KR20200098897A - 다구간 기능성 필름 롤을 이용한 실시간 물성 가변형 스마트 창호 시스템 - Google Patents

Abstract

다구간 기능성 필름 롤을 이용한 실시간 물성 가변형 스마트 창호 시스템이 개시된다.
이 시스템은 창호의 이중 유리 안쪽부분에 투명 필름, 로이 코팅 필름, 단열필름, 전력생산 및 공급을 위한 PV필름, 롤러블 디스플레이 필름 등을 다구간 롤스크린 형식으로 이어 붙인 물성 가변화 유닛, 그리고 실내외 조건들의 감지와 이에 따른 창호 각 부위의 동작을 최적화 하기 위한 환경센싱 유닛 및 동작제어유닛과 태양광 필름을 포함하는 전력공급 유닛을 포함한다.

Description

다구간 기능성 필름 롤을 이용한 실시간 물성 가변형 스마트 창호 시스템 {REAL-TIME PHYSICAL PROPERTY ADJUSTABLE SMART WINDOW SYSTEM USING MULTI-SEGMENTED FUNCTIONAL FILM ROLL}

본 발명은 다구간 기능성 필름 롤을 이용한 실시간 물성 가변형 스마트 창호 시스템에 관한 것이다.

건물의 에너지 성능을 좌우하는 외피에서 벽체와 아울러 창호는 에너지 저감과 실내쾌적성 획보에 핵심적인 건축부재이나 예를 들어, 썬팅과 같이 과도한 일사차단을 목적으로 하는 로우이 코팅은 여름철에는 에너지 저감에 유리하나 겨울철에는 오히려 일사 유입량을 감소시켜 난방 부하를 증가시키는 반작용을 하게 된다. 즉, 고정 요소들로 구성되는 창호는 이러한 환경적, 계절적 변화나 거주자의 수시로 변하는 요구에 적응이 불가능하다.

창호는 기본적으로 밖을 내다보기 위한 가시성 확보가 중요한 건축 구성요소이다. 이러한 가시성의 확보 이외에도 창호는 열의 출입에 의한 열손실 최소화, 태양복사광의 인입에 따른 복사열의 제어는 물론, 최근에는 전기를 생산하는 건물일체형태양광발전(BIPV) 기능 및 투명 기스플레에 기술과의 결합으로 시각적 인터페이스 제공까지를 수용하게 되는 복합적인 건축요소로 발전하고 있다.

이렇듯 창호의 성능을 좌우하는 가시성, 단열성, 태양복사열 제어성능, 에너지 생산성능 등의 다차원적인 성능들을 만족시키는 통합적인 해결책을 지닌 창호는 아직까지 개발되어 있지 않다.

다만 각각의 성능이나 제한된 범위 내에서 두어가지 정도의 이러한 성능들을 동시에 만족시키기 위한 해결책들은 제시된 바 있지만 창호를 구성하는 재료나 어셈블리 방식의 조합가능성은 거의 무한대에 이르며 심지어 한 건물 특정위치에 부착된 창호의 경우에도 시간과 계절변화, 거주자의 요구사항 변화 등을 수용하기 위해서는 수시로 물성이나 어셈블리 방식이 다른 창호로 교채가 필요하지만 이는 절대로 불가능한 상황이다.

예를 들면, 창호에 결합되는 블라인드나 스크린은 가시성의 제어, 이중유리나 삼중유리는 단열성능 제어, Low-E 필름은 태양복사열 제어, 연료감응전지나 박막형 PV 필름 등은 태양에너지 발전을 가능하게 하기 위한 기제들이다.

그러나 문제는 이러한 장치나 기제들이 대부분 개별적으로 설치 및 운용되어 이들 상호간의 연계나 통합이 이루어지지 않고 있을 뿐 아니라, 이들 개별적인 해결책들조차도 실시간으로 변화하는 창호내외부의 물리적, 거주자 행태적 조건들에 반응하여 최적의 상태를 유지하도록 하기 위한 가변성과 융통성이 부재하고 개별적 해결책들을 별도로 하나의 창호에 결합하기 위해서는 필연적으로 창호의 교체 비용이 상승하는 문제를 안고 있다.

따라서 창호의 성능을 좌우하는 가시성, 단열성, 태양복사열 제어성능, 에너지 생산성능 등의 다차원적인 성능들을 통합적으로 동시에 만족시킬 뿐 아니라 실내외부의 환경적 조건들과 거주자중심의 인적 조건들에 따라 에너지 사용을 최소화하고 쾌적성을 최대화하는 최적상태들을 실시간으로 변경할 수 있는 새로운 물성 가변화형 창호 시스템의 개발이 필요한 상황이다.

실내외 환경적 조건 변화와 거주자의 요구에 맞춰 실시간으로 창호의 물리적 성능과 작동을 변화시킬 수 있는 다구간 기능성 필름 롤을 이용한 실시간 물성 가변형 스마트 창호 시스템을 제공한다.

본 발명은 창호자체를 교체하지 않고도 하나의 창호 유닛에 가시성, 단열성, 태양복사열 제어성능, 에너지 생산성능, 보다 미래지향적인 디스플레이 성능 등 창호가 갖춰야 할 기능들을 실시간으로 제공하기 위하여 실내외 환경적 조건 변화와 거주자의 요구에 맞춰 실시간으로 창호의 물리적 성능과 작동을 변화시킬 수 있는 새로운 개념의 물성 가변형 지능형 창호 시스템에 관한 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명에서 제시하는 스마트 창호 시스템은 일반적인 창호의 이중 유리 안쪽부분에 투명 필름, 로이 코팅 필름, 단열필름, 전력생산 및 공급을 위한 PV필름, 롤러블 디스플레이 필름 등을 다구간 롤스크린 형식으로 이어 붙인 물성 가변화 유닛, 그리고 실내외 조건들의 감지와 이에 따른 창호 각 부위의 동작을 최적화 하기 위한 환경센싱 유닛 및 동작제어유닛과 태양광 필름을 포함하는 전력공급 유닛 등으로 구성된다.

