3조-빛나리

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 광섬유를 이용한 칫솔 살균기

영문 : Toothbrush sterilizer using optical fiber

과제 팀명

빛나리

지도교수

정재필 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 곽*연 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201645000** 권*환

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 김*희

서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 김*희

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ UV-C LED 빛을 이용한 칫솔 살균기

UV-C 빛은 250nm~285nm 사이의 파장 영역대의 빛이다. 이 파장대의 빛은 균의 살균효과가 뛰어나기 때문에 각종 살균 장치에 사용되고 있다. 칫솔은 습도가 높은 환경에 주로 노출 되어 균의 번식이 용이한 환경에 처해있고 구강에 직접적으로 접촉하기 때문에 주기적인 살균의 필요성이 매우 크다. 때문에 UV-C LED 빛을 이용한 칫솔 살균기 제품이 시중에 판매 되고 있다. 본 팀은 개선된 칫솔 살균기 제품을 통해 기존의 제품의 문제점을 해결하고 더 나아가 개선된 제품 제작을 목표로 한다.

◇ 광섬유의 이용

UV-C LED 빛은 직진성이 강해 굴절이 거의 일어나지 않는다. 따라서 칫솔 살균기에 UV-C LED 빛을 조사할 시 칫솔모 사이까지 빛의 침투가 어려워 칫솔 내부 영역의 살균이 어렵다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 기존의 칫솔 살균기에 광섬유를 부착하는 방법을 통해 문제점을 해결하기로 하였다. 광섬유는 빛이 닿기 힘든 영역까지 빛을 조사할 수 있는 장점이 있다. 이러한 특성을 활용하여 칫솔모 내부까지 살균이 가능한 칫솔 살균기를 제작했다.

개발 과제의 배경

◇ 배경

살아가면서 치아의 건강을 잘 관리하는 것은 매우 중요하다. 이를 위한 가장 기본적이면서도 중요한 습관이 바로 양치질이다. 하지만 때때로 양치질을 하려고 해도 칫솔이 비위생적일 수 있다는 불안감이 엄습한다. 실제로 칫솔에 수많은 미생물이 서식하고 있다는 것은 널리 알려져 있다. 그런데도 일반적으로 칫솔을 별다른 조치 없이 사용하거나 얼마 지나지 않아 새로운 칫솔로 교체한다. 칫솔 살균기를 적극적으로 활용한다면 칫솔에 서식할지 모르는 미생물을 살균할 수 있다. 이는 치아 건강에 큰 기여를 할 수 있을 것이다. 이는 일상에서 사소하게 스쳐 지나갈 수 있는 부분이지만, 장기적인 관점에서 본다면 치아 건강에 있어 큰 효과를 거둘 수 있다.

◇ 기존 제품의 문제점

칫솔은 수많은 얇고 미세한 모들로 이뤄져 있다. 즉, 이는 표면적이 매우 넓은 구조로 되어 있다. 따라서 이런 넓은 면적에서 미생물들이 번성할 가능성이 크다. 이러한 현상은 칫솔 살균기의 사용을 통해 방지될 수 있다. 그런데 기존의 제품들은 자외선이 조사되지 않는 사각지대가 발생할 가능성이 있다. 칫솔모들이 촘촘하게 붙어 있어서 섬세하게 자외선이 조사되기는 어렵기 때문이다. 이러한 사각지대가 커질수록 살균기의 성능은 떨어질 것이며 실질적인 효과를 거두기 어렵다.

◇ 기대효과

만약 칫솔 살균기의 자외선이 방출되는 부분에 광섬유를 촘촘하게 접착시키면 기존의 살균기가 도달하지 못한 사각지대에까지 자외선이 조사될 수 있을 것이다. 기존의 제품으로는 완벽히 살균하지 못한 영역까지 침투하여 더욱 섬세한 살균이 가능해진다. 광섬유를 통해 구석진 영역까지 자외선이 도달하여 살균 효과를 거둔다면 기존의 제품에 비해 성능이 개선될 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 살균 성능

칫솔 살균기의 본질에 맞게 살균 성능이 우수하여야 한다. 최종적으로 99% 혹은 그 이상의 살균력을 지닐 수 있도록 제품을 디자인하여야 한다. 살균율은 KR=1-exp(-kIt) (KR: 살균율, I: 자외선의 강도, t: 살균 시간)라는 공식을 통해 유도될 수 있다. 이 공식을 활용해 원하는 살균율 99%에 도달할 때까지 걸리는 시간을 알아낼 수 있다.

◇ 회로의 작동

회로의 알고리즘에 맞춰서 제대로 작동하여야 한다. 이 제품의 알고리즘은 우선 칫솔을 칫솔 살균기에 넣고 뚜껑을 닫으면 회로가 작동하면서 자외선 빛이 직접적으로 혹은 광섬유를 통해 칫솔에 조사되어야 한다. 특정한 시간이 지나면 회로의 작동이 자동으로 종료되어야 한다. 만약 작동이 종료되기 전에 칫솔을 꺼내야 해서 뚜껑을 연다면 회로의 작동이 멈춰야 한다. 이는 인체에 유해한 자외선의 외부 유출을 막기 위해서 매우 중요하다.

