기업명 :

발표자 :

Power-free IIoT 센서 플랫폼

산업용 Power-free 무선 센서의 적용 사례

㈜코아칩스

오재근

1

2When Everything Connect?

APRIL 24TH-MAY 4TH 2007

3

스마트 폰 1개당 19개의 센서 사용

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

2009 2010 2011 2016

산업용

가정용

의료용

물류

농업

군용

CAGR : 43.1%

(단위 : 백만 불)

무선 센서 시장

• 2011년 전세계 센서 시장 : 87조 원 메모리 반도체 시장 (82조 원)

• 무선센서 : 2016년 약 5.7조 원 정도의 시장 (연평균 성장률 : 43.1%)

출처 : 1) 지식경제부 2012.12.15 보도자료2) “Global markets and technologies for wireless sensor”, BCC Research, 2012/2

무선 센서 – 시장전망

4

BP aims to have thousands

of wireless motes in

service, says Harry Cassar,

technology director in BP's

emerging-tech group.

The potential for cost savings over traditional wired

sensors is enormous. BP installed five wireless

sensors over Christmas at its Cherry Point refinery

in Washington to monitor the temperature inside

giant on-site fans. Using the motes will probably

cost about $1,000 per measurement point--and

maybe $500 within a year or two, says Harry

Cassar, technology director in BP's emerging-tech

group. Each connection measured the old way

cost $10,000. BP achieved the $500-per-point

measurement in a test last summer to measure

conditions in the engine room of an oil tanker.

And BP envisions using wireless networks of

sensors to monitor industrial plants and ships,

remotely adjust lighting and heat in office

buildings, test soil for pollutants, and detect

whether chemicals are stored properly. "Wireless

mote technology has got applications in almost

every part of our business," Cassar says. "We're

not going to be putting in tens of these devices, or

even hundreds. Ultimately, it's going to be

thousands."

“Sensors Everywhere”, InformationWeek, Jan. 21, 2005

무선 센서 – 검증된 경제성

5IoT 촉발 인자

분야 내용

센서 (Sensors) 센서가격 하락 (10년 전 $1.30 현재 평균 $0.6)

통신 대역폭 (Bandwidth) 통신 대역 가격의 가파른 하락

프로세싱 (Processing) 방대한 통신 및 데이터 처리 가격의 하락

스마트 폰 (Smartphones) 원격 조정/연결 등 IoT를 위한 스마트폰의 개인 게이트웨이화

유비쿼터스 무선 (Ubiquitous wireless) 연결을 위한 무선 와이파이 보편화 및 저가 이용

빅데이터 (Big data) 대량 IoT 데이터 분석을 가능하게 하는 빅데이터 기술

IPv6 (Internet protocol version 6) IPv4의 한계를 극복하는 IPv6 활용

(자료 : The Goldman Sachs Group. Inc., ‘The Internet of Things : Making sense of the next mega-trend’, 2014. 9)

협업을 통한 IoT화를 위한 필수 요소

가장 먼저 데이터화(Datafication)가 필요함

수많은 기록에서 의미 있는 정보를 만듦

(Informatization)

사용자의 상황에 맞게 가치추출 및 전달하는

과정이 수반 되어야 함 (Contextualization)

6Future Smart City

7상시 유지관리 체계 – 구성

인체손상 감지

병원 진료

손상부위 치료

외부 보조기구착용

정밀검진

정기 건강검진

인체 센서(온점,냉점,통점 등)

이상거동 감지

특별 점검/진단

보수 / 보강

유지관리모니터링

정밀안전진단

정기 점검/진단

IoT 기반 안전감시모니터링

8

성능

손상보수

보강

수명

붕괴

해체

상시모니터링에

의한사전감시

상시 유지관리 체계 – 필요성(1)

9

대형붕괴사고발생

1994시간

비용

시설물안전관리등한시

1995

유지관리비용의급격한증가 시설물유지관리체계확립

시설물의안전관리에관한특별법제정

상시 유지관리 체계 – 필요성(2)

10

LG화학청주공장화재 (2012. 8) 구미공단불산누출 (2012. 10)

화차베어링이상에의한탈선베네수엘라정유공장폭발 (2012. 3) 차량전복

아직도발생하는사고…..왜?

