▪ 아이템 정보

1. 서론

1. [구상 배경]

 섬세한 힘 조절이 어려운 장애인이나 노약자 및 온도 개념이 미숙한 어린아이들이 혼자 세면대를 사용할 때. 물 온도를 조절하는 데 어려움을 겪습니다. 이들이 적정 온도 범위 내에서 물을 사용할 수 있도록 제어하는 ’세면대 냉온수혼합형 수전 온도 제어 장치’를 고안해보았습니다. 위 장치는 ‘고정 바’를 이용하여 특정 범위 이상으로 수전(水栓, 수도꼭지)의 손잡이를 돌릴 수 없도록 통제하는 역할을 수행합니다. 이를 통해 사용자가 온수에 화상을 입는 일이 없도록 합니다. 

2. 본론

[작동 원리]

 도안의 ‘TOP’ 부분을 수전의 상부(손잡이)와 연결하고, ‘BOTTOM’ 부분을 수전의 하부(고정 축)와 연결하여 사용합니다. TOP 장치에는 ‘돌출부’가, BOTTOM 장치에는 ‘고정 바’가 달려있으며, 두 부분이 맞닿으면 움직임이 제한되는 원리를 활용하여 온도의 상한선을 규정합니다. 보조기기 부착 시, TOP 부분의 돌출부와 BOTTOM 부분의 고정 바가 서로 겹치게 되어, 수전이 특정 각도 이상으로 돌아가지 못하도록 합니다.

1. [사용 방법]
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3. 1) 온도 규정 - 사용을 위해 온수를 틀어보며 온도의 상한선을 정합니다. 
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5. 2) TOP 설치 - TOP부분은 세면대의 상부에 설치합니다. 돌출부가 아래로 가게 놓고, 볼트와 너트를 이용해 장치를 고정시킵니다. 돌출부의 위치는 다음과 같은 과정을 따릅니다. 세면대의 물 분사구와 수전의 손잡이가 일직선 상에 있는 상태(수도꼭지 사용 전 기본 모습)를 0°로 보고, 손잡이를 온수 방향으로 돌릴수록 각도가 커진다고 가정합니다. 1번에서 규정한 온도에서 손잡이가 틀어진 각도를 θ라 할 때, 그 상태에서 손잡이와 일직선 상 바로 아래 놓이도록 TOP의 돌출부를 위치시킵니다. 이로써 돌출부의 위치는 손잡이의 움직임을 대변하게 됩니다.
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7. 3) BOTTOM 설치 - BOTTOM부분의 장치는 물 분사구 측에 부착하게 됩니다. 고정 바가 위를 향하도록 놓고, 볼트와 너트로 고정시킵니다. BOTTOM 장치의 ‘고정 바’를 TOP장치의 ‘돌출부’ 바로 왼쪽 면에 맞닿도록 배치합니다. 이를 통해 각θ 이상으로 손잡이가 돌아가지 않도록 보조하게 됩니다.
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9. 4) 온도 제어 확인 – TOP및 BOTTOM 장치를 모두 부착한 상태에서 수전의 손잡이를 돌려보면, 냉수에서부터 θ까지 밖에 돌릴 수 없습니다. 즉, 손잡이의 각도가 θ를 넘어가는 고온의 물은 나오지 않게 되는 것입니다. 이를 통해 온도가 일정 상한선을 기준으로 제어됨을 확인할 수 있습니다.

[기능 설계]

 보조기기의 정확도와 전문성을 확보하기 위해 수학적 방법을 도입하여 설계하였습니다. 시중에 판매되고 있는 수전의 다양한 모델들을 조사하였을 때, 가장 보편적으로 사용되고 있는 수전의 지름은 48mm 이었습니다. 그리하여 향후 보조기기의 상용화를 위해 보조기기의 지름 또한 48mm 로 설정하였습니다. 지름 48mm의 원의 둘레 150.8mm에서 13mm 만큼을 제거하여 보조기기를 수전에 끼울 수 있도록 공간을 만들었습니다. 보조기기를 수전에 끼운 후 고정을 시켜야 하므로 볼트와 너트를 넣을 수 있는 돌출된 부분을 만들었고, 각 부분에 표준 볼트 지름의 크기인 M5 크기의 구멍을 뚫었습니다. 보조기기의 TOP 부분은 하부에 비해 상대적으로 짧은 수전의 상부에 끼워질 것을 대비하여 높이를 10mm 로 설정하였습니다. 수전의 하부에 부착될 보조기기의 BOTTOM 부분의 높이는 하부의 높이를 고려하여 20mm 로 설정하였습니다. 수전의 상부의 손잡이를 올려 물을 틀었을 때 손잡이가 약 22︒ 만큼 움직이는 것을 측정하고, 수전 상부의 지름이 약 50mm임을 고려하여 보조기기의 TOP 부분의 돌출부를 5tan(22︒) 의 값인 20 mm 만큼 돌출되도록 설계하였습니다. 즉, 보조기기 TOP 부분의 돌출부는 보조기기 TOP 부분 자체의 높이인 10mm 를 더한 총 30 mm 가 되도록 설정하였습니다. 보조기기의 BOTTOM 부분의 고정 바는 수전의 하부의 길이가 약 60mm 가 됨을 측정하여 그만큼 돌출되도록 설계하였습니다. 따라서 보조기기 BOTTOM 부분의 고정바는 보조기기 BOTTOM 부분 자체의 높이인 20mm 를 더한 총 80 mm 가 되도록 설계하였습니다.

