우주의여정
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 자가 세척 가능한 초음파 텀블러
영문 : Self-cleaning ultrasonic tumbler
과제 팀명
우주의여정
지도교수
홍완식 교수님
개발기간
2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 이**(팀장)
서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 김**
서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 여**
서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 이**
서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 정**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
환경오염 및 일회용 사용을 줄이기 위해 텀블러 사용을 권장하고 있지만 텀블러는 씻기가 번거로워 이용률이 저조한 상황이다. 따라서 텀블러 이용률을 높이기 위한 해결방안이 필요하다. 해결방안으로 초음파 세척기와 텀블러를 결합한다. 물에 초음파를 쏘아주게 되면 용액이 초당 수만 번 진동하면서 미세 기포가 발생하고, 이 기포가 발생 및 소멸하는 힘에 의해 세척 효과를 보이게 된다. 인간이 들을 수 있는 소리가 가지는 진동수, 즉 가청진동수(20~20,000Hz) 보다 높은 진동수를 갖는 소리를 초음파라 한다. 초음파는 높은 진동수로 인하여 상대적으로 강한 에너지를 갖고, 물속에서 잘 진행하며, 파장이 짧아 잘 반사되는 성질을 갖는다. 초음파 세척기는 이러한 성질을 이용하여 세척용액에 초음파를 가함으로써 세척대상 객체에 붙은 이물질을 떼어내는 작업을 수행하여 세척대상 객체를 세척하는데 이용된다. 초음파는 분자의 운동을 촉진하므로, 물체의 표면에 붙어 있는 이물질을 떼어내는 데 유리하다. 따라서, 초음파 발생 소자를 텀블러에 내장시킨다. 텀블러에 물을 담아 스위치를 통해 초음파를 발생시켜 손이 닿지 않는 영역이나 패킹 부분, 음용구 및 텀블러 내부를 세척 할 수 있게 한다. 텀블러는 상, 하단 분리 가능하게 제작한다. 세척 시에 텀블러 상단 영역을 분리하여 음용구가 텀블러 내부에 넣어져서 동시 세척이 가능하게 한다.
개발 과제의 배경 및 효과
커피 전문점의 수가 점점 증가하고 있고, 그에 따라 일회용 컵의 사용량도 크게 증가하여 환경오염 문제가 발생하고 있다. 이에 따라, 커피 전문점에서는 텀블러를 가져온 고객에게 할인을 해주거나 포인트를 적립시켜주는 제도를 시행하고 있다. 하지만 텀블러는 씻기가 번거롭고 깨끗하게 세척이 어렵기 때문에 교체주기가 짧고 이용률이 저조한 상황이다. 기존에는 솔이나 수세미, 세제를 휴대해야 텀블러의 깨끗한 세척이 가능하였다. 하지만 초음파 진동자를 결합하여 캐비테이션 현상을 이용함으로써 물만으로도 세척의 효율성을 증가시킬 수 있다. 이로 인해 세척 장소와 시간의 제약을 비교적 덜 받을 것이다. 또한, 살균 효과까지 있어 텀블러의 좀 더 위생적인 사용이 기대된다.
