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2019년 6월 20일 (목) 23:23 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 방연을 목적으로 하는 튜브형 자동 기체 주입식 문틈막이

영문 : Automatic Tubular Gas Injection Gate Gasket for Air Purification

과제 팀명

분위기최고조

지도교수

김상일 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 김*욱(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 김*혁

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 노*환

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 허*종

서울시립대학교 신소재공학과 20164500** 김*라

서울시립대학교 신소재공학과 20164500** 김*현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

• 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 방연을 목적으로 하는 문틈막이에 관한 것으로, 실내에서 문틈이 있는 문턱의 틀에 설치되어 화재 발생 시 신속하게 문틈을 차단함으로써 유해가스 및 연기가 새어 들어오는 것을 차단한다.
• 연기 감지 센서가 일정 농도 이상의 연기를 감지하게 되면 기체 주입장치를 가동해 튜브 내부에 기체를 주입하게 되고, 충분히 부피가 증가한 튜브는 문틈을 막아 유해가스를 차단하게 된다.
• 해당 개발 과제의 장치는 문틀에 부착된 불연 재질의 튜브와 연기를 감지하여 기체 주입장치를 작동시키는 제어장치, 화재 발생 시 튜브가 문틈을 막을 수 있도록 튜브의 부피를 증가시켜 주는 기체 주입장치로 구성되는 것을 특징으로 한다.
• 탈출이 어렵거나 불가능하여 불가피하게 구조를 기다려야 하는 상황에서 대피공간의 문틈을 막아 연기를 차단함으로써, 화재 시 가장 큰 사망 요인인 질식사를 방지하고 생존 시간을 확보하는 효과를 기대할 수 있다.
• 연기 감지 센서를 이용하여 사용자가 화재 발생, 유해가스 유입 등을 인식하지 못하여도 본 제품이 작동되게 하여 거동이 불편할 때나, 무방비상태에서도 생존 시간을 확보할 수 있게 한다.

[그림 1] 개발 과제 개략도

개발 과제의 배경

• 국가화재정보센터(2018.01.26.)에 의하면 화재 발생 시 사망원인 통계상 불 자체가 아닌 연기에 의한 질식사가 60%를 차지한다는 자료가 존재한다. 화재 대피 요령에는 ‘화재 발생 시 연기가 방안에 들어오지 못하도록 문틈을 옷이나 이불로 막읍시다. (물을 적시면 더욱 좋습니다).’라는 문구가 존재하는 만큼 유독가스 차단이 매우 중요한 실정이다.
• 행정안전부의 ‘공동주택 화재 원인 조사 결과’ 발표에 따르면 화재는 주로 낮에 발생하였지만 인명피해는 밤 11시 이후인 야간이 주간에 비해 1.6배가량 높았다. 비율로는 오후 7시부터 자정을 지나 오전 5시까지 화재 사망자가 전체의 절반 이상인 54.0%를 차지했다. 또한 화재 사상자들은 주로 화재 상황 자체를 늦게 파악해 제시간에 대피하지 못했던 것으로 확인됐다. 사상자들의 43.1%는 수면이나 음주 등 무방비 상태로 화재 경보가 들리지 않아 침실에서 질식사하는 경우가 많았다.
• 기존에는 유독가스를 막기 위해서 건물마다 제연설비를 갖춘다거나, 방연마스크를 사용한다. 그러나 제연설비의 경우, 이를 불량으로 설치해놓은 곳도 있고 고시원과 같이 낙후된 건물의 경우에는 재공사가 필요하기도 하다. 방연마스크는 매우 대표적인 제품이 있지만, 개당 약 35,000원으로 예산이 많이 필요하다는 단점이 존재한다. 그리고 다수가 갇혔을 때는 방연마스크를 사용하지 못하는 인원이 생길 수 있다. 또한, 수면 중일 때와 같이 화재를 인식하기 어려운 경우 마스크를 사용할 수 없으므로 무방비하게 연기를 흡입할 수 있다.
• 본 과제를 통해 방연을 목적으로 하는 튜브형 자동 기체 주입식 문틈막이를 제작함으로써 얻는 효과는 다음과 같다. 첫 번째로, 옷이나 이불 등과 같은 충분한 물품이 없는 경우에 사용이 가능하다. 두 번째로는, 재공사 없이 간단한 설치로도 방연 효과를 기대할 수 있다. 세 번째로는, 요양병원과 같이 거동이 불편한 인원이 많은 경우에 방연마스크보다 신속한 방연이 가능하다는 점을 기대할 수 있다. 네 번째로, 자동화를 통하여 무방비한 상태에서도 방연 효과를 볼 수 있다. 다섯 번째로, 방연 효과를 통하여 구조까지의 시간을 벌고, 이성적인 판단이 가능해질 것이라 생각된다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 본 과제의 궁극적인 목표는 화재 시 연기의 유입을 차단시켜 생존율을 높이는 데에 있다. 이에 따라 다음 3가지의 목표를 달성하고자 한다.

1. 화재 발생 시, 문틈 사이로 들어오는 유독가스를 신속히 차단하여 생존율을 높인다.
2. 화재 발생 시, 문틈막이가 설치된 장소에서 공급되는 열에 의해 녹지 않도록 한다.
3. 화재 발생 시, 자동화를 통하여 사용자가 인식하지 못하여도 제품이 작동되도록 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

1. 방연 기술

(1) 제연설비

- 제연설비란 화재에 의해 발생하는 연기가 피난을 방해하지 않도록 방호구역 내에 가두어 그 연기를 제어·배출하거나 연기의 침입을 방지시켜서 연기로부터 피난을 안전하게 할 수 있도록 하는 설비를 의미한다. 하지만 제연설비는 화재가 발생한 층을 구분하지 못해 실제 화재 시 위험하다는 주장과 현재 소방 엔지니어들의 설계 신뢰성 문제 및 제연설비에 적용되는 댐퍼 재질 문제가 제기되었고, 이를 해결하기 위해 현재 지능형 차압 댐퍼와 기밀 댐퍼 모터, 복합 댐퍼 시스템, 복합 리턴 시스템 등이 개발되고 있다. 구체적으로 복합 댐퍼는 차압 유지 상황에서는 수동 볼륨 댐퍼 면적의 30%를, 방연풍속 유지 상황에서는 자동 볼륨 댐퍼 면적의 70%를 배분하는 역할을 한다. 복합 댐퍼에 더해 리턴 방식 시스템을 추가한 것이 바로 ‘복합 리턴 시스템’이다.

- 제연설비 기술에서는 이미 복합 댐퍼는 많이 사용되고 있지만 리턴 방식은 2018년 12월 기준 처음으로 개발한 시스템이다. 복합 리턴 시스템은 송풍기의 회전수 제어로 풍량을 조절하는 인버터 방식과 달리 복합 댐퍼의 개구율 제어와 함께 송풍기 부근에 리턴 댐퍼가 달린 풍도를 구성해 과도하게 유입되는 풍량을 송풍기 흡입 측으로 리턴시켜 과압을 예방한다. 또한 최근 소방분야 제연설비가 무전기의 전자파에 속수무책인 것으로 나타난 가운데 국내 제연댐퍼 제조사가 제연설비 설계 프로그램을 새롭게 개발하고 있는 상황이다.

- 현재 6층 이상 건축물 또는 일정 면적 이상의 장소에 배연 및 제연설비의 설치와 관련한 화재예방 및 소방시설관리 법률이 시행되고 있다. 대규모 건축시설에 대한 배연 및 제연설비가 법적으로 규제되어 있는 반면에, 소규모 건축시설의 경우에는 법률에 의해 제연설비의 설치가 필수적으로 요구되어있지 않는 실정이다.

[그림 2] 배연 및 제연 설비 관련 법규

(2) 방연마스크

- 화재 발생 시 연기에 의한 질식을 막기 위해서 방연 필터가 내장된 방연마스크를 사용한다. 방연마스크는 가격과 성능이 천차만별이며, 가장 대표적으로 사용되는 방연마스크는 ‘라이프키퍼’로, 개당 35,000원으로 높은 가격대가 형성되어 있으며 5년에 한 번씩 주기적으로 교체해야 한다.

