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문제 정의
- 유리창의 물기를 제거하는 일반적인 스퀴징은 고무와 우레탄 재질을 사용한다. 본 실험에서는 유리창 청소 작업 후 이물질 및 물기 제거에 적합한 스퀴징 재질 선정 및 재질에 따른 물기 제거 상태를 비교 검토 하였다.
- 본 실험에서는 청소 작업 시 적절한 노즐 분사 압력과 오리피스 경 선정을 통하여 세척수 소비량을 최적화를 위한 실험을 추가적으로 수행하였다.
- 본 연구에서는 고층 건물 외벽을 자동으로 청소 하는 세정장치를 개발하는데 있어서, 빌트-인 가이드 방식의 이동 메커니즘에 탑재 가능한 다양한 세정장치를 설계하고 상용화를 위한 기초 연구 및 실험을 통하여 세정장치의 청소 성능을 검증하였다.
- 본 연구에서는 빌트-인 가이드 방식의 이동 메커니즘에 탑재되어 고층 건물 외벽 및 유리창에 대하여 청소 작업을 수행할 수 있는 자동화 기구를 설계하고 청소용 로봇 Tool 의 성능실험을 수행하여 청소 성능을 검토하였다.
제안 방법
- 건물 곡면 부에 장착된 경사진 유리창에 효과적으로 밀착하기 위해 중앙 부분에 베어링을 이용하여 브라켓의 처짐을 방지하고 브러쉬 롤러 가운데 부분에 링크 구조를 적용하여 일정한 각도를 가지며 유리창에 밀착이 가능하도록 설계되었다.
- 건물 내부로부터 공급되는 세척수와 작업자가 소지하고 있는 세제를 외벽에 분사한다. 다음으로 세척수를 이용하여 외벽의 세제를 닦아내고 최종적으로 차량용 와이퍼와 같은 고무 스퀴징 도구를 이용하여 물기를 제거한다. 건물의 준공검사와 같이 외벽의 오염이 적은 경우에는 세제를 사용하지 않고 세척수만 분사한 후, 스퀴징 도구로 마무리하는 경우도 있다.
- 동일한 오염도를 가진 유리창에 대하여 브러쉬 롤러의 회전 속도를 변경하여 청소 상태를 분석하였다. 실험 결과 100 rpm 의 회전 속도로 청소한 결과 유리창의 청소가 거의 이루어지지 않았으며, 200 rpm 의 경우 유리창 표면의 이물질이 완벽하게 제거되지 않았다.
- 현재 유리창 청소 공정에서 많이 사용되고 있는 브러쉬 롤러의 재질은 스펀지, 융, 모 재질이 대부분이다. 따라서 세 가지 타입의 브러쉬 롤러를 제작하여 청소 성능실험을 수행하였다. Fig.
- 청소 작업 후 물기를 제거할 때, 스퀴징이 유리창과 밀착되는 각도에 따라 물기 제거 상태가 다를 것으로 판단하였다. 따라서 추가적으로 스퀴징이 유리창에 밀착하였을 때, 효과적인 물기 제거 상태를 확인하기 위해 스퀴징의 각도에 따른 물기 제거 성능실험을 수행하였다. Table 6 에 스퀴징 각도에 따른 물기 제거 실험 결과를 정리하였다.
- 실험 조건을 동일하게 구현하기 위해 융 재질의 브러쉬 롤러를 이용하였고, 브러쉬 롤러의 회전속도는 500 rpm 으로 고정 시킨 후 실험을 수행하였다. 또한, 두 실험에 사용된 스퀴징 역시 고무재질의 스퀴징을 사용하였고, 노즐의 분사 압력을 달리하여 실험을 수행하였다.
- 오염도가 심한 유리창의 경우에는 오염도가 약한 유리창의 경우보다 더 빠른 회전 속도가 필요하다. 본 실험에서는 브러쉬 롤러의 회전 속도를 변경하여 청소 상태를 확인하였다. 공단지역에서 유리창 세 장을 한 달간 방치한 후 융 재질의 브러쉬 롤러의 회전 속도를 변경하여 실험을 수행하였으며, 실험 결과를 Table 5 에 정리하였다.
