컴팩트 풋프린트의 저전력 태양열 에너지 포집
에너지 포집(energy harvesting)은 결코 새로 등장한 개념이 아니다. 수력과 중력을 결합해서 전기 발전 터빈을 구동하던 최초의 수력발전소가 1882년에 세워졌으며 매우 대규모로 비교적 ‘친환경적’이며 지속가능한 전기 전력 소스를 제공했다. 하지만 이러한 유형의 전력 소스는 자연 지형에 크게 의존하므로 긴 거리의 많은 비용이 소요되는 전달 네트워크를 필요로 한다. 거리에 따라서 전달 손실이 증가하므로 이용할 수 있는 전력의 양을 크게 감소시킨다. 그런데 많은 경우에 무선 센서 노드를 구동하기 위해서는 불과 수 밀리와트의 전력이 필요하므로 훨씬 더 소형의 솔루션이 필요하다.

Jeff Gruetter / 리니어 테크놀로지 파워제품 제품 마케팅 엔지니어

경제적으로 훨씬 더 효과적이고 전기적으로 효율적인 솔루션이 전력 소스를 부하에 매우 가깝도록 유지함으로써 전달 손실을 일으키지 않는 point-of-load 디자인을 구축하는 것이다. 그런데 이와 같은 디자인을 구축하기 위해서는, 원격 구역에서 작동하고, 경제적으로 효과적이고, 자체적으로 유지됨으로써 수년에 걸쳐서 유지보수를 필요로 하지 않는, 즉시 이용 가능한 전력 소스가 있어야 한다.
이러한 애플리케이션을 위한 솔루션을 위해서 전혀 새로운 관점에서 에너지 포집 개념이 재등장하였으며 매우 적은 전력의 컴팩트한 무선 애플리케이션을 위한 새로운 시장이 형성되고 있다. 이들 애플리케이션은 수 나노와트에서 수십 밀리와트에 이르는 출력 전력을 필요로 한다.
태양열 셀(태양전지 셀), TEG(thermoelectric generator), 서모파일(thermopile), 압전 트랜스듀서 같은 비전통적인 전력 소스들은 잘 알려진 전기 전력 소스들이기는 하지만 이들 소스로부터 전력을 동력화하는 것은 까다로운 일이었다. 이들 각각이 이러한 대안적인 전력 소스를 효율적으로 수집하고, 관리하고, 좀더 사용 가능한 형태의 전기 에너지로 변환해서, 센서, 마이크로컨트롤러, 무선 트랜시버를 구동할 수 있도록 하기 위해서 특정한 유형의 전력 변환 회로를 필요로 한다. 소스 전압이 매우 낮아서 상향변환을 해서 사용 가능하도록 해야 하는 경우이거나 아니면 정류를 하고 하향변환해야 하는 경우이든 특정한 에너지 포집 회로를 필요로 한다.
지금까지 이러한 회로들은 30개 이상의 부품을 이용한 매우 복잡한 디스크리트 회로를 필요로 했으며 그러면서도 실제적으로 이용할 수 있도록 충분히 높은 효율을 제공하기가 힘들었다. 비로소 최근에 전문적인 에너지 포집 구동 IC가 등장함으로써 컴팩트하고 단순하며 매우 효율적인 전력 변환 및 관리 솔루션을 제공할 수 있게 되었다.
이와 같은 초저전력 솔루션들은 교통 인프라, 의료 장비, 타이어 압력 감지, 산업용 센싱, 빌딩 자동화, 자산 추적 등과 같은 다양한 무선 시스템에 이용할 수 있다. 이러한 시스템은 통상적으로 작동 수명의 대부분을 대기 모드로 지내므로 수 μW만을 필요로 한다. 기동 상태가 되었을 때는 센서가 압력, 온도, 기계적 휨 등과 같은 파라미터를 측정하고 이 데이터를 무선으로 원격 제어 시스템으로 전송한다. 이러한 전체적인 측정, 프로세싱, 전송 시간이 보통 수십 밀리초에 불과하지만 이 짧은 시간 간격을 위해서 수백 mW의 전력을 필요로 할 수 있다.
이들 애플리케이션은 듀티 사이클이 낮으므로 포집해야 하는 평균 전력 역시 비교적 낮다. 전력 소스가 단순히 배터리일 수 있다. 하지만 배터리는 어떤 식으로든 재충전해야 하거나 또는 결국에 교체해야 한다. 많은 이러한 애플리케이션은 배터리를 물리적으로 교체하기 위한 비용이 현실적으로 타당하지 않을 수 있다. 이럴 때 주위 에너지 소스가 좀더 매력적인 대안이 될 수 있다.

