특허내조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 친환경 비접촉 물티슈 디스펜서

영문 : Eco-friendly Non-contact Wet Wipe Dispenser

과제 팀명

특허내조

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2024년 3월 ~ 2024년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 이*엽(팀장)

서울시립대학교 물리학과 20195500** 김*우

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 김*진

서울시립대학교 신소재공학과 20214500** 선*희

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 정*진

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 개발 제품은 일상생활에서 물티슈를 사용 시 과도하게 물티슈가 뽑히는 것이 불편하다고 느껴 고안하였다. 한 장씩 뽑히게 설계하여 불필요하게 낭비되는 물티슈의 양을 줄이고, 물티슈를 뽑을 때 다음 물티슈가 같이 뽑혀서 소비자가 다시 집어넣는 과정을 없애고자 한다. 시장에서 판매 중인 물티슈를 기기에 장착하여 사용하는 방식으로 별도의 리필 물티슈를 구매해야 하는 제한이 없어 대중성과 보편성을 챙겼다. 이는 기존 물티슈 자동화 기기와 차별화를 둔 부분이다. 이로써 가장 기대되는 효과는 소비자의 불편함 감소이며, 더 나아가 불필요하게 낭비되는 자원을 최소화하고 이로써 환경오염에 탁월한 효과를 내는 것이다. 여기에 더해, 기존 물티슈 사용 시스템에서는 취약했던 ‘위생성’을 강화한다. 원래 물티슈는 더러워진 손을 닦을 때도 자주 쓰이는데, 이 경우 더러운 손으로 물티슈를 만져야만 이를 사용할 수 있다. 따라서 물티슈가 오염될 수 있다. 그러나, 비접촉 물티슈 디스펜서를 사용하면 물티슈를 직접적으로 만지지 않기 때문에 위생성을 해치는 오염 요소(인간의 접촉)를 차단할 수 있다.

개발 과제의 배경

◇ 물티슈의 시장 현황과 환경 문제

국내 물티슈 시장 규모는 지속적으로 증가해왔고, 여전히 일상생활 속에서 많이 사용 중이다. 물티슈의 장점은 사용 편의다. 걸레나 손수건은 물에 적시고 이물질을 닦은 뒤 다시 빨아야 하는데, 물티슈의 경우 한번 쓰고 버리면 되기 때문에 편리하다. 그러나 한번 쓰고 버린다는 점 때문에 쓰레기가 쌓이는 결과를 가져오게 된다. 여기서 문제는 물티슈가 대부분 폴리에스테르 등 플라스틱 재질이 섞인 혼방 원단으로 제작되기 때문에 분해가 어렵다는 것이다. 이런 물티슈 쓰레기를 처리하는 비용이 한해 약 1,800억 원에 달한다는 연구결과가 나왔다. 현재는 연간 물티슈 쓰레기를 줄이기 위해 폐기물부담금을 포함한 다양한 행정 수단 등을 함께 검토하고 있는 실정이다. 물티슈의 편의성이 너무 좋기 때문에 국민들에게 물티슈 사용을 자제하도록 하는 것은 어려워 보인다. 대신 물티슈 포장 방식에서의 낭비와 물티슈를 사용하면서 낭비하게 되는 원인을 분석하여 이를 해결하면 물티슈에 의한 더 큰 환경 오염을 방지할 수 있을 거라 예상한다.

△출처 : (주)코스모크린텍

◇ 물티슈의 여러 장 뽑히는 현상 ; 낭비로 인한 환경오염

위 사진은 왼쪽부터 순서대로 스티커 마개형 물티슈, 플라스틱 캡형 물티슈이다. 현재 대부분의 가정용 물티슈는 이와 같이 포장되어 판매되고 있다. 이러한 포장 방식은 물티슈가 쌓여있는 높이를 압축하여 포장되어있기에 , 물의 접착력에 의해서 한 번에 여러 장이 잇달아 뽑히는 불편함이 존재한다. 따라서 사용자는 과도하게 나온 물티슈를 손으로 직접 집어넣거나, 불필요한 물티슈를 과도하게 사용해 낭비하는 수밖에 없다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 개발 과제는 사용자의 연속되고 단순한 동작으로 정확히 물티슈 한 장을 뽑아내는 것을 제1목표로 한다. 그 외의 부가적인 목표와 내용은 아래와 같다.

