[41호]Wearable 미세먼지 측정 자전거 헬멧 Good! : Get out of Dust!

2016 ICT 융합 프로젝트 공모전 입선

Wearable 미세먼지 측정 자전거 헬멧

Good! : Get out of Dust!

글 | 고려대학교 강병욱, 김도형, 송명근, 원준현, 장재현

심사평

JK전자 작품 구현의 완성도는 좋아 보입니다. 하지만 미세먼지 측정을 자전거 헬멧에 구현하는 것이 실용적인지는 한 번 생각해보아야 할 것 같습니다. 스마트폰만 켜도 기상청에서 제공하는 데이터로 바로 미세먼지 농도를 알 수도 있고, 헬멧이 아니더라도 항상 휴대하기 간편한 형태로 구현을 했으면 어떨까 합니다.

뉴티씨 매우 간단한 아이디어이지만 구현을 완료하였고, 또한 실용적으로 현재 매우 필요한 작품으로 보인다. 자전거 인구가 급증하고 있고, 또한 오토바이를 타는 사람들도 매우 많아져서, 현재의 미세먼지 농도를 안다면 적절히 조치하여 개인의 건강에 도움을 주게 될 것으로 생각한다.
바로 상품화를 진행하여도 좋은 아이디어로 생각된다.

칩센 아이디어는 재밌지만 미세먼지를 측정하는 순간 집으로 들어갈 것 같다. 운동을 시작하기 전 결정되어야 하지 않을까 싶다.

위드로봇 전체적인 기술 구현에 필요한 난이도는 높지 않아도 하나의 동작하는 시스템으로 구현하는 전체적인 완성도가 무척 뛰어난 작품입니다. 헬맷으로 1차 인터페이스를 사용하고, 스마트폰을 2차 인터페이스로 택하여 필요에 따라 정보를 사용자가 선택할 수 있도록 한 점이 훌륭합니다. 평균 수치가 로깅이 되어 활용할 수 있도록 한 점도 추후 IoT 관점에서 다양하게 활용할 수 있을 것 같습니다.

1. 작품 제목
Wearable 미세먼지 측정 자전거 헬멧 Good! : Get out of Dust!

2. 작품 개요
사용대상 : 자전거 운전자, 오토바이 운전자, 공사장 인부 등 헬멧을 착용하고 야외활동을 하는 사람.
배경 : 다음 기사에서 볼 수 있듯이 최근 미세먼지 문제가 큰 이슈가 되고 있으며, 각종 질병을 유발하는 등 인체에 치명적인 것을 알 수 있습니다.

(자료1)에서 볼 수 있듯이, 최근 중국발 미세먼지에 의해서 한국의 미세먼지 수치가 세계기준의 두 배인 것을 알 수 있습니다. 또한 (자료2)에서 는 미세먼지로 인한 천식, 비염, 아토피의 연도별 유병률이 점점 증가하고 있는 것을 알 수 있습니다. 이런 상황에서도 건강을 위해 자전거를 이용하는 인구는 점차 증가하는 추세입니다. 이렇게 야외활동을 하는 사람들이 미세먼지를 흡입함으로서 피해를 입는 것을 줄이고자 아이디어를 제안하게 되었습니다.
예상효과 및 활용방안 : 자전거 헬멧 뒤편에 미세먼지 센서를 부착하여 미세먼지의 농도를 측정하고 앞부분에 부착된 LED를 통해 운전자에게 현재 수치를 알려줍니다. 또한 스마트폰으로 데이터를 전송하여 실제 수치를 확인할 수 있으며, 미세먼지 농도가 나쁨 수치에 도달하였을 때 푸쉬 메시지와 알람이 울리도록 하였습니다.

3. 작품 설명
3.1. 주요동작 및 특징
3.1.1. 주요기능
하드웨어 시스템에서 미세먼지 센서로 미세먼지 농도를 측정하여 UART 통신으로 MCU로 데이터를 전송해 기상청 발표기준(0~30㎍/㎥인 경우 초록색, 31~80㎍/㎥인 경우 노란색, 81~150㎍/㎥인 경우 빨간색, 150㎍/㎥ 이상인 경우 2개의 빨간색) LED를 켜줍니다. 동시에 데이터를 블루투스 통신을 통해 스마트폰 어플리케이션으로 전송하여, 스마트폰에서 실제 수치를 확인하고, 나쁨 수치에서 푸쉬 알림을 통해 알려줍니다. 아래는 그림을 통하여 한 눈에 주요 기능을 파악할 수 있도록 나타낸 것입니다.

