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2023년 12월 18일 (월) 02:45 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 배수관 동파방지용 면상발열체 커버

영문 : Planar heating element cover to prevent pipes from freezing..

과제 팀명

피프티피프티(Fifty fifty)

지도교수

김현식 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 이*욱(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 김*주

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 이*현

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 유*현

서울시립대학교 환경원예학과 20195200** 장*진

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 겨울철 발생하는 동파 사고 방지를 위한 아이디어 제시에서 시작된 시제품 제작 프로젝트이며. 기존 특허에 제시된 수도관에 열선을 적용하는 방식에서 발생하는 문제점을 대폭 개선하기 위하여 면상발열체 재료를 도입하여 ‘수도관 동파 방지를 위한 면상발열체 커버’를 제작하도록 함.

◇ 면상발열체의 재료적 특성을 활용하여 여러 형태와 두께의 수도관에 적용이 가능하며, 다양한 방식의 전원 공급을 통해 개인부터 공공시설물까지 범용적으로 설치 및 적용이 가능할 수 있도록 함.

◇ 면상발열체와 아두이노 온도센서를 유기적으로 연결하여 코딩을 통해 간단하게 제작이 가능하고 기존 특허에 명시된 동파 방지 아이디어 제품들과 비교하여 제작 단가 절감이 이루어질 수 있음.

개발 과제의 배경

◇ 국내 겨울철 동파 방지 사고 사례는 지난해만 하더라도 38,000건을 넘기며 겨울나기에 큰 피해를 초래하였음. 사고의 원인 중 ‘보온 미비’가 약 68%에 달하며 보온에 대한 중요성이 대두되고 있음.
◇ 보온 미비로 인한 수도관 동파의 방지책으로 물을 계속 흘려보내는 방식이나, 수도관을 두꺼운 천을 이용하여 감싸는 방식을 권장하지만 해당 방법은 불필요한 수자원의 낭비를 초래하고 보온효과도 상당히 떨어짐. 따라서 우리 조는 소재의 특성과 전기적 특성을 활용하여 기존의 동파 사고의 원인을 상당 부분 개선시킬 수 있다고 판단함.

◇ 면상발열체를 이용하면 이러한 문제를 효율적으로 해결할 수 있음. 이때, 저렴하면서도 안정적인 면상발열체를 선택하는 것이 중요함. 면상발열체는 다양한 방법으로 제조가 가능한데, Ag, Au 등의 나노와이어를 이용하는 경우에는 단가가 높아 면상발열체의 가격을 상승시킬 수 있음. 반면 Fe, Al 등과 같은 저렴한 소재를 이용하는 경우, 단가가 낮다는 장점이 있으나, 전기 전도성 및 화학적 안정성 면에서 전도성 및 화학적 안정성 면에서 불리한 면이 있음.

◇ 따라서, 저렴한 소재의 나노와이어 또는 마이크로와이어를 이용하되, 조성물의 추가나 와이어의 표면 처리에 의해 접촉 지점을 증가시킴으로써 발열 효율을 향상시킬 수 있는 면상발열체 기술을 이용할 수 있음. 이러한 기술을 수도관 커버 제작에 적용하면 효율적으로 동파를 방지할 수 있을 것으로 예상됨. 이외에도 면상발열체는 전기통전에 의해 발생하는 복사열을 이용하고 있어 온도조절이 용이하고 공기가 오염되지 않아 위생과 소음면에서 장점이 존재함.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 목표

◇ 면상발열체를 이용하여 겨울철 온도 저하로 인한 동파를 방지하는 수도관 커버를 제작함.
◇ 면상발열체의 동작을 위해 온도 센서 등의 아이디어를 적용하여 자동화 시스템을 구축함.