사용자의 동작:사용자는 장치에 부착된 레버를 단순하게 수직으로 내린 후 다시 올리는 동작만으로 힘을 많이 들이지 않고도 물티슈를 뽑아낼 수 있다.
초기상태 복귀:사용자가 물티슈를 가져간 후에 장치는 다시 초기상태로 복귀할 수 있어야한다. 초기상태로 복귀하고 다음 동작을 준비하여 장치의 작동 오류가 없도록 설계한다.
소요시간:물티슈 한 장을 뽑는 과정이 과도하게 시간이 소요되지 않도록 장치 작동의 과정을 신속하고 간단하게 설계한다.
대중성과 호환성:본 장치에서 사용하는 물티슈는 가장 쉽게 구할 수 있는 스티커 마개형 물티슈를 사용한다. 장치에서 물티슈를 장착하는 케이스 부분은 시중에서 가장 대중적으로 판매되고 있는 물티슈의 사이즈들을 모두 고려하여 대중성과 호환성을 높여 제작 설계한다.
위생 고려:본 장치는 작동 최종 단계에서 물티슈를 자동으로 배출하여 사용자의 직접적인 접촉을 원천 차단한다. 이로 인해 자칫 물티슈가 오염되는 상황을 막을 수 있도록 설계한다.
단일취득:본 장치의 가장 중요한 목표인 물티슈를 한 장씩 취득하는 것을 달성하고자, 수직압축운동과 수평운동을 적절히 조합한다. 헤어롤이 부착된 집게로 물티슈 입구 부분을 수직압축하여 헤어롤에 물티슈를 접착시키고, 이어진 수평운동 동작으로 물티슈를 단일취득 할 수 있도록 설계한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 비접촉 디스펜서 : 비접촉 배출 기술을 설계하여 사용자가 물리적으로 만지지 않아도 물티슈를 획득할 수 있도록 한다.
◇ 비전력 디스펜서 : 전력 소모 없이 기계적 연결 메커니즘으로 작동하도록 설계하여, 친환경적인 디스펜서가 되도록 한다.
◇ 정밀한 티슈 제공 : 압축 프레서 구조를 사용하여 정밀하게 한 장씩 물티슈를 제공하여 물티슈의 낭비를 방지한다.
◇ 지속 가능한 제품 설계 : 별도의 리필 팩 없이 기존의 물티슈 팩과 호환 가능하도록 설계하여 기존 제품을 활용할 수 있게 한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 경제적 비용 절감 : 한 번에 한 장씩 물티슈를 제공함으로써 불필요한 물티슈 사용을 줄여 비용을 절감할 수 있다.
◇ 환경 보호 기여 : 자원 낭비 방지를 통해 환경 보호에 기여한다. 물티슈의 사용 감소와 전력 소비 감소는 이에 따른 폐기물 배출과 에너지 낭비를 억제할 수 있으므로, 지속 가능한 환경 보호에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다.
◇ 공공 위생 향상 : 비접촉 방식으로 공공 위생을 강화하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 김*우：기초 설계, 세부 설계 및 설계도 작성, 제품 제작 및 피드백, 최종 설계 확정
◇ 김*진：시장 조사, 경쟁 제품 기술 분석, 제품 제작, 테스트 진행
◇ 선*희 : 기초 설계, 세부 설계 및 설계도 작성, 제품 제작 및 피드백, 테스트 진행
◇ 이*엽 : 경쟁 제품 기술 분석, 단가 조사, 물품 구입, 제품 제작, 테스트 진행
◇ 정*진 : 기초 설계, 세부 설계 및 설계도 작성, 3D 모델링, 제품 제작 및 피드백

설계

설계사양

제품의 요구사항

목적 계통도

개념설계안

[1] 비접촉 물티슈 디스펜서 개요
◾물티슈를 한 장씩만 뽑아내는 물티슈 디스펜싱 기능이 최우선 개발과제이다.
◾비접촉 물티슈 디스펜서는 위생이 보장되어야 하는 상황이나 단체 공간에 특히 필요한 제품이다.
◾물티슈는 시중에서 쉽게 구할 수 있는 일반 리필형 물티슈로 리필 할 수 있다.
◾전력을 사용하지 않고, 오직 기계적 상호작용만으로 동작한다. 그 작용은 다음과 같다. 사용자가 레버를 내리면 물티슈가 뽑히고, 레버를 올리면 물티슈가 사용자에게 전달된다.

[2] 비접촉 물티슈 디스펜서 장점
◾전기를 사용하지 않아 에너지를 절약할 수 있고, 비용 절감 효과를 가져온다.
◾물티슈 본 품에 대한 사람의 접촉이 없으므로, 위생성이 향상된다.
◾시중에 나와 있는 물티슈 디스펜서는 전용 티슈가 필요하지만, 비접촉 물티슈 디스펜서는 어디에서나 살 수 있는 캡 없는 리필형 물티슈를 사용하기 때문에 유통에 의한 추가 비용을 절감하고 높은 접근성을 가질 수 있다.
◾기존의 물티슈는 캡을 열고, 혹은 스티커를 떼고 뽑아야 하므로 두 손이 필요하지만, 본 제품은 한 손만으로 물티슈를 뽑을 수 있다.
◾캡을 사용하지 않으므로 환경에 긍정적인 기여를 할 수 있다.

[3] 핵심 문제에 대한 원인 분석
◾핵심 문제: 물티슈가 여러 장 겹쳐 나오는 상황이 빈번하게 발생한다. 한 손으로 물티슈를 뽑았을 때, 물티슈가 여러 장 겹쳐 나오는 비율은 약 46%로, 이는 무시할 수 없는 확률이다.
◾문제 원인
1. 물티슈의 수분에 의한 접착력
2. 물티슈 적층 방식을 고려하지 않은 물티슈 뽑는 방향: 연속적인 지그재그 형식으로 포개어 올라가는 물티슈의 적층 방식으로 인해, 수직에 가깝게 뽑을수록 물티슈가 겹쳐 나올 확률이 증가한다.
3. 뽑는 방향으로의 물티슈 밀착 시스템 부재: 뽑는 방향으로 물티슈가 확실히 밀착되지 않으면, 뽑히는 방향으로 물티슈 전체가 들리거나 끌려가게 되면서, 물티슈가 겹쳐 나올 확률 증가

