배터리가 필요할까? 자체 전원 센서는 시스템을 간소화하고 향상시킬 수 있다

증가하는 에너지 수요와 이를 충족시키는 방법은 세계가 직면한 가장 시급한 문제 중 하나입니다. 생산량 자체가 해결해야 할 과제일 뿐만 아니라, 생산 방식도 지속 가능하고 탄소 배출이 없어야 합니다. 

전 세계의 과학자, 연구원, 기술자, 기관 및 정부 조직은 이 에너지 문제에 대한 효율적인 해결책을 고안하기 위해 최선을 다하고 있습니다. 많은 성공적인 시도들이 상황을 개선하는 데 기여하고 있습니다. 

이 모든 가운데, MIT 연구진이 환경에서 에너지를 수확할 수 있는 배터리 없는 자체 전원 센서를 고안했습니다. 이 기술이 의미하는 바와 왜 중요한 혁신인지 더 깊이 살펴보겠습니다. 

MIT 연구진이 개발한 배터리 없는 자체 전원 센서

이 센서는 충전식 또는 교체식 배터리가 필요하지 않습니다. 또한 배선이 필요 없어 접근이 어려운 장소에도 설치하기가 용이합니다. 본질적으로 이 센서는 공기 중 전선 주변의 인접한 자기장으로부터 에너지를 얻어 작동하는 온도 감지 장치입니다. 

이 센서를 배치하는 것은 전기를 전달하는 전선(예: 모터를 구동하는 전선)에 클립으로 부착하는 것만큼 간단합니다. 한 번 부착하면 센서는 에너지를 수집하고 저장할 수 있습니다. 또한 장치는 모터의 온도를 모니터링하고, 기계의 전력 소비 및 작동 데이터를 장기간에 걸쳐 수집할 수 있습니다.

Daniele Monagle, 이 혁신을 강조한 연구의 주요 저자는 해당 연구를 게재된 논문으로 IEEE Xplore에 발표했습니다.

“우리는 유용한 기능을 수행하는 배터리 없는 센서의 예시를 제시했으며, 이것이 실용적으로 구현 가능한 솔루션임을 보여주었습니다. 이제 다른 이들이 우리의 프레임워크를 활용해 센서 설계의 첫 발을 내딛기를 기대합니다.”

이 혁신과 그 유용성에 대해 이야기하면서, 미국 해군 사관학교 무기 및 제어 공학 부교수인 John Donnal은 다음과 같이 말했습니다: 

“이와 같은 에너지 수확 시스템은 선박에 다양한 진단 센서를 레트로핏할 수 있게 하며, 유지보수 전체 비용을 크게 절감할 수 있습니다.”

연구진은 이 혁신이 에너지 수확 분야에 유용한 부가가치가 있다고 믿으며, 수확원과 센서 부하 사이의 효율적인 전자 에너지 관리 인터페이스 역할을 한다고 설명합니다. 

시스템은 개발 테스트 동안 이산 논리를 이용한 성공적인 콜드 스타트 기능을 보여주었으며, 특정 수확 전압 부하 조건에서 평균 전력 수확 효율이 약 400%에 달했습니다. 또한 50메가와트까지의 센서 부하를 처리할 수 있는 히스테리시스 제어 방식을 적용했습니다. 

이 연구는 해군 연구소(Office of Naval Research)와 Grainger 재단의 지원을 일부 받았습니다. 근본적으로, 이 장치들의 모니터링 및 감지 기능은 해운 분야에서 다양한 적용 가능성을 가집니다. 

예를 들어, 선박에서는 전원 접근 및 모니터링이 어려운데, 이는 사용 가능한 콘센트 수가 제한적이며 연결 가능한 장비 유형에 대한 엄격한 제한이 있기 때문입니다. 

