작품번호 350 제32회 전국학생과학발명품경진대회 색각( 色 覺 )장애인도 식별하는 신개념 원 포인트(One Point) 신호등 - 녹색성장에 따른 탈석유 에너지 자립 강화에 따른 - 출품분야 학생작품 출품부문 생활과학Ⅱ 2010. 6. 14. 출품학생 이 정 훈 지도교사 이 현 래
제32회 전국학생과학발명품경진대회 색각( 色 覺 )장애인도 식별하는 신개념 원 포인트(One Point) 신호등 - 녹색성장에 따른 탈석유 에너지 자립 강화에 따른 -
목 차 Ⅰ. 제작 동기 및 목적 1 1. 제작 동기 4개를 하나로 줄이자 1 2. 제작 목적 현재 LED 신호등의 문제 2 3. 위 동기와 목적에 따른 원 포인트 신호등의 구상도 3 4. 발명품 제작 전 멀티 LED와 색각장애인에 대해 알아보기 4 5. 본 발명품 제작 전 선행연구 및 특허 조사 6 Ⅲ. 원포인트 (One Point) 신호등 제작의 실제 9 1. 작품제작 내용 9 2. 3차 작품을 위한 작품의 보안 구성 (좀 더 섬세하게) 11 4. 작품 제작과정 (신호등 외형 아크릴 원통 제작) 12 5. 작품 제작과정 (LED 구입과 제작설명) 12 6. 신호등 LED 회로와 프로그램 제작과정 14 7. LED를 램프 동작하는 과정 16 8. 완성된 작품 (작동한 LED를 촬영한 것임) 17 9. 4차 작품 마지막 완성작품의 구성 18 10. 4차 작품 제작 과정 19 11. 4차 작품의 완성 (각 방향 및 기능 설명) 21 12. 본 발명품을 횡단보도에 응용 한다면~~! 22 Ⅳ. 본 발명품 사용 후 효과 및 전망 23 1. 본 발명품의 사용 후 효과 23 2. 전망 24 3. 참고 문헌 및 참고 사이트 25
그림 목차 <그림-1> 작품의 1차 구상도 1 <그림-2> 작품의 2차 구상도 3 <그림-3> 3차 작품의 보안 및 제작구상 11 <그림-4> 회로 및 프로그램 구성 14 <그림-5> 회로 및 프로그램 구성 15 <그림-6> 작품의 4차 구상도 18 <그림-7> 완성된 작품의 세부 설명 21 <그림-8> 본 발명품을 횡단보도에 응용한다면 22 표 목 차 <표-1> 특허청 키프리스 선행연구 분석표 6 <표-2> 국립과학관 선행연구 분석표 7 <표-3> 1차 작품의 제작구상과 사진 9 <표-4> LED 색상별 제원 9 <표-5> 2차 작품의 구상과 제작 10 <표-6> 본 발명품의 작동 원리 10 <표-7> 3차 작품의 제작구상과 사진 12 <표-8> 작품의 제작의 실제 사진 12 <표-9> LED 동작과정 16 <표-10> 완성된 신호등의 동작 17 <표-11> 4차 작품의 제작과정 19
Ⅰ. 제작 동기 및 목적 1. 제작 동기 4개를 하나로 줄이자 친구 병우랑 방학 중에 여행을 갔다가 깜짝 놀랐 다. 정지 신호에 건너려는 것이다. 나중에 물었더니 아주 심한 색맹 이였다. 이 일을 계기고 나는 신 호등에 많은 관심을 갖게 되었고 현재 사용하고 있는 신호등을 분석하다 보니 4개씩이 아니어 도 하나만으로 충분히 그 기능을 다할 수 있을 텐데 하는 생각으로 분석해 보았다. 신호등은 녹색, 황색, 적색으로 각각 통행, 대기, 정지의 의미로 사용되 고 있다. 이 3가지 색과 표시는 각각 하나의 램프(원통)에서 나온다. 그럼에도 불구하고 교차로에서 보듯이 적게는 2개씩, 많게는 4개씩 세트로 2~3개가 달려 있다. 이는 전력이나 관리비용의 문제점을 안고 있다. 이를 해결할 수 있는 현재 개발된 있는 LED는 하나의 램프에서도 다양한 색을 낼 수 있다. 최근 일본에서 LED가 파란색도 낼 수 있도록 개발해서 빛의 3원색이 완성되었다. 결국 LED 로 모든 색을 표현하는 것이 가능하여진 것이다. 이러한 방법으로 멀티 LED를 신호등에 사용한다면 굳이 3~4개의 램프로 신호등을 사용하지 않고도 1개의 신 호등으로 모든 신호표시가 가능하고 생각된다. <그림-1> 작품의 1차 구상도 색각장애인의 배려 색을 잘 구별하지 못하는 색각 장애인들이 운전은 하지 못한다는 것은 물 론 면허조차 딸 수 없다는 것이 충격이었다. 본 발명품은 이런 점까지 해결할 수 있도록 하고 싶었기 때문에 색맹에 대한 자료를 검토하고 해결할 수 있는 방 안에 대해 생각해 보았다. 색각장애에도 종류가 있었다. 가장 많은 수를 차지하는 적, 녹색각장애인은 대 - 1 -
부분의 색이 청색과 황색으로 보이는 색맹이다. 수가 드물기는 하지만 청색각장애 인은 반대로 모든 것이 적색, 녹색으로 보이는 색맹이며 모든 색이 흑백과 회색으 로 보이는 전색각장애인이 있다. 다수의 색각장애인은 신호등의 색을 구별하는 데 많은 어려움을 느낀다. 색각장애인이라는 점이 치명적인 오점이 되지 않기 때문에 일상생활이 다른 이들과 별다른 게 없지만 운전을 할 수 없다는 점은 매우 크나 큰 피해라고 생각되었다. 이러한 점을 말끔히 해결하는 작품을 출품하여 서울시 특상을 수상 후 더욱 보안을 하여 전국 전 출품에 임하게 되었다. 국가성장 국가전략(3대 절약 10대 정책방향) 중에 기후변화 적응 및 에너지 자립에서 2. 