에너지 하베스팅, 센서 네트워크로 연결된 IoT를 지탱할 힘

에너지로 에너지를! IoE를 향한 전력 기술 ①
  • 2017년 07월호
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr


에너지를 발산하는 수많은 존재를 제대로 인식하기 시작한 것은 그리 오래되지 않았다. 특히 IoT용 센서, 스마트 기기의 양이 증가함에 따라 이들을 더욱 효과적으로 작동할 수 있는 방법으로 에너지 하베스팅은 주목 받고 있다. 

인도의 시장조사 기관인 모도르 인텔리전스(Mordor Intelligence)는 전 세계 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 시스템 시장이 2015년 2억 4,598만 달러에서 연평균 21.37%로 성장해 2020년이면 6억 4,788만 달러의 규모에 달할 것으로 전망했다. 한편, 마켓앤마켓(MarketsandMarkets)는 2015년 2억 6,860만 달러에서 2022년 9억 7,440만 달러(연평균 성장률 19.6%)로 성장한다고 전망했다.

에너지 하베스팅 기술은 최근에 미국, 일본, 유럽 등 선진국을 중심으로 각광을 받고 있는데, 간단히 말해 에너지를 외부에서 추출해 전기 에너지로 전환해 활용하는 기술이다. 예를 들어, 염도차, 태양력, 풍력, 열에너지, 조력 에너지는 에너지 하베스팅을 위한 원천적 자원이라 할 수 있다. 에너지 하베스팅 기술은 압전효과, 열전효과, 광전효과 등으로 분류할 수 있다. 이러한 기술을 이용해 원천 자원 등으로부터 수확한 에너지는 저장장치에 저작한 후 다양한 전자 장치를 구동하는데 사용할 수 있다.

에너지 하베스팅에서 가장 많이 언급되는 것은 압전효과다. 압전효과는 압전소재를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지를 상호 변환하는 것이다. 쉽게 말해 어떤 물체에 압력이나 진동을 가해 전기를 생성하고 반대로는 전기를 가해 진동을 발생시키는 것이다. 예를 들어, 간단히 TV 리모콘, 구두 뒤꿈치에 압전효과를 적용하면 압력이 가해지는 운동에너지를 통해 전파나 전기신호를 발생시킬 수 있는 전기에너지를 수확할 수 있다.

열전효과는 물체의 온도차를 전위차로, 전위차를 온도차로 전환하는 것이다. 온도가 높으면 전자들은 온도가 낮은 물체의 전자보다 더 높은 운동 에너지를 갖는데, 두 물체가 연결되어 있으면, 고온부의 전자가 저온부로 퍼지면서 전위차가 발생하게 되고, 이 현상을 이용해 전기를 생성하게 된다. 예를 들어, 열전효과를 통해 몸의 체온을 이용해 전기 생산도 가능한데, 피부에 부착한 부분과 공기의 온도차를 이용하면, 스마트밴드의 이용이 가능해진다. 또한 자동차 엔진과 같은 동력장치 및 각종 전자제품 속에서 발생하는 열을 이용해 전력을 끌어내는 연구도 한창 진행 중이다. 

광전효과는 금속 등이 고에너지 전자기파를 흡수할 때 전자를 내보내는 현상을 이용한 것으로, 주로 태양전지에 많이 사용된다. 태양전지는 기본적으로 다른 성질의 P형과 N형 반도체를 접합해 만들어지는데, 외부의 광자가 흡수되면 광자 에너지로 인해 전자와 정공이 만들어진다. 이때 전자는 N형 반도체로, 정공(Hole)은 P형 반도체로 이동한다. 이 이동 원리를 통해 회로에 전류가 흐르게 된다.

최근 새로운 연구모델로 떠오르고 있는 RF(Radio Frequency)는 파장 1 mm~100 km 범위, 진동수 3 KHz~300 GHz까지의 전자기파를 의미한다. 보통 음성 통신과 무선 인터넷, 와이브로 등과 같은 데이터 통신에 사용된다. 이러한 전자기파를 수집해 전기로 바꿀 수 있는데, 이 아이디어는 약 100여 년 전, 미국의 발명가 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)가 허공에 무선으로 전기를 보내는 계획을 세운 데에서 기원을 찾을 수 있다.


