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문제 정의
- 펠티어 소자의 흡열부가 제대로 된 냉각성능을 갖기 위해서는 발열부의 열을 제거하는 것이 가장 중요하다. 따라서 의복 내 온도 조절에 적합한 펠티어 소자와 방열판을 선정하여 냉각모듈을 구성하고 이를 의복에 부착하여 냉각성능을 평가함으로써 고온환경 작업복 적용 가능성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 기존 냉각복의 단점을 보완하고자 차세대 냉각소재로 부상되는 펠티어 소자를 의복에 적용하여 의복 내 온도를 낮추고, 땀을 증발시켜 습도를 낮추는 냉각복 프로토타입을 개발하고자 하였다. 펠티어 소자는 N형/P형 반도체를 접합해서 얇은 판형으로 만든 것이며, 전기를 인가할 때 자유전자가 정공으로 이동하는 원리를 이용하여 양면이 각각 흡열/발열부로 기능하는 장치이다.
- 본 연구에서는 펠티어 소자를 이용하여 냉각모듈을 만들고, 이를 의복에 부착한 프로토타입 냉각복을 제작하여 객관적인 평가와 주관적 착용감 분석을 통해 성능을 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 12V·1.5A를 펠티어 소자에 인가해주었을 때, 저온면의 온도가 −24℃로 가장 낮게 측정된 펠티어 소자와 방열량이 큰 방열판 및 냉각팬을 사용하여 냉각모듈을 구성하였다.
- 실험에 사용된 의복은 작업복을 기준으로 디자인하였고, 시료의 특성은 [Table 5]와 같다. 가슴, 등 부위에 냉각효과를 부여하고 인체에 열적 쾌적감을 주기 위해서 2개의 냉각모듈을 옆구리 부위에 부착하였다. 개발된 냉각복과 냉각모듈의 위치는 [Fig.
- 5A를 4개의 펠티어 소자에 인가 한 후 전압에 따라 변화되는 소자의 고온면과 저온면의 온도 변화를 측정하였다. 각 면의 온도는 표면 온도 측정기(CENTER 300K, Laesent International Co. Hong Kong)를 사용하여 측정하였다. 대부분의 펠티어 소자 각 면의 온도는 30초 이내에 최고, 최저 온도를 가지므로 30초 동안 펠티어 소자 각 면의 표면 온도를 측정하였다.
- 냉각모듈의 구성요소인 펠티어 소자는 고온면의 온도가 많이 올라가더라도 방열판과 냉각팬에 의해 방열이 가능하고, 저온면의 온도가 충분히 내려가 냉각효과를 최대로 부여할 수 있는 것을 선정하여 사용하였다. 방열성이 가장 우수한 방열판을 펠티어 소자 고온면에 가벼우며 열전달이 좋은 방열판을 펠티어 소자의 저온면에 부착한 다음, 각 방열판 위에 냉각팬을 부착하여 냉각모듈을 제작하였다.
- 냉각성이 좋은 펠티어 소자, 발열부와 흡열부의 방열 효과가 뛰어난 방열판(heat sink와 cold sink) 및 2개의 냉각팬으로 구성되는 냉각모듈을 제작하였다(Fig. 1).
- 냉각효과가 뛰어난 펠티어 소자를 의복에 적용하기 위해서 일반 리튬 건전지를 직렬 연결하였을 때 가능한 조합인 3V·1.5A, 9V·1.5A, 12V·1.5A를 4개의 펠티어 소자에 인가 한 후 전압에 따라 변화되는 소자의 고온면과 저온면의 온도 변화를 측정하였다.
- Hong Kong)를 사용하여 측정하였다. 대부분의 펠티어 소자 각 면의 온도는 30초 이내에 최고, 최저 온도를 가지므로 30초 동안 펠티어 소자 각 면의 표면 온도를 측정하였다.
