정원 가꾸기 장비를 위한 전기화 및 회로 보호 설계: 진화하는 정원 가꾸기 장비의 새로운 안전 과제

진화하는 원예 장비와 변화하는 글로벌 시장

이 글을 읽는 독자 중 일부는 여가 시간을 정원 가꾸기에 즐긴다고 생각할 수 있으며, 이를 위한 다양하고 유용한 도구와 장비가 있습니다. 특히 북미에서는 정원 가꾸기 장비를 쉽게 구할 수 있으며, 잔디밭이 잘 관리된 주택을 흔히 볼 수 있습니다. 북미의 주택 잔디 관리 관행은 중세 유럽 귀족들의 정원에서 유래했다고 합니다. 이러한 유럽식 정원 문화는 18세기와 19세기에 부유한 미국인들에게 전파되었고, 제퍼슨 대통령은 몬티첼로에 있는 자신의 저택에서 이를 받아들였습니다. 정원 가꾸기 장비는 오랫동안 전 세계적으로 잔디 깎기, 가지치기, 토지 평탄화와 같은 야외 작업에 필수적인 도구로 사용되어 왔습니다. 동력 정원 가꾸기 장비는 19세기 후반과 20세기 초에 경량 증기 엔진과 가솔린 엔진으로 구동되는 잔디 깎는 기계 형태로 등장했습니다. 1920년대에는 다양한 회사에서 신제품이 출시되고 대량 생산이 시작되었으며, 1930년대에는 전기톱, 동력 낫 등이 시장에 출시되었습니다. 잔디 깎는 기계와 정원 호스가 보급되고 골프가 인기를 끌면서 일반 대중도 원예를 할 수 있게 되었고, 롱아일랜드 레비타운 교외에 잔디밭이 있는 단독 주택이 늘어서면서 미국 꿈의 새로운 상징이 탄생했습니다.

배터리 구동 공구는 1961년 블랙앤데커(Black & Decker)가 미국에서 니켈카드뮴(NiCad) 배터리 구동 무선 드릴을 개발하면서 시작되었습니다. 보쉬(Bosch)는 1969년 배터리 구동 헤지트리머(hedge trimmer)를 출시했고, GE의 일렉트랙(Elec-Trak) 전기 트랙터는 1969년에서 1975년 사이에 출시되었으며, 1959년에서 1962년 사이에는 배터리 구동 잔디깎이 시제품이 출시되었습니다. 배터리 기술이 니켈-카드뮴에서 니켈-금속 수소화물, 그리고 리튬-이온으로 발전함에 따라 2000년대에는 배터리 중심 장비 브랜드들이 등장했고, 현재는 전문가용으로도 널리 사용되고 있습니다.

그 전에는 가솔린으로 구동되는 장비가 시장을 장악했는데, 전기에 접근할 수 없는 넓은 지역에서도 높은 출력을 낼 수 있는 능력으로 높이 평가받았습니다.

이러한 가솔린 동력 공구는 휴대성과 손쉬운 조작을 강조한 디자인을 특징으로 하며, 아시아, 북미, 유럽의 농업 및 원예에 널리 사용됩니다. 잔디 깎는 기계, 전기톱, 낙엽 송풍기 등은 농업, 원예, 그리고 도시 녹지 관리에 매일 사용됩니다.

최근 글로벌 시장에서 원예 장비 수요의 변화를 확인할 수 있습니다. 전 세계 원예 장비 시장은 2024년 약 1,022억 달러였으며, 2031년에는 연평균 6.3%의 성장률을 기록하며 약 1,559억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

이러한 성장에는 여러 요인이 있습니다. 하나는 도시 지역에 주택 개발과 옥상 녹화가 확대되면서 가정 정원이나 좁은 공간에서 사용할 수 있는 소형 장비에 대한 수요가 증가하고 있다는 것입니다. 또 다른 요인은 채소밭과 야외 활동을 즐기는 DIY 애호가들이 늘어나고 있으며, 조작과 유지 보수가 간편한 전기 제품을 선호한다는 것입니다. 마지막으로, 스마트 센서와 배터리 기술의 발전은 로봇 잔디깎이와 같은 첨단 제품의 출시와 제품 단가 상승을 촉진하고 있습니다.

지역별로는 북미가 가장 큰 시장을 보유하고 있으며, DIY 문화가 강해 전기 및 IoT 제품의 빠른 도입을 촉진하고 있습니다. 반면 아시아 태평양 지역은 도시화 및 소득 수준 향상과 함께 원예에 대한 관심이 증가함에 따라 가장 높은 성장률(7.9% CAGR)을 기록할 것으로 예상됩니다.

