수십억 개의 IoT 기기들은 위치와 애플리케이션에 관계없이 상시 전력을 공급 받아야 한다는 것이다. 현재 이러한 제약의 해법이 될 수 있는 새롭게 떠오르는 해결책이 에너지 하베스팅이다. 이 기술을 사용하면 에너지를 주변 환경에서 포획하여 전기로 바꿀 수 있다.



우리 주변의 수많은 사물에-전구, 가전기기, 자동차에서부터 의료용 센서, 산업 장비, 심지어 전체 도시에 이르기까지- 지능이 빠르게 확산되면서 사물 인터넷(IoT)이 거침없이 성장하고 있다. 시장조사기관 가트너(Gartner)에 따르면 2020년 네트워크에 연결된 IoT 노드의 수가 204억 대에 이를 것으로 예상되며, 이는 현재 전 세계 인구의 몇 배나 되는 수치이다.

그러나 사물 인터넷 성장에 장애물이 없는 것은 아니다. 과제의 하나는 이러한 수십억 개의 IoT 기기들은 위치와 애플리케이션에 관계없이 상시 전력을 공급 받아야 한다는 것이다. 또한 주기적으로 배터리를 교환하기 위한 비용과 인적 자원이 필요하다. 이러한 기기에서 추가되는 모든 에너지 수요가 환경에 미치는 영향 또한 고려해야 한다.

IoT, 상시 전력 공급 받으려면

현재 이러한 제약의 해법이 될 수 있는 새롭게 떠오르는 해결책이 에너지 하베스팅이다. 이 기술을 사용하면 에너지를 주변 환경에서 포획하여 전기로 바꿀 수 있다. 에너지 하베스팅은 그대로 두면 버려지는 주변광, 진동, 열, RF와 같은 수많은 가능한 에너지원을 이용할 수 있다.

사물 인터넷과 관련하여 에너지 하베스팅의 목표는 많은 양의 전력을 생산하는 것이 아니라 찾을 수 있는 모든 곳에서 소량의 에너지를 모으는 것이다. 예를 들어 주변광에서 수확되는 전력은 광원이 실외 또는 실내인지에 따라 보통 10μW/㎠에서 10mW/㎠사이이다. 사람이 움직일 때 생산되는 에너지는 4μW/㎠ ~ 100μW/㎠ 수준이다. 여기에서도 에너지원(사람 또는 기계)에 따라 달라진다. 마찬가지로 인체에서 끌어 올 수 있는 열 에너지는 약30μW/㎠이고, RF에서는 약 0.1μW/㎠를 얻을 수 있다.

간단히 말해서 에너지 하베스팅은 기업이 사물 인터넷을 진정으로 활용해 배터리에 낭비되었을 비용과 시간을 절약할 수 있게 한다. 시장조사기관 IDTechEx는 전세계 연간 에너지 하베스팅 사업이 2022년에는 50억 달러를 넘어설 것으로 전망했다. 하지만 향후 성장 전망을 고려할 때 기술은 어떻게 전개될까?

에너지 하베스팅 시스템의 기본 요소

기본적으로 에너지 하베스팅은 수집, 조정, 저장의 3단계 과정을 거친다. 트랜스듀서가 에너지원(주변광, 열, 진동, 압력, RF 등)에서 에너지를 포획하고 전기 에너지를 출력한다. 다음으로, 전력 관리 IC가 들어오는 전기 전압을 부하에 맞춰 조정한 다음 저장 디바이스에 전달한다. 저장 장치(보통 슈퍼커패시터)는 저전력, 단속적 주 에너지원, 고전력, 그리고 연속적인 부하 사이에서 버퍼 역할을 한다.

주 에너지원에 따라 에너지 하베스팅 시스템은 다른 종류의 트랜스듀서를 사용한다. 예를 들어 광전 에너지 하베스터는 실외와 실내에서 광 에너지를 포획하여 소비자용 및 산업용 애플리케이션에서 배터리를 보충하고 아예 제거할 수 있다. 마찬가지로 압전 트랜스듀서는 압력이나 움직임으로부터 기계적으로 응력을 받을 때 전압을 발생시킨다.

이러한 트랜스듀서는 자동차, 항공기, 자동화 장비, 심지어 인체에서 주변의 모든 진동을 사용하여 수많은 사물 인터넷 기기에 전력을 공급할 수 있다. 미드(Mide)에서 출시한 PPA-1021은 0.74mm 두께의 압전 트랜스듀서로 진동 에너지를 포획하여 28.2V에서 4.5mW의 DC 출력을 발생시킨다.

폐열을 활용하는 열전기 트랜스듀서는 2종의 다른 금속의 접합부에 온도 차가 존재할 때 전력을 발생시킨다(제벡 효과 현상). 마이크로펠트(Micropelt)의 TE-CORE 열 하베스팅 모듈은 국지적으로 사용 가능한 폐열을 포획하여 전기로 변환하도록 설계됐다. 10°C 미만의 온도 차에서 동작하는 이 디바이스는 1.8V ~ 4.5V 사이에서 구성 가능한 출력을 제공한다.

하베스트 전력 관리

연결된 부하에 맞춰 수확된 에너지를 조정하고 안정적인 전원 공급을 유지하려면 에너지 하베스팅 디바이스는 일정한 형식의 전력 관리 IC(PMIC)를 포함할 필요가 있다. 초저전력을 요구하는 곳에 사용하도록 설계된 사이프레스(Cypress) S6AE101A 에너지 하베스팅 PMIC는 각각 단 250nA 및 1.2μW의 동작 전류와 스타트업 전력을 필요로 한다.



