월간전기

‘에너지 하베스팅(Energy Harvesting)’이란 버려지는 주변의 다양한 형태의 에너지(열, 빛, 진동, 전파 등)를 수확하여 유용한 전기에너지로 변환한 후 재활용하는 기술로, 저전력 전자기기나 웨어러블 기기 등에 적용되어 배터리 교체 없이 작동하게 하는 차세대 친환경 기술이다. 압전효과 및 열전효과를 주로 이용하며, 사람의 움직임, 체온, 환경의 미세한 에너지까지 활용하여 지속가능한 전력 공급을 가능하게 한다.

에너지 하베스팅(이하 EH)은 발생-변환-저장-소비 단계로 나눌 수 있다. 우선 신체의 움직임으로 발생하는 신체에너지를 비롯하여 진동에너지·열에너지·위치에너지 등에서 발생한 에너지를 압전·열전·광전·전자기 등의 방식으로 변환한 후 이를 저장, 운용하는 것이다.

2014년, 네덜란드 암스테르담의 스키폴국제공항에는 페달을 밟아 스마트폰을 충전할 수 있는 장치가 설치되어 화제를 모았다. 신체의 움직임으로 발생하는 운동에너지를 전기로 변환하는 ‘신체에너지 하베스팅’ 원리를 이용한 장치였다.

해당 사례 외에도 태양전지를 활용하여 햇빛을 수집하고 전기로 변환하는 ‘광에너지 하베스팅’, 산업 현장에서 발생하는 열을 모아 이용하는 ‘열에너지 하베스팅’, 물체가 가지고 있는 고유 진동수와 그 물체에 가한 진동 주파수가 일치할 때 큰 진동이 발생하는 공진(Resonance) 현상을 활용하는 ‘진동에너지 하베스팅’도 있다. 방송 전파, 휴대전화 전파 등의 전자파를 활용하는 ‘전자파에너지 하베스팅’, 과속 방지턱이나 횡단보도 일시 정지선 등에 공기압력펌프를 설치하여 차량의 중량으로 압축시킨 공기를 활용하는 ‘중력에너지 하베스팅’, 수력발전소의 방수구나 화력발전소의 냉각수 방수로에서 생기는 위치에너지를 활용하는 ‘위치에너지 하베스팅’도 있다.

그뿐만 아니라, 일상에서 흔히 발생하는 현상들로도 에너지를 만들 수 있다. 서울대와 전자부품연구원의 논문에 따르면, 변기 물을 내릴 때 발생하는 물방울의 움직임으로 작은 LED 조명을 켤 수 있을 정도의 에너지를 생산해낼 수 있었다.

EH 기술은 1954년 미국 벨연구소에서 태양광을 에너지로 바꾸는 태양전지기술을 발표하면서 처음 등장했다. 일본 음지발전사는 2006년 자동차, 자전거, 사람 등이 지나갈 때 생기는 압력을 활용해 에너지를 생산하는 ‘발전마루’를 개발했다. 도쿄역 개찰구 앞에 이용자들이 밟고 지나가는 지하철역 바닥에서 전기를 얻기 위해 ‘발전마루’가 설치됐는데, 이용자가 많은 날에는 하루 960kW의 전력을 생산했다. 이스라엘에서도 도로, 철도, 공항 활주로에 압전 발전기를 설치하여, 도로를 통과할 때 발생하는 압력 및 진동에너지로 신호등, 철도 차단기, 가로등에 전력을 공급하는 기술을 개발했다.

수집한 에너지를 어떻게 변환하는지에 따라서도 EH를 분류할 수 있다. 압력 또는 진동으로부터 에너지를 수확하는 ‘압전 하베스팅’은 다른 기술에 비해 전력 밀도가 높다는 것이 장점이다. 특정 물체에 압력을 가하면 음전하와 양전하가 분리되고 전하의 밀도 차로 전기가 흐르게 되는데, 이를 《압전(Piezoelectric)효과》라고 한다. 대표적인 예시로 가스레인지나 라이터가 있다.

