[팀 프로젝트] 펠티어 소자를 활용한 극냉 보온병 개발

1. 프로젝트 주제

펠티어 소자를 활용한 극냉 보온병 개발

2. 기간

07.15 ~ 08.18

3. 팀원

안병현, 조민홍

4. 개발 상세 계획

4-1. 개발목적

보온병은 차갑거나 뜨거운 액체의 열전도를 막아 본래의 온도를 최대한 유지하기 위해 사용된다. 그러나 시간이 오래 지날 경우, 열전도가 일어나 온도가 변하는 상황이 연출되기도 하며, 때에 따라서 미리 원하는 온도의 액체를 준비하지 못했을 때에는 활용 능력이 떨어지기도 한다.

이에 따라, 우리는 병 안에 있는 액체의 온도를 능동적으로 조절할 수 있도록 할 수 있는 병을 개발하기로 하였으며, 특히 시원한 물의 수요가 높은 여름에 사용할 수 있도록 미지근한 물을 시원하게 만들어 줄 수 있는 병을 개발하기로 하였다.

새로 개발할 병의 이름은 ‘극냉 보온병’으로 할 것이며, 기존 보온병의 특성에, 미지근한 물을 시원하게 할 수 있는 장점까지 더하여 실생활에서 적극 활용될 것으로 기대한다.

4-2. 발전방향

전도성 물질 여러 층의 양끝에 온도차이를 만들 수 있는 펠티어 소자(열전소자)를 활용하여 아이디어를 구체화하고자 한다. 펠티어 소자는 전자공학에서 각광받고 있는 소자 중 하나로 전류를 흘렸을 때 한 쪽 부분은 저온을, 반대쪽 부분은 고온을 내는 소자이며, 주로 판 형태로 사용된다.

펠티어 소자를 이용한 극냉 보온병을 만들기 위해 기본적으로 열전도가 높은 알루미늄 병을 사용할 것이다. 알루미늄 병 안쪽은 원래 병의 용도와 같이 액체가 들어갈 것이며, 알루미늄 병 아래쪽에 펠티어 소자를 부착할 것이다.

펠티어 소자의 저온부는 알루미늄 병 쪽을 향하게 하며, 이를 통해 펠티어 소자를 활성화시켰을 때 병 속에 있는 액체가 차가워지게 만든다.

저온부가 병 쪽을 향하기 때문에 고온부는 바닥 방향을 향하게 된다. 만약 이를 그대로 방치할 경우 고온의 열이 밖으로 배출되어 뜨거운 열기가 느껴질 수 있으며, 화상의 위험을 야기할 수도 있기에, 쿨링팬(fan)을 이용해줄 것이다. 열을 식힐 수 있도록 고온부로 바람을 불어주는 쿨링팬을 설치한다면 고온의 열기가 배출되지 않도록 제어할 수 있을 것이다.

또한, 펠티어 소자와 쿨링팬을 사용하려면 건전지가 필요한데, 건전지는 팬 하단에 배치할 것이며, 그 주변에 스위치를 설치하여 원할 때만 극냉 기능을 사용할 수 있도록 할 것이다.

펠티어 소자에 전류를 너무 장시간 흘릴 경우 저온부는 필요 이상으로 차가워지고, 고온부는 초고온이 될 수 있을 수 있으며, 이는 본 팀이 추구하는 효율적인 보온병 개발에 방해가 되는 요소이므로, 이를 직관적으로 확인할 수 있다면 본 제품을 이용하는데 도움이 될 것이라고 생각한다.

이어, 실제 보온병의 실시간 온도를 확인할 수 있는 장치가 있으면 온도 조절에 더 용이할 것이라고 본 팀은 생각하였다. 이를 실현하기 위해 아두이노 우노와 LCD를 이용할 것이며, 보온병 밖에 LCD를 설치하여 온도가 표시될 수 있도록 할 것이다.

마감의 경우, 병의 외부를 단열재로 감싸는 등의 처리를 통해 차가워진 온도를 유지할 수 있도록 할 것이다. 차단재, 탈지면, 코튼볼을 단열재 재료로 활용할 것이며, 이를 이용하며 단열까지 마무리한다면 본 팀이 추구하는 극냉 보온병을 완벽히 개발할 수 있을 것으로 생각한다.

향후 실험에서는 펠티어 소자를 활용한 보온병의 성능 개선과 펠티어 소자를 이용한 다양한 활용법 연구, 더 나아가서는 새로운 소자의 영역에 대한 개척을 할 수 있을 것으로 기대한다.

4-3. 개발일정

07.15 ~ 07.23 주제 선정 및 이론적 탐구

07.24 ~ 07.26 예산안 수립 및 계획

07.31 ~ 08.12 설계 구체화 및 보온병 제작

08.14 ~ 08.18 결과 보고서 및 논문 작성

4-4. 사용부품

펠티어 소자, 쿨링팬, 서멀패드, 배터리, 배터리 홀더, 보온병 물품, 스위치, 아두이노 우노, LCD 등
(세부 내역은 예산계획서에 첨부)