[논문]임플란트 환경에서 TENG 소자를 고려한 효율적인 에너지 저장 모니터링 시스템 개발

박현문; 황태호; 김동순

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.2.473

[국내논문] 임플란트 환경에서 TENG 소자를 고려한 효율적인 에너지 저장 모니터링 시스템 개발
A Development of Energy Storage Monitoring System Architecture for Triboelectric Nanogenerator in the Implant Environment 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.13 no.2, 2018년, pp.473 - 480

박현문 (전자부품연구원 SoC 플랫폼 연구센터) , 황태호 (전자부품연구원 SoC 플랫폼 연구센터) , 김동순 (전자부품연구원, SoC 플랫폼연구센터)

초록
AI-Helper

2012년에 에너지 하베스팅을 위한 새로운 에너지 획득 방안인 TENG가 제시되었다. 동작에 따라 마찰 혹은 진동으로 전력을 생산하는 TENG는 새로운 에너지 하베스팅의 발전방안으로 소자 측면에서 많은 연구가 되고 있다. 하지만, TENG는 높은 전압(Voltage)과 낮은 전류(Current)의 문제를 지닌다. 이에 따라서 에너지의 저장과 변환을 위한 반도체 소자 혹은 회로적인 다양한 접근방안이 요구된다. 특히 5Hz 이하의 비규칙적인 발전에서의 변환 저장 기술은 이론적 연구보다 많은 경험이 요구된다. 본 연구는 발전 플랫폼을 저장 기술과 함께 대형동물의 움직임에 따른 발전소자의 실시간 발전 정보를 능동적 BLE 제어를 이용하여 송수신하고 이를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In 2012, a new energy capturing method called TENG was suggested for energy harvesting applications. The TENG which captures electric energy in forms of friction or vibration has been researched as a new energy harvesting generation device. However, TENG works on rather high voltage and yields relatively low current, and this requires additional energy conversion and saving methods with either in semiconductive elements or circuitry for its application. Irregular generation from vibration sources rattle under 5Hz especially requires empirical studies. In this article, we suggest a electricity generation platform with energy storage methods. The platform is mounted on large sized animals, and the generation is actively monitored and controlled via Bluetooth-Low Energy to verify the platform.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구는 성균관대의 임플란트용 마찰소자를 이용하여 에너지를 저장하는 발전·저장 플랫폼과 저장에너지의 전압을 측정하고 이를 무선 플랫폼과 연동 및 전송하는 에너지 하베스팅용 모니터링 플랫폼을 개발하였다.
본 연구는 인체 내에 삽입되는 마찰 · 압력식 TENG소자 기반 임플란트 디바이스의 전원 공급 가능성을 검증하는 방안으로 에너지 하베스터의 무선 모니터링 플랫폼을 개발하였다.

가설 설정

0mW와 PMIC에서 1차, 2차 전압 모니터링에 따른 전원 소비를 시간에 따라 고려하면 된다. 따라서 약 10초일 때 PMIC의 전압 모니터링 소모량인 0.2mW/s로 가정하여 1차 저장에너지 용량은 총 6.2mW로 정의하였다. 에너지(E) 및 시간 상수(RC)는 전압이 16V이고, 부하저항이 10㏁일 때 필요한 에너지가 6.

