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작동 소음 측정 결과 55 dB 으로, 저소음은 아니지만 주거 및 업무 환경에서 장시간 사용이 가능한 실용적 소음 수준이다.  
 
  
 
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'''5) 신발 종류별 작동 테스트'''
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위생 신발장 2020020012669 (2002.04.25)
 
위생 신발장 2020020012669 (2002.04.25)
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===깃허브 레파지토리===
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https://github.com/Kseorang1218/capstone-design.git

2024년 12월 19일 (목) 02:24 기준 최신판

Customized Shoecase
핫이슈
핫이슈 로고사진2.png
학교 서울시립대학교
학과 기계정보공학과
학번 및 성명 20194300** 강**
20194300** 서**
20204300** 이**
20214300** 김**
20214300** 김**

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 펠티어 소자를 이용한 맞춤형 신발장 제작

영문 : Customized Shoecase Manufacturing with Peltier Module

과제 팀명

핫이슈

지도교수

이동찬 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20194300** 강**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20194300** 서**

서울시립대학교 기계정보공학과 20204300** 이**

서울시립대학교 기계정보공학과 20214300** 김**

서울시립대학교 기계정보공학과 20214300** 김**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 좁은 주거 공간에서 신발 관리 문제를 해결하기 위한 스마트 신발장 개발을 목표로 하며, 펠티어 소자를 활용한 정밀 온습도 제어와 AI 기반 맞춤형 관리 시스템을 통해 최적의 신발 보관 환경을 제공한다. 또한 열풍건조 기능을 추가해 젖은 신발을 빠르게 건조할 수 있으며, 살균 기능과 환풍 시스템을 통해 신발장 내부의 위생 상태를 개선하고 쾌적한 보관 환경을 유지하는 통합적인 관리 시스템을 제공한다.

개발 과제의 배경

내용 일상생활에서 개인위생과 청결은 필수적인 요소로 자리 잡고 있다. 이러한 흐름 속에서, 특히 신발의 위생 관리에 대한 관심이 높아지고 있다. 신발은 하루 종일 착용하면서 외부 환경에 노출되고, 발에서 나오는 땀과 외부 습기 등이 결합하여 세균 번식 및 악취를 유발하는 주요 원인이 된다.

관리가 필요한 신발.png


그러나 신발을 자주 세탁하는 것은 여러 어려움이 따른다. 손세탁이 필요한 경우가 많고, 특수 소재는 전문 클리닝이 필요하며, 잦은 세탁은 내구성을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다. 또한 운동을 즐기거나 장마철처럼 신발이 자주 젖는 환경에서는 이러한 문제들이 더욱 빈번해지며, 신발을 제대로 건조하지 않을 경우 악취뿐만 아니라 내부에 곰팡이가 생겨 발 건강에도 악영향을 미칠 수 있다.

따라서, 신발을 손상하지 않으면서도 위생적인 상태로 유지할 수 있는 제품에 대한 수요가 점차 증가할 것으로 예측된다. 이러한 이유로 본 프로젝트에서는 기존 신발장의 보관 기능을 유지하면서도 스타일링 기능이 결합된 새로운 신발 스타일러 개발을 제안하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 개발 과제의 주요 목표는 원룸과 같은 좁은 주거공간에 적합한 스마트 신발장을 개발하는 것이다. 이 신발장은 신발의 변형과 손상을 방지하기 위한 습도 유지 기능, 젖은 신발을 위한 열풍건조 기능, 그리고 신발 살균을 위한 UV 살균 기능, AI 기반의 신발 관리 시스템 기능을 갖추는 것을 목표로 한다.

핫이슈 사진펠티어.png

1. 습도 유지 시스템은 펠티어 모듈을 활용하여 신발장 내부의 습도를 효과적으로 제어하며, 이를 통해 신발의 변형과 손상을 최소화하고 최적의 보관 환경을 제공한다.


핫이슈 열풍건조사진.png

2. 열풍 건조 기능은 열선과 팬을 이용한 시스템을 구현하여 뜨거운 열선을 통과한 바람으로 젖은 신발을 신속하고 효과적으로 건조한다.


핫이슈 사진자외선.png

3. UV 살균 기능은 UV 램프를 이용하여 신발 내외부의 세균과 악취를 제거한다.


핫이슈 사진카메라.png

4. AI 기반의 신발 관리 시스템을 도입해 카메라로 신발장 내부를 촬영하고, 인공지능을 통해 신발의 종류를 자동으로 식별한 후 신발별로 최적의 습도 조절을 수행한다. 더불어, 사용자 편의성을 위해 LCD 패널과 터치패드를 결합한 직관적인 사용자 인터페이스를 구현하여 각종 기능을 쉽고 편리하게 제어할 수 있도록 한다.


마지막으로, 원룸과 같은 좁은 주거공간에 적합하도록 효율적이고 작은 크기로 설계하여, 좁은 주거공간에서도 효과적으로 신발을 관리하고 보관할 수 있는 혁신적인 스마트 신발장을 개발하는 것이 본 과제의 핵심이다.

신발장 생성이미지.png

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

  • 전 세계적인 기술현황

가. 펠티어 소자

펠티어 소자는 열전 효과를 이용한 전자 소자로, 전류가 흐를 때 두 개의 다른 전도체 간의 온도 차이를 생성하여 한 쪽은 냉각되고 다른 쪽은 열을 방출하는 원리를 기반으로 한다. 특히, 펠티어 소자는 정밀한 온도 제어가 가능하면서 냉매를 사용하지 않기 때문에 더 친환경적이며 조용하다는 장점이 있다. 이러한 특성 덕분에 펠티어 소자는 열 관리가 중요한 의료 기기나 소형 냉각 시스템에서 많이 활용된다. 이에 따라 펠티어 소자를 이용한 제습의 연구 역시 활발히 진행되고 있다.


나. 열풍 건조

열풍 건조 신발장은 신발을 빠르고 완전하게 건조시키는 데 중점을 두고 설계되었다. 기존의 건조 방법(예: 자연 건조, 팬 사용 등)은 시간이 오래 걸리고 신발의 품질에 영향을 미칠 수 있다. 열풍 건조 신발장은 이러한 문제를 해결하여 건조 시간을 단축하고 신발의 품질을 유지한다. 신발이 완전히 건조되지 않으면 불쾌한 냄새가 발생할 수 있다. 열풍 건조 신발장은 신발을 완전히 건조시켜 이러한 문제를 예방하며, 추가적인 향기 삽입 기능을 통해 쾌적한 사용 경험을 제공한다. 열풍 건조 시스템은 Arduino와 같은 마이크로컨트롤러를 활용하여 자동화된 제어를 가능하게 한다. 이러한 시스템은 온도 및 습도 센서를 통해 실시간으로 환경을 모니터링하고, 최적의 건조 조건을 유지하기 위해 열풍의 세기와 방향을 조절할 수 있다.

