1. 서 론

최근, 일상생활과 ICT를 접목하여 개발되고 있는 스마트 시티는 많은 도시에서 시민의 편의성을 위해 연구되고 있으며, 이에 따라 다양한 종류의 스마트 시티용 제품들이 개발되고 있다. 스마트 시티에 사용되는 기기 중 대부분은 정보통신 기술과 IoT 기술을 융합하여 지속 가능한 생활을 위한 방향으로 발전하고 있으며, 특히 우리나라에서는 2018년 문화체육부의 스마트 경기장 구축 사업, 2021년과 2022년 국토부의 스마트 챌린지 사업 등 경기장 및 도시의 스마트화를 위해 다양한 품목의 개발을 지원하고 있다.

국내에서 도시 단위로 지원 중인 스마트 시티는 유비쿼터스 도시(U-CITY) 사업을 기점으로 2000년대 초반 화성 동탄을 비롯하여 인천 송도, 대전 공공 주도의 신도시 개발을 넘어서 모든 도시가 스마트 시티를 추구하는 목표로 발전하고 있다. 이에 따라 스마트 시티 정보시스템의 중요성이 부각되고 있으며, 국민들과의 신뢰 관계 구축을 위해 스마트 시티 관련 정보와 정책을 공유하는 노력이 이루어져야 한다. ICT 융합은 새로운 서비스와 제품 시장을 창출 하고 있으며, 정부는 ICT 융합 확산을 위한 전략 수립을 통해 국민의 삶의 질 향상과 산업 성장을 목표로 한다. 또한 공공의 역할은 민간이 지속적으로 발전하고 새로운 기술들이 정착하여 도시가 발전할 수 있도록 다양한 정책들을 지원하는 역할을 하고 있다[3, 4, 6, 7, 8]. 공간정보 기반의 스마트 시티 핵심 가치 및 지표 설계를 통해 스마트 시티의 추구 가치를 분석한 연구에서는 스마트 시티의 핵심 가치로 ‘번영성, 개인화, 편리성, 정확성, 지속성, 안전성, 환경성, 통합성’을 제시하였고, 높은 수준의 공간정보와 연결성을 통해 이루어진다고 발표하였다[9]. 또한, 스마트 시티 프로젝트 이행관계자 간의 목표 우선순위에 관한 연구를 통해 국내 스마트 시티 관련 중요한 두 그룹인 공무원과 시민을 대상으로 스마트 시티의 핵심 가치와 전략목표의 중요성 순위를 조사하였고, 두 그룹 간에 스마트 시티 사업에 대한 의견 교환을 통해 사업 계획을 수립하고 진행한다면 스마트 시티 사업의 성공 가능성을 높이고 결과의 활용성을 향상시킬 수 있다는 연구도 진행되었다[5].

스마트 시티 시장은 전 세계적으로 계속해서 성장하고 있으며, 이에 따라 많은 연구자와 기업들이 스마트 벤치를 개발하고 있다.

스마트 시티를 위해 개발되고 있는 품목 중 벤치는 단순히 앉는 공간을 제공하는 원래의 역할 뿐 아니라, 대화, 독서 등의 다양한 활동을 제공할 수 있어, 도시 내에서의 휴식 공간으로 작용하며 도시 공공 환경의 중요한 제품으로 인식되고 있다. 벤치에 IoT 기술을 접목한 스마트 벤치는 다양한 데이터 수집과 네트워크 공유를 통해 시민의 편의를 제공하는 개념이며, 국내외에서는 국책과제를 통해 다양한 방법으로 벤치 스마트화 연구를 추진하고 있다. Kango et al.[2]은 스마트 시티에서 사용될 벤치의 에너지 절약을 위해, 스마트 벤치에서 사용할 수 있는 태양 전지를 활용하는 방법을 제안하였고, 송윤섭은 미세먼지 저감을 위한 스마트 클린 벤치 디자인 연구를 통해서 여러 사람의 휴식과 공간의 아름다움을 융합한 벤치 디자인의 실례를 보여주며 이를 통해 새로운 개념의 스마트 클린 벤치를 디자인 제시하고자 하였다[10].

