• 검색 결과가 없습니다.

The Development of the Technology for Bridge Safety Management Based on the Ambient EH Wireless Sensor Tagging

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "The Development of the Technology for Bridge Safety Management Based on the Ambient EH Wireless Sensor Tagging"

Copied!
163
0
0

로드 중.... (전체 텍스트 보기)

전체 글

(1)

2016 년 12 월 16ZC1200-01-2200P

안전 사각지대 교량관리를 위한 Ambient EH

무선 센서태깅 기반 안전관리 기술 개발

The development of the technology for bridge safety management

based on the Ambient EH wireless sensor tagging

(2)

제     출     문

   본 연구보고서는 주요사업인“초연결통신 기초∙원천기술 개발”과제의 공공∙인프라형 4세부 “안전 사각지대 교량관리를 위한 Ambient EH 무선 센서태깅 기반 안전관리 기술 개발” 의 결과로서, 본 과제에 참여한 아래의 연구실이 작성한 것입니다. 2016년 12 월 대과제 연구책임자 : 책임연구원 황승구 (초연결통신연구소) 세부과제 연구책임자 : 책임연구원 박찬원 (에너지하베스팅IoT연구실) 연구참여자 : 책임연구원 최원규 (에너지하베스팅IoT연구실) 책임연구원 정재영 (에너지하베스팅IoT연구실) 책임연구원 강성수 (에너지하베스팅IoT연구실) 책임기술원 최길영 (기업지원협력실) 책임연구원 손영성 (IoT플랫폼연구실) 선임연구원 김현석 (에너지하베스팅IoT연구실) 선임연구원 모상현 (에너지하베스팅IoT연구실) 연 구 원 한규원 (에너지하베스팅IoT연구실) 선임연구원 강찬모 (재난안전IoT연구실) 책임연구원 황건 (나노융합센서연구실) 책임연구원 김혜진 (나노융합센서연구실) 책임연구원 박기태 (한국건설기술연구원) 선임연구원 신현섭 (한국건설기술연구원) 연 구 원 김병철 (한국건설기술연구원) 연 구 원 김태헌 (한국건설기술연구원) 연 구 원 정규산 (한국건설기술연구원)

(3)

요 약 문

I. 제 목 안전 사각지대 교량관리를 위한 Ambient EH 무선 센서태깅 기반 안전관리 기술 개발 II. 연구목적 및 중요성 (1) 사회적 측면 ◯ 미래창조과학부 ‘2015년도 정부연구개발 투자방향 및 기준(안)’에서 사회문제 해결을 통해 국민행복(건강 증진, 쾌적한 생활, 범죄/재난으로부터 안전한 사회 구현) 실현을 기본 방향 으로 하는 ‘과학기술을 통한 경제혁신’을 목표로 발표 (2014. 03) ◯ 정부는 교량이나 터널 등의 노후화된 기반 시설의 실시간 센서 계측을 통한 안전 이상 유무를 점검, 모니터링 하는 안전 진단 센서 시스템 설치를 확대하기로 함

◯ 미래창조과학부 ‘ICT R&D 중장기 전략’의 “10대 핵심기술-지능형 ICT 융합 모듈: ICT융합 서비스를 위한 핵심 센싱 기술”과 “15대 서비스-재난 재해 조기감지 및 예측 서비스”중점 분야에 해당 ◯ 안전관리체계에서 ICT의 중요성이 강조되는 것은 안전관리 대응 패러다임의 근본적인 변화와 기존의 사고 대응, 복구 중심의 사후관리에서 예방, 대비, 대응, 복구의 전 주기적인 관리 개념이 중요함 (2) 문화.기술적 측면 ◯ 에너지하베스팅 기술, 무선 센서태그 기술, 저전력/장거리 무선통신 기술, 복합센싱 안전도 지표 설정 알고리즘 등 관련 핵심기술의 확보는 재난대응 등 관련분야 기술 경쟁력 강화에 기여 ◯ 노후교량 안전진단 센서 구축 확대”를 위한 기술 경쟁력 향상 예상 ­미래부“과학기술을 활용한 효과적인 재난대응 경쟁력 향상”전략 ◯ 소형화·저전력화 되고 있는 IoT 통신기기들의 배터리 문제를 해결할 수 있는 에너지하베스팅 기술은 매우 중요함

(4)

◯ ETRI 기술분류 체계와 부합 ­ICT융합 > 공공ICT융합: 의료·보건·교육·사회안전·재난관리 ◯ 핵심원천 및 국가 공익형 공공 기술 개발 ­에너지하베스팅을 포함한 ICT 융합 핵심기술 기반으로 차세대 서비스 및 신성장 동력 기반 인프라 구축 ­고령 인프라의 안전 관리를 위한 보급형 저가의 교량 안전 진단 시스템 개발을 통한 공공 인프라 해결책 제시 (3) 경제적 측면 ◯ 종외 대부분의 교량들은 비용 및 인력 문제로 체계적인 관리가 이뤄지지 않아 안전 사각 지대에 놓여 있으며 이들 교량에 대한 주기적 안전 점검의 필요성 대두 ­2013년말 기준 안전 사각지대 교량 수: 21,175개소(전국 교량 수: 29,190개소, 안전점검 대상 교량 수: 8,015개소) ◯ 국가별 교량 모니터링 시스템 시장 규모 ­중국 등 동북아를 중심으로 신규 교량 건설 수요 증가 ­북미/유럽 지역은 노후 교량 대체 사업이 활발 ­적용 대상 교량 수는 점진적으로 증가할 것으로 예상 III. 연구내용 및 범위 안전 사각지대 교량관리를 위한 Ambient EH 무선 센서태깅 기반 안전관리 기술 개발을 위해 1차년도에는 핵심 기술 개발을 중심으로 다음과 같은 연구내용 및 범위를 정의함 (1) Ambient EH 핵심 기술 개발 ◯ 소형/고출력 압전 에너지하베스팅 소자 설계 ◯ 교량환경 EH 모듈 설계 및 시험 ◯ EH 전력 관리 회로 설계 및 시험 (2) 무선 센서태그 핵심기술 개발 ◯ 저전력 센싱 모듈 설계 및 시험 ◯ 장거리 통신 모듈 PHY/MAC 구현

(5)

(3) 데이터수집 및 이상거동 감지 기술 개발 ◯ 장거리 BS 회로 설계 및 시험 ◯ 단일 채널 BS PHY/MAC 구현 ◯ 이상거동 시뮬레이션 ◯ 디지털 복합 센싱 및 안전도 지표 설정 알고리즘 개발 (4) 기술표준화 ◯ 보급형 교량 안전관리 기술 국내 표준화 기반 조성 IV. 연구결과 본 연구의 주요 결과에 대한 요약은 다음과 같음 (1) Ambient EH 핵심기술 개발 ◯ 교량환경 EH 모듈 설계 및 시험 ­교량환경에서의 에너지원(Source) 정량 분석 ­Ambient EH 에너지원(진동, 빛) 효율 분석 ­Ambient EH 모듈(진동, 빛) 설계 및 시험 ­소형/고출력 압전 에너지하베스팅 소자 설계 및 로드저항에 따른 출력전력 계산 ◯ EH 전력 관리 회로 설계 및 시험 ­EH 전력 관리 회로 설계 및 시험 ­EH 전력 관리 회로 효율 분석 (2) 장거리 무선 센서태그 핵심기술 개발 ◯ 저전력 센싱 모듈 설계 및 시험 ­저전력 기반 변위 측정 모듈 설계 및 시험 ­온도 및 가속도 센싱 모듈 설계 및 시험 ◯ 장거리 통신 모듈 PHY/MAC 구현 ­장거리 통신 모듈 구조 및 상세 설계 ­장거리 통신 모듈 구현 및 시험

(6)

(3) 데이터수집 및 이상 거동 감지 핵심기술 개발 ◯ 장거리 base station 회로 설계 및 시험

­장거리 base station 회로 구조 및 상세 설계 ­장거리 base station 모듈 시험

◯ 단일 채널 base station PHY/MAC 구현

­단일 채널 base station PHY/MAC 상세 설계 및 구현 ­단일 채널 base station-무선 센서태그(단일) 연동 시험 ○ 교량 이상거동 시뮬레이션 ­공용 교량의 상시계측 데이터 및 유지관리 자료 수집 ­유한요소 모델을 이용한 차량하중 상시진동 시뮬레이션 프로그램 개발 ­시뮬레이션 결과 분석을 통한 교량 손상 추정계수 도출 ○ 디지털 복합 센싱 및 안전도 지표 설정 알고리즘 개발 ­진동/신축이음/균열/온도 계측결과-위험 수준 상관성 분석 ­안전성 평가 알고리즘 설계/구현 및 개발 시스템의 최소 요구사항 도출 ­진동/신축이음/균열/온도 디지털 복합 센싱 및 안전도 지표 설정 알고리즘 기술 Ⅴ. 연구결과의 활용계획 ◯ 본 과제의 1차년도 결과물을 여러 지자체에 시연함으로써, 향후 본 과제의 최종 결과물을 지자체의 적은 예산 속에서도 수용할 수 있도록 기대심 유발에 주력하고, 홍보의 확대 및 관련 국내 표준의 분위기 조성을 통해 전국적으로 본 과제의 최종 결과물이 확산될 수 있도록 주력 ◯ 교량 환경에 적합한 EH 기술 개발에 주력하지만, 이를 기초로 타 산업으로의 EH기술 응용을 위해 EH 분야의 원천 기술 개발에 노력함으로써 시스템 활용도를 극대화 ◯ Ambient Hybrid 에너지하베스팅 기술 개발을 통해 기존 기술 대비 출력 및 에너지 밀도의 향상이 가능하며 마이크로 에너지 분야인 IoT 디바이스(스마트더스트, 웨어러블 PC), 임플란트형 디바이스, 나노/마이크로 로봇 분야로의 응용 확대 및 적용이 가능함