다. 이미지 분류와 딥러닝

딥러닝은 물체 탐지, 모션 추적, 행동 인식, 인간 자세 추정, 의미 분할 등 다양한 컴퓨터 비전 문제에서 눈부신 발전을 이루었다. 특히, 이미지에서 클래스 분류를 위해 다양한 CNN 기반 모델과 이를 평가하기 위한 데이터셋이 개발되고 있다. 이러한 이미지 분류는 처음에는 손글씨 숫자 분류에서 시작되었지만, 현재는 의료 이미지 분류, 교통 장면 분류 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 그러나 신경망의 크기와 복잡성이 증가함에 따라 훈련 및 평가에 필요한 계산 리소스도 급격히 증가했다. 현대의 최첨단 네트워크는 많은 모바일 및 임베디드 응용 프로그램에서 요구되는 계산 자원을 초과하는 경우가 많다. 이를 해결하기 위해, 모바일 및 자원이 제한된 환경에 적합한 새로운 신경망 아키텍처를 제안하는 연구 역시 활발히 진행되고 있다.


  • 특허조사 및 특허 전략 분석
발명 명칭
(특허번호) 		신발건조기 및 그 제어방법
(1020200094017) 		슈즈 케어 장치 및 방법
(1020210158769) 		다용도 건조기
(1020030041538) 		위생 신발장
(2020020012669)
도면
핫이슈 특허사진1.png
핫이슈 특허사진2.png
핫이슈 특허사진3.png
핫이슈 특허사진4.png
구조 설명 내부 카메라 및 온습도 센서를 통해 슈즈의 재질, 종류 및 상태를 식별하고, 송풍되는 공기의 방향을 제어 내부 카메라를 통해 슈즈의 재질, 종류 및 상태를 식별하고, 이물질 제거 기능, 살균 및 탈취 기능, 스팀 살균 기능, 제습 및 건조기능 및 영양 및 발수 코팅 기능 중 하나를 수행 세탁, 또는 우천으로 인해 젖은 신발, 장갑, 모자 또는 지폐 등의 개인용 소지품을 급속하게 건조시킬 수 있도록 상부로부터 열풍을 하방으로 공급하는 기능, 자외선 램프을 통한 신발 살균 기능 신발의 수분과 악취를 제거하고 세균을 살균하는 기능, 보조 챔버의 통기구를 통해 오염된 공기와 정화된 공기를 순환시키는 기능, 외부 공기를 사용해 정화장치를 냉각시켜 신발의 땀이나 악취를 제거하는 기능
특징 및 차별성 ㆍ 제습, 살균 기능
ㆍ 카메라, AI로 슈즈 재질 파악
ㆍ 맞춤형 건조 및 스팀 기능
ㆍ 컴프레셔 방식 		ㆍ 제습, 살균 기능
ㆍ 카메라 AI를 통해 슈즈의 재질을 파악
ㆍ 맞춤형 건조 및 스팀 기능
ㆍ 컴프레셔 방식 		ㆍ 전열히터와 송풍팬이 포함된 열풍기가 확장된 개구부를 통해 신발 전체에 고르게 열풍을 공급
ㆍ 자외선 램프를 통한 살균 기능 		ㆍ 펠티어 방식 제습, 살균 기능
ㆍ 악취 제거
ㆍ 공기 정화, 오존양 조절
장단점 ㆍ 장점) 다양한 기능, 높은 완성도
ㆍ 단점) 큰 부피와 소음 		ㆍ 장점) 다양한 기능, 높은 완성도
ㆍ 단점) 큰 부피와 소음 		ㆍ 장점) 넓은 면적에 도달하는 열풍
ㆍ 단점) 제습 기능이 없다. 		ㆍ 장점) 뛰어난 공기 정화 능력
ㆍ 단점) 고온건조 기능이 없다.


현재 시중에서 판매되고 있는 신발 관리 제품들은 주로 신발 스타일러, 간단한 신발 건조기에 국한되어 있다. 이러한 제품들은 개별적인 문제를 해결할 수는 있지만, 종합적인 신발 관리에는 한계가 있다. 또한 기존 제품은 신발 수용량에 비해 부피가 커서 공간 활용의 효율성이 떨어진다. 특히, 현관이 좁은 원룸이나 가정집에서는 제품 구매가 불필요하다고 느끼는 경우가 많아 대중의 활용도가 낮다. 때문에 신발을 방치하며 보관함으로써, 곰팡이와 악취 발생에 취약한 환경을 초래할 수 있다.


1. 젖은 신발 관리 불가

기존 신발 스타일러는 단순히 제습에 초점을 맞추기에 젖은 신발을 관리하는 데에는 부적절하다. 이는 결국 사용성이 제한되어 있으며, 비가 오거나 운동후의 젖은 신발을 건조하는 기능을 제공하지 않아 따로 관리를 해야 하는 불편함이 존재한다. 게다가 신발에 남아있는 습기는 악취를 유발하는 것은 물론, 박테리아와 곰팡이가 번식하기 좋은 환경이 되므로 무좀과 같은 피부 질환으로까지 이어질 수 있다.


2. 공간 비효율성

기존 신발 건조기는 온도 조절 기능이 없으며, 별도의 공간을 차지하게 되므로 소비자들에게 불편함을 준다. 이로 인해 사용자는 신발 건조를 위해 추가적인 공간을 확보해야 하고, 이러한 비효율적인 설계로 인해 제품에 대한 선호도가 낮아진다.


3. 수동 조절 방식

기존 신발 건조기는 사용자가 신발의 종류와 습도에 따라 건조 시간을 직접 조절해야 하며, 신발마다 적절한 건조 조건이 다르기 때문에 이를 직접 판단하고 설정하는 번거로운 과정을 거쳐야 한다.

본 제품은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 고온 살균과 제습 기능을 결합하고, AI를 통한 맞춤형 건조시스템을 제공함으로써 신발 관리의 편리함을 극대화하고 기존 제품들이 해결하지 못한 위생 문제를 해결할 수 있다. 또한 스타일러와 신발장의 요소가 결합되어 공간 효율성을 극대화함으로써 사용자의 이용 접근성을 높여 편리성 증대를 도모할 수 있다.


  • 기술 로드맵

1. 펠티어 소자

펠티어 기술로드맵.png

ㆍ1834년, 장 샤를 펠티어가 발견한 펠티어 효과는 전류가 흐를 때 두 금속 접합부에서 열이 이동하는 현상으로, 이를 바탕으로 열전 소자 기술이 시작되었다. 초기에는 기초 연구에만 활용되었지만, 1990년대에 접어들면서 펠티어 소자가 상업적으로 확장되었다. 이 시기에 소형 냉장고나 전자기기 냉각 장치 같은 소비자 가전 제품에 도입되었고, 성능을 향상시키기 위해 나노구조 재료와 복합 재료 개발이 활발히 이루어졌다.