- 만들어진 냉각모듈을 항온 박스에 설치하고[Fig. 2], 펠티어 소자와 냉각팬 각각에 12V·1.5A[Table 4]를 인가해주었을 때 항온박스 내의 온도 변화를 통해 냉각효과를 평가하였다.
- 방열판의 방출되는 열량은 표면적과 열전도도에 비례하기 때문에 방열판을 선정하기 위해 열전도도가 높은 알루미늄으로 된 것을 사용하였으며, 표면적과 무게를 고려하여 10가지를 선정하였다(Table 2). 방열 정도를 비교하기 위하여 방열판을 100℃로 고정된 핫플레이트 위에 올려놓고 표면 온도 측정기를 사용하여 5초마다 210초간 방열판의 온도 변화를 측정하였다
- 냉각모듈의 구성요소인 펠티어 소자는 고온면의 온도가 많이 올라가더라도 방열판과 냉각팬에 의해 방열이 가능하고, 저온면의 온도가 충분히 내려가 냉각효과를 최대로 부여할 수 있는 것을 선정하여 사용하였다. 방열성이 가장 우수한 방열판을 펠티어 소자 고온면에 가벼우며 열전달이 좋은 방열판을 펠티어 소자의 저온면에 부착한 다음, 각 방열판 위에 냉각팬을 부착하여 냉각모듈을 제작하였다. 만들어진 냉각모듈을 항온 박스에 설치하고[Fig.
- 냉각팬의 냉각효과는 회전수와 크기에 따라 좌우된다. 본 연구에서는 의복에 적용되는 것이기 때문에 크기와 무게에 제한이 있어 무게가 100g 이하로 가벼우면서, 팬의 크기를 고려했을 때 본 연구에서 사용한 펠티어 소자의 온도 상승을 최소화 하기 위하여 rpm이 2000 이상 되는 것을 선정하였으며 그 특징은 [Table 3]과 같다.
- 센서(MSR® modular signal recorder, Switzerland)는 피험자의 가슴, 등, 견갑골 사이, 허리[Fig. 5]에 부착하였으며 1분 간격으로 피험자의 의복 내 미세기후를 측정하였다.
- 실험 프로토콜은 [Fig. 4]와 같으며 상온에서 10분 안정, 고온챔버에 입실하여 10분 안정, 중작업 노동과 같은 강도의 운동인 20분간 7km/h의 속도로 트레드밀(J4F, Tunturi®, Finland)에서 뛰기, 20분 휴식, 챔버 퇴실 후 10분간 휴식 과정을 거쳤다.
- 의복 내 온냉감과 습윤감, 전체적인 쾌적감을 평가하기 위해서 실험이 진행되는 동안 콘트롤 의복과 냉각복의 주관적 감각을 ASHRAE 9점, 7점, 7점 척도를 사용하여 평가하였으며, 피험자들은 각 period마다 온열감, 습윤감, 쾌적감에 대한 주관적 감각을 체크하였다(Fig. 6).
- 펠티어 소자 중 전압 상승에 따라 가장 낮은 저온면의 온도를 나타낸 4번 펠티어 소자에 방열성이 뛰어난 7번 방열판을 펠티어 소자 고온면, 가벼우며 펠티어 소자의 냉각면에서 발생된 낮은 온도를 잘 전이할 수 있는 3번 방열판을 펠티어 소자 저온면에 부착한 뒤 각 면의 방열판 위에 냉각팬을 부착하여 냉각모듈을 제작하였다. 완성된 냉각모듈의 냉각성능을 평가하기 위하여 항온박스 실험을 실시한 결과 3분 안에 항온박스 내 온도가 27.
- 펠티어 소자를 적용한 냉각복의 착용 성능 실험은 실내 온도 24±1.5℃, 습도 35±5%(TRH-CA, SHINYEI, Japan), 고온챔버 30±0.5℃, RH50±5%의 상태에서 실시하였다.