(7)

◯ 본 과제의 무선 데이터 전송기술로써의 저전력 장거리 무선 통신 모듈의 개발은 교량 안전 분야뿐 아니라 다른 응용분야로의 확산이 손쉽기 때문에 경쟁력이 충분할 것으로 사료되어 기반 기술 확보에 주력해야함 ◯ 최근 IoT기술의 빠른 확산에 발맞추어 Sub-GHz 대역의 비인가대역의 저전력 장거리 무선 통신 기술이 발전되고 있어, 기반 기술의 확보는 높은 경쟁력이 예상되어 IoT 기술 진입을 목표로 하는 산업체로의 기술이전이 용이할 전망임 ◯ IoT 기기의 대다수가 원격 센서와 같은 소물의 형태를 가질 것으로 예상되고 메시지 크기가 작아 높은 데이터 전송률을 필요로 하지 않지만 적은 유지비용, 10년 이상의 동작, 광역 전 파 커버리지가 가능한 저전력/장거리 통신이 활용될 전망임 ◯ 개발된 공용 교량의 이상거동 시뮬레이션 소프트웨어는 다양한 차량하중에 대한 교량의 이상거동의 분석 및 교량 손상 추정계수를 고도화 하는데 활용 될 예정임 ◯ 공용 교량의 상시계측 데이터를 수집결과를 이용하여 중소규모 공용 교량의 차량하중에 대한 응답을 분석하고 개발 시스템의 최소 요구사항을 도출하였으며 디지털 복합 센싱 및 안전도 지표 설정 알고리즘의 정밀도를 높이는데 활용될 것임 ◯ 중소규모 교량의 안전성 평가 방법을 자동화하여 평가 결과의 객관성을 확보하고 시설물 안전 관리에 적용할 수 있는 기초자료로서 활용 가능함 VI. 기대성과 및 건의 ◯ 멀티몰프 세라믹 구조 설계 기반으로 한 고출력 에너지하베스팅 소자 연구를 진행하여 상용 Piezoelectric 에너지하베스팅 기술에 준하는 기술을 확보함

◯ 복수개의 영구자석과 Soft Ferrite Material로 만들어진 Ferrite 코어를 이용하여 높은 에너지 변환 효율을 갖는 Electromagnetic 에너지하베스팅 기술을 확보함 ◯ 후면전극 PV패널 제작 공정을 이용한 소형 Solar 에너지하베스팅 PV패널 기술 및 Solar 에너지하베스팅 응용 전력관리회로 기술을 확보함 ◯ 에너지하베스팅 응용을 위한 상용 PMIC에 대한 문제점을 분석하여, 에너지하베스팅 시장을 확산 시킬 수 있는 저전력 에너지 변환 응용과 Hybrid 에너지하베스팅 응용을 위한 PMIC Breakthrough 기술을 발굴하여 PMIC 구조 제안함

(8)

◯ 기존 상용 제품들과 유사한 정확도를 저전력 센싱 모듈은 EH 기술과 저전력 통신 모듈과의 결 합을 용이하게 함

◯ EH기술, 저전력 센싱 모듈, 장거리 통신 모듈의 개발은 SHM (structural health monitering) 시스템의 확산에 큰 기여가 예상됨 ◯ 스마트 홈, 스마트 시티, 스마트 팩토리 등의 IoT 분야에서 활용 가능한 비인가 대역 저전력 장거리 통신 기술 및 특허 확보 ◯ 저전력 센서 기술, 저전력 장거리 통신 기술, 에너지하베스팅 기술이 융합된 무전원 무선 센서태그 핵심기술 확보 ◯ 저속의 장거리 통신 단점을 극복하기 위해 수신 채널 확장을 통한 다채널 Base Station 기 술 및 핵심 특허 확보

◯ Base Station 내 LoRaWAN 서버 탑재로 Private Network 필요한 분야에 대한 확산이 기대됨

◯ 공용 중교량의 계측 데이터 및 시뮬레이션 결과를 이용한 교량 안정성 평가 알고리즘 기술 및 핵심특허 확보

◯ 교량의 안전성 평가 알고리즘을 포함하는 범용 이상거동 시뮬레이션 소프트웨어 개발

◯ 진동/신축이음/균열/온도 계측결과와 위험수준의 상관성을 고려한 다채널 이상거동 감지 알고리즘 핵심기술 확보

(9)

ABSTRACT

I. TITLE

The Development of bridge health monitering technology in safety dead zone based on ambient EH wireless sensor tag

II. THE OBJECTIVES

(1) Social aspect

◯ In ‘2015 Investment direction and guideline for Governmental Research & Developement’reported by Ministry of Science, ICT and Future Planning, the government has announced ‘economy innovation with science & technology’for solving a social problem and for national welfare (2014. 03)

◯ The government has expanded to install the sensor system for testing safety in which a safefy status with real-time sensing for aging infrastructure such as bridge and ternal is checked and monitored.

◯ In ‘ICT R&D medium- and long-term strategy’reported by Ministry of Science, ICT and Future Planning, intelligent ICT convergence module (core sensing technology for ICT-convergence service) is one of 10-point core technology, and early perception & forecast service of disaster is one of 15-point future service concept.

◯ ICT is very significant in safety management system and it reflects that safety management system is refashioned. The expected system does not make much account of conventional incident response and recovery but the whole management with a prevention, a provision, a response and a recovery.

(2) Cultural and technical aspect

◯ Core technology such as energy harvesting technology, wireless sensor tag technology, low-power/long-range wireless communication technology, complex sensing based safety index set-up should be established and would be competitive on the related field.

(10)

◯ If sensing infrastructure to diagnose safety for aging bridges is expanded, it would raise technical competitiveness in the world market.

◯ Because IoT devices have been miniaturized and have had low-power consumption, the energy harvesting technology is very significant to solve battery problem.

◯ Publich ICT conversion is one of technologies in technical classification system by ETRI. ◯ Energy harvesting based ICT convergence technology would contribute to establish the

next-generation service and new growth power based infrastructure.

◯ To expand safety management for aging infrastructure, inexpensive popular brige safety management system is needed and would been expanded for public infrastructure.

(3) Economical aspect

◯ Most of bridges in the rest of the class is not managed systematically by financial and manpower problems and thus it is in safety dead zone and should be under periodic safety management

- In the end of 2013, number of bridges in safety dead zone is 21,175 on the total bridges 29,190.

◯ National scale for bridge monitering system market

- Increased to build new bridge on the center of east-north asia

- Actively rebuilding new bridges for aging bridges in europe and north america - Expected that applicable bridges is gradually increased

III. THE CONTENTS AND SCOPE OF THE STUDY

The following contents and scopes of the study are defined in the first year for the development of bridge health monitering technology in safety dead zone based on ambient EH wireless sensor tag

(1) Development of ambient EH core technology

(11)

◯ Design and test of EH module on bridge environment ◯ Design and test of EH sourced power management circuit (2) Development of core technology for wireless sensor tag

◯ Design and test of low-power sensing module

◯ PHY/MAC realization of long-range communication module

(3) Development of data gathering and abnormal behavior sensing technology

◯ Design and test of long-range BS circuit ◯ PHY/MAC realization of mono-channel BS ◯ Simulation for an abnormal behavior

◯ Development of an algorithm for digitally complex sensing and safety index set-up (4) Technical standardization

◯ Sharing and standardization of popular bridge safety management technology

IV. RESULTS

The major results of this study are summarized as follows. (1) Development of ambient EH core technology

○ Design and test of energy harvesting module for bridge environments - Analysis of energy sources in bridge environment

- Design and test of ambient energy harvesting module for vibration and solar source - Design of small and high power piezoelectric energy harvesting module and study of

output power depending on load impedances

○ Design and test of power management circuit for energy harvesting - Design and test of power management circuit for energy harvesting - Analysis of efficiency of power management circuit for energy harvesting (2) Development of core technology for wireless sensor tag

(12)

- Design and test of displacement measurement module with low power consumption - Design and test of temperature and acceleration sensing module

◯ Implementation of PHY/MAC for long range communication module - Structure and detailed design of long-range communication module - Test of long-range communication module

(3) Development of data gathering and abnormal behavior sensing technology

◯ Design and test of long-range base station - Detailed design of long-range base station - Test of long-range base station

◯ Implementation of PHY/MAC for single channel base station

- Detailed design and implementation of PHY/MAC for single channel base station - Test of interlocking for single channel base station and long-range communication

module

◯ Bridge abnormal behavior simulation

- Collection of the health monitoring data and the maintenance result of existing bridges - Vehicle load-bridge ambient vibration simulation software development using finite - Bridge damage estimation index suggestion using simulation result

◯ Heterogeneous digital multi-sensing and safety index calculation algorithm development - Vibration/expansion joint/crack/temperature measurement-risk level correlation analysis - Safety estimation algorithm design/production and minimum system requirement

derivation of the developed system

- Vibration/expansion joint/crack/temperature digital multi-sensing measurement and safety index calculation algorithm technology

Ⅴ. THE APPLICATION PLAN OF RESEARCH RESULTS

◯ If the results achieved in the first year is attractive, the final results would be imposed to local governments in spite of low budget and applicable to other field.

(13)

◯ Although EH technology is designed and developed under bridget environment in this project, the final results might be usable to other field and thus they would be evolved. ◯ Ambient hybrid energy harvesting technology provides higher output power and energy

density than the existing energy harvesting technology and thus it would be much efficient to micro energy field such as IoT device, implant-type device, nano-/micro-robot. ◯ Though Low-power long-range wireless communication technology used to deliver

wirelessly data in this project was developed for bridge safety field, it is much competitive for other applications.

