High current driven single inductor power control IC, Multi I/O Power control IC, 습식 박막 고체 전해질 이차전지, 디자인 자유도
KSP Keywords
Factor-free, Form factor, Input-Output, Output power, Wearable Devices, power module
Funding Org.
미래창조과학부
Research Org.
한국전자통신연구원
Project Code
15MB1900, Form factor-free Multi Input and output Power Module Technology for Wearable Devices,
Yang Yil Suk
Abstract
연구개발 목표 o 스마트 웨어러블 디바이스용 차세대 전원모듈 신 구조 및 상위수준 설계 - 통합 일체형 전원모듈 규격/구조 및 제어 알고리즘 연구 (한국전자통신연구원) - 스마트 웨어러블 디바이스용 전원모듈 상위수준 설계 및 Form factor-free 습식박막 이차전지 싱글 셀 제작 및 평가 (한국전자통신연구원) - SI-SMPS (Single Inductor-Switching Mode Power Supply) 다중입출력 전원제어IC 규격/구조 연구 ((주) 실리콘마이터스) - Form factor-free 습식박막 이차전지 규격/구조 연구 ((주) LG화학) - 연성 하이브리드 고체전해질 소재 공정 규격/구조 연구 ((주) 엔켐)
연구개발 내용 o 통합 일체형 전원모듈 규격/구조 및 제어 알고리즘 연구 (한국전자통신연구원) (에너지 : 1,900mWh/3,800mWh, 입출력 전압범위 : 1 ~ 5V, 입출력 전류범위 : 0.2A, 동작주파수 : 2MHz, 변환효율 : 85%) - 진단/보호기능 내장 통합 일체형 전원모듈 규격/구조 및 제어 알고리즘 연구 ㆍ멀티 PCM 통합 보호 및 적층 이차전지 용량 이상 유무 진단회로 규격 및 구조 ㆍ진단/보호 기능 내장 SI-SMPS 전원제어IC 제어 알고리즘 규격 및 구조 ㆍ진단/보호 기능 내장 SI-SMPS 전원제어IC 회로 규격 및 구조 ㆍ통합 일체형 전원모듈 열 분산 규격 및 구조 ㆍ통합 일체형 전원모듈 규격/구조 ㆍ통합 일체형 전원모듈 검증보드 규격 및 구조 o 통합 일체형 전원모듈 상위수준 설계 및 Form factor-free 습식박막 이차전지 싱글 셀 설계/제작 및 검증 (한국전자통신연구원) - 대전류구동 단일 인덕터 다중입출력 전원제어IC와 대용량 Form factor-free 고에너지밀도 습식박막 이차전지로 구성된 통합 일체형 전원모듈 상위수준 설계 ㆍ대전류구동 고속 SI-SMPS 다중입출력 전원제어IC 상위수준 설계 ㆍ대용량 Form factor-free 고에너지밀도 습식박막 이차전지 상위수준 설계 ㆍ진단/보호기능 내장 대전류구동 대용량 통합 일체형 전원모듈 상위수준 설계 및 검증 - 대용량 Form factor-free 고에너지밀도 습식박막 이차전지 싱글 셀 설계/제작 및 검증 ㆍ3차원 구조용 산화물계 전극 고밀도 이차전지 셀 설계 ㆍIn-situ 인쇄기반 습식박막 이차전지 공정 설계 ㆍForm factor-free 4V-10mAh급 습식박막 이차전지 싱글 셀 설계 o SI-SMPS 다중입출력 전원제어IC 규격/구조 연구 ((주) 실리콘마이터스) (입출력 전압범위 : 1 ~ 5V, 입출력 전류범위 : 0.2A, 동작주파수 : 2MHz, 변환효율 : 85%) - 대전류구동 SI-SMPS 다중입출력 전원제어IC 규격 및 구조 ㆍ대전류구동 단일 인덕터 고속 시분할 제어 알고리즘 규격 및 구조 ㆍ가변 가중치 알고리즘 기반 다중 출력간 저간섭 제어회로 규격 및 구조 ㆍUSB Charger 회로 규격 및 구조 ㆍ전원적응기반 다중입출력 재구성형 SI-SMPS 회로 규격 및 구조 ㆍ대전류구동 고속 SI-SMPS 다중입출력 전원제어IC 규격 및 구조 o Form factor-free 습식박막 이차전지 규격/구조 연구 ((주) LG화학) - 대용량 Form factor-free 고에너지밀도 습식박막 이차전지 규격 및 구조 (싱글 셀 수명 : 75%@(R30, 1000회), 멀티 셀 용량 : 4V-500mAh@(2.2×2.4×0.5cm3) ㆍForm factor-free 습식 박막 이차전지용 전극소재 및 조성 연구 o 연성 고체전해질 소재 공정 규격/구조 연구 ((주) 엔켐) (고체전해질 이온전도도 : 5 mS/cm@RT) - 연성 고체전해질 소재 공정 규격 및 구조 ㆍ연성 고체전해질 혼성화용 전해액 및 첨가제 조성 개발