탈석유 에너지 자립 강화에 맞는 시대적 발명품이라는 생각으로 시 작을 하였다. 대한민국 건국 60년을 맞는 오늘, 저는 저탄소 녹색성장 을 새로운 비전의 축으로 제시하고자 합니다. 녹색성장은 온실가스와 환경오염을 줄이는 지속가능한 성장입니 다. 녹색기술과 청정에너지로 신 성장 동력과 일자리를 창출하는 新 국가발전 패러다 임입니다. - 대한민국 건국 60년 경축사 (2008.8.15, 대통령) 2. 제작 목적 현재 LED 신호등의 문제 현재 사용되는 LED 신호등이 저온에 약하여 혹한기에 동작이 잘 안 된다는 단점을 없애고 새로운 신개념 solo LED 신호등을 개발하여 제작 유지비와 전 력소모를 줄이고 가장 중요한 점으로 불치병으로 알려진 색각장애를 안고 살아 가는 세계 곳곳의 사람들에게 운전이 가능하게 할 수 있다. 또한 본 발명품을 일 반화하면 기존의 신호등의 전력소모를 1/10로 줄이며(전국의 신호등의 수를 고려 한다면 엄청난 양), 도시 곳곳에 커다란 크기로 존재하여 도시 미관에도 영향을 주는 제어기도 작게 줄일 수 있다. 본 발명품은 현제 우리 정부에서도 추진 중인 녹색성장시대에 맞춰 불필요한 신호등의 제작과 설치 그리고 에너지 낭비를 막 기 위함이라고 생각한다. 잘 나가던 LED신호등에 '뜻밖의 암초' 열 발생 안 해 혹한기엔 얼어붙어 '무용지물' - 2 -
강설엔 제 기능 못하는 교통신호 LED신호등 쌓인 눈 안 녹아 식별 곤란 운전자 시야 방해 LED신호등이 모든 면에서 백열등보다 좋은데 강설 앞에선 속수무책입니다. 안전을 위해 보완이 필요합니다. 이에 동절기마다 이 같은 현상은 계속 이어질 것으로 예측되면서 앞으로 이 를 보완할 시급한 대책이 요구되고 있다. 이에 대해 시의 한 관계자는 정부 방 침에 따라 관내도 효율성이 높은 LED체계로 교체 중이나 문제점으로 지적되는 사안에 대해서는 보안책 방안을 강구하겠다 고 말했다. 아산/이희용기자 충청신문/, dailycc@paran.com 등록일: 2009-03-11 오후 7:22:35 3. 위 동기와 목적에 따른 원포인트 신호등의 구상도 <그림-2> 작품의 2차 구상도 위 그림처럼 만들면 하나로도 4개의 기능을 좀 더 편하게 사용 할 수 있으며 제작과 설치에 따른 많은 에너지를 줄일 수 있을 것이다. - 3 -
4. 발명품 제작 전 멀티 LED와 색각장애인에 대해 알아보기 1) 멀티 LED란? LED란 Light Emitting Diode의 약자로 빛을 발하는 반도체소자, 발광 다이 오드를 뜻하며, 이는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고 받는데 사용되는 반도체의 일종입니다. 즉, 반도체에 전압을 가할 때 생기는 파장이 가시영역에 속할 때 이를 활용하 여 발광 효과를 내도록 하는 장치로써 비 소화 갈륨, 인화갈륨, 갈륨-비소-인, 인 화인듐, 인듐 갈듐-인 등 화합물 반도체를 사용합니다. 이 현상은 1923년에 발견되었지만 1960년대 말 실용화가 시작되어 1990년대 초 전광판과 신호등에 이용되면서 급속히 발전, 보급되고 있습니다. 지구상에는 LED를 비롯한 수천만가지의 발광장치가 존재하고 있습니다. 그중 에서도 LED는 30여년 이상 꾸준히 사용되고 개발되어 왔으며 앞으로도 그 쓰임 새가 무궁무진할 만한 전자 발광 소재로 각광받고 있습니다. 이미 미국을 비롯한 선진국에서는 네온사인이 모두 LED로 대치되고 있으며, 일례로 유명한 나스닥 건물 외부 조명은 1800만개의 LED를 사용한 하나의 거대 한 전광판입니다. 과거에는 주로 녹색, 황색, 적색의 LED를 중심으로 개발 및 제작되었으며, 생 산기술의 발달로 소자의 구조를 개선함으로써 밝기가 향상되어 자동차, 메시지 사인, 교통표시기 등에 본격적으로 사용되기 시작하였습니다. 그러나 빛의 삼원색이라 할 수 있는 녹색, 적색, 청색 중 청색 LED의 개발은 기술적 한계로 인해 미진하였습니다. 따라서 이러한 청색 LED의 부족은 제조상 의 어려움으로 이어져 현재와 같은 총 천연색의 구성이 불가능 하였습니다. 그런데 1990년대 중반 일본의 니치아 화학회사가 고휘도의 청색 LED를 개발, 생산함으로써 자연스러운 총 천연색의 표시가 가능하게 되었습니다. 즉 청색 LED가 적색 및 녹색 LED와 결합하면 모든 색상을 표시할 수 있어, 긴 수명, 고휘도 및 고 시각의 특성을 지니는 디스플레이, 교통신호, 전광판 등 의 부품으로 이용함으로써 각광을 받고 있습니다. 또한 빛의 삼원색이라고 할 수 있는 적색, 녹색, 청색의 광원을 조합하면 백색 의 광원을 만들 수 있으며, 이러한 광원들의 조합에 따라 색을 다양하게 변화시 킬 수 있어 새로운 조명장치로의 응용까지 넓어지고 있습니다. 더욱이 고휘도의 청색 LED를 단독으로 이용한 백색 LED 제조의 성공은 고휘도 LED를 조명등에 사용할 수 있게 하는 가능성을 높여주었습니다. 향후 고휘도 LED가 기술발전을 통해 일반조명등까지 그 영역이 확대되어 사 용되면, 과거에 진공관이나 CAT TV를 각각 트랜지스터나 LCD, P에 TV로 대 - 4 -
