KR101225106B1

KR101225106B1 - 자가 발전 신발

Info

Publication number: KR101225106B1
Application number: KR1020110082122A
Authority: KR
Inventors: 손영대; 김규현
Original assignee: 동서대학교산학협력단
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2013-01-22

Abstract

본 발명은 전계로 분극(Poling)시킨 압전 폴리머를 이용한 자가발전 신발에 관한 것으로서, 본 발명의 일면에 따른 자가 발전 신발은, 압전 소자를 포함하여 외부의 압력에 따라 교류 전압을 출력하는 자가발전 모듈부와, 자가발전 모듈부의 교류 전압을 정류하는 전파정류부와, 전파정류부의 출력전압을 평활시켜 안정된 직류전압을 공급하는 커패시터부와, 직류전압을 강압 또는 승압시키며, 불연속 도통모드로 동작하는 벅-부스트 컨버터부와, 벅-부스트 컨버터부의 출력전압으로 압력발생시 마다 충전되는 축전지부와, 축전지부의 출력전압으로 동작하는 것이며, 소정의 듀티를 가지는 펄스 신호를 출력하는 마이크로컨트롤러부와, 펄스 신호에 따라 정전류를 출력하여 LED를 구동하는 LED 구동회로부를 포함한다.

Description

자가 발전 신발 {SELF-GENERATING SHOES}

본 발명은 자가 발전 신발에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전계로 분극(Poling)시킨 압전 폴리머를 이용한 자가발전 신발(Self-generating Shoes)에 관한 것이다.

최근, 화석연료의 고갈과 환경오염 문제에 직면하여 자연환경에서 손쉽게 얻을 수 있는 다양한 에너지원을 찾는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있으며 특히, 진동, 압력, 빛, 열, 전자파 등 우리 주변에서 흔히 버려지는 미소 에너지를 효과적으로 포집하여 현실화 가능한 에너지원으로 활용하는 개념이 큰 주목을 받고 있다. 또한, 최근의 전자회로 기술의 발전에 의해 마이크로 와트대의 저 전력으로 동작가능한 집적회로의 상용화에 따라 미소 에너지원으로도 전자부품과 회로시스템 동작이 가능하게 되어 구현의 까다로움과 많은 제작비용에도 불구하고 전체적인 비용 면에서 이득이 되므로 교통 인프라, 무선 의료장비, 타이어 압력감지, 빌딩 자동화 시스템, 무선 센서노드와 같은 원격 모니터링 시스템에 다양한 에너지 포집기술이 적용되고 있다. 그 중 가장 활발히 연구되어 왔던 압전소자는 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환기로서, 무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 재료가 압전 현상을 일으키는 재료로 알려져 있으며, 현재 PZT계 세라믹이 실용적인 용도로 널리 활용 되고 있는 재료이다. 이는 기계적 진동에너지와 전기에너지 사이의 가역성과 반영구적 수명 등의 특성으로 인해 각종 센서 및 액추에이터, 에너지 포집 등 다양한 응용분야로 적용되는 추세에 있으나, 높은 제작비용과 복잡한 제작공정 및 잘 깨어지는 문제로 인해 환경발전 시스템을 구성하는데 까다로운 단점이 있어 가공이 편리하고 내구성이 좋은 새로운 대체 소재개발 및 적용연구가 진행되고 있다.

최근, 태양전지, 압전소자, 열전소자 등을 이용한 환경발전 시스템에서 최대 출력을 얻기 위해 다양한 알고리즘이 제시되어 적용되고 있으나, 대부분 전압 및 전류의 검출값에 그 기반을 두거나 복잡한 연산을 담당하는 CPU를 채택하므로 회로 자체의 전력 부담이 커지게 되어 마이크로 전력 에너지 포집시스템 설계에는 적합하지 않다. 즉, 수~수백 마이크로 와트[㎼] 단위의 미소 전력만을 발생하는 에너지 포집시스템에서는 가급적 추가적인 검출회로와 복잡한 연산회로부를 제거하여 전력손실을 줄이는 회로 설계가 필요하다.

또한, 이러한 환경발전 시스템에서 발전된 전기에너지는 ㎼~㎽급의 미소 전력이고 간헐적이므로 전력 연속성을 보장하고 실제 활용을 위해서는 재충전 배터리나 슈퍼 커패시터에 에너지를 축적해야 한다. 그러나, 이러한 에너지 축적 셀에 환경발전 시스템의 출력을 직접 연결하면 원하는 최대전력 발생을 보장할 수 없을 뿐만 아니라 에너지 포집 자체가 불가능해 질 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 환경발전 시스템과 축전지 사이에 여러가지 DC-DC 컨버터를 연결하여 최대전력 발생을 위한 다양한 시도가 이루어지고 있으나 회로 자체의 손실과 부하효과로 인해 만족할 만한 성능을 얻지 못하는 실정이며, 본 발명의 자가발전 신발에 적용하기 위한 마이크로 에너지 포집시스템에서는 특히, 회로의 간소화와 회로손실 최소화 및 최대전력 발생을 위한 회로설계가 필수적이다.