[4] 전체 작동 메커니즘
본 물티슈 디스펜서의 핵심적인 메커니즘은 두 가지로, 물티슈를 압착하는 수직운동과 물티슈를 뽑아내는 규칙적인 회전운동이다. 물티슈를 압착하여 프레스에 점착시킴으로써 누워있는 물티슈를 세우고, 회전판에 설치된 자석집게가 물티슈를 잡은 뒤 회전판이 돌면서 자연스럽게 물티슈가 수평운동에 준하는 회전운동을 하게 된다. 물티슈를 수평에 가깝게 일관된 동작으로 뽑게 되면, 물티슈가 한 장씩 나오기 쉽고 특히 한 장이 빠져나온 뒤 ,다음 물티슈가 충분히 바깥으로 빠져나와 준비되기 때문에 반경이 긴 회전운동이 주요했다.

전체적인 작동 메커니즘에 따른 작동 순서는 다음과 같다.
1. 사용자가 물티슈 케이스에 물티슈를 리필하여 넣는다.
2. 사용자가 레버를 내리면 프레스가 물티슈를 누르게 되고, 프레스 접촉면에 물티슈가 걸리게 된다. 이때, 회전판에 달린 자석집게가 아래 방향으로 열려서 프레스가 물티슈에 닿을 수 있다.

3. 사용자가 레버를 놓으면 프레스가 용수철 힘으로 올라오면서, 접촉면에 걸린 물티슈도 함께 올라온다. 이때에는 자석집게가 윗 방향으로 열리고, 자석집게 아랫부분에 붙어있는 자석이 프레스에 걸려 올라온 물티슈를 인력으로 붙든다.

4. 사용자가 놓았던 레버를 위로 올리는 연속 동작을 진행하면, 회전판이 돌아가면서 그곳에 설치된 자석집게도 함께 돌아간다. 그렇게 밑판 돌출 구조물에 닿을 때까지 회전운동을 진행한다.

5. 회전판과 함께 돌던 자석집게가 밑판 돌출 구조물에 완전히 닿아 걸리게 되면, 지게가 벌어지게 된다. 이때, 잡혀 있던 물티슈가 아래쪽으로 떨어져 사용자에게 전달된다.

6. 물티슈를 다 뽑고 나면, 위로 올렸던 레버를 놓아 자동적으로 장치가 초기화 된다.

[5] 핵심 부품별 작동원리
◾물티슈 케이스: 물티슈 케이스에는 용수철이 내장되어 있어, 뽑는 방향으로 물티슈 전체를 밀착시킨다.

◾후크 앤 루프 프레스: 프레스의 물티슈 접촉면을 Hook & Loop 재질로 처리함으로써, 섬유재질의 물티슈가 프레스 접촉면에 점착되어 잘 걸려 올라오게 했다.

◾프레스 롤러: 레버와 프레스의 연결부에서 발생하는 마찰로 인해 프레스 기둥이 휘어지는 문제가 발생하였다. 이로 인해 프레스 축의 내구성이 현저히 감소되었다. 또한, 물티슈가 줄어든 후에도 물티슈를 끌어올리기 위해 프레스 접촉면이 물티슈 밑부분까지 닿아야 하는데, 이는 프레스 기둥의 길이를 증가시켜 휘어짐 현상을 더욱 악화시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 프레스 기둥 끝의 레버 연결부에 롤러를 설치하여 마찰로 인한 휘어짐을 방지하였다.

◾회전판과 자석집게: 물티슈 적층 방향을 기준으로 수평에 가깝게 뽑음으로써, 물티슈가 겹쳐 나올 확률을 감소시키고, 레버를 통한 기계적 연결로 동작하기 때문에 실제 손으로 뽑을 때보다 물티슈를 뽑는 방향의 변칙성 또한 최소화한다.

◾회전판 베어링: 순차적으로 시행되어야 하는 연속 동작(1.레버를 내려서 프레스를 누른다. 2.레버를 올려서 자석집게를 돌린다.)이 동시에 시행되는 일이 없도록, 레버와 회전판의 회전축을 구분한다.

◾자석집게: 양쪽 집게발의 연결부에 압축형 용수철과 경첩을 조합하여, 자석집게가 힘을 받는 방향으로 벌어졌다가 원래 고정된 상태로 자동으로 돌아오도록 설정했다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

[1] Hook & Loop 재질

물티슈가 누워있는 경우 자석집게로 물티슈를 잡기 힘들다는 문제점이 있었다. 따라서 물티슈가 누워있는 상태를 해결하기 위해 Hook & Loop 재질을 사용했다. 프레스 접촉면의 미세한 Hook 구조가 Loop 구조를 가지는 물티슈의 섬유조직에 걸려 부착되어 누워있던 물티슈를 자석집게로 잡기 용이하도록 세운다. 이때 Hook & Loop 재질의 특성 상 수직운동만으로 누워있는 물티슈를 간단히 세울 수 있으므로 본 제품의 핵심적인 부품으로 활용할 수 있었다.

