알파
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 에어프라이어의 초기 화재를 진압할 수 있는 자동 소화 장치
영문 : Automatic fire extinguishing device for Air fryer
과제 팀명
알파
지도교수
김현식 교수님
개발기간
2024년 3월 ~ 2024년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 신소재공학과 2018450017 박상현(팀장)
서울시립대학교 신소재공학과 2019450018 서준교
서울시립대학교 신소재공학과 2019450024 유소영
서울시립대학교 신소재공학과 2019450034 전승원
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 본 과제는 에어프라이어 사용 시 발생할 수 있는 불꽃을 감지하여 자동으로 소화 장치를 작동시켜 큰 화재를 사전에 방지하는 시스템을 개발하는 것입니다. 이 시스템은 적외선 불꽃 감지 센서를 활용하여 불꽃에 의해 발생하는 특정 복사 파장을 식별하고, 이를 통해 소화 장치가 자동으로 활성화 되도록 설계 되었습니다. 불꽃 감지 센서는 에어프라이어의 바스켓 내부와 외부의 손잡이 연결 부위에 부착되며, 불꽃이 감지되면 워터펌프와 연결된 호스를 통해 물이나 소화액이 분사되는 방식으로 화재를 진압합니다. 이를 통해 에어프라이어의 기본 기능에 영향을 주지 않으면서도 사용 도중 발생할 수 있는 화재에 신속하게 대응할 수 있습니다.
개발 과제의 배경
◇ 과거에 에어프라이어는 일부 가구만 사용하는 고가의 제품이라는 인식이 존재하였으나, 기술이 발전하면서 많은 가구에 보급이 되었습니다. 최근 중저가의 국산 제품이 등장하면서 에어프라이어의 보급이 크게 증가하고 있습니다. 2023년 한국 갤럽의 조사에 따르면 응답자의 70%가 에어프라이어를 보유하고 있다고 답하였습니다. 하지만 이렇게 보급량이 늘어남에 따라 에어프라이어 관련 화재사고도 증가하고 있습니다. 2023년 주택 화재의 약 40%가 음식 조리 중 발생한 것으로 나타났습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 과제에서는 에어프라이어 사용 중 발생할 수 있는 화재를 초기에 감지하고 자동으로 진압하는 시스템을 개발하게 되었습니다.
[그림 1] 2020~2023년 에어프라이어 보유율
에어프라이어에는 발열부 온도 퓨즈, 바이메탈 센서와 같은 안전장치가 존재하나, 기기의 노후화나 불량에 의해 온도 센서의 결함이 생길 경우 큰 화재로 이어질 수 있기에 이에 대한 대비책이 필요하다고 판단하였습니다.
[그림 2] 에어프라이어의 온도 센서 diagram
◇ 본 시스템은 불꽃 감지 센서와 아두이노 워터펌프, 스텝 모터를 활용하여 화재 발생 시 자동으로 대응할 수 있도록 설계되었습니다. 불꽃 감지 센서는 특정 파장을 감지하여 화재를 조기에 식별하며, 아두이노 보드와 연결되어 화재 발생 시 소화 장치가 작동하도록 신호를 보냅니다. 워터펌프는 물이나 소화액을 분사하여 화재를 진압하고, 스텝 모터는 소화 장치의 문을 열고 닫는 역할을 수행합니다. 이를 통해 사용자는 안전하게 에어프라이어를 사용할 수 있으며, 화재로 인한 피해를 최소화할 수 있습니다.
◇ 이 시스템의 기대 효과는 다음과 같습니다. 첫째, 사용자의 안전이 향상됩니다. 화재 발생 시 자동으로 소화가 이루어져 사용자의 안전을 보장하며, 특히 에어프라이어를 사용하는 가정에서 중요한 역할을 합니다. 이는 안전사고를 미연에 방지할 수 있습니다. 둘째, 화재 피해를 최소화할 수 있습니다. 초기 단계에서 화재를 신속히 진압하여 재산 피해를 최소화합니다. 자동 소화 시스템은 불꽃이 감지되자마자 즉각적으로 반응하여 화재를 진압하기 때문에 큰 화재로 번지기 전에 피해를 막을 수 있습니다. 셋째, 제품의 신뢰성이 증대됩니다. 안전성이 향상된 제품으로 소비자 신뢰도가 증가할 것입니다. 자동 소화 시스템이 장착된 에어프라이어는 안전한 가전 제품으로 인식되어 시장 경쟁력을 높일 수 있습니다.
