[논문]마찰전기 나노발전기를 위한 임피던스 커플러 스위치를 탑재한 3단계 전력 관리 시스템

윤보경; 이준영; 정지훈

doi:10.6113/tkpe.2020.25.4.243

마찰전기 나노발전기를 위한 임피던스 커플러 스위치를 탑재한 3단계 전력 관리 시스템
Three-Stage Power Management System Employing Impedance Coupler Switch for Triboelectric Nanogenerator 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.4, 2020년, pp.243 - 250

윤보경 (School of Electrical & Computer Engineering, UNIST) , 이준영 (School of Electrical & Computer Engineering, UNIST) , 정지훈 (School of Electrical & Computer Engineering, UNIST)

Abstract ▼ AI-Helper

Energy harvesting is a recent technology involving the harvest and utilization of extremely small surrounding energy. Energy harvesting research is conducted in various fields. Triboelectric nanogenerators (TENGs) are energy harvesting technologies that use static electricity generated by physical movement or friction. Although TENGs generate output power in microwatt levels, they experience high internal impedance compared with other energy harvesting generators, thereby making the continuous transfer of electric power to loads difficult. This study proposes a power management system for TENGs that consists of three stages, that is, an AC/DC rectifier, an impedance coupler switch with a capacitor bank, and a DC/DC converter. In addition, the selection method of the AC/DC rectifier and DC/DC converter is proposed to maximize the amount of power transferred from energy harvesting areas. Furthermore, the impedance coupler switch and capacitor bank are discussed in detail. The validity and performance of the proposed three-stage power management system for TENGs are verified using a prototype system.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Structure of a triboelectric nanogenerator.
그림 Fig. 3. Voltage and current waveforms of TENG.
그림 Fig. 2. Operational principles of TENG.
그림 Fig. 4. Conventional power conversion system and proposed 3-Stage power management system of TENG.
그림 Fig. 5. Operational modes of 3-stage power management system for TENG.
그림 Fig. 7. Power transfer ratio of conventional power conversion system of TENG.
그림 Fig. 6. Impedance modeling process of conventional power conversion system for TENG.
그림 Fig. 8. Circuit schematic in energy usage mode.
그림 Fig. 9. Hardware prototype of proposed 3-stage power management system of TENG (40 mm×74 mm×45 mm).
그림 Fig. 10. Experimental set up for operating verification.
표 TABLE I PARAMETER OF TRIBOELECTRIC NANOGENERATOR
그림 Fig. 11. Charging voltage waveform with various capacitance using TENG.
그림 Fig. 12. Voltage of capacitor bank and output voltage of DC/DC converter in energy usage mode.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 TENG의 동작 원리와 전압, 전류의 특성을 고려하여 TENG에 연결되는 3단계로 구성된 전력관리 시스템을 제안한다. 그리고 제안한 TENG의 3단계전력 관리 시스템에서의 적절한 AC/DC 정류기와DC/DC 컨버터의 선정 방법에 대해 제안하고, 마지막으로 임피던스 커플러의 역할과 필요한 이유, 커패시터 뱅크의 커패시터 용량 설정에 대하여 논의하고자 한다. 최종적으로 제안한 TENG의 3단계 전력 관리 시스템을 통해 TENG의 전력을 효과적으로 저장하고, 사용할 수 있는지에 대해 검증하고 이를 이용하여 적용할 수 있는 응용 분야에 대해서도 기술하고자 한다.
7초 정도로 설계한 것과 비슷한시간 동안 동작하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 실험을 통해 3단계 전력 관리 시스템의 정상적인 동작과TENG로부터 생산된 전기에너지의 전력 변환을 통한이용 가능성을 확인하였다.
본 논문에서는 TENG의 동작 원리와 전압, 전류의 특성을 고려하여 TENG에 연결되는 3단계로 구성된 전력관리 시스템을 제안한다. 그리고 제안한 TENG의 3단계전력 관리 시스템에서의 적절한 AC/DC 정류기와DC/DC 컨버터의 선정 방법에 대해 제안하고, 마지막으로 임피던스 커플러의 역할과 필요한 이유, 커패시터 뱅크의 커패시터 용량 설정에 대하여 논의하고자 한다.
본 논문에서는 마찰전기 나노발전기에서 생산되는 전력을 효과적으로 사용할 수 있는 3단계 전력 관리 시스템을 제안하였다. 기존에 널리 사용되는 전력 변환 장치가 TENG에 적용이 불가한 이유를 임피던스 모델링을기반으로 수식을 도출하고 이를 활용하여 설명하였다.
앞서 모델링한 기존 전력 변환장치의 임피던스 분석에 실제 값들을 대입하여 임피던스의 매칭이 이루어지는지 살펴본다. 본 연구에서 사용하는 TENG의 내부 임피던스는 3MΩ 정도의 값을 가진다.
그리고 제안한 TENG의 3단계전력 관리 시스템에서의 적절한 AC/DC 정류기와DC/DC 컨버터의 선정 방법에 대해 제안하고, 마지막으로 임피던스 커플러의 역할과 필요한 이유, 커패시터 뱅크의 커패시터 용량 설정에 대하여 논의하고자 한다. 최종적으로 제안한 TENG의 3단계 전력 관리 시스템을 통해 TENG의 전력을 효과적으로 저장하고, 사용할 수 있는지에 대해 검증하고 이를 이용하여 적용할 수 있는 응용 분야에 대해서도 기술하고자 한다.

