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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국전자통신연구원 Electronics and Telecommunications Research Institute |
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연구책임자 | 정명애 |
참여연구자 | 강성원 , 박홍원 , 김윤태 , 이대오 , 김병덕 , 김환직 , 방기홍 , 홍현석 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2015-11 |
과제시작연도 | 2015 |
주관부처 | 미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 | TRKO201700008790 |
과제고유번호 | 1711032887 |
사업명 | 한국전자통신연구원운영경비 |
DB 구축일자 | 2017-11-04 |
키워드 | 유전탄성중합체.나노탄소섬유.섬유상 태양전지.인체 유기 잡음.전자파 흡수율.저에너지 변환회로.인체 신호 전송. |
□ 최종목표
인체 활동 및 주변의 에너지를 활용하여 휴대용 및 착용형 IT 기기의 구동 동력으로 활용하기 위한 하이브리드 방식의 IT 융합형 초소형 고효율 에너지 하베스팅 시스템 구현을 최종목표로 하며, 인체로 유기되는 전자기적 신호를 이용한 에너지 하베스팅 연구, 저전력 에너지 변환회로 개발, 인체 신호 전송을 위한 최적 전송 시스템 개발, 섬유형태 태양전지 구현 원천기술 개발, 첨단 고효율 유전 탄성중합체를 기반으로 하는 인체활동-전기에너지 하베스팅 시스템 핵심 기술 개발을 세부 목표로 함.
□ 유전 탄성중합체
□ 최종목표
인체 활동 및 주변의 에너지를 활용하여 휴대용 및 착용형 IT 기기의 구동 동력으로 활용하기 위한 하이브리드 방식의 IT 융합형 초소형 고효율 에너지 하베스팅 시스템 구현을 최종목표로 하며, 인체로 유기되는 전자기적 신호를 이용한 에너지 하베스팅 연구, 저전력 에너지 변환회로 개발, 인체 신호 전송을 위한 최적 전송 시스템 개발, 섬유형태 태양전지 구현 원천기술 개발, 첨단 고효율 유전 탄성중합체를 기반으로 하는 인체활동-전기에너지 하베스팅 시스템 핵심 기술 개발을 세부 목표로 함.
□ 유전 탄성중합체 기반 인체활동-전기에너지 하베스팅 기술 개발
- 평균에너지 발생량 : ≥ 50 mW
- 진동 전달 효율 : ≥ 50%
- 인터페이스회로 효율 (정류 및 충전회로 효율) : ≥ 70%
□ 태양전지 섬유형태 구현 광전 하베스팅 기술 개발
- 광에너지 변환 효율 : > 3%
- 소자의 수명 : >100 hrs
- 굽힘내구성 : ~100 회
□ 인체로 유기되는 잡음신호를 이용한 하베스팅 기술 개발
- 평균에너지원 발생량 : ≥ 0.1 mW
- 무선 에너지 변환(정류 및 충전) 효율 : > 10 %
- 평균 에너지 취득량 : ≥ 0.01 mW
- 에너지 변환 주파수 대역 : 50Hz ~ 1MHz 대역
□ 하베스팅 에너지 최적 관리를 위한 저에너지 변환회로 개발
- 최저 구동 에너지 : ≥ -20 dBm
- 에너지 변환(정류 및 충전) 효율 : > 10 %
- 에너지 변환 주파수 대역 : 50Hz ~ 1MHz 대역
□ 인체 신호 전송을 위한 최적 전송 시스템 개발
- 신호 전송 알고리즘 개발 : FSDT 방식
