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6조-과기간짱돌

2020-06-28T17:02:06Z

2020.1admse6: /* 기술개발 일정 및 추진체계 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석

1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===

====구성원 및 추진체계====

김현우: 자료 조사 및 발표자료 제작, 작동부 제작 담당

손웅희: 작동부 제작 담당

이주형: 팀장, 지휘 및 감독, 회로부 제작 담당

조재영: 문서 작성 및 재료 구매, 회로부 제작 담당

양예림: 캡스톤 문서 담당, 자료 조사 및 발표자료 제작, 작동부 제작 담당

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.

- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.

- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.

- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

[[파일:힘측정.png]]
[[파일:이동거리측정.png]]

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법
작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.
탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과
18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
'''A-1 참고문헌 및 참고사이트'''

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

'''A-2 관련특허'''

1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

7조-엄마이거먹어도되조

2020-06-28T17:01:05Z

2020.1admse6: /* =포스터 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 신소재종합설계

''' 영문 : '''

===과제 팀명===
엄마 이거 먹어도 되조

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 김*식 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 이*웅

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 이*윤

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 조*식

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 전*연

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
육류의 부패는 여러 가지 원인에 의해 발생하며, 부패 시 단백질 내에 증식하는 세균에 의한 아미노산 대사 과정에서 암모니아, 황화수소, 알데하이드, VOC (Volatile Organic Compound)와 같은 악취성 가스가 발생한다. 그 중 황 화합물의 일종인 황화수소(H2S)는 신선한 육류에서 발생 농도가 ppb 수준이나 부패 시 수~수백 ppm 수준으로 급격히 증가함소비자는 변색, 악취 등으로 육류의 부패 여부를 어느 정도 판별할 수 있다. 일반적으로 인간의 코는 20ppb 이상의 황화수소 농도를 감지할 수 있지만, 약 5ppm 이상의 상한 육류는 때때로 상하지 않은 것과 구분하기 힘들어, 소비자가 이를 모르고 섭취했을 경우 식중독, 장염 등 여러 가지 질환을 야기할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 과제는 육류가 부패하였을 때 색깔 등이 변하여 소비자가 육류의 부패 여부를 시각적으로 손쉽게 알 수 있도록 돕는 스티커의 설계를 목표로 하고 있다.

====개발 과제의 배경 및 효과====
• 육류의 부패 여부 인지의 어려움
육류의 신선도를 일반 소비자들이 정확히 식별하기란 매우 어렵다. 냄새나 육안만으로는 부패 여부를 쉽게 알 수 없으므로 소비자는 육류의 신선도를 제조연월일과 유통기한의 경과 여부만으로 파악할 수밖에 없다. 하지만 유통기한이 경과했음에도 식용 가능할 정도로 신선도가 유지되고 있는 육류가 음식물 쓰레기로 버려지기도 하고, 반대로 유통기한 이내의 육류라 할지라도 유통 및 보관 상태가 양호하지 않아 변질되어, 섭취 후 식중독과 장염 등의 질환이 발생할 수도 있다. 육류는 부패성이 높기 때문에 특히 여름철과 같이 기온이 높고 습한 환경에서는 이러한 문제가 발생할 염려가 더욱 크다.

• 음식물 쓰레기 문제
대한민국 환경부 환경통계에 따르면 2015년 기준 하루에 버려지는 음식물 쓰레기의 양은 15,340톤에 달했다. 이 통계에서 전체 음식물 쓰레기의 상당 부분인 70%가 가정 및 음식점에서 버려지는 것으로 나타났으며, 버려지는 음식물을 세부 항목으로 나누어보면 유통 및 조리과정에서 57%, 먹고 남긴 음식물이 30%, 보관 및 매기 식재료가 9%, 먹지 않은 음식물이 4%였다.[1] 이처럼 유통과정이나 보관 및 판매 과정에서 변질되어 버려지는 식자재의 비율이 전체 음식물 쓰레기 중 상당 부분을 차지하는 것을 알 수 있다.

• 음식물 부패 감지 센서
위와 같은 문제점들을 해결하기 위해 본 과제는 소비자들이 육류의 부패 여부를 손쉽게 알 수 있도록 하는 도구의 제작을 목표로 하였다. 육류가 부패 등의 원인으로 변질되면 황화수소(H₂S), 암모니아(NH₃), 아민(amine), 메탄(methane) 등 악취를 유발하는 가스가 생성되고 맛, 색, 점성, 산가 등이 변한다. 따라서 이러한 변화를 식별하여 육류의 부패 여부를 확인할 수 있다. 이 원리를 응용하여 기존에 이미 신선도 감지 휴대용 센서, 음식의 부패 여부를 감지하여 스마트폰으로 경고 알림을 보내주는 전자 태그 등 다양한 음식물 부패 감지 센서가 개발되어 있다. 그러나 기존의 제품들은 가격적인 요소나 사용의 편리성 등을 고려해보았을 때 소비자들에게 다가가기 어려운 제품들이 대다수이다. 따라서 본 과제는 부패 감지 기능을 가진 저렴하면서도 이용에 편리한 제품을 설계함으로써 남녀노소 누구나 간편하게 이용할 수 있는 육류 부패 감지 센서를 제작하고자 한다.

====개발 과제의 목표 및 내용====
• 신뢰성
본 과제는 육류의 부패 시 발생하는 가스에 초점을 맞추었다. 육류 등이 부패하였을 때 황화수소, 아민, 메탄가스 등이 발생하는데, 발생한 가스를 센서가 감지하여 음식의 부패 여부를 판단한다. 이때, 센서가 감지하는 가스는 육류가 부패하였을 때에만 나오는 가스여야 하고, 센서는 특정 가스만 선택적으로 감지해야 한다. 이로써 소비자가 육류의 부패 여부를 확실하게 식별할 수 있는 제품을 제작한다.

• 정확성
제품에 사용되는 센서는 적은 양의 가스 분자에도 민감하게 반응하여, 육류가 부패하기 시작했을 때 발생한 미량의 가스도 효과적으로 감지할 수 있어야 한다. 또한, 부패의 진행도에 따라 제품 색의 채도 등이 달라지도록 하여, 소비자가 육류의 부패 진행도를 확실하게 알 수 있도록 도와 식자재 관리를 더욱 원활하게 한다.

• 디자인
제품을 스티커 형태로 제작하여 남녀노소 누구나 손쉽고 빠르게 사용할 수 있도록 제작한다. 육류 부패 정도에 따라 색이 변화하는 것을 보여주어 소비자들이 직관적으로 육류의 부패 진행도를 알 수 있도록 한다. 부패 정도에 따른 색 변화 표를 설명서 등에 첨부하여 소비자의 이해를 돕는다.