ㆍ2020년대에는 펠티어 소자가 저전력 냉각 시스템으로 진화하며, 신재생 에너지와의 결합을 통해 지속 가능한 에너지 관리 기술로 발전했다. 소형화된 펠티어 소자는 의료기기, 웨어러블 기술, IoT 기기와 통합되면서 에너지 효율성을 높이는 다양한 산업적 응용이 가능해졌다.


2. 열풍 건조기

열풍건조 기술로드맵.png

ㆍ19세기 후반에 열풍건조 기술은 석탄과 나무 같은 화석 연료를 이용하여 주로 식품과 목재의 건조를 위해 사용되었다. 그러나 이 초기 기술은 효율이 낮고 일정한 온도를 유지하기 어려운 한계가 있었다.

ㆍ1950년대에 들어서면서 산업화가 진행되었고, 열풍건조 기술은 대규모 생산에 적용되기 시작했다. 전기 에너지를 이용한 공기 가열 방식이 도입되어 온도 유지가 가능해졌고, 자동화된 대형 열풍건조 기계가 등장하여 효율성이 향상되었지만 여전히 에너지 소비가 크고 열 에너지를 효과적으로 활용하지 못하는 문제가 남아 있었다.

ㆍ2000년대 후반부터는 정보통신기술(ICT)의 발달로 스마트 열풍건조 기술이 등장했다. 이 기술은 IoT와 스마트 센서를 활용하여 실시간으로 건조 상태를 모니터링하고 최적의 건조 환경을 자동으로 유지하는 것이 가능해졌다. 또한, AI 기반의 건조 최적화 기술이 개발되어 건조 시간을 예측하고 에너지 사용량을 줄이는 데 기여하고 있다. 이러한 변화는 열풍건조 기술의 효율성을 크게 향상시키고, 다양한 산업 분야에서의 활용을 촉진하고 있다.


3. 이미지 분류와 딥러닝

딥러닝 기술로드맵.png

ㆍ1950년대부터 1990년대까지 초기 컴퓨터 비전에서는 이미지 처리와 패턴 인식에 대한 기초 연구가 진행되었고, 경계 검출 및 형태 분석 등의 기본 알고리즘이 개발되었다. 전통적인 이미지 분류에서는 SIFT와 SURF 같은 특징 추출 방식과 SVM, KNN, Decision Trees 등의 머신러닝 알고리즘이 사용되었으나, 이들 기법은 사람이 설계한 규칙에 의존하여 성능에 한계가 있었다. 1980년대 인공신경망(ANN)이 도입되었고, 1998년 LeNet-5가 최초의 CNN 중 하나로 성능을 개선했다.

ㆍ2010년대 중반부터는 VGGNet, GoogLeNet, ResNet 등의 깊은 CNN 구조가 성능을 극대화했으며, 이러한 발전과 함께 머신러닝 기술도 진화하여 이미지 분류의 정확성을 높였다. 최근에는 Vision Transformers(ViT)와 같은 새로운 아키텍처가 등장해 CNN의 성능을 초월하며, AI 모델을 통해 이미지 분류 작업에서 더 높은 정확도와 신뢰성을 제공하고 있다.

시장상황에 대한 분석

  • 경쟁제품 조사 비교


사진 핫이슈 경쟁력사진111.png 핫이슈 경쟁력사진2.png 핫이슈 경쟁력사진3.png
이름 LG 스타일러 오브제컬렉션 슈케어 삼성전자 BESPOKE 슈드레서 샤오미 신발건조기 8h
가격 1,625,000 원 1,049,000 원 51,600 원
크기(mm) 380 × 1008 × 390 450 × 1135 × 361 270 × 240 × 370
특징 ㆍ듀얼 케어: 칸마다 다른 스타일링 코스 가능
ㆍ스타일링, 스팀 살균, 섬세 건조 기능 지원 		ㆍUV 탈취 및 살균
ㆍ신발 종류에 따라 다른 코스 지원 		ㆍ저온건조 및 제습 가능
ㆍ외순환 배기풍
ㆍ오존 강산화 탈취


LG 스타일러 오브제컬렉션 슈케어는 다양한 기능과 스타일링 옵션을 제공하는 프리미엄 제품으로 스팀 살균과 섬세 건조 등 고급 기능을 갖추고 있지만, 가격대가 높다. 또한 상당한 공간을 차지하기 때문에 작은 주거 공간에서는 설치가 부담될 수 있다. 삼성전자 BESPOKE 슈드레서는 UV 살균과 맞춤형 관리 코스를 제공하며, LG 제품보다는 조금 저렴하다. 그러나 가격은 여전히 높은 편이며, 세 제품 중 가장 큰 크기를 가져 공간 활용에 제약이 있을 수 있다. 샤오미 신발건조기 8h는 경제적이며 컴팩트한 크기로 공간 활용도가 높다. 그러나 타 제품들에 비해 기능이 제한적이다.

  • 마케팅 전략 제시

SWOT.png

ㆍ 타겟 마케팅: 신혼부부, 소형 아파트 거주자, 운동선수, 다수의 신발을 소유한 소비자 등 특정 타겟 시장을 정의하여 집중 마케팅을 실시한다.

ㆍ 브랜드 인지도 구축: 소셜 미디어 캠페인, 인플루언서 마케팅을 통해 제품의 인지도를 확대한다. 사용자 리뷰 및 추천을 통한 신뢰성을 구축한다.

ㆍ 가격 전략: 타 제품보다 저렴하면서도 많은 기능을 갖추고 있음을 강조한다.

ㆍ 지속 가능한 마케팅: 펠티어 소자는 저전력으로 작동하여 에너지 소비를 줄이고 환경 보호에 기여한다. 이를 통해 환경 보호와 지속 가능성을 강조하는 마케팅 메시지를 통해 환경을 중시 하는 소비자들에게 긍정적인 브랜드 이미지를 구축할 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

ㆍ효율적인 건조: 고온건조 기능을 통해 신발 건조 시간이 기존대비 50% 이상 단축된다. 이를 통해 사용자들은 효율적인 신발 세탁과 건조가 가능해진다.

ㆍ위생적 사용 환경 제공: UV 살균 기능으로 99.9%의 세균과 곰팡이를 제거한다. 이는 사용자들의 감염 및 알레르기 예방에 기여한다.

ㆍ온도 조절 기능 강화: 효율적인 제어를 통하여 펠티어 소자의 에너지 효율이 15% 향상되어 전력 소비를 줄인다.