◇ 자외선 유출의 차단

자외선의 유출이 차단되어야 한다. 이 칫솔 살균기에 사용할 빛은 UV-C인데, 이 빛이 인간에게 직접 조사될 경우 피부암 등의 질병을 유발할 우려가 있다. 따라서 이 빛의 차단은 매우 중요한 과제이다. 자외선이 최대한 차단되게 하기 위해서는 자외선 광이 외부로 새지 않도록 폐쇄적인 구조를 지니게 설계하여야 한다. 유출된 자외선의 강도 등을 확인하는 방법은 자외선 측정기를 이용하는 것이다. 자외선 측정기를 통해 자외선 량을 측정한 뒤, 이 수치가 일정 수준 이하가 되는지 검사하여야 한다.

◇ 편의성

광섬유가 부착된 기판을 통해 칫솔을 살균하다 보면 광섬유와 기판이 칫솔에 남아있는 찌꺼기에 의해서 오염될 가능성이 있다. 이를 해결하기 위해 광섬유가 오염되었다고 판단되면, 슬라이드 형식으로 홈에서 기판을 꺼내서 세척이 용이 혹은 교체할 수 있도록 설계되어야 한다. 광섬유가 부착된 기판을 꺼내기가 편리하여야 하며 다시 안으로 넣기도 편해야 한다. 또한 꺼내기 전후에 제품에 별 이상이 없어야 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

-광섬유를 이용한 살균

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 광섬유 가이딩 UV LED 살균 장치

◇ 칫솔 살균 및 건조기

◇ 휴대용 칫솔 살균기(1)

◇ 휴대용 칫솔 살균기(2)

◇ 기존 살균기의 경우 칫솔모의 안쪽까지 살균을 하지 못한다는 단점을 가지고 있다.

◇ 위의 광촉매를 이용한 칫솔의 경우처럼 자외선과 광섬유를 함께 이용하여 살균하는 방법을 칫솔 살균기에 접목시켜 기존의 살균기보다 더 큰 살균 효과를 기대할 수 있다.

• 기술 로드맵

- 해당 기술 로드맵은 특정 칫솔 살균기 업체의 상품을 기준으로 발달해온 과정이다.

- 1세대에서 사용한 광원은 UV Lamp였다. UV Lamp는 수은을 사용하는 방식이다. 살균 파장은 자외선 중에서도 UV-A와 UV-B에 속하는 파장대로 파장이 UV-C에 비해 상대적으로 길기 때문에 살균 효과가 떨어진다.

- 2세대에서 사용한 광원은 UV LED였다. 1세대에서 사용한 UV Lamp는 수은을 사용한 Lamp로 2세대가 나왔을 당시에는 아니지만 2020년에 수은 램프는 금지가 될 정도로 제품에 사용하는 데에 적합하지 않다. 살균 파장은 1세대와 마찬가지로 UV-A와 UV-B에 속하는 파장대로 파장이 UV-C에 비해 상대적으로 길기 때문에 살균 효과가 떨어진다. 수명은 UV Lamp를 사용할 때보다는 길어졌다.

- 3세대에서 사용한 광원은 UV-C LED이다. 현재도 사용하고 있는 방식으로 살균 파장도 훨씬 짧아졌다.살균 효과가 매우 뛰어나며, 적은 시간 살균에도 우수한 살균력을 보인다. 수명시간도 2세대보다 길어 졌다.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

1) 라이징테크 유토렉스 퍼펙트케어 무선 칫솔살균기 URT-130CHW

라이징테크에서 출시된 유토렉스 퍼펙트케어 무선 칫솔 살균기 URT-130CHW는 10파장 UV LED로 1회에 10분 동안 살균이 가능한 국내 최장 살균시간 기능이 탑재되어 있다. 이 제품은 이중 룸 구조를 통해 칫솔과 날 면도기의 살균 공간을 분리함으로써 세균이 교차 오염될 수 있는 가능성을 미연에 방지하고 있다. 또한 2000mAh의 대용량 리튬이온 배터리로 넉넉한 사용시간을 확보할 수 있고 소비자들이 가장 많이 사용하는 5V USB 충전기로 충전할 수 있게 제작했다. 본체 중앙의 온·오프 버튼을 통해 효율적인 제어도 가능하다. 치간 칫솔이나 전동 칫솔 헤드 등을 살균할 수 있는 멀티 살균 룸을 통해 활용도를 높였으며, 자석 위생 컵, 하단 고리, 다용도 상단 선반 등 편리한 기능들이 포함돼 제품을 더욱 깔끔하게 관리할 수 있도록 도와준다. 그러나 이 제품은 부피가 크기 때문에 휴대용이 아닌 가정용으로만 사용이 가능하다.