개발 과제의 목표 및 내용
텀블러는 보통 내경이 좁고 깊이가 깊은 원통형으로 제작된다. 따라서 사용자가 텀블러 내부를 깨끗하게 세척하기 어려운 문제점이 있다. 또한 입이 닿는 음용구나 뚜껑 내의 패킹 영역에는 오염의 가능성이 크지만 세척이 어렵다는 문제점이 있다. 본 발명은 외부 활동 중에도 물만 있으면 자체적으로 세척이 가능한 텀블러를 제작함으로써 세척의 어려움을 해결하고자 한다. 휴대가 가능하고 별다른 세척도구 없이 편리한 세척을 제공하는 것을 주요 목적으로 한다. 위에 언급한 문제점을 개선하기 위해 본 발명은 초음파 발생기를 텀블러와 결합한다. 텀블러에 물을 담아 초음파를 발생시켜 손이 닿지 않는 영역이나 패킹 부분 및 텀블러 내부를 세척 할 수 있게 한다. 오염 가능성이 높은 뚜껑과 음용구의 세척을 위해 텀블러는 상, 하단 분리 가능하게 제작한다. 세척 시, 상단부분을 뒤집어서 텀블러 내부에 들어갈 수 있도록 설계하여 텀블러 내부의 세척용액에 담가서 텀블러와 동시 세척 가능하게 한다. 초음파 발생 소자를 텀블러 내부에 내장시킨다. 하단 영역에 스위치, PCB기판, 전력 공급 장치가 들어간다. 이때, 스위치와 전력 공급 장치와 초음파 진동자는 PCB보드로 연결되어있다. 초음파 진동자는 하단 영역에 삽입된 전력 공급 장치에 의해 구동된다. 스위치를 통해 초음파 진동자를 조작하여 초미세 물방울이 형성되어 손이 닿지 않는 내부 영역, 패킹 영역 및 음용 영역을 세척 할 수 있게 한다. 사용의 편의성을 위해 일정 시간이 지나면 자동으로 멈추는 기능이 포함된다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
- 1. 초음파 세척 기술
- 2. 텀블러 내부 내장 기술
- 3. 텀블러 적정 재료
- 기술 로드맵
◇ 초음파 : 가청진동수(20~20,000Hz)보다 높은 진동수의 음파를 초음파라 하며, 높은 진동수에 의해 강한 에너지를 가지고 있다. 초음파는 매질에 의해 전달될 수 있다. 따라서 진공에서는 전달이 되지 않으며, 매질에 따라서 감쇠되는 정도가 다르다. 물과 같은 액체에서 감쇠되는 정도가 약하고, 공기 중에서는 감쇠 정도가 매우 크다. 초음파는 3가지 메커니즘에 의해서 감쇠 될 수 있다. 첫 번째는 흡수이며, 초음파가 매질을 진행하면서 음향에너지가 열에너지로 바뀌며 소실되는 것이다. 두 번째는 반사로써, 계면에 음파가 입사되었을 때, 일부 음파가 반사되는 것이다. 계면을 이루는 두 물질의 임피던스 차이가 클수록 반사되는 정도가 크다. 세 번째는 산란이다. 초음파가 계면을 통과할 때, 그 표면이 불규칙하면 초음파 빔이 여러 방향으로 흩어지는 것이다. 현재 이 제품에서는 초음파 진동자와 물 사이의 계면을 줄이기 위해서, 진동자와 물이 직접 닿을 수 있게 막대형 진동자를 텀블러 내부에 삽입하는 방법을 사용했다. 이후에 공기가 혼입되지 않게 부착할 수 있게 되면 텀블러 밑면에 원판형 진동자를 부착하는 방법을 사용하여 발전시킬 전망이다. ◇ 초음파 세척 기술 : 초음파를 이용한 세척 방식이다. 초음파가 물을 통과하면 매우 많은 미세 기포가 생성되었다가 터지는 캐비테이션 현상이 발생한다. 이 기포가 생성되고 터지는 힘에 의해 오염물질과 세척물질 사이의 틈을 만들고, 다시 그 틈에 기포가 침투함으로써 오염물질을 탈착 시킬 수 있다. 초음파 세척에 고려되는 요소는 세척 용액의 온도, 표면장력, 용존 가스, 점성과 초음파의 출력과 주파수이다. 물의 경우 40~60℃에서 세척이 가장 잘된다. 용액의 점성이 약할수록, 표면장력이 클수록, 용존 가스가 적을수록 캐비테이션 현상이 강하게 일어난다. 초음파 출력은 세척물이 파괴되지 않게 조절해야 한다. 주파수는 클수록 미세 기포의 크기가 작아지기 때문에, 세척력은 감소하지만 침투력이 좋아진다. 사람의 수고가 들지 않고 정밀한 세척이 가능하다는 장점이 있어서, 현재 여러 식당과 산업현장에서 사용되고 있는 기술이다. 이 제품에서는 주요 세척 용액은 물이며, 4~50kHz의 초음파 진동자를 사용한다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
- 1. 특허 조사
- 2. 특허 전략
본 발명품은 텀블러에 초음파 진동자를 결합한 제품이다. 스위치를 통해 초음파를 발생시켜 캐비테이션 현상을 이용한 편리한 세척 방식을 제공하며, 물만 있으면 언제 어디서든 세척을 할 수 있다. 따라서 별도의 세척도구를 필요로 하지 않는다는 점에서 기존의 텀블러와 차별성을 가진다. 텀블러에는 음용구와 패킹영역 등 오염이 잘 되지만, 세척이 어려운 부분이 존재한다. 따라서 위와 같은 세척 방식에 적합한 텀블러 구조를 설계하였다. 음용구와 패킹영역의 세척을 위해 텀블러의 상단과 하단이 분리 가능하게 설계한다. 상단 부분을 뒤집으면 텀블러 내부 세척 용액에 담길 수 있도록 제작하여, 세척 시에 동시 세척이 가능하다. 그로 인해 기존의 텀블러보다 세척이 어려운 부분의 세척을 더 쉽게 할 수 있다.