체하는 것과 같은 정도의 혁신적인 기술로 평가될 전망입니다. 이와 같이 고휘도의 LED가 기존의 전구나 형광등을 대체한다면, 전력소모 감 소, 긴 수명을 통한 교체비용 감소, 오염물질 감소 등과 같이 환경보호는 물론 비용까지 절감할 수 있을 것으로 예상됩니다. <여러 가지 색을 조합하여 낼 수 있다> 2) 색맹이란? 정의색각이상이란 망막 원뿔세포의 선천적 기능 이상 또는 후천적인 망막 원 뿔세포의 손상이나 시각 경로의 이상으로 색깔을 정상적으로 구분하지 못하는 현상을 일컫는다. 정상인이 느끼는 색은 3가지 단색광(적, 녹, 청)의 혼합으로 표 현되며 적, 녹, 청 세 개의 원뿔세포 중 하나의 기능이 불완전한 것을 색약, 2개 의 원뿔세포밖에 없는 것을 색맹이라고 하나, 실제로는 색약과 색맹을 구별하기 곤란한 점이 많아 최근에는 이러한 분류보다 다음의 분류를 많이 사용한다. 색각장애에 대한 연구는 사실 안과학 중에서 가장 미발달한 분야이다. 다행히 도 대부분의 색각이상자들은 그 정도가 크게 심각하지 않은 편이다. 대부분이 색 깔은 구분하지만 몇 가지 색깔에 있어 문제가 있는 정도다. 하지만 이러한 증상 도 전자공학 분야나 정보통신, 군대, 화학, 의학, 약학, 의류, 사진, 인테리어, 디 자인, 페인팅 등의 직업에서는 문제가 심각하다. 또 운전자가 신호등이나 경보 등의 색깔을 구별하지 못해도 큰 불행이 따른다. - 5 -
색각이상을 가려내는 데 특별한 기법은 아직 개발되지 않았지만 대체로 2가지 방법이 있다. 하나는 비용이 들지 않고 손쉽게 할 수 있는 것으로 회색 점 바탕 에 여러 가지 색깔로 모양을 그려 넣고 구별해 내는 방법이다. 다른 하나는 혈액 채취에 의한 유전자 감식방법인데 아직 개발 중이다. (색각 이상이 없는 경우) (보이는 직진 신호등) (색각 이상이 있는 경우) (보이는 직진 신호등) 5. 본 발명품 제작 전 선행연구 및 특허 조사 (서울시와 전국 전 방침에 따라 선행연구조사를 철저하게 분석 하였다) 1) 색맹과 연관된 신호등 특허에 관한 조사 분석 신호등에 관한 특허는 무수히 많았으나 그 중 본 발명품과 유사한 특허 나 선행연구를 특허청과 키프리스, 발명관련단체 각 교육과학원에서 집중적으로 조사를 하여 분석을 하였다. <표-1> 특허청 키프리스 선행연구 분석표 작 품 명 도면 및 사진 내 용 분 석 색맹자 또는 색 약자를 위한 교 통 신호등 본 발명은 숫자 문자 음성 신호등 및 그의 제어 방법을 제공하기 위한 것으로 운전자에게 신호상태의 정보 를 전달하도록 되어있다. 색 맹 운 전 자 를 위한 신호등 감 지시스템 삼각형, 사각형 및 원형의 형상 을 가지는 신호 등 출원번호(일자) 10-1997-0007483 (19970306) 공개번호(일자) 1019980072579 (19981105) 색맹운전자를 위한 신호등 감지시스 템에 관한 것으로, 차량항법시스템의 GPS 수신기를 통해 위치를 확인하 여 운전자에게 보낸다. 적색, 황색, 녹색 및 화살표로 구성 되는 종래의 교통 신호등에 있어서, 색상으로 구분하면서 신호등의 형상 을 삼각형, 사각형 및 원형으로 인식 하게 하는 신호등 - 6 -
정지 예고 보조 신호등 시스템 IPC 코드G08G 1/095 출원번호1020080041126 공개번호1020090115329 교통취득신호에 따라 상기 정지 예 고 신호등의 점멸을 제어하는 상기 보조 신호등을 포함하는 것을 특징 으로 하는 정지 예고 보조 신호등 시스템. 잔여시간 표시 기능을 가지는 신호등 잔여시간 표시부는 녹색램프 표시 부가 점등상태시 소등상태인 적색램 프 표시부내에서 상기 녹색램프 표 시부의 점등상태의 잔여시간을 표시 하도록, 상기 적색램프 표시부에 구 성하는 것을 특징으로 하는 잔여시 간 표시 기능을 가지는 신호등 멀티칼라 잔여 시간 표시 신호 등 교차로 또는 횡단보도에 설치되며 적색램프와 녹색램프를 포함멀티칼 라 다색 숫자표시 이루어진 것을 특 징으로 하는 멀티칼라 잔여시간 표 시 신호등 본 발명자가 본 선행연구 특허분석내용은 다음과 같다. 신호등에 관한 선행연구나 발명특허는 각 분야에서 해아 릴 수 없이 많았 다. LED램프를 비롯해서 일반 전구 등 대체적으로 일반인들 특허 연구로는 전 자적인 부분이 많이 있었다. 그러나 본 발명품하고는 많은 차이를 두고 있으며 유사하다고 생각 하는 선행 특허품은 없었다. 2) 국립중앙과학관 신호등과 연관된 작품 조사 분석 <표-2> 국립과학관 선행연구 분석표 작 품 명 도면 및 사진 내 용 분 석 제27회전국학생 과학발명품경진 대회하나로애니 메 이 션 보 행 자 신호등 보행자용 교통 신호등으로 신호를 하나 의 LED 화면에서 남녀모습이 동영상으 로 나타나고, 잔여시간 표시를 전면에는 점멸 방식 LED로, 측면과 뒷면에는 카 운터 방식으로 표시하며, 음향신호를 추 가하였다. 역광 반사를 줄이기 위하여 전 면에 5도의 각을 주었고, LED갓을 설치 하여 빛을 더욱 밝게 한 통합형 신호등 이다. - 7 -
