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최근 "에너지 하베스팅"이라는 용어가 인기를 얻고 있지만 우리 주변에서 수확할 수 있는 에너지의 양은 많지 않습니다.

실제로 대부분의 에너지 하베스팅 실험은 1mW 미만의 에너지를 다루고 있습니다. 적은 양의 에너지로 혜택을 받는 애플리케이션은 거의 없지만 에너지 하베스팅이 에너지원으로 사용될 때 WSN(무선 센서 네트워크)의 약점을 보완할 수 있다는 사실을 발견하기 시작했습니다.
이 기사에서는 Murata의 에너지 하베스팅 관련 대처에 대해 소개하겠습니다.

 

What is Energy Harvesting?

에너지 하베스팅은 우리 주변의 에너지를 모아 전기로 변환하고 이를 통해 소형 기기를 작동시키기까지의 일련의 과정을 말합니다. 연료를 사용하면 많은 전력을 생산할 수 있다는 것을 알고 있지만, 그러한 발전은 에너지 하베스팅이라고 하지 않습니다. 에너지 수확에는 인간의 의식적인 노력으로 생성된 전기 에너지도 포함되지 않습니다. 여기서 핵심 아이디어는 "무의식적으로" 생성된 전기를 에너지 하베스팅으로 포함할수 있다는 것입니다.

에너지를 많이 회수하기 위해서 원래의 에너지원에 큰 부하를 가하게 되면 도대체 어디에서 에너지를 빼내는지 잘 알 수 없게 되는 일도 일어날 수 있기 때문에 항상 어디에서 에너지가 오고 있는지 주의해야 합니다. 분명히 말해서, 에너지 하베스팅으로 대량의 에너지를 생산하는 것은 솔직히 불가능 합니다. 이러한 시도는 비현실적으로 크거나 비용이 많이 드는 장치를 만들어 목적을 무산시키는 결과를 가져올 것입니다.

따라서 에너지 하베스팅은 소량의 하베스트 에너지를 효과적이고 알뜰하게 활용하는 경우에만 의미가 있습니다.

 

Energy Around Us

아래 그림은 우리 주변에서 찾을 수 있는 에너지의 종류를 나열한 것입니다.

에너지의 단위는 줄(J)이고 1J는 1W초입니다. 이렇게 나열해보면 실제로 우리 주변에서 수확할 수 있는 에너지가 얼마나 작은지 알 수 있습니다. 또한 이에 비해 우리가 사용하는 기기들이 사용하는 에너지 수준은 상당히 높다는 것도 알 수 있습니다. 종종 에너지 하베스팅으로 휴대폰을 충전할 수 있는지에 대한 문의를 받습니다.

매우 어려울 것이라는 것은 그림의 오른쪽을 보면 이해할 수 있습니다. 또한 우리 인간이 열심히 발전하여 가정용 에너지 조달할 수 없느냐는 질문도 자주 받고 있는데, 하루 식사량으로 생각해도 인체가 생성할 수 있는 에너지는 그다지 크지 않습니다. 그 마저도 4분의 3은 기초 대사에 사용됩니다.

 

실제로 "무의식적으로" 발전할 수 있는 에너지의 양은 1mJ 미만이 됩니다. 역시 소량의 에너지를 효과적으로 활용하는 것이야말로, 에너지 하베스팅에서 가장 중요한 것이라고 생각하고 있습니다.

 

Energy Harvesting Devices

Murata의 기술을 사용하면 다양한 하베스팅 디바이스를 실현할 수 있습니다. 현재 개발 중인 소자의 원리와 특징에 대해 설명하겠습니다. 

 

압전체를 사용해 힘을 전기로 변환

 

압전체에 힘이 가해지면 압전체의 변형량(왜곡량)에 비례하여 전기 에너지가 발생합니다. 장비를 작동하기 위해 이 에너지를 수확할 수 있습니다. 일반적으로 응력을 가할 수 있도록 압전 재료의 얇은 층을 금속판에 붙여 사용합니다. 이러한 장치는 비교적 간단한 구조로 실현할 수 있습니다.

 

 

압전체를 사용해 진동을 전기로 변환

압전체를 판상으로 만들어 추와 조합함으로써 공진을 일으킬 수 있습니다.에너지원이 되는 진동체의 진동 주파수와 압전체의 공진 주파수를 맞춰주면 진동체의 에너지를 압전체로 이동시킬 수 있습니다.

추와 압전 진동판의 조합으로 주파수를 수Hz~수kHz까지 넓은 범위에서 설계할 수 있습니다.

 

 

 

일렉트릭 재료를 사용해 진동을 전기로 변환

일렉트릭 재료란 마이너스 전하를 장시간 저장해 둘 수 있는 재료입니다.그 근방에 전극을 가져오면 전극에는 플러스 전하가 유기되고 전극이 멀어지면 전하가 도망가기 때문에 그 두 상태를 번갈아 발생시킴으로써 교류의 전기를 생성할 수 있습니다. 얇은 디바이스를 만들 수 있습니다.

 

 

 

 

열전소자를 사용해 온도차를 전기로 변환

반도체에 온도차가 발생하면 Seebeck 효과에 의해 반도체 내부에는 홀(혹은 전자)의 밀도차가 발생합니다. 따라서 P형 반도체와 N형 반도체를 연결함으로써 전기를 얻을 수 있습니다.

그러나 한 쌍의 반도체에서 발생하는 전압은 비현실적으로 낮기 때문에 보통 수십 쌍을 직렬로 연결하여 생성한다. Murata는 50개의 직렬로 연결된 P-N 쌍을 갖는 모놀리식 커패시터와 유사하게 구성된 요소를 개발했습니다.

 

 

 

 

 

색소를 사용해 빛을 전기로 변환

색소의 산화 환원 반응을 이용하여 전기를 발생시키고 있습니다.구체적으로는 다공질 산화물 반도체막에 흡착시킨 색소가 빛에 노출되면 여기 상태가 되어 전자를 방출합니다. 방출된 전자는 양극으로 흐르고 전해질을 통해 색소로 되돌아갑니다.

이 사이클에 의해 발전하는 구조입니다.

다공질 반도체막으로서 통상 TiO2를 사용하지만, 고온에서의 소성이 필요합니다. Murata에서는 이 다공질막에 저온에서 형성할 수 있는 ZnO를 사용함으로써, 박형·경량으로 깨지기 어려운 수지 기판을 이용한 광전지 디바이스를 개발했습니다.

 

 

Sensor Network System

센서 네트워크 시스템의 노드는 센서와 마이크로프로세서 그리고 RF 모듈로 구성되어 있습니다.에너지 하베스팅으로 얻을 수 있는 에너지 양이 작기 때문에 부하 측에서는 가능한 한 에너지를 유효하게 활용해야 합니다.

가능한 한 기능을 좁혀 최대한 작은 에너지로 작동하는 시스템을 만드는 것을 생각해야 합니다. 적은 전력으로 작동하는 센서나 마이크로컨트롤러에 대해 살펴보면 100 µW가 하나의 기준이 될 것 같습니다.
Murata는 EnOcean®모듈을 채용해, 에너지 하베스팅에 의해서 얻은 에너지를 활용하는 무선 센서 노드를 개발했습니다.

 

지금까지의 무선 센서 네트워크 시스템이 직면한 한 가지 장애물은 배터리 교체였습니다. 에너지 하베스팅을 사용하면 에너지 양은 제한되므로 지원되는 기능의 수가 제한될 수 있지만  이렇게 하면 배터리 관리 문제를 해결할 수 있을지도 모릅니다.

 

<Specification overview>