[논문]비연속적 에너지 발전 환경을 고려한 웨어러블 기반 P-EH 플랫폼 개발

박현문; 김병수; 김동순

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.5.1093

[국내논문] 비연속적 에너지 발전 환경을 고려한 웨어러블 기반 P-EH 플랫폼 개발
A Development of P-EH(Practical Energy Harvester) Platform for Non-Linear Energy Harvesting Environment in Wearable Device 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.13 no.5, 2018년, pp.1093 - 1100

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

초록
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웨어러블 기기에서 반도체의 소형화 및 저전력 기술이 빠르게 진행됨에 따라 다양한 초소형 형태의 응용서비스를 제공할 수 있게 되었다. 최근에는 태양열, 피에조, 마찰 등 다양한 에너지 하베스터를 이용해 저전력 반도체는 매우 낮은 전원으로도 동작할 수 있게 되었다. 웨어러블 상황에서의 대부분에 에너지 하베스팅은 비연속적(non-linear)으로 발전된다. 이에 따라 본 연구에서는, 3Hz의 낮은 주파수기반 디바이스 플랫폼을 제작하여 실험적으로 평가하였다. 본 연구는 비연속적 발전 환경을 고려해, 2단계의 저장환경과 사용된 에너지 발전소자의 맞춘 에너지 고효율 변환 플랫폼 설계하였다. 또한, 비연속적 에너지 수집 환경에서 안정적인 에너지를 저장 유지를 통해 약 4.67mW/min 발전하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fast progress in miniaturization and reducing power consumption of semiconductors for wearable devices makes it possible to develop extremely small wearable systems for various application services. This results recent wearable applications to be powered from extremely low-power energy harvesters based on solar, piezo, and TENG sources. In most cases, the harvesters generate power in non-linear manner. Therefore, we implemented and experimented the device platforms to utilize natural frequency of around 3Hz. We also designed two-stage power storages and high efficiency conversion platform to consider such non-linear power harvesting sources. The experiment showed power generation of about 4.67mW/min from these non-linear sources with provision of stable energy storages.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 전력모니터링 플랫폼 및 소자 Fig. 1 Power Monitoring Platform and Generator
그림 그림 3. 웨어러블 발전 플랫폼의 측정환경 Fig. 3 A monitoring and generation environment of the wearable harvesting power platform
그림 그림 4. 비정형 파형 발생기 Fig. 4 non-linear waveform generator
그림 그림 2. 발전 소자의 DC변환 후 전압/전류 측정 Fig. 2 Voltage and current measurement after DC conversion of nano-generator source
표 표 1. 신발에 장착된 발전소자 발전량 비교 Table 1. The technical analysis comparison of DRM system
그림 그림 5. 제안한 P-EH 플랫폼 Fig. 5 Proposed P-EH(Practical Energy Harvester)platform
그림 그림 6. 제안 P-EH 회로에서 스위치 동작 Fig. 6 Switch operation in P-EH(Practical Energy Harvester) circuit
그림 그림 7. 저장소(st¹)에 전압(위)과 전류(아래)의 변화 Fig. 7 voltage(top) and current(bottom) charge in primary storage
그림 그림 8. 제안 회로의 동작에 따른 전압변화 Fig. 8 voltage change due to operation of the proposed circuit
그림 그림 9. 2차 저장소에 전압(위)과 전류(아래) 변화 Fig. 9 voltage(top) and current(bottom) characteristic changes in secondary storage
그림 그림 10. DC-DC Booster의 출력 전압과 전력 Fig. 10 voltage(top) and current(middle, bottom) characteristic out on DC-DC Booster

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

문제 정의

미소 전력 및 비규칙적 하베스팅 에너지 관련해 다양한 웨어러블 하베스터 소자의 저장과 변환에 효율성을 높이는 연구가 소재 개발과 함께 지속해서 회로 연구가 제안[6-9]되고 있으며, 이러한 연구동향에 맞춰 본 연구도 성균관대[7-8]에서 개발한 마찰과 진동 소자를 근간으로 효율성을 높이는 연구를 제안하였다. 본 연구는 마찰과 진동소자 복합체인 성대에서 연구된 소자[8-10]를 기반으로, 실제 사람의 신발에 부착하여 발전상황을 모니터링하고 이를 근간으로 발전실험환경을 구성하였다.

