태양광이나 진동, 열, 전자파 등 우리 주변에는 다양한 에너지원이 존재한다. 이러한 미약한 에너지를 유용한 전력원으로 만드는 “에너지 수확(Energy Harvesting)”이 주목받고 있다. 유럽과 미국을 중심으로 에너지 수확 기술을 이용한 공조제어 및 조명제어 스위치의 도입이 활발하다.

전자 기술의 발전에 의해 인류는 풍부한 혜택을 누려왔다. 요즘 주위를 둘러보면 심플하고 슬림한 외형을 유지하면서도 다양한 기능을 포함하고 있는 정보 기기를 쉽게 발견할 수 있다. 정보 기기는 그 종착역을 가늠하기 힘들 정도로 빠르게 진화하고 있다. 이와 함께 정보 기기가 소모하는 전력량도 지속적으로 늘어나고 있다. 가까운 미래에는 정보 기기가 전체 전력 소모량의 20~30%를 차지할 전망이라고 한다. 이러한 엄청난 전력 소모의 배경에는 정보 기기의 숫자가 늘어나는 것도 한 몫을 하지만, 정보 기기에 사용되는 반도체 소자들의 성능을 향상시키기 위하여 더 많은 전력을 소모하는 방식으로 기술이 발전하고 있다는 데 원인을 찾을 수 있다.
기본적으로 문명이 발전하면 발전할수록 전기 소비량은 증가하기 마련이다. 이에 대한 최선의 방법은 최대한 전력 소비를 억제하는 것이다. 그러나 이 방법은 양면성이 존재한다. 예를 들어, 절전을 위해 에어컨의 설정 온도를 올리거나 조명을 어둡게 하면, 인체 건강과 쾌적성을 해치게 된다.
새로운 도전이라는 관점에서는 인간의 접근이 곤란한 장소나 위험 지역, 또는 교량 등의 구조물의 상태를 감시해야할 경우가 있다. 이러한 사례에서 공통적으로 중요한 것은 그때그때의 상황을 정확하게 파악하는 것이다. 상황을 정확하게 파악함으로써 대상을 최적의 상태로 제어할 수 있고 미리 대책을 마련할 수 있기 때문이다. 사무실의 공조 제어 시스템을 예로 들면, 에어컨 부근뿐만 아니라, 여러 지점의 온도와 습도를 고려하여 시스템 전체를 최적으로 제어함으로써 쾌적성을 유지하면서도 에너지절약을 실현할 수 있다.
상황을 파악하는 데 있어서 중요한 것이 각종 센서 기술이다. 그러나 실내 또는 실외의 여러 장소에 수많은 센서를 설치하여 상황을 감시한다는 생각은 단순하지만 실현만큼은 그렇게 간단치 않다. 센서에 전력을 공급하고 측정한 데이터를 수집하기 위해서는 케이블을 연결할 필요가 있다. 이 경우 도입 비용이 크게 상승하게 된다. 설치할 수 있는 센서의 수도 한정돼 버린다.
물론, 센서에 무선 통신 기능을 탑재하고 동력원으로 일차전지를 사용하는 것도 가능하다. 단, 전지가 수명을 다하였을 때 어떻게 할 것인가가 과제로 남는다. 설치한 수많은 센서의 배터리를 하나씩 교환하게 되면, 유지비용이 크게 상승하게 된다.
무수한 센서에 케이블을 각각 연결하는 것도 현실적이지 않으며, 그렇다고 해서 일차전지를 동력원으로 하는 것도 장기적인 유지보수의 관점에서 곤란하다. 이 과제를 해결할 수 있는 요소기술 중 하나가 ‘에너지 수확 기술’이다.
자동차에서 스마트 그리드까지 폭넓게 활용이 가능한 에너지 수확 기술은 이미 수백 개의 업체들이 참여해 기술개발 및 보급에 박차를 가하고 있다. 미국의 이노베이션 리서치 앤드 프로덕트(Innovative Research and Products)는 에너지 수확 시장이 2009년에 7,950만 달러 규모에서 연간 73.6％로 성장, 2014년에 12억 5,400만 달러에 이를 것으로 예측했다. 또 영국의 시장 조사 회사인IDTech Ex가 최근 발표한 조사 보고서에 따르면, 에너지 수확 시장은 2021년에 44억 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다. 또 올해 에너지 수확에 투입된 금액은 7억 달러에 이를 전망이다. 올해 에너지 수확 기술의 응용 분야는 이미 보급되고 있는 소비가전 제품이 중심이다. 많은 주목을 받고 있는 무선 센서 분야에서는 올 1년간 160만 대에 에너지 수확 기술이 적용돼, 이 분야에서 에너지 수확에 투입된 금액은 1,375만 달러에 이를 전망이다.



