압전소자를 이용한 광고시스템!!(창업동아리

이번에 학교에서 진행하는 창업동아리 지원 프로그램을 통해 아래와 같은 것을 실제적으로 개발해 보았습니다 최초의 학습부터 완전한 개발까지 3개원 가량 걸렸습니다. 학업과 병행하다 보니 오래 걸렸죠 ㅎ

한번 소개 하기위해 보고서를 한번 올려 봅니다 ^^ 

1.압전소자란?

압력을 가할시 전하가 발생하는 소자로써 수정(水晶) · 로셸염(鹽) · 티탄산바륨 등으로 이루어져 있다. 그림 1에서 흰부분에 압력을 가할시 양단에 극성이 없는 교류형태로 전력이 발생한다. 그리고 역으로 압전소자에 전력을 가할시 소자마다 특성주파수역대의 음파가 발생한다. 즉 전기에너지를 줄시 진동에너지가 발생하고 진동에너지를 주면 반대로 전기에너지가 발생한다.

  

2.창업아이템 선정 동기 및 목적

압전소자의 경우 특별히 에너지를 가하지 않고 압력만으로도 전력을 발생 시킨다. 이런부분에서 착안하여 사람들의 통행이 잦은 곳에 발판형태로 설치하여 전력을 발생시켜 광고를 할 경우 에너지 절약에도 효과를 볼수 있다. 그리고 한번 설치하면 반영구적 이라는 점에서 큰 장점이 될 수있다. 또한 광고라는 것의 주된 목적이 많은 사람에게 알리는 것이므로 유동인구가 많은 곳에 설치할 경우 많은 전력을 얻을수 있을 뿐만 아니라 많은 사람이 오가며 발판을 이용할 경우 밞으면 불이 들어온다는 점에서 사람들의 흥미를 유발 시켜 더 큰 광고의 효과를 볼수 있으며 여러사람들이 광고를 접할수 있으므로 광고에 목적과도 부합한다고 할 수 있다.

 

3.압전소자에 관한 학습

처음 창업아이템의 주제를 정했을 당시 압전소자에 대한 큰 정보가 없어 학습을 필요로 했다. 압전소자의 원리 및 출력 형태에 대해 직접 검류계를 통해 나오는 출력을 알아보기도 하고 소자에 관한 논문을 찾아보거나 인터넷을 통해 압전소자 전문 업체에 자문을 구하는 등의 조사 및 학습을 수행하여 팀원전체 세미나를 개최해 학습 내용을 공유하고 구체적인 아이템 형태를 잡아 나갔다. 

 

4.회로설계 및 PCB기판 제작

압전소자에 압력을 가할시 극성이 없이 교류전력이 나오는 것을 실험을 통해 알 수 있다. 그래서 아래 그림2와 같은 BRIDGE 다이오드회로를 통하여 직류전력으로 변환하여 사용을 한다. 아래와 같은 BRIDGE 다이오드 회로를 사용할 시 다이오드가 역전류를 방지 하는 역할을 하여 직류전력을 얻을 수 있다. BRIDGE 다이오드를 이용하시 않을시 아래와 같은 출력 파형이 나왔으나 BRIDGE 다이오드 회로 이용시 우리가 원하는 직류전력 형태의 아래의 파형으로 출력이 나오는 것을 시뮬레이션을 통해 알 수 있었다. 그러므로 브릿지 다이오드 회로를 선정하여 회로를 구성하기로 했다.

압전소자 정류회로

 
        정류 전 출력파형                         정류 후 출력파형

처음 압전소자를 이용할시 발생하는 전력을 즉각적으로 사용하는 형태로 사용하려 했으나 압전소자의 특징상 연속적인 압력이 가해지지 않을시 지속적으로 LED를 구동하는 것이 개념적으로 불가능 하였다. 때문에 에너지를 다른 형태로 이용할 필요성을 느끼고 조사를 통하여

압전소자가 충전을 통하여 많이 이용된다는 것을 알 수 있었다.

충전지의 형태로 충전을 할시 많은 특허권이 존재한다는 것을 파악을 한 이후 콘덴서를 이용한 임시저장을 통하여 안정된 형태의 에너지를 얻어 사용하는 방법을 이용하기로 했다.

콘덴서의 경우 우리가 진행하고 있는 교류전력을 직류전력으로 정류할 경우 교류파형을 제거 하여 안정된 직류파형을 얻는데 사용된다. 또한 에너지 임시저장이라는 측면에서 콘덴서를 이용하는 것이 적합하여 콘덴서를 사용하기로 했다.

콘덴서를 이용할시 저항(R)과 콘데서(C) 사이의 값을 조절하여 R-C시상수를 정하여 충전되는 시간을 정할 필요가 있었다. R*C=T(시간 초 단위)라는 식을 통하여 시상수를 정할 수 있다. 이식에서 시상수란 콘덴서가 63.2%충전 혹은 방전하는데 걸리는 시간이다.

