5조-와쏘베쏘

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 펠티어 소자를 이용한 냉/난방 슈트

영문 : Cooling and Heating Suit Using Peltier Module

과제 팀명

와쏘베쏘

지도교수

이동찬 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20224300** 김**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20194300** 이**

서울시립대학교 기계정보공학과 20204300** 전**

서울시립대학교 기계정보공학과 20224300** 박**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 산업 현장과 일상생활에서 모두 활용 가능한 웨어러블 냉난방 슈트를 개발하는 것을 목표로 한다. 본 슈트는 작업복 원단에 펠티어 기반 모듈형 열전 패치를 부착하고, 제어보드, 교체형 배터리 팩 등을 통합한 구조로 설계된다. 착용자의 등·허리·복부 등에 분산 배치하여 압박감과 활동 제약을 최소화하며, 전자부와 섬유부를 분리 가능한 방수 커넥터로 연결해 세탁과 유지관리가 용이하다. 프로토타입 개발은 부품 단위 벤치 시험에서 시작해 부분 패치, 부분 슈트, 완성 시제품 단계로 점진적으로 고도화되며, 열 쾌적성 확보 및 소음 최소화를 목표 성능으로 한다.

개발 과제의 배경

기후 변화로 인한 폭염과 한파가 빈번해지면서 야외 작업자와 일상 생활에서의 열적 스트레스가 증가하고 있다. 기존의 공랭식(팬) 조끼는 외부 공기가 뜨거울 경우 냉각 효과가 저하되는 '열풍 순환' 문제가 있으며, 발열 조끼는 난방 기능만 제공한다는 한계가 있다. 또한, 상변화 물질(PCM) 방식은 지속 시간이 짧고 무게가 무겁다. 이에 따라 사계절 내내 사용 가능하며, 능동적인 체온 조절이 가능한 통합형 냉난방 솔루션의 필요성이 대두되었다.

개발 과제의 목표 및 내용

양방향 온도 제어: 펠티어 소자의 전류 방향 제어를 통해 단일 기기로 냉각과 난방을 모두 수행 (목표 온도 도달 시간 단축).
스마트 제어 및 모니터링: 3계층 제어 구조(App-Cloud-Embedded)를 통해 실시간으로 시스템을 모니터링하고, PID 제어를 통해 에너지 효율을 최적화.
인체 공학적 열 배치: 척추 라인을 따른 냉각 모듈 배치와 Warm Preference 연구에 기반한 복부 난방 모듈 배치로 적은 에너지로 최대의 쾌적감 제공.
안전성 및 편의성: 저온 화상 방지 로직(45도 제한), 방수 커넥터 적용, 2kg 이하 경량화 실현.

개발과제의 기대효과 및 파급효과

가. 기술적 기대효과

양방향 온도 제어 기술 확보: 펠티어 소자의 극성 제어를 통해 단일 하드웨어로 냉각과 가열을 동시에 구현하는 메커니즘 확보. (예상 성능: 외기 대비 ±5℃ 조절)
에너지 효율 최적화: CFD 해석(STAR-CCM+)을 통한 방열 구조 최적화와 PID 기반 PWM 제어로 배터리 효율 20% 향상 및 연속 사용 시간(2~3시간) 확보.
스마트 제어 시스템: 하드웨어(Arduino/RPi)-서버(Firebase)-사용자(App) 간의 유기적인 데이터 통신 및 제어 아키텍처 구현.

나. 경제적 및 사회적 파급효과

산업 안전 및 생산성 향상: 건설, 물류 등 고온/한랭 작업 환경 종사자의 열 스트레스를 줄여 온열 질환 및 안전 사고 예방.
시장 확장성: 산업용 보호구 시장뿐만 아니라 레저, 스포츠, 군용 장비 등 다양한 웨어러블 분야로 기술 적용 확대 가능.
친환경성: 프레온 가스 등 냉매를 사용하지 않는 친환경 반도체 냉각 방식으로 ESG 가치 실현.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

2025.09: 아이디어 구체화, 관련 기술 및 특허 조사, 개념 설계
2025.10: 상세 설계, 부품 선정 및 발주, UI/UX 설계, 제어 알고리즘 구현
2025.11: 하드웨어 제작(3D 프린팅, 회로 구성), 소프트웨어 연동, 통합 테스트
2025.12: 성능 최적화, 최종 보고서 작성 및 발표