ㆍ사용자 편의성: IoT 센서를 통해 사용자 맞춤형 설정이 가능하며, 이를 통해 사용자 편의성을 증진한다.

ㆍ친환경적 에너지 사용: 펠티어 고온부 폐열 회수 시스템 도입으로 에너지 사용을 25% 줄이고, CO₂ 배출량을 연간 약 30kg 감소시킬 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

ㆍ비용 절감 효과: 신발 관리 및 교체 비용이 연간 약 10만원이상 절감된다. 이는 사용자에게 직접적인 경제적 이익을 제공한다.

ㆍ신발 수명 연장: 효과적인 건조 및 살균으로 인해 신발의 평균 사용 기간이 1년이상 증가한다. 이는 사용자에게 10~15만원의 추가 가치를 가져다준다.

ㆍ건강 증진: 신발 내부의 세균 및 곰팡이를 줄임으로써 사용자 건강 개선에 기여한다. 이는 무좀 등 여러 질병들을 예방할 수 있다.

ㆍ환경 및 윤리 문제: 친환경적인 제품 사용으로 CO₂ 배출이 감소하여 환경 보호에 기여한다. 또한, 사회적 책임을 다하는 기업 이미지 구축이 가능해져 윤리적 소비를 촉진할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

핫이슈 개발일정.png

구성원 및 추진체계

구성원 및 추진체계.png

설계

설계사양

제품의 요구사항

제품 요구사항.png

핫이슈 목적계통도.png


제품의 요구 사항과 희망 사항에 대한 것으로, 네 가지의 목적성을 위주로 평가하였다.

설계 사양

핫이슈 설계사양11.png

핫이슈 설계사양2.png

개념설계안

하드웨어

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핫이슈 제습방식.png

핫이슈 건조방식.png

핫이슈 온도센서.png

핫이슈 UV살균.png


소프트웨어

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핫이슈 이미지분류.png

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평가 및 분석

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위의 평가기준에 의거하여 하드웨어와 소프트웨어의 설계 방향을 정하였다.


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이로써 케이스 재질(폴리카보네이트), 제습 방식(펠티어 제습), 건조 방식(열풍 건조), 온도 센서(접촉식 센서), UV 살균(UV-C), 통신(블루투스 통신), 이미지 분류 모델(MobileNet)의 설계안을 확정하였다.

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초기 구상한 신발장 프레임에 대한 기본적인 틀은 위와 같다. 좌측을 저온 제습에 대한 공간, 우측을 고온 건조에 대한 공간으로 나누었다. 프레임의 중앙부에는 펠티어 모듈과 히터 모듈을 결합하는 개념이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

해석방법

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Figure 1 해석 관심 영역

해당 신발장의 열풍건조를 활용한 건조칸(오른쪽 칸)에 대해서 내부 유동을 시각적, 수치적으로 나타내고, 건조한 열풍이 신발까지 잘 도착할 수 있도록 해주는 덕트(유로)에 대한 설계 또한 검증하기 위해, 내부 유체(공기)영역에 대한 해석을 진행했으며, 편의상 습도에 대한 해석은 제외하였다. 우선, 펠티어 고온부에서 방출되는 폐열을 머금은 공기를 흡입시켜 줄 Fan이 필요하고, 해당 열로는 젖은 신발을 말리기 역부족이기 때문에, 추가적인 열원을 공급해줄 PTC히터가 필요하다. 그리고, 히터까지 통과한 공기를 실제 신발까지 잘 전달해줄 연결 통로인 덕트가 필요하다. 기껏 전력을 소모해가면서 공기를 가열시켜 고온부쪽에 전달한다고 해도, 덕트의 형상 자체가, 유동의 흐름을 막으면서, 에너지 손실(*열 손실)을 야기한다면, 문제가 되기 때문이다. 따라서, 열풍건조칸의 내부 유동과, 온도분포에 대해 분석하고, 그 결과에 따른 덕트 형상 설계에 대한 검증을 진행한다.


고체 형상 모델링

모든 고체 형상 모델링은, Autodesk Inventor 2025를 이용하여 진행했다.

덕트부 형상.png 

Figure 2 덕트부 형상


위 사진과 같이 덕트부가 들어가게 되며, 해당 덕트부를 덕트부(수)라고 하며, PTC히터(검은색)를 포함하게 된다. 그 사이 작은 여백의 경우, 4번과 5번에서 후술할 덕트부(암)이 결합될 공간이다. 해당 막대 형상인 이유는, 해당 두 형상에 젖은 신발을 꽂아, 신발 안쪽까지 열풍이 전달되도록 함인데, 볼 수 있다시피 뚫려있는 구멍들을 통해서 전달되는 구조이다.

신발 형상.png 

Figure 3 신발 형상


표준 남성의 발사이즈(275mm)에 해당하는 신발의 크기로 모델링하였다. Surface가 너무 많기 때문에, 해석시에는 조금 단순화하여 진행하였다.


해석과정

모든 해석은 Ansys 2021 R2 CFX를 이용하여 진행했다. 건조칸의 내부 실측 영역(가로*세로*높이=405mm*340mm*330mm)에 대한 Volume을 가지는 Fluid 영역을 먼저 설정하고, 해당 Fluid 영역에서 고체형상인 덕트부(수), 히터, 신발을 차례대로 Subtract하여 실제 흐르는 유동 영역을 확보한다. 즉, 유체 Domain을 추출한다.

추출된 유체 영역.png 

Figure 4 추출된 유체 영역


다음과정은 모델링된 유체영역에 대해서, Meshing 하는 과정이다.

Mesh.png 

Figure 5 Mesh

Default meshing parameter를 그대로 따랐으며, element size만 10mm로 수정하여 메싱을 짰다. 격자 Quality의 경우는 아래 표와 같다. 격자의 품질은 격자 개수, Skewness, Orthogonality로 평가할 수 있는데, Skewness 값은 0.25 이하, Orthogonality 값은 0.7 이상이면 양질의 격자품질로 볼 수 있다. 격자 개수는 많을수록 좋지만, 해석시간을 고려하여 적정 수준으로 선정하는 것이 합리적이다.

격자수 평균 Skewness 평균 Orthogonality 격자품질
3,960,314 0.2353 0.7639 상


다음은, 경계조건을 부여하여 해석하는 과정이다.