◯ As IoT technology is rising fast, low-power long-range wireless communication technology in Sub-GHz unlicensed band is developed quickly and thus competitive foundation technology should be secured,

◯ In the near future, most of IoT devices would be as small as remote sensor. Because they don’t need to high memory and high data rate, they will make use of IoT devices with low management fee, long battery life, low-power/long-range communication.

◯ Developed abnormal behavior simulation software of existing bridges will be applied to analyze vehicle induced abnormal vibration and to enhance the damage estimation index calculation algorithm of the structures.

◯ The minimum system requirement and the measurement & simulation results from vehicle induced vibrations of small and medium sized bridges will improve the precision of digital multi-sensing and safety index calculation algorithm.

◯ The results of simulation and measurement will be used as reference material for the development of safety estimation algorithm which automates the process and ensures objectivity of safety index results.

VI. EXPECTED RESULT & PROPOSITION

○ Development of Piezoelectric energy harvester with almost same performance as that of commercial product

(14)

○ Development of energy harvester with high power output based on multi-morph ceramic structure

○ Development of electromagnetic energy harvester with almost same performance as that of commercial product

○ Development of small solar energy harvester

○ Proposing the PMIC breakthrough technology which is capable of solving problems of commercial PMIC products

◯ Low-power sensing module, one of the results of this project, is drived on low-power consumption and has conventional accuracy and thus it is efficient for conversion with EH technology and low-power long-range wireless communication module.

◯ Developing EH technology, low-power sensing module, and long-range wireless communication module, SHM (structural health monitering) system would be spread. ◯ Securing of unlicensed low-power long range communication technology and patent that

can be used in IoT field such as smart home, smart city, and smart factory

◯ Securing of core technology for wireless sensor tag which merged with low power sensor technology, low power long range communication technology and energy harvesting technology

◯ Securing of core technology and patent for multi-channel base station by extensible receiver channel

◯ Base station with LoRaWAN is expected to spread to necessary fields with private network

◯ Bridge safety estimation algorithm technology and secure the core patent using existing bridge’s measured data and simulation results.

◯ General purpose abnormal behavior simulation software development include the safety estimation algorithm.

(15)

◯ Ensure the patented abnormal behavior detection algorithm technology considering the behavior of vibration/expansion joint/crack/temperature measurement-risk level correlation.

(16)

목 차

제 1 장 서론 ···20 제 1 절 연구필요성 ···20 제 2 절 국내외 연구개발 동향 및 경쟁기관 현황 ···22 제 2 장 연구개발추진내역 ···28 제 1 절 기술개발 추진 일정 ···28 제 2 절 1차년도 개발 목표 및 내용 ···28 제 3 절 1차년도 추진실적 및 목표 달성도 ···29 제 4 절 1차년도 추진실적 상세내용 ···35 1. Ambient 에너지하베스팅 핵심기술 개발 ···35 2. 장거리 무선 센서태그 핵심기술 개발 ···55 3. 데이터 수집 및 이상 거동 감지 핵심기술 개발 ···83 제 3 장 기술 개발 결과 ···144 1. 논문 제출/발표 실적 ···144 2. 지식재산권 ···144 3. 기술문서 (TM, TDP) ···144 4. SW ···146 5. 국제표준 기고서 ···146 6. 기술이전 ···146 7. 시작품 ···147 8. 전시회 및 표준화 활동 등 ···149 제 4 장 연구개발결과의 활용계획 ···150 제 1 절 추가연구필요성 ···150 제 2 절 응용 및 기업화 추진방향 ···152 제 5 장 결론 ···154 제 6 장 연구시설 장비현황 ···156 제 7 장 예산 집행 현황 ···159

(17)

표 목 차

<표 차례> 표 1 압전 소재/소자 관련 주요 업체 현황 ··· 262 압전 에너지하베스팅 소재/소자 관련 주요 업체 현황 ··· 263 장거리 통신 모듈 S/W 블록별 주요 기능 ··· 724 Apps 블록 State별 주요 기능 ··· 725 센서데이터 포함시 페이로드 구조 ··· 756 센서데이터 포함 시 커맨드 데이터 구조 ··· 757 SX1272 RF transceiver의 동작 모드 및 기능 ··· 768 장거리 통신 모듈 시작품 ··· 799 메인 연산처리 보드 사양 ··· 8510 Digital Block 보드 사양 ··· 8711 장거리 base station 개발 환경 ··· 8912 장거리 base station 소프트웨어 형상별 세부 기능 설명 ··· 90

13 MAC Message types ··· 92

14 Major list ··· 92

15 FCtrl field description ··· 93

16 FPort field description ··· 93

17 Class A MAC command list ··· 96

표 18 Class B MAC command list ···101

19 장거리 BS 서버 개발환경 ···103 표 20 신축장에 따른 신축량 ···118 표 21 바닥판의 균열 평가 기준 ···119 <그림 차례> 그림 1 본 과제의 연구 개발 필요성 ··· 21 그림 2 교량 환경 분석용 여러 상용 센서들 ··· 23 그림 3 연차별 연구수행 전략 ··· 34 그림 4 연구수행 추진체계 ··· 34 그림 5 에너지하베스팅 모듈 구성도 ··· 35 그림 6 캔틸레버 타입 압전 에너지하베스팅 모듈 및 압전효과 원리 ··· 35 그림 7 압전 에너지하베스팅 모듈의 멀티몰프 구조의 적층 압전 세라믹 구조 ··· 36 그림 8 압전 에너지하베스팅 모듈의 모델링 ··· 37 그림 9 압전 에너지하베스팅 모듈의 24Hz, 0.25g 교량 진동에 대한 Total 변위 결과 ··· 38 그림 10 압전 에너지하베스팅 모듈의 출력 전압 및 전력 특성 (시뮬레이션) ··· 38 그림 11 압전 에너지하베스팅 모듈의 Load Resistance에 따른 출력 전압 및 전력 해석 결과 ··· 39 그림 12 압전 에너지하베스팅 모듈의 Acceleration에 따른 출력 전압 및 전력 해석 결과 ··· 40 그림 13 PZN-PNN-PZT 압전 디바이스의 PZT mol ratio에 따른 물성 비교 ··· 40 그림 14 멀티몰프 타입의 적층 압전 세라믹 디바이스의 분극 구조 ··· 41 그림 15 압전 에너지하베스팅 모듈 시제품 이미지 ··· 41

(18)

그림 16 압전 에너지하베스팅 모듈 시제품의 출력 특성 ··· 42 그림 17 Solar EH 모듈 구성도 ··· 42 그림 18 Solar PV 패널의 I-V 특성 곡선 ··· 43 그림 19 제작된 Solar EH 모듈 ··· 43 그림 20 실외 측정 시험 환경 ··· 44 그림 21 배터리 완충 상태에서의 전압(왼쪽) 및 전류(오른쪽) 특성 ··· 44 그림 22 Solar PV 패널에서 전력관리회로로 입력되는 전압, 전류 특성 (10개 샘플) ··· 45 그림 23 전력관리회로에서 배터리로 입력되는 전압, 전류 특성 (10개 샘플) ··· 45 그림 24 배터리의 출력시험 결과 ··· 45 그림 25 Electromagnetic EH 모듈의 개념도 ··· 47 그림 26 가속도 0.5g 환경에서 진동 주파수에 따른 진폭의 크기 ··· 47 그림 27 Single-mass EH 모듈에서 I-core의 움진임에 따른 자속의 변화 ··· 48

그림 28 U-core 중심에서 형성되는 자속의 변화 (Single-mass EH) ··· 49

그림 29 Single-mass EH 모듈의 전압, 전류 특성도 ··· 49

그림 30 Dual-mass EH 모듈에서 I-core의 움진임에 따른 자속의 변화 ··· 50

그림 31 U-core 중심에서 형성되는 자속의 변화 (Dual-mass EH) ··· 50

그림 32 Dual-mass EH 모듈의 전압, 전류 특성도 ··· 51 그림 33 제작된 Electromagnetic 에너지하베스팅 모듈 ··· 51 그림 34 상용 Hybrid PMIC 구조도 ··· 52 그림 35 제안된 PMIC 구조도 ··· 53 그림 36 제안구조의 세부 블록도 ··· 53 그림 37 장거리 무선 센서태그의 구성도 ··· 55 그림 38 저전력 센싱 모듈의 구조도 ··· 56 그림 39 신축이음센서의 측정부 사진 ··· 57 그림 40 균열센서의 측정부 사진 ··· 57 그림 41 저전력 센싱모듈의 센서 운용부를 위한 구조도 ··· 58 그림 42 저전력 센싱모듈의 센서 운용부 회로도 ··· 58 그림 43 센서 운용부의 보드 사진 ··· 59 그림 44 MCU 보드의 사진 ··· 59 그림 45 MCU보드의 각종 스위치 명칭들부의 보드 사진 ··· 59 그림 46 MCU 보드와 센서 운용부와의 인터페이스 ··· 60 그림 47 MCU 보드의 저전력 센싱 모듈의 운용 순서도 ··· 61 그림 48 저전력 센싱모듈의 시험 구성도 ··· 62 그림 49 신축이음센서를 통해 200mm를 측정하는 경우 ··· 62 그림 50 신축이음센서를 통해 400mm를 측정하는 경우 ··· 63 그림 51 균열센서를 통해 25mm를 측정하는 경우 ··· 63 그림 52 균열센서를 통해 50mm를 측정하는 경우 ··· 63 그림 53 장거리 통신 모듈 구조도 ··· 64 그림 54 RF Transceiver 회로도 및 핀 설명 ··· 67 그림 55 RF Transceiver 주변회로 블록도 ··· 67 그림 56 저역통과필터 사양 및 S-Parameter 특성 ··· 68 그림 57 대역통과필터 사양 및 S-Parameter 특성 ··· 68

