사인조
신소재공학과 캡스톤위키
프로젝트 개요
기술개발 과제
자동 손 세정 장치 Automatic hand wash device
과제 팀명
사인조
지도교수
홍완식 교수님
개발기간
2022년 3월 - 2022년 6월
구성원 소개
서울시립대학교 신소재공학부·과 (팀장) 오영준-2017450023
서울시립대학교 신소재공학부·과 이규훈-2013450026
서울시립대학교 신소재공학부·과 권민규-2018450003
서울시립대학교 신소재공학부·과 정소현- 2019450036
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
본 과제는 무전원 손 세정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세정장치에 수도전으로부터 공급되는 물의 수압을 통해 작동되는 두 개의 세정 모듈을 구비하여, 하나의 모듈에서는 발포 장치가 세정 물질을 거품형태로 분사하고 다른 모듈에서는 물을 분사하여, 손에 남아 있는 세정 물질을 모두 제거하는 것과 함께 어린 아이, 노인, 거동이 불편한 환자 등의 사용자들에게 더욱 편리하고 청결한 세정이 가능하도록 한 손 세정 장치에 관한 것이다.
개발 과제의 배경
눈에는 보이지 않는 수많은 세균이나 바이러스로 인해 감기를 포함한 각종 질병이 유발되며 그로 인해 특히 현대인들의 건강이 더욱 위협받고 있으며 위생이나 살균문제가 사회적으로 이슈가 되고 있다. 특히, 최근에 발생한 신종플루엔자, 코로나 바이러스 등으로 인해 손의 세정이 중요하게 대두되고 있다.
대부분의 전염병은 사람의 손을 통해 전염된다. 특히 대부분의 호흡기 감염은 손에 묻은 세균이 입이나 코로 이동하며 전염된다. 따라서 책상이나 문 손잡이에 존재하던 바이러스가 사람의 손으로 옮겨졌을 때, 손을 세정함으로써 이와 같은 문제를 해결할 수 있을 것이다. 최근에는, 손의 세정을 위하여 손이 삽입되면 손에 액상 물질을 분사하여 손을 소독하는 손 세정 장치가 존재하고 있다. 다만, 종래에 존재하는 손 세정 장치는 세척과정에서 전기를 사용하기 때문에 에너지가 많이 소모되는 문제점이 발생한다. 아울러 상기 종래의 손 세정 장치는 전기를 사용하여 전자회로에 의해 밸브를 개폐시키거나 또는 배터리를 사용하여 전자회로에 의해 밸브를 개폐시키는 방법을 사용하였고, 이들 모두 물에 취약하다는 문제가 있었다.
개발 과제의 목표 및 내용
본 과제의 목적은 어린 아이, 노인, 거동이 불편한 환자 등의 사용자들에게 편리하고 청결한 세정이 가능하도록 한 자동 손 세정 장치를 개발하는 것이다.
본 과제는 자동 손 세정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세정장치에 수도전으로부터 공급되는 물의 수압을 통해 작동되는 두 개의 세정 모듈을 구비하여, 하나의 모듈에서는 발포 장치가 세정 물질을 거품형태로 분사하고 다른 모듈에서는 물을 분사하여, 손에 남아 있는 세정 물질을 모두 제거하는 것과 함께 어린 아이, 노인, 거동이 불편한 환자 등의 사용자들에게 더욱 편리하고 청결한 세정이 가능하도록 한 손 세정 장치에 관한 것이다.
관련 기술의 현황
기술 로드맵
◇동작-유체제어: 솔레노이드 밸브를 이용한 유체의 방향 제어 ◇동작-거품생성: 폼랜스, 메탈필터, 에어펌프 ◇동작-분사방식: 다양한 노즐의 채택으로 손 전체에 분사할 수 있는 미스트 노즐, 부채꼴 노즐 ◇청결: 자외선 램프를 이용한 장치의 내부 살균
특허 조사
1. 출원번호: 10-2006-0101613 / 출원일: 2006년 10월 19일 / 특허권자: 김일호
해당 발명은 손세정장치로 자동으로 세척과 건조를 해준다. 해당 발명은 세척수 공급장치, 비눗물 공급장치, 압축공기장치, 자외선램프, 브러쉬의 구성으로 이루어져 있다. 해당 발명은 제어부의 제어에 따라 비눗물 공급장치의 작동과 비누거품을 일으키며 회전하는 세척장치(브러쉬)와 분사부를 통해 분사되는 높은 수압의 세척수를 이용해 자동으로 손을 세정한다. 건조 옵션에서는 강한 압축 공기를 분사하여 손에 있는 물기를 제거함으로써 손을 건조시킨다. 이후에는 자외선 램프를 사용해 손과 손세정장치를 살균하여 장치의 청결을 유지한다.
