6조-과기간짱돌
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치
영문 : Automatic Opening Doorlock Device with Bimetal
과제 팀명
과기관 짱돌
지도교수
정재필 교수님
개발기간
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*형 (팀장)
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 김*우
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 손*희
서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 조*영
서울시립대학교 신소재공학과 201745000** 양*림
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재 시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다.
• 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언 기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
• 화재 발생시 급하게 탈출해야 함에도, 몸이 불편해 탈출에 어려움이 있을 수 있는 아동, 노인과 같은 신체적 약자들에게 큰 효과를 기대할 수 있다.
• 또한, 소방대원들이 현장에 출동하여 집 내부로 들어갈 경우, 문을 훼손하지 않고도 신속하게 출입하여 화재를 진압하는 데 도움을 줄 수 있다.
• 래치는 문의 내부에 내장되어있는 점을 고려하였고, 부피가 늘어나더라도 외관상 큰 문제를 주지 않는다는 장점이 있다. 그리고 아두이노 회로, 모터, 랙과 피니언 기어 등 제작에 필요한 부품들이 문을 열고 잠그는 기존의 기능에는 방해를 주지 않으면서, 화재 시에만 자동으로 작동한다는 점이 큰 장점이라고 할 수 있다.
개발 과제의 배경
• 화재 발생 시, 노약자, 장애인, 어린이들이 빠르게 대피하지 못하고 숨진 사례가 최근에도 빈번히 일어나고 있다. 이러한 이유에는 화재상황을 미처 알아차리지 못해 문을 찾지 못하거나 고온으로 인한 문손잡이에 의한 화상 등이 있었다.
• 소방관들이 집 내부에 있는 사람을 구조하기 위해서 문을 부숴야 하는 경우가 다수 발생하고 있다. 이는 긴급 상황에서 구조를 늦출 뿐만 아니라 문을 파괴해야하는 위험을 동반한다. 실제 소방관이 불을 끄다가 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 손해배상을 하라며 소송을 거는 사례가 있고 서울소방재난본부가 자체 조사한 결과에 따르면 2015년부터 2017년 상반기까지 2년6개월간 화재진압 등으로 파손된 기물을 변제하거나 변제 요구를 받은 사례는 총54건에 이른다.
• 최근에는 디지털 도어락의 사용량이 많이 사용하는 추세이다. 디지털 도어락은 국가기술표준원에서 규정한대로 실내 온도가 60도 이상이 되면 자동으로 열리게 설계되어 있다. 하지만 디지털 도어락의 화재 안전성에 대한 실험적 연구에서 불이 크게 났을 경우 시야가 보이지 않고 회로가 용융되는 문제점이 생겼다. 따라서 이러한 안정성을 더욱 확보하고자 하였다.
• 현재 시중에 나와 있는 문고리를 구성하는 래치의 구조는 거의 비슷하다. 화재상황에 대비하기 위해서 모든 문고리를 다른 형태로 대체하기는 힘들다. 따라서 기존의 틀을 유지하면서 제품을 사용화 한다면 현재 사용하고 있는 문고리에 쉽게 적용 가능하여 간단하게 교체 가능할 것으로 예상된다.
개발 과제의 목표 및 내용
- 본 과제의 목표는 화재 시 문의 잠금을 자동으로 해제시켜주어 대피 및 구조를 용이하게 만드는 데에 있다. 이에 따라 중요한 3가지 목표를 달성하고자 하였다.
1. 온도가 60도 이상이 되면 사람의 물리적인 힘없이 래치구조가 자동으로 해제 되도록 한다.
2. 래치 구조의 잠금이 해제되면 문이 열렸다는 사실을 알려주기 위해서 부저가 울리도록 한다.
3. 바이메탈 스위치를 이용하여 회로의 ON/OFF를 결정하여 제품이 작동되도록 한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
• 도어락 관련 최신 기술
- 일반 문고리
일반적인 도어에 구비되는 도어락 장치는, 바 타입 또는 라운드 진, 둥근 모양의 도어 레버와, 이 도어 레버의 회전에 의해 전진 또는 후진하는 래치 볼트를 포함하여 구성된다. 이때 래치 볼트의 전진은 래치 볼트가 도어 외측으로 튀어나오는 움직임을 말하며, 래치 볼트의 후진은 래치 볼트가 도어 내측으로 들어가는 움직임을 말한다. 또한 대체로 문고리를 살펴보았을 때 핵심부품은 같은 구조를 갖고 있었다.
- 디지털 도어락
사람들은 점점 다른 사람들로부터 개인의 공간을 침입 받기를 싫어하는 현상으로 사회가 변화되고 있으며, 더욱 이 현대사회는 정보사회로 각종 정보에 대한 비밀을 유지하기 위하여 출입문에 대한 통제가 강화되고 있다. 이와 같이 출입문에 대한 통제를 위한 방안 중 하나가 도어락 장치를 설치하여 허가된 사람만이 출입을 허용하도록 하고, 허가 받지 못한 사람은 출입을 규제하도록 하고 있다.