제안 방법

3장에서 제안된 모니터링 기술을 바탕으로 서울대학교 병원의 순환기내과 전임상실험팀과 협업하여 대형동물기반의 전임상실험을 2017년도에 수행하였다.
5cm 높이에서 단일(Single Layer)과 5층으로 구성된 다층(Multi-Layer) 소자를 각각 임의적(nonlinear) 진동에서 전압과 전류를 측정하였다. 그림 3과 같이 전류 최댓값은 계층과 상관없이 같지만, 전류 RMS의 면적 대비 총량은 다층구조가 약 2.
그림 10과 같이 대형견에 임플란트 된 디바이스의 사진이며, 대형견의 등과 목 부분에 장착되어 동작에 따른 발전에너지의 모니터링을 수행하였다. 그림 11은 실제 대형견의 동작에 따른 실시간 에너지 발생 전압을 모니터링 사진으로 동물 동작에 따른 ‘실시간 BLE 전압 모니터링’의 결과를 3가지로 도출하였다.
1V 이하의 낮은 전압의 발전 모니터링이 불가능한 단점을 갖는다. 그림 7의 제안과 같이 TENG 발생과 저장 전압에 따라 ADC 포트를 변경하는 이원화 방안으로 측정범위의 한계를 극복하였다. 그림 7의 C_e는 Vishay의 DG3257 스위치 IC로 C_a의 스위치 off의 한계치(V_th)를 3.
본 연구에 사용된 마찰 대전 소자는 그림 1 같이 다층 구조[2],[8]를 지닌다. 두 개의 아크릴 안에 Ni 기반 나노 발전소자가 진동과 마찰을 통해 수직, 수평에너지를 전압과 전류로 AC 출력한다. 다층 소자는 에너지 발생의 병렬화로 단층보다 높은 전력을 발생과 발생하는 전력 에너지도 긴 시간 동안 발생한다.
본 연구는 인체 내에 삽입되는 마찰 · 압력식 TENG소자 기반 임플란트 디바이스의 전원 공급 가능성을 검증하는 방안으로 에너지 하베스터의 무선 모니터링 플랫폼을 개발하였다. 세부적으로는 자가발전 소자 기반(TENG)의 활용을 위한 최적화된 1차 저장소와 전압 모니터링 플랫폼을 설계하고 이를 계측기에서의 검증을 통해, 개발된 기능에 유효성을 검증하였다. 또한, 국내 최초로 대형동물 전임상실험에서 동물의 동작에 따른 TENG의 발전과 사용 가능성을 BLE 모니터링을 통해 검증함으로써 현재까지 태양광이나 RF 중심에 에너지 저장 및 활용방안을 확장할 수 있는 계기가 되었다.
본 연구는 성균관대의 임플란트용 마찰소자를 이용하여 에너지를 저장하는 발전·저장 플랫폼과 저장에너지의 전압을 측정하고 이를 무선 플랫폼과 연동 및 전송하는 에너지 하베스팅용 모니터링 플랫폼을 개발하였다. 이를 검증하기 위해서 마찰 소자 기반의 의료용 임플란트 플랫폼을 개발하고 서울대학교 병원과 협력하여 대형동물 이용한 전임상실험을 국내 최초로 진행하였다. 2장은 의료 임플란트에 필요한 마찰 대전형 소자인 TENG의 소자특성을 연구하고, 3장은 TENG에 적합한 1차 저장소 설계와 0∼16V까지 발생되는 저장소의 전압 모니터링 방안을 제시하였다.
이에 따라 그림 5의 ‘B’에 필요한 총 커패시터 용량은 49㎌로 알 수 있다. 이와 관련해서 그림 6과 같이 TENG의 발생에너지를 오실로스코프로 측정하였다. 측정값은 최대 16.

대상 데이터

그림 8은 수행된 대형잡견기반 전임상실험 환경 모형과 대형견 동작에 따른 에너지 발전 모티러링을 위한 임플란트 플랫폼의 세부적인 구조다. 그림과 같이TENG 다층 발전소자(TENG Cell)와 에너지 하베스터 보드(Harvester Board), 블루이노2(BLE SoC) 마지막으로 배터리(Battery)로 4가지로 구성된다. BLE 기반 에너지 하베스팅 모니터링 플랫폼을 의료용 무독성 실리콘 패키지하고 대형동물에 임플란트함으로써 동물의 운동량에 따라 발전에너지를 스마트폰을 통해 모니터링 할 수 있다.

