Mat4ward

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 한글: 버스 도어와 연동된 자동 전개식 우천 보호 장치

영문 : Automatic Rain Shield Linked to Bus Door Movement

과제 팀명

Mat4ward

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2025년 3월 ~ 2025년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 김*환(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 장*혁

서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 박*근

서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 진*욱

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 프로젝트는 버스 도어와 연동된 자동 전개식 우천 보호 장치를 개발하는 것을 목표로 한다. 본 장치는 별도 전력 없이, 버스 출입문 개폐에 따라 비가림막이 자동으로 전개 및 복귀되며, 우천 시 승객이 비에 젖지 않고 안전하게 승·하차할 수 있도록 돕는다. 또한 간단한 구조를 통해 유지보수를 용이하게 하며, 대중교통 환경의 편의성과 안전성을 개선한다.

개발 과제의 배경

버스 탑승 전, 승객은 우산을 접거나 준비하는 과정에서 비에 젖는 경우가 많으며, 이는 특히 장거리 통근자나 노약자에게 불편을 초래한다. 이러한 불편을 해결하기 위해 실제 승하차 구간에서 승객을 보호하는 물리적 장치의 필요성이 제기되었다. 이에 따라, 버스 도어와 직접 연동되는 비가림막 시스템이 대안으로 제안되었다.

개발 과제의 목표 및 내용

목표

본 과제의 핵심 목표는 크게 다섯 가지로 정리된다.

첫째, 버스 도어의 개폐 동작만으로 비가림막이 자동으로 전개되고 복귀되는 무동력 작동 방식을 구현하는 것이다. 이를 통해 외부 전력 공급 없이도 안정적으로 작동하는 장치를 만들고자 하였다.

둘째, 와이어와 도르래 등 단순한 기계적 연동 구조만으로 작동하는 시스템을 설계함으로써, 부품 수를 최소화하고 제작 및 유지보수의 효율성을 높이는 것을 목표로 하였다.

셋째, 문이 닫혀있을 경우 수직 상태로 거치되고, 반복적인 전개 및 복귀 동작을 통해 이물질이 자연스럽게 탈락되도록 하고, 자석 고정 방식과 힌지 구조 등을 도입하여 장치의 내구성과 작동 안정성을 동시에 확보하고자 하였다.

넷째, 승객이 우천 시 비에 맞지 않고 안전하게 승하차할 수 있도록 하여, 대중교통 이용 시의 편의성을 향상시키는 사용자 중심의 기능을 실현하는 것을 중요한 목표로 설정하였다.

마지막으로, 다양한 버스 차종이나 운송 환경에서도 적용 가능하도록 비가림막의 구조를 모듈화 설계하여, 도시 전체 교통 인프라에 유연하게 도입할 수 있도록 고려하였다.

내용

시스템 구조 및 설계

본 우천 보호 장치는 기계적 연동 메커니즘을 핵심으로 하는 단순한 구조로 설계되었다. 버스 도어의 개폐 동작을 와이어-도르래 시스템을 통해 비가림막의 전개 및 복귀 동작으로 직접 전환하는 방식을 채택하였다.

주요 구성 요소는 다음과 같다:

연동 메커니즘: 버스 도어와 연결된 와이어 및 도르래 시스템

비가림막: 방수 소재로 제작된 접이식 차양막 구조

지지 프레임: 힌지 구조를 포함한 경량 알루미늄 프레임

고정 장치: 자석 기반 고정 시스템

작동 원리

장치의 작동은 다음과 같은 순서로 진행된다:

도어 개방 시: 버스 도어가 열리면서 연결된 와이어가 당겨져 도르래를 통해 비가림막이 자동으로 전개된다.

보호 상태 유지: 전개된 비가림막이 승하차 구역을 덮어 승객을 비로부터 보호한다.

도어 폐쇄 시: 버스 도어가 닫히면서 와이어의 장력이 완화되고, 스프링 복원력에 의해 비가림막이 자동으로 접혀 원위치로 복귀한다.

핵심 기술 특징

무동력 시스템

별도의 전력 공급 없이 버스 도어의 기계적 에너지만을 활용하여 작동하는 완전 무동력 시스템이다. 이를 통해 전력 소모량을 제로화하고 시스템의 신뢰성을 향상시켰다.

자가 청소 기능

비가림막의 반복적인 전개 및 복귀 동작을 통해 표면에 축적된 먼지, 낙엽 등의 이물질이 자연스럽게 탈락되는 자가 청소 메커니즘을 구현하였다.

