[기고] 에너지 하베스팅이 사물인터넷의 미래를 어떻게 구동하는가

에너지 하베스팅 기술이 어떻게 IoT 시스템 배치를 재편하고 있나

글_ 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

사물인터넷(IoT)과 산업용사물인터넷(IIoT)이 가정과 도시, 공장 전반에 걸쳐 기기 배치를 계속 확대하면서, 한 가지 지속적인 과제가 남아 있다. 전통적인 배선이나 빈번한 배터리 교체에 의존하지 않고 늘어나는 수의 연결된 기기를 어떻게 구동할 것인가이다. 이에 대한 대응으로, 주변의 빛, 움직임, 열, 전파 등의 에너지원으로부터 에너지를 수집해 기기를 독립적으로 동작시키는 에너지 하베스팅이 실용적이고 점점 더 중요한 해결책으로 부상하고 있다.

이 글은 에너지 하베스팅이 IoT 시스템 배치를 어떻게 재편하고 있는지를 다룬다. 에너지 하베스팅의 기반 기술, 활용되는 다양한 에너지원, 그리고 엔지니어들이 배터리가 필요 없는 IoT를 현실화하기 위해 어떻게 더 스마트하고 지속 가능한 기기를 설계하고 있는지를 살펴본다.

연결된 세상에서의 전력 문제

사물인터넷의 가능성은 매우 크며, 더 똑똑한 가정, 더 효율적인 공장, 자율적으로 운영될 수 있는 도시를 약속한다. 그러나 이 생태계의 모든 센서, 액추에이터, 그리고 무선 노드는 전력을 필요로 한다. 전통적으로 이는 전력망에 배선을 연결하거나 배터리에 의존하는 것을 의미했는데, 이 두 방식 모두 한계가 있다. 배선은 비용이 많이 들고 유연하지 않다. 배터리는 편리하지만 결국 방전되며, 유지보수에 비용이 들고 때로는 실질적으로 어려울 수 있다.

여기서 등장하는 것이 에너지 하베스팅이다. 이는 환경의 빛, 열, 움직임 또는 주변 전파와 같은 주변 에너지를 포착해 사용 가능한 전기로 변환하는 과정이다. 새로운 개념은 아니지만, 초저전력 전자기기와 하베스팅 기술의 최근 발전으로 인해 다양한 응용 분야에서 실용적인 해결책이 되었다.

상황에 맞는 에너지원을 선택하기

에너지 하베스팅은 모든 상황에 똑같이 적용되는 단일한 해결책이 아니다. 환경이 달라지면 사용되는 에너지원도 달라지고, 각각의 장점이 있다.

태양광은 가장 익숙한 형태의 하베스팅 전력원이다. 실외 태양광 패널은 이미 흔하지만, 페로브스카이트 같은 새로운 광전지 소재는 실내 조명에서도 에너지를 수확할 수 있게 하고 있다. 이러한 유연한 저조도용 태양전지는 인클로저 주변에 맞게 형태를 바꾸거나 표면에^[1] 삽입할 수 있어 새로운 설계 가능성을 열어준다.

바람, 물, 혹은 진동에서 얻는 운동 에너지도 또 하나의 풍부한 에너지 원이다. 바람에 흔들릴 때 회전하는 작은 다이나모, 압력을 받을 때 전하를 생성하는 압전 소자를 떠올리면 된다. 산업 환경에서는 모터나 기계에서 발생하는 진동을 이용해 주변 센서를 구동할 수 있다. 버튼을 누르는 동작만으로도 무선 신호를 보낼 만큼의 에너지를 생성할 수 있다^[2].모터의 진동이나 보행자의 발걸음처럼 반복되는 움직임에서 기계적 에너지를 포착함으로써, 장치는 이러한 동작을 유용한 전기로 변환할 수 있다. 이러한 기술은 움직임이 지속적이고 예측 가능한 환경에서 특히 가치가 있으며, 임베디드 시스템을 위한 신뢰할 수 있고 유지보수가 필요 없는 에너지원을 제공한다.

열전 발전기(TEG)는 두 표면 간의 온도 차이를 이용해 전기를 생산한다. TEG는 용광로나 뜨거운 배관 옆처럼 폐열이 풍부한 산업 환경에 적합하다.

