- 자립적 센서 네트워크의 구축을 위한 환경발전 가능성 -

환경발전은 전지와 케이블 등에 의한 전력공급 없이 기기 등을 가동시키는 기술이며, 에너지의 효율적 이용이 제기되고 있는 상황 속에서 최근 주목을 받고 있다. 이것은 우리 주변의 빛과 열, 진동 및 전파에너지를 전기에너지로 변환하기 때문이다. 이용할 수 있는 에너지는 실내의 조명등, 공장의 폐열, 인간의 체온, 도로의 진동, 휴대전화의 기지국에서 발신하는 전파 등 여러 가지이다. 이러한 에너지를 회수하는 것을 “수집” 즉, 에너지 하베스트라고 한다.

환경발전으로 얻을 수 있는 전력은 현재로서 μW~mW이다. 아직도 전력량으로서는 적기 때문에 그것만으로는 컴퓨터와 휴대전화를 작동시키는 것은 곤란하나, 소형의 전자부품과 전자기기라면 작동시키는 것이 가능하다. 예를 들면, 우리 주변에서 환경발전을 사용하는 것으로는 솔라 전자계산기와 솔라 손목시계가 있다.

또한, 실용화된 것으로는 조명을 점등/소등시키는 리모콘 스위치가 있다. 일반적으로 조명의 리모콘 스위치는 조명기구에 점등과 소등의 신호를 전달하기 위하여 전력이 필요하다. 통상 사용되는 조명 스위치는 건전지 등으로 전력을 공급받고 있으나, 환경발전을 이용하면 사람이 스위치를 누르는 압력을 전력으로 변환하여 이용할 수 있다.

그리고, 앞으로 환경발전의 용도로서 기대되는 것이 센서이다. 그러나 센서에 환경발전을 적용하는 것은 대부분 아직 실증단계에 있다. 사례로서 도로와 다리의 점검을 위한 모니터링(health monitoring)을 들 수 있다. 헬스 모니터링이란 사람이 점검해야만 하는 수고와 비용을 줄이기 위해 다수의 센서를 도로와 다리에 설치하고, 구조물의 변형과 온도 등을 모니터링함으로써 노화상황을 판단하는 것이다. 여기서 사용되는 센서의 전원에 도로와 다리의 진동을 전력으로 변환하는 환경발전기술이 이용되고 있다. 그 외 환경발전을 사용한 센서의 용도로서 자동차의 타이어 공기압 모니터링과 농업분야에서의 기상과 토양의 모니터링, 헬스케어분야에서 생체 데이터 모니터링 등에 적용하는 것을 검토하고 있다.

예를 들면, 자동차의 타이어 공기압 모니터링 시스템에서는 타이어의 공기압이 일정한 값을 하회하면 알람이 울리도록 되어 있으나, 센서를 타이어에 장착할 필요가 있기 때문에 케이블을 사용하여 전력을 공급할 수 없다. 그래서 전원으로서 타이어의 진동을 이용하는 것이다. 또한, 농업분야에서의 기상·토양 모니터링에서는 기온과 습도, 비료의 양 등을 모니터링하는 센서의 전원으로서 태양광 및 외기와 지면의 온도차를 이용한다. 그리고, 헬스케어 분야에서의 생체 데이터의 모니터링은 손목시계형 혈압계와 같이 착용할 수 있는 타입의 헬스케어기기의 전원으로서 외기와 체온의 온도차를 이용한다.

전지를 사용하는 경우와 환경발전을 사용하는 경우를 비교하면, 리모콘 스위치의 건건지 교환에서는 교환에 소요되는 수고와 비용은 그렇게 크지는 않다고 생각된다. 그러나, 앞에서 말한 용도로 이용하는 센서류의 경우에는 필요로 하는 센서의 수가 많아지게 되기 때문에 전원에 전지를 사용하면 전지교환을 수행하기 위하여 막대한 수고와 비용이 소요되며, 교환 후 폐기하는 전지의 수도 상당히 많을 것이다.

그리고 도로와 다리와 같은 곳에서 사용하는 센서는 그 설치장소에 따라 대단히 큰 위험을 수반하는 경우도 있으며, 전지교환 자체가 상당히 곤란한 경우도 존재한다. 그러나 이러한 경우에 환경발전기술을 적용하면 안정적으로 전력을 공급하는 것이 가능하다. 즉, 미약한 전력에서도 구동이 가능한 경우 및 배선작업이 곤란한 경우, 또한 센서의 수가 많거나 사람이 가까이 가기 어려운 장소에서 사용되는 센서의 경우에 환경발전의 적용은 그 장점을 충분히 활용할 수 있을 것이다.

