"1조-구워조"의 두 판 사이의 차이

2020년 12월 18일 (금) 20:11 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 기름의 수직 낙하를 최소화한 듀얼웨이 그릴

영문 : Dual Way Grill with Minimum Oil Drop

과제 팀명

구워조

지도교수

김상일 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 안**(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20128600** 권*

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 김**

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 주**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 본 과제를 통하여 개발하고자 하는 제품의 목적은 야외에서 직화로 고기를 구울 때, 기존의 제품과 비슷한 수준의 직화 면적을 확보하면서도 불에 기름이 떨어지는 것을 방지하는 것이다. 기름이 불에 떨어지지 않도록 하여 갑작스럽게 불이 강해지는 일이 없게 하고, 고기에 그을음이 묻지 않도록 한다.

◇ 기름이 떨어지는 양과 직화에 노출되는 면적은 일반적으로 반비례한다. 이를 이용하여 기름이 많이 떨어질 때는 직화 면적을 적게 하고, 기름이 떨어지는 양이 안정해지면 직화 면적을 늘릴 수 있도록 한다. 기존 제품이 이를 위해 그릴을 두 개의 공간으로 분리하고 있는 것과 달리, 동일한 공간에서 직화 면적을 조절할 수 있도록 한다. 

◇ 직화 면적이 넓은 경우에도 기름이 불에 떨어지는 것을 최대한 방지하기 위해 ① 살에 홈을 내어 기름이 흐르는 길을 만들고, ② 그릴에 경사각을 준다. 이를 통해 기름이 불에 떨어지지 않고 살을 타고 흘러내려 기름받이에 모일 수 있도록 한다.

개발 과제의 배경

◇ 최근 코로나19 사태에도 불구하고 가족 단위의 야외 행사 또는 캠핑을 즐기는 사람이 증가하면서 각종 캠핑용품 판매가 호조를 보이며 야외 숯불구이의 낭만을 즐기는 여가문화 또한 확장되고 있다.

◇ 직화 구이를 할 때 기름이 불에 직접 떨어지면 갑작스럽게 불이 강해져 속이 익지 않았는데 겉이 타버리거나 그을음이 많이 생긴다. 음식물을 300℃ 이상의 고온에서 가열하면 지방, 탄수화물 및 단백질이 탄화되어 벤조피렌과 같은 발암 물질이 생성된다. 살의 모양과 그릴의 구조를 변화시킴으로써 숯불에 동물성 기름이 직접 낙하하지 않도록 하여 갑작스럽게 불길이 거세지는 현상을 방지할 수 있다면, 직화로 익힌 고기를 먹을 때 섭취하는 발암 물질의 양을 줄일 수 있다. 

◇ 직화 구이는 복사열로 고기를 익히기 때문에 손실되는 수분이 적고, 숯의 향이 고기에 더해져 독특한 풍미를 지닌다. 이러한 직화 구이의 특성은 직화 면적이 클수록 강하게 나타난다. 현재 유통되고 있는 경사진 석쇠의 경우 직화 구간의 면적이 10~30%에 불과하여 직화 구이의 온전한 풍미를 즐길 수 없다. 직화 구간의 비율을 50% 이상으로 늘려 직화 구이의 풍미를 즐길 수 있도록 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 본 과제의 궁극적 목표는 직화 구이의 특징을 유지하면서 기름이 불에 떨어지는 것을 방지하는 것이다. 이를 달성하기 위해 다음과 같은 세 개의 목표를 달성하고자 하였다.

◇ 1. 어떠한 경우에도 불에 직접 떨어지는 기름의 양을 최소화할 수 있도록 한다.

◇ 2. 살의 좁은 면을 사용할 때에는 직화에 노출되는 면적이 최소 50% 이상이 되도록 한다.

◇ 3. 기름이 흐르는 양이나 목적에 따라 직화에 노출되는 면적을 다르게 선택할 수 있도록 한다. 

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 기름 낙하 방지 기술

 ○ 홈을 이용한 기름이 흐르는 길 마련 

 - 그릴 살 상단에 기름이 흐를 수 있는 공간을 마련하여, 기름이 살 하단부를 타고 흐르는 것이 아닌 상단에 마련된 길을 따라서 흐르도록 하는 구조이다. 
 - 공간이 넓을수록 기름이 불에 적게 떨어지나, 직화 면적이 작다. 공간이 좁으면 직화 면적은 커지지만, 고기에서 기름이 많이 나오는 경우 홈에서 넘치는 현상이 발생할 수 있다. 
 - 고기가 그릴에 눌어붙는 경우 기름의 원활한 흐름을 방해하여 기름이 홈 바깥으로 유출되는 경우가 발생할 수 있다.

