[논문]웨어러블 서비스를 위한 다중 발전소자 기반 에너지 하베스터 플랫폼 구현

박현문; 김병수; 김동순

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.1.153

[국내논문] 웨어러블 서비스를 위한 다중 발전소자 기반 에너지 하베스터 플랫폼 구현
An multiple energy harvester with an improved Energy Harvesting platform for Self-powered Wearable Device 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.13 no.1, 2018년, pp.153 - 162

박현문 (한국전자부품 연구원) , 김병수 (전자부품연구원 SoC플랫폼연구센터) , 김동순 (전자부품연구원 SoC센터)

초록
AI-Helper

웨어러블 디바이스의 서비스 제공을 위한 지속 가능한 전원에 대한 요구가 높아짐에 따라 에너지 하베스팅의 중요성이 증대되고 있다. 본 연구는 마찰소자를 고려한 다중 에너지 하베스팅 플랫폼인 EH-P를 개발하였다. 높은 전압과 낮은 전류를 가진 하베스팅 소자에 전압을 낮추면서 전류를 높일 수 있는 스위치 회로 제시하였다. PV와 TENG의 상호보완적 구성을 통해 실내 환경에서 짧은 시간동안 MCU가 동작할 수 있는 전압과 전류를 제공할 수 있었다. 결과적으로 제안된 플랫폼을 통해 웨어러블 플랫폼을 동작시키고, 제작된 웨어러블 디바이스에서 전체 소모 전력 요구량의 29%를 제공함으로써 웨어러블 디바이스 사용시간(device life time)을 증가시킬 수 있었다. 이 논문에 제시된 결과는 멀티플 하베스터 플랫폼에서 웨어러블 하베스팅 애플리케이션의 활용을 위한 발전 소자의 가능성을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The importance of energy harvesting technique is increasing due to the elevated level of demand for sustainable power sources for wearable device applications. In this study, we developed an Energy Harvesting wearable Platform(EH-P) architecture which is used in the design of a multi-energy source based on TENG. The proposed switching circuit produces power with higher current at lower voltage from energy harvesting sources with lower current at higher voltage. This can powers microcontrollers for a short period of time by using PV and TENG complementarily placed under hard conditions for the sources such as indoors. As a result, the whole interface circuit is completely self-powered with this makes it possible to run of sensing on a Wearable device platform. It was possible to increase the wearable device life time by supplying more than 29% of the power consumption to wearable devices. The results presented in this paper show the potential of multi-energy harvesting platform for use in wearable harvesting applications, provide a means of choosing the energy harvesting source.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 AC 출력인 마찰기반 소자(Triboelectric Energy Harvesting, TENG)와 DC출력인 태양전지판(Photo Voltaic cell, PV)을 이용해 실내외에서 에너지 저장 및 활용이 가능한 하이브리드 플랫폼을 개발하였다. 발전소자 입력과 저장 회로 그리고 연구원에서 개발된 PMIC를 고려하여 두 곳의 에너지 저장소를 제시하고 동작에 따라 개별 저장소에 에너지를 사용함으로 보다 효율을 높일 수 있었다.
둘째, PMIC의 동작전류(Quiescent Current)인 1∼4㎼ 사이 전원소모를 Load switch를 통해 on/off를 제약하는 동시에 PMIC가 저장할 수 있는 수준까지 전압과 전류를 조정한다. 셋째, IoT 플랫폼의 MCU가 전류를 지속해서 요구할 때 공급 전류 부족으로 PMIC의 에너지변환 부족 현상을 회로 측면에서 최소화하고자 하였다. 로드스위치(Load switch)는 일정 전압까지 off를 했다가 전압이 16v를 넘으면 on 하여 PMIC의 2차 저장소 저장하게 된다.
2절과 4장에서는 제시한 방안을 웨어러블을 고려한 EH-P 보드를 제작하여 검증하였다. 이러한 결과를 바탕으로 상용화를 위한 시제품인 안전/경찰을 위한 LED 발광 조끼를 제작하였다.

