제 출 문
한국산업기술평가관리원 귀하 본 보고서를 “전기 작업자를 위한 감전 감지 기반의 웨어러블 디바이스 개발” (개발기간：2016. 08. 01. ~ 2018 . 07. 31.)과제의 최종보고서 10부를 제출합니다. 2018. 09. 14. 주관기관명 ː ㈜ 에스엔 (송수준) (직인생략) 참여기관명 ː한국전자통신연구원(이상훈) (직인생략) 총괄책임자 : 송수준 참여기관책임자 : 박찬우 산업기술혁신사업 공통 운영요령 제37조에 따라 보고서 열람에 동의 합니다.기술개발사업 최종보고서 초록
1. 일반 현황 사업명 국민안전증진기술개발사업 기술분류 안전감시/진단 계측제어기 과제명(과제번호) 전기 작업자를 위한 감전 감지 기반의 웨어러블 디바이스 개발 (10065658) 주관기관 기관 (기업)명 ㈜ 에스엔 설립일 2011. 01. 13 주소 (34014) 대전광역시 유성구 테크노2로 80-28 (관평동) 대표자 (기관장) 송 수 준 연락처 042-933-7213 홈페이지 www.s-n.co.kr Fax 042-935-7213 기술 개발 현황 총괄책임자 송 수 준 실무담당자 이 왕 복 참여기관 (책임자) 한국전자통신연구원 (박 찬 우) 총사업비 (천원) 정부출연금 민간부담금 합계 현금 현물 570,000 74,867 112,298 757,165 총수행 기간 2016. 8. 1 ~ 2018. 7. 31 2. 기술개발 개요 1 .개발기술 개요 Ÿ 감전 상황 탐지가 가능한 웨어러블 기기와 감전 상황정보를 전달하고 이와 연동하는 차단 장치를 개발하여 감전 상태에서 작업자를 강제로 구조할 수 있는 기술을 개발하고 수배전 반이나 분전반 등의 배전설비에 적용 할 수 있도록 함. 2. 제품 소개 Ÿ 웨어러블 감전센서 모듈. - 인체 또는 의복에 쉽게 탈부착이 가능한 웨어러블 감전센서 모듈. Ÿ 무선 중계 모듈. - 웨어러블 감전센서 모듈의 상황정보를 파악, 통신으로 차단 장치에게 정보전달. Ÿ 무선 내장 전원차단 모듈. - 웨어러블 기기와 연동하는 전력공급 차단 장치.3. 개발결과 요약 키워드 Ÿ 전류 측정 센서, 웨어러블 디바이스, 감전 감지, 감전 차단. 핵심기술 Ÿ 웨어러블이 가능한 센서로 비접촉 방식을 통해 저전류 측정하여 감전 상 태를 확인 함. 최종목표 Ÿ 감전 상황 탐지가 가능한 웨어러블 기기와 감전 상황정보를 전달하고 이 와 연동하는 차단장치를 개발하여 감전 상태에서 작업자를 강제로 구조할 수 있는 기술개발. 개발내용 및 결과 1. 개발기술. Ÿ 감전 전류 감지를 위한 감전센서를 통해 입력된 전류 신호를 입력받아 신 호로부터 노이즈 제거 및 신호 증폭 과정을 거처 신호처리를 통해 감전 상황에 대한 감전 발생 신호를 생성하기 위한 기술을 개발함. < 전류센서 모듈의 원리 > Ÿ 고투자율 재료를 사용하여 전자 유도 법칙을 이용해 전류신호를 전압신호 로 증폭하여 실시간으로 측정하기 위한 기술을 개발함. Ÿ 웨어러블 감전 센서 모듈에서 블루투스 무선 통신으로 전원차단하여 감전 상황에서 벗어나게 하는 기술을 개발함.
2. 제품에 대한 기술적인 원리. Ÿ 웨어러블 전류센서 모듈 개발.
Ÿ 무선 전원 차단 모듈 개발. 3. 연구내용. Ÿ 인체에 인가되는 일정량의 전류를 정확히 인지하여 측정하는 연구를 진행. Ÿ 연자성체 코어의 유도전류를 증폭하는 연구를 진행. Ÿ 감전상황을 통신, 진동, 부저로 알리고, 최대한 감전상황을 벗어날 수 있 도록 회로설계 및 프로그램 개발 진행. 기술개발 배경 Ÿ 전기 작업자들의 감전 사고를 방지하기 위하여 종래에 제안되었던 기술들 과 제품들은 단순히 작업자들의 주의를 환기 시켜주는 수준에 지나지 않 아 무리한 작업을 수행하는 작업자를 보호하지 못하는 문제점이 있음. Ÿ 저압 감전 상태에서는 근육의 수축으로 인하여 자력으로 감전 상태를 벗 어날 수 없고, 감전 상태의 작업자를 구조 도중 구조자의 2차감전의 위험 성이 있음. Ÿ 전력 공급 차단을 통해 감전으로부터 전기 작업자들을 강제적으로 지켜줄 수 있는 새로운 기술이 필요함. 핵심개발 기술의 의의 1. 신규 개발 여부 및 이전 모델의 업그레이드 여부. Ÿ 기존 대지 전압을 감지하는 방식의 누전차단기 형태를 벗어난 새로운 방 식의 감전 차단기. 2. 개발 난이도. Ÿ 인체 전류를 측정하여 감전 상황을 인지/판단/처리하는 신개념의 기술임. 적용 분야 Ÿ 전기작업자의 안전보장을 위한 전기안전장비 시장. Ÿ 안전기술 및 웨어러블 기기와의 융합 기술을 통해 수배전 시스템 시장에 적용.
4. 기술 및 경제적 성과 기술적 성과 1. 기술수준. Ÿ 아동안전이나 재난현장웨어러블 디바이스 위주로 개발이 이루어지 고 있고, 스마트헬멧 등의 소방, 건설분야 등의 안전을 위한 웨어 러블 기기가 개발되고 있으나, 전기안전 관련 분야의 웨어러블 디 바이스 기술 개발은 미미함. Ÿ 감전 상태에서 전기작업자를 강제로 구조하는 시스템은 현재까지 국내외에서 개발되지 않음. 2. 개발성과. Ÿ 웨어러블이 가능한 센서로 제작. Ÿ 비접촉 방식을 이용한 저전류 측정기술 개발. Ÿ 웨어러블 기기와 연동하는 전력공급 차단 장치 개발. 3. 연구성과와 관련된 특허, 상표출원, 논문 발표 실적. Ÿ 특허 : 미국 특허등록 1건, 미국 특허출원 2건, 국내 특허출원 3건 Ÿ 상표출원 : 3건. Ÿ 논문 발표 : SCI 논문 2건. 경제적 성과 1. 고용창출. Ÿ 사업 기간 중 5명의 신규 인력 채용. 2. 기술이전. Ÿ 감전웨어러블 및 전기안전 기술이전 1건. 3. 관련 산업기여도. Ÿ 비접촉식 전류센싱 기법을 이용하여 신속하고 정밀하게 측정 값을 제공할 수 있는 기술은 전기관련분야 뿐만 아니라 타 분야에도 적 용 할 수 있음. 5. 파급 효과 및 기대 효과 파급 효과 1. 기술적, 파급 효과. Ÿ 웨어러블 기기의 핵심기술인 센서장치 기술과 저전력 기술 개발로 웨어러블 디바이스 핵심기술 축적. Ÿ 수배전반 안전 기술 축적 및 웨어러블 기기와의 융합 기술을 통해 정체되어있는 수배전반에 새로운 기술력 제시. 2. 사회․경제적 파급 효과. Ÿ 정부부처 키워드 ‘보안과 안전’에 걸맞은 사업으로 안전 사업. Ÿ 전기 재해로 인한 피해 감소를 통한 기술인 보호와 안전성 증대. 기대 효과 Ÿ 창조경제 ICT 10대 전략기술과 웨어러블 산업을 연계해 ICT 전체 산업의 고부가가치화는 물론 신산업 발굴 및 서비스 창출. Ÿ 감전 탐지 센서의 전기 산업 분야와의 융합을 통해 신체 센서의 건 강, 의학 분야 외의 새로운 접합 분야와 시장 생성 및 고용 창출.
