| 초록 |
□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 IoT 센서 연계형 에어로졸 및 부유 미생물 위험성 예측 시스템 ARMS(Airborne Risk Management System)의 제품화 하는 것이 최종 목표이며 이에 따른 기타 세부 목표는 아래와 같음 - 에어로졸 실시간 측정 모듈 개발 - 부유미생물 실시간 측정 모듈 개발 - ARMS의 관리를 위한 보드 개발 및 IoT 관리 플랫폼 구축 - 에어로졸 성능 평가 시스템을 통한 성능 평가 - 부유 미생물 성능 평가 시스템을 통한 성능 평가 ◼ 전체 내용 ○ IoT 센서 연계형 에어로졸 및 부유 미생물 위험성 예측 시스템 ARMS(Airborne Risk Management System)의 개발 ○ IoT 센서 연계형 에어로졸 및 부유 미생물 위험성 예측 시스템 ARMS(Airborne Risk Management System)의 신뢰성 확보를 위한 성능평가 및 공인인증 컨설팅 ○ 에어로졸 실시간 측정 모듈 개발 (기구부 개발) - 에어로졸의 농도 및 크기 분포를 실시간으로 측정하기 위해서는 에어로졸 중화기, 차동 이동도 분석기, 응축 입자 계수기, 광학 입자 계수기가 필요함 - ㈜피아이앤이에서 기확보 중인 기술을 토대로 일체화된 형태로 최적화하여 구성 (신호 처리 회로 개발) - Photodiode의 신호는 두 개의 증폭기로 분배되며 증폭된 신호는 세 채널의 비교기를 거쳐 특정 레벨 이상의 펄스를 카운트함 - Interleaved 모드를 사용하여 확장된 카운트 값을 획득할 수 있음 - 한계 이상의 측정 상황에서는 DC 전압 정보를 이용하여 추정 값을 환산 (모듈화 개발 및 검교정) - 회로 구성을 통해 에어로졸을 측정 할 수 있는 모듈 제작을 진행하며, ISO 21501-01/04를 기준으로 에어로졸 실시간 측정 모듈의 교정을 진행 ○ 부유 미생물 실시간 측정 모듈 개발 (자가발광 광학모듈 개발) - 특정 파장을 미생물에 주입하여 미생물에서 자가발광 하는 빛을 흡수 후 전기신호로 측정하는 원리로 자사 자체 감지 가능성을 확인함. 광학 모듈 개발을 위해 Photodiode와 Laser diode의 최적화 구조 분석 및 광학 모듈의 신호를 증폭과 노이즈제거를 위해 광학 필터, 렌즈 최적화 진행 (노이즈 신호 처리 및 증폭 회로 개발) - 미세먼지와 미생물로부터 유도되는 10-12A 수준의 미세 전류를 측정하기 위해 OP Amp의 임피던스 영향 최소화하고, 고 저항을 이용하여 미세 전류를 전압으로 변환/증폭할 수 있는 신호처리회로 최적화 구성. 미세신호의 감쇄를 막기 위해 수광소자의 정전용량을 줄일 수 있는 Bias 전압과 광원을 구동하고 균일한 전원 공급하기 위해 입력 전압 안정화 기술 개발 (모듈화 개발 및 교정) - 광학 모듈과 회로 구성을 통해 부유 미생물을 측정 할 수 있는 모듈 제작을 진행하며, 사업 지원 전 구상한 모듈을 제작하여 실제 부유 미생물에 대한 교정을 진행 ○ ARMS의 관리를 위한 보드 개발 및 IoT 관리 플랫폼 구축 (관리 보드 개발) - ARMS의 센서로부터 취합된 데이터를 처리하기 위한 보드를 개발하고, 유/무선 통합 시스템을 이용하여 취합된 데이터를 서버로 전송하기 위한 통신 모듈 펌웨어를 개발 (IoT 관리 플랫폼 구축) - 원격지에 있는 다수의 ARMS를 실시간 제어 및 모니터링 하고 장애를 감지하며 데이터를 수집하기 위한관리용 플랫폼을 구축 ○ 에어로졸 평가 시스템을 통한 성능평가 - 미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법 중 국립환경과학원 ‘미세먼지 간이측정기 성능인증 등에 관한 고시’시험 방법을 준용하여 시험평가 진행 - 한국건설생활환경시험연구원은 환경부 미세먼지 간이측정기 성능인증 기관으로 성능인증방법과 동일한 방법을 통해 제품 신뢰성 평가를 진행하며, 환경부 성능인증제 1등급항목인 정확도, 반복재현성, 결정계수, 상대정밀도, 자료 획득율 평가 진행 ○ 부유 미생물 평가 시스템을 통한 성능 평가 - ISO 15714 'Method of evaluating the UV dose to airborne