가설 설정

출력 부하로는 DC/DC 컨버터가 바로 연결되어 있기 때문에 DC/DC 컨버터의 입력 임피던스를 의미한다. 또한 정상상태에서의 해석이기 때문에 다이오드 정류기에 연결된 커패시터(C_in)의 임피던스는 무한대로 가정한다.

제안 방법

7초 정도 동작시킬 수 있는 용량이다. DC/DC 컨버터 동작에서의 커패시터 뱅크의 ESR에 의한 영향을 최소화하기 위해 10mF의 커패시터를병렬로 4개를 연결하여 40mF 용량의 커패시터 뱅크가되도록 설계하였다. 이는 커패시터의 ESR에 의한 손실을 최소화해야 미소전력을 포집하는 데 있어 유리하기때문이다.
센서 및 데이터 전송 어플리케이션을 구동한다고 가정했을 때, TENG의 전력 변환 시스템 뒤에 어플리케이션부하로 MCU(Micro-controller Unit), 저전력 센서, 그리고 low-power 블루투스가 차례로 연결된다. MCU의 요구전압은 2.8V를 기준으로 하였고, MCU, 센서 그리고 블루투스의 총 소비전력은 50mW로 계산하였다. 그리고5V 정도의 입력 전압과 80%의 효율을 가지는 DC/DC컨버터가 동작한다고 가정하면, DC/DC 컨버터의 입력임피던스는 약 400Ω 정도로 구해진다.
제작한 하드웨어 프로토타입을 이용하여 실험을 진행하였다. TENG를 제작한 프로토타입에 연결하고, MCU,심박센서, 블루투스를 부하로 연결하였다. 그리고 임피던스 커플러 스위치를 충전 모드로 위치하여 커패시터뱅크에 5V까지 충전하였다.
그림 9는 3단계 전력 관리 시스템 시제품과 부하를 연결한 모습을 보여준다. TENG에 제안하는 3단계 전력 관리 시스템을 연결하고 그 뒤에 부하로는 MCU, 심박센서, 블루투스를 사용하였다.
TENG를 제작한 프로토타입에 연결하고, MCU,심박센서, 블루투스를 부하로 연결하였다. 그리고 임피던스 커플러 스위치를 충전 모드로 위치하여 커패시터뱅크에 5V까지 충전하였다. 본 실험에서 사용한 TENG의 생산 전력 수준이 10∼100µW 정도이기 때문에 3Hz정도의 구동으로는 40mF 커패시터 뱅크에 5V 충전까지 시간이 2시간 이상으로 오래 소요된다.
본 논문에서는 마찰전기 나노발전기에서 생산되는 전력을 효과적으로 사용할 수 있는 3단계 전력 관리 시스템을 제안하였다. 기존에 널리 사용되는 전력 변환 장치가 TENG에 적용이 불가한 이유를 임피던스 모델링을기반으로 수식을 도출하고 이를 활용하여 설명하였다.또한 제안한 3단계 전력 관리 장치의 각 부에서의AC/DC 정류기, 커패시터 뱅크 그리고 DC/DC 컨버터의선정 방법 또한 제시하였다.
마찰전기 나노발전기에서 발생되는 전류는 다이오드 브리지 정류기를 지날 때 같은 종류의 다이오드를 양 단으로 하나씩 지나게 된다. 따라서 그림 6과 같이 임피던스 해석을 위해 전류가 도통되는 정류기의 다이오드를 하나의 저항(R_d)으로 모델링하였고, 전류가 도통되지 않는 정류기의 다이오드는 개회로로 보았다. 전류가 도통되는 다이오드가 TENG의 양 단에 각각 직렬로 하나씩 연결되어있는 형태이고, 그 뒤로 커패시터와DC/DC 컨버터의 입력 임피던스가 출력 부하로서 병렬로 연결되어있다.
이는 커패시터의 ESR에 의한 손실을 최소화해야 미소전력을 포집하는 데 있어 유리하기때문이다. 따라서 대용량에 유리하지만 큰 ESR 값을 가지는 슈퍼 커패시터나, 작은 ESR 값을 가지지만 용량이작은 세라믹 커패시터를 사용하는 대신 전해 커패시터를 사용하였다. 본 연구에서는 ESR에 의한 전력 손실을최소화하기 위하여 15mΩ의 낮은 ESR 값을 가지는10mF의 커패시터를 선정하여 4개를 병렬로 연결하여사용하였다.
