[논문]자가발전용 휴대폰 케이스에 관한 연구

김진호; 박창형; 한승철

doi:10.5762/kais.2017.18.6.8

[국내논문] 자가발전용 휴대폰 케이스에 관한 연구
Study on the mobile phone case for self-power generation 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.6, 2017년, pp.8 - 12

김진호 (영남대학교 기계공학과) , 박창형 (영남대학교 기계공학과) , 한승철 (영남이공대학교 자동차과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 휴대폰의 배터리 방전 시에도 비상전화나 문자 메시지의 사용을 가능하게 해주는 자가발전기에 관한 연구를 진행하여 휴대폰 케이스를 통한 휴대폰의 재충전 방법을 제시한다. 사용자가 스마트 폰 케이스를 흔들게 되면 전자기 코일과 발전기의 영구 자석의 상호 작용을 통해 리튬 이온 배터리를 충전 하며 전기 에너지가 생성된다. 이 때 생성된 전기에너지는 사용자가 몇 분의 통화 또는 문자 메시지를 사용할 수 있는 전력을 제공 해준다. 또한 사람이 걸을 때 위상의 변화에 의해 2 ~ 3 Hz 주파수의 진동 에너지가 발생하는데, 이를 획득하는 에너지 하베스팅 과정을 통해 배터리를 충전한다. 그리고 발전량을 분석하는 것은 상용 전자기 해석 프로그램인 MAXWELL을 사용하여 모델링 후 시뮬레이션 하였다. 마지막으로 분석한 결과를 바탕으로 자가 발전을 위한 휴대폰 케이스의 프로토타입을 구축하고 그 측정값과 시뮬레이션 값을 비교함으로써 프로토타입의 성능을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the mobile phone case for self-power generation and recharge for emergency calls or text messages at the discharge of a battery. If the user shakes his smart phone case, the interaction of electromagnetic coil and permanent magnet in an electric generator produces electric energy, which charges the lithium-ion battery. This enables the user to give a few calls or text messages. In addition, the vibration energy from humans walking at a frequency of 2 ~ 3Hz charges the battery. The electric generator was simulated using MAXWELL, a commercial electromagnetic analysis program, to analyze the electric power generation. Finally a prototype of the mobile phone case for self-power generation was built based on the analysis and its performance was verified.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 사람의 걷는 모션에서 발생되는 진동에너지를 에너지 하베스팅 방식을 통해 휴대폰용 휴대용 발전기를 제작하는 과정을 서술하였다. 먼저, 상용 전자기 해석프로그램인 MAXWELL을 사용하여 발전기의 모델링과 해석을 수행하였고, 이를 통해 생산 가능한 발전량을 측정하였다.
[4-5]. 본 논문에서는 스마트폰 사용자가 보행할 때 발생되는 진동 에너지를 하베스팅 하여 휴대폰을 충전할 수 있는 자가 발전용 휴대폰 케이스를 연구하였다. 스마트폰 케이스에 소형 정밀 자가 발전시스템을 일체형으로 결합하여 별도로 소지 시 발생하는 불편함을 없애고 배터리 사용 시간을 증가시킴으로써 잦은 충전을 줄이는 동시에 휴대성을 높일 수 있도록 하였다.
특히, 군사 활동이나, 산악지역의 레져 활동시에는 위급 상황 시 스마트폰의 긴급충전을 위한 자가발전이 매우 중요하다. 본 연구에서는 기계적 진동을 이용한 에너지 하베스팅을 통해 자가발전 하는 방법에 관한 연구를 진행하였고, 특히 획득 가능한 에너지의 밀도가 높고 기후환경에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라 공간제약도 적은편인 진동에너지 하베스팅에 관해 중점을 맞춰 연구하였다[1]. 진동에너지 하베스팅의 종류에는 정전기, 전자기, 압전 효과를 사용하는 방법이 있는데, 정전기 이용방식은 에너지 변환 효율이 낮고, 압전 효과를 이용하는 방식은 세라믹을 사용하기 때문에 비용이 비싸고 크랙이쉽게 발생하여 유지 보수가 어렵다[2-3].

