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2019년 12월 16일 (월) 21:04 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 자가 세척 가능한 초음파 텀블러

영문 : Self-cleaning ultrasonic tumbler

과제 팀명

우주의여정

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 이**(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 김**

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 여**

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 이**

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 정**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

내용

개발 과제의 배경

내용

개발 과제의 목표 및 내용

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

가. QFD, Cause-Effect Diagram 분석

◇ QFD 분석

일반적으로 사용되는 텀블러에 대한 QFD분석은 다음과 같다.

소비자들의 텀블러에 대한 요구사항과 기술적인 해결방안 사이의 영향성을 평가하였다. 평가의 기준은 요구사항과 해결방안 사이의 Relationship을 기준으로 Strong=9, Fair=3, Weak=1로 설정하였다.

QFD 분석 결과, 소비자들이 중요하게 생각하는 요구사항은 1. 세척하기 편한가, 2. 위생적인가로 나타났다. 또한 기술적인 해결방안으로서는 1. SUS 재질 사용, 2. 초음파 세척, 3. 스크류, O링 세척구조로 나타났다.

◇ Cause-Effect Diagram 분석

앞서 분석한 QFD에서 가장 중요한 요구사항으로 파악된 텀블러 세척에 대한 Cause-Effect Diagram 분석은 다음과 같다.

이를 통해 텀블러 세척은 사람의 신체나 성향에 의해 텀블러 세척에 불편함을 느낄 수 있으며, 텀블러 자체의 구조에 영향으로 세척이 어려워 질 수 있음을 확인하였다. 또한 세제나 세척도구 및 장소에 대한 제한이 텀블러 세척 문제의 원인이 된다. 따라서 앞서 확인한 문제의 원인들을 해결하기 위하여 텀블러 세척에 존재한 문제들의 근본적인 원인을 설계사양 중 평가 요소에 포함 시켰다.

◇ 제품의 요구사항

제품 요구사항의 각 항목을 Demand와 Wish로 나눈 기준은 다음과 같다.

Demand : ‘초음파 세척 텀블러’로서의 역할을 할 수 있는 최소한의 요소

Wish : ‘초음파 세척 텀블러’로서의 기본적 역할에 영향을 미치지 않지만 개발에 성공할 경우 제품의 효용성을 높일 수 있는 요소

나. 평가내용

① 초음파 세척기의 세척평가

텀블러의 세척 후 세척능력을 평가하는데 다양한 방법(TDS, EC, 용존산소, Ph측정, SS(부유물 질량), ATP(세균측정))이 있다.

TDS(Total Dissolved Soilds), 총 용존 고형물 측정

물속에 녹아있는 고형물질의 총량을 의미한다. 대체로 물속에 녹아있는 미네랄 성분인 칼슘, 마그네슘, 염소 및 황산이온 등의 TDS가 녹아있는데 이런 고형물질이 얼마나 녹아있는가에 대한 수치이다.

측정원리

측정기의 끝에 있는 감응센서 2개 사이를 흐르는 전기의 양에 의하여 TDS 수치가 변화하는데 이것은 물속에 이온물질이 많을수록 전기가 흐르는 양이 크기 때문이다. 즉 이온물질이 많으면 전기가 잘 흐르게 되고 높은 수치를 나타내게 된다. 예를 들면 거의 0(zero)에 가까운 증류수나 역삼투막 통과물에 이온물질이 많은 우유나 고칼슘 오렌지쥬스를 소량 투입 후 측정하면 300~500ppm과 같은 수치를 보인다.

각각의 물의 종류에 따라 기준 TDS 범위를 가진다. 따라서 기준으로 사용하는 생수를 기본으로 하여 오염된 텀블러를 세척하고, 초음파 세척을 할 시 추출되는 잔여 오염물에서 늘어난 TDS값을 보고 세척력을 확인한다.

② 텀블러 내부, 패킹 및 음용구 세척평가

텀블러의 내부 밑면의 깊숙한 부분, 패킹 및 음용구 부분은 오염이 많이 되지만 세척이 어려운 부분이다. 이러한 부분을 주요 타겟 범위로 설정하고 일반 물 세척, 초음파 세척 후의 세척력을 비교한다.

