한국전자통신학회논문지 (The Journal of the Korea institute of electronic communication sciences)

한국전자통신학회 (Korea Institute of Electronic Communication Science)
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IoT 및 웨어러블 시스템을 위한 멀티 소스 기반 에너지 수확 구조

Multi-Source Based Energy Harvesting Architecture for IoT and Wearable System

  • 박현문 (전자부품연구원 SoC 플랫폼 연구센터) ;
  • 권진산 (전자부품연구원 SoC 플랫폼 연구센터) ;
  • 김병수 (전자부품연구원 SoC 플랫폼 연구센터) ;
  • 김동순 (전자부품연구원 SoC 플랫폼 연구센터)
  • 투고 : 2018.11.22
  • 심사 : 2019.02.15
  • 발행 : 2019.02.28
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초록

마찰 나노 발전을 활용한 TENG(: Triboelectric nanogenerators)는 작은 진동에서 높은 변환 효율과 지속적인 전력을 얻을 수 있는 장점이 있다. 하지만, 마찰 전기 에너지 수집을 위해서는 비선형 에너지 추출 기술이 요구되며, 연결 인터페이스 회로를 통한 동기화 기반의 능동적인 스위치회로가 요구된다. 본 연구는 사람으로의 움직임으로부터 발생한 비선형(non-linear) 에너지를 효율적으로 저장하는 기법을 제시하였다. 또한, 개발된 보드는 서로 다른 방향으로 움직이는 동작으로부터 발생하는 에너지를 효율적으로 수확하고 저장할 수 있다. 본 연구에서 개발된 실리콘기반 압전기반의 TENG 셀과 다중모듈이 연결 가능한 에너지 하베스팅 보드의 측정하였다. 결과적으로, 다중입력 에너지 수집환경에서 안정적인 에너지의 저장 유지를 통해 약 49.2mW/count를 발전하였다.

By using the Triboelectric nanogenerators, known as TENG, we can take advantages of high conversion efficiency and continuous power output even with small vibrating energy sources. Nonlinear energy extraction techniques for Triboelectric vibration energy harvesting usually requires synchronized active electronic switches in most electronic interface circuits. This study presents a nonlinear energy harvesting with high energy conversion efficiency to harvest and save energies from human active motions. Moreover, the proposed design can harvest and store energy from sway motions around different directions on a horizontal plane efficiently. Finally, we conducted a comparative analysis of a multi-mode energy storage board developed by a silicon-based piezoelectricity and a transparent TENG cell. As a result, the experiment showed power generation of about 49.2mW/count from theses multi-fully harvesting source with provision of stable energy storages.

키워드

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그림 1. 제안된 EHSS 시스템 구조 Fig 1. Proposed EHSS system architecture

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그림 2. 다중 하베스터 입력이 가능한 EHSS 하드웨어 모듈 (a) 모듈 뒤 (b) 모듈 앞 Fig 2. The EHSS hardware module with multi-Harvester inputs (a) front of module (b) back of module

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그림 3. EHSS 시스템 상세 구조 Fig 3. Detailed structure of the EHSS system

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그림 4. 측정과 분석을 위한 EHSS 시스템 구성 Fig 4. the EHSS system configuration for measurement and analysis

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그림 5. EHSS에 연결된 하베스터들의 전압 측정 Fig 5. Circuit measurement of an input voltage on the EHSS with harvesters

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그림 6. 하베스터로부터 저장되는 저장소 #1의 전압 변화 Fig 6. Voltage change of the STORE #1 stored from harvester source.

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그림 7. PMIC로 인해 저장되는 저장소#2의 DC 전압 과 전류의 변화 Fig 7. Change DC voltage and current states of the STORE #2 stored from the PMIC

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그림 8. PMIC에서 최종 출력되는 DC 전압 변화.(3.28V 출력) Fig 8. The DC voltage change states of ultimately output from the PMIC (swing out 3.28V)

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그림 9. PMIC를 통한 최종 충력 Fig 9. The PMIC output current status

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