본 발명에 따르면, 창호자체를 교체하지 않고도 하나의 창호 유닛에 가시성, 단열성, 태양복사열 제어성능, 에너지 생산성능, 보다 미래지향적인 디스플레이 성능 등 창호가 갖춰야 할 기능들을 실시간으로 제공하기 위하여 실내외 환경적 조건 변화와 거주자의 요구에 맞춰 실시간으로 창호의 물리적 성능과 작동을 변화시킬 수 있다.

도 1은 첨단기술로 개발되는 단열필름, 플렉시블 PV 필름, 플렉시블 디스플레이 필름 예시도이다.
도 2는 블라인드나 커튼 대용 일반 롤스크린 기반 발명 시스템 도출 개념도이다.
도 3은 왼편부터 열차단 필름, 단열필름, 태양광 발전 필름, 롤러블 디스플레이, 적색 필름 사례도이다.
도 4는 박막형 PV 필름, 단열 필름, 투명 필름, Low-E 필름 등을 연속체로 결합한 창호물성 실시간 가변형 롤스크린 시스템(수직이동 타입/ 수평이동 타입)이다.
도 5는 필름 롤의 동기구동을 위해 타이밍벨트 적용 예시도이다.
도 6은 필름 롤부 구동을 위한 모터+기어박스와 상하부 롤 동기화를 위한 벨트 예시도이다.
도 7은 창호물성 가변화를 우한 필름 위치 파악 기제를 도시한 도면이다.
도 8은 포토센서와 타공마커의 조합에 의한 필름구간 위치 파악을 위한 기제 예시도이다.
도 9는 발명의 대상체인 스마트 창호 시스템의 구성 예시도(환기유닛과의 연동 가능)이다.
도 10은 스마트 창호 시스템 동작 플로우 차트이다.
도 11은 전체 프레임 외관도이다.
도 12는 정면도이다.
도 13은 정면에서 왼쪽 위 부분 상세도이다.
도 14는 정면에서 오른쪽 위 부분 상세도이다.
도 15는 정면에서 왼쪽 아래 부분 상세도이다.
도 16은 정면에서 오른쪽 아래 부분 상세도이다.
도 17은 정면 밑부분 부분 상세도이다
도 18은 왼쪽/오른쪽면 단면도이다.
도 19는 후면 정면도이다.
도 20은 후면에서 오른쪽/왼쪽 위 부분 상세도이다.
도 21은 후면에서 오른쪽/왼쪽 아래 부분 상세도이다.
도 22는 후면 밑부분 부분 상세도이다.

창호물성의 실시간 가변화가 특징인 본 발명 시스템은 아래와 같은 모듈들로 구성된다.

- 필름 롤부- 단열필름, 태양광발전 필름, 투명필름, 적색필름, 롤러블 디스플레이 등 필요에 따라 서로 다른 물성과 기능의 필름들을 연속적으로 이어붙여 롤에 감은 필름 연속체

- 구동부- 시계방향과 반시계 방향으로 회전 가능하도록 기어가 딸린 DC모터, 스텝모터, 혹은 서보모터가 결합된 상부 혹은 하부롤과 이러한 롤에 한쪽 단부에 부착된 풀리와 체인 혹은 벨트로 연결된 하부 혹은 상부 롤과 풀리로 구성되어 상부롤과 하부롤에 감긴 필름 연속체의 필요한 구간으로 이동시키기 위해 모터가 특정 위치까지 회전하고 이에 따라 하부 롤의 동기화된 회전을 담당하는 모듈

- 필름구간 파악부- 롤이 장착된 챔버의 후면에 위치한 센서가 필름 연속체의 이종 필름간 접합부 한쪽 단부에 설치한 마커를 감지하여 이를 토대로 환경변화나 이용자의 요청에 따라 필요한 필름 구간으로 이동을 가능하게 하는 모듈

- 환경센싱부- 실내 환경변화 및 거주자의 행동을 감지하기 위한 조도센서, 온습도 센서, 적외선 센서, 인체감지 센서 등을 포함하는 실내측 센싱 스테이션과 조도센서, 온습도 센서, 적외선 센서, 강우센서 등을 포함하는 실외측 센싱 스테이션을 포함하는 모듈

- 제어부- 환경센서부를 통해 감지된 실시간 조건 변화에 따라 창호의 이중 유리 안쪽부분에 적절한 물성의 필름구간을 실시간으로 교체하여 위치시키기 위하여 자동 혹은 수동방식의 제어를 수행하는 모듈로, 자동의 경우에는 미리 입력된 조건들에 대응하는 필름구간 위치설정의 알고리즘에 의거하여 시스템을 제어하고 수동의 경우에는 리모컨과 같은 인터페이스를 통하여 이용자가 직접 원하는 필름구간을 지정하는 제어방식으로 작동함

- 이종필름접합부-필름 연속체룰 구성하기 위하여 이종 필름간의 경계에서 두가지 필름의 단부를 매끈하게 연결하고 필요한 경우 분리하여 필름을 추가, 제거 혹은 교체할 수 있는 구조로 만들어진 이음매 모듈