[2] 수평 운동에 가까운 원 운동 구현
◾물티슈를 수직 방향으로 뽑을 때

◾물티슈를 수평 방향으로 뽑을 때

물티슈의 적층 구조에 의해 물티슈를 수직 방향으로 뽑는 것이 아니라 수평 방향에 가깝게 뽑을수록 물티슈가 여러 장 연달아 나오는 현상을 방지할 수 있음을 알 수 있다. 실제로 실험을 진행한 물티슈 입구로부터 뽑는 각도가 45°까지는 물티슈가 여러 장 연달아 나오는 현상이 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. 가장 이상적으로 물티슈를 뽑는 방법은 물티슈 입구 기준으로 뽑는 각도가 0°가 되도록, 즉 완전히 수평 방향으로 뽑아야 물티슈가 연달아 나올 확률이 가장 낮다. 그러나 수평 방향으로 물티슈를 최소 20cm만큼 뽑도록 설계하면 장치의 크기가 너무 거대해지는 문제점이 있다. 따라서 레버를 이용한 원 운동으로 최대한 수평 운동에 가깝게 구현하는 방향으로 설계했다.

물티슈 입구로부터 뽑는 각도가 45°까지는 물티슈가 여러 장 연달아 나오는 현상이 거의 발생하지 않는다는 실험 결과를 바탕으로 초기 뽑는 각도는 15°로 하고 물티슈를 20cm만큼 뽑아냈을 때 뽑는 각도가 45°가 되도록 설계했다.

상세설계 내용

조립도

[1] 모델링 전체모습

전체적인 수치(단위: mm)

- 핵심 부품들의 주요한 수치는 부품도에서 참고한다

[2] 핵심 부품 조립도

① 소조립체 목록

② 전체 프레임(1) 조립도

- 상단 기둥(1-1)을 하단 기둥(1-2) 윗면 중앙에 꺽쇠와 나사로 연결하여 고정한다.

- 하단 기둥(1-2)을 밑판(1-3) 윗면의 특정 위치에 경첩과 나사로 연결하여 고정한다.

- 옆판(1-4)을 밑판(1-3) 윗면의 특정 위치에 경첩과 나사로 연결하여 고정한다.

- 자석 집게 초기화 요철(1-4)을 밑판(1-3) 윗면의 특정 위치에 경첩과 나사로 연결하여 고정한다.

- 입구(1-5)를 밑판(1-3) 윗면의 특정 위치에 경첩과 나사로 연결하여 고정한다

③ 레버(2) 조립도

- 레버 손잡이(2-1)를 레버 연장부(2-2)의 두 상단 구멍에 통과시켜서 완전 고정한다.

- 레버 연장부(2-2), 와셔(2-4)를 위 그림과 같이 레버 고정용 축(2-3)을 파란 선을 따라서 통과시킨다. 이때 상단 기둥(1-1)의 원형 구멍을 통과하여 레버 고정용 축(2-3)의 중앙에 상단 기둥(1-1)이 끼워진 형태이다.

- 레버 고정용 축(2-3)으로 소립체들을 고정하는 동시에 레버 프레스판(2-6)의 돌출부가 레버 연장부(2-2)의 사각 구멍을 통과시켜서 완전 고정한다.

- 레버 요철(2-5)을 레버 연장부(2-2)를 꺽쇠와 나사로 연결하여 고정한다.

④ 프레스(3) 조립도

- 롤러축(3-1)을 프레스 축 고정기(3-2)의 두 원형 구멍을 통과시켜서 고정한다.

- 롤러축(3-1) 양 끝에 롤러 바퀴(3-3)을 연결하여 완전 고정한다.

- 프레스 용수철(3-6)을 프레스 축(3-5)에 위 그림과 같이 통과 시킨다.

- 통과시킨 프레스 용수철(3-6) 위로 용수철 고정용 와셔(3-4)를 프레스 축(3-5)에 통과시켜서 완전 고정한다.

- 프레스 축(3-5) 하단을 후크 앤 루프 프레서(3-7)의 중앙 사각 구멍을 통과시켜서 완전 고정한다.

- 후크 앤 루프 프레서(3-7) 하단에 후크 앤 루프 패치(3-8)를 부착하여 완전 고정한다

⑤ 자석 집게(4) 조립도

- 레버 고정용 축(2-3)의 양단에 회전판(4-1) 원형 구멍을 통과시켜서 연결한다. 이때 회전판(4-1)이 레버 고정용 축(2-3)의 운동에 따라 회전하지 않도록 완전 고정하지 않는다.

- 회전판(4-1)의 사각 구멍의 반대편이 돌출되지 않을 정도만 회전판 돌출부(4-4)를 삽입하여 꺽쇠와 나사를 이용하여 완전 고정한다.

- 자석집게1(4-2), 자석집게2(4-3) 각각의 스텐봉 양단에 위 그림과 같이 회전판(4-1)의 하단에 위치한 소형 원형 구멍을 통과시킨다. 자석집게1(4-2), 자석집게2(4-3)의 사다리꼴 모양의 상자가 닿는 면은 회전판(4-1)에 완전 고정한다.

⑥ 물티슈 케이스(5) 조립도

- 물티슈 케이스 외부 구조물(5-1) 내부 바닥면에 물티슈 케이스 내부 스프링(소)(5-2), 물티슈 케이스 내부 스프링(대)(5-3)를 위 그림과 같이 배치하여 각 스프링들(5-2, 5-3)의 하단을 완전 고정한다.

