에너지 하베스팅 전자가격 표시기

전자가격 표시기는 제품 가격을 전자식으로 표시하는 것으로, 여기서는 전자소매(e-retail)에서의 전자가격표시기 개념에 대해 설명한다. 또한 배터리가 필요 없는 에너지 하베스팅 e-종이 기반의 전자가격 표시기를 ST 듀얼 EEPROM M24LR16E 제품군 및 저전력 8비트 MCU, STM8L 시리즈, L6920D 부스트 컨버터 IC와 일부 개별 부품으로 구현하는 방법에 대해서도 알아본다.

전자가격 표시기(ESL : Electronic Shelf Label)는 제품 가격을 전자 방식으로 표시하고 업데이트하는 시스템을 말한다.
일반적으로는 평평한 신용카드와 같은 형태이며 재사용 가능한 모듈이다. 이 표시 시스템은 상품 진열대에 부착되며, LCD나 OLED 형태로 제품 가격을 보여준다.
통신 네트워크는 중앙 통제형이나 매뉴얼 방식이며 모두 통신 네트워크를 통해 상품 가격을 자동 업데이트할 수 있다. 이 통신망은 다양한 방식을 사용할 수 있는데, RF가 가장 흔하며 광파(light-wave)도 사용 가능하다. 자동 ESL은 가격 표시에 드는 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 가격 정보의 정확도도 높일 수 있다.
또한, 매번 업데이트할 때마다 라벨을 인쇄할 필요가 없으므로 친환경적인 방식이기도 하다.

그림 1은 전형적인 ESL을 나타낸 것이다. 이 시스템은 표준 LCM에 기반을 둔 것으로, 여기서는 두 가지의 의미를 갖는다.
① 마이크로컨트롤러 기반의 회로가 장착되어 언제나 활동 상태이다. 즉, 데이터를 표시(저전력 소비)하거나 데이터 업데이트(고전력 소비)할 때에도 항상 켜져 있다.
② 배터리 또는 어떤 종류의 에너지원이 필요하며 주기적으로 충전해야 한다. 이는 비용과 전자 폐기물이 지속적으로 발생한다는 뜻이다. 그림 2는 전형적인 전자 소매 정보 시스템을 나타낸 것으로, 대형 소매점의 시나리오이다. 이와 같은 점포에서는 전담 서버와, 유무선 네트워크, 작은 가격표부터 대형 스크린까지 다양한 표시창과 라벨이 존재할 수 있다. 이러한 가격표, 스크린 또는 정보 전달용 키오스크들은 일반적으로 이더넷으로 연결되어 있으며 상당한 데이터 처리량을 보유하고 중앙의 원격서버를 통해 업데이트가 가능하다. 결국, 이러한 시나리오에는 로컬이나 중앙에서 모니터링과 업데이트하는 네트워크 기반의 대형 시스템이 구축된다. 점포 전체의 모든 가격 및 광고 정보를 일시에 혹은 점포 사정에 맞춰 시기를 정해서 업데이트할 수도 있다.

그림 3은 규모가 훨씬 작은 시스템이다. 소규모 상점, 소매 점포나 동네 가게 등에서 볼 수 있다.
이와 같은 점포에서는 보통 2~3인치(약 5~8cm)의 라벨을 사용한다. 휴대형 장비나 NFC 스마트폰으로 라벨과 통신해서 업데이트된 정보를 전송한다. 대부분은 NFC/RFID 방식을 기반으로 한다.
업데이트가 필요할 경우 데이터를 RFID 리더기나 휴대형 장비에 입력하고, 이 장치가 ESL에 가까이 가면 인증 후 업데이트된 데이터가 ESL로 전달된다. 이 경우 배터리 교환과 같은 주기적인 유지관리가 필요하다.