6. 해당 기술, 제품의 시장 현황 제품의 시장 현황 Ÿ 감전 상태 작업자의 신체전류를 측정해서 감전 상태에서 벗어나게 해주 는 기술이나 연구는 미미함. Ÿ 배전반 자체의 안전과 관련된 제품이 출시되고 있으나, 2차사고 등을 유 발할 수 있는 작업자의 안전과 직접적으로 관련된 제품은 없음. Ÿ 웨어러블 디바이스를 이용하여 정밀하게 작업자의 신체 전류를 측정해 서 감전 상태를 감시하고 경보하며, 자동 차단 장치를 구비한 배전반은 없음. 7. 제품 사진 Ÿ 미국과 유럽의 안전관련 인증을 고려한 웨어러블 디바이스, 배전 반의 보안과 제품 자체의 고도화를 통한 수출 여건 마련. Ÿ 해외 신흥국(인도, 동남아시아, 중동)의 도시화에 따른 급속한 전력 수요 증가와 노후화된 전력망의 유지보수 시장 진입. 2. 시장 및 고용 창출. 구분 개발 종료 후 1년 개발 종료 후 2년 개발 종료 후 3년 매 출 국내 (백만원) 350 1,200 4,000 해외 (백만원) - 20 200 고용창출(명) 3 7 10
<기술개발사업 주요 연구성과>
사업명 국민안전증진기술개발사업 과제명(과제번호) 10065658 주관기관명 ㈜ 에스엔 설립일 2011. 01. 13 주소 (34014)대전광역시 유성구 테크노2로 80-28(관평동) 대표자(기관장) 송 수 준 총괄책임자 송 수 준 총수행기간 2016. 8. 1. ~ 2018. 7. 31. 총사업비(백만원) 757,165 정부출연금 570,000 민간부담금 187,165 참여기관(책임자) 한국전자통신연구원(박 찬 우) 성과지표 세부지표 성 과 비 고 사업화 성과 매출액 개발제품 개발후 현재까지 0.3억원 향후 3년간 매출 57억7천만원 관련제품 개발후 현재까지 4.7억원 향후 3년간 매출 45억원 시장 점유율 개발제품 개발후 현재까지 국내 : 0% 국외 : 0% 향후 3년간 매출 국내 : 0.16% 국외 : 0.00015% 관련제품 개발후 현재까지 국내 : 0.007% 국외 : 0.0001% 향후 3년간 매출 국내 : 0.06% 국외 : 0.001% 세계시장 경쟁력 순위 현재 제품 세계시장 경쟁력 순위 위 3년 후 제품 세계 시장경쟁력 순위 위 기술적 성과 특허 국내 출원 3 건 등록 건 국외 출원 2 건 등록 1 건 논문발표 국내 건 국외 2 건 파급효과 고용효과 개발 전 8명 개발 후 11명 선진국 대비 기술수준 100% 국산화율 100% 기타 표준 제개정, 기술이전 및 수상실적 등 기술이전 1건□ 구체적인 연구 성과
1. 지식재산권 번호 종 류 명 칭 출원일 등록일 국 명 출원/등록번호 발생차수 1 미국특허 출원 및 등록 ELECTRIC SHOCK WARNING DISTRIBUTION BOARD SYSTEM INCLUDING WEARABLE DEVICE FOR WARNING ELECTRIC SHOCK ANDDISTRIBUTION BOARD LINKED THERETO 16.11.08. 18.05.22 미국 15/309,700 US 9,978,239 B2 1 차(출원) 2 차(등록) 2 미국특허 17.09.30 미국 15/721,823 2 차년도 3 국내특허 웨어러블전류센서 17.03.07. 대한민국 10-2017-0029142 1 차년도 4 국내특허 18.06.29 대한민국 10-2018 -0075381 2 차년도 5 국내특허 18.07.30. 대한민국 10-2018 -0088484 2 차년도 6 상표등록 Elecwatch 16.07.13 17.03.07 대한민국 40-1237751 1 차년도 Elecband 16.07.13 17.03.07 대한민국 40-1237750 1 차년도 Elecbelt 16.07.13 17.03.07 대한민국 40-1237731 1 차년도 2. 논문 게재/발표 실적 번 호 구분(논문게재 or 학회발표) 논문명 저자명 저널명 일시 구분(국내, 국외) SCI 등재 여부 발생 차수 1 논문게재 Freely Deformable Liquid Metal Grids as Stretchable and Transparent Electrodes Y. G. Moon, J. B. Koo, N.-M. Park, J.-Y. Oh, B. S. Na, S. S. Lee, S.-D. Ahn, C. W. Park IEEE Transactio ns on Electron Devices 2017.12 국외 SCI 2 차년도 2 논문게재 (심사 중) Stretchable Active Matrix of Oxide TFTs with Monolithic Liquid Metal Interconnects C. W. Park, J. B. Koo, C.-S. Hwang, H. Park, S. G. Im, S.-Y. Lee IEEE Electron Device Letters 국외 SCI 2 차년도
3. 기술이전 실적 번호 기술이전 내역 대상국명 대상기관명 이전일시 수입금액(백만원) 발생차수 1 감전 웨어러블 및 전기안전 기술안전 대한민국 주식회사 창의산업 2018.06.01. 30 2 차년도 4. 인증/포상 실적 등 (국내 및 국외) 번호 구분 명칭 일시 국명 수여기관명 발생차수 5. 사업화 계획 및 매출 실적 항 목 세부 항목 성 과 사업화 계획 사업화 소요기간(년) 1 소요예산(백만원) 1,000 예상 매출규모 (억원) 현재까지 3년후 5년후 0.3 57.7 177.7 시장 점유율 단위(%) 현재까지 3년후 5년후 국내 0 0.16 0.74 국외 0 0.00015 0.00076 향후 관련기술, 제품을 응용한 타 모델, 제품 개발계획 Ÿ 감전웨어러블 개발 과정에서 나온 전류의 정밀 측정 기술을 응용하여 IoT형 전류센싱 소자개발. Ÿ 활선상태를 측정하는 검전기술을 웨어러블형태의 감전측정 기술로 응용하여 소형화된 제품 개발. Ÿ 웨어러블 디바이스, 전원 차단 시스템. 수ž배전 시스템이 결합된 안전강화형 통합형 모델 개발. 무역 수지 개선 효과 (단위 : 억원) 현재 3년후 5년후 수입대체(내수) - - -수 출 - 2.2 10 6. 고용 창출 항목 세부 항목 성 과 고용 효과 개발 전 연구인력 5 명 생산인력 3 명 개발 후 연구인력 8 명 생산인력 3 명 7. 기타 성과 Ÿ 2018년 6월 ‘웨어러블 디바이스/서비스 아이디어 공모전’ 우수상 수상.
8. 변경 이력 신청일 신청기관 변경요청항목 변경종류 16.10.18 ㈜에스엔 참여연구원 변경 통보성 16.11.16 ㈜에스엔 참여연구원 변경 통보성 17.02.24 ㈜에스엔 참여연구원 변경 통보성 17.03.24 ㈜에스엔 참여연구원 변경 통보성 17.03.30 ㈜에스엔 사업비 세목간 변경 통보성 17.04.20 ㈜에스엔 참여연구원 변경 통보성 17.05.16 한국전자통신연구원 사업비 세목간 변경 통보성 17.05.25 ㈜에스엔 참여연구원 변경 통보성 17.05.29 ㈜에스엔 참여연구원 변경 통보성 17.05.30 ㈜에스엔 실무담당자 변경 통보성 17.06.23 ㈜에스엔 참여연구원 변경 통보성 17.06.27 ㈜에스엔 사업비 세목간 변경 통보성 17.06.29 ㈜에스엔 사업비 세목간 변경 통보성 17.06.29 ㈜에스엔 참여연구원 변경 통보성 17.09.22 ㈜에스엔 사업비(정부출연금/민간부담금) 변경 승인성 18.02.08 ㈜에스엔 참여연구원 변경 통보성 18.04.24 ㈜에스엔 참여연구원 변경 통보성 18.06.25 ㈜에스엔 사업비 세목간 변경 통보성 18.06.26 ㈜에스엔 사업비 세목간 변경 통보성
목 차
제 1 장 서론 제 1 절 과제의 개요 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 제 4 절 수행 결과의 보안등급 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 제 3 장 결과 제 1 절 연구개발 최종 결과 - 연구개발 추진 일정 - 연구개발 추진 실적 - 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 제 2 절 연구개발 추진 체계 - 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역 제 3 절 고용 창출 효과 제 4 절 자체보안관리진단표 제 4 장 사업화 계획 제 1 절 시장 현황 및 전망 제 2 절 사업화 계획 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획 부 록 : 시험성적서, 도면, 설계도, 지식재산권제 1 장 서론
제 1 절 과제의 개요 1. 개발 대상 기술·제품의 개요 Ÿ 고압, 특고압 또는 저압까지 수배전반 및 분전반 등 전기 설비를 설치, 점검 수리 등 의 작업을 하는 전기 기술자들의 감전 사고를 방지하기 위하여 웨어러블 디바이스를 이용하여 정밀하게 작업자의 신체 전류를 측정, 감전 상태를 감시하고 경보하며, 자동 차단 장치를 구비한 시스템을 통해 전기 작업자를 감전 상태에서 강제로 구조할 수 있는 시스템을 개발하고자 함. Ÿ 개발 제품의 사용 대상은 저압(AC 220V, 60Hz)의 전기를 대상으로 하는 전기 작업자 의 감전 사고에 대한 인명 피해를 최소화함에 있음. < 기본 개념도> Ÿ 인체에 착용하는 감전 감지 센서 모듈은 착용의 편의성을 위해 유연성이 있는 소재를 사용하며 모듈의 무게를 최소화하여 착용자의 전기 작업에 불편함을 최소화 함. Ÿ 무선 통신 중계기를 통해 전기 작업자의 작업 반경을 확장하여 작업 공간의 제한을 최소화 함. Ÿ 무선 내장 전원 차단 장치의 크기를 최소화하여 기존 수배전반 시스템에 대한 무선 전원 차단 기능 내장 시 제품의 추가 수정 부분 최소화. Ÿ 인체의 감전을 탐지할 수 있는 센서 개발. Ÿ 감전을 탐지할 수 있는 센서가 내장되어 있고 무선통신을 통해 차단 장치를 제어할 수 있는 웨어러블 디바이스 개발 및 제작. Ÿ 수배전반 제작 시 설치 가능한 내장형 차단 장치와 휴대형의 차단 장치, 두 가지 종 류의 차단 장치 개발 및 제작. Ÿ 웨어러블 디바이스와 차단 장치가 무선통신으로 연동되는 알고리즘 설계 및 개발.2. 개발 대상 기술·제품의 중요성과 파급 효과 가. 개발 대상 기술․제품의 중요성 Ÿ 고압, 특고압 또는 저압까지 수배전반 및 분전반에서 설치, 점검 및 수리 작업을 하 는 전기 기술자들의 감전사고가 줄지 않고 있고, 단순한 사고에 이르지 않고 사망에 이를 수 있는 큰 사고가 발생함. (한해 평균 25% 정도의 감전사고 사망자가 전기 기 술자들의 사고임. 감전사상자 수는 총 605명으로 사망 36명, 부상 569명임.) Ÿ 전기 작업자들은 규정된 안전 수칙을 따라야 하지만 배전설비의 설치, 점검 및 수리 는 작업자의 신속한 작업이 요구되기 때문에 이러한 안전 수칙을 무시하고 작업을 하게 되는 경우가 빈번하게 발생하고 과실로 인하여 사고가 유발됨. 특히, 저압배전 반에서 고압배전반보다 덜 위험하다는 이유로 안전 부주의 사고가 더 많이 발생함. Ÿ 미국의 경우, 미국 국제전기안전재단의 2003년~2009년의 7년간 통계에 의하면 감전사 망자수는 총 1,573명으로 연평균 약 225명이 감전사고로 사망하고 있음. Ÿ 전기 작업자들의 감전 사고를 방지하기 위하여 종래에 제안되었던 기술들과 제품들 은 단순히 작업자들의 주의를 환기 시켜주는 수준에 지나지 않아 무리한 작업을 수 행하는 작업자를 보호하지 못하는 문제점이 있음. Ÿ 저압 감전 상태에서는 근육의 수축으로 인하여 자력으로 감전 상태를 벗어날 수 없 고, 감전 상태의 작업자를 구조 도중 구조자의 2차 감전의 위험성이 있음. Ÿ 전력 공급 차단을 통해 감전으로부터 전기 작업자들을 강제적으로 지켜줄 수 있는 새로운 기술이 필요함. 나. 개발 대상 기술․제품의 파급 효과 [기술적 측면] Ÿ 웨어러블 기기의 핵심기술인 센서장치 기술과 저전력 기술 개발로 웨어러블 디바이 스 핵심기술 축적. Ÿ 수배전 시스템 안전 기술 축적 및 웨어러블 기기와의 융합 기술을 통해 정체되어있 는 수배전 시스템에 새로운 기술력 제시. [경제적․산업적 측면] Ÿ 창조경제 ICT 10대 전략기술과 웨어러블 산업을 연계해 ICT 전체 산업의 고부가가치 화는 물론 신산업 발굴 및 서비스 창출. Ÿ 감전 탐지 센서의 전기 산업 분야와의 융합을 통해 신체 센서의 건강, 의학 분야 외 의 새로운 접합 분야와 시장 생성 및 고용 창출. Ÿ 미국과 유럽의 안전관련 인증을 고려한 웨어러블 디바이스, 배전반의 보안과 제품 자 체의 고도화를 통한 수출 여건 마련. Ÿ 해외 신흥국(인도, 동남아시아, 중동)의 도시화에 따른 급속한 전력수요 증가와 노후 화된 전력망의 유지보수 시장 진입. [사회적 측면] Ÿ 2015년의 정부부처 키워드 ‘보안과 안전’에 걸맞은 사업으로 안전 사업 선도. Ÿ 전기 재해로 인한 피해 감소를 통한 기술인 보호와 안전성 증대.