국내에서 스마트 벤치를 상용화시킨 대표적인 사례로는 N사, P사, H사 등이 있다. N사의 경우 생활 밀착형 ICT 융합 서비스를 위한 스마트 벤치 개발 사업을 통하여 기존의 USN 기반의 통합 플랫폼 기술, 지능형 디바이스간 상호연동 기술 및 집적화 감지기 모듈별 교환 가능 통합기기 기술 등의 전주기 기술을 활용하여 정보의 수집, 처리, 전송, 활용 등의 기능을 수행하는 통합관리 서버와 상용화할 수 있는 스마트 벤치 시제품을 개발하였고, 주변의 온도와 사용자의 착석 여부에 따라 작동 온도(냉/온 자동 변환)와 온/오프를 스스로 조절할 수 있어 스마트 벤치라는 이름을 사용하였다. P사는 탄소 발열체를 이용한 온열 기능과 원격제어 시스템을 적용하여 LTE망을 이용하여 자동 On/Off 기능, 온도제어, 시스템 점검 등 실시간 모니터링 및 원격 제어 중앙관리가 가능한 제품을, H사는 별도의 전기설치가 필요 없이 설치가 가능한 태양광 발전 블록을 적용하였고, 기타 휴대폰 유무선 충전, 광고, 보안등, CCTV, 미세먼지 측정, Wi-Fi 등 선택 가능한 기능의 제품을 개발하였다. 국외에서는 Steora가 태양광 에너지를 이용해 벤치의 온도 조절뿐만 아니라 무선인터넷, 핸드폰 충전 등 다양한 기능을 제공하고 있다.

<Table 1>과 같이 국내외 제품 모두 기능과 기술과 보유 특허는 유사한 수준이다. 그러나 사용자 편의를 위한 디자인, IoT 광고판 장착을 통한 수익 창출, 비상 상황 알림 등의 기능이 탑재된 제품은 아직까지 개발되지 않았다.

본 연구에서는 스마트 경기장의 의자, 테이블과 공원, 버스 정류장, 카페, 편의점, 대형마트 등에서 사용되는 벤 치 및 테이블을 분석하고, 기존 연구 및 상용화된 제품에서 개발되지 않은 기능들을 탑재하여 스마트 도시화와 사용자 편의성을 증가시킬 수 있는 스마트 벤치를 개발하였다. 개발한 스마트 벤치는 고객 맞춤형 색상과 디자인, 조립 및 설치의 편의성을 고려하여 설계하였으며, 다양한 사용자 및 사용 방법, 이상기후 환경 등을 가정하여 기존 제품보다 높은 수준의 응력, 방진 및 방수 기능 등의 내구성 평가를 수행하였다.

2. 시스템 구성

2.1 스마트 벤치 설계 및 제작

스마트 벤치는 공원 등에서 사용하는 벤치는 산책 또는 운동 중간에 휴식하는 기능이 매우 중요하다. 더불어 공원 이라든지 도심지에서 벤치는 세련됨과 다양한 사람들이 사용하기 편한 디자인을 갖추는 것과 시설의 유지 관리를 위해 조립 설치의 편의성도 고려해야 한다. 이러한 측면에서 스마트 벤치의 기능과 디자인은 <Figure 1>과 <Table 2>와 같이 본 연구에서 개발한 스마트 벤치의 기능과 디자인을 나타내고 있으며, 조립 및 설치의 편의성을 고려하여 조립 구조로 설계하였다. 개발한 스마트 벤치는 다리 중간부 길이 변경을 통해 테이블과 벤치 모드로 사용할 수 있으며, 미관 및 안전을 위해 외부에서 조립 볼트류가 보이지 않는 구조로 설계하였다. 한국과 같이 4계절이 명확한 환경에서 사용할 수 있도록 혹서기인 여름엔 냉각 기능(Cooling function), 혹한기인 겨울엔 온열 기능(Heating function)이 중요하여 냉․온열 기능을 부가하였다.

개발한 스마트 벤치의 구성은 <Figure 2>와 같이, 상판, 하판, 빔, 다리 상단부, 다리 중앙부, 다리 커버, 다리 하단 부, 광고 보호판 및 광고판, 픽토그램 판으로 구성하였다. 단순 절단 길이에 따라 규격을 쉽게 맞출 수 있도록 구성 하였으며, 구성품을 조절하여 테이블과 벤치 등으로 다양하게 사용할 수 있도록 설계하였다.