• 안정성
밀폐 용기 등에 보관된 육류의 부패 여부를 알기 위해 용기 내부에 스티커를 부착하였을 때, 용기 내부의 수분으로 인해 접착력이 약해져 스티커가 쉽게 떨어지지 않아야 한다. 또 음식물이 스티커에 닿거나 소비자가 스티커를 손으로 만지는 등 외부의 충격이 가해진 상황에서 부패 감지 능력이 손상되지 않도록 높은 내구성과 안정성을 지닌 제품을 제작한다.

• 경제성
스티커 형태로 제작하여 재료적인 측면에서 원가를 최대한 절감하고, 대량 생산이 가능하도록 하여 저렴한 가격으로 판매자와 소비자에게 쉽게 다가갈 수 있도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황
• 탄소나노튜브를 활용한 센서 [1]

센서 소자로 코발트 원소를 지닌 금속포르피린(metalloporphyrin)으로 화학 처리한 탄소 나노튜브를 활용했다. 고기가 부패할 때 푸트레신과 카다베린이라는 생체 아민이 발생하는데 금속포르피린이 아민과 쉽게 결합하기 때문이다. 부패한 고기에서 발생한 아민이 금속 포르피린과 아민이 결합하면 탄소 나노튜브 소자에 흐르는 전류가 감소하는 것이다. 저렴하면서도 작다는 장점이 있지만 센서의 반응을 나타내는 추가적인 기기가 필요하고 사용하기 어렵다는 단점이 있다.

• 전자태그를 활용한 센서 [2]

해당 연구진은 음식이 부패할 때 방출되는 물질인 “생체 아민(biogenic amines)”에 매우 민감한 소형 가스 센서를 만들었고, 그 후에 제품을 추적하는 근거리 통신 태그를 같이 삽입했다. 감지 센서가 제대로 작동하는지를 조사하기 위해서 제품 태그가 부착된 육류를 화씨 86도에 방치했다. 생체 아민이 생성됐을 것이라고 추정될 때에 센서는 생체 아민을 감지하고 스마트폰으로 부패된 고기의 존재를 알렸다. 이 제품은 높은 정확도를 갖고 있지만 제품 자체의 큰 부피와 스마트폰과 같은 추가적 장비가 필요하다는 단점이 있다. 즉각적인 부패 인지가 불가능하다는 점과 추가적인 장비의 부재로는 확인할 수 없다.
[[파일:State of art-전자태그를 활용한 센서.png]]

• 휴대용 부패 감지 센서 [3]

본 발명은 사용자가 휴대하면서 음식물 부패 검출이 필요할 때 언제든지 간편하게 사용하기 위한 것으로서, 검출부에서 음식물의 부패 시 발생하는 물질을 검출하는 재질로 이루어진 검출 막대를 포함하는 휴대용 식품 부패 검출 장치를 제공한다. 상기 검출부의 검출 막대에는 수산화칼슘, pH용지, 지시약, pH 민감성 고분자 물질 또는 암모니아 감지 센서 또는 인디고 카민 용액을 함유한 천 등로 이루어진 그룹에서 적어도 하나 이상 선택된 것이 제공된다. 또한 본 발명의 휴대용 식품 부패 검출 장치는 상기 몸체부 내부의 경로에 공기가 유입될 때 함께 흡입되는 상기 음식물 부스러기를 상기 저장부로 향하도록 폐쇄되고, 내부의 공기가 외부로 배출될 때 내부 공기가 통과하도록 개방되는 개폐부를 포함한다.
제품의 부패를 지속적으로 확인할 수 없는 한계를 지니고 있으며 큰 크기와 사용방법이 복잡해 일반적인 소비자들이 사용하기 힘들다는 단점이 있다.
[[파일:State of art-휴대용 부패 감지 센서.png]]

*특허조사 및 특허 전략 분석

본 발명의 관련 선행기술들로는 등록특허 제0539567호, 등록특허 제1192651호, 등록특허 제1571819호가 있다.

등록특허 제0539567호는 식품의 pH를 확인하여 부패를 감지하는 장치로, 감지를 위해서는 식품과의 직접적인 접촉이 필요하며 측정 결과를 확인할 때마다 덮개를 개방하여야 하는 번거로움이 있다.

등록특허 제1192651호는 식품 부스러기의 흡입을 통해 부패를 감지하는 장치로, 주기적인 충전을 요구하며 휴대성이 좋지 않아 사용이 간편하지 않다.

등록특허 제1571819호는 컴퓨터 알고리즘을 이용한 육류 신선도 검사 장치로, 휴대성이 나쁘고 일반적인 소비자들이 사용방법을 숙지하기 어렵다.

[문헌 1] KR 10-0539567 B1, 2005. 12. 22 / 2005. 12. 29
[문헌 2] KR 10-1192651 B1, 2012. 10. 12 / 2012. 10. 19
[문헌 3] KR 10-1571819 B1, 2015. 11. 19 / 2015. 11. 30

*기술 로드맵

상기 특허들의 공통적인 단점은 복잡한 제작과정과 비싼 가격으로 일반적인 소비자들이 사용하기 어렵다. 또한 부패 감지를 위해 추가적인 장비를 사용해야 한다. 따라서 본 팀 제품의 기술 로드맵 및 특허 전략은 다음과 같다.

• 높은 정확성과 신뢰도
[[파일:기술로드맵-높은 정확성과 신뢰도.png]]
본 논문에 따르면 육류에 있어서 반응 전과 후의 차이가 가장 큰 가스가 황화수소임을 알 수 있다. 그리고 일반적으로 부패를 하게 되면 수십ppm~수백ppm 수준으로 황화수소 가스가 발생되게 된다. 본 팀이 사용하는 Cu-PAN gel을 이용하게 되면 이론적인 계산으로 수십 ppm수준에서 색변화가 점차 일어나는 것으로 확인된다. 따라서 소비자가 직접적으로 색변화를 감지할 수 있게 하여 높은 정확성을 얻고자 하였고 반응성이 좋은 Cu-PAN을 사용함으로써 높은 신뢰도를 얻고자 하였다.

• 높은 수율을 통한 저렴한 원가

본 팀의 이론적인 계산에 의하면 H2S가스 반응 물질로 작용하는 Cu-PAN gel을 한 실험 과정 당 275ml 제작할 수 있게 된다. 이때 필요한 재료들의 원가는 3456원이다. 각각의 probe의 두께는 1mm로 설정하였을 때 총 687개의 probe를 제작할 수 있어 높은 수율을 얻을 수 있다. 그 결과 최종 제품의 원가는 5원으로 책정할 수 있다. 따라서 기타 재료 및 필름의 비용을 고려하였을 때 최종 원가를 10원 이내로 예상할 수 있다. 저렴한 원가를 통해 본 제품의 경쟁력을 기대할 수 있다.