제안 방법

제안된 회로는 비정형 발전 (no-linear power generation)에 따른 저장고 변환에 에너지 효율성을 증가시키기 위한 에너지 저장구간의 이중화와 전류 상승(current booster) 회로를 이용해 전압을 낮추면서 발전 효율성을 높였다. 관련된 회로를 BLE(: Bluetooth Low Energy)와 연동된 회로를 구성하고, BLE 모니터링을 통해 검증하였다. 비연속적 에너지 수집 환경에서 안정적인 에너지를 저장 유지를 통해 약 4.
이를 기준으로 Labworks사의 진동 발생기와 가진기를 통해 비연속적 사인파를 만들고, 소자의 전력을 발생시켰다. 또한, 발생 소자, AC-DC의 변환 상황 그리고 최종 저장소에서 PMIC로 변환된 결과를 상호비교하기 위해 7^1/2 디지털 멀티미터 (Digital multimeter)를 통해 비연속적 사인파를 측정하였다.
발전량에 대한 신뢰성을 확보하기 위해, 신발에 전압과 전류를 측정 가능한 전력 모니터링(Power Mon -itoring) IC 와 회로를 발전 소스에 연결하고 발전성능을 검증하였다. 그림 1과 같이 가로×세로(28×23mm)의 소형보드이며, 구조는 BLE와 PMIC 뒷면에는 전력모니터링 IC로 구성하였다.
미소 전력 및 비규칙적 하베스팅 에너지 관련해 다양한 웨어러블 하베스터 소자의 저장과 변환에 효율성을 높이는 연구가 소재 개발과 함께 지속해서 회로 연구가 제안[6-9]되고 있으며, 이러한 연구동향에 맞춰 본 연구도 성균관대[7-8]에서 개발한 마찰과 진동 소자를 근간으로 효율성을 높이는 연구를 제안하였다. 본 연구는 마찰과 진동소자 복합체인 성대에서 연구된 소자[8-10]를 기반으로, 실제 사람의 신발에 부착하여 발전상황을 모니터링하고 이를 근간으로 발전실험환경을 구성하였다. 제안된 회로는 비정형 발전 (no-linear power generation)에 따른 저장고 변환에 에너지 효율성을 증가시키기 위한 에너지 저장구간의 이중화와 전류 상승(current booster) 회로를 이용해 전압을 낮추면서 발전 효율성을 높였다.
3mm 그리고 지름이 30mm로 보드보다 약간 큰 사이즈로 구성된다. 소자 전원에 발전모형은 앞서 언급과 본 연구에 선행연구[7,8]에서 연구했던 압전과 마찰기반의 복합 소자로 신발에 장착하고 소자의 발생 모형을 30대 남성의 시간에 따른 발전에너지(W_RMS)를 평균하였다.
이와 함께 웨어러블 하베스팅 플랫폼의 구축을 위해 선행 연구[1]와 실험을 근거로 발전량과 발전 형태를 그림 3으로 구성하였다. 이를 기준으로 Labworks사의 진동 발생기와 가진기를 통해 비연속적 사인파를 만들고, 소자의 전력을 발생시켰다. 또한, 발생 소자, AC-DC의 변환 상황 그리고 최종 저장소에서 PMIC로 변환된 결과를 상호비교하기 위해 7^1/2 디지털 멀티미터 (Digital multimeter)를 통해 비연속적 사인파를 측정하였다.
본 연구는 마찰과 진동소자 복합체인 성대에서 연구된 소자[8-10]를 기반으로, 실제 사람의 신발에 부착하여 발전상황을 모니터링하고 이를 근간으로 발전실험환경을 구성하였다. 제안된 회로는 비정형 발전 (no-linear power generation)에 따른 저장고 변환에 에너지 효율성을 증가시키기 위한 에너지 저장구간의 이중화와 전류 상승(current booster) 회로를 이용해 전압을 낮추면서 발전 효율성을 높였다. 관련된 회로를 BLE(: Bluetooth Low Energy)와 연동된 회로를 구성하고, BLE 모니터링을 통해 검증하였다.
표 1과 그림 2 같이 측정된 30대 초반 173∼178m의 80kg 내외의 사람에 평균 발전량은 0.035㎽ /counter이며, 발전량을 정확성을 위해 VRMS를 초(Second)보다는 분(minute)으로 변경하였다.