경계조건.png 

Figure 6 경계조건


Default Domain의 경우, 부력을 받는 Fluid domain으로 설정했으며, heat transfer는 thermal energy로 설정했다. 난류 모델의 경우, k-Epsilon으로 해석하였다. 또한, 팬으로부터 흡입된 공기가, 뜨겁게 발열되는 PTC히터를 통과하여 가열되어 나오는 구조이기 때문에, ①히터부 표면을 inlet으로 설정하였으며, 60도의 공기가 2.25m/s로 토출된다고 상정하였다. 공기의 온도는 히터 제작사의 제원을 따랐으며, 공기의 경우, 팬에서의 Airflow 제원이 106CFM이므로, 이를 부피유량으로 환산하여 0.0433m^3/s 의 값을 얻었고, Q = AV(면적 *속도)이므로, 히터가 실차지하는 면적(=A)인 120mm*80mm를 식에 대입하여 히터에서 토출될 것으로 예상되는 속도 4.5m/s를 얻었다. PTC히터의 경우, 지그재그 형상이기 때문에, 공기가 통과하기 쉬운 형상은 아니라고 생각하여, 손실되는 유속값에 대해서 보정계수 0.5를 곱하여, 2.25m/s가 토출된다고 상정하였다. 또한 빠져나가는 공기가 있어야 가열된 공기가 계속해서 들어올 수 있으므로, 배출 장치로써 환풍팬을 설치하였는데, ②해당 팬은 Outlet에 해당하며, 속도는 위에서 구했던 방식과 마찬가지로, 4.5m/s의 속도로 내부 공기가 밖으로 토출된다고 상정하였다.

경계조건을 부여한 이후, Solving의 과정을 거친다. CFD 해석과정에서 다루는 기본 지배 방정식은 다음과 같다:

방정식.png


결과

시간에 따른 연속적인 과정을 지켜보기 위해, Transient 해석을 진행했다.

왼쪽 신발
초기 상태
정상상태 1/4
정상상태 2/4
정상상태 3/4
정상상태
온도 분포
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속도 분포
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핫이슈 해석속도3.png
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핫이슈 해석속도5.png


온도 분포의 경우, 20℃ ~ 70℃까지 나타내며, 유속 분포의 경우 0m/s부터 4m/s까지 나타낸다.

신발 내부쪽과, 덕트의 구멍쪽에서, 유속이 매우 빨라짐을 알 수 있다. 이는 비점성 유체에 적용되는Bernoulli's equation에 의해 공기가 흐르는 면적이 작아져 유속이 증가했기 때문이다. 또한, Inlet부터 덕트의 Tip까지는 막힘없이 흐르지만, 구멍이 뚫린 덕트의 Tip부분에서는 거의 신발 내부로 막혀있기 때문에, 공기가 빠져나가지못하고 쌓여 있었을 수 있다.

이를 통해, 히터부에서 토출된 공기가 덕트의 형상에 방해받지 않고, 중간에 뚫어놓은 구멍을 통하여 의도한대로 신발 안쪽까지 유동이 잘 전달되고 있음을 알 수 있으며, 이는 건조시에 잘 마르지 않는 신발 안쪽을 효과적으로 건조시킬 수 있음을 나타내고, 설계한 덕트의 형상이 합리적임을 알 수 있다.

Meshing 단계에서 격자 품질을 해석한 결과, 양질의 품질을 얻었다고 판단할 수 있었고, transient 해석과정에서 Steady state까지 도달까지의 온도 Contour가 합리적이므로, 열풍건조칸 내부 유동의 Simulation 또한 합리적임을 알 수 있다.

상세설계 내용

조립도

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Figure 7 완성품

상기의 완성품 도면에 대하여 프레임 중앙부 좌측 부재에는 펠티어 모듈과 물받이함이 결합되어 있다. 한편, 프레임 중앙부 우측 부재에는 PTC 히터 모듈 및 덕트,프레임 우측면에는 환풍팬이 결합된다.

펠티어 모듈은 소형 방열판, 펠티어 소자, 대형 방열판이 결합되며, 중앙부 좌측 부재의 구멍에 소형 방열판이 들어가게 된다.

PTC 히터는 방열팬, PTC 히터가 결합되며, 중앙부 우측 부재의 구멍에 PTC 히터가 들어가게 된다.

신발 건조를 위한 덕트는 중앙부 우측 부재의 벽에 나사로 고정되며, 결합부에 대하여 PTC 히터와의 무게중심 위치가 같게 결합된다.

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Figure 8 조립도


부품리스트
항목 수량 부품명 재질
1 1 프레임 폴리카보네이트
2 1 환풍팬 ABS
3 1 펠티어 소형 방열판 알루미늄
4 1 펠티어 패드 고무
5 1 펠티어 대형 방열판 알루미늄
6 1 방열팬 ABS
7 1 PTC 히터 알루미늄
8 1 덕트부(암) PCCF
9 1 덕트부(수) PCCF
10 1 물받이함 PLA
11 1 뚜껑 PLA


상기의 조립도에서 신발장 프레임 중앙부의 펠티어 모듈과 PTC 히터 모듈 위주의 조립도 구성은 이후 바로 이어지는 '나. 조립순서'에서 다루도록 한다.

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Figure 9 프레임 상세 도면

신발장의 프레임을 구성하는 데 있어, 펠티어 모듈의 소형 방열판 및 PTC 히터의 치수를 고려해 각각 40.5mm X 60.5mm와 120.5mm X 120.5mm의 직사각형 구멍을 내었다. 3면에 반지름 1cm의 원형 구멍을 각 20개씩 내어 송풍이 원활하도록 하였으며, 뒷면은 7cm의 간격에 대해 큰 직사각형 구멍을 내었다. 이는 각 모듈의 조립 및 전자회로 구성을 위해 여유를 둔 것이다.

조립순서

핫이슈 프레임후면.png 

Figure 10 프레임 후면

Figure n은 프레임 후면에 대하여 각각 순서대로 PTC 히터 모듈, 펠티어 모듈이 결합될 직사각형 공간을 보여준다.

1. 펠티어 소형 방열판, 고무 패드를 결합하여 좌측 공간의 60.5mm X 40.5mm의 구멍에 넣는다.

2. 펠티어 대형 방열판을 70mm 너비의 중앙 공간으로 넣어 펠티어 소형 방열판과 나사로 연결한다.

핫이슈 펠티어모듈.png 

Figure 11 완성된 펠티어 모듈

3. PTC 히터와 팬을 결합한다.

핫이슈 PTC히터모듈.png 

Figure 12 완성된 PTC 히터 모듈

4. PTC 히터 모듈을 우측 공간의 120.5mm X 120.5mm의 공간으로 넣는다.

5. 덕트부(암), 덕트부(수)를 PTC 히터쪽 벽면에 차례로 연결하여 고정한다.

핫이슈 덕트결합1.png
핫이슈 덕트결합2.png
핫이슈 덕트결합3.png
Figure 13 덕트부 결합 순서


6. 우측면의 92.5mm X 92.5mm의 직사각형 구멍에 환풍용 팬을 고정한다.

7. 물받이함과 뚜껑을 프레임 좌측 공간의 바닥과 펠티어 모듈이 부착된 벽에 고정한다.