- 설계된 청소용 세정장치는 양 끝간에 장착된 기구 장치를 이용하여 빌트-인 가이드형 이동 메커니즘에 장착이 가능하며, 건물 외벽 유리의 청소 작업을 수행할 수 있도록 설계되었다. 청소용 세정장치는 분사용 노즐과 브러쉬 롤러 및 스퀴징으로 구성되었으며, 유리창에 밀착되어 청소 작업을 수행할 수 있도록 전진/후진이 가능한 메커니즘으로 설계되었다.
- 실험 결과를 근거로 건물 외벽 유리창을 효과적으로 청소하기 위한 세정장치의 구성요소를 도출하였다. 청소용 세정장치는 융 재질 브러쉬 롤러를 적용하여 회전 속도 500 rpm 이상으로 동작되어야 한다.
- 실험 방법으로는 상용화되어 있는 노즐을 선정하여 분사압력을 변경하여 위와 같이 동일한 방법으로 청소작업을 수행하고 유리창 상태를 확인하였다. 선정된 노즐은 오리피스 직경이 0.
- 본 연구에서 수행된 모든 성능 실험은 동일한 방법으로 진행되었다. 실험 방법은 청소용 Tool 부 앞 단에 장착된 노즐 부에서 세척수를 분사하고, 브러쉬 롤러와 스퀴징부가 유리창에 밀착하여 브러쉬 롤러의 회전력을 이용하여 유리창을 청소하고, 동시에 브러쉬 롤러 뒷부분에 장착된 스퀴징으로 물기를 제거하는 방법이다. 청소작업이 끝난 후에는 양쪽 끝간에 장착된 공압 실린더를 이용하여 Tool 부를 들어올린 후 원점으로 복귀하도록 구현되었다.
- 실험에 사용된 유리창의 경우 공장 지역에 한달간 보관되어 눈, 비, 먼지와 공장의 폐수, 폐유 등의 환경적인 오염에 쉽게 노출되었고, 이와 같은 유리창에 대해 브러쉬 롤러의 재질에 따른 청소 실험을 수행하였다. 공장 지역에 실험 결과를 Table 2 에 정리하였다.
- 위와 같이 설계된 청소용 세정장치의 성능을 검증하기 위하여 청소용 Tool 의 성능 실험장치를 제작하였다. 제작된 청소용 Tool 성능 실험장치는 브러쉬 롤러 및 스퀴징의 재질에 따른 청소 효율을 검증할 수 있으며, 세척수 노즐의 분사 압력에 따른 세척수 소모량 등을 확인할 수 있도록 제작되었다.
- 이와 같은 구조물로 인하여 청소작업의 완전한 자동화를 실현하기가 어려우며 작업속도 저하로 인한 생산성 저하의 문제가 발생한다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 Fig. 2 과 같이 창틀 간섭을 피할 수 있는 청소용 세정장치를 설계하였다.
- 우레탄 재질의 스퀴징은 폴리우레탄 재질로서 PUR T300 계열을 사용하였으며, 스퀴징의 두께는 30 mm 로서 내열성, 내마모성, 내용제성 및 내약품성이 뛰어나다. 제작된 두 가지 재질의 스퀴징 도구를 이용하여 청소 후 물기 및 오염 물질 제거 상태를 비교하였으며, Table 3 에 도시하였다.
- 설계된 청소용 세정장치는 양 끝간에 장착된 기구 장치를 이용하여 빌트-인 가이드형 이동 메커니즘에 장착이 가능하며, 건물 외벽 유리의 청소 작업을 수행할 수 있도록 설계되었다. 청소용 세정장치는 분사용 노즐과 브러쉬 롤러 및 스퀴징으로 구성되었으며, 유리창에 밀착되어 청소 작업을 수행할 수 있도록 전진/후진이 가능한 메커니즘으로 설계되었다.