2. 출원번호: 10-2015-0027941 / 출원일: 2015년 2월 27일 / 출원인: 주식회사 케이티엠테크
해당 발명은 자동 손 세척장치로 전방으로 개방된 세척 공간을 갖는다. 해당 발명은 동작 신호가 개시에 따라 외부에서 급수된 세척수를 세척공간으로 분사하는 세척유닛, 가열시킨 에어를 세척 공간으로 분사하는 건조 유닛, 인체의 접근을 감지하는 감지 유닛, 상기 유닛을 제어하는 제어 유닛을 포함한다.
특허 전략
1. 원동력 상수도관에서 나오는 수압만을 이용해 노즐을 통한 물 분사의 원동력을 제공함. 에어 펌프에서 나오는 압력을 압축 분무기에 저장해 필요시 노즐을 통한 세정액 분사의 원동력을 제공함. 2. 살균 UV-C LED를 사용해 세균의 번식을 억제하고, 번식한 세균을 제거함. 3. 거품 분사 거품의 분사 방식에 폼랜스의 원리를 채택해 에어펌프, 메탈필터, 분사 펌프를 이용하여 손 전체에 거품이 분사되도록 함.
시장상황에 대한 분석
경쟁제품 조사 비교
일본의 사례를 살펴보면 06493613(2019.03.15.)의 경우 사용자의 손을 자동으로 세정해주는 장치이다. 아래의 그림에서 보듯이 사용자가 손을 수평으로 장치에 넣으면 이를 감지하여 미스트의 형식으로 물과 세정액을 분사해주는 원리이다. 이와 본 발명을 비교해보면 일본의 특허의 경우 사용자의 손 상처 등에 의해 손을 자유롭게 움직이기 어렵거나 손가락이 입체 구조이기 때문에 완벽하게 손의 세균을 직접 제거하는데 어려움이 있다. 따라서 사용자가 손을 넣으면 알아서 적은 양의 세정액으로 미스트 형식으로 분사하게 된다. 그러나 이는 수평 방향의 수용부를 가지고 있기 때문에 외부로의 물이나 세정액이 분사되기 쉽다는 단점을 가진다. 그리고 전체적인 구조가 매우 크기 떄문에 외부에서나 병원과 같이 사용자가 화장실까지 가기 어려운 상황에서는 해당 제품의 사용이 어렵다는 단점이 존재할 것이다. 즉 장소적인 한계를 가지게 된다.
이와 비교해 개발하고자 하는 장치는 비교적 작은 크기의 제품으로 수용부도 수평이 아닌 비스듬하게 설계하여 외부로의 물 튀김을 방지할 수 있고 사용자가 편하게 수용부에 손을 넣을 수 있도록 설계하였다. 또한 해당 일본 사례는 손을 인식하는 센서로 모션 센서를 사용하지 않아 다른 이무질이 들어갔을 때도 장치가 작동하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 이는 오히혀 세정액과 물의 절약과는 다른 방향으로 장치가 동작할 수도 있다. 모션 센서를 사용함으로 적외선의 움직임을 파악하기 떄문에 사용자의 손에서 나오는 미세 적외선의 움직임을 파악함으로 선택적으로 장치를 작동시킬 수 있다는 장점을 가질 것으로 보인다.
마케팅 전략
개발하고자 하는 자동 손 세척 장치가 실제 사회에서 사용될 가능성을 높이는 것을 목표로 SWOT 분석을 진행하고자 한다.
강점과 환경적인 기회를 극대화하고 약점, 환경적인 위협을 벗어나도록 해야 한다. 기회를 활용하여 장점을 극대화하는 방법은 손을 넣는 행위만으로도 손 위생을 해결할 수 있도록 제작하는 것이 필요하다. 위생에 대한 중요도가 강요되고 있지만 귀찮다고 느끼는 사람이 많아지고 있기에 요구되는 위생 문제를 간단하게 힘들이지 않고 사용자가 해결할 수 있도록 한다면 충분히 경쟁력을 가질 것으로 보인다. 위협을 피해 강점을 증대시키는 방안은 내부에 효과적인 위생 관리 가능 장치를 제작하여 항시 살균되고 깨끗한 상태의 장치를 유지할 수 있다면 사용자도 안심하고 사용할 수 있을 것이다. 해당 제품의 초기 목표가 어린이, 노인, 환자의 손 세정을 위해서 제작되었으나 그 사용 범위가 제한되어 사용 분야와 범위가 줄어들 가능성이 있기 때문에 일반인도 사용할 수 있을 정도로 충분히 세정 효과가 보장되고 간편하게 제작된다면 일반 화장실에서도 설치 가능할 것으로 보인다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
본 발명에 따른 손 세정장치에 의하면, 하나의 손 세정장치에서 두 개의 세정 모듈을 이용해 간편하게 손을 씻을 수 있어 어린 아이, 노인, 거동이 불편한 환자 등의 사용자들에게 더욱 편리하고 청결한 세정이 가능하다. 또한 사용자의 손을 센서에 근접시킬 경우 작동되는 무접촉의 자동식 손 소독기에 의해 단일 손 세정공간에서 손을 물 세척, 세정 물질로 세정할 수 있어 손 표면에 잔류되는 바이러스 번식 억제로 인한 손의 2차 오염을 방지할 수 있다. 아울러 본 발명은 수도전에서 공급되는 물의 압력을 통해 손을 세정함으로써 에너지를 절감할 수 있도록 한다. 또한 에어펌프를 사용해 압축 분무기에 압력을 저장하고 세정액 분사 시에 압력을 풀어주어 사용하는 방식을 이용한다. 종래기술이 전기를 사용하여 전자회로에 의해 밸브를 개폐시켜 물에 취약하다는 문제를 해결할 수 있도록 한다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
손 세정이라는 선제적 예방 활동을 통한 코로나 19의 예방 효과를 가질 것으로 보인다.
