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2021년 6월 27일 (일) 00:18 판
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 레일 및 아두이노를 이용한 실내 설치형 자동방역기
영문 : Installation Type Automatic Sterilizer Using Rail and Arduino
과제 팀명
믹스앤매치
지도교수
홍완식 교수님
개발기간
2021년 3월 ~ 2021년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 이*림(팀장)
서울시립대학교 신소재공학과 20164500** 김*준
서울시립대학교 신소재공학과 20164500** 홍*범
서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 김*아
서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 홍*름
서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 최*정
서론
개발 과제의 개요
가. 개발 과제 요약
현재 코로나19 사태로 실내 방역의 중요성이 강조되고 있다. 실내 방역은 사람이 직접 하는 방식과 자동으로 소독액이 분사되는 방식으로 진행된다. 수동으로 방역을 하는 경우, 방역을 수행하는 사람은 소독액 통을 직접 들고 다니면서 방역을 진행한다. 하지만 사람 간의 접촉으로 전염되는 감염성 질환의 특성상 방진복을 완전히 갖춰 입고하지 않으면 방역을 하는 사람이 감염원이 될 수 있다는 단점으로 인해 저(Low) 접촉, 비접촉(Contactless), 혹은 노터치(No touch)의 자동 방역 방식이 선호된다. 하지만 이러한 제품들의 경우 이동, 소독액 충전, 소독액 분사 등을 위해 여러 개의 센서를 이용하고 있다. 우리는 이러한 자동 분사식 방역기를 적외선 라인 센서를 이용하여 이동, 소독액 충전, 소독액 분사를 모두 제어하는 제품을 제작하여 보다 쉽게 실내 구조물의 방역이 가능하게 하려 한다.
나. 개발 과제의 배경 및 효과
개발 배경
코로나19 상황에서 사람의 손길이 닿은 곳을 소독하는 것은 당연한 일이 되어버렸고, 바이러스가 공기 중에 떠다니는 상황에 의해 공기 자체도 살균 및 정화할 수 있도록 하는 여러 장치가 고안되고 있다. 실제로 회의실이나 강의실과 같은 장소들을 대면으로 사용한 후에는 방역 관리자가 와서 직접 소독을 실행하고 있다. 하지만 이러한 수동 방식은 사람이 소독액을 직접 가지고 다니면서 일일이 분사 해야 하는 번거로움이 있다. 또한, 주로 사람의 비말이나 사람 간의 접촉으로 전이되는 감염성 질환의 특성상 방역을 진행하는 사람이 감염원이 되어 전파될 수 있다는 위험이 존재하므로 자동화된 방역 시스템이 선호되고 있다. 이에 따라 본 개발 과제는 일상 공간에서 공기 및 사물에 대한 소독을 자동화 시스템을 통해 진행하고, 이 과정에서 적외선 라인 센서를 이용하여 장치의 이동 및 분사, 소독액 자동 충전을 모두 제어하는 제품을 제작하는 것을 목표로 한다.
실내 공간 방역 방식
실내 공간 방역의 경우 접촉면을 소독액이 함유된 티슈를 이용해서 소독하는 방법과 공기 중 또는 실내에 소독액을 직접 분사하는 분사형 소독이 있다. 소독용 티슈의 경우 책상과 같은 테이블, 문고리, 의자 등과 같은 곳에 주로 사용된다. 이러한 소독용 티슈에는 에탄올 혹은 아이소프로필알코올(IPA) 등 살균제가 들어있어 표면에 묻은 박테리아, 곰팡이, 세균 등을 제거하거나 다시 번식하는 것을 예방한다. 세균의 경우 크기가 커서 이러한 방식으로도 제거되지만, 바이러스는 세균보다 더 미세한 사이즈이고, 스스로 생존하기 힘들기 때문에 세포나 세균과 같은 기생할 숙주를 찾는다. 따라서 미세한 사이즈인 바이러스를 직접적으로 박멸하는 것은 매우 특수한 방식 외에는 효과가 낮으므로 숙주인 세균을 제거하는 형태의 간접적인 방식을 이용한다. 소독용 티슈를 이용하는 방법의 경우 소독액을 머금은 티슈를 이용하여 접촉면을 닦아 소독액을 접촉면에 발라둠으로써 일정 시간 이후 세균이 죽는 원리를 사용한다. 따라서 여러 차례에 걸쳐 닦아야 소독 효과가 제대로 나며 피부에 직접적으로 닿아 소독하는 경우 소독액에 의해 피부 트러블을 유발할 수 있으므로 사용 후에는 손을 깨끗이 닦아야 한다는 단점이 존재한다. 분사형 소독 방식은 현재 많은 실내에서 소독용 티슈와 더불어 사용되고 있는 방식으로 분사 노즐을 이용하여 액체를 분사하는 방식이다. 이 방식은 미세한 입자를 접촉면 및 대기 중 뿌려 공간에 존재하던 세균을 제거하는 원리이다. 이러한 분사용 소독에는 여러 가지 소독액이 사용될 수 있다. 세계보건기구(WHO)에서 제시한 소독제로는 치아 염소 나트륨(가정용 락스), 알코올(70%) 제4급 암모늄 화합물, 과산화물 등이 있다.
적외선 센서
적외선 센서는 현재 다양한 제품에 사용되고 있다. 적외선 센서의 발광부에서 나온 적외선이 물체에 반사되어 수광부에 돌아오는데, 들어온 양에 따라 전압이 변화한다. 이러한 원리를 이용하여 야간에 물체의 움직임을 측정하게 해주는 야간 촬영, 비접촉 방식으로 온도를 측정하는 적외선 온도계, 그리고 적외선으로 신호를 주고받는 적외선 리모컨 등에 사용되고 있다. 특히, 주어진 연속적인 라인을 적외선 센서가 인식하는 방법은 여러 제품에 널리 사용되고 있다. 특히 로봇의 경우, 정해진 길을 따라갈 수 있도록 해주며 인식 조건에 따라 속도 제어 및 회전 또한 가능하다. 그 외에도 다양한 이동 장치 등에서 이동의 통제 및 정확성을 높이는 데 활용되고 있다.