- 물티슈 케이스 내부 스프링(소)(5-2), 물티슈 케이스 내부 스프링(대)(5-3)의 상단을 물티슈 받침대(5-4)와 완전 고정한다.

- 물티슈 케이스 외부 구조물(5-1)의 상단 사각형 한 모서리의 양단에 물티슈 케이스 뚜껑(5-5)의 한쪽 모서리만 연결된다. 이때 물티슈 케이스 뚜껑(5-5)이 회전해서 물티슈 케이스 외부 구조물(5-1) 내부에 물티슈를 넣을 수 있는 구조물이다.

- 물티슈 케이스 내부 스프링(소)(5-2)의 탄성력을 이용하여 물티슈가 소모됨에 따라 물티슈 케이스 바닥으로 꺼지는 현상을 줄여주고, 물티슈 케이스 내부 스프링(대)(5-3)의 탄성력을 이용하여 물티슈가 무게에 의해서 양옆으로 흔들리는 현상을 줄여준다.

- 위 그림의 왼쪽 도면을 보면, 위에서부터 물티슈 케이스(5) 전면과 물티슈 케이스(5) 상단, 물티슈 케이스(5) 상단에서 물티슈 케이스 뚜껑(5-5)을 제거한 상태, 물티슈 케이스(5) 상단에서 물티슈 케이스 뚜껑(5-5)과 물티슈 받침대(5-4)을 제거한 상태를 확인할 수 있다.

- 위 그림의 도면의 상단 부분을 보면, 왼쪽에서부터 물티슈 케이스(5) 전면과 물티슈 케이스(5) 측면, 물티슈 케이스(5) 측면 투시도를 확인할 수 있다.

부품도

롤러 축(3-1), 롤러 바퀴(3-2)를 제외하고 자체 제작했으며, 이에 대한 핵심부품 도면은 아래와 같다.

[1] 전체 프레임(1) 부품도

- 전체 프레임(1)의 소조립체 모두 단단함을 요구하기 때문에 포맥스를 이용하였다

- 상단 기둥(1-1)의 상단 부분의 원형 구멍은 총 2개이며 레버 고정용 축(2-3)이 원활히 회전할 수 있도록해야 한다. 따라서 레버 고정용 축(2-3)의 지름이 80mm이므로 그보다 10mm 더 큰 원형 구멍(본 설계에서는 90mm)이 상단 기둥(1-1)에 존재해야 한다. 구멍 위치는 상단 기둥(1-1)의 양 측면에 하나씩 존재하며 위 그림의 우측 상단 도면에 표시한 바와 같이 위에서 30mm 뒤에서 30mm가 교차하는 지점이다.

- 자석 초기화 요철(1-5)은 위 그림의 좌측 하단 도면과 같이 밑판(1-3)의 전면에서 55mm의 위치해야 자석 집게 초기화의 역할을 수행할 수 있다.

- 하단 기둥(1-2)에도 양측에 각각 하나의 초기화 요철이 존재한다. 이 두 요철은 초기화에 직접적인 영향을 주지는 않지만, 회전판(4-1)의 역행을 막아준다. 회전판(4-1)을 막아주는 역할이기 때문에 그 크기- 17 -- 18 는 회전판(4-1)의 두께(5mm)보다 크기만 하면 된다. 본 설계에서는 20mm로 하였으며, 하단 기둥(1-2)의 전면에서 14mm 떨어진 구간으로 설정하였다.

- 회전판(4-1)의 충격으로 인한 손상을 대비하여 포맥스 대신에 수직 경첩과 나사를 이용하여 본 설계를 구현하였다.

[2] 레버(2) 부품도

- 레버(2)의 역할을 수행 시에 변형이 일어나면 안 되기 때문에, 대부분 포맥스를 이용하였다. 예외적으로 레버 손잡이(2-1)는 원통형이기 때문에 포맥스로 구현하기 어려워서 나무봉으로 대체하였고, 레버 고정용 축(2-3)은 모든 레버(2)의 부품들과 회전판(4-1)의 무게를 견뎌야하기 때문에 보다 강한 아크릴 봉으로 대체하였다.

- 축 고정용 와셔(2-4)는 레버 연장부(2-2) 양옆에 연결되어서 레버 연장부(2-2)가 회전할 때 주변 부품들과의 간섭을 줄여주고 양옆으로 흔들리는 현상을 방지해준다.

- 프레스 판(2-6) 전면부는 이 기구의 초기상태에서 프레스(3)의 롤러 바퀴(3-3)와 수평하게 맞닿아 있도록 하였다. 다만, 후면부는 레버 연장부(2-2)의 기울기에 맞게 제작하였더니 프레스 축(3-5)이 후면부 시작하는 곳에서부터 휘어서 프레스(3) 자체가 하강하지 않는 문제가 발생하였다. 따라서 중앙에 곡면을 설치하여 그 휘는 현상을 효과적으로 감소시켰다.

- 레버 요철(2-5)은 회전판 돌출부(4-4)와 닿을 수 있을 만큼의 길이여야 한다. 따라서 본 설계에서는 위 그림의 좌측 상단 도면과 같이 35mm로 설정하였다.