경제적인 면에서 세정액을 거품의 형식으로 사용하여 적은 양의 비누 사용으로 경제적이며 환경 보호에도 기여할 수 있을 것이다. 기존의 방식은 사용자가 원하는 만큼 비누를 사용했기 떄문에 이와 비교했을 때는 비누의 사용량을 줄일 수 있을 것이라고 예상한다. 코로나 상황에 맞게 올바른 손 세정 원칙에 준수하는 정도의 세정 효과를 가지는 장티로 스스로 손 세정이 어려운 환자, 어린이, 노인 등이 원활하게 손 세정을 하도록 도와주는 역할을 할 수 있어 개인 위생을 도와줄 것으로 보인다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 제어부 코딩 및 설계 : 오영준 ◇ 수용부 디자인 및 물 분사 노즐 설계 : 이규훈, 권민규, 정소현 ◇ 거품 노즐 설계 : 오영준, 권민규 ◇ 외관 디자인 : 정소현, 권민규 ◇ 일정 관리 및 회의 기록 : 이규훈
설계
설계사양
제품의 요구사항
자동 손 세정 장치이기 때문에 전기 장치와 물을 사용하는 부분의 분리가 필수적이다. 또한 분사 과정에서 급격한 수압 증가를 안전하게 대처가 가능한가의 문제가 사용자의 사용 안전성과 관련이 있기 때문에 필수 사항이라고 할 수 있다. 해당 장치의 경우 6~7bar도 충분히 견디고 연결 호스의 연결부에도 문제가 없다는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 기존의 일반 가정에서의 수압은 최대 5bar이기 때문에 안전성은 보장되었음을 확인할 수 있다.
수압이 계속되고 있는 상태에서 솔레노이드 밸브를 이용하여 수압을 막아놓기 때문에 급격한 수압의 증가는 대비할 수 있을 것이라고 생각된다. 즉 솔레노이드 밸브가 존재하기 전에는 항상 같은 압력을 꾸준히 받고 있는 상태에서도 연결 호스가 안전하게 작동하는 것을 확인하였다.
희망 사항으로는 가시성, 경제성, 미관, 접근 가능성을 생각해 볼 수 있다. 가시성과 접근 가능성, 미관은 서로 관련이 있으며 처음 장치를 보는 사용자가 해당 장치가 화장실이나 물을 쓰는 공간에 있기 때문에 해당 장치에 대해 자세히 모르더라도 사용할 경우 세정이나 건조기와 같은 장치라는 것을 예상할 수 있을 것이라 보인다. 외관 또한 기존의 손 건조기와 유사한 크기, 구조를 가지도록 설계를 하여 쉽게 접근 가능할 것이라고 예상된다. 경제성의 경우 환자나 어린이, 노인이 손을 씻을 때 시간이 오래 걸리고 이로 인한 물이나 세정액의 사용량이 많아지게 된다. 이를 해당 장치가 해결할 수 있을 것으로 보인다. 처음 제품 제작 시 장치 제작에 비용이 들겠지만 수압을 사용하고 리필이 가능한 세정액 저장부를 사용함으로 비교적 오랜 시간 사용이 가능할 것으로 보인다. 그리고 내부적인 자체 살균 등으로 관리를 한다면 충분히 경제적일 것으로 보인다.