핫이슈 추후결합1.png
핫이슈 추후결합2.png
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Figure 14 환풍팬 및 물받이함 결합 순서


부품도

핫이슈 부품도환풍팬.png 

Figure 15 환풍팬 부품도


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Figure 16 소형방열판 부품도


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Figure 17 펠티어 고무 패드 부품도


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Figure 18 대형 방열판


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Figure 19 방열팬 부품도


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Figure 20 PTC 히터 부품도


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Figure 21 덕트부(암) 부품도


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Figure 22 덕트부(수) 부품도


핫이슈 부품도물받이함.png 

Figure 23 물받이함 부품도


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Figure 24 뚜껑 부품도


제어부 및 회로 설계

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Figure 25 회로도


회로도 부품리스트
번호 부품명 사용 전압 사용 전력
1 아두이노 우노 5V 2.5W
2 라즈베리파이 4B 5V 15W
3 카메라 모듈 5V 15W
4 7인치 디스플레이 5V 15W
5 PTC 히터 220V(AC) 750W
6 방열팬 220V(AC) ABS
7 펠티어 모듈 12V 72W
8 UV 스트랩 12V 2W
9 LED 스트랩 12V 2W
10 환풍팬 12V -
11 4채널 5V 릴레이 5V -
12, 13 1채널 5V 릴레이 5V -
14 SMPS 12V 79W


본 회로도는 두 개의 AC 단자(250V, 220V)와 DC 단자(5V) 총 세 개의 전원으로 구성되었다. 첫번째로, 용량이 250W인 12V SMPS에 아두이노 우노, 펠티어 모듈, 환풍 팬, UV 및 LED 모듈이 전원을 공급받는다. 이때 사용되는 총 전력은 79W로 안정적인 전력 공급이 가능할 것으로 예상된다. 두번째로 220V(AC) 파워 케이블에서 PTC 히터와 팬을 연결해 전력을 공급한다. 이 때 사용되는 전력은 최대 750W이다. 세번째 전원에서는 라즈베리파이4B와 카메라 및 디스플레이에 5V 3A 어댑터를 통해 총 15W의 전력을 공급한다.

한편 5V 전압을 사용하는 아두이노 우노에게 데이터를 전달하기 위해, 5V 릴레이모듈을 통해 전압을 변환시킨다. 이 때 사용된 릴레이 모듈은 총 3개로, 펠티어와 PTC 히터에 각각 1채널 릴레이, UV 및 LED 모듈과 환풍 팬에 4채널 릴레이가 사용되었다. 이를 통해 아두이노는 온습도 신호뿐만 아니라 앞선 부품들의 on-off 제어가 가능해진다. 또한 아두이노와 라즈베리 파이의 USB 시리얼 통신을 통해 데이터를 송수신하여 부품 제어가 가능하도록 한다. 이때 라즈베리 파이는 처리한 알고리즘 결과값을 바탕으로 아두이노에 명령 데이터를 전송하고, 아두이노는 라즈베리파이로부터 수신된 데이터를 처리하여 연결된 부품을 제어한다.

회로 설계 및 조립 이후, 프로젝트 목적에 부합하는 상세 코드를 작성 및 수정과정을 거듭하여 회로의 정상작동을 도모하고자 한다.

소프트웨어 설계

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Figure 26 디스플레이 플로우차트

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Figure 27 아두이노 제어 플로우차트


Figure 26는 디스플레이 앱의 실행을 나타내는 플로우차트로, 스마트 신발장 시스템에서 제습 칸과 건조 칸에 대한 정보를 실시간으로 표시하는 과정을 설명한다. 본 디스플레이 Python을 사용하여 tkinter로 개발되었으며, 사용자에게 신발장 내부의 상태를 시각적으로 전달하는 역할을 한다.

UI화면.png 

Figure 28 디스플레이 화면 예시


앱은 실행 후 아두이노와의 시리얼 통신을 통해 온도와 습도 값을 실시간으로 받아온다. 이 정보는 제습 칸 화면에 표시되며, 제습 칸은 온도와 습도의 변화를 실시간으로 모니터링한다. 이를 통해 사용자는 신발장이 제습 기능을 제대로 수행하고 있는지 확인할 수 있다. 제습 칸 화면은 온도 및 습도 값 외에도 상태를 나타내는 색상이나 텍스트로 직관적으로 표시되어 사용자가 쉽게 상태를 파악할 수 있다. 반면, 건조 칸은 온도와 습도 값을 표시하는 것 외에도 추가적인 작업을 수행한다. 사용자가 신발을 건조 칸에 넣으면, Raspberry Pi Camera Module 3을 사용하여 신발 이미지를 촬영한다. 이 이미지는 Teachable Machine을 통해 학습된 딥러닝 모델에 입력되어 신발 종류를 추론한다. 모델은 신발 종류를 예측하고, 예측된 결과는 앱으로 전달된다. 앱은 추론된 신발 종류와 사용자가 넣은 신발을 비교하여, 두 값이 일치하는지 확인한다. 만약 추론된 신발 종류와 사용자가 넣은 신발이 일치하지 않으면, 앱은 사용자에게 재촬영 알림을 보내고, 신발을 다시 촬영한다. 일치하면, 신발 종류가 건조 칸 화면에 표시되며, 남은 시간이 계산되어 화면에 표시된다. 이 과정에서 온도와 습도 값뿐만 아니라, 각 신발 종류에 적합한 건조 설정이 적용된다. 건조 칸의 화면은 실시간으로 남은 시간을 업데이트하며, 건조가 완료될 때까지 계속해서 메인 화면에 표시된다. 남은 시간이 0이 되면 건조가 완료된 것이며, 앱은 자동으로 종료되고 처음 화면으로 돌아간다. 이 과정은 사용자가 건조 상태를 손쉽게 모니터링하고, 필요 시 조정할 수 있도록 직관적으로 디자인된다.

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Figure 29 Teachable Machine 사용 가이드


본 프로젝트는 스마트 신발장 시스템을 구축하여, 신발 종류에 맞는 최적의 건조 코스를 자동으로 추천하는 기능을 제공한다. 이를 위해 신발 종류를 정확하게 분류하는 딥러닝 모델을 개발하며, 각 신발의 종류를 추론해야 한다. 이를 위해 Teachable Machine을 활용하여 이미지 분류 모델을 학습시키고, 이를 바탕으로 최적의 건조 코스를 제공하는 시스템을 구현한다.