제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법)
제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 1. 최종 목표 Ÿ 인체 또는 의복에 쉽게 착용 및 탈착이 가능한 웨어러블 감전 센서 모듈 개발. Ÿ 무선 내장 전원 차단 장치 개발. Ÿ 무선 통신 중계 장치 개발. 2. 평가 방법 Ÿ 링센서 둘레: 링 형태로 제작된 감전센서로 둘러쌀 수 있는 최대 둘레길이를 측정. Ÿ 최소 감지 누설 전류: 전류센서 성능을 테스트하기 위한 생체더미(살코기 덩어리, 햄 등) 둘레에 감전센서를 장착한 후, 교류전원과 상용 전류측정기를 생체더미와 직렬로 연결하고, 전압 인가 시 측정되는 전류값에 따른 감전센서의 신호발생 여부 및 신호 크기를 평가함. Ÿ 무선 통신 장치 통신 응답 속도: 감전 발생시점(시험 시료를 통해 기준 전류 10mA를 인 가하였을 때 감전 센서 모듈을 통해 감전여부가 판단됨)을 기준으로 무선 중계장치와의 통신 및 무선 중계장치와 전원 차단장치의 무선 구간에서 발생하는 지연시간을 측정함. 감전센서의 감전 출력 신호를 시작 신호로 하며 종료 시점의 기준은 전원 차단 장치의 전원 차단기 제어 신호를 종료 시점으로 하여 두 시간의 차로 응답 속도를 측정함. Ÿ 전원 차단장치 전원 차단 속도: 전원 차단 장치에서 무선 중계기로부터 전원 차단 신 호를 입력받아 전원 차단 제어 신호가 발생한 시점을 측정 시작으로 하며 전원 차단 기를 통해 전원이 차단되는 시점을 종료 시점으로 하여 두 시간의 차로 응답 속도를 측정함. Ÿ 무선 통신 내장 전원 장치 및 웨어러블 모듈의 무선 통신 거리 측정: 무선 통신 구간 에서 송신부에서 전송한 데이터(전원 차단 정보 또는 통신 상태 정보 데이터)를 무선 수신부에서 수신하는 일련의 과정을 1회 통신으로 규정하고 이를 1000회 반복하여 오 류의 발생여부를 관측함. 무선 송신기와 수신기 사이의 구간을 장애물이 존재하지 않 는 공간에서 거리를 지정하며 근거리 통신(40m 이하 무선 통신)의 경우 1m 간격으로, 중거리 통신(100m 이상 무선 통신)의 경우 10m 간격으로 거리를 증가하여 최종 통신 오류가 발생하는 간격의 전 거리를 통신 최대 거리로 규정함. Ÿ 웨어러블 배터리 사용 시간: 사용 배터리의 완충 상태에서 측정을 시작하여 동작(동 작 조건 : 10초 단위의 상태정보 통신과 1초 단위의 감전센서 전류 검출 동작을 수행 하는)을 수행하여 배터리의 용량이 완전 방전되어 동작의 수행이 불가능한 시점까지 의 실시간 사용시간을 측정함. Ÿ 웨어러블 배터리 충전 시간: 3.7V 리튬이온 배터리의 방전 하한 전압(2.7V)상태에서 충전을 시작하여(웨어러블 센서모듈의 전원은 차단된 상태) 충전 최대 전압(4.2V)에 도달하는데 걸리는 실시간 충전시간을 측정함. Ÿ 무선 통신 내장 전원 차단장치 차단 수행 횟수: 감전 조건을 임의로 적용하여 무선 통신 내장 전원 차단장치의 전원 차단 동작을 반복 수행하여 횟수를 측정함.제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 평가 항목 (주요성능 Spec) 단위 전체 항목 에서 차지하 는 비중 (%) 개발 목표치 기준 설정 근거 평가 방법 1차 년도 2차 년도 1 링센서 둘레 cm 15% 20 40 링 센서가 감쌀 수 있는 최대 둘레. 공인 시험 성적서 2 최소 감지 누설전류 mA 15% 10 7 한국산업안전공단에서 상용주파수 (60Hz)의 교류에서 성인 남성이 감전 시 자력으로 손을 뗄 수 있는 최대 전 류(가수전류)를 10~15mA로 규정하고 있음. 공인 시험 성적서 3 무선통신장치 통신 응답 속도 초 10% 2 1 220~330V의 저전압이 신체의 일부분에 흘러도 안전한 시간. 공인 시험 성적서 4 전원차단장치 전원 차단속도 초 10% 1 0.5 220~330V의 저전압이 신체의 일부분에 흘러도 안전한 시간. 공인 시험 성적서 5 무선통신내장 전원차단장치 통신거리 m 10% 150 200 배전계통의 작업환경에서 원활한 통신 을 위해 필요한 최소 통신 거리. 공인 시험 성적서 6 웨어러블 무선 통신 통신거리 m 10% 10 40 배전계통의 작업환경에서 원활한 통신 을 위해 필요한 최소 통신 거리. 공인 시험 성적서 7 웨어러블 배터리 사용시간 hr 5% 12 24 전기작업자들의 하루 작업시간. 공인 시험 성적서 8 웨어러블 배터리 충전시간 hr 3% 2.5 4 작업 종료(퇴근) 후 야간에 충전 익일 사용. 공인 시험 성적서
2. 전기 작업자의 인체 감전으로 인해 인체에 위험 수위(10~15mA)의 전류의 흐름을 전류 센서를 통해 인식하여 무선 통신을 통해 전원 차단 장치에 전달되는 일련의 시간. 3. 무선 통신에 의해 감전 상황을 전달받은 시점을 기준으로 전원 계폐기를 통해 전원이 차단되는 일련의 시간. 4. 무선 통신 거리 평가 시 통신 장치의 환경은 장애물이 없는 공간에서의 환경을 기준 으로함. 6. 2차년도 충전시간의 1차년도 대비 증가의 경우 2차년도 배터리 사용시간 증가로 인한 충전시간 증가분 반영. 배터리 용량(1차년도 1000mA, 2차년도 1900mA), 충전방법(리튬 이온 충전회로 내장), 충전 소스(일반 USB 커넥터 타입 어댑터), 해당 충전시간은 일반 충전모드(충전전류: 700mAh)에서의 최대충전시간. 9. 10. 13. 해당되는 정량적 목표 항목은 기술적인 평가가 필요 없기 때문에 자체평가로 충 분히 평가가 가능하다고 판단됨. 11. 해당되는 제품의 동작 조건(감전)은 실사용 시 발생 빈도가 매우 낮을 것으로 예상되 어 횟수에 의한 내구연한 판단은 어려우므로 해당 장치의 동작 신뢰성 평가로 내구 성을 가늠함. 9 무선통신 중계장치 규격 mm (가로x 세로x 높이) 5% 300x 300x 30 200x 200x 30 해당 기능을 내장하기위한 최소 크기. 자체 평가 10 무선통신 내장전원 차단장치 규격 mm (가로x 세로x 높이) 5% 300x 300x 100 200x 200x 100 해당 기능을 내장하기위한 최소 크기. 자체 평가 11 무선통신 내장전원 차단장치 차단수행 횟수 회 2% - 5,000 해당 기능의 동작 내구성 및 신뢰성에 따른 최소 횟수. 공인 시험 성적서 12 웨어러블 전류센서 모듈 무게 g 5% - 210 인체부착형 스마트기기와 비교했을 때 최소무게. 자체 평가 13 웨어러블 전류센서 모듈 착용성에 관한 사용자 편 의성 만족도 (%) 5% - 70 착용편의성의 만족도를 평가. [항목 : 매우 만족함, 만족함, 보통, 불 만족, 매우 불만족 (5 ~ 1점)] 자체 평가
제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 1. 1차년도 가. 개발 목표 1) (주)에스엔 : Ÿ 웨어러블 디바이스 기반 감전 감지 및 차단 시스템 개발 ü 인체 또는 의복에 쉽게 착용 및 탈착이 가능한 유연성/웨어러블 감전 센서 모듈 개발 기능 Ÿ 감전 시 10mA 이상의 체내 전류 데이터 취득. Ÿ 최대 12시간 이상 사용 가능한 충전형 배터리 내장. Ÿ 최대 12시간 이상 사용 가능한 충전형 배터리 충전시간: 2.5시간 규격 Ÿ 둘레 20cm 이하(링 센서가 감쌀 수 있는 최대 둘레) ü 무선 내장 전원 차단 장치 개발 기능 Ÿ 무선 통신에 의한 원격 전원 차단 장치. Ÿ 최대 150m 통신 거리 규격 Ÿ 최대 300mm × 300mm × 100mm(가로×세로×높이) ü 무선 통신 중계 장치 개발 기능 Ÿ 인체 전류 감지 센서 모듈 데이터 수집 및 무선 내장 전원 차단 장치 제어 최대 통신거리(인체 전류 감지 센서(10m), 무선 내장 전원 차단 장치 (150m) 유선 전원 및 배터리 전원 내장. 규격 Ÿ 최대 300mm × 300mm × 30mm(가로×세로×높이) 2) 한국전자통신연구원(스마트I/O플랫폼연구부-웨어러블소자연구실) : Ÿ 유연성/웨어러블 감전 센서 기술개발 ü 유연성 연자성체 코어 및 3차원 코일용 유연배선 제작 공정 개발. ü 유연성 감전센서 구현 및 성능 평가. 나. 개발 내용 및 범위 1) (주)에스엔 가) 인체 또는 의복에 쉽게 착용 및 탈착이 가능한 유연성/웨어러블 감전 센서 모듈 개발 Ÿ 전기 작업자의 전기 작업 과정에서 감전이 발생하면 인체에는 수mA에서 수십mA의 전류가 흐르게 되고 이에 의한 심장의 쇼크 및 정지 또는 감전에 의한 화상이 발생.