도쿄역에 설치된 발전마루는 유동인구가 많은 지역에서 압전소자를 이용해 전기를 생산할 수 있다는 가능성을 확인시켜줬다. 도쿄역의 개찰구 모습

센서에서 에너지 하베스팅의 의미 

에너지 하베스팅 기술을 통해 MEMS 기술을 사용해 에너지를 발전한 작고 독립적인 자율 센서에 저장할 수도 있다. 이들 시스템은 대개 작고 전력이 거의 필요하지 않지만, 배터리 전원에 의존하기 때문에 애플리케이션이 제한적일 수밖에 없었다. 에너지 하베스팅이 2010년대에 크게 주목 받게 된 이유는 평소에는 신경도 쓰지 않았던 버려지는 아주 작은 에너지인 주위의 진동, 바람, 열, 빛, 전자파 등 주변의 작은 에너지를 수확하고 활용하자는 분위기가 확장되어서다.

에너지의 수확이 가능해진다는 의미는 플랜트부터 인간의 몸에 이르기까지 유지관리가 어려웠던 곳을 포함한 모든 곳에 센서를 설치할 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 심방의 압력 차이를 이용해 전력 생산이 가능한 심장 박동기가 좋은 예일 것이다.

에너지 하베스팅에서 가장 주목을 받고 있는 분야는 센서 네트워크다. 다수의 센서가 네트워크를 통해 연결됨으로써 빅데이터를 수집·활용할 수 있는 가능성을 보이기 시작했다. 센서에 에너지 하베스팅 기술을 도입할 경우, 각 센서의 자율성이 높아지면서 전력 비용도 들지 않은 것은 물론이고 전력 공급에 필요한 배선 역시 사라지기 때문에 공사 비용도 대폭 줄일 수 있다. 또한 센서의 설치 자유도도 늘어나 과거에 배선 때문에 설치가 어려웠던 곳까지 설치할 수 있게 된다.

예를 들어, 산악지대의 고압 송전탑처럼 위험하면서도 배터리 교체가 번거로운 곳에 설치된 무선 센서에 에너지 하베스팅을 적용할 수 있고, 위험지역의 화재, 산사태 등을 모니터링할 수 있는 환경 감시 장치 및 산업용 감시 장치, 그리고 교량이나 구조물의 감시 장치 등 전원 문제로 센서 설치가 어려웠던 영역에 적용할 수 있어 모니터링을 통해 재난 등의 피해를 사전에 방지할 수 있다.

전원이 배터리로 이루어져 있는 센서의 경우에는 전원 배선에 대한 불편함은 없겠지만, 대신 배터리 교체가 필요 없어지게 됨으로써 그만큼의 유지보수 비용을 줄일 수 있게 된다.

보통 유선 통신 기술을 활용하는 센서는 전력 배선을 에너지 하베스팅으로 대체하는 것뿐만 아니라 통신의 무선화도 진행되고 있는데, 새로운 무선 통신 기술과 결합되면서 에너지 하베스팅은 더욱 그 진가를 발휘할 것으로 전망되고 있다.



다양하게 발전하는 압전효과 

압전효과에 대한 연구가 선행되어 온 이유는 에너지 변환 효율이 크고 소형화 및 경량화가 가능해 다양한 영역에서 응용이 가능하다는 장점 때문이다. 압전효과는 압전소자 재료의 유연성이나 탄성에 따라 전기량이 달라진다.

매크로(Macro) 압전효과의 경우는 일본과 유럽의 대학이나 벤처기업을 중심으로 많은 연구가 진행되고 있는데, 주로 사람의 왕래가 잦은 곳인 지하철이나 자동차 도로 등과 같이 큰 하중이 가해지는 곳에서 에너지를 얻는 연구가 활발하다.