적외선 센서 활용 방안
본 발명에서는 적외선 센서를 활용하여 이동 및 분사와 소독액 충전을 제어하였다. 이동의 경우, 라인의 조건에 따라 다양한 상황을 구현하였다. 빛을 흡수하는 검은색과 빛을 반사하는 흰색을 각각 하나의 경우로 설정하고 3개의 적외선 라인 센서를 통해 최대 8가지의 조합을 만듦으로써 느린 직진, 빠른 직진, 우회전, 좌회전 등의 여러 기능이 가능하도록 하였다. 소독액 충전의 경우, 하나의 적외선 라인 센서를 부착하여 신호를 읽어 검은색 신호일 때 소독액이 나오지 않게 하고, 흰색 신호일 때는 소독액이 나오도록 설정하였다. 마지막으로 분사의 경우, 적외선 수신 센서를 통해 리모컨의 신호를 보내고 이에 따라 본 발명을 제어할 수 있도록 하였다. 충전부에서의 센서 사용의 경우 적외선 라인 센서 외에도 추가로 리드 스위치 센서, 초음파 거리 센서 등 다른 센서와의 비교 실험을 진행하여 인식 거리 및 정확도를 측정할 예정이다.
기대효과
본 발명은 방역 기기의 소독액 충전 및 사용까지의 과정에서 사람이 직접 관여하는 정도를 줄여주며 이에 따라 방역을 하는 데에 들어가는 시간, 인력 및 에너지를 절감시켜줘 효율성 측면에서의 장점이 있다. 이때, 적은 개수의 적외선 라인 센서로 본체의 이동과 분사, 소독액 자동 충전의 기능을 모두 구현하여 비용 절감과 제작 및 유지보수의 편리성을 얻을 수 있다. 천장에 직접 직선 및 곡선 레일을 설치하고 적외선 라인 센서로 이동하는 방식을 채택하여 임의의 실내 구조에 맞는 설치 및 본체의 자유로운 이동을 보장할 수 있기에, 기존 구조물에 영향을 주지 않아 장치의 설치에 있어서 유용하다. 적외선 라인 센서를 이용하여 이동하기 때문에 다양한 조건의 라인을 설치할 수 있으며, 이때 특정한 조건의 라인에서 본체의 이동속도를 빠르게 하거나 느리게 하면 면적당 분사량을 조절하여 사용자의 요구에 맞추어 효과적인 실내 방역이 가능하다. 세균 또는 병균으로 인한 질병으로부터의 방역 및 청결이 중요시되는 현 사회에 있어서, 천장에서 소독액을 분사하여 효과적인 공기 중 방역에 일조하는 장점이 있다.
다. 개발 과제의 목표 및 내용
사람의 직접적인 활동 없이 실내 공간의 방역을 할 수 있게 한다. 본체가 레일에 부착된 라인을 따라 적외선 라인 센서를 이용하여 이동한다. 이때, 사용자가 설정한 속도로 이동하며 소독액을 분사하게 함으로써 사람이 분무기 등으로 하는 분사형 방역을 자동화하여 그에 따른 편리성 및 효율성을 얻는다. 본체는 내장된 배터리를 통해 이동과 소독액 분사에 필요한 전력을 얻으며, 적외선 라인 센서를 이용해 곡선 레일의 이동과 자동 분사를 위한 회로를 구성한다. 또한, 예기치 못한 상황으로 인해 이동에 제약이 생길 경우 알림을 주어 이에 대응할 수 있게 하며 리모컨을 이용하여 사용자가 임의로 이동 및 분사를 켜고 끌 수 있게 한다. 바닥에 충전 통을 두고 충전기기로 소독액을 충전한다. 펌프와 호스를 이용해 본체가 있는 높이까지 소독액을 올린 후 충전기기에 부착된 적외선 라인 센서가 본체 내부의 소독액 수위를 감지해 필요한 양 만큼 소독액을 본체에 주입한다.
관련 기술의 현황
가. 관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
실내 공간 방역
실내 공간 방역의 경우 접촉면을 소독액이 함유된 티슈를 이용해서 소독하는 방법과 공기 중 또는 실내에 소독액을 직접 분사하는 분사형 소독이 있다. 소독용 티슈의 경우 책상과 같은 테이블, 문고리, 의자 등과 같은 곳에 주로 사용된다. 이러한 소독용 티슈에는 에탄올 혹은 아이소프로필알코올(IPA) 등 살균제가 들어있어 표면에 묻은 박테리아, 곰팡이, 세균 등을 제거하거나 다시 번식하는 것을 예방한다. 세균의 경우 크기가 커서 이러한 방식으로도 제거되지만, 바이러스는 세균보다 더 미세한 사이즈이고, 스스로 생존하기 힘들기 때문에 세포나 세균과 같은 기생할 숙주를 찾는다. 따라서 미세한 사이즈인 바이러스를 직접적으로 박멸하는 것은 매우 특수한 방식 외에는 효과가 낮으므로 숙주인 세균을 제거하는 형태의 간접적인 방식을 이용한다. 소독용 티슈를 이용하는 방법의 경우 소독액을 머금은 티슈를 이용하여 접촉면을 닦아 소독액을 접촉면에 발라둠으로써 일정 시간 이후 세균이 죽는 원리를 사용한다. 따라서 여러 차례에 걸쳐 닦아야 소독 효과가 제대로 나며 피부에 직접적으로 닿아 소독하는 경우 소독액에 의해 피부 트러블을 유발할 수 있으므로 사용 후에는 손을 깨끗이 닦아야 한다는 단점이 존재한다. 분사형 소독 방식은 현재 많은 실내에서 소독용 티슈와 더불어 사용되고 있는 방식으로 분사 노즐을 이용하여 액체를 분사하는 방식이다. 이 방식은 미세한 입자를 접촉면 및 대기 중 뿌려 공간에 존재하던 세균을 제거하는 원리이다. 이러한 분사용 소독에는 여러 가지 소독액이 사용될 수 있다. 세계보건기구(WHO)에서 제시한 소독제로는 치아 염소 나트륨(가정용 락스), 알코올(70%) 제4급 암모늄 화합물, 과산화물 등이 있다.
실내 천장 레일 관련 기술
1) 커튼레일
개인 가정집이나 병원 내 침상 등에서 사용되는 커튼에서 발견되는 방식이다. 철골구조의 프레임 안에 바퀴가 달린 연결부가 존재하고 이것을 커튼에 연결하여 힘을 적게 들여 손쉽게 이용할 수 있도록 제작하였다.
