키스톤

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 회전 롤러를 활용한 신발 물기 제거 장치

영문 : shoes-dryer using spinning roller

과제 팀명

키스톤

지도교수

이효선 교수님

개발기간

2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20134500** 이*훈(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20134500** 최*진

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 유*현

서울시립대학교 화학공학과 20173400** 윤*현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

우천 시에 보행자에 의해 실내 건물까지 물기에 의해 더러워지거나 보행자가 미끄러져 넘어지는 일이 발생한다. 이를 문제 상황으로 보아, 보행자의 신발의 물기와 오염을 효과적으로 제거하면서 지속가능한 사용을 할 수 있고, 저렴한 비용이 들며, 이동 설치 및 보관이 용이하도록 하는 것이 개발 과제의 지향점이다.

기존 기술과 다르게 흡수부와 롤러부, 그리고 청소부가 결합된 발판 장치를 고안하였고, 보행자가 실내에 들어오면서 장치의 흡수부 상측을 밟게 되면 신축성있는 흡수부가 눌리면서 보행자의 신발 아웃솔을 감싸게 되고 접촉한 모든 면적에서 신발의 오염 및 물기를 흡수하게 되는 원리이다

개발 과제의 배경

1. 폴리우레탄 폼스펀지의 내구성 관련 연구 밀도 62kg/^3의 스펀지의 경우 우측 그래프에서 최대 0.2Mpa의 압축응력을 가했을 때의 변형률은 10000회 시행후에도 최대 3%로 영구변형률이 1%에 그친다. 최대 0.3MPa의 압축응력을 가했을 때 변형률은10000회 시행후에 최대 11%, 영구변형률은 7%이다.

(좌)최대0.2MPa의 압축응력 (우)최대0.3MPa의 압축응력

2.섬도차이에따른 모세관 현상과 흡습속건원리

용어설명 - 모세관 현상, 흡습속건

1. 모세관 현상(毛細管現象, Capillary action)은 모세관을 액체 속에 넣었을 때, 관 속의 액면(液面)이 관 밖의 액면보다 높아지거나 낮아지는 현상 혹은 분자 사이의 인력과 분자와 가느다란 관의 벽 사이에 작용하는, 서로 간의 인력에 의해 가느다란 관을 채운 액체가 올라가거나 내려가는 현상을 말한다.
2. 흡습속건(wicking)이란 수분을 흡수하고 빠르게 건조시키는섬유의 특성을 말한다. 본래 흡습속건성능은 여름철 신체에서 발생하는 땀을 빠르게 흡수 및 건조하여 쾌적성을 높이는 특수 기능을 중심으로 발전했다.

흡습속건은 모세관 현상에 의한 것으로서 섬유의 젖음과 달리 섬유의 친수성과상관성이 높지 않고 섬유의 구조적 특성에 의해 그 성능이 좌우되는 특징이 있다.

흡습속건 측정법은 크게 in-plane wicking, transverse wicking그리고 vertical wicking의세 가지 방법으로 크게 나뉘며 이 중 한국산업규 격에서 사용되는 두 가지 방법은 다음과 같다.

1. direck법(KS K 0815)

20×2.5cm 시험편을 경사와 위사방향으로 각각5매 준 비하고시료를27±2 C의 증류수가 들어있는 용기의 수면에한쪽끝이닿도록하여10분후의모세관현상으 로 물이 상승한 높이(mm)를 측정, 평균값을 사용한다.

1. Drop법

20×20cm 시료를 준비하고27±2 C 증류수를 넣은 뷰렛에서5초마다 1ml 물방울을15~25방울 적하시켜특별한 반사를 일으키지 않을 때까지 소요되는 시간을 측정, 5개 시료의 5회 평균값을 나타낸다.

적층구조에서의  흡습속건은상층(표면부)에서 하층순으로 친수성의증가 및 섬도의증가를 통해 이루어진다. 표면부의 소수성 섬유는 빠른 건조기능과 하층부로의 수분의 이동속도를 촉진한다. 하층 친수성섬유는 조밀한 섬도를통해 모세관현상을 이용하여 흡수한 수분을 빠르게 확산시키며, 상층으로의 수분의 재확산을 막는다.  

