"열어조닫아조"의 두 판 사이의 차이

2018년 12월 15일 (토) 07:54 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 창문 자동화 장치

영문 : SMART WINDOW KIT

과제 팀명

열어조닫아조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 김*섭

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 민*욱(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 윤*환

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 임*주

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 최근 중국발 황사 및 미세먼지에 의해 많은 문제가 발생하고 있다. 건강 측면에서는 면역력이 저하되어 각종 질환에 노출되고, 생활 측면에서는 시야가 제한되고 활동이 제한되는 등 삶의 질이 저하되고 있다. 또한 실내에서의 환기가 불가한 상황이 발생하는데 현재 사용하는 미세먼지 필터 혹은 방충망은 지속적인 교체를 해야 하며 우천에 의해 성능 저하가 자주 있는 편이다. 뿐만 아니라 어플을 통해서 받는 미세먼지에 대한 정보는 실제 체감하는 정도보다 못한 것 역시 사실이다. 이러한 단점을 극복하기 위해 창문 앞의 미세먼지 농도를 측정하고 스스로 열리고 닫히는 Smart Window를 설계하고자 한다.

개발 과제의 배경

 미세먼지에 대한 위험성이 알려지면서 미세먼지에 대한 사람들의 관심은 나날이 커지고 있다. 한국환경공단의 실시간 대기정보 사이트인 ‘에어코리아’에 따르면 2017년 3월 당시 전국의 당일 평균 미세먼지 수치가 ‘보통’수준이었던 날은 13일에 불과하였고 ‘좋음’수준은 단 하루도 없었으며 대부분의 날이 ‘나쁨’또는 ‘매우 나쁨’수준을 나타냈다고 한다. 
 이러한 문제점을 해결하기 위해 환경부 등 12개 관계부처에선 ‘미세먼지 관리 종합대책’을 확정하고, 2022년까지 미세먼지 국내 배출량 30% 감축을 목표로 한 로드맵을 발표하기도 했다. 이러한 정부는 다양한 단기대책과 중장기대책을 통한 미세먼지의 피해를 줄이려는 모습에도 불구하고 미세먼지는 여전히 많은 사람들에게 고통을 주고 있다.
 미세먼지에 대한 관심이 커지는 만큼 사람들도 마스크를 쓰거나 야외활동을 자제하는 등 미세먼지에 대한 피해를 줄이는 노력을 많이 하고 있다. 하지만 잘못된 미세먼지 방안방법은 사람들에게 또 다른 피해를 끼칠 수 있다. 일례로, 미세먼지가 많이 발생하는 시기에 사람들은 외부의 미세먼지를 차단하기 위해 창문을 열지 않고 생활을 하는 경우가 있다. 실내에 공기청정기와 같은 공기정화 제품이 있는 경우가 아니라면 창문을 닫고 생활하는 것은 좋지 않을 수 있다. 창문에 미세먼지를 막는 처리가 되어있지 않으면 창문을 닫아 놓은 상황에도 미세먼지는 실내로 침투할 수 있다고 한다. 또한 환기를 시키지 않고 계속하여 닫아놓는 상황에서는 이산화탄소나 질소산화물, 휘발성 유기화합물 등 다른 대기오염물질의 농도까지 함께 높아지는 역효과가 생길 수 있다고 한다. 서울시립대 건축공학과 강동화 교수는 "일반적으로 미세먼지가 심한 날 실내보다 외부 공기 오염이 더 심하다고 생각할 수 있지만 가스를 이용한 조리, 이불 털기 등 실내 생활에서 발생하는 미세먼지가 순간적으로 실내 공기를 급격히 악화시킨다."며 "우리나라 주거형태 등을 고려했을 때 환기는 필요하다"고 설명했다.
 이를 해결하기 위한 방안으로 방충망에 부착하는 미세먼지 필터와 같은 제품이 출시되었지만, 제대로 된 필터 역할을 못하는 경우가 존재하고 필터를 부착할 경우 바람의 순환이 원활하지 않아 제대로 환기가 되지 않는 경우가 존재한다고 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 미세먼지를 감지하여 자동으로 필터가 달린 창문이 여닫아지는 제품을 설계해보게 되었다.

