웨어러블 설계를 위한 에너지 수확 기술 평가

지난 몇 년간 출시된 다양한 웨어러블 전자 제품과 관련하여 공통적으로 언급되는 주제 중 하나는 배터리 수명입니다. 여러 스마트 워치는 매일 충전해야 하고 피트니스 전용 장치의 경우 작동 시간은 길지만 기능과 연결성이 떨어집니다. 사물인터넷에서 인터넷 및 기타 장치에 대한 연결 요구가 커짐에 따라 설계의 무선 및 계산 소자 모두에 대한 전력 요구도 커지고 있습니다. 마찬가지로 전력 소모를 줄이는 화면 기술은 발전했지만 더 향상된 사용자 인터페이스에 대한 필요성이 증가함에 따라 이러한 장치에 대한 전력 요구 사항이 높아지고 있습니다.

이 문제를 해결하는 방법 중 하나는 환경으로부터 에너지를 수집하는 에너지 수확 기술을 더 많이 사용하는 것입니다. 이 기술을 사용하여 배터리에 정기적으로 미세한 전류를 흘려줌으로써 웨어러블 장치를 충전 없이 더 오래 사용할 수 있고 이에 따라 최종 설계의 장점이 더 부각됩니다.

하지만 이 기술의 사용에는 전력 생성, 전력의 관리 및 스토리지, 수확 소자의 크기 및 비용 등 네 가지 엔지니어링 문제가 있습니다. 그간 에너지를 수확하는 새로운 방법에 대한 연구가 많이 진행되었지만 아직 상업용 장치로 출시되지는 못했습니다.

인체와의 근접성으로 인해 여러 전원에 액세스할 수 있는 웨어러블 장치에는 몇 가지 주요 이점이 있습니다.

전력 생성

웨어러블 장치를 위해 환경으로부터 전력을 생성하는 여러 방법이 있는데 각각 엔지니어링 이점과 문제가 있습니다. 그중 잘 확립된 방법은 태양 에너지로 수년 전부터 기존 시계에 전력을 공급했습니다. Panasonic BSG의 Amorton 및 IXYS의 장치 등 태양광 전지는 일광 및 이제는 실내 조명으로부터 바로 사용할 수 있는 전원을 제공합니다. Silicon Labs 개발 키트에서 확인할 수 있듯이 이 전지는 낮은 듀티 사이클을 사용하여 최대 15년 동안 무선 링크를 구동하기에 충분한 전력을 생성할 수 있습니다.



또한 배터리 높이가 0.17mm에 불과하여 높이가 매우 낮습니다. 이는 웨어러블 설계 시 또 다른 주요 고려 사항입니다. 여기에서 저전력 컨트롤러는 핵심입니다. Si1012 무선 MCU는 50nA만을 소모하면서 저전력 상태를 유지할 수 있습니다. 활성화되었을 때 에너지 수확 공급 장치의 누설 전류는 약 3µA이고 태양광 전지에 비추는 50럭스만으로도 상쇄됩니다. 이를 통해 에너지 수확 공급 장치는 어두운 곳에서 최대 7일 동안 또는 에너지 손실을 보충할 수 있는 주기적인 광원이 있다면 무기한으로 시스템에 전력을 공급할 수 있습니다. 시스템은 200lx의 실내 조명 및 10,000lx의 실외 조명 모두에서 작동합니다.

하지만 이는 전반적인 시스템 전력 요구가 아닌 무선 연결에만 초점을 맞춘 경우입니다. 정기적으로 측정하고 중심 허브에 전송하는 피트니스 장치의 경우 이는 오랜 시간이 걸리는 이상적인 방법입니다.

스마트 워치와 같은 중심 허브에는 더 높은 전류가 요구되고 다른 기술에 대한 평가가 진행 중입니다. 그러한 기술 중 하나는 체열을 수확하는 열 에너지입니다. 시계는 피부에 가까이 있기 때문에 Peltier 및 Seebeck 효과를 사용하여 온도차로부터 전력을 생성할 수 있습니다. 상업용 열전 장치는 신체와 접촉해 있을 때 이제 5도의 온도차로부터 10 ~ 20μW/cm²의 전력을 생성할 수 있습니다. 이러한 장치 2 ~ 3개로 건강 모니터링 시스템의 전력 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

한국의 KAIST 연구진은 무기물을 유기 기판에 통합함으로써 매우 가볍고 유연한 열전 발전기를 개발했습니다. 패브릭 기판은 굽힘 반지름이 최대 20mm로 매우 유연하여 피부에 닿는 웨어러블 설계에 사용할 수 있고 기판이 유연하기 때문에 성능에도 변화가 없습니다.