신발 뒤축에 압전소자(PZT계 세라믹)를 장착한 자가발전 신발의 경우, PZT계 세라믹은 환경문제로 인해 비납계의 요구가 강해 PZT의 생산량은 지속적인 감소 추세를 보일 것으로 전망되고 세라믹의 경우는 제작단가가 높고 공정이 어려운 문제점이 있다. 또한 외부환경의 영향을 많이 받는 신발에 장착되는 압전소자는 우선 충격에 강해야 하며 착용감에 문제가 없도록 압전소자의 두께가 얇으면서도 부드러워야 하는데 PZT 세라믹의 경우는 그런 조건을 만족시키기 어렵다. 또한, 압전소자에서 생성되는 전력은 그 자체만 가지고는 원하는 부하를 구동할 수 없으며 적절한 형태로의 변환 및 충전, 그리고 회로의 손실저감과 간소화를 위해 센서가 없이도 최대전력 전달이 가능한 회로설계가 필요하다.

따라서, 본 발명은 이러한 마이크로 에너지 포집기능을 갖고 있는 자가발전 신발을 제공하는 것을 목적으로 하며, 또한 충전된 에너지로부터 원칩 마이크로컨트롤러와 부스트 LED 구동회로의 동작을 통해 필요시 신발 외부의 LED를 구동시켜 야간에 자가발전 신발 착용자의 위치인식 및 조명으로 활용하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 자가 발전 신발은, 압전 소자를 포함하여 외부의 압력에 따라 교류 전압을 출력하는 자가발전 모듈부와, 자가발전 모듈부의 교류 전압을 정류하는 전파정류부와, 전파정류부의 출력전압을 평활시켜 안정된 직류전압을 공급하는 커패시터부와, 직류전압을 강압 또는 승압시키며, 불연속 도통모드로 동작하는 벅-부스트 컨버터부와, 벅-부스트 컨버터부의 출력전압으로 압력발생시 마다 충전되는 축전지부와, 축전지부의 출력전압으로 동작하는 것이며, 소정의 듀티를 가지는 펄스 신호를 출력하는 마이크로컨트롤러부와, 펄스 신호에 따라 정전류를 출력하여 LED를 구동하는 LED 구동회로부를 포함하는 것인 자가 발전 신발.

상기에서 설명한 본 발명은, 사람의 일상생활에서 발생하는 압력에너지를 전기에너지로 변환시키고 충전시켜, 쉽게 버려지는 환경 에너지를 포집하여 활용하는 자가발전 신발에 관한 것으로서, 기존의 PZT계 세라믹 압전소자 방식에 비해 저가의 비용으로 신발의 형태에 맞추어 다양한 형태로 쉽게 제작할 수 있으며, 야간활동이나 밤낚시와 같은 레저활동시에 신발에서 발생하는 LED 발광효과로 인해 상호간의 위치 인식이나 간이 조명용으로 사용될 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 열가소성 폴리우레탄(TPU)으로 직접 인솔부를 제작할 수 있으므로 TPU를 장착하기 위한 신발내의 추가적인 가공공정이 필요없게 되어 자가발전 신발제작 공정이 간편하게 되므로 전체적인 자가발전 신발 제작단가가 저렴해지는 효과가 있다. 추가적으로, 본 발명은 불연속 모드에서 동작하는 벅-부스트 컨버터를 사용하므로 회로시스템을 수정하지 않고도 발생전압의 승압 또는 강압을 용이하게 할 수 있으며, 열가소성 폴리우레탄 및 다양한 압전 폴리머에서 발생하는 전기에너지를 기존의 센서방식을 채택하지 않은 간소한 회로방식을 채택하면서도 항상 최대전력 전달이 가능하므로 효율적인 충전 및 회로제작 단가저감 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자가발전 신발을 도시하는 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자가발전 신발에 이용되는 자가발전부 및 주변회로를 포함하는 회로도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 TPU 자가발전 모듈부의 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 TPU 자가발전 모듈부의 분극작업 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 TPU 장착 신발을 실험하기 위한 시험회로의 회로도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 TPU장착 신발을 일정 압력 상태의 출력전압 및 전력값을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 TPU장착 신발을 압력 조건을 달리하여 실험한 오실로스코프 파형을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 불연속 도통모드 동작시의 벅-부스트 컨버터부를 나타내는 도면.
도 9는 자가발전 신발에 포함되는 에너지포집 시스템의 회로도.
도 10은 마이크로컨트롤러부와 LED 구동회로부를 상세하게 나타낸 회로도
도 11은 도 9의 실험회로에 사용된 MOSFET의 동작파형을 나타내는 도면.
도 12는 본 발명의 벅-부스트 컨버터 회로에 적용한 인덕터 및 쇼트키 다이오드의 양단 전압(상단)과 그 확대한 파형(하단)을 나타내는 도면.
도 13은 축전지부를 제거한 상태의 벅-부스트 컨버터의 출력전압을 나타내는 도면.
도 14는 본 발명의 자가발전 신발내 축전지의 충전특성을 나타내는 도면.
도 15는 본 발명에서 적용한 TPU외에 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 에틸렌 초산비닐 공중합체(ethylene-vinyl acetate; EVA)가 적용된 경우의 발전특성을 나타내는 도면.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로서, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