그림 1에 나타낸 응용 분야에서 하베스터(harvester)로 가장 많이 이용되고 있는 것은 태양전지와 전자 유도를 이용한 소자다. 이것은 어느 정도 성숙한 에너지 수확 기술이다. 그러나, 이외에도 다양한 신기술이 개발되고 있어서 적용이 곤란했던 분야에도 에너지 수확이 보급되고 있다. 한 예가 열에서 전력을 생성하는 열전자(Thermoelectrics) 기술이다. 미 에너지성(DOE)은 완성차 업체인 BMW, GM과 공동으로 엔진이나 배기가스에서 나오는 폐열을 자동차의 전기 시스템에 사용할 수 있는 전력으로 변환하는 연구를 진행하고 있다. 또한 미 항공우주국(NASA)은 열전 소자를 이용해서 화성탐사선에 전력을 공급하고 있다. 이밖에 소형이면서 고효율을 낼 수 있는 압전 소자를 이용한 에너지 수확 기술도 큰 관심을 모으고 있다. IDTechEx는 태양전지, 전자 유도를 이용하는 하베스터, 열전자, 압전 소자 등을 이용한 에너지 수확 기술이 10년 후에 산업 기기용 센서 시장에서 거의 같은 점유율을 차지할 것으로 예상했다. 그러나, 가전제품 시장에서는 태양광발전의 우세가 이어질 전망이다.
에너지 수확은 각국 정부의 정책에 의해서도 보급이 촉진되고 있다. 예를 들어,  영국은 모든 학교 교실에 CO 센서를 설치하도록 의무화하는 새로운 법률을 제정했다. 미국은 2007년 9월부터 모든 신차에 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS) 장착을 의무화해 현재 센서 및 시스템에 에너지 수확 기술을 적용하려는 연구가 추진되고 있다.

에너지 수확 기술의 이점
에너지 수확은 주변 환경 속에 존재하는 다양한 에너지원을 수집하여 효율적으로 이용하는 기술을 말한다. 평소 의식하지 못하지만 우리 주위에는 다양한 에너지원이 존재한다. 예를 들면, 태양광발전 등과 같이 빛을 전기에너지로 변환하는 장치는 태양광이나 조명광을 에너지로 추출할 수 있다.
주위 환경에 있는 에너지원은 이외에도 기계적인 변위나 진동, 열전위차, 전자파 등이 있다. 태양광을 비롯해 사람이 스위치를 누를 때의 기계적인 변위, 자동차 타이어나 모터의 진동, 산업 플랜트 배관의 열, 휴대전화 기지국이나 방송국에서 방출되는 전자파와 같은 에너지원을 전기에너지로 변환하여 데이터의 무선 전송 등에 사용할 수 있다. 이것이 에너지 수확의 기본 개념이다.
주위 환경에서 에너지를 수집하는 에너지 수확 기술의 이점은 한 마디로 일차전지나 케이블 연결 없이도 센서 데이터를 수집해 무선 전송할 수 있다는 것이다.
일차전지를 사용하면, 수명을 다한 배터리를 새것으로 교체하기 전까지 데이터를 날려버리게 되는 기회 손실이 발생하거나 교환 작업에 시간과 비용이 수반된다. 요즘에는 반도체 부품의 저소비 전력화로 인해 버튼형 전지 한 개로 무선 센서를 운영할 수 있는 시간도 길어졌다. 저소비 전력의 무선 통신 방식을 이용하면 몇 년간 센서를 운영할 수도 있다. 하지만 배터리 자체의 자기방전을 고려하면 10년 이상을 운영하기는 어렵다.
그렇다고 해서 야외에 수많은 센서를 설치하고자 했을 때, 각각 케이블을 연결한다는 것도 현실적이지 않다. 그런 측면에서 에너지 수확 기술은 센서 설치 시 케이블 연결이 필요 없으며 비용도 절감할 수 있다는 점에서 매력적이다.