NFC와 스마트폰

간략하게 말하자면, NFC는 근거리 통신(Near Field Communication)의 약어이다. 이는 표준화된 무선통신기술(ISO 15693 참조)로, 두 개의 장치가 근접거리, 10cm 미만의 거리에 있을 경우 데이터를 교환하는 것을 말하며 RFID를 기반으로 구축된 개념이다. NFC 기능의 디바이스들이 서로 가까운 거리에 있을 경우 공명유도결합(Resonant Inductive Coupling)에 의해 무선으로 연결된다.
스마트폰 사용량이 급속도로 증가하고 있으며, NFC 기능이 있는 안드로이드폰은 다양한 가격대로 출시되고 있다. 이와 같은 휴대폰에 전자 소매 애플리케이션을 제공하는 안드로이드 어플도 개발할 수 있다.

1. NDEF(NFC 데이터 교환 포맷)
NDEF(NFC 데이터 교환 포맷)는 NFC/RFID를 사용할 수 있는 노드 사이에서 데이터를 교환하기 위해, NFC 기반의 애플리케이션에서 사용된다. 이는 NFC 포럼이 규정한 표준 데이터 교환 포맷이다.
NDEF 포맷의 뒤를 이어서 표준 시행 프로토콜을 갖춘 애플리케이션들이 출시됐다. 이 포맷을 사용하면 에너지 하베스팅 안드로이드 애플리케이션을 NFC에서 감지하도록 만들 수 있다. 이것은 애플리케이션이 ESL 근처에 가면 자동으로 시행된다는 뜻이다.

2. 휴대폰에 애플리케이션을 설치하는 방법
애플리케이션을 설치하는 절차를 알아보기 전에 NFC 호환성이 있는 휴대폰을 확보해야 한다. NFC 호환성이 있는 안드로이드 애플리케이션은 이러한 휴대폰에만 설치된다.
ESL용으로 개발된 안드로이드 애플리케이션의 경우에는 .apk 파일로 나오며, USB 대용량 저장 모드을 통해서도 휴대폰으로 전달 가능하다. 애플리케이션이 SD 카드로 나온 경우, 일반적인 안드로이드 애플리케이션으로 설치할 수 있다.

3. 애플리케이션은 어떻게 작동하는가?
이 애플리케이션은 사용자가 NFC 호환성이 있는 휴대폰을 사용하여 듀얼 EEPROM의 환경을 설정하는 데 사용할 수 있다. 쇼핑몰에서 이 애플리케이션을 실행시키고 가격표 근처에 가져가면 제품에 대한 정보를 수집할 수 있으며, 제품에 대한 정보를 휴대폰으로 받을 수 있다. 휴대폰에 컨텐츠가 확보되면 문자 메시지, Gmail, Facebook 또는 다른 소셜 네트워킹 웹사이트를 통해 공유할 수 있다.
이보다 더 발전된 콘셉트는 ESL 구동에 배터리나 또 다른 전력원을 별도로 필요로 하지 않는 것이다. 이 경우 유지관리가 필요 없으며 업데이트 사이클도 훨씬 많아진다. 이와 같은 방식은 에너지 하베스팅과 e-종이의 개념에 기반을 두고 있다.
e-종이는 LCD와 같은 디스플레이 형식으로, 전원이 제거된 후에도 표시창을 유지할 수 있다. 전자종이, e-종이, 전자잉크는 종이에 잉크를 사용한 형태를 따라하도록 설계된 디스플레이 기술이다. 빛을 발하는 일반적인 후면 발광 평면 패널 디스플레이와 달리, 전자종이 디 스플레이는 일반 종이처럼 빛을 반사시켜 더 읽기 편하며, 일반 디스플레이와 비교했을 때 시야각도 더 넓다. 이상적인 e-종이 디스플레이는 직사광선에서도 이미지가 희미해지지 않고 읽을 수 있도록 유지되는 것이다.
에너지 하베스팅, 중간 기억저장, 후속 에너지 전환을 결합하여 그림 6과 같이 배터리가 없는 ESL를 만들 수 있다. 에너지 하베스팅 기능이 내부에 탑재되어 있어, 전체 시스템의 크기가 디스플레이 자체 크기 정도밖에 되지 않는다.
다음에는 시스템 설계 측면에 대해 살펴본다.