 

        콘덴서의 충전그래프                     콘덴서의 방전그래프

위 그림은 각각 콘덴서의 충,방전 특성그래프이다. 위와 같은 특성그래프에서 RC값을 선정하여 시간 T값을 조절할수 있다. RC값이 클수록 오랜시간동안 LED의 불이 지속되는 것이나 R의 값이 너무 클 경우 LED에 흐르는 전류값이 너무 작아져 LED의 불이 희미하게 들어오는 문제점이 발생하였다. 최초의 실험의 경우 R값을 240K옴 C값을 220uF으로 선정하여 일반LED를 점멸하는 실험을 실시했다. 일반 LED의 경우 3V.20mA의 기본적인 스펙을 가진다. 실험을 실시하여 아래와 같은 밝기의 불이 1분정도 지속되는 결과를 얻었다.이러한 실험을 통해 콘덴서에 전력을 임시 저장해 LED를 지속적으로 구동하는 것이 가능하다는 점을 알 수 있었다. 이후 LED를 병렬로 연결할 경우 사용되는 전류가 증가 하므로 좀 더 많은 양의 LED를 구동하기 위해는 전류량을 늘릴 필요가 있었다. 전류량을 늘리기 위해 그림1과 같은 충전회로를 다수 병렬로 연결하여 한 노드에 모아 전류량을 필요한 만큼 만들어 LED를 구동하는 형식으로 회로를 구성하기로 했다. 먼저 그러기 위해 어떠한 LED를 몇 개를 쓸 것 인지 선정할 필요가 있었다.

LED 종류의 경우 좀더 효과적인 광고 효과를 내기 위해 집약적으로 강하게 빛을 내는 LED가 필요로 하여 시중에서 AVR이나 DSP와 같은 컨트롤러모듈에 많이 사용되는 CHIP LED를 사용하기로 했다. 아래 그림 5는 실험을 통해 선정한 CHIP LED 3216으로 실험결과 현재 문제가 되고 있는 전류량 부족에 있어서 가장 적합 한 실험 값을 내어 사용되는 LED로 선정하였다.

CHIP-LED 3216

아래 표1은 CHIP LED 3216의 실험 데이터이다. 표1의 실험은 CHIP LED를 직결로 POWER

전압(단위 V)	전류(단위 mA)
2.5	1.15
2.6	4
2.7	7.1
2.8	9.7
2.9	16
3.0	21

SUPPLY에 연결 하여 2.5V에서 0.1V씩 상향 조절하여 LED를 구동하여 소모하는 전류량을 검출하는 실험이었다. 데이터를 보면 기본적으로 20~60mA 씩 사용하는 다른색의 LED와 달리 굉장히 소량의 전류를 사용하고도 충분한 밝기를 내주었다. 2.6V에서 2.7V로 승압 시켰을 때 특히 불의 밝기가 더 밝아지는 것을 확인 할수 있었다. 이를 통해 2.7V이상으로 구동할시 LED를 가장 효율적으로 구동 가능하다는 것을 확인할 수 있었으며 3216-LED를 사용 LED로 선정하였다.

다음으로 LED를 몇 개를 사용할지 정할 필요가 있어 어떠한 글자를 나타낼 것인지 정해야 했다. 최초의 경우 LINC BPT라는 단어를 나타내려 했으나 압전소자에서 나오는 전류의 량이 어느 정도 한계가 있어 LINC라는 단어만 나타내어 제작하기로 했다. 인터넷 조사중 영문으로 LED PCB(PRINTED CIRCUIT BOARD:인쇄 회로 기판) 보드 제작이 가능 하여 PCB보드를 이용해 광고판을 제작하기로 했다.

내부회로의 세부 연결모습은 그림6과 같이 되어 있어 6개씩 총 15줄로 병렬 연결되어 있는 회로로 되어 있다. 이를 통해 6개를 기준으로 몇 개 정도의 회로가 필요한지 실험을 거쳐 총 회로 수를 정하기로 했다.

.아래 그림 7은 그림 2와 같은 회로 8개를 병렬로 연결하여 6개 직렬 연결된 CHIP-LED를 구동하는 모습이다. 회로8개를 연결하여 구동 하였을 시 충분히 광고가 가능할 정도의 밝기가 확인 되었다. 이 경우의 시상수는

저항은 100K옴을 사용하였고 콘덴서의 경우 병렬로 연결되어 있어 총 800uF의 용량이므로 T=800u*100k를 계산할 경우 1시상수가 80초(sec)로 계산이 된다. 실험에서는 약 2분가량 광고가 가능할 정도의 밝은 불이 점등되었다.