상시 유지관리 체계 – Dilemma Cost!

11상시 유지관리 체계 – 대안기술 Self-powered IoT

무선센서▪상시전력공급불가상시감지불가

▪배터리수명의한계로장기적용불가

현재의안전관리시스템상시관리미시행으로인한피해

유선센서▪전력선및통신선설치비용과다

▪지속적유지보수난이비용증대

• 설치의제한성이없는무선센서

• 상시감지를위해작동전력공급문제해결

• 유지보수가필요없는센서

신기술 요구조건

Wireless

Power-free

Maintenance free

12에너지하베스팅 – 정의

13에너지하베스팅 – 방법

Conversion (Micro) Transmission (Meso)

RF-DC

Conversion

Capacitive

Transducer

Piezoelectric

DC Converter

in Low Freq. Induction Coil

Energy

Converting

Devices

Induction Coil

& Magnet

Electrochemical

Reaction

AC-DC

Generator

Photovoltaic

Cell

Thermoelectric

Conversion

Wind

Solar Radiation

& Artificial Lighting

Alternating

B field

Radio Wave

Generation (Macro)

Vibration

Thermal

Gradient

Fuel Cell

Resonant Ind.

coupling

Piezoelectric

RF Converter

In High Freq.

Vibration & Radio Wave

14에너지하베스팅 – 주변에서 얻을 수 있는 발전량

에너지원 성능 비고

무선전력

전송

자기공명 50~60% 전송효율 (1m 기준) •송수신안테나가비실용적으로큼

LF 전력전송 80~90% 전송효율 (1cm 이내) •상용무선충전기

RF 전력전송 0.1% 전송효율 (1m 기준)

태양광100 mW/cm2 (옥외)

100 uW/cm2 (실내)

• Poly-Si solar cell : 16% ~ 17% (상용화)

• Mono-Si solar cell : 20% (연구수준)

열전소자 60 uW/cm2• TE 소자효율 : 1% 미만 (ΔT = 40℃)

• ΔT = 5℃ (Thermo life 연구수준)

진동기반 Micro Generator4 uW/cm3 (인체/보행거동 – Hz)

800 uW/cm3 (기계진동 – kHz)

• 1cm3소자수준의발전기의경우입력가진

주파수및진폭에민감최적설계요함

대기흐름 1 mW/cm2 • 30 litter/min 유입조건의마이크로터빈에서시연

Human

Energy

Hip Movement 7 W (5 cm 변위,38kg inertial load ) •배낭형태

Heel Strike

800 mW• Dielectric elastomer (DARPA)

• 100,000 cycle 내구실용화한계

250~700 mW • Hydraulic piezoelectric shoes

10 mW • Piezoelectric insole

Push-button 50 uJ/N • MIT Media Lab

Hand Generator 30 W/Kg

15에너지하베스팅 – 진동 자가발전 가진원

Vibration Sources

Vibration Source Peak Acc.(m/s2) Freq. of Peak(Hz)

5마력 3축공작기계

Kitchen blender casing

세탁건조기

출입문(문이닫힐때)

Microwave oven

사무실공조시스템(Vent)

번화가옆유리창(0.6m * 1m)

Notebook computer( CD drive 작동시)

식기세척기

나무바닥

냉장고

교량(차량속도 50km/h 주행시)

교량(무재하상태)

차량(타이어내부, 100Km/h 운행시)

10

6.4

3.5

3

2.25

0.2 – 1.5

0.7

0.6

0.5

0.2

0.1

1.5

-

330

70

120

120

125

120

60

100

75

109

100

240

-

1-2

100 - 120

16에너지하베스팅 – 대표적인 기술(진동 예너지 하베스팅)

Vibration ElectricityPiezoelectric

Electrostatic

Electromagnetic

Piezoelectric Electrostatic Electromagnetic

• Pre bias : Poling

• Strain Charge separation

Voltage (across capacitor)

