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2023년 12월 19일 (화) 02:32 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : AI를 활용한 냉각 시간 예측 소형 펠티어 음료 냉장고

영문 : Cooling Time Predicting Beverage Refrigerator using Artificial Intelligence

과제 팀명

눈도 깜짝 안하조

지도교수

이동찬 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 정*새(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 권*표

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 김*표

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 선*진

서울시립대학교 기계정보공학과 20189200** 황*성

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

펠티어(열전)소자를 이용한 냉장고는 일반적인 컴프레서 냉장고에 비해 제작이 간단하고 소형화가 용이하지만, 냉각 성능 및 효율이 몹시 좋지 않다는 큰 단점이 있다. 본 프로젝트에서는 이미지 처리 및 인공지능을 활용해 음료수를 담는 용기의 종류, 음료수의 개수, 용량에 따른 목표 냉각 온도까지 온도가 떨어지는데 걸리는 시간을 예측해주고, 예측된 시간 이후에는 전력 소모를 제어하는 펠티어 냉장고를 개발한다. 예상 냉각 시간을 보여줌으로써 사용자가 불필요하게 수시로 문을 여닫는 불편을 줄여주고, 문을 여닫음으로 인해 발생하는 열손실을 방지한다. 또한, 냉장고는 단열에 가깝다는 점을 이용해 목표 온도까지 냉각되는 시간 이후에는 냉각에 사용되는 전력을 줄임으로써 불필요하게 낭비되는 에너지 소모를 줄인다.

개발 과제의 배경

개발 배경

지난 2020년부터 시작된 코로나 19로 인해 해외여행을 가지 못하는 대신 캠핑을 시작한 사람들이 많아져 이른바 “캠핑 열풍”이 시작되었다. 이러한 캠핑 열풍은 팬데믹 시기가 지난 지금도 계속되고 있으며, 이에 따라 캠핑 산업 시장 규모가 지난해 6조원에 이를 정도로 캠핑 용품에 대한 수요도 날이 갈수록 크게 늘어나고 있다.

Figure1. 캠핑 시장 및 캠핑 용품 수요 동향

캠핑에서 가장 중요한 사안들 중 하나가 바로 음료의 냉장 및 냉동이다. 캠핑장을 향해 가는 동안의 장시간의 운전 중, 그리고 캠핑 중에 여러가지 활동을 할 때, 수분 보충은 필수적이다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 차량 혹은 캠핑장 내에서 포터블로 사용 가능한 미니 냉장고가 많이 사용된다. 특히 최근 들어서 유행하고 있는 캠핑의 형태 중 하나인 차박(차에서 숙박)에서는 소형 차량형 냉장고가 거의 필수품으로 여겨지고 있으며, 전체적인 캠핑 시장이 커짐에 따라 매년 소형 포터블 냉장고의 수요가 계속해서 증가하고 있다.

Figure2. 캠핑용 냉장고의 수요 변화 및 전망

차량 및 캠핑에서 사용되는 소형 냉장고의 종류에는 대표적으로 일반적인 가정용 냉장고와 같은 컴프레서 냉장고와 펠티어(열전)소자를 활용한 펠티어 냉장고가 있다. 컴프레서 냉장고의 경우 펠티어 냉장고에 비해 같은 전력 소모 대비 냉장, 냉동 성능이 뛰어나 빠른 시간 안에 원하는 온도에 도달하는 장점이 있는 반면, 냉동사이클에 사용되는 부품이 많고 구조가 복잡해 무겁고 가격이 비싸며, 냉매를 사용해야 하므로 친환경적이지 못하다는 단점이 있다. 반대로 펠티어 냉장고의 경우, 냉매를 사용하지 않아 친환경적이며, 구조가 간단하며 제작이 편리해 히트 펌프 냉장고 가볍고, 저렴하다는 장점이 있지만, 펠티어 소자 자체가 소모하는 전력에 비해 냉장, 냉동 성능이 컴프레서 방식에 비해 많이 떨어져 효율이 좋지 못하다는 단점이 있다.