(19)

그림 58 대역통STM32L152RTC6의 주요 핀 맵 ··· 70 그림 59 SC4216 Regulator의 주변회로 ··· 70 그림 60 TPS78330 Regulator의 주변회로 ··· 71 그림 61 장거리 통신 모듈 S/W 구조도 ··· 71 그림 62 OTTA 기반 네트워크 참여 절차 ··· 73 그림 63 LoRaWAN Packet 구조 ··· 74 그림 64 PHY Payload 구조 ··· 74

그림 65 LoRaWAN Class A/Class B 명령어 ··· 74

그림 66 데이터 송신 순서도 ··· 77 그림 67 데이터 수신 순서도 ··· 78 그림 68 장거리 통신 모듈 무선설비규격 시험 ··· 79 그림 69 장거리 통신 모듈 물리규격 시험 ··· 80 그림 70 장거리 통신 모듈 Join Procedure 시험 ··· 81 그림 71 장거리 통신 모듈 LoRaWAN 프로토콜 시험 ··· 81 그림 72 장거리 통신 모듈의 통신 거리 시험 환경 ··· 82 그림 73 장거리 통신 모듈의 통신 거리 시험 결과 ··· 82 그림 74 장거리 통신 모듈의 통신 소비 전력 시험 결과 ··· 83 그림 75 장거리 Base Station 블록 구성도 ··· 83 그림 76 장거리 BS의 H/W 구성도 ··· 85 그림 77 Tiny 4412 메인 연산처리보드 ··· 85 그림 78 Digital Block 블록 다이어그램 ··· 86 그림 79 장거리 BS RF 블록도 ··· 87 그림 80 장거리 BS RF Tx / Rx Path ··· 88

그림 81 LoRa 장거리 Base Station ··· 88

그림 82 장거리 base station 및 GUI 구성도 ··· 89

그림 83 장거리 base station 소프트웨어 형상항목 ··· 90

그림 84 Frame format ··· 91

그림 85 MAC Payload format ··· 92

그림 86 기능 및 동작 구조 ···104

그림 87 화면 구성 ···104

그림 88 Connection 상태 및 로그 표시 화면 ···104

그림 89 Link Parameter Config. 표시 화면 ···105

그림 90 장거리 통신 모듈 List 표시 화면 ···105 그림 91 Class A/B 전송 및 수신 데이터 표시 기능 ···106 그림 92 Sensor Data 표시 화면 ···107 그림 93 EH 무선 센서태그의 장거리 통신 모듈 및 장거리 BS 통신 시험 구성도 ··· 107 그림 94 EH 무선 센서태그의 장거리 통신 모듈 및 장거리 BS 통신 시험 사진 ··· 108 그림 95 OTAA mode 수신 결과 ···108 그림 96 ABP mode 등록 및 수신 결과 ···109 그림 97 Mac command Tx/Rx 결과 ···110 그림 98 센서 데이터 변환 및 출력 결과 ···111 그림 99 장거리 통신 모듈과 장거리 BS간의 최대 통신환경 측정결과 (attenuator = 103-dB) ··· 111

(20)

그림 100 ETRI 내 운동장 성능 테스트 ···112 그림 101 ETRI 내 운동장 설치 EH 무선 센서태그의 장거리 통신 모듈 ···113 그림 102 ETRI 12연구동 옥상 설치 장거리 BS ···113 그림 103 교량 환경 성능 테스트 ···114 그림 104 대덕대교 설치 EH 무선 센서태그의 장거리 통신 모듈 ··· 114 그림 105 국내 신설교량 통계 및 노후교량 증가 현황 ···116 그림 106 Reiher-Meister 곡선과 수정된 Reiher-Meister 곡선 ···117 그림 107 Z24 교량에서 1년간 획득한 온도와 고유진동수의 관계 ··· 120 그림 108 광안대교에서 10년간 계측한 온도와 신축량의 상관관계 ··· 120 그림 109 온도변화가 사용하중상태와 극한상태에 미치는 영향 ···121 그림 110 슬래브 깊이 별 균열폭 거동 변화 ···121 그림 111 중소규모 교량의 안전성 평가 알고리즘 구조도 ···123 그림 112 주성분 분석 과정 ···126 그림 113 교량 이상거동 시뮬레이션 S/W의 구조 개요 ···127 그림 114 교량 이상거동 시뮬레이션 S/W의 User Interface ···128 그림 115 Toolbar Menu ···129 그림 116 고양시 인근 계측 대상교량 선정(도로 교량 및 터널 현황정보 시스템) ···131 그림 117 중소규모교량 현장계측 보고서(멱절2교,MSL=18m) ··· 132 그림 118 중소규모교량 현장계측 보고서(멱절1교,MSL=12m) ··· 133 그림 119 중소규모교량 현장계측 보고서(강매교,MSL=56m) ··· 134 그림 120 중소규모교량 현장계측 보고서(대곡교,MSL=75m) ··· 135 그림 121 중소규모교량 현장계측 보고서(대장천교,MSL=58m) ···136 그림 122 중소규모교량 현장계측 보고서(장항IC1교,MSL=50m) ···136 그림 123 중소규모교량 현장계측 보고서(통일교IC교,MSL=70m) ···137 그림 124 중소규모교량 현장계측 보고서(법곳교,MSL=30m) ··· 137 그림 125 중소규모교량 현장계측 보고서(이산포IC1교,MSL=28m) ···138 그림 126 중소규모교량 현장계측 보고서(이산포IC교,MSL=35m) ···138 그림 127 중소규모교량 현장계측 영상 ···139 그림 128 계측대상 중소규모 교량 가속도 응답 결과(1/2) ···140 그림 129 계측대상 중소규모 교량 가속도 응답 결과(2/2) ···141 그림 130 계측대상 중소규모 교량 FFT분석 결과(1/2) ··· 142 그림 131 계측대상 중소규모 교량 FFT분석 결과(2/2) ··· 143

(21)

제 1 장 서론

제 1 절 연구필요성

1. 사회적 측면 ◯ 국내 노후 교량이 증가하는 추세에 있고 이에 따른 국가 기반 시설물의 고령화에 의한 대규모 안전사고에서 국민의 안전을 지킬 수 있는 대비책 마련 시급 ­30년 이상의 노후 교량 시설물은 전체의 9.6% 차지(2014년 1월 기준) ­2020년 이후 21.5%로 급속한 고령화 예상 ◯ 국내 1종 교량 중 일부 특수 교량에 대해서만 실시간 모니터링을 통해 안전 점검을 시행 중이며, 나머지 일부 교량들은 육안 검사 수준의 일상 점검만 이뤄지고 있음 ◯ 국내 1종, 2종 교량을 제외한 대부분의 교량(전체 약 70%이상)은 비용 및 인력 문제로 체계적인 관리가 이뤄지지 않아 안전 사각 지대에 놓여 있기 때문에 유지보수가 쉽고, 구축비가 저렴한 보급형 교량 안전관리 시스템 기술이 필요 ◯ 국민안전이 국가혁신 핵심 과제로 부상하면서 국가안전의 전반적인 개선이 시급한 시점으로 기존 안전시스템의 한계를 ICT의 창조적 접근법으로 해결할 필요성 증대 ◯ 재난⦁재해에 대응하기 위해 장기적인 관점에서 ICT 신기술을 적용하려는 움직임이 선진국에서 활발하고, 기존의 대응⦁복구 중심에서 예측⦁예방으로 범위가 확대되고 있음 ◯ 교량 안전 위험 요인을 분석⦁평가하여 주요 위험 지표를 설정함으로써 모니터링 후 사전 대응할 수 있는 국민 생활안전 총괄 관리체계 구축 필요 ◯ 재난/안전 대응은 글로벌 핵심 이슈이며, 국민의 안전 체감도를 향상시킬 수 있는 생활안전 ICT 인프라 구축을 기반으로 한 안전 정보의 융/복합 서비스 필요 2. 문화.기술적 측면 ◯ 정밀안전 관리 대상이 아닌 종외 교량에 대한 안전진단 기술 수요가 높음

(22)

◯ 교량 안전진단을 위해 7년 이상의 내구성, 저가의 구축비용, 그리고 안정된 통신 기술이 요구되고 있음 ◯ 교량 안전을 위한 위험요소를 진단하고 선제적 예방/대응을 할 수 있는 범국가적 안전망 구축을 위한 저가의 무전원 센서 및 저전력 장거리 통신 기술 개발 필요 ◯ 교량 안전관리를 위한 융합 ICT 기술은 국가 경쟁력 확보 및 세계시장 주도를 위해 우선적인 기술 개발이 요구되며, 제안기술의 개발을 통해 재난안전 분야로 확대 적용이 가능 ◯ 에너지하베스팅 IoT 무선통신기술은 교량 안전관리 분야 이외에 웨어러블 디바이스 기반 스마트 헬스케어 산업, 건축 IoT 시장 등으로 파급될 수 있는 기반 기술이기 때문에 관련 기술에 대한 조기 확보 필요

◯ IoT 기기의 저전력 소형화에 따라 건설 ICT, 홈 ICT 등에 응용할 수 있는 배터리 없이 유지관리가 가능한 에너지하베스팅 기반 IoT 기기 필요성 증가 ◯ 교량 안전관리와 관련하여 전문성과 기술력을 가진 산/학/연 파트너쉽을 구축하고 협업을 통해 안전 데이터의 생성, 제공, 활용이 가능한 안전관리 기반 기술 개발 그림 1 본 과제의 연구 개발 필요성 3. 경제적 측면 ◯ 보급형 교량 안전 관리 시스템 개발을 통해 지자체의 재정 및 인력 부족 문제를 해결하고 안전사각지대에 놓인 소규모 시설물까지 안전진단 가능

