 대한 인장강도는 21 MPa로 계산되었다. 등방성 재료인 ABS와 aluminum에 대한 안전계수 0.7을 고려한 인장강도는 각 21 MPa과 338 MPa로 계산되었다. 전체적으로 구조해석 결과 흡입된 입자와의 충돌로 인하여 발생된 응력은 CFRP와 GFRP의 섬유길이방향과 폭방향에 대한 허용응력 그리고 ABS와 aluminum 또한 허용응력을 넘지 않아 구조적으로 안전한 것으로 나타났다.
해안가 미세플라스틱 입자의 정보를 얻기 위해 전국 해안 총 21개소의 해안가를 방문하여 현장조사를 수행하였다. 일반적으로 해안가 백사장의 경우 후안(Backshore), 표착선(Strandline), 해안 근접선(Water-edge)으로 구분된다.

데이터처리

Table 6는 응력 및 변형의 최대값을 정리한 표이다. CFRP와 GFRP의 경우 섬유의 길이방향과 폭방향에 대한 응력 결과를 확인하였고 ABS와 aluminum의 경우 Von-Mises 결과를 확인하였다. 응력이 가장 높게 나타난 위치는 전산유체해석을 수행했을 때 나타난 흡입구와 수평한 위치의 내벽에서 입자와 가장 빈번한 충돌이 발생함을 확인할 수 있었고, 구조해석 결과 또한 유사한 결과를 보이고 있음을 확인할 수 있다.
각 소재에 대한 구조해석 결과를 통한 강도 평가를 위해 각 소재에 대해 안전계수 0.7을 고려하여 비교하였다. CFRP의 경우 섬유의 길이방향에 대한 인장강도 1050 MPa, 폭방향에 대한 인장강도 35 MPa로 계산됐으며, GFRP의 경우 섬유의 길이방향에 대한 인장강도는 700 MPa, 폭방향에 대한 인장강도는 21 MPa로 계산되었다.
휴대형 미세플라스틱 수거장비 중 싸이클론 장치의 미세플라스틱이 혼입된 모래의 흡입 및 분급 성능을 파악하기 위하여 유한체적법을 이용하는 범용 프로그램인 Star-CCM+를 이용하여 유동해석을 수행하였다. 본 해석에서는 3차원 비정상상태, 비압축성 점성유동을 고려하였고, 개별요소법(Discrete element method, DEM)을 적용하여 모래입자와 미세플라스틱 입자의 거동을 확인하였다.

이론/모형

휴대형 미세플라스틱 수거장비 중 싸이클론 장치의 미세플라스틱이 혼입된 모래의 흡입 및 분급 성능을 파악하기 위하여 유한체적법을 이용하는 범용 프로그램인 Star-CCM+를 이용하여 유동해석을 수행하였다. 본 해석에서는 3차원 비정상상태, 비압축성 점성유동을 고려하였고, 개별요소법(Discrete element method, DEM)을 적용하여 모래입자와 미세플라스틱 입자의 거동을 확인하였다. 유동 해석으로부터 입자의 분포에 따른 구조물과 입자의 주요 접촉 범위와 충격 에너지를 계산하기 위한 속도를 계산하여 구조해석의 하중 조건에 적용하였다.