① 1단계에서는 MCU에서 미세먼지 센서로 측정값을 보내라는 command를 보내면, 센서에서 측정값을 Response합니다.
② 2단계에서는 측정된 값에 따라 LED를 다르게 켜주고, 값을 Bluetooth 모듈로 전송합니다.
③ 3단계에서는 Bluetooth에서 전송받은 데이터를 스마트폰 어플리케이션으로 전송합니다.
④ 스마트폰 어플리케이션은 그 데이터를 전송받아서 화면에 표시해주고, 측정값이 일정값 이상으로 올라갔을 때 푸쉬 알림을 받게 하여 사용자에게 알립니다.

3.1.2. 부가기능
부가기능으로 자전거를 타면서 필요한 정보, 예를 들면 날씨, 오존 농도, 자외선 농도를 함께 표시해주도록 하였습니다.

3.2. 전체 시스템 구성
2개의 UART 통신이 가능한 하드웨어 보드인 ARM-Cortex M3와 미세먼지 센서를 활용하여 회로를 구성하였습니다.

전체적인 시스템을 System Schematic로 그려 보았습니다. 미세먼지 센서에서 UART 통신을 통하여 MCU(ARM Cortex – M3)로 데이터를 전송하고, MCU는 UART 통신으로 Bluetooth 모듈로 전송합니다. 그리고 블루투스 통신을 통하여 스마트폰 어플리케이션으로 데이터를 전송하며, 그 정보를 데이터베이스 서버에 저장합니다. 이를 통해 부가적인 정보와 함께 미세먼지 수치를 알려주는 것입니다.

3.2.1. ARM Cortex -M3 시스템

위 사진은 실제 테스트 중인 시스템을 찍은 사진으로, 사진 아래쪽에 향 연기를 피워 인위적으로 미세먼지 농도를 높여준 것을 볼 수 있습니다.

착용하게 되면 위의 사진과 같이 현재의 미세먼지농도 수치를 LED를 통해 ‘좋음/보통/나쁨/매우 나쁨’의 4가지 상태로 알 수 있습니다. 자전거 운전자는 스마트폰을 이용하지 않고도 자신이 운전 중인 도로의 미세먼지수치를 파악할 수 있습니다. 스마트폰 어플리케이션에서 블루투스로 전송받은 측정 수치를 확인하는 것도 볼 수 있습니다.

3.2.2. 스마트폰 어플리케이션

3.3. 개발 환경

Hardware
· MCU: ARM-Cortex M3
· OS: Windows8
· Tool: IAR Embedded Workbench
· Language: C/C++

Software
· OS: Windows10
· Tool: Android Studio
· Graphic: Photoshop
· Language: JAVA(Android)

4. 단계별 제작 과정
4.1. 하드웨어 회로 구성

4.1.1. ① 5V, 3.3V 출력 전원부 구성

위와 같이 회로를 구성하여 7V~40V 입력으로 5V를 출력하였습니다.
1117C를 사용하여 5V입력으로 3.3V를 출력하였습니다.

4.1.2. ARM Cortex M3 구성
블루투스 모듈에 UART1을 사용하기 위하여, TX/RX 각각 A포트 핀9번, 10번을 사용하였습니다.
미세먼지 센서에 UART2를 사용하기 위하여 TX/RX 각각 A포트 핀2번, 3번을 사용하였습니다.
4개의 LED에 신호를 주기 위하여, D포트 0번, 1번, 2번, 3번을 사용하였습니다.

4.1.3. 블루투스 모듈 구성

1. GND
2. VCC에 3.3V 연결
3. STATUS에 LED 연결
7. 블루투스 TX에 ARM- UART1 RX(A10)연결
8. 블루투스 RX에 ARM- UART1 TX(A9)연결

4.1.4. 미세먼지센서 구성

1. GND
2. TX에 ARM- UART2 RX(A3)연결
3. 5V
5. RX에 ARM-UART2 TX(A2)연결

5.참고문헌

위 3개의 도서와 구글에서 검색한 오픈 소스코드를 참고하여 시스템을 구현하고 안드로이드 어플리케이션을 개발하였습니다.

6.부품목록

7. 소스코드
추가설명이 필요한 부분은 주석으로 설명을 달았습니다.

