[논문]웨어러블 디바이스에 사용될 수 있는 텍스타일 형 MPPT 회로 개발

최민기; 이정욱; 김주용

doi:10.12772/tse.2018.55.231

[국내논문] 웨어러블 디바이스에 사용될 수 있는 텍스타일 형 MPPT 회로 개발
Design of the Textile-MPPT Charger Circuit of Solar Cell for Wearable Applications 원문보기

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.55 no.4, 2018년, pp.231 - 238

최민기 (숭실대학교 유기신소재.파이버공학과) , 이정욱 (숭실대학교 유기신소재.파이버공학과) , 김주용 (숭실대학교 유기신소재.파이버공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the development of a small-sized MPPT (maximum power point tracking) circuit and its application for maximum output conversion by a solar cell in commercialized wearable fashion is reported. Using the Texas Instruments BQ25570 Energy Harvesting IC programmable chip, we implemented a hybrid DC-DC converter circuit of boost and buck converters. We designed two types of charging methods. The first method was a USB direct charging method (5.0 V, 1.0 A) using the MCP-73 8-32-2ACI voltage regulator (step-down voltage). The second method was continuous energy harvesting with a MPPT function, using a 4 V or less low-power solar energy source. Based on the circuit design, we developed a CLT (copper lamination textile) technology, which can be used to develop a fabric using PCBs as substrate materials in electronic circuit application technologies for wearable devices. Although the circuit could not be bent completely, this textile substrate can be used for future research on wearable devices. We tested the operation and power conversion using the MPPT converter circuit as the power input for a low-power solar cell energy source under international standards for sun conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

MPPT 회로를 의복형 웨어러블 디바이스에 부착하기 위해서는, 공정성, 의복 쾌적성 등에 유리한 섬유형 회로 개발이 필요한 선행되어야 하며 MPPT 회로를 텍스타일화 한 연구사례는 아직 전무하다. 따라서 본 연구에서는 아라미드 섬유 재료를 사용한 저유전 기반의 회로 제조 MPPT 회로 제조 기술을 연구하였고, 개발한 회로의 작동능력 및 성능테스트를 진행하였다.
본 연구에서 태양광 에너지를 활용하여 다양한 의복형혹은 패션 액세서리에 적용 가능한 소형 태양광 충전회로를 설계하였다. 만약 소형 MPPT 회로가 적용된다면 따로 충전할 필요없이 태양광 만으로 배터리를 충전할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 의복형 웨어러블 디바이스에 사용될 수 있는 염료감응형 섬유 태양전지의 MPPT 충전회로를 설계 및 제작하고 최대 전력 제어 작동 및 효율을 테스트를 진행하였다. 특히 개발된 MPPT 회로는 의복형 웨어러블 디바이스에 장착이 용이한 섬유형 회로 기판을 사용하여 개발되었다.