• 편리한 이용성

본 발명품은 여드름패치의 형태에 착안해서 부패방지 스티커를 제작하고자 한다. 따라서 부패방지 스티커가 제작이 되면 밀폐용기 또는 육류가 담겨있는 용기에 부착만 하면 고기의 부패여부를 색변화를 통해 파악할 수 있다.

• 간단한 제작방법

특허청에 공개되어있는 특허들에 의하면, 일반적으로 복잡한 제작방법을 띄고 있다. 또한 논문들을 찾아본 결과 H2S가스에 대한 선택적인 반응을 위해 제일 많이 이용하는 방법은 형광을 이용한 stokes shift이다. 즉 발광 파장의 peak에 차이를 두어서 색변화를 유도한다. 하지만 이는 복잡한 제작방법을 가지고 있어 일반적인 대량생산을 통해 소비자에게 유통하기 어려운 단점이 있다. 따라서 본 팀은 상대적으로 간단한 CU-pan을 제작하고자 하였으며, 이를 이용한 스티커 형식으로 제작하고자 한다.

• 육류 부패시 발생하는 H2S 가스의 선택적 검출 반응

일반적으로 공증에 공개되어있는 고기 부패에 대한 특허는 생체아민, 암모니아에 대한 반응성에 대한 연구이다. 본 팀은 고기 부패 전과 후에 발생이 뚜렷한 황화수소가스를 감지하도록 하여 Colorimetry 방법을 이용하도록 한다. H2S가스의 경우 특정 수준 이상의 ppm에 도달하게 되면 쾌쾌한 냄새를 유발하지만 사람의 객관적인 판단으로는 고기의 부패를 객관적으로 확인할 수 없다. 결론적으로 H2S 가스의 선택적 검출 반응을 이용하고자 한다.

====시장상황에 대한 분석====
* 경쟁제품 조사 비교

• 휴대용 부패 측정기, "페레스 전자코(Peres e-nose)"

[[파일:image21.png]]

· 업체명 : 페레스(Peres)
· 가격 : 120달러(한화 약 146,000원)
· 출처 : https://plus.hankyung.com/apps/newsinside.view?aid=201405194857A&category=AA006&sns=y

이 제품의 경우 돼지고기, 소고기, 닭고기, 오리고기, 생선 등 육류와 어패류의 부패를 측정할 수 있는 휴대용 전자기기이다. 기기를 고기 가까이 대고 버튼을 누르면 센서가 고기 근처 공기의 온도, 습도, 휘발성유기화학물질을 감지하여 연동된 스마트폰으로 정보를 전송한다. 따라서 전송된 정보를 스마트폰의 전용 앱으로 분석하여 신선도를 확인할 수 있다. 이 제품의 경우 음식의 신선도를 빠르고 정확하게 확인할 수 있다는 장점이 있지만 가격이 매우 비싸고, 스마트폰 연동과 전용 앱을 설치해야 한다는 불편함이 존재한다.

• 식품 신선도 측정 도구, "푸드 스니퍼(Food sniffer)"

[[파일:image22.png]]

· 업체명 : 푸드 스니퍼(Food sniffer)
· 가격 : 129.9달러(한화 약 158,000원)
· 출처 : http://dpg.danawa.com/news/view?boardSeq=60&listSeq=3288093&past=Y

이 제품은 페레스 사의 제품과 마찬가지로 소고기, 돼지고기, 생선 등 육류의 신선도를 측정해주는 휴대용 전자기기이다. 기기를 고기 가까이에 대고 연동된 스마트폰 앱에서 Get 버튼을 누르면 고기가 신선한지 상했는지 여부를 3단계로 알려준다. 충전식으로, 한 번 충전하면 12시간 연속 이용 가능하다. 역시 육류의 신선도를 빠르고 정확하게 알 수 있지만, 가격이 비싸고 충전식인 등의 단점이 있다.

* 마케팅 전략 제시
[[파일:image23.png]]

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 음식물 부패 감지 센서
본 과제는 소비자들이 육류의 부패 여부를 손쉽게 알 수 있도록 하는 도구의 제작을 목표로 하였다. 육류가 부패 등의 원인으로 변질되면 황화수소(H₂S), 암모니아(NH₃), 아민(amine), 메탄(methane) 등 악취를 유발하는 가스가 생성되고 이러한 변화를 식별하여 육류의 부패 여부를 확인할 수 있다. 기존에 신선도 감지 휴대용 센서, 음식의 부패 여부를 감지하는 센서가 개발되어 있다. 그러나 기존의 제품들은 가격적인 요소나 사용의 편리성 등을 고려해보았을 때 소비자들에게 다가가기 어려운 제품들이 대다수이다. 따라서 본 과제는 부패 감지 기능을 가진 저렴하면서도 이용에 편리한 제품을 설계함으로써 남녀노소 누구나 간편하게 이용할 수 있는 육류 부패 감지 센서를 제작하고자 한다. 이를 위해 부패 반응 물질을 젤 형태로 제작하여 주위 온도 및 습도와 외력에 의해 쉽게 변형되지 않아 제품의 안정성을 확보할 수 있다. 또한 스티커 형식으로 간단하게 제작하여 소비자가 편리하게 다양한 목적에 따라 이용할 수 있는 기대 효과를 얻을 수 있다.

====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 음식물 쓰레기 문제
대한민국 환경부 환경통계에 따르면 2015년 기준 하루에 버려지는 음식물 쓰레기의 양은 15,340톤에 달했다. 이 통계에서 전체 음식물 쓰레기의 상당 부분인 70%가 가정 및 음식점에서 버려지는 것으로 나타났으며, 버려지는 음식물을 세부 항목으로 나누어보면 유통 및 조리과정에서 57%, 먹고 남긴 음식물이 30%, 보관 및 매기 식재료가 9%, 먹지 않은 음식물이 4%였다.[1] 이처럼 유통과정이나 보관 및 판매 과정에서 변질되어 버려지는 식자재의 비율이 전체 음식물 쓰레기 중 상당 부분을 차지하는 것을 알 수 있다. 본 제품을 통해 육류의 부패 정도를 유통과정 및 판매 과정에서 파악할 수 있다면 불필요한 음식물 쓰레기의 양을 줄일 수 있다. 또한, 부패 여부를 알 수 없는 음식물이나 유통기한이 지났지만 신선도를 유지하고 있는 육류 등이 버려지는 것을 막아줌으로써 가정에서 발생하는 음식물 쓰레기를 줄일 수 있다.

