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웨어러블 장치들을 사용하는 사용자들은 한 번 충전된 배터리로 오랜 시간 사용할 수 있기를 바란다. 그러나 웨어러블 장치들의 특성상 배터리의 무게와 공간이 제한되어 있어서 사용자가 원하는 시간만큼 동작시키기에는 부족한 것이 사실이다. 이렇게 제한된 용량의 배터리로 장치를 더욱더 오래 사용하기 위하여 에너지 하베스팅 기술과 전력 소모 절감 기술 등 다양한 기술이 연구되었다.^1,2)

웨어러블 장치들의 배터리에서 소모되는 전력은 동작 시 소모되는 전력과 대기 시 소모되는 전력으로 나눌 수 있다. 동작 소모 전력이 대기 소모 전력보다 월등히 높거나 시간 비율이 높은 시스템에서는 동작 소모 전력을 줄이는 것이 배터리 사용 시간을 늘리는 데에 중요한 요소로 작용하나, 사용환경의 특성상 동작 소모 전력이 매우 작거나 대기시간이 매우 긴 웨어러블 장치에서는 대기 소모 전력을 줄이는 것 또한 배터리 사용 시간을 늘리는 데에 큰 영향을 준다. 특히 신발에 사용되는 웨어러블 장치들이 미 보행 시간 동안 수행하는 동작이 없으므로 대기시간이 긴 형태에 해당한다고 할 수 있다. 이러한 대기 소모 전력을 줄이는 방법에 관하여 다양한 연구가 이루어졌다.^3-6)

대기 소모 전력을 줄이는 방법은 슬립모드와 전력차단모드 등이 있다. 슬립모드를 활용할 경우 시스템의 프로세서는 슬립모드에서 깨어나기 위한 타이머 또는 감지센서부분만 남기고 전력을 차단하게 된다. 이때 프로세서나 감지센서는 최소한의 전력을 지속적으로 소모하게 된다. 전력차단모드를 활용할 경우 깨어나기 위한 감지센서 부분을 제외한 시스템의 전력은 모두 차단된다.

본 논문에서는 대기 소모 전력을 줄이는 방법 중에서 새로운 형태의 전력차단모드를 소개한다. 이 방법은 대기모드에서 깨어나기 위한 감지센서의 전력소모마저 없게 되어 영에 근접하는 대기전력 소모가 가능하게 된다.

본 논문에서 제안한 방법을 적용할 장치는 에너지 하베스팅 기술이 적용된 보행 족저압력 측정 장치이다. 보행 시 수집된 족저 압력 정보는 보행형태 분석을 통하여 건강정보를 알아내는데 중요한 자료가 된다.^7-11) 그러나 이러한 장치들 중 상용전원을 사용한 장치들은 이동거리에 대한 단점이 있고, 배터리를 사용한 장치들은 사용 시간의 한계로 인하여 배터리를 자주 교체 또는 충전해 주어야 하는 단점이 존재한다. 이러한 단점을 해결하기 위해 보행에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리를 충전하는 에너지 하베스팅 기술이 도움이 되는 것은 사실이나, 동작 또는 대기 시 소모전력을 줄이는 것 또한 매우 중요한 일이다.

Fig. 1은 본 논문에서 제안한 신발에 적용된 에너지 하베스팅 시스템의 구조를 나타내고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 에너지 하베스팅의 원리는 발을 디딜 때 눌러진 스프링에 의해 영구자석이 보빈 내부를 왕복으로 통과하게 되는데, 이때 코일에 유도된 기전력을 PCB에서 수확하여 배터리를 충전한다. 보행이 없는 시간에 에너지 하베스팅 시스템은 대기모드로 진입되어 있는데 본 논문에서는 이 대기모드에서 소모되는 에너지를 줄이는 방법에 대하여 다룬다. 이 시스템은 기존에 에너지 하베스팅 효율을 높이기 위한 연구와 대기모드에서 소모전력을 줄이기 위한 연구에서 다루어 졌다.^12-13) 기존 연구에서 대기모드 소모전력은 수십 마이크로와트의 유효한 값을 가졌으나 본 연구에서는 이를 0으로 만드는 방법을 제안한다.

