배터리 사용 필요성을 없애주는 초저전력 MCU 기반 에너지 하베스팅 기술

에너지를 이야기할 때 효율은 매우 중요한 개념이다. 효율이 높을수록 성능이 향상되고, 비용이 최소화되며, 폐기물의 양이 줄어든다. 에너지 하베스팅은 주변의 에너지원을 사용하여 전기 장치에 전원을 공급하는 방법이다. 에너지 하베스팅 기술을 활용하면 배터리가 내장된 장치의 배터리 유효 수명을 연장하거나 이를 완전 대체할 수 있다.

초저전력(ULP) MCU는 에너지 하베스팅을 위한 합리적인 방법이다. 이러한 디바이스는 웨어러블 기술, 무선 센서 및 배터리 수명 연장이 필수적인 기타 엣지 애플리케이션에 사용된다. 에너지 하베스팅의 초저전력 MCU 활용 방안과 그 효과를 이해하기 위해 에너지 하베스팅이 실제로 어떻게 작동하는지를 검토할 필요가 있다.

에너지 하베스팅의 원리

에너지 하베스팅의 개념은 원리상으로는 간단하다. 문제는 배터리나 연료, 그리드 전력 등의 주요 에너지원이 유한하다는 것이다. 또한 아무리 저장 가능한 에너지가 주변에 많더라도, 소스 전력을 사용 가능한 에너지로 전환하는 것은 100% 효율적이지 않다. 풍력 터빈이 재생 가능한 대규모 에너지원인 것도 이 같은 현실 때문이다. 터빈은 바람으로부터 위치 에너지를 공급받아, 전력을 생산하는 발전기와 맞물린 로터 주위의 블레이드를 회전시킨다. 그 밖에 다른 대규모 주변 에너지원으로는 태양열, 해양파 및 지열 등이 있다.

웨어러블 디바이스나 무선 센서 같은 더 작은 규모의 기술로는 운동, 열 또는 환경 전자기 복사 에너지를 수확할 수 있다. 이러한 제품들은 에너지원을 사용 가능한 에너지로 전환하기 위해 각각 다른 메커니즘을 사용한다. 에너지 전환에 필요한 장비의 크기나 질량은 애플리케이션에 따라 제한될 수 있기 때문에, 각 소스의 유용성과 실용성을 고려해야 한다.

열 복사는 센서 설계 및 배치가 두 가지 형태의 소스 에너지를 활용하기 때문에 무선 센서 애플리케이션에 유용하다. 자동차의 경우 도로 가까이에 설치된 센서가 아스팔트 도로의 복사열을 수용할 수 있다. 이와 달리 휠이나 엔진 부품 근처와 같이 진동이 심한 위치에서 운동 에너지를 활용할 수 있는 센서들도 있다. 초저전력 MCU의 경우, 현재로서 전환하기에 가장 실용적인 에너지 형태는 사람의 모션에서 회수되는 운동에너지이다.

초저전력 MCU의 활용 기회

초저전력 MCU의 주요 애플리케이션은 웨어러블 기술이므로 최소한의 시스템 전력 소모를 통해 엣지 데이터를 처리하는 것이 중요하다. 에너지 하베스팅은 웨어러블 기기에 장착되는 배터리의 에너지 수요를 줄여주는데, 이 배터리는 저장할 수 있는 에너지의 양이 한정돼 있어 전력 고갈이 발생할 때마다 주기적으로 충전해주거나 교체해야 한다. 배터리의 화합 물질은 쉽게 재활용할 수 없기 때문에 배터리를 폐기할 때는 어려움이 따른다. 초저전력 MCU 에너지 하베스팅 장치는 압전기, 전자기 또는 마찰전기 발전기를 통해 운동(기계적) 에너지를 저장한다.

압전기

'압전기(Piezoelectric)'라는 용어는 그리스어에서 유래했으며 압착하거나 누른다는 의미가 있다. 운동 에너지는 압전 물질을 압축하여 전기장을 생성한다. 엔지니어는 예상 범위 내 기계적 부하와 전기장 밀도를 기준으로 재료를 선택하며, 전기장이 존재하는 상태에서 재료를 변형시키는 재료의 특성과 전력 기여 효과의 균형을 맞추어야 한다. 이와 같은 경쟁 요인들을 통해 설계자는 에너지 하베스팅 장치가 기본 배터리 전력을 반복적으로 증가시키는 데 기여할 수 있도록 최적화할 수 있다. 일부 추정치에서는 운동 모션이 초저전력 MCU의 기본 전원에 평균적으로 10mW를 기여할 수 있음을 보여주기도 한다.

전자기 복사

소형 MCU를 위한 또 다른 에너지 하베스팅 기술은 전자기 복사이다. RF, 적외선, 자외선, 그리고 극초단파는 공기를 통해 복사 에너지를 운반한다. 주변 전자기파는 자기장의 구조를 진동시켜 기계적인 진동 에너지를 정해진 크기의 자석과 에어갭 설계를 통해 전기로 전환한다. 이 같은 접근 방식은 시스템에 수확된 전력 중 약  0.3mW를 차지한다.

마찰전기 나노발전기

초저전력 MCU의 또다른 전환 매체는 마찰전기 나노발전기(TENG)이다. 이 기술은 회전, 진동, 팽창·수축과 같은 기계적 모션으로부터 마찰을 받는 표면에 다른 물질을 접목시킨다. 전극은 이 물질들을 묶어서, 물질들이 서로 마찰하면서 발생하는 전하 불균형, 즉 정전기를 통해 생성된 에너지를 회수한다. 이 접근 방식은 압전기보다 10배 더 낮은 또는 약 1-1.5mW 낮은 추가 전력을 제공한다.

맺음말

초저전력 MCU의 일상적 애플리케이션인 웨어러블 기술과 무선 센서 네트워크는 수십 밀리와트 단위로 전력을 소비한다. 리튬 이온 배터리는 적절한 시간 동안 전력을 공급할 수 있는 훌륭한 수단이다. 그러나 리튬 이온 배터리는 추운 날씨에 취약하며, 사용자들은 현재의 기술력을 뛰어넘어 배터리의 수명을 연장시키고 싶어한다. 압전기, 전자기 복사 및 마찰전기 전원을 통한 기계적 에너지 하베스팅은 배터리 수명을 추가적으로 10% 더 늘릴 수 있다. 저항 및 전류 부하에 대한 기술을 최적화하고 이 기술을 지속적으로 개선하면 궁극적으로는 초저전력 MCU 장치에서 배터리 사용의 필요성을 완전히 없앨 수 있을 것이다. 결국 소형 배터리 개발과 증강 전력 간의 경쟁은 소비자들을 이롭게 할 것이다.

저자 소개

아담 킴멜(Adam Kimmel)은 실무 엔지니어, R&D 관리자 및 엔지니어링 콘텐츠 작가로 약 20년 근무했다. 자동차, 산업, 제조, 기술 및 전자 제품 등의 수직 시장에서 백서, 웹사이트, 사례 연구 및 블로그를 위한 게시글을 기고한다. 엔지니어링 및 기술 콘텐츠 작성 전문 회사인 ASK Consulting Solutions, LLC의 설립자이자 대표이다.