기존에 널리 사용되는 전력 변환 장치가 TENG에 적용이 불가한 이유를 임피던스 모델링을기반으로 수식을 도출하고 이를 활용하여 설명하였다.또한 제안한 3단계 전력 관리 장치의 각 부에서의AC/DC 정류기, 커패시터 뱅크 그리고 DC/DC 컨버터의선정 방법 또한 제시하였다. 제안한 전력 관리 시스템을프로토타입으로 제작하여 각 모드의 동작을 확인하였고 TENG를 전력원으로 이용하여 구동 가능함을 확인하였다.
먼저, 기존 전력 변환장치의 커패시터는 DC/DC 컨버터의 입력 전압의 리플을 잡아주는 역할을 하고, 주로 nF∼µF 단위의 용량을 사용한다. 반면에, 제안하는 3단계 전력 관리 시스템의 커패시터는 TENG에서 생산하는 에너지를 저장하는 역할을 하기 때문에 mF 이상의 큰 용량을 가지는 커패시터나 슈퍼커패시터를 사용한다. 이러한 이유로 두 시스템에서의 커패시터는 그 용량과 쓰임새가 크게 다르다.
앞서 모델링한 TENG와 AC/DC 정류기의 임피던스회로 모델에 연결된 DC/DC 컨버터의 임피던스 모델을 그림 7에 나타내었다. 본 논문에서는 넓은 입력 전압을가진 DC/DC 컨버터의 사용을 위해 벅-부스트 컨버터를 이용하여 임피던스 모델링을 진행하였다. 정상상태에서의 임피던스 근사화를 위해 대신호 모델을 기반으로 모델링하였기 때문에 벅 컨버터나 부스트 컨버터 등 다른 종류의 DC/DC 컨버터의 임피던스 모델링에도 본 논문의 방법을 적용할 수 있다.
본 연구에서는 ESR에 의한 전력 손실을최소화하기 위하여 15mΩ의 낮은 ESR 값을 가지는10mF의 커패시터를 선정하여 4개를 병렬로 연결하여사용하였다.
앞서 3.2장에서 제시한 3단계 전력 관리 시스템과 기존의 전력 변환 장치를 비교하는 부분에서 임피던스 해석을 이용하여 정류기를 설계하는 방법으로 접근하였다.AC/DC 다이오드 정류기를 임피던스에 대하여 모델링하였을 때, TENG의 양 끝 단에 직렬로 임피던스를 가지는 저항이 된다.
에너지 사용 모드로 전환하여 DC/DC 컨버터와 부하가 커패시터 뱅크에 충전된 에너지를 이용하여 동작하는 것을 그림 12를 통해 확인할 수 있다. 이때의 외부전원이나 배터리의 연결은 없으며, 커패시터 뱅크에 충전된 에너지만을 이용하여 DC/DC 컨버터, MCU, 심박센서와 블루투스가 모두 구동하였다. 커패시터 뱅크의전압, 그리고 DC/DC 컨버터의 출력 전압 파형을 나타내었다.
임피던스 커플링 스위치는 수동적으로 동작시키는 기계적 스위치를 적용하였다. 아직 TENG에서 생산되는 전력량이 μW 수준이기 때문에 릴레이나 전력반도체로이루어진 스위치를 자동적으로 제어 및 동작시키기에는에너지가 충분치 않기 때문이다.
제안하는 마찰전기 나노발전기의 3단계 전력 관리 시스템의 동작을 검증하기 위해 전력 관리 시스템의 하드웨어 프로토타입을 제작하여 실험을 수행하였다. 그림 9는 3단계 전력 관리 시스템 시제품과 부하를 연결한 모습을 보여준다.
스위치를 에너지 전달 모드로 전환하면 커패시터 뱅크와 DC/DC컨버터 그리고 어플리케이션의 회로가 연결되어 부하에 전력을 공급할 수가 있다. 제안하는 시스템은 TENG로 충전시킨 커패시터 뱅크의 에너지 사용을 원할 때마다 스위치를 에너지 사용 모드로 전환하여 어플리케이션에서 전력을 선택적으로 사용할 수 있게 하는 방식이다.
전압 정류를 위한 AC/DC 정류기, 임피던스 커플링을 위한 기계식 스위치와 커패시터뱅크, 그리고 DC/DC 컨버터의 3단 직렬 시스템으로 이루어져 있다. 제안하는 전력 관리 시스템도 마찬가지로TENG의 전압 파형이 AC 형태인 특징을 가지기 때문에 센서나 특정 웨어러블 어플리케이션을 구동하기 위해서는 다이오드 브리지 AC/DC 정류기를 통해 전압을 DC 형태로 평활하게 만들어준 뒤 커패시터 뱅크에 에너지를 저장한 후, DC/DC 컨버터를 통해 최종적으로 어플리케이션의 요구 전압에 맞춰주어야 한다.