[41호]휴대용 미세 섬유 제작 장치

2016 ICT 융합 프로젝트 공모전 입선

휴대용 미세 섬유 제작 장치

(Portable electrospinning device and fine fiber)

글 | 충남대학교 홍성욱, 김일적, 이현우, 정진우

심사평

뉴티씨 매우 생소한 분야라 평가하기 어려우나, 전기 방사를 통하여 미세 섬유를 제작 가능하다는 것을 확인하였다는데 의미가 있으며, 소형화된 휴대 장치를 만들어 응급지혈 등에 사용할 수 있도록 한 점이 돋보인다. 실제로 사용 가능하도록 기능을 개선하고, 좀 더 빠른 시간에 많은 양이 생성될 수 있도록 한다면 좋은 제품을 사용될 수 있을 것으로 보인다. 상대적으로 높은 점수를 주었다.

칩센 보고서 상 내용처럼 지혈 등 응급조치에 사용할 수 있게 되면 큰 기대가 될만한 작품이다. 현실의 스파이더맨이 될 수 있지 않을까 싶다.

위드로봇 제작한 작품에서 가장 중요한 부분 중에 하나가 고전압 증폭 회로인데 이 부분에 대한 설명은 보고서에서 찾기 어려웠습니다.

1. 작품 제목
휴대용 미세 섬유 제작 장치 (Portable electrospinning device and fine fiber)

2. 작품 개요

전기 방사란 고분자용액에 고전압을 가하여 그 고분자의 성질을 갖는 미세 섬유를 제조하는 공정이고 이를 위한 장치가 전기 방사 장치다. 전기 방사 장치는 <그림 1>에서 나타낸 것처럼 크게 고전압 전원, 원료 분출부 그리고 섬유를 수집하는 집진판의 3가지로 이루어진다. 고분자 용액 등 전기 방사의 원료 용액을 원료 분출부로 토출시키면 표면장력에 의해 오른쪽 그림과 같이 둥근 형태로 팁 끝에 맺히게 된다. 이때 팁에는 +, 집진판에는 -극을 연결해 고전압을 가하게 되면 둥근 모양이 뾰족한 테일러 콘(Taylor cone) 형태를 띠게 되면서 용액간의 전기적 반발력을 갖게 된다. 이때 반발력이 용액간의 표면장력보다 커지게 되면 용액이 삐져나와 방사되고 연신되어 섬유가 된다. 방사된 섬유는 반대 극성을 띤 집진판에 끌려가 모이게 된다.

전기 방사는 상대적으로 간단한 방법으로 수 마이크로미터에서 수십 나노미터 두께의 미세 섬유를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 전기 방사를 통해 얻은 미세 섬유는 필터, 의학 분야 등 다양한 분야에서 사용 가능하다.

하지만 기존의 전기 방사 장치는 장비의 부피와 무게가 크고 가격이 비싸며 유선 전력원을 필요로 하는 단점을 가지고 있다. 이 단점들의 원인이 되는 것은 고전압 전원 공급 장치(High-voltage power supply)이다. 고전압 전원 공급 장치는 질량과 부피가 크며, 가격이 비싸다. 다르게 말하면, 고전압 전원 공급 장치를 개조하거나 대체할 수 있다면 저렴하면서 작고 가벼운 전기 방사 장치를 만들 수 있다는 것이다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 기존의 고전압 전원 공급 장치를 건전지와 고전압 증폭 회로로 대체하는 방법을 생각했다. 수 V의 전압을 수 kV의 전압까지 증폭시킬 수 있는 고전압 증폭 회로를 이용하여 건전지의 작은 전압을 전기 방사에 필요한 만큼 증폭시키는 방법이다. 건전지와 고전압 증폭 회로는 고전압 전원 공급 장치에 비해 크기나 무게가 현저히 작고 저렴하면서도 전기 방사에 필요한 만큼의 고전압을 얻을 수 있다. 또한 건전지를 이용하므로 휴대가 가능하고 단순히 건전지를 교체하는 방법으로 반영구적인 사용이 가능하기 때문에, 이 방법을 사용하면 기존 장치의 문제점들을 해결할 수 있다.

가격이 저렴하고 휴대가 편리한 전기 방사 장치가 개발되면 일상생활에서 시간과 장소에 구애받지 않고 사용 가능할 것이다. 또, 응급 지혈 장치, 특수 환경에서 사용하는 자외선 차단제, 제습제 등 고분자용액의 종류와 특징에 따라 다양한 용도로 사용 가능할 것으로 예상된다. 또한 <그림2>에서 확인할 수 있듯이 선행 기술 검색결과 1910건의 전기 방사 관련 특허 중 전기 방사 장치에 관련된 특허는 174건(9%)으로 검색되었고, 이들을 세밀하게 조사했지만 휴대성과 관련된 특허는 발견되지 않았다. 휴대성과 관련된 전기 방사 장치에 대한 기술은 전무하므로 우리가 만든 이 장치는 상당한 독창성을 가지고 있다.

