[53호]아~ 시원해~(보조배터리 쿨팩)
2018 ICT 융합 프로젝트 공모전 참가상
아~ 시원해~(보조배터리 쿨팩)
글 | 동양미래대학교 백동준, 한석규, 박민엽, 최재훈, 이정민, 김태윤
1. 심사평
칩센 보고서에 회의록까지 첨부하여 실제 프로젝트 진행이 어떤 형식으로 이루어졌는지 이해하는 부분에 도움을 많이 줍니다. 실제 작품 완성도 면에서는 아쉬움이 있습니다. 아이스팩이기 때문에 어떤 형태로 사용할지에 대한 고민도 들어갔으면 합니다.
뉴티씨 팀원들이 함께 단계별로 아이디어를 내서 구현해가면서 함께 학습하는 좋은 작품이었습니다. 단계별로 마이크로컨트롤러를 학습하여 동작시켜볼 수 있는 좋은 기회가 되었을 것입니다. 다만, 실용성 면에서는 조금 부족한 작품이 된 것 같습니다.
위드로봇 아이디어 고민 단계에서부터 정리된 보고서가 인상적입니다. 다만 펠티어 소자를 단순 활용하는 것에서 벗어나 좀 더 기존 제품에서 볼 수 없었던 창의적인 부분이 아쉽습니다.
2. 작품 개요
2월 말 부터 시작하여 약 2주간 4~6회의 정기모임을 실시하여 아이디어 회의를 시작, 다양한 의견을 종합했다. 다양한 아이디어들 중 보조배터리에 쿨팩을 결합한 아이디어가 돋보였고, 동아리원들의 동의 하에 자세한 자료 조사를 실시하였다. 겨울에 보조배터리와 손난로가 결합한 상품들은 판매가 되고 있으나 우리가 생각한 제품은 생산 또는 개발 중에 있지 않다는 것을 확인하였고 보조배터리에 USB를 연결하여 작동시키는 선풍기만 있다는 것을 파악했다. 하지만 선풍기의 경우 USB를 꽂아 사용하는 불편함도 있을 뿐만 아니라 여름에 뜨거운 공기로 인해 선풍기의 역할을 제대로 못한다는 것을 파악했다. 반면 겨울철 보조배터리의 경우 열을 이용하여 만든 제품으로 별도의 USB 포트를 사용할 필요가 없고, 열 전달 효과 또한 뛰어났다. 따라서 우리는 보조배터리의 내부를 냉각시켜 마치 쿨팩을 손에 쥐고 있는 듯한 제품을 만들어 보기로 결정했다.
3. 작품 설명
이번에 저희 동아리에서 만든 작품은 보조배터리 쿨팩, ‘아~ 시원해~’ 라는 작품으로 현재 시중에 나와 있는 보조배터리와 손난로가 함께 결합된 제품에서 아이디어를 얻어 ‘왜 여름에 사용할 수 있는 보조배터리와 쿨팩(시원한 소재)이 결합된 제품은 없는가?’ 라는 의문에서 시작했다. 처음 작품을 제작하기에 앞서 냉각을 총 4단계로 제어를 할 수 있도록 회로 구성 및 제작에 돌입하여 실험을 진행했고, 트랜지스터를 이용하여 온도 제어를 실시했으나, 펠티에 소자의 특성상 많은 전류가 흘러 트랜지스터로는 제어에 어려움을 느꼈다. 또한 최근 들어 여름에 이상기온으로 인한 무더위가 지속되고 있어, 최대한 냉각의 효과를 내기위해 제어를 이용하기 보다는 우리 원했던 최적의 온도(9℃ ~ 12℃)를 유지하는 것이 더욱 효율적이다. 는 판단 하에 3Pin Slide Switch를 이용하여 사용자가 간편하게 사용할 수 있도록 구성했다. 또한 향후 작품이 채택되어 생산 및 판매가 되는 경우를 대비해 최소한의 회로 System을 구성하는 것을 목표로 하였고 결과적으로 보조배터리의 역할을 충실히 할 뿐만 아니라 간단한 스위칭 조작으로 선풍기 보다 뛰어난 냉각 효과를 배터리 내부에서 작동시켜 외부 USB 단자로 전자기기를 충전하면서, 쿨팩으로 이용할 수 있도록 제작을 하였다.