개발 과제의 목표 및 내용

 해당 제품의 목표는 자동화된 창문이다. 우리가 신경을 크게 쓰지 않아도 바깥 환경요인에 따라 창문이 움직이며 움직임의 정도가 제어되도록 만들고자 한다. 즉, 우리가 설정한 특정 기준에 따라 우리가 원하는 실내 환경을 조성할 수 있도록 도와주는 설비를 설계하고자 함이다. 스스로 작동하는 기능을 부각시키기 위해 제품 이름은 SMART WINDOW로 짓고자 한다.
 사람은 정보를 받아들여 판단하고 이에 따른 행동을 개시한다. 반면 SMART WINDOW는 우리가 판단기준만 세우면 이 판단기준에 따라 사람보다 정확하게 자동적으로 행동을 실시할 것이다. 사람처럼 생각하는 것은 아니지만 우리가 사고하고 판단한 내용을 정확하게 실현시키는 장비로서 ‘기기가 특정요인에 대해 작동하는가’, ‘작동으로 인한 효과가 우리의 예상 효과와 비교했을 때 얼마나 정확하게 작동한다고 판단할 수 있는가’ 이상 두 가지가 설비 개발 목표의 가장 중요한 요인으로 뽑을 수 있다.
 현재 목표로 삼는 특정요인은 최근 문제가 되고 있는 미세먼지이며, 설계 중간중간 회의를 거쳐서 설비 개발에 필요한 요인은 추가할 예정이다.
 설계 시간에 모형을 만들어서 실제로 환경요인의 측정과 기기의 작동, 작동 후의 효과를 보여줄 예정이며 기기 작동을 다루는 만큼 제어 소프트웨어 툴의 공부가 필요하다고 판단했다. 또한 모형을 통해 실제 창문에 적용할 가능성을 판단할 예정이다.
 세부적으로 목표를 제시해보자면 아래 네 가지로 제시할 수 있다. 

 위와 같은 사항을 목표로 설계를 진행하고자 한다. 자세한 것은 평가방법에서 서술하도록 하겠다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

1) 센서기술
최근 미세먼지 측정 센서들이 많이 출시되고 있다. 최근 실제로 판매되고 있는 미세먼지 센서는 광학식 먼지센서로 광원으로부터 발산시킨 빛이 산란된 비율을 검출하여 먼지의 양, 농도를 측정한다. 측정한 자료를 전기적 신호로 변환하여 타 출력장치에 정보를 전달할 수 있다. 특히 요즘엔 아두이노와 연계하여 소프트웨어적으로 활용할 수 있다.
광원의 LED와 빛의 집광을 위한 렌즈, 전기적 신호를 증폭하는 증폭기, 신호전달회로부로 구성되어있다.
 *관련 논문 
  - 자가 감도 보정 기능 및 감도편차 조절 기능을 갖는 광학식먼지센서
    THE OPTICAL DUST SENSOR WHICH HAS A FUNCTION OF SELFDIAGONOSIS AND THE 
    SENSITIVITY CONTROL
  - 실제 먼지센서  GP2Y1010AU0F
    https://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Sharp%20PDFs/GP2Y1010AU0F.pdf

2) 필터기술 
<고성능 기능성 나노 섬유 기반 초미세먼지 필터>
한국생명공학연구원, 스마트IT융합시스템연구단, 전남대학교의 공동연구를 통해 초미세먼지를 포집할 수 있는 필터를 제조하는데 성공하였다. 이번 연구 성과는 기존 나노 섬유 기반의 미세먼지 포집 필터의 성능을 약 25% 향상시킬 수 있는 기술로 상용 해파필터 대비 동일한 수준의 집진 효율(PM2.5기준 95%)을 가지면서도 압력손실을 30% 개선됨을 보였다. 
향후 나노 섬유가 필터 여재로서의 활용 가능성을 확인하였으며 공기청정기 필터뿐만 아니라 스마트 마스크, 윈도우 필터 등에 응용될 수 있을 것으로 기대되는 기술이다.

