[논문]배터리없는 무선 스위치를 위한 에너지 하베스팅 메커니즘의 특성 연구

최연석

doi:10.5762/kais.2014.15.5.3114

초록
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산업현장에서 사용되는 무선 비상호출 스위치의 성공적인 운영을 위해서는 지속적인 전원의 공급이 이루어져야 한다. 본 논문은 배터리가 필요 없는 무선 스위치에 적용할 수 있는 전자기 유도방식의 초소형 에너지 하베스팅 메커니즘 개발 및 구현된 메커니즘의 성능 실험 결과를 보여주고 있다. 연구결과로 단 방향 누름 동작과 2mm 이동거리의 제한조건 내에서, 유도기전력을 생성하는 새로운 메커니즘이 제시됐다. 또한, 구현된 메커니즘의 전자기 유도 발전 출력 성능 실험결과로 VDC $4.5V{\pm}25%$(도달시간 1.2msec), 2.5V 이상 전압의 발전시간이 65ms가 됨을 보여주고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Wireless emergency call switch used in industry, the most important thing is the sustainable power supply. This paper describes the development and performance test results of a compact electromagnetic energy harvesting mechanism for batteryless wireless switch. This paper summarizes proposed struct...

Wireless emergency call switch used in industry, the most important thing is the sustainable power supply. This paper describes the development and performance test results of a compact electromagnetic energy harvesting mechanism for batteryless wireless switch. This paper summarizes proposed structure design and magnetic field analysis results of the mechanism to generate an induced electromotive force using 2mm stroke of a single push action. This analysis results show the power output of the proposed mechanism up to VDC $4.5V{\pm}25%$ and it can hold up to 65ms of the power generation with greater than 2.5V.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 배터리가 필요 없는 무선 통신 스위치를 위한 전자기유도방식의 초소형 에너지 하베스팅 메커니즘 개발 및 성능 실험에 관한 연구결과를 보여주고 있다. 우선, 단방향 누름 동작과 2mm의 이동거리라는 제한조건 내에서, 유도기전력을 생성하는 초소형 하베스팅 메커니즘 구조를 제안하였으며, 그에 대한 자계 해석 결과를 제시하였다.
본 연구에서는 3차원 자계 모델링 시뮬레이션 해석을 수행함으로써 설계되어진 메커니즘의 자계 특성변화를 관찰하였다. 3D Maxwell 해석을 위하여 사용된 재료 성질은 철심 재질 (steel 1008) , 자석 재질 (Shinetsu N36SH)이다.