3.1. 주요 동작 및 특성
3.1.1. 펠티에 소자의 동작 및 특성
펠티에 효과란?
펠티에효과는 두 종류의 금속을 접속하여 전류를 흐르게 하면 두 금속의 접합부에서 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 현상으로. 1834년 J. C. A Peltier가 발견한 열전현상의 일종이다. 이것은 이종금속에서는 금속 내의 전자의 퍼텐셜에너지에 차가 있기 때문에 퍼텐셜에너지가 낮은 상태에 있는 금속으로부터 높은 상태에 있는 금속에게 전자를 운반하는데 밖으로부터 에너지를 얻어야 할 필요가 있으므로 두 금속의 접점에서 열에너지를 빼앗기고, 역의 경우에는 열에너지가 방출되게 된다. 일반적으로 이 효과에 의하여 단위시간에 두 종류의 금속의 접점에서 발생 또는 흡수되는 열량은 전류의 세기에 비례하고, 두 금속의 종류에 따라 정해진 값을 가진다. 이 값을 두 금속의 대한 펠티에계수라고 하고, 그 크기는 두 금속의 전자의 퍼텐셜에너지의 차에 상당하는 열전력과 절대온도에 비례하게 된다. 즉, 이 효과를 요약하면, 기전력에 의해서 이동하는 자유전자 보다 높은 페르미 준위로의 이동을 위해서 에너지를 흡수해야만 하는 상황에서 가장 구하기 쉬운 열에너지를 흡수하여 이동함으로써 전자를 내어주는 편에서는 지속적으로 열이 흡수되고, 반대편에서는 지속적으로 열이 방출된다는 것이다. 간단한 구조와 환경친화성, 그리고 높은 신뢰성 (물리적인 동작 구조를 전혀 가지지 않는 전기회로로만 구성도기 때문에 고장 날 여지가 거의 없다.) 을 가지고 있어서 활용도가 더욱 높아졌다.
위의 펠티에 효과를 바탕으로 이번 작품에서 구현하고자 하는 펠티에 소자를 이용한 냉각을 구현하기 위해선 두 개의 서로 다른 금속이 2개의 접점을 가지고 있어야 한다는 전제조건이 필요하다. 그러나 하나의 소자로는 큰 냉각효과를 기대하기 어려우며, 그래서 펠티에 소자를 사용한 붙인 형태를 하고 있다. 그 구조를 보자.
맨 아래와 맨 위에는 세라믹 층이 있으며, 이것은 열을 효율적으로 전달하면서도 전기의 흐름을 제한하는 역할을 한다. 그 아래에 있는 전도체 층과 반도체 층이 실질적인 냉각 ‘엔진’ 이다. 그리고 가장 아래층에는 역시 절연체인 세라믹이 위치해 있다. 반도체 층의 경우 P형 반도체와 N형 반도체 전체가 직렬로 이어져서 최대한의 냉각 효율을 끌어내도록 구성되어 있다.
기본적으로, 펠티에 소자는 서로 다른 반도체, 즉 P형 반도체와 N형 반도체의 접합에 기반하고 있다. 여기에 사용되는 반도체는 일반적으로 반도체라고 불리는 갈륨-비소 반도체를 사용하지 못한다. 이것은 TEM의 특성상 최고의 효율을 내기 위해서는 세 가지 조건이 조화를 이루어야 하는데, 이 세 가지는 제벡 계수(약자로 π를 사용)가 높아야 하며, 전기저항이 낮아야 하며, 열전도성 또한 최대한 낮아야 한다. 제벡 계수가 높다는 것은 적은 전력으로도 높은 냉각효과를 가질 수 있다는 것을 의미한다. 전기저항이 개입되는 이유는 반도체 스스로의 발열 때문이다. 열로 손실되는 에너지의 양은 저항 값의 제곱에 비례하기 때문에 저항이 낮으면 낮을수록 소자 자체의 발열이 적어서 소자 자체의 발열로 인한 전체적인 온도의 상승을 억제할 수 있다. 물론 전력 역시 적게 소모하게 된다. 열전도성이 낮아야 한다는 것은 전위차에 의해 유도된 소자 양단의 온도차를 그대로 유지시키기 위함이다. 만약 열전도성이 높다면 양단의 온도차를 만들어준 것이 무의미하게 되기 때문이다. 이러한 모든 성질을 종합한 것이 ‘메리트 상수’ 라는 것이다. 메리트 상수는 Z라는 약자로 표기되며 공식은 아래와 같다.