microorganisms transiting in-duct ultraviolet germicidal irradiation devices‘ 준용하여 부유 바이러스 센서 Calibration을 진행하며, 센서 농도는 실내공기질공정시험기준 ES 02701.1C '총 부유세균 측정방법을 통해 CFU/m<sup>3</sup>으로 표현함 □ 연구개발성과 ○ ARMS(Airborne Risk Management System) 중 부유 미생물 실시간 측정 모듈 개발 - 부유 미생물 측정 모듈 개발 완료 - 최소 측정 농도 약 1004 CFU/m<sup>3</sup>로 초기 목표 2000 이하 달성 - 정확도 약 69.6% 수준으로 초기 목표 60% 이상 달성 - 센서 측정시간 60분으로 초기 목표 1시간 달성 ○ ARMS(Airborne Risk Management System) 중 에어로졸 실시간 측정 모듈 개발 - 에어로졸 실시간 측정 모듈 개발 완료 - 최소 측정 입자 사이즈 4 nm 초기 목표 10 nm 이하 달성 - 정확도 84.3%로 초기 목표 80% 이상 달성 - 반복재현성 97.9%로 초기 목표 80% 이상 달성 - 상대정밀도 94.8%로 초기 목표 80% 이상 달성 - 결정계수 0.92로 초기 목표 0.8 이상 달성 - 자료 획득율 100%로 초기 목표 100% 이상 달성 ○ ARMS(Airborne Risk Management System) 개발 - 부유 미생물 실시간 측정 모듈 및 에어로졸 실시간 측정 모듈을 기반으로 ARMS 제품 개발 완료 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 ○ 부유 미생물의 실시간 농도 측정 가능 - 현재 부유 미생물을 측정하기 위해서는 실내 공기 질 측정 시험 기준 ES 0201.1C ‘총 부유세균 측정 방법’에 따라 임팩터를 이용하여 부유 미생물을 포집하고, 포집된 부유 미생물을 약 24시간의 배양 과정을 통해서 농도 확인이 가능함 - 본 사업에서 개발된 부유 미생물 실시간 측정 모듈은 이러한 배양 과정이 필요하지 않아 실시간으로 부유 미생물의 농도 측정이 가능함 ○ 기존 부유 미생물 측정 센서와의 차이점 - 광학을 이용하여 부유 미생물의 농도를 측정하기 위한 방법에는 단일 광원을 사용하는 방법과 복수광원을 사용하는 방법이 있음. 단일 광원을 사용하는 경우 다른 미립자와의 부유 미생물을 분류하는데 어려움이 있으며, 복수 광원을 사용하는 경우 구조가 복잡하고 크기가 커 휴대가 어려우며 가격이 고가임 - 본 사업에서 개발된 부유 미생물 실시간 측정 모듈은 보급형 소자와 부품을 활용하여 생산 단가를 절감하였으며 공동연구개발기관과의 협업으로 부유 미생물의 농도 표현 방식인 CFU/m<sup>3</sup>으로 표현이 가능한 교정 시험 방식을 만들었음 ○ 에어로졸의 실시간 농도 측정 가능 - 현재 에어로졸을 측정할 수 있는 센서들은 대부분이 PM2.5 수준의 입자를 측정하는 미세먼지 센서가 주를 이루는 실정이며, 이 부분 또한 대다수가 외산의 센서를 이용한 제품이 대부분임 - 본 사업에서 개발한 에어로졸 실시간 측정 모듈은 ㈜피아이앤이의 독자적인 기술로 개발한 제품으로 순수 국내 기술을 이용하여 공기 중에 존재하는 에어로졸을 실시간으로 측정이 가능함 ○ 나노 입자 측정 가능 - 본 사업에서 개발한 에어로졸 실시간 측정 모듈의 경우 4 nm 수준의 나노 입자까지 측정이 가능하여 일반적인 대기 환경뿐만 아니라 반도체 생산라인과 같은 나노 입자에 의한 오염이 민감한 분야에서도 활용이 가능함 ○ 포토 이오나이저를 이용한 입자의 중화 - 나노 입자의 입경 별 수 농도 분포를 측정하는데 있어서 가장 기본이 되는 입자 중화의 경우 일반적으로 방사선 동위원소(Po-210, Kr-84, Am-241)를 사용함 - 하지만 본 사업에서 개발한 에어로졸 실시간 측정 모듈은 5 kV 미만의 에너지를 사용하는 포토 이오나이저를 이용하기 때문에 사용자의 자격 요건이 요구되지 않으며, 수출입에서도 규제에 자유로움 ○ 반도체 시장으로의 시장 확대 가능 - 일반적으로 입자의 응축 성장을 위한 작동 유체로 부탄올을 사용하는 것이 일반적이나 본 사업에서 개발한 에어로졸 실시간 측정 |