미약한 전력 문제
많은 이점이 있는 에너지 수확 기술이지만, 주위 환경에 존재하는 얼마 안 되는 에너지원을 다루는 데는 나름의 어려움이 있다.
에너지 수확 기술을 활용한 통신 모듈은 주위 환경에서 전력을 추출하는 하베스터와 전력관리, 축전장치(이차전지), 마이크로컨트롤러(MCU), 무선 통신 회로, 센서 등 여러 블록으로 구성돼 있다. 그림 2에 에너지 수확 시스템의 블록 다이어그램을 나타낸다.



일반적으로 하베스터에 의해 주위 환경에서 수집한 전력은 전력 반도체로 승압/강압 및 안정화한 후 축전장치에 저장된다. 이 저장된 에너지가 마이크로컨트롤러, 무선 통신 회로, 센서 등 데이터를 취득하여 전송하는 회로의 동력원이 된다.
각각의 블록에는 극복해야할 기술적인 과제가 있다. 우선, 하베스터에 주목해 보자. 전력을 생성하는 하베스터는 될 수 있는 한 큰 전력량을 안정적으로 후단에 공급할 수 있어야 한다. 하베스터의 생성 전력은 하베스터의 종류와 크기에 의존하지만, 일반적으로 1 μW~100 mW로 극히 적다. 큰 전력량을 안정적으로 생성할 수 있다면, 후단의 전력관리 블록을 통해 지속적으로 축전장치에 전력을 공급할 수 있고 시스템은 안정화 한다.
그러나 태양광이나 진동, 열, 전자파 등의 환경 에너지원은 항상 일정한 것이 아닌 상황에 따라 바뀐다. 따라서 하베스터가 생성하는 전력도 불안정하고 전력량도 얼마 되지 않는다. 이렇게 불안정하고 얼마 안 되는 전력원을 받아, 축전장치 또는 부하에 전력을 전달해 주는 중개자가 전력관리 블록이다. 하베스터의 공급 능력에 맞춰 효율적으로 전력을 받아 후단에 전달하는 중요한 역할을 담당한다.
전력관리 블록에 요구되는 규격은 다양하다. 우선, 전력관리 블록 자체의 소비전력은 낮고 변환효율은 높아야 한다. 또한 높은 전압값으로 에너지를 출력하는 하베스터는 넓은 입력 전압 범위를 확보하면서 효율적으로 강압하는 DC-DC 컨버터가 필요하다. 한편, 매우 낮은 전압을 출력하는 하베스터는 일정 전압까지 효율적으로 승압할 수 있는 DC-DC 컨버터가 필요하다. 일반적으로 대응하는 입력 전압의 폭이 넓거나, 입력 전압의 절대치가 극단적으로 작으면 변환효율을 높이기 어렵다. 이 점이 에너지 수확을 위한 전력관리 블록의 과제로 지적돼 왔다. 이밖에 경부하 시에도 효율적으로 에너지를 변환하여 전하는 것이나 과부하 시 과전류 보호도 중요하다.



[그림 3] 아날로그 반도체 업체들에게 에너지 수확 시장은 새로운 도전 무대로 떠오르고 있다.
(a) 에너지 마이크로(Energy Micro) 사와 리니어 테크놀로지 사의 스마트 에너지 수확 스타터킷. 스타터킷에 탑재된 리니어 테크놀로지의 DC-DC 컨버터인 LTC3588은 피에조 소자 등의 진동으로부터 획득한 전력을 안정화시키고, 에너지 마이크로 사의 32비트 마이크로컨트롤러 EFM32 Gecko 시리즈는 LCD를 제어하고 3축 가속도계를 감시하며, ZigBeeRF 트랜시버를 통해 데이터를 전송한다.
(b)는 텍사스 인스트루먼트의 태양 발전 전지를 탑재한 개발 킷 eZ430-RF2500-SEH이다.
(c)는 맥심 인터그레이티드 프로덕트의 전력관리 반도체 MAX17710의 데모 킷.
(d)는 실리콘 래버러토리스(Silicon Laboratories)의 태양 에너지 수확 소스로 구동되는 무선 센서 노드 레퍼런스 디자인이다.