2) 엑토 프레시 UV 휴대용 칫솔 살균기 TBS-01

엑토에서 출시된 프레시 UV 휴대용 칫솔 살균기 TBS-01는 UV 램프로 6~8분 동안 살균을 한다. 이 제품은 반투명 케이스로 제작이 되어 램프의 작동을 확인할 수 있으며, 통풍구가 있어 젖은 상태의 칫솔로 발생되는 습기를 배출한다. 그러나 이 제품의 UV 살균에 쓰이는 램프는 수은 램프로 유해하다는 문제점을 가지고 있으며, 램프의 사용기간도 한정되어 있어 배터리를 주기적으로 갈아주어야 하는 단점을 가지고 있다. 또한 반투명 케이스가 램프 작동을 확인은 시켜주지만, UV 램프가 외부에서 보이며 인체에 유해하다는 문제점을 가지고 있다.

3) 아이담테크 무선 휴대용 칫솔 살균기 울트라웨이브 TS-02

아이담테크에서 출시된 무선 휴대용 칫솔 살균기 울트라웨이브 TS-02는 수은을 함유하지 않은 친환경 소재의 LG INNOTEK UVC LED를 통해 살균을 하며, 최소형과 최경량의 디자인을 가지고 있어 휴대가 편리하다. USB 충전이 가능하며 1회 충전에 60회 살균이 가능하며, 커버를 닫으면 약 3분간 살균 후 자동으로 꺼진다. PCB를 나노방수방습액체에 DEEP 처리하는 방식으로 내구사용성이 우수하며, 미끄럼 방지 실리콘 패드도 적용하였다. 그러나 건조를 위한 설계가 되어 있지 않아 살균이 제대로 이루어지지 않으며, UV 램프가 외부에서 보이며 인체에 유해하다는 문제점을 가지고 있다.

• 마케팅 전략 제시

◇ 2020년이 된 지 얼마 지나지 않아 신종 코로나19 바이러스가 급속도록 퍼지며 세계를 혼란에 빠트렸다. 백신과 치료제의 개발에는 오랜 시간이 소요되기 때문에 사회적 거리두기를 실천함과 더불어 철저한 개인의 위생 관리를 통한 예방만이 최우선의 방법이라고 전문가들은 강조한다. 특히 손으로는 절대 얼굴과 코, 입을 만지지 말라고 권고한다. 바이러스가 코와 입의 점막을 통해 쉽게 침투가 되기 때문에 손을 자주 씻고 손 소독제 사용으로 바이러스 감염을 막아야 한다고 주장한다. 이에 따라 살균 능력이 있는 다양한 제품들의 판매량이 증대하고 있는 추세이다. 또한 충치균, 포도상구균, 살모넬라균, 녹농균, 대장균 뿐 아니라 코로나19 바이러스도 입속 환경을 좋아한다고 알려져 입속 건강을 책임지는 칫솔의 살균에 대한 관심도 높아졌다. 특히나 요즘 같은 때에는 코로나19 바이러스의 침투도 예상이 되는 시점이라 집이 아닌 외부에서 양치질을 하게 되는 경우가 많은 현대인들에게 있어서 그 보관과 살균의 요구가 더욱 증가한다.

◇ 자외선(UV·Ultra Violet) LED시장이 빠른 속도로 성장하고 있다. 오늘날 관련 업계에 따르면, 국내 LED 업체들은 UV LED 사업을 미래 신성장 동력으로 키우기 위해 박차를 가하고 있다. 전 세계적으로 2020년부터 수은램프 사용 금지 정책을 추진함에 따라 대체재인 UV LED 수요가 크게 늘어나고 있기 때문이다. UV LED는 자외선을 통해 소독, 살균, 경화 기능을 제공한다. 보통 UV 살균에 수은 램프가 주로 사용됐지만 수은은 환경유해물질로 UV LED로 빠르게 대체될 것으로 보인다. UV LED는 환경오염물질을 전혀 포함하지 않고 있다. 살균력은 C형 간염 바이러스는 물론 대장균을 박멸할 수 있는 수준이다. 물을 정수하는데도 활용된다. 특히 LED업체들은 UV LED의 광범위한 활용 범위를 높이 평가하고 있다. 시장조사기관 욜 디벨로프먼트(Yole Developpement)에 따르면 전 세계 UV LED 시장은 지난해 1억3000만 달러에서 2017년에는 2억7000만 달러로 두 배 이상으로 확대될 것으로 전망됐다. 국내 시장도 내년에는 890억원 규모로 성장할 것으로 예상된다. 국내 LED업체들은 UV LED가 새로운 성장 엔진으로 부상할 것으로 기대하고 있다.

◇ 코로나19 바이러스에 의해 다시금 대두된 입속 건강에 대한 관심에서 비롯된 칫솔 살균에 대한 관심과 UV LED 시장의 증가에 따라 UV LED를 활용한 칫솔 살균기 제품의 연구와 개발은 반드시 성공시켜야할 과제인 것이다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 일반 칫솔 케이스에 UV-C LED를 장착함으로 살균을 할 수 있다.