• 사회적 기대효과
본 과제는 스티커 형태로 저렴하고 간편하게 이용 가능하고, 부패 진행 정도에 따라 색이 변하여 소비자가 부패 여부를 직관적으로 알 수 있도록 하는 제품의 설계를 목표로 하고 있다. 따라서 이 제품을 이용하는 소비자들은 육류의 조리 혹은 섭취 전에 부패 여부를 사전에 파악하여 변질된 음식의 섭취를 막을 수 있고, 식중독 등의 질환을 예방할 수 있다. 그리고 육류의 부패 정도에 따라 색이 점진적으로 변화되게 하여 부패가 시작되기 직전 단계의 육류를 우선 섭취하는 등 소비자의 식자재 관리를 도울 수 있다. 사용이 간편하고 직관적인 디자인으로 노인, 어린아이 등도 사용 방법을 손쉽게 익히고 사용할 수 있다.

===기술개발 일정 및 추진체계===

====구성원 및 추진체계====
• 김준식
본 팀의 팀장을 맡고 있다. 실험 및 결과 데이터 수집의 대표담당자이다.
• 전다연
제품의 초기 및 최종 재료선정과 제품디자인 설계의 대표담당자이다.
• 이창윤
사용되는 물질에 대한 계산을 통한 이론분석 및 탐색의 대표담당자이다.
• 조홍식
본 팀의 캡스톤 서류담당자를 맡고 있다. 최종 시제품 제작 및 보완의 대표담당자이다.
• 이세웅
본 팀의 학과 서류담당자를 맡고 있다. 계산을 통한 이론분석 및 탐색의 대표담당자이다.

==설계==
===설계사양===
[[파일:설계 사양.png]]

===개념설계안===

* H2S 가스 발생 시 감지부의 색 변화
물질 반응 -> Stokes shift, 색 변화

* 반응 방법
기존의 H2S가스 반응 매커니즘은 2가지로 분류할 수 있다.
- 용액 형태의 반응물질에서 반응
- 전기방사(electro spinning)로 나노 섬유 제작

기존 방법은 반응성은 좋으나 실제 제품 제작 과정에 있어서 액체 상태인 용액을 사용해야 한다는 단점이 존재하였다. 용액 형태는 제품의 안정성이 보장되지 않아 파손될 위험이 있었다. 또한 용액이 증발하면 제품의 기능성이 저하되는 문제가 있다. 하지만 이를 보안하기 위해 건조된 형태로 제작하면 H2S가스에 대해 반응 물질이 반응하지 않게 되었다. 그래서 우리는 젤 형태로 제작할 수 있는 하이셀을 접목하였다. 반응물질 용액을 젤 형태로 제작하여 H2S가스에 대한 반응성을 높임과 동시에 제품의 기능성과 안정성을 확보하는 기대를 얻을 수 있었다.

반응 물질을 하이셀을 통해 젤 형태로 제작하고 통기성 필름으로 표면을 덮음으로써 제품으로 상용화 시킨다.

[[파일:개념설계안-반응 방법.png]]

*제품 디자인

제품 디자인은 세 가지가 논의되었다.

먼저 첫 번째는 필름 형태이다. 원하는 곳에 원하는 사이즈로 잘라 사용가능하도록 필름에 황화수소를 감지하는 물질을 골고루 코팅하는 방식이다.

두 번째는 티백 형태이다. 티백의 주머니처럼 형태를 만들고, 감지 물질을 주머니의 안에 고체 알갱이 형태로 넣는 방식이다. 이 때 감지 물질의 색을 볼 수 있도록 주머니는 투명해야 한다.

세 번째는 패치 스티커 형식이다. 아래의 사진처럼 뒷면에 테이프로 원하는 곳에 붙일 수 있도록 하고 제일 겉면에는 투명 통기성 필름을 배치해 공기는 통하되 액체 등의 다른 물질은 통하지 않도록 설계하였다. 가운데에는 황화수소 가스 감지 물질을 배치해 투명 통기성 필름을 통해 색이 변하는 정도를 볼 수 있도록 한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===

*Sensing Mechanism: Colorimetry

H2S 가스는 기체 상태에서 안정하여 거의 분해가 되지 않는다. 하지만 용액에 용해된 상태에서는 용액 내부의 NaOH 등의 염기에서 떨어져 나온 OH-와 반응하여 , 혹은 상태로 존지한다. 용액 내부의 는 감지 물질 Cu-PAN과 반응하여 노란빛을 띄는 아조 화합물을 생성한다. 위 반응이 진행됨에 따라 CuPAN 의 영향으로 보라색을 띠고 있던 용액이 서서히 노란빛을 띠게 된다. 이와 같은 과정을 통해 시각적으로 황화수소 가스의 발생정도를 알 수 있다.
[[파일:이론적 계산-colorimetry.png]]

*Gel Formation : Hydroxyethyl Cellulose

하이셀(Hydroxyethyl Cellulose)은 하이드록시에칠 곁사슬을 가지며, 친수성이 강한 변형된 셀룰로오스 고분자 구조를 가진 점증제이다. 물에 용해시켜 항셀 용액을 제작한 후, 에탄올이나 기타 용액에 첨가하여 겔을 형성한다.

*육류 부패의 감지 방법

소고기, 닭고기, 돼지고기 등 육류가 부패할 때에는 H2S, CH3SH, DMS, CS2, DMDS 등의 가스가 발생하며, 그 중에서도 황화수소(H2S) 가스의 농도가 20ppb에서 수백 ppm까지 큰 변화폭을 보인다. 따라서 육류 부패를 감지하는 데 황화수소 가스의 농도를 측정하는 것이 적합하다고 판단된다. 황화수소 가스를 감지하는 데는 Cu-PAN을 사용한다. Cu-PAN Probe는 다음과 같은 과정으로 합성된다.

① 염화구리 2수화물을 사용하여 0.1667M의 염화구리 수용액을 제작한다.
② 95% 에탄올 용매 하에서 0.0067M의 H-PAN 용액을 제작한다.
③ 염화구리와 H-PAN의 몰수 비가 1:1이 되도록 두 용액을 혼합한다.
④ 상온에서 6시간 동안 교반한다. 다음과 같은 반응식에 의해 Cu-PAN이 석출된다.
CuCl2 (aq) + H-PAN (aq) → Cu-PAN (s) + HCl (aq)
⑤ 석출된 Cu-PAN을 여과한 뒤 에탄올로 세척하고 질소 환경에서 건조시킨다.
⑥ 에탄올 용매 하에서 0.1M NaOH, 2000μM Cu-PAN 용액을 제작한다. → Cu-PAN Probe

*육류 방치 시간에 따른 H2S 농도

우선 절차는 다음과 같다.
- 12L 부피의 수조 안에 약 300g의 고기를 투입
- 소고기, 닭고기, 돼지고기 3가지를 상온 20 ~ 25℃ 에서 100h까지 방치하여 부패에 따라 방출되는 H2S가스 농도 (ppm) 측정.
측정결과 세 가지 육류는 비슷한 양상의 H2S가스가 측정되고, 초기에 급격하게 H2S가스의 농도가 증가하는 구간을 확인했다. 이를 근거로 하여 10ppm을 기준으로 부패 위험 구간을 설정했다.