제29회전국학생 과학발명품경진 대회색맹 색약 자 도 구 별 할 수 있는 역광에 의 한 사 고 방 지 용 신호등 제21회 대한민 국학생발명품전 시회 교통 신호 지시기의 식별을 용이하게 하 기 위하여, 보조 신호 표시부를 구비하도 록 하여 태양 빛이 강하거나 역광( 逆 光 ) 이 비취는 경우 등 보행자가 교통 신호 지시기의 색을 구분하기 어려운 경우에 도 교통 신호를 용이하게 식별할 수 있 는 교통 신호등 대한민국학생발명품전시회에 출품한 김 선욱(인천 관교중 1년ㆍ사진)군이 차지했 다. 이 신호등은 기존의 LED 신호등의 고휘도 LED 수가 보통 144~180개인 데 비해 깔때기 모양의 반사경을 이용, LED의 수를 84~86개로 줄이고 태양광을 이용해 반영구적으로 사용할 수 있도록 고안됐다. 베 이 징 사 범 대 학 난산 부속학 교 6학년 학생 인 마멍첸이 색 맹 신호등 을 개 발했다. 어릴 때부터 발명을 좋아했던 마멍첸 은 2007년 부모와 함께 차를 타고 가던 중 신호등을 지나면서 색맹은 신호등을 구별할 수 없어 큰 길에서 위험하겠다는 생각을 문득 하게 됐다. 마침 빨간색과 초록색을 확실히 분간하지 못하는 색맹 이웃이 있었고, 마멍첸은 색맹을 위한 신 호등을 발명하면 색맹인 사람도 즐겁게 운전을 할 수 있으리라 생각했다. 이 아 이디어를 선생님과 부모에게 말했고 모 두 긍정적으로 답했다. 선행연구 분석내용은 다음과 같다. 발명품은 LED숫자를 줄여 에너지를 줄이는데 중점을 두었다. 하지만 위의 작 품으로는 좌회전, 동시신호,,, 등의 표기를 못한다는 것이 무척 아쉽다. 태 양열을 이용하고 신호등 내부에 원형 반사경을 이용하였으나 LED램프의 특성은 빛의 거의 직진으로 나가기 때문에 측면에서는 관찰이 많이 불편하다고 본다. - 8 -
Ⅲ. 원포인트 (One Point) 신호등 제작의 실제 1. 작품제작 내용 1) 1차 작품의 구상도와 작품설명 <표-3> 1차 작품의 제작구상과 사진 구상 그림 작품 사진 작품의 구상 설명 : 기존 신호등은 4 개의 램프가 각각 다른 일을 하며 작동한 다. 하지만 나는 4개의 램프가 필요 없다 고 생각하여 신호등의 램프를 하나로 줄여 하나의 램프에서 모든 색이 나오고 모든 일을 할 수 있도록 구상한다. 1차 작품의 설명 : 기존의 신호등방식 과 다를 게 없지만 위 사진처럼 한 개의 신호등으로 좌측의 (사진)신호등의 기능을 할 수가 있다. 원통 1개에서 각각 다른 신 호등의 색을 표현한다. 1착 작품의 결과와 보완점 분석 본 작품을 제작하여 동작을 해본 결과 우선 신호등이 너무 단조롭다는 생 각이 많이 들었고 특히 색각 장애인들을 위해 뭔가 표시를 해야겠다는 생각을 하였다. 그리고 가운데 화살표와 동시신호를 보다 정확하게 LED의 위치를 잡아 야한다고 생각하며, 서울시 작품을 준비하며 보다 정확한 신호등의 LED제원을 (출력W, 광도, 색도, 작동온도)알아보았다. LED는 색별로 출력하는 W가 다르다 는 것을 알게 되었다. <표-4> LED 색상별 제원 - 9 -
2) 2차 작품의 구상도와 작품설명(서울시 본선대회 작품) <표-5> 2차 작품의 구상과 제작 구상 그림 작품 사진 (녹색 LED)의 예 작품의 구상 설명 : 2차 작품의 내용은 1차 작 품의 제작 방법과 동일하나 위의 구상도와 같 이 색각장애인들을 위해 작동할 때 나타나는 색을 영문 약자로 표기해 넣었다. 현대는 지구 촌 시대로 외국인이 우리나라에도 많을뿐더러 본 발명품을 우리나라뿐만 아니라 전 세계에 적용할 수 있기 때문에 영문으로 한다. 2차 작품의 설명 : 위 사진은 본 발 명품을 촬영한 것으로 통행(직진) 신 호이다. 색은 초록임으로 Green의 약 자인 G로 중앙부분에 넣었다. 녹색은 들어오지만 G자는 들어오지 않은 방 식으로 제작을 하였다. 2차 작품의 하나로 하는 원포인트 색맹신호등의 작동 원리와 내용 <표-6> 본 발명품의 작동 원리 통행신호 1. 녹색 LED 전체 들어 오면서 G자는 꺼진다. 2. 10초 뒤 전체가 깜박 깜박 점멸한 후 좌회전 으로(화살표가 들어온다) 좌회전 신호 1. 좌회전은 화살표만 녹색불이 들어온다. 2. 여기서 동시신호를 표시 해준다. 대기신호 1. 노란색이 들어오는 동시에 Y자가 만 꺼 진다. 5초 후 바로 적 색으로 바뀐다. 정지신호 1. 적색 LED 전체 들어 오면서 R자는 꺼진다. 2. 10초 뒤 전체가 깜 박깜박 점멸한 후 직 진신호로 바뀐다. 신호등 원안에 가로 19개, 세로 19개에서 문자가 구동된다. 한글파일로 그려서 구동하는 램프에 숫자를 입력하고 선을 연결함 - 10 -
2. 3차 작품을 위한 작품의 보안 구성 (좀 더 섬세하게) <그림-3> 3차 작품의 보안 및 제작구상 3착 작품의 작동 원리와 내용 3차 작품에서는 기존의 신호의 잔여시간을 알려주는 (다운 카운터) 신호를 본 작품의 그림과 같이 원형 주변에 넣었다. - 11 -