Ÿ 인체에 착용 또는 부착하게 되는 유연성/ 웨어러블 감전 센서 모듈은 전기 작업자 인체에 흐르는 전류를 mA단위로 실시간 모니터링 하여 인체에 유해한 범위 이상의 전류가 흐를 경우 이를 무선으로 통해 전송. Ÿ 감전전류 센서는 유도코일의 원리를 통해 인체에 흐르는 전류를 감지. Ÿ 전류 센서는 인체에 착용하기 용이하도록 유연성을 가지는 재질로 제작되어 팔 또는 손목에 부착. Ÿ 전류 센서에서 유도된 신호는 그 크기가 미세하여 노이즈 제거 및 신호 증폭부를 통 해 처리 가능한 신호로 가공하고 신호 처리부를 통해 전류의 크기를 연산. Ÿ 신호 처리 관련 기술의 경우 일반적인 인체 센서와 유사한 노이즈 제거 및 신호 증 폭을 통한 유효 신호를 추출하는 회로로 구성함. Ÿ 인체 감전에 의한 전류의 값은 블루투스 무선 송신 모듈을 통해 무선 통신 중계기에 전달. Ÿ 유연성/ 웨어러블 감전센서는 인체에 착용되는 형태를 가져야 하므로 유선에 의한 전원 공급이 불가능함. 이를 해결하기 위해 별도의 충전이 가능한 배터리와 충전 회 로가 내장. 나) 무선 통신 중계 모듈 개발 Ÿ 유연성/ 웨어러블 감전 센서 모듈은 인체에 부착되어 동작하므로 인해 내장되는 배 터리의 용량과 블루투스 무선 송신 모듈의 통신 거리 한계로 인해 직접 무선 내장 전원 차단 장치로의 감전 전류 정보를 직접 전달하는 것이 불가능. Ÿ 무선 통신 중계 모듈은 전기 작업자의 작업 공간에 배치하여 다수의 전기 작업자의 인체 전류 정보를 수집하여 이를 무선 내장 전원 차단 장치로 전송. Ÿ 블루투스 무선 수신 모듈은 유연성/ 웨어러블 감전 센서 모듈에서 전송된 각 전기 작업자의 전류 정보를 수신. 수신된 정보는 447MHz RF 무선 송신 모듈에 의해 무선 내장 전원 차단 장치로 전송.
Ÿ 447MHz 기반의 RF 무선 송신 모듈은 2.4GHz 기반의 블루투스, WIFI 무선 모듈에 비 해 통신 반경이 넓어 최대 500m의 통신 반경을 확보할 수 있어 배전 또는 분전반에 설치되는 무선 내장 전원 차단 장치와의 통신을 가능하게 함. Ÿ 무선 모듈 제어부는 블루투스 무선 모듈과 447MHz RF 무선 모듈의 제어를 담당. 다) 무선 내장 전원 차단 장치 개발 Ÿ 각 전기 작업자의 인체 전류 정보는 무선 통신 중계기로부터 무선 내장 전원 차단 장치로 전송. Ÿ 무선 내장 전원 차단 장치에 내장된 447MHz RF 무선 수신 모듈은 무선통신 중계기 로부터 받은 전류 정보를 전원 차단 장치 제어부에 전달되고 전원 차단 장치 제어부 는 전원 차단이 발생할 조건이 되는 상태를 확인하여 전원 차단 장치를 제어하여 전 기 작업자의 감전으로 인한 사고를 예방. Ÿ 무선 통신 중계 모듈로부터 무선으로 전송된 각 전기 작업자의 인체 전류 정보는 447MHz RF 무선 수신 모듈을 통해 수신하며 수신 된 데이터는 전원 차단 제어부에 전달. Ÿ 전원 차단 장치 제어부는 수신된 데이터에서 각 전기 작업자의 인체 전류의 크기를 분석하여 감전 상태 유무를 분석 감전 상태로 분석 될 경우 전원 차단 장치를 제어 하여 작업 공간의 전원을 강제 차단. 2) 한국전자통신연구원(스마트I/O플랫폼연구부-웨어러블소자연구실) 가) 연자성체 분말과 유연성 소재를 제조 Ÿ 유연성 연자성체 코어를 제작하고, 이를 유연성 코일(유연성 hollow fiber 내부에 Ga-In 계열의 액상금속을 채움)롤 감아서 클래픔 미터의 측정 원리와 유사한 구조를 가지는 유연성/초경량/웨어러블 센서 모듈 제작.
유연성/웨어러블 감전센서 개념도(상) 및 최종 제품 형상 예(하) 나) 유연성 연자성체 코어 소재 선정 및 제작 공정 개발
Ÿ 연자성체 분말(MPP, Sendust, Mega Flux 등)과 유연성 Elastomer의 복합 소재(PDMS, Ecoflex) 간 혼합 및 코어 성형기술 개발.
다) 3차원 코일용 유연배선 제작 공정 개발
Ÿ 액상 금속(eutectic GaIn, Galinstan) 기반의 유연성 와이어 제작 및 성형기술 개발. 라) 유연성 감전센서 구현 및 성능 평가 Ÿ 둘레: 20 cm 이하. Ÿ 감지 가능한 인체 내 누설전류: 10mA 이상. 2. 2차년도 가. 개발 목표 1) (주)에스엔 Ÿ 웨어러블 디바이스 기반 감전 감지 및 차단 시스템 개발 ü 인체 또는 의복에 쉽게 착용 및 탈착이 가능한 유연성/웨어러블 감전 센서 모듈 개발 기능 Ÿ 감전 시 7mA 이상의 체내 전류 데이터 취득. Ÿ 최대 24시간 이상 사용 가능한 충전형 배터리 내장. Ÿ 최대 24시간 이상 사용 가능한 충전형 배터리 충전시간: 4시간 규격 Ÿ 둘레 40cm 이하(링 센서가 감쌀 수 있는 최대 둘레)
ü 무선 내장 전원 차단 장치 개발 기능 Ÿ 무선 통신에 의한 원격 전원 차단 장치. Ÿ 최대 200m 통신 거리 규격 Ÿ 최대 200mm × 200mm × 100mm(가로×세로×높이) ü 무선 통신 중계 장치 개발 기능 Ÿ 인체 전류 감지 센서 모듈 데이터 수집 및 무선 내장 전원 차단 장치 제어 최대 통신거리(인체 전류 감지 센서(40m), 무선 내장 전원 차단 장치 (200m)) 유선 전원 및 배터리 전원 내장. Ÿ 차단 수행 횟수: 5,000회 규격 Ÿ 최대 200mm × 200mm × 30mm(가로×세로×높이) Ÿ 웨어러블 디바이스 설계 및 디자인 ü 감전 감지 장치 최적화 설계 및 외장 디자인 설계 및 제작. Ÿ 제품 관련 평가 항목 제작 및 성능 시험. 2) 한국전자통신연구원(스마트I/O플랫폼연구부-웨어러블소자연구실) : Ÿ 유연성/웨어러블 감전센서 구조 및 공정기술 최적화 ü 하이브리드 타입의 유연성 연자성체 코어 구조 설계 ü 하이브리드 유연 연자성체 코어 소재 및 공정 파라미터 최적화 ü 센서-신호처리 모듈 간 인티그레이션 기술 개발 ü 유연성 감전센서 성능 최적화 나. 개발 내용 및 범위 1) ㈜에스엔 Ÿ 웨어러블 디바이스 기반 감전 감지 및 차단 시스템 개발 Ÿ 웨어러블 디바이스 설계 및 디자인 ü 웨어러블 디바이스의 형태로 제품화하기 위해서 감전 감지 장치 최적화 설계. ü 현장의 전기 작업자들을 직접 섭외하여 전기 작업 능률을 최대화 할 수 있는 외 형 디자인 설계. ü 3D 프린터를 통해 Mock-Up 제작. 3D 프린터로 제작 시 초기 디자인 비용을 줄일 수 있고 지속적인 수정 과정에 용이함. 2) 한국전자통신연구원(스마트I/O플랫폼연구부-웨어러블소자연구실) : Ÿ 유연성/웨어러블 감전센서 구조 및 공정기술 최적화 Ÿ 하이브리드 타입의 유연성 연자성체 코어 구조 설계 및 공정기술 개발 Ÿ 고투자율 연자성 bulk 소재와 유연성 연자성 분말 복합체를 결합한 유연 고투자율 코어 구조 설계 Ÿ 연자성 bulk 소재의 고투자율 확보를 위한 구조 파라미터, 가공 및 열처리 기술 최적화 Ÿ 유연성과 고투자율을 동시에 확보하기 위한 연자성 분말 소재 선정 및 유연 복합체 제조기술 개발 Ÿ 연자성 bulk 소재와 분말 복합체 간 결합공정 개발 및 최적화