3. 작품 설명
3.1. 주요 동작 및 특징
본 장치는 전기 방사 장치에 휴대성을 부여한 장치로서 아래와 같은 특징을 가진다.

1. 건전지와 고전압 증폭 회로를 사용하여 저렴하게 전기 방사 장치 제작 가능
2. 건전지와 고전압 증폭 회로를 사용함으로써 부피와 무게가 작아 휴대 용이
3. 건전지를 교체하여 반영구적으로 사용가능
4. 고분자 용액의 종류와 특징에 따라 다양한 용도로 사용가능
5. 점도를 조절하여 섬유의 두께 조절 가능
6. 주사기를 탈착하는 방식으로 교체시 별도의 연결 과정이 없어 고분자 용액 변경 편리
7. 저항을 이용해 전류가 몸을 흐르지 않으면서 몸이 콜렉터 역할을 하도록 함
8. 사람의 손 크기에 맞춰 제작하여 손에 쥐기 편함
9. 스위치로 간편하게 ON/OFF 가능

3.2. 전체 시스템 구성
전체적인 시스템의 구성은 <그림 3>의 블록도로서 표현할 수 있다. 전체적으로 전원 장치, 고전압 증폭 장치, 원료 용기, 원료 방출부, 안전장치로 구성되어 있다. 우선 전원 장치에서 수 볼트의 전압이 공급된다. 이때 공급되는 전압은 전기 방사를 일으키기에 부족하므로 고전압 증폭 장치를 거쳐 5~10kV의 고전압으로 증폭된다. 증폭된 전압의 +극은 원료 방출부에, -극은 안전장치에 연결되고 안전장치를 통하여 사용자와 연결되게 된다. 사용자는 -전하를 가지고 있고 원료 방출부는 +전하를 가지고 있게 되므로 전기 방사의 조건은 충족되게 된다. 이때 원료 용기에서 원료 방출부로 원료가 방출되면, 원료는 고전압에 의해 테일러 콘(Taylor cone) 형상을 띠면서 전기적 반발력에 의해 방사되어 미세 섬유를 얻을 수 있게 된다.

3.3. 개발 환경
개발 프로그램
· SolidWorks 2014
· COMSOL Multiphysics 5.0
· ANSYS 15.0

제작 장치
· 3D 프린터(PMS Engineering, MD-270)

측정 장치
· Fluke-116 Multimeter
· 80K-40 High voltage prove

4. 단계별 제작 과정
4.1. 구상 단계
앞에서 설명했듯이 전기 방사 장치는 크게 고전압 전원, 원료 분출부 그리고 섬유를 수집하는 집진판의 3가지로 나누어진다. 우리는 기존의 장치에 휴대성을 부여하기 위해서 고전압 증폭장치, 전원 공급 장치, 원료 보관 용기, 안전장치로 장치를 구성하도록 설계하였다.
고전압 증폭 장치로는 고전압 증폭 회로를 사용하기로 했고 여러 종류의 회로를 구매하고 실험을 통해 가장 전기 방사가 잘 이루어지는 회로로 채택하기로 하였다. 전원 공급 장치로는 가장 쉽게 구할 수 있으면서도 작고 가벼운 건전지를 선택했다. 부피를 작게 하기위해 AAA 건전지를 채택하였고 3V의 전압을 출력하기 위해 건전지 2개를 사용하도록 했다. 원료 보관 용기로는 1ml 주사기를 사용하였다. 전기 방사에 사용되는 고분자 용액의 특성상 용기와 바늘 팁을 자주 교체해주어야 하므로 용량이 작으며 저렴하고 쉽게 교체 가능한 1ml 주사기를 채택하였다. 안전장치는 전기적인 안전장치와 물리적인 안정장치 이렇게 두 가지를 고려해 설계하였다.

4.2. 실험 단계
(1) 실험 방법
설계를 하는데 있어서 어떠한 고전압 증폭 회로를 사용할건지는 우리가 가지고 있던 큰 문제 중 하나였다. 우리는 이 문제점을 해결하기 위해서 시중에서 판매하는 다양한 고전압 증폭 회로를 직접 구입하여서 이것을 실험하는 방법으로 문제를 해결하였다.
실험은 고전압 증폭 회로를 선택하기 위해서 고전압 증폭 회로의 스펙 상 전압과 실제로 3V를 가했을 때 실측 전압이 어떻게 다른지를 알아보는 실험A, 실험A의 결과로 선택한 고전압 증폭 회로를 이용하여 실제로 전체 회로를 구성하였을 때 전기 방사가 제대로 되는지 알아보는 실험B를 실시하였다.