전통적인 도어락 장치에서는 열쇠가 필수적 구성이나 다름없었다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 전자회로를 구비한 디지털용 도어락 장치들에 있어서 열쇠는 비상시 사용되는 보조수단으로 이용되며, 열쇠의 기능은 비밀번호나 지문 등을 입력하는 것에 의해 대체되고 있으며, 입력된 비밀번호나 지문은 도어락 장치 내에 구비되어 인증 여부를 판단하는 제어부의 전자회로(이하 "제어부"라 함)에 의해 인증을 받게 된다. 디지털용 도어락 장치는 기본적으로 데드볼트(Dead Bolt)와 체크볼트(Check Bolt)를 구비한다.
데드볼트가 출입문 틀에 형성되는 데드볼트 홈에 삽입된 경우, 실외에서 실내로 출입하고자 하는 자는 비밀번호나 지문 등을 입력하여 인증을 받아야만 데드볼트를 데드볼트 홈으로부터 이탈시켜 출입문을 열 수 있다. 체크볼트는, 출입문 이 열리고 다시 닫힐 때, 출입문이 출입문 틀에 정렬되었는지를 체크(check)하여 데드볼트가 다시 데드볼트 홈으로 삽입되도록 한다. 디지털용 도어록 장치는, 이러한 데드볼트 및 체크볼트의 구동과 관련된 여러 부품들을 내장하기 위해 모티스(Mortice)를 구비한다. 일반적으로 모티스는 출입문의 내부 공간에 설치되어, 출입문이 닫힌 경우 일측면이 출 입문 틀에서 데드볼트 홈이 형성된 부근에 대향하도록 마련된다.
최근 도어락 시장은 포화상태이며 저가경쟁을 하고 있다. 또한 스마트폰의 활성화로 IOT기술이 대두되면서 기술력을 개발하여 IOT 디지털 도어락을 개발하려는 움직임이 많이 확보되고 플랫폼 연동 APP 및 서버를 개발하여 도어락에 장착하는 경우까지 생기고 있다. 또한 AI를 갖춘 스마트폰 연동 고기능 사양을 가춘 도어락으로 ‘AI락‘을 개발하고 있다.
• 바이메탈 관련 기술
두 개의 다른 금속을 접착시켜 하나의 판을 만든 것이다. 바이메탈을 만드는데 사용되는 두 개의 금속은 서로 다른 팽창계수를 가지는데, 이로 인해서 온도가 변화할 때 팽창 및 수축이 일어나는 정도가 달라 작은 온도변화에도 판이 구부러지는 특성을 갖는다. 온도의 변화에 따라 기기의 작동을 조절하는 장치에 주로 사용된다. 여러 가지의 금속조합이 사용되는데 니켈과 황동의 조합이 가장 일반적으로 사용된다. 저온 상태에서는 수평한 편이 온도 증가에 따라 팽창률이 작은 쪽으로 구부러지며 전원을 차단하는 형태로 작동하는 것이 많다.
일정 온도 이상에서 회로 연결을 끊어야 할 때 많이 쓰인다. 온도를 조절하는 다른 방법에 비해 경제적이다. 참고로 일정량 이상의 전류가 흐르면 스스로 끊기는 보호장치인 퓨즈와는 달리 일회용이 아니다. 여기서도 세부적으로는 두 가지로 나뉘는데, 자동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상 고온 발열 시 전원이 차단되며 설정 온도 내에서 자동 복귀하는 제품이며, 수동 복귀형은 발열부의 온도를 감지하여 설정 온도 이상으로 올라가면 전원 차단 이상 조치 후에 사용자가 직접 리셋 과정을 실행하여 복귀시키는 제품이다.
주로 단순한 전열기기에 많이 쓰인다. 다리미, 전기밥솥, 토스터, 전기주전자, 온풍기 등의 가전제품이나 화재 경보기, 온도계를 만드는 데에도 쓰인다. 다리미를 쓸 때 소리를 잘 들어 보면 '딸깍'하는 작은 소리가 들리는데 이것은 바이메탈 접점이 붙었다 떨어졌다 할 때 나는 소리이다. 자동 개폐 장치에 쓰이는 경우도 있는데, 대표적으로 크리스마스트리 장식용 꼬마전구. 더욱 정밀한 온도 제어가 필요한 냉장고, 에어컨, 핫플레이트나 고급 전열 기기에는 바이메탈 대신 서미스터나 열전쌍이 쓰인다.