측정방법

두 텀블러를 준비한다. 하나는 일반 물 세척을 하고 다른 하나는 초음파 세척을 한다. 텀블러의 내부 밑면의 깊숙한 부분, 패킹 및 음용구 부분을 오염물(ex. 커피, 우유, 주스 등)로 오염시킨다. 물 세척은 물을 담고 1분간 세차게 흔들어 세척한다. 동일한 양의 물을 사용하여 초음파 세척을 진행한다. 세척 후, 비교 분석을 통해 주요 타겟 범위(텀블러의 내부 밑면의 깁숙한 부분, 패킹 및 음용구 부분)의 세척을 평가한다.

다. 제품의 요구사항에 따른 설계 사양

- 제품의 주요 요구사항 중 Demand 요소로 일반 세척과 비교하여 초음파 세척을 하였을 때, 텀블러의 세척력이 주 요구사항으로 꼽혔다. 이를 해결하기 위해 초음파 진동자가 발생시킨 초음파를 세척이 요구되는 부분까지 손실 없이 전달하는 기술이 요구된다.

- 또한 패킹영역, 뚜껑과 텀블러를 결합하는 스크루형 결합부분, 텀블러 바닥면과 같이 쉽게 세척이 되지 않은 부분의 세척력이 초음파 세척 텀블러의 주요 요구사항이다. 이를 해결하기 위해 세척 시 바닥면에서 전달되는 초음파가 모든 부분에 적절히 전달되는 구조를 구현한다. 텀블러의 윗 부분인 뚜껑과 상단부를 분리가능하게 제작하며 이를 초음파 진동자가 있는 텀블러 내부에 담그는 구조로 초음파 전달력을 향상 할 수 있도록 한다.

- 초음파 진동자의 구동시간이 길어지면 소자의 손상 위험이 있다. 손상을 방지하기 위해 자동 종료 기술을 함께 개발한다.

- 휴대성을 해치지 않아야하며 텀블러 구조 및 회로, 배터리 부분의 무게의 합이 800g을 넘지 않도록 가벼운 소재를 활용하도록 한다.

- 직장인 하루 평균 종이컵 소비량인 3개인 것을 기준으로 한 번 충전할 때, 최소 3번 이상의 세척기능을 가지게 한다. 일부 소비자들이 하루종일 텀블러를 사용할 때, 평균 이상으로 사용할 수 있음을 고려하여 한 번 충전하면 10회 세척 가능한 배터리 용량을 고려한다.

개념설계안

◇ 개요

초음파 진동을 통한 자동 세척이 가능하며 오염이 쉬운 부위(뚜껑, 스크류, 음용부. 패킹 영역 등)에 대한 세척력이 우수한 텀블러를 제작한다.

◇ 목적

기존 텀블러의 단점을 보완함으로써 텀블러의 사용을 대중화한다. 즉, 휴대와 세척이 간편한 텀블러를 제작한다. 현대 사회에서 주로 사용되고 배출되는 일회용 컵의 사용을 대체하여 환경오염 방지에 기여한다.

◇ 특징

초음파 진동자를 텀블러에 결합한 구조이다. 초음파 진동을 발생했을 때, 세척액인 물을 매질로 활용하여 캐비테이션 현상(미세기포 발생-폭발-오염물 제거)에 의하여 오염물질이 제거된다. 텀블러의 입구는 위로 좁아지는 모양으로 제작된다. 이는 분리 가능한 상단 뚜껑, 중간 뚜껑으로 나뉘며, 이를 뒤집었을 때 텀블러 내부에 잠기게 하여 동시 세척이 가능하게 한다. 이 구조를 통하여 텀블러 내부뿐만 아니라 음용부, 패킹 영역, 뚜껑까지 모두 세척 가능하다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 :Wish : ‘초음파 세척 텀블러’로서의 기본적 역할에 영향을 미치지 않지만 개발에 성공할 경우 제품의 효용성을 높일 수 있는 요소
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+[[파일:요구사항표.JPG]]
 ====나. 평가내용====