Teachable Machine 은 Google에서 제공하는 인공지능 학습 툴로, 사용자들이 코드 없이 이미지, 소리, 포즈 등을 학습시킬 수 있는 도구이다. 이 플랫폼은 딥러닝 모델을 쉽게 학습하고, 실시간으로 예측을 수행할 수 있도록 설계되었다. 이미지 분류 작업에 있어, Teachable Machine은 데이터를 업로드하고, 각 클래스별로 모델을 훈련시킬 수 있는 직관적인 인터페이스를 제공한다. 본 프로젝트에서는 Teachable Machine을 사용하여 신발 이미지를 분류하는 모델을 학습시킬 예정이며, 분류된 신발 종류에 따라 최적의 건조 코스를 자동으로 추천할 예정이다. Teachable Machine에서 사용되는 모델은 주로 전이 학습(transfer learning) 기법을 기반으로 한다. 전이 학습은 이미 사전 학습된 신경망을 활용하여 새로운 데이터에 대한 학습을 효율적으로 수행하는 방법이다. 이 플랫폼에서는 일반적으로 MobileNet과 같은 사전 학습된 모델을 사용한다. 특히 이미지 분류와 포즈 추적 작업에서는 MobileNet과 같은 경량화된 모델을 활용해 빠르고 정확한 결과를 도출할 수 있다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

핫이슈 최종모델정면.png핫이슈 최종모델뒷면2.png

성능 평가

A. 제습 기능 테스트

1) 온습도 변화

핫이슈 성평1.png

시간의 흐름에 따라 펠티어 모듈이 작동하면서 신발 내부의 온도는 서서히 감소하고, 습도 또한 낮아지는 경향을 보인다. 초기에는 상대 습도가 높고 온도가 낮지 않지만, 펠티어 모듈이 작동함에 따라 이 두 값은 특정한 목표 값으로 수렴하게 된다. 이 과정은 일반적으로 몇 분에서 몇 십분까지 걸리며, 신발의 재질과 초기 습도 상태에 따라 다소 차이가 있다.

2) 전력

시간(분) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
전력(W) 44.2 42.8 40.8 40.6 40.2 39.8 40.4 40.2 40 40 39.8 40.4 40.2


핫이슈 성평2.png

평균 40.72W로 기존 컴프레셔 제습 방식의 경우 보다 약 80% 전력을 감축할 수 있다. 이를 통해 장시간 작동이 가능하고, 매일 6시간씩 제습을 이용한다고 할 때 월평균 7.33kW/h, 4,690원 절약 가능하다.

3) 소음

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작동 소음 측정 결과 47dB 으로 조용한 사무실 정도의 소음으로, 일반적인 대화 소음(60dB)보다 낮아 좁은 주거 공간에서도 사용 가능하고 장시간 작동 시에도 사용자에게 불편함을 최소화한다. 이를 통해 기존 압축식 제습 장치나 고출력 건조 기기에 비해 소음 감소로 차별화할 수 있다. 특히 유아가 있는 가정, 야간 사용에서 소음 스트레스가 적어 장시간 사용 가능하다.

B. 건조 기능 테스트

1) 온습도 변화

핫이슈 성평4.png

시간의 흐름에 따라 PTC 모듈이 작동하면서 신발 내부의 온도는 증가하는 반면, 습도는 낮아지는 경향을 보인다. 초기에는 신발에 맺힌 물이 증발하여 습도가 증가하지만, PTC 모듈이 작동함에 따라 습도는 58% 부근에서 극대점을 갖고, 30분 이후부터는 한자릿수만을 기록한다. 한편, PTC 모듈의 작동과 함께 온도는 꾸준히 증가하여 45°C 부근에 머무른다.

2) 신발 건조 성능 확인

신발의 건조 성능을 측정하기 위해 기존 600g의 신발을 800g까지 물을 적신 다음 1시간동안 건조를 진행하였다. 건조 결과 608g의 무게를 나타내었고, 이는 96%의 신발 건조가 완료되었음을 알 수 있다. 800g의 무게는 신발을 완전히 물에 담갔다 뺐을 때의 무게로, 일반적인 사용 환경에서 신발이 물에 젖었을 때 1시간 내로 충분히 빠르고 효과적으로 건조 가능함을 알 수 있다.

핫이슈 성평5.png

3) 전력

시간(분) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
전력(W) 651.6 632.6 630.6 626.4 626 625.2 624.8 623.8 623.8 623.2 622.6 620.8 620.4

핫이슈 성평6.png


시간(분) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
전력(W) 679 659.6 658 654.4 651.8 652 650.2 648.8 646.6 647.2 646.2 646 649.4

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히터만 작동시, 20분 후부터 620W 부근으로 수렴하며 펠티어 및 히터 모두 작동시, 20분 후부터 650W 근방으로 수렴하는 모습을 확인 가능하다.

4) 소음

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작동 소음 측정 결과 55 dB 으로, 저소음은 아니지만 주거 및 업무 환경에서 장시간 사용이 가능한 실용적 소음 수준이다.

5) 신발 종류별 작동 테스트

운동화, 슬리퍼, 구두, 부츠의 네 가지 종류에 대해 이론적 최대 온도와 실험 결과를 비교한 결과, 다음 조건에서 90% 이상 건조됨을 확인하였다.

- 온도(℃) 시간(min)
운동화 42 75
슬리퍼 40 55
구두 40 65
부츠 32 70


6) 신발 종류별 작동 테스트

고무, 면(합성피혁), 가죽, 스웨이드의 네 가지 재질에 대해 이론적 최대 온도와 실험 결과를 비교한 결과, 다음 조건에서 90% 이상 건조됨을 확인하였다.

- 온도(℃) 시간(min)
고무 40 55
면(합성피혁) 45 75
가죽 30 70
스웨이 28 50


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C. 살균 테스트

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실내외 광원을 모두 차단, 신발장 내부의 UV-C 램프만을 작동시켜 감광지 내부의 ‘UVC’ 문자가 모두 반응한 것을 확인하였다.

D. 에너지 효율 테스트

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시간당 전력 소모가 같기에, 특정 온도까지 도달하는 데 있어 걸린 시간의 비가 곧 에너지 효율의 비로 이해할 수 있다. 동일 온도 40°C에 대하여 도달하는 데 걸린 시간은 폐열 활용시 1546초, 비활용시 1894초이다. 따라서 1894/1546 ≒ 1.225, 약 22.5% 에너지 효율을 추가로 얻는다.

E. 딥러닝 테스트

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평균 정확도 0.95, 평균 손실 0.24로 높은 성능을 보였다.