제품 평가내용
기존의 특허 10-0679293 자동 손 세척기와 제작하고자 하는 손 세척기와 비교하고자 한다. 우선 기존 특허 제품의 경우 솔이 사용자가 수용부로 넣으면 바로 닿도록 제작되어 있다. 솔이 작동할 때 사용자의 손이 다칠 위험이 존재하며, 여러 사람의 신체가 닿는 만큼 위생상의 문제가 발생한다. 사용자의 피부의 정도에 따라 솔을 아프다고 느끼거나 불쾌하다고 느낄 수 있다는 한계를 가진다. 본 개발 과제는 솔을 제거하여 사용자의 위험 요소를 제거하고 위생상의 문제를 해결한다. 또한 거품 분사에서 에어펌프를 사용하여 충분한 거품이 손 전체에 발사되도록 하고, 미스트 노즐을 여러개 사용하여 손 전체가 세정 되도록 한다. 두 번째는 경쟁 제품의 경우 손을 수평하게 장치에 넣도록 설계되어 있다. 그러나 개발 과제의 장치는 대각선으로 손을 넣을 수 있도록 제작하였다. 수평하게 손을 넣을 경우 외부로 물 분사 시 물이 튀어 위생상으로 좋지 않을 가능성이 매우 높다. 또한 수평하게 손을 세정할 경우 물이 흐르면서 손의 세정액을 완전히 제거하지 못할 수 있어 전체 손 세정 시간이 길어질 수 있다. 그러나 대각선으로 수용부를 제작할 경우 물이 튀는 현상도 방지하고 물이나 세정액이 손의 위에서부터 타고 내려오면서 자연스럽게 손을 세정해주는 역할도 할 수 있게 된다. 그리고 배수구의 위치와 손의 끝부분이 수직적으로 거의 일치하도록 설계함으로 장치 내부의 청결을 최대한 유지할 수 있도록 할 수 있다. 세 번째는 앞에서 언급한 배수구의 위치와 관련된 사항이다. 경쟁 제품의 경우 손을 수평으로 넣고 배수구가 장치의 중앙에 위치되어 있다. 바닥을 기울인다 하더라도 기본적으로 바닥에 거품이나 이물질이 남아 있을 확률이 개발 제품과 비교할 때 높다는 것을 예상할 수 있다. 다음은 비누를 분사하는 노즐의 종류에 대한 개발이다. 경쟁 제품의 경우에는 분사 노즐을 통해 세정액을 분사하는 방식이다. 이 경우는 거품 형식으로 잘 나오지 않을 가능성이 있다. 이와 비교해보면 거품 분사 노즐로 자동차 스노우 폼건의 형식을 고안하여 제작하고자 한다. 즉 폼랜스를 이용한 노즐을 사용하는 것이다. 폼랜스 방식을 체택한 방식은 에어펌프를 이용하여 압축 분무기에 압력을 저장하면 필요시 솔레노이드 밸브를 통해 압력의 출입을 제어하여 압력에 의해 폼랜스를 통해 세정액이 메탈 필터가 내장된 노즐을 통해 거품 형태로 분사되는 방식이다. 분사된 형태는 점성을 적당히 가진 거품의 형태로 나오기 때문에 사용자의 손에 밀착되어 손을 도포하게 된다. 이는 기존의 거품형태 분사 세정액과 비교할 때 손과의 밀착 정도가 확실히 높아져 피부에 존재하는 세균을 효과적으로 제거할 수 있을 것이라고 생각된다. 압축 분무기에 저장 가능한 압력은 4bar 정도로 압축 분무기에서 거품 형태의 세정액 발사에 필요한 압력이 1.5bar인 것을 고려하면 충분히 폼 형태의 세정액 분사가 가능할 것이라고 예상할 수 있다. 위에서 언급한 기존 특허의 경우 사용자가 원하는 모드를 선택할 수 있도록 설계하였다. 온수선택이나 온풍선택 등이 그 예이다. 이 경우 사용자에 맞게 알맞은 조건을 설계할 수 있다는 장점을 가지고 있지만 어린이나 노인, 환자의 경우 다양한 선택지는 오히려 혼란을 주고 사용 가능 장벽을 높이는 역할을 오히려 할 가능성이 존재한다. 개발하고자 하는 과제의 경우 자동으로 손 세정 장치가 필요한 사용자인 어린이, 노인, 환자가 편하게 이용할 수 있도록 하는 것을 목적으로 하기 떄문에 최대한 많은 선택지를 사용자에게 주지 않고 자동으로 작동하도록 설계하였다. 이를 통해 사용자에게 편리함을 주도록 한다. 단순하면서 세정 효과가 확실한 장치를 통해 몸이 불편한 환자가 부담없이 사용 가능한 장치를 설계하였다.
개념설계안
1. 자동으로 거품 형태 세정액 분사
장치는 수용부에 들어온 손을 적외선 센서로 인식하며 센서는 제어부를 통해 수전에 연결된 밸브를 조절하여 수용부 내부에 물 – 비누거품 – 물 순서대로 분사한다. 분사 노즐은 분사액을 방사형으로 분사하여 손의 굴곡이나 주름 등 세정이 어려운 곳까지 세정한다. 세정액을 거품 형태로 제작하기 위해 폼 랜스의 원리를 이용하고자 한다. 기존의 폼랜스의 지속적인 사용을 위해서는 압력을 빈번히 주어야 한다. 이는 솔레노이드 밸브의 위치를 세정액 통과 폼랜스 사이에 위치시켜 피스톤으로 물이 작동을 하지 않을 때도 세정액 통에 충분한 압력을 지속적으로 주도록 설계하였다. 이는 작동 중 거품이 사용자에게 분사되기까지의 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다는 장점을 동시에 가져 기존의 목표였던 짧은 세정 시간을 확보하는데 도움을 줄 것이라고 생각한다.