이 생성기는 패브릭에 인쇄된 n형(Bi2Te3) 및 p형(Sb2Te3) 열전 물질의 특수한 페이스트를 사용합니다. 이 페이스트는 패브릭의 섬유를 덮고 수백 마이크론 범위의 두께로 TE 물질 필름을 형성합니다. 이는 전력을 생성하는 수백 개의 열전 도트를 만들고 이를 통해 발전기의 무게를 약 0.13g/cm²로 상당히 줄일 수 있게 되었습니다. 10cm x 10cm 크기의 손목밴드 시제품 발전기는 약 40mW의 전력을 생성합니다.

또한 웨어러블 장치는 자주 이동 중에 있기 때문에 다양한 방법으로 배터리를 재충전하는 전력을 생성하는 새로운 방법을 제공합니다. Measurement Specialties의 MSP1006 등 압전 진동 센서를 사용하여 장치의 움직임 그 자체를 하니스하여 전력을 생성할 수 있습니다. 센서가 사용자 움직임의 공진 주파수(보통 약 100Hz)에 맞춰지면 이를 사용하여 전력을 공급할 수 있습니다. 이는 새로운 발상이 아니고 수십년 전부터 자동 태엽 시계에 사용되었습니다. 하지만 압전 수정의 유연성을 사용하면 전력을 생성할 수 있습니다. 물질 내 섬유의 움직임에 의해 만들어지는 전하를 캡처하는 등 움직임을 사용하여 에너지를 수확하는 새로운 방법도 연구 중입니다.


무선 전송에 의해 생성되는 전기장을 사용하여 전력을 수확할 수 있는 가능성에 대해 아직 연구가 진행 중입니다. 무선 네트워크가 점차 모든 분야에서 사용됨에 따라 이 전력을 수확하여 휴대용 및 웨어러블 장치에서 사용하는 방법도 생각할 수 있습니다. 하지만 아직 초기 단계이고 무선 전력에 대한 가능성의 대부분은 충전 케이블의 필요성을 제거하고 웨어러블 장치를 단순히 충전판 위에 올려 놓아 재충전시키는 것입니다.

관리 및 스토리지

전력이 태양광 전지 또는 진동 센서에 의해 생성된 후에도 여러 문제가 남아있습니다. 생성된 전류는 매우 낮고 간헐적일 수 있고 수집되어야 사용할 수 있습니다. 마찬가지로 배터리의 전류도 관리되어야 웨어러블 설계 내 실리콘에 공급할 수 있습니다. 이를 위해서는 에너지 수확 응용 제품에 최적화되고 그 자체로 이와 같은 저전류에서 사용될 수 있는 차세대 전력 관리 칩과 스토리지 소자(슈퍼 커패시터에서 배터리에 이르기까지)의 조합이 필요합니다.

웨어러블 시스템을 위한 새 고밀도 배터리 기술이 개발되고 있는데 이는 배터리 화학을 마모하지 않고 에너지 수확 소스에 대한 세류 충전을 사용하면서 소형 폼 팩터에서 전력을 제공할 수 있습니다.

Linear Technologies에서 개발한 다목적 에너지 수확 데모 기판 개발을 통해 웨어러블 시스템 개발자는 다양한 에너지 수확 소스와 각각의 전력 관리 방법을 모두 평가할 수 있습니다. DC2048A는 압전, 태양광, 열전 에너지 소스 또는 모든 고임피던스 AC 또는 DC 소스를 설계 초기 단계에서 사용할 수 있습니다.

