10조 - 참 10조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 휴대용 종이 헬멧

영문 : Portable Paper Air Protector

과제 팀명

참 10조

지도교수

권*태 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 한*현(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 김*찬

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 송*민

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 이*모

서울시립대학교 기계정보공학과 20139300** 김*석

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 프로젝트는 대여헬멧과 일반헬멧의 단점을 보완하여 세 가지 측면 (안전성, 경제성,휴대성)면에서 강점을 가지는 공기 충전식 종이 헬멧 < PPAP : Potable Paper Air Protector >를 개발하는 것을 목표로 한다. 충격흡수에 용이한 벌집구조의 헬멧을 제작함으로써 안전규정을 충족시키도록 하였스며 내피에 공기충전식 패드를 결합하여 완충효과를 높였다.

개발 과제의 배경 및 효과

2018년 9월부터 제정된 자전거 헬멧 착용 의무화 규정에 따라 자전거 헬멧의 시장이 커질 것으로 예상된다. 우리는 이미 활성화 되어있는 서울시 자전거 대여 사업인 ‘따릉이 자전거’ 이용 시 누구나 저렴한 가격으로 이용할 수 있는 종이 헬멧을 공급하는 것이 사업적 목표이다.

개발 과제의 목표와 내용

본 제품은 외피와 내피, 턱 끈으로 구성된다. 외피와 내피 모두 접이식의 형태를 갖추고,가벼운 재질을 사용하여 휴대에 용이하도록 한다.

외피는 종이 중 가장 강한 재질인 크라프트 종이가 벌집 구조로 설계된 기존의 종이헬멧 제품을 사용한다. 이 제품의 경우 유럽의 안전규정을 통과하였기 때문에 KC인증(국내 안전규정) 역시 안정성 적인 면에서 통과할 가능성이 높다. 국내 안전규정은 4시간 이상 방수가 필요하나, 이는 특수 방수코팅을 통해 해결 가능한 부분이므로, 우리 설계에서는 고려 하지 않기로 한다.

내피는 기존 외피에 접합되는 형태로 머리에 전달되는 충격을 최소화 하는 것을 목표로 한다. 외피만으로 구성된 기존 종이 헬멧은 멜론 낙하실험 결과 충격흡수 측면에서 부족함이 확인되었다. 이에 따라 충격을 흡수할 수 있는 내피가 필요하게 되었고 우리는 에어패드와 일체형 비닐 내피 두 가지 방안을 고려해 제작하였다. 실험 결과 일체형 비닐 내피를 대안으로 선정하였다. 그 밖에도 통풍을 용이하게 하기 위해 통 풍구를 따로 만들어 통풍이 잘 되도록 하였다.

턱 끈은 기존 종이헬멧의 턱 끈이 턱을 감싸주는 형태가 아니기 때문에 위험하다고 판단하였다. 실제로 멜론 실험을 진행한 결과 멜론의 파괴가 일어나는 부분은 턱에 해당하는 부분이었다. 그러므로 이 역시 이중 턱 끈으로 교체 하여 안전성을 도모 하였다.

관련 기술의 현황

State of art

1)CLOSCA 클로스카

상ㆍ하식으로 접을 수 있는 구조로 되어있는 헬멧이다. 접이식 구조이기 때문에 부피를 줄일 수 있는 특징을 가지고 있다. 이 제품의 재료는 Fiber Glass를 사용하여 내구성을 높였다. 그리고 접이식 구조의 각 부분을 통해 통기성을 높여 사용 쾌적성을 높인 특징을 갖추고 있다. 다만 위아래로 접이할 수 있는 구조라 헬멧 수직으로 작용하는 충격에 약할 것으로 판단되고 부피를 줄일 수는 있지만 타 제품에 비해 적은 부피 감소율을 가져 유용할지에 대한 의문이 있다.

2) MORPHER 모퍼

위 제품과 달리 좌우로 접을 수 있는 구조의 헬멧이다. 또한 접혔을 때 최대두께 4cm로 상하접이식 헬멧보다 더 부피를 감소할 수 있다. 헬멧을 사용할 때는 기존헬멧과 동일한 디자인을 하고 있어 사용자에게 친숙한 제품이 될 수 있고 마찬가지로 많은 통풍구를 가지고 있어 통기성을 갖추었다. 다만 이 제품은 헬멧의 좌우에서 받는 충격에 취약할 것으로 예상되고 부피를 절감하기 위해 제품자체가 얇아(내피의 부재) 땀, 비의 수분에 약할 수 있다.