폼의 형태로 세정액을 분사하는 것은 기존의 특허와 비교했을 때 확연히 다른 부분이라고 할 수 있다. 이는 손의 세정 효과를 향상시킬 뿐이니라 전체 손 세정 시간도 단축시키는 역할을 할 것으로 보인다. 폼을 제작하기 위해서는 세정액 저장부에 충분한 압력을 가해야 한다. 세정액을 분사하는 방식으로 폼랜스를 사용하고자 한다. 이는 세정액을 거품 형식으로 분사하여 손에 거품이 밀착되어 세균을 효과적으로 제거하기 위한 방식일 것이라 예측하여 사용하고자 한다. 이 방식은 세차장에서 폼건의 원리를 이용한 것이다. 폼랜스는 본체와 연결부, 노즐로 구성되어 있는데 본체에는 들어오는 세정액이 지나가면서 거품의 형식으로 바뀌도록 하는 메탈 필터가 들어 있다. 노즐은 V형태의 입구로 되어 거품이 새는 것을 방지하기 위해 고무 마킹이 되어 있다. 이를 통해 위에서 세정액 분사 시 세정이 끝난 후에도 세정액이 새는 것을 방지할 수 있을 것으로 보인다. 제작하고자 하는 장치의 내부에 물로 희석된 세정액이 들어있는 관이 유압에 의해 피스톤이 밀려 들어가 세정액 관이 압력을 받게 되면 압력에 의해 세정액이 폼랜스로 이동하게 되면서 거품 형식으로 발포되는 방식이다. 폼랜스는 보통 충분한 압력이 가해지는 상황에서 스위치로 조절하여 거품 생성을 유도하는데 제작하고자 하는 장치는 유압이 작용하면 바로 거품이 형성되도록 해야 하기에 저압에도 세정액이 나올 수 있도록 피스톤을 조절하거나 관의 두께 조절을 통해 해결하고자 한다. 폼랜스는 기존의 장치를 활용하여 응용하고자 한다. 기존의 경우 고압수를 이용하여 베르누이 원리를 이용하여 거품이 분사되도록 했지만 고압수 이용 부분을 없애고 세정액 관에 직접 압력을 가함으로 해결하고자 한다. 그리고 기존의 장치로 분사 각도와 세기를 조절할 수 있기에 활용 가능하다고 판단하였다. 또는 기존의 작은 압력으로 사용 가능한 분무기의 원리도 비슷하기 떄문에 변형이 쉽고 제작 가능한 부품을 활용하고자 한다.
2. 완전 비접촉 장치 제작
모든 장치의 동작이 내부의 제어부를 통해 작동하도록 제작하고자 한다. 즉 손을 인식하면 물과 세정액이 정해진 시간에 따라 분사되고 이후에 살균까지 자동으로 되는 형식이다. 기존의 손을 씻기 위해서는 비누나 수도꼭지 부분을 손으로 만져야 하기에 이러한 과정으로 인해 외부 세균이 다시 손에 묻을 가능성이 존재하였다. 그러나 이것은 모든 사용자가 어떠한 접촉 없이 해당 장치 사용이 가능하기 때문에 외부 세균에서 벗어날 수 있을 것이라 생각된다. 이를 위해서는 아두이노를 활용하고자 한다. 여러 장치가 유기적으로 연결되어 단계별로 동작하도록 하기 위해서는 구동 전압이 다른 장치들을 하나의 모듈로 연결해야 하기에 릴레이 모듈을 활용하여 사용하고자 한다.
