자가 발전 센서: 배터리 장벽 제거로 유비쿼터스 IoT 실현

2021년 9월 27일

자가 발전 센서가 게임 체인저인 이유

객체에 컴퓨팅 장치를 장착해 인터넷을 통해 데이터를 전송하게 함으로써 비즈니스 운영 방식과 개인 생활을 혁신하겠다는 약속은 수년간 지속되어 왔습니다. 그리고 IoT(사물인터넷)가 스마트폰, 커넥티드 온도조절기, 웨어러블 피트니스 트래커, 심지어 음수 습관을 모니터링하는 물병 등을 통해 우리 개인 생활에 분명히 영향을 미치고 있지만, 전문가들이 예측한 것보다 보편화되는 속도는 느렸고, 산업 분야에서의 정착은 훨씬 더 느렸습니다.

1조 개 배터리 문제

2012년 IBM은 2015년까지 1조 개의 연결된 기기를 예측했습니다. 세상은 그 숫자에 근접하지 못했습니다. IBM의 1조 기기 예측의 함의 중 하나는 볼륨입니다. 즉, 1조 개의 IoT 센서가 데이터를 수집, 분석, 전송하게 하려면 1조 개의 배터리가 필요합니다. 배터리 수명은 지금까지 대부분의 혁신 초점이었습니다. 2017년 교토 VLSI 회로 심포지엄에서 발표된 논문은 IoT 기기 배터리 수명 연장을 위해 업계가 연구 중인 새로운 방법들을 설명했습니다.

업계가 평균 IoT 배터리 10년 수명 목표를 달성한다고 가정해 봅시다. 1조 기기 세상에서 매일 몇 개의 배터리를 교체해야 할까요? 답: 2억 7,397만 2,603개. 더 나쁘게는 업계가 목표에 미달해 2년 수명만 제공한다면, 지구상 모든 사람(74억 명)이 5일마다 배터리를 갈아야 합니다.

우리는 매일 10억 개 이상의 배터리를 교체할 수 없습니다. 최상의 시나리오에서도 1조 IoT 기기 구동에는 매일 2억 7,400만 개의 배터리 교체가 필요합니다. 그것도 그 배터리들이 모두 10년 수명을 다 채운다는 가정하에 말입니다. 분명히 이는 실행 가능한 계획이 아닙니다.

점심 먹기 전에 1억 3,700만 개 배터리를 교체할 수 있을까?

이것을 여러분이 실제로 비즈니스에서 IoT를 활용할 수 있는 현실적인 관점에서 살펴보겠습니다.

시설 전체에 1만 개의 산업용 IoT 기기를 배포한다고 상상해 보세요. 기계와 장비의 건강과 성능에 대한 실시간 데이터를 전송하도록 전략적으로 배치된 센서들, 다양한 구역의 온도와 공기 질 모니터링, 누출된 독소 감지, 증기 시스템, HVAC 시스템 및 기타 중요 인프라 상태 중계.

낙관적으로 평균 5년 배터리 수명을 가정하면, 팀은 매년 약 2,000개, 하루 약 5개의 배터리를 교체해야 합니다(가정용 연기 감지기 문제를 스테로이드 맞은 수준으로 생각하면 됩니다). 기기 유형에 따라 배터리 자체 교체 비용은 개당 몇 달러에서 수백 달러까지 다양할 수 있습니다. 어쩌면 더 우려스러운 것은 원격 센서에 도달해 배터리를 교체하는 비용이 배터리 자체 비용보다 훨씬 더 많이 든다는 점입니다.

이 모든 것이 2017년 기관 기계 공학자들(IMechE) 인용 보고서에 따르면 "배터리를 제거해야 사물인터넷이 번성할 수 있다"는 이유를 설명해 줍니다. 이는 가장 기본적인 문제입니다. 업계는 배터리 의존성을 완전히 제거하는 대신 배터리 수명 연장에 집중해 왔습니다.

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배터리 구동 센서는 수동 유지보수 필요
가장 명백한 문제는 모든 배터리는 결국 교체해야 한다는 것입니다. 앞서 지적했듯, 여전히 수동으로 수행해야 하는 죽은 배터리 접근 및 교체 비용은(인력과 자원 측면에서) 새 배터리 비용보다 훨씬 더 큰 경우가 많습니다. 이 빈번한 수동 작업의 필요성은 연결된 센서의 핵심 가치를 즉시 무력화시킵니다.

유한한 수명이 미션 크리티컬 데이터 공백 초래
배터리 방전의 필연성은 배터리 검사 및 교체에 필요한 한계 노동력과 자본 자원을 넘어선 결과를 낳을 수 있습니다. 플랜트의 IoT 센서를 감독하는 팀이 방전된 배터리를 즉시 발견하고 신속하게 현장에 나가 교체하지 않는 한, 그 동안 센서가 수집하고 전송했을 데이터는 영구적으로 손실됩니다. 더 나쁘게는 무선 센서 네트워크에서 배터리는 철저히 관리해도 빨리 닳습니다.