- 항온 박스의 크기는 25×32×20cm이며 스티로폼으로 제작하였고, 항온박스 내부 온도는 감도가 0.5℃인 알코올 온도계(ST-065, HanNam Co. Korea)와 감도가 1℃인 디지털 온도계(303C, HANSUNG Co, Korea)를 사용하여 5회 반복 측정하였다.
대상 데이터
- 방열판의 방출되는 열량은 표면적과 열전도도에 비례하기 때문에 방열판을 선정하기 위해 열전도도가 높은 알루미늄으로 된 것을 사용하였으며, 표면적과 무게를 고려하여 10가지를 선정하였다(Table 2). 방열 정도를 비교하기 위하여 방열판을 100℃로 고정된 핫플레이트 위에 올려놓고 표면 온도 측정기를 사용하여 5초마다 210초간 방열판의 온도 변화를 측정하였다
- 3]과 같다. 콘트롤 자켓의 무게는 310g, 냉각모듈을 부착한 냉각복의 무게는 980g이다.
- 펠티어 소자(Thermotron Co., Korea)는 시판되는 것으로 의복에 적용 가능한 크기와 발열/흡열성능, 최대 온도차, 인가되는 전압, 전류를 고려하여 겹치지 않는 범위 내에서 4가지를 선택하였으며 그 특성은 [Table 1]과 같다. 냉각효과가 뛰어난 펠티어 소자를 의복에 적용하기 위해서 일반 리튬 건전지를 직렬 연결하였을 때 가능한 조합인 3V·1.
- 5℃, RH50±5%의 상태에서 실시하였다. 피험자는 20~28세의 건강한 성인남자 10명으로, 콘트롤 자켓과 냉각복을 각각 착용하고 70분 동안 실험을 하였다. 실험 프로토콜은 [Fig.
데이터처리
- 0 통계 패키지를 사용하였다. 펠티어 소자를 적용한 냉각복과 콘트롤 의복의 온도 변화 차이를 비교하기 위해 대응표본 t-test를 사용하여 분석하였다. 피험자들의 주관적 감각인 온열감, 습윤감 및 쾌적감은 Wilcoxon signed-rank test로 검정하여 유의확률 <.
- 피험자들의 주관적 감각인 온열감, 습윤감 및 쾌적감은 Wilcoxon signed-rank test로 검정하여 유의확률 <.05의 통계적 유의성을 살펴보았다.
성능/효과
- 1, 3 및 4번 펠티어 소자는 인가되는 전압이 증가할수록 저온면의 온도는 더 낮은 값을 나타냈다(Fig. 8). 하지만 2번 펠티어 소자는 9V를 인가해 주었을 때 저온면의 온도가 가장 낮은 것으로 측정되었는데, 이는 12V를 인가해 주었을 때 고온면에서 발생된 열이 방열되지 못하고 저온면으로 전이 되었기 때문으로 생각된다.
- 5℃의 온도 차이를 보여 냉각복 프로토타입을 착용하였을 때 더 낮은 온도를 보이는 것으로 나타났다. 1st layer에서 두 의복 간 온도 차이와 피험자들이 느끼는 온열감은 유사한 것으로 나타나 펠티어 소자 적용 냉각복이 피험자들의 온열감과 쾌적감에 영향을 미치는 것으로 해석되었으며 습윤감에는 유의한 영향을 주지 못하는 것으로 분석되었다. 열전 소자 적용 냉각복을 착용한 경우 운동 후 휴식기에서 시험 종료시까지 센서가 부착된 모든 부위에서 대부분 통계적으로 유의미하고, 주관적 온열감, 습윤감, 쾌적감 측면에서도 통계적으로 유의한 것으로 나타났다.