(2) 실험A – 고전압 증폭 회로 전압 측정 실험
실험에 들어가기에 앞서서 시중에서 파는 여섯 종류의 예비 후보 군을 선정하여서 구매한 후에 실험을 하였다. 예비 후보 군을 정한 기준은 고전압 증폭 회로의 크기와 출력 전압이다. <그림 4>와 같이 6종류의 회로에 대해 실험하였다. 스펙 상 출력 전압은 A. 7kV, B. 40kV, C. 60kV, D. 80kV, E. 400kV, F. 600kV이다. 건전지 2개가 약 3V의 전압을 낼 수 있을 것이라고 가정하여서 Power supply의 입력 전압은 3V로 하였다.

<그림 5>와 같이 회로를 구성하였다. (a)는 실제 구성한 회로의 모습이고 이를 (b)와 같이 간단한 회로도로 나타내었다. 증폭 회로에 의해서 증폭된 고전압을 Fluke-116 Multimeter, 80K-40 High voltage prove를 이용하여서 측정하였다. Power supply 말고 실제로 사용할 건전지를 이용하여서도 위와 같은 회로를 구성하여서 실험을 해보았다.

실험 결과는 <표 1>과 같다. A회로를 제외하면 스펙 상 출력 전압과 실측 출력 전압이 크게 차이가 났으며 전원 공급 장치와 건전지의 차이도 컸다. 전원 공급 장치를 이용했을 때가 건전지를 이용했을 때보다 출력 전압이 더 컸다. F 증폭 회로의 경우 건전지로도 5kV의 출력 전압을 나타내어 전기 방사에 충분할 것이라 예상되었다.

(3) 실험B – 회로 별 전기 방사 실험

<그림 6>과 같이 회로에 따른 전기 방사 여부를 알아보기 위한 실험을 진행하였다. 전원의 종류에 따른 차이점을 비교해보기 위해 안정된 전원 공급 장치인 경우(Power supply)와 AAA건전지 2개인 경우로 나누어 실험을 진행하였다. 입력 전압은 3V이며 방사 거리는 10cm이고 방사 시간은 30초로 정하였다. 실험결과는 아래와 같다.

회로별로 전기 방사한 모습을 <표 2>에 나타내었다. 전원 공급 장치로 전압을 증폭 시켰을 때 모든 회로가 전기 방사가 고르게 잘 되는 것을 볼 수 있다. 그리고 건전지를 이용했을 때는 F증폭 회로만 전기 방사가 제대로 되는 것을 볼 수 있었다. D와 E회로의 경우에는 건전지를 이용했을 때 용액이 직선으로 분출되며 제대로 방사가 되지 않는 것을 볼 수 있었다.
고전압 증폭 회로 전압 측정, 전기 방사 두 가지 실험을 종합했을 때, 출력 전압이 5kV이상일 경우에 전기 방사가 되는 것을 알 수 있었다. 전원 공급 장치를 이용하였을 때는 모든 회로의 출력 전압이 5kV 이상이었고 전기 방사가 정상적으로 되었다. 하지만 건전지 이용 시 출력 전압이 5kV이하인 경우(회로 B, C) 전기 방사가 전혀 되지 않았고, 3~4kV일 경우(회로 D, E) 용액에 실처럼 분출되는 현상을 보이며 전기 방사가 제대로 되지 않았다. 또 출력 전압이 크면 클수록 방사 범위가 넓어지는 것을 알 수 있다(<표 2>의 전원 공급 장치 사용 시). 결론적으로, 회로 F가 AAA건전지 2개를 사용하는 휴대용 전기 방사 장치를 제작하기에 가장 알맞은 회로임을 알 수 있고 이를 이용하면 AAA건전지를 2개만 이용하는 휴대용 전기 방사 장치를 제작할 수 있다.

4.3. 장치 설계 단계 (3D모델링)
Solidwork 2014를 이용해 휴대용 미세섬유 제작 장치를 만들기 위한 3D 모델링을 하였다. 각 구성부 부품의 크기를 고려해 최대한 작으면서 전기방사가 가능하도록 만들었다. 또한 이 단계에서 고려한 것은 3D 프린터의 제작 한계이다. 몇 번의 시행착오를 거친 결과 3D 프린터가 2mm 이하에서는 정확하게 제작이 힘들다는 것을 파악하였고 이를 항상 고려하면서 모델링을 하였다.
본 단계에서는 각 파트를 3D 모델링 한 것을 소개함과 동시에 파트들의 부분적인 기능들에 대해서 설명하도록 하겠다.