이 칩을 통해 초소형 태양 전지는 약 100lx의 낮은 밝기 조건에서도 IoT 기기를 구동하는 데 적절한 전력을 공급할 수 있다. 그림 1에서 보듯이 디바이스는 내장된 스위치 제어를 사용하여 출력 커패시터에 생산된 전력을 저장한다. 태양 전지의 전력이 연결된 부하에 충분하지 않을 경우 배터리 예비 전원으로부터 전력을 보충한다. 과전압 보호(OVP) 기능이 통합된 배터리 없는 무선 센서 노드 솔루션으로 제공되는 이 디바이스의 애플리케이션으로는 HVAC용 센서, 조명 및 보안 시스템 및 블루투스 스마트 센서 등이 있다.

아나로그디바이스(Analog Devices)의 LTC3588-2는 압전, 태양광 또는 자기 트랜스듀서에 직접 인터페이싱 하도록 설계된 또 다른 에너지 하베스팅 PMIC이다. 이 디바이스는 전압 파형을 정류하고 수확된 에너지를 외부 커패시터에 저장한다. 내부 션트 레귤레이터를 통해 모든 여분의 전력을 가져오면서 고효율 나노전력 동기식 벅 레귤레이터를 이용하여 출력 전압을 조절한다.

디바이스는 4가지 선택 가능한 출력 전압 3.45V, 4.1V, 4.5V 및 5.0V로 최대 100mA의 연속 출력 전류를 공급할 수 있다. OVP를 제공하기 위해 칩은 20V로 설정된 입력 보호 션트를 포함한다. 디바이스는 타이어 압력 센서와 모바일 자산 추적 등에도 사용할 수 있다.



맥심(Maxim)은 마이크로전력 저장 셀을 충전하고 보호할 수 있는 부스트 레귤레이션 회로를 통합한 MAX17710 PMIC를 제공한다. 12핀 UTDFN 패키지로 제공되는 이 칩은 에너지 하베스팅에서 흔히 볼 수 있는 적절히 조절되지 않은 소스에 최적화되었으며, 0.75V와 같이 낮은 전압 레벨을 적용할 수 있다. MAX17710은 출력 값이 1μW ~ 100mW 범위이지만, 과충전 보호를 위한 내부 레귤레이터도 포함한다.

목표 애플리케이션에 공급되는 출력 전압은 3.3V, 2.3V 또는 1.8V의 선택 가능한 전압을 갖는 저전압 강하(LDO) 선형 레귤레이터를 사용하여 조절한다. 출력 레귤레이터는 선택 가능한 저전력 또는 초저 전력 모드에서 동작할 수 있어 셀의 전류 소모를 최소화한다.

상시 적절한 전력 공급

에너지 저장 용량이 매우 큰 슈퍼커패시터는 에너지 하베스팅에 의존하는 기기의 연속적인 부하에 안정적인 전력을 공급한다. 높은 정전용량 수준을 제공하는 무라타(Murata)의 DMH 슈퍼커패시터 시리즈는 이러한 기기를 위한 에너지 버퍼 및 피크 전력 보조 장치 역할을 한다.

20mm×20mm×0.4mm 패키지에 35mF 정전용량, 4.5V 정격 전압 및 300mΩ ESR(Electro-Static Resistance)를 제공하는 이 슈퍼커패시터는 공간과 배터리 수명이 제한된 애플리케이션에 적합하다. 디바이스는 종이처럼 얇은 폼팩터로 코인 셀 배터리 아래, 스마트 카드 내부 또는 디바이스 스크린 뒤에 배치할 수 있다. 주요 애플리케이션으로는 웨어러블 기술, 소매 시스템, 이북 리더, 로우 프로파일 I/O 스마트 기기 등이 포함된다.



새로운 제품 개발

TI에서 출시한 태양광 에너지 하베스팅 개발 툴 eZ430-RF2500-SHE는 영구적으로 전력을 공급받는 무선 센서 네트워크를 설계 엔지니어가 개발하고 테스트할 수 있게 한다. 초저전력 MCU로 구동되는 이 툴은 고효율 태양광 패널을 포함하고 있어 실내 조명 조건에서도 추가적인 배터리 필요 없이 무선 센서 애플리케이션을 실행하기에 충분한 전력을 제공한다.

뷔르트 일렉트로닉스(Wurth Electronics)의 To Go Kit은 단일 패키지에 에너지 하베스팅, 에너지 관리, 저장을 제공하는 또 다른 완벽한 개발 툴이다. 키트는 2개의 에너지 하베스팅 소스로서 태양 전지(32mm×50mm)와 열 발전장치(40mm×40mm)를 포함하며, 48MHz ARM Cortex™ M3 코어를 사용하는 EFM32 자이언트 게코(Giant Gecko) MCU를 탑재한다.

새로운 애플리케이션 가능성

에너지 하베스팅 기술이 거의 모든 곳에서 녹색 에너지를 약속함에 따라 연구자들은 새로운 애플리케이션 가능성을 바쁘게 탐색하고 있다. 일례로 미시건 대학 과학자들은 인간의 심장 박동에서 에너지를 수확하여 심장 박동기나 이식된 제세동기에 전력을 공급하는 장치를 개발함으로써 기술의 심장부에 도달했다. 이러한 개발은 중요한 의료 기기의 주기적인 배터리 교체 및 관련된 위험과 번거로움을 모두 없애줄 수 있다.

동일 선상에서 연구자들은 인체의 열, 움직임, 진동에서 발생하는 에너지를 수확하여 이식 가능한 IoT 기기의 전력 요구사항을 지원하는 연구도 진행 중이다. 에너지는 우리 주변에 풍부하게 존재하지만, 현재 사용 가능한 전력으로 전환되지 않고 있다. 에너지 하베스팅은 이러한 간극을 메우고, 그 결과 우리의 모든 미래의 시도에 중요한 역할을 하게 될 것이다.