- 3번 펠티어 소자를 제외한 모든 펠티어 소자는 12V 전압을 인가해 주었을 때 10초 안에 100℃ 이상의 온도를 나타내 충분한 방열이 없이는 펠티어 소자 고온면의 열이 저온면으로 인가되어 저온면을 사용할 수 없음을 보였다. 1번 방열판은 30초 내에 고온면의 온도가 160℃까지 증가하여 4개의 펠티어 소자 중 가장 발열량이 큰 것으로 나타났고, 2, 3번 펠티어 소자의 경우 12V를 인가해 주었을 때 10초 이후부터 30초까지 큰 온도 증가를 보이지 않았다. 4번 펠티어 소자에 9V를 인가해 주었을 때와 12V를 인가해 주었을 때의 온도차가 약 85℃인 것으로 나타나 큰 상승폭을 보였으나 펠티어 소자 고온면에서의 열이 저온면으로 전이되지 않아 저온면의 온도 증가를 보이지 않았다.
- 모든 펠티어 소자 고온면에서는 전압이 증가함에 따라 온도가 증가하였다. 3번 펠티어 소자를 제외한 모든 펠티어 소자는 12V 전압을 인가해 주었을 때 10초 안에 100℃ 이상의 온도를 나타내 충분한 방열이 없이는 펠티어 소자 고온면의 열이 저온면으로 인가되어 저온면을 사용할 수 없음을 보였다. 1번 방열판은 30초 내에 고온면의 온도가 160℃까지 증가하여 4개의 펠티어 소자 중 가장 발열량이 큰 것으로 나타났고, 2, 3번 펠티어 소자의 경우 12V를 인가해 주었을 때 10초 이후부터 30초까지 큰 온도 증가를 보이지 않았다.
- 46분부터 실험 종료시까지 유의미한 것으로 나타났으며(p<.05) 운동 후 상온 휴식기에서는 대부분 구간에서 매우 유의미한 것으로 나타났다(p<.01).
- 4번 펠티어 소자는 인가해준 전압에 따라 저온면의 온도 차이가 큰 것으로 나타났으며, 12V를 인가해 주었을 때 30초 후의 저온면의 온도가 −24℃로 펠티어 소자 고온면에 충분한 방열이 제공된다면 냉각효과가 뛰어날 것으로 판단되었다.
- 1번 방열판은 30초 내에 고온면의 온도가 160℃까지 증가하여 4개의 펠티어 소자 중 가장 발열량이 큰 것으로 나타났고, 2, 3번 펠티어 소자의 경우 12V를 인가해 주었을 때 10초 이후부터 30초까지 큰 온도 증가를 보이지 않았다. 4번 펠티어 소자에 9V를 인가해 주었을 때와 12V를 인가해 주었을 때의 온도차가 약 85℃인 것으로 나타나 큰 상승폭을 보였으나 펠티어 소자 고온면에서의 열이 저온면으로 전이되지 않아 저온면의 온도 증가를 보이지 않았다. 따라서 고온면에서 발생하는 열이 방열판과 냉각팬을 통해 방열효과를 가질 수 있을 것이라 사료되었다.
- 열전 소자 적용 냉각복을 착용한 경우 운동 후 휴식기에서 시험 종료시까지 센서가 부착된 모든 부위에서 대부분 통계적으로 유의미하고, 주관적 온열감, 습윤감, 쾌적감 측면에서도 통계적으로 유의한 것으로 나타났다. 개발된 프로토타입 냉각복의 총 무게는 1.2kg으로 냉각수, 얼음, PCM을 사용한 냉각복이 2~10kg인 것에 비해 가볍고, 충분한 전원이 공급된다면 24시간 사용이 가능하며 냉각 효과가 뛰어나 냉각모듈 부착 냉각복이 차세대 냉각복으로서의 가능성을 확인할 수 있었다.
- 고온챔버 안에서 실험을 하는 동안에도 냉각복은 콘트롤 의복보다 최대 0.83℃ 더 낮은 미세기후 온도를 보이는 것으로 나타났으며 대부분의 구간에서 통계적으로 유의한 것으로 나타났다(p<.05).