가장 대표적으로 언급되는 사례는 도쿄역의 사례다. 도쿄역의 개찰구 앞에는 발전마루가 있는데, 도쿄역 이용자들이 밟고 지나가는 지하철역 바닥에서 전기를 얻기 위해 설치한 것이다. 압력을 전기로 바꾸는 압전 소자를 이용한 것으로 게이오대학교의 타케후지 요시야스 교수는 스피커가 전기를 진동으로 바꾸는 것에 착안해 스피커 뒷판에 들어가는 압전소자를 활용했다. 도쿄역은 이용자가 많은 날에는 하루 960 kW의 전력량을 생산하는 것으로 알려져 있다. 

이와 비슷하게 국내에서는 2011년, 한국세라믹기술원과 압전소자 전문기업인 센불 등이 부산 서면역에 압전소자 기반의 에너지 블록을 설치한 바 있다. 한편, 이스라엘에서는 도로, 철도, 공항활주로에 압전 발전기를 설치해 도로를 통과할 때 발생하는 압력, 진동에너지로 신호등, 철도 차단기, 가로등에 전력을 공급하는 기술을 개발해 1 km의 도로에서 시간당 최대 200 kWh의 발전량을 보인 바 있다. 

2016년 11월에 도쿄 요코하마에서 개최된 임베디드 테크놀로지 2016(Embedded Technology 2016)에서 르네사스 이스턴(Renasas Eastern)은 신발 센서를 이용한 교통사고 예방 솔루션 콘셉트를 전시했다. 이 솔루션은 환경 광 센서를 내장한 신발과 게이트웨이로 구성되어 있다.

전파 강도에 따라 대략적인 거리를 측정하게 되는데, 사람이 위험에 처해있는 경우, 게이트웨이를 통해 앞유리에 위험 경고를 표시해주게 된다. 해당 전시품에 대한 르네사스 이스턴의 궁극적인 목표는 사람과 차량의 연결이다. 즉, 자율주행 시대를 대비해 게이트웨이가 모든 장소에 설치된다면, 센서를 이용한 교통사고 예방에 효과적일 것이라는 게 회사 측 의견이다.

눈여겨 볼 부분은 이 안네 내장된 센서가 928 MHz 무선 규격인 EnOcean에 대응한 정밀 진동 발전식 센서라는 점이다. 이 센서의 가장 큰 특징은 에너지 하베스팅 기술을 활용하기 때문에 배터리 없이 센서를 통해 정보를 읽고 무선 통신이 가능하다는 점이다. 르네사스 이스턴은 이 신발 센서의 무선 통신 전송 거리가 실내에서는 30~50m, 실외에서는 200~300m에 달한다고 전했다.

스웨덴 구텐베르크에 위치한 리바이브 에너지(ReVibe Energy)는 진동을 AC 전류로 변환하는 데 중점을 두고 있다. 리바이브의 제품은 모델 A와 모델 D로 구분되는데 두 제품은 진동원에 직접 볼트로 고정할 수 있으며 와이어를 통해 여러 센서에 전원을 공급할 수 있게 설계됐다. 모델 A는 15~100 Hz의 주파수로 150 mW를 생산한다. 모델 D는 모델 A와 같은 주파수대를 활용해 최대 40 mW의 에너지를 생산할 수 있다.

리바이브는 자체 보유한 특허 기술을 활용해 진동을 에너지를 바꾸는 방법으로 전자 유도 방식을 사용하고 있다. 이러한 특허와 기술력에 힘입어 리바이브는 철도, 항공우주 및 건설, 광산 장비 회사들로부터 많은 관심을 받고 있다. 특히 독일 국철인 도이체 반(Deutsche Bahn: DB)과 함께 파일럿 연구를 진행하고 있다. 도이체 반의 5만 트랙(철도) 스위치는 현재 배터리로 작동되는 무선 센서가 장착되어 있다.