연자성 bulk 소재 연자성 분말 복합체 신축성 튜브 연자성 bulk 소재 연자성 분말 복합체 <하이브리드 타입의 유연성 연자성체 코어구조의 예> Ÿ 센서-신호처리 모듈 간 인티그레이션 기술 개발. ü 센서 및 신호처리 모듈 간 인티그레이션 기술 최적화를 통한 내구성 및 사용자 편이성 향상 Ÿ 유연성 감전센서 성능 최적화 ü 둘레: 40 cm 이하. ü 감지 가능한 인체 내 누설전류: 7mA 이상. 제 4 절 수행 결과의 보안등급 보안등급 분류 보안과제 ( ), 일반과제 ( ○ ) 해당 근거 및 사유 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 구입 기관 연구시설/ 연구장비명 규격 (모델명) 수량 구입 연월일 구입 가격 (천원) 구입처 (전화번호) 비고 (설치 장소) 해 당 사 항 없 음
제 3 장 결과
제 1 절 연구개발 최종 결과 1. 연구개발 추진 일정 가. 1차 년도 추진일정 1차년도 일련 번호 개발내용 추진 일정 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 1 계획수립 및 자료조사 2 전류 센서 제작 3 근거리 무선 통신 모듈 제작 4 무선 전원 차단 장치 제어 회로 설계 5 전류 센서 처리부 설계 6 개별 기능별 성능평가 7 웨어러블 전류 센서 모듈 제작 8 무선 중계 장치 제작 9 무선 전원 차단 장치 제작 10 단독 웨어러블 전류 센서 모듈을 통한 장치간 통신 테스트 및 평가 11 다수 웨어러블 전류 센서 모듈을 통한 장치간 통합 연동 테스트 및 평가 나. 2차 년도 추진일정 2차년도 일련 번호 개발내용 추진 일정 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 1 웨어러블 감전센서모듈 기구 디자인 제작 2 무선 중계 모듈 기구 디자인 제작 3 무선 내장 전원차단 모듈 기구 디자인 제작 4 웨어러블 감전센서 모듈 성능 개선 5 무선 중계 모듈 성능 개선 6 무선 내장 전원차단 모듈 성능 개선 7 모듈별 설계 수정 및 제작 8 개별 성능 검증 9 통합 성능 검증 10 공인기관 제품 성능 평가2. 연구개발 추진 실적 성과목표 성과지표 달성치 1차년도 2차년도 합계 특허출원 (건수) 1-1 국내특허출원 1 2 3 1-2 국외특허출원 1 1 1 특허등록 (건수) 1-1 국내특허등록 1-2 국외특허등록 1 1 논문(SCI) (건수) 1-1 국내 SCI 1-2 국외 SCI 1 1 2 논문(비SCI) (건수) 1-1 국내 비SCI 1-2 국외 비SCI 사업화/제품화 (건수) 1-1 사업화 (기술이전 등) 1 1 1-2 제품화 건수 1 1 시제품출시(건수) 시제품출시 1 1 2 신규고용창출(명) 신규고용 2 3 5
3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 가. 유형 성과 1) 시제품 제작 가) 웨어러블 감전센서 모듈 시제품 Ÿ 유도전류형 인체 전류 감지 센서로 감전상황을 감지. 나) 무선 중계 모듈 시제품 Ÿ 웨어러블 전류센서 모듈의 무선 통신 거리 확장하기 위한 원거리 무선 통신 솔루션. Ÿ 사고 상황 알람 및 통신 오류 발생 상황 알람. 다) 무선 내장 전원차단 모듈 시작품 Ÿ 무선을 통해 수집된 작업자의 감전 정보를 통한 전력공급 차단. Ÿ 무선 통신을 이용한 작업자 감전상황 정보 수집. Ÿ 배전설비의 차단기 제어 회로를 통한 전력공급 차단.
나. 무형 성과 1) 지식재산권
번 호 종 류 명 칭 출원/등록일 출원/등록 번호
1 미국 특허 출원 및 등록
ELECTRIC SHOCK WARNING DISTRIBUTION BOARD SYSTEM INCLUDING WEARABLE DEVICE FOR
WARNING ELECTRIC SHOCK AND DISTRIBUTION BOARD LINKED
THERETO
2016.11.08. 2018.05.22
15/309,700 US 9,978,239 B2
2 미국 특허 출원 Wearable Current Sensor 2017.09.30 15/721,823 3 국내 특허 출원 웨어러블 전류 센서 2017.03.07 10-2017-0029142 4 국내 특허 출원 자기유도 방식을 이용한 전력 송수신을 위한 장치 및 방법 2018.06.29 10-2018-0075381 5 국내 특허 출원 전력량계용 변류기의 자동 변류비 측정 장치 및 측정 2018.07.30. 10-2018-0088484 6 상표등록 Elecwatch 16.07.13 17.03.07 40-1237751 7 Elecband 16.07.13 17.03.07 40-1237750 8 Elecbelt 16.07.13 17.03.07 40-1237731
2) 논문 게재/발표 실적 번 호 구분(논문게재 or 학회발표) 논문명 저널명 일시 구분 SCI 등재 여부 발생 차수 1 논문게재
Freely Deformable Liquid Metal Grids as Stretchable and
Transparent Electrodes
IEEE Transactions
on Electron Devices 2017.12 국외 SCI 2차 년도
2 논문게재
(심사 중)
Stretchable Active Matrix of Oxide TFTs with Monolithic
Liquid Metal Interconnects
IEEE Electron
Device Letters 국외 SCI 2차 년도 3) 성능 시험 성적서(자세한 내용은 부록 참조) 주관 한국전파진흥협회 부설시험인증원 발급번호 RAPA18-ETC-033 기자재 명칭/ 모델명 감전 감지 기반의 웨어러블 디바이스/comEL-EW 시험결과 적합
제 2 절 연구개발 추진 체계 1. 기술개발 추진 방법 ü 주관 기관인 ㈜에스엔은 근거리 무선 통신 및 전력제어 시스템 기술 개발과 사업 화의 경험을 바탕으로, 한국전자통신연구원(참여기관) 스마트I/O플랫폼연구부 웨어 러블소자연구실의 웨어러블 전자소자(플렉시블 전자소자)기술과의 협력을 통한 제 품 개발과 공인 시험기관을 통한 제품의 신뢰성을 검증. ü 전기 작업자의 감전 상황과 근접한 시험 환경 구축(생체 더미 등 활용)으로 시험 데이터의 신뢰성 확보. ü 제품 개발과 연계하여 제품 수요처의 개발 시제품 제공 및 현장 시험 테스트를 통해 현장에서 발행할 수 있는 사용상의 문제점과 애로사항을 제품에 적극 반영, 개발 제품의 기술 완성도 향상. 2. 기술개발 추진 체계 1차년도 (2016년)
2차년도 (2017년) 3. 기술개발팀 편성도 주 관 기 관 참 여 연 구 원 담당기술내용 (주) 에스엔 총괄책임자(송수준) 외 8명 웨어러블 디바이스 기반 감전 감지 및 차단 시스템 개발 참 여 기 관 참 여 연 구 원 담당 기술개발 내용 한국전자통신연구원 개발책임자(박찬우)외 1명 유연성/웨어러블 감전센서 기술 개발 4. 추진 내역 가. 계획수립 및 자료조사 Ÿ 고압, 특고압 또는 저압까지 수배전반 및 분전반 등 전기 설비를 설치, 점검 수리 등 의 작업을 하는 전기 기술자들의 감전 사고를 방지하기 위하여 웨어러블 디바이스를 이용하여 정밀하게 작업자의 신체 전류를 측정, 감전 상태를 감시하고 경보하며, 자 동 차단 장치를 구비한 시스템을 통해 전기 작업자를 감전 상태에서 강제로 구조할 수 있는 시스템을 개발하고자 함. Ÿ 개발 제품의 사용 대상은 저압(AC 220V, 60Hz)의 전기를 대상으로 하는 전기 작업자 의 감전 사고에 대한 인명 피해를 최소화함에 있음.