- 냉각모듈 부착 냉각복과 콘트롤 의복의 피험자 착용 성능 평가에서의 가슴, 등, 허리 부위 피부온은 각각 1.3℃, 1.1℃, 0.8℃, 1st layer 허리, 등 부위 온도는 2.4℃, 2.5℃의 온도 차이를 보여 냉각복 프로토타입을 착용하였을 때 더 낮은 온도를 보이는 것으로 나타났다. 1st layer에서 두 의복 간 온도 차이와 피험자들이 느끼는 온열감은 유사한 것으로 나타나 펠티어 소자 적용 냉각복이 피험자들의 온열감과 쾌적감에 영향을 미치는 것으로 해석되었으며 습윤감에는 유의한 영향을 주지 못하는 것으로 분석되었다.
- 0~25분까지는 두 의복 간 큰 온도 차이가 나타나지 않았으나, 25분부터 펠티어 소자 적용 냉각복의 온도가 하강하면서 지속적으로 콘트롤 의복보다 더 낮은 온도를 나타냈다. 냉각모듈이 등 부분에 부착되었기 때문에 등 부위 피부 온도가 가슴 부위보다 더 낮은 온도를 보일 것으로 생각되었지만 가슴 부위에서는 최대 1.5℃, 등 부위에서는 최대 1.43℃ 낮은 온도를 보여 등 부분이 가슴 부위 피부온보다 두 의복 간 온도 차이가 작은 것으로 나타났다. 이는 냉각모듈의 무게로 인해 등 부분의 의복이 쳐지면서 충분한 대류효과를 얻지 못했기 때문인 것으로 판단된다.
- 5A를 펠티어 소자에 인가해주었을 때, 저온면의 온도가 −24℃로 가장 낮게 측정된 펠티어 소자와 방열량이 큰 방열판 및 냉각팬을 사용하여 냉각모듈을 구성하였다. 냉각성능 평가를 위해 냉각모듈을 부착한 항온박스 실험을 실시한 결과, 4.9℃의 온도가 하강된 것으로 나타나 제작된 냉각모듈이 냉각효과가 뛰어난 것으로 판단되었다.
- 13]과 같다. 두 의복의 등 부분 피부온과 1st layer 등 부분 미세기후 온도를 비교하였을 때, 1st layer 미세기후의 온도 차이가 더 크며, 펠티어 소자 적용 냉각복 착용시 상온에서 콘트롤 의복 착용시 보다 최대 2.54℃ 낮은 온도를 갖는 것으로 나타났다. 이는 1st layer가 의복 내 대류현상에 의해 직접적으로 온도 변화의 영향을 받기 때문인 것으로 사려된다.
- 4번 펠티어 소자에 9V를 인가해 주었을 때와 12V를 인가해 주었을 때의 온도차가 약 85℃인 것으로 나타나 큰 상승폭을 보였으나 펠티어 소자 고온면에서의 열이 저온면으로 전이되지 않아 저온면의 온도 증가를 보이지 않았다. 따라서 고온면에서 발생하는 열이 방열판과 냉각팬을 통해 방열효과를 가질 수 있을 것이라 사료되었다.
- 10). 상온 안정기와 챔버 입실 후 안정기인 0~20분에서는 콘트롤 의복 착용시 가슴 부위 피부 온도가 더 낮은 것으로 나타났으나 운동이 시작된 20분부터는 냉각모듈이 부착된 의복이 콘트롤 의복 착용보다 전반적으로 낮은 가슴 피부온도를 보이는 것으로 나타났으며, 운동이 종료된 40분부터 두 의복 간 큰 폭으로 온도 차이를 보이기 시작하여 실험 종료시인 70분에 펠티어 소자 적용 냉각복이 콘트롤 의복보다 1.5℃의 낮은 온도를 보였다. 냉각복 착용 시 실험 50분부터는 움직임이 없어 펌핑효과에 따른 대류현상이 발생하지 않았음에도 불구하고 큰 폭으로 온 도가 하강하였는데, 이는 운동으로 인해 발생된 의복 내 따뜻한 공기가 냉각모듈에 의해 발생된 차가운 공기와 상충되어 수직 상승을 통해 방출되었기 때문으로 생각된다.