전 세계적으로 원예 장비 시장이 성장함에 따라 고객이 기대하는 성능과 기능에도 변화가 나타나고 있습니다. 특히 전기화의 진전은 온실가스 배출과 같은 환경적 영향을 고려한 회로 설계, 안전, 그리고 제품 설계에 대한 관심을 높이고 있습니다. 다음 장에서는 가솔린 동력 공구의 주력 제품인 2행정 엔진의 장점과 과제를 살펴보겠습니다.
출처: Data Bridge Market Research “글로벌 원예 장비 시장 – 2031년까지의 산업 동향 및 예측”

2행정 엔진의 장점과 과제

많은 가솔린 동력 원예 도구는 2행정 엔진으로 구동됩니다. 이러한 엔진은 구조가 간단하고 무게가 가벼우며 크기에 비해 출력이 높다는 장점 때문에 예초기나 전기톱과 같은 휴대용 장비에 자주 사용됩니다.

2행정 엔진은 피스톤의 두 행정(한 바퀴 회전)으로 연소 사이클의 흡입, 압축, 출력, 배기 단계를 완료합니다. 따라서 엔진 회전당 높은 출력 밀도를 얻을 수 있어 소형 장비에 적합합니다. 반면, 4행정 엔진에 비해 연비가 낮고 미연소 가스 배출량이 더 많은 경향이 있습니다.

또한, 2행정 엔진은 오일과 가솔린을 혼합하여 연료로 사용하기 때문에 사용자가 직접 연료 혼합물을 준비해야 합니다. 연료 비율이 올바르지 않으면 카본 축적이나 엔진 고착으로 이어질 수 있으므로 정기적인 유지 관리에는 어느 정도의 지식과 주의가 필요합니다.

배기가스 배출, 연료 관리의 어려움, 그리고 환경 관련 성능 문제 등으로 인해 2행정 엔진은 현재 환경 규제 준수라는 과제에 직면해 있습니다. 특히 도시 및 주거 지역에서 사용되는 제품들은 소음과 배기가스 배출을 줄이는 데 더욱 중점을 두고 있습니다.

배출 규제 및 시장의 변화

2행정 엔진이 직면한 과제 중 하나는 환경 영향입니다. 2행정 엔진은 구조적으로 연료 연소 효율이 낮고, 미연소 연료와 오일을 배출하여 대기 오염과 자극적인 냄새를 유발하는 경향이 있습니다.

그 결과, 여러 국가에서 배기가스 배출에 대한 규제가 점점 더 엄격해지고 있습니다. 특히 유럽에서는 엄격한 환경 보호 기준이 조기에 도입되어 정원 도구와 같은 소형 엔진을 장착한 장비에도 적용됩니다. 예를 들어, 유럽 연합(EU)은 질소산화물(NOx)과 탄화수소(HC)의 배출 한도를 정하는 5단계 기준을 시행했습니다.

최근 몇 년 동안 정원 도구와 같은 소형 엔진 장비에 대한 배출 규제는 전 세계적으로 점점 더 엄격해지고 있습니다. EU에서는 비도로 이동식 기계(NRMM) 규정을 통해 엔진 유형에 대한 승인 절차를 정의하고 다양한 출력 범위와 용도에 대한 배출 기준을 수립했습니다. (* 비도로 이동식 기계 - 유럽 위원회)

미국에서는 환경보호청(EPA)이 소형 스파크 점화 엔진에 대한 배출 기준을 설정하여 2011년과 2012년부터 단계적으로 시행해 왔습니다. 이 규정은 배기가스 배출뿐만 아니라 연료 시스템 부품의 증발 연료 배출도 다룹니다. (* 선박용 스파크 점화 엔진 배출 규정 | 미국 EPA)

국제적인 규제 강화 추세에 발맞춰, 원예 장비 제조업체들은 엔진 출력을 최적화하고 환경 영향이 적은 모델을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 또한, 더 많은 기업들이 고출력 전기 모델로 적극적으로 전환하고 있습니다.

가솔린과 전기 장비 비교: 장단점

환경 규제와 시장 변화로 인해 원예 장비의 전기화가 촉진되고 있지만, 모든 가솔린 동력 장비를 전기 모터로 즉시 교체할 수 있는 것은 아닙니다. 가솔린 공구와 전동 공구는 각자의 장단점을 가지고 있습니다.
가스 동력 장비의 가장 큰 장점은 높은 출력과 긴 작동 시간입니다. 충분한 연료가 공급되면 장시간 작업이 가능합니다.