2) 내용

◇ 본 발명의 동파방지 수도관 커버는 전도성 나노입자를 이용한 면상발열체, 절연막, 온도센서로 구성되어 제작되며, 이러한 구성품을 flexible 형태로 수도관에 적용하는 것으로, 겨울철 낮은 온도에서 온도센서가 활성화되며 면상발열체가 작동하여 동파 방지 기능을 수행함.

◇ 기존 전도성 산화물의 작동조건은 약 5V, 최대 80℃ 임에 비하여, 적용하는 기술은 작동조건이 2.5V~5V 이하이며, 온도 역시 100 ~ 150℃로 더욱 우수함.

◇ 면상발열체는 발열 반응을 일으키는 물질이며, 냉각된 수도관에 열을 공급함. 절연막은 면상발열체 주위에 위치하며, 발생한 열을 유지하고 외부로 방출되어 손실되지 않도록 보존함. 온도센서는 겨울철 낮은 온도를 감지하는 역할을 함.

◇ 해당 구조의 기능은 온도가 하강함에 따라 온도센서가 온도를 인식하여 작동되며 면상발열체에 전류가 흐르고 해당 전류는 가장 안쪽의 레이어를 감싼 면상발열체를 동작시키며 동결된 부분을 녹일 수 있도록 함. 발열 이후 열을 단시간 내에 외부 system에 뺏기지 않도록 하기 위해 단열 성분이 추가된 경한 소재를 사용하여 효율을 증대시킴.

◇ 본 발명에 이용되는 면상발열체는 전도성 나노입자를 활용한 것으로, Ag, Au, Fe 등 기존 재료를 사용하는 것에 비해 더욱 저렴하면서도 발열효과를 높일 수 있음. 우리는 Ag nanowire (직경: 20~40nm, 길이: 20~40um)를 1wt%로 용매인 에탄올에 희석하여 최적화된 코팅방식을 통해 면상발열체 제작하였음. (발열 효율의 optimum point)

◇ Arduino TMP36을 통해 온도를 감지해 전기신호로 바꿔주는 온도센서의 동작을 가능케 함. TMP36은 세 개의 단자로 구성되며, 첫번째 단자는 Vs라고 하며 전원선에 배선하고 Vout은 온도 값에 해당하는 전압을 출력함. 전원선변환 이후, 전류를 면상발열체로 흐르게 하고, 면상발열체는 설정된 최대포화온도까지 가열되며 파이프의 동파를 방지하도록 함.

◇ 방수 소재를 사용하여 면상발열체로 수분이 침투하는 것을 막고, 실험 및 데이터 분석을 통해 온도센서를 적절한 위치에 배치해 온도 센싱 능력을 최적화 함.

김희주 : 수도관 공정 디자인 설계, 최종 제품 시연 및 테스트

이서현 : 수도관 커버 세부사항 설계, 온도센서의 전류 변환을 위한 회로제작 및 설계

장예진 : 수도관 커버 세부사항 설계, 최종 제품 시연 및 테스트

설계

설계사양

제품의 요구사항

- 가시성이 좋은가 
- 급격한 수압 증가에 대해 안전한가
- 경제적인가
- 미관을 해치지 않는가(디자인)
- 접근 가능성이 좋은가
- 면상발열체 커버 탈부착의 편의성
- 저전압에서 작동가능한가
- 외부 온도를 정확하게 인식하는가

설계 사양

◇ 건전지와 같은 휴대용 전지(1차 전지)로 전원 공급이 가능할 뿐만 아니라 값싼 에너지원(태양광 에너지 등)을 적용할 수 있는 방안을 모색하여, 면상발열체 커버가 정상 작동할 수 있는 지 확인.

◇ 해당 패드가 겨울철 혹은 추운 환경에서 동파를 방지할 수 있는 정도의 발열을 낼 수 있는가 중점적으로 확인.

◇ 전원 공급, 전류 흐름, 지나친 발열로 인한 화재와 같은 안전사고가 발생할 수 있는지에 대한 점검 진행.