- 소방관 전용 방연마스크로써 열 카메라가 장착되어있는 방연마스크가 존재한다. 마스크 측면에 내구성이 높은 열 카메라가 붙어 있으며, 카메라 렌즈는 게르마늄으로 만들어진 유리로 보호된다. 전원 버튼은 크게 만들어져 있기 때문에 소방관이 장갑을 착용한 상태에서도 쉽게 온·오프 전환이 가능하며 카메라로 촬영된 영상은 무선으로 마스크 화면으로 전송된다. 이 덕분에 소방관은 핸즈프리 상태로 카메라 영상을 보면서 구조 활동을 할 수 있다.

[그림 3] 방연마스크 '라이프키퍼'와 소방관 전용 방연마스크

2. 기체차단기술

(1) 에어커튼

- 청호나이스 社는 외부 공기 유입과 실내 공기 유출을 막아주는 '에어커튼'을 시중에 출시했다. 에어커튼은 직선 토출 기류의 바람을 이용해 내/외부 공기 흐름을 차단하는 방식이다. 열 손실을 최소화하여 에너지 절감이 가능한 것이 특징이다. 외부 공기 차단을 통한 냉·난방비 절감은 물론, 외부로부터 해충, 벌레들이 실내로 들어오는 것을 막아주는 방충효과, 미세먼지 차단 등에 도움을 준다고 한다.

(2) 바람 차단 막이 (방풍, 외풍차단)

① 스펀지 문풍지 : 오래전부터 상용화되어있는 스펀지 재질의 방풍 제품

[그림 4] 시중에 판매되고 있는 스펀지형 문풍지

② 고무 문틈막이 : 상용화되어 있는 고무 재질의 방풍 제품

[그림 5] 시중에 판매되고 있는 고무 문틈막이

3. 기체 주입 관련 기술

(1) 에어펌프(air pump)

- 용기 속의 기체를 뽑아내거나 또는 용기 속에 공기를 압축하여 넣는 펌프를 에어펌프라고 한다. 공기주입구의 니들을 교체하면 축구공, 튜브, 자전거 등의 공기 주입용으로 다양하게 활용이 가능하다. 초기에는 수동식 에어펌프였으나, 이것이 발전하여 전기적인 장치를 사용하여 공기를 이송하는 장치가 개발되어 있다. 공기를 이송하는 형태에 따라 피스톤식 및 전자식 등이 있으며, 현재 가장 널리 보급된 것이 전자식 에어펌프이자 가장 간단하고 저렴하게 공기를 생산하는 방법이라는 장점이 존재한다.

- 전자식 에어펌프의 작동원리 : 전원이 연결되면 코어에 전기가 흘러 전자석이 되며, 이 전자석의 자력이 로드에 연결된 영구자석을 화살표 방향으로 밀게 된다. 영구자석이 밀리면 로드 끝에 연결된 다이아후렘이 밀리고, 다이아후렘 뒤쪽의 탱크 속에 있던 공기는 토출 밸브를 열고 토출구로 이송된다. 반대로 전자석의 자력이 영구자석을 당기면 다이아후렘이 당겨지고 흡입밸브가 열리면서 탱크 안에 공기가 가득 차게 되고, 이 과정들이 반복되어 에어펌프의 역할을 하는 것이다.

(2) CO2 펌프

- 다른 펌프에 비해서 상대적으로 휴대가 용이하며 유사시 짧은 시간에 힘들이지 않고 강한 공기압을 줄 수 있다는 장점 때문에 주로 자전거 바퀴의 공기주입, 구명 팔찌 등에 사용한다. CO2 카트리지를 연결(주입) 후 액상 CO2가 기체로 변하며 순간적인 부피팽창을 한다. 보통 CO2 카트리지는 밀봉된 상태이고 주입구 바디 내에 있는 핀이 구멍을 뚫어서 사용하는 방식이다. 주입구 삽입 후에 CO2를 보충할 때 승화 열에 의해서 주입구 바디와 튜브의 밸브 등 연결부가 급속히 차가워져서 사용에 주의해야 한다.

(3) 에어백(Air bag)

- 에어백은 자동차 충돌 때 고압 기체로 주머니가 부풀어 탑승객의 신체를 보호하는 장치를 말한다. 크게 검지 시스템과 에어백 모듈로 이루어져 있다. 검지 시스템은 센서·배터리·진단장치 등으로 구성되고, 에어백 모듈은 작동 기체 팽창 장치와 그 기체가 들어가는 주머니 등으로 구성되어 있다.

- 에어백의 원리는 다음과 같다. 차가 일정 속도 이상으로 충돌하는 순간 충돌센서의 롤러는 관성의 법칙에 따라 앞쪽으로 구르면서 스위치를 누르게 된다. 스위치가 작동하여 전류가 기체 발생장치 내의 점화기를 작동시키면 순간적으로 높은 열이 발생하여 불꽃이 생긴다. 이때까지 걸리는 시간은 0.01초이다. 점화가 되면 질소 가스가 발생하여 에어백 안으로 순식간에 들어간다. 가스 발생장치의 작동과 함께 에어백을 잘 접어 넣어둔 용기가 완전히 부풀기까지는 약 0.05초 이내의 시간이 걸린다. 에어백에 담기는 질소가스의 양은 약 60L로 많은 기체가 공기 자루에 들어가 충격을 완화시켜줌으로써 1차적 충돌에서 오는 치명적 부상을 피할 수 있게 해 준다.

- 에어백에 사용되는 물질은 아지드화 나트륨(NaN3, sodium azide)이다. 350℃ 정도의 높은 온도에서도 불이 붙지 않으며, 충돌이 일어날 때 폭발하지 않는 안정성을 가지고 있어 차내에 저장해두기에 매우 안전한 물질이다. 아지드화 나트륨과 산화철을 섞어 놓으면, 격렬히 반응하며 질소를 생성하는 데 이를 이용하여 매우 빠른 시간 내로 주머니가 부풀게 되는 것이다.

- 최근에는 체구가 작은 사람에게 에어백이 2차 충격을 일으켜 크게 다치거나 사망하는 경우가 생기는 문제점 때문에, 1세대 에어백인 SRS(Supplemental Restraint System Air Bag) 에어백에서부터 센서를 이용해 승객의 위치, 체격, 자세 등 여러 정보를 종합하여 팽창 여부를 결정하는 4세대 Advanced Air bag으로 까지 발전되었다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

　가. 특허조사

[표 1] 관련 특허 조사 목록

(1) 피난 문 고정 기능이 포함된 스크린 방화 방연 셔터 (등록번호 : 10-2006-0049328)

[그림 6] 피난 문 고정 기능이 포함된 스크린 방화 방연 셔터 도안

- 피난 문 고정 기능이 포함된 스크린 방화 방연 셔터를 개시한다. 본 발명은 건물 화재 시 화염과 연기 및 가스가 건물 전체로 퍼져가는 것을 막아주면서 대피 중인 사람들을 효과적으로 대피할 수 있도록 하는 피난 문이 일체로 포함된 스크린 방화 방연 셔터에 관한 것으로, 종래의 방화셔터의 경우에는 화염을 견딜 수 있게 두꺼운 철제 재질로 되어 있어, 공간 활용도가 좋지 않으며 별도의 고정식 피난용 방화문을 시공해야 했는데, 상기 피난용 방화문을 열기 위해서는 대피 중에 잠시 멈추어 열어야 하므로 대피할 때 사람들이 효율적으로 대피하지 못한다. 또한, 종래 스크린 방화 셔터인 경우에는 피난 문이 제대로 스크린 셔터에 밀착 고정되어 닫히지 않아 방연 기능이 현저히 떨어지는 문제가 발생한다. 그러나 본 발명은 방화 스크린과 피난 문을 일체화하여 따로 피난 문을 시공할 필요가 없고, 대피 중인 사람들이 달리는 속도 그대로 방화셔터를 통과할 수 있으므로 효율적으로 빠른 시간 내에 대피가 가능하다. 또한, 스크린 셔터의 하단부에 형성된 개폐부와 자석에 의해 피난 문이 사람들이 대피하고 나서 상기 스크린 셔터에 밀착 고정됨으로 인해 연기와 화염이 반대편으로 노출되지 못하게 하는 효과가 있다.

