에코디자인프로세스를통한날개없는선풍기의환경영향평가및개선전략제안 Environmental Impact Assessment and Design Suggestions for a Bladeless Fan by Eco Design Process 최영근 1, 류성남 1, 정기욱 1, 곽우람 1, Jason Ree 1, 유희천 1 남택준 2, 정상태 2, 이영아 2, 이화조 2 1 포항공과대학교산업경영공학과 / 2 영남대학교기계공학과 Abstract 본연구는날개없는선풍기의환경영향을정량적으로평가하고친환경적개선안을제안하고자한다. 친환경적제품개발을위해서는제품개발초기단계부터환경적요소를고려하는것이중요하다. 제품의소재, 구동방식, 그리고형태의선정등과같이제품설계에필수적인절차에서환경영향이결정되기때문이다. 본연구에서는소형날개없는선풍기의환경영향을정량적으로평가하고개선하기위해환경산업기술원에서제공하는에코디자인프로세스에따라전과정평가를수행하였다. 그결과, 날개없는선풍기의이산화탄소배출량은선풍기의사용중에가장크게나타났으며, 소재에의한영향은비교적작은것으로나타났다. 선풍기사용중의이산화탄소배출량을줄이기위해제품의구조와에너지효율을개선하는것이필요한것으로사료되며, 이는바람의흐름을고려한제품내부구조변경과에너지공급원변경등으로개선가능할것으로사료된다. Keyword: LCA, 전과정평가, 환경영향평가 1. 서론 친환경적제품개발을위해제품의환경영향평가가중요하게고려되고있다. 제품의환경영향은제품이개발및사용되고, 폐기되는과정에서환경에미칠수있는영향을말하는데, 이는전과정평가를통해정량적으로평가될수있다. 예를들어, 이신원과김성근 (2010) 은전과정평가를통해하수처리수재이용시설의환경영향을평가하여운영단계의환경영향비중이가장높음을파악하고이를개선하기위한친환경자재개발의필요성을언급하였다. 또한, 정헌창외 (2006) 는특정기업이생산하는샴푸제품에대해전과정평가를수행하여환경영향을분석한결과, 원료 / 포장재생산단계의환경영향이가장높은것으로나타났다. 사용편의성을고려한제품들이다수개발되고있으나, 친환경적측면에대한고려는부족하다. 예를들어, 겨울철의온열기와온풍기, 그리고여름철의에어컨과선풍기의경우제품의성능과사용성개선에대한연구에비해친환경적소재또는에너지효율개선에대한연구는부족한것을알수있다. 본연구는최근활발히보급되고있는날개없는선풍기의환경영향을전과정평가를통해정량적으로평가한후개선전략을제안하였다. 또한, 개선전략제안시에는제품의사용성을함께고려하여인간공학적친환경제품의설계전략을제안하고자하였다. 2. 연구방법 본연구는날개없는선풍기의환경영향을평가하고개선설계전략을제안하기위해환경산업기술원에서제작하여배포한에코디자인프로세스를활용하였다. 에코디자인프로세스
S1. 제품선정및모델링 S2. 제품환경성분석 S3. 이해관계자요구사항분석 S4. 개선대상부품선정 S5. 전략및과업도출 S6. 개념설계그림 1. 에코디자인프로세스 ( 환경산업기술원, 2009) 기의풍속, 사용전력, 소음, 그리고사용성등을평가하였다. 그결과, 날개없는선풍기 ( 무날개선풍기, 휴플라자 ) 가안전성을제외한에너지효율과소음측면에서친환경적개선의여지가높은것으로나타나최종개선대상으로선정되었다 ( 그림 2 참조 ). 2.1.2 제품모델링제품모델링단계에서는그림 3과같이날개없는선풍기를부품단위로분해하여각부품의이름, 중량, 분해시간, 재질등을작성하여 GWP, 재활용률, 그리고재활용중량과같은환경특성을도출하였다. 는첫째, 환경영향을평가할제품을선정한후부품단위로모델링한다. 둘째, 제품의전과정에걸친환경성을분석한다. 셋째, 제품에대한이해관계자들의요구사항을분석한다. 넷째, 개선대상이될부품들을도출한다. 다섯째, 개선전략및과업을도출한다. 마지막으로, 제품의설계대안을선정한후평가및검토한다. 2.2 제품환경성분석제품환경성분석은제품의전과정평가를통해환경에부정적인영향을미치는파라미터를규명하는단계이다. 본연구에서는원재료취득, 제조, 운송, 사용, 그리고폐기단계의탄소배출량을평가하여날개없는선풍기의환경성을분석하였다. 2.1 제품선정및모델링제품선정및모델링은환경영향을평가하여개선할제품을선정하고부품단위로분해하여원재료의목록과환경성파라미터의정보를수집하는단계이다. 2.1.1 제품선정본연구는개선대상제품분야로선풍기를선정한후, 먼저일반선풍기와날개없는선풍 2.3 이해관계자요구사항분석이해관계자요구사항분석은제품을생산하는기업과유통하는기업, 그리고최종적으로제품을사용하는사용자들의친환경적요구사항을분석하는단계이다. 이단계에서는 Environmental quality function deployment(eqfd) 와 Environmental Benchmarking(EBM) 을통해개선대상환경성파라미터를선정할수있다. (a) 일반선풍기 (b) 날개없는선풍기 그림 2. 일반선풍기와날개없는선풍기 그림 3. 개선대상제품의부품단위분해예