[3] 프레스(3) 부품도

- 롤러 축(3-1), 프레스 축 고정기(3-2), 롤러 바퀴(3-3) 조립체의 가로 길이는 레버 프레스판(2-6)의 가로 길이(=95mm)보다 작아야 한다. 따라서 본 설계에서는 75mm로 설정하였다.

- 프레스 축 고정기(3-2) 아랫면에 사각기둥 구멍이 존재하여 프레스 축(3-5)을 삽입하여 완전 고정한다.

- 프레스 축(3-5)을 원기둥으로 하였을 경우 레버(2) 작동 시 회전하는 현상이 발생하여 사각기둥으로 대체하였다.

- 프레스 축(3-5)이 레버(2) 작동 시 레버 연장부(2-2)가 회전하면서 프레스 응력으로 인해 강하한다. 이때 레버 연장부(2-2)가 회전할 때 작용한 수평으로 작동하는 응력으로 인해 수직 방향으로 강하할 때 휘어지는 현상이 동반한다. 따라서 본 설계에서는 휘어지는 현상을 충분히 견딜 수 있는 알루미늄 봉으로 프레스 축(3-5)을 제조하였다.

- 후크 앤 루프 프레서(3-7) 윗면에 사각기둥 구멍이 존재하여 프레스 축(3-5)이 돌출되지 않을 정도로 삽입하여 완전 고정한다. 반대로 아랫면은 후크 앤 루프 패치(3-8)를 부착하여, 프레스 기능으로 물티슈가 수직운동할 수 있게 한다.

- 용수철 고정용 와셔(3-4)는 프레스 축(3-5)에 완전 고정해서 프레스 용수철(3-6)이 레버(2)를 작동시킬 때 상단으로 튀어 오르는 현상을 방지한다.

- 물티슈가 충분히 압착되려면 아래 사진과 같이 프레스 축(3-5)가 100mm 이상 하강해야하기 때문에, 자동으로 초기화하기 위해서는 최소 150mm 이상의 프레스 용수철(3-6)이 필요하다. 본 설계에서는 탄성계수가 높은 것을 이용했기 때문에 최소 길이보다 긴 약 210mm로 설정하였다.

[4] 자석 집게(4) 부품도

- 회전판(4-1)은 레버 고정용 축(2-3)의 양단에 연결된다.

- 회전판 돌출부(4-4)는 레버 요철(2-5)과 맞닿아서 회전할 수 있어야 하기 때문에 충분히 길어야 한다. 본 설계에서는 80mm로 설정하였다.

- 3D 프린팅으로 제작한 자석집게1(4-2)과 자석집게2(4-3)는 각각 네오디뮴 자석이 하단에 3개가 일정한 거리에 부착되어 있으며, 네오디뮴 자석이 돌출되어 있는 구조일수록 그 세기가 커서 자석 집게 초기화 요철(1-5)의 기능이 제대로 수행되기 어려울 수 있다. 따라서 자석집게1(4-1)의 가운데 자석만 2mm 포맥스를 위에 덮었다. 그 결과 물티슈를 잡을 힘을 충분히 구현할 수 있는 자성을 유지하면서, 자석 집게 초기화도 쉬워짐을 관찰할 수 있었다.

- 자석 집게1(4-2)에는 자석집게2(4-3)과 달리 하단 부분의 양단에 돌출부가 존재하여, 이를 통해 자석 집게 초기화 요철(1-5)에 걸려서 자석집게가 초기화된다.

- 자석 집게(4-2, 4-3)은 위 그림의 우측 하단 도면처럼 상단 부분과 하단 부분이 서로 예각으로 항상 120°를 유지해야한다. 이 때문에 순간 접착제로의 완전 고정은 한계가 존재하기 때문에 자석 집게만을 3D 프린터로 제작한다.

- 자석집게1(4-2)과 자석집게2(4-3) 양단의 사다리꼴 기둥은 위 그림의 좌측 도면과 같이 용수철이 부착되어있다. T자형 자석집게들의 상단 부분과 사다리꼴 기둥은 용수철의 양단에 완전 고정되어있지만, 서로 연결되어 있지 않기 때문에 오직 부착된 용수철의 움직임에 영향을 받는다. 용수철은 T자형 자석집게들의 상단 부분의 수평을 유지하기 위해 135° 구부린 상태를 유지해야 한다. 하지만 아무리 같은 종류의 용수철 4개를 이용하더라도 늘어나는 정도가 시간에 따라 변화하기 때문에 자석 집게의 상단 부분의 수평유지를 위하여 사다리꼴 기둥을 재부착하는 데에 어려움이 있었지만, 시연하는 데에는 문제는 없었다.

- 위 상황을 해결할 수 있는 방향은 용수철 대신 토션 스프링을 이용하는 것이다. 아래 사진처럼 토션스프링(붉은선)의 중심부에 스텐봉을 끼우면 본래 용수철과 같은 기능을 구현 가능하다. 이때 사다리꼴 기둥쪽에 위치한 다리는 완전고정하고, 자석 집게의 상단부분은 고정하지 않은 상태로 자석집게(4-2, 4-3)의 하단 부분(자석이 부착된 부분)의 무게를 이용하여 그 상단부분의 수평을 유지할 수 있다. 다만, 토션 스프링과 사다리꼴 기둥의 완전 고정이 어려운 단점이 존재하여 다리 길이가 최소 15mm되어야 한다. 그리고 토션 스프링의 두 다리가 서로 180° 상태를 유지할 수 있어야 한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

1. 물티슈가 1장만 뽑히는 비율이 90% 이상이었는가?