내구성 확보

힌지 구조: 강풍이나 외부 충격에 대한 내성을 높이는 다중 힌지 설계

자석 고정: 강력한 네오디뮴 자석을 활용한 안정적인 고정 시스템

모듈화 설계

다양한 버스 차종에 적용 가능하도록 표준화된 모듈 구조를 적용하였다:

표준 모듈: 일반적인 시내버스용 기본 규격

확장 모듈: 대형 버스나 굴절 버스용 확장 가능한 구조

소형 모듈: 마을버스나 소형 버스용 축소 버전

유지보수 효율성

단순한 기계적 구조로 인해 최소한의 유지보수만 필요하다:

정기 점검: 월 1회 와이어 장력 및 힌지 상태 확인

부품 교체: 연간 와이어 교체 (필요시)

이러한 설계를 통해 대중교통 운영사의 유지보수 비용을 최소화하면서도 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

버스 승객의 승하차 시 우천 환경에서 불편을 줄이기 위한 비가림 장치는 국내외에서 다양한 방식으로 개발되어 왔다. 유럽과 일본 등에서는 차량 고정형 차양막, 전동식 슬라이딩 루프, 수동식 접이형 덮개 등의 형태로 설치되고 있으나, 대부분 전기적 구동을 기반으로 하며 복잡한 설치공정과 유지관리 비용 문제를 안고 있다. 특히 동력장치와 제어계통의 결함은 실사용 환경에서 고장률을 높이는 원인으로 작용하고 있으며, 이는 운수업체들이 비가림 시스템을 대규모로 도입하는 데 있어 주요 장벽이 되고 있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

본 프로젝트에서는 크게 두 건의 주요 특허를 참고하였다.

(1) 현대자동차의 등록특허 10-2315858호, 「버스용 폴딩도어 링크 루프 시스템」

이 기술은 버스 폴딩도어 상단에 부착된 접이식 루프부를 폴딩도어의 이동력에 의해 전개하거나 접히도록 설계하여, 별도의 동력 없이도 승객을 비와 눈으로부터 보호할 수 있도록 고안되었다. 핵심 구성은 인너고정가이드부, 아우터스윙가이드부, 접이식 루프부, 링크부, 링크결합부로 이루어져 있으며, 문이 열릴 때 링크와 힌지를 통해 루프가 펼쳐지는 구조를 가진다. 해당 시스템은 구동 동력원이 필요 없는 점과 도어 개방 시 동기화된 루프 전개라는 점에서 장점이 있으나, 전체 구조가 비교적 복잡하고 부품 수가 많아 제작 비용과 설치 공간 측면에서 제약이 존재한다. 특히 링크부와 롤러, 힌지의 기계적 결합이 많아 이물질 유입 시 작동 불량의 우려가 있고, 시스템이 폴딩도어 구조에 최적화되어 있어 슬라이딩 도어 또는 여타 도어 구조에는 적용이 어렵다는 한계가 있다.

(2) 강원대학교 산학협력단의 등록특허 10-2580298호, 「버스 비막이 장치」

이 발명은 버스 지붕에 회전 가능하게 부착된 제1플레이트와, 이에 힌지로 연결된 제2플레이트가 접히거나 펼쳐지면서 비를 막아주는 구조다. 작동은 접철로드와 보조링크의 이동을 통해 이루어지며, 접철 상태에서는 차량 외부로 돌출되지 않고, 펼침 시에는 버스 측면으로 확장되어 승객을 빗물로부터 보호한다. 특히 이 장치는 버스 측면 전체 길이를 커버할 수 있는 구조로, 탑승 대기 중인 승객까지 보호하는 점이 특징이다. 하지만 구조상 전동 모터와 벨트, 가이드부 등을 활용하기 때문에 전력 소모가 발생하고, 제어 장치와의 연동이 필요하다. 이로 인해 구조가 복잡하고 고장이 발생할 경우 유지보수 부담이 크다는 단점이 존재한다. 또한, 대형 부품이 외부로 돌출되는 구조이므로 차량 외관 및 주행 안정성 측면에서 제약이 생길 수 있다.

이처럼 기존 기술들은 각각 장점이 있으나, 무동력 작동의 단순성과 장치의 자가청소(이물질 탈락), 그리고 다양한 도어 구조에 범용적으로 적용 가능한 유연성을 모두 만족시키는 기술은 아직 상용화되지 않았다. 본 과제에서는 이러한 한계를 보완하기 위해, 와이어와 도르래를 활용한 단순한 기계적 작동 시스템을 개발하였으며, A↔– 구조 전환 메커니즘을 통해 자연스러운 이물질 제거 효과까지 포함시킨 것이 가장 큰 차별점이다. 또한 전체 구조가 모듈화되어 다양한 버스에 쉽게 장착 가능하고, 전력 소비 없이 작동하므로 유지보수가 쉬우며 친환경적이라는 장점을 가진다.