4. 작품 제작과정 (신호등 외형 아크릴 원통 제작) <표-7> 3차 작품의 제작구상과 사진 5. 작품 제작과정 (LED 구입과 제작설명) <표-8 작품의 제작의 실제 사진> 발명품을 만들기 전에 청계천에 많이 위치한 LED제작사 등을 다니면서 비 용, 종류, 등을 알아 보았다. 요즘은 LED가 많 이 발달해서 주변에 많은 점포를 볼 수 있었다. LED 중에서도 노 란색을 내는 것이 어렵다는 것을 알고 조사를 하였다. 시장조사를 하면서 한 개의 램프로 여 러 색을 낼 때 노란 색(Yellow)을 나타 내기 어렵다는 것 을 알게 되었다. - 12 -
LED시장조사를 끝으로 조사를 마치 고 본격적인 제작에 들어갔다 LED 제작 은 학교 교생이 이었 던 친한 형에게 부탁 했다. 전자가 전공인 형 은 프로그램을 컴퓨 터에 연결하면서 테 스트를 하였다. 솔직히 이번 발명 품은 너무 어렵다. 전 자회로와 프로그램은 거의 전문가 수준이 여야 한다. 제작과정 에 전자전문가의 자 문을 많이 받았다. 직경이 35Cm되는 원통이다. 신호등의 외형을 만들었다. LED신호를 한 개 씩 체크를 하면서 납 땜을 해야 했다. 녹 색, 노란색, 빨강색 등을 별도로 신호를 주어야 한다. 기존에 있는 LED 판을 구입하여 분석 해보았다 LED고정 작업이 거의 마감할 쯤 기판 을 부착하는 작업이 다. 기판을 부착한 후 전압 조절장치에 연 결하여 LED의 빛을 테스트 하였다. 녹색 - 13 -
회로구성을 위한 기 판 이번에는 제일 힘들 다고 한 노란색의 조 합니다. 잘 나온 편이 다. 다음은 문자 세기 는 프로그램을 만든다. 6. 신호등 LED 회로와 프로그램 제작과정 <그림-4> 회로 및 프로그램 구성 VCC R9 10K D3 LED 16 15 14 13 12 11 10 U3 ULM2003 16 15 14 13 12 11 10 U3 ULM2003 16 15 14 13 12 11 10 U3 ULM2003 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 8 VCC VCC VCC U3 14 13 12 11 16 VCC 2 3 15 1 4 5 6 7 U3 14 13 12 11 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 16 VCC D 2 CLK 3 OE STR GND QS1 QS2 9 10 15 1 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 9 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 GND COM 8 1 2 3 4 5 6 7 9 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 8 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 GND COM U3 14 13 12 11 16 VCC Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 R_DATA 2 D R_CLK 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 9 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 GND COM Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 D CLK CLK 15 1 OE STR GND QS1 QS2 9 10 OE STR GND QS1 QS2 9 10 4094 8 4094 8 4094 8 LED 판 뒤에 부착하는 기판 속 CPU 회로이다. 프로그램(한 램프에 3가지 색이 나오고 글자도 새겨질 수 있도록 함.)을 컴퓨터 로 CPU에 입력하여 기판에 부착시켜 한 줄의 LED를 작동시킬 수 있다. 19개의 LED 램프가 달려있으며 한 램프에 초록(Green), 빨강(Red), 노랑(Yellow)색의 3가 지 색을 낼 수 있고 노란색을 만들기 위해선 초록(Green)색과 빨강(Red)색의 적절 한 조합이 필요하다. 조금의 농도도 달라지면 색이 노란색과 멀어지는 경우가 있기 때문에 노란색을 만드는 것이 쉽지 않다. 프로그램 속에선 노란색은 초록과 빨강의 조합으로 만들기 때문에 제외하여서 한 줄에 38개(초록(Green)색 19개 빨강(Red) 색 19개)의 복잡한 배선 구조로 만들어 진 것을 19x19로 LED 판 중앙에 배치하였 다. 중앙에 크게 배치하여서 글자를 새길 때에도 크게 새겨지도록 구성하였다. 글 씨를 내는 방법, 색을 내는 방법 모두 이 CPU 회로에 구성되어있다. - 14 -