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
- 마케팅 전략 제시
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 초음파에 의해 발생하는 미세 기포는 침투력이 좋기 때문에 손이나 솔이 닿기 어려운 부분까지 세척이 가능하다. ◇ 세균을 떼어내는 제균 효과도 있기 때문에 텀블러의 좀 더 위생적인 사용이 기대된다. ◇ 기존에는 솔이나 세제 등의 세척 도구를 휴대해야 텀블러의 세척이 가능하였다. 하지만 물만으로 세척이 가능해짐으로써 세척 장소와 시간의 제약을 받지 않을 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 낮은 텀블러 이용률의 가장 큰 원인이었던 세척의 번거로움이 해결됨으로써 텀블러 이용률을 증가시킬 수 있다. ◇ 매년 종이컵을 만들기 위해 많은 수의 나무가 베어지고, 플라스틱 컵은 쉽게 썩지 않아 수백 년간 환경오염을 발생시킨다. 텀블러 이용률이 증가함에 따라 이러한 환경오염을 방지할 수 있다. ◇ 일회용 컵의 사용이 줄어들면서, 쓰레기 처리 비용을 감소시킬 수 있다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 김종우: 제품의 초기 디자인 설정, 시제품에 대한 상세 디자인 확정 ◇ 여승민: 텀블러 시장조사, 재료 결정 및 단가 조사, 물품 구입 ◇ 이의호: 시제품의 실제 디자인 설계, 시제품 제작 ◇ 이주노: 시제품 제작 후 테스트 진행, 보완점 확인 후 개선 방향 설정 ◇ 정대권: 개선점을 반영하여 제품의 디자인 및 설계 수정, 최종 제품 제작
설계
설계사양
가. QFD, Cause-Effect Diagram 분석
◇ QFD 분석
- 일반적으로 사용되는 텀블러에 대한 QFD분석은 다음과 같다.
소비자들의 텀블러에 대한 요구사항과 기술적인 해결방안 사이의 영향성을 평가하였다. 평가의 기준은 요구사항과 해결방안 사이의 Relationship을 기준으로 Strong=9, Fair=3, Weak=1로 설정하였다.
QFD 분석 결과, 소비자들이 중요하게 생각하는 요구사항은 1. 세척하기 편한가, 2. 위생적인가로 나타났다. 또한 기술적인 해결방안으로서는 1. SUS 재질 사용, 2. 초음파 세척, 3. 스크류, O링 세척구조로 나타났다.
◇ Cause-Effect Diagram 분석
- 앞서 분석한 QFD에서 가장 중요한 요구사항으로 파악된 텀블러 세척에 대한 Cause-Effect Diagram 분석은 다음과 같다.
이를 통해 텀블러 세척은 사람의 신체나 성향에 의해 텀블러 세척에 불편함을 느낄 수 있으며, 텀블러 자체의 구조에 영향으로 세척이 어려워 질 수 있음을 확인하였다. 또한 세제나 세척도구 및 장소에 대한 제한이 텀블러 세척 문제의 원인이 된다. 따라서 앞서 확인한 문제의 원인들을 해결하기 위하여 텀블러 세척에 존재한 문제들의 근본적인 원인을 설계사양 중 평가 요소에 포함 시켰다.
◇ 제품의 요구사항
- 제품 요구사항의 각 항목을 Demand와 Wish로 나눈 기준은 다음과 같다.
- Demand : ‘초음파 세척 텀블러’로서의 역할을 할 수 있는 최소한의 요소
- Wish : ‘초음파 세척 텀블러’로서의 기본적 역할에 영향을 미치지 않지만 개발에 성공할 경우 제품의 효용성을 높일 수 있는 요소
나. 평가내용
① 초음파 세척기의 세척평가
- 텀블러의 세척 후 세척능력을 평가하는데 다양한 방법(TDS, EC, 용존산소, Ph측정, SS(부유물 질량), ATP(세균측정))이 있다.