(23)

◯ 기존 유선네트워크 시스템 기술 대비 제안기술의 구축비용(직접비)은 1/10로 절감 가능 ◯ 배터리 교체가 필요 없고, 교량 수명 연장을 통한 유지 관리비 절감이 가능 ­시스템의 내구수명 연장으로 배터리 교체를 위한 유지관리비 절감 ­예방적 유지관리 실현으로 합리적 예산 관리 및 비용절감 실현 ◯ 보급형 저가 교량 안전관리 시스템을 통한 지자체 교량관리 예산 절감 가능

제 2 절 국내외 연구개발 동향 및 경쟁기관 현황

1. 국내외 연구개발 동향 가. EH 기술

◯ 미시건 대학에서는 Frequency Increasing Generator와 6단의 Multiplier를 이용하여 평균 2.3uW 전력 생성

◯ Texas A&M에서는 자체 개발한 합성 자성체와 저전력 Conversion 회로를 이용하여 최대 (Peak) 80uW 전력 생성

◯ MIT 미디어랩은 신발 뒤축에 압전물질을 붙여 사람이 걸을 때 발생하는 충격으로 1.3mV의 전기를 얻음

◯ 유럽 FP(Framework Programme) 7 NMP(Nanosciences, nanotechnologies, materials & new production technologies)는 2011년부터 2014년까지 나노과학, 나노 소재 등을 대상으로 연구 수행 (참가국:독일, 프랑스, 영국, 스웨덴 등)

◯ 독일 Micropelt사는 반도체 프로세스 기술 (N-type과 P-type의 반도체 배열)을 적용한 웨이퍼 열전소자를 개발하여 상용품 판매. 0.4mW △10°C 전력생성 (열전 분야 세계 최고 기술 수준)

(24)

◯ 미국 MIDE사는 에너지하베스팅, 고상 쿨링, 햅틱 피드백 등 다양한 분야에 적용하기 위한 Piezo Protection Advantage (PPA) 제작 기술을 확보하여 압전 에너지하베스팅 장치를 상용화 함. 또한 세라믹 Cantilever를 이용하여 24Hz에서 2.8mW까지 전력 생성 기술 개발 (압전 분야 세계 최고 수준) ◯ 미국 MicroGen사는 Piezo-MEMS 기술을 이용한 압전 에너지하베스팅 장치를 개발하여 상용품 판매 ◯ 영국의 Perpetuum사는 기계적 진동을 전기 에너지로 변환하기 위해 전자기 에너지하베스팅 기술을 개발하고, 이를 철도 산업 등의 안전 진단 모니터링 기술에 활용 나. 센서 기술 ◯ 교량 안전 관리 모니터링으로 사용되는 상용 센서들의 대부분은 일본과 독일, 그리고 미국 등에서 설계 및 제작된 제품들을 수입하여 사용하고 있으며, 센서의 종류로는 가속도계, 온도계, 신축이음계, 균열계 등 있으며 아래 그림에 일례를 보임 그림 2 교량 환경 분석용 여러 상용 센서들 ◯ 상기 그림에서 국외 제품들의 특징은 열악한 환경에서 동작이 가능하며, 매우 정밀한 성능을 보유하고 있으나, 전력소모가 많고 유선의 데이터로거와의 결합만으로 데이터를 출력할 수 있는 단점을 지님

(25)

◯ 미국의 표준과학연구원 같은 형태의 연구기관인 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서는 센서 개발이 주요 연구들중 하나로써, 2010년 미국내 공공인프라의 모니터링 기술 향상을 위해 약 88백만 달러의 예산을 투입되어 연구를 개시했으나, 센서 개발보다는 시스템 개발에 주력함 ◯ 미국 매릴랜드 대학교의 Yunfeng Zhang 교수 연구팀은 자체 개발한 압전 페인트 센서로 교량의 균열발생 여부를 탐지할 수 있는 음향방출기법에 대한 연구 수행 다. 데이터 수집 기술

◯ Semtech은 SX1272 PHY chip을 통하여 저전력 장거리 통신 기술을 개발. LoRa, FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK 등을 지원하며 860MHz~1020MHz 주파수에서 동작

◯ Microchip은 RN2483 chip을 통하여 LoRaWAN Class A protocol 지원. LoRa, FSK, GFSK 등을 지원하며 433MHz, 868MHz 주파수에서 동작

◯ LinkLabs는 LPWA End-device를 수집할 수 있는 Base station을 개발함. 각 Base station은 8개 채널을 지원하며 FCC/ETSI 무선 규격을 준수함. 출입문 관리, 스마트 조명 제어, 스마트 주차, 스마트 거리 조명제어, 산업용 센싱&제어 등을 서비스 ◯ Bouygues는 2015년 6월 프랑스 그래노블 LoRa 네트워크를 구축하여 향후 네트워크를 확장을 계획하고 있음 ◯ Lace는 모스크바, 상트페테르부르크 등 12개 이상 도시에 LoRa 네트워크를 구축하여 홈 에너지 모니터링, 원격 건강 모니터링, 농업, 환경보호, 교통 및 스마트 도시 응용에 적용 ◯ 유럽 GENESI 프로젝트에서는 2012.2~2015.1(36개월) 동안 EU FP7으로부터 자금지원을 받아 대형 인프라 시설물의 안전을 모니터링하기 위한 무선 센서 네트워크 시스템 개발. 로마의 B1 메트로 라인과 스위스 퐁데라포야 교량 등의 건설 현장에 적용하여 시험 평가하였음

◯ 홍콩 폴리텍 대학에서는 610m 높이의 Guangzhou Television and Sightseeing Tower (GTST)에서 약 20여 채널의 가속도계를 이용하여 다양한 높이에서 타워의 진동 계측하였음. GTST에는 최종적으로 유선 가속도계가 설치되어 지속적 모니터링을 수행하게 되었지만, 유선과 무선 결과를 성공적으로 비교함으로써 장기적 모니터링에의 활용 가능성을 검증한바 있음

(26)

◯ 미국 미시건 대학에서는 교량의 진동을 측정하기 위해 캘리포니아의 New Carquinez Bridge (NCB)에 총 15개의 가속도계가 부착된 Narada 센서를 주갑판과 주탑에 설치하고 700m까지의 통신범위에서 99%의 송수신율을 보였고 교량의 가속도 응답 데이터는 바람과 차량 등에 의해 받는 영향과 정확하게 일치하였음 라. 이상 거동 감지 기술 ◯ University of Lubeck에서 안전성 평가를 위한 무선 센서 네트워크를 각각의 교량마다 적 은 비용으로 최적화 할 수 있는 시스템 연구 ◯ University of Calabria에서 PSC교량의 광섬유 센서를 교량의 실시간 모니터링 및 구조 안전성 검사에 적용

◯ 미시건 대학의 The Center for Compressive Sensing은 구조물의 장기 거동 모니터링을 위한 센서데이터의 효율적인 관리 기법과 이를 통한 안전성 평가 기술 제안 ◯ UIUC의 Laser 기반 원격 구조물 진단기법을 통해 구조물에 레이저를 이용하여 발생한 초음파를 추적하여 안전성 평가 ◯ Clarkson University에서 적응적 실시간 무선 센서 네트워크를 이용한 교량 안전성 평가 방법 연구 ◯ University of Newcastle에서 위험순위 결정 방법을 이용한 실시간 교량 평가에 대한 연구 수행 2. 국내외 경쟁기관 현황 가. EH 기술 ◯ 국내에서는 국책연구소인 기계연구원, 전기연구원, 표준과학연구원, 한국전자통신연구원 등 에서 열전 에너지하베스팅 효율을 개선하기 위한 소재 연구를 다년간 진행

◯ 학교에서는 KAIST가 Wearable Healthcare 응용을 위한 열전, 압전 에너지하베스팅 기술에 대한 연구를 활발히 진행하고 있음

(27)

◯ 연세대학교와 한양대학교에서는 MEMS 하이브리드 에너지하베스팅 모듈 및 고효율 회로에 대한 연구 진행

◯ 국외에서는 주로 대학을 중심으로 에너지하베스팅 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있음. 특히 미국의 미시건대학, Texas A&M, MIT 등에서는 압전, 열전 에너지 변환부를 포함한 저전력 회로에 대한 연구를 진행하고 있으며, 영국의 Cardiff 대학에서는 항공기 운항 중에 실내외의 온도차를 이용한 열전 에너지하베스팅 기술을 이용하여 센서 태그에 전원을 공급하는 시연을 성공함 ◯ 특히, 미국의 MIDE와 독일의 Micropelt사는 압전 에너지하베스팅 모듈과 열전 에너지하베스팅 모듈 상용품을 판매하고 있음 압전 소재/소자 업체/국명 제품

PZT Bimorph Morgan Advanced Materials/영국 PZT 5A series

PZT patch Channel Industries, Inc./미국 PZT 5804 Navy II

PZT wafer MIDE Volture/미국 V22BL

MFC patch Smart materials Corp./독일 M2807-P2

PMN-PT patch TRS Ceramics Inc./미국 PMN-15

표 1 압전 소재/소자 관련 주요 업체 현황

R&D Development Small production

- Kavlico/미국 - MIT/미국

- IMTEK University Freiburg/독일

- Physiscal Science Inc + University of CA Berkeley/미국 - HSG IMIT/독일 - INSA Lyon/프랑스 - LAAS CNRS/프랑스 - Ferro Solutions/미국 - Noliac/덴마크 - TPL Micropower division/미국 - EoPlex Technologies/미국 - Advanced Cerametrics/미국 - Arveni/프랑스

- Face International Corp/미국 - Smart Materials - Ambiosystems LLC/미국 - Piezo TAG/영국 - AdaptivEnergy/미국 - KCF Technologies/미국 - Microstain Inc/미국