○ 이중구조를 통한 받침대 마련

 - 상판과 하판의 이중구조를 통해 상판에서는 기름이 수직으로 잘 떨어지도록 하고, 수직으로 떨어진 기름이 하판의 받침대에 모이는 구조이다. 
 - 하판의 기름 받침대가 상판에 존재하는 구멍의 바로 아래쪽에 위치하는 구조이기 때문에, 실질적인 직화 면적이 넓지 않다. 
 - 하판의 받침대에 모인 기름이 가장자리에 마련된 기름받이로 원활하게 흐르지 않는 경우 기름이 넘치는 문제가 발생할 수 있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

1. 직화 구이용 석쇠 (출원번호 : 10-2012-0091747 출원일자 : 2012. 08. 22)

 - 기존의 철망형 석쇠를 여러 겹 겹쳐놓은 형태이다. 위 특허의 목적은 최상부의 석쇠가 타는 것을 방지하여 최종적으로 고기가 타지 않게 하는 것이다. 
 - 상부와 하부가 모두 지면과 평행한 구조로 되어있고, 하부의 석쇠에 모인 기름이 외부로 배출되지 않기 때문에, 기름이 불로 떨어져 불꽃이 커지는 현상이 발생할 수 있다. 

2. 기름 낙하가 방지되는 그릴(Grill Preventing Oil Drop)

(출원번호 : 20-2015-0003701 출원일자 : 2015. 06. 09)

 - 상판(110)과 하판(120)의 이중구조로 상판에서 고기를 구우며 떨어지는 기름을 하판에서 받아 하판의 좌우에 배치된 기름받이에 기름이 모이도록 하여 불에 기름이 떨어지는 것을 방지하는 구조이다.
 - 하판의 기름 받침대가 상판에 존재하는 구멍의 바로 아래쪽에 위치하는 구조이며, 둘 사이의 이격 거리가 작기 때문에, 실질적인 직화 면적이 넓지 않다. 

특허전략

◇ 기존 특허에서 다수를 차지하는 받침대를 사용하여 기름 낙하를 방지하는 방식이 아닌 받침대를 사용하지 않고도 기름이 불에 떨어지는 것을 방지할 수 있도록 한다.

◇ 기존의 특허 제품들은 직화 면적이 고정되어 있다. 본 과제를 통해 개발할 제품은 기름이 많이 떨어지는 경우에는 직화 면적을 작게 하여 기름이 떨어지는 것을 방지하고, 기름이 떨어지는 양이 안정해지면 다시 직화 면적을 늘릴 수 있도록 한다.

◇ 직화 면적의 넓이를 조절하기 위해 살의 모양 및 구조를 변형한다. 살의 모양을 넓이가 넓은 면과 좁은 면을 갖도록 설계한다. 작은 직화 면적이 필요할 때에는 넓은 면을 사용하고, 좁은 직화 면적이 필요할 때에는 좁은 면을 사용하여 필요에 따라 살의 넓이를 선택할 수 있도록 한다. 살의 좁은 면을 사용하여 직화 면적이 큰 상황에서도 기름이 불에 떨어지지 않도록 고려한다.

이러한 새로운 살의 모양 및 구조는 기존의 제품과는 다른 차별성을 가질 수 있다.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

• 마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 기름이 수직으로 떨어지지 않고 그릴의 살을 따라서 기름받이에 모이도록 하여, 그을음이 생기거나 갑작스레 불이 강해져서 고기가 타는 것을 방지할 수 있다.

◇ 사용자가 그릴의 면을 선택할 수 있기 때문에 고기의 종류 및 두께에 따라 적합한 형태의 불판을 사용하여 고기를 구울 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 기름이 숯불에 떨어지는 것을 방지하여 불이 갑작스럽게 세지는 현상이 일어나지 않고, 그을음이 적게 발생한다. 따라서 그을음이나 고기를 태우는 것에 대한 걱정 없이 쉽고 편하게 고기를 구울 수 있으므로 야외에서 고기를 굽는 것에 거부감이 있는 사람들에게도 어필이 가능하다.