<그림-5> 회로 및 프로그램 구성 VCC VCC VCC C4 104 C4 104 VCC 4 5 6 J3 ISP R9 10K C1 VCC 10uF 3 2 1 DATA1 DATA2 C2 20p C3 20P Y1 16Mhz 51 50 49 48 47 46 45 44 10 11 12 13 14 15 16 17 IC1 ATmega64 21 52 62 64 35 36 37 38 39 40 41 42 25 26 27 28 29 30 31 32 2 61 3 (RxD0/PDI) PE0 (ADC0) PF0 60 4 (TxD0/PDO) PE1 (ADC1) PF1 59 5 (XCL0/AIN0) PE2 (ADC2) PF2 58 6 (OC3A/AIN1) PE3 (ADC3) PF3 57 7 (OC3B/INT4) PE4 (TCK/ADC4) PF4 56 8 (OC3C/INT5) PE5 (TMS/ADC5) PF5 55 9 (T3/INT6) PE6 (TDO/ADC6) PF6 54 (IC3/INT7) PE7 (TDI/ADC7) PF7 20 1 24 23 PA0 (AD0) PA1 (AD1) PA2 (AD2) PA3 (AD3) PA4 (AD4) PA5 (AD5) PA6 (AD6) PA7 (AD7) PB0 (SS) PB1 (SCK) PB2 (MOSI) PB3 (MISO) PB4 (OC0) PB5 (OC1A) PB6 (OC1B) PB7 (OC2/OC1C) RESET PEN XTAL1 XTAL2 VCC VCC 22 53 63 AREF AVCC GND GND GND PC0 (A8) PC1 (A9) PC2 (A10) PC3 (A11) PC4 (A12) PC5 (A13) PC6 (A14) PC7 (A15) (SCL/INT0) PD0 (SDA/INT1) PD1 (RxD1/INT2) PD2 (TxD1/INT3) PD3 (IC1) PD4 (XCK1) PD5 (T1) PD6 (T2) PD7 (WR) PG0 (RD) PG1 (ALE) PG2 (TOSC2) PG3 (TOSC1) PG4 33 34 43 18 19 CLK1 CLK2 LED 하나하나 색을 내는 원리가 담긴 회로이다. 회로의 원리를 설명하자면 이렇다. 하나의 회로엔 초록(Green)색을 내는 선과 빨강(Red)색을 내는 선이 존재한다. LED 램프에 불을 내고 싶을 때는 전류를 주 입하는데 예를 들어 초록(Green)색을 내고 싶을 땐 전류에 (+) 전류를 넣고 초 록(Green)색 배선에 (-) 전류를 넣어 전기가 흐르게 하면 LED 램프에 초록 (Green)색 불이 들어온다. 단 빨강(Red)색 배선에 (+) 전류가 흐르도록 해 빨강 (Red)색은 흐르지 않도록 한다. 똑같은 방식으로 빨강(Red)색을 내고 싶다면 전 류엔 (+) 빨강(Red)색 배선엔 (-) 초록(Green)색 배선엔 (+) 전류가 흐르도록 만 들면 램프에 빨강(Red)색 불이 들어온다. 노란(Yellow)색은 조금 다르다. 앞서 말했듯이 노란색은 빨강(Red)색과 초록(Green)색의 농도를 조절해서 넣는다. 이 때 농도 조절이 불안전 하면 노란색과 조금 멀어지고 안전하면 가까워지게 된다. 방식은 비슷하다. 전류에 (+) 전류가 흐르게 하고 이번엔 빨강(Red)색과 초록 (Green)색에 같이 (-) 전류가 흐르도록 해준다면 (농도조절 작업을 했다고 가정) 노란(Yellow)색이 램프에서 나오게 된다. 중요 테마는 불이 나오는 것보다 불이 꺼져서 글자를 새기는 것이다. 내 작품은 모든 램프에 불이 켜지고 글자의 부분 이 되는 램프만 꺼지는 방식으로 램프에 글자를 새긴다. 램프가 꺼지게 하는 방 식으로는 전류에 (+) 전류 켜지게 하고 싶은 램프는 그에 맞는 색에 (-) 전류를 넣고 나머지엔 (+) 전류를 넣는다. 반면 글자를 새기려 꺼지게 해야 하는 램프에 는 모든 색에 (+) 전류가 흐르도록 설정해 놓는다. 그렇다면 모든 램프가 켜지고 글자를 새기려 하는 램프는 꺼져서 마치 불빛에 글자를 새긴 것처럼 보인다. 사 실 이런 과정은 엄청난 속도로 반복되어 점멸하는 것이나 사람의 눈으론 식별 불가능하기 때문에 계속 램프의 불이 켜진 것처럼 보인다. 유흥가나 상점 속 LED 전광판도 그런 방식으로 글자를 새겨 넣는 것이다. - 15 -
7. LED를 램프 동작하는 과정 <표-9> LED 동작과정 8. 완성된 작품 (실제 작동한 LED를 촬영한 것임) - 16 -
<표-10> 완성된 신호등의 동작 통행신호 1. 녹색 LED 전체 들어오면서 G자는 꺼진다. 2. 10초 뒤 전체가 깜박깜박 점멸한 후 좌회전으로 (화살표가 들어온다) 좌회전 신호 1. 좌회전은 화살표만 녹색불이 들어온다. 2. 여기서 동시신호를 표시 해준다. 대기신호 1. 노란색이 들어오는 동시에 Y자가 만 꺼진다. 5초 후 바로 적색으로 바뀐다. 정지신호 1. 적색 LED 전체 들어오면서 R자는 꺼진다. 2. 10초 뒤 전체가 깜박깜박 점멸한 후 직진신호로 바뀐다. 나머지 직진좌회전(동시신호), 동시, U턴,,, (일방통행)등 은 입력 만하면 얼마든지 가능하다. 예) 긴급유괴차량 34누5678등을 알릴 수 있다. - 17 -
9. 4차 작품 마지막 완성작품의 구성 <그림-6> 작품의 4차 구상도 4차 작품의 작동 원리와 내용 4차 작품에서는 겨울철에 문제되는 온도에 약간 LED램프 신호등을 보안 하기 위하여 근접 적외선 센서를 이용하여 신호등 앞 유리 10Cm내에 약간의 막 이 생기면 센서가 작동하여 자동차 열선과 같은 원리로 부착된 열선이 진눈개비 를 가로로 절단한다. 이때 열선에 의해 절단된 눈이나 진눈개비는 바로 흘러내린 다. 본 열선은 아주 약간 열을 원하며 그 열은 솔라 셀에 의해 축전된 에너지로 사용하며 보통 때도 신호등에 사용이 가능하도록 하였다. - 18 -