- Midé Technology Corp/미국 - Piezo Systems, Inc./미국 - Morgan Electro Ceramics/미국 표 2 압전 에너지하베스팅 소재/소자 관련 주요 업체 현황

나. 센서 기술

◯ 국내에는 건기연, KAIST 등을 중심으로 과거 10년간 센서 및 교량 안전 모니터링 시스템 개발을 진행함

(28)

◯ 교량 안전관리를 위한 스트레인 게이지, 변위계, 로드셀, 가속도계 등을 판매하고 있는 국내 업체로는 대동계측, 성진지오텍, 동아지반계측, 코리아 하이테크, 에이스 인스트루 먼트, 동우 지오시스템 등이 있음 ◯ 해외의 경우, 미시건 대학, 매릴랜드 대학, 버지니아텍 등에서 센서 및 모니터링 시스템 개발을 위한 연구를 수년간 진행함 다. 데이터 수집 기술 ◯ 국내에서는 Zigbee, Z-wave 기술 등을 활용한 무선 네트워크 기술이 다년간 연구되어 다양한 서비스에 시범 사업을 진행하고 있음 ◯ 특히 교량을 타겟으로 KAIST가 제2 진도대교에 스마트 무선 센서 노드를 설치하여 데이터를 계측함 ◯ 최근 SKT가 LPWA 기술 활용 가스 원격 검침 솔루션을 상용화 진행 중임

◯ 국외에서는 Semtech, Microchip, Linklabs 등이 LPWA 기술 솔루션에 대한 연구를 활발히 진행하고 있음

◯ 미국, 유럽 홍콩 등 장기적 모니터링을 위한 무선 센서 네트워크 시스템 구축

라. 이상 거동 감지 기술

◯ 국내에서는 한국건설기술연구원과 한국기술교육대학교, 세종대학교, 인하공업대학교 등에 서 손상진단 알고리즘을 포함한 실시간 구조 건전도 모니터링 관련 과제 수행

◯ 국외에서는 Michigan, UIUC, Calabria, Lubeck 대학 등에서 구조물의 장기 거동 모니터링을 위한 센서데이터의 관리 기법과 안전성 평가 기술에 대한 연구 진행

(29)

제 2 장 연구개발 추진 내역

제 1 절 기술개발 추진 일정

※ 계획 : 점선, 진도: 실선

제 2 절 1차년도 개발 목표 및 내용

구분 목 표 내 용 1차년도 (2016) Ambient EH 무선 센서 태깅 기반 교량 안전 관리 핵심 기술 개발 Ambient EH 기술 개발 - 소형/고출력 압전 에너지하베스팅 소자 설계 - 교량환경 EH 모듈 설계 및 시험 - EH 전력 관리 회로 설계 및 시험 무선 센서태그 기술 개발 개발 내용 추진 일정 (개월) 달성도 (%) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Ambient EH 기술 100 환경분석 및 요구사항 도출 Ambient EH모듈 구조 설계 Ambient EH모듈 상세 설계 Ambient EH모듈 구현 무선 센서태그 기술 센싱 모듈 방법 연구변위측정 아날로그출력의디지털화 설계 센싱 모듈 설계온도/가속도 모듈별 시험 100 무선 통신 모듈 100 상용 장거리 통신모듈 조사 및 요구사항 도출 장거리 통신모듈 구조 설계 장거리 통신모듈 상세 설계 장거리 통신모듈 PHY/MAC 구현 데이터 수집 기술 100 상용 장거 BS 조사 및 요구사항 도출 장거리 BS 구조 설계 장거리 BS 상세 설계 장거리 BS PHY/MAC 구현 이상 거동 감지 기술 100 교량 유지관리 요구사항 도출 차량하중 상시진동 simulation Simulation결과 분석 통한 교량 손상계수 도출 안전도 지표 설정 알고리즘 개발

(30)

제 3 절 1차년도 추진 실적 및 목표 달성도

1. 성과지표 대비 목표 달성도 - 저전력 센싱 모듈 설계 및 시험 - 장거리 통신 모듈 PHY/MAC 구현 데이터수집 및 이상 거동 감지 기술 개발 - 소장거리 BS 회로 설계 및 시험 - 단일 채널 BS PHY/MAC 구현 - 이상거동 시뮬레이션 - 디지털 복합 센싱 및 안전도 지표 설정 알고리즘 개발 기술표준화 - 보급형 교량 안전관리 기술 국내 표준화 기반 조성 성과목표 성과지표 당해년도 목표 현재상태 비 고 (상세 현황) Output Ambient EH 기술 1) 개발 단계 2) 압전 EH 하베스팅 모 듈 전력 3) 압전 EH 에너지변환 효율주1) 4) 교량환경 Hybrid EH 평균 전력주2) 1) 상세설계 2) 2.0mW 3) 5% 4) 20mW 100 % 1) 상세설계/구현 2) 2.8mW 3) 30%(PZT 효율만 고려) 4) 175mW [압전 EH 기술] 1) 압전 에너지하베스팅 모듈 개발 ­크기: 71x25x0.76 mm3 ­전력: 2.8mW@24Hz/0.25g (전압:7.6V, 전류:0.38mA) ­PZT효율: 약 30% 2) 교량환경 Hybrid EH 평균전력 (a) Solar EH 모듈 ­크기:39x30mm2 ­전력: 21mA, 175mW (@100,000Lux, 25°C, 2Hour) (b) Electromagnetic EH 모듈 ­크기:43x37x80mm3 ­전력:1mW (@주파수 5Hz, 진폭: +/-5mm) 무선 센서태그 기술 1) 개발 단계 2) 신축이음 무선 센서태 그 평균전력 및 정확도 1) 모듈별 개발 2) 20mW/1.0mm 3) 20mW/0.5mm 100 % 1) 모듈별 H/W개발완료 2) 14.44mW/ 1) 저전력 센싱 모듈 ­신축이음 및 균열 측정을 위한 저전력 센싱 모듈 구조 및 상세 설계 완료

(31)

3) 균열 무선 센서태그 평균전력 및 정확도 0.5mm 3) 14.44mW/ 0.1mm ­측정 범위 및 정확도 시험 완료 ­가속도 및 온도 센싱은 상용 제품 이용 2) 장거리 통신 모듈 ­장거리 통신 모듈 상세 설계 및 단위 시험 완료 ­크기: 52mm x 50mm ­전원: 배터리 또는 EH 지원 ­센서: 가속도, 온도 ­통신 프로토콜: LoRaWAN ClassA/ClassB 지원 ­통신거리: 2km 이상@LoS 3) 1차년도 전력 소모 측정 결과 ­센싱: 1.96mW on 1s (1.96mJ) ­통신: 264mW on 50ms (13.2mJ) ­Total: 15.16mJ on 1.05s => 14.4381mW on 1.05s 데이터 수집 및 평가 기술 1) 개발 단계 2) BS 채널수 3) 셀 캐패시티 4) 이상 거동 감지 정확도 1) 상세설계 2) 1개주3) 3) 2.5개/초주3) 4) 90%주4) 100 % 1) 상세설계 및 실험시작품 2) 1개 3) 2.5개/초 4) 90% 1) 장거리 base station 회로 설계 및 시험 완료 ­장거리 base station 회로 구조 및 상세 설계 완료 ­장거리 base station 모듈 시험 완료 2) 단일 채널 base station PHY/MAC 구현 완료 ­단일 채널 base station PHY/MAC 상세 설계 및 구현 완료 ­단일 채널 base station-무선 센서태그(단일) 연동 시험 완료 ­채널수: 1개 ­BS 셀 커패시티: 2.5개/초 3) 이상거동 시뮬레이션 완료 ­차량하중 상시진동 시뮬레이션 완료 ­이상 고려 상시진동 변화 유한요소 시뮬레이션 완료 4) 디지털 복합 센싱 및 안전도 지표 설정 알고리즘 개발 ­시뮬레이션 결과 분석을 통한 교량 손상계수 도출 완료 ­안전도 지표 설정 알고리즘 개발 완료

(32)

※ 주1) 압전 에너지변환부와 전력관리회로 통합 효율 주2) 10Hz이하(주파수), 0.2g이하(가속도), 5°C이하(온도차), 20,000~50,000lux(빛) 주3) 국내 무선 설비 규격 반영 주4) 한국시설안전공단 (KISTEC) 요구사항 SCI 논문 0건 100% 1건 제출예정 1) SCI 제출 1건 작성중 ­Study on electromagnetic energy harvester in ambient vibration Outcome/ impact 연구성과 활용 (기술이전) 0건/0억 연구성과 확산 (전시회 참여, 시연 등) 1회 이상 100% 1회 1회 기술이전설명회 참가

­IoT Korea Exhibition 2016 (서울 코엑스, 10/13) 지재권 확보 (국제/국내 특허 출원) 국제 0건 3건 제출 국내 2건 100% 1건 출원 2건 제출 ­게이트웨이의 수신 다채널 확장을 위한 통신 제어 장치 및 동작 방법 ­LoRaWAN 네트워크의 응용지역 해소를 이한 End-device 운용 방법 ­고효율 전자기유동 방식 진동 에너지 변환 장치 기술표준화 (표준기고서) 0건 시작품/테스트베드 제작 (건수) 6건 (시험 모듈 5건, 소프트웨어 1건) 100% 12건 제작

­EH 모듈 3종(압전, Solar, EM) ­장거리 통신 모듈 2종

­신축이음 센싱 모듈 ­균열 센싱 모듈 ­BS 모듈 ­소프트웨어 4건

(33)