◇ 광섬유를 통해 UV-C LED의 빛이 닿지 않는 칫솔모의 구석구석까지 살균을 할 수 있다.

◇ 광섬유를 활용하는 아이디어는 칫솔 살균기 뿐만이 아니라 다양한 살균 제품에서 활용함으로 빛이 닿지 않는 곳까지 골고루 살균을 시킴으로 살균의 효율을 증대시키는 데에 기여하며, 기술적인 발전을 이루어낼 수 있다.

◇ 살균 시간을 설정함으로 LED 자체 수명을 연장시키고, 전력 소모를 최소화할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 수은을 사용하지 않는 UV-C LED를 사용함으로 친환경적이다.

◇ 자외선이 외부로 노출되는 것을 방지하며 인체에 유해할 요소들을 제거한다.

◇ 바이러스로부터 사람들의 입 속 건강을 지켜줌으로 국민 건강을 증대시킬 수 있다.

◇ 건강이라는 현대인들의 요구를 충족함으로 구매 욕구를 유발시켜 경제적인 이익을 얻을 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 곽지연 : 주제선정 및 개념설계, 살균 실험 설계 및 진행, 시제품 제작 및 보완, 최종성과물전시 및 보고서 작성

◇ 권승환 : 주제선정 및 개념설계, 회로 설계, 시제품 제작 및 보완, 최종성과물전시 및 보고서 작성

◇ 김다희 : 주제선정 및 개념설계, 제품 케이스 설계, 시제품 제작 및 보완, 최종성과물전시 및 보고서 작성

◇ 김승희 : 주제선정 및 개념설계, 자료 조사, 시제품 제작 및 보완, 최종성과물전시 및 보고서 작성

- 기본적으로 위와 같은 역할분담을 하였으나, 각각의 주요하게 행한 업무를 기준으로 작성한 것으로 상호 협력 및 보완을 하며 프로젝트를 진행하였다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

◇ 살균 능력

⇛ 기존에 판매되고 있는 칫솔 살균기는 대부분 미생물 배양 실험 시 99% 이상의 살균력을 나타냈다. 광섬유는 빛의 손실을 최소화하고 전달하는 매질이지만, 그 전달과정에서 빛의 손실이 불가피하게 생길 수 있다. 하지만 본 발명의 상용화 가능성을 고려하면 기존의 제품과 비슷하거나 그 이상의 살균 능력을 보유하여야 한다. 따라서 실험을 통해 기존 제품과 동일 혹은 그 이상의 99% 이상의 살균 능력을 평가한다.

◇ 전자회로 구성

⇛ 제품의 구동을 위해 전자회로를 구성한다. ⇛ 전자회로를 구성할 때, 일정 시간(3분)동안 자외선이 칫솔에 조사된 후 자동으로 종료되게 설정한다.

◇ 안전성

⇛ UV-C 파장대의 빛은 인체에 조사 시 유해하므로 칫솔 살균기 외부로 빛이 새어 나오는 것을 최대한 방지하도록 케이스는 불투명해야 한다.

◇ 소형화 및 휴대성

⇛ 본 제품의 목표는 휴대가 가능한 휴대용 칫솔 살균기의 제작이므로 작고, 휴대가 편리해야 한다.

개념설계안

◇ 제어부

⇛ 본체 아래에 회로 기판을 설치한다.

⇛ 회로를 통해 출력시간(3분)을 제어한다.

⇛ UV-C LED 모듈과 스위치는 각각 본체 내부와 본체 상단에 나온다.

⇛ 청색 LED는 본체 하단의 구멍을 통해 본채 내부로 돌출된다.

⇛ 위의 일련의 설명은 아래의 ‘각 부품별 설치방식’의 입면도와 같이 반영된다.

◇ 제어부의 작동 방식

⇛ 커버를 닫으면 커버 안쪽의 돌출부에 의해 본체 상단에 스위치를 누름으로 제어부의 작동이 시작된다.

⇛ 위의 일련의 설명은 아래의 체계와 같이 반영된다.

-커버를 닫았을 때

-커버를 열었을 때

◇ 광원부 및 광섬유

⇛ 광섬유가 부착된 석영 기판 뒤쪽에 UV-C LED 모듈이 설치된다.

⇛ 석영 기판과 UV-C LED 모듈 칫솔의 크기에 따라 위치를 변경할 수 있다.

⇛ 조사된 빛은 칫솔모 사이로 직접적으로 조사되기 어려운 곳으로 조사되어 제품의 살균 능력을 향상시킨다.

⇛ UV-C LED는 육안으로 작동의 여부를 알 수 없기에 청색 LED를 통해 작동의 여부를 확인할 수 있도록 한다.

⇛ 광섬유와 관련된 개념 설계는 ‘3.이론적 계산 및 시뮬레이션’에서 다룬다.