상기한 바와 같은 목표를 갖는 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 자가발전 신발은, 신발 내부의 솔 뒤축에 압전소자(PZT계 세라믹)를 대신하여 다양한 압전 폴리머 중에서도 분자구조상 하드 세그먼트와 소프트 세그먼트의 조합으로 인해 탄성을 갖는 고분자 화합물인 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane; TPU)을 삽입하는 방식을 택하였으나, 이 폴리머에 한정되는 것은 아니다. 이는 기존의 세라믹 압전소자에 비해 공정이 간단하고 원하는 모양과 크기로 쉽게 제작할 수 있으며, 잘 깨어지지 않고, 낮은 제작단가를 가지는 소재이므로 보다 다양한 환경발전 시스템에 접목가능하고 대량 생산에 유리하다. 최근, 태양전지, 압전소자, 열전소자 등을 이용한 환경발전 시스템에서 최대 출력을 얻기 위해 다양한 알고리즘이 제시되어 적용되고 있으나, 대부분 전압 및 전류의 검출값에 그 기반을 두거나 복잡한 연산을 담당하는 CPU를 채택하므로 회로 자체의 전력 부담이 커지게 되어 본 발명의 마이크로 에너지 포집시스템 설계에는 적합하지 않다. 즉, 수십~수백 [㎼] 단위의 미소 전력만을 발생하는 본 발명의 에너지 포집시스템에서는 가급적 추가적인 검출회로와 복잡한 연산회로부를 제거하여 전력손실을 줄이는 회로 설계가 필요하게 된다. 또한, 교류를 발생하는 열가소성 폴리우레탄의 출력을 정류하여 직접 에너지축적 셀을 연결하면 원하는 최대전력 발생을 보장할 수 없으며, 열가소성 폴리우레탄에 가해지는 압력의 양과 부하저항의 값에 따라 발생 전압의 변화폭이 0~16[V]에 이르게 되고, 다른 종류의 압전소자도 그 출력전압 변화폭이 클 수 있으므로 이를 승압 또는 강압하여 사용할 필요가 있다. 따라서, 최대전력 출력 보장과 승압 또는 강압의 필요성, 회로의 단순화 등을 고려하여 불연속 모드에서 동작하는 벅-부스트 컨버터를 TPU/정류부와 배터리 셀 사이에 설치하여 안정된 에너지 포집시스템을 구성할 수 있다. 설계된 벅-부스트 컨버터를 불연속 도통모드에서 동작시키면, 연속모드 동작시 발생하는 다이오드 역회복 손실을 저감할 수 있으며 스위치 온시에 발생하는 다이오드 쇼트회로로 인한 스위치 피크전류 부담을 덜 수 있으므로 본 발명의 마이크로 에너지 포집시스템에 적합할 뿐 만 아니라, 컨버터 입력전류의 평균값은 입력전압에 비례하게 되어 평균 입력전류는 입력전압에 대해 선형관계가 형성되는 저항 에뮬레이터로서 동작하게 된다. 즉, 벅-부스트 컨버터의 평균 전압/전류비를 열가소성 폴리우레탄의 내부저항과 같도록 제어한다면 최대전력 전달이 가능하게 된다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 자가발전 신발을 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자가발전 신발의 대표도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자가발전 신발에 이용되는 자가발전부 및 주변회로를 포함하는 회로도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자가발전 신발은 신발 내외부에 장착되는 스위치부(2)와 LED(3), 열가소성 폴리우레탄(TPU) 자가발전 모듈부(10), 축전지부(60)를 포함한다.

또한, 도 2를 참조하면, 열가소성 폴리우레탄(TPU) 자가발전 모듈부(10)에서의 교류 발생에 따라 듀티신호를 발생하여 정전류 제어를 하기 위한 전체 회로는 열가소성 폴리우레탄(TPU) 자가발전 모듈부(10)와, 전파정류부(20), 커패시터부(30), 게이트 구동신호 발생부(40), 벅-부스트 컨버터부(50), 축전지부(60), 마이크로컨트롤러부(70) 및 LED 구동회로부(80)를 포함한다.