◇ 결론적으로, 본 과제는 에어프라이어 사용 중 발생할 수 있는 화재 사고를 예방하기 위해 아두이노 기반의 자동 소화 시스템을 제안합니다. 적외선 불꽃 감지 센서와 워터펌프, 스텝 모터를 활용하여 불꽃을 감지하고 신속하게 소화하는 이 시스템은 사용자의 안전을 최우선으로 고려하며, 에어프라이어의 안전한 사용 환경을 조성하는 데 기여할 것입니다. 이를 통해 에어프라이어 사용의 편의성과 안전성을 동시에 확보할 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한, 자동 소화 시스템은 에어프라이어의 기본 기능에 영향을 주지 않으면서도 추가적인 안전성을 제공하여 사용자의 신뢰도를 높일 수 있습니다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 개발 과제의 목표
본 과제의 주요 목표는 에어프라이어 사용 중 발생할 수 있는 화재를 자동으로 감지하고 진압할 수 있는 시스템을 개발하여 사용자 안전을 확보하는 것입니다. 이를 위해 적외선 불꽃 감지 센서와 아두이노 기반의 워터펌프 및 스텝 모터를 활용한 자동 소화 장치를 설계하고 구현하는 것을 목표로 합니다.
◇ 개발 과제의 내용
1. 화재 감지 시스템 구축 - 적외선 불꽃 감지 센서 : 특정 파장을 감지하여 불꽃을 조기에 식별하는 역할을 수행합니다. 불꽃 감지 센서는 에어프라이어의 바스켓 내부와 외부 손잡이 연결 부위에 부착됩니다. - 아두이노 보드 : 불꽃 감지 센서로부터 신호를 받아 이를 처리하고, 소화 장치의 작동을 제어합니다. 신호가 임계 값을 초과할 경우 아두이노 보드는 소화장치를 활성화 합니다.
2. 소화 장치 - 아두이노 워터펌프 : 소화 패드 대신 워터펌프를 사용하여 물이나 소화액을 분사하는 방식으로 소화장치를 설계 및 제작하였습니다. 워터펌프는 작동 전압이 낮고 정밀한 제어가 가능하여 에어프라이어의 자동 소화 장치에 적합합니다. - 물 보관 용기 : 워터펌프와 연결된 호스를 통해 물이나 소화액이 분사되기 위해 바스켓 외부에 물을 보관할 용기를 부착하였습니다. 이 용기 안에 워터펌프를 설치하여 바스켓 내부로 물이나 소화액을 뿌리는 방식으로 설계 및 제작하였습니다.
3. 개폐장치 작동 - 스텝 모터 : 스텝 모터를 사용하여 소화 장치의 문을 열고 닫는 역할을 수행합니다. 펄스 형태의 입력 전류에 따라 일정 각도로 뢰전하는 스텝 모터는 정밀한 위치 제어가 가능하여 소화 장치의 작동을 정확하게 제어할 수 있습니다. - 자동화 시스템 : 화재 발생 시 전기 신호를 통해 자동으로 소화장치의 문이 열리고, 워터펌프가 작동하여 물이나 소화액을 분사합니다. 이를 통해 사용자는 화재 발생 시 즉각적인 대응이 가능하게 됩니다. 4. 에어프라이어 기능 영향 최소화 : 개발하고자 하는 자동 소화 기능이 에어프라이어의 원래 기능에 영향을 주지 않도록 설계했습니다. 사용자가 에어프라이어를 이용하는 과정에서 소화 시스템이 자동으로 작동하며, 에어프라이어의 사용성이 저하되지 않도록 고려했습니다.
5. 안전성과 신뢰성 보장 : 자동 소화 시스템은 안전하고 신뢰성 있게 작동해야 합니다. 이를 위해 실험과 테스트를 거쳐 시스템의 안정성을 확인하고, 사용자가 신뢰할 수 있는 기술로 개발되는 것을 목표로 하였습니다.
6. 성능 향상 및 최적화 : 시스템의 성능을 지속적으로 개선하고 최적화하여 불꽃 감지의 정확성과 소화 장치의 효율성을 향상시키고자 하였습니다. 이를 통해 화재를 빠르게 감지하고 진압함으로써 화재로 인한 피해를 최소화할 수 있도록 하였습니다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
가. State of art
◇ 에어프라이어
에어프라이어는 주방에서 자주 사용하는 가전제품으로, 고온에서 음식을 조리하기 때문에 화재 사고의 위험이 존재합니다. 에어프라이어는 복사와 대류의 원리를 이용하여 음식을 조리합니다. 복사는 열에너지를 매개체 없이 직접 이동시키는 방식이며, 대류는 기체나 액체 등의 유체가 부력에 의한 상하 운동으로 열을 전달하는 방식입니다. 에어프라이어 내부의 열선이 전기로 약 200˚C 이상의 고열을 발생시키며, 이 열을 에어프라이어 내부에 가둔 채 팬을 빠르게 회전시켜 열풍을 순환시킵니다. 이 과정에서 대기열의 형태로 음식을 빠르고 균일하게 익히게 됩니다.