2) OHC(OverHead Conveyor) System
OHC 시스템은 단일 레일을 사용하여 화물 취급 및 운반이 용이하게 만드는 장치이다. 이는 대형 공장에서부터 병원까지 사용되는 기술로 수평 및 수직 방향으로 이동이 용이하게 만드는 기술이다.
3) 기타 레일 기술-케이블 카
하나 이상의 케이블에 객실(캐빈 또는 곤돌라)를 통해 승객을 운항하는 소규모 교통수단을 뜻한다. 영미권에서는 ‘공중 트램’이라고도 하며 우리나라의 경우 ‘케이블 카’라고 흔히 부른다. 우리나라의 대표적인 예로는 남산 케이블 카가 있다. 차량을 와이어로프에 걸고 하나 또는 두 개의 고정 로프를 움직여 차량을 끌어올리는 방식이다. 일반적으로 고도 차이를 쉽게 극복하기 위해 산 입구에서 정상을 잇는 방법 등으로 사용된다.
마이크로 프로세서 중 아두이노
아두이노(Arduino)는 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로컨트롤러로 완성된 보드(상품)와 관련된 개발 도구 및 환경을 말한다. 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들여, LED 또는 모터와 같은 외부 전자 장치들을 통제함으로써 주변 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어 낼 수 있다. 임베디드 시스템, 제어를 위한 특정 기능을 수행하는 전자 시스템, 중 하나로 쉽게 개발할 수 있는 환경을 이용하여 장치를 제어할 수 있다. 이러한 아두이노의 가장 큰 장점은 마이크로컨트롤러를 쉽게 동작시킬 수 있다는 것이다. 이로 인해 인기를 끌면서 이를 비즈니스에 활용하는 기업들도 늘어나고 있다.
적외선 센서
전자기파의 일종인 적외선은 750 ~ 1000nm 파장 영역에 해당하며 적외선의 응용 목적에 따라 근적외선(NIR), 단적외선(SWIR), 중적외선(MWIR), 원적외선(LWIR), 극적외선(FIR) 로 구분된다. 적외선 센서는 크게 적외선을 발생시키는 발신부, 적외선을 감지하는 수신부로 나누어져 있다. 발신부에서 방사된 적외선이 물체에 반사되어 수신부의 전류의 양을 변화시켜 감지하는 원리이다.
나. 특허 조사
자동화 운송이 가능한 이동 로봇 장치 및 그 동작 방법(취하 특허)
축사용 자동 방역 장치(공개특허)
고전염성 바이러스의 살균 및 소독을 위한 자동 소독액 분사시스템(등록특허)
자동 방역 장치(공개특허)
가정용 자동 소독기
다. 특허전략
소독액 분사 및 본체 충전의 자동화 시스템
본 시스템은 본체의 소독액 분사 및 충전이 자동으로 이루어진다. 1회차 자동 방역을 마친 본체는 소독액을 공급받는 호스 앞에 위치하게 되고, 적외선 라인 센서가 장착된 충전기기는 이를 감지하여 소독액을 본체에 공급한다. 일정량의 소독액이 충전되면 본체 소독액 보관함 내부의 박막 부품이 충전된 소독액의 수위에 따라 떠오르고 이를 적외선 라인 센서가 감지하여 소독액 공급을 중단한다. 이때, 충전은 드라이브 스루 방식으로 이루어진다. 해당 시스템은 소독액 분사 장치의 이동 및 소독액 충전의 모든 과정이 자동으로 이루어지기 때문에 실내 공간 방역에 투입되는 인력을 줄일 수 있다.
공간 맞춤형 레일
설치하는 실내 공간의 형태 및 크기에 맞게 레일을 설치할 수 있어 효율적인 실내 공간 방역이 가능하다. 공간의 외곽 혹은 중앙부에 위치하던 기존의 레일과 달리 본 레일은 천장 공간과 관계없이 사용자가 방역을 필요로 하는 위치에 설치할 수 있다.
무선으로 이동 가능한 본체
해당 시스템의 본체는 전력 공급을 위한 전선이나 소독액 공급을 위한 별도의 연결 장치가 필요하지 않아 무선으로 이동하며 소독액 분사가 가능하다. 본체의 전력은 본체 내부의 보조배터리로 공급하기 때문에 별도의 외부선이 생기지 않고 소독액 또한 별도의 장치로부터 지속해서 공급받는 방식이 아닌, 일정량 충전 시 무선으로 공간 방역이 이루어지므로 방역 시 본체 이동에 따른 공간적 제약이 적다.
적외선 라인 센서의 이용
적외선 라인 센서를 이용해 본체의 이동 및 분사, 소독액 충전과 오작동의 알림이 가능하다. 본체 상단에 있는 3개의 적외선 라인 센서를 통해 빠른 직진, 느린 직진, 우회전, 좌회전, 멈춤이 가능하며 타임아웃 라인의 감지로 오작동 여부를 판단한다. 타임아웃 라인은 일정 간격으로 레일 하단에 위치하며 이를 적외선 라인 센서가 제한 시간 내에 감지하지 못하면 본체 이동에 문제가 생겼다고 판단하여 알림이 울린다. 본체 소독액 충전의 시작과 중단 또한 적외선 라인 센서로 이루어진다. 본 시스템은 한 종류의 센서만으로 다양한 기능이 구현되어 제품의 구조와 제작, 유지보수의 단순화가 보장된다.
라. 기술 로드맵
방역기술
1) 발전과정
초기 실내 방역의 경우 사람이 직접 소독하는 수동형 방식을 사용했으나 현재 자동화가 점차 늘어남에 따라 게이트형 방역제품 및 방역 로봇의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
2) 현재 기술의 문제점
① 사람이 직접 소독을 할 경우 많은 비용(시간, 에너지 등)이 요구된다.
② 자동 방역의 경우 고정된 형태의 경우가 많아 소독액이 닿지 않는 부분이 존재한다.
③ 자동 방역 중 이동형 방역기의 경우 호스나 전선 등이 연결되어 있는 형태이며, 차지하는 부피가 크다.
3) 발전 방향
① 동일 양의 소독액이 접촉면과 닿는 총면적이 넓어질 수 있도록 발전시킬 수 있다.
② 방역을 하는데 필요한 장치가 적어져 차지하는 부피를 줄일 수 있도록 한다.
