[IT·드론운용이론·Drone] 드론 정비의 납땜의 기초와 배터리의 이해

일반적으로 드론(Drone)정비시 납땜영역은 배제할 수 없습니다. 드론을 정비할 때에 가장 기초되는 부분은 납땜이라고 볼 수 있는데요. 여기서 납은 일반(유연)납과 무연납으로 구분할 수 있습니다. 차이점을아래에서 확인해볼게요.

	유연납(Sn+Pb)	무연납(Lead-Free)
가격	싸다	비싸다
건강	해롭다	해롭지않다
함유율	평균(납40%, 주석60%)	주석(95%)
녹는점	낮다	높다
작업도	잘녹고 잘퍼져서 작업하기 편함	더 높은 온도가 필요하며 비교적 잘 안퍼짐

유연납은 해로운 납 성분이 들어있지만 작업하기에는 더 편하고 쉽습니다. 반면, 무연납은 납 성분이 없지만 더 높은 온도의 인두기를 사용해야 하며, 기술력이 필요합니다. 유연납은 약 183ºC에서 녹기 시작하며, 무연납은 217ºC에서 녹기시작합니다. 납땜 작업을 하기위해서는 인두기의 온도가 각각 380ºC(유연), 420ºC(무연) 이상은 되어야 합니다. 즉, 납을 고르는데 있어 사용하는 인두기에도 영향을 끼친다는 것입니다. 

간단하게 정리하면 이렇게 정리할 수 있습니다. 유연납은 가격이 저렴하고 작업하기가 편리하며, 무연납은 비싸고 작업도가 떨어지지만 몸에 해로운 납 성분이 없는 친환경적이라는 것이죠. (주석 성분이 높아질수록 무연납에 가깝습니다.) 인두기는 제품마다 작업 온도가 있으니 이 점을 고려하여 납을 고를 필요가 있어요.

 

[인두기를 고르는 기준은?]

인두기를 고르는 기준은 다양합니다. 브랜드가 될 수도 있고, 손잡이 형태, 기능, 가격, 출력 등이 있죠. 이러한 기준들을 바탕으로 인두기를 고르기위해 반드시 알아야 할 기초 지식들에 대해 알아보도록 할게요. 

 

1)무선or유선(Cord and Cordless): 무선 충전식 인두기와 유선 인두기로 분류됩니다. 무선은 이동성이 좋고 편리하지만 사용시간에 제한이 있다는 단점이 있습니다.

 

2)소비전력(Wattage): 인두기를 보면 W라는 용어를 많이 사용합니다. 소비전력을 말하는 것이며, 소비전력이 많을 수록 력(힘)이 더 좋습니다. 최대 온도가 더 높다거나, 열을 더 빨리 발생시킬 수 있습니다. 일반적인 스틱 인두기는 20W~60W 정도이며, 고온용으로는 500W급 인두기가 생산됩니다.

 

3)온도 컨트롤(Temperature Control): 인두기의 온도 컨트롤에는 크게 3종류로 나뉘어집니다. 

1.코드를 꽂으면 정해진 온도까지 올라갑니다.

2.푸시버튼 혹은 X단 스위치를 통해 단계별 온도 조절이 가능합니다.

3.내가 원하는 온도로 조정하여 사용합니다.

*3번으로 갈수록 더 비싸짐.

 

4)팁(Tips): 납이 닿는 끝 부분을 말하는데 인두기로 납땜을 하면 팁이 산화되어 교체를 해주어야 합니다. 이 때 인두기는 팁을 교체할 수 있어야하며, 호환되는 팁이 있어야합니다. (가격이 저렴한 3~5천원) 보급형 인두기는 팀 교체가 불가능한 제품이 있습니다. 

 

5)절연저항(Insulation Resistance): 전기가 통하지 않도록 하기 위해 사용된 물질의 저항을 말합니다. 높을수록 좋으며, 50M옴 이하일 경우 민감한 장치의 납땜에 적합하지 않습니다. 가격대가 나가는 제품들은 절연 저항이 기본적으로 좋기때문에 크게 신경쓰지 않아도 됩니다. 

 

6)가격(Cost): 대체적으로 인두기는 가격과 성능이 비슷합니다. 브랜드에 따라 약간의 차이는 있을 수 있겠지만, 예를들어 Hakko, Jaya, Weller, Exso 등 인두기로 유명한 회사를 놓고 비교해봤을 때 가격과 성능이 크게 차이가 나지는 않는 편입니다. 단, 같은 동일 가격이라도 종합 성능은 비슷하지만, 조금 더 특화된 부분이 있을 수 있습니다. 열을 올리는 속도가 더 빠르다던지, 손잡이 부분이 최적화 되어있다던지, 온도 변환 기능이 있다던지 등등이 있습니다. 이러한 점을 참고하여 인두를 고를 필요가 있습니다. 

