Joule Thief 회로와 적정기술

2019 대한민국과학교사큰모임 발표자료입니다. 다른 곳에 인용하실 때는 반드시 출처를 밝혀 주시기 바랍니다.

경기 매원고 류신호

오늘은 Joule Thief 회로가 적정기술로도 나쁘지 않은 것이라는 관점을 갖고 “Joule Thief 회로와 적정기술”이라는 주제로 활동해 보고자 한다. 요즘의 유류가격 상승, 에너지 사용에 대한 사람들의 인식변화, 미래의 인류가 갖아야 할 에너지 사용습관 등 여러 가지를 생각해 보면 좋을 것이다. 또 이것이 전기 에너지 혜택을 받고 있지 못하는 사람들에게 어떤 혜택을 줄 수 있을지 우리들에게는 어떻게 이용될 수 있을지도 생각해 본다. 자! 적정기술, Joule Thief 회로 그리고 이것을 활용한 태양광 충전 자동 작동 전등에 대해 알아보고 만들어 보자.

Ⅰ. 적정기술

1. 적정기술이란

적정 기술(適正技術: appropriate technology, AT)은 위키백과에 의하면 한 공동체의 문화·정치·환경적인 면들을 고려하여 만들어진 기술을 말한다. 적정 기술을 지지하는 사람들은 적정 기술이 대세를 이루는 기술보다 더 적은 자원을 사용하며, 유지하기 더 쉽고, 환경에 더 적은 영향을 미친다고 주장한다. 적정 기술이라는 단어는 개발도상국들, 아니면 이미 산업화된 국가들의 소외된 교외 지역들에 알맞은, 단순한 기술을 의미하는데, 보통 이 단어가 이용되는 기술들은 자본집약적 기술이라기보다는 대부분 노동집약적 기술이다. 실제로, 적정 기술은 특정한 지역에서 효율적으로 원하는 결과를 얻을 수 있게 하는 가장 단순한 수준의 기술을 말한다.

적정기술의 일부분을 ‘중간기술intermediate technology’이라고 칭하기도 한다. 개인적으로는 지금까지 인류가 갖고 있는 모든 지식과 기술이 적정기술을 이룰 수 있을 것이라고 생각한다.

2. 적정 기술의 설립자

적정 기술은 1966년 영국 경제학자 에른스트 프리드리히 슈마허가 개발도상국에 적합한 소규모 기술 개발을 위한 중간기술개발그룹, 즉 영국에 ‘ITDG(현재는 Practical Action)’라는 조직을 설립한 것이 현대적인 시초이다. 슈마허는 작은 것에 만족할 줄 아는 마음과 민중 스스로 제어할 수 있는 적정기술을 통해 첨단기술이 없이도 얼마든지 행복하게 살 수 있다고 주장하였다.

3. 적정 기술의 사례

가. 광석 라디오

다이오드와 저항, 안테나 선만으로 FM 라디오를 만들어 들을 수 있다. 막상 만들어보면 소리가 굉장히 작다.

나. 플레이 펌프(놀이기구형 물펌프, 실패)

놀이터에 있는 직접 돌리고 타는 회전기구에 펌프기능을 붙인 것. 기계가 복잡한데다 부품 내구성도 형편없었다.

다. 라이프 스트로우 (실패)

목에 거는 작은 크기의 간이 정수기. 물에 대고 입으로 마시면 정수된 물을 마실 수 있다. 문제는 라이프스트로우가 아프리카에서는 상당히 비싼 물건이였던지라, 무상으로 기증받은 라이프 스트로우 때문에 살인까지 일어날 정도였다.

라. 라즈베리 파이

본래는 적정기술은 생각하지 않은 채 교육용으로 개발된 컴퓨터인데, 저렴한 가격에 저렴한 유지비 덕에 졸지에 적정기술에 포함된 물건이 되었다. OLPC와 동일하게 현지민들의 IT/공부를 도와주고 있다.