Fig. 1 
Energy harvesting module structure in smart shoes

Fig. 2는 본 논문에서 실험한 에너지 하베스팅 시스템의 실험장치 사진을 나타내고 있으며 Fig. 3은 에너지 하베스팅 시스템의 블록 다이어그램을 나타낸다. 시스템은 에너지발생부, 진동감지센서부, 전력관리부, 프로세서, 통신, 측정센서 그리고 부가기능 부분으로 나누어져 있다.

Fig. 2 
Photo of proposed energy harvesting system

Fig. 3 
Block diagram of proposed energy harvesting system

에너지 발생부는 영구자석과 코일을 활용하여 배터리를 충전하고, 진동감지 센서부는 진동스위치를 활용하여 대기모드에서 깨어나기 위한 동작을 수행하며, 프로세서는 전력관리부를 통하여 모든 주변소자의 전력을 관리함과 동시에 센서자료수집, 통신기능 등을 담당한다. Fig. 3에서 신호 S₃에 의해 스위치 Q₁이 켜지게 되면 배터리의 에너지가 앞에서 말한 시스템의 다양한 요소로 전달되는 구조이며 스위치 Q₁에 꺼지면 시스템의 전력은 완전히 차단된다.

Fig. 4는 제안한 대기전력 저감 방법을 회로로 구현한 것이다. 여기에서 스위치 S₁은 신발의 움직임을 감지하여 Q₁을 켜기 위한 진동 스위치이고 Q₂는 마이크로프로세서에서 Q₁을 켜기 위한 신호이며, V_DD는 마이크로프로세서 시스템의 전원이다. 회로에서 S₁이나 Q₂ 둘 중에서 하나 이상 켜지면 Q₁이 켜져서 배터리의 전력이 V_DD로 공급되는 구조이다.

Fig. 4 
Proposed circuit

실험을 위한 시스템의 전체 동작 과정은 다음과 같다. 최초 대기모드에 있다가 신발의 움직임(진동)이 감지되면 깨어나서 동작모드로 진입한 후 원하는 기능을 수행하고 나서 다시 대기모드로 진입하도록 하였다. 이 전체 과정을 시뮬레이션 파형 Fig. 6에 나타내었다. 시뮬레이션에서 V_S1은 진동신호이고, V_DD는 시스템의 전원이며, V_C1은 C₁ 양단의 전압이고, V_s2는 Q₂를 켜기 위한 논리 신호이다. 다음에 각 구간별 상세 동작을 설명하였다.

구간 1 ( ~t₀ ) : 이 구간은 시스템이 대기모드인 상태이다. 이 구간에서 C₁은 R1에 의해 배터리 전압 V_b로 충전되어 있고, 진동이 없다면 진동스위치 S₁도 열려 있기 때문에 스위치 Q₁이 꺼져 있게 되어 V_DD에는 전력이 공급되지 않고 따라서 마이크로프로세서가 제어하는 스위치 Q₂도 꺼져 있다. 진동 감지 스위치는 접점이 물리적으로 분리되어 있기 때문에 전류가 흐르지 않는다. 따라서 Q₁과 Q₂의 누설전류를 제외하면 이 구간에서 배터리의 소모 전력은 없다.

구간 2 ( t₀ – t₁ ) : 이 구간은 시스템이 대기모드로부터 진동을 감지하여 깨어나는 동작을 하는 구간이다. 움직임이 감지되면 매우 짧은 시간 동안 스위치 S₁이 켜지게 되는데, 이때 커패시터 C₁에 있던 전하가 순간적으로 스위치 S₁을 통하여 모두 방전하게 되어 커패시터 전압 V_C1이 0V가 되며 이로 인해 통과트랜지스터인 Q₁이 켜져서 프로세서의 V_DD에 전원이 공급된다. 이를 Fig. 5의 (a)와 시뮬레이션 Fig. 6에 나타내었다.

Fig. 5 
Power flows for each periods

Fig. 6 
Simulation waveforms

구간 3 ( t₁ - t₂ ) : 진동에 의해 스위치 S₁이 켜지는 시간은 수 밀리초로 매우 짧은 시간이기 때문에 커패시터 C₁의 방전에 의해 Q₁이 켜지자마자 이내 진동 스위치 S₁은 바로 열린 상태가 된다. 이후 커패시터 전압 V_C1은 R₁을 통해 0V부터 상승하기 시작한다. 이를 Fig. 5의 (b)와 시뮬레이션 Fig. 6에 나타내었다.