작동 중 디스플레이 화면

UI화면.png

포스터

핫이슈 포스터.jpg

관련사업비 내역서

항목
(번호, 품명) 		수량 단가 금액 비고
계 현금
1 펠티어 쿨링 키트-우노팩 1 ₩56,650 ₩56,650 ₩56,650
2 [BD148] Coms 디지털 온습도계 1 ₩4,560 ₩4,560 ₩4,560
3 [Raspberry Pi] 라즈베리파이 카메라모듈 3 1 ₩44,500 ₩44,500 ₩44,500
4 UVC 자외선 살균 램프 스트립 1 ₩12,540 ₩12,540 ₩12,540
5 DHT11 온습도 센서모듈 1 ₩1,760 ₩1,760 ₩1,760
6 PTC팬히터 Type M( Fan Heater Type M) 1 ₩55,000 ₩55,000 ₩55,000
7 신발장케이스 1 ₩460,000 ₩460,000 ₩460,000
8 고용량 멀티탭 3구 1 ₩18,000 ₩18,000 ₩18,000
9 220V 파워 케이블 1 ₩4,900 ₩4,900 ₩4,900
10 3D 프린팅 1 ₩70,000 ₩70,000 ₩70,000
11 아두이노 4채널 5V 릴레이 모듈 1 ₩2,860 ₩2,860 ₩2,860
12 아두이노 1채널 5V 릴레이 모듈 3 ₩1,210 ₩3,630 ₩3,630
13 라즈베리파이 터치스크린/카메라용 리본케이블 50cm 1 ₩1,980 ₩1,980 ₩1,980
14 고무롤자석(10mm x 5M x 1.5t) 1 ₩4,840 ₩4,840 ₩4,840
15 나노 아크릴 양면테이프-2x30(mm) 길이 3M 1 ₩3,740 ₩3,740 ₩3,740
16 12V 5730 미니 LED바 6구 (화이트) 1 ₩2,420 ₩2,420 ₩2,420
17 접시머리 십자볼트 탭핑스크류 (1종) M38 백색 20 ₩11 ₩220 ₩220
18 접시머리 십자볼트 탭핑스크류 (1종) M410 백색 20 ₩22 ₩440 ₩440
19 AM2302/DHT22 아두이노 온습도 센서 모듈 1 ₩7,810 ₩7,810 ₩7,810
20 점퍼와이어 GSH-05403 (500mm, M/F) 1 ₩8,580 ₩8,580 ₩8,580
21 12V 1채널 릴레이 모듈 Trigger 선택형 1 ₩1,650 ₩1,650 ₩1,650
22 지킴이 단열필름 그린 5m 자외선차단필름 1 ₩25,620 ₩25,620 ₩25,620
23 곽씨네 슈퍼 가구 다리 높이조절발 1 ₩17,920 ₩17,920 ₩17,920
24 시트나라 창문 무점착 암막시트지 1 ₩11,620 ₩11,620 ₩11,620
25 DHT22 아두이노 온습도 센서 모듈 1 ₩1,990 ₩1,990 ₩1,990
26 UVA UVC 파장 표시기 10 개 1 ₩15,210 ₩15,210 ₩15,210

완료작품의 평가

평가항목 평가방법 적용기준 개발 목표치 비중(%) 평가 결과
저온 제습 기능 제습 공간 내부 습도  % 40% 이하 30% 5분 이내로 40% 이하로 수렴
열풍 건조 기능 물 200g 투입, 건조 후 신발의 수분 함량 g 10g 이하 30% 1시간 후, 8g까지 감소
살균 기능 UV-C에 반응하는 감광지의 면적 비율  % 100% 5% 감광지의 모든 면적이 UV-C 램프에 반응
에너지 효율 동일 온도 도달시 전력효율  % 20% 이상 15% 40도를 기준으로, 폐열을 활용했을 때, 22.5%의 에너지 이득
소음 방열팬 데시벨 측정 dB 60dB 이하 10% 55dB
이미지 분류 AI를 통한 신발 분류 정확도  % 90% 이상 5% 95%
사용자 편의성 만족도 설문 조사  % 85% 이상 5% 87.8%

향후계획

이번 프로젝트를 통해 펠티어 모듈을 활용한 스마트 신발장을 개발하여 크게 제습, 건조, 신발 분류 기능을 성공적으로 구현하였다. 각 개별 기능으로 첫번째 제습 기능은 펠티어 모듈을 활용하여 기존 압축식 제습 방식에서 발생하였던 소음문제를 효과적으로 개선하였으며 제습 성능으로 목표치였던 5분 이내로 습도 40% 이하를 안정적으로 유지할 수 있었다. 두번째로 건조 기능은 펠티어의 고온부에서 발생하는 폐열 및 이를 냉각하기 위한 팬에 의한 바람을 활용하여 PTC히터의 성능을 22.5%이상 개선시켰다. 열풍건조 성능 목표치였던 1시간 내에 신발을 95% 이상 건조하는 데 성공하였다. 마지막으로 AI 를 활용한 신발 분류모델은 MobileNet을 사용하여 직접 데이터셋을 만들어 학습을 시켰고 실제 테스트 결과 목표치였던 90% 이상의 정확도로 신발을 분류할 수 있었다. 이렇게 분류한 신발은 열풍건조시스템과 결합되어 AI 추천 코스를 제공하여 사용자 편의성을 높였다. 또, 부가적인 기능으로써 제습부의 UV살균 기능, UI 등등 여러 기능을 추가로 구현하여 완성도를 높였다. 이러한 결과를 통해 스마트 신발장을 성공적으로 구현할 수 있었다.


그러나 몇 가지 보완할 점이 존재한다. 신발 분류 모델은 대분류에서는 높은 정확도를 보였으나, 세부적인 카테고리로 분류하는 데에 한계가 있었다. 4가지의 대분류로 운동화, 구두, 부츠, 슬리퍼가 존재하며 각각의 코스가 제공되지만 실제 신발을 건조하는 데에는 각 4가지 분류 내에서도 재질이 각자 다르기에 더욱 세분화를 시켜야 완벽한 코스를 제공할 수 있기 때문이다. 이는 단기간의 프로젝트로 진행하는 한계에서 발생하는 문제로 카테고리를 세분화시킬 정도의 데이터셋을 구하기는 힘들었다. 또한, 건조 제어 방식은 하드웨어상의 한계로 온-오프 방식으로 설계를 할 수밖에 없어 에너지 효율성과 정밀한 온도 제어 측면에서 다소 부족한 부분이 있었다고 할 수 있으며, 이를 개선하기 위해 PID 제어 방식을 도입한다면 보다 안정적이고 효율적인 건조 성능을 제공할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.


이러한 보완점을 개선해 나감으로써 스마트 신발장은 더욱 완성도 높은 제품으로 발전할 수 있을 것이라고 기대할 수 있다.

특허 출원 내용

번호통지서.png


부록

참고문헌 및 참고사이트

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관련특허

신발건조기 및 그 제어방법  1020200094017 (2020.07.28)

슈즈 케어 장치 및 방법  1020210158769 (2021.12.31) 

다용도 건조기  1020030041538 (2003.06.25) 

위생 신발장 2020020012669 (2002.04.25)

깃허브 레파지토리

https://github.com/Kseorang1218/capstone-design.git

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