반면, 연료 혼합물은 취급 시 주의가 필요합니다. 오일과 일반 휘발유는 올바른 비율로 혼합해야 하며, 휘발유는 시간이 지남에 따라 증발하고 품질이 저하되기 때문에 연료 혼합물의 유통기한이 짧습니다. 품질이 저하된 연료 혼합물을 사용하면 엔진 시동이 어려워지고 기화기와 연료 필터가 막힐 수 있습니다. 또한, 휘발유로 작동하는 공구는 보관 시 지속적인 관리가 필요합니다. 보관 상태가 좋지 않아 물이 엔진에 스며들면 사용 중 엔진이 눌어붙을 수 있습니다. 휘발유로 작동하는 원예 장비의 유지 관리 및 준비에는 시간과 노력이 많이 듭니다.

전기 장비의 장점은 사용이 간편하다는 것입니다. 버튼 하나만 누르면 작동하고, 유지 관리도 간편합니다. 연료를 혼합할 필요가 없다는 점도 초보자와 가정 정원사에게 큰 장점입니다.

그러나 배터리 용량이 부족하면 작업 시간이 제한될 수 있으며, 고부하 작업이 어려워질 수 있습니다.

가솔린과 전력은 각각 장단점이 있습니다. 현재 현실적인 해결책은 각 작업에 적합한 도구를 선택하는 것입니다.

전기식 정원 장비의 현재 상황 및 기술적 과제

전기식 원예 장비는 사용성과 환경 성능 측면에서 많은 장점을 가지고 있지만, 아직 기술이 완전히 개발되지 않았습니다. 특히 고하중 작업이나 특정 유형의 작업에서는 몇 가지 과제가 여전히 남아 있습니다.

최근 몇 년 동안 36V 및 80V와 같은 고전압 리튬 이온 배터리 팩을 탑재한 제품이 출시되어 전체 출력이 향상되었습니다. 이러한 출력 향상으로 인해 한때 가솔린 동력 장비가 필요했던 작업에 전동 공구를 사용할 수 있게 되었습니다. 하지만 고전압만으로는 모든 작업이 가능하지 않습니다.

예를 들어, 나무줄기와 두꺼운 가지를 자르거나 빽빽하게 자란 덤불을 제거하는 작업은 고부하 작업으로, 전기식 모델의 출력 제한 장치가 작업 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 장비를 계속 작동시키면 배터리와 모터 과열 위험이 증가할 수 있으므로, 많은 제품에는 손상을 방지하기 위해 시스템을 자동으로 종료하는 안전 기능이 내장되어 있습니다. 또한, 배터리 용량이 부족하면 작업 도중 장비의 배터리가 방전되어 예비 배터리로 전환해야 할 수도 있습니다.

작업 환경과 작업 유형에 따라 전기식 정원 장비가 최적으로 작동하지 않을 수 있다는 점을 이해하는 것이 중요합니다.

따라서 예상치 못한 오작동이 발생하더라도 안전을 보장하는 설계는 사용자의 신뢰를 얻는 데 필수적입니다.

안전 설계에서의 회로 보호 및 표준 준수

원예 장비가 가솔린에서 전기로 전환됨에 따라 전기 회로 안전에 대한 새로운 과제가 대두되었습니다. 배터리로 작동하는 제품의 전원 시스템에 문제가 발생하면 과전류, 단락, 과열, 그리고 최악의 경우 화재와 같은 위험이 발생할 수 있습니다.

이러한 위험을 해결하려면 회로를 안정적으로 차단할 수 있는 설계가 필수적입니다. 이는 더 이상 단순한 부가가치를 넘어 국제 안전 표준 준수를 위한 필수 조건이 되고 있습니다.

예를 들어, UL 62841-1은 전기 장비 및 원예 장비를 포함한 소형 모터 구동 장비에 대한 안전 표준입니다. 이 표준은 오작동 발생 시 내부 회로를 물리적으로 분리하도록 규정합니다. 또한, UL 62133과 국제 IEC 62133 표준은 리튬 이온 배터리를 사용하는 기기의 "정상 충전 중(지정된 작동 영역 내)" 작동 조건을 정의하고, 해당 한계를 초과하는 조건에 대한 대책을 요구합니다.
이러한 표준은 다음과 같은 세포에 대한 조건을 설정합니다.