4.3.1. 전체적인 크기 및 디자인 설정
휴대용으로 활용하기 위해 20대 남성의 평균 손길이(손바닥직선 길이)를 고려하였다. 한국기술표준원의 “제5차 한국인 인체 치수조사사업 보고서”를 통해서 조사해보았을 때 우리가 예상 사용자로 설정하고 있는 20대 남성의 평균 손바닥직선 길이는 105.59mm이었다. 우리는 이러한 점을 고려하여 평균 손사이즈를 가진 사람은 물론 작은 손사이즈를 가진 사람도 한손에 쥘 수 있게 하기위하여 한 손에 쥘 수 있는 크기 68mm × 121mm × 50mm 로 CAD 디자인을 설계하였다.

<그림 7>에서 볼 수 있듯이 손으로 작동하기 편하도록 전체적으로 유선형 디자인을 채택하였으며 몇 번의 제작을 통하여 최적의 모델을 얻을 수 있었다. 케이스는 총 3가지 부분으로 분리하여서 <그림 8>에서 볼 수 있듯이 원료 용기가 들어가는 부분은 매번 교체가 필요한 부분이므로 케이스를 여닫이가 편하게 자석과 돌기를 이용하여 고정할 수 있게 하였고 나머지 부분은 케이스에 나사를 이용하여 고정할 수 있도록 설계하였다.

4.3.2. 전원 장치

<그림 9>의 (a)는 전원 장치인 AAA건전지 2구 홀더를 도면으로 나타내고, (b)는 접지판의 도면, <그림 10>은 전체적인 구조를 나타낸다. 본 제품에서는 건전지 2개를 사용하여 3V의 전압을 출력하고, 이를 고전압 증폭장치에서 증폭하여 수 kV의 전압을 출력해 전기 방사를 일으키는 방법을 사용한다.

전원 장치로는 건전지, 이차전지, 슈퍼 캐패시터, 연료전지, 태양전지, 무선충전기술 등 여러가지 방식을 사용할 수 있지만, 이 모델은 최대한 간단하면서도 좋은 휴대성을 지닌 건전지를 이용하였다. 더 많은 건전지를 담을 수 있는 홀더를 사용하면 그만큼 더 높은 고전압을 사용할 수 있지만 그만큼 전체적으로 크기가 커지게 된다. 따라서 현재 모델은 AAA건전지를 2개만 사용함으로써 최대한 크기를 작게 하면서도 고전압 증폭 회로를 통해 원하는 만큼의 고전압을 얻을 수 있도록 하였다.

건전지를 이용하기 때문에 가벼워 휴대하기에 알맞다. 또 수시로 교체가 가능하기 때문에 여분의 건전지만 있다면 반영구적으로 사용 가능하다. <그림9>의 (b)에서 나타낸 접지판은 <그림 10>에서 나타낸 것과 같이 사용자의 손에 닿아 제품의 회로를 완성하고, 증폭된 전압의 -극을 접지시켜 전기 방사가 계속되도록 하는 역할을 한다. 접지판으로는 전도성이 좋은 금속 물질을 사용하거나 전도성이 좋은 물질로 포장된 다른 물체를 사용할 수 있다.

4.3.3. 고전압 증폭 장치

<그림 11>은 앞에서 실험을 통하여 선정한 고전압 증폭 회로(下)를 도면과 사진으로 나타낸 것이다. 고전압 증폭 장치란 10V 미만의 전압을 1kV 이상의 전압으로 증폭시키는 장치를 말한다. 고전압 증폭 회로는 입력된 전압을 수백 내지 수천 배 증폭시킨다. 본 제품에서 사용하는 회로는 건전지로부터 3V의 전원을 공급받으면 고전압 증폭 회로 내에서 약 5kV 전압으로 증폭시킨다. 증폭된 전압은 +극은 원료 방출부에, -극은 안전장치에 연결되고 앞에서 설명한 것처럼 전기 방사가 이루어진다. 고전압이 흐르기 때문에 안전을 위해 플라스틱 케이스로 보호되어있다.

4.3.4. 원료 용기

원료의 용기는 제작하고자 하는 섬유의 원료가 되는 용액을 보관하는 용기를 말한다. 원료의 용기로는 주사기, 플라스틱 용기, 금속 용기 등 다양한 용기가 사용될 수 있다. 원료가 고체일 경우에는 별도의 용기없이 바로 사용될 수 있지만 이 모델의 경우에는 고분자 용액을 사용하기 때문에 액상의 원료를 담을 수 있는 주사기를 이용한다. 주사기는 간단하게 용액을 담을 수 있고 교체가 용이하며 피스톤을 눌러 원료를 조금씩 방출해 팁 끝에 맺히도록 할 수 있기 때문에 적합한 용기라고 할 수 있다. <그림 12>는 원료 용기를 디자인한 그림이다.