TDS(Total Dissolved Soilds), 총 용존 고형물 측정
- 물속에 녹아있는 고형물질의 총량을 의미한다. 대체로 물속에 녹아있는 미네랄 성분인 칼슘, 마그네슘, 염소 및 황산이온 등의 TDS가 녹아있는데 이런 고형물질이 얼마나 녹아있는가에 대한 수치이다.
측정원리
- 측정기의 끝에 있는 감응센서 2개 사이를 흐르는 전기의 양에 의하여 TDS 수치가 변화하는데 이것은 물속에 이온물질이 많을수록 전기가 흐르는 양이 크기 때문이다. 즉 이온물질이 많으면 전기가 잘 흐르게 되고 높은 수치를 나타내게 된다. 예를 들면 거의 0(zero)에 가까운 증류수나 역삼투막 통과물에 이온물질이 많은 우유나 고칼슘 오렌지쥬스를 소량 투입 후 측정하면 300~500ppm과 같은 수치를 보인다.
- 각각의 물의 종류에 따라 기준 TDS 범위를 가진다. 따라서 기준으로 사용하는 생수를 기본으로 하여 오염된 텀블러를 세척하고, 초음파 세척을 할 시 추출되는 잔여 오염물에서 늘어난 TDS값을 보고 세척력을 확인한다.
② 텀블러 내부, 패킹 및 음용구 세척평가
- 텀블러의 내부 밑면의 깊숙한 부분, 패킹 및 음용구 부분은 오염이 많이 되지만 세척이 어려운 부분이다. 이러한 부분을 주요 타겟 범위로 설정하고 일반 물 세척, 초음파 세척 후의 세척력을 비교한다.
측정방법
- 두 텀블러를 준비한다. 하나는 일반 물 세척을 하고 다른 하나는 초음파 세척을 한다. 텀블러의 내부 밑면의 깊숙한 부분, 패킹 및 음용구 부분을 오염물(ex. 커피, 우유, 주스 등)로 오염시킨다. 물 세척은 물을 담고 1분간 세차게 흔들어 세척한다. 동일한 양의 물을 사용하여 초음파 세척을 진행한다. 세척 후, 비교 분석을 통해 주요 타겟 범위(텀블러의 내부 밑면의 깁숙한 부분, 패킹 및 음용구 부분)의 세척을 평가한다.
다. 제품의 요구사항에 따른 설계 사양
- - 제품의 주요 요구사항 중 Demand 요소로 일반 세척과 비교하여 초음파 세척을 하였을 때, 텀블러의 세척력이 주 요구사항으로 꼽혔다. 이를 해결하기 위해 초음파 진동자가 발생시킨 초음파를 세척이 요구되는 부분까지 손실 없이 전달하는 기술이 요구된다.
- - 또한 패킹영역, 뚜껑과 텀블러를 결합하는 스크루형 결합부분, 텀블러 바닥면과 같이 쉽게 세척이 되지 않은 부분의 세척력이 초음파 세척 텀블러의 주요 요구사항이다. 이를 해결하기 위해 세척 시 바닥면에서 전달되는 초음파가 모든 부분에 적절히 전달되는 구조를 구현한다. 텀블러의 윗 부분인 뚜껑과 상단부를 분리가능하게 제작하며 이를 초음파 진동자가 있는 텀블러 내부에 담그는 구조로 초음파 전달력을 향상 할 수 있도록 한다.
- - 초음파 진동자의 구동시간이 길어지면 소자의 손상 위험이 있다. 손상을 방지하기 위해 자동 종료 기술을 함께 개발한다.
- - 휴대성을 해치지 않아야하며 텀블러 구조 및 회로, 배터리 부분의 무게의 합이 800g을 넘지 않도록 가벼운 소재를 활용하도록 한다.
- - 직장인 하루 평균 종이컵 소비량인 3개인 것을 기준으로 한 번 충전할 때, 최소 3번 이상의 세척기능을 가지게 한다. 일부 소비자들이 하루종일 텀블러를 사용할 때, 평균 이상으로 사용할 수 있음을 고려하여 한 번 충전하면 10회 세척 가능한 배터리 용량을 고려한다.