[그림 3] 에어프라이어 작동 원리
◇ 에어프라이어 기술 발전 현황 및 보급 상황과 문제점 및 전망
에어프라이어는 2010년대 초반에 상용화된 이후, 큰 인기를 끌며 빠르게 발전해왔습니다. 초기 모델은 단일 팬을 사용했으나, 최근에는 듀얼 팬 시스템을 채택해 열을 더 균일하게 분산시키고 조리 시간을 단축시키는 등 기술적 발전이 이루어졌습니다. 또한 프리셋 기능이 추가되어 사용자가 다양한 음식에 맞춘 최적의 조리 조건을 손쉽게 선택할 수 있게 되었습니다. 대용량 모델이 등장하여 가족 단위 사용자들을 위한 선택지도 넓어졌으며, 일부 고급 모델은 Wi-Fi나 블루투스 연결을 통해 스마트폰 앱으로 조리 과정을 제어하고 모니터링할 수 있는 기능을 제공합니다. 심지어 음성 인식 기능까지 도입되어 음성 명령으로 조리 시작, 중지, 설정 변경이 가능해졌습니다.
보급 상황을 보면, 에어프라이어는 미국, 유럽, 아시아 등 전 세계에서 큰 인기를 끌고 있습니다. 특히 건강한 조리 방법을 선호하는 소비자들 사이에서 필수 주방 가전으로 자리 잡았습니다. 필립스, 테팔, 쿠진아트, 샤오미 등 다양한 브랜드가 경쟁하며 시장을 확대하고 있으며, 식당과 카페에서도 에어프라이어를 적극 도입하고 있습니다. 초기에는 고가의 제품이 주류였으나, 현재는 다양한 가격대의 제품이 출시되어 소비자들이 보다 쉽게 접근할 수 있게 되었습니다. 기술이 발전함에 따라 에어프라이어의 사용 편의성과 조리 효율이 높아지고 있으며, 앞으로도 더 많은 혁신과 개선이 이루어질 것으로 예상됩니다. 그러나 에어프라이어의 보급과 함께 화재 사고도 증가하는 문제점이 발생하고 있습니다. 이를 해결하기 위해 저희는 이번 프로젝트를 통해 에어프라이어로 인한 화재를 예방하는 장치를 고안하였습니다.
◇ 적외선 불꽃감지센서
불꽃 감지 센서는 자외선 불꽃 감지, 근적외선 불꽃 감지, 적외선 불꽃 감지, IR3 불꽃 감지 등 다양한 종류가 있습니다. 본 개발 과제에서는 적외선 불꽃 감지 센서를 사용합니다. 불꽃은 초기 발생 시 특유의 연소 특성을 나타내는데, 이때 적외선 감지 센서는 가시광선 영역 이후의 긴 파장대인 4.3㎛±0.2㎛에서 최대 에너지를 방출하는 특성을 이용하여 불꽃을 감지합니다.
적외선 불꽃 감지 센서는 광학적 감도가 높아 매우 정확하게 화재를 인식할 수 있으며, 햇빛에 의한 오작동이 없고 온도, 습도, 안개, 기류의 변화에도 영향을 받지 않는 장점이 있습니다. 이러한 특성을 통해 불꽃 감지 센서는 안정적으로 화재를 감지하고 즉각적인 대응을 가능하게 합니다.
본 프로젝트는 이와 같은 기술적 배경을 바탕으로 에어프라이어 사용 중 발생할 수 있는 화재 사고를 예방하기 위해, 적외선 불꽃 감지 센서와 아두이노 기반의 자동 소화 시스템을 설계 및 개발하는 것을 목표로 합니다. 이를 통해 사용자에게 안전하고 신뢰성 높은 제품을 제공하고, 에어프라이어의 사용 편의성을 극대화 할 수 있습니다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
다. 특허조사 ◇ 화재 위험을 검출하는 조리기기 및 그 제어 방법 (공개특허, 10-2022-0121970)
convert: Image height exceeds user limit in IHDR `/var/www/capstone/mse/images/5/50/위키특허1_알파조.png' @ warning/png.c/MagickPNGWarningHandler/1672.
convert: Invalid IHDR data `/var/www/capstone/mse/images/5/50/위키특허1_알파조.png' @ error/png.c/MagickPNGErrorHandler/1646.
convert: corrupt image `/var/www/capstone/mse/images/5/50/위키특허1_알파조.png' @ error/png.c/ReadPNGImage/4095.
convert: no images defined `/tmp/transform_31e177afe403.png' @ error/convert.c/ConvertImageCommand/3210.