아두이노
1) 발전과정
아두이노는 마이크로컨트롤러로 구성된 보드와 관련 개발도구 및 소프트웨어를 뜻한다. 프로그래밍이 비교적 쉽고 마이크로프로세서를 다루기 위한 과정에서 필수인 엄청난 숫자의 레지스터를 건드리지 않고서도 아두이노 라이브러리만으로도 어느 정도 프로그래밍이 가능하므로 많은 인기를 얻고 있다.
2)현재 기술의 문제점
① 복잡한 연산은 아두이노 보드를 이용한 제품에서 용량의 한계로 인하여 불가능하다.
② 아두이노 센서의 경우 간단한 연산을 위해 만들어진 경우가 많아 인식률이 낮다.
3) 발전 방향
① 같은 크기의 제품에서 더 좋은 연산이 가능하도록 성능을 향상시킨다.
② 아두이노 센서의 인식률을 향상시킨다.
감지 센서
1) 적외선 라인 센서
현재 근적외선, 단적외선 영역에서 영상과 같은 이미지를 획득하는데 이때 반사되어 온 적외선을 이용하므로 반사형 적외선(Reflected InfraRed)라 한다. 이는 물체에 온도에 의해 스스로 복사하는 적외선을 이용하므로 열형 적외선(Thermal InfraRed)라고도 한다. 이러한 적외선 센서는 BST(티탄산바륨스트론튬), VOx(산화반화듐), a-Si(비정질 실리콘) 등의 재료로 구현한다.
2) 리드 스위치
리드 스위치 센서는 현재 문과 창문의 보안용으로 사용된다. 리드 스위치는 자석에 의한 자기장의 원리로 구동되며 두 개의 강자성체의 리드가 일단에 틈 간격을 가지고 대립하여 유리관 안에 봉입되어 있다. 이 센서는 접촉 결함이 매우 적고 수명이 길다는 특징이 있으며, 자석이 센서 근처로 다가오면 자기장에 의해 리드가 접촉되거나 떨어지는 원리를 이용하여 전기를 흐르게 하거나 멈추게 하는 스위치이다.
3) 초음파거리 센서
초음파란 사람의 귀에 들리지 않을 정도로 높은 주파수 (약 20kHz 이상)의 소리를 말하며 초음파 센서는 이를 이용한 것이다. 트리거로부터 초음파를 발사하면 벽이나 사물에 초음파가 닿아 튕겨 나오게 되고, 메아리가 발생한다. 이것이 다시 센서의 감지 부분(Echo)에 들어가 거리를 측정하게 된다. 초음파가 발사되고 다시 돌아오는 시간에 비례하여 거리가 증가하기 때문에 거리 = 속력 x 시간 공식을 이용한 원리이다.
4) 비교 실험
본 실험에서는 3가지 종류의 센서를 이용하여 인식의 정밀도를 측정하기 위해 실험을 진행하였다. 적외선 라인 센서의 경우 일정 거리 내에서 흰색을 감지하면 모듈이 켜지고, 검은색을 감지하면 꺼지도록 설정하였다. 실험 결과 정면 약 3cm 내에서 매우 높은 정확도로 흰색과 검은색을 인식되는 것을 확인하였다. 리드 스위치 센서는 자석을 위치별로 이동시키며 자기장을 감지하는 거리를 측정하였다. 그 결과, 측면에서 약 1cm, 정면에서 약 3.2cm 거리 내에서 자기장을 감지하는 것을 확인하였다. 마지막으로, 초음파거리 센서는 적외선 라인 센서와 마찬가지로 물체를 가까이 가져갔을 때의 거리를 측정하였다. 약 3cm 이상의 거리에서는 비교적 정확하게 거리를 인식하였으나, 3cm 이하의 거리에서는 정확도가 급격히 하락하였다.
관련 시장에 대한 분석
가. 경쟁제품 조사 비교
나. 마케팅 전략
방역용품의 수요 증가
‘세계는 코로나 이전과 이후로 나뉜다.’라는 말이 생길 정도로 코로나 19의 전례 없는 확산은 일상생활의 많은 변화를 가져왔다. 특히 사람들의 위생과 방역에 관한 관심이 제고됨에 따라 전 세계적으로 코로나 이전 시기 대비 방역용품에 대한 수요 역시 폭발적으로 증가하였다. 2020년 상반기 글로벌 방역 수입시장 규모는 지난해 같은 기간보다 53.9% 증가한 1454억 달러를 기록했다. 이에 따라 글로벌 방역물품 시장은 매년 높은 성장률이 전망되고 있으며 2025년까지 연간 6-11% 수준의 성장이 예상된다.
비접촉 방역의 선호
코로나19 팬데믹 상황에서 방역을 위한 최선의 활동인 ‘저(Low)접촉’ 움직임이 꾸준히 증가하고 있다. 세계적으로 호평을 받은 코로나19 진단 드라이브스루(Drive-thru) 등과 같이 편리함과 더불어 각종 우려를 원천 봉쇄하며 소비자들의 안전 보장에 도움이 되는 수단으로 비접촉(Contactless), 저(Low)접촉을 추구한다는 결과이다. 개인을 넘어 다중이용시설에서 효율적인 방역 활동을 위한 단계에서 자동 분사 소독기는, 인력을 줄일 수 있음과 동시에 비접촉의 방식으로 재감염과 소독액의 위험성에서 벗어날 수 있다는 장점이 있다.
방역 시장의 새로운 패러다임
현재 실내 방역에 이용되는 대부분 제품은 수동으로 버튼을 눌러 내장된 소독액을 분사하거나, 기기를 충전하고 버튼을 누르면 자동으로 소독액이 분사되는 형식이다. 하지만 이러한 제품들은 모두 사람이 직접 들고 다니면서 수동으로 방역을 시행해야만 한다. 실내에 설치된 방역기가 자동으로 정해진 경로를 이동하며 소독액을 분사하는 형태의 제품은 시중에서 찾아볼 수 없었다. 따라서 레일을 따라 이동하며 일정 시간마다 자동으로 소독액을 분사하여 방역을 시행하고 자동으로 소독액을 충전까지 할 수 있는 시스템의 개발을 통해 지속해서 성장하는 방역 시장에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것이다.