‘열전 하베스팅’은 특정 물질에 온도 차가 발생할 때 전류가 흐르는 《열전(Thermoelectric) 현상》을 활용한 방식이다. 서로 다른 두 금속의 양쪽 끝을 붙이고 한쪽을 가열해 온도 차를 만드는 《제벡(Seebeck) 효과》, 서로 다른 도체를 접합하여 전류를 흐르게 할 때 접합부에 발열이나 흡열이 일어나는 《펠티에(Peltier) 효과》가 대표적인 열전 현상이다. 열전효과를 이용하면 피부에 부착된 부분과 공기 부분, 즉 체온과 실온의 온도 차를 이용해 전기를 생산하는 것 또한 가능하다. 따라서 충전을 하지 않아도 웨어러블 기기를 계속 장착한 채로 사용할 수 있게 된다.

빛으로부터 얻은 광전을 이용한 ‘광전 하베스팅’은 태양전지를 통해 얻은 에너지를 활용하기에 ‘태양광(Photovoltaic) 하베스팅’이라고도 불린다. 원리가 되는 광전효과는 《빛의 입자성》으로 인해 금속 등의 물질이 고유의 특정 파장보다 짧은 파장을 가진 전자기파를 흡수했을 때 전자를 내보내는 현상이다. 태양광을 활용한 기술로, 태양 빛을 전력으로 직접 변환하는 형태이다.

‘전자기 하베스팅’은 전기장과 자기장을 이용한 통신을 할 때 버려지는 전자기를 수집해 에너지로 전환한다. 방송 전파나 이동통신기기 전파, 와이파이 전파 등에서 뿜어져 나오는 전자파를 주 에너지원으로 삼는다. 안테나로 RF 교류전파를 수집, 이를 직류로 바꿔 전기를 생산하는 《프리볼트(Freevolt) 기술》과 와이파이 전자기파를 에너지로 바꾸는 《와이파이 백스케터(Backscatter) 기술》이 대표적이다.

EH 기술은 버려지는 에너지 자원을 활용하는 것이기에, 지구 온난화의 주된 원인 중 하나인 화석연료보다 더 친환경적이다. 에너지 수요가 증가하면서 발생하는 에너지 자원 고갈 문제를 완화할 수 있는 훌륭한 방안이 되어주기도 한다. 뿐만 아니라 에너지 불균등 문제를 해소하는 방법이기도 하다. 브라질 리우데자네이루의 빈민가에 있는 한 축구장은 ‘압전 하베스팅’을 활용한 타일 200개를 설치해, 타일을 밟아 생산된 전력으로 운동장 불을 밝히는 데 필요한 에너지의 20%를 충당했다. 낮에는 축구장 주변의 태양 에너지 패널이 남은 전력 80%를 모았다. 이렇게 생산된 전력은 최대 10시간 동안 전력을 공급할 수 있다.

산업 기계를 대상으로 한 EH 기술에서는 1W 이하인 발전 능력의 활용 방안을 논의하고 있다. 이러한 EH 기술은 기계 주변의 에너지를 발전 대상으로 삼는다. 폐열을 활용한 열전 발전, MEMS 진동 발전 소자에 의한 진동 발전이 그 예다. 산업 기계가 설치된 환경에서 회수 가능한, 미약한 빛을 활용한 발전(실내광 발전)도 존재한다. 게다가 기계 고장(누수)에 맞춰 화학반응을 이용한 일시적 발전에 대해서도 IIoT 용도의 전원으로 실용화한 사례가 있다.

상기 언급한 ‘회수 가능한 에너지’의 발전밀도는 [표 1]과 같다. 이 에너지들은 얻을 수 있는 발전에너지가 그때그때 다르기 때문에 설치 환경에 따라 변동하리라는 것을 예측할 수 있다. 따라서 산업 응용 분야에서 EH로 얻은 전력을 안정적인 전원으로 활용하려면 주변 기술이 중요한 열쇠가 된다.

EH 활용을 검토하기에 앞서, 이전부터 산업용 사물인터넷(IIoT) 기기에 전원을 공급해 온 1차 전지와 비교해 EH 기술의 도입 이점을 명확히 할 필요가 있다. 산업 기계를 대상으로 한 센싱에 EH 기술을 적용했을 때의 이점은 다음과 같다.