마. 마인 카폰 프로젝트 (실패)

바람을 타고 굴러다니면서 지뢰를 격발시키고자 하는 기구. 현재 이 프로젝트를 포기하고 드론으로 대체하려고 노력중이다.

바. 사운드 스프레이

모기를 초음파로 쫓아내는, 형태는 스프레이지만 스프레이가 아닌 물건이다. 흔들면 충전이 되는 식이라 한번 구매하면 평생 쓸 수 있다. 1분 흔들면 1~8시간 동안 쓸 수 있다고 한다. 카이스트의 배상민 교수가 개발했다고 하는데, 개발도상국에 공급하는 물건이지만 국내에도 도입이 시급하다..고 생각할 수 있는데 이 스프레이는 천적의 날개진동수와 동일한 진동수를 내서 모기가 줄행랑치게 만든 물건이라 국내에서는 이대로는 쓸데없다.

사. 사탕수수 숯

사탕수수 찌꺼기 등 농업 부산물을 숯으로 제작해 연료로 대용시킨다. 사탕수수가 많이 나는 곳에 제격이다.

아. 수격펌프

전기 없이 ‘물의 운동에너지’를 이용해서 낮은 곳에서 높은 곳으로 물을 올리는 펌프.

자. 수동 물펌프

전기가 안 들어오는 오지의 화전민들에게 큰 도움이 된다. 시장통의 공업사에서 외국의 투자를 받아 수공업으로 찍어낸다.

차. 수동 벽돌 압축기

선진국에서는 벽돌을 전동으로 압축하지만 후진국의 조건을 감안해 벽돌을 수동으로 압축할 수 있게 만든 발명품이다.

카. 스트로베일 하우스

압축된 사각 볏짚을 쌓아서 집을 짓는 건축기법. 미국에서 발명되었는데 세계적으로 나름 알려져서 관심있는 사람들에 의해 활발히 개량되고 있고 우리나라에서도 여러채가 시공되었고 시공되고 있다. 마음만 먹으면 1~2개월이면 뚝딱할 수 있다.

타. 자전거를 사용한 농기구

폐자전거를 동력원으로 해서 자잘한 농기구를 만든다. 생 커피콩을 기계로 벗겨서 말리기만 해도 영세농의 수입은 무려 3배로 늘어난다.

파. 자전거 세탁기

페달로 밟아 통을 돌리는 세탁기. 사실 구조를 보면 ‘별 것 없이’ 모터 대신 자전거 페달을 쓴 것 뿐이지만, 이 ‘별 것 없는’ 기술이 오히려 적정기술의 요건을 잘 만족시킨다. 군대에서 빨래판 써보면 이게 왜 감동적인지 알게 된다.

하. 큐드럼

물이 귀한 사막지역에서는 물통을 들고 물을 뜨러가는 것만으로도 시간의 대부분을 소모하게 되는데, 이를 줄이기 위해 드럼통 가운데에 구멍을 뚫어서 바닥에 굴리는 식으로 휴대할 수 있게 했다. 한 번에 옮길 수 있는 물의 양을 극대화하여, 어린 아이들은 학업에, 어른들은 일에 전념할 시간을 더 얻을 수 있다. 다만 몇 가지 문제가 있었다. 통 모양 때문에 내부 세척이 곤란했다. 또, 충분한 내구성을 얻기 위해 비용이 들어가는 건 피할 수가 없었다.

갸. 태양광 조리기

은박지를 활용해 태양광을 조리에 쓰는 도구. 장작을 줍는 시간을 줄이고, 매연도 줄이며, 녹림자원도 보호한다. 물론 태양을 사용한다는 한계는 곳곳에서 튀어나온다. 그냥 기존보다 과학적인 구조의 화덕을 보급하는 것이 더 낫겠다는 평가도 있다.