Error code: 1
기존의 조리 기기에는 카메라를 부착하고, 프로세서를 통해 불꽃과 연기를 감지하여 위험이 판단될 경우 앱에 전송하는 기능이 있습니다. 이 시스템은 화재를 감지하는 것 외에도 오븐과 같이 내부 상태를 파악하기 어려운 조리 기기에서 조리 진행 상황을 알 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 이 시스템이 제대로 작동하기 위해서는 추가적인 어플리케이션 설치가 필요하며, 장치가 복잡하여 제조 과정에서 공간 확보에 불리하다는 단점이 있습니다.
◇ 적외선 센서를 이용한 자동 소화 장치 및 그 방법(공개특허, 10-2004-0110290)
적외선 센서를 통해 냉각로 유기용매 표면의 온도 상승 과정을 검출하여 온도 증가율의 변동을 감시하고, 온도 상승이 감지되면 경보를 울리며 이산화탄소를 이용해 화재를 진압하는 장치입니다. 이 특허는 유기용매를 사용하는 분야에서 무색의 불꽃을 검출하여 큰 화재를 예방하기 위한 것입니다. 불꽃이나 연기가 발생하지 않는 상황에서도 화재를 감지할 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 화재 진압에 이산화탄소 가스를 사용하기 때문에 별도의 저장고가 필요하며, 이로 인해 큰 부피와 유지 비용이 소모된다는 단점이 있습니다.
◇ 공동주택의 화재진압용 소방시스템 (공개특허, 10-2020-0161001)
먼저 손잡이 쪽 문이 개방되면 스위치로 전기적 신호를 감지합니다. 그 후 지지부재 안의 지지핀이 탄성력에 의해 분리되도록 합니다. 격침이 소화 밸브의 스위치를 타격하여 밸브가 개방되어 스프링클러처럼 물이 분사됩니다. 이 방법의 경우 열적 신호가 아닌 전기적 신호로 시작되기 때문에 손잡이에 내장할 수 있습니다. 다만 여러 개의 회로가 필요하여 복잡하고 밸브와 호스가 필요해서 많은 공간이 필요할 것으로 보입니다.
◇ 에어로졸 소화기용 자동작동장치 (공개특허, 10-2007-0096821)
화재가 발생하면 유리 벌브가 열을 감지하고 미리 설정한 온도 이상에서 파열됩니다. 유리 벌브가 파열되면 유리벌브를 지지하는 지지부재 안에 있는 지지핀이 스프링의 탄성력에 의해 지지부재로부터 분리됩니다. 이에 의해 격침의 고정이 해제됩니다. 격침이 빠르게 뇌관을 타격하고, 뇌관이 작동됩니다. 이때 뇌관으로부터 작은 화염이 발생하여 점화제를 작동시키고, 점화제에서 큰 화염이 발생하여 에어로졸 발생제를 연소시킵니다. 이 방법의 경우에 복잡한 회로 없이 설계될 수 있으며 에어로졸 발생제는 소형화가 가능하다는 장점이 있습니다. 그러나 유리 벌브가 파열되기 위해서는 열의 영향이 적은 손잡이 내에 내장할 수 없고, 점화제의 큰 화염이 화재를 키울 수 있다는 문제점이 있습니다.
라. 특허전략
◇ 화재가 발생하면 소화액을 통해 신속하게 화재를 진압할 수 있어 가스를 이용하는 기존의 특허에 비해 부피를 줄일 수 있습니다. 또한, 특허 10-2022-0121970에서는 화재가 감지되었음을 경보로 주변에 알리는 것까지만 가능하여 화재를 진압하기까지 추가적인 시간이 필요합니다. 반면, 자동 소화장치를 사용하면 화재 발생 즉시 그 자리에서 바로 진압할 수 있다는 장점이 있습니다.
◇ 특허 10-2022-0121970와 10-2004-0110290에 비교하였을 때 장치가 간단하여 제작과 수리가 쉽다는 장점이 있습니다. ◇ 공동주택의 화재진압용 소방시스템 (공개특허, 10-2020-0161001)과 비교하였을 때 여러 개의 회로가 필요하지 않아 단순하고 밸브와 호스가 필요하지 않아서 공간적으로 효율적입니다. ◇ 에어로졸 소화기용 자동작동장치 (공개특허, 10-2007-0096821)과 비교하였을 때 파열식이 아니라 열의 영향이 적어 손잡이 내에 내장할 수 있고, 점화제의 화염으로 인한 위험성도 낮습니다.
- 기술 로드맵
나. 기술 로드맵
◇ 화재 감지 – 적외선 화재 감지 센서를 통한 디지털 신호 수집 ◇ 개폐 제어 – 디지털 신호를 받아 모터를 정해진 방식의 이동 수행 ◇ 유체 제어 – 워터 펌프를 통한 소화액의 이동 제어
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
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
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