이 센서들은 이동 범위를 측정하고 셀룰러 신호를 통해 데이터를 업로드한다. 도이체 반의 스위칭에서 발생하는 다양한 문제는 도이체 반 철도 차량 지연의 20%를 차지하고 있다. 또한 센서에 장착된 배터리는 2년마다 교체해야 했다. 리바이브의 하베스팅 전문가들은 가장 교통량이 많은 트랙을 테스트해 진동으로 충전되는 에너지 하베스팅 기술은 배터리 수명을 연장시키거나 모든 배터리를 대체할 수 있는 지를 확인했다.


리바이브 에너지는 진동을 AC 전류로 변환할 수 있는 기술을 개발, 센서에 전원을 공급할 수 있는 제품을 출시했다. 모델 D(좌)와 모델 A(우) 〈출처: 리바이브 에너지〉

무릎을 굽힐수록 힘이 솟아난다? 

캐나다의 바이오닉 파워(Bionic Power)는 무릎을 구부릴 때 압전소자에서 전기를 생산하는 기술을 이용해 군인용 에너지 하베스팅 장비를 개발했다. 바이오닉 파워에서 개발한 파워워크 키네틱 에너지 하베스터(PowerWalk Kinetic Energy Harvester, 이하 파워워크)를 착용하면 평균 10~12W의 전력을 생산할 수 있다. 한시간을 걸으면 최대 4대의 스마트폰을 충전할 수 있어 백업 배터리를 휴대하는 사용자의 요구사항을 줄이고 현장에서 배터리를 공급해야 하는 필요성도 줄였다. 이 기술로 바이오닉 파워는 2016년 5월 26일, 국방부와 JIC-P 프로그램에서 현장 시험을 현장 시험을 위한 파워워크의 소량 공급에 대한 125만 달러의 공급 계약을 체결했다.

바이오닉 파워의 CEO인 야드 가차(Yad Garcha)는 “전 세계 군대 조직은 체중을 줄이기 위한 방법을 찾고 있는데, 파워워크를 착용하면 배터리 중량을 줄이는 동시에 통신, 항법, 광학 분야에서 지속적으로 생명을 구할 수 있는 힘을 제공하게 된다”고 말했다.

미군의 JIC-P 프로그램의 목적은 물자 보급 문제를 줄이고 자급 자족력을 높이기 위해 보병에 힘을 공급하는 시스템을 개발하고 테스트하는 것이다. JIC-P 프로그램은 혁신과 게임을 바꾸는 제품과 서비스 부문에서 탁월함과 리더십을 인정받아 2016 에디슨 어워드(2016 Edison Award)를 수상했다.

JIC-P 프로그램의 중요한 구성요소인 파워워크는 병사의 움직임 전체를 수용할 수 있도록 설계된 경량의 다리에 장착된 외골격이자, 하이브리트 차의 회생제동(Regenerative Braking)과 같은 방식으로 걸을 때 생기는 운동에너지를 전기에너지로 바꿔 에너지를 수확한다.

파워워크의 온보드 마이크로프로세서는 파이오닉 파워의 독자적인 제어 소프트웨어를 사용해 착용자의 걸음걸이를 분석해 최소한의 노력으로 최대한의 힘을 만들어내는 시점을 정확하게 결정한다. 한편 평지에서 파워워크는 전력을 수확하기 위해 사용자에게 최소한의 노력을 요구한다. 파워워크의 주목적이 발전이지만 내리막을 걸을 때 근육 피로를 줄여주고 신진대사를 쉽게 해주며 부상의 가능성을 줄여주기도 한다.

미 육군 내틱 병사 연구센터(US Natick Soldier Research)의 개발 엔지니어 센터(Development and Engineering Center: 인간 병사 체계 탐색 개발을 위한 전문 연구기관)의 시스템 엔지니어인 노엘 소토(Noel Soto)은 “병사는 일반적으로 72시간의 미션에 16~20파운드(약 7.2~9 kg)을 운반한다”며 “만약 병사가 웨어러블 에너지 하베스팅 기기로 힘을 얻을 수 있다면, 이는 우리가 병사 등 뒤의 무게를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 현장 보충에 대해 유닛 의존도를 최소화해 임무 수행의 기간과 효과를 확대할 수 있게 만든다”고 분석했다.
바이오닉 파워는 2017년 중반부터 해병대와 육군과 함께 파워워크 장치에 대한 공동 테스트를 시작한다.