구성원 및 추진체계

김** (팀장): 내용
이**: 소프트웨어 총괄, 안드로이드 어플리케이션 개발, Firebase DB 연동
전**: 내용
박**: 내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

가. 제품 요구사항 및 목적계통도

번호	요 구 사 항	D or W	비고
1	굴곡, 팔꿈치 등 곡면에도 작동할 것	D	상
2	착용 시 피부, 의류 손상을 방지할 것	D	상
3	착용 후 사용할 때 불편함을 방지할 것	D	중
4	온도 조절이 용이할 것	D	중
5	실시간 상태를 화면에 모니터링으로 표시하는지	D	하
6	전체 중량이 2kg 이하일 것	W	상
7	소음, 진동이 최소화될 것 (40dB 이하)	W	중
8	어플리케이션 조작이 용이할 것	W	중

목적계통도 요약

안전성: 전기적 절연 구조, 과열 시 자동 차단(PID 제어 및 전류 제한), 저온 화상 방지(45도 제한).
기능성: 펠티어 소자 전류 방향 제어로 냉/난방 겸용, 에너지 효율 20% 향상.
편의성: 무게 분산 배치(2kg 이하), 덕트형 유로 설계, 앱을 통한 3계층 제어 구조.

개념설계안

하드웨어 배치 설계

파일:Fig1 펠티어 배치도.png
figure 1. 펠티어 및 제어부 배치도
파일:Fig2 펠티어 조립도.png
figure 2. 펠티어 모듈 조립도

냉방 배치 (등): 선행 연구에 따르면 등 부위는 냉각 시 전체 열 쾌적성에 가장 큰 영향을 미치는 부위임. 척추 축을 따라 열 전달이 용이하도록 등 상부에 2개, 등 하부 중앙에 1개의 펠티어 모듈을 배치함.
난방 배치 (복부): 인체 부위 중 온열감 선호도(Warm Preference)가 가장 높은 복부에 2개의 난방용 모듈을 배치함.
모듈 구조: 3D 프린팅으로 제작된 케이스 내부에 펠티어 소자, 히트싱크(방열판), 마이크로 팬을 적층 구조로 조립. 펠티어의 발열면에서 발생하는 열을 팬을 통해 강제로 외부로 배출시키는 구조.

이론적 계산 및 시뮬레이션

펠티어 효과 및 열전달 모델링

본 시스템의 핵심인 펠티어 소자의 냉각 능력(Qc)은 다음과 같은 이론적 수식에 기반하여 설계되었다. 1. 펠티어 효과 (Peltier Effect)

Q = π · I (π: 펠티어 계수, I: 전류)

전류에 비례하여 열이 이동하는 효과로, 전류 방향 제어를 통해 냉/난방 전환이 가능함을 의미한다.

2. 줄 발열 (Joule Heating)

Q_j = I² · R

소자 내부 저항으로 인해 발생하는 열로, 이는 냉각 효율을 저하시키는 주된 원인이 된다. 따라서 전류(I)가 과도하게 커지면 줄 발열이 펠티어 냉각 효과를 압도하게 되므로 적절한 전류 제한 제어가 필요하다.

3. 종합 냉각 능력

Q_total = (π · I) - (0.5 · I² · R) - (k · ΔT)

(k: 열전도율, ΔT: 온도 차이)

최종 냉각 성능은 펠티어 효과에서 줄 발열과 열 전도에 의한 손실을 뺀 값으로 결정된다. 본 프로젝트에서는 이를 고려하여 PWM 제어로 최적 전류를 공급한다.

CFD 열유동 해석

STAR-CCM+를 활용하여 모듈 내부의 방열판과 팬의 형상에 따른 공기 흐름 및 열 배출 효율을 시뮬레이션하였다. 해석 결과를 토대로 방열판의 핀(Fin) 간격과 팬의 RPM을 조절하여 방열 효율을 극대화하였고, 목표 에너지 효율 20% 향상을 달성할 수 있는 설계안을 도출하였다.