물론 바이메탈이 회로 쪽으로만 쓰이는 것은 아니다. 바이메탈이 가장 흔히 쓰이는 곳은 철로이다. 왜냐하면 그냥 철로만 만들 경우 이 철의 늘어나고 줄어드는 편리한 속성 때문에 선로가 훼손되는데, 여기에 구리를 붙여 바이메탈로 만들어버리면 구리가 더 잘 늘어나서 선로에 가는 피해를 조금이나마 줄일 수 있기 때문이다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
1) 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
해당 발명은 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다. 전자식 도어락과, 화재 감지를 감지하면 화제 감지 신호를 전송하는 화재감지센서와, 상기 화재감지센서로부터 상기 화재 감지 신호를 수신하면 상기 도어락의 잠금을 해제하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도어락 잠금 해제 장치와 방법을 나타낸다.
2) 무선신호에 의한 화재 시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)
해당 발명은 실내에 설치된 연기감지센서 및 열감지센서의 신호가 디지털 도어락에 전달되게 하여 화재시 디지털 도어락의 자동 해제에 의해 그 출입문이 자동으로 개방되게 한 디지털 도어락과 연동하여 화재시 자동 개방되는 출입문에 관한 것이다. 화재에 의한 센서의 감지 동작시 무선신호에 의해 자동으로 출입문의 개방이 이루어지므로 구조와 대피활동에 용이하다.
3) 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
해당 발명은 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법에 관한 것이다. 메인보드는, 상기 가스 센서를 이용하여 화재 발생에 따른 가스 발생을 인식시 미리 설정된 가스량 이상의 가스를 감지시 부저 센서에 대한 제어를 통한 부저음 출력 및 DC 모터에 대한 제어를 통한 진동음 출력, 그리고 상기 RGB LCD의 미리 설정된 백라이트 색상이 구현된 상태에서 화재 위험을 알리는 텍스트 표시를 통해 사용자에게 화재 위험 통지를 수행하는 이동식 화재 감시 장치를 제공함에 있다. 이에 의해, 화재 발생시 빠른 대처가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 가스의 농도를 나타내는 RGB LCD의 불빛으로 인하여 위험성을 더욱 확실하게 사용자가 인지할 수 있는 효과를 제공한다.
-특허전략
1) 바이메탈은 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘러 주어 일정 온도보다 높아지면 휘어져 전류 공급을 차단하며, 온도가 내려가면 휘어진 바이메탈이 원래모습으로 돌아가 전류가 공급된다. 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 내부 또는 외부 센서를 통해 신호를 받아 작동하는 기존의 방식과는 달리, 바이메탈 스위치를 직접적으로 이용함으로써 잉여 장치 및 동작을 최대한 없앤 도어락 잠금 해제 장치이다. 또한 디지털 도어락에만 적용되는 기존의 장치와는 달리, 일반 현관 도어락에 전반적으로 적용될 수 있는 장치이다. 이와 같은 신규성이 특허전략이 될 것이다.
2) 디지털 도어락에 적용하지 않고 아날로그 도어락 자체에 적용함으로써 범용성을 높일 수 있고 동시에 아날로그 도어락은 방화문 내부에 설치되므로, 화재 시 직접적인 열전달에 의한 회로의 파괴를 막을 수 있다는 기존의 발명과의 차별점이 특허전략이 될 수 있다.
3) 바이메탈 스위치를 이용한 도어락 잠금해제 장치는 화재 시 신속, 정확하게 작동하는 것이 중요하다. 특정 온도에 도달 시 바이메탈 스위치가 켜져 건전지로부터 전압이 공급되고, 모터드라이브와 아두이노가 활성화된다. 이때 아두이노로 모터의 RPM을 조절하여 안정적으로 제 1 구동이 가능하도록 한다. 이후 최종적으로 래치볼트와 데드볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 정확하게 이동하며 작동하게 된다. 또한, 부저를 이용하여 화재시 연기로 현관문을 쉽게 찾을 수 있도록 도와주는 추가적인 기능도 내재한다. 이와 같은 진보성이 특허전략으로 작용할 것이다.
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
1) 화재감지기 연동 자동문
일반적으로 자동문은 출입을 할 때 문을 열게 하는 신호인 동작 감지 센서와 터치 스위치가 사용된다. 하지만 동작 감지 센서는 화재 시에 제대로 동작하지 않을 수 있다. 이 때 화재연동 시스템을 부착하여 사용하고 있다. 이러한 부착시스템은 건물 전체에 적용하여 자동문이 모두 개방되도록 하고 있다. 이 제품은 경보음 작동과 함께 문이 개방되기 때문에 즉각적인 반응이 가능하다는 장점이 있지만 이와 동시에 오류로 작동하는 경우 전체적인 시스템의 작동으로 인해 비효율적이고 보안에 취약할 수 있다. 회로의 패키징이 문 밖으로 나와 있어 손상될 경우 손잡이가 없는 문을 직접 열어야하고 경제적이지 않고 비싸다. 바이메탈 자동 문고리 열림 제품과 비교하였을 때 경제적인 이득을 취할 수 있으면 좀 더 범용성 있는 손잡이가 달린 문에 이용 가능하여 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.