<Figure 3>과 같이 일반적으로 벤치는 각진 형태로 개발되지만, 각진 형태의 디자인은 허벅지와 벤치 접촉부에 하중을 집중시켜 장시간 사용 시 통증을 유발할 수 있다. 개발한 스마트 벤치 상판의 판 소재는 열전 소자의 효율 향상 및 온열 보조 효과를 위해 탄소 발열체를 사용하였으며, 사용자의 불편을 제거하고 우천 시 상판의 물고임을 방지하기 위하여 둥근 형태로 설계하였다.

판과 기둥의 접합부는 <Figure 4>와 같이 설치하는 사람의 편의를 위하여 쉽게 조립/분해/변형이 가능하도록 조립 식으로 개발하였다. 또한, 단차를 최소화하기 위하여 제품 제작 전 3D 프린터로 동일한 형태 및 크기의 목업을 출력하여 조립 작업을 수행하였으며, PCB, SMPS, 모터 드라이버, 비상 사이렌 스피커 등의 전자부품은 방열판, 방열 팬, 지지대 조립부를 제외한 좌우 빈 공간에 삽입하였다.

스마트 벤치의 다리와 판의 접합부는 전력 절약을 위해 사용자 착석 감지 후 펠티어 소자가 동작하도록 설계하였으며, <Figure 5>는 착석 감지를 통한 펠티어 모듈 동작 구조를 나타내고 있다. 압전센서는 사용자의 착석을 감지 할 수 있도록 상판 하부에 부착하였으며, 압전센서의 고정은 <Figure 6>과 같이 일반적인 실리콘 사용 시 이탈 및 오작동 우려가 있어 플라스틱 재질로 사출 성형하여 기구 적으로 고정하였다.

다리부의 최상단에는 <Figure 7>과 같이 사용자의 편의를 위해 스마트폰이나 무선 이어폰 등을 충전할 수 있도록 무선 충전기를 삽입하였다. 감전사고 및 누전을 방지하기 위해 다리 내부에 공간을 확보하여 전선의 노출이 없도록 설계하였다.

2.2 스마트 벤치 온도제어 시스템

개발한 스마트 벤치의 온도 제어 시스템 구성도는 <Figure 8>과 같으며, 온열 및 냉열을 발산하는 역할을 수 행하는 펠티어 모듈의 소비전력과 스마트 벤치의 설계 크기를 고려하여 최대 5개의 펠티어 모듈을 설치할 수 있도록 공간 확보 및 시스템을 구성하였다. 전력 소비가 높은 펠티어 소자의 기능 구현을 위해 정역 제어가 가능한 고출력 DC 모터 컨트롤러를 사용하였다. 스마트 벤치 내부에 는 벤치 설치 지역에 구축된 인터넷 통신망을 활용할 수 있는 Wife 라우터를 설치하고 내부에 설치된 AC 220V를 통해 전력을 공급하였다.

벤치 양쪽 끝에는 사용자 편의를 위해 <Figure 9>과 같이 유무선 충전기를 설치하였다. 다양한 모바일 기기를 충전할 수 있도록 유선 충전 모듈은 12V의 입력을 받아 5V 의 전원으로 변환하여 출력할 수 있는 컨버터를 사용하였으며, 무선 충전 모듈은 5V의 입력을 받아 모바일 기기를 충전할 수 있는 제품을 사용하였다.

2.3 회로 설계

위에 언급된 여러 기능이 작동할 수 있도록 <Figure 10>, <Figure 11>과 같이 스마트 벤치에 사용할 수 있는 임베디드 시스템을 개발하였다. 벤치 내부에는 인터넷 통 신을 위한 Wi-Fi 라우터를 설치하였으며, 무선 및 유선 충전 모듈이 설치되어 모바일 기기를 충전할 수 있도록 개발 하였다. 사용자의 안전을 위해 긴급 상황 발생 시에는 사이렌과 LED를 사용하여 도움을 요청할 수 있는 기능도 추가하였다.