• Pre bias : DC voltage

• Displacement Capacitance

change Voltage or charge

• Pre bias : Magnet

• Coil moving (through magnetic

field) Current

Type 이론 한계 실험결과(최대)

Piezoelectric 335 mJ/cm3 17.7 mJ/cm3

Electrostatic 44 mJ/cm3 4 mJ/cm3

Electromagnetic 400 mJ/cm3 4 mJ/cm3

17에너지하베스팅 – 대표적인 기술(열전 에너지 하베스팅)

CharacteristicsThermoelectric

• Pre bias : p, n doping

• Heat Electron moves Voltage

• Thermal Powered System

• Dense array of Bi2Te3 thermopile deposited onto

Si wafer

• 75 ~ 140 mV/K

• Thin film battery charging , Medical monitor powering,

Biosensors

18Self-powered IIoT – 상용화 된 산업 응용 (EU 및 북미)

SHM or O&MProcess Control M2M

M2M : Machine to Machine , SHM : Structural Health Monitoring , O&M : Operation and Maintenance

19Self-powered IIoT – 상용화 시도 (일본)

20Self-powered IIoT – (1)개발 이력 및 일본 동향

21Self-powered IIoT – (2)개발 이력 및 일본 동향

22Self-powered IIoT – 상용 제품 : (1) HEAD Racket / Piezoelectric (Vibration)

Intelligent Tennis Racket

• HEAD사 제품

- 기존 라켓 대비 진동 50% 이상 감쇄

- Piezoelectric fiber를 Racket frame에 내장 (복합재)

- 라켓 손잡이에 진동감쇄용 Piezoelectric fiber뿐 아니라 전자회로까지 내장함

- 에너지 변환시간 : 수 ms 이내

• 성능 특징

- 라켓의 강성을 증가시킴으로써 진동 감쇄 공의 반발력 향상

Piezoelectric fiber bundles in

the racquet frame

Electronic chip system located in

the racquet handleVibration reduction from

IntellifibersTM and ChipSystemTM

Intelligent Tennis Racket

23Self-powered IIoT – 상용 제품 : (2) EnOcean Switch / Electromagnetic (Impact energy)

24Self-powered IIoT – 상용 제품 : (3) Micropelt / Thermoelectric (Thermal gradient)

• Steam-valve 응용 사례

25Self-powered IIoT – 상용 제품 : (4) Perpetuum 외 / Electromagnetic (Vibration)

Bogie 진동에너지이용자가발전무선센서

• 영국 South hampton 대학에서 연구 진행상용화 진행 중

• MTTF(Mean Time to Failure) 약 800년 Target

• 낮은 Bogie 진동에너지에서 자가발전

• 10mW 수준 자가발전량

Suspension변위이용(에너지하베스팅 Shock Absorber)

• 미국 MIT 및 Stony brook 대학 등에서 연구상용화 진행 중

• SUV 차량에서 적용 테스트 수행

• 60 mph에서 100W 수준 자가발전 함

• 열차의 경우 Kw급 자가발전 예상

• 화차 적용 상용화 개발 진행 중

26Self-powered IIoT – 상용 제품 : (5) Perpetuum 외 / Electromagnetic (Vibration)

Compressor Vibration Energy 이용

• MTTF(Mean Time to Failure) 약 892년 Target

• 낮은 Bogie 진동에너지에서 자가발전

• 10mW 수준 자가발전량

Insight.Mesh

US Navy - Compressor

• GE Bently Nevada

• Node당 4개의 센서

• Energy harvester 장착(Optional)

27Self-powered IIoT – 상용 제품 : (6) Powercast / RF Power Transmission

28Self-powered IIoT – 개발 진행 제품 / Impact energy

What’s new?

Requirements

• 고 내구성 확보 : 압전체 기반의 기존 시스템의 취약한 내구성 확보

• 고효율 : 매우 낮은 에너지 변환 효율을 획기적으로 개선하기 하기 위한 새로운 시도 필요

Next challenges in piezoelectric energy harvesting devices Not vibration dominant, Reliable Prod.