2) 화재감지 디지털 도어락
화재감지 디지털 도어락은 주로 전원해제 장치가 설치되어 있다. 온도가 60도 이상이 되면 디지털 도어락은 잠금을 해제 시키고 전원을 차단하여 편리한 부분이 있다. 하지만 화재 발생 시 실외와 실내의 불이 번지는 것을 제어하기 어렵고, 도어락의 규격과 회로가 저마다 달라 통일된 아이디어를 설계하기 어렵다는 단점이 있다. 또한 스스로 설치하기가 힘들고 설치비용이 따로 들어 고비용 상품이다. 이 제품과 비교하여 본 제품은 비교적 범용성이 넓고 설치가 도어락보다 간단하다는 강점이 있다. 추가적으로 외부에서 구조를 해야 하는 상황이 되었을 경우 기존의 디지털 도어락은 문 손잡이를 돌려 열어야하는데 잠금장치와 래치볼트를 같이 해제시켜주는 본 제품은 문손잡이를 돌릴 필요 없이 열 수 있어 고온 문고리를 통한 화상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
3) 출입 통제 장치 이엠락
이엠락은 출입을 통제할 수 있는 자동 개폐장치이다. 주로 문 안쪽에 설치되며 문 위쪽에 작동부와 이를 컨트롤 할 수 있는 통제시스템이 벽에 부착되어 있다. 통제시스템에는 화재에 따라 자동 개폐할 수 있으며 주로 비상문, 대피로 등 평상시에 닫힌 문을 자동으로 열어줄 수 있다. 이는 문고리를 돌리지 않아도 열리며 시스템을 제어해주면 조건에 따라서 열리게 설정할 수 있다는 장점이 있다. 또한 일반적으로 문과 벽에 설치하는 것이기 때문에 문의 형태에 따른 제약을 받지 않는다. 이 제품을 본 제품과 비교하였을 때 조건을 선택할 수 있고 한 번에 열릴 수 있다는 장점이 있지만 따로 설치가 필요하고 가격이 비싸다. 그리고 외관에 설치하였기 때문에 미적인 부분이 좋지 않다. 이에 비해 문 안에 설치하게 되는 본 제품은 모든 문에 적용하기는 어렵지만 가격이 저렴하고 보이지 않아 외관을 해치지 않는다는 장점이 있다.
- 마케팅 전략 제시
1) SWOT 분석
가) Strength
화재발생시 문이 자동으로 열리며 잠금장치와 래치볼트가 해제되어 문을 열 수 있다. 긴급상황에서 별도의 힘 없이 문을 밀기만 하면 열고 나갈 수 있어 탈출에 용이하고 만약 구조가 필요한 상황이라면 외부에서 접근하기도 용이하다.
나) Weak
기존의 기계적 구조만 사용하는 것이 아니라 회로가 들어가기 때문에 사이즈가 기존의 제품보다 커 문에 맞지 않게 되면 설치하기가 어렵다는 단점이 있다.
다) Opportunity
데드볼트와 래치볼트를 갖고 문 잠그고 해제하는 문의 형태를 갖고 있다면 모두 적용할 수 있다. 이는 문 자체에 직접적인 가공이 필요하지 않기 때문에 설치가 용이하고 따로 설치비용이 들지 않아 저렴하다.
라) Threat
도어락을 설치하는 가구 수가 늘어나면서 기존의 문고리를 불편하게 생각하는 사람들이 많아지고 이러한 수동 데드볼트, 래치볼트형 문고리의 수가 점점 줄어들고 있다. 하지만 여전히 많은 가구에서 사용하고 있다.
2) 사용 전략
SO 전략
설치가 간단하고 설치 비용이 들지 않아 저렴하다는 점과 화재 시 문 개방을 쉽게 하여 대피시설 마련에 경제적으로 부담을 느끼는 소비자를 타겟층으로 설정 가능하다.
ST 전략
오랜 방식의 문고리를 사용하는 가구 수는 점점 줄어들고 있지만 여전히 많은 가구가 이 방식의 문고리를 사용한다는 점과 사회적 약자, 거동이 불편한 어르신, 아이들을 대상으로 사용할 수 있다는 점을 부각하여 홍보효과를 노린다. 기존의 문고리 방식과의 차별성을 갖고 시장점유율을 늘려나갈 수 있다.
WO 전략
화재에 대한 사회적인 안전의식이 점점 증가함에 따라 소비자들의 수요가 증가하고 정부의 화재로 인한 피해 방지 산업 장려를 통해 크기보다 성능과 간편함을 강조하여 판매할 수 있다.
WT 전략
문에 부착하여 사용하는 제품이기 때문에 사이즈가 크게 중요하지 않다는 점과 이러한 제품을 사용하였을 시 기존의 제품에 비해 대피효과를 늘릴 수 있다는 점을 부각하여 보여준다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
• 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’ 는 센서를 추가적으로 사용하지 않고 바이메탈 스위치만을 이용하여 온도만을 변수로 오작동률 0%를 목표로 간단하게 제작되어, 화재 시 쉽게 작동된다.