2.4 개선대상부품선정개선대상부품선정은이해관계자의요구사항과제품품질특성, 그리고부품간의관계를규명하는단계이다. 이단계에서는 Quality function deployment for environmental (QFDE) 를 2단계로활용하여, 1단계에서는제품품질의특성에대한이해관계자요구사항의가중치를도출하고, 2단계에서는 1단계의가중치를반영하여최종적으로개선이필요한부품들을도출한다. 2.5 전략및과업도출전략및과업도출은앞서도출된개선대상부품들에대한친환경개선전략을수립하는단계이다. 예를들어, 사용단계에너지소비저감을위해서 PCB의소비전력을저감시키거나친환경대체에너지를사용하는과업을도출할수있다. 또한, 이러한과업에대해다양한해결방안을제안하여최종개념설계시선정할수있도록한다. 본연구에서는사용성측면의해결방안도함께고려되었다. kg CO 2 -eq. 80.00 57.19 60.00 40.00 20.00 6.45 6.59 0.10 0.00-20.00 원재료취득제조운송사용폐기 -2.49 그림 4. 단계별탄소배출량 3.2 이해관계자요구사항 EQFD를통해이해관계자들이중요하게고려하는개선대상파라미터를분석한결과, 사용된원료물질, 유해물질, 사용중에너지소비, 그리고제품수명이선정되었다 ( 그림 5 참조 ). 또한, EBM을통해일반선풍기와비교분석한결과, 사용된원료물질과수리성측면에서상대적으로열등한것으로나타나이에대한고려가필요한것으로파악되었다 ( 그림 6 참조 ). 30.0 2.6 개념설계개념설계는제안된친환경개선방안으로부터제품의환경적사양을도출하는단계이다. 설계대안선정에있어서는 2~3개의대안을먼저선정하여선정된대안들간의비교평가를통해최종설계대안을선정하며, 최종설계대안을통한개선후의환경성을개선전과비교하는것으로최종설계대안을검토할수있다. 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 사용된원료물질 유해물질 제조중에너지소비 제조중배출물 제품중량 제품부피 포장재 운송중에너지소비 사용중에너지소비 사용중배출물 유지 / 관리소모품 제품수명 수리성 재활용률 분해시간 부품수 부품체결방식 재사용성 3. 결과 그림 5. EQFD 를통한도출된개선대상파라미터 3.1 환경성날개없는선풍기의주요환경특성을분석한결과, 총중량 1.98kg 중재활용가능한중량이 1.44kg으로재활용률은 75% 로나타났으며, GWP[kg CO 2 -eq] 은 5.54로나타났다. 또한, 전과정평가를통한단계별탄소배출량분석결과, 그림 4와같이사용단계의탄소배출량이 57.19 kg CO 2 -eq으로가장높은것으로나타났다. 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 제조 운송 사용 사용 제조 사용 유지 / 중 중 중 부품 된 유해 중 제품 제품 포장 중 관리 제품 수리 재활 분해 부품 재사 에너 에너 에너 체결 원료 물질 배출 중량 부피 재 배출 소모 수명 성 용률 시간 수 용성 지소 지소 지소 방식 물질 물 물 품 비 비 비 Conventional( 타사 ) 3.0 3.0 3.0 5.0 2.0 2.0 1.0 2.0 2.0 5.0 5.0 3.0 4.0 4.0 4.0 1.0 3.0 1.0 Bladelessl( 자사 ) 2.0 3.0 3.0 5.0 3.0 3.0 3.0 2.0 4.0 5.0 5.0 3.0 2.0 4.0 3.0 3.0 3.0 1.0 그림 6. 일반선풍기와의 EBM 분석