◇ 가정집의 파이프 부터 다양한 산업체에서 사용하는 파이프마다의 규격이 모두 제각각인데 이러한 경우에도, 별도의 수선 없이 바로 적용이 가능한지에 대한 테스트 진행.

◇ 파이프 이외의 다양한 물건의 동파 방지를 위한 적용이 가능한지에 대한 평가를 진행.

개념설계안

◇ A. 온도 센싱부: 겨울철 낮은 온도를 온도센서가 감지하면, 면상발열체로 전기적 신호가 공급되어 활성화되고 발열이 시작되는 자동화 구조를 설계함. 온도 감지로 외부온도가 목표지점에 도달하게 되면 면상발열체로의 전원 공급이 되고 바이어스 인가에 따른 발열로 인해 수도관의 동파를 방지함. 물의 부피는 통상적으로 4℃에서 H2O의 수소결합이 파괴되어 부피가 극소점이 되고 온도가 떨어지며 부피가 급격히 증가하게 되므로 수도관 손상을 야기할 수 있기에 온도 센싱 목표지점은 방어적으로 6℃로 설정하도록 함.

◇ B. 제품 구조: 면상발열체는 다양한 substrate 상에 적용이 가능하고 그에 따라 flexible한 특성을 통해 여러 형태에 적용이 가능함. 우리 조는 대면적 면상발열체 제작을 우선적으로 수행하고 방수포 내부에 단열재료와 함께 배치하여 보온성을 효율적으로 활용할 예정임. 체결부는 버클 형태를 적용하여 수도관의 직경과 무관하게 적용할 수 있도록 설계하였음.

◇ C. 면상발열체 재료 설계: 추가적으로 다양한 flexible substrate의 도입과 면상발열체 제작에 사용되는 전도성 나노와이어 구조체의 길이 variation에 따른 발열 효율 optimization을 통해 동일한 에너지 투입으로 높은 발열 효율의 구현이 가능한 면상발열체를 제작할 예정임.

이론적 계산 및 시뮬레이션

면상발열체 제작을 위해 spin coating, spray coating, 침지식 coating 방식을 시도하였음.

◇ Substrate로 fabric 종류(고밀도 40수, 극세사, 면20수), OHP film 및 PVC film을 채택하여 실험을 진행하였음. Polymer 재료의 substrate는 전도성 나노와이어 coating 후 dry 공정을 반복하여야 했는데 구조체 적층을 하기 위해 코팅을 추가적으로 진행하게 되면 하부의 전도체가 washing되는 문제점이 있었음. 
따라서 fabric 상부에 coating을 하였고, fabric substrate에서는 직물에 전도성 나노와이어가 밀도있게 엉겨붙은 형태로 관찰되었음. 또한 spin/spray/침지식 coating 모두 발열 현상이 성공적으로 발생하여 substrate를 fabric으로 선정하였음.

◇ 연결부 전극은 전도성 구리 테이프와 Ag paste를 시도해보았음. 우리 조가 선정한 fabric substrate상에 전도성 구리 테이프를 부착할 경우 나노와이어와 전도성 구리 테이프 간 접촉이 잘 이루어지지 않고 adhesion에 대한 문제도 발생하여 fabric에 침투하여 contact이 우수한 Ag paste를 적용하였음. Ag paste 적용하였을 때 재료 자체의 저항값도 구리 테이프 대비 낮았고 면상발열체 제작 후 바이어스 인가했을 때 성공적으로 발열 현상을 관찰할 수 있었음.

[실험 시뮬레이션]

1) Ag nanowire를 일반 fabric (20수)에 도포하고 구리 전도성 테이프로 전극을 연결했을 때 coating 횟수와 무관하게 발열 효과가 일어나지 않았음. OM으로 관찰한 결과 fabric에 나노와이어는 도포되어 있었으므로 glass substrate를 이용하여 Ag nanowire에 대한 문제가 아님을 증명하였고 전극을 전도성 구리 테이프 → Ag paste로 변경하였음. 하단에 전극 선택을 위해 진행했던 실험을 도표로 제시하였으며 발열이 확인될 때까지 전압공급장치를 통해 연속적으로 전압 인가를 진행하였음.

