Society 5.0으로 실현하는 초스마트 사회에서는 많은 수의 센서와 액추에이터, 프로세서가 환경 속에 설치되어 있으며, 그들의 에지 노드(네트워크 단말 디바이스)가 네트워크를 구성해 연계함으로써 여러 가지 기능․서비스가 제공된다. 여러 개의 에지 노드 모두에 전원 공급이 필요하지만, 전원 배선 공사와 정기적인 전지 교환을 하는 것이 기술적 혹은 경제적으로 어려운 케이스도 많이 예상된다. 그렇기 때문에 에지 노드에 대한 전원 공급이 Society 5.0 실현의 장해물이 될 가능성이 있다.

그러한 배경에서 새로운 전원 공급 기술로서 주목받고 있는 것이 에너지 하베스팅이다. 우리들 주변 환경 속에는 빛․열․진동․전파 등 여러 가지 형태로 에너지가 존재한다. 에너지 하베스팅 기술은 이러한 에너지를 수확(하베스트)해, 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 이 글에서는 에너지 하베스팅 기술의 개발․실용화 동향과 IoT․AI에 대한 활용 사례를 소개하고, Society 5.0 실현을 위한 전망을 살펴본다.

에너지 하베스팅 기술의 개발․실용화 동향

앞에서 말했듯이 에너지 하베스팅 기술은 환경 속에 희박하게 존재하는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 

환경 속의 에너지 존재 형태가 다양하기 때문에 그들을 전기 에너지로 변환하는 기술도 다양하다. 따라서 한마디로 에너지 하베스팅이라고 해도 그 안에는 여러 가지 기술이 포함되어 있다. 구체적으로는 주로 표 1과 같은 기술이 각종 연구 개발의 대상이 되고 있다.

이하에서는 각각의 에너지 하베스팅 기술 및 관련 기술에 대해, 최신 개발․실용화 동향을 소개한다.

1. 빛 에너지 이용 기술

환경 속에는 태양이나 인공조명에서 나오는 가시광이 풍부하게 존재한다. 광원에 따라서는 근자외선 혹은 근적외선을 포함하는 것도 있다. 이러한 가시광 혹은 그 부근 파장의 환경 전자파를 이용한 에너지 하베스팅 기술로는 이른바 태양전지가 해당된다.

여러 가지 태양전지 기술이 존재하지만, 그 중에서 에너지 하베스팅이라는 관점에서 주목받고 있는 것은 그늘지거나 흐린 날씨일 때 등의 자연광이나, 실내조명 등의 인공광에서 효율적으로 발전할 수 있는 기술이다. 전자계산기나 손목시계 등의 실용 제품에는 현재 아몰퍼스 실리콘 태양전지가 사용되고 있는 사례가 많다. 실내 환경에서 아몰퍼스 실리콘 태양전지보다 효율이 높은 태양전지 기술로서 색소증감 태양전지나 유기박막 태양전지, 페로브스카이트 태양전지 등이 주목받고 있다.

현재 태양광 및 실내광에 대해 가장 에너지 변환 효율이 높은 태양전지는 박막 GaAs 태양전지이다(집광기와 다접합 기술을 이용하는 것을 제외한다). 코스트가 높기도 해서 보급은 되어 있지 않지만, 2017년 8월에는 아우디가 자동차 차체에 탑재하는 계획을 발표했다. 일본에서도 2019년 7월부터 NEDO, 샤프, 도요타자동차가 GaAs 등 3종의 화합물을 접합한 박막 태양전지를 프리우스 PHV에 탑재해 도로에서 주행 실증을 시작했다.

2019년 6월에는 리코가 개발한 전고체 색소증감 태양전지가 타이세이(大成)의 사무용 책상에 채용되는 등 실용화의 움직임이 가속되고 있다.

2. 역학적 에너지 이용 기술

역학적 에너지를 전력으로 변환하기 위해서는 우선 환경 속에 존재하는 역학적 에너지를 디바이스 내에 넣은 후에 그 에너지를 전기 에너지로 변환하는 2단계의 프로세스가 필요하다(그림 1). 