- 전력공급부-태양광 발전 필름에서 생산되는 전력을 제어, 저장 혹은 변환(DC-AC)하여 본 발명시스템의 환경센싱부 및 제어부와 구동부에 필요한 에너지를 제공하거나 외부전원으로부터 전기를 인입시켜 스마트 창호에 공급하는 모듈

- 정보 표시부- 실내측 창호면 산단 혹은 하단에 LCD 등을 이용한 소형 디스플레이가 설치되어 각 센서류들로부터 감지되는 정보들 중 거주자가 선별해서 보거나 시스템의 작동상태, 밧데리잔여 전력량, 오류나 고장 유무, 예측되는 에너지 절감량 등 내부 프로그램에 기반한 다양한 정보를 표시하는 모듈

- 통신 및 서버연결부-각 스마트 창호 유닛은 인터넷 IP를 부여받게 되고 인접 유닛들 혹은 동일 건물외피를 구성하는 다른 위치 유닛들은 물론 원격서버 등과 유무선 네트워크로 연결하여 센싱정보 및 집합적 제어 명령을 공유하게 하는 모듈

- 물성 가변화 스마트 창호의 실내측 면 상하단부의 롤러들은 알미늄 등과 같은 금속 혹은 PVC같은 플라스틱 재질의 케이싱 안에 들어 있고 실내측에서 상하단부 케이싱의 덮개부부들은 나사등에 의해 조립되어 필요에 따라 덮개를 개봉한 후 안쪽의 롤러와 한쪽 단부의 구동모터 및 기어박스, 롤러에 감기 조합 스크린과 여타 전자 및 전기부품들을 들어내고 점검, 수리, 교체 후 다시 재조립이 용이하게 구성된다.

- 본 발명 대상 스마트 창호 시스템은 주택 및 오피스 등 어느 유형의 건축물에나 적용이 가능하도록 그 크기나 창호내부의 창호물성 가변화 유닛에 결합되는 막 또는 필름의 종류와 재질 등을 선택적으로 유형화 하거나 특화하게 된다. 특히, 스마트 창호 시스템 각 유닛의 크기나 비례 등은 경제성, 관리용이성, 효율성 및 시공 용이성 등을 종합적으로 고려하여 결정되어진다. 특히, 물성가변화 스마트 창호는 그 성격상 건물의 창호를 구성하는 모든 면들에 적절한 분할을 거쳐 모두 장착되는 것이 바람직하다.

필름 롤부

- 물성 가변화 가능형 스마트 창호에 설치되는 상하부 롤러들은 여러 가지 막이나 필름의 연속체로 이루어진 조합 스크린의 전체 길이를 대략 양분하는 정도씩의 분량을 감거나 풀어놓을 수 있도록 설계되고, 또한 조합스크린 각 구간간의 이동을 통한 중공층 막 또는 필름 종류 변경 시에 필요한 모터 구동 에너지와 변경소요 시간을 최소화하기 위하여 계절이나 지역의 기후조건, 기타 거주자 요건 등에 따라 구간간의 전이나 변경이 많이 일어나는 막이나 필름들끼리를 연속 시켜 접합하여 조합 스크린을 구성한다.

- 필름 롤부는 창호물성 가변화 창호의 가시성, 단열성, 태양복사열 제어성능, 에너지 생산성능을 변화시켜 창호를 실시간으로 실내외 물리적 조건과 거주자의 요건에 최적화 하기 위한 장치이다. 이는 두 장 이상의 유리면 사이에 상하부 별도로 가로막대형 원형단면 롤러에 감겨서 롤러의 한쪽 단부에 결합된 모터로 상부나 하부에서 당겨 상하로 이동시킬 수 있는 다양한 물성을 지닌 필름이 차례로 접합된 연속체로 구성된다. 즉, 이러한 장치는 블라인드나 스크린처럼 창호에 부가되어 시각적 투시성을 조절하기 위해 필요에 따라 창호의 면을 커버하는 장치를 개념적으로 확장한 것이다.

- 창호물성 가변화 유닛에서 실시간으로 적용 가능한 각 구간들 중 박막형 PV필름이나 여타 플렉시블 PV 필름은 외부 태양광선의 차단과 전기 생산이 필요한 경우, 단열필름은 가시성을 보장하는 동시에 추가적인 단열이 필요한 경우, Low-E 필름은 특히 여름철 태양으로부터의 강한 복사를 차단하여 냉방부하를 줄이는 동시에 내외부에서의 투시 정도를 저감할 필요가 있는 경우, 투명필름 구간이나 막이나 필름이 없는 구간은 가시성을 보장하면서 마이크로 레벨의 단열성능의 가감이 필요한 경우에 적용할 수 있다.

- 창호물성 가변화 유닛에 설치되는 필름들의 종류와 개수 및 이들을 하나의 연속체로 접합하는 순서 등은 상하부 롤러들이 감거나 풀 수 있는 필름 합계 단면적의 최대치와 조절하고자 하는 창호 성능에 대응하는 필름의 종류 등과 관련되며 필요한 경우 이들 필름들은 가감되거나 교체될 수 있다.

- 또한, 창호물성 가변화 유닛의 상하부 롤러들에 물리게 되는 막이나 필름 연속체는 일종의 카트리지 형식으로 구성되어 쉽게 끼우거나 뺄 수 있는 구조이며 특정 지역이나 위치의 기후조건, 냉난방 부하, 거주자의 시각적 선호도나 온열감 특성 등에 따라 가장 최적으로 대응 가능한 물성들을 지닌 막이나 필름 유형들의 조합체를 선택하여 쓸 수 있다.