2) 면상발열체용 substrate가 fabric으로 정해진 이후 면 20수 대상으로 코팅방식과 투입되는 chemical 양에 대한 최적화를 진행하였음. Spin coating 방식은 substrate 특성상 균일하게 코팅이 되지 않는 특성이 있었음. Spray coating도 마찬가지로 국소적으로 발열 반응이 강하게 나타나는 반면 Ag nanowire 분포가 고르지 않아 균일한 발열반응을 관찰하기는 어려웠음. 최종적으로 침지식 coating 방식을 선정하였는데 planar uniformity는 다른 코팅 방식과 유사하게 불균일하였지만 Ag nanowire의 침투도가 월등히 높고 제작이 간단하였으며 발열 효율이 가장 우수하게 나타나 선정하게 되었음. 하단에 코팅 방식 선정을 위한 최적화 실험을 도표를 통해 제시하였음. coating은 각 3회씩 적층하여 제작함.

3) 최종 발열 목표 지점이 55℃~75℃ 였기 때문에 침지식 coating 횟수에 차이를 두어 발열 효율을 더욱 높이는 최적화 실험을 진행하였음. 발열 효율을 확인하기 위한 실험이기에 전압공급장치를 통해 발열 반응이 가장 높게 나타나는 지점까지 연속적으로 전압 인가하며 실험 진행하였음. 또한 침지식 coating 후 일괄적으로 40℃의 hot plate에서 건조하였음.

4) Trial and Error를 통해 substrate, electrode part, heating efficiency optimization 진행하였으나 발열 지속성에 대한 문제가 있었음. 침지식 coating 4회를 수행한 fabric을 대상으로 시간이 경과함에 따라 발열 정도가 낮아지는 현상이 나타났음.

따라서 우리 조가 제시한 해결책은 아래와 같음.

(1)polymer 코팅 (AgNW top coat)을 통해 AgNW의 산화를 방지
(2)자연 건조 방식 채택
(3)fabric substrate upgrade
(4)기존 20~40μm의 AgNW를 10~20μm의 AgNW로 재료 변경

5) Ag 나노와이어의 균일한 분포를 위해 촘촘하고 균일한 천을 도입하였음. 면 20수, 40수, 극세사 천 세 가지 종류를 준비했으며 이때 수는 실의 굵기로, 숫자가 높을수록 가는 실이며 두께가 얇아짐. 면 20수로 top coat 사용하지 않고 AgNW 2ml dipping을 2회 진행하고, 초음파 처리 30초, 핫플레이트에서 30℃로 건조하였을 때 5V에서 0.34A, 106.9℃의 발열 효율을 보였음. 면 40수로 top coat 사용하지 않고 Ag nanowire 2ml dipping을 2회 진행하고, 초음파 처리 30초, 핫플레이트에서 30℃로 건조하였을 때 3V에서 1.44A, 78.4℃의 발열 효율을 보였음. 면 40수에 Ag nanowire 2ml dipping을 2회 진행하고, 그 위에 Top Coat를 면상발열체의 앞 뒷면에 각 0.5ml씩 도포하였을 때, 5V에서 0.18A, 40~50℃의 발열 효율을 보였음. 이는 높은 전압에서도 낮은 온 효율을 보였기 때문에 면상발열체로 사용하기 어렵다는 판단을 함. 극세사 천에 top coat 사용하지 않고 Ag nanowire 2ml dipping을 2회 진행하고, 초음파 처리 30초, 핫플레이트에서 30℃로 건조하였을 때 5V에서도 발열이 일어나지 않았고 이로 인해 극세사 천은 폐기하기로 결정함. 극세사 천의 융털이 길고 촘촘해서 나노와이어가 골고루 분산되지 못한 것으로 판단함.