SWOT 분석
- SWOT 분석
- SWOT 전략 분석
개발과제의 기대효과
가. 기술적 기대효과
◇ 장애물이 많고 천장이 낮은 실내에서도 설치가 용이하여 공간적인 제약에서 벗어날 수 있다.
◇ 미세분사형 노즐을 통하여 공간을 골고루 소독함으로써 살균의 효율을 증대시키는 데에 기여한다.
◇ 소독액 분사와 리필 또한 자동화가 이루어지므로 인력 소모를 최소화할 수 있다.
◇ 리모컨을 통하여 본체의 이동이나 소독액 분사를 멈추고 재작동할 수 있으므로 편의성이 증대되고, 예상치 못하게 작동을 멈춰야 하는 상황에도 빠르게 대처할 수 있다.
나. 경제적 및 사회적 파급효과
◇ 한 번 설치하면 그 후에 유지가 쉬우므로 설치에 대한 부담을 감소시킴으로써 실내 방역의 활성화 및 자율화를 이끌어 낼 수 있다.
◇ 소독액이 바이러스 및 세균을 제거함으로써 사람들의 건강을 증대시킬 수 있다.
◇ 건강이라는 현대인의 요구와 동시에 편의성, 효율성을 충족함으로써 구매 욕구를 유발해 경제적인 이익을 얻을 수 있다.
기술개발 일정 및 추진체계
가. 개발 일정
나. 구성원 및 추진체계
- 김호준: 이론 분석 및 아이디어 구체화 담당자 - 홍석범: 실험 데이터 수집 및 분석 담당자 - 김윤아: 설계 디자인 담당자 - 이유림(팀장): 시제품 제작 및 보완 담당자 - 홍여름: 자체 평가 실험 담당자 - 최유정: 설계 관련 서류 작성 담당자
설계
설계사양
가. 제품의 요구사항
요구사항 목록
목적계통도
QFD(Quality Function Deployment)
소비자 요구 사항 중 ‘소독액 충전의 용이성’과 ‘작동 제어의 편의성’은 본 시스템의 핵심인 자동화 기능을 통한 방역의 편의성과 관련이 크다고 판단하여 중요도를 5점으로 책정했고, ‘1회 충전 시 이동 가능 거리’와 ‘소독액 분사 능력’ 역시 본 제품의 장점인 자동화 시스템으로 인한 투입인력 감소와 관련성이 높아 중요도에서 4점을 주었다. 충전기기의 소독액 용량에 따라 변동이 큰 ‘충전기기의 충전주기’는 중요도를 3점, 제품의 성능과 관련성이 약한 디자인 요소의 중요도는 2점으로 책정했다. 기술적 중요성에서 자동 방역이라는 본 시스템의 핵심 목표와 관련성이 높은 ‘본체의 이동 및 회전’, ‘소독액의 원활한 분사’, ‘소독액 충전 시 센서의 작동’을 5점으로 책정했고 ‘본체 이동의 오작동 알림 기능’, ‘소독액의 분사 범위’는 시스템의 작동 목표를 위해 필수적으로 요구되는 항목이라 판단하여 4점, 내부 보조배터리로 실현한 ‘본체의 원활한 전력공급’을 3점, ‘내구성’을 2점으로 책정했다.
나. 설계 사양
분사
- 분사 속도(횟수/시간): 1초에 두 번씩, 즉 2.5cm 지점마다 한 번 분사가 이루어지도록 한다.
이동
- 이동 속도: 일반 이동 시 5.7cm/sec, 느린 이동 시 5cm/sec의 속도로 이동한다.
- 이동 시 흔들림: 이동 시 수평을 ± 10° 내로 유지해야 한다.
소독액 충전
- 자동 수위 측정: 적외선 라인 센서를 이용하여 수위를 측정할 수 있도록 한다.
- 액체 충전 가능량: 본체에 한 번에 최대 300mL까지 충전될 수 있도록 한다.
기타
- 배터리의 용량: 배터리 최대 충전 후 방전까지 이동할 수 있는 시간이 10시간 이상 되도록 한다.
- 제품의 무게: 본체의 총 무게가 2kg 이하가 되도록 한다.
개념설계안
본체의 이동
본체의 이동은 천장에 레일을 설치하고 그 레일에 연결된 본체의 바퀴가 모터의 힘을 이용해 레일을 따라 이동하는 구조를 택한다. 직선 및 곡선 구간의 이동은 적외선 라인 센서와 모터 드라이버를 이용하여 구현한다. 아래의 그림에 이동부의 대략적인 회로 구조를 나타내었다.
적외선 라인 센서의 발신부와 수신부를 이용해 지면의 색상(흰색과 검은색)을 구분할 수 있다. 이를 이용하여 이동하는 레일에 라인을 그린 후 이를 이용하여 양쪽의 모터 속도를 조절하는 신호를 모터 드라이브에 전달하는 알고리즘을 만들어 라인트레이서를 제작할 수 있다.
해당 알고리즘의 예시는 다음과 같다. A의 그림처럼 양쪽 적외선 라인 센서가 라인 밖에 있는 경우 양쪽의 모터에 같은 속도를 줘서 직진하도록 한다. B의 경우 오른쪽의 센서는 라인 안에 있고 왼쪽의 센서는 라인 밖에 있다. 이 경우에 왼쪽 모터 속도를 오른쪽 모터보다 빠르게 하면 오른쪽으로 회전하게 된다. C의 경우는 반대로 설정하여 왼쪽으로 회전하도록 한다. D의 경우 양쪽의 적외선 라인 센서가 모두 라인을 인식하게 되고, 이때 모터를 멈추거나 속도를 느리게 하는 등 필요한 상황에 맞게 설정할 수 있다. 만약 원하는 지점에서 D의 조건을 만족시키도록 라인을 설치한 후, 이 구간에서 속도를 느리게 하도록 설정한다면, 원하는 곳에서 본체가 더 오래 머무르면서 소독액을 더 많이 분사할 수 있게 된다.
소독액의 분사
위의 그림은 분사부의 전체 모식도이다. 소독액 분사용 모터는 모터의 프로펠러 휠, 분사 노즐 헤드를 누르는 막대형 부품, 그리고 스프링으로 이루어져 있다.