산업 플랜트의 일부 센서는 안전과 준수를 위해 미션 크리티컬한 데이터를 기록하고 스트리밍하므로, 배터리 방전은 비즈니스에 상당한 위험을 초래할 수 있습니다.

배터리 수명 보존 위해 센서 데이터 전송 빈도 낮춤
이상적으로 산업 플랜트의 IoT 기기(예: 시설 화학 작업장 근처에 배치되어 대기의 독성 누출을 지속적으로 모니터링하는 센서)는 데이터를 매우 자주 전송해야 합니다. 분당 여러 번 업데이트가 이상적입니다.

하지만 모든 데이터 전송은 전력을 소모합니다. 그래서 배터리 수명을 연장하기 위해 많은 IoT 센서는 이상적인 것보다 훨씬 덜 자주 데이터를 전송하도록 구성됩니다. 때로는 24시간에 한 번꼴로 드물게 전송하기도 합니다.

이는 플랜트 운영자에게 센서가 포착하는 데이터에 대한 부정확한 그림을 줄 수 있습니다.

물리적 치수가 센서 기능 제한
배터리는 종종 IoT 센서 시스템에서 가장 큰 부분을 차지해 엔지니어들의 배터리 선택을 제한합니다. 게다가 배터리의 크기, 무게, 치수는 센서의 유용성을 제한하기도 합니다. 이는 배터리의 물리적 특성이 센서가 수행할 수 있는 애플리케이션 유형과 센서 보드에서 배터리와 공존할 수 있는 다른 구성요소, 그리고 배포 가능 위치(필수 배터리 교체로 인해 임베디드 위치는 배제)를 제한하기 때문입니다.

잠재적 안전 위험 및 환경 피해
미국 국립보건원(NIH) 보고서에 따르면 IoT 센서에 흔히 사용되는 리튬 배터리는 "잠재적으로 독성 물질로 인해 환경 오염과 인체 건강 악영향에 상당 부분 기여할 수 있습니다."

전 세계에 배터리 구동 IoT 기기 지속적 배치(특히 예측대로 수십억, 수천억 대 규모로 배포될 경우)는 특히 우려스럽습니다.

배터리 없는 솔루션
산업용 IoT 혁명을 위한 솔루션: 완전 개발되고 유비쿼터스한 센싱 솔루션에 필요한 모든 구성요소를 하나로 모은 엔드투엔드 시스템. 완전히 자가 구동되는 무선 IoT 센서를 중심으로 구축됩니다.

새로운 특허 핵심 반도체 및 무선 네트워킹 기술은 기기가 주변에서 수확한 낮은 수준의 에너지로 작동하게 하여, 초저전력 작동을 무기한 가능하게 합니다. 센서는 지속적으로 작동하며 배터리가 절대 필요 없습니다.

에너지는 실내 저조도 태양광, 실외 태양광, 열전 효과(온도 기울기에서 주변 에너지 포착), 압전 소재(특정 결정 및 세라믹)의 진동, 심지어 환경 속을 이동하는 전파 등 여러 소스에서 수확됩니다. 에너지를 수확하는 다른 '저전력' 단일 목적 전자 부품과 달리, 새로운 완전한 센서 기기는 여러 센서를 사용해 다양한 데이터를 수집할 뿐만 아니라, 동일한 배터리 없는 전력 예산으로 데이터를 처리, 분석, 무선 전송할 수 있습니다.

자가 구동 시스템을 '영원한 센서'로 생각하세요. 물리적 검사나 배터리 잔량 확인 걱정 없이 배치할 수 있기 때문입니다.

배터리 문제는 산업용 사물인터넷(IIoT) 채택을 방해하고, 산업 기업들이 이전에는 접근할 수 없었던 실행 가능한 인텔리전스를 생성할 수 있는 만연한 센싱 역량 같은 상당한 혜택을 누리지 못하게 했습니다. 해결책은 물리적 센서, 데이터 수집 및 처리 기능, 무선 통신, 분석 및 보고 소프트웨어 플랫폼 등 전체 환경이 진정한 생태계로 작동하도록 설계된 통합 풀스택 만연한 센싱 플랫폼입니다. 이러한 혁신들은 마침내 기업들이 IIoT가 약속하는 수조 달러의 가치를 실현하도록 도울 수 있습니다.

라파엘 레예스(Rafael Reyes)는 현재 배터리 없는 무선 센서와 클라우드 분석을 결합해 엔드투엔드 산업용 IoT 솔루션을 제공하는 기술 기업 에버액티브(Everactive)의 제품 마케팅 디렉터입니다. 신제품 고객 중심 시장 진입 전략과 기존 제품 홍보 전략을 이끌고 있습니다.
라파엘은 제품 마케팅 및 제품 개발 분야에서 10년 이상의 경험과 전략 기획 5년, B2C 및 B2B 기업 내 사업부 관리 5년 경험을 보유하고 있습니다.