키스톤

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 회전 롤러를 활용한 신발 물기 제거 장치

영문 : shoes-dryer using spinning roller

과제 팀명

키스톤

지도교수

이효선 교수님

개발기간

2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20134500** 이*훈(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20134500** 최*진

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 유*현

서울시립대학교 화학공학과 20173400** 윤*현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

우천 시에 보행자에 의해 실내 건물까지 물기에 의해 더러워지거나 보행자가 미끄러져 넘어지는 일이 발생한다. 이를 문제 상황으로 보아, 보행자의 신발의 물기와 오염을 효과적으로 제거하면서 지속가능한 사용을 할 수 있고, 저렴한 비용이 들며, 이동 설치 및 보관이 용이하도록 하는 것이 개발 과제의 지향점이다.

기존 기술과 다르게 흡수부와 롤러부, 그리고 청소부가 결합된 발판 장치를 고안하였고, 보행자가 실내에 들어오면서 장치의 흡수부 상측을 밟게 되면 신축성있는 흡수부가 눌리면서 보행자의 신발 아웃솔을 감싸게 되고 접촉한 모든 면적에서 신발의 오염 및 물기를 흡수하게 되는 원리이다

개발 과제의 배경

(1)폴리우레탄 폼스펀지의 내구성 관련 연구

밀도 62kg/^3의 스펀지의 경우 우측 그래프에서 최대 0.2Mpa의 압축응력을 가했을 때의 변형률은 10000회 시행후에도 최대 3%로 영구변형률이 1%에 그친다.

최대 0.3MPa의 압축응력을 가했을 때 변형률은10000회 시행후에 최대 11%, 영구변형률은 7%이다.

(좌)최대0.2MPa의 압축응력 (우)최대0.3MPa의 압축응력

섬도차이에따른 모세관 현상과 흡습속건원리

용어설명 - 모세관 현상, 흡습속건

(1) 모세관 현상(毛細管現象, Capillary action)은 모세관을 액체 속에 넣었을 때, 관 속의 액면(液面)이 관 밖의 액면보다 높아지거나 낮아지는 현상 혹은 분자 사이의 인력과 분자와 가느다란 관의 벽 사이에 작용하는, 서로 간의 인력에 의해 가느다란 관을 채운 액체가 올라가거나 내려가는 현상을 말한다.

(2) 흡습속건(wicking)이란 수분을 흡수하고 빠르게 건조시키는섬유의 특성을 말한다. 본래 흡습속건성능은 여름철 신체에서 발생하는 땀을 빠르게 흡수 및 건조하여 쾌적성을 높이는 특수 기능을 중심으로 발전했다.

흡습속건은모세관 현상에 의한 것으로서 섬유의 젖음과 달리 섬유의 친수성과상관성이 높지 않고 섬유의 구조적 특성에 의해 그 성능이 좌우되는 특징이 있다.

흡습속건측정법은 크게 in-plane wicking, transverse wicking그리고 vertical wicking의세 가지 방법으로 크게 나뉘며 이 중 한국산업규 격에서 사용되는 두 가지 방법은 다음과 같다.

1) direck법(KS K 0815) 20×2.5cm 시험편을 경사와 위사방향으로 각각5매 준 비하고시료를27±2 C의 증류수가 들어있는 용기의 수면에한쪽끝이닿도록하여10분후의모세관현상으 로 물이 상승한 높이(mm)를 측정, 평균값을 사용한다. 2) Drop법 20×20cm 시료를 준비하고27±2 C 증류수를 넣은 뷰렛에서5초마다 1ml 물방울을15~25방울 적하시켜특별한 반사를 일으키지 않을 때까지 소요되는 시간을 측정, 5개 시료의 5회 평균값을 나타낸다.

적층구조에서의  흡습속건은상층(표면부)에서 하층순으로 친수성의증가 및 섬도의증가를 통해 이루어진다. 표면부의 소수성 섬유는 빠른 건조기능과 하층부로의 수분의 이동속도를 촉진한다. 하층 친수성섬유는 조밀한 섬도를통해 모세관현상을 이용하여 흡수한 수분을 빠르게 확산시키며, 상층으로의 수분의 재확산을 막는다.

