6조-핫이슈
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.
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.
1. 습도 유지 시스템은 펠티어 모듈을 활용하여 신발장 내부의 습도를 효과적으로 제어하며, 이를 통해 신발의 변형과 손상을 최소화하고 최적의 보관 환경을 제공한다.
2. 열풍 건조 기능은 열선과 팬을 이용한 시스템을 구현하여 뜨거운 열선을 통과한 바람으로 젖은 신발을 신속하고 효과적으로 건조한다.
3. UV 살균 기능은 UV 램프를 이용하여 신발 내외부의 세균과 악취를 제거한다.
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.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
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
1834년, 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.
2020년대에는 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
19세기 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.
1950년대에 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.
2000년대 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
1950년대부터 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.
2010년대 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
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
타겟 마케팅: 신혼부부, 소형 아파트 거주자, 운동선수, 다수의 신발을 소유한 소비자 등 특정 타겟 시장을 정의하여 집중 마케팅을 실시한다.
브랜드 인지도 구축: 소셜 미디어 캠페인, 인플루언서 마케팅을 통해 제품의 인지도를 확대한다. 사용자 리뷰 및 추천을 통한 신뢰성을 구축한다.
가격 전략: 타 제품보다 저렴하면서도 많은 기능을 갖추고 있음을 강조한다.
지속 가능한 마케팅: 펠티어 소자는 저전력으로 작동하여 에너지 소비를 줄이고 환경 보호에 기여한다. 이를 통해 환경 보호와 지속 가능성을 강조하는 마케팅 메시지를 통해 환경을 중시하는 소비자들에게 긍정적인 브랜드 이미지를 구축할 수 있다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
가. 해석방법
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.
나. 고체 형상 모델링
모든 고체 형상 모델링은, Autodesk Inventor 2025를 이용하여 진행했다.
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.
표준 남성의 발사이즈(275mm)에 해당하는 신발의 크기로 모델링하였다. Surface가 너무 많기 때문에, 해석시에는 조금 단순화하여 진행하였다.
다. 해석 과정
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.
다음과정은 모델링된 유체영역에 대해서, Meshing 하는 과정이다.
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.
다음은, 경계조건을 부여하여 해석하는 과정이다.
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:
라. 결과
시간에 따른 연속적인 과정을 지켜보기 위해, Transient 해석을 진행했다.
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 빠져나가지못하고 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
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결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
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포스터
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완료작품의 평가
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향후계획
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