 더 나아가, 보조기기가 실제로 상용화 됐을 경우를 가정하여 사용자에게 보조기기의 보다 정확한 정보를 전달하기 위해 보조기기의 수용 가능한 수전의 최대 지름을 수학적으로 도출해보았습니다. 

 먼저, 다양한 길이의 볼트를 구할 수 있을 경우 보조기기가 수용 가능한 최대 수전의 지름을 구했습니다. 보조기기를 조이기 위해 연결된 볼트가 수전에 닿아 더 이상 보조기기가 이완되지 못하는 경우, 보조기기는 수용할 수 있는 최대의 수전에 끼워진 것으로 판단하였습니다. 수학적 계산 결과, 이 경우 보조기기가 수용가능한 수전의 최대 지름은 64.6 mm 임이 증명되었습니다. 단, 지름이 64.6mm인 수전에 사용되기 위해서 필요한 볼트의 길이는 최소 73.4mm 여야 합니다.

그 다음으로 현실성을 반영하여, 가정에서 가장 쉽게 구입할 수 있는 30 mm 크기의 볼트를 사용할 경우 보조기기의 수용 가능한 최대 수전의 지름을 구했습니다. 보조기기가 볼트의 양 끝부분에 연결 되어있을 경우를 보조기기가 최대로 이완한 경우라고 판단하였습니다. 이 때 볼트와 수전은 맞닿지 않습니다. 수학적 계산 결과, 볼트의 길이가 30mm 일 경우, 보조기기가 수용가능한 수전의 최대 지름은 54.4 mm 임이 증명되었습니다. 

[사용 경험]

 3D 프린팅을 완료한 후, 본교 공학관 세면대 수전에서 위 보조기기를 사용해 보았습니다. 

 초안 시도 시, 필라멘트의 밀도가 높고 탄력성이 부족하여 보조기기를 수전에 끼우는 데 어려움이 있었습니다. 이럴 경우, 보조기기를 상용화하게 되면 표준(지름 48mm)둘레 이상의 수전에 사용 시 기기가 부러지는 등의 문제가 발생할 것이라 판단하였습니다. 그러나 너무 탄력성이 좋은 필라멘트를 쓸 경우, 온도를 제한하기 위한 ‘고정 축’ 및 ‘돌출부’가 유동적으로 움직일 우려가 있다는 결론을 내렸습니다. 그렇기에 기존의 단단한 필라멘트를 사용하되, 기기에 개방성을 더하는 것이 좋겠다는 결론을 내렸습니다.

 수정안으로, TOP 및 BOTTOM 부분의 원형 부를 두 개로 분리하였습니다. 초안에서 기기를 수전에 끼워 넣을 입구가 작았던 게 문제가 되었다고 생각했기 때문입니다. 원형 부를 분리함으로써 수전에 기기를 설치하는 것이 훨씬 쉬워졌으며, 기기 파손의 위험을 줄일 수 있었습니다. 두 부분으로 분리된 원형 부는 볼트와 너트로 조립이 가능하도록 구상하였습니다. 이와 같이 초안을 보완함으로써 보조기기 설치 시의 파손 위험을 줄이고, 다양한 지름을 가진 수전에 설치할 수 있다는 장점까지 겸비할 수 있었습니다.

3. 결론

[정리 및 제언]

 세면대 냉온수혼합형 수전의 온도 제어 장치는 거동이 불편한 사람들에게 더 나은 일상을 선물하는 것을 목표로 합니다. 비장애인에게 당연한 것들도 그들에겐 불편일 수 있다는 점에서, 아이디어를 통해 사소하지만 한편으로는 고충일 수 있는 짐들을 덜어주고자 하였습니다. 손가락 움직임의 세기를 조절하는 데 불편함이 있거나, 고온수의 위험성에 무지한 아이들을 위한 위 장치는, 이들에게 더 나은 삶의 질을 제공할 것입니다.

 현재 보조기기는 전기적 성질을 도입하지 않은 상태입니다. 그러나 현재 보조기기에 온도를 입력하는 장치를 설치한 후 그 온도에 상응하는 각도만큼 손잡이가 자동으로 움직이도록 코딩을 하면 훨씬 편리한 보조기기가 될 수 있을 것이라 생각합니다.

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