도 1은 첨단기술로 개발되는 단열필름, 플렉시블 PV 필름, 플렉시블 디스플레이 필름 예시도이고, 도 2는 블라인드나 커튼 대용 일반 롤스크린 기반 발명 시스템 도출 개념도이다.

- 두 개 이상의 유리면 중 가장 바깥 유리면의 바로 안쪽에 들어가는 필름의 연속체는 서로 다른 물성을 지니면서 각 단위 면들은 창문전체를 커버할 수 있는 폭과 길이를 지닌 투명 필름, 박막형 PV필름, 단열필름, Low-E 필름, 롤러블 디스플레이 구간 등이 각 구간들은 하나의 필름이 끝나는 단부에 다른 필름이 연속되는 방식으로 접합되어 하나의 필름을 형성하고 상하부에 설치된 전동 롤러에 의해 필요한 부분이 당겨 내려지거나 끌어 올려진다.

- 필름 롤부는 필요에 따라 여러가지 필름의 연속체를 창호의 상하 방향이 아니라 좌우방향 즉 수평방향으로 이동시켜 실내외 조건에 따른 최적 상태의 필름으로 창호를 채울 수도 있다. 특히 이러한 방식은 창호가 좌우로 긴 경우 하나의 창호물성 가변화 유닛 설치로 창호 전 영역을 커버할 수 있다.

도 3은 왼편부터 열차단 필름, 단열필름, 태양광 발전 필름, 롤러블 디스플레이, 적색 필름 사례도이고, 도 4는 박막형 PV 필름, 단열 필름, 투명 필름, Low-E 필름 등을 연속체로 결합한 창호물성 실시간 가변형 롤스크린 시스템(수직이동 타입/ 수평이동 타입)이다.

구동부

- 구동부는 필름이 감긴 상부 혹은 하부의 롤러에 결합된 DC모터, 서보 모터, 스템 모터 등 모터와 기어박스 결합체와 동력을 반대편 롤러에 전달하기 위한 체인이나 벨트를 포함하는 필름구간 이동담당 모듈이다. 창호 구동모터는 12v 혹은 24v DC 기어부착 모터로 (80kg.cm-)정도이며 창호의 대칭성과 프레임 폭 최소화를 위하여 롤스크린 구동모터의 배치는 축에 결합 혹은 평행하게 인접 배치한다.

도 5는 필름 롤의 동기구동을 위해 타이밍벨트 적용 예시도이다.

이 때 필름 롤의 주름 및 회전시 오차 방지를 위하여 종동축에 토션스피링 구조를 적용하여 항상 일정 텐션 유지할 수 있다.

도 6은 필름 롤부 구동을 위한 모터+기어박스와 상하부 롤 동기화를 위한 벨트 예시도 이다.

필름구간 파악부

- 물성 가변화 스마트 창호에서는 실내외 물리적환경 조건과 거주자의 상태 및 요구에 따라 창호 중공층의 상하로 오르내리는 필름 연속체의 특정기능 필름구간을 바꾸어 줌으로써 다양한 상황에서 실시간으로 에너지 및 쾌적성 측면에서 최적의 창호상태를 유지할 수 있으며 이를 위해서는 상하로 오르내리는 필름 롤의 각 지점의 위치를 파악할 필요가 있다. 따라서, 필름 롤 한쪽 단부에는 일정 간격으로 시각적 표식, 자기테이프 조각, 혹은 RFID 칩과 같은 마커가 표시되고 이를 이미지인식장치, 복수개의 천공 식별자와 광센서의 결합, 자기장 센서, QR코드, 혹은 RFID 등으로 읽어 현재 필름구간이 정확히 어느 구간인지를 파악할 뿐 아니라 롤러들을 구동하여 연속된 필름 구간 사이를 이동할 때 이를 기반으로 정지해야 할 지점을 파악한다.

- 센싱방식의 차이는 사용하는 모터에 따라서 달라지게 된다. 예를 들면, 스텝모터와 서보모터는 자기위치를 기억하고 있기 때문에 초기에 원점만 확인하면 된다. 따라서 원점센서 한곳만 있으면 되나 고비용이 될 가능성이 있어 양산을 고려하면 DC모터를 사용할 수 있다. DC모터의 경우 위치를 확인하기 위해 엔코더를 달거나 마커들을 활용하여 구간별 차등감지를　한다. 이 때 엔코더 적용의 경우에도 비용이 발생하고, 스텝모터나 서보모터, 엔코더 방식은 시제품의 구현에 있어서 보다 편리할 수 있으나 양산시 원가의 부담을 줄이기 위해서는 마커와 센서를 활용하는 방법들을 구현하게 된다.

- 한편, 물성 가변화 스마트 창호 내의 필름연속체가 상하가 아닌 좌우, 즉 수평으로 이동하는 경우에는 해당 창호의 하부 또는 상부 한쪽에 위치인식용 마커와 인식장치를 설치하게 된다

도 7은 창호물성 가변화를 우한 필름 위치 파악 기제를 도시한 도면이다.

- 전술한 바대로, 본 발명의 중요한 구동 메카니즘 중 하나는 모터와 기어박스가 결합된 풀리에 감긴 서로 다른 종류의 이어진 필름의 특정부위를 실시간으로 파악된 실내외 조건에 따라 창호의 물리적 범위내에 노출시키기 위하여 특정부위 필름의 위치를 파악하고 이에 기반하여 모터를 그 위치까지 구동한 후 멈추는 제어동작이다. 즉, 제어 시스템이 창호에 특정 필름의 부위를 노출시키기 위하여 그 특정 필름부위의 시작과 끝부분의 위치를 감지하고 이에 기반하여 모터의 구동을 제어할 필요가 있다. 이러한 특정필름 부위 위치감지를 위해서는 다음과 같은 방법들이 활용된다.