(2) 방연 및 배연 기능을 갖는 방화문 (등록번호 : 10-2015-0098849)

[그림 7] 방연 및 배연 기능을 갖는 방화문

- 본 발명은 방연 및 배연 기능을 갖는 방화문을 제공한다. 상기 방연 및 배연 기능을 갖는 방화문은 벽체(10)에 개폐 가능하도록 설치되며, 지그재그 형상의 이동 경로(a)가 형성되는 방화문 몸체부(100)와; 상기 방화문 몸체부(100)의 상기 이동 경로(a)에 설치되며, 화재로 인한 연기를 감지하는 연기 감지부(200); 상기 이동 경로(a)를 따라 이동 가능하도록 설치되며, 상기 연기가 감지되는 경우, 상기 연기를 강제 흡입하여 외부로 배출하는 연기 배출부(300); 및 상기 방화문 몸체부(100)에 설치되며, 상기 방화문 몸체부(100) 외부의 일정 영역에 대한 온도 분포를 측정하고, 상대적으로 높은 온도를 이루는 위치로 순차적으로 이동되도록 상기 연기 배출부(300)의 이동 동작을 제어하는 이동 제어부(400)를 포함한다.

(3) 측면 가이드가 구비된 방연용 에어커튼 장치 (등록번호 : 10-2014-0070882)

[그림 8] 측면 가이드가 구비된 방연용 에어커튼 장치

- 본 발명은 측면 가이드가 구비된 방연용 에어커튼 장치에 관한 것으로, 보호 공간으로 출입 가능한 출입문이 설치되는 출입구 상측에 설치되어 화재 발생 시 제어기에 의해 연기가 상기 보호 공간으로 유입되는 것을 차단하는 공기막을 형성하도록 에어를 토출하는 에어커튼과, 상기 출입구 좌우 양측에 설치되어 상기 에어커튼에서 토출되는 에어가 출입구 외측으로 확산되는 것을 방지하는 제1 및 제2측면 가이드 부재로 구성되는 것을 특징으로 한다.

- 본 발명에 따르면, 화재 발생 시 계단실 또는 피난안전구역 등 보호 공간 내부로의 연기의 유입을 방지하기 위해 출입구에 설치되는 에어커튼의 작동으로 인해 에어가 토출시에 출입구 양측으로 돌출되는 제1 및 제2측면 가이드 부재에 의해 에어의 측면 확산을 방지하여 연기가 보호공간 내로 유입되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

(4) 원터치식 방염 및 방연 아라미드 텐트 (등록번호 : 20-2008-0016719)

[그림 9] 원터치식 방염 및 방연 아라미드 텐트

- 본 고안은 이동 및 보관이 편리하고 설치 또한 손쉽게 할 수 있는 원터치 텐트를 아라미드 재질로 제조하여 고층건물, 아파트, 고시원 등 화재사고가 일어나는 경우에 소방서에서 출동까지 화재 시 발생하는 유독 가스나 연기로부터 신체를 보호하는 임시적인 피난처를 제공하는 방염 및 방연 아라미드 텐트(prevention of fire and smoke aramid tent)에 관한 것으로, 특히, 아라미드 텐트 안에 소형 산소 호흡기를 비치해 둠으로써 화재 및 연기에 의한 질식 사고를 예방할 수 있는 원터치 방염 및 방연 아라미드 텐트에 관한 것이다.

(5) 오염가스 차단 기능을 가지는 도어 장치 (등록번호 : 20-2006-0002116)

[그림 10] 오염가스 차단 기능을 가지는 도어 장치 도안

- 본 고안은 오염가스 차단 기능을 가지는 도어 장치에 관한 것으로서, 건물의 내부에서 연탄 가스나 LPG가스 또는 LNG가스 또는 화재 연기 등과 같은 오염된 가스가 누출되는 경우 문틈에 밀폐층을 형성시켜 주어 오염가스가 새어 들어오는 것을 차단하는 장치이다.

(6) 수팽창재를 이용한 밀폐용 패킹 부재 (등록번호 : 10-2011-0032659)

[그림 11] 수팽창재 및 이를 이용한 밀폐용 패킹 부재 도안

- 본원 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 문이나 창문 등에 구비되어 외부로부터의 공기나 화염 또는 우수의 유입을 차단할 수 있도록 하는 수팽창재를 포함하는 패킹 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 상기 패킹 부재가 구비된 문 또는 상기 패킹 부재가 구비된 문 구조를 공하는 것을 목적으로 한다.

- 본원 발명에 따른 패킹 부재는 물의 흡수에 의해 팽창되는 수팽창재를 사용함으로써 우천 시 문과 문틀 사이의 틈새를 밀폐함으로써 우수가 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 패킹 부재에 물 공급 장치를 연결해서 화재 시 상기 패킹 부재에 물을 공급함으로써 상기 수팽창재를 빠른 시간 내에 팽창시켜 문틈을 밀폐함으로써 화염이나 연기가 확산되는 것을 방지할 수 있다.

(7) 튜브형 방풍 문 시스템 (등록번호 : 10-2006-0009169)

[그림 12] 튜브형 방풍 문 시스템

- 본 발명은 유리문의 안전사고 예방과 실내 냉, 난방 시 열손실을 줄이기 위하여 바람을 막는 방풍 문 시스템으로 문틀과 유리문의 가장자리 사이의 틈새를 메우기 위하여 가장자리 둘레에 탄성이 있는 튜브를 설치하고, 문이 열릴 경우 공기나 유체를 물, 오일 등 유체를 빼내 튜브를 수축시켜 문의 개폐를 자유롭게 하고, 문이 닫힐 경우 공기나 유체를 불어넣어 튜브를 팽창시켜 틈새를 메워 방풍 기능이 가능하고, 탄성이 있는 튜브는 일정 시간 뒤에 팽창하므로 문틈에 손이나 발이 끼어 부상을 당하는 것을 방지할 수 있는 보호대 기능도 가능하다.

　나. 특허전략

- 현재 조사된 방연 관련 특허 중 피난 문 고정 기능이 포함된 스크린 방화 방연 셔터나 방연 및 배연 기능을 갖는 방화문 같은 경우의 특허들은 설치 시 그 규모가 큰 경우가 많으며 설치비용이 크다. 측면 가이드가 구비된 방연용 에어커튼의 경우 설치 규모가 조금 작을 수 있어도 여러 장치를 설치하기 때문에 설치가 힘들며 설치비용은 마찬가지로 크다. 따라서 설치를 하는 과정에서 다량의 돈과 시간이 사용되고 큰 공간을 차지하게 된다. 그러므로 본 설계의 제품의 설치가 비교적 간단하며 설치 시 필요한 공간이 적다는 점을 특화한다.

- 원터치식 방염 및 방연 아라미드 텐트의 경우 소재적인 측면이 겹칠 수 있으며 제품의 구비 및 사용 또한 간단하다는 점이 있지만, 본 제품의 구조는 텐트와 다르며, 텐트처럼 화재 시 구비된 장소에 가야함과 동시에 휴대하고 다녀야 하는 것과는 달리 본 제품은 미리 설치해놓는다는 점에서 차별성을 가진다.

- 공기 차단 기술 관련 특허로는 수팽창재를 이용한 밀폐용 패킹 부재와 튜브형 방풍 문 시스템이 있다. 수팽창재를 활용한 문틈막이 기술을 방연 장치로 사용하기 위해서는 따로 물 공급 장치를 필요로 한다. 물 공급 장치는 물을 끌어와야 하기 때문에 설치가 복잡하고 차지하는 공간이 커진다. 본 설계의 제품은 공기를 주입하여 충전하는 방식으로 물을 끌어와야 하는 복잡한 장치가 아닌 간단히 기체를 주입한다.