가설 설정

① 핫 프레스 접착과정과 납땜과정에서 내열성을 가질 것
② 회로의 부품 홀을 뚫기 위한 초고속 드릴 공정에 대해 찢김 저항성을 가질 것

제안 방법

Circuit Design: Figure 4와 Figure 5와 같이 PADS S/W를 활용하여 회로를 다음과 같이 설계하였고 배터리 전력 충전과 부하 output 출력 회로 설계에 있어서 회로 B/D Size 50 mm×50 mm에 두께 1T로 설계 진행하였다.
Energy Charging Type: 최대 전력 추종 기능을 활용하여 배터리를 충전시키기 위해 (3.7 V Lipo-BAT) 2가지 스위칭모드(A, B)로 설계하였다. (A)는 저전력의 에너지 하베스팅환경을 가정하여, max-power 추종 제어 기능이며, (B)는 높은 전력이 유입됐을 때, 전압 레귤레이터(4.
MPPT Circuit Power Outline: 기본적으로 Texas Instrument 사의 배터리 충전용 기반 소형 에너지 하베스팅 충전회로 라인을 바탕으로 설계하였다. 저전력의 태양광 에너지가 회로의 input으로 유입되었을 때, MPPT 회로는 최대 에너지를 디바이스 내로 최적화 전환시키기 위한 전력 추종을 실시한다.
Materials Selection: 직물 타입의 섬유형 회로 기판 재료와 기판 접착 테스트를 진행하였다. 먼저, PCB 기판의 섬유 재료로서 다음과 같이 기본적인 3가지 특성을 만족해야 한다.
Voltage Regulation: 전압 레귤레이터는 Figure 6과 같이,input line에 설계되며, 배터리가 안정적으로 충전될 수 있는 4.2 V(Lipo-BAT의 이상적 완충 전압)에 맞게 설계하였다. 이는 낮은 에너지 이외 높은 에너지 전력 입력도 충전될 수 있도록 회로를 보호하며 충전될 수 있도록 하였다.
직물원단에 함침된 폴리이미드 수지를 활용, 구리 포일을 접착하는 것이 가장 원활한 결과를 보였다. 나이프 코팅 방법을 활용하여 수지를 섬유에 얇게 바르고 쉬운 공정성을 확인하였다. 그러나 수지를 함침할 때, 수지 코팅 두께를 일정하게 조절/유지하는 것이 단점으로 파악되었다.
본 실험에서는 소형 섬유형 PCB 회로 제작에 이어 기존 PCB 제조 공정을 모사하였고 실제 제조 측면에 있어 제품생산성과 적합성을 적용, 판단하였다.
섬유 기판의 홀 드릴공정은 0.3 ø 직경의 드릴 팁을 이용하였고, 기존의 PCB 공정 회전수(8만−10만)보다 빠른 드릴 회전수 130,000 rpm으로 진행하였다.
아라미드 원단 위 구리동박 회로라인 층을 접착 후, 초고속 마이크로 드릴 공정을 진행하였다. 섬유 기판의 홀 드릴공정은 0.
인공광원을 활용한 low power output의 태양전지를 활용하여 전력 곡선인 I-V 곡선을 측정하였다.
직물형 회로 기판 및 회로 부품을 납땜하여 최종 회로로서의 성능을 검증하기 위해, Figure 12와 같이 Yamashita Denso 솔라 시뮬레이터를 활용하여 STG(Standard Test Conditions, AM 1.5G) - 1SUN 공인 조건에서 성능을 검증하였다.
회로 라인을 형성하기 위해, 기존 PCB 공정을 모사하여 진행하였다. 회로 라인이 프린팅된 필름을 에칭, UV 광 노출, 염화 제2철 수용액을 활용한 라인 에칭, 스크린 프린팅을 활용하여 Figure 10과 같이 최종 회로라인을 형성하였다.

대상 데이터

C에서의 고온 납땜, 드릴 과정에서의 높은 재료 강도를 가지는 섬유 중, 아라미드 섬유원단을 선택하였다. 그 중, 열 안정성과 높은 기계적 내구성과 높은 강도를 가지는 200데니어 섬도의 섬유가 포함된 para계 아라미드 직물 원단(TEIJIN CT612)을 이용하였다.
아라미드 직물 원단을 기반으로 금박과 구리 시트를 접착시켜 PCB FR-4 기판 공정을 활용한 섬유형 기판을 제작하였다. 회로라인을 만들기 위한 금속층과 섬유 열접착에 있어 다음 4가지를 test하였다.
아라미드 직물원단을 현재 상용화되고 있는 PCB 기판 제조 공정 라인을 활용하였고 구리 동박에 접착하였다. 아래 그림과 같이, 구리동박을 열 압착 공정을 거쳐 아라미드에 접착시킨다.
최종 전자회로로서의 기판으로 사용될 섬유형 CLT 기판은 Figure 11과 같이 앞서 언급한 것과 같이 파라아라미드 직물원단에 폴리이미드 수지를 함침시킨 후, 높은 압력과 고온의 압착 과정을 거쳐 동박과 접착하였다.
핫 프레스 접착과 270−320 oC에서의 고온 납땜, 드릴 과정에서의 높은 재료 강도를 가지는 섬유 중, 아라미드 섬유원단을 선택하였다.