4.3.5. 원료 방출부 및 원료 방출부 안전장치

원료 방출부는 말 그대로 섬유의 원료가 방출되고 고전압이 연결되어 전기 방사가 이루어지는 부위를 말한다. 여러 가지 원료 방출부가 있을 수 있지만 이번 모델에서는 금속으로 이루어져 있으면서 원료가 맺힐 수 있는 구조로 이루어진 바늘 팁을 원료 방출부로 선택했다. 보통의 바늘은 끝이 뾰족한 형태로 되어 있는데 그렇게 될 경우 바늘 끝이 사선으로 되어 전기 방사의 방향을 컨트롤하기 어렵고 제대로 테일러 콘이 형성되지 않을 수 있기 때문에 끝이 평평한 바늘 팁을 사용한다. 주사기 피스톤을 눌러 바늘 끝에 약간의 원료가 맺히도록 하면 고전압에 의해 원료가 테일러 콘 형상을 띠고 전기적 반발력에 의해 전기 방사가 이루어지게 된다. <그림 13>은 원료 방출부를 디자인한 모델이다.

설계 과정에 있어서 원료 방출부 안전장치의 직경은 미세 섬유의 안정적인 출력을 위해서 중요하게 생각했던 요소였다. 초기 설계시 원료 방출부 안전장치의 지름을 2mm로 설계하였는데, 케이스로 구성될 재질의 플라스틱(PLA, Polylactide Acid)과 전기장 간섭이 일어나 안정장치가 없을 때의 전기방사보다 효율이 떨어지는 현상이 발생하였다. 그래서 <그림 14>에서 볼 수 있듯이 COMSOL 5.0을 활용해 안전장치가 있을 때와 없을 때의 전기장선분포를 파악, 전기장을 분석해 보았다.

위 해석은 큰 테두리 안에 자기력 등 절연을 하여 변수를 차단하고, 물성치는 공기를 집어넣어 일반적인 실험조건하에서 시뮬레이션을 실시하였다. 케이스에는 PLA(PolyLactide Acid) 전기유전율을 논문 등에서 찾아 유전율 값이 3.11임을 알게 되었고 물성치 값에 대입하였다. 그리고 주사기 팁 끝부분에 5kV의 전위를 가하고 밑판을 접지시켜 주사기 팁에서 밑판으로 전기장이 분포되도록 나타낸 것이다. 주사기 팁과 접지시켜준 판은 Stainless steel(상대유전율 : 1)로 설정하였다.

그 결과 <표 3>과 같이 전기장선이 간섭되어 영향이 미쳐지는 것을 파악할 수 있었고 내부 직경의 길이가 8mm일 때부터 -506.70V/m부근으로 전기장이 거의 일정하게 수렴하게 되어 내벽에 의한 영향을 받지 않았다는 결론을 얻었다.

따라서 내부 직경의 길이를 8mm로 하여서 안전하면서도 전기방사효율이 떨어지지 않는 장치를 설계하게 되었다. <그림 15>는 그러한 결과를 적용하여 설계한 모델링 모습이다.

4.3.6. 안전장치 설계
안전장치란 본 제품을 사용하는데 있어서 발생할 수 있는 위험 요소들을 사전에 차단하여 사용자를 보호하는 장치를 말한다. 이 모델에서는 전기적 안전장치와 물리적 안전장치 두 가지를 설계했다.

먼저 고전압을 이용하는 제품이기 때문에 전기적 안전장치가 필요하다. 본 제품에서는 캐패시터 또는 저항을 이용하여 사용 중 고전압이 흐르는 부분에 사용자의 인체가 닿더라도 인체에 유해한 만큼의 전류가 흐르지 않도록 설계하여 전기적 위험을 방지하는 방법을 이용하였다. 고전압 증폭 회로에서 출력된 고전압의 -극이 안전장치에 연결되고, 캐패시터나 저항 등을 이용해 통전을 막을 수 있는 안전회로를 만들어 안전을 도모할 수 있다.