- 튜브형 방풍 문 시스템의 구조는 문을 열고 닫을 때 장치 중 도안의 22번 장치 내부의 유체를 통해 튜브를 팽창 및 수축시키지만, 본 설계의 제품은 공기주입식이기 때문에 문틈을 막는 방식이 다르다. 또한 위와 마찬가지로 단순히 공기 차단이 아닌 방연 소재를 사용한 방연 기술이라는 점을 통해 차별화가 가능하다. (특허조사 (7) 도안 참고)

- 앞서 기술한 것에 추가적으로 아두이노를 이용하여 특정 농도 이상의 연기를 감지하였을 때, 자동적으로 작동이 가능하게 하여 산업상의 이용 가능성을 증대시키도록 한다.

• 기술 로드맵

[그림 13] 방연 관련 기술 로드맵

1. 제연설비

1) 발전과정

발전 초기 제연설비는 급/배기 방식을 사용하였으나 1995년부터 급기 가압 방식을 제연설비로 사용하기 시작하였다. 현재는 급기 가압 방식과 함께 자동 차압·과압 조절 댐퍼를 제연설비에 적용하고 있다.

2) 현재 기술의 문제점

① 무전기 전자파에 오류 발생

② 모터의 힘을 계산을 하지 않고 설계하여 모터의 힘이 부족해 댐퍼가 열리지 않음

3) 발전 방향 예측

① 무전기 전자파에 오류 발생하지 않는 방식

② 송풍기의 힘에 따라 강한 힘을 가진 저가의 모터 개발

③ 최근 개발되는 연돌 효과 해석 시스템을 접목

2. 방화셔터

1) 발전과정

발전 초기에는 철제 소재로 만들어진 방화셔터를 사용하였고 현재는 철제 소재의 방화셔터뿐만 아니라 방염 실리카 섬유를 사용한 스크린 방화 셔터를 함께 사용하고 있다. 또한 에어커튼 기술이 발전함에 따라 현재에 사용하고 있을 뿐만 아니라 미래에도 사용될 것으로 예측된다.

2) 현재 기술의 문제점

① 방화셔터 미설치 혹은 방화셔터 불량 다수 존재 (모터 작동 불량, 전원 공급 불량)

② 방화셔터 내려올 곳에 상품 진열

③ 비상구가 한정됨에 따라 탈출 경로가 한정 (방화셔터가 사람의 이동도 막음)

3) 발전 방향 예측

① 설치에 부담이 안 되도록 가격이 절감된 저가 방화 셔터

② 건물의 재공사가 필요 없이 설치가 용이한 방식

③ 현재 개발되고 있는 에어커튼 기술의 발전

3. 소규모 방연 장치

1) 발전과정

현재에는 개개인 혹은 소규모의 인원을 위한 제품으로는 방연마스크가 개발이 되어있다.

2) 현재 기술의 문제점

① 비교적 높은 가격

② 판매사에 따른 제품의 성능이 천차만별

③ 비상시 사용을 위한 연습이 선행적으로 이루어져야 함

④ 인당 1개를 사용해야 하므로 구비 수량에 따라 사용 인원에 제약이 있음

3) 발전 방향 예측

① 방연마스크가 저가 고성능으로 발전

② 개개인을 위한 기술 외에 소규모 인원을 위한 방화문 혹은 방화 텐트 등의 개발

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

1) 방연마스크 ‘라이프키퍼(Life Keeper)’

- 라이프키퍼는 긴급한 화재에도 연기를 흡입하지 않고 대피할 수 있는 화재대피용 방연마스크다. 얼굴 전체를 가리고 호흡 필터를 통해 연기, 유독가스를 인체에 안정한 농도로 필터링한다. 이에 반해, 본 제품은 필터를 따로 장착하지 않고, 단지 물리적으로 공기를 주입시켜 문틈을 막는 것이기 때문에 필터의 수명시간을 고려하지 않아도 되는 장점을 지닌다. 실제 화재 시, 연기 및 유독 가스가 실내로 유입되고 있는 상황이 발생하면, 방연 마스크를 착용하여 유독 가스 흡입을 방지할 수 있지만, 연기가 가득한 실내를 보면서 공포감으로 인해 심리적으로 불안하여 이성적인 판단을 하기 어려워진다. 하지만 튜브형 공기 주입식 문틈막이 제품은 사용하면 연기로 인한 시야의 방해가 일어나지 않아 상대적으로 심리적 안정감을 줄 것이라고 예상한다. 인원에 대한 효율성 면에서는, 라이프키퍼의 경우 제품 하나당 한 명의 사람이 사용 가능하다. 반면에, 본 제품은 한 공간 내 다수가 있을 시 모두에게 효과를 볼 수 있다. 가격 면에서 보면, 라이프키퍼는 약 3~40,000원으로, 소비자들에게 경제적인 부담감을 안겨준다.

2) 화재 대피용 생명 손수건 “숨수건”

[그림 14] 숨수건 착용 사진

- 숨수건은 화재 발생 시 코와 입을 막고, 대피할 때 유독가스로부터 호흡을 보호하는 화재 대피용 습식 필터 손수건이다. 기능성 특수용액으로 수분 보호막을 형성하여 유해가스를 중화시키고 흡입을 최소화시킨다. 추가적으로 마음의 안정을 유지시켜주는 허브 추출물로 차분한 대피를 유도하고, 유독 가스로부터 흡기 온도를 낮추어 호흡을 편하게 해주는 용액이다. 최초 사용 시 용액이 너무 많아 다소 호흡이 곤란할 경우가 발생할 수 있는데, 그때는 손수건에서 용액을 약간 짜내고 사용하면 된다고 하지만 위급한 화재 상황 시 호흡 곤란 여부를 판단하여 용액을 짜내고 착용할 심적 또는 시간적 여유가 없다. 이러한 면에서 유독가스의 유입 자체를 막아 시각적으로 심적 안정을 주는 튜브형 공기 주입식 문틈막이가 강점을 갖는다. 다른 강점으로는, 숨수건의 경우 호흡의 용이함에 초점을 두어 대피 시 화염에 대한 직접적 피해가 발생할 수 있지만 본 제품은 그러한 피해로부터 안전하다. 또한, 화염의 열기로 인해 호흡 시 용액이 마르는 것을 대비하여 골고루 돌려가며 사용해야 하는 번거로움이 있다. 하지만 숨수건이 우리 제품에 비해 강점을 갖는 것은 착용시간이 5~6초이고 사용시간은 15분으로, 7초 후에 7m 정도의 튜브가 팽창하는 우리 제품에 비해 매우 짧은 시간에 대처할 수 있다. 또한, 가격은 4~5,000원으로 저렴한 편에 속한다.

3) 스크린 방화 셔터

[그림 15] 스크린 방화 셔터

- 스크린 방화 셔터는 최근에 가장 많이 사용하는 방화셔터로 1000°C 이상 버티는 Silica 섬유를 이용하고 경량이라 설치 및 보수가 용이하다. 라운드, 원형 등 다양한 형태로 가능하고 장축 시공 또한 가능하다. 하지만 모터, 감지기 등 여러 기본 구성품들의 넓은 설치 공간이 필요하여 공장, 학교와 같이 큰 건물에 어느 구역에만 한정적으로 설치가 가능하다는 단점이 있다. 그에 반해 튜브형 공기 주입식 문틈막이의 경우에는 일반 현관문 같은 곳에도 설치할 수 있다. 스크린 방화 셔터를 일반 현관문과 유사한 규격인 1.0M * 2.1M 기준의 설치 비용을 봤을 때 약 180만원이라는 큰 경제적 부담이 있다.

