우리 주변에는 풍부한 환경 에너지(ambient energy)가 존재하며, 에너지 하베스팅을 위한 전통적인 접근법은 태양광 패널이나 풍력발전기를 통한 것이었다. 하지만, 새로운 하베스팅 도구는 다양한 주변 에너지원으로부터 전기에너지를 생산할 수 있다. 또한 하베스팅 도구는 회로의 에너지 변환 효율이 아닌 이것에 전력을 제공할 수 있는 “평균 하베스팅” 에너지의 양이 중요하다.

글 | 토니 암스트롱 (Tony Armstrong) <tarmstrong@linear.com> 제품 마케팅 이사 전력제품 사업부 리니어 테크놀로지 코포레이션

예컨대 열전 발전기는 열을, 압전 소자(piezo element)는 기계적인 압력이나 진동을, 광전 변환 소자는 태양광(또는 모든 광원)을 전기로 변환하고, 갈바닉 소자(galvanics)는 습기로부터 에너지를 만들어낸다. 이를 통해 원격 센서에 전력을 공급하거나 커패시터, 박막 전지 등과 같은 저장장치를 충전할 수 있기 때문에 현지 전원 없이 원격에서 마이크로프로세서나 트랜스미터에 전력을 제공할 수 있다. 이것은 리니어의 에너지 하베스팅 제품이 가능성 있는 솔루션으로서 사용될 수 있는 기회를 제공한다.
표 1은 이 분야를 위한 리니어 테크놀로지 제품을 정리한 것이다:





표 1에 제시한 각각의 제품은 주변 에너지원의 형태에 따라 최적의 솔루션으로 이용할 수 있도록 지원하는 특수한 기능과 성능 기준을 제공한다. 일반적으로 다음과 같은 특성을 포함하고 있다:

- 낮은 대기 정지 전류 - 일반적으로 6μA 이하, 최소 450nA
- 낮은 스타트업 전압 - 최소 20mV
- 높은 입력 전압 성능 - 최대 34V 연속 전압 및 40V 과도 전압
- AC 입력 처리 성능
- 다중 출력 성능 및 자동 시스템 전력관리
- 자동-극성(auto-polarity) 동작
- 태양광 입력(solar input)을 위한 MPPC(Maximum Power Point Control)
- 최소 1 °C의 온도 차이(temperature delta)에서도 에너지를 수확할 수 있는 성능
- 최소한의 외부 부품을 통해 소형 솔루션 풋프린트 제공

 

성장 동력
운영비용을 증가시키는 에너지 지침과 녹색운동의 성장으로 에너지 하베스팅 애플리케이션에 대해 무선 센서 네트워크(WSN)의 도입이 가속화하고 있다. 이전 WSN 제품(산업 장비, 농업, 구조물 건전성 감시)는 별개의 시장으로 존재했지만 개발을 단순화시키고 새로운 참여자들을 끌어들이고 혁신을 장려하기 위해 IP-기반 플랫폼을 통해 센서 네트워크를 단일화시키기 위한 교차 산업 활동이 진행되고 있다. 주석: WSN은 물론 무선 센서 노드를 의미할 수도 있으며, 그 사용방법에 따라 단일 또는 다중 구성을 가질 수 있다.
WSN은 최대 80%까지 설치비용을 절감하면서 유선으로는 불가능했던 다양한 애플리케이션을 지원할 수 있는 기술로서 건물을 보다 에너지 친화적이면서 “스마트”하게 변화시킬 수 있다.
센서를 거의 모든 곳에 설치할 수 있다는 측면에서 특정 크기의 건물들은 에너지 소모를 최적화시키고 안전성과 보안성을 향상시키면서 운영비용을 절감할 수 있다. 주의할 것은 건물의 경우에 HVAC는 기존 WSN 설비의 2/3로 구성되며, 다음으로 조명과 액세스 제어로 이어진다. 배터리 전원을 사용하거나 주변 에너지를 이용해 전력을 제공하거나 이 둘을 조합하여 전원을 공급해야 하는 1,500만 개의 무선 센서 노드가 향후 5년 내에 설치될 것이라는 것을 예측할 수 있다(출처: ON World Inc.).
이러한 성장 전망을 지지하듯 iRAP 사가 최근 출간한 보고서인 ‘EN105: 무선 스위치 및 무선 센서 네트워크를 위한 초저전력(마이크로와트) 에너지 하베스팅’에 따르면, 초저전력 에너지 하베스팅 장치에 대한 세계 시장은 2009년 기준 7,950만 달러 규모이며, iRAP는 73.6%의 연평균 성장률로 성장하여 2014년에 12억 5,000만 달러 규모에 달할 것이라고 추가적으로 예상하고 있다.
결과적으로 우리는 이 분야 또는 신재생 에너지, 에너지 하베스팅 등의 특수한 솔루션 요구를 지원할 수 있는 제품에 대해 방대한 시장이 존재하고 있다고 믿고 있다. 이것이 바로 이용 가능하면서 비용 효과적인 솔루션을 지원할 수 있는 최적의 기능 세트를 제공하는 특수한 제품들을 개발하기 위해서 리니어 테크놀로지가 시간과 자원을 투자하고 있는 이유다.