구간 4 ( t₂ - t₃ ) : 구간 3 이후 V_C1이 상승하다가 Q₁이 꺼지는 문턱전압에 도달하면 Q₁이 꺼져서 V_DD에 더 이상 전력 공급이 되지 않는다. 이를 방지하기 위해 V_C1이 Q₁의 문턱 전압에 도달하기 전에 스위치 Q₂를 켜서 Q₁을 계속 켜진 상태로 유지시킨다. 이때 커패시터 C₁에 있던 전하는 스위치 Q₂를 통해 모두 방전된다. 이를 Fig. 5의 (c)와 시뮬레이션 Fig. 6에 나타내었다.

구간 5 ( t₃ – t₄ ) : 이 구간은 마이크로프로세서가 동작하여 센서자료수집이나 통신 등의 기능 수행하는 구간이다.

구간 6 ( t₄ ~ ) : 이 구간은 시스템이 동작모드로부터 대기모드로 진입하는 구간이다. 대기모드의 진입 과정은, 스위치 Q₂를 끄게 되면 V_C1이 상승하게 되는데 이로 인해 Q₁이 꺼지게 되어 V_DD로의 전력 전달이 중단됨으로써 완성된다. 이후 커패시터 전압 V_C1이 배터리 전압 V_b로 충전되면 더 이상 배터리에서 소모되는 전력은 없어진다. 이를 Fig. 5의 (d)와 시뮬레이션 Fig. 6에 나타내었다.

앞서 설명한 동작을 잘 수행하기 위해서는 t₀~t₁, t₃~t₄, R₁, C₁, Q₁, Q₂를 잘 선정해야 한다. 이들을 선정하기 위한 방법을 Table 1을 참고로 하여 소개한다.

Q₁과 Q₂의 선정은 비교적 간단한데, 배터리를 전원으로 사용하는 시스템의 특성상 저전압으로 동작하므로 스위치의 게이트-소스 문턱전압(V_gsth)이 낮은 소자를 사용하면 되며 본 회로에서는 International Rectifier사의 IRLML6402와 IRLML2502로 각각 사용하였다. 이 소자들의 V_gsth는 약 0.95 V 정도이다.

Table 1에서 T_a는 진동이 감지된 후 마이크로프로세서가 깨어나서 Q₂를 켜지기까지의 시간으로 이 시간은 시스템마다 다르게 나타나는데 본 시스템에서는 4.7 ms로 측정되었다.

커패시터 C₁의 선정은 충·방전 시 발생하는 전력소모를 줄이기 위해 작을수록 좋으나 너무 작을 경우 스위치 Q₁의 기생 커패시턴스와 값이 유사해져 값 선정에 다소 번거로움이 발생하므로 0.1 μF으로 선정하였다.

이제 R₁의 값만 선정하면 되는데 다음의 조건을 고려해야 한다.

V_DD에 전원이 공급된 상태를 유지하기 위해 Q₂가 켜져 있을 때에, 배터리 전원이 R₁과 Q₂를 통해 접지가 되어 있는 형태이므로 이 경로를 통해 전류가 흘러 작으나마 지속적으로 흐른다. 이 전력 소모를 줄이기 위해서는 R₁이 클수록 좋으나 R₁이 너무 크게 되면 시스템이 전력 차단을 위해 Q₂를 끌 경우 V_C1의 전압 상승 시간이 지나치게 길어지게 된다. 이렇게 되면 V_DD에 전력을 공급하는 Q₁ 또한 늦게 꺼지게 되어 불필요한 전력을 낭비하게 된다. 그러나 이 불필요한 전력을 줄이기 위해 R₁값을 지나치게 작게 설정하면 진동감지에 의해 V_DD에 전원이 공급된 후 Q₂를 켜기 전에 V_C1이 지나치게 상승을 하여 Q₁이 꺼짐으로써 시스템 시동이 불가능하게 된다.