자가발전 모듈부(10)는 전계로 분극되어진 압전 소자를 포함하여 외부의 압력에 따라 교류 전압을 출력한다. 더욱 상세하게, 자가발전 모듈부(10)는, 일정한 면적을 가지고, 분극에 따라 압전특성이 부여된 것이며, 열가소성 폴리우레탄으로 형성된 TPU와, TPU의 양면에 도포되는 도전성 점착제와, 도전성 점착제에 의해 TPU의 양면에 각각 점착되는 구리전극을 포함할 수 있다.

여기서, TPU는, 소정의 두께를 가지는 인솔과 인솔 하부에 미드솔을 구비한 신발에 있어서, 인솔과 미드솔 사이에서 인솔의 면적 이하의 면적을 가지도록 형성되는 것일 수 있다.

또한, TPU는, 소정의 두께를 가지는 미드솔을 구비한 신발에 있어서, 미드솔 상부에 인솔의 형태로 형성되는 것일 수 있다.

전파정류부(20)는 자가발전 모듈부의 교류 전압을 정류하며, 커패시터부(30)는 전파정류부(20)의 출력전압을 평활시켜 안정된 직류전압을 공급한다.

게이트 구동신호 발생부(40)는, 소정의 전압을 출력하여, MOSFET의 게이트 구동신호를 벅-부스트 컨버터부(50)에 제공한다.

벅-부스트 컨버터부(50)는 직류전압을 강압 또는 승압시키며, 불연속 도통모드로 동작한다. 벅-부스트 컨버터부(50)는 게이트가 게이트 구동신호 발생부(40)의 출력과 연결되는 MOSFET을 포함할 수있다.

한편, 벅-부스트 컨버터부(50)는, 최대전력 전달이 가능하도록 입력저항이 TPU의 내부저항과 매칭될 수 있다.

축전지부(60)는 벅-부스트 컨버터부의 출력전압으로 압력발생시 마다 충전된다. 축전지부(60)는 3.6[V]의 NiMH일 수 있다.

마이크로컨트롤러부(70)는 축전지부의 출력전압으로 동작되며, 소정의 듀티를 가지는 펄스 신호를 출력한다. 마이크로컨트롤러부(70)는 스위치부(2)의 온 및 오프 동작에 따라 펄스 신호를 출력하거나 LED가 구동되지 않도록 LED 구동 회로부를 제어할 수 있다.

마이크로컨트롤러부(70)는 축전지부에 충전되는 전압이 기설정된 임계 전압 이하로 떨어질 때 리셋으로 동작하여, 스위치부(2)가 턴온시에 있어서, LED 구동 회로부(80)가 LED의 점멸을 중지하도록 할 수 있다. 이 때, LED 구동회로부(80)의 전원이 차단될 수 있다.

한편, 스위치부(2)는 온 및 오프 중 어느 하나로 동작되며, 상기 축전지부의 출력전압을 부하에 공급할 수 있다.

LED 구동회로부(80)는 펄스 신호에 따라 정전류를 출력하여 LED를 구동한다.

한편, 열가소성 폴리우레탄(TPU) 자가발전 모듈부(10)는 신발 뒤축부분에 인솔(insole) 형태로 형성되어, 신발 착용자가 서있던지 보행 중에 특정 압력이 가해지면 교류의 전기를 발생할 수 있다. 자가발전 모듈부(10)에서 발생된 교류는 쇼트키 다이오드로 구성된 전파정류부(20)와 커패시터부(30)를 거쳐 직류 전압으로 변환되며 직류 전압이 게이트 구동신호 발생부(40)의 기준전압과 벅-부스트 컨버터부(50)의 입력전압으로 공급된다. 불연속 도통모드로 동작하는 벅-부스트 컨버터부(50)에서는 전압이 증폭되어 축전지부(60)를 충전하게 된다.

충전된 전압은 스위치부(2)의 동작에 따라 필요시 마이크로컨트롤러부(70)와 LED 구동회로부(80)에 전원으로 공급될 수 있으며, 이 경우, 마이크로컨트롤러부(70)에서 PWM 듀티신호를 발생하여 LED 구동회로를 동작시켜 원하는 시간주기로 LED(3)를 점멸시키게 된다. 한편, LED 구동회로부(80)는 정전류 제어에 따라 LED(3)를 점멸시킨다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 TPU 자가발전 모듈부(10)의 단면도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 TPU 자가발전 모듈부(10)의 분극작업 구성도이다.

도 1과 도 2에 도시된 TPU 자가발전 모듈부(10)는 도 3의 열가소성 폴리우레탄으로 구성되는 TPU(120), 구리전극(110), 도전성 점착제(130), 그리고 TPU(120)에서 발생된 출력전압을 전파정류부(20)에 전달하는 리드선(100)을 포함한다.

본 발명에서는 압전 폴리머로 열가소성 폴리우레탄인 TPU(120)를 사용하였으나 TPU에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 폴리에틸렌 비닐아세테이트를 포함하는 폴리올레핀과 시중에 일반적으로 알려진 압전 폴리머는 모두 사용이 가능하다.