적층구조의 흡습속건원리는 기저귀, 생리대, 배변패드, 등 빠른 흡수와 건조를 동시에 필요로 하는 위생용품에 주로 사용된다. 또한 마스크팩, 등에서는 이를 역이용하여 건조를 최대한 늦추는 방법으로 사용되기도 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

폴리우레탄폼 스펀지는 변형가능한 소재로써, 사용자가 밟았을 때 신발 모양에 맞게 변형되면서 감싸 신발 바닥 전체의 물기를 골고루 흡수할 수 있다. 압착롤러를통해 스펀지를 압착하여 수분을 방출함으로써 건조상태를 유지하기 때문에, 수분흡수력이떨어지지 않고, 별도로 교체나 관리없이 사용이 지속가능하다.

관련 기술의 현황

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

경쟁 기술 1. 제목 : 종이박스

우천시 실내 바닥의 발자국을 방지하기 위한 기존 기술로서 첫번째는 종이박스를 펴서 공동현관 바닥에 깔아두는 것이다.

기능상 장점 - 종이박스는 일회적으로 사용되는 특징이 있다. - 종이박스는 공기층을 함유하고 있어 건조에 용이하고 종이의 특성상 다른 소재보다 중량당 물기 흡수율이 높다. - 종이박스는 가볍고 설치 및 제거가 용이하다.

기능상 단점 - 종이박스는 오염 흡수율이 높다. - 종이박스는 물기를 머금은 경우 쉽게 찢어진다. - 종이박스는 물기를 말려서 폐기해야 하는 번거로움이 있다. - 종이박스는 바닥에 고정이 되지 않으며, 미관상 보기 좋지 않다.

경쟁기술 2.
제목 : 20-0330214 신발바닥의 물기 제거장치

본 발명의 목적은 신발바닥의 물기를 간단히 제거하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해 이 발명장치는 물기를 흡수하고 탄성력이 뛰어난 흡수매트와, 흡수매트를 지지하면서 흡수된 물기를 물고임부로 보내줄 거름판, 그리고 물고임부를 형성하고 있는 하판으로 구성된다.
보행자가 장치의 흡수매트를 밟게 되면, 흡수매트는 보행자의 신발에 있는 물기를 흡수함과 동시에 거름판과 신발의 압력으로 스펀지의 물기가 물고임부로 내려가게 된다.

기능상 장점 - 간단한 구성으로 장치의 비용이 저렴하다. - 가벼운 무게로 이동설치가 가능하며 크기를 확장 또는 축소하여 사용처에 맞게 변형시킬 수 있다. - 물기를 제거하는 데 소요되는 시간이 적고, 사용자의 별다른 행동을 요구하지 않으므로 사용이 편리하다.

기능상 단점 - 물기를 머금은 스펀지를 과도하게 압착하는 경우 오히려 스펀지의 물기가 신발로 옮겨 갈 수 있다. - 흡수매트 표면에 신발에서 떨어져나온 오염이 잔재하여 기능을 떨어뜨린다. - 장기간 사용시 스펀지의 공극이 줄어들어 기능이 감소한다.

경쟁기술 3. 제목 : 10-1893409 신발 이물질 제거 장치

본 발명의 목적은 신발의 이물질을 제거하는 것이다. 클린룸이나 공장에서 신발에 붙은 이물질을 완변히 제거하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 방사상의 톱니형태를 가진 이물질 제거부를 형성한 상판; 흡입공을 구비한 매트볼조립체가 형성된 하판; 그리고 흡입공을 통해 신발의 이물질을 흡수하는 집진기로 구성된다.
보행자가 장치 위에 올라서게 되면, 상판이 아래로 눌리면서 하판에 구성된 매트볼조립체의 스프링을 수축시킨다. 매트볼조립체의 스프링이 수축되면 매트볼조립체의 상부 매트볼에 형성된 흡입공이 열리게 되어 집진기의 진공흡입을 통해 보행자의 신발의 오염을 흡입하게 된다. 또한상판에 있는 방사상의 톱니 형태는 신발의 이물질을 물리적으로 제거해준다.