                        ▲ 그림 1 역학적 에너지의 발전

전자의 환경 속의 역학적 에너지를 디바이스에 넣는 방법으로는 ①디바이스가 외부로부터 힘을 받아 변형하는 방식, ②공기나 물의 흐름을 날개로 받는 방식, ③외부 환경의 가속도 변화(진동이나 충격)에 의해 내부의 추에 발생하는 관성력을 이용하는 이른바 진동 발전 등의 방식이 있다.

①의 방식으로 실용화되어 있는 것으로는, 눌러서 발전하는 무선식 조명 스위치가 있다. 또한 최근 눌러서 발전하는 와이어리스 차임도 Amazon 등을 통해 저렴하게 시판되고 있다(Amazon에서 ‘전지가 필요 없는 와이어리스 차임’이라고 검색하면 상품이 여러 개 나온다).

②의 방식으로 실용화되어 있는 것으로는 화장실 자동 수전이 있다. 물의 흐름으로 발전해 그 전력으로 손의 접근을 감지하는 적외 센서와 전자 밸브를 구동하는 것이다. LIXIL와 TOTO가 제품화하고 있다.

③의 방식으로 실용화되어 있는 것으로는 열차의 차축 베어링 모니터링 시스템용 전원의 진동 발전 디바이스가 있다.

한편 2단계 프로세스의 후자, 디바이스 내부에 넣은 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 원리로서는 전자 유도, 압전 효과, 정전 유도, 역자기변형 효과의 4종이 알려져 있다. 코일과 자석의 상대운동에 의해 유도 전류를 발생시키는 것이 전자유도 발전의 원리, PZT 등의 압전 재료를 일그러트려 표면 전하를 발생시키는 것이 압전 발전의 원리이다. 정전 유도 발전에는 몇 가지 배리에이션이 있다.

일본에서 연구가 활발한 일렉트릿 발전은 전하를 박아 대전시킨 일렉트릿을 콘덴서의 한쪽 전극으로 하고, 대향 전극을 이동시키는 등의 방법으로 정전 용량을 변화시켜 발전한다. 일렉트릿을 사용하지 않고 2개의 재료를 접촉시킴으로써 대전시키는 마찰대전(정전기) 방식의 연구도 미국과 중국을 중심으로 활발하게 이루어지고 있다. 역자기변형 효과를 이용해 발전하기 위해서는 자장을 가하면 변형되는 자기변형 재료(FeGa나 FeCo 등)를 일그러트려 주위의 자장을 변화시키고 코일에 유도 전류를 발생시킨다.

실용화 사례로서 앞에서 말한 예의 거의 모두가 전자유도 방식으로 발전하고 있다. 압전 방식은 네덜란드의 스포츠용품 메이커 HEAD가 판매한 테니스 라켓(공을 친 충격으로 발전하고 액티브하게 진동을 감쇠시킴으로써 테니스엘보를 방지하는 라켓)이나 스키 등 실용화 사례는 있지만, 수가 적다. 현시점에서 정전 유도나 역자기변형 방식으로 실용화된 예는 없다.

3. 열 에너지 이용 기술

열(정확하게는 온도차 엑서지)을 이용한 여러 가지 발전 방식이 연구되고 있다. 대형 발전 설비는 열기관(랭킨 사이클 등)이 널리 보급되어 있으며, 발전 효율도 높다. 그러나 에너지 하베스팅 용도의 소형 발전에서는 열기관의 효율이 저하하기 때문에 소형화해도 효율이 저하지 않는 열전 발전 디바이스 쪽이 유리하다. Bi2Te3는 성능이 좋은 열전 재료로 알려져 있지만, 환경 부하가 문제되고 있으며 실온 부근에서부터 겨우 200℃ 정도까지의 온도 환경에서만 사용할 수 있다. 환경 부하가 적은 재료와 보다 고온 영역에서 사용할 수 있는 열전 재료도 각종 개발이 진행되고 있다.

열전 발전의 실용화 사례로서는 석유나 가스의 생산 현장에서 무선 센서 전원으로 사용되고 있는 외에, 이와타니 산업의 카세트 가스 팬히터나 하수도 범람 검지 솔루션에도 활용되고 있다.

4. 전파 에너지 이용 기술

환경 속에 존재하는 주요 전파원으로는 TV, 라디오의 방송파, 휴대전화와 Wi-Fi 기지국과 단말에서 나오는 전파를 들 수 있다.