본 발명에서 적용한 TPU(120)는 압전특성을 부여하기 위해 분극(Poling)과정을 거치게 되는데, 분극이란 TPU(120)의 도메인을 일정한 방향으로 배향시키는 과정이며, 인가 전압(전계), 온도, 분극 시간과 같은 분극조건에 따라 분극 상태가 달라질 수 있다.

본 발명에서는 최적 분극조건을 찾기 위해 도 4와 같은 분극작업을 위한 장치를 마련하여 실험특성을 도출하였다. TPU(120)는 155[℃]~160[℃]에서 성형한 뒤 신발 뒤축에 장착을 고려하여 하기 표 1에 제시한 크기로 제작하였으며, 양면에는 도전성 점착제(130)가 도포된 테이프 형태의 구리 전극(110)과 리드선(100)을 설치하여 분극시나 발전시 모두에 사용될 수 있도록 하여 공정을 간략하게 하였다. 또한, 도 4에 나타낸 가변 직류전원(200)를 이용한 255 [V/mm]의 전계를 발생하여 TPU(120)를 분극하였다.

분극 조건	값	TPU 규격	값
인가 전압	DC 510 [V]	길이	90 [㎜]
가열 온도	100 [℃]	폭	55 [㎜]
분극 시간	120 [min]	두께	2 [㎜]
전계	255 [V/㎜]	전극 길이	90 [㎜]
인솔 두께	4 [㎜]	전극 폭	50 [㎜]
		전극 두께	0.07 [㎜]

표 1에 나타난 바와 같이, 전계인가(분극) 시간은 총 120분으로서, 분극용 직류전원(200) 및 가열판(210) 전원을 동시에 인가하여 전계 및 100[℃] 온도를 100분간 유지하고 100분 경과 후부터는 가열판(210) 전원을 차단하여 자연 냉각을 통해 상온에 이르게 되며 약 20분이 경과한 이 시점에 분극용 직류전원(200)을 추가로 차단하였다. 이는, 100분 경과 후 분극용 직류전원과 가열판 전원을 동시에 차단하는 것 보다 가열 상태의 분극 배열을 상온으로 냉각 될 때까지 유지하게 되어 분극효과가 높아지도록 하기 위함이다.

분극이 완료된 TPU(120)의 최대 출력점을 알아보기 위해 도 5와 같이 쇼트키 다이오드와 커패시터로 구성된 정류회로를 부하저항과 연결한 시험회로를 구성하고 이를 신발의 뒤축 미드솔 상단의 인솔부분에 설치한 TPU(120)에 연결하여 실험하였으며, 65kg의 남자가 인솔 하부에 TPU를 장착 신발을 착용하여 서 있는 일정압력 상태의 출력전압 및 전력값을 도 6에 나타내었다. 즉, 건장한 남자의 몸무게로 가해지는 일정 압력상태에서 부하저항(R_L) 양단의 정류된 출력전압(V_o) 측정값과 그때의 연산된 출력전력(P) 계산값을 도 6에 그래프로 나타내었다.

부하저항(R_L)은 40[kΩ]~130[MΩ] 범위에서 변화시켰으며, 총 34개의 데이터를 측정하여 출력전압 및 전력의 그래프로 나타내었다. 도 6에서 알 수 있듯이, 부하저항이 40[kΩ]에서 출력전압과 전력이 각각 2.3[V]와 132.3[㎼]이며, 이후 부하저항이 증가하여 20[MΩ]이 될 때부터 약 16[V]의 일정한 전압을 출력한다. 또한, 약 200[kΩ]의 부하저항에서 7.3[V]의 출력전압 및 266.6[㎼]의 최대 전력을 얻었으며, 이 때 TPU(120)는 이 부하저항과 같은 내부저항을 가짐을 알 수 있다.

즉, TPU(120)에서 최대 전력을 추출하기 위해서는 부하저항이 TPU(120)의 내부저항과 같아야 하기 때문이다. TPU(120) 상부에 인솔을 설치한 경우와 제거한 경우를 비교해 볼 때, 압력을 더 받는 인솔을 제거한 경우가 훨씬 큰 출력전압 및 전력을 발생함을 알 수 있는데, 인솔 두께의 적절한 설계를 통한 압력의 조절을 통해 TPU(120)의 출력조절도 가능하게 된다. 도 6에서 설명한 실험데이터는 신발을 착용한 상태로 서서 일정한 압력을 가하는 상태에서 구한 데이터이나, 실제 보행시에도 지속적으로 전력이 출력되므로, TPU(120)를 이용한 에너지 포집시스템의 구현가능성을 확인할 수 있다.