• 마케팅 전략 제시

[그림 16] SWOT 분석(1)

[그림 17] SWOT 분석(2)

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 본 제품의 기본적인 원리는 화재 시 튜브를 팽창시켜 물리적으로 문틈을 막아 기체 유입을 막는 것이다. 이 원리를 기반으로 본 제품은 화재 시 발생하는 일산화탄소 이외에의 유독가스 유입을 막을 수 있다. 유독가스는 화재 외에 가스 밸브 잠금 부주의로 인한 유독가스 누설, 보일러실에서의 가스 누설 등의 원인으로도 유입될 수 있다. 위에 언급하였듯이, 화학적이 아닌 물리적으로 기체 유입을 막는 것이므로 화재 외 유독가스 유입의 다른 원인에서도 방지할 수 있는 효과를 거둘 수 있다.
• 현재 화재와 관련된 안전사고에 대한 관심이 증가하고 있지만 한국교육학술연구원 RISS에서 ‘화재’라는 키워드로 검색되는 논문은 18778건임에도 불구하고 ‘방연’과 ‘차연’이라는 키워드로 검색되는 논문은 각각 272건, 746건으로 규모가 작다. 특허의 경우 역시 ‘화재’라는 키워드로 검색되는 특허는 83244건임에도 불구하고 ‘방연’과 ‘차연’이라는 키워드로 검색되는 특허는 각각 997건, 1131건으로 규모가 작다. 본 개발 과제는 이러한 기술 개발에 긍정적인 영향을 주며 다른 연구에 대한 시야 혹은 아이디어를 제공한다. 특히 본 제품은 기존의 제품들과 달리 소형화 및 기체 주입을 통한 방연으로 기존의 기술들과는 다른 관점으로 문제 해결을 제시하고 있기 때문에 다양한 시야를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 화재 시 질식사에 의한 사망률이 60%로 가장 높기 때문에 질식사에 의한 사망이 일어나지 않도록 생존 시간을 늘린다면 소방관에 의한 구조율이 높아질 것이다. 본 개발 과제가 성공적으로 이뤄진다면 효과적으로 상기 과제를 해결할 수 있으며 이로 인해 인명피해를 감소시킬 수 있다.
• 화재 시 연기에 의한 시야 차단과 낯선 상황에 대한 변수들로 인해 익숙한 장소일지라도 대피하는데 어려움에 빠질 수 있다. 또한, 움직임에 불편함이 있거나 도움이 필요한 사람들과 함께 대피를 해야 한다면 더 많은 시간이 걸릴 것이다. 그렇기 때문에 이러한 사람들이 많이 있는 병원이나 요양원과 같은 장소에서 더 좋은 효과를 나타낼 것이다. 탈출에 실패를 할 경우, 방 안에서 본 개발 제품을 통해 문틈을 막고 소방관에 의한 화재진압 및 구조를 기다릴 시간을 벌 수 있다면 빠른 시간에 퍼지는 유독 가스에 의한 질식사를 방지할 수 있을 것이다.
• 위 경쟁제품 조사 비교에서 본 바와 같이, 라이프키퍼의 경우 약 3~40,000원이며 다른 제품들도 본 개발 과제 제품에 비해 가격이 높은 편이다. 본 제품이 성공적으로 개발이 된다면, 다른 제품보다 수월하게 간단히 유독가스 유입 자체를 막으며 효과적으로 구조를 기다릴 수 있으므로 상당한 경쟁력을 가질 것으로 예상이 된다. 이 결과로, 본 제품이 경쟁 시장 형성에 이바지하여 다른 제품들이 본 제품에 대해 경쟁력을 갖기 위해 가격을 인하시킬 것이며, 기능이 향상된 더 많은 제품과 기술을 촉진한다. 따라서 소비자들이 경제적 부담 없이 화재 대비를 위해 제품들을 구매할 것이다.
• 추가적으로 현재 경쟁제품으로 선정한 라이프키퍼의 경우 화재 시 탈출에 사용할 때 유용하며 탈출이 힘들 경우 본 과제의 제품을 사용하는 것이 유용하다. 두 방식의 제품을 같이 사용하거나 혹은 앞으로 개발될 새로운 제품을 같이 사용하게 된다면 효과적으로 화재에 대비할 수 있을 것이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

개발일정 및 내용

구성원 및 추진체계

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

- D or W

• 제품 요구사항의 각 항목을 Demand와 Wish로 나눈 기준은 다음과 같다. 먼저, 개발하는 본 방연 문틈막이 제품이 ‘방연 장치’로서의 역할을 할 수 있는 최소한의 요소는 Demand로 선정하였고, 만족하지 못하더라도 방연의 역할이 가능하지만 개발에 성공할 경우 제품의 효용성을 높일 수 있는 요소는 Wish로 선정하였다.

[표 2] 제품 요구사항

평가 내용

① 일반적으로 화재 상황에서 연기에 노출됐을 경우, 사망의 주원인은 CO이다. 한국가스안전공사의 자료를 통해 일산화탄소의 농도가 2배씩 증가할 때마다 사람의 생존 시간은 2배 이상 감소한다는 것을 알 수 있다. 따라서 한국가스안전공사의 자료를 기준으로 본 제품은 미설치의 경우와 비교하여 CO 농도의 증가분이 1/4가 되게 하여 생존 시간을 5배 이상 증가시키는 것을 요구 사항으로 설정하였다. 평가방법은 아크릴판 및 폼보드로 제작한 간이 실험실에 본 제품을 미설치하였을 때와 본 제품을 설치하여 문틈을 차단하였을 경우의 CO 농도 변화량을 일산화탄소 측정기로 측정한 후 비교한다.

[그림 18] 일산화탄소(CO)의 농도별 인체에 미치는 영향

② 튜브 내 기체 주입 속도는 문틈막이 튜브의 길이와 일반적인 방연마스크 착용시간을 관련지어 설정하였다. 문(또는 문틀)의 둘레를 약 7m로 잡고 방연마스크 착용시간을 5초로 가정하였고 이를 통해 1.5m/s의 기준 속도를 산출해냈다. 즉각적인 방연 효과와 방연마스크와의 경쟁력을 얻기 위해 해당 기준 이상의 속도를 만족시킬 수 있는 공기주입 기술을 도입해야 한다.

③ 논문 ‘어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구’의 화재 재현 실험을 참고하여 화재 발생 시 상승하는 문의 온도를 계산하였다. 이를 통하여 소재의 내열성 기준을 260℃ 이상으로 설정하였다. 따라서 내열성이 260℃ 이상인 소재를 선정하여서 해당 온도에서 튜브가 변형되지 않고 방연성을 유지하도록 해야 한다. 자세한 계산 과정은 ‘이론적 계산 및 시뮬레이션’에서 기술하도록 한다.

④ 화재 시 모든 사용자가 본 제품을 사용할 수 있도록 자동화 시스템을 본 제품에 적용하였다. 따라서 CO 농도가 일정 농도 이상이 되면 자동화 시스템의 센서가 그 농도를 감지하여 자동화 시스템의 작동을 통해 튜브를 팽창시켜야 한다. 이를 통해 사용자의 상태와 신체조건에 관계없이 본 제품을 사용할 수 있을 것이다.

⑤ 자동화 시스템을 구성하는 부품에서 오류가 발생하거나 그 외의 특정 상황에 의해 자동화 시스템이 작동하지 않아 화재가 발생하였음에도 불구하고 튜브가 팽창되지 않을 가능성이 존재한다. 이러한 경우에는 사용자가 수동으로 본 제품을 작동시켜야 한다. 따라서 본 제품은 수동화를 통한 기체 주입이 가능하여야 한다.

⑥ 현재 다양한 규격의 문이 존재하므로 본 제품 역시 문의 크기에 상관없이 다양한 규격으로 구현할 수 있어야 한다. 문의 종류에 대한 평가는 양방향 문의 간이 실험실과 단방향 문의 간이 실험실 두 개를 제작하여 평가한다.

설계 사양

[그림 19] HOQ를 활용한 QFD 분석결과

◇ 결과값에 따른 분석

- QFD에서 HOQ의 Technical importance score를 통한 기술 개발 순위를 보면 튜브의 소재가 1위, 공기주입방식이 2위, 자동화 기술이 3위, 모서리 및 문손잡이 처리방식이 4위 순으로 차지하였다. 4위 기술과 4위 이후 순위의 기술들과 importance score 차이가 크게 나며 이를 통해 본 조의 개발은 위 4가지의 기술을 중점적으로 진행해야 한다고 판단한다.

- 튜브의 소재 개발에서 소비자들의 요구사항 중 차폐율, 방연성 유지시간, 가격, 내구성 순으로 고려해야 한다. 이를 위해 내열성, 불연성 등의 소재를 선정해야 하며 기계적 물성이 뛰어나고 조직이 치밀하여 연기가 통과하지 않는 안정적인 소재를 채택하는 것이 우선시 되어야 한다. 또한, 저렴한 소재를 선정하고, 내구성을 위해 표면 기계적 성질의 기준에 맞는 소재를 채택한다. 추가로 소재 개발 과정에서 해당 항목과의 연관성을 공기주입방식, 튜브 접착 위치, 모서리 및 문손잡이 처리방식을 고려해야 한다.