상세설계 내용

하드웨어 구현 (회로 및 부품)

파일:Circuit Diagram.png

figure 3. 전체 회로 구성도

제어부 (MCU & Computer)
- Raspberry Pi 5: 메인 컨트롤러로서 Wi-Fi 통신, 고수준 연산, Firebase 데이터 동기화를 담당. Python 기반 멀티스레딩 환경에서 동작.
- Arduino Mega 2560: 라즈베리파이로부터 명령을 받아 하드웨어(모터 드라이버, 센서)를 직접 제어하는 저수준 컨트롤러.

구동부 (Actuator)
- 펠티어 소자 (TEC1-12704): 12V 동작 전압, 최대 4A 소모. 5개를 배치.
- 모터 드라이버 (BTS7960): 고전류(최대 43A)를 제어할 수 있는 H-Bridge 드라이버. PWM 신호를 통해 펠티어 소자의 출력(전압/전류)을 조절하고 극성을 반전시켜 냉/난방 모드를 전환함.

센서 및 전원
- 온도 센서: 의복 내부 및 펠티어 표면 온도를 측정하여 PID 제어의 피드백 입력값으로 사용.
- 배터리 팩: 12V 고출력 리튬이온 배터리를 사용하여 전체 시스템에 전력을 공급. SMPS 역할을 하는 전원 분배 보드를 통해 5V(제어부)와 12V(구동부)로 분기.

소프트웨어 구현

3계층 제어 아키텍처

파일:SW Architecture.png

figure 4. 3-Layer Software Architecture

본 시스템은 Android App ↔ Firebase DB ↔ Embedded System(RPi+Arduino)의 3계층 구조로 설계되었다. 각 계층은 독립적으로 동작하며 데이터베이스를 통해 상태를 동기화한다.

제어 알고리즘

내용

통신 프로토콜 및 데이터 동기화

JSON 데이터 포맷: 클라우드와 임베디드 기기 간 데이터 교환을 위해 JSON 포맷을 사용. (예: `{"mode": "COOLING", "target_temp": 24}`)
하트비트 (Heartbeat) 로직: 네트워크 불안정으로 인한 제어 불능 상태를 방지하기 위해, 컨트롤러가 주기적으로 타임스탬프를 갱신한다. 2분 이상 갱신이 없으면 시스템은 안전 모드(Off)로 자동 전환되는 Fail-safe 기능을 포함한다.
RPi-Arduino 시리얼 통신: RPi에서 계산된 제어 명령을 시리얼(UART)로 아두이노에 전송하며, 병렬 처리를 위해 RPi 내부에서 별도의 통신 스레드를 운용한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 및 UI

파일:Fig6 프로토타입.png
figure 5. 최종 프로토타입 착용 모습
파일:Fig4 앱화면.png
figure 6. 안드로이드 제어 앱 UI

하드웨어: 작업복(조끼 및 바람막이) 내부에 3D 프린팅된 펠티어 모듈 5개가 견고하게 부착되었으며, 배선은 의류 내부로 매립되어 착용 시 불편함을 최소화함.
소프트웨어: 안드로이드 앱을 통해 사용자가 직관적으로 냉방/난방 모드를 선택하고 온도를 조절할 수 있으며, 배터리 상태와 현재 온도가 실시간으로 시각화됨.

포스터

파일:와쏘베쏘 포스터.png

figure 7. 최종 결과 포스터

완료작품의 평가

성능 평가 결과

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

항목	Sony REON POCKET 5	Makita Fan Jacket	본 프로젝트 (와쏘베쏘)
핵심 기술	펠티어(열전) 냉·난방 + 센서 제어	송풍 팬 기반 강제 대류 냉각	펠티어 냉·난방 + 송풍 대류 복합 구조
냉·난방 기능	O (양방향 가능)	X (냉각만 가능)	O (양방향 가능)
적용 부위	목 뒤 국소 부위	상체 전반 (공기 순환)	상체 전반 (등/복부 분산 배치)
앱 연동	O (전용 앱, 자동 모드)	△ (일부 모델 수동 제어)	O (전용 앱, 실시간 모니터링)
특징/한계	정밀 제어 우수하나 국소 부위에 한정됨	냉각 범위는 넓으나 난방 불가 및 고온 환경 취약	냉난방 양방향 + 대류 + 스마트 제어 통합으로 전신 쾌적감 제공