 

납땜요령(납땜방법)

 

-5공정법:

1)준비: 인두 긑과 납을 가까이 하고 납땜 준비를 합니다.

2)인두를 댄다: 인두를 가볍게 잡고 인두 힘으로 모재를 넓게 가볍게 누르며 동시에 가열합니다.

3)땜납을 댄다: 땜납을 모재나 팁의 끝 부분에 댑니다. 힘 상부에 대서는 안됩니다. 

4)땜납을 뗀다: 땜납을 바른 각도, 바른 방향으로 뗍니다. (약간 퍼졌을 때)

5)인두를 뗀다: 인두를 속도, 방향에 주의하여 뗍니다.(납이 빛날때) 땜납 퍼짐 확인.

 

-3공정법:

준비>인두를 대고, 땜납을 동시에 대줍니다> 인두를 떼고 땜밥을 동시에 떼어줍니다. 

 

납땜시 인두로 납땜패드를 1~3초 (부품의 리드 두께에 따라 달라집니다) 정도 예열을 하시고 납을 살짝 가져다 대면, 납이 스스로 녹아 젖어든 후에 인두와 납을 떼시면 됩니다. 이 방법으로 하시면 위의 이미지의 OK그림 처럼 삼각형 모양으로 납땜이 잘 되는 점을 확인하실 수 있습니다. 거꾸로 납을 납땜패드에 대고 인두로 납을 녹여서 붙이려는 시도를 하면 납이 둥글게 뭉치거나 뾰족뾰족 솟아오르고 납땜패드와 부품의 리드(다리)에 정상적으로 납땜이 되지않습니다. 이러한 현상을 냉납(Cold Joint)라고 합니다. 

 

계절별 리튬폴리머배터리 관리요령

 

배터리, 화학전지란? 

화학전지는 화학반응을 일으켜 전기를 얻는 장치를 ㅁ라합니다. 우리가 흔히 알고 있는 배터리, 건전지 등은 이 화학 전지를 말합니다. 화학전지는 크게 1차전지, 2차전지, 연료전지 3가지로 나뉘며, 이에 대한 것은 아래에서 자세히 다루도록 해볼게요.

 

화학전지의 원리 

화학전지는 화학반응을 일으켜 전기에너지를 발생시키는 장치를 말합니다. 그러면 화학반응은 일으킬까요? 반응성이 다른 두 금속을 전해질에 담그고 두 금속을 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 됩니다. 반응성이 큰 금속이 이온화 되면서 전해액에 녹고, 이 때 발생하는 전자가 이동하여 전류가 형성되기 때문입니다. 

이렇게 전극과 전해액으로 구성되는 완벽한 전자를 '셀(Cell)'이라고 하며 셀의 전압 크기는 사용된 화학재료(전해액, 금속)에따라 달라집니다. 하나의 셀은 화학재료에 따라 대부분 1.2V, 1.5V, 2.0V, 3.7V의 전압을 갖으며 6V, 9V, 12V등의 배터리에는 이러한 셀 여러개가 직렬로 연결되는 것입니다. 

 

-직렬연결: 전지 여러개를 서로 다른 극끼리 연결하는 방법 

-병렬연결: 전지 여러개를 같은 극끼리 연결하는 방법 

 

배터리의 종류

배터리는 기준에따라 여러 분류로 나눌 수 있찌만, 이 글에서는 배터리의 특성을 기준으로하여 배터리의 종류에 대해 알아보려합니다. 화학 전지는 특성에 따라 1차전지, 2차전지, 연료전지 이렇게 3가지로 분류됩니다.

 

1차전지: 한번 사용하고 버리는 일회용 전지

1)기전력이 크고 일정한 전압이 오랫동안 유지됩니다.

*기전력이란? 전지가 나타내는 최대전압

2)자기방전이 적음(가만히 두어도 용량이 줄지않습니다.)

3)가볍고 저렴함(배터리용량이 작음.)

4)내부저항이 작음 

대표적인 1차전지의 종류는 알칼라인 전지, 망간전지, 탄소아연 전지가 있습니다. 

 

2차전지: 여러번 충전하여 사용할 수 있는 전지

1)한번쓰고 버리는 1차전지에 비해 여러번 충전하여 사용이 가능합니다.

2)수거, 재활용이 불 필요하며 비교적 친환경적입니다.

3)다양한 모양, 크기의 전지가 있습니다.

4)1차 전지에 비하여 용량이 큽니다.

대표적인 2차전지의 종류는 나트륨유황 전지, 납 축전지, 니켈카드뮴, 니켈수소, 리튬이온, 리튬이온 폴리머가 있습니다.