• 문 자동 열림 장치이지만, 문의 내부의 래치부분에서 주어진 조건에 맞는 환경이 되면 바이메탈 스위치에 의해 자동으로 작동하는 것으로, 평상시에는 기존의 방식대로 문을 열고 닫는 데 전혀 문제가 없다.
• 온도 변화 감지를 톻해 바이메탈 스위치가 작동하게 되면, 각 명령부와 작동부의 동작으로 인해 추가적인 행동 없이 자동으로 잠금을 해제시켜 주어, 화재 시 높아진 온도로 인해 뜨거워진 손잡이를 잡고 수동으로 열어야 하는 상황을 피할 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
• 기존에는 소방관들의 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 경우 사람들이 손해배상을 요구하며 소송을 거는 사례들이 빈번하게 발생하여 소방관들에게는 법률적인 지원이 절실한 상황이었다. 하지만, 본 제품인 ‘바이메탈 스위치를 이용한 문 자동 열림 장치’를 통해, 구조 시 문을 부수거나 집기를 훼손하는 번거로움과 불가피한 파손 상황을 방지함으로써 화재사고 현장의 구조만에 집중할 수 있게 될 것이다.
• 본 제품을 통해, 화재 시 추가적으로 잠금을 해제해야하는 시간을 줄여줌으로써 실내에 있는 사람들의 구조확률이 높아지게 될 것이다.
• 본 제품은 특히, 노약자나 어린이 등 화재시 더욱 취약한 계층에게 도움이 될 수 있으므로, 1인 가구나 독거노인이 거주하는 집에 설치되어 구조를 용이하게 할 것이다.
• 본 제품은 래치구조를 포함한 모든 문고리에 적용할 수 있으므로, 국내뿐만 아니라 해외로의 판대로 가능할 것이다.
• 본 제품은 한 번 설치하면, 화재가 발생할 때까지 평소에는 아무런 불편함없이 사용할 수 있으므로, 한 번 설치하고 나면 화재가 발생하는 상황에서 자동으로 작동하여 여러 방면으로 보급성이 높을 것이다.
기술개발 일정 및 추진체계
구성원 및 추진체계
김현우: 자료 조사 및 발표자료 제작, 작동부 제작 담당
손웅희: 작동부 제작 담당
이주형: 팀장, 지휘 및 감독, 회로부 제작 담당
조재영: 문서 작성 및 재료 구매, 회로부 제작 담당
양예림: 캡스톤 문서 담당, 자료 조사 및 발표자료 제작, 작동부 제작 담당
설계
설계사양
제품의 요구사항
본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 화재시 신속한 대피 및 구조에 관한 것이다. 화재가 발생하여 온도가 올라가면 문고리와 함께 부착되어 있는 래치가 잠금이 해제되고, 위급한 상황에서 물리적으로 힘을 주어 문을 열지 않아도 되는 편리성이 있다. 따라서 래치 내부에 있는 바이메탈 스위치가 특정 온도 이상에 도달하면, 건전지에서 전압이 공급되어 아두이노 회로를 가동하게 된다. 그러면, 회로와 연결되어 있는 모터가 돌아가고, 랙과 피니언기어에 의해 인입기에 힘이 작용된다. 힘이 적용되면, 인입기와 부착된 데드볼트와 래치볼트가 잠금이 해제되는 방향으로 이동하게 되는 원리이다.
설계 사양
- 바이메탈 스위치
바이메탈 (Bi-Metal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미한다. 즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속을 합친 것을 의미한다. 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 상이하다. 이 원리를 이용한 바이메탈 스위치는 특정 온도에 도달하면 휘어지게 되고, 전원 공급장치와 연결되어 전기회로를 작동시키는 것이다. 따라서 화재가 발생했을 때, 온도에 반응할 수 있는 바이메탈스위치를 사용하여 문 래치에 적용시키는 개념을 채택하였다. 따라서 국가기술원에서 규정한 자동도어락의 잠금 해제 온도인 60도에서 작동하는 바이메탈 스위치를 기준으로 설계한다.
-아두이노 회로 원리
PCB보드와 연결되어 있는 아두이노는 데드볼트와 래치볼트를 끌어당길 수 있는 모터를 제어할 수 있다. 모터는 래치볼트인입기와, 데드볼트인입기의 무게와 마찰력등을 고려해서 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 힘이 가해져야 한다. 즉, 모터의 회전시간과 회전각도를 아두이노 코딩에 입력하여 조절할 것이다. 작동한 후, 특정 온도값 이상으로 계속 머무르면 작동이 지속되어야 하고, 화재가 진압되어 온도가 내려갔을 때는 모터의 작동을 멈추고, 기존의 구조로 복귀해야하므로, 조건 설정또한 아두이노 코딩에 포함시킨다.
개념설계안
제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다.
• 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.
<제어부 회로도>
• 회로 구성
- 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다. 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다. 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.