- 엔코더 방식은 모터의 회전위치를 파악하는 광학식 혹은 자석식 로터리 엔코더를 이용하여 모터가 어느 정도 회전했을 때, 창호면 내의 특정 필름부위 노출 제어 기준위치에 따라 특정 필름부위들의 시작점 혹은 끝점이 창호노출면의 최상단부 혹은 최하단부에 위치하는지를 매핑하여 이 정보를 기반으로 모터의 구동을 제어한다. 엔코더는 구동모터에 연결하여 모터의 회전각도를 측정하게 되며, 정전 후 다시 전원이 창호 시스템에 공급되는 경우, 현재의 노출된 필름의 위치를 기억 혹은 감지하여 별도로 원점복귀 후 다시 각 필름부위들의 위치 마킹이 불필요한 유형의 엔코더를 사용한다.

- 자기장 센서를 사용하는 방식은 서로 이어진 다수의 특수필름부위의 한쪽 가장자리 시작점에 마그네틱 테이프나 패치를 부착한 후 창호의 최상단부 동일 가장자리 위치에 자기장 센서를 설치하여 설치하여 특정부위 필름의 시작점을 감지하고나서 이어진 다음 특정필름 부위의 시작점이 감지될까지 모터를 구동하여 필요한 특정필름 부위를 창호에 전면으로 노출시키도록 제어하는 방식이며, 이 때, RFID 태그는 고유한 전자 식별자를 지니고 있기에 정전후 다시 시스템을 동작시키는 경우에도 원점복귀 후 각 특정필름부위의 위치를 재구성해야할 필요가 없게 된다.

- RFID 시스템을 사용한 특정필름부위 위치파악기제는 자기장 센서방식과 동일하게 서로 이어진 다수의 특수필름부위의 한쪽 가장자리 시작점에 스티커형 RFID태그를 부착한 후 창호의 최상단부 동일 가장자리 위치에 RFID 리더기를 설치하여 특정부위 필름의 시작점을 감지하고나서 이어진 다음 특정필름 부위의 시작점이 감지될까지 모터를 구동하여 필요한 특정필름 부위를 창호에 전면으로 노출시키도록 제어하는 방식이며, 이 때, RFID 태그는 고유한 전자 식별자를 지니고 있기에 정전후 다시 시스템을 동작시키는 경우에도 원점복귀 후 각 특정필름부위의 위치를 재구성해야할 필요가 없게 된다.

- QR 코드를 사용하는 경우에는 필름의 구간경계부의 한쪽 측면 단부에 QR마커들을 배치하고 이를 카메라로 인식하여 특정 필름의 위치를 판별하는 방식이다.

- 포토센서를 이용하는 경우는 필름의 일측 가장자리에 타공(무(00), 좌측한중(01), 우측한줄(10), 두출(11) 등으로 구분하여 포토센서 감지에 따라 현재 위치를 파악한다. 정전 후 재기동시 현재위치 확인 방법은 태양전지 배터리에 의한 상시전원이 바람직하나 비상전원이 없을 경우 롤 스크린을 일정구간 구동하여 포토센서의 감지로 현재 위치를 파악한다.

도 8은 포토센서와 타공마커의 조합에 의한 필름구간 위치 파악을 위한 기제 예시도이다.

- 예를 들면, 봄이나 가을처럼 실내외의 기온차가 크지 않아 냉난방 부하가 크게 걸리지 않는 계절에는 투명 필름상태를 유지하고 여름철 태양빛이 강렬할 경우지만 거주자가 실내에 있어 창을 내다 볼 필요가 있을 경우에는 Low-E 필름구간으로 이동하여 태양복사열을 차단하고, 동일 경우라도 거주자가 해당 실 밖으로 나가는 경우에는 박막형 PV 필름 등의 구간으로 이동하여 거주자 부재 시간 동안 전기를 충전하게 된다. 또한, 동절기에는 단열을 최대화하고 태양으로부터의 복사를 최대한 인입하기 위해 투명에 가까운 단열필름 구간으로 이동한다. 이러한 실시간 동적인 창호 물성의 변화는 대부분 내부의 컴퓨팅 보드에 내재한 알고리즘에 의거하여 자동으로 수행되거나 거주자의 판단에 따른 리모컨 조작을 통해 수동으로 이루어질 수도 있다.

환경센싱부

- 물성 가변화 스마트 창호에는 실외측 창호면, 실내측 창호면 두 곳에 센서류가 설치되는 바, 실외측 창호면에는 기본적으로 조도센서, 온도센서, 습도센서 등을, 그리고 실내측 창호면에는 이러한 기본 센서류 외에 인체감지 센서, 인체 거리측정용 적외선 센서, 리모컨 조작을 위한 적외선 리시버 등을 추가적으로 설치한다. 이러한 센서류들에서 감지되는 실내외 물리적 조건들과 실내에 거주자의 유무나 거주자와 창호 사이의 거리 등의 정보를 토대로 시스템 내부에 이미 설정되어 저장되어 있는 알고리즘에 의하여 최적의 필름 구간을 선별한 후 상하롤러들을 구동하여 선택된 필름을 창호의 전면에 노출시키게 된다.