 

연료전지: 물(H20)을 전기로 분해하면 수소(H2)와 산소(0)으로 나뉘어집니다. 연료전지는 이러한 성질을 역 이용하여, 수소(H2)와 산소(0)에서 전기에너지를 얻어냅니다. 중금속을 사용하는 전지와는 다르게 수소, 산소가 주재료이기 때문에 무공해, 친환경적입니다. 차세대 친환경적인 에너지원으로 개발 중이지만 문제점이 많아 실용적이지 않습니다. 

 

배터리(전지)에대한 보충 설명 

 

탄소아연전지: 주 재료로 음극은 아연, 양극은 탄소, 전해액으로는 염화 암모늄 혹은 염화아연을 이용합니다. 저렴하지만 용량이 적습니다.

 

망간전지: 주 재료로 음극은 아연, 양극은 망간, 전해액으로는 염화아연, 염화 암모늄 등을 이용합니다. 마찬가지로 저렴하지만 용량이 적습니다.

 

알칼라인 전지: 망간 전지와 같은 주 재료에서 전해액을 바꾸어줌으로써 알칼라인 전지가 탄생합니다. 약산성 이온전도도가 높은 강알칼리성(수산화 칼륨 수용액)을 사용합니다.

 

납 축전지: 차량용 배터리 대부분이 납축전지이고 2V의 납축전지 6개를 직렬연결하여 12V로 사용하며 완전 방전되면 수명이 대폭 떨어집니다.

 

니켈카드뮴 전지: 주재료로 니켈과 카드뮴을 사용합니다. 저항이 작아 큰 전류를 필요로 하는 곳에 주로 쓰이고 600mAh와 1600mAh가 주종입니다.

 

리튬이온 전지: 주재료로 양극에 리튬산화물질, 음극에 탄소를 사용하며 전해액은 휘발유보다 잘 타는 유기성 물질로 구성되어있습니다. 요즈음 대부분의 휴대기기에 들어가는 배터리로 가장 우수한 성능의 배터리입니다. 자기방전, 메모리 효과가 거의 없으며, 용량과 기전압, 온도특성이 아주 우수합니다. 하지만 전해액이 유기성 물질이라 폭발 위험성이 있습니다. 

 

리튬이온폴리머 전지: 리튬이온전지의 폭발위험성이있는 전해질을 고체상태의 전해질(폴리머)로 변경한 전지입니다. 액체 전해질(리튬이온 전지)에 비해 이온 전도율, 온도특성, 수명이 떨어진다는 단점이 있으나 안전하고, 작고 원하는 형태로 만들 수 있다는 장점이 있습니다. 휘어지거나 얇거나 하는 형태로 만들어 핸드폰, 노트북 등의 휴대기기에 사용할 수 있어 차세대 배터리로 주목받고 있습니다. 

 

메모리(Memory): 기억효과란? 

방전(0%)되지 않은 상태에서 충전을 하게되면, 전기가 남아있음에도 불구하고 충전기가 방전(0%)상태로 기억하여 최초의 배터리 용량보다 적은 용량을 배터리 용량으로 인식하게됩니다. 메모리 효과가 있는 배터리는 완전 방전 후 재충전 하는 것이 가장 이상적인 충전방법입니다. 

배터리용량 계산 및 단위 알아보기 

배터리 용량은 암페어시(Ah:A/H)혹은 더 작은 값인 밀리암페어시(mAh)로 나타냅니다. (1Ah=1000mAh)

Ah=I(전류) x T(전류가 흐르는 시간)을 나타내며 바꾸어 말하면 T= Ah/I가 될 수 있습니다. 간단하게 예를 들자면, 4Ah 배터리는 1A의 전류를 4시간동안 흘릴 수 있으며, 4A의 전류는 1시간 동안 흘릴 수 있습니다. 

 

배터리 사용시 주의사항 알아보기 

1)양극의 접촉으로 인한 과열 및 화재 발생 

양극이 접촉하게 되면 과열되거나 폭발로 인해 화재가 발생할 수 있습니다. 예를들면 자동차 배터리를 풀다가 스패너가 극에 맞닿아 펑소리와 함께 스파크가 튀는 경우가 많이 발생합니다.

2)잘못된 충전방식으로 인한 성능의 저하 

두가지 경우가 있습니다. 메모리 효과가 있는 배터리를 방전시키지 않은 상태에서 충전시키는 경우와 과충전(과전류)를 하는 경우입니다. 

3)납축전지, 리튬배터리의 완전 방전 

납축전지와 리튬배터리는 완전 방전시 수명이 대폭 떨어진다는 단점이 있습니다. 잘못하면 산지 하루만에 폐기해야하는 경우도 발생하니 주의해야할 필요가있습니다.