특히 펌프처럼 비교적 수명이 길고 인프라를 떠받치는 중요한 역할을 하는 산업 기계의 센싱을 고려하면 기존에 있는 설비·기기에도 적용될 것으로 보인다. 이러한 점에서 나중에 설치가 가능하고, 유지 보수 없이 동작시키려는 IIoT 용도에서는 EH로 실현 가능한 이점을 누릴 여지가 클 것으로 기대된다.

EH 기술을 활용한 IIoT용 전원 애플리케이션을 실현하려면 주변 기술이 중요한 요소가 된다. 먼저 온도 차를 이용한 열전 발전(TEG)을 설명한다. 제벡 효과를 발전 소자로 사용한 발전 성능은 성능 지수(Figure of Merit, ZT)로 표현된다. 이를 이용해 설치 환경에서 얻을 수 있는 온도 차, 발전 면적, 소자에 기인하는 열 저항과 주변 부분의 임피던스 정합 등을 고려해 회수 가능한 전기에너지가 결정된다.

그리고 산업 기계에서 배출되는 폐열은 약 100℃ 이하 범위에 있는 저온 폐열이 많아서 주위 기온과 온도 차가 크지 않은 편이다. 이 때문에 EH로 얻은 전력을 IIoT 시스템에 직결 구동시키는 용도로 쓰기에는 어려움이 많다.

진동 발전의 경우, 예전부터 쓰이는 공진형 진동 발전에서는 공진 배율을 이용해 발전 소자의 고유 진동수와 기계의 진동 주파수를 일치시켜 전기에너지를 회수한다. 그러나 최근에는 산업 기계의 고효율화로 제품이 저(低) 진동화되고, 인버터 구동으로 진동 주파수가 변하는 등 진동 발전을 활용할 수 있는 여건이 한정되면서 실용화를 위한 장벽이 여전히 높다. 때문에 EH로 얻은 전력을 간헐적으로 이용하는 방법이 IIoT에는 유용할 것으로 보인다.

[그림 2]는 EH를 활용한 간헐 전원의 간략한 구성을 나타낸 것이다. TEG로 얻은 DC 전압은 대개 극소하기 때문에, 이 구성에는 전압을 승압하고 제어하는 전력 관리 IC(Power Management IC, PMIC)가 포함된다. 또한 이 구성은 전기에너지를 축전 소자(콘덴서 등)에 일시적으로 저장하고 간헐동작 스위치를 조합해 독립형으로 전력을 공급하는 시스템에도 적용할 수 있다.

이처럼 주변 기술은 EH의 적용 범위를 확대하는 데 중요하다. 특히 PMIC는 EH 활용을 전제로 한 제품이 연구 개발되고 있으며, EH의 종류와 출력 전압, 입출력 임피던스 등 필요한 사양에 맞게 부품을 선택하는 설계 검토도 필요하다.

IIoT 애플리케이션에서 EH 활용을 위한 기술적 요소로는, 시스템의 저소비전력화를 목적으로 한 에너지 수급 균형의 최적화가 필요하다. 그러려면 시스템 전체의 저소비전력화를 위해 중핵을 담당하는 MCU(Micro Controller Unit) 등의 (a)시스템 구동 전압을 저전압화하고, (b)각종 저소비전력 모드(슬립 모드 등)를 활용해 상시대기전류를 줄이며, (c)무선통신에 기인하는 소비전력의 절감을 목적으로 통신 빈도를 최소화하는 것이 유용하다.

요즘에는 반도체 기술이 발전해 (a)의 경우, ST사 MCU를 예로 들면 ‘STM32F3XX 시리즈’에서는 구동 전압 1.8V로 동작하는 모델도 탑재되고 있다. 저전압화로 시스템 전체의 소비전력이 절감될수록 EH 기술의 구동 가능성이 높아진다.

(b)의 경우는 시스템 동작을 최소한으로 유지하되, 일부 기능은 의도적으로 일시 정지함으로써 시스템 대기와 관련한 소비전력을 절감하고, 대기 동작에 기인하는 소비전력을 줄이는 것이 중요하다.