성능/효과

개발된 MPPT 회로는 저전력 에너지 충전 컨트롤 프로그래밍을 기반으로 저전압(저전력 에너지)에서의 섬유형 태양광 충전회로의 충전, 동작성을 확인하였고 웨어러블 제품에 응용, 상품화로서 회로 제작이 가능함을 확인할 수 있었다. 또한 솔라 시뮬레이터를 사용하여 공인 조건에서 성능을 검증한 결과, MPP에서의 전압은 2.
마이크로 초고속 드릴 과정의 경우, hole의 가장자리가 Figure 9의 D, E 그림과 같이 깨끗하게 파임을 볼수 있었다. 그러나 A, B, C의 저속 RPM 드릴과정에서는 홀 도금, 부품 실장이 불가능할 정도로 버(burr)가 발생함을 확인하였다.
개발된 MPPT 회로는 저전력 에너지 충전 컨트롤 프로그래밍을 기반으로 저전압(저전력 에너지)에서의 섬유형 태양광 충전회로의 충전, 동작성을 확인하였고 웨어러블 제품에 응용, 상품화로서 회로 제작이 가능함을 확인할 수 있었다. 또한 솔라 시뮬레이터를 사용하여 공인 조건에서 성능을 검증한 결과, MPP에서의 전압은 2.89 V, 전류는 76.99 mA가 측정되었으며, fill factor는 72.5%임을 확인할 수 있었고,약 96%의 변환 효율이 나옴을 확인할 수 있었다.
연속 공정에 있어 threshold RPM 12만 이상의 RPM 수준으로 확인되었고 이 과정에서 상당히 높은 열이 기판에발생되었는데, 이 발생되는 열은 드릴과정에서 알루미늄 방열판을 이용하여 냉각시켜 방지할 수 있다.
전력 변환효율을 비교하기 위해 태양전지 단독 MPP 지점과 MPPT 회로를 통과시킨 출력 전력을 비교하여 약 96%의 변환 효율을 나옴을 확인할 수 있었다. Figure 12는 성능 테스트 이미지이며, Table 2, 3은 성능 분석 결과 이고,Figure 13과 Figure 14는 개발한 MPPT 회로를 거쳐서 출력되는 I-V curve이다.
직물원단에 함침된 폴리이미드 수지를 활용, 구리 포일을 접착하는 것이 가장 원활한 결과를 보였다. 나이프 코팅 방법을 활용하여 수지를 섬유에 얇게 바르고 쉬운 공정성을 확인하였다.

후속연구

또한 개발한 섬유형 기판 기반의 MPPT 충전회로는 최대 전력 추종기능(MPPT)을 활용하여 3.7 V 2차전지 충전이 가능하며, 태양광 에너지 뿐만 아니라 다른 섬유형 에너지 하베스팅 소자에서도 사용이 가능할 것으로 기대된다[12,13].
현재 섬유형 태양전지 제조 기술이 상용화되어 제품에 응용되기 위해서는, 에너지 변환 효율의 한계를 극복하기 위한 MPPT 회로가 반드시 동반 부착되어야 한다. 본 연구를 통하여 개발된 섬유형 MPPT 회로 제조 기술이 의복형웨어러블 디바이스에 섬유형 태양전지의 보급을 가속화 할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	각 셀의 최대 전력을 수확하기 위해 어떠한 방법이 필요한가?	최대 전력을 수확하기 위해서는 태양전지 셀이 항상 MPP 근처에서 동작하도록 하기 위한 MPPT(maximum power point tracking) 제어 기능이 필요하며, 이러한 MPPT 회로는 태양전지로 부터 출력 전력(I-V 전력 곡선)을 샘플링 해낼 수 있고 최대 전력을 얻기 위한 적절한 저항을 세팅할 수 있게 만들어 준다[5−8].
	염료감응 태양전지의 단점은 무엇인가?	최근 연구되고 있는 의복형 웨어러블 디바이스 용 섬유형 태양전지는 주로 염료감응 원리를 사용한 사례가 대부분이며[10,11], 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지 등 다른 태양전지에 비하여 상대적으로 에너지 변환효율이 떨어지는 단점이 있다[9]. 따라서 염료감응 원리로 개발되는 섬유형 태양전지는 MPPT 회로가 반드시 동반되어야 한다.
	다양한 의복형혹은 패션 액세서리에 MPPT 회로가 적용 된다면 어떤 효과를 기대할 수 있는가?	본 연구에서 태양광 에너지를 활용하여 다양한 의복형혹은 패션 액세서리에 적용 가능한 소형 태양광 충전회로를 설계하였다. 만약 소형 MPPT 회로가 적용된다면 따로 충전할 필요없이 태양광 만으로 배터리를 충전할 수 있을 것이다.

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저자의 다른 논문 :

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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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