연구개발성과 o 통합 일체형 전원모듈 규격/구조 결정 및 제어 알고리즘 확립 - 서비스 및 디자인에 따른 1 x N 확장형 대용량/저비용 통합 일체형 전원모듈 규격/구조 결정 (에너지 : 1,900mWh/3,800mWh, 이차전지 두께 : < 0.3cm) - 이차전지와 USB 다중 입력 전원에 대해 다중입력 전원적응 기반 이차전지 충전 및 출력 부하 제어를 수행할 수 있는 통합 일체형 전원모듈 다중입력 전원적응 멀티모드 제어 알고리즘 확립 (다중 전원에 따른 5가지 멀티모드 제어 알고리즘) o 통합 일체형 전원모듈 상위수준 설계 완료 - 상위수준 툴 PSIM을 이용하여 진단/보호기능 내장 통합 일체형 전원모듈 구조검증 모델링 완료 - 상위수준 툴 PSIM을 이용한 진단/보호기능 내장 통합 일체형 전원모듈 상위수준 설계와 Energy Sharing 알고리즘 및 전원모듈 동작 검증 완료 o 대전류 구동 SI-SMPS 다중입출력 전원제어IC 규격/구조 결정 - 고속 시분할 제어 알고리즘 기반 대전류 구동 SI-SMPS 다중입출력 전원제어IC, 다중 출력간 저 간섭 SI-SMPS 전원제어IC 및 전원적응 기반 DIMO 재구성형 SI-SMPS 전원제어IC 구조 결정 ㆍ Topology : Buck-Boost SI-SMPS ㆍ 제어 알고리즘 : Energy Sharing 알고리즘 ㆍ 동작주파수 : 5MHz, ㆍ 입출력 전류 : 1A ㆍ 변환 효율 : 85%, ㆍ 입력 전압 : 1V ~ 5V ㆍ ESD : HBM 4kV, ㆍ 출력 전압 : 1.8V/3.3V/5V - 입출력전류 1A, 동작주파수 5MHz 인 Buck-Boost type SI-SMPS 다중입출력 전원제어IC 상위수준 설계와 동작 검증 완료 - 면적 대비 고 전류 구동, 높은 트리거 및 낮은 홀딩 전압 특성을 가지는 SCR기반 5V급 HBM 4kV ESD 보호회로 구조 설계 완료 o 대전류 구동 SI-SMPS 다중입출력 전원제어IC 동작 검증 칩 설계 완료 (입출력 전압범위 : 1 ~ 5V, 입출력 전류 : 0.2A, 동작주파수 : 2MHz, 변환효율 : 85%) - 클럭기반 PFM (Pulse Frequency Modulation) Energy Sharing 제어 알고리즘 적용 대전류 구동 고속 저 간섭 저 전력 SI-SMPS 다중입출력 전원제어IC 설계 및 시뮬레이션 동작 검증 완료 ㆍ동작주파수 : 5MHz, ㆍ입출력 전류 : 1.2A ㆍ입력 전압 : 1V ~ 5V, ㆍ 출력 전압 : 5V/3.3V/1.8V ㆍ인덕터 크기 : 1uH, ㆍ부하 커패시터 크기 : 10uF ㆍ변환효율 : 85.4% @[VIN=4.4V], ㆍ Load Regulation : < 4% [5V@50mA --> 500mA] o 가교형 및 비가교형 연성 고체전해질 소재 공정 규격/구조 결정 (고체전해질 이온전도도 : 5 mS/cm@RT) - 습식박막 이차전지 3차원 구조용 산화물계 전극 형성용 폴리실록산 기반 가교형/비가교형 연성 고체전해질 규격/구조 결정 - 가교형 및 비가교형 연성 고체전해질 혼성화용 전해액 및 첨가제 조성 확립 - 가교형 및 비가교형 연성 고체전해질 소재 설계/제조 및 특성 평가 완료 o 곡율 특성이 강화된 대용량 Form factor-free 고에너지밀도 습식박막 이차전지 규격 및 구조 결정 (싱글 셀 수명 : 75%@(R30, 1000회), 멀티 셀 용량 : 4V-500mAh@(2.2×2.4×0.5cm3) - 연성 고체전해질을 전극상에 직접인쇄로 기존 LIB 대비 70% 수준으로 공정비용을 절감할 수 있는 In-situ 인쇄기반 습식공정 박막전지 규격 및 구조 결정 - Form factor-free 습식 박막 이차전지용 전극에 적합한 슬러리 및 전극 조성 확립 - 습식박막 이차전지 3차원 구조용 산화물계 전극 형성용 폴리실록산 기반 비가교형 