10. 4차 작품 제작 과정 <표-11> 4차 작품의 제작과정 작 품 사 진 (외형 제작과정) 제 작 설 명 종로에 있는 아크릴제작사 에서 컴퓨터로 설계를 하여 레이저로 4차 작품인 모양 으로 절단을 하였다. 작 품 사 진 (외형과 LED 제작과정) 제 작 설 명 절단을 한 다음 원통을 구 입하여 부착을 하고 신호등 잔류시간을 측정하는 LED 를 부착하였다. 흐르는 방 향에 화살표로 표시하였다. 작 품 사 진 (솔라 셀과 열선 부착 제작과정) 제 작 설 명 신호등지붕에 솔라 셀을 부착하였다. 평소 축전된 에너 지로 신호등을 동작할 수 있으며 특히 겨울철에 문제되 는 진눈개비를 녹여주는 열선을 부착하여 적외선 감지센 서에 의해 약간만 앞이 가려도 센서가 작동하여 열선이 동작하게 하였다. (자동차 뒤 유리원리와 같음) 작 품 사 진 (LED 제작과정) 제 작 설 명 3차 작품과 4차 작품의 LED 동작 테스트하는 과 정이다. 녹색 LED에 잔류 시간을 원 바깥쪽에 넣었 다. - 19 -
작 품 사 진 (외형 도색 제작과정) 제 작 설 명 기존의 신호등과 다르다는 점을 강조하기 위해 기존 신호등의 검은색 외형을 탈 피하고 외형을 회색으로 만 들었다. 완성작품 사진 (전면과 측면) 제 작 설 명 작품의 완성사진 전면과 측 면사진 관람할 때 불편한 점을 없애기 위해 지지대를 따로 제작하였다. 작품 작동사진 (LED직진과정) 제작 설명 신호등의 동작내용 직진(통행)신호 중앙에 녹색불이 들어오면서 녹색LED에 (Green)G자가 들어온다. 신호등의 원 주변 테두리에 다 른 대기 시간 잔류 신호가 점멸하면서 하나씩 꺼진다. 신 호등의 잔류 카운터는 녹색과 좌회전, 동시신호에만 사용 한다. 횡단보도에도 사용이 가능하다. 3차 작품을 중심으 로 좌측의 사진과 같이 테두리 형식의 잔류 시간 카운터를 녹색 LED를 화살표 모양으로 부착하고 깜빡 깜빡 3번 점멸 한 뒤 꺼지면서 다 음으로 넘어가게 하 였다. 직진신호, 동 시신호, 좌회전 신 호등에 만 사용한 다. - 20 -
11. 4차 작품의 완성 (각 방향 및 기능 설명) <그림-7> 완성된 작품의 세부 설명 Solar Cell 열선동작 램프 LED 신호 램프 발명품의 지지대 겨울철 진눈개비 가림 방지 열선 잔류시간 표시 LED 3번 점멸한 뒤 다음으로 넘어감 색각장애인을 위한 문자 Solar Cell에 의해 축전된 에너지는 보통 때는 LED를 동작하고 겨울철에는 눈이나 진눈개비로 인한 신호등 문제를 해결할 수 있도록 앞에 부착된 열선이 동작하여 녹여 주도록 되어있다. 또한 열선은 0.5mm로 되어 있어 멀리서 볼 때는 전혀 보이지 않는다. 겨울철 진눈개비에 의해 안보이는 신호등 - 21 -
- 22 -
Ⅳ. 본 발명품 사용 후 효과 및 전망 1. 본 발명품의 사용 후 효과 에너지 면에서의 효과 우리나라 서울만 해도 엄청난 량의 신호등이 있고 교통량 증가에 발맞춰 현재 계속 증가하고 있다. 신호등의 역할은 매우 중요하다. 하지만 개수가 많은 만큼 거기에 더해지는 전력소비량도 엄청날 것이다. 조사결과 서울의 남은 전구 신호등을 LED로 바꾸기만 하더라도 연간 18억 원의 전력소비를 줄일 수 있다고 한다. 거 기에 더해 신호등의 설치비용 제작비용 수리비용등을 모두 따지자면 엄청난 금 액일 것이다. 이에 비해 본 발명품은 LED 신호등의 3~4개의 램프를 하나로 줄 이니 설치, 수리비용을 더더욱 줄일 수 있다. 그리고 내 작품은 에너지 부족이 큰 문제로 떠오르는 현 지구촌에게 반가운 소식이다. 에너지 부족의 대안으로 대체에너지가 개발되지만 하나의 대체에너지 를 성공적으로 개발하는 일은 쉽지 않다. 또 다른 대안으로 불필요한 에너지를 줄일 수도 있다. 이를 생각하다보면 신호등을 떠올릴 수 있다. 수많은 신호등이 도심 속에서 막대한 량의 전력을 사용한다. 그러나 신호등의 전력으로 쓰이는 에 너지는 필수 불가결한 에너지 이므로 없앨 수 없다. 하지만 내 작품을 이용한다 면 최소한으로 줄이는 것이 가능하다 그리고 이렇게 줄인 막대한 양의 에너지를 다른 곳에 사용할 수 있다. 신호등에 사용되는 불필요한 전력과 설치비용 유지, 관리비용이 줄어든다면 에너지 절약, 녹색성장에 발맞춰 가는 현 시대에 맞는 신호등이라고 생각한다. 색각장애인의 편리 면에서의 효과 그리고 현재 많은 문제를 안고 있는 색각장애인들이 있다. 색각장애인은 겉으 로 봐선 무슨 문제가 있는지 판단이 불가능 할 정도로 일반인과 별다를 바 없지 만 색을 구별하지 못한다는 치명적인 단점이 많은 생활을 불편하게 한다. 그중 하나가 운전을 하지 못한다는 것이다. 전 세계의 색각장애인인구는 남자가 12명 중 1명 여자가 200명 중 1명꼴로 이는 매우 많은 숫자이다. 게다가 색각장애는 대부분 유전되기 때문에 색각장애인의 수가 줄어드는 일이 많지 않고 현재 고칠 수도 예방할 수도 없는 질병이다. 이런 색각장애인이 운전을 할 수 없는 현 시점 - 23 -