도 7은 TPU(120) 상부에 인솔을 설치하지 않고 직접 TPU(120)에 족부의 압력이 가해지는 경우, 약 2초 주기로 부드럽게 한쪽발로 제자리 걸음 했을 때의 TPU(120) 출력전압 파형(시간축: 1초/div., 전압축: 5V/div.)이며, 200[kΩ]의 부하저항(R_L)을 연결하여 최대 출력점 상태에서 실험한 결과이다. 신발 뒤축이 지면에 닿아서 TPU(120)에 압력이 가해지는 시간 동안 약 7.3[V]의 출력전압 피크값이 나타나며, 지면에서 뒤축이 떨어져서 압력이 가해지지 않는 경우의 출력전압보다 진폭이 커짐을 알 수 있다.

한편, TPU(120)에 직접 족부의 압력이 가해지는 경우가 훨씬 더 출력전압이 증가하게 되며, 최대 출력점에서의 출력전력도 증가하게 된다. 이처럼, 신발 인솔의 두께를 조절하여 시스템을 재설계 할 때에도 그 최적값에 해당하는 부하저항의 값을 실험적으로 찾아낼 수 있다.

도 8은 다이오드(D), MOSFET(S), 인덕터(L) 및 축전지부(60)로 구성된 불연속 도통모드 동작시의 벅-부스트 컨버터부(50)를 나타낸다. 벅-부스트 컨버터부(50)의 불연속 도통모드시 입출력 전압 전달비는 MOSFET(S)의 스위칭 듀티비와 선형관계가 되며, 같은 듀티비에 대해 연속 도통모드시 보다 불연속 도통모드시에 입출력 전압 전달비가 더 커지는 특징이 있다. 또한, 불연속 도통모드 벅-부스트 컨버터의 평균 입력전류는 축전지(부하)측 전압이나 전류와는 무관하게 되며, 듀티비와 스위칭 주파수가 일정할 때 벅-부스트 컨버터부(50)의 평균 입력전류는 입력전압(Vi)에 대해 선형관계가 된다. 즉, 주어진 회로 파라미터와 제어변수에 대해 벅-부스트 컨버터부(50)의 입력저항이 일정한 상수가 되므로, 부가적인 피드백 회로가 없더라도 TPU(120)의 내부저항과 같도록 벅-부스트 컨버터부(50)의 입력저항(Ri)을 조정하면 최대전력 전달이 가능하게 된다. 여기서, 입력저항(Ri)은 벅-부스트 컨버터부(50)의 입력을 바라보았을 때의 등가 저항이다.

벅-부스트 컨버터부(50)의 입력저항(Ri)은 다음 식과 같다.

여기서, Duty와 f_SW는 각각 MOSFET(S)의 스위칭 듀티비 및 스위칭 주파수를 나타낸다. 즉, 스위칭 듀티비(Duty)와 스위칭 주파수(f_SW), 인덕터(L) 값을 설계하여 벅-부스트 컨버터부(50)의 입력저항을 조정하면 TPU(120)와 벅-부스트 컨버터부(50) 간에 원하는 임피던스 매칭을 얻을 수 있다.

뒤축 부분에서 가장 높은 전압이 출력되므로 신발 뒤축 미드솔 상부에 장착하여 기본적인 발전시험과 충전시험 및 축적된 에너지를 이용한 LED(3) 점등시험을 행하고, 이를 통해 설계/제작한 TPU 자가발전 모듈부(10) 및 벅-부스트 컨버터부(50)가 마이크로 에너지포집 시스템에 적용될 수 있음을 확인하였다.

도 5의 전파정류부(20) 회로와 도 8의 벅-부스트 컨버터부(50) 회로를 기초로 도 9와 같은 자가발전 신발내 에너지포집 시스템의 회로도를 구성하였다. 도 10은 도 2의 마이크로컨트롤러부(70)와 LED 구동회로부(80)를 상세하게 나타낸 회로도이며, 축전지부(60)에서 출력되는 전압(V_o)을 전원으로 하여 마이크로컨트롤러(ATtiny13V)와 부스트 LED 구동회로(NCP5007)의 동작을 통해 신발 외부의 LED(3)를 0.5초 주기로 점멸시키도록 프로그래밍 하여 충전된 에너지의 실제 활용을 모색하였다.

도 6의 TPU(120) 출력특성 곡선에서 나타난 최대 출력을 얻기 위해 벅-부스트 컨버터부(50) 컨버터 입력저항(Ri)을 수학식 1에 대입하여 이 값에 해당하는 스위칭 듀티비(Duty)와 스위칭 주파수(f_SW) 및 인덕터(L) 값을 구할 수 있는데, 동작회로의 신뢰성 확보와 소모전력을 줄이기 위해 스위칭 듀티비(Duty)와 스위칭 주파수(f_SW)가 고정된 상용 저전력 클럭 오실레이터를 이용한 게이트 구동신호 발생부(40)를 사용할 때 실제 컨버터 입력저항(Ri)을 결정하는 것은 인덕터(L) 값이다. 즉, 도 9에서 알 수 있듯이, 회로손실을 줄이기 위해 게이트 구동회로 없이 직접 클럭 오실레이터 출력을 MOSFET(S)의 게이트 구동신호로 사용하였으며, 이 때, 클럭 오실레이터 공급전원 및 출력되는 전압의 범위는 최대전력전달 및 부하효과를 고려한 전압 범위인 1.2 내지 5.5 볼트일 수 있다. 한편, 클럭 오실레이터의 전압값은 회로에서의 부하효과와, 오실레이터의 정상작동 범위를 고려하여 결정될 수 있다.