선박이 펌프의 진동을 측정하고 베어링 및 마운트의 상태를 실시간으로 파악한다면 큰 이점을 얻을 수 있지만, 레트로핏 센서에 전원을 공급하는 것은 대규모 인프라 투자를 필요로 합니다. 이러한 자체 전원 센서 시스템은 선박에 다양한 진단 센서를 레트로핏할 수 있게 하여 유지보수 비용을 크게 낮춥니다. 

또한 이 센서들의 에너지 수확은 자기장에만 의존하지 않습니다. 진동이나 햇빛에서도 에너지를 수집할 수 있어, 공장, 창고, 상업 공간 등에 저렴한 설치 및 유지보수 비용으로 포괄적인 센서 네트워크를 구축할 수 있는 가능성을 제공합니다. 

이러한 에너지 수확 및 주변 자기장, 음향 진동, 햇빛으로부터 에너지를 끌어오는 논의는 압전 재료에 익숙한 사람들에게 친숙하게 들릴 수 있습니다. 그러나 차이점도 존재합니다. 

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자체 전원 센서는 압전 재료와 다릅니다

압전 재료는 압력을 가하면 전압을 생성할 수 있습니다. 전력 생성의 구동 요인은 굽힘, 늘림, 진동 등이 될 수 있습니다. 이러한 전기 생성 방식을 파도 에너지 장치를 통해 활용할 수 있습니다. 

압전 기술은 해양 전력 생성 기술로도 활용되어 왔습니다. 그러나 여기서 논의하는 자체 전원 센서 시스템과는 다릅니다. 압전은 시스템의 일부에 불과하기 때문입니다. 

과학 논문은 자체 전원 센서의 에너지 관리 설계를 상세히 다루며, 이 시스템이 크게 세 가지 구성 요소로 이루어져 있음을 보여줍니다. 수확원, 핵심 에너지 관리 모듈, 그리고 센서 노드가 그것입니다. 

압전은 수확원 중 하나입니다. 이 외에도 태양 전지, CT MEH 수확원, 열전 또는 트리보전 수확원 등 다양한 수확원이 존재할 수 있습니다. 

요약하면, 자체 전원 센서는 단순히 압전 재료나 압전 현상 그 자체보다 더 포괄적입니다. 따라서 자체 전원 센서는 다양한 분야에 적용됩니다. 

다음 섹션에서는 이러한 센서를 제조하거나 활용하는 기업들을 살펴보겠습니다. 

#1. EnOcean: 안전한 건물을 위한 자체 전원 센서

EnOcean의 무선 자체 전원 센서는 주변 조명으로부터 에너지를 수집하며, 태양 전지를 활용합니다. 이뿐만 아니라, 이 센서는 아주 작은 온도 차이에서도 에너지를 추출할 수 있습니다. 에너지 수확 외에도 원시 데이터를 수집하여 스마트 빌딩의 에너지 동태 분석 및 시각화에 도움을 줍니다. 또한 온도 외에도 습도, 조도, 건물 내 공간 및 특정 방의 사용 현황 정보를 효율적으로 파악합니다.

EnOcean은 자체 전원 센서 포트폴리오에 에너지 수확 무선 센서 모듈, 초저전력 DC/DC 컨버터(열 에너지 수확용), 에너지 수확 자기 접점 송신 모듈, 무선 온도 센서 모듈, 습도 센서 모듈 등 다양한 제품을 보유하고 있습니다.

EnOcean은 STM 550을 자체 전원 센서 라인업의 대표 제품으로 내세우고 있습니다. 이는 에너지 수확 무선 센서로, 디지털화된 건물에서 다양한 활용이 가능합니다. 이 멀티센서는 자기 접점, 가속도, 습도, 조도, 온도 다섯 가지 센서를 결합한 제품입니다.