대상 데이터

실험에 사용한 마찰전기 나노발전기의 파라미터는 표1과 같다. TENG 제작에 사용된 유전체 소재의 종류는PTFE(Polytetrafluoroethylene)이고, 금속 소재는 알루미늄 필름을 사용하였다. 그리고 본 실험에서의 부하는50mW 정도이므로 5초 이상 동작시키기 위해 40mF를커패시터 뱅크의 용량으로 설정하였다.

성능/효과

결과적으로 다이오드 정류기의 임피던스 모델링을 통해 출력 부하(R_d)에 최대 전력을 전달하기 위해서는 최대 전력 전달 이론(Maximum power transfer theory)에의하여 TENG의 내부 임피던스와 직렬로 연결된 다이오드 정류기의 임피던스의 합이 출력 부하와 같을 때,즉 Z_TENG+2R_d=Z_in의 관계일 때, TENG가 생산하는전력의 최대 50%까지 출력을 부하에 전달이 가능하다.또한 식 (3)을 통해 TENG의 내부 임피던스와 다이오드정류기의 임피던스가 작을수록 생산 전력은 증가하기 때문에 TENG의 내부 임피던스 감소와 임피던스가 작은 다이오드 정류기를 사용하는 것이 최대 전력 전달에도 유리하다는 것을 알 수 있다.
결과적으로 출력단과 TENG의 내부 임피던스의 1000배 이상의 차이로 인해 기존의 전력 변환 장치로는 TENG의 생산 전력을 전달하는 것이 불가능하다는 것을 알 수 있다.
하지만 마찰전기 나노발전기는 MΩ 수준의 내부 임피던스를 kΩ 수준으로 낮추거나 생산 전력을 100∼1000배 정도 높이는 것이 현재로는 소재 및 구조적 한계에 있기 때문에 일반적인 전력 변환 시스템을 연결하여 사용할 경우 임피던스의 불균형으로 인해 효과적인 전력 전달이 어렵다. 따라서 제안하는 전력 관리시스템처럼 기계식 스위치를 이용하여 회로적으로 끊어서 임피던스의 영향을 차단해야 TENG의 내부 임피던스 영향을 최소화할 수 있고, TENG에서 생산되는 에너지를 가장 효과적으로 사용할 수 있다.
제안한 전력 관리 시스템을프로토타입으로 제작하여 각 모드의 동작을 확인하였고 TENG를 전력원으로 이용하여 구동 가능함을 확인하였다. 이를 통해 TENG 전력원에는 기존 전력 변환 장치의 적용 및 구동이 불가능했던 문제점을 본 논문에서제안한 TENG의 3단계 전력 관리 시스템을 적용함으로써 충전과 에너지 사용 모드에서 어플리케이션 부하의8.86초 정도 동작을 확인하여 타당성을 검증하였다.
AC/DC 다이오드 정류기를 임피던스에 대하여 모델링하였을 때, TENG의 양 끝 단에 직렬로 임피던스를 가지는 저항이 된다. 제안하는 3단계 전력 관리 시스템에서도 임피던스 모델링 결과를 이용하여 다이오드의 임피던스가 작을수록, 다이오드의 순방향 전압강하가 작은다이오드를 사용할수록 커패시터에 더 많은 에너지를충전할 수 있어 유리하다.
또한 제안한 3단계 전력 관리 장치의 각 부에서의AC/DC 정류기, 커패시터 뱅크 그리고 DC/DC 컨버터의선정 방법 또한 제시하였다. 제안한 전력 관리 시스템을프로토타입으로 제작하여 각 모드의 동작을 확인하였고 TENG를 전력원으로 이용하여 구동 가능함을 확인하였다. 이를 통해 TENG 전력원에는 기존 전력 변환 장치의 적용 및 구동이 불가능했던 문제점을 본 논문에서제안한 TENG의 3단계 전력 관리 시스템을 적용함으로써 충전과 에너지 사용 모드에서 어플리케이션 부하의8.