Figure 3 시중 펠티어 냉장고와 컴프레서 냉장고의 비교

본 개발 과제에서는 이동이 잦은 캠핑의 특성을 고려해 가볍고 운반이 용이한 펠티어 냉장 방식을 채택했다. 일반적인 냉장고에서 냉각에 걸리는 시간을 따로 표시해주지 않는다는 점을 활용해 냉각이 가능한 최저 온도까지 넣는 음료수의 개수, 용량, 음료수를 담는 용기의 종류에 따른 걸리는 예상 냉각 시간을 예측해 줘 사용자의 편의성을 향상시킬 뿐만 아니라 불필요한 열손실을 줄이고, 음료가 목표한 온도에 도달할 때 출력을 줄이는 제어기능을 추가한 펠티어 냉장고를 개발하는 것을 목표로 한다.

기대효과

본 개발 과제는 냉각 가능한 최저 온도까지 넣은 음료가 냉각되는데 걸리는 시간을 예측해주고, 예측한 시간 이후에는 전력 소모를 제어하는 펠티어 냉장고를 제작하는 것을 목표로 한다. 냉장고의 문을 열면 필연적으로 내부의 냉기가 빠져나가고 외부의 온기가 유입되면서 냉각에 필요한 전력 소모가 늘어나는데, 개발한 펠티어 냉장고에서는 목표 온도까지의 예상 냉각 시간을 보여줌으로써 수시로 문을 여닫아서 확인하는 불편을 줄일 뿐만 아니라 문을 여닫을 때 발생하는 열손실 및 추가적인 전력소모를 최소화한다. 또한, 냉장고 내부가 비어 있어 필요 냉각 용량이 적거나, 냉장고 내부가 거의 단열이어서 목표 온도에 도달한 이후에는 이전처럼 전력을 소모하지 않아도 오랫동안 목표 온도를 유지한다는 점을 활용해, 목표 온도에 도달한 이후에는 전력 소모를 줄여 불필요한 전력 소모를 최소화한다. 개발 과제가 성공적으로 마무리되면, 펠티어 냉장고를 사용할 때의 전력 사용 효율을 높임으로써, 에너지 절약에 기여할 수 있다. 또한 최근 점점 늘어나는 추세인 전기자동차에서 사용한다면, 기존의 펠티어 소형 냉장고에 비해 불필요한 전력 소모를 줄임으로써 냉장고 사용으로 인한 주행거리 감소 문제를 조금 해소할 수 있다는 장점이 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

개발 목표

현재 넣은 음료수의 용량 및 온도, 음료수를 담은 용기의 종류 및 수에 따른 최저 냉각 가능 온도까지의 냉각 시간을 보여주고, 목표 온도 도달 이후에는 냉각에 사용되는 전력 소모를 제어하는 펠티어 냉장고를 개발한다.

Figure 4 펠티어 냉각 모듈과 일반적인 자작 펠티어 냉장고

개발 과제의 내용

가) 펠티어 냉장고 본체 설계

시중의 일반적인 캠핑용, 차량용 소형 펠티어 냉장고와 유사하게 용량은 15~20L, 소모 전력은 지속적으로 구동했을 때 기준 55~65W의 펠티어 냉장고를 설계한다. 케이스의 재질은 고내 단열이 잘 되도록 단열재를 선정하고, Ansys 유동 해석 혹은 실험을 통해 가장 효율적으로 냉각이 되는 냉각 모듈의 위치를 결정한다. 냉장고 내에 들어가는 음료수의 수는 최대 6개, 그리고 층당 3개의 음료수가 들어가도록 한다. 문 쪽에 설치한 카메라하고, 카메라에 각 음료수를 담은 용기의 바닥면이 보이도록 음료수를 눕혀서 집어넣도록 틀을 설치한다. 틀에는 온도 센서와 압력 센서를 달아 현재 음료의 온도, 용량 등의 정보를 얻을 수 있도록 한다. 이외에 문 열림 감지, 계산 및 디스플레이에 사용할 라즈베리 파이, 온도, 압력 측정에 사용될 아두이노 및 센서, 그리고 전원에 사용될 smps 등의 위치를 결정한다.

