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문제 정의
- 본 논문에서는 편광필름을 이용하여 전자식보다 훨씬 긴 수명과 일반 기계식 보다 뛰어난 빛 차단효율 및 균일하고 연속적인 조도 조절이 가능한 블라인드[2]의 설계를 목적으로 하였다.
- 사회가 현대화 되면서 ECO, 즉 친환경 에너지의 필요성이 크게 증대되고 있다. 본 논문에서는 화학적 에너지를 사용하지 않으면서 효율을 높일 수 있는 시스템과 친환경적이며 비용을 절감 할 수 있는 시스템 개발의 필요성을 가지고 서울학기술대학교 4학년 캡스톤디자인에서 설계 및 제작하고자 한다. 일반 블라인드를 이용한 실내 조도 조절은 수동조작일 뿐만 아니라 창을 통해 들어오는 빛의 균일한 조도조절이 되지 않는다.
제안 방법
- 계전기의 작동 시험은 만약을 대비해 냉난방기를 이용하여 진행 하지 않고 Fig. 15처럼 작은 모터들을 연결하여 시험 작동을 한 뒤에 냉난방기(제품 시연에는 선풍기와 열풍기를 사용했다.)를 연결하였다. Fig.
- 3과 같다. 구동을 위한 기어는 재작 비용을 절감하기 위해 내측 창틀에 기어톱니를 가공하지 않고 타이밍 벨트를 끊어 창틀에 둘러 고정을 시켜 제작하였다. 또한 내부의 편광필름이 부착된 창틀을 구동시키기 위한 모터는 D37R124-33-24를 사용하였으며 모터의 제원[3]은 Table 1과 같다.
- 또한 두 창의 원활한 운동 및 이탈 방지를 위하여 내측 창틀과 외측 창틀에 각각 가이드 레일과 홈 가공을 하였다. 그리고 클러치(Fig. 7)를 이용해 구동부와 창틀을 분리 시켜 창의 개폐가 가능하도록 설계하였다. 제품을 완성하였을 때의 조립도는 Fig.
- 두 개 창틀의 외형은 워터젯(water jet) 가공을 이용하여 원형으로 제작했고, 내부의 공간은 머시닝 센터를 사용하여 파내었으며, 내부의 창이 들어갈 구멍은 레이저 커팅 가공(Fig. 7)을 통해 잘라내었다. 클러치는 범용 밀링을 이용하여 가공을 하였으며 레이저 커팅을 이용하여 기어와 손잡이가 나오는 부분을 가공하였다.
- 만약 최대로 개방을 하여도 설정한 조도 보다 낮을 때에는 형광등을 켜서 실내 조도를 높게 한다. 둘째, 실내 온도를 일정하게 유지하기 위해, 본 시스템에 릴레이를 부착하여 냉, 난방기의 전원을 자동으로 제어 하도록 한다. 이를 통해 쾌적한 실내 환경을 유지하기 위한 에너지소모 중 불필요한 에너지 손실을 최소화 한다.
- 5)로 구성되어있다. 또한 두 창의 원활한 운동 및 이탈 방지를 위하여 내측 창틀과 외측 창틀에 각각 가이드 레일과 홈 가공을 하였다. 그리고 클러치(Fig.
- 16)에서 막대그래프의 형태로 표시하도록 하였다. 또한 블루투스(blue tooth) 칩셋(8)(Fig. 13)을 추가하여 핸드폰이나 노트북등 휴대기기를 이용하여 기기를 제어 할 수 있도록 하였다. 마지막으로 스위치를 추가하여 수동운전이 가능하도록 설계를 하였다.
- 외부에서 유입되는 빛의 양이 편광필름을 최대한 개방을 하여도 설정한 실내 조도보다 낮을 경우 무한으로 돌아가는 문제가 발생하여 일정시간 회전을 하여도 목표 조도 측정값 이상의 큰 측정이 되지 않으면 일정시간 뒤 정지하도록 제어를 하였다. 또한 자동 및 수동 모드를 두어 원하는 상태를 수동으로 조작하여 창을 회전시킬 수 있도록 하였다.
- 13)을 추가하여 핸드폰이나 노트북등 휴대기기를 이용하여 기기를 제어 할 수 있도록 하였다. 마지막으로 스위치를 추가하여 수동운전이 가능하도록 설계를 하였다. 이로써 자동, 원격 그리고 수동모드로 총 3가지의 작동 모드를 구현하도록 하였다.