녹색 전력의 기회
녹색 에너지 또는 에너지 하베스팅을 겨냥한 모든 제품은 2012년 이후 성장 기회를 맞게 될 것이다. 에너지 비용과 환경에 대한 관심뿐만 아니라 모바일 기기를 위한 배터리 수명 연장에 대한 요구로 인해 다양한 애플리케이션을 위한 전력 최적화에 초점을 맞추고 있다. 리니어의 에너지 효율 제품은 고객들이 전력을 보다 효율적으로 변환하고 보다 낮은 전력을 소모하여 배터리 수명을 연장시킬 수 있도록 지원한다.
소비자들이 에너지 소모를 낮추면서 보다 많은 시간을 야외에서 보낼 수 있는 방법을 찾고 있기 때문에, 휴대형 태양광-전원 전자기기를 위한 시장이 지속적으로 성장하고 있다. 태양광 전력은 가변적이고 신뢰할 수 없기 때문에 거의 모든 태양광-전원 기기들이 2차 전지를 사용한다. 확실한 것은 이들 배터리를 보다 신속하게 충전하여 그 충전 상태를 유지하기 위해서 가능한한 많은 태양광 전력을 추출하는 것이 목표라는 것이다.
하지만, 태양전지는 본질적으로 비효율적인 소자이며 최대 출력 전력 지점을 가지고 있기 때문에, 이 지점에서 동작 하도록 하는 것이 확실한 설계 목표다. 문제는 최대 출력 전력의 IV 특성이 조명과 함께 변화한다는 것이다. 단일-크리스털 태양전지의 출력 전류는 조명의 강도에 비례하는 반면, 최대 전력 출력 조건에서 이것의 전압은 상대적으로 일정하다. 해당 조도에 대한 최대 전력 출력은 고정-전압 소자에서 고정-전류 소자로 셀이 전환되는 각 곡선의 무릎(knee) 정도에서 나타난다. 따라서 태양광 패널로부터 전력을 효과적으로 추출하는 충전기 설계는 조명 수준이 충전기의 전체 전력 요구사항을 충족시킬 수 없을 경우에 패널의 출력 전압을 최대 전력 지점으로 조정할 수 있어야만 한다.
녹색 전력은 에너지 하베스팅을 통한 에너지 생성이 제한될 뿐만 아니라, 동일한 기능을 수행하는데 보다 적은 에너지를 사용하는 것 역시 마찬가지다. 이것이 이미 상당한 영향을 미치고 있는 분야 중 하나는 디지털 시스템 전력 관리이다. 디지털 전력 관리가 올바르게 수행되었다면, 예를 들어 네트워크 장비의 경우에 이를 통해 데이터 센터 전력 소모를 낮추고 시장 출시 일정을 단축시키며 탁월한 안정성과 과도응답 특성을 제공하여 전체 시스템 신뢰성을 증대시킬 수 있다.
네트워크 장비의 시스템 아키텍트는 시스템의 데이터 처리 용량과 성능을 증대시키면서 기능을 추가하도록 압박을 받고 있다. 이와 동시에 시스템 전체 전력 소모를 낮추도록 압박을 받고 있다. 데이터 센터의 경우 작업 플로를 재조정하고 충분히 활동되지 않은 서버로 작업을 이동시켜 다른 서버를 셧다운 시킬 수 있도록 함으로써 전체 전력 소모를 낮추는 것이 기술과제이다. 이러한 요구를 충족시키기 위해서는 반드시 최종-사용자 장비의 전력 소모 특성을 파악해야 한다. 제대로 설계된 디지털 전력관리 시스템은 사용자에게 전력 소모 데이터를 제공하여 똑똑한 에너지 관리 관련 의사결정을 할 수 있도록 지원한다.
또한, 디지털 전력 시스템 관리의 실질적인 이점은 설계비용을 절감하고 타임-투-마켓을 단축시킬 수 있다는 것이다. 직관적인 GUI(Graphical User Interface)를 제공하는 포괄적인 개발 환경을 통해 복잡한 멀티-레일 시스템을 효과적으로 개발할 수 있다. 이와 같은 시스템들은 점퍼 선을 사용한 회로 수정 대신에 GUI를 통한 변경을 지원하여 ICT(In-Circuit Testing) 및 보드 디버깅 작업을 단순화시킨다. 다른 이점으로는 실시간 원격 측정 데이터를 통해 전력 시스템 고장을 예측하여 예방적인 측정 방법들을 지원할 수 있다는 것이다. 아마도 가장 중요한 것은 디지털 측정 기능을 제공하는 DC/DC 컨버터를 통해 설계자들이 POL(Point of Load), 보드, 랙 등은 물론 심지어 설치 수준에서 최소한의 에너지만을 사용하면서 목표 성능(연산 속도, 데이터 전송속도 등)을 충족시키는 “녹색” 전력 시스템을 개발할 수 있기 때문에 인프라 비용과 전체 제품 수명 기간 동안의 총 소유 비용을 낮출 수 있다는 것이다.
리니어 테크놀로지의 LTC3880은 전력 FET 게이트 드라이버와 I2C-기반 PMBus를 통해 접근 가능한 포괄적인 전력 관리 기능을 통합한 듀얼 출력 동기식 스텝-다운 DC/DC 전류 모드 컨트롤러이다. 제품의 정밀 레퍼런스와 온도-보상 아날로그 전류-모드 제어 루프는 ±0.5% DC 정확도, 동작 조건들에 상관없이 보정되는 간편한 보상 기능, 사이클별 전류 제한 기능, “디지털” 제어 기능을 사용하는 제품들에서 나타나는 ADC 양자화(quantization)-관련 에러가 없는 신속하고 정확한 라인 및 부하 과도현상에 대한 전류 공유 및 응답 특성 등을 제공한다. LTC3880는 입/출력 전압 및 전류, 듀티 사이클, 온도 등에 대한 디지털 판독 값을 제공하는 16비트 데이터 획득 시스템을 통합하고 있다. 또한 고장 직전의 컨버터 동작 조건의 상태를 저장하는  “블랙 박스(black box)” 리코더와 인터럽트 플래그를 통한 고장 기록 기능을 포함하고 있다. 리니어 테크놀로지의 LTpowerPlay™ 개발 소프트웨어와 GUI 인터페이스를 통해 멀티-레일 시스템 개발도 가능하다.