◇ 고기의 종류 및 목적에 따라 그릴의 넓이를 선택할 수 있으므로, 야외에서 다양한 종류의 고기를 구울 수 있다. 이러한 특징은 야외에서 돼지고기를 즐겨 먹는 국내와 달리 소고기를 주로 구워먹는 해외에서도 유용하게 사용될 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 안지우 : 팀장, 감독, 데이터 수집, 서류 담당
◇ 권혁 : 자료 조사 및 문서, 보고서 작성 담당
◇ 김대현 : 재료 구매, 이론 분석 담당
◇ 주은설 : 자료 제작, 제품 디자인 및 제작 담당

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

◇ 설계사양

  - 모든 파이프가 동시에 레일의 구동에 의해 90도로 돌아가야 한다.
  - 레일의 구동을 100회 이상 반복하여도 톱니 및 파이프의 이탈 없이 처음의 모습을 유지해야 한다.  
  - 기름이 화염에 떨어져 화염이 세지는 현상을 방지하기 위해 수직 낙하하는 기름의 양을 최소화 해야하며 이는 처음 떨어트린 기름의 양 대비 최종적으로 기름받이로 흐른 기름 양이 10% 이하가 되는지로 평가한다.
  - 전체 그릴 면적 대비 직화 면적을 50% 이상이 되어야 한다. 
  - 실제 실외에서 구이를 하면서 실험을 하는 것이 제한되기 때문에 실내에서 스펀지와 고추기름 (돼지기름 대용) 으로 실험을 하였고, 스테인리스 스틸로 원하는 파이프의 모양을 만들기에는 가격의 제약이 있으므로 ABS 소재의 3d 프린팅으로 모든 실험과정을 대체하였다.

- 판과 판 사이의 거리

톱니와 레일의 규격을 고정시켰을 때 판은 축을 중심으로 반경 7.5mm의 원의 궤적을 그리며 회전한다. 이 때 판과 판 사이는 1.84mm의 거리가 있다. 이 때 무게중심의 위치를 계산을 통하여 오목한곳으로부터 8:7인 곳으로 설계했다.

- 상부에서의 모습

개념설계안

◇ 일반적인 캠핑용 불판에서 고기를 구울 때 그릴에 육즙이 눌어붙고, 기름의 흐름을 방해하여 기름이 불에 떨어져서 갑작스레 불길이 거세지는 현상이 자주 발생한다.

이를 방지하기 위해서 육즙을 먼저 제거한 후 고기를 굽는 방식을 고안했다. 편의상 육즙을 제거하는 과정을 초벌, 그 후 고기를 굽는 과정을 재벌이라고 하겠다.

◇ 같은 그릴에서 초벌과 재벌을 다 하기 위하여 블라인드 방식과 양꼬치 기계에서 아이디어를 착안했다. 톱니를 포함한 양꼬치 기계 모양의 장치에 블라인드 모양의 새로운 모양의 살을 추가하여 90도 회전시키며 사용하는 방식이다. 

◇ 그릴의 각도와 관련해선 이론적 계산과 실험을 통해 기름의 수직 낙하를 최소화한다는 전제 조건하에서 고기가 미끄러지지 않고 직화 면적을 최대로 할 수 있는 각도를 찾았다. 이 부분에 대해선 2.3 이론적 계산 및 시뮬레이션에서 자세히 다루도록 한다.

◇ 홈의 모양과 관련해선 재벌 면일 땐 살 윗부분에서 기름이 움푹 패인 모양의 홈을 타고 내려오게 설계하였다. 초벌 면 또한 기름이 살 사이로 낙하하지 않도록 넓은 면에도 홈을 파 기름이 잘 내려오도록 설계하였다. 중심축은 이론적으로 살의 무게중심의 위치를 계산하여 설계하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

• 그릴의 각도에 관한 이론적 계산

1. 목적 (1) 본 실험의 주목적 : 기름의 수직 낙하를 0으로 하는 그릴의 최소 각도를 찾는다.

2. 계산과정 (1) 기름방울에 가해지는 힘

- 살 아래쪽을 타고 흐르는 기름은 먼저 미끄러지다가 어느 순간 떨어진다.

- 기름방울 질량에 해당하는 중력 - 기름방울과 스테인리스 스틸과의 표면장력 - 기름방울과 스테인리스 스틸과의 마찰력 - 기름방울과 스테인리스 스틸과의 접착력

(기름이 한번 흐르고 나서는 기름 길이 나기 때문에 기름방울과 기름길 사이의 응집력도 존재한다.)

