최근 에너지 하베스팅 시스템 설계를 위한 저전력 센서와 마이크로컨트롤러가 낮은 가격으로 시장에 공급되고 있다. 또한 극저전력 트랜시버 제품도 출시 중이다. 이글은 효과적인 에너지 하베스팅 시스템을 위한 최상의 방법에 대해 알아본다.

 유명한 노래 중에 다이어 스트레이츠의 ‘Money for Nothing(불로소득)’이라는 노래가 있다. 오늘날 이 노래 제목과 같게 된 것이 바로 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술이다. 에너지 하베스팅은 그냥 없어져 버릴 것에서 공짜로 전기를 얻을 수 있다.

물론 이런 비유가 다소 억지스럽다고 생각할 수도 있다. 하지만 중요한 사실은 에너지 하베스팅을 이용해 다른 어떤 동작의 부산물로써 발생한 에너지를 재사용할 수 있으며 이를 이용해 자율적인 무선 센서 노드(wireless sensor node: WSN)를 구동할 수 있다는 것이다. WSN이 무엇인지 친숙하지 않은 이들을 위해 부연 설명을 하면, WSN은 기본적으로 주변 에너지 소스를 전기 신호로 변환하기 위한 일종의 트랜스듀서와 뒤이어 적정한 수준의 전압과 전류로 하위 전자 장치로 전력을 공급하기 위한 DC/DC 컨버터 및 매니저로 이뤄진 자족적인 시스템을 말한다. 하위 전자 장치는 마이크로컨트롤러와 센서, 트랜시버 등을 보여주고 있다.

하나 또는 복수의 WSN을 구현하고자 할 때 가장 먼저 고려해야 할 것은 그 WSN을 구동하기 위해 얼마나 많은 전력을 필요로 하느냐 하는 것이다. 얼핏 생각하기에 이 문제는 간단하게 대답할 수 있는 것처럼 생각될 수 있다.

하지만 실제로는 여러 요인이 결부되어 생각보다 훨씬 복잡하다. 예를 들어 어떤 빈도로 데이터를 읽을 것인가? 또는 더욱더 중요한 문제로써, 데이터 패킷을 어느 정도 크기로 할 것이며 얼마나 먼 거리까지 전송할 것인가? 이것은 단일 센서 데이터 취합에 있어 트랜시버가 이 전체 시스템이 소모하는 에너지의 대략 50퍼센트를 차지하기 때문이다. 이처럼 여러 요인이 WSN의 에너지 하베스팅 시스템의 전력 소모 특성에 영향을 미친다. 이것을 요약하면 표 1과 같다.

물론 에너지 하베스팅 소스가 제공하는 에너지는 이 소스가 얼마만큼의 시간 동안 가동 상태인가에 달려 있다. 그러므로 하베스팅 소스들을 비교하기 위한 일차적인 지수는 전력 밀도이지 에너지 밀도가 아니다. 에너지 하베스팅은 통상적으로 가용 전력 수준이 낮고 가변적이고 예측하기가 어려워 하베스팅 시스템에 이차적 전력 저장소를 결합한 하이브리드 구조를 흔히 이용한다.

하베스팅 시스템은 에너지 공급을 무한정할 수 있으나 전력 수준은 낮아 시스템의 일차적 에너지원으로 이용한다. 이차적 전력 저장소는 배터리나 커패시터로서 높은 출력 전력을 제공할 수 있지만, 적은 에너지를 저장하고 있어 필요할 때만 전력을 공급하고 평상시에는 하베스팅 시스템으로부터 전하를 공급받는다. 따라서 전력을 하베스팅하기 위한 주변 에너지를 이용할 수 없게 되었을 때는 이차적 전력 저장소를 이용해서 WSN을 구동한다.