Ÿ 안전이 보장되는 시나리오 - 전기 작업 시 전기 작업자가 착용한 웨어러블 디바이스를 이용하여 정밀하게 작업 자의 신체 전류를 측정하여 감전 상태를 감시. - 감전 상황이 발생한 경우 웨어러블 디바이스에서 블루투스를 이용하여 무선 통신 중계기에 감전 상황을 보내고, 중계기는 RF 통신을 이용하여 차단시스템에 정보를 보내 감전연동형 차단시스템에서 차단기를 작동. - 감전상태에 빠진 전기작업자를 강제적으로 구조함. Ÿ 인체에 착용하는 감전 감지 센서 모듈은 착용의 편의성을 위해 유연성이 있는 소재 를 사용하며 모듈의 무게를 최소화하여 착용자의 전기 작업에 불편함을 최소화 함. Ÿ 무선 통신 중계기를 통해 전기 작업자의 작업 반경을 확장하여 작업 공간의 제한을 최소화 함. Ÿ 무선 내장 전원 차단 장치의 크기를 최소화하여 기존 수배전반 시스템에 대한 무선 전원 차단 기능 내장 시 제품의 추가 수정 부분 최소화. Ÿ 인체의 감전을 탐지할 수 있는 센서 개발. Ÿ 감전을 탐지할 수 있는 센서가 내장되어 있고 무선통신을 통해 차단 장치를 제어할 수 있는 웨어러블 디바이스 개발 및 제작. (여러 형태의 웨어러블 디바이스 연구와 최적의 디자인 개발) Ÿ 웨어러블 디바이스와 차단 장치가 무선통신으로 연동되는 알고리즘 설계 및 개발. Ÿ 감전 시 웨어러블 디바이스와 연동하여 작동되는 수 배전 시스템 설계. 나. 웨어러블 전류센서 모듈 개발 1) 감전센서 개발 가) 감전센서 구성 및 동작원리 Ÿ 인체 내를 통과하여 흐르는 누설전류의 크기를 직접 감지할 수 있는 웨어러블 감 전센서는 고투자율의 퍼말로이(Fe-80Ni) 시트를 roll 형태로 감아 링 모양으로 만든 퍼말로이 코어, 외부 스트레스로부터 이를 보호하기 위한 플라스틱 재질의 코어 케 이스, 코어 케이스 둘레에 감긴 코일로 구성됨. 퍼말로이 코어는 기계적 가공 시 발생한 재료 내의 잔류응력과 결함을 제거하고 최적화된 투자율을 얻기 위해 1100°C의 고온에서 수소 분위기로 수 시간 열처리 한 뒤, 3차원 프린터로 제작된 플라스틱 케이스로 패키징하였고, 코어의 둘레에 에나멜 코일을 감아 센서 중심부 를 통과하는 인체 내 누설전류(1차 전류)에 의해 인가되는 에나멜 코일의 2차 유도 전류를 측정함으로써 누설전류의 크기를 감지할 수 있도록 함. <가공 및 열처리 완료 직후의 Permalloy 코어(좌), 3D 프린터로 제작된 코어 케이스(중) 및 패키징 후 코일이 감긴 코어 형상>
Ÿ 아래 그림은 감전센서의 동작원리를 보여주고 있는데, 감전센서 중심을 관통하는 1 차 전류(센서를 착용한 인체 내에 흐르는 누설전류)에 의해 센서 주변 자기장이 변 화하게 되며, 변화된 자기장에 의해 유도되는 2차 전류가 에나멜 코일에 흐르게 됨. 에나멜 코일에 흐르는 2차 전류는 코일에 연결된 load 저항 양단에 전압을 인 가하게 되며, 인가된 전압의 크기로부터 1차 전류의 크기를 감지할 수 있음. < 감전센서의 원리 > 나) 감전센서 제작 및 평가 ① 소구경 감전센서(내경: 80mm) Ÿ 1차년도에는 손목에 장착하기 적당한 크기인 내경 80mm의 감전센서를 제작하였는 데, 코어의 높이를 15mm로 고정한 상태에서 코어의 두께를 3, 4, 5mm로 다양하게 변화시키면서 코어의 단면적이 센서의 감도에 미치는 영향을 알아보았음. 아래 표 는 1차년도에 제작된 4 종의 감전센서 크기를 정리한 것임. 샘플번호 내경 [mm] 두께 [mm] 너비 [mm] 1 80 3 10 2 80 3 15 3 80 4 15 4 80 5 15 <소구경 웨어러블 감전센서의 사이즈> Ÿ 먼저, 센서의 성능을 평가하기에 앞서 코어의 자기적 특성을 파악하고 적절한 load 저항 범위를 선정하기 위하여 감전센서의 인덕턴스를 100Hz에서 측정함. 본 연구 에서 사용된 토로이드(toroid) 형태의 코어의 경우 특정 주파수에서의 인덕턴스(L)는 아래의 식(1)으로 표현. ≈ 식(1) Ÿ 위 수식에서 N은 에나멜 코일의 turn 수, h는 코어의 너비, d1은 코어의 내경, d2 는 코어의 외경, μ는 코어의 비투자율을 의미하며, L과 h의 단위는 각각 [mH] 와 [cm]임. 감전센서가 이상적인 조건에 가까운 환경에서 동작하기 위해서는 센서에 연결된 load 저항이 아래의 조건(식 (2))을 만족해야만 하는데, 이는 1차 코일로 입 력된 전류(인체 내 누설전류)의 에너지가 큰 손실 없이 2차 코일로 전달되기 위해 서는 1차 코일 쪽의 입력 리엑턴스( )이 1차 코일 쪽에서 바라본 load 저 항()의 겉보기 저항값 ()보다 커야하기 때문임. ≪ 식(2)
Ÿ 아래 표는 각각의 감전센서로부터 측정된 인덕턴스 값과, 그로부터 산출된 코어의 비투자율, load 저항의 최대허용치(= 2 π
fL
)을 나타냄. 아래 표에 의하면 전류센서 에 사용된 퍼말로이 코어의 비투자율은 45,000~72,000 정도로 매우 높은 값을 가짐 을 알 수 있음. 이러한 결과를 바탕으로, 4 종의 감전센서에 대해, load 저항값을 2kΩ, 3kΩ, 4kΩ의 순으로 변화시켜 가면서 입력전류의 크기에 따른 출력전압의 변화를 살펴봄. 센서 번호 Turn 수 인덕턴스 [H] 비투자율 load 저항 최대허용치[kOhm] 1 1035 11.2 72,284 4.2 2 1010 15.4 69,491 5.8 3 1035 14.0 45,671 5.2 4 1084 28.5 68,640 10.7 < 센서 별 인덕턴스, 비투자율 및 load 저항 최대 허용치 > Ÿ 아래 그림은 웨어러블 감전센서의 성능을 평가하기 위한 측정장치 구성을 보여주 는 모식도임. 우선 전압조정용 변압기로부터 저항기를 통과하여 팔 모형 내부를 흐 르는 1차 전류의 크기는 회로에 직렬로 연결된 전류계를 이용하여 측정하였으며, 감전센서의 2차 코일 양단에는 케패시터와 저항가감기를 병렬로 연결하여 load 저 항의 크기에 따른 센서 신호의 변화를 측정할 수 있도록 함. 센서 신호는 load 저 항의 양단에 걸리는 전압의 형태로 출력되며, 신호의 크기는 오실로스코프를 이용 하여 측정함. < 감전센서의 측정장치 구성도 > Ÿ 아래 그림은 4 종의 감전센서에 대해 손 모형에 흐르는 입력 전류값 (Iin,rms)에 따 른 센서의 출력 신호(Vout,rms)를 측정한 결과를 보여줌. 입력 전류의 크기는 6mA에서 14mA까지 2mA 간격으로 증가시켰는데, load 저항의 크기에 관계없이 4 종류 의 센서 모두 해당 입력 전류 범위 내에서 선형적인 센싱 특성을 나타내었으며, 이 를 이용하여 1차년도 목표치인 10mA의 체내 누설전류를 효과적으로 감지할 수 있 음을 확인할 수 있음. 특정 입력전류 치에서 센서 출력신호의 크기는 load 저항값 이 증가할수록 커졌는데, 이는 최대허용치를 넘지 않는 범위 내에서는 load 저항값 이 클수록 큰 센서 출력신호를 얻을 수 있음을 의미함. <각 샘플별로 측정된 입력전류 vs 출력전압 관계 (load 저항: 2, 3, 4kΩ)> 한편, 아래 그림은 각각의 감전센서에 대해 특정 load 저항 값에서의 입력전류 vs 센서 출력신호의 관계를 비교하여 나타낸 것인데, load 저항 값이 같으면, 감전센서의 두께에 상관없이 센서 출력신호의 크기는 거의 일정하게 유지됨을 확인함. 이는 퍼말로이 코어 의 투자율이 충분히 높아 본 연구에서 사용된 범위 내에서는 코어의 두께가 감전센서의 성능에 거의 영향을 미치지 못함을 보여줌. 이러한 결과를 종합하면, 본 연구에서 개발된 감전센서는 1차년도의 정량적 목표치인 둘레 20cm 이상, 최소 감지전류 10mA의 목표성 능을 모두 만족함을 확인.