제안 방법

2장은 에너지 발전소자의 특징을 분석하여, 5∼60V에서 6∼8㎂가 발생하는 TENG 하베스팅 소자의 전압을 낮추면서 전류를 높일 수 있는 스위치 회로와 두 곳의 에너지 저장소를 3.1절에서 제시하고 3.2절과 4장에서는 제시한 방안을 웨어러블을 고려한 EH-P 보드를 제작하여 검증하였다.
둘째, PMIC에서 2차 에너지 저장을 최대화하여 초경량·초저전력의 IoT나 웨어러블 디바이스에 제공할 수 있다. 두 가지에 대한 제안된 회로와 성능을 3.2와 4장의 개발된 플랫폼을 통해 검증하였다.
둘째, PMIC의 동작전류(Quiescent Current)인 1∼4㎼ 사이 전원소모를 Load switch를 통해 on/off를 제약하는 동시에 PMIC가 저장할 수 있는 수준까지 전압과 전류를 조정한다.
하지만 이렇게 두 개의 발전소재를 이용한 시제품을 위한 에너지하베스팅 플랫폼은 국내에 발표된적이 없으며 국내의 경우는 TENG를 위한 PMIC 연구 또한 초기 단계라 할 수 있다. 또한, 실용화 측면에서 PMIC의 효율을 극대화하고, 본 제안과 같은 이중화된 저장과 스위치방안은 피에조, TENG 와 같이 PV 보다 상대적으로 전력이 낮고 수십 배로 높은 전압의 갖는 발전소재들을 활용할 수 있는 방안을 제시하였다. 제안된 시스템은 임의적인 환경보다는 인증기관의 평가를 통해 기존 웨어러블 조끼 플랫폼의 사용시간을 약 30% 증가시킴으로써 제품화 가능성을 제시할 수 있었다.
발전소자 입력과 저장 회로 그리고 연구원에서 개발된 PMIC를 고려하여 두 곳의 에너지 저장소를 제시하고 동작에 따라 개별 저장소에 에너지를 사용함으로 보다 효율을 높일 수 있었다. 마지막으로 개발된 플랫폼과 연동가능한 웨어러블용 시제품을 협력업체와 제작함으로써 활용 방안을 제시하였다. 2장은 에너지 발전소자의 특징을 분석하여, 5∼60V에서 6∼8㎂가 발생하는 TENG 하베스팅 소자의 전압을 낮추면서 전류를 높일 수 있는 스위치 회로와 두 곳의 에너지 저장소를 3.
앞서 3장과 4.1에 검증을 통해 실내외에서 PV와 TENG가 상호보완적 구성으로 에너지 저장과 활용의 가능성 검증하였다. 이를 바탕으로 관련 서비스 기관과 협업하여 시제품 플랫폼을 개발하였다.
그림 7은 TENG와 PV기반의 하베스팅 에너지를 융합하여, 안정적인 출력을 제공 위한 회로이다. 에너지 발생부와 변환 및 하베스팅을 위한 저장과 발전방법을 나타냈다. ‘A’는 DC와 AC 에너지를 입력받는 곳이며, ‘B’는 AC를 DC로 변환하는 브리지정류기(bridge rectifier)이다.
1에 검증을 통해 실내외에서 PV와 TENG가 상호보완적 구성으로 에너지 저장과 활용의 가능성 검증하였다. 이를 바탕으로 관련 서비스 기관과 협업하여 시제품 플랫폼을 개발하였다. 전체 플랫폼의 지속적인 전력소모는 110mW로 MCU와 스위치로 LED제어를 하며, Atmel사의 attiny13를 0.
제안된 플랫폼에 맞춰 PV와 TENG의 소자를 중심으로 검증하였다. 앞서 표의 선행연구 분석과 실제 개발되는 시제품과는 특성이 다를 수 있으며, 본 연구에서 사용되는 마찰소자는 그림 1과 같은 스프링기반으로 5Hz로 가진기로 동작할 때의 측정된 특성을 그림 2-3으로 나타낼 수 있다.

대상 데이터

그림 13은 계측 환경과 개발된 플랫폼의 사진을 나타내었다. 개발된 플랫폼은 4층의 양면으로 제작되었다. 다만, 뒷면의 부분은 일부 지재권문제로 부분적으로 지웠다.
실내 허용 조도인 350∼375Lux로 측정할 때 본 연구에 사용된 PV는 그림 4-5 같이 4.45V, 0.85㎃ 발전이 지속적으로 발생한다.