연성 고체전해질 소재 규격 및 구조 결정 - 곡율 반경 30mm 인 R30 특성을 가지는 3차원 기둥 구조의 산화물계 전극 소재 규격 및 구조 결정 - Form factor free 습식박막 이차전지 규격 및 구조 결정 ㆍ부피당 단전지용량 :12mAh/cm3 ㆍ 싱글 셀 수명 : 75%@ [R30, 1,000회] ㆍ 멀티셀 용량 : 4V급-300mAh [@2.2×2.4×0.5cm3] o Form factor-free 습식박막 이차전지 싱글 셀 설계 및 특성 평가 (부피당 단전지용량 :12mAh/cm3, 싱글 셀 수명 : 75@ [R30, 1,000회]) - Form factor-free 4V-10mAh급 습식박막 이차전지 싱글 셀 설계 완료 ㆍ 싱글 셀 크기 : 3.3cm x 3.5cm x 0.05cm ㆍ 용량 :４V-10mAh (N/P= 1.1) ㆍ 부피당 단전지용량 : > 13.1 mAh/cm3@0.2C - Form factor-free 4V-10mAh급 습식박막 이차전지 싱글 셀 R30 곡율조건에서 수명 특성 평가 ㆍ 초기용량의 75% 유지@[R30, 0.2C, 1000회, Cut-off 3.8~ 4.2V]
활용계획 및 기대효과 o 활용 계획 - 선 핵심기술 개발 후 국내·외 수요자 기반 상용화 기술개발을 통한 웨어러블 디바이스의 전원모듈, 전원제어IC 및 이차전지 제품의 조기상품화 전략과 새로운 서비스모델 개발로 사업 활성화 및 국내·외 시장을 선점 - 스마트 웨어러블 디바이스용 전원모듈, IoT용 전원모듈과 전기자동차 및 에너지저장시스템용 중대형 고체전해질 이차전지 시장 선점 - 웨어러블 Watch, 웨어러블 Glass, 웨어러블 피트니스 Band 등 다양한 웨어러블 디바이스에 활용 가능 - 고성능화로 발전하여 피트니스 및 웨니스, 헬스케어 및 의료, 제조업 및 군수와 인포테인먼트 서비스용 스마트 웨어러블 디바이스에 활용 가능 o 기대효과 - 아직 시장 초보단계이나 시장 성장률이 매우 큰 차세대 성장 동력원으로 부각되어 전 세계에서 주목받고 있는 웨어러블 디바이스 시장 선점과 현재기술 대비 장시간 사용 가능하고 서비스 고도화 및 개인 맞춤형 신 서비스를 충족하는 스마트 웨어러블 디바이스 및 스마트 웨어러블 디바이스용 전원모듈 신 시장 선점 - 스마트 웨어러블 디바이스용 차세대 전원모듈 기술선점 및 핵심부품 자체확보를 통한 스마트 웨어러블 디바이스의 기술경쟁력 향상과 관련 전후방 산업 활성화 유도 - 통합 일체형 차세대 전원모듈은 스마트 Watch, 스마트 Glass, 피트니스 Band, Wearable Clothes, 스마트 패치 등의 다양한 형태의 웨어러블 디바이스에 응용할 수 있음은 물론, 피트니스 및 웨니스 산업, 헬스케어 및 의료 산업, 제조업 및 군수 산업, 인포테인먼트 산업 등 다양한 산업분야로 확대 활용할 수 있음 - 대 전류구동 전원제어IC 및 Form factor-free 대용량 이차전지로 구성된 통합 일체형 차세대 전원모듈 핵심원천 및 제품기술 개발로 현재 거의 수입에 의존하고 있는 국내 웨어러블 디바이스용 전원모듈에 대한 수입대체 효과 유발, 국내 업체들의 시장 진입기회 제공 및 관련 산업분야의 국가 경쟁력 향상
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J. Kim et. al, "Trends in Lightweight Kernel for Many core Based High-Performance Computing", Electronics and Telecommunications Trends. Vol. 32, No. 4, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
J. Sim et.al, “the Fourth Industrial Revolution and ICT – IDX Strategy for leading the Fourth Industrial Revolution”, ETRI Insight, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
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