설계

이러한 솔루션은 표시할 이미지에 해당하는 데이터는 물론, 디스플레이를 업데이트하기 위해 필요한 전력 모두를 휴대용 장치에서 얻는다는 개념에서 시작한다. RFID/NFC는 이 목적을 위해 사용되는 가장 인기 있는 기술이다. 이 기술은 특정 통신모드를 지원하며, 이 모드에서는 두 개의 참여 노드 중 한 개는 자체 전력원을 갖지 않고 다른 노드에서 생산된 자기장에서 추출한 전력을 사용하여 통신에 참여 한다.
또한, 적절히 효율적으로 이용하면 이렇게 확보한 전력으로 노드의 통신뿐만 아니라(통신기능 수행 이상의) 여분의 전력이 있을 경우 다른 임무도 수행할 수 있을 것이다.
이러한 형태로 설계된 솔루션들은 소모성 전력장치나 배터리가 장착되지 않는다. 배터리가 필요없는 ESL의 경우, 여분의 전력은 RFID/NFC 기술로 통신된 텍스트를 전자종이에 업데이트하는 데 사용된다. 따라서, 전력뿐만 아니라 업데이트 데이터도 RFID 리더기나 스마트폰과 같은 휴대용 장치에서 제공된다. 이러한 ESL은 주기적으로 유지 및 관리하지 않아도 수천 번 업데이트할 수 있다.
그림 7은 이와 같은 ESL의 블록도를 나타낸 것이다.