이 센서는 내부에 통합된 태양 전지를 탑재하고 있어 모든 작동 에너지를 충족시킬 수 있습니다. 햇빛이 없을 때도 내부에 저장된 수확 에너지가 시스템을 지속적으로 작동하게 합니다. 마지막으로 NFC 인터페이스를 통해 NFC 리더기, 스마트폰, 태블릿으로 손쉽게 설정하고 접근할 수 있습니다.

EnOcean이 내부에 공개한 문서에 따르면, 회사는 FY21에 2,100만 달러, FY22에 2,320만 달러의 매출을 기록했으며, 인수 자산 매출은 포함되지 않았습니다. FY23에는 3,500만 달러의 매출을 전망하고 있습니다.

또한 회사는 Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens, Emerald Technology Ventures 등 전략적·재무적 투자자들의 강력한 파이프라인을 선보였습니다.

#2. ONiO: 배터리 없는 미래를 향한 노력

자체 전원 미래의 요구를 충족시키기 위해 열심히 노력하고 있는 또 다른 기업이 ONiO입니다. 

그들의 대표 제품인 ONiO.zero는 배터리를 대체할 수 있는 소형 무선 마이크로컨트롤러입니다. 이는 최소한의 에너지를 축적할 수 있는 전기 회로가 내장된 작은 실리콘 칩에 탑재되었습니다.

이 나노 규모 시스템은 프로그램을 실행하고 외부 센서와 연결하며 무선 통신이 가능합니다. 주변 재생 가능 에너지를 활용해 마이크로 전자부품에 전력을 공급함으로써 사용자가 RF, 태양광, 열전 에너지를 완전히 활용할 수 있는 환경을 구현합니다.

ONiO.Zero는 배터리 없는 리모컨을 포함한 다양한 마이크로컨트롤러 장치를 구동합니다. 리모컨을 작동시킬 때, ONiO.zero는 저전력 마이크 연결을 위한 PDM 인터페이스를 구현합니다. 이 인터페이스는 300 kHz에서 12 MHz까지의 샘플링 속도를 지원하며, 분수 비트레이트도 지원합니다. 또한 정전용량식 터치 엔진을 통합해 내부 발진기가 필요 없으며 완전 자체 시계 방식으로 동작합니다. 이 설계는 극히 낮은 전력으로 구동되며 시스템의 나머지를 비동기식으로 깨울 수 있습니다. 더욱이, 초저전력 발진기는 64개의 버튼 중 어느 하나가 눌러져도 CPU를 깨울 수 있도록 설계되었습니다.

2023년 7월, ONiO는 배터리 없는 전자 선반 라벨을 공개했습니다. 이 라벨은 100% 자체 전원으로 배터리가 전혀 필요 없습니다. 기존 선반 라벨은 각각 두 개의 코인 셀을 사용하며, 평균적인 편의점은 약 6,000개의 라벨을 사용합니다. 이는 단일 편의점에서 매년 거의 12,000개의 코인 셀을 바다와 매립지에 폐기하게 됩니다.

ONiO의 자체 전원 배터리 없는 전자 선반 라벨은 수백만 개의 배터리에서 발생하는 유해 폐기물로부터 지구를 보호할 수 있습니다.

회사는 2017년, 2018년, 2021년에 각각 프리시드, 시드, 브리지 라운드의 자금을 완료했으며, 2024년까지 시리즈 A 라운드를 마칠 예정입니다. 최신 자금 데이터에 따르면, 2020년 5월 유럽 혁신 위원회(European Innovation Council)로부터 약 250만 유로의 보조금을 받았습니다.

#3. Clarity Movement Co.: 공기 감지 기술을 활용해 청정 공기 운동을 선도

미국 캘리포니아주 버클리 소재 Clarity Movement Co.는 Clarity Node-S라는 대표적인 미세먼지 및 이산화질소 모니터를 제공합니다. 이는 FCC/CE 인증을 받은 자체 전원 솔루션이며, 핵심은 태양 에너지 수확 원리를 활용한 IoT 공기질 모니터링 시스템입니다.