• 회로 동작
- 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다. 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.
<소프트웨어 작동 알고리즘>
60℃ 이상의 온도를 받게 되면 명령부의 바이메탈 스위치 내부의 바이메탈 변화에 따라 온 상태가 된다. 전원으로부터 나온 입력 전압이 모터드라이버, 아두이노를 작동하게 한다. 아두이노에 코딩된 명령에 의하여 입력 전압 신호를 조작 신호로 바꿔 모터에 신호를 보내어 회전수가 조절된 모터가 작동한다. 모터가 작동하게 되면서 제 1 구동모드에 진입하게 된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 데드볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 데드볼트 인입기가 인입된다. 피니언기어가 모터축의 회전 방향으로 회전하여 래치볼트 인입기에 부착되어 있는 랙을 따라 움직인다. 이하, 래치볼트 인입기가 인입된다. 데드볼트 인입기와 맞물려 있는 고정체가 데드볼트의 잠금을 해제하는 방향으로 회전한다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
가. 화재 발생 시, 문의 상승온도 이론적 계산
- 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다.
- 화재 재현 실험은 벽체가 콘크리트로 구성되어 있고 목재 및 석고보드로 구성된 건물을 가정하였다. 또한, 1층 주 출입문과 옥상 출입문을 제외하고 비상출입문 및 창문은 합판을 이용하여 밀폐시켰다. 각 방의 모든 출입문은 개방시킨 상태에서 실험이 시행되었다.
- 출입문 10cm 아래에서의 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타내었다.
- 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다.
나. 작동부의 힘 측정
-작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.
1) 데드볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.
토크 = 거리 x 힘
동력(P) = 토크 x 회전속도
동력 = 거리 X 힘 X 회전속도
전력(P) = IV (W)
2) 래치볼트의 힘 측정
모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다.
탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)
3) 작동부의 작동 거리 측정
본 설계의 목표인 도어락의 잠금장치 해제를 위해서는 작동부인 모터의 힘에 따라 데드볼트와 래치볼트의 작동 거리를 측정하여, 최적의 시간과 이동거리를 확인한다. 실험방법은 모터에 전원을 연결하는 것을 시작으로 각각 데드볼트와 래치볼트가 완전히 잠금이 해제되는 데 까지 걸리는 시간을 측정하여 측정시간과 측정 속도를 데이터화한다.
래치볼트와 데드볼트의 인입기의 작동거리를 측정하기 위해서 전압을 변화시키며 이동거리를 계산하였다. 각 해당 전압 값이 증가할수록 래치볼트와 데드볼트의 인입거리가, 래치볼트의 경우 9V일 때, 2.04cm, 15V일 때, 2.32cm, 18V일 때, 2.7cm로 비례적으로 증가하였다. 데드볼트는 9V일 때 0.8cm, 15V일 때 0.98cm, 18V일 때, 1.1cm 로 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 래치볼트와 데드볼트의 이동거리는 2.7cm와 1.1cm이므로 이에 도달했을 때의 전압을 선택하였다. 결과값으로는 모두 18V로 측정되었다. 따라서 본 장치의 적용된 공급 전원의 전압으로 18V를 선정하였다.
4) 바이메탈 스위치의 작동 실험
바이메탈스위치의 종류에는 N타입과 R타입이 있는데, R타입의 경우, 이론적으로는 특정 온도 이하에는 스위치 OFF, 특정 온도 이상 스위치 ON이 된다.
그러나 실제 멀티미터를 이용하여 전압을 측정해 본 결과, R형은 특정 온도 이하에서 ON, OFF가 변화하는 전압값이 측정되었으며, 특정 온도 이상에서는 ON상태를 유지하였다. N 타입의 경우, ON에서 OFF로의 변화가 매우 안정적이었다.
따라서 상온에서 불안정한 상태를 유지하는 R 타입 대신, 값이 안정적으로 변화하는 N 타입을 사용하는 것으로 결정하였다. ON/OFF의 데이터(Data)는 아두이노에 반대로 교환하도록 명령을 내려, 전체 회로 구동은 R타입과 같은 방식으로, 특정 온도에 도달하면 작동하도록 조작했다.
또한, 우리는 특정 온도가 되면 스위치가 작동되는 N 타입의 바이메탈 스위치를 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃의 범위(60℃~80℃)에 따라 작동여부를 측정하고 데이터화했다. 그에 따라 목표 설정 온도인 60℃에서도 정상적으로 작동하였기 때문에 해당 바이메탈 스위치를 본 설계의 스위치로 선정했다.
상세설계 내용
- 조립도
- 조립순서
틀을 치수에 맞게 제작한 후 틀에 데드볼트(①), 래치볼트(②), 래치볼트 이음새(③), 고정체(④), 회전작동부 이음새(⑤)를 정해진 위치에 맞춰 설치한다.
이후 제작한 데드볼트 인입기(⑧), 래치볼트 인입기(⑨)를 설치하기 위해 모터(⑥)와 피니언 기어(⑦)를 먼저 설치한다.