- 모터제어의 경우 조도센서의 값[4]을 10배 증폭하여 받은 값을 한국표준협회의 규정[5]에 입각하여 실험장소인 연구실의 적정 조도에 근사한 900럭스의 값을 목표치로 설정 하였고 프로그램의 안정화를 위하여 800～1,000럭스를 목표범위로 설정하였다. 또한 조도센서 값이 800럭스 이하이거나 1,000럭스 이상일 때 각각 시계방향 및 반시계방향으로 모터 회전 신호를 내보내게 된다.
- 회로 구성에서 가장 기본적으로 포함될 요소는 빛의 양을 측정할 수 있는 조도센서와 온도를 측정할 수 있는 온도센서 그리고 센서를 통해 들어온 입력 값을 통한 전원조절을 위한 계전기(relay)이다. 본 논문에서는 추가적으로 7세그먼트(seven segment)(Fig. 14)와 액정표시장치(liquid crystal display)를 이용하여 온도 및 조도의 상태를 표시하여 주며, 조도는 LCD패널(Fig. 16)에서 막대그래프의 형태로 표시하도록 하였다. 또한 블루투스(blue tooth) 칩셋(8)(Fig.
- 본 논문에서는 편광필름을 이용하여 자동으로 조도를 조절하는 블라인드를 직접 설계 및 제작하였다.
- 이를 통해 쾌적한 실내 환경을 유지하기 위한 에너지소모 중 불필요한 에너지 손실을 최소화 한다. 셋째, 창문은 기본적으로 열리도록 설계를 하고 온도와 조도 값을 LCD나 7 세그먼트(seven segment)를 이용하여 표시되어 사용자가 쉽게 현재 실내의 조도 및 온도 상태를 파악할 수 있도록 한다. 넷째, 제어는 PID제어로 정밀한 제어가 가능하도록 한다.
- 외부에서 유입되는 빛의 양이 편광필름을 최대한 개방을 하여도 설정한 실내 조도보다 낮을 경우 무한으로 돌아가는 문제가 발생하여 일정시간 회전을 하여도 목표 조도 측정값 이상의 큰 측정이 되지 않으면 일정시간 뒤 정지하도록 제어를 하였다. 또한 자동 및 수동 모드를 두어 원하는 상태를 수동으로 조작하여 창을 회전시킬 수 있도록 하였다.
- 조도센서의 경우 창을 통해 들어오는 빛을 직접 받기 위해 반사판으로 만든 고깔을 씌워 움직이지 않는 외부의 창에 고정시켰다. 이 모든 부품들은 아크릴로 제작을 하였다.
- 마지막으로 스위치를 추가하여 수동운전이 가능하도록 설계를 하였다. 이로써 자동, 원격 그리고 수동모드로 총 3가지의 작동 모드를 구현하도록 하였다.
- 설계 초기 단계에서 다음과 같은 기능들이 필히 적용되도록 설계 하였다. 첫째, 황화카드뮴 조도센서(CdS sensor)를 이용하여 실내 조도를 측정하며, 편광 필름 두 장의 각도를 변경하면서 조도를 조절한다. 만약 최대로 개방을 하여도 설정한 조도 보다 낮을 때에는 형광등을 켜서 실내 조도를 높게 한다.
- 7)을 통해 잘라내었다. 클러치는 범용 밀링을 이용하여 가공을 하였으며 레이저 커팅을 이용하여 기어와 손잡이가 나오는 부분을 가공하였다. 이모든 가공은 학교 러닝팩토리에서 직접 가공하였다.
대상 데이터
- 구동을 위한 기어는 재작 비용을 절감하기 위해 내측 창틀에 기어톱니를 가공하지 않고 타이밍 벨트를 끊어 창틀에 둘러 고정을 시켜 제작하였다. 또한 내부의 편광필름이 부착된 창틀을 구동시키기 위한 모터는 D37R124-33-24를 사용하였으며 모터의 제원[3]은 Table 1과 같다. 모터의 구동축과 작용지점인 창틀과의 구조가 90°의 각도를 가지고 있어 베벨기어를 통하여 동력을 전달하였다.
- 본 논문에서 사용된 제어기는 ATmega128이며, 가장 핵심이 되는 조도에 따른 모터와 형광등 제어 그리고 온도에 따른 냉, 난방기 제어 프로그램은 Fig. 9와 같이 프로그래밍을 하였다. Fig.
이론/모형
- 또한 펄스 발생방식은 정상펄스폭변조[7](phase correct PWM) 방식을 채택하였다. PWM은 펄스폭변조(pulse width modulation) 의 준말로 펄스의 충격계수(duty ratio)를 조정하는 방법을 말한다.