<일정한 load 저항에서 각 샘플 별 입력전류 vs 출력전압 관계 비교> ② 대구경 감전센서(내경: 130mm) Ÿ 2차년도에는 완장형태로 위팔 부위에 장착하기 적당한 크기로 감전센서를 제작하 였는데, 1차년도에 비해 둘레길이가 크게 증가하는 만큼 무게를 줄이기 위해 코어 의 두께를 3~5mm에서 1.25mm로 대폭 감소시켰음. 코어의 내경은 130mm로 고정한 상태에서 높이를 변화시키면서 센서의 성능을 검증하였는데, 아래 표는 2차년도에 제작된 위팔 부착형 감전센서 크기를 정리한 것임. 샘플 번호 내경 [mm] 두께 [mm] 너비 [mm] 1 130 1.25 10 2 130 1.25 15 <대구경 웨어러블 감전센서의 사이즈(좌) 및 형상(우)> Ÿ 먼저, 코어의 두께 감소와 내경 증가가 자기적 성능에 미치는 영향을 확인하기 위 해 감전센서의 인덕턴스를 100Hz에서 측정함. 아래 표는 각각의 감전센서로부터
측정된 인덕턴스 값과, 그로부터 산출된 코어의 비투자율을 나타냄. 아래 표에 의 하면 전류센서에 사용된 퍼말로이 코어의 비투자율은 55,000~62,000 정도로 1차년 도에 사용된 소구경 퍼말로이 코어와 유사함을 알 수 있음. 이러한 결과로부터 퍼 말로이 코어의 두께가 대폭 감소하더라도 전류유도 및 센서의 성능에 큰 영향을 미치지 않을 것임을 예상할 수 있음. 이러한 결과를 바탕으로, 2 종의 감전센서에 대해, 입력전류의 크기에 따른 출력전압의 변화를 살펴봄. 센서 번호 Turn 수 인덕턴스 [H] 비투자율 1 1422 4.2 54,521 2 1409 7 61,702 < 센서 별 인덕턴스 및 비투자율> Ÿ 아래 그림은 2 종의 감전센서에 대해 입력 전류값 (Iin,rms)에 따른 센서의 출력 신 호(Vout,rms)를 측정한 결과를 보여줌. 입력 전류의 크기는 2mA에서 10mA까지 1mA 간격으로 증가시켰는데, 2 종류의 센서 모두 해당 입력 전류 범위 내에서 선 형적인 센싱 특성을 나타내었으며, 이를 이용하여 2차년도 목표치인 10mA의 체내 누설전류를 효과적으로 감지할 수 있음을 확인할 수 있음. 특정 입력전류 치에서 센서 출력신호의 크기는 너비가 큰 센서에서 더 높았는데, 이는 동일 두께에서 코 어의 너비를 증가시킴으로써 센서의 출력신호를 높일 수 있음을 의미함. 이러한 결 과를 종합하면, 본 연구에서 개발된 감전센서는 2차년도의 정량적 목표치인 둘레 40cm 이상, 최소 감지전류 7mA의 목표성능을 모두 만족함을 확인. <각 샘플별로 측정된 입력전류 vs 출력전압 관계> Ÿ 한편, 웨어러블 감전센서를 피부에 직접 부착할 경우 발생할 수 있는 피부자극을 예방하고 착용감을 향상시킬 수 있는 방안으로 감전센서 표면에 신축성 외피층을 형성한 뒤, 이로 인한 센서의 성능 변화여부를 확인하였음. 외피층 소재로는 피부 에 자극을 주지 않고 부드럽게 밀착될 수 있는 대표적인 신축성 소재인 Ecoflex와 실리콘 고무를 선택하였음. Ecoflex 외피는 3차원 프린팅으로 제작된 몰드 내에 센 서를 위치시킨 뒤 Ecoflex와 경화제를 섞은 용액을 부어 굳힌 후 몰드를 제거하는
방식으로 형성하였고, 실리콘 고무 외피는 센서 표면에 실리콘 시트를 감아서 형성 하였음. 아래 그림은 신축성 외피로 감싸인 감전센서의 형상을 보여줌. <Ecoflex(좌)와 실리콘(우) 외피층을 가지는 감전센서 형상> Ÿ 아래 그림은 신축성 외피층을 가지는 2 종의 감전센서에 대해 입력 전류값 (Iin,rms)에 따른 센서의 출력 신호(Vout,rms)를 측정한 결과를 보여줌. 2 종의 감전 센서 모두 외피층 형성 전후 센싱 특성의 변화는 없었으며, 센서의 장착부위나 장 착방식, 사용환경에 따라 기능성 외피소재를 적용하여도 센서의 성능은 그대로 유 지할 수 있음을 확인하였음. <신축성 외피층 형성 전후의 입력전류 vs 출력전압 관계> ③ 유연성 연자성체 코어 구조 및 제작공정 탐색 Ÿ 한편, 본 연구에서는 유연성 감전센서를 제작하기 위한 요소기술로 유연하게 휘어 질 수 있는 연자성체 코어의 구조를 고안하고 제작공정을 탐색하였음. 유연한 코어 를 구현하기 위한 첫 번째 방법으로는 신축성 실리콘 튜브 내부를 연자성 분말로 충진한 뒤, 튜브의 양 끝단을 밀봉 연결하여 링 형태로 만드는 방법을 적용하였음. 이는 실리콘 튜브 내에 충진된 연자성 분말 입자들이 연자성 특성과 자기적 상호 작용은 유지하되, 외부를 감싸고 있는 신축성 튜브가 구부러지거나 늘어날 때 공간 적인 재배열을 통해 변형을 수용할 수 있을 것으로 기대되었기 때문임. Ÿ 사용된 연자성 분말은 대표적인 연자성 재료인 Sendust 분말(80Fe-10Si-10Al)로서, 평균 입도는 약 70μm이었음. 또한, Sendust 분말이 충진된 실리콘 튜브의 양 끝단
은 관 모양의 스테인레스 커넥터를 이용하여 연결하였는데, 커넥터의 외경을 신축 성 튜브의 내경보다 1~2mm 크게 제작하여 접착제 없이도 튼튼한 결착이 유지되도 록 하였음. 아래 그림은 제작된 유연성 연자성체 코어의 구조를 보여주고 있는데, 내부에 분말이 잘 채워지고 연결부위가 튼튼하게 결착되어 있음을 알 수 있음. <분말충진 방식의 유연성 코어구조 모식도(상), 튜브 연결형 스테인레스 관 및 연결부위 형상(좌) 및 제작된 유연성 연자성체 코어(우)> Ÿ 하지만, 유연성 연자성체 코어의 감전센서 적용 가능성을 판단하기 위하여 코어에 에나멜 코일을 감아 인덕턴스를 측정한 결과, 측정된 인덕턴스로부터 산출된 코어 의 투자율은 약 20으로서 퍼말로이 코어에 비해 매우 낮아 감전센서에 적용하기에 는 부적합함을 확인하였음(아래 표). 이는 실리콘 튜브 내부에 충진된 연자성체 분 말입자 간에 공극이 존재하여 효율적인 자화가 일어나지 못하기 때문으로 판단됨. 번호 내경[cm] 외경[cm] Turn 수 인덕턴스 [μH] 비투자율 1 4.2 6.7 190 648 19.7 2 4.2 6.7 120 198 15.1 3 6.2 8.7 1050 14800 20.2 < 분말충진 코어에서 측정된 인덕턴스 및 비투자율> Ÿ 분말 충진 방식의 한계점을 극복하기 위한 두 번째 방법으로, 아래 그림에서와 같 이 고투자율 퍼말로이 rod들을 Sendust 분말 내부에 일정 간격으로 파묻는 하이브 리드 구조를 시도하였음. 이는 고투자율 퍼말로이 rod들이 순수한 Sendust 분말 충 진체에 비해 높은 투자율을 제공하는 한편, rod들 사이의 분말 영역에서 코어의 유 연성을 제공할 수 있을 것으로 기대되었기 때문임.
<하이브리드 코어 구조의 모식도(상), 사용된 퍼말로이 rod(좌) 및 제작된 하이브리드 코어 형상(우)> Ÿ 하지만, 아래 표에 나타내었듯이, 제작된 하이브리드 코어의 인덕턴스를 측정한 결 과, 이로부터 산출된 투자율은 약 20으로서 순수한 분말 충진체와 거의 유사함을 알 수 있었음. 이처럼 퍼말로이 rod의 삽입에도 불구하고 코어의 투자율이 증가하 지 않은 것은, 퍼말로이 rod에 비해 분말충진 영역의 투자율이 너무 낮아 코어의 전체 평균 투자율이 분말충진 영역에 의해 주로 결정되기 때문으로 생각됨. 번호 내경[cm] 외경[cm] Turn 수 인덕턴스 [μH] 비투자율 1 6.5 8.8 100 112 20.5 2 6.5 8.8 200 462 21.1 <하이브리드 코어에서 측정된 인덕턴스 및 비투자율> Ÿ 한편, 보다 얇고 가벼우며 신축성이 높은 연자성 코어를 제작하기 위한 또 하나의 방법으로, 얇은 직사각형 형태의 퍼말로이 조각들을 신축성 elastomer 밴드 위에 일정 간격으로 붙이고, 이들 사이를 Sendust 분말-신축성 점착제 혼합 소재로 연결 한 시트형 하이브리드 구조를 시도하였음. Ÿ 하지만 이렇게 제작된 시트형 하이브리드 코어 역시 에나멜 선을 감은 후 측정한 겉보기 투자율이 35~40 정도로 매우 낮았음.
<시트형 하이브리드 코어의 모식도(상) 및 제작된 코어의 형상(하)> 번호 내경[cm] 외경[cm] Turn 수 인덕턴스 [μH] 비투자율 1 6.2 6.6 100 70 35.0 2 6.2 6.6 200 323 40.4 <시트형 하이브리드 코어에서 측정된 인덕턴스 및 비투자율> Ÿ 이러한 결과들을 종합할 때, 연자성체 분말, 또는 분말-신축성 점착제 혼합소재를 코어로 사용하여 고감도 신축성 센서를 제작하려면 분말 소재의 조성, 분말의 입 도, 충진 또는 혼합 방법, 분말의 혼합비율 높은 투자율을 가지는 bulk 소재와의 결합 방식 등이 최적화되어야 할 것으로 판단됨. 하지만, 분말입자 사이에 공극이 존재할 수밖에 없는 혼합소재의 한계로 인해 앞서 기술한 퍼말로이 시트를 이용한 센서에 비해 신호크기가 매우 작아 보다 특별한 신호증폭 및 잡음 제거 기술이 추 가적으로 개발되어야 할 것임. 또한, 신축성 코어의 변형에 따른 신호왜곡의 보정 기술도 필요할 것임. Ÿ 본 연구개발에서는 작업 중 움직임이 가장 많은 손목보다는 위팔 부위에 착용하는 방식으로 작업 편이성 및 안전성을 높여달라는 현장 사용자 요구사항을 적극적으 로 반영하여 제품의 최종 형태를 결정하였음. 따라서 센서 자체가 신축성을 가지는 형태보다는 센서의 두께와 무게를 최소화하면서도 높은 감도를 얻을 수 있는 퍼말 로이 시트 기반의 감전센서 개발에 주력하였음. 2) 전류 센서 처리부 개발 가) 기능 <전류센서 처리부 구상도>
① 전류 i(t)를 220V 5~10mA에 흐르는 도선 주위에 발생하는 자계의 변동을 퍼말로이 시트코어와 같은 고 투자율 재질을 사용하여 자계반응을 전압 V(t)로 출력함. ② 전자 유도 법칙에 따라 기본적으로 얻을 수 있는 것은 교류전압이고, 직류는 측정 할 수 없음. ③ 퍼말로이 시트 코어에 유입되는 전류를 주문제작(customize)하기 때문에 전달함수 를 사용해 특성을 맞춰야함. ④ 시스템에 유입될 수 있는 노이즈와 스퓨리어스(spurious)를 제거함. 나) 구성 ① RC lowpass filter Ÿ 220V 60Hz 신호의 저주파 신호만 통과하고 고주파 및 고조파를 제거하기 위해 사 용함. ㉮ 수식 Ÿ 기본구성은
에서 Laplace transform 하면 로 나타낼 수 있음. 여기서 저항 R과 C값에 의해 응답 형 태를 변화시킬 수 있음. Ÿ 현재 회로에서는 C값은 정량시키고, R1 가변저항을 이용해 전달함수를 가변시킴. ② 증폭기 Ÿ 전류 센서 에서 나오는 미세한 교류 신호를 전처리하여 우리가 원하는 신호로 바 꿔줘야 함. 증폭기는 적분기 형태를 취하며,㉮ 수식 Ÿ 기본구성은
전달함수 식은 임. Ÿ OP-AMP Low power single-supply을 선정하였음.③ 비교기 Ÿ 위에서 RC-lowpass filter와 적분기를 통해 나온 신호를 정량항목에서 계단파형으로 만들기 위해 비교기(판정부)를 설계하였음. ㉮ +입력단자 전위 > -입력단자 전위상태 : High 레벨 출력 ㉯ +입력단자 전위 < -입력단자 전위상태 : Low 레벨 출력 Ÿ 입력전류 5~10mA에 들어오는 전류의 상태를 판별하여 디지털 출력을 만들고자 함. Ÿ 센서마다 투자율이 다르므로 비교기를 이용하여 균일한 제품을 만들고자 하였음. 다) 회로설계 및 제작 ① 회로도설계 지난번 보드에 핀 맞춤! 5V -+ U? OPA344NA_250/ SOT23-5 2 1 3 4 5 VR1 10K/ H3296P 1 3 2 -+ U? OPA344NA_250/ SOT23-5 2 1 3 4 5 R1 47k R2 10k +5V X2 C3 1.5nF TP4 5V C1 100nF J? 2.54mm 헤더핀 1 2 3 4 VR? 100K/ H3296P 1 3 2 5V C2 1.5nF 5V C4 MKT334J100V_Film R1 1k R7 1k X1 S1 R3 470k S2 (output) R6 47k ② 시뮬레이션 <3mA(Vpp 30mV)출력> <10mA(Vpp 100mV)출력> ① 비교출력부 ② 증폭부 ③ 오리지널 신호 Ÿ 회로 설계를 바탕으로 시뮬레이션 결과를 취득하였음.