전력관리 블록으로부터 전력을 받는 축전장치는 자기방전(누설전류)이 작아야 한다. 얼마 안 되는 에너지를 축전장치에 저장했더라도 자기방전이 크면 사용하기도 전에 방전되기 때문이다. 이밖에 높은 출력밀도, 충분한 수명, 안전성 등 축전장치만의 지표가 있다.
마지막으로, 센서가 측정한 데이터를 제어하고 전송하는 마이크로컨트롤러와 무선 통신 회로 블록은 소비전력이 가장 중요한 지표가 된다. 소비전력은 작을수록 좋다. 무선 통신 회로인 경우에는 수신 감도를 높이면 소비전력은 억제된다.
에너지 수확 기술을 사용하는 시스템의 어려움은 각 블록의 특성뿐만 아니라, 시스템 전체에서 충분한 특성을 확보할 필요가 있다는 점이다.
최근 들어 아날로그 반도체 회사들은 에너지 수확 기술 분야를 새로운 도전 시장으로 주목하고 있다(그림 3). 예를 들어, 리니어 테크놀로지(LTC)는 2009년 12월 자사 최초의 에너지 수확에 특화한 전력 IC인 LTC3108을 출시한 이후, 현재 6종의 제품을 공급하고 있다. 이 중 몇 가지 제품은 최종 제품에 채용되어 양산되고 있다.
에너지 수확 통신 모듈은 아날로그/전력 부품의 성능이 전체의 성패를 좌우한다고 해도 과언이 아니다. LTC3108은 열전쌍, TEG(thermo-electric generator), 심지어 소형 태양열 패널 등의 극히 낮은 입력 전압 소스로부터 잉여 에너지를 수확하고 관리하는 작업을 대폭적으로 간소화할 수 있도록 설계된 초저전압 스텝업 컨버터 및 전력관리기이다. 이의 스텝업 토폴로지는 최저 20 mV에 달하는 입력 전압으로 작동한다. LTC3108은 적게는 1 ℃의 온도 변화로 TEG로부터 에너지를 수확할 수 있다.
텍사스 인스트루먼트(TI)는 에너지 수확을 성장 시장의 하나로 보고 자사의 저전력 마이크로컨트롤러 MSP430과 RF 트랜시버 IC, 전력 IC와 기타 다양한 회로 블록을 제공하고 있다. 각 제품은 에너지 수확에 특화한 것은 아니지만, 에너지 수확에 적합한 특성을 제공한다. 예를 들면, MSP430 시리즈는 전체 아날로그 및 디지털 로직을 포함해 본질적으로 0.9 V로 동작하는 제품과 FRAM을 내장한 제품이 있다. RF 트랜시버 IC는 ZigBee 표준과 IEEE 802.15.4 표준에 기반을 둔 독자 프로토콜, EnOcean Alliance(무선 무전원 제어를 위한 연합)의 독자 프로토콜에 대응한 제품을 제품화했다. TI가 최근 공개한 전력관리 IC인 bq25504는 마이크로와트에서 밀리와트까지의 전력을 관리하고, 추출된 에너지를 리튬이온 배터리, 슈퍼 커패시터와 같은 다양한 저장장치에 저장한다. 특히 일반적으로 330 mV의 낮은 콜드-스타트 전압 특성으로, 어두운 조명에서의 단일 셀 태양광 패널, 낮은 온도 차이를 가진 TEG 뿐만 아니라, 그밖의 저전압 소스를 통해서도 동작을 시작할 수 있다.




맥심 인터그레이티드 프로덕트는 에너지 수확을 위한 자사 최초의 전력관리 IC인 MAX17710을 지난 6월 출시했다. 고체 박막 전지 제조업체인 인피니트 파워 솔루션(Infinete Power Solution, IPS)의 고체 이차전지 THIN ERGY MEC(Micro-Energy Cell)에 최적화하고 있으며, 배터리 충전기 기능 외에도 과전압 보호와 저전압 오동작 방지, 외장형 버퍼 커패시터 관리 기능, LDO 레귤레이터 등의 기능을 집적한 것이 특징이다. IPS 사의 MEC와 같은 박막 배터리(Thin-Film Battery, TFB)는 0.7 mAh 용량을 제공하며 박형으로 1만회 이상의 사이클 수명을 제공하고 안전성이 높아 에너지 수확에 적합한 성능을 갖추고 있다(그림 4). 조도가 200 Lx 수준일 때, 이 TFB는 17.5시간 만에 완전 충전된다.
실리콘 래버러토리스는 올 중순 에너지 수확 시스템을 이용한 무선 센서 노드 레퍼런스 디자인을 발표했다. DC-DC 컨버터가 통합된 Si10xx 무선 MCU 제품군에 기반한 이 레퍼런스 디자인은 산요 AM-1815 태양전지 어레이(200 Lx 조도에서 약 40 μA)로부터 생성된 전류를, 전력관리 회로를 걸쳐 저장하고 있는 TFB로부터 전류를 공급받는다. 슬립 모드에서 이 무선 센서 노드는 7,000시간 동안 충전 상태를 유지할 수 있다. 무선 시스템은 지속적인 전송 상태에서 3시간 연속 동작이 가능하다.

