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표제지

목차

제1장 서론 8

1절 연구 배경 8

2절 연구목적 및 내용 9

제2장 본론 11

1절 표유전계에너지 하베스팅 11

1.1. 표유전계에너지 하베스팅의 원리 11

1.2. 해외 연구 사례 11

1.3. 제안한 표유전계에너지 하베스팅 방법 13

2절 도체의 형태에 따른 수집된 에너지량 14

2.1. Wire Collector 14

2.2. Grid Collector 15

2.3. Fractal Collector 16

2.4. Aluminum Foil Collector 18

3절 표유전계 하베스터를 이용한 무선 온도측정 시스템 구현 36

3.1. ACC(Automatic Connection Circuit)의 구성 36

3.2. 무선 온도측정 시스템의 구성 38

3.3. 무선 온도측정 시스템의 동작원리 43

3.4. 프로그램 다운로드 및 디버깅 48

3.5. 실험결과 49

제3장 결론 53

참고문헌 54

APPENDIX 5

APPENDIX [1] JTAG 연결을 위한 MSP430 Target System 56

APPENDIX [2] MSP430F1121 Target Board 및 회로도 57

APPENDIX [3] MSP430-JTAG 관련자료 58

APPENDIX [4] IAR Embedded Workbench 환경설정 59

APPENDIX [5] 온도측정 및 전송 프로그램 63

APPENDIX [6] RF-4210 ASK Receiver Module Specification 68

국문초록 69

Abstract 70

표목차

Table. 1. 온도 변화에 따른 NTC 써미스터 저항값 변화 42

그림목차

Fig. 1. 배터리, 태양전지, 압전소자의 시간에 따른 전력 밀도 9

Fig. 2. R.Moghe 그룹의 (a) 실험 개념도 및 (b) 등가회로도 12

Fig. 3. 제안한 표유전계에너지 하베스팅 개념도 13

Fig. 4. 85 ㎝ Wire를 이용한 표유전계에너지 하베스터 회로의 모습 14

Fig. 5. 85 ㎝ Wire Collector를 이용한 표유전계에너지 수집 결과 15

Fig. 6. 20＊20 ㎠ Grid Collector의 모습 15

Fig. 7. 20×20 ㎠ Grid형 Collector를 이용한 표유전계에너지 수집 결과 16

Fig. 8. 실험에 사용된 정삼각형 모양 Fractal Collector의 모습 17

Fig. 9. 30 ㎝ 정삼각형 Fractal Collector를 이용한 표유전계에너지 수집결과 17

Fig. 10. 가정용 220 V 전력선의 (a) 내부 구조 및 (b) 전압 파형 18

Fig. 11. 공대 220 V 전원 시스템의 배선도 19

Fig. 12. 공대 220 V 전원 시스템의 예측 배선도 20

Fig. 13. Aluminum Foil을 이용한 표유전계에너지 하베스터의 (a) 개념도 및 (b) 등가회로 21

Fig. 14. 시뮬레이션을 위한 표유전계에너지 하베스터의 회로 모델A 22

Fig. 15. Aluminum Foil의 길이에 따른 표유전계에너지 하베스터의 저장커패시터 충전 전압 시뮬레이션 결과 23

Fig. 16. 시뮬레이션을 위한 표유전계에너지 하베스터의 회로 모델B 24

Fig. 17. 회로 모델B의 저장커패시터 전압 시뮬레이션 결과 파형 26

Fig. 18. 회로 모델B의 저장커패시터 충전 전압 시뮬레이션 결과 26

Fig. 19. 회로 모델B의 C₁, C₂ 커패시터 비율에 따른 최대 충전전압 28

Fig. 20. (a) 일반적인 커패시터의 병렬연결, (b) Aluminum Foil이 감긴 전력선의 개념도 28

Fig. 21. (a) 시뮬레이션 회로 모델D, (b) 회로 모델D의 저장커패시터 충전 전압 시뮬레이션 결과 및 실험 결과 30

Fig. 22. Aluminum Foil을 이용하여 표유전계에너지를 수집하는 모습 31

Fig. 23. 하베스터 회로의 접지상태와 저장커패시터의 용량에 따른 평균전류 32

Fig. 24. CPG모드 하베스터 회로를 이용한 표유전계에너지 수집의 (a) 개념도, (b) 실험 모습 33

Fig. 25. 하베스터 회로의 접지 상태에 따른 저장커패시터로 흐르는 평균전류량 34

Fig. 26. 포일의 길이에 따른 저장커패시터로 흐르는 평균전류량 35

Fig. 27. 전력선의 전압에 따른 저장커패시터의 충전 전압 36

Fig. 28. Automatic Connection 회로 37

Fig. 29. MSP430F1121의 외부 구조 39

Fig. 30. MSP430F1121의 내부 블록 다이어그램 40

Fig. 31. 작동모드에 대한 소비전류(13x, 14x 계열) 40

Fig. 32. NTC 써미스터 (10 ㏀) 41

Fig. 33. RF Transmitter-Receiver 모듈 42

Fig. 34. ASK 변조 43

Fig. 35. 저항값(Rsens)의 측정 방법(이미지참조) 44

Fig. 36. 측정시간에 따른 커패시터 Cm의 전압값 변화(이미지참조) 45

Fig. 37. 표유전계에너지 하베스팅을 이용한 무선 온도측정 시스템 회로도 47

Fig. 38. MSP430-JTAG Tool을 이용한 PC와 MSP430 프로세서의 연결 48

Fig. 39. 60㎝ Aluminum Foil을 사용했을 경우 충전되는 전압 및 에너지 49

Fig. 40. 완성된 표유전계에너지 하베스팅을 이용한 무선 온도 송수신 회로 50

Fig. 41. DG모드 하베스터 회로의 저장커패시터 및 RF Receiver data 수신 파형 51

Fig. 42. RF Receiver를 통해 수신된 온도 데이터 51

Fig. 43. CPG 모드의 하베스터 회로 사용 시 RF data 수신파형 52

초록보기

 본 논문에서는 신개념의 에너지 하베스팅 기술로서 전력선의 표유전계에너지 하베스팅 기술을 제안하였고, 이를 활용하여 자기유지 무선센서 구현이 가능함을 실험적으로 확인하였다. 전류가 흐르지 않는 무부하 상태의 절연 피복된 220 V 전력선에 Aluminum Foil을 감아서 하베스팅 할 경우 층전회로의 저장커패시터로 흐르는 평균전류는 10 cm당 약 0.8 µA이며, 20 cm 길이의 Aluminum Foil을 사용 할 때 약 1.6 µA의 평균전류를 얻을 수 있음을 확인하였다. 콘크리트 바닥에 접지되어 있는 하베스터 회로의 경우 220 V 전력선의 절연 피복을 벗기지 않고도 에너지 하베스팅이 가능하다. 여기에 60 cm 길이의 포일을 사용하면 저장커패시터로 흐르는 평균전류가 약 4.53 µA 였으며, 저장커패의 용량이 47 µF인 하베스팅 회로로 무선온도센서를 구동하여 43초를 주기로 무선 온도 Data 전송이 가능함을 확인하였다. 이 때의 평균전력을 계산해보면 약 47 µW이다. 본 기술을 적용하면 전력선 주변의 자기유지 무선 유비쿼터스 및 스마트 그리드용 센서의 구현이 가능할 것으로 사료된다.

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