종합해봤을때, DC/DC 컨버터의 임피던스는 400Ω∼2kΩ 정도의 값을 가지는 것을 알 수 있다.
커패시터 뱅크의전압, 그리고 DC/DC 컨버터의 출력 전압 파형을 나타내었다. 커패시터 뱅크의 전압이 1.8V까지 사용되고,DC/DC 컨버터의 출력 전압이 2.8V로 레귤레이션되어8.86초 정도를 정상적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다. 목표 동작 시간을 8.
이러한 이유로 과도구간이 긴 40mF의 충전 상태를 일반화할 수 없기 때문에 40mF의 전체충전 파형 대신 커패시터 용량별 충전 전압 파형을 그림 11에 나타내었다. 커패시턴스의 용량이 커질수록 과도구간이 길어지고, 전압 리플이 감소하는 것을 확인할수 있다. 또한 커패시턴스가 변하더라도 최종 충전 전압의 값이 8∼9V로 비슷하게 얻어진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 하베스팅이란 무엇인가?	따라서 이에 대한 대안으로 배터리가 필요 없는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술이 주목받고 있다. 에너지 하베스팅은 주변에서 버려지는 에너지를 수확하여 전기 에너지로 바꾸어 사용하는 기술이다. 주변의 자연적인 에너지를 수확하여 사용하기 때문에 다른 발전 방법에 비하여 친환경적이면서 편의성과 안전성이 높다는 특징이 있다.
	웨어러블 스마트 디바이스 개발의 필수 조건은 무엇인가?	배터리가 디바이스에서 차지하는 부피와 무게가 큰 편이므로 주로 배터리의 사양에 의해 디바이스의 부피와 무게가 결정된다. 웨어러블 스마트 디바이스는 주로 사용자의 신체에 부착하여 사용되기 때문에 일상활동 중에도 사용에 무리가 없도록 가볍고 소형으로 개발되어야 한다. 따라서 이에 대한 대안으로 배터리가 필요 없는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술이 주목받고 있다.
	TENG의 동작원리는 무엇인가?	금속 전극이 다른 유전체에 비해 양전하가잘 대전되는 특징을 이용하여, 상부층에 유전체 물질로는 음전하 대전체를 사용한다. 따라서 그림 2와 같이 상부층과 하부층이 접촉과 분리를 통해 마찰을 반복하면정전기 유도 현상에 의하여 상부층의 유전체에는 음전하가, 하부층의 금속에는 양전하가 대전되도록 한다.

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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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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)
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