개발된 스마트 벤치의 임베디드 시스템 배선은 Atmega 328 MCU를 사용하여 온도와 LED 부분으로 구분하여 설 계하였다. 전원은 12V 입력을 받아 DC-DC 컨버터를 통해 5V로 변환하여 사용하였고, 릴레이를 통해 On/Off 전환을 수행할 수 있도록 설계되었고, 온도 부분은 사용자의 편의를 위해 쾌적한 온도인 25℃ ± 3℃를 유지하며, 에너지 효 율을 위해 주변 온도에 따라 자동으로 조절될 수 있도록 설계하였다.

LED 부분은 색상 제어를 위해 개발하였으며, 응급 상황 시 파란색과 빨간색이 번갈아 점등하도록 설계하였다. 또한, 사용자의 안전을 위해 비상 상황 감지용 카메라와 사이렌 스피커를 연동하였으며, 조도 감지기를 통해 밤에는 조명이 계속 켜져 있도록 설계하였다.

3. 성능시험 방법 및 결과

3.1 응력 컴퓨터 해석

실험 이전에 응력 시험 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 안정성을 확인하였다. KS G 4213 자리면 강도 시험에 따른 일 반적인 벤치의 요구 사항은 2,500 N이나, 경기장 등 일상 생활보다 약 4배 정도 가혹한 환경에서의 하중을 가정하 여 벤치에 9,800 N의 하중조건을 부여하였다. <Figure 12> 는 Inventor 소프트웨어를 사용하여 다리부와 빔 접촉부에 가해지는 하중을 분석한 것을 나타낸 것이다. 안전계수를 고려하여 350×100×140mm의 상판에 9,800 N의 정적 하중 을 가할 때 안전하게 적용되는 것으로 예측되었다. 또한, 더욱 세밀하게 응력분석을 수행하기 위하여 <Figure 13> 과 같이 가장 높은 압력이 발생하는 다리 부분을 추가로 분석하였다. 정하중으로 4,900 N을 인가했을 때, 다리 중 앙부에서 발생하는 응력 또한 안전함으로 예측되었으며, 좌우 각각 2개씩 총 4개의 다리로 하중이 분산되어 더 높은 하중을 견딜 수 있을 것으로 분석되었다.

3.2 최대 허용 하중 시험

컴퓨터 시뮬레이션을 통해 안전성을 확인한 후, <Figure 14>와 같이 한국건설생활환경시험연구원(KCL)을 통해 옥외용 벤치(KS G 4213 자리면 강도 시험)기준에 따라 최대 허용 하중 시험을 수행하였다. 1800×350×450mm 크기의 개발품 1개를 시험편으로 사용하였으며, 하중을 가하여 파괴되는 시점을 최대 허용 하중으로 가정하였다. 시험 은 PALLET 종합 시험기를 활용하여 진행되었다. 약 1,500∼1,680 N 범위에서 빔 부분에 약간의 휨 변형이 관찰되고, 약 2,500 N의 최대 허용 하중까지 지지함으로써 파괴되지 않음을 확인하였다.

3.3 방수/방진 시험

본 연구에서는 방수 및 방진 시험을 수행하였다. 시험은 한국건설생활환경시험연구원(KCL)에서 진행되었으며, 1500× 350× 450mm 크기의 시편을 사용하였다. <Figure 15>와 같이 방진 시험에서는 1mm의 시험도구로 1N의 힘을 가하여 외부에 구멍이 생기는지 확인하였다. 방수 시험에서는 분당 10L의 물세기로 물을 뿌린 후 내부로 물이 유입되는지 확인하였다. 시험 결과, 방진 시험에서는 적절한 이격 거리가 유지되었으며 외부 물질의 침투가 없었다. 방수 시험에서는 외함 내부로 물이 침투되지 않았으며, IP 4x 등급을 달성하였다. 이러한 결과로써 스마트 벤치의 방수 및 방진 성능이 확인되었다.