에서 색을 구별하지 않고도 읽을 수 있는 내 작품과 같은 신호등을 만든다면 신 호등을 보는 데 큰 문제가 없어지기 때문에 전 세계의 헤아릴 수 없을 정도의 색각장애인이 운전면허를 취득하고 운전을 할 수 있다. 2. 전 망 색각장애인도 식별하는 신개념 일체형 신호등이 실용화 된다면 도로 곳곳에 있는 불필요한 신호등을 본 발명품으로 교체가 가능하다. 앞서 말했듯이 제작비 와 설치비용 및 소비전력이 기존보다 1/10로 줄어들고 설치, 관리, 유지비용이 큰 폭으로 감소된다. 현 시점에서 모든 신호등을 단번에 바꾸기란 큰 어려움이 따르 기 때문에 신도시부터 점차 확대해 나간다면 불가능하지 않다. 게다가 우리나라만 해도 엄청난 수의 색각장애인이 있는데 이들 모두가 운전 이 가능해진다면 이들이 느끼는 불편함이나 소외감들을 없애는 것이 가능하다. 본 발명품이 전 세계적으로 확대되어 실용화 된다면 앞서 말했던 전력이나 또 다른 비용들이 매우 엄청난 량으로 큰 폭 감소될 것이며, 더 많은 색각장애인이 자신감을 갖고 살아나가는 데에 도움을 줄 수 있다. 목적에서도 다루었듯이 현재 사 용되는 LED 신호등이 저온에 약하 여 혹한기에 동작이 잘 안 된다는 단점을 보안했기 때문에 갑자기 닥치 는 추운 겨울철에 신호등이 안보여 사고가 나는 것을 미연에 방지 할 수 있는 발명품이라 할 수 있다. 이에 더 해 잔류시간을 표시할 수 있어 운전 자가 느낄 수 있는 불안감등을 해소 하는 데에도 큰 도움이 될 수 있다. <특허출원서> - 24 -
3. 참고 문헌 및 참고 사이트 한국특허정보원(http://www.kipi.or.kr) 국립중앙과학관(http://www.science.go.kr) 발명틴틴(http://teen.ipacademy.net)-대한민국학생발명전시회 자료 광학 <장수 조재흥 육근철, 대응출판, 1987> 제 7차 교육과정 중등교원 연수 자료(총론) <경기도교육청, 1998> 국토해양부 http://www.mltm.go.kr/ 지식경제부 http://www.mke.go.kr/ 교육과학기술부 http://www.mest.go.kr/ 경찰청 http://www.npa.go.kr/ 한국도로공사 http://www.ex.co.kr/ 고속도로관리공단 http://www.himan.co.kr/ DB정보통신(주) http://www.hitelecom.co.kr/ 도로교통공단 http://www.rota.or.kr/ 국토연구원 http://www.krihs.re.kr/ 한국교통연구원 http://www.koti.re.kr/ 한국건설기술연구원 http://www.kict.re.kr/ 한국정보사회진흥원 http://www.nia.or.kr/ 자동차부품연구원 http://www.katech.re.kr/ 한국정보통신기술협회 http://www.tta.ot.kr/ 한국전자통신연구원 http://www.etri.re.kr/ 교통방송 http://www.ths.seoul.kr/ 대한교통학회 http://www.kor-kst.or.kr/ 한국도로학회 http://www.ksre.or.kr/ ITS KOREA http://www.itskorea.or.kr/ 교통안전공단 http://www.kotsa.or.kt/ - 25 -
색각장애인도 식별하는 신개념 원포인트 신호등에 관한 색맹, 색약 테스트 - 설 문 지 - 조사자 : 서울사대부고 2학년 1반 22번 이 정 훈 응답자: 학번 이름 다음은 색맹과 색약 테스트입니다. 색각이상자도 배려하는 신호등 제작에 도 움을 얻으려고 합니다. 10개의 그림을 보고 뒷장의 표의 질문에 바르게 응답해 주세요. - 1 -
색맹과 색약 테스트 그림은 모두 끝났습니다. 다음 장의 표에 응답해주시기 바랍니다. 부디 정확하게 답변해주시기 바랍니다. - 2 -
질문을 보고 맞는 답변에 체크 해주세요. 1번 그림 1번 그림 속에 16 이 보인다. 1번 그림 속에 뭐가 있긴 있나? 안 보인다. 2번 그림 속에 5 가 보인다. 2번 그림 속에 뭐가 있니? 없는데.. 3번 그림 속에 15 가 보인다. 3번 그림 속에 17 이 보이는데? 3번 그림 속에 아무것도 없거든? 2번 그림 3번 그림 4번 그림 4번 그림 속에 6 이 보인다. 4번 그림 속에 5 가 보이는데? 4번 그림 속에 아무것도 없다..(래알) 5번 그림 5번 그림 속에 97 이 보인다. 5번 그림 속에 뭐 있다고 한 사람 나와라 난 안 보인다. 6번의 이어진 선을 따라갈 수 있다. 6번의 선을 구분하기 힘든데..? 7번 그림 속에 12 가 보인다. 7번 그림 속에.. 아 몰라 없어. 6번 그림 7번 그림 8번 그림 8번 그림 속에 8 이 보인다. 8번 그림 속에 3이 보이는 데 무슨 소리냐. 에라 난 모르겠다. 안 보인다. 9번 그림 9번 그림 속에 26 이 보인다. 9번 그림 속에 2 가 보인다. 9번 그림 속에 6 이 보인다. 9번 그림에 뭐 보인다고 그만 해라 안 보인다. 10번 그림 10번 그림 속에 74 가 보인다. 10번 그림 속에 21 이 보이는데 10번 그림 속에 아무것도 보이지 않아. - 3 -