• 기술 로드맵

4월: 문제 정의, 요구사항 도출, 선행 기술 조사, 구조 설계안 구상, 상세 설계도 작성

5월: 부품 선정 및 구매, 부품 가공·조립 준비, 시제품 조립, 도어 연동 작동 실험, 문제점 확인 및 개선안 도출

6월: 구조 개선, 내구성·안정성 실험, 외관·설치성 보완, 최종 시제품 완성, 동작 시연 영상·발표자료 제작, 결과보고서 작성

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

현재 시장에는 전동식 루프 구조 제품과 수동형 비가림 커튼류가 일부 존재하지만, 이들은 전력 공급이 필요하거나 사용자의 직접 조작이 필요한 제품이 많다. 경쟁 제품 다수는 외부 구조물로 인해 차량 외형에 영향을 주며, 눈·비 등의 이물질로 인해 작동 불량 가능성도 내포하고 있다. 특히 장거리 노선이나 고정되지 않은 정류소 환경에서는 기존 제품의 실효성이 떨어진다는 한계가 있다.

이에 비해 본 장치는 도어 개폐 동작만으로 작동, 기계적 신뢰성이 높고, 에너지 소비가 없으며, 승객이 직접 조작할 필요가 없다는 점에서 사용자 편의성이 뛰어나다. 또한 외부에 큰 구조물이 노출되지 않아 차량의 외관과 주행 안정성에도 영향을 주지 않는다.

• 마케팅 전략 제시

해당 기술은 지자체, 운수업체, 공공기관 등 B2G·B2B 시장을 중심으로 전략적 마케팅이 가능하다. 특히 ESG 및 교통약자 보호와 관련한 공공정책과 연계하여 사회적 가치 실현을 기반으로 한 보급 확대가 유력하다. 더불어 설치가 간편하고, 전력 인프라가 필요 없어 농촌 및 교외 지역 노선에도 쉽게 적용 가능하다는 장점이 있다. 장기적으로는 버스 외에도 기차역, 트램 정거장, 셔틀버스 승강장 등 다양한 교통 플랫폼에 응용 가능성이 있다.

• SWOT분석

강점(Strengths)

별도 동력 없이 도어 개폐 운동에너지만으로 작동해 에너지 소모와 유지비용이 없음.

구조가 단순하고 부품 수가 적어 고장률이 낮고, 유지보수가 용이함.

승하차 시 승객이 비를 피할 수 있어 편의성과 안전성이 높음.

경사진 배수로와 각도 조절로 빗물 처리 효율이 높아, 기존 장치 대비 사용자 불편이 적음.

약점(Weaknesses)

강풍이나 혹한기에는 구조물 손상 또는 작동 제한 가능성이 있음.

정류장 시설물 등 외부 구조물과의 간섭 우려가 있음.

반복 작동 시 부품 마모 및 부식 가능성 존재.

외관 디자인과의 조화가 어려워 일부 시장에서 거부감이 있을 수 있음.

기회(Opportunities)

기존 특허의 한계를 극복해 국내 버스 산업에 상용화 가능성이 높음.

기후 변화로 우천 보호 장치 수요가 증가하는 시장 환경에 적합함.

위협(Threats)

운송업계의 보수적 관행으로 신기술 도입이 더딜 수 있음.

전국적 보급 시 유지보수 인프라 구축 필요, 부식 등 관리 부담이 있음.

버스 외부 장착물에 대한 안전 규정 강화 가능성이 있음.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

본 과제를 통해 개발한 ‘버스 도어와 연동된 자동 전개식 우천 보호 장치’는 기술적, 경제적, 사회적 측면에서 다양한 기대효과를 지닌다. 기술적으로는 기존의 전동식 또는 고정식 비가림막과는 달리, 버스 도어 개폐 동작만으로 자동으로 작동하는 무동력 시스템을 적용함으로써 구조의 단순화와 유지보수의 편의성을 동시에 확보하였다. 복잡한 전기적 회로나 외부 동력원이 필요하지 않기 때문에 고장 발생률이 낮고, 전기 계통의 고장으로 인한 비상 상황에서도 안정적인 작동이 가능하다. 또한, ‘A’자 형태와 ‘–’자 형태를 반복적으로 전환하는 비가림막 구조는 일반적인 슬라이딩 방식이나 일방향 전개 방식과 차별화된다. 이 구조는 단순히 승객을 비로부터 보호하는 기능을 넘어, 전개 및 복귀 동작 중에 힌지부나 가림막 표면에 쌓일 수 있는 먼지, 낙엽, 눈 등 이물질을 자연스럽게 탈락시키는 효과를 제공한다. 이는 장치의 장기적 안정성과 내구성을 확보하는 데 매우 중요한 역할을 하며, 특히 외부 환경에 노출된 장치에 적합한 설계 방식이라고 할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