4)배터리의 환경오염

니켈, 망간 등의 배터리는 인체에 매우 해로운 중금속을 포함하고 있습니다. 수은과 카드뮴은 기형을 불러일으킬 정도로 매우 강력하며 이러한 중금속은 인체에 유입되면 쉽게 배출되지않고 축적되므로 매우 주의해야합니다.

5)불충분한 전류 보급 

배터리는 화학반응으로 전기를 생산해냅니다. 하지만 온도가 낮을경우 화학반응이 천천히 일어나게되며, 충분한 전기를 만들어내지 못합니다. 겨울철 차의 시동이 잘 걸리지 않는 것도 이러한 원리에 속합니다. 

6)잘못연결한 극성

배터리를 연결할 때 극성을 잘못 연결하게 된다면, 영구적인 손상을 입을 수 있습니다. 퓨즈나 차단기가 이러한 상황을 방지하지만 결과는 보장할 수 없으니 주의해야합니다. 

 

리튬폴리머 배터리의 이해와 방전률 C에대한 이해 

11.1V 2200mAh 30C

11.1V 2200mAh 55C

 

리튬폴리머 배터리를 구입할 때 같은 전압, 같은용량의 배터리어도 방전률이 높을수록 가격이 달라집니다. 방전율은 보통 C라고 표시하는데 1C는 배터리의 용량을 1시간에 방전한다는 의미로 해석할 수 있습니다. 

 

물통크기=배터리용량(mAh)

물통입구=방전율(C)

 

방전율이 높을수록 한꺼번에 많은 전류를 쏟아낼 수 있습니다. 방전율이 높은 배터리는 보통 전류를 많이 잡아먹는 대형 모터에 많이 사용됩니다. 1C는 리튬폴리머 배터리가 예를들어 1000mAh일때, 1A(자기용량)으로 방전할 경우 1시간을 유지할 수 있습니다. 만약 10C배터리면 그 10배인 10A로 방전한다는 의미이고, 1시간의 1/10인 6분 정도 유지됩니다. 배터리가 같은 용량일 때, 방전율이 높으면 높을수록 유지기간을 짧아집니다. 리튬폴리머 배터리의 선택은 어떤 모터를 사용하느냐에 따라서 그 선택이 바뀌게 됩니다. 예를들어 배터리가 2000mAh 20C제품이라며, 2A*20C=40A이므로 순간 전류가 40A정도 흘러도 버텨줄 수 있음을 의미하고 모터에는 각각 순간 전류와 최대 사용전류가 적혀있기 때문에 각 사양을 확인하셔서 모터에 맞는 적절한 배터리를 선택하시면 됩니다. 

 

겨울철 배터리 관리요령 

배터리에 표기하는 방전율은 상온(25ºC)일때의 기준이고 배터리 온도가 영하로 떨어졌을때는 표기된 방전율에 10%대로 떨어지는 경우가 발생하기도 한답니다. 물론 가용 용량도 저하가 되겠지만요. 저온시 가용 용량 저하보다 방전율 저하가 더 비행능력에 악영향을 끼치게됩니다. 추운날 갑자기 드론이 추락한다거나 이륙후 얼마 안되어서 배터리 경고와 비상착륙을 한다던지 한다면 저온으로 인한 배터리 방전효율이 급감해서 발생된 현상이라고 판단됩니다. 겨울철 배터리 관리의 핵심포인트는 배터리 자체 온도유지 입니다. 충전시에도 상온에서 충전해야 100%충전이 보장되며 사용전, 기체에 장착하기전에도 배터리 온도를 상온으로 유지를 시켜줘야 배터리 성능의 100%를 사용할 수가 있습니다. 만일 저온으로 보관되는 배터리를 바로 사용해야한다면 기체에 장착하고 워밍업을 시켜서 배터리 온도를 상온의 온도까지 끌어올려서 사용해야합니다. 

 

여름철 배터리 관리요령

반대로 여름철에 배터리를 관리하는데는 배터리를 4.2V까지 만충시킨 후 비행을 위해 더운 곳에 가져가면 30도이상 올라가는 기온에 오래방치할 경우 부풀어 오를 가능성이 조금 더 커진다고 합니다. 충전시보다 만충후 온도가 많이올라가면 내부의 화학물질의 운동이 활발해져 이미 Full로 차 있는 배터리에 충전을 조금 더 시킨 것과 비슷한 고통을 배터리가 받게됩니다. 이때 내부에 가스가 발생하고 부풀어오르게되죠. 이런 경우를 예방하기위하여 여름철에는 충전 전압의 셋팅을 4.2V가 아닌 4.15V또는 그 이하로 조금 낮게 설정을 하여 충전을 하는 것이 도움이 더 됩니다.