Figure 5 개발하는 펠티어 냉장고의 문에서 바라본 정면도, 옆에서 바라본 측면도

나) 냉각 시간 예측 기능 구현

먼저 문을 열었다가 음료를 넣은 후 닫으면, 문에 설치 라즈베리 파이 카메라를 이용해서 문에서 본 정면도를 찍는다. 이 사진에서 AI 모듈을 이용해 음료가 몇 개 들었는지, 그리고 음료를 담은 용기의 재질을 판별한다. 본 프로젝트에서는 음료를 담은 용기는 크게 알루미늄 캔, 유리 병, 그리고 PET 병의 세 가지로만 분류하고, 음료의 수는 최대 6개로 한다. 그리고 아두이노 온도, 압력 센서를 이용해 냉장고 고내 및 각 용기의 현재 온도, 그리고 각 용기에 들어있는 음료의 양(질량)을 측정한다.

카메라와 센서를 이용해 얻은 각 음료의 용기 종류 및 수, 음료의 양, 고내 온도, 실내 온도, 그리고 사용자가 입력한 목표 온도를 입력으로 받아 예측 모델을 통해 목표 온도에 걸리는 시간을 화면에 표시해준다. 예측 모델로는 여러 차례 실험을 통해 얻은 실험데이터 기반의 머신러닝 모델을 활용한다.

Figure 6. 냉각 시간 예측 시스템 개략도

다) 전력 제어 관련 설계

본 과제에서 사용될 냉장고의 경우, 캠핑이나 차량 등에서 사용될 소형 포터블 냉장고이다. 그렇기 때문에 전력을 직접 공급받아서 작동할 수도, 배터리로도 작동할 수 있게끔 제작하는 목표로 삼는다. 배터리의 경우 펠티어 냉각소자의 전압과 동일한 12V로 작동되는 것으로 선정하고, 최소한 야외에서 1시간 이상 작동할 수 있을 정도의 용량을 가진 것으로 선정한다. 예상 시간 이후의 전력 소모 제어로는, on/off의 형태로 구현하거나, pid 제어 방식 중 하나를 채택한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

a. 냉장고에 적용되는 냉각 기술

냉장고에 적용되는 냉각 기술에는 크게 컴프레서 방식과 펠티어(열전 냉각) 방식이 있다.

(1) 컴프레서 냉각 방식

Fig. 1 표준 증기압축 냉동사이클

대부분의 가정용 냉장고, 에어컨 등에서 사용되는 냉각 방식으로 대부분 표준 증기압축 냉동사이클을 활용한다. 자연계의 법칙 중 추가적인 일(에너지 공급) 없이는 열은 고온은 저온으로 밖에 이동이 안 되고, 그 반대는 불가능하다는 열역학 제2법칙을 따라 고안된 장치다. 냉장고에서의 컴프레서 방식의 냉각은 다음과 같이 이루어진다. 먼저, 저온 저압의 액상 냉매가 증발기에서 상대적으로 뜨거운 냉장고 내부의 증발열을 흡수해 기상으로 변한다. 그 다음 저온 저압의 기상 냉매가 압축기에서 외부에서부터 일을 받아 실외 온도보다도 뜨거운 고온 고압의 기상 상태가 된다. 고온 고압상태의 냉매는 응축기에서 액상상태로 응축하면서 실외에다 열을 버리고 팽창 장치를 통해 다시 저온 저압의 액상 상태가 되어 앞선 과정을 반복한다.