버지니아 주 달그렌(Dahlgren)에 위치한 미 해군 수상전연구센터(NSWCDD: Naval Surface Warfare Center)에서 JIC-P 기술을 이끌고 있는 에릭 사우스(Eric South)는 “현장 시험은 해병대와 육군 모두에게 미래의 소형 유닛의 전력 프로그램을 결정하는 데 중요한 역할을 한다”며 “우리는 군대를 전력으로부터 독립시킬 수 있는 기술과 시스템을 발전시키기 위해 기본적인 훈련에 대한 데이터와 직접적인 피드백이 필요하다. 이 기술과 시스템은 소비하는 만큼 전력을 생산하고 관리하는 것”이라고 설명했다.
또한 이러한 현장 시험은 바이오닉 파워가 파워워크의 대량생산을 준비하는 데 중요한 역할을 한다.

가차 CEO는 “모든 군 고객은 배터리와 커넥터에 대한 기술 사향부터 패딩에 보이는 위장 방식에 이르기까지 파워워크에 대한 요구사항이 다르다”며 “실제 테스트를 위해 여러 장치를 배포하는 것은 제품의 개발과 개선을 지원할 뿐만 아니라 생산 능력을 발전시킬 수 있으므로, 미래에 대규모 배치에 대비할 수 있다”고 말했다.


▲ 바이오닉 파워는 미 국방부와 함께 JIC-P 프로그램에 참가해 군인이 걸을 때마나 에너지를 생산하는 파워워크 제품의 현장 시험을 진행하고 있다. 〈출처: 바이오닉 파워〉

스스로 충전하는 LED 

빛으로부터 에너지를 수확하는 기술도 개발됐다. 캐나다의 위비콤(Wibicom)은 다양한 센서로 제공되는 태양광 수확기와 안테나를 제품화했다. 위비콤의 엔비로(ENVIRO)는 약 5 cm의 원형 태양광 수확기 및 안테나로, 온도, 습도, 압력 및 가속도와 같은 환경 데이터를 감시하고 보고할 수 있다.

BLE 무선 및 센서에 공급하는 전력의 최대 충전량은 13 mW다. 엔비로의 가시선을 이용한 데이터 전송 가능 범위는 100m이며, 완전히 어두운 어둠 속에서도 완전 충전 시 최대 2개월까지 사용할 수 있다. 엔비로보다 작은 무브 하베스터(Move Harvester)는 태양광으로 구동되는 비콘으로, 활동 감지를 위한 가속도계다.

한편, 미국 일리노이대학(Universityof Illnois)과 다우케미칼 전자재료그룹 연구팀은 2017년 2월 10일자 사이언스(Science)지에 새로운 인터랙티브 기능과 멀티태스킹 기기를 가능하게 하는 박막 필름에 배열된 나노노드로 만들어진 LED를 개발했다고 발표했다. 이 개발로 휴대전화나 기기는 조만간 접촉 없이 제스처로 제어하며 빛을 방출하고 감지할 수 있는 새로운 LED 어레이로 주변 빛을 이용해 스스로 충전할 수 있게 됐다.

연구진은 크기 조절로 다양한 빛을 낼 수 있는 수십~수백 나노미터의 반도체 결정인 양자점을 나노막대 양쪽에 배치하고 이를 반도체 물질로 연결한 아령 모양의 나노막대 양자점을 만들었다.

이 LED는 주변 빛을 감지해 화면 밝기를 스스로 조절하는 디스플레이는 물론, 자체 충전이 가능한 디스플레이, 접촉하지 않고 조작할 수 있는 인터페이스, 빛으로 글씨를 쓰는 스크린 등 다양한 응용이 가능해질 것으로 보인다.