3. 압력 저장 방식
세정액 저장부에 압력을 가한 후 이를 다음 사용자나 다음 동작이 진행되는 동안 압력을 저장하고 있어야 한다. 이를 위해 솔레노이드 밸브를 활용하여 내부 압력과 물, 세정액의 이동을 제어하고자 한다. 이를 통해 충분한 압력으로 물과 세정액이 분사되고 해당 압력이 다음 사용자에게도 동일하게 작동하도록 설계하고자 한다. 솔레노이드 밸브도 아두이노를 통해 제어 가능하기에 동작 제어가 편할 것으로 예상된다. 압력을 저장부에 저장함으로 압축 분무기와 같은 형태로 제작이 가능할 것으로 보인다. 또한 이는 기존의 방식과 다른 방식으로 에너지를 저장하는 방법이기에 적은 에너지로 오랜 시간 사용이 가능할 것이라 보인다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
분사 노즐 각도
노즐 선택 시에는 Spray angle을 확인해야 한다. 노즐의 분사 각도로 분사 입자들이 외부의 힘에 의해 분사되자마자 즉각적으로 영향을 받기 때문에 분사 범위, 분사 거리, 각도를 확인해야 한다. 장치의 수용부 높이를 15cm, 손 크기를 30cm 장치 너비 30cm라고 가정했을 때 물 분사의 경우 한쪽면에 부채꼴형, 원형을 각각 한 개씩 배치하여 장치의 물 분사 노즐은 총 4개를 사용하고자 한다. 양쪽으로 분사 노즐이 있기에 분사 거리는 7.5cm이나 여유롭게 10cm로 설정하고 부채꼴형의 분사 범위는 장치의 너비인 30cm라고 하면 위의 표를 통해 사용해야 하는 분사 각도는 120도가 필요함을 알 수 있다. 따라서 120도까지 분사 가능한 노즐을 사용하고자 한다. 아두이노를 이용해 솔레노이드를 조절할 경우 가장 낮은 전압의 솔레노이드가 12V이기 떄문에 전압을 변환해주는 장치가 필요하다. 이를 릴레이 모듈을 이용하고자 한다. 릴레이 모듈의 경우 외부의 전압을 원하는 전압으로 변환해주는 역할을 하기에 아두이노로 구현이 어려운 12V를 사용할 수 있게 된다. 따라서 2way 이상의 릴레이 모듈을 사용하여 구현하고자 한다.
폼랜스 적용
일반적인 세차장에서의 폼 제조는 폼건을 활용하는 방식이다. 이는 베르누이 법칙을 활용하여 고압수의 압력에 의해 세정액이 분사구를 통해 방출되고 내부의 필터로 거품의 형태로 나오는 것이다. 그러나 해당 폼건을 활용하기 위해서는 고압수의 역할처럼 약 100bar정도의 압력을 가해주어야 폼건이 작동하는 것으로 알려져 있다. 따라서 폼랜스 즉 기존의 폼건에서 일상에서 사용할 수 있도록 제조된 장치의 원리를 활용하고자 한다. 조사결과 국가기준건설센터의 상수도 배수시설 설계기준 급수관을 분기하는 지점에서 배수관 내의 ‘최소 동수압은 150kPa, 최대정수압 700kPa’임. 단위를 바꾸면 1.5bar~7bar이며 일반적으로 가정집의 수압은 1~5bar임 정도이기에 해당 유압을 이용하여 거품 형식의 세정액 분사가 가능할 것이라 예상된다. 기존의 수압이 낮더라도 연결 호스의 면적을 좁게 하는 등의 방법으로 유압을 높일 수 있을 것이라 예상된다. 기존의 폼랜스의 경우 세정액 통과 연결된 피스톤을 통해 사용자가 손으로 충분한 공기압을 주면 내부의 세정액이 관을 통해 올라오면서 스위치를 켜면 노즐로 거품이 분사되도록 설계하였다. 이때 세정액이 충분히 나올 정도의 압력이 1.5~4bar 정도이므로 수압으로 적절히 세정액 통 내부에 압력을 가해준다면 충분히 거품이 분사될 수 있을 것이라 예상할 수 있다. 기존의 폼랜스 또한 지속적인 사용을 위해서는 압력을 빈번히 주어야 한다. 이는 솔레노이드 밸브의 위치를 세정액 통과 폼랜스 사이에 위치시켜 피스톤으로 물이 작동을 하지 않을 때도 세정액 통에 충분한 압력을 지속적으로 주도록 설계하였다. 이는 작동 중 거품이 사용자에게 분사되기까지의 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다는 장점을 동시에 가져 기존의 목표였던 짧은 세정 시간을 확보하는데 도움을 줄 것이라고 생각한다.
상세설계 내용
조립도 및 부품도
소프트웨어 설계
위의 소프트웨어의 경우 PIR 센서를 통해 1의 신호를 받으면 1번째 LED에서 신호를 받아 3초간 불빛이 켜지고 그 후 2번째 LED에서 3초간 신호를 받아 빛이 켜지게 된다. 여기서 두 LED의 경우 해당 장치에서 솔레노이드 밸브가 받게 될 신호를 의미한다. 두 개의 솔레노이드를 이를 통해 순차적으로 키고 시간을 조절할 수 있다. 이곳에 12V 전압과 이를 변환하는 릴레이 모듈을 연결하면 원하는 코드를 제작할 수 있다. 위의 신호를 LED가 받는 상황에서는 센서를 통해 다른 신호를 받더라도 다시 처음부터 시작되지 않도록 하여 손을 넣고 장치가 진행될 때 사용자의 손이 움직일 경우 다시 신호가 가해지는 것을 막을 수 있다.