적층구조의 흡습속건원리는 기저귀, 생리대, 배변패드, 등 빠른 흡수와 건조를 동시에 필요로 하는 위생용품에 주로 사용된다. 또한 마스크팩, 등에서는 이를 역이용하여 건조를 최대한 늦추는 방법으로 사용되기도 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

폴리우레탄폼 스펀지는 변형가능한 소재로써, 사용자가 밟았을 때 신발 모양에 맞게 변형되면서 감싸 신발 바닥 전체의 물기를 골고루 흡수할 수 있다. 압착롤러를통해 스펀지를 압착하여 수분을 방출함으로써 건조상태를 유지하기 때문에, 수분흡수력이떨어지지 않고, 별도로 교체나 관리없이 사용이 지속가능하다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

내용

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

경쟁 기술 1. : 종이박스

우천시 실내 바닥의 발자국을 방지하기 위한 기존 기술로서 첫번째는 종이박스를 펴서 공동현관 바닥에 깔아두는 것이다.

기능상 장점

1. 종이박스는 일회적으로 사용되는 특징이 있다.
2. 종이박스는 공기층을 함유하고 있어 건조에 용이하고 종이의 특성상 다른 소재보다 중량당 물기 흡수율이 높다.
3. 종이박스는 가볍고 설치 및 제거가 용이하다.

기능상 단점

1. 종이박스는 오염 흡수율이 높다.
2. 종이박스는 물기를 머금은 경우 쉽게 찢어진다.
3. 종이박스는 물기를 말려서 폐기해야 하는 번거로움이 있다.
4. 종이박스는 바닥에 고정이 되지 않으며, 미관상 보기 좋지 않다.

경쟁기술 2. :신발바닥의 물기 제거장치(20-0330214)

본 발명의 목적은 신발바닥의 물기를 간단히 제거하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해 이 발명장치는 물기를 흡수하고 탄성력이 뛰어난 흡수매트와, 흡수매트를 지지하면서 흡수된 물기를 물고임부로 보내줄 거름판, 그리고 물고임부를 형성하고 있는 하판으로 구성된다. 보행자가 장치의 흡수매트를 밟게 되면, 흡수매트는 보행자의 신발에 있는 물기를 흡수함과 동시에 거름판과 신발의 압력으로 스펀지의 물기가 물고임부로 내려가게 된다.

기능상 장점

1. 간단한 구성으로 장치의 비용이 저렴하다.
2. 가벼운 무게로 이동설치가 가능하며 크기를 확장 또는 축소하여 사용처에 맞게 변형시킬 수 있다.
3. 물기를 제거하는 데 소요되는 시간이 적고, 사용자의 별다른 행동을 요구하지 않으므로 사용이 편리하다.

기능상 단점

1. 물기를 머금은 스펀지를 과도하게 압착하는 경우 오히려 스펀지의 물기가 신발로 옮겨 갈 수 있다.
2. 흡수매트 표면에 신발에서 떨어져나온 오염이 잔재하여 기능을 떨어뜨린다.
3. 장기간 사용시 스펀지의 공극이 줄어들어 기능이 감소한다.

경쟁기술 3. 제목 :  신발 이물질 제거 장치(10-1893409)

본 발명의 목적은 신발의 이물질을 제거하는 것이다. 클린룸이나 공장에서 신발에 붙은 이물질을 완변히 제거하는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 방사상의 톱니형태를 가진 이물질 제거부를 형성한 상판; 흡입공을 구비한 매트볼조립체가 형성된 하판; 그리고 흡입공을 통해 신발의 이물질을 흡수하는 집진기로 구성된다. 보행자가 장치 위에 올라서게 되면, 상판이 아래로 눌리면서 하판에 구성된 매트볼조립체의 스프링을 수축시킨다. 매트볼조립체의 스프링이 수축되면 매트볼조립체의 상부 매트볼에 형성된 흡입공이 열리게 되어 집진기의 진공흡입을 통해 보행자의 신발의 오염을 흡입하게 된다. 또한상판에 있는 방사상의 톱니 형태는 신발의 이물질을 물리적으로 제거해준다.

기능상 장점

1. 사용자의 별다른 행동을 요구하지 않으므로 사용이 편리하다.
2. 방사형 돌기가 형성되어 신발의 이물질을 물리적으로 제거한다.
3. 접촉 흡수 방식에 비해 진공 흡입 방식이 신발의 물기나 이물질을 더 완벽하게 제거할 수 있다.
4. 여러번 사용한다고 해서 기능이 떨어지지 않는다.

기능상 단점

1. 500~1500만원의 비싼 비용이 든다
2. 소음이 발생한다
3. 장치를 이용하는 데 비교적 많은 시간이 소요된다.
4. 장치의 부피가 정해져있어 사용처가 제한된다.
5. 장치의 이동설치가 어렵다.