컴프레서 냉각 방식은 성능계수 COP(냉방용량/공급에너지)가 대략 3~5정도의 높은 효율을 가지고 있다는 장점이 있다. 하지만 사이클에 사용되는 부품이 많기에 무게가 많이 나간다는 단점이 있고, 냉매를 사용하기 때문에 냉매의 종류에 따라 환경에 치명적인 영향을 줄 수도 있다. 이런 점들을 보완하기 위한 연구들이 많이 진행되고 있다 예를 들어, 3D프린팅 기술을 활용해 내부에 복잡한 냉각채널도 구현이 가능하여 냉각 효율을 높일 수 있고, 이로 인해 주조 사이클타임 감소 및 냉각속도 차이에 따른 열변형도 대폭 줄일 수 있다. 또한 탄소 배출 감소를 위해 흔히 쓰는 GWP(지구 온난화 지수, CO2대비 지구온난화에 기여하는 정도)가 1000이 넘는 R134a 냉매 대신 GWP 15 이하인 냉매인 R600a의 개발 등의 노력도 이루어지고 있다.

(2) 펠티어(열전)소자 냉각 방식

Fig 2 펠티어 냉각 방식

펠티어 냉각 방식은 반도체로 연결된 두 금속 사이에 전압을 가하면 반도체 내에서 전자(n형 반도체에서는 전자가, p형 반도체에서는 전자 역할을 하는 양공이)가 이동하면서 전자를 받은 면은 열을 받아 뜨거워지고, 전자를 빼앗긴 다른 쪽 면은 열을 빼앗겨 차가워지는 펠티어 효과를 활용한 냉각 방식이다.

펠티어 냉각 방식은 소형 냉장고, CPU 쿨러 등 대체로 소형의 냉각장치들에 사용된다. 펠티어 냉각 방식은 냉매를 사용하지 않아 친환경적이고, 압축기 등에서 사용되는 모터를 구동할 일이 없어 소음이 적다. 또한, 반도체 소자 하나만 있으면 되므로 장치가 많이 필요하지 않아 가볍고, 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 일반적인 펠티어 소자의 COP는 0.3~1 정도로 낮아 장시간 및 대형 냉각이 필요한 장치에서는 적합하지 못하다는 단점이 있다.

펠티어 냉각 관련한 연구로는 조금 더 향상된 성능을 가진 반도체 재료로 소자를 만드는 연구가 1900년대부터 초반부터 끊임없이 진행되어 왔다. 펠티어 소자가 처음 나왔을 때만 해도 효율이 1% 정도 불과했지만, 최신 연구 자료에 의하면 주석과 셀레늄을 이용한 다결정 소재를 활용하여 20%에 육박하는 효율을 가진 펠티어 소자를 개발했다고 한다. 그리고 뜨거운 면과 차가운 면 사이에서의 열전달을 최소화하기 위해 소자의 열전도도를 낮추는 연구도 많이 진행되고 있는데, 최근에는 나노기술을 활용한 표면의 가공을 통해 열전도도를 기존에 비해 약 1/10에서 1/100 수준으로 크게 낮추었다고 한다.

컴프레서 냉각 방식과 펠티어 냉각 방식을 비교하면 다음과 같다. 소형 냉장고의 경우 냉방용량이 작아 펠티어 냉각방식의 단점이 덜 부각되어 펠티어 냉각방식을 사용해도 충분히 경쟁력이 있다.

b. 스마트 냉장고 기술

최근에는 발전된 정보통신 기술을 활용하여 냉장고에 사물인터넷과 같은 정보통신 기술을 접목시킴으로써 냉장고가 더 이상 음식물을 냉장보관만을 하는 장치로서의 역할만을 하는 것이 아니라 사용자에게 유용한 기능 또한 제공하는 역할도 하고 있다. 그랜드뷰리서치에 따르면, 스마트 장고 시장 규모가 2025년까지 연평균 13.7% 성장, 규모는 6억 2470만 달러에 이를 것이라고 전망했다. 냉장고에 정보통신 기술을 적용한 예로는 다음과 같은 사례들이 있다.