- 공기주입방식 기술에서 즉각적인 효과의 발현이 가장 중요하다. 따라서 공기주입방식을 개발할 때, 공기주입 속도가 빠르게 하는 데에 가장 큰 초점을 두어야 한다. 다른 기술들과의 연관성을 보았을 때, 자동화 기술과 가장 크게 관련되어 있다. 따라서 자동화 기술과 함께 개발을 고려한다.

- 자동화 기술의 경우, 사용자의 상태에 무관하게 사용이 용이해야 한다는 요구사항과 가장 관련이 크다. 따라서 본 과제에서는 자동화 기술을 도입한다. 개발 시에는 관련된 기술인 공기주입방식과 같이 개발을 진행하고 튜브에 달린 주입구 개수를 고려한다.

- 모서리 및 문손잡이 처리 방식이 만족시켜야 하는 소비자들의 요구사항은 연기 차폐율, 즉각적인 효과, 방연성 유지시간, 저렴한 가격으로 중요한 기술적 요소이다. 그러나 본 과제에서 개발 비용 및 직접 개발로 인한 제한사항으로 이 부분에 대한 개발은 향후 과제로 남긴다. 본 과제에서 소재를 튜브형으로 만들 때에는 단순 접착제를 사용하며 연결부 및 모서리에서 나타나는 누설을 100% 차단할 수 없다는 점을 고려하여 최종 평가가 이루어져야 할 것이다.

개념설계안

1) 제어부

(1) 원리

- 문의 상단부에 센서를 위치하도록 한다. 유입될 때의 연기 내 일산화탄소 농도가 기준 수치 이상일 때 센서가 감지하여 Servo motor가 반시계 방향으로 돌아가면서 인젝터를 연다. 일산화탄소 농도가 기준 수치 이하가 되면 Servo motor가 시계 방향으로 돌아가면서 인젝터를 닫는다. 이 과정을 반복한다.

(2) 구조

[그림 20] 제어부 구조

2) 주입부

◇ CO2 카트리지

- 가격 : 550원

- 기체 생성에 있어서 자동화를 위한 충분한 압력을 가지고 있다.

- 기체 주입에 다른 방식인 에어 펌프의 경우 튜브 내로 기체를 주입하는데 충분한 압력을 가지고 있지 않고, 실제 화재 상황에서 있어 주입에 상대적으로 오랜 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 즉, 즉각적인 효과를 얻기 어려울 것이다.

- 에어백과 같은 화학적 반응을 이용하는 것은 즉각적인 효과를 기대할 수 있다. 하지만 반응이 너무 폭발적으로 일어나기 때문에 화학적 반응이 일어날 때 튜브에 손상이 가해질 수 있다. 또한, 실험하기 어렵고 그 위험성 때문에 개인에게 판매하지 않고 있다.

- 모터와 연결된 인젝터가 주입구에 연결되어 기체를 주입할 수 있도록 한다.

◇ 주입구의 경우, 튜브와 연결시켜 하나의 부품으로 취급한다.

◇ 인젝터의 경우, CO2 카트리지가 장착된 상태로 설치한다. 이때, 인젝터의 밸브는 모터와 연결되게 하여 센서부의 모터가 작동함에 따라서 밸브의 개폐가 일어나도록 한다.

3) 튜브

(1) 재질

◇ PI - Film

- 가격 : 520mm*0.05mm*10M 88,000원

- 온도 : 400℃

- 제품 특징 : 내열성이 우수하여 고온에서 사용 가능하고 절연성, 내한성, 내용제성, 그리고 내약품성이 뛰어나다. 박리 시에 점착제 묻어남이 없으며 사용 후 잔류물이 없어 제품 보호 효과가 뛰어나 특수 전자부품 절연용으로 사용한다. 두께가 얇으며 인장강도가 탁월하다는 특징도 갖고 있다.

- 화재 시 시간에 따른 문의 온도 변화를 계산하면 문은 최대 약 260℃까지 상승한다 [2.3 이론적 계산 및 시뮬레이션 참고]. 튜브 재료를 위한 고분자 재료 중 PI-film이 이 이론적 계산에 부합한 내열 온도를 가지고 있다.

(2) 구조

[그림 21] 튜브 구조

[그림 22] 튜브의 마감처리1

[그림 23] 튜브의 마감처리2

이론적 계산 및 시뮬레이션

1) 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 천장은 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.

- 평상시 문의 온도를 25℃라 가정하였다. 문의 소재는 탄소강(철)이라 가정하면 비중이 7270kg/m3, 비열이 0.10kcal/kg⦁℃이 되고, 문의 부피는 1m*1m*0.03m로 가정한다. 또한, 대류 열전달을 통한 모든 열은 문의 온도를 상승시키는 데에 사용된다고 가정한다. 공기 온도가 더 높으므로 공기에서 문으로 열이 전달되고, 이때의 전달되는 열량을 Q라고 하면, 1℃ 올리는 데에 21.81kcal가 나온다. 이 값을 이용하여 Q를 나누면 해당 열량으로 인한 문의 상승온도를 계산할 수 있다. 식은 다음과 같고, 이때 고온의 공기 대류 열전달 계수는 300W/m2⦁K로 가정한다.

- [그림 24]에서 가장 면적이 넓은, 즉 열량이 가장 많은 T15의 그래프를 이용한다. 이때, 800℃까지의 세로축 길이가 12.65cm라 하였을 때, 각 부분의 높이를 측정하여 비례식으로 해당 온도를 계산하였다.

- [표 3]을 보면 최종적인 문의 상승온도는 약 260℃이다. 약간의 오차를 고려한다 하여도, 튜브의 재질로 PI 필름을 사용한다는 것이 합리적이라는 결론을 얻을 수 있다.

[그림 24] 평면도

[그림 25] 각 방의 공기 온도 변화

[표 3] 문의 온도 상승 계산표

[그림 26] 문의 온도 상승 그래프

2) 이산화탄소 주입 속도 측정

1) 실험 내용

- 본 설계의 목표인 신속하고 즉각적인 유해가스 차단을 위해서는 충분한 속도의 기체 주입 속도가 확보되어야 한다. 따라서 액체 상태로 존재하는 이산화탄소가 기화되어 나오는 이산화탄소 카트리지를 사용한다. 실험 방법은 튜브에 연결된 주입구에 이산화탄소 카트리지가 장착된 인젝터를 연결하고 160.1cm의 튜브의 끝부분이 팽창되는 시간을 측정한다.

2) 실험 결과

- 총 5회의 실험을 하였을 때, 결과는 다음 표와 같다. 과제제안서에서 제시하였던 초기 목표는 1.5m/s였다. 해당 실험에서 측정 시간의 평균은 0.425초이다. 따라서, 평균 기체 주입 속도는 약 3.77m/s로 초기 목표하였던 속도보다 빠름을 알 수 있다.

[표 4] 이산화탄소 주입 속도 측정 실험 결과

3) 모터와 인젝터 연결 실험

1) 실험 내용

- 자동 제어 장치가 작동할 때, 서보모터에 연결된 인젝터의 밸브가 설계에 따라 반시계 방향과 시계 방향으로 회전하는지를 확인하여본다.

2) 실험 결과

- 모터가 구동됨에 따라서 연결된 서보모터의 밸브가 동시에 회전되는 것을 확인하였다.

4) 연기 감지 센서 감지의 감지 작동 실험

1) 실험 내용

- 자동 주입장치의 모터를 구동할 회로를 아두이노를 이용하여 설계한다. 연기 감지 센서가 일정 수준의 일산화탄소를 감지하였을 때, 설계한 모터가 구동되는지를 확인해본다.

2) 실험 결과

- 연기 감지 센서의 신호를 아두이노에서 모터 신호로 변환시키고, 이를 이용하여 모터를 구동시킨다. 일산화탄소 감지 후 모터가 구동됨을 확인하였다.