대상 데이터

1차 저장소의 다수 커패시터 효율성을 위해서 ESL과 ESR 3개의 MLCC(: Multilayer Ceramic Chip Capacitor)로 구성되어 있다. 인덕턴스 성분 및 저항 성분은 주요 제조사들이 제공하기 때문에, 총 임피던스(Zs)를 식(1), 식(2)와 같이 계산해 제공할 수 있다.
그림 1과 같이 가로×세로(28×23mm)의 소형보드이며, 구조는 BLE와 PMIC 뒷면에는 전력모니터링 IC로 구성하였다.

데이터처리

035㎽ /counter이며, 발전량을 정확성을 위해 V_RMS를 초(Second)보다는 분(minute)으로 변경하였다. 그림 2는 데이터분석을 위해 에이질런트사(Agilent Inc.)의 디지털멀티미터 분석(DMM analyzer) SW를 사용하였다. 30대 성인이 걷는 분당 걸음 수는 약 120∼180회 걸음으로 발전에너지로 계산하면, 4.

성능/효과

)은 그림 9와 같이 변화된다. 1차 저장소보다 2차 저장소가 2배 이상 증가됨에 따라 전압은 1.38V로 약 60%가 감소되지만, 발생되는 전류는 1.41mA로 56%가 증가되어 전체 에너지 측면에서는 약 4% 손실만 발생되었다.
2.1장의 실측 환경과 비교했을 때 변환 효율은 발전소자의 발전량인 4.14∼6.24㎽/min를 기준했을 때 66.4%부터 상황에 따라 최대 82%까지 가변 되었다.
. 결론적으로 발생 소스로 부터 에너지가 손실이 줄이고, PMIC 이용에도 높은 효율을 제공할 수 있다.
또한, 본 제시된 2단계의 저장소 모델을 통해 발전에너지가 높은 전압과 낮은 전류를 에너지로 저장함으로써 DC-DC 변환회로의 줄일 수 있었으며, 상용화된 PMIC 혹은 DC-DC IC들을 발생소자 및 환경에 따라 저장소 공간을 자유롭게 조절하고 단일 모드로 동작함으로써 보다 효율을 높일 수가 있다. 결론적으로 발생 소스로 부터 에너지가 손실이 줄이고, 플랫폼의 범용성도 높일 수가 있었다.
앞서 이러한 방법은 두 가지 장점을 지니는데, 발전에너지 변화에 따른 전압과 전류를 에너지로 균일하게 저장하고 전압을 낮춤으로써 기존 높은 전압 동작을 위해 내부적으로 차지 벅(charge buck)이나 다단계 모스 스위치, 인덕터 등에 복잡한 IC구조가 단순하게 되어 PMIC의 복잡도를 줄일 수 있다. 둘째는 두 단계를 저장소를 통해 맞게 저장소 공간을 자유롭게 조절함으로써 단일 모드인 Booster로 PMIC나 DC-DC를 사용함으로 보다 효율을 높일 수가 있으며, 다양한 상용화된 PMIC 및 DC-DC를 사용할 수 있다..
따라서, TENG를 고려한 플랫폼 구성에서는 높은 전압과 낮은 전류의 효율성을 위해 다수의 저장소를 두고 저장과 변환을 위한 임피던스 매칭이나 본 제안과 같은 최적화된 매우 낮은 저항의 ESR과 ESL를 고려한 저장소를 갖는 것이 에너지 변환시 높은 효율성을 제공할 수 있다.
0mW/h까지 제공할 수 있다. 또한, 본 제시된 2단계의 저장소 모델을 통해 발전에너지가 높은 전압과 낮은 전류를 에너지로 저장함으로써 DC-DC 변환회로의 줄일 수 있었으며, 상용화된 PMIC 혹은 DC-DC IC들을 발생소자 및 환경에 따라 저장소 공간을 자유롭게 조절하고 단일 모드로 동작함으로써 보다 효율을 높일 수가 있다. 결론적으로 발생 소스로 부터 에너지가 손실이 줄이고, 플랫폼의 범용성도 높일 수가 있었다.
이를 통해 웨어러블 디바이스에서 인체 동작만으로도 웨어러블 디바이스의 지속적인 전원 공급이 가능하였다. 또한, 사용자 움직임으로 웨어러블 디바이스에 에너지 제공에 큰문제가 없는 것으로 분석되었다. 2.
67mW/min 발전하였다. 또한, 실측 환경과 비교했을 때 변환 효율은 발전소자의 발전량을 기준했을 때 66.4%부터 상황에 따라 최대 82%까지 가변 되었다.