2. 연구목표 수준의 타당성 가. EH 기술 ◯ Piezoelectric 에너지하베스팅 모듈과 관련하여 수 많은 논문들이 나오고 있지만, 측정환 경등 정량적인 평가 기준을 잡는 것이 객관적이지 못 함. 따라서 Piezoelectric 에너지 하베스팅 모듈과 관련하여 상용제품을 출시하고 있는 미국의 MIDE사 제품을 연구 목표로 성정함으로써 본 연구의 성능을 객관적으로 평가할 수 있음 ◯ 에너지하베스팅 응용 에너지변환부과 전력관리회로에 대한 목표치는 세계최고 수준의 기술력을 갖고 있는 미국의 MIDE사와 Linear Technology사의 기술 수준을 연구 개발 목표로 설정함 나. 장거리 무선 센서 태그 ◯ 교량의 대표적인 물리적 수치로써 신축이음과 균열을 측정하는 기존의 제품들을 평가하기 위한 기준은 전력소모와 정확도라는 정량적 수치임 ◯ 신축이음센서의 경우, 세계 최고 수준은 미국의 Meas-spec사의 제품으로써 160mW의 전력 소모와 0.14mm의 정확도를 가짐 ◯ 균열센서의 경우, 세계 최고 수준은 일본의 PI-2-50이라는 제품으로써 11mW의 전력소모와 1mm의 정확도를 가짐 ◯ 본 과제를 통해 개발될 EH기술에서 제공하는 전력을 바탕으로 장거리 무선 센서태그가 자 체 운용되어야 하기에, EH기술의 생성 가능 전력량을 10mW로 하여 장거리 무선 센서태그 의 소모전력 또한 10mW로 정함 ◯ 장거리 무선 센서태그에서 센싱모듈은 다소 긴 시간동안 운용되며 통신모듈은 아주 짧은 시간동안 운용되는 운용적인 특징을 지니기 때문에, 센싱모듈은 소모전력을 최대한 적게, 통신모듈은 큰 전력이라도 최대한 짧은 시간안에 운용되도록 목표로 정함 다. 데이터 수집 및 평가 기술

(34)

사에서 기술 개발을 진행중이며, 특히 Link-labs의 LL-BST-8 Base Station의 경우 최대 수신 채널 8채널을 지원하고 있음 ◯ 교량 환경 내 다수의 EH 무선 센서태그에서 발생하는 데이터를 수집하기 위하여, 또한 데이터 수집 속도가 느린 LoRa 통신 방식의 한계점을 극복하기 위하여 최대 16채널의 채널과, 초당 40개/초의 셀 커패시티를 연구 목표로 함 ◯ 교량 안전 관리를 위한 한국시설안전공단 (KISTEC)의 요구사항에 의거하여 이상 거동 감지 정확도 90%를 연구 목표로 함 3. 연구수행전력 및 체계의 합리성 ◯ 연구수행 1차년도에는 에너지하베스팅 모듈, 센서 모듈, 장거리 통신 모듈 및 안정성 평가 알고리즘과 같은 핵심 요소 기술에 대한 상세설계 완료(TRL 3단계) ◯ 연구수행 2차년도에는 상세설계 내용을 구현하여 연구시작품을 개발하여 성능 검증 후, 서브 시스템별 통합시험 진행 (TRL 4단계) ◯ 연구수행 3차년도에는 시스템 통합 시험을 통한 성능 검증 후, 실환경(서울 염창IC교) 테스트베드에 시스템 적용 (TRL 5단계) ◯ ETRI는 전체 사업을 총괄하면서 에너지하베스팅, 센서, 저전력 장거리 통신기술 등에 대한 핵심기술을 개발하고, 에너지하베스팅 관련 압전 EH 기술은 원내협력을 통해 기술개발 효율성을 높임 ◯ 각 분야별 전문가들과의 협력을 위한 자문위원회를 구성하여 분기별로 개발 이슈를 공유하고 요구사항을 시스템 설계에 반영

◯ KAIST와의 위탁연구를 통해 에너지하베스팅 PMIC기술에 대한 Breakthrough 기술을 발굴하여 파급력있는 기술 개발을 목표로 연구 진행

(35)

그림 3 연차별 연구수행 전략

(36)

제 4 절 1차년도 추진실적 상세내용

1. Ambient 에너지하베스팅 핵심기술 개발

에너지하베스팅 핵심기술은 크게 진동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 Piezoelectric EH와 Electromagnetic EH기술, 그리고 Solar 에너지하베스팅 기술에 대한 연구 를 수행하였고, 전력관리회로(PMIC)에 대한 Breakthrough 기술을 발굴하기 위한 선행연구를 수 행하여 PMIC 구조설계 안을 도출하였다.

가. 고효율 압전 EH 기술 개발

그림 5 에너지하베스팅 모듈 구성도

(37)

압전 에너지하베스팅 모듈은 그림 5에서 보여주는 바와 같이, 진동에너지를 전기에너지 로 변환할 수 있는 압전 에너지변환부와, 출력단에 연결된 정류회로 및 충전 회로부, 배터 리로 구성된다. 압전 에너지변환부는 외부의 진동이나 압력, 굽힘(bending) 등의 기계적인 변화에 대해서 압전 물질에서 발생된 스트레스로 인해 전기 신호가 발생하는 압전 효과 (Piezoelectric Effect)를 이용하여 전기에너지를 발생시키게 된다. 압전 에너지변환부는 주로 캔틸레버(Cantilever) 타입의 압전 소자를 이용하여 제작되며, 최적의 Tip Mass를 압 전 캔틸레버에 부착함으로써 외부 진동과 관련된 공진 주파수로 매칭하게 될 때 가장 높은 출력 특성을 얻을 수 있게 된다. 그림 6에는 캔틸레버 타입의 압전 에너지하베스팅 모듈의 구조 및 압전 효과에 의한 동작 원리를 보여준다. 그림 7 압전 에너지하베스팅 모듈의 멀티몰프 구조의 적층 압전 세라믹 구조 1) 압전 에너지하베스팅 모듈 모델링 고효율 압전 에너지하베스팅 모듈 설계를 위해서, 세계 최고 수준의 성능을 보유하고 있는 Midé사(미국)의 PPA-2011 모델과 동일한 크기(71x25x0.76 mm3)의 캔틸레버 타입의 압전 에너지하베스팅 모듈 구조를 모델링하고, 교량환경에서 제공되는 24Hz의 공진 주파 수 및 0.25g 가진의 진동에 대해서 2.8mW의 출력 특성을 얻도록 최적 구조 설계를 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 압전 에너지하베스팅 모듈에 활용되는 압전 소자는 페로브스 카이트 구조의 세라믹 소재에 Zn, Ni, Nb 등의 물질을 도핑(doping)하여 압전 상수 (Piezoelectric Coefficient)를 높인 다결정 세라믹 소재를 활용하였으며, 기존의 압전 캔틸레버에서 주로 이용되고 있는 바이몰프 구조 대비 정전용량을 높여 출력전류를 향상 시킬 수 있는 멀티멀프 구조의 적층형 압전 소자로 설계하였다 (그림 7). 에너지하베스 팅 모듈의 압전 소자는 캔틸레버 구조로 조립되고, 캔틸레버의 끝단에 Tip Mass를 부착 함으로써 외부 진동 주파수와 동일한 24Hz의 공진 주파수로 매칭하였다. 마지막으로 0.25g의 sine-wave 가진에 대해서 2.8mW의 출력특성을 갖도록 에너지하베스팅 모듈의

(38)

Tip Mass 무게 및 부착위치, 출력단 임피던스 매칭에 대한 최적 설계를 수행하였다. 압전 디바이스의 소재는 COMSOL Multiphysics에서 제공하는 PZT-5H 물성을 활용하였 고, 일부 유전율 및 압전 상수의 값은 실측치의 값으로 보정하여 해석하였다. 압전 디바 이스는 71x25x0.4mm3의 알루미늄 plate에 부착함으로써 압전 캔틸레버를 구성하였으며, 압전 디바이스의 크기는 46x18x0.3mm3이고, 교량의 진동이 전달되는 Rigid Structural Steel 근처에 부착되었다. 그림 8에는 압전 에너지하베스팅 모듈의 모델링을 보여준다. 압전 캔틸레버 전체 크기는 Mide사의 PA-2011 상용 모델과 동일하게 71x25x0.76mm3로 설 계하였고, 공진 주파수 매칭을 위한 Tip Mass는 시뮬레이션 툴에서 제공하는 UNS S30400 (SUS 304) 소재로 모델링하였다. 그림 8 압전 에너지하베스팅 모듈의 모델링 압전 에너지하베스팅 모듈의 높은 출력 전압 특성을 얻기 위해 압전 디바이스는 멀티 몰프 타입의 적층 구조를 갖도록 설계하였다. 압전 디바이스의 정전용량은 C=ε·(A/t) 로 나타낼 수 있으며, 두께가 얇을수록 또한 면적이 넓을수록 정전용량을 늘릴 수 있으 므로 동일한 두께와 크기의 압전 디바이스의 경우 적층 구조를 갖도록 설계하는 것이 출 력전압을 높일 수 있는 방법이다. 시뮬레이션에서는 압전 디바이스를 단층의 소자로 모 델링하였으며, 실제로 얻고 싶은 적층 압전 디바이스의 경우의 해석 결과는 출력전압 값 에 적층 수만큼 곱하여 보정하여 결과를 얻으면 된다. 압전 에너지하베스팅 모듈의 Tip Mass는 SUS 소재를 활용하였고, 무게를 달리하여 교량 환경의 진동주파수인 24Hz의 공진 주파수를 갖도록 설계 및 튜닝을 진행하였다. 압전 에너지하베스팅 모듈에 대한 모델링 및 해석은 3D half symmetric 모델을 이용하여 진행하였다. 그림 9에는 0.25g의 가속도 및 24Hz의 주파수로 진동하는 교량 환경에서의 시뮬레이션된 결과로부터, 압전 에너지하 베스팅 모듈의 Displacement 결과를 보이고 있다. 25.3g의 Tip Mass를 부착한 후 압전 캔틸레버의 Total Displacement는 약 4 mm의 결과를 보였다. 여기서, Tip Mass는 해석의 편의성을 위하여 Cantilever 끝단에 z-축 방향으로 올려 구성하였으나, 실제 제작된 에 너지하베스팅 모듈에서는 끝단에 x-축 방향으로 부착하여 구성한 차이가 있다.