위의 코드는 그림 14의 회로를 실제 구현하기 위한 코드로 실제 회로에서는 건전지 연결선이 없어 아두이노 내부의 전압을 같이 사용하게 설계하였다. 이로 인해 적절한 전압이 LED에 연속적으로 가해지는 것이 어려워 센서에 계속 신호가 가해지면 신호를 LED에 가했음에도 충분한 양의 전압이 전달되지 않아 LED 불이 늦게 켜지거나 켜지지 않는 경우가 발생한다. 그러나 이는 건전지를 연결할 경우 해결되는 부분이라고 판단할 수 있다.
추가 상세 설계 사항
위의 개념 설계와 비교해 달라진 부분은 에어 펌프를 사용하여 폼 비누를 제작했다는 것과 동작 마지막에 에어 건조 부분을 추가했다는 것이다. 폼 형태 제작 시 기존에는 수압을 이용하고자 했지만 가정에서의 수압이 5bar인데 이를 견디고 물과의 혼합되지 않는 세정액 저장부를 제작하는 데 어려움으로 추가적인 전력을 사용하는 에어 펌프의 사용을 고려하였다. 압력 분무기의 표면에 구찌를 넣어 에어 펌프를 연결해 저장부에 펌프를 이용하여 압력이 충분히 차 있도록 설계하였으며 빨대에 미세 구멍을 내어 세정액과 공기가 섞여 메탈 필터를 통해 폼 형태로 분사되도록 설계하였다. 분사 시기와 조절은 솔레노이드 밸브를 노즐 뒤에 부착하고 이는 릴레이 모듈로 아두이노에서 조절되도록 설계하였다. 마지막으로 추가한 사항은 손 세정이 완료된 후에 에어 분사하여 손의 물기를 제거해주는 부분을 추가하였다. 추가적인 압축 분무기를 사용하여 폼 거품 비누의 원리와 동일하게 에어 펌프와 연결하여 사용하였다. 이때 내부에는 공기가 있어 세정액 저장부의 압력보다는 높게 유지되도록 설계하였다. 보통 세정액 저장부의 압력은 0.5bar, 에어 건조에 사용되는 압력은 3bar 정도로 사용해본 결과 강한 에어 바람이 원형 노즐을 통해 충분히 분사됨을 확인했기 때문에 수용부의 외부와 닿는 부분 근처에 위치시켜 바람을 통해 물이 아래 방향으로 물을 밀어내면서 손의 건조와 수용부 장치의 건조도 같이 기대할 수 있을 것으로 보인다.
자재소요서
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
1. 초기 과제의 목표를 달성하였는가?
초기 목표는 수도관의 수압과 솔레노이드 밸브를 이용해서 물과 세정액을 분사하는 장치를 개발하는 것이 목표였다. 밸브를 이용해 유체의 흐름을 제어하는 것에 성공하고 미스트 노즐을 체택해 물을 이용한 세정은 완성했다. 하지만 수압을 이용한 세정액 분사는 성공하지 못하고 최종적으로 에어펌프를 이용한 분사 방식을 채택했다는 점, 초기 과제의 목표를 이루지 못했다는 점을 감안하여 목표 달성 –5%를 차감했다.
2. 프로토 타입이 과제를 잘 나타내는가?
우리 팀의 과제는 노인과 어린이도 손씻기 권고 수칙에 맞게 손을 편하게 씻는 것이었다. 이에 대한 평가를 진행하고자 한다. 항목<자>를 살펴보면 프로토타입의 전면, 후면 사진이 개시되어있다. 손 수용부에는 물을 분사하는 미스트 노즐과 세정액을 분사하는 원형 노즐, 자외선 센서, PIR 센서가 적용되어 있다. PIR 센서가 손의 진입을 감지하고 미스트 노즐과 원형 노즐을 통해 물과 세정액을 분사해 손 전체를 씻을 수 있도록 한다. 사용자가 없을 때 자외선 센서가 작동하여 통 내부를 살균하여 청결을 유지한다. 전체 수용부에는 솔레노이드 밸브, 에어펌프, 압축 분무기1, 압축 분무기2, 아두이노 제어 보드가 적용되어 있다. 솔레노이드 밸브는 수도관에서 나오는 물과 압축 분무기에서 나오는 세정액, 즉 유체의 흐름을 제어한다. 에어펌프는 세정액 분사를 위해 압축 분무기에 가압을 하는 역할을 한다. 압축 분무기는 세정액을 보관하며 솔레노이드 밸브가 작동할 시에 압축 공기와 세정액을 호스를 통해 내보내는 역할을 한다. 압축 분무기 2는 공기를 저장했다가 솔레노이드 밸브의 작동과 동시에 손 수용부로 공기를 분사하는 역할을 한다. 아두이노 제어보드는 솔레노이드 밸브와 에어 펌프, PIR 센서, 자외선 센서를 제어하는 역할을 한다. 위 부품들에 의하여 사용자가 손 투입 시 PIR 센서가 사용자의 손을 인식하고, 아두이노가 솔레노이드 밸브를 제어하여 자동으로 물과 세정액을 분사하여 손 전체를 씻을 수 있도록 한다. 물의 작동이 종료되면 압축 공기가 분사되어 사용자의 손을 건조 시켜주며, 사용자가 없을 시 자외선 센서가 작동해 손 수용부의 청결을 유지할 수 있도록 한다. 위와 같은 작동 메커니즘과 프로토타입의 시현을 보았을 때 프로토타입은 과제를 충분히 수행했다고 판단된다.