위의 그림은 메가 보드와 연결된 본체 분사부 회로도와 분사 작동원리를 나타낸 그림이다. 메가 보드는 본체 내부에 있는 보조배터리에 의해 릴레이 모듈에게 전력을 공급하고 9V 배터리는 분사 모터에게 전력이 공급한다. 릴레이 모듈은 9V 배터리와 분사 모터 회로 사이에 연결되어 메가 보드와 연결된 신호선을 통해 신호를 받아 분사부의 작동을 제어한다.
이동용 레일 모터가 작동이 되면 일정 시간 간격으로 브레드보드 로부터 분사용 모터에 신호가 전달되고 모터는 회전을 시작한다. 소독액 분사용 모터는 회전하면서 모터와 연결된 프로펠러 휠을 회전시킨다. 회전된 휠은 스프링과 연결된 막대형 부품에 걸리게 되고 막대형 부품을 뒤로 당겨준다. 막대형 부품은 회전을 계속함에 따라 일정 회전각 이상에서는 걸렸던 것이 풀리게 된다. 뒤로 당겨진 막대형 부품은 앞으로 전진하면서 노즐 헤드에 접촉하게 된다.
막대형 부품이 노즐 헤드에 접촉하게 되면 헤드 안에 외벽이 압력에 의해 눌리고 부피가 줄어들어 압력차가 발생한다. 이로 인해 분사 노즐로 소독액이 유입된다. 유입된 소독액은 노즐을 통해 분사가 이루어진다.
이처럼 분사용 모터가 돌아감에 따라 위 과정이 반복되어 일정 시간 간격마다 분사가 이루어지는 연속 분사 시스템이 작동한다.
소독액 충전의 자동화
-작동 방식
본체가 내부 소독을 마치고 시작 지점으로 들어왔을 때 호스 끝부분에 붙어있는 적외선 라인 센서가 수위 감지용 박막의 흰색 신호를 읽으면 아두이노로 연결된 펌프의 전원이 켜진다.
전원이 켜짐에 따라 외부 펌프는 소독액을 끌어올리게 되고 이 소독액은 호스를 따라 본체 내부 소독액 보관함으로 들어간다.
위의 그림과 같이 시간이 지남에 따라 본체 내부에 소독액의 수위가 올라가면 부력에 의해 내부에 떠있던 스티로폼이 위로 떠오르게 된다. 적정 수위가 되면 적외선 라인 센서에서 스티로폼에 부착된 수위 감지용 박막의 검은색 신호를 읽어 소독액 충전기기 제어부에 전원을 끄라는 명령을 내리게 된다. 이 신호를 감지하여 펌프는 작동을 멈추고 소독액이 더 이상 흐르지 않도록 한다.
-제품 디자인
소독액 충전부의 디자인은 위의 그림과 같다. 호스의 주입구 부분을 ‘ㄱ’ 형태로 제작하여 공간을 확보하였다. 적외선 라인 센서는 다른 수위센서들에 비해 인식의 정확도가 높고 설치가 용이하기 때문에 수위 감지용 센서로 채택하였다. 수위가 올라가게 되면 부력에 의해 스티로폼에 부착된 수위 감지용 박막이 위로 떠오르게 된다. 따라서 수위 감지용 박막 부품의 윗면은 흰색, 아랫면은 검은색으로 제작하고, 적외선 라인 센서가 흰색을 인식했을 때 펌프가 작동, 검은색을 인식했을 때 펌프의 작동을 중지하도록 설정하면 적정 수위에 도달하였을 때 충전이 완료되도록 할 수 있다.
비정상적 작동 시 알림 기능
제품이 앞으로 이동해야하는 상황에서 이동하지 못하는 비정상적 작동이 발생할시 적외선 라인 센서를 이용해 이를 감지하고 알람을 울리도록 설정한다. 레일의 아랫면에 일정 구간마다 흰색-검은색-흰색으로 이루어진 ‘타임아웃 라인’을 설정하여 본체가 이동할 때 본체 윗부분에 위치한 적외선 라인센서가 이 라인을 감지하도록 한다. 만약 본체의 비정상적 작동으로 인하여 일정 시간 이상 타임아웃 라인을 감지하지 못할 경우 알람이 울리도록 설정한다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
필요 전력량
필요 전력량 계산 시 크게 두 부분[본체부(이동부+분사부), 충전부]으로 나누어진다. 충전부의 경우 전력원을 220V를 기준으로, 이동부의 전력원은 일반적인 보조배터리를 기준으로 계산한다. 따라서 이동부는 출력전압 5V 출력전류 2A를 기준으로 계산한다. 배터리를 사용한 전력량을 계산하기 위한 공식은 다음과 같다.
이때 배터리 효율은 일반적인 수치인 70%를 이용하여 계산한다. 위 식을 이용하여 실제 필요 전류량을 계산하고 계산 결과에 따라 배터리 용량을 결정할 수 있도록 한다. 본체부에서 전력이 필요한 곳은 크게 아두이노 메가보드, 좌-우 기어드 모터, 분사부 모터로 구성되어있다. 먼저 좌-우 기어드 모터의 경우 정격전압은 12V로 고정되어 있지만, 기어비와 회전수에 따라 작동전류가 달라지므로 기어비와 필요 rpm을 계산한다. 모터의 기어비는 1/100, 1/35, 1/20 3개의 모델이 존재하는데 기어비를 결정하는 데 필요한 rpm과 토크를 계산한다. rpm을 계산하기 위해 우리가 목표하였던 분당 이동 거리를 참고하여 계산하였다.
본체부 이동을 5 cm/sec 기준으로 하였을 때 분당 이동 거리는 3m로 계산된다. 우리가 사용하고자 하는 바퀴의 지름을 30mm로 측정하였을 때 rpm = 31.83 ≒ 32으로 계산된다. 필요 토크는 하중과 바퀴의 반지름의 곱이다. 하중은 소독액을 가득 채웠을 때 무게를 소독액의 무게와 본체의 무게를 합하여 약 1.9kg이 나오는 것을 확인하였다. 이를 기준으로 기어드 모터의 기어비를 1/100로 설정하고 예상 무게 2.3kg 기준 전류값을 200mA로 설정하였다. 분사부 모터와 아두이노 메가보드의 경우 정격전압과 전류가 정해져 있다. 따라서 본체의 필요한 전류량을 계산하였다. 다음 표는 각각의 부품에 대한 필요 전류량을 나타내었다.