도 6에 나타낸 최대 출력점의 발생전압(V_o) 값에 대해서도 오실레이터 자체의 로딩효과를 고려한다면 그 동작에는 별 무리없이 적정하다. 따라서, 벅-부스트 컨버터부(50)의 MOSFET(S) 게이트 구동회로의 단순성과 비용 및 회로손실 저감을 위해 도 8의 회로 구조를 도 9의 회로 구조로 변환하여 적용하였다.

도 11은 도 9의 실험회로에 사용된 MOSFET(S)의 동작파형을 나타내며, TPU(120)에 일정한 압력이 주어져서 약 2[V]의 출력이 발생된 상태이다. 도 11의 상단 파형은 클럭 오실레이터(40)에서 스위칭 듀티비(Duty) 0.5로 발생되는 게이트 구동전압(V_GS) 파형이며, 하단 파형은 MOSFET의 드레인-소스 전압(V_DS) 파형이다. TPU 자가발전 모듈부(10)에서 발생된 전압이 전파정류부(20)와 커패시터부(30)를 통해 출력된 전압 2[V]는 도 6에 나타낸 출력시험 그래프에서 40[kΩ]의 부하보다 조금 더 큰 부하가 걸린 상태의 전압을 의미하며, 최대 출력점과는 차이가 있다. 이는 벅-부스터 컨버터부(50)에 적용한 인덕터(L) 값은 수학식 1로 정의되는 벅-부스트 컨버터 입력저항(Ri)을 최대 출력값으로 만드는 값이 아니고, 또한 클럭 오실레이터(40) 및 파형측정 오실로스코프의 부하효과로 인해 부가적인 부하가 걸리기 때문이다. 즉, 최대출력을 얻기 위한 입력저항(Ri) 산출에 적용되는 인덕터(L)값과 벅-부스트 컨버터부(50)의 불연속 도통모드는 상충하는 관계이므로 회로동작 범위내에서 현실적으로 적용가능한 값을 선택해야 하기 때문이다. 이 문제는 스위칭 듀티비(Duty)와 스위칭 주파수(f_SW) 조정이 가능한 저전력 클럭 오실레이터(40)를 적용할 수 있으면 가능하다.

도 12는 본 발명의 벅-부스트 컨버터 회로에 적용한 인덕터(L) 및 쇼트키 다이오드(D)의 양단 전압(상단)과 그 확대한 파형(하단)을 나타낸다. 도 8에 제시한 벅-부스트 컨버터 회로도의 이론적 동작 파형과 실제 회로구현시의 실험파형과는 조금 차이가 있는데, 특히 MOSFET 오프후 인덕터(L)와 다이오드(D) 및 MOSFET(S)의 전류가 영이 되는 불연속 동작구간에서 MOSFET(S)와 다이오드(D)의 기생 커패시턴스 성분으로 인해 공진을 발생하게 되어 지속적으로 진동을 유발하므로 이 구간의 전압파형은 일관된 형태를 얻기 어렵다.

도 12 상단의 첫 번째 파형은 인덕터 양단전압(V_L)을, 두 번째는 다이오드 양단전압(V_D) 파형을 나타내는데 MOSFET(S) 오프 시간 동안 공진에 기인한 진동파형을 확인할 수 있으나, 충전전류가 축전지(60)에 공급되어 다이오드 양단전압(V_D)이 영이 되는 구간도 지속적으로 발생하고 있으므로 충전에는 큰 문제가 없다.

도 13은 축전지부(60)를 제거한 상태의 벅-부스트 컨버터의 출력전압을 나타내며, 약 8.3[V]의 평균값에서 스위칭 주기와 동기된 맥동을 보인다. 이는, 벅-부스터 컨버터가 불연속 도통모드로 동작하여 입력전압(Vi) 대비 약 4배 이상 증폭되었음을 나타내며 3.6[V] 축전지에 인가되어 충전동작을 수행하게 된다.