3.4 온열 시험

스마트 벤치의 제작 모델 다양화 및 사용자의 편의 향상을 위해 냉각 및 발열 기능과 온열 기능 및 열확산, 보존 시험을 수행하였다. 실험에 사용한 조건은 일반적으로 벤치 및 스마트 벤치에 사용되고 있는 일반 알루미늄(AL)판 및 그 위에 비정질 CNT(비 CNT), 그라파이트(Graphite), MW CNT, CF(Carbon fiber), Mixed(그라파이트, CNT, CF, YD 128의 혼합물), YD 128등 총 6종의 에폭시를 도포한 제품이 사용되었다. 온열을 위한 6V, 6A, 36W 전력을 사용한 램프 조사와 자연 냉각 및 바람을 사용한 강제 냉각 시험 두 종류를 수행하였다. 실험 결과 <Table 3>과 같은 결과를 관찰하였으며, 표기된 T_0은 원점 온도, T_40은 원 점으로부터 40mm 온도를 의미한다. 또한, Tmax (승온속 도)는 평균값의 30℃ 도달 시점과 35℃ 도달 시점 시간차, T_-2℃ (냉각 속도)는 평균값의 최고 온도 도달 시점과 최고 온도 -2℃ 도달 시점 시간차를 의미하며, Max T_diff는 양 감지기 간 온도 차이를 의미한다.

실험 결과, Mixed라는 에폭시 도포 물이 열을 고르게 확산시키고 오랜 시간 동안 보존할 수 있는 성능을 나타냈다. 또한, Mixed는 액상형으로 부착이 용이하며 굴곡 있는 벤치에 적합한 특성을 갖고 있어 제품 개발에 용이할 수 있음을 확인하였다.

기성 열전도용 패드 제품과의 비교를 위한 추가 시험을 수행하였으며, 추가 실험에는 AL 위에 그래라이트, 카본 파이버, CNT를 1g : 0.2 g : 1g의 비율로 총 60g의 에폭시를 도포하여 제작한 제품(T_Mixed)과 비교 대상인 기성품 열전도용 패드를 AL 위에 부착한 제품(T_pad) 등 총 두 종류의 벤치를 사용하였다. 실험 결과 <Table 4>와 같이 T-pad에 비해 T_Mixed의 온도 편차가 적어졌으며, T_Mixed 온도가 더 느리게 올라가고 더 빨리 식는 것을 확인할 수 있었다. 이는 국부적인 발열을 옆으로 널리 퍼트려서 더 많은 면적에서 공기 중으로 열을 방출한 것을 의미하며 벤치로 사용되었을 때 실제 사람에게 전달한 열이 더 많음을 확인할 수 있었다. 또한, T_Mixed의 승온 속도가 약간 느리고 냉각 속도가 약간 빠른 것을 확인하였으며, 이는 내부의 축적된 미량의 열을 빨리 전파하는 효과가 있는 것을 확인하였다.

3.5 기타 기능

본 연구에서 개발한 스마트 벤치는 기존 제품과의 차별성을 위하여 광고판, 조명 기능, 비상 상황 알림 기능, 고속 충전 기능, Wi-Fi 기능 등을 추가하였으며, 최종 완성된 디자인은 <Figure 16>과 같다.

4. 고 찰

본 연구에서는 스마트 도시화에 주로 사용되고 있으며, 공원이나 버스 정류장, 카페, 편의점, 대형할인점 등에 비치되어 사용자 편의성에 기여할 수 있는 스마트 벤치를 개발하고 평가하였다. 사용성 평가를 위해 여러 형태로 개발하고, 최대 허용 하중, 방수 및 방진, 열전도 시험을 시행 하였다.

최대 허용 하중 시험 결과, 일반적으로 옥외용 벤치 (KS G 4213 자리면 강도 시험)에 가해지는 무게인 2,500 N의 무게에도 파손되지 않음을 확인할 수 있었다. 시험 중 최대 허용 하중을 확인하고자 지속적으로 높은 하중을 가하였고, 이때 약 9,800 N의 하중에서 파손이 발생하였다. 이 파손에서 개발한 스마트 벤치는 부러지지는 않았지만, 조립 부분에서 조립 피스 이탈로 인한 파괴가 발생하였다.