개념설계안
◇ 개요
- 초음파 진동을 통한 자동 세척이 가능하며 오염이 쉬운 부위(뚜껑, 스크류, 음용부. 패킹 영역 등)에 대한 세척력이 우수한 텀블러를 제작한다.
◇ 목적
- 기존 텀블러의 단점을 보완함으로써 텀블러의 사용을 대중화한다. 즉, 휴대와 세척이 간편한 텀블러를 제작한다. 현대 사회에서 주로 사용되고 배출되는 일회용 컵의 사용을 대체하여 환경오염 방지에 기여한다.
◇ 특징
- 초음파 진동자를 텀블러에 결합한 구조이다. 초음파 진동을 발생했을 때, 세척액인 물을 매질로 활용하여 캐비테이션 현상(미세기포 발생-폭발-오염물 제거)에 의하여 오염물질이 제거된다. 텀블러의 입구는 위로 좁아지는 모양으로 제작된다. 이는 분리 가능한 상단 뚜껑, 중간 뚜껑으로 나뉘며, 이를 뒤집었을 때 텀블러 내부에 잠기게 하여 동시 세척이 가능하게 한다. 이 구조를 통하여 텀블러 내부뿐만 아니라 음용부, 패킹 영역, 뚜껑까지 모두 세척 가능하다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
◇ 전력 계산
설계에 사용한 초음파 진동자의 전력은 50W 이며 전압 20V, 전류 2500mA로 되어있다. 설계에서 선택한 18650 배터리 사용 시 1.4h가 된다. 즉, 18650 배터리를 승압 변환기와 함께 사용하면 84분 사용가능하다. (이 식은 전력소모에 따른 전압의 변화를 고려하지 않은 대략적인 수치이다.) 한번 세척 시 2분이 소요되기 때문에 약 42번 사용가능하다. 또한 18650 배터리는 충전식이기 때문에 지속적인 사용이 가능하다.
◇ 무게 계산
설계에 사용한 550ml 스테인리스 텀블러 몸통의 일반적인 무게는 350g이다. 304 스테인리스의 밀도는 7.93g/cm³ 이다. 약 44ml의 스테인리스가 사용되었다는 것을 알 수 있다. 내부 회로를 삽입할 스테인리스 밑면의 크기는 몸통 영역의 1/3이기 때문에 약 14ml의 스테인리스가 사용된다. 따라서 밑면 설계로 인해 116g 추가된다. 뚜껑의 소재는 플라스틱을 사용하기 때문에 무게는 약 15g이 추가된다. 또한, 회로 및 스위치의 무게는 5g이다. 그리고 18650배터리 및 승압 변환기를 사용해야 하기 때문에 약 50g의 무게가 추가된다. 결론적으로 완성된 텀블러의 무게는 536g이 된다. 즉 기존의 텀블러에 비해 약 50% 증가하게 된다.
◇ 세척력 계산
- 실험방법 : 증류수에 커피를 완전히 용해시킨 것, 물 세척한 텀블러, 초음파 세척한 텀블러 세가지를 비교하여 변화된 TDS 값을 분석한다.
- 실제 값 계산 : 초음파 세척이 물세척에 비해 23% 세척력이 우수하다는 것을 계산을 통해 알 수 있다.
조립도
조립순서
◇ 중간 뚜껑, 하단 지지대 제작
텀블러 본체와 상단 뚜껑을 연결하는 중간 뚜껑이 있어야 하며, 텀블러 밑판 중앙으로 전선이 통과하기 때문에 하단 지지대가 필요했다. 중간 뚜껑과 하단 지지대 둘 다 원하는 치수로 정교하게 만들어야 하기 때문에 3D 프린터를 이용하여 출력 제작하였다.
◇ 텀블러 밑판 그라인딩
초음파 진동자를 내부 중앙에 삽입하기 위해서 밑판 중앙을 원형으로 뚫었다. 원형 그라인딩을 사용하였다.
◇ 텀블러, 초음파 진동자, 하단 지지대 연결
'진동자-텀블러-하단 지지대' 순으로 연결하기 위해 진동자 전선 중간을 끊고 연결하였다. 그 후 피복하여 전선을 다시 이어주었다.