5-1) 방연성 실험 : 튜브 사이즈에 따른 실험

1) 실험 내용

- 간이 실험실에 프로토타입의 튜브를 부착한 후 이산화탄소를 주입한다. 한쪽 방에는 모기향을 피우고 문을 닫은 후 다른 쪽 방의 일산화탄소 농도를 측정한다. 간이 실험실에서 문턱의 폭이 30mm일 때, 전체 둘레가 30mm, 40mm, 50mm인 튜브를 이용하여 각각 5번씩 실험을 진행한다.

2) 실험 결과

- 튜브의 사이즈별로 비교하였을 때 [그림 27]과 같은 결과가 나왔다. 전체 둘레의 길이가 50mm인 튜브가 가장 효과가 좋았기 때문에 본 과제에서는 전체 둘레의 길이가 50mm의 튜브를 제작하여 사용하기로 한다.

[그림 27] 튜브 크기에 따른 CO 방연성 측정

- [그림28]은 위 실험에서 matlab 프로그램을 사용하여 One - way ANOVA 분석을 한 결과이다. 가장 주목해야 할 결과는 columns(튜브의 둘레)에 대한 p값이 0.0236으로 0.5보다 작다. 0.5라는 값은 columns이 실험에 대한 변수인지를 판단하는 기준으로 이 값보다 작을 경우 귀무가설이 기각되며, 실험의 변수라고 판정된다.(귀무가설: columns은 실험에 영향을 끼치지 않는다.) 즉, 튜브의 둘레가 방연성에 영향을 미치는 요인이며 [그림27]에서 튜브의 둘레가 50mm인 경우가 방연성이 가장 좋으므로 50mm를 채택하여 프로토타입을 제작한다.

[그림 28] ANOVA Table

5-2) 방연성 실험 : 튜브 팽창에 따른 실험

1) 실험 내용

- 간이 실험실에 프로토타입의 튜브를 부착한 후 이산화탄소를 주입한다. 한쪽 방에는 모기향을 피우고 문을 닫은 후 다른 쪽 방의 일산화탄소 농도를 측정한다. 간이 실험실에서 문턱의 폭이 30mm일 때, 튜브가 설치되지 않은 상태에서의 일산화탄소 농도와 전체 둘레의 길이가 50mm인 튜브가 설치, 팽창되어 문틈이 packing된 후의 일산화탄소 농도를 비교하여 준다.

2) 실험 결과

- 튜브를 설치하여 문틈을 packing했을 때와 설치하지 않았을 경우를 비교하였을 때 [그림 29]와 같은 결과가 나왔다. 튜브를 설치하지 않았을 경우와 비교하여 튜브를 packing시켰을 때의 일산화탄소 농도가 약 1/14로 줄어든 것을 확인할 수 있다.

[그림 29] 문틈 packing시와 아닐 때 CO 방연성 측정

6) 260℃에서 PI의 Ultimate Tensile Strength 계산

- PI film의 Ultimate Tensile Strength는 Dupont 사에 의하면 23℃에서 231MPa, 200℃에서 138MPa이다. 온도와 strength가 선형적인 관계를 갖는다고 가정하면, 260℃에서 약 105MPa의 Ultimate Tensile Strength를 가진다고 계산할 수 있다.

- 실험에서 사용한 CO2(분자량:44g) 카트리지의 용량은 16g이다. 이는 약 0.3636mol의 이산화탄소이므로 이상기체 상태 방정식에 대입하면 다음과 같이 260℃에서의 CO2의 최대 압력을 계산할 수 있다.

- 이 값이 PI의 Ultimate Tensile Strength보다 낮은 값이므로, PI film은 260℃에서 부피가 팽창된 기체에 의해 파괴되지 않는다.

7) 7m 주입 시 필요한 이산화탄소의 양 계산

- CO2 카트리지 내부에는 고압의 액화 이산화탄소가 들어가 있기 때문에 49°C 이상에서 제품을 사용하지 말라는 주의사항이 있다. 따라서, 단열재를 주변에 보충해 온도 상승을 저해시키려 하였다.

- 본 제품의 목표는 화재 시 10분간 실내로 유입되는 유독가스를 차단하는 것에 있다. 하지만, 추후에 더 오랜 시간이 지나 화재가 지속되어 불길이 직접 본 제품의 닿거나 실내온도가 올라가서 CO2 카트리지의 폭발 위험이 있다. 이러한 경우를 방지하기 위해 카트리지 내부에 들어갈 CO2의 양을 문의 크기에 맞춰 계산하려고 한다. 또한 적정 양만을 주입하여 제작하기 때문에 단가를 낮추는 효과를 얻을 수도 있다.

- 시제품 규격: 7m × (8mm)2 × π = 1.407 × 10-3m3 = 1.407L (1L=1000cm3 → 1m3=106cm3=1000L) CO2의 분자량은 44이고 실내에서 나오는 기체가 이상기체라고 가정하면 1mol당 22.4L의 부피를 갖게 된다. 비례식을 통해 계산하여 1.407L/22.4L = x g/44g → x = 2.76g을 구할 수 있다.

상세설계 내용

1. 부품도

2. 조립도

(1) 간이 실험실

[그림 34] 간이 실험실 실제 사진

[그림 35] 간이 실험실 정면 도안

[그림 36] 간이 실험실 측면 도안

[그림 37] 간이 실험실 내부 측면 도안

(2) 자동 연기 감지 설비

[그림 38] 자동 연기 감지 설비 도안

(3) 조립방법

◇ 방연 튜브의 주입구(⑧)와 방연 튜브(⑩)는 글루건을 이용하여 부착(⑨)하고, 인젝터의 밸브(③)는 제어부의 서보 모터(①)와 글루건을 이용하여 부착(②)한다. 초기 모델이기 때문에 글루건으로 부착하지만 시제품으로 제작 시 주입구의 경우 PI 튜브를 molding하여 제작하는 과정에 삽입하여 일체형으로 제작하고, 밸브와 모터의 연결의 경우 기계적으로 연결된 형태로 제작이 될 것이다. 방연 튜브의 주입구(⑧)와 자동 연기 감지 설비의 CO2 인젝터(④)를 연결하여 준다. 연결은 튜브의 주입구(⑧)와 인젝터(④)의 주입구에 있는 나사선(⑦)을 통해 연결된다. CO2 인젝터(④)와 CO2 카트리지(⑥) 또한 나사선(⑤)을 통해 연결된다. 마지막으로 연결된 방연 튜브(⑩)를 문틀에 글루건을 이용하여 부착한다.

[그림 39] 자동화 주입 시스템 사진

3. 제어부 및 회로설계

◇ 회로 구성

- 제어부의 회로설계에는 DSG-299 서보모터 1개와 아두이노 우노, MQ-2 아두이노 연기 감지 센서, 그리고 전원 공급 장치로 보조배터리를 사용한다.

- 화재 발생 시 유입되는 연기는 고온이므로 상승하여 확산된다. 따라서, 센서가 이를 잘 감지할 수 있도록 문의 상단부에 센서를 위치하도록 한다.

[그림 40] 제어부 회로도

[그림 41] 제어부 인쇄회로기판

◇ 회로 동작

- 아래 회로도의 Gas sensor에서 VCC가 아두이노의 5V에 연결되고 GND(Ground)끼리 연결이 되어 Gas Sensor로 전원이 공급된다. SIG_Gas가 아두이노의 A0에 연결되어 Gas Sensor의 신호가 A0를 통해 아두이노로 전달된다.

- Servo motor의 V+(VCC)가 아두이노의 VIN에 연결되고 GND(Ground)끼리 연결이 되어 Servo motor로 전원이 공급된다. SIG_Servo가 아두이노의 D3에 연결되어 아두이노에서 Gas Sensor로부터 받은 신호를 motor로 전달한다.

- 회로의 전원 공급 장치로는 보조배터리를 사용한다. 전원 공급 장치는 아두이노 기판에 연결이 되고, 앞서 말했듯이 Gas sensor와 Servo motor는 아두이노로부터 전원을 공급받는다.