3) HOVDING 훼브딩

자동차 에어백에서 착안한 제품으로 기존의 헬멧과는 다른 보호방식을 지닌다. 평소 작동하지 않을 때는 목에 걸칠 수 있어 가장 작은 부피를 가지고 있다. 자전거 사용자가 헬멧을 사용할 때 머리 눌림, 답답함이 불편함을 느끼는 가장 큰 이유인데 그 부분에 있어서 장점을 가진다. 하지만 위 제품에는 가속도센서, 충격센서가 필수적으로 들어가 복잡한 제조과정을 가지고 가격 또한 (약 60만원) 타 제품에 비해 굉장히 비싸다. 통상적으로 자전거 헬멧은 한번 충격을 받았을 때 재사용할 수 없는 구조이다. 때문에 일회성으로 부담 없이 사용하고자 하는 사용자들에게 매력적이지 않다. 무엇보다 안정성 측면에서 신뢰도가 떨어지는데 에어백은 폭발원리를 이용한 제품으로 외부충격 이전에 제품자체 충격으로 인해 사용자에 피해를 받을 염려가 있다.

기술 로드맵

특허조사

1) 탄성 밴드를 이용한 접이식 헬멧 ( 출원 번호 : 10-2013-0163516 )

<개요>

 a) 탄성밴드를 활용하여 사용자의 두상에 최적화된 헬멧 제공
 b) 사용하지 않을 경우 절첩하여 휴대성 확보

<내용>

자전거 헬멧 외피를 분할, 내부에 고무밴드를 부착하여 원하는 만큼 헬멧을 늘릴 수 있는 구조이다. 왼쪽의 사진처럼 각 파트들에 고무밴드들이 골고루 연결되어 사용자의 두상에 최적화된 사이즈로 맞춰 사용할 수 있다. 또한 우측의 사진과 같이, 고무밴드 구조를 통해 사용하지 않을 때에 압축해서 부피를 최소화하여 보관이 용이하다.

2) 피봇과 홈에 의해 체결되는 접이식 헬멧 ( 출원 번호 : 20-2007-0018546 )

<개요>

 a) 다수의 단위 관으로 구성. 휴대성과 보관 부담 저하를 확보
 b) 공기 입출구를 통해 내부의 원활한 공기순환 확보
 c) 홈 체결을 통한 안정성 확보

<내용>

자전거 헬멧을 여러 개의 파트들로 나누어 각각의 파트들에 홈을 만들어 각 파트들이 알맞게 체결될 수 있는 구조이다. 이러한 구조를 통해 사용자가 왼쪽의 사진과 같이 간단히 펼치는 동작만으로 헬멧조립을 완료할 수 있 다. 또한 왼쪽의 사진과 같이 헬멧 외피에 통풍구를 제작하여 자전거를 타며 발생할 수 있는 헬멧 내부의 열이나 공기의 순환을 원활하게 하여, 사용자로 하여금 쾌적한 자전거 환경을 제공할 수 있다.

3) 접이식 에어 튜브 헬멧 ( 출원 번호 : 10-2014-0016978 )

<개요>

 a) 방열필름(그래핀 소재)을 부착하여 머리와 햇빛의 열, 자외선 방지, 스크래치 방지
 b) 부력이 있는 기체(헬륨가스나 질소)를 사용하여 사용자가 느끼는 헬멧의 무게 최소화

<내용>

위 특허제품과 다른 방식의 접이식구조를 하고 있는 헬멧이다. 앞서 소개한 특허제품은 부채꼴이나 위아래, 좌우의 단순접이식구조를 하고 있지만 이 제품의 경우에는‘오픈카’처럼 연쇄적으로 접이할 수 있는 구조를 가지 고 있다. 또한 각 체결 부 사이에 에어쿠션을 이용하여 충격성을 한층 증대시킬 수 있는 구조를 하고 있다.

특허전략

 a. 기존의 벌집구조에 더해 에어쿠션을 추가로 적용하여 안전성 극대화
 b. 가격대비 안전성이 우수한 Kraft Paper을 사용하여 가격 절감 효과와 안전성 확보
 c. 보편적인 대한민국 성인의 두상에 최적화될 수 있는 구조 설계 (벌집 구조)
 d. 비닐과 같은 에어쿠션과 종이 재질의 외피의 분리가 용이하도록 설계하여
 효과적인 분리수거가 가능하도록 설계
 > 안정성, 경제성, 휴대성 세 가지 측면에서 장점을 가지는 제품 제작

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

마케팅 전략

1) 서울시와의 협약

a. 협약 내용(안)