후속연구

앞서 연구는 통해 웨어러블 상황에서의 다양한 신체 정보를 면밀하게 분석하고 실용성을 높이기 위해서는 유선기반 계측보다는 근거리 통신을 하는 BLE와 연동된 100nA 수준을 전류의 정밀계측과 20V이내에 100mV단위로 측정과 전송이 가능한 초소형 전력 측정기(Power Monitoring) 개발 필요성이 분석되었다. 금년 중으로 이를 위해서 제시한 하베스터 플랫폼을 전압과 전력을 실시간으로 분석하고 기록 가능한 시스템을 개발할 예정이다.
앞서 연구는 통해 웨어러블 상황에서의 다양한 신체 정보를 면밀하게 분석하고 실용성을 높이기 위해서는 유선기반 계측보다는 근거리 통신을 하는 BLE와 연동된 100nA 수준을 전류의 정밀계측과 20V이내에 100mV단위로 측정과 전송이 가능한 초소형 전력 측정기(Power Monitoring) 개발 필요성이 분석되었다. 금년 중으로 이를 위해서 제시한 하베스터 플랫폼을 전압과 전력을 실시간으로 분석하고 기록 가능한 시스템을 개발할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	웨어러블 상황에서의 다양한 신체 정보를 면밀하게 분석하고 실용성을 높이기 위해서 필요한 개발은 무엇인가?	앞서 연구는 통해 웨어러블 상황에서의 다양한 신체 정보를 면밀하게 분석하고 실용성을 높이기 위해서는 유선기반 계측보다는 근거리 통신을 하는 BLE와 연동된 100nA 수준을 전류의 정밀계측과 20V이내에 100mV단위로 측정과 전송이 가능한 초소형 전력 측정기(Power Monitoring) 개발 필요성이 분석되었다. 금년 중으로 이를 위해서 제시한 하베스터 플랫폼을 전압과 전력을 실시간으로 분석하고 기록 가능한 시스템을 개발할 예정이다.
	웨어러블 기반의 에너지 하베스팅의 단점은 무엇인가?	사람의 동적 움직임에 의한 수직과 수평적인 동작으로 수축, 마찰, 열전, 진동 등 발생되며 이를 섬유[1], 열전부착[2], 태양전지[3], 수직마찰[4] 등 다양한 발전 소자를 이용해 전기 에너지로 변환시킨다. 하지만, 이러한 발전원은 대부분이 인간 동작을 기반으로 걷기나 달리기 등 일정한 동작이 요구되며, 같은 동작에서도 외부환경과 사람의 미묘한 동작 차이로 발생하는 에너지가 매우 불규칙하며, 에너지 발생형태 또한 편차가 크다. 이에 따라 웨어러블 에너지 전압과 전류는 비선형적인 특성을 갖으며 이를 포집하고 저장ㆍ활용하는 회로[5-8]가 요구된다.
	웨어러블 기반의 에너지 하베스팅은 어떠한 원리로 전기 에너지를 생산하는가?	웨어러블 기반의 에너지 하베스팅은 2010년부터 많은 연구가 이루어졌다. 사람의 동적 움직임에 의한 수직과 수평적인 동작으로 수축, 마찰, 열전, 진동 등 발생되며 이를 섬유[1], 열전부착[2], 태양전지[3], 수직마찰[4] 등 다양한 발전 소자를 이용해 전기 에너지로 변환시킨다. 하지만, 이러한 발전원은 대부분이 인간 동작을 기반으로 걷기나 달리기 등 일정한 동작이 요구되며, 같은 동작에서도 외부환경과 사람의 미묘한 동작 차이로 발생하는 에너지가 매우 불규칙하며, 에너지 발생형태 또한 편차가 크다.

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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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