◇ 충전부

⇛ 충전기를 이용하여 건전지를 충전하고 건전지가 칫솔 살균기에 전력을 공급한다.

⇛ 크기에 비해 용량이 큰 리튬이온 배터리를 사용하여 제품의 크기를 줄이고 장시간 이용이 가능하게 한다.

⇛ 3.7V짜리 리튬이온배터리 3개는 회로 기판 뒤에 부착시킨다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 표 4는 칫솔 살균의 수준을 측정하기 위해서 배양 실험에 이용해야 할 시험 균을 참고한 자료이다. 칫솔 살균기가 화장실에서 이용하는 것을 고려하고, 환경공학부 최용준 교수님의 자문을 통해서 배양 실험에서는 낮은 수준 살균제 살균 및 소독력 시험에서 사용하는 대장균을 이용하기로 결정하였다.

◇ 대장균 배양 실험에 앞서 살균 시간을 예상해보기 위해서 다음의 식을 이용한다.

  - UV-C에 의한 살균율을 나타낸 식
    
    여기서 각 균들이 가지고 있는 k값은 기존 연구들의 실험에 의해 도출된 값들을 사용 한다. (Kowalski, 2010)

표5를 통해 대장균의 UV constant는 임을 알 수 있다.

◇ UVC LED의 최대 UV intensity는 2로

즉, 2.45초 동안 99% 대장균을 살균한다.

◇ 광섬유 부착 형태

이 칫솔 살균기 제작에 쓰이는 광섬유는 매우 얇다. 제작에 쓰이는 유리 광섬유의 경우 직경이 3.5cm에 불과하다. 그래서 이 광섬유를 석영 기판 위에 개별적으로 완벽하게 부착시키기가 어렵다. 직접 에폭시 접착제를 사용하여 석영 기판 위에 부착시켜본 결과, 광섬유가 매우 얇고 지지할 수 있는 요소가 없어서 고정하기가 어려웠다. 게다가 하나의 광섬유로부터 방출되는 자외선의 광량이 미약해서 살균 효과가 떨어진다는 우려도 있었다. 광섬유 당 투과되는 자외선 광량이 작기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 광섬유를 낱개로 부착하지 않고 다발 형태로 부착하기로 결정했다. 광섬유를 다발 형태로 부착시키면 광섬유들끼리 지지할 수 있고 두께가 두꺼워져서 고정하기가 용이해지기 때문이다. 또한 다발을 통해 투과되는 빛의 양이 커져서 낱개로 부착했을 때보다 더 나은 효과를 얻을 수 있다.

◇ 광섬유 다발의 개수

다발을 구성하는 광섬유의 개수를 10, 15, 20개로 나눠서 각각 석영 기판에 부착을 시행해본 결과, 10개가 가장 적합하다고 판단하였다. 광섬유의 개수가 10개보다 많아지면 우선 광섬유가 벌어져서 하나의 다발로 구성하기가 어려워지는 문제가 발생한다. 그리고 그로 인하여 광섬유 다발을 고정시키기가 어려워진다. 또한 광섬유를 칫솔모의 틈 사이로 넣어야 하는데 섬유의 개수가 많아질수록 다발의 두께가 커져서 칫솔이 손상되는 문제가 발생한다. 이와 같은 논의에 따라 광섬유 다발은 10개로 정하기로 하였다.

◇ 광섬유의 길이에 따른 투과량

광섬유의 길이를 각각 1.2cm, 1.5cm, 2cm, 3cm로 잘라서 5번씩 살균실험을 진행해 보았다.

그 결과를 표6에 정리하였다. 표6에 따라서 광섬유를 투과한 자외선의 광량은 2cm, 3cm일 때 0에 근사했다. 그리고 1.2cm로 잘라서 실험해 보니까 1, 2, 4, 5회차의 경우 모두 0.05가 검출되었고 3회에서는 0이었다. 따라서 평균적으로 측정된 광량은 0.04이었다. 마지막으로 1.5cm의 길이로 측정한 결과, 1, 4, 5회차에서 모두 0.05만큼 측정이 되었지만, 2, 3회에서는 모두 0으로 측정되었다. 그래서 1.5cm의 길이로 진행한 결과, 평균적으로 측정된 광량은 0.03이었다. 실험결과를 분석해보면 1.2cm에서 광량이 가장 크게 측정되었으므로 광섬유를 이 길이로 정하는 것이 좋지만, 자외선이 발광되는 석영 기판과 칫솔 내부까지의 거리가 크기 때문에 이 길이로 진행하면 거리가 멀어져서 살균효과가 미미할 것으로 판단하였다. 따라서 광섬유의 길이는 1.5cm로 정하는 것이 적합하다. 한편, UV 측정기를 통해 자외선 광량을 측정해 보면 Index 수치가 표현되는데 이 수치는 0~12 사이의 값을 가지며 소수점 한자리까지만 표현되고 0.1index는 0.05와 같다. 그래서 index상으로 표현할 수 있는 광량은 0~6사이의 값이며 0.05단위로 파악할 수밖에 없다. 한정된 예산 하에서 진행하다보니 고성능의 자외선 측정기를 구하기가 어려워 장비의 측정 한계로 인하여 정확한 광량을 확인할 수는 없었다. 예를 들어 1.04와 1.05는 모두 2.1 Index로 표현된다는 점에서 오차가 발생할 수 있다.