 50번 장치를 수행하여 자석집게가 물티슈를 한 장만 뽑아내는데 성공한 횟수는 46번이었다. 따라서 92%의 성공률을 보였고, 개발 목표치였던 90%를 넘겼다.

2. 물티슈가 사용자에게 전달되는 비율이 90% 이상이었는가?

 50번 장치를 수행하여 자석집게에 집힌 물티슈가 사용자에게 전달된 횟수는 44번이었다. 따라서 88%의 성공률을 보였고, 90%에 근접하였다.

3. 물티슈의 디스펜싱 성공률이 90% 이상이었는가?

 50번 장치를 수행하여 자석집게가 물티슈를 한 장만 뽑아내어 사용자에게 전달까지 성공한 횟수는 42번이었다. 따라서 84%의 성공률을 보였고, 개발 목표치 90%와 차이가 크지 않은 것으로 보아, 물티슈 디스펜싱 기능이 준수함을 확인할 수 있다.

4. 물티슈의 오작동 확률이 10% 이하였는가?

 50번 장치를 수행하여 물티슈가 장치 내부에서 엉키거나 끼여서 변형되어 나온 횟수는 8번이었다. 이는 16%의 오작동 확률로, 개발 목표치인 10%에서 차이가 크지 않은 것으로 보아, 오작동할 가능성이 높지 않음을 확인할 수 있다.

5. 소요시간은 7초 이하였는가?

 50번 장치를 수행하여 장치의 레버를 내리는 순간을 기점으로 물티슈가 한 장만 뽑혀 나와 사용자에게 전달되기까지 걸린 시간의 평균값은 약 5.2초였다. 따라서 개발 목표치인 7초 이하를 만족하므로, 소요시간이 과도하지 않음을 확인할 수 있다.

향후계획

◇ 알맞은 용수철 상수를 찾아 프레스 기둥(축) 길이를 최적화하여 디스펜서 전체 높이를 줄이고 공간 효율성을 향상시킨다.

◇ 무게중심을 장치 내부로 재배치하여 레버를 내릴 때 장치가 바닥에 안정적으로 고정되도록 하여 사용 시의 안정성을 극대화한다.

◇ 기계적 구조를 정밀하게 재설계하여 물티슈의 수분 증발을 방지하는 뚜껑 구조를 연동시킴으로써 제품의 보존성을 강화한다.

◇ 장치의 소재를 경량이면서도 내구성이 높은 재질로 개선하여 휴대성을 높이고, 장치의 사용 수명을 연장한다.

◇ 사용자 편의성을 증대시키기 위해 인체공학적 설계를 적용하여 레버 작동 시 필요한 힘을 최소화하고, 사용 경험을 향상시킨다.

◇ 물티슈가 한 장씩 정확하게 뽑히는 기구로서 병원, 식당, 공원 등 인구 밀집도가 높은 공공시설에서 활용 가능성이 높기 때문에 소형화된 형태로 발전시킨다면 장치의 효용성이 더욱 증대될 것이다.

◇ 공공장소에서의 위생 관리의 중요성이 날로 증가하는 상황에서 비접촉 방식의 디스펜서는 교차 오염을 효과적으로 방지할 수 있는 방법으로 주목받을 수 있다. 이는 감염병 확산을 방지하고, 전반적인 공공 위생 수준을 높이는 데 기여할 수 있다. 특히, 코로나19 팬데믹 이후 비접촉식 기기의 수요가 급증하면서 이러한 디스펜서의 사회적 파급효과는 더욱 커질 것이다.

특허 출원 내용

내용

특허	요약 내용	대표 도면
코인 티슈용 디스펜서 출원번호 : 10-2018-0107265 등록번호 : 10-1949806 출원일자 : 2018.09.07	코인 티슈를 최대한 위생적으로 보관할 수 있으며 사용이 편리한 코인 티슈용 디스펜서
양이 줄어든 물티슈의 인출이 용이한 승강 구조가 일체로 형성된 물티슈 케이스 출원번호 : 10-2018-0050498 등록번호 : 10-1989151 출원일자 : 2018.05.02	물티슈를 어느 정도 사용하여 양이 줄어든 상태에서 간단한 조작으로 보관된 물티슈를 승강시켜 마지막까지 뽑아 쓸 수 있도록 한 바닥판과 함체로 이루어진 물티슈 케이스
슬라이딩 타입을 갖는 물티슈용 덮개 출원번호 : 2020150005320 등록번호 : 2004800180000 출원일자 : 2015.08.10	슬라이딩 타입을 갖는 물티슈용 덮개에 관한 것으로서, 사용자가 쉽고 편리하게 원터치로 덮개를 개폐할 수 있도록 하는 슬라이딩 타입을 갖는 물티슈용 덮개에 관한 것이다.
소독 물티슈 공급장치 출원번호 : 10-2020-0187584 등록번호 : 1024191860000 출원일자 : 2020.12.30	소독 물티슈 공급장치로, 이 장치는 소독수를 실시간 생성하고 계절에 따라 온도로 조절하여 위생적인 물티슈를 제공하며, 부력조절탈취모듈을 통해 소독수의 오염을 방지하고 항균탈취효과를 유지
낱장 인출이 가능한 인출차단부재를 갖는 물티슈 캡 출원번호：10-2020-0083849 등록번호 :　10-2333488 출원일자 :　2020.07.08	물티슈의 낱장 인출을 가능하게 하는 인출차단부재를 갖는 물티슈 캡에 관한 발명임. 물티슈가 연속으로 인출되는 것을 방지하여 위생적이고 편리하게 사용할 수 있도록 설계되었습니다. 인출차단부재는 다양한 형태로 구성되어 물티슈 인출 시 한 장씩만 나오도록 하는 역할을 수행