이러한 환경 전파를 수확하고 전력 회생하는 전파 하베스팅에는 렉테나(정류형 안테나)라는 디바이스를 사용한다. 렉테나는 우주 태양 발전의 지표측 수전 디바이스로서 개발된 경위가 있으며, 일본에도 요소 기술은 있지만, 최근에는 RFID가 보급되는 유럽과 미국에서 연구 개발이 활발하다.

저소비전력 무선 기술의 BLE(Bluetooh Low Energy)와 조합한 제품 개발도 추진되고 있으며, 인텔의 전 엔지니어가 설립하고 아마존과 삼성이 30만 달러의 증자를 인수한 것으로도 화제가 된 Wiliot와, 초저소비전력 웨이크 업 기능과 통합한 무선 LSI를 개발하는 Atmosic Technologies 등의 벤처기업 동향이 주목을 받고 있다.

5. 기타 에너지 이용 기술

이상 언급한 이외에도 여러 가지 에너지 하베스팅 기술의 개발이 추진되고 있다. 예를 들면 생체가 생성하는 유기물(체액 중의 포도당이나 땀 중의 젖산)을 이용해 발전하는 바이오 연료전지와 미생물 연료전지, 체액(위산이나 소변 등)을 전해질로서 받아들여 발전하는 방식 등이 있다. 또한, 물의 증발을 이용하는 방식과 삼투압 차이를 이용하는 방식 등 포텐셜 차이를 이용하는 방식도 연구되고 있다.

IoT, AI에 대한 활용 사례

IoT와 AI는 Society 5.0을 지지하는 중요한 기반 기술이다. 모든 사물이 네트워크로 연결되는 IoT를 실현하기 위해서는 모든 사물에 전원이 필요하다. 전자 디바이스의 저소비전력화가 추진됐기 때문에 1차 전지로 10년간 가동시킬 수 있는 무선 센서 노드도 등장했지만, 한편으로 대량의 데이터를 요구하는 AI가 떠오르면서 보다 많은 데이터를 취득하고 에지로 처리하는 요구가 높아져 1차 전지로는 그 요구에 대응할 수 없게 됐다. 에너지 하베스팅 기술은 눈앞의 전원 요구에 대한 해결책으로서, 그리고 장기적으로는 Society 5.0을 지지하는 잠재력 있는 기술로서 유저의 관심이 높아지고 있으며 활용 사례도 증가하고 있다.

1. 스탠드 얼론 제품에서 IoT 응용으로 

에너지 하베스팅 기술을 응용한 제품은 최근 갑자기 나타난 것이 아니라, 예전부터 존재했다. 그러나 그들은 스탠드얼론으로 동작하는 제품이었다. 

예를 들면 20세기 초반 미국에서 라디오의 공공 방송이 시작된 당초, 수신기는 라디오 방송의 전파 에너지만으로 작동하는 광석 라디오가 일반적이었다. 1930년대에는 자전거 램프를 점등시키기 위한 다이나모가 영국에서 발명됐다. 1970년대에는 태양전지로 작동하는 전자계산기와 손목시계가 일본에서 발매됐다. 1980년대에는 팔의 움직임으로 발전해 작동하는 손목시계, 1990년대에는 체온과 외기온의 온도차로 발전해 작동하는 손목시계도 발매됐다. 앞에서 말한 화장실의 자동 수전이 발매된 것은 1980년대였다.

그러나 최근 무선 기술의 저전력화가 급속히 추진됨으로써 무선통신을 동반하는 디바이스 전원도 에너지 하베스팅 기술로 처리할 수 있게 되어, 스탠드얼론 제품에서만 이용하는 것이 아니라 무선 센서 등의 네트워크화된 제품으로 응용이 확대되어 왔다.

최근 에너지 하베스팅 기술의 응용이 추진되는 대표적인 분야는 건물(홈 오토메이션, 빌딩 오토메이션 등)이다. 눌러서 발전하는 무선식 조명 스위치 제품은 유럽과 미국을 중심으로 개발․판매되고 있다. 벽 내의 배선이 불필요해져 빌딩의 배선공사 코스트가 30% 정도 절감되고, 공사 기간도 단축할 수 있다. 또한, 레이아웃 변경이 용이해진다는 장점도 있다. 일본에서는 TOTO의 비데 벽스위치와 분가(文化)셔터의 방화 셔터 안전장치에 내장되어 있다. 