- 신호 전송 시스템 구조 및 기능 설계
- 전송 속도 ≥ 50 Mbps, BER ≤ 10-4, 전력 소모 < 20 mW
- 전력 전송 효율 : ≥ 50%
□ 개발내용 및 결과
- 인체 활동의 상호작용으로부터 발생하는 에너지를 용이하게 획득하고 제조 공정이 쉬운 마찰전기 에너지 제너레이터 제작
- 불규칙적, 비주기적 특성과 함께 발생되는 에너지 하베스터의 전력을 효과적으로 정전압 변환하기 위한 에너지 손실이 극소화된 전력운용관리 모듈 개발 (from input 2.7~ 20 to output 1.2 V)
- Over-layer photoanode 구조화를 통해 염료에서 주입되는 전자의 흐름을 원활하게 하여 결과적으로 전류밀도가 개선되어 효율이 40% 향상됨(2014 년)
- 액체/고분자 전해질을 순차적용 함으로써 나노스케일의 미세한 TiO2 공극에의 전해질 침투를 향상함으로써 효율이 80% 향상됨(2014년)
- 조명기구로부터 방출되어 인체로 유기되는 전자기파 간선 신호로부터 전력을 획득하기 위한 착용형 하베스팅 모듈 및 이를 이용한 센서 구동 시스템 (2015 년)
- 3개의 다수의 에너지를 동시에 받아 큰 전력으로 변환시키는 에너지 관리 알고리즘을 개발하고, AC 에너지를 정류하여 DC로 변환하고 변환된 DC 에너지를 제어 가능한 수준으로 승압하는 AFE 모듈과 에너지를 관리하는 EMIC 통합하여 고효율 저에너지 변환회로( LEC System) 구현,(2015년)
- 다수의 에너지 하베스터로부터 생성되는 에너지를 관리하여 별도의 에너지 낭비 없이 하나의 부하로 전달할 수 있는 에너지 취합 알고리즘 및 회로 구조를 제안하고 관련 IPR을 확보함. (2013년), 관련 기능을 포함한 회로를 IC로 구현하고 (2014년) 저에너지 변환 통합 모듈에 탑재하여 멀티하베스터 전력 관리 기능을 수행함. (2015년)
- 인체 활동 및 태양 에너지를 활용한 하이브리드 방식의 복수의 착용형 에너지 하베스팅 기능이 포함된 착용형 무선 전력 전송 기술을 세계 최초로 개발하고, 특허출원 (한국 2012-0075413, 미국 13/920525)하였으며, 플렉시블 태양전지, 플랙시블 압전소자, 인체 유기 잡음 에너지를 동시에 하베스팅 입력으로 받을 수 있는 착용형 무선 전력 전송 실용화 응응 시제품을 개발함(2015년). 특히 최종년도 실용화 응용시제품에서는 4세부 연구결과물인 저에너지 변환칩 (EMIC V.3)이 적용된 전력변환 모듈과 배터리팩이 통합되어 하나의 시제품 내로 실장되어 완성도를 높였으며, 세계 최초로 손목시계형의 웨어러블 인체유기잡음 에너지 하베스팅 모듈로부터 에너지를 입력 받아 하베스팅이 가능한 특징을 가짐.
- 최대 전송속도 30Mbps, 소모전력 18mW를 가지는 세계 최고 수준의 인체 신호전송 단일칩(HBC3.1)과 응용 SW, 모뎀보드/제어보드를 개발하고, 이들을 사용하여 인체를 통해 약 2.5Mbps 12개 동영상을 동시에 전송함으로써 30Mbps 동영상 전송을 시연함 (2014년).
□ 기술개발배경
- 최근 유비쿼터스에 의해 촉발된 시공간의 제약이 없는 휴대용 모바일 기기를 통한 서비스의 제공이 대중화되어 감에 따라, 휴대용 모바일 기기에 대하여 빈번한 충전이 요구되는 사용자의 번거로움이 유발되었으며, 이로 인해 사용자가 원하는 시간에 어느 장소에서나 전원을 공급받을 수 있는 자립형 전원 생산 시스템에 대한 요구가 증대되고 있고, IT 융합 하베스팅 에너지에 대한 관리의 필요성이 대두됨.