국내 최초의 스마트 냉장고는 2016년에 삼성에서 제작한 패밀리 허브 냉장고가 있다. 이 냉장고는 전원이 켜져 있는 동안 라디오, TV와 같은 엔터테인먼트를 즐길 수 있는 서비스를 제공해 주방에서 일하는 동안 즐길 수 있도록 해준다. 또한 김서림에 강한 특수 카메라를 장착해 냉장고 내부를 항상 깨끗하게 촬영하여 통신 기술을 활용해 스마트폰으로 항상 냉장고 내부를 관찰할 수 있는 기능도 제공한다. 마지막으로 식재료가 부족한지, 유통기한이 얼마나 남았는지, 해당 식재료로 어떤 음식을 만들 수 있는지를 스마트폰 어플리케이션을 통해 보여주는 기능도 제공한다.

해외에서의 스마트 냉장고로는 GE에서 제작한 ‘Smart Fingerprint Resistant 4-Door French-Door Refrigerator’가 있다. 이 냉장고에서는 냉장고가 자체적으로 성능을 수시로 점검해서 스스로 압축기의 주파수 등을 조절하고 냉매의 유출을 감지하는 기능을 탑재하는 등 최적의 성능을 낼 수 있도록 냉장고가 자체적으로 조절할 수 있다.

Fig 3 스마트 냉장고 예시(삼성 패밀리 허브 냉장고)

본 프로젝트에서는 스마트 냉장고를 만들 때에는 아래의 기술들이 사용된다.

c. 컴퓨터 비전

컴퓨터 비전은 이미지와 비디오를 처리하여 유의미한 정보를 추출하는 인공지능 기술이다. 카메라와 센서가 인간의 눈의 기능을 한다면, 컴퓨터 비전은 받은 시각 데이터를 처리하는 인지능력을 말한다. 이미지 처리나 모델 학습, 패턴 인식 등의 작업의 기본원리이다. 컴퓨터 비전을 통해 할 수 있는 작업은 여러가지가 있다. 예를 들어 이미지의 크기를 조정하거나 색상을 보정하고 노이즈를 제거하는 이미지 개선, 변형작업을 하거나 주어진 이미지에서 특정 패턴이나 특징을 찾아 얼굴 식을 하는 등의 작업을 할 수 있다. 딥러닝이 발전하게 되면서 Computer Vision의 발전도 가속화가 되었는데 이로 인해 아래와 같은 작업을 수행하면서 여러 분야에서 핵심적인 역할을 수행하고 있다.

1. 객체 분류(classification)

2. 객체 검출 및 추적 (Object Detection & Tracking)

3. 객체 분할 (Segmentation)

4. 이상탐지

5. 포즈 추정 ( Pose Estimation )

대표적으로 자율 주행이나 보안 시스템, 의료 진단 등의 분야에서 많이 응용되고 있다.

Fig. 4 컴퓨터비전 응용 사례

유명한 오픈 소스 라이브러리로는 OpenCV ( Open Computer Vision ) 이 있다. 인텔이 실시간 컴퓨터 비전을 목적으로 개발하였다. 본 프로젝트에서는 OpenCV와 Object detection 모델 중 가장 많이 사용되는 Yolov5 모델을 활용하여 진행할 예정이다.

d. 회귀 분석

통계학에서 연속형 변수들에 대해서 두 변수 사이의 모형을 구한 뒤 적합도를 측정해 내는 분석 방법이다. 하나의 종속변수와 하나의 독립변수 사의 관계를 분석할 경우는 단순회귀분석이라 하며 여러 독립변수 사이의 관계를 구명하고자 하면 다중회귀분석이라 한다. 회귀분석을 통해서 미래 값을 예측하거나 변수간의 상관관계를 분석할 수 있고 인과 관계를 분석할 수도 있다.

회귀분석에는 여러가지 유형이 있는데 그 중 많이 사용되는 유형은 다음과 같다.