- PPAP 자판기 허가 및 지원
- 서울시 및 따릉이 로고 사용 허가
- 연간 일정 수량의 헬멧 구매

b. 서울시의 효익

- 헬멧 대여소 설치비, 관리비 절감
- 친환경 정책 기조에 적합
- PPAP를 통한 정책 홍보 강화

c. PPAP 효익

- 유통 채널 확보 및 확대
- 공신력 확보
- 경쟁자 시장 진입 제한 효과

2) SNS 마케팅

- 페이스북, 블로그, 유튜브 등을 이용한 SNS, 바이럴 마케팅
- 낮은 광고 비용, 높은 기대 효과

3) PPAP 앱 개발

- 독자적인 Identity 구축 및 경쟁력 강화
 a. 묶음 구매 후 앱에 보관 -> 원하는 때 저장 상품 이용(자판기) -> 재구매 유도
 b. 헌 헬맷 반납 포인트 적립 -> 할인된 가격으로 새 헬멧 구매 -> 재구매 유도

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. Craft 종이를 벌집구조로 구성하여 안정성을 획득함으로, 보다 가볍고 안전성 확보

2. 접이식 구조를 차용함으로 휴대성 확보

3. 합성수지 코팅을 적용하여 방수, 자외선 방지 효과 확보

4. 종이 외피와 비닐 내피의 용이한 분리로 재활용성 증대, 이를 통해 친환경 정책에 이바지함

경제적 및 사회적 파급효과

1. 서울시와의 협약을 통해 상호 이익 증대

- 협약 내용 : PPAP 자판기 허가 및 지원, 서울시 및 따릉이 로고 사용허가, 연간 일정 수량의 헬멧 구매

2. 서울시의 효익

- 헬멧 대여소 설치비, 관리비 절감

- 친환경 정책 기조에 적합(종이가 주 재료)

- PPAP를 통한 정책 홍보 강화

3. PPAP의 효익

- 유통 채널 확보 및 확대

- 서울시와 MOU를 체결하여 경쟁자 시장 진입 제한 효과

- 공공단체와의 협약을 통한 공적 이미지 제고

4. 사업확장

- 따릉이 시장에서의 성공을 바탕으로 전국 공용자전거 시장으로 사업 확장

- 이 후, 퍼스널 모빌리티 시장까지 진출(퍼스널 모빌리티 : 전기를 동력으로 하는 1인 이동수단, 전동휠킥보드, 전기자전거 초소형 전기차 등)

- 수익확보를 통해 온라인 매장 이외에도 대형마트, 편의점, 다이소 등에 PPAP를 공급하여 유통 채널을 다각화.

구성원 및 추진체계

 전반적으로 업무는 공통된 시간에 작업하였고 장소, 시간과 역할은 상황에 맞춰 변경도 하였다. 허나 일관된 제작과정을 위해 그 전에 맡았던 임무를 이어서 수행하는 것을 기본으로 하였다.
 외피의 경우 현지(중국)배송을 하는 과정에서 약간의 배송 딜레이를 제외하고는 학기동안 목표로 하였던 진행과정에는 큰 차질이 없었다.

설계

설계사양

1) 설계 변수

a. 허니셀 모양 (삼각형, 사각형, 육각형)

b. 헬멧 턱끈 재질 (고무 밴드, 버클형)

c. craft paper 재질 두께 (0.3mm)

d. 헬멧 두께 (접힌 상태 기준) (40mm)

e. 에어백 두께 (충전 상태 기준) (30mm, 40mm, 50mm)

2) 제약 조건

1) 사용자 시야 ≧ 120

- 자전거 헬멧 안전 규정 준수

2) 에어백+헬멧 두께 ≦ 100mm

- 사용자의 편의와 실용성을 고려, 과도한 두께 지양

3) craft paper 두께의 단위 ≦ 0.3mm

- 시중에서 구할 수 있는 최대 두께 = 0.3mm

 1~4 요소가 외피, 내피의 구조 및 재질과 관련된 설계요소였다. 그러므로 우리의 설계는 구조적 안정성을 도모하는 것을 일차적인 목표로 하여, 통풍이나 경제성과 관련된 요소들을 순서대로 고려하는 방식으로 설계할 것이다.

◇ 설계 변수의 중요도

- 접이식 헬멧의 편리성과 안전성에 대한 변수의 비중을 최대한 높게 설정.

→ 헬멧으로써의 역할을 수행할 수 있도록 함.

- 에어백의 두께와 헬멧의 두께의 비중을 높게 설정함.

→ 헬멧이 접혀짐으로 얻는 이익 (사용자가 느끼는 편리성, 실용성)을 최대화.