경쟁제품4. : 3M 레인매트

본 기술은 우천시 신발의 물기와 오염을 제거하는 것이다. 개인 또는 공동현관에 사용되는 것으로 본 과제에 목적에 가장 부합한 경쟁제품이다.

본 경쟁제품의 기술적 특징은 매트의 미끄럼 방지를 위하여 바닥에 고무로 표면처리가 되어있고, 혼합소재를 사용하여 흡수부 표면의 중량 대비 흡수율, 건조시간을 기존 매트에 비하여 향상시켰다는 점이다. 또한 흡수부 표면에 지지돌기를 형성하여 흡수부 소재의 손상을 줄이고, 지지돌기가 신발의 표면에 있는 이물질을 긁어내 제거해준다는 특징이 있다.

기능상 장점

1. 복합소재를 사용하여 흡수부의 수분, 유분 및 오염물 흡수를 극대화함
2. 지지돌기를 형성하여 흡수부 표면의 섬유조직이 손상되는 것을 방지함
3. 복합소재의 특성상 건조가 빠름

기능상 단점

1. 매트위에 흡수된 오염물이 매트의 기능을 떨어뜨림
2. 일반 매트의 기능성을 단순 증가시킨 것에 비해 가격 차이가 많이 남(일반 매트 : 5000원~10000원 본 제품 : 약 40000뭔)
3. 건조에 시간이 소요됨에 따라 건조가 덜 된 매트를 밟는 경우 물기흡수를 완벽하게 하지 못함

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

폴리우레탄폼 스펀지는 변형가능한 소재로써, 사용자가 밟았을 때 신발 모양에 맞게 변형되면서 감싸 신발 바닥 전체의 물기를 골고루 흡수할 수 있다. 압착롤러를통해 스펀지를 압착하여 수분을 방출함으로써 건조상태를 유지하기 때문에, 수분흡수력이떨어지지 않고, 별도로 교체나 관리없이 사용이 지속가능하다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

경제적 효과

서울 연중 강수 일수는 연평균 약 105~108일로, 열흘 중 3일 비가 온다. 특히 여름 장마철인 7~8월에는 월평균 강수일수는 약 15일 정도로, 비가오는 날이 며칠동안 지속되거나, 그치더라도 금새 다시 비가내리는 경우가 많다. 또한 비가 그친 후에도, 땅이 마르기까지는 시간이 걸리므로, 그동안 실외 보행자의 신발에는 물기와 오염이 함께 묻게되는 경우가 많다.발자국은 신발의 오염이 물과 함께 바닥에 붙어 생기므로, 신발의 물기를 완전히 제거하는 것만으로도 발자국을 제거할 수 있다. 반면에, 오염이 전혀 없는 경우를 제외하면 신발의 물기가 조금이라도 남아있는 경우에는 발자국이 생길 수 밖에 없다. 따라서 본 과제의 발명장치는 공동현관에서 실내로 들어오는 사람의 신발의 물기를 완벽하게 제거해줌으로써 하나의 장치를 통해 수십개의 개인현관의 청결을 유지할 수 있는 경제적 효과를 가진다. 

사회적 효과

본 과제의 발명장치는 공동현관에서 실내로 들어오는 보행자의 신발에 묻은 물기와 오염을 제거하는 기능을 지속적으로 수행함에 따라, 개인현관의 청소에 대한 부담을 감소시킬 수 있으며, 세탁 또는 교체가 불필요함에 따라 추가적인 비용이 들지 않는다는 점에서 경제적인 효과를 창출할 수 있다. 또한 발명장치의 크기를 변경하여 상업시설이나 체육시설 등에 사용될 수 있어 범용성이 넓은 장점이 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 조장(이규훈) - 회의 진행 및 회의록 작성, 팀원 간 의견 조율

◇ 조장/조원(이규훈,최세진,윤서현,유시현) - 의견 및 피드백 제시, 아이디어 설계 및 추진

설계

설계사양

◇ 평가 기준

신규성 : 기존의 다른 제품과 다른 원리를 가지는지 여부

실현 가능성 : 해당 제품을 한정된 비용 및 시간으로 수행할 수 있는지 여부

안정성 : 제품의 구조 및 작동의 안정성

◇ 평가 내용

1. 롤러부의 작동을 통한 흡수부의 물기 제거.

장점 : 흡수부의 습기를 특정값 이하로 유지할 수 있다. .

단점 : 롤러부를 작동할 때마다 흡수부의 반복적인 변형에 의한 손상이 일어날 수 있다.