제안 방법

본 논문에서는 사람의 걷는 모션에서 발생되는 진동에너지를 에너지 하베스팅 방식을 통해 휴대폰용 휴대용 발전기를 제작하는 과정을 서술하였다. 먼저, 상용 전자기 해석프로그램인 MAXWELL을 사용하여 발전기의 모델링과 해석을 수행하였고, 이를 통해 생산 가능한 발전량을 측정하였다. 먼저 해석프로그램을 사용하여 생산 가능한 발전량을 예측하였을 때는 1.
이 때 발생하는 진동수는 앞서 언급했던 바와 같이 약 2Hz, 사람이 직접 흔들 때에는 약 3~4Hz의 주파수 진동이 발생한다. 발전기의 기전력측정 방식은 전압/전류 측정기를 통해 Stator의 코일과 연결된 부분의 전압 및 전류를 측정하여 전력을 구하였다. 측정 실험은 바닥에서부터 성인의 엉덩이 높이까지인 약100cm에서 발전기를 들고 측정하였다.
또한, 위급한 상황이 발생하였을 때 스마트폰 방전으로 인한 긴급 통신기능을 해야 할 경우 스마트폰을 흔들어주는 행위만으로도 긴급 통신을 할 수 있다. 상용 전자기 해석 프로그램인 MAXWELL을 기반으로 발전기를 설계 및 발전량 시뮬레이션 하고, 실제 발전기 시제품을 제작 및 발전량을 측정하여 비교분석 하였다.
아마추어의 변위와 진동수는 앞서 언급한 바와 같이 ±20mm, 2Hz로 입력하였다. 상용전자기해석프로그램인 MAXWELL을 통해 소형 선형 발전기의 발전량을 계산하기위해 시간에 따라 설계된 모델을 시뮬레이션을 진행하는 Transient 해석으로 진행하였으며, 해석 시간은 0.3s 동안 0.5ms의 Time step으로 해석을 진행하였다. Fig.
본 논문에서는 스마트폰 사용자가 보행할 때 발생되는 진동 에너지를 하베스팅 하여 휴대폰을 충전할 수 있는 자가 발전용 휴대폰 케이스를 연구하였다. 스마트폰 케이스에 소형 정밀 자가 발전시스템을 일체형으로 결합하여 별도로 소지 시 발생하는 불편함을 없애고 배터리 사용 시간을 증가시킴으로써 잦은 충전을 줄이는 동시에 휴대성을 높일 수 있도록 하였다. 또한, 위급한 상황이 발생하였을 때 스마트폰 방전으로 인한 긴급 통신기능을 해야 할 경우 스마트폰을 흔들어주는 행위만으로도 긴급 통신을 할 수 있다.
앞서 진행한 전자기 해석의 신뢰성을 검증하기 위해 MAXWELL 프로그램을 이용하여 휴대폰 충전에 사용되는 자가 발전기를 3D 모델링 하고, 모델링을 바탕으로 시제품을 제작하였다. Fig.
스트로크를 이와 같이 설정한 이유는 사람의 걷는 모션을 통해 얻을 수 있는 진폭이 2Hz 주파수에 약 40mm이기 때문이다. 이러한 기준을 통해 발전기를 설계하였고 이를 모델링하였다. 발전기의 모델링 스펙은 Table 1.
6과 같이 시제품을 제작하였다. 총 5가지 부품으로 나누어 제작하여 조립하였는데, 각각의 부품들은 제작과 조립의 용이함을 위해 위 아래로 나누어진 케이스와, 진동에너지를 통해 전기에너지로 하베스팅 된 기전력의 사용 여부를 결정할 수 있는 on/off 외부 스위치, 회로와 발전기(아마추어)로 구성되어있다. 또한 선형 발전기 형태를 채택하였는데, 리니어 발전기가 회전식 발전기보다 사람의 걷는 모션에서 발생하는 상하 진동을 전기에너지로 잘 변환하기 때문이다.

대상 데이터

이러한 기준을 통해 발전기를 설계하였고 이를 모델링하였다. 발전기의 모델링 스펙은 Table 1. 와 같이 자석의 높이는 25.23mm, 자석의 두께는 8.525mm, 코일의 높이는 24.5mm, 코일의 두께는 5.035mm, 에어 갭은 2.5mm로 설정하였다. 또한 물성치는 Table 2.
발전기의 기전력측정 방식은 전압/전류 측정기를 통해 Stator의 코일과 연결된 부분의 전압 및 전류를 측정하여 전력을 구하였다. 측정 실험은 바닥에서부터 성인의 엉덩이 높이까지인 약100cm에서 발전기를 들고 측정하였다. 실험 결과는 Table.

이론/모형

소형 선형발전기의 전자기적 특성을 분석하기 위해 상용 전자기 유한요소 해석 프로그램인(commercial electromagnetic finite element analysis program) MAXWELL을 사용하였으며, 소형 선형발전기의 기초모델인 축대칭 모델을 형성하였다. Fig.

