사물 인터넷은 일반적으로 작고 휴대가 간편한, 엄청나게 많고 빠르게 그 수가 늘어나고 있는 장치들을 연결하는 것이다. 그리고 이러한 장치들은 모두 제각각 자체적인 소형 에너지원을 필요로 한다.
이러한 장치들에게 배터리는 만족스럽지 않다. 배터리는 종종 교체 혹은 재충전되어야 하기 때문이다. 이에 현재 다양한 기술 솔루션들이 고려되고 있고, 그중 가장 유명한 솔루션 중 하나가 바로 전자기 에너지 하베스팅(electromagnetic energy harvesting)이다.
에너지 하베스팅이란, 태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기 에너지로 전환시켜 수확하는 기술로, 일상적으로 버려지거나 사용하지 않은 작은 에너지를 수확하여 사용 가능한 전기 에너지로 변환해주어 신재생 에너지 원천 기술로 각광을 받고 있다.
에너지 하베스팅 기술은 ‘발생 에너지 변환 수집 부분’과 ‘에너지 축적 부분’으로 구성된다.
전자기 에너지 하베스터(에너지 수확기)는 평행하고 고정된 코일을 마주하여 결합된 마이크로자석들의 정렬을 유지하는 진동판으로 구성된다. 전기 에너지는 진동하는 자석에 의해 생성되고, 회로에 들어갈 수 있는 전기의 양은 코일, 자석, 그리고 이들 사이의 간격 설계에 따라 달라진다.
최근 ‘유로피안 피지컬 저널 스페셜 토픽(European Physical Journal Special Topics)’에 발표된 바와 같이, 프랑스와 미국이 구성한 한 연구팀은 희토류 금속 ‘네오디뮴(neodymium)과 철, 붕소를 결합한 자석을 사용하는 시스템을 검토했다.
연구팀은 ‘정렬상 자석들의 간격’과 ‘코일상 회전 수’ 사이의 어떤 절충을 통해 전력을 최적화할 수 있음을 발견했다. 코일과 자석 정렬 사이의 거리를 줄이면서 자석의 두께를 늘리면 전력도 증가했다.
연구원팀은 현재 이 연구를 통해 개발한 지침을 활용하여 사용하여 하베스터를 생산하고 있다. 그리고 이 장치는 항공 우주, 자동차, 생물 의학 및 기타 분야의 사물 인터넷에 매우 유용할 것으로 전망된다.
이외 현재 에너지 하베스팅의 종류는 다음과 같다.
- 신체 에너지 하베스팅 : 신체 움직임을 통해 발생하는 체온, 정전기, 운동에너지 등을 이용하는 방법
- 광 에너지 하베스팅 : 태양광을 이용하는 방법
- 진동 에너지 하베스팅 : 진동이나 압력을 가해 압전 소자를 발전시키는 방법
- 열 에너지 하베스팅 : 산업 현장에서 발생하는 수많은 폐열을 이용하는 방법
- 전자파 에너지 하베스팅 : 방송전파나 휴대전화 전파 등의 전자파 에너지를 이용하는 방법
- 중력 에너지 하베스팅 : 도로의 과속 방지턱, 횡단보도 일시정지선 등에 공기 압력 펌프를 설치하여 차량의 중량을 이용해 공기를 압축시킨 후 압축 공기 발전을 하는 방법
- 위치 에너지 하베스팅 : 수력발전소의 방수구 및 화력발전소 냉각수 방수로에서 발생하는 위치에너지 차이를 이용하는 방법
영국 시장조사기관 아이디테크엑스(IDTechEx)는 2020년에 전 세계 에너지 하베스팅 시장규모가 한화로 약 43조에 육박할 것이라고 예상한 바 있다. 특히 영국의 전력회사 페이브젠(Pavegen)은 전력 생산이 가능한 마루 타일 ‘페이브젠(pavegen)’을 2014년 영국 내 12개 학교에 보급하여, 학생들이 복도에서 뛰노는 것만으로도 전기를 생산할 수 있는 압전 에너지 하베스팅 시스템을 구축했다. 또한 동일 시스템을 브라질 리우데자네이루 빈민가에 설치, 운동에너지를 이용해 불을 밝히는 축구장도 건설한 바 있다.
에너지 하베스팅은 특히 사람의 움직임을 전원으로 활용하려는 연구 분야가 활발한데 ‘에너지 하베스팅 반도체’를 활용하여, 사람의 움직임을 전기로 변환하는 형태라 할 수 있다. 이는 휴대폰이나 웨어러블 컴퓨터 등의 장치에 보조 전원으로 활용할 수 있다.
에너지 하베스팅 수요가 장차 늘어날 것으로 전망되자, 한국, 영국, 독일, 미국, 일본 등 소위 반도체 생산국 간 기술개발 경쟁도 뜨겁다. 이를 조율하고 기술 개발 방향을 정하기 위한 국제기구로 국제전자기술위원회(IEC : International Electrotechnical Commission) 반도체소자 기술위원회(Technical Committee 47)가 있다. 이들이 표준화를 논의하고, 에너지 하베스팅 관련 표준을 결정한다.
[GT] Optimization of a Vibrating MEMS Electromagnetic Energy Harvester Using Simulations
The Internet of Things involves the wireless interconnection of an enormous and rapidly expanding number of devices that are generally small and portable. And each of these needs its own sustainable micro-energy source.
Batteries are unsatisfactory for this as they will often need to be replaced or recharged. Many different technologies are being considered and one of the most promising solutions seems to be electromagnetic energy harvesting.
An electromagnetic energy harvester consists of a vibrating plate holding an array of micromagnets facing and coupled with a parallel, static coil. Electrical energy is generated by the vibrating magnets and the amount of electricity that can enter a circuit depends on the design of the coil, the magnet and the spacing between them.
As documented recently in The European Physical Journal Special Topics, a team of French and American researchers investigated a system using magnets which combined the rare earth metal neodymium with iron and boron.
They found that power could be optimized through a trade-off between the spacing of the magnets in the array and the number of turns in the coil; reducing the distance between coil and magnet array while increasing the thickness of the magnets also increased the power.
The researchers are now producing harvesters using the guidelines they developed through this study. And these devices are likely to prove useful for the Internet of Things in aerospace, automotive, biomedical and other sectors.