◇ 길이에 따른 살균 효율

대장균을 180초 동안 살균을 한다고 가정했을 때, 칫솔 안쪽이 살균되는 정도를 계산해보았다.

표6에 기록된 데이터를 위의 식에 대입하여 계산해보았을 때, 총 살균된 비율은 표7과 같다.

표6에 나온 바에 의하면 1.2cm일 때, 평균 광량은 0.4이므로 KR=1-exp(-0.09398×0.4×180)=0.9988이다.

따라서 1.2cm인 경우, 평균 살균율이 99.88%이다.

이어서 1.5cm일 때, 표3에 따라 평균 자외선 광량은 0.3이므로 KR=1-exp(-0.09398×0.3×180)=0.9937이다.

따라서 1.5cm인 경우, 평균 살균율은 99.37%이다.

2, 3cm인 경우 각각 모두 0%이다. 이는 칫솔 안쪽이 살균되는 정도를 계산한 것인데 칫솔 바깥쪽은 180초보다 더 짧은 시간으로 살균이 가능하다. 칫솔의 바깥쪽의 광량은 3.6Index = 1.8로 측정되었는데 위의 공식에 대입해보면

즉, 칫솔의 바깥쪽에서 99%의 살균력을 얻기 위해서는 2.72초의 시간이 필요하다. 이는 180초보다 훨씬 짧은 시간이다. 그러나 우리 조의 칫솔 살균기는 칫솔의 내부까지 살균되는 것을 목표로 하기 때문에 180초간 살균을 진행하기로 결정했다.

상세설계 내용

조립도

◇ 칫솔 살균기의 하단부

⇛ 칫솔 살균기의 본체의 하단에 결합되는 부분으로 제어부 및 충전부가 위치한다.

⇛ 칫솔 살균기의 본체와 나사에 의해 연결된다.

◇ 칫솔 살균기의 본체

⇛ 칫솔 살균기의 커버와 연결되는 연결부가 존재한다.

⇛ 칫솔 살균기의 하단부와 나사로 연결된다.

⇛ 하단의 제어부와 연결되도록 구멍이 존재한다.

⇛ 하단의 청색 LED가 돌출되도록 구멍이 존재한다.

⇛ 1.1T 두께의 가로 4.5cm, 세로 2.5cm의 석영 기판이 들어갈 수 있는 홈을 만들어 이 석영 기판의 교체가 자유롭게 이루어지도록 한다. 이 홈은 칫솔 크기에 따라 석영 기판의 위치를 옮길 수 있도록 2개이다.

⇛ 뒷면에 방열판이 부착된 UV-C LED를 칫솔 크기에 따라 위치를 옮길 수 있도록 홈이 2개이다.

◇ 칫솔 살균기의 커버

⇛ 커버는 본체와 연결되어 열고 닫을 수 있다.

⇛ 칫솔 살균기의 본체와 연결되는 연결부가 존재한다.

⇛ 커버 안쪽의 돌출부에 의해서 스위치를 누를 수 있도록 한다.

⇛ 덮개에 구멍을 만들어 통풍 및 건조가 가능하다.

⇛ 케이스는 불투명하며, 이는 인체에 유해한 UV-C LED 빛의 외부 노출을 최소화 한다.

◇ 칫솔 살균기의 전체 도면

제어부 및 회로 설계

살균기 뚜껑의 장치에 의해 스위치가 눌리게 되고, 전자 회로가 작동하게 된다. 작동 중 뚜껑을 열게 되면, 뚜껑의 장치는 더 이상 스위치를 누르지 않아 회로가 작동하지 않는다. 회로에 사용한 자외선 LED를 켜기 위해서는 직류전압 12볼트가 필요한데, 3.7볼트짜리 리튬이온배터리 3개를 직렬 연결하여 이 LED를 켤 수 있다. 전자 회로 전체를 제어하기 위해서는 IC Chip으로 ATtiny13V를 사용한다. 이 제어 IC에서 전류를 3분간 2N2222라는 트랜지스터로 보내고, 트랜지스터에 순방향 전류가 흐르도록 한다. 이 전류에 의해 트랜지스터는 일종의 스위치와 같이 작용해 자외선 LED가 3분간 작동하고 꺼지도록 한다. 하지만 ATtiny13V은 12볼트가 아닌 5볼트에서 작동하기 때문에 12V에서 5V로 전압을 조정하는 레귤레이터 LM7805가 필요하다. 노이즈를 제거하기 위해 컨덴서로 필터부를 구현하고, 눈에 보이지 않는 UV-C LED가 동작하고 있음을 알리기 위해 눈에 보이는 가시광선 영역대인 청색 LED를 추가로 설치한다. 이어서 제어 IC에서는 살균기 뚜껑의 장치에 의해 스위치가 눌리면서 전자 회로는 동작을 시작하는데, 이 전자 회로는 제어 IC에 입력된 코딩에 따라 동작된다. 이 명령에 따라 자외선 LED는 180초 동안 켜져있고, UV-C의 동작을 알리는 청색 LED는 180초 동안 반짝거리게 된다. 이 과정을 통해 칫솔의 살균이 진행된다.