물리적 안전장치는 고전압이 흐르는 원료 방출부 부분에 사용자가 닿지 않도록 하는 장치이다. 케이스로 바늘 팁 부분을 감싸서 사용자의 인체가 직접 닿기 힘들게 설계하였다. 바늘 끝과 케이스의 끝이 일치하도록 하고 케이스의 직경을 충분히 넓게 하여 케이스가 전기 방사를 방해하지 않으면서도 안전하도록 설계했다. <그림 16>은 이러한 설계 사상이 들어간 물리적 안전장치의 도면이다. 이 방법 이외에도 여러 가지 방법으로 물리적 안전장치를 설계할 수 있다.

4.4. 3D프린터 제작 및 작동
케이스 모델링을 완료한 후 교내에 설치된 3D 프린터(PMS Engineering, MD-270)를 사용하여서 케이스를 제작을 하였다. 3D프린터의 원료로는 Polylatic-acid(PLA)를 사용하여서 제작하였고, 케이스 제작을 완료한 후에는 전원 장치, 고전압 증폭 장치, 원료 용기, 원료 방출부, 안전장치를 장치 내에 설치한 후에 나사를 이용하여서 체결하였다.

체결까지 완료하고 장치를 손으로 잡은 모습은 <그림 17>과 같다. 이미지에서 볼 수 있듯이 한 손으로 편하게 조작이 가능한 것을 알 수 있다. 장치를 완성한 후에는 고분자 용액을 원료 용기에 넣은 후 전기 방사를 실시해 보았다. 이 실험에서 사용된 고분자 용액은 Poly-urethane(Pellethane 2363-80AE, Lubrizol, USA)이며, 이를 Tetra Hydro Furan(THF)와 Di Methyl Formamide(DMF)(60/40, v/v) 혼합 용액에 13wt%의 농도로 약 12시간여 동안 교반기를 이용하여 용해시켜 용액을 제조하였다.

<그림 18>은 제작된 장치를 이용해 5분 가량 전기방사를 한 모습이다. 장치는 한 번에 최대 1시간에서 1시간 30분 정도 작동 가능하였다. 첨부된 이미지에서 볼 수 있듯이, 금속 집진판이나 손바닥에서 모두 균일하게 미세 섬유가 제작되는 것을 확인할 수 있다.

5. 결론
본 연구의 목표는 기존의 전기방사장치를 소형화하여 휴대 가능하도록 제작하는 것이며 그것에 유의하면서 설계와 실험을 진행하였다. 건전지(3V) 전압은 1600배인 최대 5kV로 안정적으로 증폭되었다. 고전압 증폭장치, 전원 공급 장치, 원료 보관 용기, 안전장치 등을 조립하여 최종 전기 방사 장치를 제작하였다. 제작된 장치는 한 손으로 충분히 조작 가능한 형태를 보였다. 제작된 전기방사 장치에 Poly-urethane 고분자 용액을 주입한 후 스위치를 켜고 작동하였을 때, 성공적으로 전기방사가 가능했으며 금속 콜렉터와 사람의 신체 부위에 미세 섬유를 균일하게 도포할 수 있었다. 휴대성을 부여함과 동시에 안정적인 미세 섬유 제작이 가능하게 되었으므로 이 프로젝트는 소정의 성과를 얻었다고 할 수 있다.
이 장치는 일반인이 한 손으로 조작할 수 있는 시스템으로서 고분자 용액의 종류를 다른 것으로 교체해서 사용할 경우 응급 지혈 장치 등으로 의류 분야에서, 자외선 차단제 등으로 미용 분야에서 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 이 뿐만이 아니라 기존에 전기 방사를 이용하던 분야인 필터, 코팅 분야에 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

6. 기타
6.1. 회로도

6.2. 참고문헌
1.  Li, D. & Xia, Y. Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel? Adv. Mater. 16, 1151-1170 (2004).
2.  Zucchelli, A., Focarete, M. L., Gualandi, C. & Ramakrishna, S. Electrospun nanofibers for enhancing structural performance of composite materials. Polym. Adv. Technol. 22, 339-349 (2011).
3.  Heo, J. et al. Enhanced cellular d istribution and infiltration in a wet electrospun three-dimensional fibrous scaffold using eccentric rotation-based hydrodynamic conditions. Sensors Actuators, B Chem. 226, 357-363 (2016).
4.  Hong, S. K., Lim, G. & Cho, S. J. Breathability Enhancement of Electrospun Microfibrous Polyurethane Membranes through Pore Size Control for Outdoor Sportswear Fabric. Sensors Mater. 27, 77-85 (2015).
5.  Ramakrishna, S. An introduction to electrospinning and nanofibers. (2005).
6. 한국 기술 표준원 “제 5차 한국인 인체 치수조사사업 보고서”, 2004