ST의 RFID/NFC 호환성을 갖춘 듀얼 인터페이스 EEPROM을 이용하여 이와 같은 종류의 애플리케이션을 설계 및 개발할 수 있으며, 전력 생산뿐만 아니라 NFC 링크를 통한 데이터 통신도 듀얼모드 EEPROM으로 처리할 수 있다. 이러한 장치는 기본적으로 비접촉식 메모리와 함께 I2C 인터페이스도 갖고 있다.
제품은 두 가지인데, 16K비트 메모리의 M24LR16E와 64K비트 메모리의 M24LR64E이다.
이번 설계에서는 M24LR16E-R을 사용했으며 I2C 모드에 2048×8비트, 그리고 ISO 15693 및 ISO 18000-3 모드 1 RF 모드에 512×32비트로 구성되어 있다.
M24LR16E-R은 에너지 하베스팅 아날로그 출력은 물론, RF 쓰기 진행 모드 또는 RF 동작 모드가 구동되는 동안 사용자가 설정할 수 있는 디지털 출력 핀 토글링 기능을 제공한다.
이와 같은 장치들은 다양한 패키지로 제공되며 일반 EEPROM과는 다르다. 그 이유는 I2C 인터페이스는 물론, RF 인터페이스와 에너지 하베스팅 기능도 있기 때문이다. 데이터는 I2C 또는 RF를 통해 읽거나 쓸 수 있다.
데이터 교환 과정에서, 내부 에너지 하베스팅 기능은 자체 정류 및 레귤레이터 회로를 가지고 입사되는 RF 필드에서 에너지 추출이 가능하도록 해준다. 하베스팅한 전압은 IC의 외부 핀을 통해 사용 가능하다. 보통 6~7mA에서 2.7V를 얻을 수 있다.
디스플레이 업데이트가 진행되는 동안 RFID/NFC 리더기 라이터를 ESL 옆으로 가져간다. 데이터가 EEPROM에 기록되는 동안 에너지 하베스팅 핀이 슈퍼 커패시터를 계속 충전시킨다. 데이터가 전송된 후, 슈퍼 커패시터에서 제공 가능한 전력은 3.3V로 승압되어 MCU와 ESL을 구동시킨다. 슈퍼 커패시터에서 극히 제한된 전력이 제공되므로, 나머지 애플리케이션들은 극히 적은 전력만 쓸 수 있다. 그래서 이 시스템은 8비트 MCU STM8L 제품군을 기반으로 한다. STM8L151 장치가 여기에 사용되어 왔으며, EEPROM에서 데이터 읽기 및 디스플레이 업데이트 기능을 실행하는 동안, 십여 마이크로 암페어 정도만 이용한다.
주의할 점은, e-종이의 본질적인 특성상 적합한 리프레시를 위해 몇 십 밀리암페어 정도의 돌발 전류(Burst of Current)가 필요하다는 것이다. 이 돌발전류는 보통 몇 밀리세컨드 동안 지속된다. 이는 매우 낮은 ESR을 가진 슈퍼 커패시터를 필요로 한다. 슈퍼 커패시터의 보통 값은 필요한 전력에 따라 0.2~1패럿 사이이다.
DC 전력은 EEPROM 안테나(루프코일)의 필드 강도가 최소 한도 이상일 경우 EEPROM에서 제공된다. 제공 가능한 전력은 축적되며 적절한 수준으로 승압되면 ESL 모듈을 작동시킨다. 하베스팅 에너지의 양은 다음과 같은 요소에 따라 결정된다.
① RFID 리더/ 스마트폰에서 전송된 유효 전력
② ESL 안테나(수신 쪽)의 유효 표면적
③ ESL 데이터 업데이트 동안 RFID 리더와 ESL 사이의 거리
최종 설계는 보통 이와 같은 3가지 요소의 상관 관계로 결정된다. 안테나를 너무 크게 만들면 전체 ESL 크기가 커진다. 전송기(이 경우 RFID 리더기)가 더 많은 RF 전력을 방출해야 할 경우, 자체 배터리를 더 빨리 소진시킨다는 것을 의미한다.
스마트폰은 배터리를 아끼기 위해 전용 RFID 리더보다 훨씬 적은 실효 복사 전력을 갖게 된다. 확보된 순수 전력량은 ESL 업데이트 시간에 직접적인 영향을 끼친다.
ESL 안테나의 필드 강도가 더 높으면 슈퍼 커패시터의 충전이 더 빨리 된다는 의미이며 업데이트도 더 빠르다. 그 반대도 마찬가지이다. 이 경우, 슈퍼 커패시터가 충전을 시작하면 이 곳의 전압이 점차 상승하기 시작하는데, 슈퍼 커패시터는 L6920D 모놀리식 부스트 컨버터에 전원을 제공한다(1V에서 작동을 시작하며 0.6V까지 계속 작동하고 TSSOP8 팩으로 제공할 수 있다).
그래서 슈퍼 커패시터의 전압이 적절한 값으로 상승할 때까지 STM8L과 디스플레이의 Vdd는 L6920D의 출력과 별도로 분리되어 있다. 2STR2160 PNP 트랜지스터는 전력 스위치로 사용되었다. 슈퍼 커패시터의 전압을 감지하기 위하여, 다이오드가 있는 또 다른 NPN 트랜지스터인 2STR1160을 사용했다.
슈퍼 커패시터의 전압이 1.4볼트 초과하면 전원 스위치가 켜진다. MCU에 전원이 커지면, EEPROM에서 데이터를 읽고, e-종이 디스플레이를 업데이트한 후 수면모드로 들어간다. 디스플레이를 업데이트하는 과정은 슈퍼 커패시터의 저장된 전력을 소모시키고 시스템이 새로운 디스플레이 업데이트를 할 준비가 되도록 한다.
이와 같은 유형의 솔루션은 슈퍼마켓 가격표시 라벨에서부터 서점, 병원 등 스마트 디스플레이가 필요한 여타 장소에서도 다양하고 흥미로운 애플리케이션으로 사용될 수 있다. 다른 애플리케이션의 예로는 스마트 ID 배지, 상태 디스플레이, 전자 환자 기록 등이 있다.

Ranajay Mallik, Jitendra Jain, Neha Kochhar STMicroelectronics