- 동일한 중량, 동일한 재질임에도 허니셀의 구조에 따라 헬멧이 버틸 수 있는

하중의 크기가 달라 질 수 있다고 판단.

→ 마찬가지로 높은 비중을 부여함.

- 턱끈의 종류는 다른 변수들에 비해 상대적으로 안전성과 편리성에 영향을 미치는 정도가 작다고 판단되었기 때문에 상대적으로 낮은 비중을 부여함.

개념설계안

1) 프로토타입 제품의 구조

2) 부품, 어셈블리

3) 기능의 전개 및 구성

a. 외피

 - 종이헬멧은 벌집구조를 사용하여 접고 펼칠 수 있도록 되어있어서 휴대성이 높다.
 - 벌집모양의 구조로 인하여 충격에 대하여 높은 강도와 안정성을 갖고 있으며, 이미 미국과 유럽의 헬멧 안전기준을 통과하였다.

b. 내피

 - 사고 발생 시 1차적으로 외피인 종이 헬멧이 충격을 흡수한다. 이후의 충격을 에어백이 흡수하며, 머리를 보호한다. 또한 종이로 되어있는 외피를 땀으로부터 보호해 주는 기능이 있다.

헬멧을 제작할 때 두상에 수직면, 수평면을 그려 두상과 맞닿은 면의 안정성이 만족되어야 한다. 우리 조는 이러한 사항을 고려하여 내피의 위치를 결정하고자 한다.

오토바이 사고시 헬멧 파손부위 통계자료를 참고하면 두상을 기준으로 정면, 측면 후면의 파손이 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다. (자전거 헬멧은 목을 감싸는 아랫부분이 없기 때문에 고려하지 않았다.) 때문에 상대적으로 높은 비율은 차지하는 헬멧의 정면, 측면, 후면에 우선적으로 내피를 배치하도록 고려할 것이다.

 위 두 가지 사항을 고려하여 헬멧의 전체적인 안정성 개선을 위해 내피는 안측 기준으로 헬멧 중심, 정면, 측면, 후면에 우선적으로 배치하도록 하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1. 외피의 구조결정에 관한 시뮬레이션

- 실제 헬멧 제작 전, 허니셀 구조에 대한 국부적인 해석과정 진행 a. 아래와 같이 (100mm X 100mm) 평판 내에 높이 40mm의 허니셀 구조 모델링 (사용한 모델링 프로그램 : Catia, Inventor) ※ 고려사항 한 셀당 넓이가 동일하도록 각 도형 변의 길이를 다르게 조정함.(삼각형 : 25mm, 사각형 : 16mm, 육각형 : 10mm)

a) 삼각형 구조

- 최대응력 : 182.67 Pa

- 아랫부분 응력 : 100 pa

b) 시각형 구조

- 최대응력 : 243.01 pa

- 아랫부분 응력 : 140 pa

c) 육각형(허니셀) 구조

- 최대응력 : 111.5 pa

- 아랫부분 응력 : 50 pa

 허니셀 구조가 육각형일 때 최대응력과 아래 부분 응력이 최소
 - 최대응력이 가장 낮다는 것은 구조적 안정성이 우수하다는 것을 의미한다고 판단.
 - 육각형의 허니셀 구조가 다른 구조보다 안전성이 뛰어날 것으로 판단하여 추후 접이식 헬멧의 구조를 육각형의 허니셀 구조로 설계 예정.

2. 낙하충격실험

a. 수학적 모델링

b. 낙하실험

c. 실험결과 (외피 + 내피 결합)

조립도

조립도

a. 외피와 내피의 결합

헬멧을 착용하였을 때 대략적인 치수를 잰 후, 내피를 제작한 뒤 결합하였다. 현재는 접착제로 결합하였으나 추후 탈부착이 가능한 벨크로 형식으로 교체할 예정이다.

b. 헬멧과 턱끈의 결합

기존의 턱끈을 잘라내고 턱끈에 구멍을 뚫은 뒤 볼트,너트로 체결해 턱끈에 장력이 가해지더라도 안전한 결합을 하였다.

부품도

1. 외피

2. 내피

3. 턱끈

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

                < 휴대시 >                                                < 펼친모습(내) >                                            < 펼친모습(외) >

 외피와 내피를 결합한 구조로써 휴대했을 때와 착용했을 때의 모습이다.