신규성 3위, 실현가능성 1위, 안정성 2위

1. 헛돔 현상 없는 롤러부 작동

장점 : 롤러부를 동력 손실 없이 작동시켜 전력 소비를 감소시킬 수 있다.

단점 : 톱니끼리 정확히 맞물려야 되므로, 오차가 약간이라도 있으면 헛돔 현상이 발생할 수 있다.

신규성 1위, 실현가능성 3위, 안정성 2위

1. 사람의 접근 감지를 통한 롤러부의 작동 정지

장점 : 이용자가 안정적으로 제품을 사용할 수 있다.

단점 : 사람 외의 다른 물체에 의해 작동 정지를 할 수 있다는 변인이 있다.

신규성 2위, 실현가능성 2위, 안정성 1위

개념설계안

• 흡수부 : 사용자가 신발을 접촉하는 곳임. 물기 흡수율과 내구성이 적합한 소재를 탐색.

• 롤러부 : 흡수부를 회전시키는 역할을 함. 동력전달부는 앞 쪽의 롤러이며, 그 외의 롤러들은 동력에 손실이 없도록 흡수부가 회전할 때 저항없이 같이 회전하는 역할을 함.

• 물고임부 : 롤러부에 의해 흡수부로부터 제거된 물기가 모이는 곳. 관리자가 물고임부를 분리하여 물을 용이하게 버릴 수 있도록 설계. 물고임부를 원활히 제거할 수 있도록 프레임의 하부를 개방형으로 만들고자 함.

• 압착롤러 : 흡수부가 회전함에 따라 흡수부의 물기를 짜내는 역할을 함.

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 이론적 계산

1. 회전부의 하중 계산

사람의 하중을 최대 100kg라고 가정하였을 경우, 예상 압력은 (사람의 하중)/(사람의 발의 면적) = (100*9.8N)/200cm^2 = 5N/cm^2=50000N/m^2=0.05MPa 임. 따라서 알루미늄봉 소재는 최대 0.05MPa의 압력을 견딜 수 있어야 함.

1. 지지부의 하중 계산

사람의 하중을 최대 100kg라고 가정하였을 경우, 좌우 합판 각각 지지해야되는 하중은 50kg임. 따라서 예상 압력은 (사람의 하중)/(연결부 면적) = 50kg/50cm^2 = 1kg/cm^2=0.1MPa이므로, 각 합판 당 0.1MPa의 압력을 견딜 수 있어야 함.

나. 시뮬레이션

신발 바닥 물기 테스트

1. 실험 목표

우천시 실외에서 실내로 들어올 때 신발의 남은 물기의 양을 측정하여 흡수부의 수분흡수력 요구치를 산계

1. 실험 조건

신발 종류 : 슬리퍼, 컨버스, 러닝화, 구두

신발 사이즈 : 280mm

1. 실험 방법

1. 1. 신발 바닥에 물을 적신다.
   2. 신발을 바닥에 한번 내려놓은 뒤 즉시 뗀다.
   3. 신발 밑창의 물기를 준비된 키친타올로 흡수시킨다.
   4. 건조한 키친타올과 물기를 머금은 키친타올의 무게를 비교한다.
   5. 1~4 과정을 반복한 뒤 흡수된 물의 평균 무게를 계산한다.
2. 실험 결과

신발 종류별 바닥 물기 함유량은 다음과 같다. 단위는 g(그램)이다.

1. 실험 고찰

신발의 종류에 따라 바닥에 묻은 물기의 양이 다르다. 또한 신발 바닥의 요철이 적을수록 바닥에 묻는 물기의 양이 크며, 요철이 가장 적은 슬리퍼 바닥에 5g 이하의 물기가 남는다. 해당 실험 결과를 바탕으로 스펀지의 물흡수량을 추가로 측정하여 최대 사용 횟수를 계산할 수 있다.

bireck법과 drop법을 이용한 부직포의 wicking 성능 확인 실험

1. bireck법 실험순서
   1. 각 부직포를 번호를 매겨 시편(2.5cm x 20cm) 준비
   2. 각 시편에 볼펜으로 1cm간격으로 높이 표시
   3. 각 시편을 수평 높이로 맞춰 매달고 10분동안 시편 끝단에 물이 잠기도록 함
   4. 볼펜이 번진 높이를 측정
2. 실험 결과