◇ 텀블러-진동자 틈 메우기
텀블러 밑판 구멍과 진동자 결합 후 틈새를 내부를 실리콘으로, 외부를 금속 에폭시로 마감하였다. 하단 지지대와 텀블러 역시 같은 방식으로 접합하였다.
◇ 뚜껑 결합
중간 뚜껑 하단에 고무 O-ring을 결합한 후, 중간 뚜껑과 상단 뚜껑 및 텀블러를 결합하여 완성한다.
부품도
◇ 전체 구조
◇ 상단 뚜껑
◇ 중간 뚜껑
◇ 봉 형태 초음파 진동자
◇ 스테인리스 텀블러
◇ 하단 지지대
자재소요서
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
<시제품 사진>
<세척테스트 영상>
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
향후계획
◇ 휴대성
제작된 텀블러의 전원을 유선으로 제작하여 휴대성이 떨어지는 부분이 있는데, 충전식 배터리를 텀블러에 내장한다면 이런 문제점은 해결이 될 것으로 예상한다.
◇ 내구성
현재 제작된 제품의 경우 충격에 대한 테스트는 시행하지 못하였다. 추후 완충재를 텀블러에 넣어 PCB기판 등을 보호할 수 있을 것으로 예상한다.
◇ 진동자
현재 봉 형태의 진동자를 사용하고 있는데, 진동자가 음료에 직접적으로 닿는다는 위생 문제와과 지속적으로 사용했을 때 텀블러의 바닥과 진동자 사이의 틈이 발생하여 방수 및 세척에 문제가 생길 수 있다. 따라서 추후 바닥에 붙이는 형태의 진동자를 사용하면 언급한 문제를 해결할 수 있을 것으로 예상한다.
특허 출원 내용
【발명(고안)의 명칭】
간편 세척 가능한 휴대용 초음파 텀블러
【기술분야】
본 발명은, 사용자가 휴대하고 다니는 폭이 좁고 깊이가 깊은 텀블러의 세척을 용이하게 하기 위한 세척장치에 관한 것으로, 텀블러에 초음파 진동자를 설치하여 상기 텀블러 내측, 음용부 및 뚜껑 패킹 영역을 세척 할 수 있는 텀블러 세척장치에 관한 것이다.
【발명(고안)의 배경이 되는 기술】
일반적으로, 텀블러는 보통 말하는 컵과 같이 상부가 개방되어 원통형으로 형성되어 내부에 저장 공간을 가지며, 주로 물, 주스 등 음료와 같은 액체를 저장 또는 마실 때 사용된다. 또한, 통상 텀블러는 바닥이 납작한 큰 잔을 일컫는 것으로 음료를 저장 또는 장시간에 걸쳐 마실 수 있도록 비교적 큰 용량을 가지며, 일상생활, 등산, 야영 등 일상생활, 스포츠 및 여가활동에 널리 이용되어 왔다. 최근에는, 회사 또는 단체, 카페 등에서 일회용 종이컵 사용을 제한하고 개인용 텀블러를 이용하자는 규칙 등 환경운동이 강조되고 있어 텀블러의 소비가 지속적으로 증가하고 있다. 또한, 텀블러는 저장용량과 휴대성을 증대시키기 위해, 내경이 좁고 깊이가 깊은 원통형으로 제작된다. 내경이 좁고 깊이가 깊은 텀블러는, 사용자가 일반적으로 사용하는 세척도구로는 텀블러의 입구에서부터 일정깊이까지만 세척이 가능하며, 텀블러 내측 바닥까지는 세척도구가 닿기 어려워 세척하기 힘든 문제점이 있다. 또한, 텀블러는 제품의 특성상 사용자가 외부에서 사용하기 위한 용도로 사용되며, 저장된 음료를 섭취하게 되면, 별도의 세척액 또는 세척도구 없이 외부에서 텀블러를 깨끗이 세척하기 어려운 문제점이 있다.