- 스마트 창호 시스템은 실내외부의 상황변화를 실시간으로 감지하고 이러한 정보를 기반으로 최적의 필름구간을 선택하도록 제어함으로써 에너지소모와 비용을 최소화하고 재실자의 쾌적도를 극대화하게 되며 이를 위하여 환경변화감지 센서모듈을 가진다.

- 먼저 실외의 환경 변화감지를 위한 실외 환경감지 센서모듈은 필요에 따라 온도, 습도, 조도, 적외선 등 주요 외부환경인자를 감지하는 센서들을 포함한다.

- 실내의 환경 변화감지를 위한 실내 환경감지 센서모듈은 필요에 따라 온도, 습도, 조도, 적외선 등 주요 실내 환경인자와 재실자의 존재와 창호로부터의 거리 등을 감지하는 인체감지센서를 포함한다.

- 환경변화 감지센서 모듈의 각종 센서들로부터 입력되는 실시간 환경변화 정보들은 A/D 변환장치를 거쳐 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환된 뒤에 각 스마트 창호 시스템 유닛마다 장착된 소형 컴퓨팅 보드자체내에서 처리되어 실시간 상황변화인지에 활용되거나 필요한 경우, 적외선 통신, 블루투스, 지그비 등 근거리 무선통신 네트워크, 혹은 와이파이와 같은 무선통신 네트워크나 유선망을 통해 인접하는 다른 스마트창호 시스템 유닛이나 원격의 서버에 전송되어 특정한 스마트 창호 시스템 유닛들의 클러스터나 스마트창호 시스템 전체의 특정 시간대 최적 동작 제어를 위한 기반자료로 활용되어진다.

동작제어부

- 스마트 창호 시스템의 정보처리 및 동작플랜 모듈은 환경변화감지센서모듈로부터 입력되는 실시간 환경변화 정보를 토대로 실내외 상태를 감지하고 이를 기반으로 스마트 창호의 최적 필름구간을 교체하여 에너지 저감과 실내 쾌적성 향상을 도모한다.

- 먼저 특정 스마트 창호 시스템 유닛에서 자체적으로 감지된 환경변화감지센서 데이터를 기반으로 자체적으로 정보를 처리하여 독립적으로 해당 스마트 창호 시스템 유닛의 필름구간을 어떤 상태로 변환시킬 것인지를 결정하게 되는 개별동작 플래닝 단계로 이 단계에서 내려지는 결정은 특정 스마트 창호 시스템 유닛에 국한된다.

- 그 다음 미리 그룹핑되거나 공유되는 상황변화에 따라 임시적으로 그루핑 되는 다수의 스마트 창호 시스템 유닛들이 해당 그룹에 속하는 스마트 창호 시스템 유닛들을 통해 감지되고 공유되는 환경변화감지센서 데이터를 기반으로 해당 그룹차원에서 정보를 처리하여 해당 그룹 내 스마트 창호 시스템 유닛들의 노출되는 필름구간을 어떤 상태로 변환시킬 것인지를 결정하게 되는 그룹별동작 플래닝 단계로 이 단계에서 내려지는 결정은 특정 스마트 창호 시스템 유닛 그룹들에 국한된다. 이 때 그룹내 스마트 창호시스템 유닛들간의 정보교환은 근거리 무선네트워크나 와이파이, 혹은 유선네트워크를 통해 수행되고 그룹별 동작 플랜의 도출은 '집합적 지능'이나 에이전트 기술과 같은 인공지능 기술을 통해 달성된다.

- 마지막으로 다수의 스마트 창호 시스템 유닛 그룹들이나 특정 건물에 설치되는 모든 스마트 창호 시스템 유닛들을 통해 감지되고 공유되는 환경변화감지센서 데이터를 기반으로 건물 전체의 실시간 창호구동 최적화 차원에서 서버에서 통합적으로 정보를 처리하여 스마트 창호 시스템 각 유닛들마다 각 필름구간을 어떤 상태로 변환시킬 것인지를 결정하게 되는 글로벌동작 플래닝 단계로 이 단계에서 내려지는 결정은 특정 건물의 창호 시스템 유닛들 전체에 적용된다. 이 경우, 역시 서버와 스마트 창호시스템 유닛들로부터의 정보교환은 근거리 무선네트워크나 와이파이, 혹은 유선네트워크를 통해 수행되고 글로벌한 레벨의 스마트 창호시스템 전체동작 플랜의 도출은 서버에 존재하는 건물창호시스템 실시간 글로벌 최적화 알고리즘을 통해 달성된다.

- 이러한 세 단계에 걸친 스마트 창호 시스템의 실시간 동작결정은 시스템 자체에 미리 내장된 법칙이나 자율적 판단에 의하여 자동으로 설정하는 자동모드와 재실자가 리모트 컨트롤과 같은 기기나 여타 인터페이스를 통하여 수동으로 설정하는 수동모드 두 가지 형식으로 수행된다.

- 스마트 창호 시스템을 구성하는 각 구성부위 중 환경변화감지센서모듈로부터의 실내외 환경 및 재실자 상태 감지 데이터를 기반으로 실시간 동작이 요구되는 부분은 창호물성 가변화 유닛의 필름 연결체 전환장치를 통해, 태양광 차폐율, 가시광선 투과율, 단열성능, 태양광 발전율 등 창호의 물리적 특성을 실시간으로 변화시키는 것이 포함된다.

도 9는 발명의 대상체인 스마트 창호 시스템의 구성 예시도(환기유닛과의 연동 가능)이다.

발명 대상 시스템의 내부 동작을 설명하는 플로우 차트는 아래와 같다.