[[파일:이론적 계산-육류 방치 시간에 따른 H2S 농도.png]]

*부패 감지 능력

논문의 실험 결과에서, 2x2cm2의 Probe는 400~600ppb의 농도에서 미미한 색 변화를 보였고, 1ppm의 농도 이상에서 확연한 색 변화를 보였다. 육류가 부패하였을 때 발생하는 황화수소 가스의 농도는 수 ppm에서 수백 ppm으로, Probe가 색 변화를 보이는 농도 구간과 일치하는 것을 알 수 있다. 논문에 따르면 황화수소 가스의 농도가 0ppm일 때의 Lab 색 좌표는 (69.56, 15.46, -15.72)였고 1ppm일 때의 Lab 색 좌표는 (72.09, 8.86, -0.46)이었다. 두 색 사이의 색차를 계산하면 16.82로, Just-noticeable difference(JND)에 해당하는 값인 2.3보다 훨씬 크다. 따라서 Cu-PAN Probe는 육류의 부패를 감지하는 데 적합하다.
직접 상온 20 ~ 25℃ 에서 Sensor를 10ppm의 H2S가스에 노출시킨 뒤 Sensor의 색 변화를 관찰한 결과 Lab 색 좌표 상에서 초기 색을 기준으로 한 색차(Color Difference)의 변화 양상이 다음 그래프와 같이 나타나므로 색 변화를 인간의 육안으로 확연히 알 수 있었다. 시뮬레이션 결과 Lab색좌표와 색차, 시간에 따른 그래프는 다음과 같았다.
[[파일:이론적 계산-부패 감지 능력 (1).png]]
[[파일:이론적 계산-부패 감지 능력 (2).png]]

* 성능 시험(Performance Test)

황화수소 가스는 매우 유독하기 때문에 실험 시 주의가 필요하다. 따라서 그림 1과 같은 실험 장치를 고안하였다. 실험 전, 밀폐된 사각 수조에 열고 닫을 수 있는 뚜껑을 설치한 후 구멍을 뚫어 장갑을 부착시킨다. 다음으로 여과 플라스크와 사각 수조 사이를 관으로 연결하고, 사각 수조 안에 황화수소 센서와 스티코를 넣고 스티코를 페트리접시 등으로 덮어 놓는다. 이후의 실험은 후드 내부에서 진행한다.
① 여과 플라스크 안에 염산과 황화철을 넣은 후 마개로 입구를 막는다. 다음과 같은 반응식에 의해 황화수소 가스가 생성된다.
FeS (s) + 2HCl (aq) → FeCl2 (s) + H2S (g)

② 사각 수조 내부에 흘러들어간 황화수소 가스의 농도를 내부의 황화수소 센서를 통해 확인한다. 사각 수조 내부의 황화수소 가스의 농도가 일정 농도에 도달하면, 관을 막아 가스의 유입을 중단시키고 마개를 열어 황화수소 가스가 빠져나갈 수 있도록 한다.
③ 장갑에 손을 넣어 스티코 위에 덮어두었던 페트리접시를 치운다.
④ 충분한 시간이 흐른 뒤 스티코를 꺼내고 Lab 색 좌표를 측정한다.

[[파일:이론적 계산-성능 시험.png]]

* Cu-PAN 용액과 하이셀 용액의 혼합 비율 실험

실험 절차는 다음과 같다.
우선, CU-PAN 용액과 하이셀 용액을 혼합하여 혼합 비율별로 색깔 변화를 관찰하였다. 윗줄 좌측부터 순서대로 13:7, 6:4, 7:3, 2:8, 3:7, 5:5의 비율로 혼합한 것이다.

실험 결과는 다음과 같다.
같은 시간 동안 H2S가스에 반응하여 가장 빠른 속도로 색이 변화하는 최적의 비율은 5:5로 혼합하였을 때임을 확인하였다.

[[파일:이론적 계산-CuPAN용액과 하이셀 용액의 혼합 비율 실험.png]]

===상세설계 내용===

* 조립도
[[파일:7조 조립도 .png]]

[[파일:조립 완성도.png]]

* 부품도
[[파일:7조 부품도.png]]

[[파일:7조 부품도 2.png]]

[[파일:7조 부품도 3.png]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
가. 프로토타입 사진

• 상온에서의 H2S에 대한 색변화 실험[1]

부품도를 기반으로 스티코를 제작하고 10ppm에서 반응성 실험을 하였을 때 뚜렷한 색 변화를 나타냈다.

• 냉장보관에서의 H2S에 대한 색변화 실험[2]

상온에서의 고기 부패 실험이 12L에서 고기300g 을 넣고 시간에 따른 고기의 H2S발생량을 실험하였다 따라서 고기가 10ppm의 부패도를 가질 때, 지퍼백의 부피를 고려해 부패된 고기와 스티코를 동봉해 상온 4도의 냉장환경에서 10ppm정도의 부패도를 가진 고기와 함께 실험을 한 결과 1시간 정도 지나면 상온과 비슷한 색차의 변화를 가져왔다.

====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[1] 상온에서의 실험&시제품 [[파일:7조프로브.png]]

[2] 냉장고에서의 실험 [[파일:7조프로브냉장고.png]]

===포스터===
[[파일:7조포스터.jpg]]

===관련사업비 내역서===

[[파일:파일사업비.png]]

===완료작품의 평가===
[[파일:평가방법.png]]