제품구성부품 QFDE II 가중치팬모터원형본체본체하모본체하커버튼조작터커버버부 팬 ( 상 ) 팬 ( 하 ) 풍속 13.4 9 9 3 9 3 사용단계 - 에너지소비 13.1 9 3 3 소음 13.7 3 1 9 9 9 조작용이성 10.7 3 9 유해물질 13.4 3 3 1 3 3 원재료특성 25.1 3 3 1 3 3 제품수명 8.6 3 3 3 수리성 2.1 1 3 총계 - 345.4 275.3 148.8 163.9 205.5 359.8 279.4 가중치 (%) - 19.4 15.5 8.4 9.2 11.6 20.2 15.7 그림 7. QFDE 를통해도출된개선대상부품 3.3 개선대상부품 2단계 QFDE를수행한결과, 날개없는선풍기의 fan 모터 (19.4%), 원형본체 (15.5%), fan( 상, 20.2%), 그리고 fan( 하, 15.7%) 가개선대상부품으로도출되었다 ( 그림 7 참조 ). 3.4 개선전략본연구의개선전략도출은친환경적개선전략과사용성측면의개선전략을함께고려하였다. 이에따라친환경재료사용, 에너지효율개선, 소음절감, 그리고조작용이성개선등이개선전략으로선정되었다. 또한, 각개선전략에대해다수의해결방안들이제안되어 2 가지설계대안을도출하였다 ( 그림 8 참조 ). 3.5 설계대안 3.5.1 Nature born 본연구에서도출된첫번째설계대안은자연산재료로제작된자연을닮은바람을 motive로하는선풍기이다. 먼저, 유해성을최소화하기위해친환경재료를사용함과동시에기존제품의원통형형태를유지하기위해두꺼운대나무재질을제안하였다. 또한, 에너지 그림 9. 개선전략을통해도출된설계대안 : Nature born 효율개선과소음절감을위해기존의대형 fan 대신 3개의소형 fan 사용을제안하였다 ( 그림 9 참조 ) 3.5.2 Celestial technology 두번째설계대안은자연에너지를효율적으로활용하여자연바람과유사한쾌적한바람을제공하는선풍기이다. 효율적으로에너지를사용함과동시에기존날개없는선풍기의장점인안전성을함께고려하기위해대형 fan을원형본체내부에장착하는것을제안하였으며, 원형본체에태양광패널을적용해자연에너지를사용하는것을제안하였다 ( 그림 10 참조 ). 그림 8. 개선해결방안을통해도출된설계대안 그림 10. 개선전략을통해도출된설계대안 : Celestial technology
4. 토의 본연구는에코디자인프로세스를통해날개없는선풍기의환경영향을평가하고친환경적개선전략을제안하였다. 날개없는선풍기의탄소배출량은사용단계에서가장높은것으로나타났으며, 이에따라에너지효율개선이중요한개선대상파라미터로선정되었다. 이외에도이해관계자요구사항과환경관련법규등을고려하여사용된원료물질, 유해물질, 제품수명, 그리고수리성등이선정되어개선전략도출의기반이되었다. 본연구에서는다수의개선방안들을기반으로 2 가지설계방안 (Nature born, celestial technology) 을제안하였다. 본연구에서제안된설계방안은에코디자인프로세스를통한날개없는선풍기설계개선의일반적인지침으로활용될수있다. 본연구에서는날개없는선풍기의환경영향을개선하기위해사용중에너지효율과제품에사용된원료물질등을대체해야한다는결과를도출하였으며, 이에대한개념적인해결방안의예시를제안하였다. 본연구에서제안된설계방안은기존설계대비개선효과에대한추가분석이필요하다. 에코디자인프로세스의마지막단계인개념설계단계에서는설계대안의검토가이루어져야하는데, 개선대상환경성파라미터에대해개선전과개선후의탄소배출량을비교분석하여개선설계의환경적개선효과를파악할수있다. 해디자인 (DFD) 에관한연구. 홍익대학교석사학위논문. 환경산업기술원 (2010). 에코디자인프로세스적용제품군별매뉴얼. 이신원 & 김성근 (2010). 전과정평가를이용한하수처리수재이용시설의환경영향평가. 대한토목학회정기학술대회. 한상복 & 송복희 (2010). 제품의친환경적디자인개발을위한환경영향평가적용방안. Journal of Korean Society of Design Science 정헌창외 (2006). 샴푸의전과정평가에관한연구. 한국전과정평가학회. 5. 감사의글 본연구는 2012 년도포항공과대학교에코디자 인전문인력양성사업 (2012-4.0007076. 01) 의지 원을받아수행되었습니다. References 국가 LCI 정보망 (2012). 전과정평가 (LCA) 의정의. Retrieved from http://www.kncp.re.kr. 서흥석 (1998). 환경친화적제품개발을위한분