3) 소프트웨어 기술
이탈리아의 연구실에서 2005년에 학생들이 하드웨어를 손쉽게 제어하기 위해 고안한 개발도구 및 환경을 총칭한다. 다수의 스위치나 센서로부터 신호를 받아들여 출력장치를 제어할 수 있다. 즉 마이크로프로세서를 쉽게 동작시킬 수 있고 USB를 통해 개인용 PC와 연결하여 손쉽게 코드로 작동을 구현할 수 있다. 전용 코드 툴 뿐 아니라 어도비 플래시, 프로세싱 등 타 소프트웨어와도 연동할 수 있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

1) 특허 조사

2) 특허 전략
위 제시된 기존 특허들은 미세먼지가 차단되는 새로운 창문을 제작하는 방향이 대다수였다. 따라서 기존의 특허들과 차이를 주기 위해 기존의 창문에 설치를 하는 방향으로 특허 전략을 펼치려고 한다.
본 발명의 목적은
 ① 실내외의 공기 오염 정도를 비교 측정하고,
 ② 값의 차이에 따라 창문 및 미세먼지 필터를 자동 개폐하며,
 ③ 해당 제품을 기존 창문에 쉽게 설치하여 사용할 수 있도록 하는 것에 있다.

• 기술 로드맵

파일:열어조닫아조팀 기술로드맵.zip

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

• 마케팅 전략 제시

▪ SO(강점-기회) : 시장의 기회를 활용하기 위해 강점을 사용하는 전략
   최근의 관심이 증대하는 것을 우리의 강점들을 통하여 치고 나간다.
▪ ST(강점-위협) : 시장의 위협을 회피하기 위해 강점을 사용하는 전략
   유사한 기능을 하는 공기청정기보다 성능은 좀 떨어지지만 가격과 에너지 부분에서 극복한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

▪ 계속 가동되는 공기청정기에 비해 에너지 절감
▪ 기존 기술들의 결합으로 제작되므로 새로운 기술개발 불필요
▪ 실내로 들어오는 공기에서 미세먼지를 차단하여 공기청정기가 놓치는 부분을 보완.
▪ 기존의 마스크에서 사용되는 미세먼지 차단 기능과 센서기능, Arduino를 결합하여 
  새로운 SMART WINDOW의 시대를 개척.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

▪ 최근 미세먼지로 인한 국민들의 불안감을 많은 부분 해소.
▪ 기존 창문에 설치하는 방식으로 창문 설치비용 절감.
▪ 환기가 목적이기 때문에 모든 창문에 설치하는 것이 아닌 하나의 창문에 설치하여 
  구매자로 하여금 비용부담을 줄여줌.
▪ 어린이와 노인의 건강을 미세먼지의 위협으로부터 상당부분 보호.
▪ 미세먼지 필터는 영구한 것이 아니므로 지속적인 수입 보장

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 김*섭 – 이론적 설계 담당
◇ 민*욱 – 자료조사 및 모형제작
◇ 윤*환 – 총무 및 모형제작 담당
◇ 임*주 – 기계적 설계 담당

설계

설계사양

제품의 요구사항

시장조사 결과 다음과 같은 요구사항 목록을 작성할 수 있었다. 각 요구사항을 D(Demand)와 W(Wish)로 구분하고 등급을 나누어 우선적으로 충족시켜야할 요구사항을 선정하여 설계에 적용시키도록 하며, 그 후 나머지 희망사항을 해결할 수 있는 방향으로 설계를 진행하려 한다.
또한 요구사항의 목록에 있는 것 이외에 제품 요구사항을 충족시키기 위하여 목적계통도를 아래와 같이 작성하였다.

설계 사양

이번 설계의 목표인 ‘SMART WINDOW’의 제작을 성공시키기 위하여 제품이 지녀야할 특성들을 경제성, 기능성, 안정성, 심미성의 4개 부분으로 하여 목적계통도를 다음과 같이 작성하였다.