물론 이렇게 하기 위해서는 시스템 디자이너의 관점에서 작업이 더 복잡해질 것이다. 주변 에너지 소스를 이용할 수 없게 되었을 때 이를 대비해서 이차적 저장소로 얼마나 많은 에너지를 저장해야 할 것인지 등을 고려해야 하기 때문이다. 이차적 저장소로 얼마나 많은 에너지가 있어야 하느냐는 여러 요인에 따라서 결정할 수 있다. 그러한 요인들로는 다음을 포함한다:

(1) 주변 에너지 소스를 이용할 수 없게 되는 시간 길이

(2) WSN의 듀티 사이클(데이터 취합과 전송을 하는 빈도)

(3) 이차 저장소의 크기와 타입(커패시터, 수퍼커패시터, 배터리 등)

(4) 일차적 에너지원으로 동작할 수 있을 만큼 주변 에너지가 충분한가? 특정한 시간 간격 동안 주변 에너지를 이용할 수 없게 되었을 때를 대비해서 이차적 저장소를 충전할 수 있게 여분의 에너지가 충분한가?

진동 에너지 하베스팅이나 실내 광전지 같은 첨단의 규격화된 에너지 하베스팅 기술은 통상적인 동작 조건으로 수 밀리와트 대의 전력을 발생시킨다. 이와 같은 전력 수준이 미약하게 생각될 수 있으나 하베스팅 소자를 다년간 가동했을 때는 이들 기술이 에너지 공급 측면이나 공급 에너지 단위당 비용 측면 모두에서 장기적 수명의 일차 전지와 거의 맞먹는다. 그뿐만 아니라 에너지 하베스팅을 적용한 시스템은 통상적으로 고갈된 후에 재충전할 수 있으며 이것은 일차 전지를 이용하는 시스템에서는 할 수 없다.

주변 에너지 소스는 빛, 열 차이, 진동 빔, RF 신호, 그 외에 트랜스듀서를 이용해서 전기 전하를 발생시킬 수 있는 어떤 것이나 될 수 있다. 표 2는 각기 다른 에너지 소스로 발생시킬 수 있는 에너지 수준을 보여준다.

완벽하게 자족적인 무선 센서 시스템을 성공적으로 설계하기 위해서는 쉽게 입수할 수 있으며 낮은 에너지 환경으로 최소한의 전기 에너지를 소모하는 절전형 마이크로컨트롤러와 트랜스듀서를 필요로 한다. 다행히 최근 몇 년 사이에 저가격대의 저전력 센서 및 마이크로컨트롤러 제품들이 속속 등장하고 있다. 하지만 극저전력 트랜시버 제품은 아주 최근에서야 시장에 선보이고 있다.

전 세계적으로 아날로그 스위치 모드 전원장치에 대한 설계 전문성이 부족함으로써 그림 1에서와 같은 효과적인 에너지 하베스팅 시스템을 설계하기가 어려웠다. 그중에서도 가장 어려운 부분이 원격 무선 센싱의 전원 관리였다. 하지만 다행히 지금은 리니어와 같은 업체들이 WSN 디자인의 전력 변환과 시스템 관리를 수월하게 하는 다양한 유형의 에너지 하베스팅 IC 제품을 제공하고 있다.

이들 IC 제품은 빛과 열, 기계적 진동을 비롯한 어떤 유형의 소스로나 에너지를 추출할 수 있다. 그뿐만 아니라 포괄적인 기능을 통합하고 편리하게 사용할 수 있도록 함으로써 에너지 하베스팅 체인 상에서 까다로운 부분인 전력 변환 디자인을 크게 간소화할 수 있다. 전원 관리 제어와 규격형 외부 소자를 비롯한 다수의 기능을 통합함으로써 WSN을 설계하는 디자이너들이 이용하도록 소형화되고 간소하고 사용하기 편리한 솔루션을 제공한다.

결론적으로 말하면 다양한 주변 에너지 소스로부터 공짜로 전기를 얻을 수 있는데 다만, 그러기 위해서는 시스템 디자이너와 시스템 개발자들이 시작 단계에서부터 자신들이 설계하는 전원 관리 시스템의 특정한 요구사항을 면밀하게 고려함으로써 효율적인 디자인을 달성하고 장기간 성공적으로 가동할 수 있을 것이다.