===향후계획===
본 설계는 Cu-PAN 용액 내부에서 S2-이온과 Cu-PAN의 반응이 진행됨에 따라 보라색에서 노란색으로 용액의 색이 변한다는 특성을 이용하여, H2S 가스를 감지하는 스티커를 제작하였다. 용액 상태 그대로 스티커 제작을 할 경우 안정성 등 여러 가지 문제가 발생할 수 있기에 하이셀을 이용해 Cu-PAN 용액을 겔 형태로 변화시켰다. 이를 통해 안정성과 신뢰성을 가진 제품을 구현하였다.
본 제품은 스티커 형태로 저렴하고 간편하게 이용 가능하며 누구나 직관적으로 색 변화를 인지해 부패 여부를 판단 가능하며, 여러 번 재사용 가능한 장점을 지닌다. 따라서 소비자들은 육류의 조리 혹은 섭취 전에 부패 여부를 사전에 파악하여 변질된 음식의 섭취를 막을 수 있고, 식중독 등의 질환을 예방할 수 있다. 그리고 육류의 부패 정도에 따라 색이 점진적으로 변화되게 하여 부패가 시작되기 직전 단계의 육류를 우선 섭취하는 등 소비자의 식자재 관리를 도울 수 있다. 사용이 간편하고 직관적인 디자인으로 노인, 어린아이 등도 사용 방법을 손쉽게 익히고 사용할 수 있다. 또한 NaOH와 Cu-PAN의 농도에 따라 민감도를 조절하여 폭넓은 응용범위를 기대할 수 있다. 본 제품을 통해 소비자가 변질된 음식을 섭취하는 것을 예방할 수 있다.
소비자들은 육류의 조리 혹은 섭취 전에 부패 여부를 사전에 파악하여 변질된 음식의 섭취를 막을 수 있고, 식중독 등의 질환을 예방할 수 있다. 그리고 육류의 부패 정도에 따라 색이 점진적으로 변화되게 하여 부패가 시작되기 직전 단계의 육류를 우선 섭취하는 등 소비자의 식자재 관리를 도울 수 있다. 사용이 간편하고 직관적인 디자인으로 노인, 어린아이 등도 사용 방법을 손쉽게 익히고 사용할 수 있다. 하지만 일반 가정에서 사용 후 폐기 시 다음과 같은 주의사항이 있다. 스티코 제품의 제작 시 Cu-PAN이라는 무독성인 화학약품이 포함되기 때문에 일반 쓰레기와 동일시하기 어렵다. 따라서 본 제품은 폐기 시 폐의약품과 같은 취급을 하여 주변 약국 혹은 보건소에 가서 폐기처리를 하도록 권장한다.

===특허 출원 내용===

발명의 명칭은 Cu-PAN 프로브가 포함된 겔 형태의 황화수소 센서를 포함하는 육류 부패 감지 스티커로 특허 출원을 하였다.
본 발명은 육류의 부패를 감지하기 위한 스티커 형태의 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제품을 부착시키기 위한 투명한 접착부, 육류의 부패 시 발생하는 황화수소를 감지하여 색이 변하는 Cu-PAN 프로브를 포함하는 겔 형태의 센서부, 공기는 통과시키면서 액체는 통과시키지 않는 투명한 필름 형태의 통기부를 포함하는 육류 부패 감지 스티커에 관한 것이다.
특허 명세서의 청구항은 아래와 같다.

【청구항 1】

제품을 부착시키기 위한 접착부;

상기 접착부 위에 황화수소와 반응해 변색되는 Cu-PAN 프로브를 포함하는 겔 형태의 센서부;

상기 접착부와 센서부 위에 공기는 통과시키면서 액체는 통과시키지 않는 투명한 필름 형태의 통기부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 고기부패 감지 스티커.

【청구항 2】

제 1항에 있어서,

상기 접착부는 양면테이프를 포함함으로써 상기 센서부와 통기부를 동시에 접착부의 위에 고정시킬 수 있는 것;

을 특징으로 하는 육류 부패 감지 스티커.

【청구항 3】

제 2항에 있어서,

상기 접착부의 물질로부터 상기 센서부가 오염되는 것을 방지하기 위하여 접착부와 센서부 사이에 투명한 필름 형태의 보호부를 포함하는 것;

을 특징으로 하는 육류 부패 감지 스티커.

【청구항 4】

제 1항에 있어서,

상기 센서부는 에탄올을 용매로 하여 Cu-PAN과 NaOH를 용해시킨 용액을 포함하며, 해당 용액은 Agar를 포함하여 겔 형태로 만들어진 것;

을 특징으로 하는 육류 부패 감지 스티커

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:59:41Z

2020.1admse6: /* 기술개발 일정 및 추진체계 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석

1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===

====기술개발 일정====

====구성원 및 추진체계====

김현우: 자료 조사 및 발표자료 제작, 작동부 제작 담당

손웅희: 작동부 제작 담당

이주형: 팀장, 지휘 및 감독, 회로부 제작 담당

조재영: 문서 작성 및 재료 구매, 회로부 제작 담당

양예림: 캡스톤 문서 담당, 자료 조사 및 발표자료 제작, 작동부 제작 담당

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.

- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.

- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.

- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

[[파일:힘측정.png]]
[[파일:이동거리측정.png]]

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법
작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.
탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과
18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
'''A-1 참고문헌 및 참고사이트'''

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

'''A-2 관련특허'''

1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:57:04Z

2020.1admse6: /* 개발 일정 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석

1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

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해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

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해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

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해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

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일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

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화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

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이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====구성원 및 추진체계====

김현우: 자료 조사 및 발표자료 제작, 작동부 제작 담당

손웅희: 작동부 제작 담당

이주형: 팀장, 지휘 및 감독, 회로부 제작 담당

조재영: 문서 작성 및 재료 구매, 회로부 제작 담당

양예림: 캡스톤 문서 담당, 자료 조사 및 발표자료 제작, 작동부 제작 담당

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.

- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.

- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.

- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

[[파일:힘측정.png]]
[[파일:이동거리측정.png]]

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법
작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.
탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과
18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
'''A-1 참고문헌 및 참고사이트'''

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

'''A-2 관련특허'''

1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:56:00Z

2020.1admse6: /* 구성원 및 추진체계 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석

1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====

김현우: 자료 조사 및 발표자료 제작, 작동부 제작 담당

손웅희: 작동부 제작 담당

이주형: 팀장, 지휘 및 감독, 회로부 제작 담당

조재영: 문서 작성 및 재료 구매, 회로부 제작 담당

양예림: 캡스톤 문서 담당, 자료 조사 및 발표자료 제작, 작동부 제작 담당

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.

- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.

- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.

- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

[[파일:힘측정.png]]
[[파일:이동거리측정.png]]

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법
작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.
탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과
18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
'''A-1 참고문헌 및 참고사이트'''

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

'''A-2 관련특허'''

1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:55:19Z

2020.1admse6: /* 구성원 및 추진체계 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석

1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====

김현우: 자료 조사 및 발표자료 제작, 작동부 제작 담당

손웅희: 작동부 제작 담당

이주형: 팀장, 지휘 및 감독, 회로부 제작 담당

조재영: 문서 작성 및 재료 구매, 회로부 제작 담당

양예림: 캡스톤 문서 담당, 자료 조사 및 발표자료 제작, 작동부 제작 담당

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.

- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.

- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.

- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

[[파일:힘측정.png]]
[[파일:이동거리측정.png]]

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법
작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.
탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과
18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
'''A-1 참고문헌 및 참고사이트'''

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

'''A-2 관련특허'''

1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:50:02Z

2020.1admse6: /* 완료작품의 평가 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석

1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

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해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

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해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

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해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

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일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

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화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

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이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.

- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.

- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.

- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

[[파일:힘측정.png]]
[[파일:이동거리측정.png]]

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법
작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.
탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과
18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
'''A-1 참고문헌 및 참고사이트'''

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

'''A-2 관련특허'''

1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:49:45Z

2020.1admse6: /* 완료작품의 평가 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석

1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.

- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.

- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.

- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

[[파일:힘측정.png]]
[[파일:이동거리측정.png]]

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법
작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.
토크 = 거리 x 힘
동력(P) = 토크 x 회전속도
동력 = 거리 X 힘 X 회전속도
전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.
탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과
18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
'''A-1 참고문헌 및 참고사이트'''

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

'''A-2 관련특허'''

1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:49:07Z

2020.1admse6: /* 완료작품의 평가 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석

1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.

- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.

- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.

- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

[[파일:힘측정.png]]
[[파일:이동거리측정.png]]

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''
• 평가방법
작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.
- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.
토크 = 거리 x 힘
동력(P) = 토크 x 회전속도
동력 = 거리 X 힘 X 회전속도
전력(P) = IV (W)
- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.
탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)
• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인
• 개발목표치 - 100%의 이동
• 비중(%) - 40
• 평가결과
18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
'''A-1 참고문헌 및 참고사이트'''

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

'''A-2 관련특허'''

1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:47:53Z

2020.1admse6: /* 완료작품의 평가 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석

1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

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일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

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화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

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이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.

- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.

- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.

- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

[[파일:힘측정.png]]
[[파일:이동거리측정.png]]

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

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*조립순서

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틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''
• 평가방법
작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.
- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.
토크 = 거리 x 힘
동력(P) = 토크 x 회전속도
동력 = 거리 X 힘 X 회전속도
전력(P) = IV (W)
- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.
탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)
• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인
• 개발목표치 - 100%의 이동
• 비중(%) - 40
• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
'''A-1 참고문헌 및 참고사이트'''

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

'''A-2 관련특허'''

1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:44:12Z

2020.1admse6: /* 부 록 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석

1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.

- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.

- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.

- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

[[파일:힘측정.png]]
[[파일:이동거리측정.png]]

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
'''A-1 참고문헌 및 참고사이트'''

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

'''A-2 관련특허'''

1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:42:12Z

2020.1admse6: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석

1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.

- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.

- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.

- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

[[파일:힘측정.png]]
[[파일:이동거리측정.png]]

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:41:18Z

2020.1admse6: /* 관련 기술의 현황 및 분석(State of art) */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석

1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.

- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.

- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.

- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

[[파일:힘측정.png]]
[[파일:거리.png]]

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

파일:이동거리측정.png

2020-06-28T16:40:21Z

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2020-06-28T16:39:40Z

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2020.1admse6:

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:38:54Z

2020.1admse6: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.

- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.

- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.

- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

[[파일:힘측정.png]]
[[파일:거리.png]]

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:36:07Z

2020.1admse6: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정

모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정

본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험

바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:35:35Z

2020.1admse6: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

4) 바이메탈 스위치의 작동 실험
바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.

그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.

따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.

또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:33:43Z

2020.1admse6: /* 개념설계안 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.

• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:30:58Z

2020.1admse6: /* 시장상황에 대한 분석 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
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해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

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해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
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해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

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일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

3) 출입 통제 장치 이엠락

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이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

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[[파일:조립도3_.png]]

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*조립순서

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틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:30:33Z

2020.1admse6: /* 시장상황에 대한 분석 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:30:04Z

2020.1admse6: /* 시장상황에 대한 분석 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

[[파일:전략1.png]]

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.<사진10>

2) 화재감지 디지털 도어락

[[파일:전략2.png]]

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.<사진11>

3) 출입 통제 장치 이엠락

[[파일:전략3.png]]

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.<사진12>

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:29:28Z

2020.1admse6: /* 관련 기술의 현황 및 분석(State of art) */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.<사진10>

2) 화재감지 디지털 도어락

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.<사진11>

3) 출입 통제 장치 이엠락

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.<사진12>

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

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*조립순서

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틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

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- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:28:27Z

2020.1admse6: /* 관련 기술의 현황 및 분석(State of art) */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
[[파일:특허1_.png]]

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)
<사진2, 3>
[[파일:특허2_.png]]

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
[[파일:특허3_.png]]

해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.
[[파일:전략1.png]]

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.
[[파일:전략2.png]]

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.
[[파일:전략3.png]]

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.<사진10>

2) 화재감지 디지털 도어락

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.<사진11>

3) 출입 통제 장치 이엠락

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.<사진12>

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

파일:전략3.png

2020-06-28T16:25:54Z

2020.1admse6:

파일:전략2.png

2020-06-28T16:25:43Z

2020.1admse6:

파일:전략1.png

2020-06-28T16:25:28Z

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파일:특허3 .png

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파일:특허2 .png

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파일:특허1 .png

2020-06-28T16:24:39Z

2020.1admse6:

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:20:09Z

2020.1admse6: /* 관련 기술의 현황 및 분석(State of art) */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.

데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.

일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
<사진1>

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)
<사진2, 3>

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
<사진4>
해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.<사진5,6>

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.<사진7,8>

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.<사진9>

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.<사진10>

2) 화재감지 디지털 도어락

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.<사진11>

3) 출입 통제 장치 이엠락

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.<사진12>

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

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[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

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틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:19:11Z

2020.1admse6: /* 관련 기술의 현황 및 분석(State of art) */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

[[파일:일반문고리.png]]

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

[[파일:디지털도어락.png]]

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다. 데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

[[파일:바이메탈원리.png]]

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.
일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
<사진1>

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)
<사진2, 3>

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
<사진4>
해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.<사진5,6>

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.<사진7,8>

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.<사진9>

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.<사진10>

2) 화재감지 디지털 도어락

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.<사진11>

3) 출입 통제 장치 이엠락

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.<사진12>

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

파일:최종그림.png

2020-06-28T16:17:37Z

2020.1admse6:

파일:일반문고리.png

2020-06-28T16:17:24Z

2020.1admse6:

파일:디지털도어락.png

2020-06-28T16:17:08Z

2020.1admse6:

파일:바이메탈원리.png

2020-06-28T16:16:52Z

2020.1admse6:

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:14:51Z

2020.1admse6: /* 관련사업비 내역서 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다. 데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.
일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
<사진1>

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)
<사진2, 3>

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
<사진4>
해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.<사진5,6>