현재 가장 많이 사용되는 펠티에 소자로는 텔루오르화 비스무스(Bi2Te3), 텔루오르화 납(PbTe)이 있다.
하지만, 펠티에 소자는 가격이 비싸고 고온에서 소자가 파괴되며 발열부의 온도를 잘 제어하지 못하면 발열부의 온도가 냉각부도 전도되면서 효율이 급격하게 떨어지는 문제와 많은 양의 전기와 주변의 공기에 포함되어 잇는 수분이 얼어붙는 응결현상도 발생한다. 따라서 이러한 문제를 줄이려면 발열부의 냉각이 잘 이루어지도록 하여야 한다.
이번 작품에서 사용할 펠티에 소자는 ‘SP1848’ 이라는 모델로 주로 CPU나 냉장고의 냉매로 이용되는 소자로 아래 그림과 같은 형태로 되어있고, 구성 표에 의해 온도 차가 발생한다.
Specifications (Power input when used in Peltier Effect)
· 40mm x 40mm x 3.3mm
· Open-circuit voltage:(V) 0.97 1.8 2.4 3.6 4.8
· Temperature difference: (°) 20 40 60 80 100
· Current: (MA) 225 368 469 558 669
Voltage meter 및 LCD System
이번 작품의 경우 Arduino와 적절한 스위치 활용, 그리고 시각적인 편리함을 주기 위한 LCD Panel 등을 이용하여 향후 작품이 생산, 제작 과정에 들어갈 것을 고려하여 최소한의 전자기기들을 이용하여 작품을 구성하였다. 또한 Arduino의 활용을 통하여 Voltage meter, Yellow green Standard 16×2 Character LCD System을 구현하여 사용자 편의 인터페이스를 위해 최선을 다하였다.
3.2. 전체 System 구성
펠티에 소자 동작 및 LCD System 활용을 통한 ON/OFF 표시
펠티에 소자를 활용한 쿨팩 기능은 사용자가 구동하고자 할 때 스위치 ON/OFF를 통하여 간단하게 동작을 할 수 있도록 구성하였다. 또한 Arduino 와 연결된 LCD Panel을 통하여 현재 쿨팩의 기능을 사용하고 유무를 사용자가 눈으로 확인 할 수 있도록 ON/OFF 메시지 (1과 0으로 표현)를 구현하였다.
보조배터리 역할 및 LCD Panel을 통한 충·방전 System 표현
보조배터리로써 역할과 주 전원으로 이용 될 리튬이온배터리 3개 (LGEBF1L1865), USB 충전 모듈(모델명)을 통하여 배터리를 충·방전 할 수 있도록 구성하였고, 또한 충·방전을 시각적으로 보여주기 위해 Arduino에 전압 측정 모듈(Voltage Sensor)을 설치한 후 배터리와 연결하고, 연결된 배터리는 Yellow green Standard 16×2 Character LCD(BONA MC1602-13)와 연결하여 현재 리튬이온배터리의 전압의 크기를 확인할 수 있게 만들어 사용자의 편의를 더해 주었다.
냉각효과 증대를 위한 방열 System 구성
펠티에 소자의 경우 위에 언급한 것처럼 한쪽은 발열 한쪽은 흡열이 되기 때문에 발열이 되는 부분을 다양한 방열 도구를 통하여 냉각을 해주어야 한다. 따라서 이번 작품에서는 펠티에 소자의 방열을 위하여 40*40*10 DC 5V / 0.15A의 방열 팬과, 40*40*11의 방열 팬을 각 펠티에마다 설치하여 방열 System을 구성했다.
펠티에 소자에서 나오는 열을 배출하기 위하여 방열 팬과 회로(리튬이온 배터리, Arduino, LCD)사이에 약 1cm의 공간을 두고, 보조배터리 후방부에 작은 구멍을 뚫어 열을 효율적으로 배출 할 수 있도록 하였다. 또한, 신체와 접촉하는 면(냉각 효과를 전달할 수 있는 면)은 펠티에 소자에서 전달할 수 있는 냉각효과를 최대한 전달하기 위하여 음료수 캔 정도의 얇은 알루미늄 판과 펠티에 소자 접촉면을 방열테이프를 통하여 연결하였다. 방열 팬과 방열판으로 인한 부피 때문에 의 11 * 11 * 6.5 Case를 구하여 사용하였다.