(c)의 경우, 시스템 전체 소비전력 중 무선 통신이 차지하는 비율이 높기 때문에, IIoT 시스템에서는 무선 통신의 빈도 및 종류를 최적화해 시스템 전체의 소비전력을 억제하는 것이 EH 기술 적용에 큰 핵심 요소다. 보통 IIoT 용도에서는 Bluetooth® LE, LPWA(Low Power Wide Area)를 사용한 무선통신에 대한 요구가 크다.

IIoT에 EH 기술을 적용하기 위해 [그림 3]은 센서 시스템의 모습을 나타낸 것이다. 센서 시스템을 구성하는 센서 노드, 중계기(브리지)는 보통 다른 전원에 의해 구동된다. 기존에는 각각의 기기에 전지 또는 AC 전원을 사용해 전력을 공급했다. 센서 네트워크의 확대를 고려하면 향후 센서 노드, 브리지 양쪽에 필요한 기기는 증가할 것이고, 전원 공급 또는 전지 교체와 관련한 문제가 부상하리라는 것 또한 자명하다. 이에 센서 노드와 중계기 각각에 EH 기술을 적용할 여지가 있는지를 살펴본다.

센서 노드와 관련해 [그림 4]는 각 시험 제작품을 나타낸 것이다. 자립형으로 동작하며, 폐열 활용을 목적으로 한 EH의 일종인 TEG로 전력을 회수한다. EH부와 센서 노드부를 접속해 동작하고, TEG로 발전된 전압은 본 구성에서 185mV/K이었다. 이 전압을 센서에 직접 접속해 전원으로 동작시키기는 힘들다.

그래서 PMIC로 탑재 센서의 구동 전압(2.0V)까지 승압해 간헐적으로 전원을 공급하는 구성으로 만들었다. 센서의 데이터 취득·통신에 필요한 전력을 일시적으로 커패시터에 저장하고, 센서를 간헐적으로 구동시켜 Bluetooth® LE로 데이터를 송신한다. 이 구성을 약 50℃의 폐열원에 적용했을 때, 수 분 간격으로 센서 데이터를 송신할 수 있다는 것을 확인했다.

본 검토에서 브리지의 역할은 노드로부터 수신한 센서 데이터를 중계하고, 브로드밴드 통신을 통해 데이터를 클라우드에 업로드하는 것이다. 따라서 일정 기간 각 노드의 센서 데이터를 수신 대기했다가 기다린 데이터를 취합해 일정 간격마다 업로드하는 기능을 실현해야 한다. EH에 의한 전력 공급과 본 기능을 충족하기 위해 [그림 5]처럼 노드로부터의 Bluetooth 대기 시간과 브리지 동작시간을 5분으로 설정하고, 대기 시간에 수신한 데이터를 Sigfox®(UNABIZ 社의 등록 상표)로 업로드하는 사양으로 제작했다.

브리지의 하드웨어 구성은 TEG에 의한 EH부를 조합해 [그림 6]의 시험 제작품을 제작했다. 실증 평가에서는 약 8.6℃의 온도 차에 적용해 최소 동작 간격, 약 3.4시간마다 1회 빈도로 TEG에 의한 브리지로 구동이 가능하다는 것을 확인했다.

본 구성은 커패시터의 초기 충전이 0V (cold start)일 때와 2.0V(hot start)일 때, 이 두 가지 조건에서 폐열원에 대한 기기 설치부터 브리지 동작 개시까지 시간에 차이가 있는 것을 확인했으며, 기기 동작의 스타트업(start-up) 신속화를 위해 풀어야 할 과제가 있다.

이상, EH 기술의 산업 응용을 위해 EH 기술을 IIoT 애플리케이션에 적용할 때 필요한 주변 기술 요소에 대해 소개했다. 본고에 소개한 TEG의 IIoT 시스템 응용은 동작 빈도를 높이는 등 사용자 요구에 맞춘 기술 구성으로 하려면 온도가 더 높은 폐열원에 적용할 수 있는 사양으로 하고, TEG의 구성을 재검토해 열 임피던스 매칭을 높이는 등 전기적인 사양 이외에 다른 기술 영역의 노하우 활용 및 최적화 설계가 유용하다. 이러한 주변 기술을 이·활용하면 한층 고도의 애플리케이션에 적용할 수 있는 기술을 획득해 EH 기술의 산업 응용 기회가 더욱 확대될 것으로 기대된다.