요구사항 목록과 목적계통도의 두 항목의 결과 값을 비교해보면, 앞부분에서 언급했던 요구사항 목록에서 중요도가 높다고 정한 부분인 필터부분과 미세먼지 측정 부분이 목적계통도에서 기능성 부분의 내용과 상당부분 비슷하다는 것을 알 수 있었다. 또한 이 부분에서 알 수 있듯이 이번 설계에서 목표를 달성하기 위해 먼저 고려해야 할 부분은 기능성면이라는 것을 알 수 있었다. 따라서 앞으로 진행되는 ‘SMART WINDOW’를 실제 제작하는 과정에서 요구사항과 목적계통도 모두 중요한 부분이라고 정했던 기능적인 부분에 중점을 두어 설계를 진행해야 할 것을 알 수 있었다.

개념설계안

1) 미세먼지 감지 센서
미세먼지 감지 센서로 사용된 ‘광학미세먼지감지센서’의 원리는 다음과 같다.
발광다이오드에 의해 방출된 빛이 일정경로를 통과하고 통과된 빛의 양을 포토다이오드로 측정하는 구조로 되어있다. 미세먼지가 존재하는 경우, 다이오드에 의해 방출된 빛은 경로를 통과하는 과정에서 미세먼지에 산란되어 손실이 일어나게 된다. 이러한 빛의 손실은 포토다이오드가 측정하는 빛의 양의 변화를 일으킨다. 이러한 빛의 양의 변화는 다이오드에 흐르는 전류를 변화시키게 되고 이는 전압의 변화로 전환된다. 전압의 변화값을 바탕으로 코딩기법을 사용하여 공기 중에 있는 미세먼지를 계산할 수 있는 미세먼지 감지센서를 선정하였다.

2) ARDUINO 코딩
ARDUINO 보드에 센서와 연동해 미세먼지를 측정하고, 센서를 통한 미세먼지 측정치를 이용해 모터를 제어하는 코딩을 만든다. 코드를 구현하는 방식은 센서로 받은 값들을 명명해서 센서 사양에 따른 계산식을 적용하여 값을 도출하는 방법을 이용한다. 그 후 그 값을 Liquid Crystal Display에 코딩을 통해 출력시킨다. 이와 같은 방법을 이용한다면 미세먼지를 측정하는 것 이외에도 특정 성질을 측정하는 센서가 존재할 경우 다양한 기능(빗물 감지, 온도 감지)을 구현할 수 있다.

3) 모터 자동제어법
우리가 세운 기준치로 미세먼지 센서에서 측정한 데이터를 평가한다. 창문 개방 평가는 외부의 미세먼지농도가 일정 수준 이하가 되거나 외부 미세먼지농도 범위가 개방에 허용된 범위 내에 있을 때, 내부의 미세먼지농도가 외부의 미세먼지농도보다 높을 경우가 되면 특정 신호를 발생시키며 진행된다. 반대로 창문 차단 평가는 외부 미세먼지 농도가 일정 수준 이상이거나 외부의 미세먼지농도가 더 높을 때 특정신호를 만들며 진행된다. 모터 자동 제어법은 이와 같이 외부 환경을 통해 자동적으로 특정신호를 발생시키고 이러한 신호를 통해 모터를 우리가 원하는 만큼 자동적으로 움직이게 만드는 설계이다.

4) 필터
미세먼지 차단 필터를 선정하기 위해 아래와 같이 각 필터별 특성을 정리하였다.

시장성을 고려하였을 때 비용이 저렴한 것이 좋고 어느 정도 성능을 나타내야하므로 Midium필터가 적절할 것으로 판단된다. Midium필터는 부직포로 제작되므로 다루기가 쉽고, 일정한 풍량을 얻기 쉬우므로 미세먼지 많은 날 환기를 위한 제품의 목적에도 부합한다.