3.3. 개발 환경
작품을 개발하기에 앞서 가장 주요한 펠티에 소자 제어와 LCD System 구성을 위하여 C언어를 기반으로 한 Arduino Uno(초기 Nano로 진행하였으나 성능차이로 인해 제장 중 Uno로 변경)를 이용하였습니다.
초기 LCD System 및 냉각 효과 4단 제어 관련 소스코드
#include <LiquidCrystal.h>
LCD패널을 구동 시키기 위해 기본값 설정
(LiquidCrystal.h의 기능을 추가 시키겠다.)
LiquidCrystal lcd(2,3,4,5,6,7);
LCD에 들어가는 데이터 선 핀번호 지정
16×2LCD 기준으로 하여 RS,E,D4,D5D6,D7 순입니다.
각종 변수와 핀번호 설정
int L = 0; (레벨 값표시) int buttontog = 0; 버튼 조작 int buttonre = 0; 버튼 리턴 조작
float vout = 0.0; 센서 출력 float vin = 0.0; 센서 입력 int buttog = 0; 버튼 조작
float R1 = 30000.0; 센서 내부 저항값 float R2 = 7500.0; 센서내부 저항값 int buttre = 0; 버튼 리턴 조작
int value = 0; 가치값(연산보조) int VOIN = A0; (전압측정센서의 아날로그 센서 인풋핀 번호)
void setup(){ // 한번만 실행(초기실행)
lcd.begin(16,2); // lcd를 사용 시작 하겠다 라는 명령어
pinMode(VOIN,INPUT); pinMode(8,INPUT); pinMode(9,INPUT);
pinMode(10,OUTPUT); pinMode(11,OUTPUT); pinMode(12,OUTPUT);
pinMode(13,OUTPUT); 각 트렌지스터 쪽으로 빠지는 출력과, 버튼 입력 , 센서값 측정 핀 설정
value = analogRead(VOIN); vout = (value * 5.0 ) /1024.0; vin = vout /(R2 / ( R1 + R2));
아날로그 보조 연산 값 //계산 값//최종적으로 출력되는 전압 값
lcd.setCursor(0,0); lcd.write(“Level = “); lcd.print(L); lcd.setCursor(0,1); lcd.write(“voltage = “); lcd.print(vin);
(0,0)부터 시작해서 Level = 라는 문고를 출력 lcd 에 L 값을 출력 (0,1);부터 시작 하여 voltate = 라는 문구 출력 vin(출력값)출력
buttontog = digitalRead(8); //버튼 조작 값 설정
buttog = digitalRead(9); //또 다른 버튼 조작 값 설정
if(buttontog != buttonre) //버튼에 입력이 들어 왔을 때
{if(buttontog == HIGH) //버튼 핀으로 출력값 생성하여 연속 적인 실행을 막음
{L++;} //레벨값을 올려줌
}
else{}
buttonre = buttontog; //버튼을 초기값 으로 설정
if(buttog != buttre) //위와 동일 대신 문구를 비슷하게 해서
{if(buttog == HIGH) //알기 쉽게 해놓은 것 뿐입니다.