얼마나 많은 전력이 있는가?
진동 에너지 하베스팅 및 실내 광전 변환 전지를 예로 들어, 첨단 상용 에너지 하베스팅 기술들은 일반적인 동작 조건 하에서는 밀리와트 단위의 전력 수준을 생성한다. 이와 같은 전력 수준은 매우 제한적으로 보일 수 있지만, 수년에 걸쳐 하베스팅 소자가 동작하기 때문에 기술이 에너지 공급 및 제공되는 에너지 단위당 비용 측면 모두에서 장수명 1차 전지와 거의 대등하다고 할 수 있다. 뿐만 아니라, 에너지 하베스팅 기능을 통합하고 있는 시스템은 일반적으로 방전 후에 재충전될 수 있지만, 1차 전지를 통해 전력을 공급받는 시스템은 그렇게 할 수 없다.
주변 에너지원으로는 빛, 온도 차이, 진동 빔(vibrating beam), 전송되는 RF 신호, 그리고 트랜스듀서(trans
ducer)를 통해 전하를 생성할 수 있는 그 외 다양한 에너지원들이 있다. 표 2는 다양한 에너지원으로부터 생성할 수 있는 에너지의 양을 제시한 것이다.



이러한 전력 수준이 시스템 채용에 적합한 수많은 애플리케이션이 있다. 이 글에서는 몇 가지 사례만을 제시한다.

1) 항공 충돌 센서
2) 자동차 디밍 윈도우
3) 교량 모니터
4) 빌딩 자동화
5) 전기 사용량 계량기
6) 가스 센서
7) 헬스 모니터
8) HVAC 제어
9) 조명 스위치
10) 원격 파이프라인 모니터
11) 시계
12) 용수 계량기

결론
녹색 전력 대체에너지에서 사용하기 위한 에너지 하베스팅에 대한 기회는 풍부하며 다양하다. 이러한 기회의 가장 좋은 사례는 태양광-전원 전자 디바이스 시장이다. 기업들이 에너지 소모를 절감할 수 있는 방법을 추구함에 따라 이 시장은 지속적으로 성장하고 있다. 예를 들어, 스마트미터를 살펴보자. 이것은 스마트 그리드에 채택되고 있으며 주변 에너지원으로부터 전력을 공급받아 운영 에너지 비용을 절감시킬 수 있다. 그리고 실행 가능하고 풍부한 에너지원인 태양광 전력을 활용하고 있다. 하지만 태양광 전력은 가변적이고 신뢰할 수 없기 때문에 거의 모든 태양광-전원 디바이스들이 재충전 가능한 전지를 사용하고 있다. 따라서 중요한 목표는 가능한 많은 태양광 전력을 추출하여 이들 배터리를 신속하게 충전함으로써 태양광 전력이 제공되지 않을 경우에도 에너지원으로서 사용할 수 있는 충전 상태를 유지하는 것이다.
역으로 스마트미터가 1차 전원으로서 배터리를 사용할 경우, 전력 변환 및 관리 전자장치는 배터리 수명을 연장시키기 위해서 대기 모드에서 매우 낮은 정지 전류만을 소모해야 한다. 다행히 리니어 테크놀로지가 일반적으로 25μA 이하의 정지 전류 수준을 제공하는 다양한 IC를 제공하고 있다.