위 계산에 따르면 942.84mAh의 전력 소비가 있으므로 20,000mAh 전력원 기준 약 20시간 작동할 수 있다. 그러나 본 계산은 이론적인 계산이므로 전력원의 성능, 기타 소비 전력 등을 고려하면 20시간 이하로 예상된다.
용액량에 따른 분사 가능 거리
앞서 본체부 이동을 5cm/s 기준으로 했을 때 모터 속도(rpm 기준)는 31.83 ≒ 32로 계산되었다. 분사 횟수는 동일 모터를 사용하는 제품을 참고하여 계산하였다. 참고 제품 사양의 경우 직육면체로 반지름 35mm 높이 140mm로 약 538mL의 용량이다. 이때 가능한 분사 횟수가 3000번이므로 한 번에 분사되는 양은 약 0.18mL이다. 이를 참고하여 용액량에 따른 분사 가능 거리를 계산한다. 초 당 3회 분사를 가정하였을 때 초 당 분사량은 0.54 ml이고 초당 이동 거리는 0.05 m/s 이므로 분사 가능 거리는
위 결과를 바탕으로 설치하고자 하는 공간을 고려하여 내부 소독액 용량을 결정한다.
아래는 소독액 용량에 따른 이동 가능한 거리를 나타낸 그래프이다.
용액 충전에 걸리는 소요시간
본 제품에서 최대 5.5L/min의 속도로 충전할 수 있다고 표기되어 있다. 이를 기준으로 소독액 충전에 걸리는 시간을 계산하면 아래와 같다.
상세설계 내용
조립도
가. 조립도
본체
본체의 용기는 198*135*155mm 용기이며 본체 상단에 이동부의 구동을 위한 모터 드라이버, 적외선 라인 센서, 적외선 수신 센서, 리모컨 수신 확인용 LED, 부저 센서가 부착되고 본체 내부 상단에 전력 공급을 위한 보조배터리와 이동 및 분사의 제어를 담당하는 아두이노 보드가 장착된다. 본체 내부 하단에는 분사 노즐이 있어 분사가 이루어지며 내부 상단과 하단 사이에 소독액 보관함이 위치해 충전기기로부터 공급받은 소독액을 보관한다.
-이동부
본체 외부를 위에서 바라본 모습은 위의 그림과 같다. I자 레일 양쪽으로 두께 15mm, 지름 약 35mm 바퀴가 있고, 그 양옆으로 모터의 축과 연결된다. 양 측 모터는 길이 65.3mm, 높이 25mm의 원통 형태이며 모터 드라이버, 아두이노 보드와 전선으로 연결된다. 본체의 상부에 모터 드라이버, 적외선 라인 센서, 리모컨 수신 확인용 LED, 적외선 수신 센서, 부저 센서가 위치하며 모터 드라이버는 43X43X27mm 규격을 가진다. 본체의 상부, 소독액 보관함, 하부의 분사부를 차례로 결합한 후 본체에 세로로 설치되는 본체 고정용 벨트로 이를 모두 고정한다. 리모컨으로부터 적외선 신호를 받으면 본체 우측 상단에 위치한 적외선 수신 센서가 이를 감지하여 본체의 제어부에 신호를 전달한다. 리모컨의 신호를 받을 때마다 리모컨 수신 확인용 LED가 0.5초간 켜지게 되어 이로써 리모컨 신호의 수신 여부를 파악할 수 있다. 본체 상단에 부착된 3개의 적외선 라인 센서가 레일에 설치된 라인을 읽으면 라인의 형태에 따른 이동속도 조절 및 방향 전환이 가능하다. 또한, 이동 모터가 정상 작동하지만, 장애물 등으로 인해 물리적 이동을 하지 못하는 경우 타임아웃 라인으로 해당 상황을 판단하여 일정 시간 이상 본체가 이동하지 못할 시 부저 센서가 알람을 울린다.
-분사부
위의 그림은 각각 본체의 외부를 정면, 측면에서 바라본 모습을 나타낸 그림이다. 198*135*155mm 크기 본체 용기의 내부는 본체의 전원 공급을 위한 보조배터리와 본체의 이동 및 분사의 제어를 담당하는 아두이노 보드가 장착된 상부, 본체의 소독액 보관함이 위치한 중부, 분사 장치 및 분사 노즐이 위치한 하부로 구성된다. 본체의 하부에 부착된 분사 장치 속 프로펠러 모터가 작동하며 분사 노즐 헤드를 일정 간격으로 눌러 본체 하단으로 분사가 이루어진다. 본체 내부의 소독액 보관함은 충전기기의 호스로부터 공급받은 소독액을 보관하며 분사 시 하단에 위치한 분사 노즐의 호스로 소독액을 공급한다. 소독액 보관함 상단에 장착된 144*70*25mm 규격의 보조배터리는 본체 상단에 구성된 이동용 모터 드라이버, 본체 내부 하단에 구성된 분사 장치, 그리고 본체 전체의 제어를 담당하는 아두이노 보드에 전원을 공급한다. 보조배터리와 아두이노 보드가 위치한 본체 내부 상단의 우측에 통로가 뚫려 있어 충전 시 호스가 드라이브 스루 방식으로 본체에 진입해 소독액을 공급하는 방식으로 작동한다. 그림 5의 소독액 수위 감지용 박막 부품은 충전기기를 통한 소독액 공급 시 일정량의 소독액이 주입되면 자동으로 공급이 멈추게끔 하는 장치이다. 본 부품은 상부는 흰색, 중부는 검은색으로 구성되며 박막 하단에 스티로폼이 부착되어 소독액의 수위에 따라 해당 부품도 떠오른다. 소독액의 공급이 적외선 라인 센서의 원리를 이용하여 이루어지기 때문에 충전기기의 호스가 본체에 진입하면 박막 부품 상부의 흰색이 센서에 인식되어 충전이 시작되고 소독액 수위가 일정 수준에 도달하여 박막 부품이 떠오르면 부품 중부의 검은색이 적외선 센서에 인식되어 충전이 중단된다.