- 미끄러지는 조건

기름방울에 가해지는 힘의 모든 방향의 벡터를 더하였을 때 F1>F2 일 때 미끄러진다.

그러나 모든 방향의 벡터의 값들을 이론적으로 구하기 위해선 기름과 스테인리스 스틸 사이의 마찰력, 기름방울이 스테인리스 스틸 살에 대각선으로 매달려있을 때 기름방울의 접촉각, 맺혀있는 기름방울의 정확한 질량, 기름과 스테인리스 스틸 사이의 접촉력, 기름과 기름 사이의 응집력 등 모든 구성요소의 정확한 수치들을 알아야 하는데, 이를 정확히 알기란 사실상 불가능하고, 이 수치들이 조금이라도 달라졌을 때 실험 결괏값에 큰 영향을 미치므로 실험을 통해 최적의 각도를 도출해냈다.

3. 실험을 통한 각도 도출 그릴의 각도와 기름방울이 떨어지기까지의 거리의 관계에 관해 실험하였다.

기름은 부터 수직 낙하하지 않고 윗 홈 및 아랫면을 타고 기름받이까지 도달한다. 그릴의 경사각은 2˚에서 24˚가 적당하다는 특허를 바탕으로 실험을 진행하였다. 실험 결과 기름이 중간에 수직낙하 없이 흐르는 최소 각도는 15.29˚이상이었다.

길이를 통해 구현할 수 있는 각도는 소수둘째자리까지가 맞지만 실제로 제작을할 때 자연수 자리까지이므로 15˚로 구현하였다.

상세설계 내용

조립도

조립순서

① 그릴 본체 조립

② 파이프, 톱니 조립

③ 레일부 조립

④ 그릴 본체 + 파이프 조립

⑤ 레일 부착

⑥ 그릴 옆면 지지대 부착

⑦ 숯불 통 및 기름받이 조립

⑧ 기름받이 부착 및 그릴 조립

부품도

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

<평가 과정>

(1)

(2)

(3)

고기 100g에 포함된 지질은 평균적으로 약 28g이다. 기름의 밀도는 0.9g/ml임을 고려하여 스펀지에 30ml의 식용유를 적셔 재벌구이면에 올려 경과를 보았다. 식용유는 수직 낙하 없이 위쪽 곡면과 아래쪽 곡면을 모두 타고 흐른다. 고기를 굽는 중 기름이 나오는 속도보다 스펀지에서 기름이 나오는 속도가 빠르므로 실제로 고기를 굽는 과정에서도 수직 낙하가 없을 것이다.

향후계획

◇본 프로젝트에서 그릴의 경사각 설계 시 이론적 난관에 봉착하여 기름이 수직 낙하하지 않는 최소 각도를 실험으로 찾아내었다. 하지만 이 값은 분명 이론값과 차이가 있을 것이며 실제 상황에서는 소재, 온도와 같은 환경적인 요인 또한 달라질 것이다. 따라서 이런 다양한 요인 속에서의 이론값을 찾아내는 것이 향후 과제가 될 것이다.

◇본 시제품에서는 레일을 직접 손으로 잡아당겨야 한다. 스테인리스 스틸로 제작할 실제 제품에서는 안전을 위해 손잡이를 설치하며 보다 편리하게 구동시킬 방안을 모색하여야 한다.

◇본 시제품에서는 비교적 가공이 쉽고 가격이 저렴한 ABS 소재를 사용하였다. 향후 실제 제품 제작 시 사용될 금속 재료의 내열성, 내부식성, 가격 및 생산과정에서의 비용을 고려하여 적절한 소재를 선택하여야 한다.

◇본 시제품을 평가할 때 불의 사용이 제한되어 스펀지와 식용유를 이용하여 고기에서 기름이 흘러나오는 현상을 대체하였다. 향후 스테인리스 스틸로 제작할 경우, 실제 고기를 이용하여 고온에서 유사한 방법으로 평가하는 것이 과제가 될 것이다.

◇ 이 제품의 타겟층을 캠핑을 즐기는 사람뿐만 아니라 일반 식당 및 공장으로 확대한다면 전기를 사용할 수 있으므로 레일 구동의 자동화가 가능할 것이다.