경제적 측면에서도 본 장치는 높은 효과를 기대할 수 있다. 전기를 사용하지 않기 때문에 에너지 소비 비용이 발생하지 않으며, 설치 시 복잡한 전기 배선 작업이 필요 없으므로 초기 설치 비용과 유지관리 비용을 크게 절감할 수 있다. 더불어 구조가 비교적 단순하고 모듈화 설계가 가능하므로, 다양한 종류의 버스에 손쉽게 적용할 수 있어 범용성이 뛰어나며, 대중교통 기반 시설을 운영하는 지자체나 운수업체의 입장에서 실용적인 선택지가 될 수 있다. 사회적 측면에서는 특히 승객의 편의성과 안전성 향상에 기여할 수 있다. 우천 시 승객이 버스에 탑승하거나 하차할 때 비를 맞지 않도록 보호함으로써, 특히 어린이, 노약자, 장애인 등 교통약자의 이용 환경을 개선할 수 있다. 뿐만 아니라, 비가림막을 통해 버스 내부로 빗물이 유입되는 것을 방지함으로써 바닥이 미끄러워지는 것을 막아 2차 안전사고를 예방할 수 있다는 점도 중요하다. 이는 전체 대중교통 시스템의 품질 향상과 이용자 만족도 제고로 이어질 수 있으며, 시민의 삶의 질 향상에 기여하는 바가 크다. 나아가 이러한 장치는 도시 교통 인프라의 스마트화 및 친환경화를 추진하는 방향성과도 맞물린다. 유지보수성과 신뢰성을 확보한 자동화 장치를 통해 대중교통 서비스를 보다 체계적으로 관리할 수 있으며, 도시 전체의 대중교통 이용률을 높이는 데에도 긍정적인 영향을 줄 수 있다. 결국 본 장치는 기술 혁신을 통한 문제 해결뿐만 아니라, 실제 교통 환경에서 적용 가능성과 파급력이 뛰어난 과제로 평가될 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

4월

목표: 우천 시 승객 보호를 위한 비가림 시스템 필요성 분석 및 작동 원리 개념화

활동 내용

-버스 승하차 시 불편함 및 기존 시스템 문제점 조사

-와이어 및 도르래 기반 무동력 작동 원리 구상

-특허 조사(기존 유사 장치 분석 및 차별성 도출)

-초기 스케치 및 전개/복귀 메커니즘 방향 설정

5월

목표: 기계적 연동 구조 기반 비가림막 상세 설계 및 프로토타입 제작

활동 내용

-CAD 활용 A자 ↔ –자 구조 설계 및 부품 배치 도면 완성

-경첩, 와이어, 도르래, 자석 등 핵심 부품 선정 및 조달

-프로토타입 1차 모델 제작(버스 문 구조 모사형)

-와이어 장력 조정, 힌지 움직임 테스트, 구조 안정성 검토

6월

목표: 시스템 작동 안정성 검증 및 발표 자료 완성

활동 내용

-모형 버스에 장치 설치 후 작동 반복 실험

-비가림막 전개/복귀 정확성, 고정력, 이물질 탈락 성능 확인

-작동 시나리오별 문제점 보완(자석 위치 조정, 힌지 간격 조절 등)

-최종 포스터 제작 및 특허 명세서 작성

-발표 자료 구성 및 모형 시연 영상 준비

구성원 및 추진체계

김*환 - 재료 구매 및 예산 관리, 산학협력 관련 업체 컨택, 활동비 및 재료비 증빙 서류 작성, 제품 제작 및 피드백

박*근 - 전체 구조 기획, 세부 설계 및 설계도 작성, 명세서 작성, 발표자료 제작, 제품 제작 및 피드백

진*욱 - 선행 기술 조사, 경쟁 제품 기술 분석, 제품 제작 및 피드백

장*혁 - 모형 및 실물 시제품 조립, 작동 안정성 실험, 제품 제작 및 피드백

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

상세설계 내용

• 작동 메커니즘

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

현존 문제

작은 모형에서는 이상 없이 잘 작동하지만, 실제 버스와 연동 시 잘 작동하는 지 확인 필요. 또한, 실제 버스와 같은 메커니즘의 폴딩도어를 제작한 것이 아닌 폴딩도어를 손으로 열었다 닫았다 하는 구조로 설계를 했기에, 실제 적용 시 문제 발생 가능성 있음.

해결 방안

실제 제품 사이즈로 모듈을 제작해 버스에 장착하여 발생 가능할 문제(와이어의 탈락, 비정상 전개 등)들을 확인해야 함.

특허 출원 내용

예정