- 기본적으로 발명대상 스마트 창호 시스템은 자동제어 모드, 서버제어 모드(다수의 스마트 창호 유닛들에 대한 인공지능 기반 집합제어 명령 전달 기반), 그리고 거주자에 의한 수동제어 모드 3가지 제어모드를 지닌다.

- 이중 서버제어나 수동제어는 자동제어에 우선하는 우선권을 갖게된다. 자동제어시에는 실내외 센서 스테이션들로 부터 입력되는 측정값들을 기반으로 일반투명창호 모드, 일사차폐 및 단열창호 모드, PV필름기반 전력생산 모드, 화재나 가스발생 및 침입 등 실내 긴급상황시 발현되는 외부알림 모드 등 상황에 따라 차별화되는 모드들로 전환된다.

- 이 때 외부 알림모드는 다른 모드들에 우선하는 우선권을 갖는 방식으로 동작한다.

도 10은 스마트 창호 시스템 동작 플로우 차트이다.

스마트 창호 시스템의 작동방식 실시예

- 본 발명이 지향하는 스마트 창호 시스템은 다양한 실내외 조건들과 창호내부의 상태를 총체적으로 고려하여 가장 적은 에너지 소모를 통해 재실자의 쾌적성과 건물유지관리 상의 요건충족을 실시간으로 극대화하기 위한 새로운 시스템으로 다음과 같은 동작들이 그 실시 예들로 제시될 수 있다.

가. 봄이나 가을처럼 별도의 냉난방이 필요 없는 계절 거주자가 실내에 있을 때는 가시성 확보를 위해 투명필름 상태를 유지

나. 태양으로부터의 복사열이 강렬한 여름철 대낮에는 실외 조도 센서가 이를 감지하여 창호물성가변화 유닛의 롤 스크린형 연속막이 로우이(Low-E) 필름, 즉 열차단 필름으로 전환되어 과도한 일사의 실내유입을 차단한다.

다. 추운 겨울철 실외 온도센서를 통해 감지된 바깥기온이 실내기온보다 현격히 떨어진 경우 롤 스크린형 연속막이 단열필름부분으로 전환하여 외피의 단열성능을 높임으로써 난방부하를 저감하는 식으로 동작한다.

라. 여름철 등에 조도센서에 의해 감지된 실외 태양광이 강하고 인체감지 센서에 의해 실내 거주자 부재가 확인될 시에는 롤 스크린형 연속막이 태양광 필름부분으로 전환하여 태양광에 의한 발전을 수행하며 이에 발생하는 전력을 배터리에 저장한다.

마. 태양광 발전모드 수행 중 인체 감지센서와 적외선 센서에 의해 거주자가 창 앞 가까이에서 감지되면 거주가를 대면한 해당 창호유닛만 투명 필름으로 전환되어 거주자의 외부로의 조망시야를 확보하는 방식으로 동작한다.

바. 각각의 창호물성 가변화 유닛들은 1차적으로는 내부에 내장된 지능형 소프트웨어 프로그램에 따라 실내, 실외, 중공층에 설치된 3가지 세트의 센서류에서 감지되는 정보들을 토대로 상황을 판단하여 각 케이스별 적절한 필름 롤의 전환 상태를 결정하고 이를 유지한다.

사. 실내외 조건 및 각 유닛별 중공층의 물리적 조건이 유사할 경우, 특히 건물의 한쪽 면에 연속적으로 설치된 창호 유닛들의 경우에는 각각의 개별적인 동작보다 한쪽 창문 영역 전체의 클러스터가 동일한 모드로 동작하는 것이 유리한 상황이 발생하며 이때 각 유닛들은 서로간의 통신과 코디네이션 기제에 의거하여 모두 동일한 상태로 집단적인 최적 제어모드를 수행하여 시스템 동작의 효율과 외관상의 일관성을 유지한다. 이 때 이러한 집단적 코디네이션을 위한 정보 교환 등은 각 유닛 간 근거리 통신 네트워크를 이용하거나 서버를 통해 중재되는 통신루트를 이용하여 달성 되어진다.

사 건물외피의 각 부위별로 특히 서로 다른 방위에 따르는 태양복사의 세기와 방향 등에 차이가 있어 스마트 창호 시스템을 구성하는 건물외피상의 각 유닛들의 롤 스크린형 연속막 상태를 총괄적으로 제어하여 건물전체의 에너지 저감성능과 실내쾌적도를 극대화 하기 의한 글로벌한 스케일의 제어는 서버를 통해 달성되며 이를 위해 각 유닛들은 서버와 긴밀하게 정보를 교환하며 서버의 제어 명령에 따라 필요한 필름 롤 모드를 유지하게 된다.

아. 거주자의 개인적 선호나 특별한 이유에서 스마트 창호 시스템의 필름 롤 상태를 특정한 모드로 전환하기를 원할 때 거주자는 리모컨과 같은 개인용 제어 인터페이스를 통해 특정 유닛, 혹은 몇 개의 유닛들이 결합된 그룹이나 건물 전체 외피를 구성하는 유닛들 모두를 수동으로 제어할 수 있다.

자. 실내 화재 감지나 침입자 감지 등 긴급 상황 발생시 필름 롤이 적색으로 바뀌거나 롤러블 디스플레이 필름 장착의 경우 긴급상황 발생 알람 시각 정보를 외부에 알리기 위한 필름구간으로 이동한다.