유럽과 미국에서 빠르게 확산
여전히 많은 기술적 과제가 남아 있지만, 에너지 수확 기술은 유럽과 미국에서 빠르게 확산되고 있다. 유럽과 미국의 도입 사례를 소개할 때, 독일의 EnOcean 사를 빼놓을 수 없다. EnOcean의 발표에 따르면, 2009년 3월에 10만 동 이상의 건축물에, 올 6월에는 20만 동 이상의 건축물에 도입 실적을 기록했다.
도입 건수가 가장 많은 분야는 조명제어 및 공조제어 애플리케이션으로 전체의 90%를 넘는다. 사람이 스위치를 눌렀을 때 기계적인 변위를 에너지원으로 제어 신호를 무선으로 날리는 스위치 모듈이 널리 사용되고 있다. 또한 조도 센서와 연동해 조명을 제어하거나 온도 센서나 습도 센서의 데이터를 바탕으로 공조를 제어하거나, 인체감지 센서로 재실자의 유무를 감지하여 기기의 ON/OFF를 제어하는 등 진일보한 시스템 도입도 시작되고 있다.
EnOcean 사의 노력을 언급함에 있어서 중요한 점은 2가지가 있다. 하나는 일찍부터 에너지 수확에 주목하여 이 첨단 기술에 특화한 몇 개의 통신 모듈을 제품화했다는 것이다. 게다가 EnOcean Alliance라고 하는 업계 단체를 설립하고, 자사의 통신 모듈을 널리 알리기 위해 소위 에코 시스템을 구축했다. EnOcean Alliance에는 200개의 회원사가 참여하고 있으며, EnOcean 사의 통신 모듈을 사용한 750개의 최종 제품이 판매되고 있다.
다른 한 가지는 특허에 관한 것이다. EnOcean 사는 하베스터와 무선을 결합한 구성에 관하여 세계 주요 나라에서 여러 개의 특허를 취득했다. 따라서 에너지 수확 시스템을 실용화하는 데 있어서 EnOcean 사의 특허를 피해가기가 그리 쉽지 않을 것이란 전망이다.
그러나, 스위스의 Algra 같은 회사는 날로 발전하는 무선 스위치를 개발하고 있다. 또한 산업 모니터링 분야에서는 EnOcean Alliance의 무선 프로토콜을 적용하기 어렵다는 지적도 있다. 슈나이더일렉트릭과 필립스 등의 연합도 HEMS/BEMS의 유력한 세력이 될 가능성이 있어, 건축물의 에너지관리시스템(HEMS/BEMS) 분야에서 EnOcean 사의 우위를 점치기 힘들다는 것이다. 현재로서는 EnOcean 사의 독무대나 다름없지만, 이러한 상황이 앞으로도 지속될지 속단하기는 아직 이르다는 지적이다.
ST마이크로일렉트로닉스는 프랑스의 어셈블리 기술 회사인 아레이몽(ARaymond)과 독일의 열전장치 전문기업인 마이크로펠트(Micropelt) 사와 공동으로 스마트 센서와 스마트 마이크로시스템을 구동하기 위한 열 에너지 수확 기술 기반 솔루션을 공동 개발했다(그림 5). 에너지 하베스터용 부품들을 개발하고 있는 ST의 고체형 박막 재충전가능 배터리(EnFilm™) 기술과 마이크로펠트의 열전력발생기(TEG) 칩이 결합된 무한 에너지 모듈(Perpetual Energy Module, PEM-TE01)은 전력을 연속적으로 공급하고, 긴 수명의 유지보수가 필요 없는 무선 시스템이다. 아레이몽 사는 마이크로펠트와 협력해 산업용 분야에 적용할 수 있도록 에너지 수확 무선 센서 평가 플랫폼인 TE-Power NODE를 밀봉 패키징하는 기술을 개발했다.


에너지 수확이란
빛 에너지, 풍력 에너지, 열전 에너지, 진동 에너지와 같은 미활용 에너지를 전기 에너지로 전화시켜 수확하는 기술을 말한다. 이러한 친환경 에너지 수확에는 풍력, 태양광, 조력, 수력, 지열, 압전 등이 있다.