• Military devices : Energy harvesting munition

• Implantable medical devices : Self-powered pacemaker

• 2nd generation human energy converter : Bright walk shoes, Wireless button

• Transform renewable transportation energy : Innowatech

E/H Munition E/H Pacemaker Bright walk shoe Wireless button

29Power-free IIoT 센서 플랫폼 – IIoT 적용

Solar Radiation

Flow

Heat

Vibration

Electromagnetic Field

설치비용및유지비용최소화

Self-powered 무선센서

진동 전기에너지(VEH)

온도편차 전기에너지 변환(TEH)

60Hz 교류 전자기장 변환(PLEH)

M2M용Self-powered Smart Bolt

30

항목 제작/설치 실물 용도 현장 설치

BlackboxSensor Tag

QC 고도화를 위한 스마트 제조 및 운송 활용✓ Inbound : 공정정보, 공정환경정보 전송✓ Outbound : 운송 중 환경정보 저장

자가발전IoT 센서(1)

설비이상 진단을 위한 스마트 제조 활용✓ 작동 원리 : Thermoelectric 자가발전✓ 측정 인자 : 설비 이상발열 조기 감지✓ 설치 위치 : Air compressor 구동 모터

자가발전IoT 센서(2)

설비이상 진단을 위한 스마트 제조 활용✓ 작동 원리 : Thermoelectric 자가발전✓ 측정 인자 : 설비 이상발열 조기 감지✓ 설치 위치 : 냉각수 공급 펌프

자가발전IoT 센서(3)

설비이상 진단을 위한 스마트 제조 활용✓ 작동 원리 : 설비진동 이용 자가발전✓ 측정 인자 : 설비의 진동 값✓ 설치 위치 : Air compressor 구동 모터

자가발전IoT 센서(4)

공장 화재감시를 통한 상황인지 서비스 활용✓ 작동 원리 : 60Hz 교류전류 전자기장 이용 자가발전✓ 측정 인자 : 전력선 온도, 전류 (+VOC 가스)✓ 설치 위치 : 공장 전력선

자가발전IoT 센서(5)

설비이상 진단을 위한 스마트 제조 활용✓ 작동 원리 : 무선전력전송 자가발전✓ 측정 인자 : 토크, 전력량, 전압, 전류, 윤활유 급지량✓ 설치 위치 : 냉각수 공급 펌프

통합리더 B/B 센서 태그 및 IoT 센서와 서버간 통신✓ 내장 무선 : TCP/IP,WiFi,SDR,NFC,RFID,BLE 통합형✓ 설치 위치 : 공정 현장, 이송 통로, 출하장

Power-free IIoT 센서 플랫폼 – (1) IIoT 적용 국내 현황 / 자동차 부품 조립공장

31

배관 건전성 모니터링 (평택화력)

배관 건전성 모니터링 (원자력연구원) 용해로 온도 모니터링 (아모레퍼시픽) 가열로 온도 모니터링 (POSCO)

자가 발전 원리

Power-free IIoT 센서 플랫폼 – (2) IIoT 적용 국내 현황 / 열전 에너지하베스팅

32

H

C

대기온도 : 30℃

40℃

ΔT=10℃

고압차단기 튜울립부 자가발전형 무선온도센서

Power-free IIoT 센서 플랫폼 – (3) IIoT 적용 국내 현황 / 열전 에너지하베스팅

33

전력선(60Hz, 220V~6.6kV)

외부기기전력공급용단자

안테나

에너지하베스팅, 센서감지및무선회로

전력선에너지하베스팅모듈

VOC, CO, CO2 Gas 센서(착탈식)

• Software Defined Radio• 1.6Km 무선통신• 초저전력 모드 작동• 일본 전파인증 취득 (수출향)• 국내 인증 진행

전류센서, 케이블 온도 센서(내장형)

Power-free IIoT 센서 플랫폼 – (4-1) IIoT 적용 국내 현황 / 전력선 에너지하베스팅 구조

34

T S R

충전시간 : 3.8초 방전시간 : 1초

온도,전류데이터전송

Power-free IIoT 센서 플랫폼 – (4-2) IIoT 적용 국내 현황 / 전력선 에너지하베스팅(자가발전)