6) 목표 온도 범위에 해당하는 2가지 조건의 면상발열체를 대상으로 Stability Test 진행하였음. 가장 발열 온도가 낮은 부분을 대상으로 측정하였으며, 3회 측정 후 평균값을 도출하였음. [침지 횟수 2회/ top coat x/ 희석 x] 샘플의 경우, 시간에 따라 온도의 변화가 거의 없으며 24h 경과 이후에도 제작 직후 측정했던 온도 결과와 유사한 수치를 보였음. [침지 횟수 4회/top coat o/희석 o] 샘플의 경우, 1h 경과 시점에서 급격히 발열 온도가 감소하며, 15h 경과 시점에서는 면상발열체의 역할을 하지 못함.

상세설계 내용

◇ 본 발명의 동파방지 수도관 커버는 전도성 나노입자를 이용한 면상발열체, 절연막, 온도센서로 구성되어 제작되며, 이러한 구성품을 flexible 형태로 수도관에 적용하는 것으로, 겨울철 낮은 온도에서 온도센서가 활성화되며 면상발열체가 작동하여 동파 방지 기능을 수행함.

◇ Ag nanowire, Cu nanowire 용액 공정을 통한 면상발열체를 제작함. 면상발열체는 nanowire에 전류가 흐르게 될 경우, 겹쳐있는 nanowire들이 저항을 일으키며 발열을 하게되는 현상을 이용한 발열체로서 nanowire의 접촉 정도가 핵심. 면상발열체로 만들고자 하는 천에 용액 공정을 1회가 아닌 3회 이상 실시하여 nanowire의 밀도를 향상시킬 예정. 용액 공정의 경우, 용액을 얇게 펴바르고 완전 건조를 진행할 예정.

◇ 기존 전도성 산화물의 작동조건은 약 5V, 최대 80℃ 임에 비하여, 적용하는 기술은 작동조건이 2.5V~5V 이하이며, 온도 역시 100 ~ 150℃로 더욱 우수함.

◇ 면상발열체는 발열 반응을 일으키는 물질이며, 냉각된 수도관에 열을 공급함. 절연막은 면상발열체 주위에 위치하며, 발생한 열을 유지하고 외부로 방출되어 손실되지 않도록 보존함. 온도센서는 겨울철 낮은 온도를 감지하는 역할을 함.

◇ 해당 구조의 기능은 온도가 하강함에 따라 온도센서가 온도를 인식하여 작동되며 면상발열체에 전류가 흐르고 해당 전류는 가장 안쪽의 레이어를 감싼 면상발열체를 동작시키며 동결된 부분을 녹일 수 있도록 함. 발열 이후 열을 단시간 내에 외부 system에 뺏기지 않도록 하기 위해 단열 성분이 추가된 경한 소재를 사용하여 효율을 증대시킴.

◇ 본 발명에 이용되는 면상발열체는 전도성 나노입자를 활용한 것으로, Ag, Au, Fe 등 기존 재료를 사용하는 것에 비해 더욱 저렴하면서도 발열효과를 높일 수 있음.

◇ 적절한 길이의 전도성 나노와이어를 채택한다면 나노와이어간 접촉으로 인해 접촉 저항이 발생하고, 그에 따른 저항 열이 발생하며 발열 반응을 발생시킴. 전도성 나노와이어의 길이가 너무 짧거나 너무 길면 불균일한 특성을 보이거나 열 효율이 감소할 수 있음. 본 발명에서는 면상발열체 커버의 효율을 높이기 위해, 전도성 나노와이어가 최대한 많은 접촉면을 갖도록 제작하는 것이 중요한 제작 요소임. 따라서 나노와이어 평균 길이 20um의 발열 효율이 가장 높은 것을 채택하기로 하였음.