LED에 흐르는 전류를 측정해 보려 했으나 우리가 일반적으로 사용하는 검류계로는 측정하기에 전류의 양이 충분치 않아 측정하는데 한계가 있어 측정하지 못했다. 그래서 임의적으로 8개일 때 충분한 밝기와 구동시간이 확인 되었으므로 넉넉히 6개 직렬 회로 당 10개의 충전회로를 사용하는게 적절하다고 생각이 되었다 . 그래서 글자가 15줄의 병렬로 되어 있으므로 150개의 충전회로를 사용하기로 결정하였다. 150개의 회로를 콘덴서는 50V 100uF,다이오드는 1N4001을 사용하여 부품을 ORCAD로 구성하여 PCB 제작에 들어갔다. 아래는 아래 그림은 우리가 실제적으로 사용하는 기판의 PCAD 도면이고 8-2은 완성된 PCB보드의 모습이다

아래 그림은 납땜이 완료된 PCB기판의 모습이다. 한 기판에 40개의 회로가 구성되어 있으며

총 4개의 기판을 사용하여 회로를 구성한다.이와 같이 중추적인 회로가 완성되어 소프트웨어적인 시스템이 구축되어 하드웨어적인 발판제작에 돌입 했다.

 

5.발판설계 및 제작

압전소자에 압력을 가할 경우 만지거나 누르는 경우 보다 발로 밟을시 좀더 효과적이고 큰 압력을 줄 수 있으므로 발판을 제작할 필요가 있었다. 발판을 만들 경우 크게 제작을 해서 넓은면을 통해 압력을 받는다면 많은 양의 전력을 얻을 수 있겠지만 현재 개념적인 형태로 구현 하기위해 발판의 사이즈를 축소하여 그림과 같이 나무판과 아크릴판을 이용해 제작하기로 했다.

위와 같이 발판을 이용할시 발판의 전체적인 면을 이용해 압전소자에 압력을 가하는 것 보다 돌기를 이용할 경우 휠씬 효과적으로 압력을 가할수 있다. 그래서 아래와 같이 돌기매트를

나무판과 아크릴판 사이에 배치하기로 했다.

그림 는 돌기매트의 스펙으로 발판에 맞춰 개량을 하여 사용을 하기로 했다.

 

사이즈 및 위치등을 고려 하여 150개의 압전소자를 발판 위에 배치 시킨 AUTOCAD도면으로써 압전소자와 돌기의 위치가 잘 맞아 떨어지도록 하여 효과적인 압전효과를 낼 수 있도록 설계를 하였다. 그리고 그림 13-2는 압전소자를 돌기로 누르는 시뮬레이션을 해본 3D 카티아 영상을 스크린샷으로 찍은 사진이다

발판을 위에 설계대로 제작하는 과정에서 돌기로 인한 소자의 손상이 있을 수 있다는 문제점을 발견 했다. 그래서 그러한 문제점을 개선하

기 위해 그림 14와 같이 볼트, 너트, 스프링 3가지를 이용하여 발판내에 완충작용을 해줌으로써 압전소자에 생길수 있는 손상을 줄일 수 있다.이 같은 볼트를 발판 양단 6군데에 설치를 할 경우 손상을 줄일 뿐만 아니라 스프링의 힘으로 평소에는 소자와 돌기 사이가 떨어져 있으므로 사람이

 발판을 밞을 경우 떨어져 있던 돌기와 소자가 충돌하므로 좀더 효과적으로 압력을 가해 줄수 있다.

위는 LED광고판의 완성 모습으로 소자를 이용하여 점등 했을시와 평상시의 비교 모습이다.

불의 밝기가 충분히 밝은 모습을 볼수 있다.

 

위 그림은 최종완성된 PCB기판을 FIBOX안에 배치한 모습이다. FIBOX안에 배치되어 발판 옆에 배치되게 된다.

완성된 발판의 모습이다.

 

7.결론 및 향후과제

압전소자라는 개념적으로만 알던 것을 직접 실험과 연구, 제작을 통해 실제적인 광고시스템을 구현해내는데 성공했다. 그러나 앞에서 언급했듯이 전류부족으로 인한 글자 수나 LED수에 제약이 있다는 문제점 또한 발견 됐다. 이것은 추후에 좀 더 성능이 좋은 압전소자를 이용하거나 회로수를 늘리는 방법을 통해 충분히 해결 가능하다. 이러한 시스템에 현재 우리의 전공을 접목시켜 제어 컨트롤러CHIP을 이용하여 LED를 여러 패턴으로 점등시키거나 여러 무늬를 형상화 가능하다면 광고나 조경뿐만 아니라 좀 더 다양한 분야에 걸쳐 적용 될 수 있다. 개발과정에서 충분한 사업성을 볼 수 있었으며 한번 설치 시 영구적으로 타 에너지 소비가 없으므로 에너지 절약이라는 측면에서 충분히 가치 있으며 전류부족이라는 문제 부분만 해결된다면 다방면에서 사용 될 수 있을 것이다.