성능/효과

626W로 측정되었다. 따라서 프로그램 해석과 시제품의 오차는 약 13%로 나타났다. 본 논문에서 제안한 스마트폰 자가발전기는 최대 1W 가량의 출력전력을 생산하므로 긴급 시 스마트폰의 충전의 가능성을 보여주었다.
먼저, 상용 전자기 해석프로그램인 MAXWELL을 사용하여 발전기의 모델링과 해석을 수행하였고, 이를 통해 생산 가능한 발전량을 측정하였다. 먼저 해석프로그램을 사용하여 생산 가능한 발전량을 예측하였을 때는 1.89W라는 결과 값을 얻을 수 있었다. 또한 발전기 시제품을 제작하여 얻은 발전량은 1.
따라서 프로그램 해석과 시제품의 오차는 약 13%로 나타났다. 본 논문에서 제안한 스마트폰 자가발전기는 최대 1W 가량의 출력전력을 생산하므로 긴급 시 스마트폰의 충전의 가능성을 보여주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	진동에너지 하베스팅의 특징은?	특히, 군사 활동이나, 산악지역의 레져 활동시에는 위급 상황 시 스마트폰의 긴급충전을 위한 자가발전이 매우 중요하다. 본 연구에서는 기계적 진동을 이용한 에너지 하베스팅을 통해 자가발전 하는 방법에 관한 연구를 진행하였고, 특히 획득 가능한 에너지의 밀도가 높고 기후환경에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라 공간제약도 적은편인 진동에너지 하베스팅에 관해 중점을 맞춰 연구하였다[1]. 진동에너지 하베스팅의 종류에는 정전기, 전자기, 압전 효과를 사용하는 방법이 있는데, 정전기 이용방식은 에너지 변환 효율이 낮고, 압전 효과를 이용하는 방식은 세라믹을 사용하기 때문에 비용이 비싸고 크랙이쉽게 발생하여 유지 보수가 어렵다[2-3].
	배터리 전력소모량이 증가하는 이유는?	최근 스마트폰의 발전에 따라 다양한 부가기능의 사용으로 배터리 전력소모량이 비약적으로 증가하고 있다. 따라서 배터리가 방전되어 긴급 시에 전화나 문자 등을 통한 긴급 통신 기능을 사용하지 못하는 문제 발생하고 있다.
	자가 발전용 휴대폰 케이스를 착용한 스마트폰의 긴급 통신 사용방법은?	스마트폰 케이스에 소형 정밀 자가 발전시스템을 일체형으로 결합하여 별도로 소지 시 발생하는 불편함을 없애고 배터리 사용 시간을 증가시킴으로써 잦은 충전을 줄이는 동시에 휴대성을 높일 수 있도록 하였다. 또한, 위급한 상황이 발생하였을 때 스마트폰 방전으로 인한 긴급 통신기능을 해야 할 경우 스마트폰을 흔들어주는 행위만으로도 긴급 통신을 할 수 있다. 상용 전자기 해석 프로그램인 MAXWELL을 기반으로 발전기를 설계 및 발전량 시뮬레이션 하고, 실제 발전기 시제품을 제작 및 발전량을 측정하여 비교분석 하였다.

참고문헌 (7)

Francesco Cottone, "Introduction to Vibration energy Harvesting," NiPS Energy Harvesting Summer School, 2011.
Dibin Zhu, Michael J Tudor, Stephen P Beeby, "Strategies for increasing the operating frequency range of vibration energy harvesters: a review," Measurement Science and Technology, vol. 21, pp. 1-29, 2009.
Lars-Cyril Julin Blystad, "Piezoelectric MEMS Energy Harvesting Systems Driven by Harmonic and Random Vibrations," IEEE Transactions on Ultrasonics, vol. 57, no. 4, 2010. DOI: https://doi.org/10.1109/TUFFC.2010.1495
S P Beeby, M J tudor and N M White, "Energy harvesting vibration sources for microsystems applications," Measurement Science and Technology, vol. 17, pp. 175-195, 2006. DOI: https://doi.org/10.1088/0957-0233/17/12/R01

상세보기
S. Roundy, E, S. Leland, J. Baker, E. Carleton, E. Reilly, E. Lai, b. Otis, J. M. Rabaey, P. K. Wright, v. "Sundararajan, Improving power output for vibration-based energy scavengers," Pervasive Computing, IEEE, vol. 4, issue 1, pp. 28-36, 2005. DOI: https://doi.org/10.1109/MPRV.2005.14
Whelan, P. M.; Hodgeson, M. J., "Essential Principles of Physics (2nd ed.)", 1978.
Nave, Carl R. "Faraday's Law," HyperPhysics, Georgia State University. Retrieved 29 Aug. 2011.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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