실외에 설치된 벤치는 일반적인 환경 외에도 자연재해 등 다양한 방법으로 파손될 수 있으며, 다양한 파손 상황에서도 재사용이 가능하도록 원형을 유지하는 것이 중요하다. 개발한 스마트 벤치의 파손 발생 하중은 기존 벤치 요구 사항에 비해 약 4배 정도 더 높은 하중을 버틸 수 있었기 때문에 더 가혹한 환경에서도 사용할 수 있으며, 실험 결과와 같이 본 제품의 파손이 아닌 고정 피스가 파손되었기 때문에 파손 후에도 재활용할 수 있는 장점이 있다. 추후 연구에서는 더욱 안전하게 빔과 다리의 고정 부분을 볼트 체결로 변경하고, 상하 판 조립 피스를 더 많이 삽입하여 고정력을 높일 필요가 있을 것으로 사료 된다.

방수 및 방진 시험 결과, 개발 단계에서는 조립 볼트가 노출되지 않도록 설계한 접합부에서 방수가 되지 않는 상황이 있었으나, 3D 프린터를 사용하여 접촉면을 보완한 후 IPX4 등급의 방수 시험을 통과할 수 있었다. 그러나 3D 프린터는 제작비용이 높기 때문에 추후 연구 및 실제 활용 중에는 양산화된 크기의 고무마개나 실리콘 처리를 사용 하여 낮은 비용으로 방수를 보완할 수 있는 연구가 필요하다. 방진 시험에서는 일반적인 조건에서 조립 부분에 일정한 거리가 유지되면 통과할 수 있었지만, 태풍이나 충돌 등 다양한 조건에서도 일정 범위 이상 벗어나지 않도록 조립 부분을 개선하면 더 높은 수준의 방진 시험을 통과할 필요가 있을 것으로 사료된다.

본 연구를 통해 스마트 벤치는 광고 기능을 통해 공급자의 수익 창출 및 무선 충전과 같은 다양한 기능 제공을 통해 다양한 실내 및 실외 공간에서 사용자의 편의성을 향상시킬 수 있는 잠재력을 갖고 있다는 사실을 확인하였다. 특히, 국내에는 약 27,000개의 공공 체육시설인 경기장과 646개의 자동차 정류장, 그리고 22,439개의 공원이 존재하며, 이 중 경기장 관람석 시장은 약 200억 원으로 추산되었다. 또한, 개발한 스마트 벤치 제품은 광고를 위한 색 변경이나 광고판을 부착할 수 있어, 위와 같은 시설뿐 만 아니라 소규모 체육시설 및 시내버스 정류장과 같은 다양한 시장에서도 수요가 있을 것으로 예상되었다[1]. 특히, 스마트 벤치 시장은 시내버스 정류장을 중심으로 공원, 대형 쇼핑몰 등에 설치된 벤치가 온열 벤치나 스마트 벤치로 전환되고 있어 잠재적인 시장 발굴도 가능한 장점이 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 스마트 도시화에 기여하고 사용자 편의성을 개선할 수 있는 다기능 스마트 벤치를 개발하고 평가하였다. 개발한 스마트 벤치는 공원, 버스 정류장, 카페, 편의점, 대형할인점 등 다양한 장소에 설치되며, 튼튼한 구조와 심미적인 디자인을 갖추도록 설계하였다. 개발한 스마트 벤치를 평가하기 위해 수행한 높은 수준의 하중 및 방수, 방진 시험을 통해 가혹한 기후 조건에서도 효과적으로 사용 될 수 있음을 확인하였다. 또한, 온도 조절, 위험 상황 알림, 무선 및 유선 충전, 광고, 조명 등 다양한 기능을 제공하며, 스마트 도시화에 기여할 수 있는 형태로 개선되었다. 스마트 벤치의 상용화를 통해 옥외용 벤치 시장에 다양한 선택 환경을 제공하고 사용자의 편의성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

실험을 반복하지 않은 점과, 혹한, 혹서 등의 환경에서 실험하지 않은 점, 사용자 의도 파악과 빅데이터 구축 기능 이 미비한 점 등의 한계점이 있으므로, 향후 IoT 기술을 적용하여 데이터 수집과 분석 기능을 추가해야 할 필요가 있으며, 이를 통해 버스 정류장이나 공원 벤치를 사용하는 빈도, 시간대, 위험 상황 인식 등의 데이터를 수집할 수 있을 것으로 사료된다.