냐. 폴드스코프

스탠포드 대학의 마누 프라카시(Manu Prakash)가 개발하고 빌&멀린다 게이츠 재단이 후원하는 일명 ‘1달러 현미경’으로, 2000배까지 확대가 가능한 물건이다. 주 용도는 아프리카의 유행병을 진단하기 위해서. 비슷한 것으로는 플라스틱 틀과 유리 비드를 조합하여 스마트폰이나 태블릿의 카메라를 현미경으로 쓸 수 있게 만들어주는 연구가 미국 에너지부 소속 과학자들에 의해 진행된 바 있다.

댜. 항아리 냉장고

큰 토기 안에 작은 토기를 넣고 그 사이에 흙을 채운 다음 물을 채우는 것. 수분이 증발하면서 내부가 시원해진다. 주변의 온도보다 10도 정도 낮은 온도를 유지할 수 있다고 한다. 사용사례를 찾아보면 실온에서 1주일이면 썩는 과일이 한달쯤은 보관이 된다고 한다. 건조한 기후를 가진 지역에서 효과적이라고. 물조차 귀한 곳, 습한 기후인 곳에서는 큰 효과를 기대하기 어렵단 한계가 있다.

랴. 행운의 철 물고기

먀. OpenBTS

오픈소스로 만든 소프트웨어 GSM 액서스 포인트. 무선 망이 안 닿는 산간 오지나 후진국에서도 간단한 기지국만 있으면 그 지역을 모두 GSM망으로 바꾸어버리는 기술이다.

뱌. PET병 채광기(모저램프) (재활용)

비가 많이 오는 오지의 산간에서는 유리창을 구하기도 쉽지 않은데 PET병에 물을 채운 후에 표백제만 조금 섞어서 천장에 구멍 뚫고 박아 넣으면 빛이 환하게 퍼져 나온다. 산간 뿐만 아니라 집에 창이 없는 경우에도 요긴하게 사용할 수 있다. 재활용을 접목해 적정기술을 만든 사례(특히 2010년 이후에 미디어로 접한 사람에게는 더욱 그렇다.)

샤. PET병 태양광 전구(리터 오브 라이트) (재활용)

PET병 채광기에 태양광 전지판 등을 추가해 진짜 전구처럼 만든 물건. 제작비용이 더 들긴 하지만 여전히 저렴하고, 야간에도 빛을 제공한다는 점에서 더 도움이 된다. 실제로 이 물건으로 마을에 작은 규모로 가로등을 설치한 곳도 있다.

야. 페이퍼퓨지

실팽이의 원리를 이용한 수동 원심분리기, 폴드스코프를 개발한 마누 프라카시가 개발하였다. 혈액샘플을 실팽이 사이에 넣고 15분간 돌리면 말라리아 균을 분리할 수 있다.

쟈. The Hollow Flashlight

캐나다에 사는 소녀인 Ann Makosinski 구글 Science Fair 대상을 수상한 프로젝트이다. 배터리가 없어도 손바닥과 기온의 온도차를 이용해 전기를 생산해서 불이 켜지는 손전등을 만들었다.

4. 적정기술의 조건

가. 적은 비용으로 활용한다.

나. 가능하면 현지에서 나는 재료를 사용한다.

다. 현지의 기술과 노동력을 활용하여 일자리를 창출한다.

라. 제품의 크기는 적당해야 하고 사용방법은 간단해야 한다.

마. 특정 분야의 지식이 없어도 이용할 수 있어야 한다.

바. 지역주민 스스로 만들 수 있어야 한다.

사. 사람들의 협동 작업을 이끌어 내며 지역사회 발전에 공헌해야 한다.

아. 분산된 재생가능한 에너지 자원을 활용한다.

자. 기술을 사용하는 사람들이 해당 기술을 이해할 수 있어야 한다.

차. 상황에 맞게 변화할 수 있어야 한다.

카. 지적재산권, 컨설팅 비용, 수입관세 등이 포함되지 않는다.