성능/효과

본 연구는 AC 출력인 마찰기반 소자(Triboelectric Energy Harvesting, TENG)와 DC출력인 태양전지판(Photo Voltaic cell, PV)을 이용해 실내외에서 에너지 저장 및 활용이 가능한 하이브리드 플랫폼을 개발하였다. 발전소자 입력과 저장 회로 그리고 연구원에서 개발된 PMIC를 고려하여 두 곳의 에너지 저장소를 제시하고 동작에 따라 개별 저장소에 에너지를 사용함으로 보다 효율을 높일 수 있었다. 마지막으로 개발된 플랫폼과 연동가능한 웨어러블용 시제품을 협력업체와 제작함으로써 활용 방안을 제시하였다.
본 제시한 결과를 기반으로 검증기관인 KRL을 통해 실내외의 일반적 상황에서 제시한 플랫폼의 배터리 대체율을 검증 의뢰한 결과, 표2와 같이 29.46%임을 확인하여 관련 인증서를 획득하였다. 예를 들어 만약 10일을 사용할 수 있는 배터리 환경에서 약 30%인 3일을 에너지 하베스팅이 배터리를 대체하고 서비스플랫폼에 전원을 공급함으로써 서비스 플랫폼의 전체 사용시간을 증대시키는 결과를 도출하였다.
8㎂/s를 제공한다. 일정한 전압 손실(약 47%) 만큼 전력을 높이고 상대적으로 높은 RMS 제공으로써 TENG 기반의 PMIC 변환 효율을 보다 높일 수 있다.
이를 바탕으로 관련 서비스 기관과 협업하여 시제품 플랫폼을 개발하였다. 전체 플랫폼의 지속적인 전력소모는 110mW로 MCU와 스위치로 LED제어를 하며, Atmel사의 attiny13를 0.1MHz로 저속 구동을 통해 100㎼ 이내로 전원소모를 줄였다. 또한, LED 점멸은 표 2과 같이 간혈 점멸은 1초마다, 빠른 점멸은 0.
또한, 실용화 측면에서 PMIC의 효율을 극대화하고, 본 제안과 같은 이중화된 저장과 스위치방안은 피에조, TENG 와 같이 PV 보다 상대적으로 전력이 낮고 수십 배로 높은 전압의 갖는 발전소재들을 활용할 수 있는 방안을 제시하였다. 제안된 시스템은 임의적인 환경보다는 인증기관의 평가를 통해 기존 웨어러블 조끼 플랫폼의 사용시간을 약 30% 증가시킴으로써 제품화 가능성을 제시할 수 있었다.
제안된 플랫폼의 ‘C’ 블록 Load Switch는 그림 11-12와 같이 TENG ‘B’ 출력의 53.5∼56.5%인 약 15.5-16.1v 사이의 DC 전압을 일정하게 유지하면서, 상대적으로 높은 전류 6∼24㎂로 RMS로 약 7.8㎂/s를 제공한다.
첫째, Load Switch를 통해 ±30V까지 발생하는 전압을 낮춘 만큼 넓은 변화를 하는 낮은 전류를 증가시킬 수 있다.
제안된 저장소의 이원화는 두 가지 목적을 갖는다. 첫째, PMIC의 동작전류 공급과 TNEG의 높은 전압을 낮추는 역할을 하게 된다. 둘째, PMIC에서 2차 에너지 저장을 최대화하여 초경량·초저전력의 IoT나 웨어러블 디바이스에 제공할 수 있다.

후속연구

4V, 200 ㎂로 플랫폼에서 활용하기 위한 에너지를 제공하기 어렵다. 따라서 본 제안과 같이 TENG와 융합하여 발전한다면, 실내나 옥내 환경에서 필요한 전원을 부분적으로 저장 혹은 제공할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 하베스팅이 주목받게 된 이유는 무엇인가?	하지만 사용자들은 다양한 형태의 웨어러블 디바이스들의 잦은 충전으로 인한 불편함을 호소하고 있다. 최근 배터리 교체나 충전이 어려운 디바이스들의 사용시간 증가를 위해 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)을 이용한 전원 공급 방안을 주목하고 있다. 이에 따라 많은 팹리스 회사와 기업, 학교들은 에너지 다양한 형태의 하베스팅 IC를 연구개발하고 있다[1-4].
	태양열 기반의 하베스팅 이외에 다른 분야에서 상용화가 미미한 이유는?	이에 따라 많은 팹리스 회사와 기업, 학교들은 에너지 다양한 형태의 하베스팅 IC를 연구개발하고 있다[1-4]. 하지만 현실에서는 에너지 하베스팅과 웨어러블 혹은 IoT 디바이스가 융합된 서비스가 매우 제약적으로 활용되고 있으며, 태양열 기반의 하베스팅을 이용한 제품을 제외하고는 상용화에 미미하다. 또한 마찰(TEG, Triboelectric Energy Harvesting)이나 피에조(Piezo), 초음파(ultrasound), 열전(Thermoelectric) 등 다양한 발전 소자를 이용한 발전 및 저장 방안이 활발하게 연구되고 있으나 논문과 시작품 단계에 머무르고 있다[1-3].
	하베스팅 IC 상용화를 위해 필요한 연구는 무엇인가?	또한 마찰(TEG, Triboelectric Energy Harvesting)이나 피에조(Piezo), 초음파(ultrasound), 열전(Thermoelectric) 등 다양한 발전 소자를 이용한 발전 및 저장 방안이 활발하게 연구되고 있으나 논문과 시작품 단계에 머무르고 있다[1-3]. 이러한 다양한 발전 소자들의 상용화를 저렴하면서도 소자 특성을 고려한 에너지 발전량의 저장과 변환에 대한 PMIC(: Power Management IC) 이외에도 고효율 회로 연구가 필요하다. 하지만 대부분의 하베스팅 IC 연구는 단일 발전 소자의 발전방안에 집중되거나 일정한 전류(Current)가 제공되는 피에조와 태양전지를 중심에 연구가 대부분으로 본 연구에서 제안하는 마찰력과 태양전지기반의 AC, DC가 혼합된 다중 에너지 융합 연구는 미흡하다.

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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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