랙을 인입기 후면부에 부착한 뒤, 데드볼트 인입기(⑧)와 래치볼트 인입기(⑨)를 정해진 위치에 설치한다.
모터드라이버(⑩), 아두이노 우노(⑪), 전원(⑫)을 정해진 위치에 설치한 후 전선을 이용하여 연결하고 덮개를 덮어준다.
- 제어부 및 회로 설계
- 제어부는 각각 작동부, 전원공급부, 명령부로 이루어져있다
- 작동부는 고정체, 이음새를 포함하여 데드볼트 인입기, 래치볼트 인입기, 랙과 피니언 기어, 모터를 포함한다. 전원공급부는 건전지 1.5v 4개로 구성되어 있다. 명령부는 아두이노, 모터드라이버, 바이메탈 스위치로 구성되어 있다.
- 회로 구성
- - 회로 구성에는 바이메탈 온도스위치 MS-1, 기어드 모터 GM25-2430S-6V, DC모터 드라이버 스테핑모터 (L298N), 아두이노 UNO, PCB기판, 능동 부저 그리고 전원 공급 장치로 건전지를 사용한다.
- - 화재 발생 시 문이 가열되면서 고온이 된다. 바이메탈 스위치가 이를 잘 감지할 수 있도록 래치의 문 안쪽 부분에 스위치를 위치시킨다.
- - 기어드 모터의 가동 범위를 확보하기 위해 후면에 부착시킨다.
- 회로 동작
- - 바이메탈 스위치에 의해서 아두이노에 전원이 연결되고 전원은 다시 아두이노와 연결되어 있는 기어드 모터까지 전원을 공급한다. 아두이노와 기어드 모터의 전압이 다르기 때문에 이를 일치시켜주는 모터드라이버(L298N)를 사용하여 연결한다. 이 때, 아두이노 코딩을 통해 회전 시간을 입력하여 기어드 모터의 가동을 조절한다.
- - 회로에는 능동 부저가 연결되어 있어 전원이 공급될 시 소리가 나게 된다.
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
1. 모터 작동 속도 및 필요 전력
• 평가방법 작동부인 데드볼트와 래치볼트를 정상적으로 작동시키기 위해 필요한 최소한의 힘을 예측하고 측정한다.
- 데드볼트의 힘 측정 모터로부터 공급된 힘을 토크 공식으로 구하고 동력을 계산하여 동작에 필요한 힘을 계산한다. 토크와 동력을 구하는 식은 다음과 같다.
토크 = 거리 x 힘
동력(P) = 토크 x 회전속도
동력 = 거리 X 힘 X 회전속도
전력(P) = IV (W)
- 래치볼트의 힘 측정 모터로부터 공급된 힘은 최소 탄성력만큼의 힘이 필요하기 때문에, 용수철의 탄성력을 아래 식을 이용하여 구하고, 최소의 탄성계수 조건을 확인한다. 탄성력(F) = 탄성계수 x 거리 ( by Hook’s law)
• 적용기준 - 모터에 의해 인입기의 이동이 가능한지를 확인
• 개발목표치 - 100%의 이동
• 비중(%) - 40
• 평가결과 18V로 모터를 구동시켰을 경우, 10번의 반복 실험을 했다. 이때 100%로 인입기가 이동할 수 있었고, 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 적절한 속도로 모터가 작동했다. 따라서 개발 목표치를 충족했다.
2. 모터 작동 시간
• 평가방법 - 모터가 이동거리 이상의 시간으로 작동해 기어 간의 헛돎이 없는 지 확인하며, 모터가 이동거리 이하의 시간으로 작동해 데드볼트 및 래치볼트가 완전히 인입되지 않는 지 확인해야한다.
• 적용기준 - 시간 초를 조절했을 때 정상 작동 여부에 따라
• 개발목표치 - 100%의 정상 작동
• 비중(%) - 40
• 평가결과 - 모터의 작동시간을 래치볼트 275ms, 데드볼트 750ms로 정했을 때 인입기가 중간에 멈추거나 기어 간의 헛돎이 없는 것을 확인했으므로 목표치에 도달했다고 판단했다.
3. 스위치 작동 온도
• 평가방법 - 평상시의 문의 온도를 상온, 소재는 탄소강이라고 가정하고 일반적인 비중 값과 비열을 사용하여 계산을 하였다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열이 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정하면, 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고 이 때의 전달되는 열량을 구하고 이 값을 열량 Q로 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 이를 통해서 이론적으로 계산하여 비교한다.
• 적용기준 - 화재 발생 시 문의 상승온도 이론적 계산
• 개발목표치 - 10%의 오차 허용
• 비중(%) - 5
• 평가결과 - 계산을 통해 구한 섭씨 60도와 일치하는 바이메탈을 이용해, 10% 내외의 오차만이 생겼음을 확인했다.