- 청소용 세정장치의 작업 성능을 검증하기 위해 청소 공정의 중요한 요소들을 결정하여 성능 실험을 수행하였다. 첫 번째 요소는 브러쉬 롤러의 재질에 따른 청소 성능이다.
대상 데이터
- 융 재질은 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재료로 Nylon 612 계열이며, 반도체 몰드 청소 장비에 사용된다. 모 재질은 폴리에스테르 70%, 폴리아미드 30% 섬유로 구성되었으며, 자동차 세차장비에 많이 사용된다.
- 사용된 고무는 NBR(아크릴로니트릴-부타디엔 함량 18%)재질로 N31 계열의 고무를 사용하였고, 스퀴징의 두께는 30 mm 이다. 사용된 고무는 높은 내마모성이 특징이며 자동차 와이퍼용 재질로 많이 사용된다.
- 실험 방법으로는 상용화되어 있는 노즐을 선정하여 분사압력을 변경하여 위와 같이 동일한 방법으로 청소작업을 수행하고 유리창 상태를 확인하였다. 선정된 노즐은 오리피스 직경이 0.4 mm 이며, 농약 및 세제 등을 안개처럼 분사하는 타입이다. Fig.
- 실험 조건을 동일하게 구현하기 위해 융 재질의 브러쉬 롤러를 이용하였고, 브러쉬 롤러의 회전속도는 500 rpm 으로 고정 시킨 후 실험을 수행하였다. 또한, 두 실험에 사용된 스퀴징 역시 고무재질의 스퀴징을 사용하였고, 노즐의 분사 압력을 달리하여 실험을 수행하였다.
- 제작된 청소용 Tool 성능 실험장치는 브러쉬 롤러 및 스퀴징의 재질에 따른 청소 효율을 검증할 수 있으며, 세척수 노즐의 분사 압력에 따른 세척수 소모량 등을 확인할 수 있도록 제작되었다. 실험용 유리는 실제 건물의 커튼 월에 적용되는 강화 유리를 사용하였다.
- 사용된 고무는 높은 내마모성이 특징이며 자동차 와이퍼용 재질로 많이 사용된다. 우레탄 재질의 스퀴징은 폴리우레탄 재질로서 PUR T300 계열을 사용하였으며, 스퀴징의 두께는 30 mm 로서 내열성, 내마모성, 내용제성 및 내약품성이 뛰어나다. 제작된 두 가지 재질의 스퀴징 도구를 이용하여 청소 후 물기 및 오염 물질 제거 상태를 비교하였으며, Table 3 에 도시하였다.
성능/효과
- 두 가지 재질에 대하여 물기 제거 성능 실험을 수행한 결과 고무 재질의 스퀴징의 경우 청소 후 유리창에 물기가 남아있지 않았으나, 우레탄 재질의 경우에는 청소 후 유리창에 물기가 완전히 제거되지 않았고 유리창에 오염 물질이 남아 있음을 확인할 수 있었다. 위와 같이 고무 재질의 스퀴징이 우레탄 재질보다 물기 제거에 효과적 이었다.
- 44 l/min 임을 알 수 있었다. 또한, 제작된 세정장치의 청소 가능 높이는 1,680 mm 이고, 7 cm/sec 의 속도로 이동하므로 세척수 100 L 를 고려한 세정장치는 시간당 420 m2 의 면적을 청소할 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
- 실험 결과 100 rpm 의 회전 속도로 청소한 결과 유리창의 청소가 거의 이루어지지 않았으며, 200 rpm 의 경우 유리창 표면의 이물질이 완벽하게 제거되지 않았다. 반면에 500 rpm 의 회전속도로 유리창을 청소한 결과 유리창 표면의 청소상태가 양호하다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 오염도가 심한 유리창의 경우 브러쉬 롤러의 회전 속도는 500 rpm 이상이 되어야 한다는 결과를 얻을 수 있었다.