- 습윤감의 경우 펠티어 소자 적용 냉각복이 콘트롤 의복보다 객관적으로 덜 습한 것으로 나타났으나 주관적 감각에서는 큰 차이를 보이지는 않는 것으로 나타났다(Fig. 16). 특히 고온챔버에 입실하였을 때인 period 2에서 피험자들은 두 의복 간 습윤감 차이를 느끼지 못하는 것으로 나타났는데, 이는 갑자기 증가된 습도와 온도에 의하여 피험자들이 습윤감 차이를 인지를 하지 못했기 때문인 것으로 판단된다.
- 1st layer에서 두 의복 간 온도 차이와 피험자들이 느끼는 온열감은 유사한 것으로 나타나 펠티어 소자 적용 냉각복이 피험자들의 온열감과 쾌적감에 영향을 미치는 것으로 해석되었으며 습윤감에는 유의한 영향을 주지 못하는 것으로 분석되었다. 열전 소자 적용 냉각복을 착용한 경우 운동 후 휴식기에서 시험 종료시까지 센서가 부착된 모든 부위에서 대부분 통계적으로 유의미하고, 주관적 온열감, 습윤감, 쾌적감 측면에서도 통계적으로 유의한 것으로 나타났다. 개발된 프로토타입 냉각복의 총 무게는 1.
- 완성된 냉각모듈의 냉각성능을 평가하기 위하여 항온박스 실험을 실시한 결과 3분 안에 항온박스 내 온도가 27.3℃에서 22.4℃로 총 4.9±0.2℃의 온도 하강을 나타냈다(Table 6).
- 운동기와 운동 후 휴식기인 period 5, 6에서 냉각복이 콘트롤 의복보다 낮은 습윤감을 가지며 통계적으로 유의미한 결과를 보이는 것으로 나타났다(p<.05).
- 운동기인 30분부터 실험 종료시까지 지속적으로 유의한 것으로 나타났으며 운동기에도 유의수준 <.01로 펠티어 소자 적용 냉각복이 냉각복으로써의 가능성을 확인할 수 있었다.
- 특히 운동 전·후 상온에서는 약간 쾌적(5)~쾌적(6)의 값을 보이는 것으로 나타나 프로토타입 냉각복이 인체의 쾌적성에 많은 영향을 줄 수 있음을 시사하였다.
- 피험자들은 펠티어 소자 적용 냉각복 착용시 모든 period에서 콘트롤 의복 착용시보다 더 쾌적하게 느끼는 것으로 나타났다(Fig. 17). 특히 운동 전·후 상온에서는 약간 쾌적(5)~쾌적(6)의 값을 보이는 것으로 나타나 프로토타입 냉각복이 인체의 쾌적성에 많은 영향을 줄 수 있음을 시사하였다.
후속연구
- 본 연구에서는 경량이며 냉각효과가 좋은 프로토타입 냉각복의 성능을 도출할 수 있었지만 전원공급에 대한 제한점이 발견되었다. 따라서 후속연구에서는 지속적으로 사용이 가능하며 친환경적이고 휴대성이 좋은 태양전지를 개발하고 이를 의복에 적용하여 냉각모듈을 구동시키는 방안이 마련되어야 할 것으로 판단되었다.
- 본 연구에서는 경량이며 냉각효과가 좋은 프로토타입 냉각복의 성능을 도출할 수 있었지만 전원공급에 대한 제한점이 발견되었다. 따라서 후속연구에서는 지속적으로 사용이 가능하며 친환경적이고 휴대성이 좋은 태양전지를 개발하고 이를 의복에 적용하여 냉각모듈을 구동시키는 방안이 마련되어야 할 것으로 판단되었다.
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