평가 기판은 다양한 소스 및 관리를 처리하는 4개의 독립 칩을 포함합니다. LTC3588-1 압전 에너지 수확 전원 공급 장치는 압전 또는 태양광 등 고출력 임피던스 에너지 소스를 위해 저손실 전파장 브리지 정류기를 고효율 벅 컨버터와 통합합니다. 이 장치는 넓은 히스테리시스 창을 갖춘 초저 정동작 전류의 저전압 차단(UVLO) 모드를 포함함으로써 벅 컨버터가 저장된 충전의 일부를 전력 관리자에게 효율적으로 전송할 수 있을 때까지 충전을 입력 커패시터에 누적시킬 수 있습니다. 최대 100mA의 연속 출력 전류에서 1.8V, 2.5V, 3.3V 및 3.6V 등 4개의 출력 전압을 핀 선택할 수 있지만 스마트 워치와 같은 고성능 설계를 위한 고출력 전류 버스트에 맞는 출력 커패시터를 선택할 수 있습니다. 20V으로 설정된 입력 보호 션트를 통해 주어진 입력 정전 용량에서 더 큰 에너지 스토리지가 가능합니다.

반면 LTC3108은 열전 발전기에 사용할 수 있는 초저전압 DC/DC 승압 컨버터입니다. 이 승압 토폴로지는 20mV의 낮은 입력 전압에서도 작동하고 2.2V LDO를 사용하여 외부 마이크로 프로세서에 전력을 공급하며 주출력은 4개의 고정 전압 중 하나에 프로그래밍되어 무선 링크에 전력을 공급합니다. 스토리지 커패시터는 입력 전압 소스를 사용할 수 없을 때 전력을 공급하고 해당 설계는 전원 공급을 평평하게 할 수 있도록 출력 저장용 커패시터의 충전 시간을 빠르게 합니다.


평가 기판의 다른 장치로는 전력 포인트 제어 및 LDO 조정기를 갖춘 LTC3105 승압 DC/DC 컨버터, LTC3459 10V 마이크로 전력 동기식 부스트 컨버터, 그리고 개발자가 전원 공급을 면밀히 모니터링할 수 있도록 선택 가능한 전원 공급 장애 출력의 임계값을 포함한 LTC2935-2/LTC2935-4 초저전력 감시기를 포함합니다. 이 모든 장치를 통해 다양한 에너지 수확 소스로 여러 전력 관리 방식을 평가할 수 있습니다.

트랜스듀서를 기판에 쉽게 연결할 수 있도록 하는 여러 인터페이스 및 트랜스듀서 헤더가 있고 기판을 다양한 방법으로 구성할 수 있도록 하는 점퍼가 있습니다. 기판용 표준 빌드는 10개의 가능한 점퍼 중 3개를 설치합니다.

크기 및 비용

이러한 기술은 비교적 잘 확립되어 있지만 웨어러블 설계의 문제는 폼 팩터를 줄이는 동시에 용량을 키우되 비용은 증가시키지 않는 것입니다. 새 배터리 화학은 더 얇은 배터리로 더 높은 용량을 가능하게 하여 크기 및 무게가 제한된 웨어러블 설계에서 배터리 수명을 늘려 줍니다. 새 물질 및 제조 기술이 적용됨에 따라 Peltier 및 Seebeck 효과 열전 발전기의 크기는 작아지고 있고, 태양광 전지 기술 또한 효율이 개선되고 무게가 줄어들어 설계에서 더 많은 전지를 사용하고 따라서 더 많은 전력을 제공하고 있습니다.

또한 설계의 중심에 있는 실리콘 장치의 크기와 전력도 줄어들고 있습니다. 전력 소비 및 전압이 낮아짐에 따라 마이크로 프로세서, 무선 노드 및 전력 관리 칩 모두 다이 면적이 줄어들게 되어 웨어러블 설계에 더 많은 부품을 포함할 수 있습니다.

결론

웨어러블 장치 개발자는 환경으로부터 에너지를 수확할 수 있는 여러 소스를 사용할 수 있고, 배터리 수명 및 고성능에 대한 요구로 인해 새로운 방법에 대한 연구가 진행 중입니다. 태양광, 열 또는 진동 에너지는 단순한 피트니스 센서로부터 다른 여러 장치의 허브 역할을 수행하는 완비된 스마트 워치에 이르기까지 웨어러블 설계의 배터리 수명을 연장할 수 있는 새로운 방법을 제공하고 있습니다. 하지만 이는 일부에 불과합니다. 배터리 기술 및 전력 관리의 발전은 이러한 소스에 맞춰져 전체 설계에 걸쳐 최적화될 수 있는 전원을 제공합니다. 이를 통해 웨어러블 기술의 기능을 떨어뜨리지 않고도 배터리 충전 없이 수 일, 수 주 또는 수 개월을 작동시킬 수 있습니다.