5) 장치들의 연동
센서, 필터, 모터, ARDUINO 보드 이 각각의 장치들을 연동시켜 SMART WINDOW를 구현한다. 이 SMART WINDOW는 센서를 통해 미세먼지를 측정할 수 있고, ARDUINO를 통해 비교가 가능하며 그 값을 통해 필터 및 창문을 모터제어를 통해 자동으로 여닫을 수 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1) 모터 선정 과정
 모터 GM31-2732 구매를 진행하기 이전에 아두이노(Uno)와 모터 제어기(L298N), 그리고 직류 모터 간에 스펙이 맞는 지 확인하는 과정을 진행하였다. 
P = T * ω ( P : 전력 T : 토크(Kgf·cm) ω : 각속도 ) 
위 식을 통해 정격속도에서 최대 토크를 사용할 때 사용되는 전력을 구해보았다. 이 전력을 사용하는데 아두이노 툴과 모터제어기 L298N의 출력 스펙이 모터를 사용하는 데 알맞은 지 확인해보았다.

모터는 DC 12V를 사용하므로

흐르는 전류는 0.384A이다.
L298N의 Specification을 확인해보면 아래와 같다.
Driver: L298N
Driver power supply: +5V~+46V
Driver Io: 2A
Logic power output Vss: +5~+7V (internal supply +5V)
Logic current: 0~36mA
출력 전류의 한도는 2A이므로 최대 출력으로 해당 모터를 사용하는데 무리가 없을 것으로 판단할 수 있었고 해당 모터(GM31-2732)를 사용하기로 결정했다.

2) 모터 토크 계산과정
 모형 창틀을 제작하는 데 사용한 재질은 PINEWOOD이고, 모형 창은 아크릴판으로 제작하였다. 부품도의 설계사항과 재질의 밀도를 통해 이론적인 질량을 계산하고 사용가능한 토크를 확인해보았다.
PINEWOOD의 밀도 = 550kg/m3
PINEWOOD의 부피 = 3.5mm * 205mm * 20mm * 2 + 3.5mm * 330mm * 20mm * 2 = 74900mm3
PINEWOOD의 질량 = 74900mm3 * 1m3/109mm3 * 550kg/m3 * 1000g/1kg = 41.195g
아크릴판의 밀도 = 0.94g/cm3
아크릴판의 부피 = 0.05cm * 24.5cm * 33cm = 40.425cm3
아크릴판의 질량 = 40.425cm3 * 0.94g/1cm3 = 37.995g
모형 창문의 질량 = 79.19g = 약 80g
현재 모터가 구동하는 최대 토크는 1kgf*cm이므로 피니언의 무게를 20g 정도라고 가정하면 최대 회전 반지름은 1kgf*cm/0.1kgf = 10cm 이다. 따라서 마찰 등의 손실이 없을 때 모터는 모형 창문과 반지름 10cm인 피니언을 함께 움직일 수 있음을 이론적으로 확인하였다.

3) 랙과 피니언(3D Print)
 랙과 피니언은 회전운동을 직선방향의 운동으로 변환시켜주는 장치이다. 가지고 있는 피니언에 필요한 랙을 만들기 위해 3D Print기술을 사용하였다. 3D Printer를 사용하기 위한 교육도 실시하였다.

3D Print 교육을 받는 김*섭 학우	직접 프린트를 작동시키는 강사

피니언의 수치를 기반으로 Cubicreator라는 3D 프로그래밍을 통해 만든 랙 파일을 만들었다. 만든 파일을 FDM 3D 프린터를 이용해 적층방식으로 쌓아올려 Printing 하였다.

3D Print Simulation

FDM 프린터는 Heating Block으로 ABS(Filament)에 열을 가해 녹여서 떨어뜨리며 구조물을 형성하는 원리를 가지고 있다.

4) 미세먼지 감지 센서
원리는 2.개념설계안의 미세먼지 감지 센서 부분 참고
미세먼지 양에 따라 특정 구간에서 출력 전압이 선형적으로 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 위 범위에서 선형적인 변화이므로 값을 증폭시킨 출력 전압으로 미세먼지 농도를 측정할 수 있다.

5) 필터 투과율 (공식)
-압력강하() = 
(Q : 풍량, A : 여재면적, C1·C2 : 상수)
낮은 속도에서는 이므로 C2 는 무시한다.