성능/효과

ADC #2는 3.6V 설정된 최소 한계치까지 0V로 off 되었다가 3.6V부터 스위치 on되어 TENG Power Voltage의 상승에 따라 ADC #2에 입력전압이 수신되는 것을 확인할 수 있었으며, TENG의 발전 전압이 16V까지 지속해 증가하여도 ADC #2에 모니터링되는 것을 확인할 수 있었다.
그림 6에서 커패시터의 전압이 16V까지 상승함에 따라, 일반적인 무선통신이 통합된 SoC IoT 모듈들은 고전압을 측정하기 어렵다. 더욱이 본 연구에서 모니터링을 위한 BLE Soc인 블루이노 2의 ADC는 3.60V 까지 최대 전압 범위이며, 전압분배 회로로 1/5까지 전압을 낮추면 16V 이상에도 측정은 가능하지만, 0.1V 이하의 낮은 전압의 발전 모니터링이 불가능한 단점을 갖는다. 그림 7의 제안과 같이 TENG 발생과 저장 전압에 따라 ADC 포트를 변경하는 이원화 방안으로 측정범위의 한계를 극복하였다.
둘째, 전압 범위가 0.5x∼1.6xV 사이의 낮은 전압이 발생하여 인체 내에서 발전량은 외부환경에 10/1 수준으로 관측되었다.
따라서 본 연구에서 사용된 TENG 발전 소자의 총에너지양은 손으로 임의적으로 흔들면 단일 계층의 RMS는 약 6.8㎼로 매우 낮지만, 다층 계층에서는 73.8㎼로 11배의 발전에너지 획득이 가능하다. TNEG의 발전에너지 전압과 전류의 형태 분석에서도 다층화될 경우 단층보다 에너지 발생 시점에서 단층보다 넓은 탑 형태의 이등 삼각형 에너지가 발생하였다.
세부적으로는 자가발전 소자 기반(TENG)의 활용을 위한 최적화된 1차 저장소와 전압 모니터링 플랫폼을 설계하고 이를 계측기에서의 검증을 통해, 개발된 기능에 유효성을 검증하였다. 또한, 국내 최초로 대형동물 전임상실험에서 동물의 동작에 따른 TENG의 발전과 사용 가능성을 BLE 모니터링을 통해 검증함으로써 현재까지 태양광이나 RF 중심에 에너지 저장 및 활용방안을 확장할 수 있는 계기가 되었다. 마지막으로 전임상실험을 통한 임플란트 플랫폼 상황에서 발전 상황 및 특성을 파악할 수 있었다.
또한, 국내 최초로 대형동물 전임상실험에서 동물의 동작에 따른 TENG의 발전과 사용 가능성을 BLE 모니터링을 통해 검증함으로써 현재까지 태양광이나 RF 중심에 에너지 저장 및 활용방안을 확장할 수 있는 계기가 되었다. 마지막으로 전임상실험을 통한 임플란트 플랫폼 상황에서 발전 상황 및 특성을 파악할 수 있었다.
두 가지로 나뉠 수 있는데, 첫째는 전임상실험 공간이 협소로 인한 실험동물의 제약적 행동에 따른 발전 한계와 둘째는 저장공간을 좀 더 단순하게 설계하는 방안이 될 수 있다. 마지막으로는 임플란트 된 디바이스에 발전소자의 상용화 가능성으로 대형동물의 동작으로도 충분히 디바이스에 전원 저장과 공급을 할 수 있음을 제공하였다. 특히, 그림 13과 같이 발생 전압이 1회에 수 초 이상 지속해서 발생하여 임플란트 디바이스에 전원 공급 소자로 유용성이 확인되었다.
그림 11은 실제 대형견의 동작에 따른 실시간 에너지 발생 전압을 모니터링 사진으로 동물 동작에 따른 ‘실시간 BLE 전압 모니터링’의 결과를 3가지로 도출하였다. 첫째, 다층 TENG 소자는 대형동물의 가벼운 움직임에서도 지속적인 발전과 저장이 이루어졌다. 둘째, 전압 범위가 0.
이와 관련해서 그림 6과 같이 TENG의 발생에너지를 오실로스코프로 측정하였다. 측정값은 최대 16.5V에서 표준편차인 2.046V 범위에 스윙하면서 평균 14.95V를 나타내었다. 이것을 연속적 파워로 볼 때 약 10초에서 6.
마지막으로는 임플란트 된 디바이스에 발전소자의 상용화 가능성으로 대형동물의 동작으로도 충분히 디바이스에 전원 저장과 공급을 할 수 있음을 제공하였다. 특히, 그림 13과 같이 발생 전압이 1회에 수 초 이상 지속해서 발생하여 임플란트 디바이스에 전원 공급 소자로 유용성이 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 하베스팅에서 사용할 수 있는 소형화된 자연 에너지원에는 무엇이 있는가?	이러한 배터리에 종속된 디바이스의 사용시간 증대 방안으로 주변 환경에서 에너지를 얻고 스스로 작동하는 에너지하베스팅 관련 기술들이 관심을 받고 있다. 에너지 하베스팅 기술은 파워반도체를 통해 자연 에너지를 전기적 에너지로 변환되며, 대표적인 소형화된 자연 에너지원으로는 태양열(Photovoltaic)이나 열전(Thermoelectric), 압전(Piezoelectric), 전자기(Electromagnetic), 마찰(Triboelectric) 등 있다. 태양광은 실외에서 안정적인 전원을 제공할 수 있지만, 환경과 시간 그리고 공간적 제약을 받는다.
	선행된 발생에너지별 커패시터 용량 연구의 한계를 극복하기 위하여 어떤 사항이 요구되는가?	TENG 발전소자의 RMS가 백 ㎼수준 이하일 때의 수십㎼를 사용하는 DC IC나 전압 모니터링 회로는 10∼20%까지 큰 에너지 손실을 주게 된다. 따라서 발전 소자의 특성에 맞춘 수백 ㎻ 이하를 소비하는 전력 스위치 IC와 이를 고려한 커패시터 저장량의 설계가 요구된다.
	압전과 마찰식 자연 에너지원의 특징은 무엇인가?	태양광은 실외에서 안정적인 전원을 제공할 수 있지만, 환경과 시간 그리고 공간적 제약을 받는다. 반면, 압전과 마찰식은 시간․공간적 제약이 없으며, 발전 소자를 얇(Flexible)게 제조하나 접을(Foldable) 수 있어 의료 분야의 근육이나 관절 등에 삽입되는 바이오센서와 신체 유체, 혈류, 심장박동, 근육의 수축 및 이완 그리고 인체 진동 등 신체로부터 다양한 에너지 수집이 가능하다. 이러한 이유로 신체의 임플란트 된 디바이스 전원을 공급 방안으로 압전과 마찰식 소자가 연구되고 있으며, 대표적인 압전 소자로는 피에조와 마찰 대전형 소자로 TENG(TriboElectric Nano-Generator) [1]가 있다.