심문섭 박사는 “빛에 반응하는 방식은 태양전지와 같다. 우리는 사용자와 장치 또는 디스플레이간 상호작용을 향상시키고 빛을 수확하기 위해 디스플레이를 사용할 수 있다”며 “기기에서 주변 빛을 모으고 충전한다고 생각해보면, 추후에는 별도의 태양 전지나 배터리, 충전기가 필요 없어질 것이다. LED 성능을 저하시키지 않으면서 전력을 수확할 수 있는 특성을 향상시켜 디스플레이의 상당한 전력이 어레이에서 나오게 될 것”이라고 전망했다.


▲ 일리노이대학과 다우케미칼에서 개발한 이중 기능 나노노드 LED는 다기능 디스플레이 구현이 가능하다. 사진은 이중 기능 LED를 이용해 빛으로 글을 쓰는 모습 〈출처: 미 일리노이대학 심문섭 박사〉

전선에 흐르는 한줄기의 전기까지 모으겠어! 

한전 전력연구원은 지난 3월, 배전설비 관리를 위한 IoT용 무선센서에 외부와 연결된 전원선이나 전지 등을 사용하지 않고 전원을 공급할 수 있는 IoT 무선센서용 에너지 하베스팅 전원장치를 개발했다. 한전은 변압기 및 스위치 등 각종 배전 설비의 원격 관리를 위해 배전 가공선로, 전주 등에 IoT 무선 센서를 설치해 운영 중이다. IoT 무선센서는 전원으로 배터리를 사용하지만, 수명이 1개월로 짧아 사람이 직접 교체해야 하는 등 높은 유지비용이 필요하다. 이에 센서의 무선통신 출력을 줄이거나 낮은 빈도로 데이터를 취득하는 등의 방법으로 배터리의 수명을 늘려왔다.

전력연구원에서 개발한 IoT 무선센서용 에너지 하베스팅 전원장치는 배전용 전선에서 발생하는 전자계를 전력으로 변환하고 IoT 센서에 공급함으로써 IoT 센서의 전지를 제거하는 것은 물론, 충분한 전원 공급으로 무선통신 거리를 늘리고 센서의 기능을 확대하게 된다.
특히 변류기(Current Transformer)와 마찬가지로 배전용 전선에 흐르는 교류를 이용하고 IoT 무선센서에 필요한 전력을 생산하는 원리를 이용, 관통형 방식과 진동, 방수방진 설계를 적용해 배전용 전선에 직접 설치할 수 있다.

배전선로에 연결된 소비자의 전력소비에 따라 최대 250A까지 시시각각 변하는 배전선로의 전류로부터 5W와 30W 용량의 전력을 안정적으로 공급하도록 제작되어 무선센서 및 통신용 게이트웨이 등 IoT 설비가 요구하는 전력공급이 가능해졌다. 전력원구원은 7월까지 고창전력시험센터에서 각종 무선센서와 IoT용 전원장치를 일체화한 무선센서 노드의 성능시험을 마치고 2018년까지 장기 신뢰성 검증을 거쳐 사업화할 예정이다.


▲ 한전 전력연구원에서 개발한 IoT 무선센서용 에너지 하베스팅 전원장치 〈출처: 한전〉

에너지 하베스팅은 기술적 측면에서 한계가 반드시 존재한다. 더 많은 분야에 적용하기 위해서는 발전효율, 내구성, 유지보수 문제 등을 해결해야 하기 때문이다. 조명을 켜거나 간단한 데이터를 전송하는 용도로는 충분히 사용가능하지만, 이를 발전용으로 활용하기에는 한계가 있다. 

하지만 웨어러블 배터리에 적용가능한 기술이 등장하고, 실제로 배터리 충전이 필요 없는 스마트워치가 등장한 사례 등은 인간의 몸, 주변 환경 등에서 에너지를 수확해 기기의 에너지원으로 사용할 수 있다는 가능성을 보여줬다. 따라서 향후 다양한 대안적 기술이 더욱 등장하고 기업의 참여가 높아진다면, 웨어러블 기기나 센서는 물론이고 환경, 국방, 자동차 등에서도 에너지 하베스팅 기술을 사용할 수 있을 것으로 기대한다.

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