35

화재 감시 모니터링

실시간 모니터링 통합 GUI

Power-free IIoT 센서 플랫폼 – (4-3) IIoT 적용 국내 현황 / 전력선 에너지하베스팅(현장설치)

36

Railroad Application

• 프랑스 SNCF

- TGV 열차 대차 주행안전성 모니터링 위한 무선 자가발전 모니터링 연구

• 미국 연방철도국 FRA & Mide

- 장거리 화물열차의 일체형 무선 브래이크 슈 모니터링 시스템 연구

• 미국 BNSF (워런 버핏 회장 소유)

- 철도차량 주행 중 자가발전 모니터링 적용 개념 연구 시작

• 한국 철도기술연구원 (코아칩스 연구 참여 / 개발 진행 중 상용화 목표)

- 철도차량 주행 중 자가발전 모니터링 적용 연구 중 (2012~, HEMU 적용)

열차용 고용량 하이브리드 자가발전 무선 센서

Power-free IIoT 센서 플랫폼 – (5-1) IIoT 적용 국내 현황 / 열차응용 (진동 에너지하베스팅)

37Power-free IIoT 센서 플랫폼 – (5-2) IIoT 적용 국내 현황 / 열차응용 및 시험(진동 에너지하베스팅)

38

고속무전원/무선 동적변형량/하중 측정센서

Simulation 장비 Test 차량 테스트

• 인텔리전트 타이어 센서 개발 결과 (산업원천기술개발 사업)

• 타이어 내부 변형상태 측정 무전원/무선 센서 적용노면상태 측정

• 타이어변형에너지 이용 에너지 하베스팅 무선 온도/압력센서 장착

• 차량 장착 테스트 성공 (세계최초 시연, 2013)

무전원/무선 타이어변형량,온도,압력

센서

차속

무전원 변형량 센서 무선 수신 파형

변형량 센서 데이터축하중 환산 결과

Power-free IIoT 센서 플랫폼 – (6) IIoT 적용 국내 현황 / 인텔리전트 타이어 (진동 에너지하베스팅)

39결론 – IIoT 센서의 현실

IIoT 센서센서 값뿐 아니라 다양한 정보가

지정된 곳(인터넷 IP) 등으로 전송되어새로운 가치의 창출

(Monitoring & Management)

표출형 센서기계식 게이지, 7 Segment LED 등으로 표출되는 센서

• 전통적인 센서 개념• 기기의 작동상태를 육안으로 확인하는 용도• 외부로 센서 데이터 전송 불가• 유선 센서 시장 이상으로 규모 큼

(Control)

무선 센서

유선 센서 센서 값이 무선을 통해전송되어 저장된 후 활용됨

(Monitoring)일반적인 센서 개념. 유선으로센서 값 취득 및 제어 활용(Monitoring & Control)

표출형 센서기계식 게이지, 7 Segment LED 등으로 표출되는 센서

• 전통적인 센서 개념• 기기의 작동상태를 육안으로 확인하는 용도• 외부로 센서 데이터 전송 불가• 유선 센서 시장 이상으로 규모 큼

(Control)

유선 센서일반적인 센서 개념. 유선으로

센서 값 취득 및 제어 활용(Monitoring & Control)

40결론 – IIoT 센서 플랫폼화에 따른 스마트 공장 고도화

CPS+α

※ U/SA (Universal Sensor Adapter)

기존 유선 센서(센서값 출력형)

Universal Sensor Adapter (U/SA)

Analog Signal (Wired)

Programmable LogicController (PLC)

Analog Signal (Wired)

Wireless

7 Segment Display

설비부착 표출형 센서(센서 값 미출력형)

열화상

자가발전무선센서

통합관리(인공지능)

MES(전용범용)

1. 기존센서 디지털화2. 전원에서 자유로운 센서

자동화 설비(중앙집계 미연동 설비용 HMI)