참고문헌 (13)

F. Fan, Z. Tian, and Z. Wang, "Flexible triboelectric generator," Nano Energy, vol. 1, no. 2, Jan. 2012, pp. 328-334.

상세보기
G. Zhu, Z. Lin, P. Bai, C. Pan, C. Yang, and Z. Wang, "Toward large-scale energy harves -ting by a nanoparticle-enhanced triboelectric nanogenerator," Nano letters, vol. 13, no. 2, Jan. 2013, pp. 847-853.

상세보기
S. Lee, S. H. Bae, L. Lin, S. Ahn, C. Park, S. W. Kim, and Z. Lang, "Flexible hybrid cell for simultaneously harvesting thermal and mechanical energies," Nano Energy. vol. 2, no 5, Feb. 2013. pp. 817-825.

상세보기
Linear Technology Inc., "Nanopower Energy Harvesting Power Supply," Technical Report, June 2016.
Stmicroelectronics Inc, "Power management Guide 2017," Technical Report, Sept. 2017.
J. Lee, R. Hinchet, T. Kim, H. Ryu, W. Seung, H. Yoon, and S. Kim, "Control of skin potential by triboelectrification with ferroelec -tric polymers," Advanced Materials, vol. 27, no. 37, 2015, pp. 5553-5558.

상세보기
Z. Li, G. Zhu, R. Yang ,and A. Wang. "Muscle driven in vivo nanogenerator," Advanced Materials, vol. 22, no. 23, 2010, pp. 2534-2537.

상세보기
H. Choi, J. Lee, J. Jun, T. Kim, and H. Lee, "High-performance triboelectric nanogenerators with artificially well-tailored interlocked interfaces," Nano Energy, vol. 27, no. 1, Sep. 2016, pp. 595-601.

상세보기
M. Shim, J. Kim, J. Jeong, S. Park, and C. Kim, "Self-Powered 30 ${\mu}W$ to 10mW Piezoelectric Energy Harvesting System With 9.09 ms/V Maximum Power Point Tracking Time," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 50, no. 10, 2015, pp. 2367-2379.

상세보기
H. Park, H. Kim, and D. Sun, "An multiple energy harvester with an improved Energy Harvesting platform for Self-powered Wearable Device," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 1, 2018, pp. 155-161.
Z. Wang, J. Chen, and L. Lin, "Progress in triboelectric nano-generators as a new energy technology and self-powered sensors," Energy & Environmental Science, vol. 8, no. 8, 2015, pp. 2250-2282.

상세보기
E. Kim, "A Way of Unusual Gait Cognition for Life Safety," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 11, no. 2, 2016, pp. 215-222.

원문보기 상세보기
H. Kim "A Study on ESS-based Clean Energy, Smart Home IoT Platform," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 1, 2018, pp. 147-152.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증