기능상 장점 - 사용자의 별다른 행동을 요구하지 않으므로 사용이 편리하다. - 방사형 돌기가 형성되어 신발의 이물질을 물리적으로 제거한다. - 접촉 흡수 방식에 비해 진공 흡입 방식이 신발의 물기나 이물질을 더 완벽하게 제거할 수 있다. - 여러번 사용한다고 해서 기능이 떨어지지 않는다.

기능상 단점 - 500~1500만원의 비싼 비용이 든다 - 소음이 발생한다 - 장치를 이용하는 데 비교적 많은 시간이 소요된다. - 장치의 부피가 정해져있어 사용처가 제한된다. - 장치의 이동설치가 어렵다.

경쟁제품 제목 : 3M 레인매트

본 기술은 우천시 신발의 물기와 오염을 제거하는 것이다. 개인 또는 공동현관에 사용되는 것으로 본 과제에 목적에 가장 부합한 경쟁제품이다.
  
본 경쟁제품의 기술적 특징은 매트의 미끄럼 방지를 위하여 바닥에 고무로 표면처리가 되어있고, 혼합소재를 사용하여 흡수부 표면의 중량 대비 흡수율, 건조시간을 기존 매트에 비하여 향상시켰다는 점이다. 또한 흡수부 표면에 지지돌기를 형성하여 흡수부 소재의 손상을 줄이고, 지지돌기가 신발의 표면에 있는 이물질을 긁어내 제거해준다는 특징이 있다.

기능상 장점 - 복합소재를 사용하여 흡수부의 수분, 유분 및 오염물 흡수를 극대화함 - 지지돌기를 형성하여 흡수부 표면의 섬유조직이 손상되는 것을 방지함

- 복합소재의 특성상 건조가 빠름

기능상 단점 - 매트위에 흡수된 오염물이 매트의 기능을 떨어뜨림 - 일반 매트의 기능성을 단순 증가시킨 것에 비해 가격 차이가 많이 남(일반 매트 : 5000원~10000원 본 제품 : 약 40000뭔) - 건조에 시간이 소요됨에 따라 건조가 덜 된 매트를 밟는 경우 물기흡수를 완벽하게 하지 못함

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

폴리우레탄폼 스펀지는 변형가능한 소재로써, 사용자가 밟았을 때 신발 모양에 맞게 변형되면서 감싸 신발 바닥 전체의 물기를 골고루 흡수할 수 있다. 압착롤러를통해 스펀지를 압착하여 수분을 방출함으로써 건조상태를 유지하기 때문에, 수분흡수력이떨어지지 않고, 별도로 교체나 관리없이 사용이 지속가능하다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

경제적 효과

서울 연중 강수 일수는 연평균 약 105~108일로, 열흘 중 3일 비가 온다. 특히 여름 장마철인 7~8월에는 월평균 강수일수는 약 15일 정도로, 비가오는 날이 며칠동안 지속되거나, 그치더라도 금새 다시 비가내리는 경우가 많다. 또한 비가 그친 후에도, 땅이 마르기까지는 시간이 걸리므로, 그동안 실외 보행자의 신발에는 물기와 오염이 함께 묻게되는 경우가 많다.발자국은 신발의 오염이 물과 함께 바닥에 붙어 생기므로, 신발의 물기를 완전히 제거하는 것만으로도 발자국을 제거할 수 있다. 반면에, 오염이 전혀 없는 경우를 제외하면 신발의 물기가 조금이라도 남아있는 경우에는 발자국이 생길 수 밖에 없다. 따라서 본 과제의 발명장치는 공동현관에서 실내로 들어오는 사람의 신발의 물기를 완벽하게 제거해줌으로써 하나의 장치를 통해 수십개의 개인현관의 청결을 유지할 수 있는 경제적 효과를 가진다.

사회적 효과

본 과제의 발명장치는 공동현관에서 실내로 들어오는 보행자의 신발에 묻은 물기와 오염을 제거하는 기능을 지속적으로 수행함에 따라, 개인현관의 청소에 대한 부담을 감소시킬 수 있으며, 세탁 또는 교체가 불필요함에 따라 추가적인 비용이 들지 않는다는 점에서 경제적인 효과를 창출할 수 있다. 또한 발명장치의 크기를 변경하여 상업시설이나 체육시설 등에 사용될 수 있어 범용성이 넓은 장점이 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

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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목차