소포트웨어 설계

◇ 회로 알고리즘

(가) 살균이 진행 중이지만, 부득이하게 케이스에서 칫솔을 다시 꺼내고 싶은 상황에 UV-C LED를 off시킴으로 UV-C LED가 인체에 직접 조사되는 상황을 방지할 필요가 있다.

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

1) 광섬유를 이용한 자외선 칫솔 살균기의 전면부

2) 광섬유를 이용한 자외선 칫솔 살균기를 작동시켰을 때의 모습

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

◇ 평가 결과

1. 살균성능

미생물이 배양된 칫솔을 칫솔 살균기에 살균한 결과, 본 프로젝트를 통해 제작된 살균기는 기존 살균기보다 칫솔 내부의 미생물의 밀도가 작게 나타났다. 이는 광섬유를 부착이 칫솔 내부 살균에 더 효과가 있음을 나타냈다.

2. 회로의 작동 3분간의 UV-C LED 및 청색 LED의 구동, 커버를 열 경우 구동의 정지, UV-C LED구동을 나타내는 청색 LED 발광 및 제품의 작동 모두 알고리즘대로 구동되었다.

3. 자외선 유출의 차단 칫솔 살균기 케이스 외부에서의 측정 결과, 자외선이 검출되지 않았다. 또한 케이스 상부를 열 경우 UV-C LED가 자동으로 정지하여 자외선 유출을 방지했다.

4. 편의성 케이스를 3D프린터로 제작 시 광섬유가 부착된 기판을 넣고 뺄 수 있도록 홈을 제작하였다. 따라서 기판의 탈부착이 접착 물질 없이 가능하기 때문에 기판의 유무가 제품 작동에 영향을 주지 않는다. 또한 기판을 제품에서 꺼내 따로 세척이 가능해 청결을 유지할 수 있고 교체가 편해 편의성이 뛰어나다.

5. 소형화 제작된 살균기는 제품을 상부와 하부로 나누었다. 상부는 광섬유와 LED가 부착되어 칫솔이 살균되는 작동부이고 하부는 회로 기판을 삽입하여 제어부로 설계하였다. 제어부를 케이스 하부에 두어 제품의 크기를 줄였다. 제품 제작 결과, 8*5.3*4.1 크기로 제작되어 평가 기준보다 작은 사이즈보다 작게 완성되어 평가기준을 만족하였기 때문에 본 제품은 휴대하기 용이한 사이즈로 제작되었다고 볼 수 있다.

향후계획

다음과 같은 점들을 개선할 수 있을 것이다.

◇ 다양한 크기의 칫솔 사용

⇛ 본 프로젝트에서 제작한 칫솔 케이스는 대량생산 목적이 아닌 시제품 제작을 목표로 했기 때문에 3D 프린터를 이용하여 소량 제작하였다. 케이스에 사용되는 재료는 3D프린터에 쓰이는 재료인 PLA만을 사용했기 때문에, 칫솔 투입구의 크기를 한정적으로 만들어야 하는 한계점이 존재하였다. 따라서 본 제품은 특정 크기의 칫솔만 삽입이 가능해 다양한 제품의 살균이 불가능하다. 추후 예산의 추가 혹은 상품화 시 대량생산이 가능하게 되면 PLA만을 사용하게 되어 발생하는 기술적 문제점을 해결할 수 있다. 실리콘과 같은 고정이 용이하고 탄성이 있어 물체를 끼울 수 있는 재료를 칫솔 투입구에 추가하면 다양한 크기의 칫솔이 삽입 가능한 살균기를 제작할 수 있다.

◇ 광섬유 부착방법

⇛ 시제품 제작 시, 기술적인 문제로 석영 기판에 구멍을 뚫어 광섬유를 삽입하지 못하고 접착제를 이용하여 부착하였다. 접착제는 빛의 투과율을 떨어뜨리고 제품의 신뢰도를 하락 시킨다. 추후 기술적 문제를 해결하면, 석영 기판에 소량의 광섬유 다발이 들어갈 수 있는 크기의 소형 구멍을 뚫어 빛의 투과율을 높이고 광섬유 부착 문제를 해결할 수 있다.