제안 방법

자성체1이 잘 작동할 수 있도록 지지하는 역할과 동시에 코일을 감을 수 있도록 한 Housing은 다음 그림과 같이 두 개의 부품으로 이루어져 있다. 각각의 부품들은 간단한 사출 금형을 제작함으로서 생산을 할 수 있게 설계 하였으며 Fig. 2에 그 결과를 도시하였다.
반대로 가동자 자성체 1 상판의 좌측 끝부분을 눌러서 아래로 내리게 되면 자성체 1의 우측 부분은 S극으로 자회된 하측 자성체 2와 접촉하게 되며, 좌측 부분은 N극으 로 자회된 상측 자성체 2와 접촉하게 되어 결국 코일 내부 영역에서 자성체 1의 왼쪽은 N극, 오른쪽은 S극을 띄게 되어 가동자 자성체 1을 상측 자성체와 하측 자성체의 간격 거리정도의 최소 스트로크로 움직여서 자장의 변화가 발생되도록 하였다.
본 연구에서는 정지 시 자계 해석을 위하여 ANSYS Maxwell 3D 전자계 해석 프로그램을 이용하여 자계의 분포와, 자속 벡터의 흐름에 대해 해석을 진행 하였으며, 주어진 메커니즘을 해석 가능한 모델로 간략화하기 위하여 플라스틱 보빈의 경우 물질의 특징이 자장과 무관하여 자계해석에 영향을 주지 못하는 사실적 사항을 반영하여 보빈이 제거된 모델을 수립하였고, 수립된 모델을 기준으로 3차원 자계특성 해석을 수행하였다. 또한 자계 해석툴 상에서는 가동자가 철심에 접촉한 상태로는 해석이 매우 난이 하여 최대한 접촉에 근접하는 근사치 관점으로 자계 해석을 진행하였다.
본 논문은 배터리가 필요 없는 무선 통신 스위치를 위한 전자기유도방식의 초소형 에너지 하베스팅 메커니즘 개발 및 성능 실험에 관한 연구결과를 보여주고 있다. 우선, 단방향 누름 동작과 2mm의 이동거리라는 제한조건 내에서, 유도기전력을 생성하는 초소형 하베스팅 메커니즘 구조를 제안하였으며, 그에 대한 자계 해석 결과를 제시하였다.
코일 중앙으로 흐르는 자기장의 방향을 바꿔주는 역할을 하는 자성체1, 자성체2는 1.5mm 두께의 자성 판재로 제작하는데 소량 생산 시에는 Laser cutting으로 제작 할 수 있고, 대량 생산 시에는 간단한 프레스 금형을 제작하여 생산할 수 있도록 설계하였으며 Fig. 3에 그 결과를 도시하였다.
코일 중앙으로 흐르는 자기장의 방향을 바꿔주는 역할을 하는 자성체1이 Housing 안에서 움직이는 작동 범위는 수평면을 기준으로 위, 아래 각각 최대 2.5°씩 총 5° 이내에서 움직이도록 설계 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 3차원 자계 모델링 시뮬레이션 해석을 수행함으로써 설계되어진 메커니즘의 자계 특성변화를 관찰하였다. 3D Maxwell 해석을 위하여 사용된 재료 성질은 철심 재질 (steel 1008) , 자석 재질 (Shinetsu N36SH)이다. 해석을 위한 3D 해석 모델은 2장에서 설계되어진 에너지 하베스팅 메커니즘에 대한 것으로, Fig.
본 연구에서 상기의 자성체 극성 변화 개념을 적용하여 구현한 메커니즘의 주요 구성 부품들은 자석(magnet) 과 코일(coil), 하우징(housing), 자성체(magnet material, plate)로 구성되어있다. 그리고 각각의 부품은 저렴한 가격에 손쉽게 제작할 수 있도록 설계하였으며 각 부품들에 대한 주요 사항을 정리하면 다음과 같다.
자기장방향 전환방식 발전 모듈에 사용한 자석은 크기가 10mm x 5mm x 2mm, 흡착력이 8.5N (0.87kgf) 이며, 표면 자속밀도는 3000～3200 G이다.
3D Maxwell 해석을 위하여 사용된 재료 성질은 철심 재질 (steel 1008) , 자석 재질 (Shinetsu N36SH)이다. 해석을 위한 3D 해석 모델은 2장에서 설계되어진 에너지 하베스팅 메커니즘에 대한 것으로, Fig. 4에 있는 구성요소들을 살펴보면, 영구자석 1개, 영구자석 상측 과 하측 면에 접촉되는 자성체 2(고정자 철심) 2 개, 자성체 2 와 코일 내부 공간을 시소 운동하는 자성체 1(가동자 철심) 1개, 코일 및 코일이 감겨지는 하우징(플라스틱 보빈)으로 이루어져 있다.

데이터처리

본 연구에서는 정지 시 자계 해석을 위하여 ANSYS Maxwell 3D 전자계 해석 프로그램을 이용하여 자계의 분포와, 자속 벡터의 흐름에 대해 해석을 진행 하였으며, 주어진 메커니즘을 해석 가능한 모델로 간략화하기 위하여 플라스틱 보빈의 경우 물질의 특징이 자장과 무관하여 자계해석에 영향을 주지 못하는 사실적 사항을 반영하여 보빈이 제거된 모델을 수립하였고, 수립된 모델을 기준으로 3차원 자계특성 해석을 수행하였다. 또한 자계 해석툴 상에서는 가동자가 철심에 접촉한 상태로는 해석이 매우 난이 하여 최대한 접촉에 근접하는 근사치 관점으로 자계 해석을 진행하였다.

이론/모형

그리고 기전력의 크기는 자기장의 세기와 회전 도체의 길이 및 자기장과 회전 도체의 상대적 속도에 비례하며 그 방향은 플레밍의 오른손 법칙에 따른다.

성능/효과

성능 측정결과, 3N이하의 작력으로 2mm이하의 이동 거리를 가지는 기계 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 메커니즘의 발전 출력성능은 VDC 4.5V±25%(도달시간 1.2msec), 2.5V이상 발전시간은 65ms임을 보여주었다.

