1. 수행배경

• USN(Ubiquitous Sensor Network)의 발전으로 자동차 압력, 교량의 건물의 안정성, 신체의 건강 상태 등을 항상 모니터링하기 위한 센서의 사용이 증가하고 있다. 이러한 센서에 전원을 공급하는 배터리는 크기가 크고 수명이 유한하다는 단점이 있다. 이러한 배터리를 센서의 전원공급을 위해 사용되면 센서의 크기가 증가하고 주기적인 배터리 교체가 불가피해진다. 이러한 초소형 센서노드를 위한 배터리 대용으로 사용할 수 있는 기술이 에너지 하베스팅이다. 에너지 하베스팅은 빛, 진동, 열에너지와 같은 주변에서 버려지는 에너지를 재수확하여 활용하는 방법이다. 여러 에너지원 중 진동에너지는 사람의 움직임, 교량, 도로, 기계의 진동 등에서 얻을 수 있는 에너지이며 다른 에너지원보다 변환되는 전력의 크기가 크지만 진동에너지가 발생되는 주기와 가속도에 따라 출력되는 전압 및 주파수 크기가 크게 달라진다. 이러한 진동에너지를 수확하기 위해서는 압전소자(PEG: Piezoelectric generator)가 사용되며, 압전소자로부터 출력된 에너지의 형태는 AC sinal로써 application이 동작하기 위해서는 DC signal로 변환할 필요가 있다.        

2. 수행기간           

• 2016.03.15. - 2016.06.02​       

3. 개발작품 설명

• 본 과제에서는 진동에너지 하베스팅을 위한vibration detector를 갖는 full-wave rectifier(FWR)를 제안한다. 기존의active diode를 이용한 FWR의 경우 비교기가 FWR의 출력으로부터 전력을 공급받기 때문에 만약 진동에너지가 없을 경우에 비교기의 전력 소모로 인해 storage capacitor에 저장된 전력이 방전되게 된다. 따라서 vibration detector를 통해 진동에너지를 감지하여 진동에너지가 있을 때에는 FWR의비교기를 enable 시키고 없 을 시에는 disable 시키도록 하였다. 비교할 rectifier를 0.35um CMOS 공정으로 설계하여 모의실험 한결과, 진동에너지의주파수, amplitude와 주변온도, 그리고 process가 변하여도vibration detector가 진동에너지를 감지하여disable 신호를 통해 FWR로의 전류소모를 차단되는 것을 확인 할 수 있었다.        

4. 활용방안

• 본 연구에서 제안하는 진동에너지 하베스팅을 위한 저전압, 고성능 AC-DC 변환기는 미약한 진동에너지가 발생하는 장기의 움직임, 사람의 움직임 등에서 진동에너지를 수확하여 임플란트 디바이스나 웨어러블 디바이스에 적용이 가능하다. 또한 미약한 진동에너지 뿐만 아니라 강한 진동에너지 수확시에도 적용이 가능하기 때문에 넓은 범위의 진동에너지 수확이 가능하다. 또한 MPPT 방법이 개방회로전압과 MPP에서의 전압간의 관계를 이용하는 것이기 때문에 진동에너지와 동일한 관계를 갖는 열에너지 수확에도 연구된 시스템 적용이 가능하며, factor의 크기만 변경하여 빛에너지 수확도 가능하다.

  그 결과 환경 감지 센서, 기기, 교량 등 모니터링 센서 등과 같은 다양한 에너지 하베스팅을 이용한 응용분야에 적용이 가능하며, 학술대회에 참가하여 논문을 발표하고 설계결과에 따라 특허 또한 출원할 계획이다.