◇ 심미성

⇛ 제작된 제품은 예산 및 기술적 문제로 심미적 요인을 고려하지 못했다. 케이스의 색 추가, 곡면적 디자인과 같이 심미적 요소를 추가하여 상용화하면 시작 경쟁력을 확보할 수 있다.

특허 출원 내용

【발명의 명칭】

광섬유가　부착된　UV　LED　칫솔 살균기{UV　LED　Toothbrush　Sterilizer　with　Fiber　Optics　Attached}

【기술분야】

본　발명은　광섬유를　부착하여　설계한　칫솔　살균기에　관한 것으로, 구체적으로는 자외선을　이용하여　칫솔을　살균하되,　이　과정에서　광섬유를　이용하여　자외선이　조사되기　힘든　칫솔모　내부의　살균을　용이하게　한　칫솔　살균기에　관한　것이다. 또한,　본　발명은　광섬유가　부착된　유리　슬라이드를　탈부착이　가능하게　하여　세척　및　교환이　가능한　살균기에　관한　것이다.

【발명의 배경이 되는 기술】

기존의　칫솔　살균기는　250nm~285nm　사이의　UV-C　파장대의　빛을　조사하여　살균한다.　UV-C　파장대의　빛은　직진성이　강해　굴절이나　회절이　거의 일어나지　않아　거친　표면에　조사되기　어렵다. 칫솔의　특성　상　칫솔모가　휘거나　망가지기　쉽고,　칫솔　살균기를　통한　칫솔모　내부의　살균이　어렵다. 따라서　기존　칫솔　살균기는　칫솔모의　손상　시　칫솔　내부의　세균을　제거하기　어렵다는　문제점이　있다. 이러한　문제점을　해결하기　위해　광손실을　최소화하여　칫솔모　사이로　UV-C　파장대의　자외선이　조사될　수　있는　발명품의　제작이　필요하다.

【발명의 내용】

【해결하고자 하는 과제】

본　발명은　상기의　종래기술의　문제점을　해결하기　위한　것으로서　,　광섬유를　사용하여　광손실을　최소화하고　빛이　직접적으로　조사되기　어려운　부분까지　빛을　조사할　수　있도록　한　칫솔　살균기　및　칫솔　내부　살균　방법을　제공하고자　한다.

【과제의 해결 수단】

본　발명의　일　특징에　따른　광섬유가　결합된　칫솔　살균기는　살균기의　전면에　대응하는　뚜껑부,　작동　스위치,　후면에　대응하는　하단부,　하단부와　회로　덮개부　사이에　회로가　위치한다.　회로　덮개부　측면에　존재하는　유리　기판부　후면에　UVC-LED가　있으며　상기　구동　회로는　배터리로부터　UVC-LED를　구동할　수　있다. 본　발명의　일　실시 예에서　유리　기판부에는　광섬유가　부착되어있는데　이　광섬유가　UVC-LED를　칫솔　내부까지　자외선을　직접　전달하여　칫솔　내부까지　살균되도록　한다.

【발명의 효과】

실시예에　따른　광섬유를　부착한　휴대용　UV　LED　칫솔　살균기에는,　자외선이　방출되는　부분에　광섬유　다발들이　부착된　유리기판을　설치하여　자외선이　칫솔의　구석진　영역에까지　조사될　수　있다.　그러면,　자외선　칫솔　살균기의　살균　성능이　향상될　수　있다.　이　방식을　통해　칫솔의　내부　영역　까지 살균이　이뤄져서　살균이　더　효과적이다. 그리고　살균기의　커버가　닫히면　자동으로　살균이　진행되며　일정　시간이　지난　후,　자외선　살균이 완료되면　자동으로　작동이　멈추게　된다.　또한　살균 도중　살균기　커버가　열리게　되면　회로의　작동이　멈추게　되어　자외선의　유출이　방지될　수　있다.

【도면의 간단한 설명】

◇칫솔 살균기의 전체 도면

◇칫솔 살균기에서의 구동 제어 회로

【특허 청구 범위】

청구항 1

자외선 칫솔 살균기로서,칫솔모가 식모된 칫솔의 헤드부가 수용될 수 있는 공간을 포함하는 본체; 상기 본체의 내부에 탈착식으로 결합되고, 광섬유 다발을 포함하는 광투과성 기판; 및상기 광투과성 기판과 광섬유 다발에서 조사된 자외선이 본체에 수용된 칫솔의 칫솔모에 조사되어 이를 살균하는, 자외선 칫솔 살균기.

청구항 2

제1항에 있어서,상기 기판은 유리기판이고,슬라이딩 형식으로 탈부착되고,세척 후 재사용 가능한,자외선 칫솔 살균기.

청구항 3

제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 자외선 칫솔 살균기는 충전 회로를 포함하고,상기 충전회로는,유선충전 모듈과 전기적으로 연결된 전원 단자를 통해 상기 유선충전 모듈로부터 전력이 공급되는,충전부 및 제어 IC를 포함하는,자외선 칫솔 살균기.