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.<사진7,8>

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.<사진9>

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.<사진10>

2) 화재감지 디지털 도어락

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.<사진11>

3) 출입 통제 장치 이엠락

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.<사진12>

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:13:32Z

2020.1admse6: /* 관련사업비 내역서 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다. 데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.
일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
<사진1>

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)
<사진2, 3>

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
<사진4>
해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.<사진5,6>

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.<사진7,8>

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.<사진9>

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.<사진10>

2) 화재감지 디지털 도어락

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.<사진11>

3) 출입 통제 장치 이엠락

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.<사진12>

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png|100픽셀]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:07:56Z

2020.1admse6: /* 관련사업비 내역서 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다. 데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.
일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
<사진1>

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)
<사진2, 3>

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
<사진4>
해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.<사진5,6>

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.<사진7,8>

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.<사진9>

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.<사진10>

2) 화재감지 디지털 도어락

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.<사진11>

3) 출입 통제 장치 이엠락

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.<사진12>

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png|200pixel]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:07:44Z

2020.1admse6: /* 관련사업비 내역서 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다. 데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.
일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
<사진1>

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)
<사진2, 3>

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
<사진4>
해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.<사진5,6>

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.<사진7,8>

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.<사진9>

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.<사진10>

2) 화재감지 디지털 도어락

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.<사진11>

3) 출입 통제 장치 이엠락

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.<사진12>

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:사업내역.png|200픽셀]]

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:04:43Z

2020.1admse6: /* 개발 과제의 목표 및 내용 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.

2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.

3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다. 데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.
일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
<사진1>

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)
<사진2, 3>

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
<사진4>
해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.<사진5,6>

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.<사진7,8>

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.<사진9>

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.<사진10>

2) 화재감지 디지털 도어락

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.<사진11>

3) 출입 통제 장치 이엠락

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.<사진12>

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
내용

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

파일:사업내역.png

2020-06-28T16:04:13Z

2020.1admse6:

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:02:22Z

2020.1admse6: /* 완료작품의 평가 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.
2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.
3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다. 데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.
일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
<사진1>

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)
<사진2, 3>

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
<사진4>
해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.<사진5,6>

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.<사진7,8>

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.<사진9>

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.<사진10>

2) 화재감지 디지털 도어락

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.<사진11>

3) 출입 통제 장치 이엠락

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.<사진12>

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
내용

===완료작품의 평가===
'''1. 모터 작동 속도 및 필요 전력'''

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

'''2. 모터 작동 시간'''

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

'''3. 스위치 작동 온도'''

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

'''4. 평상시 작동에의 영향'''

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T16:00:24Z

2020.1admse6: /* 상세설계 내용 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.
2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.
3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다. 데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.
일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
<사진1>

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)
<사진2, 3>

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
<사진4>
해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.<사진5,6>

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.<사진7,8>

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.<사진9>

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.<사진10>

2) 화재감지 디지털 도어락

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.<사진11>

3) 출입 통제 장치 이엠락

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.<사진12>

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===

*조립도

[[파일:조립도1_.png]]

[[파일:조립도2_.png]]

[[파일:조립도3_.png]]

[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
내용

===완료작품의 평가===
1. 모터 작동 속도 및 필요 전력

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

2. 모터 작동 시간

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

3. 스위치 작동 온도

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

4. 평상시 작동에의 영향

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

6조-과기간짱돌

2020-06-28T15:59:48Z

2020.1admse6: /* 상세설계 내용 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치

''' 영문 : ''' Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal

===과제 팀명===
과기관 짱돌

===지도교수===
정재필 교수님

===개발기간===
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.

• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.

• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.

• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
====개발 과제의 배경====
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.

• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.

• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.

• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
====개발 과제의 목표 및 내용====
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.

1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.
2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.
3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황

• 도어락 관련 최신 기술

- 일반 문고리

일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.

- 디지털 도어락

사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.

전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다. 데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.

최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.

• 바이메탈 관련 기술

두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.
일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.

주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.

물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.

*특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
<사진1>

해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.

2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)
<사진2, 3>

해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.

3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
<사진4>
해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.

-특허전략

1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.<사진5,6>

2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.<사진7,8>

3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.<사진9>

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문

일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다.
회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.<사진10>

2) 화재감지 디지털 도어락

화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.<사진11>

3) 출입 통제 장치 이엠락

이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.<사진12>

*마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석

가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.

나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.

다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.

라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.

2) 사용 전략

SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에　사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.

• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.

• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.

• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.

• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.

• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.

• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
내용
====구성원 및 추진체계====
내용

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
====설계 사양====
- 바이메탈 스위치

바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.

-아두이노 회로 원리

PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
===개념설계안===
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

<제어부 회로도>

• 회로 구성

- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

• 회로 동작

- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

<소프트웨어 작동 알고리즘>

60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
'''가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산'''

- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.

'''나. 작동부의 힘 측정'''

-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.

래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.

===상세설계 내용===
*조립도

[[파일:조립도1_.png]]
[[파일:조립도2_.png]]
[[파일:조립도3_.png]]
[[파일:조립도4_.png]]

*조립순서

[[파일:조립도5_.png]]

틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.

이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.

랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.

모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.

*제어부 및 회로 설계

[[파일:조립도6_.png]]

- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다

- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.

:*회로 구성

:- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.

:- 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.

:- 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.

:*회로 동작

:- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.

:- 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:래치.png]]

====포스터====
[[파일:6포스터.png]]

===관련사업비 내역서===
내용

===완료작품의 평가===
1. 모터 작동 속도 및 필요 전력

• 평가방법

작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.

- 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.

토크 = 거리 x 힘

동력(P) = 토크 x 회전속도

동력 = 거리 X 힘 X 회전속도

전력(P) = IV (W)

- 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.

탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)

• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인

• 개발목표치 - 100%의 이동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.

2. 모터 작동 시간

• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.

• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라

• 개발목표치 - 100%의 정상 작동

• 비중(%) - 40

• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때
인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.

3. 스위치 작동 온도

• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.

• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산

• 개발목표치 - 10%의 오차 허용

• 비중(%) - 5

• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.

4. 평상시 작동에의 영향

• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.

• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라

• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도

• 비중(%) - 15

• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.

===향후계획===
'''1.''' 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.

'''2.''' 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.

'''3.''' 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.

'''4.''' 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.

===부 록===
A-1 참고문헌 및 참고사이트

-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195
뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술

-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371
뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망

-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725
뉴스 기사, 소방관에게 손해배상

-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88
위키백과, 바이메탈

-https://news.joins.com/article/23508476
뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다

-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748

-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740

-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.)
http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame

-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273

-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820

- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )

A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)

2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)

3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)

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