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

1) 부품별 평가기준

a. 안전성 : 충격 흡수는 얼마나 잘 하는지, 충격에 얼마나 잘 버티는지, 부품 자체의 내구도는 얼마나 강한지 평가한다.

b. 편의성 : 사용자가 이용할 때 편의성, 통풍은 잘 되는지, 무게는 충분히 가벼운지, 접이식을 통해 부피를 잘 줄일수 있는 지 등을 평가한다.

c. 제작 용이성 : 제작하는 과정이 간단한지 평가한다.

d. 경제성 : 다른 부품과 비교해봤을 때 저렴한지, 본래의 기능에 비해 저렴한 지 등을 평가한다.

e. 심미성 : 디자인 적으로 세련된 지 평가한다.

2) 제품별 대안 평가기준

a. 구조적 안정성 : 충격 흡수, 충격에 잘 버티는 정도, 구조적으로 얼마나 안정적인지 평가한다.

b. 편의성 : 사용자가 이용할 때 편의성, 통풍은 잘 되는지, 무게는 충분히 가벼운지, 접이식을 통해 부피를 잘 줄일 수 있는 지 등을 평가한다.

c. 현실성 : 실제 제품을 제작할 수 있는 지 여부를 평가한다.

d. 제작비용 : 제작에 드는 제품들의 가격, 제품을 제작하는 데 드는 노동력 등을 평가한다

e. 심미성 : 디자인 적으로 세련된 지 평가한다.

먼저 안정성의 경우 자전거 탑승상황을 수학적 모델링하여 '멜론의 자유낙하'실험으로 평가하였다.

평가 대상인 사람의 두개골과 멜론은 강도, 무게와 같은 물리적인 특성이 다르기 때문에 무게의 경우 에너지 보존법칙을 통해 유효높이를 환산하여 실험하였다. 강도의 경우에는 '멜론의 강도가 사람의 두개골보다 약하므로 멜론의 외적인 파괴가 일어나지 않는다면 사람 두개골에 골절이 일어나지 않을 것이다'라는 가정을 세웠다. 계산결과 멜론의 무게에 따라 3.6m ~ 4.5m사이에서 낙하실험을 하였으며 완성 헬멧으로 평가한 결과 멜론에 파괴가 일어나지 않았으므로 안전성 항목은 충족했다고 평가내릴 수 있겠다.

경제성의 경우에는 각 제품의 제품 비, 제작 비용을 고려하여 내린 결과로 약 3000원의 비용이 발생하여 판매단가 5000원의 목표를 달성했다고 하였다.

휴대성과 디자인적인 평가는 정량적인 평가가 불가능하다고 판단하여 설문조사를 통해 평가를 내릴 계획이나 아직 완성품을 착용한 상태에서 설문조사를 수행하지 않아 휴대성, 디자인적인 평가는 내리지 못하였다.

하지만 본 조의 설계목표였던 '값 싼 헬멧'이라는 측면에서 헬멧의 가장 중요한 요소인 안정성적인 측면과 경제성적인 측면은 충족하였으므로 설계목표를 달성했다고 판단할 수 있다.

향후평가

향 후 우리 조가 완성한 종이헬멧을 가지고 휴대성과 디자인적인 측면에 중점적으로 평가를 내릴 예정이다. 또한 장시간 헬멧을 착용하였을 때 발생할 수 있는 예상 밖의 문제에 대하여 피드백을 받고 이를 반영하여 추후 개선안을 제작할 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

1. 도로교통법 제 50조

2. 자전거 이용자 헬멧 착용 의무화정인덕, 이용문, 오미옥, 김승철, 이태구, 강명창. (2016). 소비자 맞춤형 개념설계 및 쿠션부 충격해석을 통한 외피형 에어백 헬멧 개발. 한국기계가 공학회지, 15(6), 101-108.

4. 한국기계가공학회에서 헬멧 안전테스트

5. 자전거 안전장구(안전모) 표준규격 : 한국산업규격 G7004(2007), 충격가속도 300g이하(성 인용), 250g이하(어린이용), 4시간 방수

6. 미국 소비자 제품 안전 규정 (CPSC) https://www.cpsc.gov/

관련특허

1) 탄성 밴드를 이용한 접이식 헬멧 ( 출원 번호 : 10-2013-0163516 )

2) 피봇과 홈에 의해 체결되는 접이식 헬멧 ( 출원 번호 : 20-2007-0018546 )

3) 벌집구조 셀을 포함하는 접이식 헬멧 ( 출원 번호 : 10-2014-0035677 )

4) 에어쿠션(공기주입구 포함)을 이용한 자전거 헬멧 ( 출원 번호 : 10-2009-0115782 )

5) 접이식 에어 튜브 헬멧 ( 출원 번호 : 10-2014-0016978 )