1. drop법 실험 순서
   1. 방향성 흡수거동 테스트 실험 순서
      1. 2번3번5번을 순서대로 또는 반대로 적층
      2. 물방울을 일정한 높이에서 3초에 1방울씩 15회 떨어뜨림
      3. 3분 간격으로 수성볼펜으로 반대편 부직포 위에 숫자를 씀
   2. 실험 결과
   3. 개별 wicking성능에 따른 효과 차이 테스트 실험 순서
      1. 2번, 3번, 5번 순서대로 적층 또는2번,4번, 6번 순서대로 적층
      2. 물방울을 일정한 높이에서 3초에 1방울씩 15회 떨어뜨림
      3. 3분 간격으로 수성볼펜으로 반대편 부직포 위에 숫자를 씀
   4. 실험결과

1. 1. 실험 고찰
      1. 부직포의 wicking성능에 따라 적층구조에서 수분흡수거동의 방향성을 확인하였다.
      2. 부직포의 wicking성능 차이가 흡수거동에 큰 차이를 발생시키지 않는다는 사실을 확인하였다.

drop법을 이용한 Np340, Np420 성능 확인 실험

1. drop법 실험순서
   1. 10cm*10cm 시료를 준비
   2. 상온의 물방울을 15~25회 만큼 5초간격으로 적하
   3. 시료의 반대편에서 수분이 방출되는지 여부 확인
2. 실험결과

Np340 -> Np420 : 수분이 이동하여 반대편에 둔 키친타올이 젖음

Np420 -> Np340 : 수분이 이동하여 반대편에 둔 키친타올이 젖음

1. 실험 고찰

섬도가 낮은 쪽에서 섬도가 높은 쪽으로 수분이 일방향으로 이동하며, 섬도가 높은 부직포에서 수직, 수평으로 수분이 확산되는 것을 확인함.

상세설계 내용

1. 부품도

(1) 알루미늄 발판 : 본 발명 장치에서 사용자의 체중을 지지하는 역할을 하며 알루미늄 합금으로 구성되어 100KG이상의 무게를 견딜 수 있도록 설계함

(2) 압축롤러 : 회전부에 의해 스펀지가 회전함에 따라 회전롤러와 함께 스펀지를 압착하여 회전부 상측의 이미 사용되어 젖은 스펀지의 물기를 압착 제거하는 역할. 압착롤러와의 간격을 스펀지의 압축강도와 피로강도, 압착제거효과를 고려하여 스펀지가 70% 압축될 수 있도록 설계함

(3) 측면 접합 지지부 :　회전부와 압축롤러의 무게를 지지하며 본 발명장치의 측면 외관부를 형성함. 무게가 가벼우며 압축환봉을 지지할 수 있는 힘을 가진 아크릴판으로 주문제작

2. 조립도

3. 제어부 및 회로설계

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

1. 프로토타입 사진 혹은 작동장면

• 프로토타입 제작과정에서 모터의 과부하로 인해 작동장면을 촬영하지 못함

포스터

내용

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

1. 초기 과제의 목표를 달성하였는가?

초기 과제의 궁극적 목표인 지속가능한 발판을 유지하기 위해 상부부직포 발판의 빠른 건조와 하부 스펀지 회전부로의 수분의 일방성 이동을 구현하는 목표를 달성하였으나, 회전부 작동 불능으로 인해 스펀지의 압착을 통한 스펀지 흡습력의 재생이라는 목표를 일부 달성하지 못함

2. 프로토 타입이 과제를 잘 나타내는가?

상부 부직포 다층구조의 흡습속건 원리를 이용한 효과적인 발자국 제거의 효과를 충분히 나타냈으나, 제작과정에서 모터의 과부하로 인한 회전부의 작동불능으로 인해 과제의 일부를 잘 나타내지 못함

3. 심미성이 좋은가?

설계작품이 사용되는 위치인 공동현관에서 건물의 외관에 크게 영향을 끼치지 않도록 검정 아크릴 재질의 깔끔한 박스모양으로 제작하여 심미성이 있다고 판단함

4. 보는이가 과제를 한눈에 이해할 수 있는가?

설계작품의 특성상 내부구조를 볼 수 없도록 설계하였으나 아크릴 외관부를 제거하면 회전부의 작동원리를 한눈에 이해할 수 있음

5. 조원 모두가 참여하였는가?

조원 모두가 성실하게 참여하였음

향후계획

- 다양한 공동현관의 크기나 구조에 따라 본 설계작품의 크기와 높이의 다양화 - 지지발판이나 외관부에 사용되는 비용의 절감 - 이동성이 용이하도록 무게 절감 - 회전부의 전력손실을 방지하기 위하여 모션센서를 장착하여 구동

특허 출원 내용

내용