소독액 충전기기
-충전부
본체 내부는 198*135*31mm 크기의 소독액 보관함이 있어 호스로부터 소독액을 공급받는다. 소독액 보관함 내부에 스티로폼으로 제작된 부품이 소독액 수면을 따라 상하로 움직인다. 충전기기의 호스 옆쪽에 부착된 적외선 라인 센서가 스티로폼과 연결된 흰색 판을 감지하면 소독액을 공급하고, 부력으로 스티로폼이 올라가 검은색 판이 인식 위치에 놓이면 소독액 공급을 중단한다. 적정수위에서 검은색 판이 읽히기 때문에 충전 시에 남아있는 소독액의 양까지 고려하여 넘치지 않게 충전할 수 있다. 아래 그림은 각각 충전부의 전체 구조와 충전부와 본체가 만났을 때의 구조를 보여준다. 적외선 라인 센서는 충전부의 전력 공급 코드 쪽에 배터리로 따로 전력을 공급해주었다. 하얀색 판을 감지해야 펌프에 전력을 공급하는 릴레이 센서가 켜지는 방식이다.
나. 조립순서
본체 조립도
충전기기 조립도
부품도
분사 노즐 헤드 막대형 부품
수위 감지 장치
제어부 및 회로설계
가. 회로 구성품
나. 회로 설계
본체 회로
본 회로는 본체의 전원 공급, 이동, 분사, 리모컨 수신의 역할을 수행하는 회로이다.
- 보조배터리 Port1 (+)단자와 (-)단자는 Converter를 통해 12V로 승압하여 Wheel Motor Driver에 연결하여 외부 전력을 공급한다.
- 보조배터리 Port2 (+)단자와 (-)단자는 Mega Board를 통해 Breadboard에 공급되고 Breadboard를 통해 Wheel Motor Driver의 (+)단자와 (-)단자에 연결하여 전체적인 5V 전력을 공급한다.
- Wheel Motor Driver 신호선은 Mega Board Digital Pin 8~11까지 연결하고 Wheel Motor 두 개를 양옆에 연결한다.
- Line Tracker 모두 Breadboard에 연결하여 전원을 공급받고, 신호선은 메가 보드 Analog Pin A1, A2, A3에 연결한다.
- 분사부에 사용할 Spray Motor는 Breadboard에 연결된 9V Battery를 통해 전력을 공급한다.
- Spray Motor의 제어를 위해 Breadboard와 9V Battery 사이에 Relay Module을 연결하고 Relay Module (+)단자와 (-)단자를 Mega Board에, 신호선을 Mega Board Digital Pin 25에 연결한다.
- 리모컨 수신기 역할을 하는 Infrared Receiver는 Breadboard에 연결하여 전력을 공급받고 신호선을 Mega Board Digital Pin 26에 연결한다.
- 리모컨 수신기 신호를 확인시켜주는 LED는 (-)단자를 Breadboard에 연결하고 (+)단자는 Resistor를 통해 Mega Board Digital Pin 6에 연결한다.
충전기기 회로
본 회로는 충전기기의 전원 공급, 거리 감지, 펌프 작동 및 중지의 역할을 하는 회로이다.
- 9V Battery는 Breadboard를 통해 Uno Board에 연결하여 전압을 공급한다.
- Relay Module은 (+)단자와 (-)단자를 Breadboard에 연결하고 신호선을 Uno Board Digital Pin 2에 연결한다.
- Socket과 Plug의 연결 전선을 Relay Module 채널1의 NC와 COM에 연결하여 전류를 제어한다.
- Line Tracker의 신호선을 Uno Board Digital Pin 7에 연결하고 전원을 위해 VCC(+단자)와 GND(-단자)를 Breadboard에 연결한다.
다. 회로 구동
본체 회로
➀ 전원 공급
- 보조배터리를 통해 전원을 공급받아 회로가 작동
- 9V Battery를 통해 Spray Motor가 전원을 공급받아 작동
➁ 부품의 입/출력
- Line Tracker가 인식한 결과에 따라 Mega Board가 정보를 수신
- Mega Board가 신호를 출력하여 Motor Driver를 통해 Wheel Motor 구동
- Infrared Receiver의 인식에 따라 Mega Board가 정보를 수신하고 신호를 다시 출력하여 LED를 작동
- Mega Board가 신호를 출력하여 Relay Module의 전력 차단 및 개방
➂ 제어
- Infrared Receiver가 리모컨의 적외선 수신을 받아 설정된 제어 과정을 실시
- Relay Module이 Mega Board의 수신을 받아 Spray Motor의 작동을 제어
충전기기 회로
➀ 전원 공급
- 9V Battery를 통해 전원을 공급 받아 회로가 작동
➁ 부품의 입/출력
- Line Tracker의 인식한 결과에 따라 Uno Board가 정보를 수신
- 신호를 받은 Uno Board가 Relay Module에게 신호를 출력
➂ 제어
- Relay Module의 신호에 따라 Socket의 전류가 흐르거나 차단되어 연결된 펌프의 작동 및 중지가 제어
소프트웨어 설계
본체 이동 알고리즘
적외선 라인 센서 알고리즘
소독액 충전 알고리즘
결과 및 평가
완료 작품의 소개
가. 프로토타입 사진 혹은 작동 장면
프로토타입
시연환경
나. 포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
향후계획
◇ 현재 제품에는 배터리가 사용되어 이동에 대한 제한이 있지만 향후에 무선충전을 활용한다면 배터리를 손수 충전하지 않아도 될 것이다. 무선충전기기는 소독액 충전 호스에 내장하여 이동하지 않는 대기시간일 때 본체배터리를 무선으로 충전할 수 있을 것이다.
◇ 본 제품은 본체를 직접 제작하였기 때문에 마감이 정교하지 않은 문제가 있다. 3D 프린터로 정교한 본체의 외관을 완성시키고 외부에 노출되어있는 회로도 패키징을 통해 밀폐한다면 안전하고 깔끔한 외관을 완성할 수 있을 것이다.
◇ 본 제품의 이용은 현재 소규모의 강의실 및 공공장소에 한정되어 있지만, 소독액의 분사력 및 용량 등을 보완하면 더 다양하고 많은 실내 공간에서의 이용이 가능할 것이다.
◇ 현재 제품에는 시제품인 레일이 사용되어 규격이 정확하게 맞지 않고 단가가 비싸다. 향후 실제 제품 제작 시, 사용될 레일의 무게, 가공성, 내부식성, 가공 및 생산과정에서의 비용을 고려하여 적절한 레일 재료를 선정하고 대량생산 할 수 있을 것이다.