나노전력 무선 센서 애플리케이션의 부상
건물 자동화의 경우에는 점유 센서, 서모스탯, 조명 스위치 등과 같은 시스템이 통상적으로 필요로 하는 전력 또는 제어 배선을 제거하고 대신에 기계적 또는 에너지 포집 시스템을 이용할 수 있다. 이러한 대안적 기법은 또한 유선 시스템에 통상적으로 필요로 하는 유지보수 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 애초에 배선을 설치할 필요가 없게 하거나 또는 무선 애플리케이션의 경우에 통상적인 배터리 교체를 필요로 하지 않게 한다.
마찬가지로 에너지 포집 기법을 이용한 무선 네트워크는 건물 내에서 어느 숫자의 센서이든 연결할 수 있으므로 건물에 사람이 없을 때 불필요한 구역으로 전력을 차단함으로써 HVAC(heating, ventilation & air conditioning) 및 조명 비용을 절감할 수 있다.
(그림 1)은 통상적인 태양열 에너지 스캐빈징 시스템을 5개 메인 회로 시스템 블록으로 표현한 것으로서, 소형 태양전지 셀을 직사 일광이나 실내 조명에 노출시키는 것과 같이 자유 에너지 소스를 이용한 것이다. 이들 태양전지 셀은 피크 일광 시에 평방 cm 면적당 50mW 이상의 전기 전력을 발생시킬 수 있으며 실내 조명 시에 최대 100μW의 전기 전력을 발생시킬 수 있다. 그런데 이들 셀이 발생시키는 전기 에너지를 에너지 포집 회로(그림 1의 두 번째 블록)를 이용해서 매우 특수한 방식으로 수집해야 한다. 이 회로가 그와 같은 낮은 전압의 에너지를 효율적으로 수집하고 이를 좀더 사용 가능한 형태로 변환함으로써 저장 디바이스를 지속적으로 충전할 수 있다.
태양열 셀이 발생시키는 전력은 주위 빛 조건에 따라서 크게 변동적이므로 주위 빛을 이용할 수 없을 때 연속적인 전력을 제공할 수 있도록 하기 위해서 배터리나 수퍼커패시터 같은 재충전가능 저장 장치가 필요하다(그림 1의 세 번째 블록). 이러한 저장 장치는 배터리이거나 수퍼커패시터이거나 상관없이 간단한 스텝다운 DC/DC 컨버터(그림 1의 네 번째 블록, 이는 보통은 필요하지 않다)와 어울려서 하위 장치들을 구동하면서 계속해서 재충전할 수 있다. 하위 장치들은 통상적으로 특정한 유형의 센서, 아날로그-디지털 컨버터, 초저전력 마이크로컨트롤러, 무선 트랜시버로 이루어진다(그림 1의 다섯 번째 블록).
포집된 에너지가 이제 레귤레이트된 전력의 형태로 공급됨으로써 이를 이용해서 이들 장치들이 센서를 기동시키고 리딩이나 측정을 실시하고 이 데이터를 초저전력 무선 트랜시버를 통해서 전송할 수 있도록 한다. 최신 세대의 초저전력 무선 마이크로컨트롤러들은 다중의 ADC를 포함하고 무선 트랜시버를 통합하고 있다. 이들 마이크로컨트롤러는 통상적으로 측정이나 전송 시에 1mS의 짧은 시간 간격 동안 20mA~35mA의 전류를 필요로 하며 그런 다음에는 슬립 모드로 전환해서 3.5μA의 공급 전류만을 필요로 함으로써 평균적인 전력 요구량을 최소화한다.
이 체인 상의 각각의 회로 블록들은 각기 제약 때문에 최근까지도 상용화가 어려웠다. 저가의 저전력 센서와 마이크로컨트롤러를 이용할 수 있게 된 지는 한참 되었으나 최근에서야 초저전력 트랜시버를 마이크로컨트롤러와 통합해서 극히 낮은 전력의 무선 연결을 가능하게 하고 있다. 이 체인에서 가장 지체되고 있는 부분은 에너지 포집 IC이다.
기존의 에너지 포집 블록 구현은 통상적으로 30개 이상의 부품들로 이루어진 비교적 낮은 성능의 디스크리트 구성이었다. 이러한 디자인은 변환 효율은 낮고 정지 전류는 높다. 이러한 두 가지 결점으로 인해서 대형의 더 비싼 배터리와 태양열 셀을 필요로 함으로써 최종 시스템의 성능을 저하시키는 결과를 초래했다.
이와 같은 대형의 저장 장치가 없다면 낮은 변환 효율 때문에 시스템을 파워업 하는데 필요한 시간이 늘어나고 이는 다시 센서 리딩을 취하고 이 데이터를 전송하는 데 걸리는 시간 간격을 증가시킨다. 전력 변환 회로의 높은 정지 전류는 포집해서 애플리케이션 부하로 이용할 수 있도록 할 수 있는 ‘가용’ 에너지의 양을 크게 제한한다. 또한 낮은 정지 전류 동작과 높은 전력 변환 효율 모두를 달성하기 위해서는 높은 수준의 아날로그 스위치모드 전원장치 전문지식이 필요한데 이 또한 쉽지 않다.
또한 이 체인에서 충족되지 않았던 것이 극히 낮은 전력 소스로부터 여분의 에너지를 포집하고 관리할 수 있는 고도로 통합적인 DC/DC 컨버터였다. 그런데 이제 사정이 달라지게 되었다.

에너지 포집 사례
한 예로서 외딴 벽지에 있는 송유관이고 송유관의 매 50미터 부분마다 파이프의 유량, 온도, 압력을 지속적으로 모니터링해야 하는 에너지 포집 기반의 산업용 모니터링 시스템이라 하자. 매 노드마다 송유관 안쪽 벽에 온도, 압력, 유량 센서를 장착하고 있다. 매 5초마다 측정을 실시하고 보고해야 한다. 송유관의 길이가 수백 마일에 달하므로 전력선과 정보 라인을 구축하기 위해서 많은 비용이 소요되고 지속적인 유지보수를 필요로 한다. 배터리를 주기적으로 교체하는 것 역시 이의 많은 숫자와 외딴 벽지라고 하는 조건 때문에 많은 비용이 소요될 수 있다.
이럴 때 필요한 것이 즉시 이용 가능하고 지속적인 충분한 전력을 계속해서 발생시킬 수 있는 전력 소스이다. 가장 널리 이용되고 있으며 쉽게 이용 할 수 있는 에너지 소스 중의 하나가 소형 태양열 셀과 배터리나 수퍼커패시터 같은 저장 장치를 결합해서 야간이나 불량한