◇ Substrate의 채택으로는 Flexible한 특성을 적극 활용하기 위하여 흔히 주변에서 볼 수 있는 재료를 사용하여 적용할 수 있도록 하였음. 천 / OHP film / PVC film 등이 있으나 film 형태의 substrate는 spin coating으로 나노와이어 layer를 형성하기에 어려움이 있을 것이라고 예상하였고, 천의 경우는 불균일하게 나노와이어가 분포될 가능성에 대해 고찰하였음.

◇ Cu 테이프 & Ag paste 를 통해 전극을 제작하여 면상 발열체의 동작을 가능케 함. 테이프 전극을 사용할 경우, 값이 저렴한 대신 접촉 면적이 작아 전류를 충분히 전달하지 못할 가능성이 있음. 반면 Paste를 사용하는 경우 적용소재와 nanowire 간의 접촉 면적이 늘어나 면상발열체에 전류를 충분히 전달할 수 있음.

◇ Arduino TMP36을 통해 온도를 감지해 전기신호로 바꿔주는 온도센서의 동작을 가능케 함. TMP36은 세 개의 단자로 구성됨. 첫번째 단자는 Vs라고 하며 전원선에 배선하고 Vout은 온도 값에 해당하는 전압을 출력함. 전원선변환 이후, 전류를 면상발열체로 흐르게 하고, 면상발열체는 설정된 최대포화온도까지 가열되며 파이프의 동파를 방지하도록 함.

◇ 방수소재를 사용하여 면상발열체로 수분이 침투하는 것을 막고, 실험 및 데이터 분석을 통해 온도센서를 적절한 위치에 배치해 온도 센싱 능력을 최적화 함.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

기존 특허에 제시된 수도관에 열선을 적용하는 방식에서 발생하는 문제점의 개선을 위해 열선을 대신할 재료인 면상발열체 (전도성 nanowire)를 도입하여 ‘수도관 동파 방지를 위한 면상발열체 커버’를 제작하도록 한다. 이때, 사용 편리성을 위해 면상발열체와 아두이노 온도센서를 유기적으로 연결하여 온도가 5도 이하로 떨어지면 자동으로 발열이 시작되도록 한다.

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

◇ 설정한 온도 값을 센서가 인식하고 전류를 흘려보내어 면상발열체가 정상적으로 작동하는지에 대한 평가 진행. (영상 5℃에서 작동하는 것을 목표로 설정하였음.)
◇ 면상발열체의 발열이 전면에 걸쳐 균일하게 이루어지는지에 대한 평가 진행.
◇ 면상발열체의 발열정도가 추운 분위기에서의 동파를 방지할 수 있는 수준인지에 대한 평가 진행.
◇ 최대 9V의 작동 전압으로 면상발열체가 섭씨 50도 정도로 가열되도록 효율을 높이는 것이 중요한 평가 항목임. 9V 작동 전압은 9V 건전지를 사용하여 전원 공급이 가능하므로 전원 공급이 유리하고 간편함.
◇ 건전지 이외의 태양전지와 같은 전류 공급원을 적용하였을 때, 해당 면상발열체의 작동이 문제 없이 이루어지는지에 대한 평가를 진행할 예정.

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ==결과 및 평가==
 ===완료 작품의 소개===
+기존 특허에 제시된 수도관에 열선을 적용하는 방식에서 발생하는 문제점의 개선을 위해 열선을 대신할 재료인 면상발열체 (전도성 nanowire)를 도입하여 ‘수도관 동파 방지를 위한 면상발열체 커버’를 제작하도록 한다. 이때, 사용 편리성을 위해 면상발열체와 아두이노 온도센서를 유기적으로 연결하여 온도가 5도 이하로 떨어지면 자동으로 발열이 시작되도록 한다.
 ====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
-내용
 ====포스터====
-내용
 ===관련사업비 내역서===

"피프티피프티"의 두 판 사이의 차이

2023년 12월 18일 (월) 02:45 판

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

시장상황에 대한 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계