에너지 하베스팅, 1조 개 배터리 프리 IoT 센서 시대 열다

무선 IoT 센싱 기기는 사람, 장비, 인프라, 환경 위·안·근처에 배치돼 21세기 가장 시급한 과제들(기후 변화, 청정 에너지, 안전한 식량, 고령 인구 건강·웰빙 돌봄)을 해결하는 새 도구를 제공합니다. 하지만 이를 실현하려면 'IoT 전원 공급' 격차를 해소해야 합니다. 즉, 솔루션이 IoT 기기 수명보다 오래가는 배터리로 구동돼야 합니다.

이 글은 에너지 하베스팅(EH) 구동 솔루션이 IoT에 기여할 결정적 역할을 탐구합니다. 향후 수년 내 배치될 1조 개 센서 중 대다수가 초저전력(ULP) 무선 타입일 것이며, 이들이 EH의 최적 후보입니다. EH는 외부 전원을 보충하거나 독립 전원으로 기능할 수 있습니다.

비용: 총소유비용 관점에서 본 EH의 가치

EH의 주요 부가가치는 동작 환경에서 주변 에너지를 포집해 소비 지점에서 시스템 에너지를 제공/보충하는 것입니다. EH 구현의 타당성과 성공, 특히 총소유비용(TCO) 측면은 회수 기간 계산 방식에 크게 의존합니다. 예를 들어, 시스템 BOM에 EH 기능 추가로 $3~5 증가하는 건 대량 구매 시 약 $0.25인 일회용 코인 셀 대비 터무니없어 보일 수 있습니다. 환경·지속가능성 요소를 배제해도 재무 분석엔 고려할 게 많습니다. 배터리 교체 필요 시 인력/접근 물류 비용만으로 코인 셀 절감액을 수십 배 상쇄할 수 있습니다. 그 배터리가 콘크리트 벽 속, 높은 천장, 인체 내부, 깊은 유정 등 열악/접근 불가 환경에 있다면 더더욱 그렇습니다.

주변 에너지: 열, 진동, 빛

EH는 사용 가능한 주변 에너지(열, 진동, 빛)를 전원으로 이용합니다. 1마이크로와트~수백 마이크로와트 구간에서 '이중 효과'가 나타납니다. 기존 전원 소모 대폭 감소와 적정 크기 하베스터로 주변 에너지 활용 가능성 증대. 이는 배터리 수명을 크게 늘리고, 경우에 따라 완전 전력 자립까지 이끕니다(최근 EU 출판물과 그림 1 참조).

EH를 시스템 설계에 통합할 때 핵심 과제는 간헐적일 수 있는 에너지원 다루기. 에너지를 포집해 나중에 쓸 수 있게 저장·전력 관리 소자/회로 필요. 주변 에너지 수확에서 전력 추출 위한 독창적 엔지니어링 필요할 뿐 아니라, 그 필요가 EH 방식마다 다를 수 있습니다. 즉, EH 트랜스듀서에서 원시 에너지 포집과 전력 변환/관리/조절 니즈가 광전지(PV), 열전 발전기(TEG), 진동 하베스팅 간에 다릅니다. 심지어 PV 셀 종류 간에도 크게 다를 수 있습니다. 일반적인 접근은 원시 하베스팅 에너지의 성격(DC: PV, TEG / AC: 진동, 마찰전기, RF)에 따라 결정됩니다.

PV 셀은 태양광/인공광 직접 변환, TEG는 온도 차로 전기 에너지 생성. 진동(전자기/압전)과 마찰전기 소스는 물리적 움직임에서 유래. RF 포집은 일반적으로 정류 안테나(렉테나)와 밸런싱 네트워크 사용 후 DC/DC 변환 블록으로 공급.

최적 EH 지원 시스템 솔루션은 최대전력점추적(MPPT)과 정밀 임피던스 매칭으로 최대 에너지 잠재력 실현 필요. 많은 주변 에너지가 매우 낮은 전력·전압 레벨. 대부분 시판 전력관리 IC(PMIC)는 10μW, 100mV 미만 에너지를 사용 가능 전기로 변환 못 함. 이를 해결하려는 연구 커뮤니티 노력의 예가 아일랜드 티넬 국립연구소(Tyndall National Institute) 개발 MISCHIEF 플랫폼. 10μW 미만 미사용 영역까지 다룰 수 있는 고효율, 저휴지전류 PMIC. 모듈화·고구성 가능해 새 회로 블록 추가나 설정값 범위 조정 용이. 디지털 인터페이스로 다른 구성요소와 상호작용해 동작 모드(슬립, 대기, 감지, 전송, 처리) 동적 조정, 애플리케이션 니즈 충족하며 전력 소모 최소화.

에너지 저장은 간헐적 에너지원에 필수적. 피크 수요 완충해 상위 전원이 시스템 정상 상태 니즈만 감당하면 되게 함(최악 피크 전력 수요 대신).

EH 생태계 조성: 사일로 탈피가 필수

IoT 전력 및 EH 커뮤니티 기여자들(개발자, 소재·소자 제조사, 설치자, 통합자, 최종 사용자)은 사일로 환경에서 일해왔습니다. 하지만 EH가 주류 애플리케이션에 주요하게 침투하려면 EH 트랜스듀서 전문가들이 전력 관리·에너지 저장 전문가들과 긴밀 협업해야 하고, 그 외 수많은 저전력 시스템 부품 공급자·엔드유저와도 협업해야 합니다. 특히 이 글에서 다루는 센서 네트워크·저전력 애플리케이션들에 더욱 그렇습니다.

참고문헌:

1. https://www.enables-project.eu/wp-content/uploads/2021/02/EnABLES_ResearchInfrastructure_PositionPaper.pdf
2. https://www.enerharv.com/
3. https://www.psma.com/technical-forums/energy-harvesting
4. M. Hayes and B. Zahnstecher, "The Virtuous Circle of 5G, IoT and Energy Harvesting," in IEEE Power Electronics Magazine, vol. 8, no. 3, Sept. 2021