4. 평상시 작동에의 영향
• 평가방법 - 설계 대로 제품을 완성한 후, 평상시의 사용대로 작동을 반복해 보며 작동에 이상이 없는 지 확인한다.
• 적용기준 - 평상시의 작동에 따라
• 개발목표치 - 기존의 작동과 일치하는 정도
• 비중(%) - 15
• 평가결과 - 10번의 반복 실험 결과 기존의 래치에서 추가된 부분들이 모두 화재가 나지 않은 평상시의 작동에 영향을 주지 않게 미리 설계가 잘 되어 있어, 작동에 이상이 없었다.
향후계획
1. 해당 제품의 제작한 형태는 프로토 타입으로 문 안에 내장시키지 않은 래치 자체만 설계했다. 따라서 문 내에 래치를 설치했을 때 작동을 실험해보지 못 했다. 열쇠로 문의 잠금을 해제하거나 문 손잡이를 직접 돌렸을 때 해당 장치가 망가지거나 래치 자체가 고장날 위험이 있다. 따라서 시제품을 제작 후 현관문에 적용해 기존의 (4. 평상시 작동에의 영향)에 더하여 실험 및 측정을 더 진행해야할 것이다.
2. 본 프로젝트에서 문의 온도는 제한된 상황만을 가정했다. 하지만 실제 화재의 경우 더욱 많은 변수가 존재하며 매우 적은 확률로 래치의 온도가 문의 온도보다 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 해결해야하는 과제가 될 것이다. 래치의 틀 자체를 내열온도가 높은 탄소섬유나 세라믹 재료를 사용해 만들거나, 탄소섬유나 세라믹재료로 틀의 겉을 감싸 회로부의 과열을 막는 것이 대안이 될 것이다.
3. 본 시제품에서는 알칼리 전지를 이용했다. 이는 5년~10년의 수명을 갖고 있다. 해당 제품은 화재가 발생하지 않았을 때는 스위치가 꺼져있으므로 배터리를 최대한으로 이용할 수 있다. 하지만 화재가 그리 자주 일어나지 않는다는 자체의 특성상 적어도 전지가 10년 동안은 유지되어야 하므로 리튬이온 전지로 변경해 수명을 더욱 늘리거나 회로의 구성을 변경해서 제품 자체의 수명을 늘리는 것이 향후 과제가 될 것이다.
4. 본 시제품에서는 가공이 쉬운 ABS와 포맥스 제품을 실제 래치에 이용되는 특수강을 대신에 사용했다. 따라서 향후에는 적절한 금속 소재를 선택해 제품을 만드는 과정을 거쳐야할 것이다. 이 과정에서는 반복되는 장치의 사용으로 인해 피로파괴가 일어날 수 있으므로 각 금속의 피로강도와 피로 파괴 cycle을 고려해야하며, 항복강도 자체 또한 높아야 할 것이다.
부 록
A-1 참고문헌 및 참고사이트
-https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=207195 뉴스 기사 인터뷰, IoT디지털 도어락 기술
-https://www.cctoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2067371 뉴스 기사, 주택화재 70대 노인 사망
-https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017092011098261725 뉴스 기사, 소방관에게 손해배상
-https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EB%A9%94%ED%83%88 위키백과, 바이메탈
-https://news.joins.com/article/23508476 뉴스 기사, 도어락 라이터로 태우면 열린다
-『진천소방서, 공동주택 피난 지름길 ‘자동개폐장치’ 설치 홍보』, http://fpn119.co.kr/131748
-『화재시 신속한 대피의 중요성, 사례-김포 요양병원』https://www.news1.kr/articles/?3727740
-『참고 특허- 래치볼트 사용 편의성 확보를 위한 모터가 삽입된 문손잡이』출원번호: 1019960480000 (2019.06.27.) http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame
-『아두이노를 이용한 DC모터 제어 코딩 배우기 , https://blog.naver.com/styner05/221414979273
-『Simulation study on light environment performance and heat gain of applying a bimetal automatic shading device to rooms』, Volume 211, 15 March 2020, Science direct, Zhiyong Li, Sibin Zhang, Jiajia Chang, Fei Zhao, Yuqing Zhao, Jianling Gao, https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.109820
- KCI 논문,『아두이노를 활용한 스마트락 시스템 설계 및 구현』,한국항행학회논문지 22권 1호, 2018년 2월, 윤여군 ( Yeo-gun Yun ) , 김현국 ( Hyun-gook Kim ) , 박진태 ( Jin-tae Park ) , 문일영 ( Il-young Moon )
A-2 관련특허
1. 화재발생 시 도어락 잠금 해제 장치 및 이를 위한 방법 (공개번호 10-2017-0014766호)
2. 무선신호에 의한 화재시 자동 개방용 출입문 (등록번호 20-04277220000호)
3. 이동식 화재 감시 장치 및 이를 이용한 화재 위험 통지 방법 (등록번호 10-17479500000호)