㉮ Program : NI Multisim ver14.1 ㉯ X Scale 5ms, Y Scale 2V, 5V, 5V Ÿ 실제는 입력 임피던스에 의해 증폭부와 출력단의 파형 형태가 다를 수 있지만 시 뮬레이션에서 입력의 크기의 변화에 따라 오리지널 신호의 세기에 따라 증폭부의 출력은 일정하게 증가함을 확인하였음 ③ PCB제작 <버젼 1> <버젼2> <버젼3> <버젼4> ④ 실험 Ÿ 생체에 5~100mA의 전류를 흘렸을 때 센서의 출력 검증. ㉮ 신체에 전류를 흘릴 더미로 생 돼지고기를 사용하였음. DMM을 이용해 전류의 상 태를 모니터링 하고, 전류조절을 위해 슬라이닥스를 사용하였음. 현재 시판되는 검전기를 통하여 더미의 안전 유무를 확인하였음.
㉯ 전류에 따른 센서 출력변화 Ÿ 5mA이하일때는 센서를 동작 신호(펄스신호)를 출력하지 않음. 전류 : 5mA 동작 유무 : X Ÿ 7mA이상 생체더미에 전류를 흘렸을 때 센서가 동작.(펄스신호 감지) 3) 웨어러블 전류 센서 모듈 가) 기능 Ÿ 감전 전류 감지를 위한 웨어러블 모듈로써, 감전상황의 상태를 입력받아 무선중계 장치로 전송하기위한 통신 모듈을 제작하였음.
나) 구성 ① 신호처리부 Ÿ 전류센서 처리부의 신호를 전송받아 MCU로 전송하기전에 노이즈를 제거하고, 마이 컴의 신호레벨로 버퍼링하여 처리함. ② 블루투스 통신 모듈 Ÿ 감전상황이 발생한 것을 원격에 전달하기 위해 무선 통신을 이용하는데 있어 블루 투스 무선 통신을 이용. 블루투스 통신을 이용할 경우 필요에 따라 다양한 임베디 드 제품과 연동할 수 있는 이점을 가질 수 있음. Ÿ 블루투스 통신과 관련된 RF회로의 안전성을 고려하여 모듈 형태를 이용하였으며 감전센서 모듈의 크기를 최소화하기 위해 안테나의 형태는 칩안테나의 형태를 적 용함.
③ 충전식 리튬폴리머 배터리 Ÿ 감전센서 모듈은 인체에 착용하는 형태를 가지고 있어 외부로부터 전원을 공급받 을 수 없음. 이를 위해 전원을 위한 배터리를 내장하였음. 내장된 배터리는 배터리 의 크기를 최소화하기 위해 리튬폴리머 제품을 사용하였으며 배터리의 충전과 보 호를 위한 회로를 내장함. Ÿ 모듈에 구성된 배터리의 용량은 1200mA이며 배터리 충전회로는 시간단 500mA의 충전회로로 구성하였음. 이를 기준으로 한 배터리 충전 예상시간은 2시간 20분 내 외의 시간으로 예상됨. Ÿ 배터리의 사용시간은 모듈에서 사용되는 주요 소자의 전류 . 블루투스 모듈 : 최대 25mA . 진동모트, 부저 : 최대 5mA . 마이크로 컨트롤러 : 최대 5mA . 감전센서 신호처리부 : 최대 5mA . 전원회로(Boost 회로, 배터리 전압 -> 5V 승압) : 85% Ÿ 이를 기준으로 한 배터리 사용 예상 시간 Ÿ 배터리 사용 예상시간 = 1200mA * 0.85 / 40mA = 25.5시간 ④ 진동모터, 부저 Ÿ 감전센서 모듈의 사용중 여러 상황(감전 상황, 통신 에러, 배터리 방전)이 발행할 경우 이를 사용자에게 알리기 위해 진동모터와 부저를 내장함. ⑤ 스위치 Ÿ 웨어러블 감전센서 모듈은 하나의 제품 구성에 최대 7개의 모듈을 구성할 수 있음. 각각의 감전센서 모듈의 구분을 위해 모듈 내에 포함된 스위치를 통해 각 모듈의 ID를 부여하여 무선 통신 중계 장치와의 1:7 통신이 가능하도록 함. ⑥ 무선 데이터 통신 구성 Ÿ 웨어러블 감전센서 모듈의 블루투스 통신에 적용된 데이터의 크기는 3Byte의 패킷 으로 구성됨. Preamble Data CRC 8bit 디바이스ID (3bit) Battery Info (4bit) 감전 상태 (1bit) 8bit Ÿ 웨어러블 감전센서 모듈은 1초 단위 주기로 근거리 무선 중계모듈로 주기적인 데이 터를 전송하며 이를 통해 두 장치간의 무선통신이 정상적으로 이루어짐을 확인함. Ÿ 감전상황이 발생할 경우 웨어러블 감전센서 모듈은 감전상태를 On처리한 데이트를 근거리 무선 중계 모듈로 전송하여 근거리 무선 중계 모듈이 무선 전원 차단장치 로 감전 상황을 전달 할 수 있도록 함.
다) 제작 ① 회로도
② PCB
Ÿ PCB의 크기는 65mm * 36.6mm이며 두께는 0.8T임. 부품이 실장된 상태에서 최대 높이는 7mm임.
다. 무선 중계 모듈 개발 1) 기능 Ÿ 감전센서 모듈은 작업자의 인체에 착용하여 동작하므로 감전의 상황을 전달하여 전원을 차단하는 일련의 동작은 무선을 통해 이루어 짐. Ÿ 웨어러블 감전센서 모듈에서 사용하는 블루투스 무선 통신의 통신 거리를 확장하 기 위해 무선 통신 중계 모듈은 웨어러블 감전센서 모듈과 블루투스 무선통신을 수행하고 전원차단 모듈과의 통신은 통신거리가 블루투스 통신에 비해 먼거리의 통신이 가능한 447MHz 기반의 RF 통신을 사용함. 2) 구성 가) 블루투스 통신 모듈 Ÿ 감전상황이 발생한 것을 원격에 전달하기 위해 무선 통신을 이용하는데 있어 블루 투스 무선 통신을 이용함. 블루투스 통신을 이용할 경우 필요에 따라 다양한 임베 디드 제품과 연동할 수 있는 이점을 가질 수 있음. Ÿ 블루투스 통신과 관련된 RF회로의 안전성을 고려하여 모듈 형태를 이용하였으며 블루투스 통신 거리를 최대화하기 위해 무선 송출 출력을 Class1을 사용하고 안테
나의 형태는 외장 다이폴 안테나를 적용하여 최대 무선 통신 거리를 40m 이상으로 확보함. 나) RF 통신 모듈 Ÿ 무선 통신 중계 장치와 전원차단 장치의 무선 통신을 담당하는 모듈로 447MHz 기 반의 무선 통신을 이용함. 블루투스 무선통신(2.4GHz)에 비해 낮은 447MHz의 주파 수를 사용하여 전파의 회절률이 높아 장애물 등에 의한 전파 간섭이 적고 좀더 긴 통신 거리를 확보 할 수 있음. Ÿ 이를 통해 최대 무선 전원 차단 모듈과 근거리 무선 통신 중계 모듈은 최대 210m 의 거리에서 통신이 가능함. 다) 충전식 리튬이온 배터리 Ÿ 무선통신 중계 장치의 동작을 위한 전원은 장치 외부로부터 Micro USB 포트를 통 해 인가되는 5V 전원을 입력 받음. 전기 작업자의 작업장 내 전원을 연결할 수 없 는 상황을 고려하여 이를 위해 전원을 위한 배터리를 내장. 내장된 배터리는 리튬 이온 제품을 사용하였으며 배터리의 충전과 보호를 위한 회로를 내장함. Ÿ 감전상황이 발생한 것을 원격에 전달하기 위해 무선 통신을 이용하는데 있어 블루 투스 무선 통신을 이용. 블루투스 통신을 이용할 경우 필요에 따라 다양한 임베디 드 제품과 연동할 수 있는 이점을 가질 수 있음. Ÿ 블루투스 통신과 관련된 RF회로의 안전성을 고려하여 모듈 형태를 이용하였으며 감전센서 모듈의 크기를 최소화하기 위해 안테나의 형태는 칩안테나의 형태를 적 용함. 3) 제작 가) 회로도