주변 RF 에너지는 현재 사용되는 에너지 하베스팅 방식 가운데 아마 가장 미래적인 느낌을 주는 분야일 것이다. 이는 Wi-Fi, 셀룰러 네트워크, 혹은 전용 RF 송신기에서 나오는 주변 전파를 포착해 전력으로 변환하는 방식이다. 에너지 수준은 낮지만, 전자 가격 표시기나 낮은 듀티사이클로 동작하는 센서처럼 초저전력 장치를 구동하기에는 종종 충분하다.

더 똑똑한 시스템, 더 똑똑한 전력

물론 에너지를 수확하는 것만으로는 절반에 불과하다. 이를 효율적으로 관리하는 것도 그만큼 중요하다. 여기서 현대의 마이크로컨트롤러와 전력 관리 집적회로(PMIC)가 역할을 한다. 최신 임베디드 시스템은 딥슬립 모드와 작업의 지능적인 스케줄링 덕분에 마이크로와트 수준의 전력으로 동작할 수 있다. 에너지 하베스팅 IC는 종종 내장된 전력 조절 기능과 저장 장치 관리를 포함하고 있어, 불연속적인 에너지원을 사용하더라도 장치가 원활하게 동작하도록 보장한다.

디자이너들은 여러 수확 방식을 결합하거나 충전식 배터리 또는 슈퍼커패시터로 이를 보완하는 하이브리드 접근 방식도 탐색하고 있다^[3]. 이는 신뢰성을 높일 뿐 아니라, 하나의 에너지원이 지속적으로 사용 가능하지 않을 수 있는 환경에서도 보다 유연한 배치를 가능하게 한다.

PMIC는 이러한 구성에서 핵심적이다. 이 칩들은 에너지 하베스터, 저장 요소, 부하 사이의 에너지 흐름을 조절한다. 일부 PMIC는 여러 종류의 하베스터와 함께 작동하도록 설계되어 시스템 설계와 배치에 유연성을 제공한다.

왜 이것이 지금 중요한가

에너지 하베스팅의 의미는 단순한 편의성을 넘어서 있다. 이 기술은 과거에는 전원 공급이 어려웠던 원격 농지, 역사적 건축물, 밀폐된 산업 장비 내부와 같은 장소에도 완전 무선·무정비 장치를 배치할 수 있게 한다. 하베스팅 기법을 적용하면 배터리 수명을 연장하거나 배터리를 아예 제거함으로써 전자 폐기물을 줄일 수 있다. 또한 에너지 하베스팅은 전력 공급이라는 가장 큰 물류적 장애를 해결해 IoT 인프라 구축을 가속화한다.

IoT가 계속 확장됨에 따라 지속 가능하고 유지보수가 적은 전원 솔루션의 수요는 더욱 커질 것이다. 에너지 하베스팅은 단순한 기술적 묘수가 아니라, 연결된 시스템의 잠재력을 실현하는 데 기초가 되는 기술이다.

결론

에너지 하베스팅의 발전은 연결된 시스템의 설계와 구축 방식에 중대한 변화를 가져오고 있다. 마이크로컨트롤러와 무선 기술이 계속해서 전력 요구량을 줄여감에 따라, 활용 가능한 주변 에너지원의 기준도 함께 낮아지고 있다. 이러한 기술의 결합은 더 지속 가능하고 다양한 환경에 적응할 수 있는 새로운 세대의 기기를 가능하게 하고 있다.

소재 과학과 전력 관리 기술이 지속적으로 발전함에 따라, 에너지 하베스팅은 향후 IoT와 IIoT 생태계의 구조에서 핵심 요소로 자리 잡을 전망이다. 이 기술의 확대는 기존 전력 공급원에 대한 의존도를 낮추는 방향으로 나아가고 있으며, 그 결과 더 큰 유연성과 더 적은 유지보수, 그리고 일상 속 기술의 자연스러운 통합을 가능하게 한다. 스마트 시티부터 원격 모니터링에 이르기까지, 에너지 하베스팅은 더 자율적이고 지속 가능한 미래를 위한 기반을 마련하고 있다.

참고문헌

[1] https://resources.mouser.com/explore-all/latest-solar-panel-technology-shines-bright
[2] https://doi.org/10.1109/WIECON-ECE64149.2024.10915086
[3] https://resources.mouser.com/energy-harvesting/supercapacitors-find-applications-in-hybrid-vehicles-smartphones-and-energy-harvesting