{L–;} //레벨값을 낮춰줌
else{}
}
buttre = buttog;
버튼이 한번에 한번씩밖에 동작이 되게 끔 하는 소스 코드 설계
if(L>=5)
{L=4;
digitalWrite(13,LOW);//digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(11,LOW);
digitalWrite(10,LOW);
}else if(L==4)
{digitalWrite(13,HIGH);//digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(11,LOW);
digitalWrite(10,LOW);
}else if(L==3)
{digitalWrite(13,LOW); //digitalWrite(12,HIGH); digitalWrite(11,LOW);
digitalWrite(10,LOW);
}else if(L==2)
{digitalWrite(13,LOW); digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(11,HIGH);
digitalWrite(10,LOW);
}else if(L==1)
{digitalWrite(13,LOW); digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(11,LOW);
digitalWrite(10,HIGH);
}else if(L<=0)
{digitalWrite(13,LOW); digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(11,LOW);
digitalWrite(10,LOW); L=1;
}else{
}
} 각 레벨 마다 다른 출력 값 레벨 5 와 0 일 때 모든 출력은 정지 시키고 1~4안으로 다시 리턴 시키는 방식으로 레벨에서 벗어나는 값을 방지
초기 전압 측정 모듈 관련 소스코드
float vout = 0.0;
float vin = 0.0;
float R1 = 30000.0;
float R2 = 7500.0;
int SPIN = A0;
int value = 0;
void setup(){
pinMode(SPIN, INPUT);
Serial.begin(9600);
Serial.print(“Voltage:”);
}
void loop(){
value = analogRead(SPIN);
vout = (value * 5.0) / 1024.0;
vin = vout / ( R2 / ( R1 + R2) );
Serial.print(“V: “);
Serial.println(vin,2);
delay(1000);
}
#include <LiquidCrystal.h> // LCD기능을 불러온다.
LiquidCrystal lcd(2,3,4,5,6,7); // LCD에 들어가는 데이터 선 핀번호 지정
16×2LCD 기준으로 하여 RS,E,D4,D5D6,D7 순입니다.
int L = 0;// (레벨 값표시) int RUN1=0;// LCD에 표기할 cool run 정수
float vout = 0.0; // 센서 출력 float vin = 0.0; // 센서 입력
float R1 = 30000.0; // 센서 내부 저항값 float R2 = 7500.0; // 센서 내부 저항값
int value = 0; // 가치값(연산보조) int VOIN = A0; // 전압측정센서의 아날로그 센서 인풋 핀 번호
void setup(){ // 처음 시작할 때 지정 또는 초기 상태에서의 한 번의 동작을 요구함
lcd.begin(16,2); // 16X2LCD의 사용을 시작한다.
pinMode(VOIN,INPUT); pinMode(8,INPUT); //VOIN에 설정되어있는 A0핀을 인풋으로 설정 및 8번핀을 인풋으로 설정 한다.
}
void loop(){ // 이 구간을 반복적으로 실행 한다.
value = analogRead(VOIN); vout = (value * 5.0 ) /1024.0; vin = vout /(R2 / ( R1 + R2));
아날로그 보조 연산 값//계산 값//최종적으로 출력되는 전압 값
L = digitalRead(8); //레벨값을 D8번 핀의 읽는 값으로 설정한다.
if(L>=1){RUN1 = HIGH;}else{RUN1 = LOW;} // 레벨값에 따라서 작동한다는 것을 LCD에 표기한다.
lcd.setCursor(0,0); lcd.write(“cool run = “); lcd.print(RUN1); lcd.setCursor(0,1); lcd.write(“voltage = “); lcd.print(vin);
//LCD에 0,0 자리에서 다음 문구를 생성하고 상수는 런 값을 표기한다.
//0,1(2째 줄)자리부터 전압에 대한 문구를 생성하고 뒤에 측정값을 표기한다.
4. 단계별 제작과정
4.1. 초기 4단계 제어 관련 회로 제작 및 시험
4.2. 4단계 제어 실습 및 결과
4.3. 펠티에 소자 병합 및 완성본
4.4. 펠티에 소자 냉각성능 실험
방열판, 방열 팬 등을 이용한 단계별 실험 진행
4.5. 4단계 회로, 펠티에 실험 진행 성능차이 없음 확인(초기 Nano 사용)
4.6. Uno로 변경 후 회로 제작 및 배터리 제작
4.7. 케이스 시뮬레이션
4.8. 최종 기판 작업 실시
4.9. 최종 작품 제작 전 시뮬레이션
4.10. 최종 작품 구동 및 평가
5. 참고문헌
· http://www.peltier.co.kr/shop/item.php?it_id=1354755775&ca_id=602010&page=1&sort1=&sort2=
· HAPPYCAMPUS – 제벡효과와 펠티에효과의 원리와 그 이용
· Technoa – 펠티어 효과와 펠티어 소자
· 한국동력기계공학회지 제 10권 제 4호 – 펠티에 소자 및 히트싱크펠티에 성능 실험
6. 펠티에 성능 실험