3. 심미성이 좋은가?
외피를 유광 블랙으로 통일하여 고급스러움을 강조하였다. 올 유광 블랙의 외피는 깨끗해 보이고 고급스러워 보여 사용자가 손을 투입하고 싶어하는 심리적인 부분을 해결하였다고 할 수 있다. 추가적으로 손 투입구를 유광 블랙으로 마감 처리하여 호스와 전선으로 복잡한 내부가 보이지 않고 사용자는 깔끔한 유광 블랙의 바디만을 볼 수 있도록 했다. 아두이노 제어보드 부분에 경첩을 설치하여 관리자의 수리가 있을 시 편리하게 뒤집어서 수리할 수 있는 구조를 제작했고, 사용자가 사용시에는 뒤집어서 복잡한 회로와 호스가 보이지 않도록 설계했다.
4. 보는이가 과제를 한눈에 이해할 수 있는가?
사용자가 프로토타입을 전면에서 바라보면 손 수용부로 통하는 통로 하나만 존재하기에 사용자의 프로토타입 인식 후에 손을 투입하는 것에 문제가 없도록 설계했다. 단순히 손만 투입하는 것으로 손에 물과 세정액 그리고 건조까지 가능하다는 점에서 팀의 과제: 노인과 어린이도 손씻기 권고 수칙에 맞게 손을 편하게 씻는 것을 충분히 수행했다고 판단한다. 하지만 작동 표시부나 외부 디스플레이로 진행 여부를 표시하는 것이 없기에 –5%를 차감했다.
5. 조원 모두가 참여하였는가?
◇ 조장 : 오영준 ◇ 제어부 코딩 및 설계 : 오영준 ◇ 수용부 디자인 및 물 분사 노즐 설계 : 이규훈, 권민규, 정소현 ◇ 거품 노즐 설계 : 오영준, 권민규 ◇ 외관 디자인 : 정소현, 권민규 ◇ 일정 관리 및 회의 기록 : 이규훈
위와 같은 조원의 역할 분담을 통해서 모든 조원이 팀에 기여하도록 했다.
향후계획
본 제품으로 창의력 경진 대회를 참여하여 해당 제품의 객관적인 평가를 받아볼 계획이다 이 후 제품이 가지는 특허 요소인 폼 형태의 분사, 사용자의 비접촉 세정으로 세균으로부터 자유롭다는 점 등을 활용하여 특허를 진행하고자 한다. 기존의 특허와 비교했을 때 소독물질을 사용하는 특허와 비교하면 손 세정 이후 건조하다는 문제를 해당 제품을 통해 해결할 수 있으며 다른 오염 물질의 제거까지 용이하다는 장점을 가진다. 거품이 손 전체에 도포되고 강한 압력으로 손에 도포되는 과정에서 손의 세균이나 이물질이 세정액에 의해 제거될 것이라고 생각된다. 다른 종래 기술은 솔을 이용하는 방식으로 다른 사용자와의 접촉이 불가피하게 된다. 사용한 후 솔을 매번 소독한다고 해도 완전한 세균 제거가 불가하고 습하기 때문에 세균 번식 가능성이 존재한다. 이와 비교할 때 물과 비누 거품을 사용하여 비접촉 세정이 가능하다는 특허 요소를 이용하여 특허를 진행하고자 한다.
현장조사
- 바우아크릴 : 서울 중랑구 상봉2동 120-14
-아크릴판을 이용한 외관 제작
- 은성사 : 서울 동대문구 망우로10길 41
-수도관, 노즐 관련 물품 구매
- 경일 설비 공사 : 서울 동대문구 망우로6길 6 1층
-수도관, 노즐 관련 물품 구매
참고문헌
1. 오경호.(2000).솔레노이드 밸브의 구조와 기능.대한설비공학회 강연회 및 기타간행물,(),59-82. 2. 유형선, (2015). UVLED 광원 - 성장 가속화에 따른 새로운 사업 기회. KISTI 사업 시장 분석. 3. Jang, I. S., & Kim, J. Y. (2005). 자외선을 이용한 수 (水) 처리 살균기술. In The Proceedings of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers (Vol. 19, No. 5, pp. 14-21). The Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers. 4. 출원인: 김일호, 출원일자: 2006년10월19일, 출원번호: 10-2006-0101613 5. 출원인: 주식회사 케이티엠테크, 출원일자: 2015년02월27일, 출원번호: 10-2015-0027941