영국의 Perpetuum는 진동 발전 디바이스를 내장한 철도 차량의 차축 베어링 모니터링 시스템의 판매에 성공했다. 발전 디바이스 단체로 판매하는 것이 아니라, 센싱 데이터에서 베어링 상태를 판별하는 알고리즘을 개발해 무선으로 데이터를 클라우드에 수집 축적하고 웹을 통해 액세스할 수 있는 실시간 모니터링 시스템으로서 상용화하고 있다.

2016년 후지쯔주식회사는 하수도 범람 검지 솔루션의 판매를 시작했다. 이 솔루션은 수위 센서를 하수도의 맨홀 안쪽에 붙이고, 5분마다 수위 정보를 무선통신으로 클라우드에 수집․축적해 수위 모니터링용 애플리케이션으로 지도상에 그래프 표시한다. 수위 센서와 무선의 구동은 열전 변환 유닛과 1차 전지로 한다. 열전 변환 유닛의 한쪽 전극에는 축열재가 붙여 있으며, 일정한 온도를 유지하도록 되어 있다. 또 다른 한쪽의 전극에는 맨홀의 철 뚜껑 온도가 전해진다. 열전 변환 유닛과 1차 전지를 병용함으로써 전지 교환 간격을 10개월에서 5년 이상으로 연장할 수 있었다.

2. 에지 AI에 대한 응용

현재 AI는 클라우드에서 학습 처리를 하는 방식이 주류인데, 클라우드로 송신되는 데이터량을 줄이거나, 현장의 응답 성능 향상의 요구에 대응하기 위해 AI 기능을 에지로 옮기는 ‘에지 AI’를 위한 개발이 가속화되고 있다. 에지 AI용의 저소비전력 반도체 칩 개발도 세계적으로 추진되어, 에너지 하베스팅 기술에 의한 가동도 사정권 내에 들어 왔다. 

예를 들면 스위스의 벤처기업 EcoRobotix가 개발한 AI 로봇은 태양전지를 천판으로 한 테이블과 같은 형상이며, 카메라로 농작물과 잡초를 식별해 잡초에만 제초제를 살포하면서 농지를 자율 주행한다. 일률적으로 제초제를 살포하는 경우와 비교해 제초제의 사용량을 20분의 1로 줄일 수 있다. 농지는 일조가 있는 것이 전제이며, 이러한 자율주행 AI 로봇이 농업을 변혁해 갈 것으로 예상된다.

또한, 미국의 벤처기업 Alea Air가 판매하는 공조 시스템은 표준적인 통기구를 대체해 설치하는 것으로, 11종의 센서, AI, 공기의 흐름을 제어하는 로봇 루버, 디바이스의 배터리 수명을 연장시키는 열전 발전 유닛을 내장하고 있으며 클라우드를 통해 서로 통신하고 연계한다. 

AI라는 키워드에 애매함은 있지만, 에지 노드의 고기능화는 앞으로도 추진되어 갈 것으로 예상된다. 이와 같은 움직임의 끝에 Society 5.0이 있다.

Society 5.0 실현을 위한 전망

Society 5.0이라는 키워드는 제5기 과학기술 기본계획의 의논 말기에 독일의 Industry 4.0에 대항하는 캐치프레이즈로 고안된 것으로, 산업 경쟁력 강화에 대한 안티테제로서 사회 과제 해결의 책무를 짊어져 왔다. 그러나 이것은 SDGs, ESG 투자 등 최근의 세계적인 추세에 따른 것이며, 트릴리온 센서 등 기술 제일주의로 사회 과제를 해결해 가는 세계적인 움직임과도 호응하고 있다.

이 Society 5.0을 실현하는데 있어 에너지 하베스팅 기술은 지금까지 설명한 바와 같이 실용상으로도 중요한 위치인데, 상징적인 의미에서의 주목도 앞으로 높아질 것으로 예상된다. 사회 공헌 행위가 경제적 가치를 가지는 시대에서, 환경을 배려한 친화적인 전원 기술이라는 이미지가 그 보급을 위한 뒷받침이 될 가능성이 높고, 실태로서 저환경부하성을 추구하는 의의는 크다. 연구 개발 측에서 발상의 전환이 필요할 뿐만 아니라, 유저 측에도 기술 선정의 안목이 요구된다..

[한양솔라에너지​]