- Wearable 디바이스 및 개인 IT 디바이스의 수요가 증가함에 따라 일상생활 속에서 언제 어디서나 쉽고 안전하게 친환경적인 전력을 지속적으로 생산할 수 있는 에너지 하베스팅 기술의 확보가 필요함
- 인체활동 및 태양 에너지에 기반한 하이브리드 방식의 에너지 하베스팅 기술을 개발하여 일상적인 생활을 통하여 상시 wearable 디바이스에 보조 에너지를 공급할 수 있는 방안을 제시함
- 비주기적인 인체의 움직임으로부터 발생하는 기계적 에너지를 이용하는 에너지 하베스터는 비주기 및 불규칙적인 스케일의 전압 출력 특성을 나타냄. 따라서 이러한 특성을 가진 에너지 하베스터의 전력을 이용하기 위해서는 전자기기 구동에 적합한 전력으로 정류, 정전압 변환해야하며 이때 미세한 양의 에너지를 손실 없이 수확할 수 있는 회로 기술이 요구됨
- 태양광 에너지를 활용하여 전기적 에너지를 생성하는 태양광 하베스터는 인체의 야외 활동을 통하여 비교적 큰 전력을 생성할 수 있으나, 이를 간편한 의복 형태로 제작하기 위하여 태양광 하베스터의 섬유화 작업이 수행되어야 함. 더불어 섬유형 태양전지의 전해질 실링 문제, 투명 전극의 상용화 문제 등을 개선할 필요가 있음
- 실내 및 사무실 환경에서 에너지 획득을 위하여, 인체로 유기되는 다양한 전자기기들의 전자파장해 (Electromagnetic Compatability : EMC) 로부터에너지를 획득하는 기술이 필요함. 이를 위해서 인체 유기 신호에 관한 주파수별 전력을 분석하고, 이를 정류 및 원하는 크기의 전력으로 변환하는 회로에 관한 연구가 수행되어야 함.
- 각 하베스터로부터 생성된 복수의 전기적 에너지를 관리하고 이를 부하 회로에서 활용할 수 있는 형태로 변환하는 에너지 관리 기술에 관한 연구가 동시에 수행되어야 함.
□ 핵심개발기술의 의의
- 단계별로 개발되는 핵심 세부기술에 대하여 평균에너지 발생량, 에너지 변환효율, 굽힘 내구성, 최저 구동에너지, 신호전송속도 등의 정량적 목표 항목과 목표 값을 제시하고, 이들의 평가방법 및 평가환경을 제시함으로써, 기술의 신뢰도 향상 및 상용화 가능성을 입증함.
• 유전탄성중합체 기반 에너지 하베스팅 : 평균에너지발생량 ≥50mW
• 섬유형 태양전지 기반 에너지 하베스팅 : 평균에너지발생량≥86mW
• 인체 유기 잡음 기반 에너지 하베스팅 : 평균에너지발생량≥0.144mW
• 저에너지 변환회로 : 저에너지 변환효율 >10%
- Casting 공정 개발 및 이를 이용한 유연 마찰전기 에너지 하베스팅 소재 개발하여 wearable 디바이스의 시장이 확대가 되고 있는 시점에 이들 소자의 무한 동력원에 활용하는 것을 목표로 신뢰도 향상 및 가능성을 입증함.
- 섬유형 태양전지 제조기반 기술의 확보로 전해질 실링문제를 해결하면 조기에 섬유형 태양전지의 시제품을 완성할 수 있으며, 확보된 효율향상 기술을 바탕으로 유기태양전지의 상용화에도 기여할 수 있을 것임.
- 생활 주변 전자기기에서 인체로 유기되는 전자기파 간섭신호로부터 전력을 획득하는 기술을 세계 최초로 제안하고, 간섭 신호원 모델링을 통한 최적화된 정합회로 구현 및 이를 이용한 저전력 고효율 전력 변환 회로를 개발을 통해 착용형 인체 유기잡음 하베스팅 시스템을 개발함. 실내 환경에서 사용자의 움직임 없이도 전력 생산이 가능함.
- 다수의 에너지 하베스터로부터 생성되는 에너지를 관리하는 방법에 관한 IPR을 확보하였으며, 이를 구현하여 응용 시제품에 탑재 및 시연함으로써, 저전력 에너지 하베스팅 분야에' 새로운 가능성을 제시함.
- 세계 최초로 개발된 인체 활동 및 태양 에너지를 활용한 하이브리드 방식의 착용형 에너지 하베스팅 기능이 포함한 착용형 무선 전력 전송 기술은 한국(2012-0075413)과 미국(13/920525)에 특허출원하였으며, 개발된 기술은 폭발적으로 사용이 확대되고 있는 웨어러블 기기나 스마트 의류의 동력원으로 그 활용범위가 넓을 것으로 기대됨.
□ 적용분야
- 실외나 이동 중에 휴대용 디지털 기기들의 전원 공급 연장이 가능하게 됨으로써, 차세대 PC, USN, 의료기기, 스마트 의류 등과 관련된 제품의 차별성, 경쟁력 강화와 수출 증대에 크게 기여할 것으로 예상함.
( 출처 : 초록 6p )
과제명(ProjectTitle) : | - |
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