후속연구

결론적으로, 본 연구는 전자기 유도방식의 에너지 하베스팅 메커니즘을 이용하여 배터리가 필요 없는 소형 IT통신기기(USN모듈, RF통신 모듈)들의 구현이 가능함을 제시하였으며, 무선센서 네트워크 분야 및 자동화 분야에서 자가발전 기기의 시장창출에 기여할 거라 사료된다.
누름 동작을 사용하는 각종 소형 무선방식의 IT 기기 들을 무전원 통신기기로 제작하기 위해서는 평균 3 ~ 5N 정도의 약한 작력에 구동되며, 압전소자와 같은 부가적 인 요소들을 사용하지 않는 경제적인 에너지 하베스팅 메커니즘이 요구된다. 또한, 소형화된 구조를 위해 최소한의 변위 안에서 기계적 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 전자기유도방식 메커니즘에 대한 연구가 필요하게 된다.
향후에는 압전 하베스팅 기술을 적용한 메커니즘 연구 및 전자기 유도방식의 에너지 하베스팅 메커니즘의 발전 출력 성능을 향상시키는 연구를 진행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선센서 네트워크의 특징은?	무선센서 네트워크(WSN) 환경에서 요구되는 각종 센서 및 소형 제어모듈들을 네트워크로 연결할수록, 지속적인 망 운영을 위하여 통신을 담당하는 각 WSN 노드들 의 전원관리가 핵심 성공요소가 되고 있다. 그러므로 WSN이 확산되는 정보 통신 패러다임 내에서는 배터리를 사용하지 않는 자가발전 기술이 사회적, 경제적 측면에서 더욱더 중요한 위상을 가지게 될 전망이다.
	랙 앤 피니언 방식의 장단점은?	그러나 이 방식은 상부 구조에 운동 변환 메커니즘을 위한 공간이 요구돼 필요한 전력을 얻으며 소형화하기가 어렵다. 또한, 랙 앤 피니언 방식이 있는데 이 방식은 크랭크축 방식보다 구조는 훨씬 단순하지만 크랭크 축 방식과 동일하게 회전체 상부 구조 공간을 많이 차지하므로 소형화가 힘들어 이 방식도 소형화 목적으로는 적합하지 않음을 알 수 있다. 마지막으로 구현 가능한 운동 변환 방식으로는 나선 캠 방식이 있다.
	크랭크축 방식의 단점은?	스위치를 아래로 누를 때와 같은 직선운동을 회전운동을 주기위한 크랭크축 방식이 있다. 그러나 이 방식은 상부 구조에 운동 변환 메커니즘을 위한 공간이 요구돼 필요한 전력을 얻으며 소형화하기가 어렵다. 또한, 랙 앤 피니언 방식이 있는데 이 방식은 크랭크축 방식보다 구조는 훨씬 단순하지만 크랭크 축 방식과 동일하게 회전체 상부 구조 공간을 많이 차지하므로 소형화가 힘들어 이 방식도 소형화 목적으로는 적합하지 않음을 알 수 있다.

참고문헌 (8)

ES Leland, EM Lai, PK Wright, "A self-powered wireless sensor for indoor environmental monitoring", in Proc. of the Wireless Networking Symposium (WNCG), October 20-22, 2004
Joseph A. Paradiso, Thad Starner, "Energy Scavenging for Mobile and Wireless Electronics", IEEE Pervasive computing, 18-27, 2005 DOI: http://dx.doi.org/10.1109/MPRV.2005.9

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R Torah, P Glynne-Jones, M Tudor,T O'Donnell, S Roy and S Beeby, "Self-powered autonomous wireless sensor node using vibration energy harvesting", Measurement Science and Technology, Vol. 19, No. 12, 2008 DOI: http://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/19/12/125202

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Kyoung-Bum Kim, Chang-Il Kim, Young Hun Jeong, et al, "Energy Harvesting Characteristics of Spring Supported Piezoelectric Cantilever Structure (SPCS)",J. KIEEME, Vol. 25, No. 10, 766-772, 2012

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Eun-Jung Yoon, In-Ho Hwang, Jong-Tae Park, Chong-Gun Yu, "Design of an Energy Harvesting Circuit Using Solar and Vibration Energy with MPPT Control", Journal of IKEEE ,Vol. 16, No.3, 224-234, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.7471/ikeee.2012.16.3.224

원문보기 상세보기
Mi so Kim, "Piezoelectric Mechanical Vibration Energy Harvesting", Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 32, No. 5, 603-610, 2012
Joseph A. Paradiso, Mark Feldmeiser, "A Compact, Wireless, Self-Powered Pushbutton Controller", Ubicomp 2001: Ubiquitous Computing, 299-304, 2001
Shenck N, Paradiso, "Energy-Scavenging with Shoe-Mounted Piezoelectrics", IEEE Micro, Vol. 21, No. 3, 30-42, 2001 DOI: http://dx.doi.org/10.1109/40.928763

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