- 동일한 오염도를 가진 유리창에 대하여 브러쉬 롤러의 회전 속도를 변경하여 청소 상태를 분석하였다. 실험 결과 100 rpm 의 회전 속도로 청소한 결과 유리창의 청소가 거의 이루어지지 않았으며, 200 rpm 의 경우 유리창 표면의 이물질이 완벽하게 제거되지 않았다. 반면에 500 rpm 의 회전속도로 유리창을 청소한 결과 유리창 표면의 청소상태가 양호하다는 것을 확인할 수 있었다.
- 실험 결과 이론적 소모량과 실험적 소모량은 다소 차이를 나타냈으며, 노즐의 분사압력이 0.2 kgf/cm2 의 경우 유리창의 이물질이 제거가 되지 않음을 확인할 수 있었고, 0.5 kgf/cm2 의 경우 비교적 청소 상태가 양호함을 확인할 수 있었다. Table 4 에 선정된 노즐을 적용한 분사실험 결과를 정리하였다.
- 아래의 실험 결과에 따르면, 유리창 청소 작업을 수행하기 적합한 노즐의 분사압력은 0.5 kgf/cm2이상이 되어야 함을 확인할 수 있었으며, 노즐을 0.5 kgf/cm2 의 압력으로 세척수를 분사할 경우, 세척수 100 L 를 적용한 세정장치의 운용시간은 약 3 시간 30 분 정도로 산출되었다.
- 두 가지 재질에 대하여 물기 제거 성능 실험을 수행한 결과 고무 재질의 스퀴징의 경우 청소 후 유리창에 물기가 남아있지 않았으나, 우레탄 재질의 경우에는 청소 후 유리창에 물기가 완전히 제거되지 않았고 유리창에 오염 물질이 남아 있음을 확인할 수 있었다. 위와 같이 고무 재질의 스퀴징이 우레탄 재질보다 물기 제거에 효과적 이었다. 실험에 사용된 고무의 경우 경도는 40 ~ 90 이였고, 우레탄의 경도는 55 ~ 100 이였다.
- 스펀지 재질의 브러쉬 롤러의 경우 청소 후 스펀지 오염으로 재사용에 불리하였고, 모 재질의 브러쉬 롤러의 경우에는 청소 후 모 끝간에 부착된 이물질의 제거가 필요하였다. 이와 같은 실험 결과를 바탕으로 건물 외벽 유리창 청소에 가장 적합한 브러쉬 롤러의 재질은 융 재질이 적합함을 알 수 있다.
후속연구
- 향후, 빌트-인 가이드형 방식의 이동 메커니즘과 연계하여 세정장치의 성능을 지속적으로 평가하고, 실제 건물에 적용하여 청소용 세정장치의 내구성 및 안전성 검증 실험을 수행할 예정이다. 또한, 서론에서 문제점으로 제기된 세척수의 회수에 관한 연구와 세척수 회수율 분석 등 상용화를 위한 체계적인 연구를 진행할 예정이다.
- 실험 결과 스퀴징은 양방향으로 각도를 갖는 형태가 물기를 제거하는데 효과적이며, 두 개의 스퀴징을 이용하여 물기를 제거하는 것이 효율적일 것으로 판단되며, 향후 유리창에 직각으로 밀착되어 물기 제거를 실험하여 비교 검토할 예정이다.
- 실험에 사용된 고무의 경우 경도는 40 ~ 90 이였고, 우레탄의 경도는 55 ~ 100 이였다. 이와 같이 특성에 따라 물기 제거에 영향이 있을 것으로 사료되어 향후, 여러 재질과 동일한 경도에 따른 스퀴징을 제작하여 물기 제거에 대한 실험을 수행하고 비교 검증할 예정이다.
- 향후, 빌트-인 가이드형 방식의 이동 메커니즘과 연계하여 세정장치의 성능을 지속적으로 평가하고, 실제 건물에 적용하여 청소용 세정장치의 내구성 및 안전성 검증 실험을 수행할 예정이다. 또한, 서론에서 문제점으로 제기된 세척수의 회수에 관한 연구와 세척수 회수율 분석 등 상용화를 위한 체계적인 연구를 진행할 예정이다.
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