인체 하기도에 실제로 도달하는 초미세먼지만 휴대형으로 측정할 수 없을까?
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초미세먼지(PM2.5)는 호흡기 방어 기제를 우회해 폐 깊숙이 도달하며, 세계보건기구(WHO)가 1군 발암물질로 지정한 대기오염물질임
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고정식 대기질 측정망은 지역 평균 농도 파악에는 유효하나, 국소 위치의 정확한 농도와 개인이 실제로 노출·흡입하는 양은 반영 불가
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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
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고정식 측정망은 지역의 대표 농도만 제공
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시중 휴대형 센서는 대기 중 농도만 계측할 뿐 인체 호흡기의 여과 작용을 고려하지 않아, 하기도로 침투하는 실질적 흡입 노출량을 평가할 수단 부재
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저가형 광산란 센서는 온·습도 및 에어로졸 종류 의존성으로 인해 계통 오차가 큼
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높은 신뢰도를 위한 미세먼지 측정장치는 경제적 부담이 큼
핵심 아이디어
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인체 상기도 침착분율을 모사해 공기역학적 절단직경(1.65μm)을 갖는 사이클론을 전처리 분리부로 적용하여 하기도로 유입되는 초미세먼지만 선택적으로 통과·계측
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인근 고정식 측정소 관측값 기반의 보정식과 자동 갱신형 보정 알고리즘으로 저가 센서의 신뢰도 확보
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사이클론의 입경별 통과분율을 반영한 장치 맞춤형 대기질 등급 기준 재정의
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휴대성과 스마트폰 앱 연동으로 누구나 쉽게 사용할 수 있는 장치 제작
활용된 핵심 기술 또는 이론
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에어로졸 및 입자공학 | 전산유체역학(CFD) | 유체역학 | 습공기 이론 | ICRP 호흡기 모델
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CAD | 제어 알고리즘 | 마이크로프로세스응용 | 대기환경
기존 방식과의 차별성
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고정식 측정망의 시·공간 제약을 극복한 언제 어디서나 측정 가능한 휴대용 장치
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대기 중 농도가 아니라 하기도에 유입되는 초미세먼지만 선별 측정
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고정식 측정소 기반 보정으로 저가형 센서의 간이측정기 1등급 신뢰도 확보
문제 해결 과정
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인체 상기도 여과를 모사한 사이클론 설계·제작 및 검증
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CFD 해석과 검증 실험으로 장치 내 입자 손실 10% 이하 달성
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고정식 측정소와 비교하여 저가형 미세먼지 센서 보정식 및 자동 갱신 알고리즘으로 센서 보정
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측정값을 BLE로 수신하는 휴대폰 앱 제작하여 실시간 정보 제공
최종 사용자
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일반 대중 (개인 노출 모니터링)
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고위험 직업군 (분진 노출이 잦은 산업·건설 현장 작업자)
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호흡기 질환자 (천식·COPD 등)
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어린이·노약자 등 민감군 보호자
기대효과
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사이클론으로 하기도에 유입되는 초미세먼지만 선별 측정해 실제 흡입량 평가
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사용자가 초미세먼지 흡입량을 직관적으로 파악 가능
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휴대형 실시간 측정으로 고정식 측정망의 시·공간 제약을 극복, 사용자가 자신의 노출 수준을 즉시 판단
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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)