 

Ⅱ. Joule Thief 회로

1. Joule Theief 회로

줄 도둑 (Joule Thief)은 작은 부하를 구동하는 데 일반적으로 사용되는 소형, 저비용의 쉽게 제작할 수 있는 매우 작은 전압 발진기이다. 이 회로는 오실레이터, 주울 링거 (joule ringer), 뱀파이어 토치 (vampire torch)와 같은 다른 이름으로도 알려져 있다.

단일 셀 배터리의 거의 모든 에너지를 사용할 수 있고, 심지어 사용되어 배터리를 완전히 방전 된 것으로 볼 수 있는 것조차 사용할 수 있어 이 회로는 회로가 에너지를 훔치고 있다는 재미있는 용어를 사용한다.

이 회로는 제어되지 않은 전압 발진 변환장치를 형성하는 발진자의 변형이며 출력 전압은 입력에서의 더 높아 전류는 작아진다.

가. 간단한 역사

1930년대 진공관을 사용하여 만들기 시작한 이 회로는 시작하여 꾸준히 발전하였다. 1999년 11월에는 스웨덴의 Kaparnik가 1V로 작용되는 LED에 대한 기사를 잡기에 기고하여 이슈가 되기도 하였다. Clive Mitchell는 2002에 Kaparnik의 회로를 BC549 NPN 트랜지스터를 사용하여 개량하고 “Joule Thief”라는 말을 처음 사용하였다. 요즘은 더 간단한 회로들이 다양한 용도로 사용되고 있다.

나. “Joule Thief”의 작동 원리

이 회로는 트랜지스터를 신속하게 스위칭하여 작동한다. 처음에는 전류가 저항, 2차 코일 및 베이스 – 이미터 접합을 통해 흐르기 시작하여 트랜지스터가 1차 코일을 통해 콜렉터 전류를 만들기 시작한다. 2개의 코일이 반대 방향으로 연결되기 때문에, 이것은 높은 바이어스로 트랜지스터를 턴 온 시키는 양(+)의 2차 코일에 전압을 유도한다.

이 자체 피드백 프로세스는 거의 순간적으로 트랜지스터를 가능한 강하게 켜고 콜렉터 이미터 경로를 본질적으로 닫힌 스위치처럼 보이도록 만든다. 배터리를 가로 지르는 1차 코일을 효과적으로 사용하면 전류는 인덕턴스로 나눈 공급 전압에 비례하는 속도로 증가합니다. 트랜지스터 스위치 오프는 공급 전압에 따라 다른 메커니즘에 의해 이루어진다.

회로의 부하가 매우 작으면 컬렉터의 상승률과 최대 전압은 부유 용량에 의해서만 제한되며 공급 전압의 100배 이상으로 상승 할 수 있다. 이러한 이유로, 트랜지스터가 손상되지 않도록 항상 부하가 연결되어야한다.

이 트랜지스터는 높은 진동 주파수에서도 매우 적은 에너지를 발산한다. 대부분의 시간을 완전 온 또는 완전 오프 상태로 소비하기 때문에 트랜지스터를 통한 전압 오버 또는 전류가 제로가 되어 스위칭 손실이 최소화된다.

회로의 스위칭 주파수는 약 50kHz이다. LED는 이 속도로 깜박이지만 인간의 눈은 깜박임을 알 수 없다.

2. 여러 가지 “Joule Thief”

Ⅲ. Joule Thief 회로의 제작

1. 오늘 만들 Joule Theief 회로

오늘 만들 Joule Thief 회로는 IC를 사용하여 보다 단순화된 것으로, 응용은 정원용 작은 조명 장치로 낮에 태양광에 의해 충전지가 충전되고, 밤에는 충전된 전지에 의해 LED가 자동으로 켜지는 장치이다.