통신 및 서버연결부

- 각 스마트창호 유닛은 별도의 인터넷 IP를 부여받게 되고 인접 유닛들 혹은 동일 건물외피를 구성하는 다른 위치 유닛들은 물론 원격서버 등과 PLC, 광통신망, 블루투스, 지그비, LoRA, Z-Wave, UWB 등의 유무선 네트워크로 연결되어 필요한 정보나 집합적 제어 명령 등을 공유 혹은 수령하게 된다. 이러한 연결을 통하여 건물의 외피를 구성하는 각 스마트 창호 유닛의 개별동작과 이들의 부분적 혹은 전체적 군집에 대한 최적제어를 통하여 에너지 저감과 실내환경 쾌적도 극대화를 도모할 수 있다.

전력생산 및 공급부

- 본 발명이 지향하는 스마트 창호 시스템에 필요한 전력의 공급은 일차적으로 창호물성 가변화 유닛에 장착된 태양광 필름에 의해 생산되는 직류전기를 제어기를 거쳐 배터리에 저장한 후 전기를 필요로 하는 여러 가지 기기들에 수급하는 형식으로 이루어진다.

- 직류전기는 필름 롤을 구동하는 DC모터 및 센서류 구동 등에 바로 사용할 수 있다. 한편, 롤러블 디스플레이 필름 등 교류전기를 필요로 하는 기기가 있을 경우에는 추가적으로 인버터를 설치하여 직류를 교류로 바꾸어 공급하게 된다.

- 박막형 태양광 필름 등으로부터 생산되는 전기는 내부 배터리에 저장된 후 전압 등이 변환되어 DC를 사용하는 구동 모터들이나 LCD 등에 직접 공급되거나 인버터를 거쳐 교류로 바뀌어 외부에서 접속 가능한 콘센트를 통해 외부로 보내질 수 있다.

- 또한, 시스템 구동에 필요한 전력이 불충분할 경우를 대비하여 외부에서 코드를 통해 전기를 공급한 후 어댑터 등을 이용하여 DC로 바꾼 후 내부 기기들을 동작시킬 수 있다.

- 태양광이 부족한 시기나 계절, 혹은 기상상태의 변화 등으로 태양광 필름에 의한 자체생산만으로는 충분한 전력공급이 어려울 경우를 대비하여 스마트 창호 시스템에는 별도의 외부전력 공급을 위한 배선과 플러그를 장착하고 교류를 필요로 하는 기기들에게는 직접 교류를, 직류전기를 요하는 기기구들을 위해서는 직류로 전환하기 위한 어댑터를 스마트 창호 시스템 내부 혹은 외부에 설치한다.

발명의 활용과 기대효과

- 창을 통한 에너지 저감효과는 30%까지 기대될 수 있는 바, 본 발명 시스템은 물리적으로 창을 서로 다른 기후지역이나 동일 지역에서도 계절변화 등에 따라 교체하거나 별도로 제작 설치하지 않고도 실시간으로 청호의 단열성능, 일사차폐 성능, 가시 성능, 에너지 획득 성능, 시각적 인터페이스 성능 등을 필요에 따라 변경 및 최적화가 가능한 세계 최초의 혁신적 스마트 창호개발로 에너지 절감과 사회경제적 편익 확대에 기여가 가능함.

- 기존의 별개로 제작되는 창호들과 이에 부속되는 커텐, 블라인드, 롤 스크린, 로이 코팅, 단열재 부착 등에 소요되는 비용이나 리소스의 낭비를 제거하고 동일한 구성의 스마트 창호를 통하여 이들 다양한 창호들이나 부속품들을 모두 대체하는 효과를 가져올 수 있고 다양한 기후조건 및 계절 변화에 인공지능 기법등을 활용한 창호물성 변화를 소프트웨어적으로 구현하는 것이 가능함.

- 전혀 새로운 방식의 창호 시스템의 도입으로 스마트 창호 및 시스템 창호분야에서 새로운 시장과 비즈니스 모델을 도출을 통한 4차산업혁명시대 국가 성장동력의 한 축을 이룰 수 있음.

- 향후 다양한 특성과 기능의 필름들이 개발되면 이들을 본 발명 시스템에 쉽게 도입하여 스마트 창호의 기술적 경제적 효용과 효용을 극대화 하는 것이 가능하며 제로 에너지 빌딩의 핵심 컴포넌트로 발전시키는 것이 가능함.

발명 시스템의 핵심 구성부위별 도식화

도 11은 전체 프레임 외관도이고, 도 12는 정면도이며, 도 13은 정면에서 왼쪽 위 부분 상세도이고, 도 14는 정면에서 오른쪽 위 부분 상세도이며, 도 15는 정면에서 왼쪽 아래 부분 상세도이고, 도 16은 정면에서 오른쪽 아래 부분 상세도이며, 도 17은 정면 밑부분 부분 상세도이고, 도 18은 왼쪽/오른쪽면 단면도이며, 도 19는 후면 정면도이고, 도 20은 후면에서 오른쪽/왼쪽 위 부분 상세도이며, 도 21은 후면에서 오른쪽/왼쪽 아래 부분 상세도이고, 도 22는 후면 밑부분 부분 상세도이다.

Claims (1)

1. 창호의 이중 유리 안쪽부분에 투명 필름, 로이 코팅 필름, 단열필름, 전력생산 및 공급을 위한 PV필름, 롤러블 디스플레이 필름 등을 다구간 롤스크린 형식으로 이어 붙인 물성 가변화 유닛, 그리고 실내외 조건들의 감지와 이에 따른 창호 각 부위의 동작을 최적화 하기 위한 환경센싱 유닛 및 동작제어유닛과 태양광 필름을 포함하는 전력공급 유닛
   을 포함하는 스마트 창호 시스템.
   

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