【선행기술문헌】
- 【특허문헌】
- 기포 방향 제어를 통해 세척 성능이 향상된 초음파세척기 (등록특허 10-1973803호)
- 살균 기능을 갖는 초음파 세척기(등록번호 20-0386224호)
- 살균기능 및 무드등 기능이 가능한 텀블러(등록번호 10-18711620000호)
- 발열 텀블러(공개번호 1020190054009호)
【발명(고안)의 내용】
- 【해결하려는 과제】
- 커피 전문점의 수가 점점 증가하고 있고, 그에 따라 일회용 컵의 사용량도 크게 증가하여 환경오염 문제가 발생하고 있다. 이에 따라, 커피 전문점에서는 텀블러를 가져온 고객에게 할인을 해주거나 포인트를 적립시켜주는 제도를 시행하고 있다. 하지만 텀블러는 씻기가 번거롭고 깨끗하게 세척이 어렵기 때문에 교체주기가 짧고 이용률이 저조한 상황이다.
- 본 특허는 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 외부 활동 중에도 물만 있으면 자체적으로 세척이 가능한 텀블러를 제작함으로써 세척의 어려움을 해결하고자 한다. 휴대가 가능하고 별다른 세척도구 없이 편리한 세척을 제공하는 것을 주요 목적으로 한다.
- 【과제의 해결 수단】
- 초음파 세척기와 텀블러를 결합한다. 물에 초음파를 쏘아주게 되면 용액이 초당 수만 번 진동하면서 미세 기포가 발생하고, 이 기포가 발생 및 소멸하는 힘에 의해 세척 효과를 보이게 된다.
- 인간이 들을 수 있는 소리가 가지는 진동수, 즉 가청진동수(20~20,000Hz) 보다 높은 진동수를 갖는 소리를 초음파라 한다. 초음파는 높은 진동수로 인하여 상대적으로 강한 에너지를 갖고, 물속에서 잘 진행하며, 파장이 짧아 잘 반사되는 성질을 갖는다. 초음파 세척기는 이러한 성질을 이용하여 세척용액에 초음파를 가함으로써 이물질을 떼어내는 작업을 수행한다. 초음파는 분자의 운동을 촉진함으로, 물체의 표면에 붙어 있는 이물질을 떼어내는 데 유리하다.
- 초음파 발생 소자를 텀블러에 내장시킨다. 텀블러에 물을 담아 스위치를 통해 초음파를 발생시켜 손이 닿지 않는 영역이나 패킹 부분, 음용부 및 텀블러 내부를 세척 할 수 있게 한다. 텀블러는 상, 하단 분리가능하다. 텀블러 상단 영역을 분리하여 세척 시에 텀블러 내부에 넣어서 동시 세척이 가능하게 한다.
- 【발명(고안)의 효과】
- 캐비테이션 현상을 이용하여 손이나 솔이 닿기 어려운 부분까지 세척이 가능하다. 또한, 살균 효과까지 있어 텀블러의 좀 더 위생적인 사용이 기대된다. 기존에는 솔이나 수세미, 세제를 휴대해야 텀블러의 깨끗한 세척이 가능하였다. 하지만 물만으로도 세척의 효율성이 증가함으로 인해 세척 장소와 시간의 제약을 비교적 덜 받을 것이다.
- 초음파 발생으로 인한 미세한 공기방울이 터지면서 순간적으로 살균도 가능하다. 따라서 기존에 세제를 이용한 세척에 비해서 더 위생적이라고 할 수 있다. 세척 방식을 응용해서 다른 문제 해결에 사용할 수 있을 것으로 기대한다.
【청구범위】
- 【청구항 1】
- 초음파 진동자(100)와 전력공급장치(110)를 포함하며 텀블러에 내장되는 회로부;
- 세척 시, 초음파 진동이 이루어지며 세척되는 내부 공간;
- 회로부와 내부 공간 전체를 감싸는 텀블러 외형 부분;
- 텀블러를 밀폐하며 분리가능한 텀블러 상, 하단 부분:
- 상기 텀블러의 초음파 진동자를 제어하며 온/오프하는 스위치 제어부(130);
- 세척기 실행 시 초음파 진동부(100)가 진동하며 미세 기포가 생기는 현상을 이용하여 손이 닿지 않는 영역을 세척하는 텀블러
- 【청구항 2】
- 제 1항에 있어서, 텀블러 상단부분은 밀폐를 유지하기 위해 O링 영역(200)과 스크루 형태로 제작되고 분리 가능한 텀블러 상단 부분;
- 을 포함하며, 텀블러 상단부를 뒤집어서 O링 영역(200), 음용부 및 텀블러 내부를 동시 세척하는 특징을 갖는 텀블러