- 주파수 대역이 넓어서 주파수가 빠른 펄스폭변조방식보다 절반이 된다. 정밀한 제어를 위해 분해능 높은 정상펄스폭변조방식을 채택하였다.
- 제어 방법은 비례미적분제어[6](proportional integral differential control)를 사용하였으며 비례미적분제어는 실제 목표 값에 가깝게 제어 량을 가져갈 수 있지만, 외란에 의한 채터링(chattering)이 발생하여 목표 값까지는 일정한 시간이 필요하다. 이는 외란에 대해 편차를 보고, 전회 편차와의 차가 큰 경우에는 조작 량을 많이 하여 기민하게 반응하도록 한다.
성능/효과
- 넷째, 전기식블라인드(smart glass)에 비해 저렴한 가격을 목표로 하였지만 본 제품은 시제품으로써 양산체제가 갖추어진 전기식 블라인드와 이시제품의 제작 단가를 비교하는 것은 무리로 보이며 추후 보완점을 개선한 설계의 양산 계획을 이용해 제작 단가를 비교하는 것이 바람직 할 것으로 보인다. 다섯째, 회로 설계 시 주의할 점은 다수의 회로가 뒤엉켜서 발생되는 노이즈로 인해 유기적으로 정확한 동작을 원활히 작동시키는데 많은 시간이 소요되었다. 그러므로 노이즈를 최소화하는 회로설계를 해야 할 것이다.
- 9%의 빛 차단률을 보였으나 기계식 블라인드의 경우 80%, 암막 롤 블라인드의 경우 90%의 차단률을 보였다. 이를 통해 기존의 기계식블라인드에 비하여 높은 빛 차단률을 보임을 알 수 있었다. 전기식 블라인드(smart glass)보다 자연스러운 조도 변화량을 보여주었다.
- 캡스톤디자인 과목에서 제작한 작품은 편광필름의 특성상 99.9%의 빛 차단률을 보였으나 기계식 블라인드의 경우 80%, 암막 롤 블라인드의 경우 90%의 차단률을 보였다. 이를 통해 기존의 기계식블라인드에 비하여 높은 빛 차단률을 보임을 알 수 있었다.
- 현재 본 작품은 사각형 창에 적용시키는 것은 기술적으로 불가능하므로 외관을 다듬어 인테리어용 기능성 창으로 활용이 가능하다. 또한 모터로 구동되므로 실내에서 사용되는 기타 전자제품에 비해서 큰 소음이 발생하므로 모터박스의 방음처리도 중요할 것이다.
후속연구
- 이를 보완하기 위해서 외부 창틀에 롤러를 장착하여 롤러로 내부 창틀의 이탈을 막으면서 원활한 회전을 하도록 하는 것이 더욱 효과적일 것으로 판단된다. 넷째, 전기식블라인드(smart glass)에 비해 저렴한 가격을 목표로 하였지만 본 제품은 시제품으로써 양산체제가 갖추어진 전기식 블라인드와 이시제품의 제작 단가를 비교하는 것은 무리로 보이며 추후 보완점을 개선한 설계의 양산 계획을 이용해 제작 단가를 비교하는 것이 바람직 할 것으로 보인다. 다섯째, 회로 설계 시 주의할 점은 다수의 회로가 뒤엉켜서 발생되는 노이즈로 인해 유기적으로 정확한 동작을 원활히 작동시키는데 많은 시간이 소요되었다.
- 셋쩨, 내부 창틀의 고정 및 이탈을 방지하기 위해 외부 창틀에 레일을 만들고 내부 창틀에 홈을 파서 가이드 역할을 하도록 하였으나, 가공 오차로 인한 진원도가 너무 낮아 원활한 작동이 힘들어 수작업으로 많은 수정을 하였다. 이를 보완하기 위해서 외부 창틀에 롤러를 장착하여 롤러로 내부 창틀의 이탈을 막으면서 원활한 회전을 하도록 하는 것이 더욱 효과적일 것으로 판단된다. 넷째, 전기식블라인드(smart glass)에 비해 저렴한 가격을 목표로 하였지만 본 제품은 시제품으로써 양산체제가 갖추어진 전기식 블라인드와 이시제품의 제작 단가를 비교하는 것은 무리로 보이며 추후 보완점을 개선한 설계의 양산 계획을 이용해 제작 단가를 비교하는 것이 바람직 할 것으로 보인다.
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