성능/효과

2 초간의 시간 이후 출구로 지속적으로 도출되는 것을 알 수 있었다. 2.5~4.초까지 주입 및 토출된 폴리스티렌 양은 각각 0.2 kg 및 0.176 kg으로서 주입대비 토출되는 비율은 약 88%로 확인되었다. Fig.
Aluminum의 경우 경량화 측면과 재활용성에서는 우수하나 염분이 포함된 모래를 흡입했을 때 소재의 부식으로 인해 장비의 내구성 저하가 발생할 가능성이 있다. CFRP와 GFRP의 경우 재료 가격이 비싸지만 생산공정 효율을 높이면 충분히 가격 경쟁이 있을 것으로 보이며 부식 관련 내구성 측면에서도 다른 소재에 비해 우수할 것으로 판단된다. 추후 연구로써 경량화가 가능하면서 내부식성을 갖춘 PEEK(High-Performance Polymer)또는 PI(Polyimide)와 같은 재료에 대한 적용가능 유무에 대한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 휴대형 미세플라스틱 수거장비의 장비 활용 효율을 높이기 위해 경량화와 해수에 의한 부식을 방지하기 위해 주 진공 장치 내부에 탑재된 싸이클론 장치에 CFRP, GFRP, ABS 그리고 aluminum의 적용 가능성 검토 및 구조강도를 평가하였다. 구조해석 결과 각 소재 별 입자의 충돌로 인해 발생되는 응력은 안전계수 0.7을 고려한 허용응력을 넘지 않음으로써 CFRP, GFRP, aluminum, ABS 순으로 구조적 안전성이 우수한 것으로 판단된다. 또한 싸이클론 장치에 aluminum 소재를 적용했을 때에 비하여 CFRP, GFRP 그리고 ABS는 53%, 47% 그리고 61% 경량화가 가능하므로 세 가지 소재 모두 적용하였을 때 장비의 경량화를 통한 운용 효율을 높여줄 수 있는 것으로 보인다.
7을 고려한 허용응력을 넘지 않음으로써 CFRP, GFRP, aluminum, ABS 순으로 구조적 안전성이 우수한 것으로 판단된다. 또한 싸이클론 장치에 aluminum 소재를 적용했을 때에 비하여 CFRP, GFRP 그리고 ABS는 53%, 47% 그리고 61% 경량화가 가능하므로 세 가지 소재 모두 적용하였을 때 장비의 경량화를 통한 운용 효율을 높여줄 수 있는 것으로 보인다. 실제로 수거 장비를 각 소재로 적용하여 제작했을 때 생산과 관련된 비용(재료비, 제작비, 가공비 등)과 내구성 및 경량화를 고려했을 때, GFRP, CFRP, ABS, aluminum 순으로 장비 적용에 적합할 것으로 생각된다.
7을 고려한 인장강도는 각 21 MPa과 338 MPa로 계산되었다. 전체적으로 구조해석 결과 흡입된 입자와의 충돌로 인하여 발생된 응력은 CFRP와 GFRP의 섬유길이방향과 폭방향에 대한 허용응력 그리고 ABS와 aluminum 또한 허용응력을 넘지 않아 구조적으로 안전한 것으로 나타났다. 그리고, Tsai-Wu 파손기준을 적용한 CFRP와 GFRP의 파손 유무 확인결과 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
현장 조사결과로 미세플라스틱과 함께 유입되는 모래입자의 일반적인 크기는 5 mm 이하의 크기를 가짐을 확인하였다. 이에 해변가에 분포하는 모래입자의 크기 중 가장 큰 크기의 입자를 충돌입자로 가정하였다.

후속연구

이에 평균적인 모래입자의 크기, 밀도 및 성분 분석이 수행되어야 한다. 또한, 장치 내부의 입자유동은 관찰이 어렵고, 시각적으로 입자 충격을 확인하는 것이 제한되므로 분석한 입자 정보를 바탕으로 전산유체해석을 통해 장치 내부의 입자의 거동과 충격량 산출에 필수로 요구되는 입자의 속도 확인이 필요하다.
추후 연구로써 경량화가 가능하면서 내부식성을 갖춘 PEEK(High-Performance Polymer)또는 PI(Polyimide)와 같은 재료에 대한 적용가능 유무에 대한 연구가 필요하다. 추가적으로 충돌에 대한 강도 평가 외에 마모 실험을 통해 장비 운용 효율을 극대화할 수 있는 최적의 소재를 채택할 수 있을 것이라 판단된다.
CFRP와 GFRP의 경우 재료 가격이 비싸지만 생산공정 효율을 높이면 충분히 가격 경쟁이 있을 것으로 보이며 부식 관련 내구성 측면에서도 다른 소재에 비해 우수할 것으로 판단된다. 추후 연구로써 경량화가 가능하면서 내부식성을 갖춘 PEEK(High-Performance Polymer)또는 PI(Polyimide)와 같은 재료에 대한 적용가능 유무에 대한 연구가 필요하다. 추가적으로 충돌에 대한 강도 평가 외에 마모 실험을 통해 장비 운용 효율을 극대화할 수 있는 최적의 소재를 채택할 수 있을 것이라 판단된다.

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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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