-투과율(f)
단분산 연무질과 이상적인 필터매트에 대한 기본적인 여과방정식은 다음과 같다.

(n : 필터를 투과한 입자의 농도, n0 : 필터에 투입되는 입자의 농도, r : 매트의 여과지수)

( : 정해진 속도에서의 필터의 압력강하, f : 투과율,  : 여재의 품질인수)

상세설계

1) 조립도

2) 조립순서
◇ ❻에 ❾를 부착한다.
◇ ❼에 ❽을 부착하고 두 개의 ❻을 창틀에 맞게 끼운다.
◇ ❷를 ❼의 안쪽 한 부분에 부착한다.
◇ ❶과 ❸, ❹를 그림과 같이 알맞게 부착한 후 ❷의 회로와 연결시킨다. 
◇ ❺을 창틀 안쪽에 그림과 같이 부착한다.
◇ 배선을 정리한 후 전원을 연결한다. 작동이 되는지 확인한다.
◇ 정상작동이 되는지 확인한다.

3) 부품도
* 모형창틀

정면에서 바라본 모형 창문의 모습과 위에서 바라본 모습인 평면도, 우측면에서 바라본 우측면도를 CAD 프로그램을 이용해서 나타내보았다. 
나무 재질은 PINE WOOD이고 창문으로는 아크릴 판으로 설정하였다.
정면도의 빗금 친 부분이 모형 창문의 창 부분이고 평면도와 우측면도의 창틀과 창 레일을 채우기로 표현하였다.

4) 제어부 및 회로설계

미세먼지 측정 회로	모터 제어 회로

아두이노의 5V 출력이 저항과 커패시터가 있는 회로를 따라서 흐르게 된다. 커패시터에 걸리는 전압을 흰색과 파란색 선을 이용하여 LED를 밝힌다. 먼지로 빛이 산란된 정도에 따라 Photo 다이오드에 들어오는 빛의 양이 달라지게 된다. 빛이 들어오면 전류가 흐르게 되고 이 출력값을 읽고 아두이노 마이크로 프로세서에서 계산해서 미세먼지 양을 측정한다. 이 측정치를 LCD에 표현하게 된다.
아두이노에서 짜여있는 코드에 따라 모터제어기 L298N에 Motor Enable, Motor Right, Motor Left 신호를 줄 수 있다. 모터제어기의 입력에 따라 직류모터를 작동하게 해주는 제어부품을 이용해 모터를 제어하게 된다.

미세먼지 측정과 모터제어 회로를 합쳐서 미세먼지 측정을 하고 그 측정값을 통해 모터제어 신호를 발생시킨다. 미세먼지 측정치에 따라 자동적으로 제어되는 창문 제어 시스템이다.

5) 소프트웨어설계

Window-Algorithm(dustDensity)
If(dustDensity >50)
return Motor-Control-Window(close(x))
else if(dustDensity >30 && dustDensity<50)
return Motor-Control-Window(open(x))
return Motor-Control-Blinder(close(x))
else
return Motor-Control-Window(open(x))
return Motor-Control-Blinder(open(x))

Dust-Algorithm(x)
calcVoltage = x * (5.0 / 1024.0);
dustDensity = 1000*(0.17 * calcVoltage - 0.1);

 

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

파일:포스터 최종.pdf

관련사업비 내역서

1) 설계 산정 내역서

2) 사업 산정 내역서

완료작품의 평가

향후평가

◇ PCB판으로 제작하여 장치를 소형화하고 가격을 낮추면 시장경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 본다.
◇ 일반 가정집 및 공공기관에 설치한다면 미세먼지로 인한 피해를 다소 줄일 수 있을 것으로 본다.
◇ 코딩을 활용하기 때문에 미세먼지 뿐만 아니라 습도와 광도 등의 다른 환경요소에도 적용시킬 수 
   있을 것으로 본다.
◇ 향후 스마트하우스시대에 다양한 방면에서 활용 가능한 기술을 확인하였음.