센서를 환경발전에 적용할 때 발생할 수 있는 과제는 환경발전으로 얻을 수 있는 에너지가 현재 상태에서는 아직 불안정한 상황이다. 조명용 리모콘 스위치에서는 눌렀을 때만 가동하면 되기 때문에 필요한 때에 전력이 없다는 걱정은 없다. 그러나 모니터링을 위해 이용하는 센서는 정기적으로 센싱한 정보를 송신할 필요가 있기 때문에 필요한 때에 충분한 전력을 얻지 못할 가능성도 있다. 해결책으로서 보다 소비전력이 낮은 센서를 개발하거나 다른 기술을 조합시키는 방법을 고안해야 한다.

예를 들면, 하나의 방법은 축전지이다. 축전지는 센서가 전력을 필요로 하지 않는 경우 발전한 전력을 축전해 두고, 그 때마다 회수하는 에너지만으로는 부족하지 않는 부분을 보충하기 위해 이용한다. 축전지에 대해서는 전기자동차용 및 사무실과 공장용의 정치용 축전지 등 대형 축전지만 주목을 받고 있으나, 환경발전에서도 중요한 역할을 다한다.

환경발전용 축전지에는 PC와 디지털 카메라 등 모바일기기용 축전지와 전기자동차용 그리고 정치용 대형축전지와는 다른 성질이 요구된다. 우선, 환경발전으로 얻을 수 있는 전력은 적기 때문에 자기방전이 적은 것이 필요하다. 또한, 충전과 방전을 반복하기 위하여 충방전을 반복하여도 노화되기 어려운 것도 중요하다. 휴대기기에 이용한다면 슬림형으로 할 필요가 있다. 이미 환경발전에 특화한 축전지 제조사도 있으며, 앞으로 환경발전에서 축전지의 중요성이 높아질 것으로 생각된다.

환경발전으로 얻을 수 있는 에너지의 불안정성을 해결하기 위하여 활용할 수 있을 것으로 생각되는 기술이 무선급전이다. 무선급전은 전력을 전파의 형태로 케이블을 이용하지 않고 공급하는 기술이다. 이 기술을 어떻게 이용하는가 하면, 전력이 남은 센서에서 전력이 부족한 센서로 전력을 공급하고, 부족분을 보충하는 것이다. 그런 것이 가능한가라고 생각할지 모르지만, 내수성 잉크젯 종이에 실버잉크로 인쇄하는 것만으로 전파를 전력으로 바꾸기 위한 디바이스를 만드는 기술도 개발하고 있으며, 가까운 시일 내에 상용화될 것이다. 환경발전으로 미이용 에너지를 활용하여 발전하고, 부족한 발전량은 무선급전으로 보완하는 이용형태가 실현되는 날도 그렇게 머지않을 것으로 생각된다.

이와 같이 다른 기술을 잘 조합함으로써 안정적으로 센서에 전력을 공급하는 것이 가능하다면 지금까지 전력을 공급하는 것이 곤란하기 때문에 실시간으로 센싱할 수 없었던 경우에도 보다 실시간에 가까운 형태로 센싱이 가능하게 될 것이다.

도로와 다리의 헬스모니터링이라면 노화상황을 정기적으로 감시하는 것만이 아닌 손상이 발생하였을 때에 바로 파악할 수 있게 되고, 유선으로의 전력 공급과 빈번한 건전지 교환이 어려운 장소에서도 실현 가능하게 될 것이다. 또한, 건전지의 소비량이 크기 때문에 현재로서는 빈번히 건전지 교환이 필요한 헬스케어기기에서도 연속적 계측이 가능하게 될 것이다.

센서 네트워크를 통하여 여러 가지 데이터를 수집하고, 보다 고도의 서비스를 제공하는 대응이 여러 곳에서 수행되고 있으나, 그것이 대량의 에너지공급을 필요로 하는 것이라면 현실적으로는 그러한 센서 네트워크의 구축은 곤란하다. 또한, 폐기된 전지를 대량으로 방출하여 환경에 부하를 주는 것이라면 바람직하지 않다. 그러한 문제를 해결하는 자립적 센서네트워크 구축에는 궁극의 에너지절약을 실현하는 환경발전이 필요불가결하다고 말할 수 있다.

키워드 : 에너지절약, 센서 네트워크, 에너지 하베스트

출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

원문: http://jp.fujitsu.com/group/fri/column/opinion/201208/2012-8-5.html

연도: 2012-09-16

제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2012.10.06 12:05

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