특허	신규성	진보
코인 티슈용 디스펜서 출원번호 : 10-2018-0107265 등록번호 : 10-1949806 출원일자 : 2018.09.07	공지기술과는 다른 독특한 복합적 하우징 구조를 보임. 특히 하우징 내부의 심 격벽이 티슈와 물이 서로 분리되도록 설계가 됨.	기존에는 볼 수 없던 특정 구조적 특징을 통해 사용자가 더욱 위생적이고 효율적으로 사용할 수 있도록 만들어 편의성을 제공.
양이 줄어든 물티슈의 인출이 용이한 승강 구조가 일체로 형성된 물티슈 케이스 출원번호 : 10-2018-0050498 등록번호 : 10-1989151 출원일자 : 2018.05.02	티슈 승강 메커니즘에 관한 것으로, 경사면과 승강구조를 사용하여 티슈를 쉽게 사용할 수 있도록 함. 공지기술과는 다른 구조적 특성을 보여 신규성을 만족시킴.	승강 메커니즘으로 사용자가 물티슈를 한 장씩만 사용할 수 있도록 하여 편의성을 크게 향상시킴. 이는 진보성의 요건인 구성의 곤란성을 만족시켰음.
슬라이딩 타입을 갖는 물티슈용 덮개 출원번호 : 2020150005320 등록번호 : 2004800180000 출원일자 : 2015.08.10	슬라이딩도어 메커니즘은 기존 공지기술과 비교하여 동일성이 부정되어 신규성에 인정됨.	동질의 효과가 크게 향상되어 진보성 요건을 충족시켰음. 슬라이딩 도어 메커니즘은 사용자가 원하는 만큼의 물티슈를 쉽게 뽑을 수 있게 하고 포장에도 용이하여 위생적인 보관이 가능함.
소독 물티슈 공급장치 출원번호 : 10-2020-0187584 등록번호 : 1024191860000 출원일자 : 2020.12.30	티슈가 롤형으로 권취되어 필요할 때 풀어지는 방식으로, 기존의 겹쳐진 형태와 차별화됨.	가열모듈, 냉각모듈을 통해 계절에 따라 적절한 온도의 소독수를 제공함. 부력조절탈취모듈을 통해 소독수의 오염을 방지함.
낱장 인출이 가능한 인출차단부재를 갖는 물티슈 캡 출원번호：10-2020-0083849 등록번호 :　10-2333488 출원일자 :　2020.07.08	기존의 물티슈 캡은 최상층의 물티슈를 뽑을 때 다음 장의 물티슈가 연달아 나오는 문제가 존재했음. 인출차단부재를 물티슈 캡에 도입하여 물티슈가 연속적으로 인출되는 것을 방지	물티슈가 한 장씩 인출되도록 하는 인출차단부재를 도입하여 연속 인출 문제를 해결하였으며, 차단바의 일체 성형으로 제작이 간편하고 비용을 절감. 또한, 다양한 형태와 구조로 설계되어 다양한 사용자 요구에 부합할 수 있다.

S(Strengths) - 비접촉 기능을 통해 위생과 사용자의 편리함을 증가시킴 - 한 장씩 정확히 뽑을 수 있어 물티슈 낭비를 줄일 수 있으며, 이는 환경 보호에 기여함 - 시장에 있는 기존 물티슈와 호환될 수 있도록 설계되어 사용자의 추가 부담을 덜어줌 - 단순한 동작으로 원하는 기능 구현	W(Weakness) - 기술적인 복잡성으로 인해 초기 제품 및 개발 및 생산 비용이 높을 수 있음 - 새로운 형태의 제품이기 때문에 시장에 제품의 가치와 사용 방법을 교육해야 함 - 고장이 발생하면, 유지보수가 힘들 수 있고 비용이 많이 들 수 있음
O(Opportunities) - 코로나 19 이후 위생에 대한 사람들의 관심이 높아져, 위생 제품에 대한 수요가 증가하고 있음 - 자원을 절약하고 쓰레기를 줄일 수 있는 제품에 대한 수요 증가 - 위생이 중요한 공공장소에서는 편리한 디스펜서에 대해 높은 수요가 존재	T(Threats) - 새로운 형태의 제품에 적용할 경우 규격 및 표준화 문제가 있을 수 있음 - 제품을 규격화하는 과정에서 장비의 부피를 감소시키지 못하면, 사용성이 제한될 수 있음 - 기술적 문제가 발생할 경우, 제품의 제 기능을 하지 못해 신뢰성에 영향을 줄 수 있음

특허내조

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

시장상황에 대한 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

목적 계통도

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

상세설계 내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

특허 출원 내용

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