또한 첨단 데이터 관리 기능을 갖추어 어느 규모의 프로젝트에도 적용할 수 있습니다. PM2.5와 이산화질소를 측정하는 공기질 모니터링 하드웨어 역할 외에도, Clarity Node-S는 풍속, 블랙 카본, 오존을 측정할 수 있는 플랫폼으로도 활용됩니다. 사용자 친화적인 대시보드는 공기질 측정값과 공기 네트워크 상태 데이터를 가장 접근하기 쉬운 형태로 제공합니다.

Clarity Movement는 현재까지 총 5차례의 투자 라운드를 진행했으며, 최신 시리즈 A는 2022년 7월 24일에 진행되었습니다. 해당 라운드에서는 960만 달러의 자금을 조달한 것으로 알려졌습니다.

배터리 없는 자체 전원 센서 솔루션을 제조하는 기업들 외에도, 그 실현 가능성을 연구하고 개발을 진행 중인 적용 분야도 존재합니다.

헬스케어부터 지능형 건물 시스템까지: 자체 전원 센서의 활용

센서는 헬스케어, 웨어러블 산업, 개인 전자기기, 자동차, 건물, 식품 모니터링, 로봇공학, 환경 모니터링 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 이러한 센서의 장점은 자체 전원 센서에 의해 더욱 강조됩니다.

현재 자체 전원 감지 시스템에 머신러닝 기술을 통합하는 개발이 진행 중입니다. 전문가들은 자체 전원 센서에 ML 기능을 결합하면 사물인터넷의 대규모 배치를 위한 새로운 길이 열릴 것이라고 믿고 있습니다.

자체 전원 무선 광 전송을 이용한 무선 압력 감지에 대한 성공적인 연구가 수행되었습니다. 과학계는 또한 3D 프린팅된 탄성 금속 코어 트리보전 손목 밴드, 파킨슨병용 떨림 센서, 스마트 양말, 지능형 운전자 보조 시스템 등 자체 전원 센서를 활용하는 다양한 기술 개발을 목격했습니다.

헬스케어 및 바이오메디컬 분야에서는 인간 움직임에서 발생하는 생체역학적 에너지를 감지할 수 있는 하이브리드 센서가 등장했습니다. 이러한 센서는 다리 재활 장치를 구동하고, 피부에 부착된 형태로 생체역학적 움직임 및 다중 압력 감지와 인간 제스처 인식 솔루션을 제공합니다.

배터리 없는 자체 전원 미래를 위한 로드맵

자체 전원 배터리 없는 센서가 크게 기여할 분야 중 하나는 전 세계 규모의 사물인터넷(IoT) 배치입니다. 추정에 따르면 대규모 IoT 배치를 위해 매일 10억 개의 배터리를 교체해야 할 수 있습니다. 에너지 수확 기술이 확실히 도움이 될 것입니다.

하지만 자체 전원 센서가 진정한 잠재력을 발휘하려면 몇 가지 병목 현상을 해결해야 합니다. 전자 분야는 에너지 수확 기술이 만들어내는 소규모 전력 생성 방식을 효율적으로 수용하고 활용할 준비가 되어야 합니다.

세상은 낮은 활성 처리 전력으로 효율적으로 구동되는 전자 장치 개발에 더 많은 진전을 보여야 합니다. 접촉 전기화가 생성하는 표면 전하를 증가시켜 일상 전자 기기를 구동할 충분한 에너지를 수확해야 합니다. 인간 움직임 감지 분야에서 성공적인 적용을 위해서는 가용 데이터의 효율적인 관리도 중요한 역할을 할 것입니다.

이러한 과제가 충분히 해결된다면, 자체 전원 센서는 일상에서 사용하는 시스템을 크게 간소화하고 향상시킬 수 있습니다. 이는 최소한의 탄소 발자국을 갖고 근본적으로 지속 가능한 에너지의 길을 열어줄 것입니다.