2. 필요 재료와 구입 예

가. 납댐인두(+땜납), 글루건(+핫멜트), 스트리퍼, 글루건 등

나. 재료

      1. 젓갈통 식품용기/양념단지/액젓통/단지/고추장통/젓갈통( M257(C5) 팔각 180g 400원 /개) (http://itempage3.auction.co.kr/DetailView.aspx?ItemNo=B231279982&frm3=V2)
      2. 태양전지 : 0.65W 1.5V Solar Cell (US $15.19 / 10개) https://www.aliexpress.com/snapshot/0.html?spm=a2g0s.9042647.0.0.270c4c4dbmVxJS&orderId=31035365351637&productId=32809133635
      3. 충전지 : 3300mAh 1.2V Ni-Mh AA Rechargeable Battery ( US $25.76/48개 ) https://www.aliexpress.com/item/4-8-16-24-32-48pcs-3300mAh-1-2V-Ni-Mh-AA-Rechargeable-Battery-White-2A/32850545394.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.597c4c4dO8D8ts
      4. 배터리 홀더 : AA Battery 1.5V Holder (US $1.18 / 10개 ) https://www.aliexpress.com/item/Lot-10X1-AA-Battery-1-5V-Holder-Storage-Box-Case-with-5-Lead-for-DIY-Experiment/32673357714.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.3aa04c4dcOzaEf
      5. 4핀 터미널 하우징 : KF2510 4P 2.54mm Pitch Terminal Housing https://www.aliexpress.com/item/20set-Kit4-Pin-KF2510-4P-KF2510-4P-2-54mm-Pitch-Terminal-Housing-Pin-Header-Connectors-Adaptor/32827103841.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.25244c4dBv8P2t
      6. QX5252F IC : QX5252F TO-94 ( $1.48 / 50개 ) 스위칭 다이오드 https://www.aliexpress.com/item/100pcs-QX5252F-TO-92-QX5252-TO92-5252F-free-shipping/32718726785.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.25244c4dBv8P2t
      7. LED : LED lamp / F8MM power 0.5W white (US $1.43 / 50개), 출력이 적은 적이 좋을 수도.. https://www.aliexpress.com/item/50PCS-8mm-straw-hat-LED-lamp-bead-are-white-light-0-5W-F8MM-power-0-5W/32850688634.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.27424c4d4ikFQP
      8. 인덕터 : 0410 Color circle Coils Inductor 33uH ( US $11.58 / 1000 개 ) https://www.aliexpress.com/item/1000Pcs-0410-Color-circle-Coils-Inductor-10UH-12UH-15UH-18UH-22UH-27UH-33UH-39UH-47UH-56UH/32848866451.html
      9. 스위칭 다이오드 : IN4148 High-speed switching diodes ( US $9.22 /1000개+배송료, US $0.56 / 100개) https://www.aliexpress.com/item/Free-shipping-100PCS-do-35-1N4148-IN4148-High-speed-switching-diodes/32804799676.html

3. 제작하기

가. 건전지만 사용하는 경우

    1. ‘① QX5252F IC(참고 : 아래 그림은 글자가 보이는 쪽을 기준으로 한 그림), ② 33μH 인덕터, ③ LED(참고 : 다리가 긴 쪽이 +) ④ 배터리(헌 것도 좋음), ⑤ 배터리 소켓(AA 또는 AAA)’을 준비한다.
    2. 아래의 그림을 참고하여 납땜을 하여 회로를 완성한다.

나. 태양전지와 충전지를 사용하는 경우

    1. ‘① QX5252F IC(참고 : 아래 그림은 글자가 보이는 쪽을 기준으로 한 그림), ② 33μH 인덕터, ③ LED(참고 : 다리가 긴 쪽이 +) ④ 배터리(헌 것도 좋음), ⑤ 배터리 소켓(AA), ⑥ IN4148 스위칭 다이오드, ⑦ 충전지(3300mAh 1.2V Ni-Mh AA), ⑧ 태양전지(0.65W 1.5V), ⑨ 젓갈통’을 준비한다.
    2. 아래의 그림을 참고하여 납땜을 하여 회로를 완성하며, 젓갈 통을 이용하여 잘 설치한다.

[참고문헌]