도 14는 본 발명의 자가발전 신발내 축전지(60)의 충전상태를 나타내며, 초기전압이 3.09[V]인 NiMH 축전지(60)를 사용하여 TPU 자가발전 모듈부(10)를 장착한 신발을 착용한 상태에서 충전특성을 확인하였다. 충전전압은 5분 간격으로 측정하였으며 초기 10분간은 3.35[V]로 증가했다가 110분이 경과한 시점에서 3.6[V]로, 125분 경과 후부터 15분간 3.61[V]에 수렴하였다. 따라서, 축전지(60)는 하루 중 신발착용 시간을 감안하다면 간헐적인 LED 구동을 위한 전력을 공급할 수 있다.

도 15는 본 발명에서 적용한 TPU외에도 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 에틸렌 초산비닐 공중합체(ethylene-vinyl acetate; EVA)의 발전특성을 나타내며, 도 5에 제시한 시험회로를 통해 부하를 제거한 상태에서 출력되는 직류전압을 그래프로 나타낸 것이다. EVA1315와 EVA1328은 초산비닐 함량이 각각 15%와 28%인 압전 폴리머이며, 연화온도를 고려하여 각각 40℃와 60℃에서 분극하였다. 즉, 4종류의 소재 중 TPU의 출력전압이 가장 높게 나타남을 알 수 있다. 또한, TPU외에도 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 에틸렌 초산비닐 공중합체(ethylene-vinyl acetate; EVA)가 압전 소자로 이용될 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

전계로 분극되어진 압전 소자를 포함하여 외부의 압력에 따라 교류 전압을 출력하는 자가발전 모듈부;
상기 자가발전 모듈부의 상기 교류 전압을 정류하는 전파정류부;
상기 전파정류부의 출력전압을 평활시켜 안정된 직류전압을 공급하는 커패시터부;
상기 직류전압을 강압 또는 승압시키며, 불연속 도통모드로 동작하는 벅-부스트 컨버터부;
상기 벅-부스트 컨버터부의 출력전압으로 압력발생시 마다 충전되는 축전지부;
상기 축전지부의 출력전압으로 동작하는 것이며, 소정의 듀티를 가지는 펄스 신호를 출력하는 마이크로컨트롤러부; 및
상기 펄스 신호에 따라 정전류를 출력하여 LED를 구동하는 LED 구동회로부를 포함하되,
상기 자가발전 모듈부는,
일정한 면적을 가지고, 분극에 따라 압전특성이 부여된 것이며, 열가소성 폴리우레탄으로 형성된 TPU;
상기 TPU의 양면에 도포되는 도전성 점착제; 및
상기 도전성 점착제에 의해 상기 TPU의 양면에 각각 점착되는 구리전극;
을 포함하는 것인 자가 발전 신발.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 벅-부스트 컨버터부는,
최대전력 전달이 가능하도록 입력저항이 상기 TPU의 내부저항과 매칭되는 것
인 자가 발전 신발.
제 1 항에 있어서, 상기 TPU는,
소정의 두께를 가지는 인솔과 상기 인솔 하부에 미드솔을 구비한 신발에 있어서, 상기 인솔과 미드솔 사이에서 상기 인솔의 면적 이하의 면적을 가지도록 형성되는 것
인 자가 발전 신발.
제 1 항에 있어서, 상기 TPU는,
소정의 두께를 가지는 미드솔을 구비한 신발에 있어서, 상기 미드솔 상부에 인솔의 형태로 형성되는 것
인 자가 발전 신발.
제 1항에 있어서, 상기 자가발전 모듈부는
폴리에틸렌 비닐아세테이트를 포함하는 폴리올레핀으로 형성된 상기 압전 소자를 포함하는 것
인 자가 발전 신발.
제 1항에 있어서, 상기 벅-부스트 컨버터부는,
불연속 도통모드로 동작하는데 있어서, 입력전류가 입력전압에 대해 선형관계가 유지되는 저항 에뮬레이터로 동작되는 것
인 자가 발전 신발.
제 1항에 있어서,
온 및 오프 중 어느 하나로 동작되며, 상기 축전지부의 출력전압을 부하에 공급하는 스위치부를 더 포함하며,
상기 마이크로컨트롤러부는,
상기 스위치부가 온으로 동작되는 경우, 상기 축전지부의 출력전압으로 동작하는 것이며, 소정의 듀티를 가지는 펄스 신호를 출력하는 것
인 자가 발전 신발.
제 8 항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러부는,
상기 축전지부에 충전되는 전압이 기설정된 임계 전압 이하로 떨어질 때 LED 구동회로부의 전원을 차단하도록 제어하며, 상기 스위치부가 턴온시에 있어서, 상기 LED 구동 회로부가 상기 LED의 점멸을 중지하도록 하는 것
인 자가 발전 신발.
제 1 항에 있어서, 상기 벅-부스트 컨버터부는,
불연속 도통모드로 동작하는 MOSFET을 포함하는 것이며, 상기 MOSFET의 게이트 구동신호는 클럭 오실레이터의 출력인 것이되, 상기 클럭 오실레이터의 출력의 전압 범위는 1.2 내지 5.5 볼트인 것
인 자가 발전 신발.