또한 시간 T_a(t₀~t₁) 구간의 끝에서 V_C1의 전압은 Q₁이 꺼지지 않게 하는 한계치인 V_b– V_gsth = 3.05 V보다 조금 낮게 설정하는 것이 최적의 값이나 시스템의 안정성 등을 고려하여 2 V로 설정을 한다.

위의 조건들을 고려하여 최적화된 R₁값을 찾기 위해 RC회로의 충전수식 (1)을 사용한다.

수식 (1)에서 t를 T_a로 대체한 후 R₁에 대해 유도하면 다음 수식 (2)와 같다.

수식 (2)에서 V_C1을 2V, V_b를 배터리 전압 4V, C₁는 0.1μF, T_a를 4.7 ms로 설정하면 저항 R₁의 값은 67,807 Ω이 되며 표준저항 68 kΩ으로 선정하도록 한다.

R₁을 이 값으로 설정하면 시스템이 대기모드로 들어가기 위해 Q₂를 끈 이후 Q₁이 꺼지는 데까지 필요한 시간이 계산된다. 이 꺼지는 시간 T_b(t₃~t₄)는 V_C1이 0V부터 (V_b-V_gsth)V가 되는 데까지 필요한 시간이며, 이 시간을 구하기 위해 식 (1)의 t를 T_b로 대체한 후 T_b에 관해 유도하면 다음 식 (3)과 같다.

여기에서 R₁을 앞에서 선정한 68kΩ, C₁을 0.1μF, V_b를 4 V로 선정하고 V_C1을 V_b-V_gsth 즉, 4 V - 0.95 V = 3.05 V로 두면 T_b는 약 1 ms가 된다.

Fig. 7과 Fig. 8은 설계된 소자값을 사용하여 실험한 후 얻은 결과이다. 실험 결과 진동이 감지된 이후 Q₂를 켤 때까지의 약 4.7 ms의 시간 동안 V_C1의 전압이 설계값인 2.0 V에 근접하는 약 2.1 V로 충전되어 있음을 Fig. 7로부터 알 수 있다. 이후 마이크로프로세서에 의해 Q₁가 켜지게 되어 시스템의 전원 V_DD에는 전력이 지속적으로 공급되고 있다. 이후 Q₂가 꺼져서 시스템의 V_DD에 전원이 끊기기 시작하는 시간은 설계값과 같은 약 1 ms로 측정되었으며, 이를 Fig. 8에서 알 수 있다. 이로써 앞서 설계한 내용이 실제 회로에서도 동작함을 알 수 있다.

Fig. 7 
experimental waveforms (periods t₀~t₂, Volt/div = 2V)

Fig. 8 
experimental waveforms (periods t₃~t₄, Volt/div = 2V)

본 시스템을 활용하여 프로세서의 슬립기능을 활용한 대기모드와 본 논문에서 제안한 진동센서를 활용하여 전력을 차단하는 대기모드의 소모 전력을 비교하였으며, 이를 Fig. 9에 나타내었다. 전력측정 실험에는 소스미터와 전류 프로브를 활용하였고 전원은 4 V로 하였다. Fig. 9에서 알 수 있듯이 시스템이 동작 중일 때에는 프로세서, 통신장치, 센서측정장치 등의 동작 소모전력으로 인해 약 85 mW가 소모되었고, 본 회로를 제외한 프로세서의 슬립기능을 활용한 대기모드에서는 약 20 μW가 소모되었으며 진동센서를 활용한 대기모드에서는 약 5 nW의 소모전력이 측정되었다. 제안한 방법에서 대기모드의 5 nW 소모 전력은 Q₁과 Q₂의 누설전류의 합이라 할 수 있다.

Fig. 9 
Power consumption comparison(Volt/div = 2 V, Current/div = 5 mA)

본 논문에서는 에너지 하베스팅 시스템의 대기전력을 줄이기 위한 방법 중 하나인 진동스위치를 활용한 새로운 형태의 대기전력 절감 방법에 대하여 소개하였다. 실험을 통하여 증명한 바와 같이 이 방법을 활용하면 대기모드 시 2개의 MOSFET 내부 다이오드의 누설전류를 제외하면 영의 대기소모전력 실현이 가능하게 되므로, 대기전력 소모를 줄이는 것이 중요한 시스템에서 유용하게 사용될 수 있을 것이다.