사이클론을 이용한 인체 초미세먼지 흡입량 측정 장치

사이클론을 이용한 인체 초미세먼지 흡입량 측정 장치

인체 하기도에 실제로 도달하는 초미세먼지만 휴대형으로 측정할 수 없을까?

초미세먼지(PM2.5)는 호흡기 방어 기제를 우회해 폐 깊숙이 도달하며, 세계보건기구(WHO)가 1군 발암물질로 지정한 대기오염물질임

고정식 대기질 측정망은 지역 평균 농도 파악에는 유효하나, 국소 위치의 정확한 농도와 개인이 실제로 노출·흡입하는 양은 반영 불가

인체 상기도는 관성 충돌 메커니즘으로 입자를 걸러내는 능동적 필터이지만, 시중 휴대용 센서는 이 여과 메커니즘을 고려하지 않아 상기도에서 걸러지지 못하고 하기도로 유입되는 초미세먼지 양을 정량 측정 불가

기존 방식의 문제점

고정식 측정망은 지역의 대표 농도만 제공

시중 휴대형 센서는 대기 중 농도만 계측할 뿐 인체 호흡기의 여과 작용을 고려하지 않아, 하기도로 침투하는 실질적 흡입 노출량을 평가할 수단 부재

저가형 광산란 센서는 온·습도 및 에어로졸 종류 의존성으로 인해 계통 오차가 큼

높은 신뢰도를 위한 미세먼지 측정장치는 경제적 부담이 큼

핵심 아이디어

인체 상기도 침착분율을 모사해 공기역학적 절단직경(1.65μm)을 갖는 사이클론을 전처리 분리부로 적용하여 하기도로 유입되는 초미세먼지만 선택적으로 통과·계측

인근 고정식 측정소 관측값 기반의 보정식과 자동 갱신형 보정 알고리즘으로 저가 센서의 신뢰도 확보

사이클론의 입경별 통과분율을 반영한 장치 맞춤형 대기질 등급 기준 재정의

휴대성과 스마트폰 앱 연동으로 누구나 쉽게 사용할 수 있는 장치 제작

활용된 핵심 기술 또는 이론

에어로졸 및 입자공학 | 전산유체역학(CFD) | 유체역학 | 습공기 이론 | ICRP 호흡기 모델

CAD | 제어 알고리즘 | 마이크로프로세스응용 | 대기환경

기존 방식과의 차별성

고정식 측정망의 시·공간 제약을 극복한 언제 어디서나 측정 가능한 휴대용 장치

대기 중 농도가 아니라 하기도에 유입되는 초미세먼지만 선별 측정

고정식 측정소 기반 보정으로 저가형 센서의 간이측정기 1등급 신뢰도 확보

문제 해결 과정

인체 상기도 여과를 모사한 사이클론 설계·제작 및 검증

CFD 해석과 검증 실험으로 장치 내 입자 손실 10% 이하 달성

고정식 측정소와 비교하여 저가형 미세먼지 센서 보정식 및 자동 갱신 알고리즘으로 센서 보정

측정값을 BLE로 수신하는 휴대폰 앱 제작하여 실시간 정보 제공

최종 사용자

일반 대중 (개인 노출 모니터링)

고위험 직업군 (분진 노출이 잦은 산업·건설 현장 작업자)

호흡기 질환자 (천식·COPD 등)

어린이·노약자 등 민감군 보호자

기대효과

사이클론으로 하기도에 유입되는 초미세먼지만 선별 측정해 실제 흡입량 평가

사용자가 초미세먼지 흡입량을 직관적으로 파악 가능

휴대형 실시간 측정으로 고정식 측정망의 시·공간 제약을 극복, 사용자가 자신의 노출 수준을 즉시 판단

간이측정기 1등급 수준의 신뢰도를 저비용으로 달성해 경제적 부담 완화

참여 정보

팀명

2.5 PM

수강 교과목

심화종합설계

지도 교수

오진우

참여 개발자

문현웅(기계공학부),박건희(기계공학부), 윤희찬(기계공학부), 김연우(기계공학부)

34134

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충남대학교 산학연교육연구관 2층 C룸, 캡스톤디자인 운영지원실

문의

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042-605-3609,3610

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© 2025 Chungnam National University RISE Program | All rights reserved.

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