4. 소프트웨어 설계

[그림 42] 소프트웨어 작동 알고리즘 (부록 A-2 아두이노 코드 별첨

1) 연기 센서가 유입되는 연기의 농도를 감지하여 그에 맞는 Serial 데이터를 아두이노로 전달한다.

2) 감지한 Serial 값(gas)이 설정한 일정 수치를 넘었을 때 서보모터에 출력을 명령하여 부착된 CO2 인젝 터의 밸브와 함께 회전시킨다.

3) 인젝터의 밸브가 Open 되면서 내부의 CO2가 방출되고, 튜브에 충분한 양이 주입되는 일정 시간 후 모터가 반대로 회전하여 밸브가 닫히게 된다.

5. 자재소요서

◇ 자동 기체 주입식 방연 튜브

◇ 제품 가격

자재소요서를 바탕으로 튜브의 길이가 1.6m인 프로토타입의 가격을 예측하였고 그 결과 약 52,150원으로 측정되었다. 이를 바탕으로 튜브 길이 7m를 기준으로 시제품의 가격을 예측해본 결과 약 52,544원이다. 하지만 시제품은 다량으로 생산되기 때문에 재료의 값이 더 저렴해지므로 52,544원보다 더 낮아질 것으로 예측된다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

[그림 43] 방연 튜브 실제 사진

[그림 44] 제품이 내장된 간이 실험실 사진

[그림 45] 제어부 및 주입부 사진

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

◇ 튜브를 제작하는 과정에서 단순히 접착제를 사용하여서 만들었기 때문에 튜브 자체에서의 누설이 발생하게 된다. 향후 molding 등의 고분자 제품 제작 방법을 이용하여 튜브를 일체형으로 제작하게 되면 이러한 문제는 해결될 것으로 예상한다. 따라서 시제품으로 제작 후 실험 및 측정을 재실시하여 방연성에 대한 평가가 새로 이루어져야 한다.

◇ 본 과제에서는 문의 온도를 제한된 상황을 가정하여서 계산하였다. 그러나 실제 화재의 경우에서는 많은 변수로 인하여 화재의 규모가 다르고 화염이 순간적으로나마 직접적으로 본 제품의 튜브에 닿는 경우나 공기의 온도가 급격히 증가하여 튜브의 온도가 문의 온도보다 높아지는 경우가 발생할 수 있을 것이다. 따라서 이를 대비하는 것이 향후 본 제품의 발전 과제가 될 것이다. 이에 대하여 내열온도가 더 높은 재료인 탄소섬유를 이용하여 튜브의 겉부분을 감싸주는 대략적인 해결방안을 제시한다. 탄소섬유로 이뤄진 상품의 물성에 대해서는 아래 제시된 재료의 설명을 참고하도록 하고, 제품에 관련 재료를 감싼 그림은 다음 [표 12]와 같다.

[표 11] 접착식 고열용 M120-1 설명

[표 12] M120-1을 활용한 해결방안 model

◇ 제어부의 경우, 구성성분들을 잘 고정시키고, 습도나 온도 등 외부 환경에 영향을 줄이기 위하여 패키징을 해주어야 한다. 현재 프로토타입에는 아크릴로 박스를 제작하고 단열재로 스티로폼을 채워 넣었는데 이에 대한 평가를 따로 하지 못하였다. 향후 시제품으로 정교히 제작 후 단열성 및 제습성, 내충격성 등에 대해 평가가 이루어져야 한다.

부록

A-1) 참고문헌 및 참고사이트

[1] 두산백과(doopedia), ‘흡입화상(Inhalation burn, 吸入火傷)’

(URL=https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1251186&cid=40942&categoryId=32773)

[2] 박민지 기자, <화재 발생 시 가장 치명적인 것, 불 아닌 ‘연기와 가스’>, 국민일보, 2018

(URL=http://news.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid=0012082777)

[3] 국가화재정보센터(National Fire Data System), 화재발생시 대처요령, 소방청, 2019

(URL=http://www.nfds.go.kr/bbs/selectBbsDetail.do?bbs=B03&bbs_no=7781&pageNo=1)

[4] 한국가스안전공사 여창훈 과장, <가스온수기 CO중독사고 예방책은?>, 가스신문, 2011

(URL=http://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=53515)

[5] 전주덕진소방서

(URL=http://newdeokjin.sobang.kr/board/view.sko?boardId=deokjin_firesafty&boardSid=112&menuCd=EE04004000000&contentsSid=1271&orderBy=&startPage=1&searchType=&keyword=&searchStartDt=&searchEndDt=&dataSid=8795726)

[6] ㈜라즈웰

(URL=http://kor.laswell.co.kr/content.php?bo_table=0_0&wr_id=93&page_num=0204)

[7] 화재보험협회(KFPA), '배연 및 제연 설비', 방재기술자료, 제 7판, No. 08

[8] Air Technician Co., <에어펌프란?>

(URL=http://www.airmotor.co.kr/air/air.htm)

[9] 김수기 기자, <CO2 펌프, 빠르고 편하게 펌핑 완료>, 바이크매거진, 2012

(URL=https://www.bikem.co.kr/article/read.php?num=4106)

[10] 블로그 ‘toevery’, 에어백의 원리

(URL=https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=toevery&logNo=10094930509&proxyReferer=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F)

[11] 블로그 ‘슈어소프트테크’, 에어백 작동원리와 종류

(URL=http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=suresofttech&logNo=221260326996&categoryNo=60&parentCategoryNo=0&viewDate=&currentPage=1&postListTopCurrentPage=1&from=postView)

[12] 블로그 ‘My Desultory Blog’, 에어백 작동 사진

(URL=https://mydesultoryblog.com/2018/01/airbag-recall-inefficiencies-at-either-bmw-or-their-supplier/)

[13] ㈜나라컴퍼니, ‘라이프 키퍼(Life Keeper)’

(URL=http://www.soslife.co.kr/shop/shopdetail.htmlbranduid=2083560&ref=naver_open&NaPm=ct%3Dju6xc8d4%7Cci%3D9affa70ea2fcac9d9f710a77253cdd835381e923%7Ctr%3Dsls%7Csn%3D385903%7Chk%3Dba63e31cad3115a2d4b9dd8c16a65340de48ec0d)

[14] 명승社, ‘스크린 방화 셔터’

(URL=http://ms-shutter.co.kr/page_SnpP08)

[15] 한국재난안전개발원, ‘숨 마스크’

(URL=http://commak.co.kr/product/detail.htmlproduct_no=6788871&cate_no=62&display_group=1&cafe_mkt=naver_ks&mkt_in=Y&ghost_mall_id=naver&ref=naver_open&NaPm=ct%3Dju1g3cf4%7Cci%3Dd417952e868382165919292399317ca84adf41b3%7Ctr%3Dslsl%7Csn%3D830964%7Chk%3Dc63d5d0d8cb9b937d62b407db44a1817d0bdb0eb)

[16] 신지후 기자, <일산화탄소 1600ppm 고농도에선 2시간 뒤 사망 가능성… 올해 사고 109건 달해>

(URL=http://www.hankookilbo.com/News/Read/201812181870089876)

[17] 강찬수 기자, <일산화탄소 얼마나 위험한가…헤모글로빈과 결합 산소 차단>

(URL=https://news.joins.com/article/23219754)

[18] 폴리이미드 테이프

(URL=http://afmall.co.kr/product/detail.html?product_no=159&cate_no=32&display_group=1)

[19] 이성룡, 한동훈, 어린이집 화재 시 연기 거동에 관한 실험적 연구. 한국화재소방학회 논문지, 2013, Vol. 27(2), pp 62-69.

[20] Dupont사, Polyimide Film

(URL=https://www.dupont.com/content/dam/dupont/products-and-services/membranes-and-films/polyimde-films/documents/DEC-Kapton-HN-datasheet.pdf)

[21] 행안부·국토부·소방청 공동주택 화재 원인조사 결과 10대 개선과제 발굴

(URL=http://www.korea.kr/common/download.do?fileId=186811303&tblKey=GMN)

A-2) 소프트웨어 프로그램 소스

[그림 46] 아두이노 코드

설계구성요소 및 제한요소