(39)

그림 9 압전 에너지하베스팅 모듈의 24Hz, 0.25g 교량 진동에 대한 Total 변위 결과

압전 에너지하베스팅 모듈의 주파수에 대한 출력 전압 및 전력(output power)에 대한 해석 결과는 그림 10에 보이고 있다. 압전 에너지하베스팅 모듈의 폐쇄회로를 구성하기 위한 Load Resistance는 14.7 kohm으로 입력하였으며, 24Hz의 주파수에서 압전 에너지하 베스팅 모듈의 최대 출력 전압 및 전력을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 최대 출력 전 압은 약 8.9 V, 최대 출력 파워는 약 2.6 mW의 결과를 얻었다.

(40)

압전 에너지하베스팅 모듈의 최대 전력은 출력 전압 뿐 아니라 출력 전류를 최대가 되 는 조건에서 얻을 수 있으므로, Load Resistance에 따른 출력 전압 및 전력에 대한 해석 을 수행하였다. 그림 11에는 압전 에너지하베스팅 모듈의 Load Resistance에 따른 출력 전압 및 전력 결과이다. 해석결과에서 보이는 바와 같이, 출력 전압은 Load Resistance 가 증가함에 따라 지속적으로 증가하는 경향을 보이나, 전력값은 Load Resistance가 약 10 kohm인 조건에서 최대 2.8mW의 결과를 보인 후 Load Resistance가 증가함에 따라 점 차 감소하는 경향을 보였다. 즉, Load Resistance가 증가함에 따라 압전 캔틸레버에서 발생하는 출력 전압은 증가할 수 있으나, Road Resistance에 의해 출력 전류 I=V/R로서 감소하는 경향을 보이게 되는 것이다. 따라서, 24Hz 및 0.25g의 교량 환경 진동에 대한 본 압전 에너지하베스팅 모듈의 최대 전력은 P=V·I로써, 10 kohm의 Load Resistance에 서 약 2.8 mW의 출력을 보이는 결과를 얻게 되었다. 추가적으로, 교량 환경의 진동이 0.25g로서 매우 낮은 진폭으로 진동하고 있으므로, 보다 강한 외부 진동에 대해 본 설계 에 따른 압전 에너지하베스팅 모듈의 출력 전압 및 전력이 어떠한 경향을 보이는지 해석 을 진행하였다. 그림 12의 해석 결과에서 보는 바와 같이, 동일한 24Hz의 주파수로 진동 이 인가되고 있다고 가정할 때, acceleration이 0.25g인 진동의 경우에는 약 9 V의 출력 전압, 2.6 mW의 전력값을 보였으나, 0.5g의 두 배 강한 진동에 대해서는 약 18 V의 출력 전압과 11 mW의 전력 결과를 보였다. 즉, 압전 에너지하베스팅 모듈에 0.25g 보다 2 배 강한 진동이 인가되었을 시 약 4배 이상의 출력 특성을 얻을 수 있게 되는 것이다. 본 결과는 외부의 진동이 교량의 환경이 아닌 보다 큰 진동이 있는 조건에서는 압전 에너지 하베스팅 모듈의 출력 특성이 더욱 크게 개선될 수 있음을 의미한다. 그림 11 압전 에너지하베스팅 모듈의 Load Resistance에 따른 출력 전압 및 전력 해석 결과

(41)

그림 12 압전 에너지하베스팅 모듈의 Acceleration에 따른 출력 전압 및 전력 해석 결과 . 2) 압전 에너지하베스팅 모듈 시제품 제작 및 평가 상기 압전 에너지하베스팅 모듈의 설계 및 해석 결과를 기반으로, 압전 에너지하베스 팅 모듈의 성능을 검증하기 위한 시제품을 제작 및 평가하였다. 먼저, 압전 디바이스는 PZT-HK 소재 및 PZN-PNN-PZT[xPZT-(1-x)(PZN-PNN)] 소재와 같이 고압전 특성을 갖는 소 재로 튜닝하여 제작하였고, 이를 기반으로 기존의 상용 PZT (PZT-5A 또는 PZT-5H 등) 소 재 대비 압전 상수 및 유전율 등 물성이 향상된 특성을 확보하였다. 그림 13는 PZT mol ratio에 따른 PZN-PNN-PZT 압전 디바이스의 유전율(ε) 및 Q-factor(Qm), 압전 상수 (d33) 및 기계-전기 Coupling coefficient (Kp)에 대한 성능 평가 결과를 보이고 있다. 가장 높은 압전 상수 및 Kp, 유전율을 갖는 압전 디바이스는 PZT mol ratio가 82 mol을 갖는 경우이며, 압전 에너지하베스팅 모듈의 압전 디바이스로서 활용하였다.

(42)

그림 14 멀티몰프 타입의 적층 압전 세라믹 디바이스의 분극 구조 그림 14에는 멀티몰프 적층 구조를 갖는 압전 세라믹 디바이스 및 그 분극 구조에 대 한 도식을 보이고 있다. 이 그림에서 보인 압전 디바이스의 분극 구조에서 P는 분극방향 을 나타내며, E는 전기장 인가방향을 나타낸다. 기존의 바이몰프 압전 디바이스 구조 대 비 Element 층의 두께를 얇게 제작이 가능하여 동일한 물성을 갖는 소재를 활용하더라도 보다 높은 정전용량을 얻을 수 있는 구조이다. 멀티몰프 압전 디바이스의 적층수는 6층 으로, 시뮬레이션에서는 mesh 및 해석 시간을 고려하여 압전 디바이스를 단일층으로 모 델링하였으나 결과에서는 6배로 보정하였다. 그림 15에는 멀티몰프 압전 디바이스를 부 착한 캔틸레버 타입의 압전 에너지하베스팅 모듈의 이미지를 보인다. 제작된 압전 에너 지하베스팅 모듈은 진동을 인가하기 위하여 shaker에 고정되고, 진동의 크기를 모니터링 할 수 있도록 가속도 센서를 부착한다. 또한, 시뮬레이션에서 언급한 바와 같이, Tip Mass를 Plate 상부로 부착하지 않고, Cantilever의 Plate와 수평한 방향으로 부착하였 다. Tip Mass 1개의 무게가 7.24g이며, 교량 환경의 진동주파수 24Hz와 동일한 공진주파 수를 매칭하기 위해서 2개의 Tip Mass를 부착하였다.

(43)

그림 16 압전 에너지하베스팅 모듈 시제품의 출력 특성

(14.48g Tip Mass, 1.83 kohm load resistance)

그림 16에는 제작된 압전 에너지하베스팅 모듈 시제품의 주파수에 따른 출력 특성을 평가한 결과이다. 24Hz, 0.25g의 진동을 인가하였을 때, 14.48g의 Tip Mass를 부착하고 1.83 kohm의 Load Resistance를 연결한 압전 에너지하베스팅 모듈에서 최대 1.9 mW (@ 25 Hz)의 전력 특성을 확보하였다. 최대전압은 5.9 V이며, 최대전류는 0.32 mA로 평가되 었다. Tip Mass 및 Load Resistance 등이 시뮬레이션 결과와 다른 점은 Tip Mass 및 압 전 디바이스의 부착 위치, 압전 디바이스의 크기 변화 등에 의한 것으로 보인다. 향후 압전 디바이스 및 Tip Mass를 포함한 압전 캔틸레버의 최적 설계 및 제작 튜닝을 통해 보다 높은 출력을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 나. Solar EH 기술 개발 그림 17 Solar EH 모듈 구성도 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 에너지하베스팅 모듈로서 미국의 Sunpower PV(Photovoltaic) 패널을 후면 분극 레어저 컷팅 기법으로 제작하고 Charge Controller 회

수치

표  1  압전  소재/소자  관련  주요  업체  현황
그림  4  연구수행  추진체계
그림  25  Electromagnetic  EH  모듈의  개념도 (a)  Single-core  EH  모듈    (b)  Dual-core  EH  모듈
그림  31  U-core  중심에서  형성되는  자속의  변화  (Dual-mass  EH)
+7

참조

관련 문서

웹 표준을 지원하는 플랫폼에서 큰 수정없이 실행 가능함 패키징을 통해 다양한 기기를 위한 앱을 작성할 수 있음 네이티브 앱과

Common corporate digital crimes include piracy, financial fraud, espionage, and theft of services.. _______________________________________ such as

For safety, when constructing a connection system between a Sensor and panel with a connector, make sure that the connector plug is on the Sensor side and the connector socket

1 John Owen, Justification by Faith Alone, in The Works of John Owen, ed. John Bolt, trans. Scott Clark, &#34;Do This and Live: Christ's Active Obedience as the

Walker, D. A naturalistic model for curriculum development. Guidelines for better staff development.. A Study on the Development of Early Childhood Parental

A Study on the Development of Ship’s Ballast Water A Study on the Development of Ship’s Ballast Water A Study on the Development of Ship’s Ballast Water A Study on the

음압도 소리가 있을 때와 없을 때의 공기압 차이로 나타낼 수 있으며 Pa 로 표시할 수 있지만, 일반적으로 음압은 대기압에

In gi ngi va,LCs are found i n oralepi thel i um ofnormalgi ngi va and i n smal l er amountsi nthesul cul arepi thel i um,buttheyareprobabl yabsentfrom thejuncti onal epi thel