• • 개방 회로 전압은 시험 전 전압의 최소 90%로 유지됩니다.
• 표준 충전 및 재충전 테스트를 준수합니다.
• • 셀 통풍구 손상 없음

또한, 표준은 부품이 파손되어도 발화하지 않는 설계를 요구합니다. 예를 들어, 부품 고장으로 인해 과충전이 발생하는 경우, 셀 전압은 150mV를 초과해서는 안 되며, 초과하는 경우 재충전이 영구적으로 차단되어야 합니다.

인클로저 압력 시험 및 기계적 강도 시험과 같은 시험은 물리적 또는 전기적 오작동 후 안전성이 보장되는지 평가하며, 회로 보호 부품의 선택은 제품이 표준을 준수하는지 여부에 직접적인 영향을 미치는 중요한 설계 요소입니다.

다시 말해, 보호 설계는 일반적인 사용 조건에서 성능을 제공할 뿐만 아니라, 오작동이 발생할 경우 안정적으로 분리하여 2차 피해를 방지해야 합니다.

SCP가 원예 장비의 회로 보호 부품으로 선택된 이유는 무엇입니까?

전기 원예 장비의 보급으로 제품 안전과 신뢰성을 지원하는 회로 보호 부품의 선정이 설계 과정에서 핵심 요소가 되었습니다. 특히 고출력, 고전압 리튬 이온 배터리로 구동되는 장비의 경우, 고장 시 정전 방지는 물론, 통합의 용이성과 장기적인 신뢰성이 요구됩니다.

덱세리얼즈는 원예 장비와 같은 실외 제품의 위와 같은 요구를 해결하기 위해 개발된 표면 실장 퓨즈인 SCP(자체 제어 프로텍터)를 제공합니다.
SCP는 다음과 같은 특징이 있습니다:

• 영구 단선: 오작동 시 회로를 물리적으로 차단
  SCP는 과충전이나 과전류와 같은 고장 발생 시 회로를 물리적으로 차단하는 영구 분리형 퓨즈입니다. 고장이 감지되면 배터리 사용을 방지합니다.
  
• 저저항 설계: 빠른 충전 및 전력 효율성 지원
  SCP는 전류가 흐를 때 저항이 낮아 고출력 작동과 빠른 충전이 가능하도록 설계되었습니다. 최근 몇 년 동안 사용자 편의성을 높이기 위해 더 많은 원예 도구에 빠른 충전 기능이 추가되고 있으며, SCP는 이러한 회로 설계를 지원할 만큼 유연합니다.
  
• 퓨즈 용융 곡선 제어: 셀 성능을 최대한 활용할 수 있습니다.
  SCP 구조는 오작동 발생 시 내부 히터를 작동시켜 즉시 분리할 수 있습니다. 이 퓨즈 용융 곡선 제어 기능은 퓨즈 사양에 관계없이 셀 성능을 최대한 활용하는 설계를 가능하게 합니다. 이를 통해 일시적으로 높은 부하가 걸리는 작업에서도 셀의 잠재력을 최대한 활용하는 설계를 구현할 수 있습니다.

원예 장비는 실외에서 사용하도록 설계되었기 때문에 고온, 고습, 진동, 충격, 먼지 등 다양한 환경적 스트레스에 노출됩니다.

SCP는 과충전이나 과전류 등의 오작동 발생 시 회로를 차단하여 배터리가 위험한 상태에 도달하는 것을 방지하는 표면 실장 퓨즈 소자입니다.
덱세리얼즈의 SCP는 리튬 이온 배터리로 구동되는 원예 장비의 안전성을 향상시키는 데 사용되며 매년 수요가 계속 증가하고 있습니다. SCP의 작동 원리에 대한 자세한 내용은 이 문서를 참조하세요: (2차 보호 고전류 리튬 이온 배터리를 위한 요소 기술)

원예 작업에 사용되는 장비가 가솔린에서 전기로 전환됨에 따라 안전성을 고려하고 새로운 설계 과제를 해결해야 할 필요성이 커지고 있습니다.

원예 장비에 회로 보호 설계는 필수적입니다. 이는 높은 성능을 제공할 뿐만 아니라 리튬 이온 배터리가 고장날 경우 작동을 안전하게 중단하기 위해서도 필요합니다.

원예 장비 시장이 지속적으로 성장함에 따라, 덱세리얼(Dexerials)의 셀프 컨트롤 프로텍터(SCP) 표면 실장 퓨즈는 사용자의 안전과 안심에 기여할 것입니다.

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