1. 선형 회귀 분석 : 두 변수 간 상관관계가 선형으로 이루어져 있다고 가정하여 분석하는 방법

2. 로지스틱 회귀 분석 : 종속변수가 범주형이면서 0이나 1일 경우 사용하는 회귀 분석

3. 비선형 회귀 분석 : 종속변수와 독립변수간의 비선형 관계를 추정하여 분석하는 방법

4. 릿지 및 라쏘 회귀 분석 : 선형회귀의 일종으로 제약조건 항을 추가하여 과적합을 막기위한 분석 방법

이러한 분석을 통해서 회귀식을 찾게되면 회귀식이 통계적으로 유의한지 검정하는 과정이

필요하다. 이 검정 과정을 유의성 검정이라고 한다. 이러한 검정을 통해 통계적으로 유의미한 분석임을 증명할 수 있다.

예를 들어 본 프로젝트에서 냉장고의 초기온도, 보관하는 물체의 온도 및 용량, 각 보관용기의 열전달 계수, 목표온도를 독립변수로 두고 예상도달시간을 종속변수로 두면 회귀분석을 통해서 변수들간의 회귀모델을 찾을 수 있고 이 식을 통해서 미래를 시간을 예측할 수 있게 된다. 이러한 시간은 유의성 검정을 통해서 통계적으로 유의미한 모델임을 증명할 수 있다.

e. 제어 기술

자동제어 기술은 기준치에서 넘어간 수치(온도, 습도) 등을 기준치에 맞춰 불필요한 에너지 소모를 줄이거나 위험한 상황 등을 방지하기 위해 도입되는 기술이다. 일반적으로 전력을 제어할 때 사용하는 방식에는 ON-OFF 제어 방식과 연속 제어 방식이 있다.

ON-OFF 제어 방식의 경우 온도 등의 수치가 설정치보다 높거나 낮을 때 ON 또는 OFF로 동작하는 방식으로 구조가 간단하고 경제적이라는 장점이 있다. 그러나 조작부가 설정치를 경계로 하여 ON-OFF 되므로 2위치 동작에 의한 제어의 오르내림이 발생한다. 이를 제거하기 위하여 조절감도를 좁히면 출력의 떨림 현상이 생긴다든지 노이즈의 영향을 받을 수가 있고 조절감도(Dead Band)를 넓히면 정도가 문제가 된다. 그러나 이 오르내림(Cycling)의 폭이 허용범위 폭 이내라고 하면 ON-OFF 제어방식으로도 충분히 목적을 잘 달성할 수 있다.

연속 제어 방식은 측정값과 설정치를 비교하여 그 편차신호의 크기에 비례하는 전력을 공급하는 방식이다. 비례제어(P) 방식만을 적용하면 원리적으로 회로정수부터 피할 수 없는 제어오차가 발생하므로 이 오차를 없애고 제어정도를 높이기 위한 적분동작 (I) 및 장치의 응답속도를 빨리하기 위한 미분동작(D)을 채용하면 유효하다. 따라서 일반적으로 P.I 또는 P.I.D 제어방식이 가장 많이 채용되고 있다.

현재 냉장고에 적용되는 제어기술로는 인버터 제어방식이 있다. 이것은 컴프레서 내에 센서를 장착하여 온도, 습도, 모터 회전 속도 같은 데이터를 지속적으로 수집하여 이 데이터를 바탕으로 냉장고 내부의 소형 컴퓨터가 제어 명령을 계산한 후, 절전을 담당하는 전력 칩은 모터를 최적의 회전 속도로 작동하도록 하여 필요 이상의 전력 소모를 줄이면서 냉장고 온도를 일정하게 유지시키는 연속 제어 방식이다. 이 방식은 모터를 항상 켜고 끄는 정속형(ON-OFF) 제어방식보다 훨씬 효율적이다.

Fig. 5 냉장고에서의 자동제어(인버터 방식)

특허조사 및 특허 전략 분석

내용

기술 로드맵

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시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

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개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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 *기술 로드맵
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 ====시장상황에 대한 분석====