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삼성과 애플을 합쳐도 \”이 회사\”의 순수익보다는 낮습니다.
여러분은 모두 삼성과 애플이 세상에서 가장 돈을 잘 버는 회사라고 생각하셨겠죠.
하지만 이 회사가 벌어들이는 순수익은 상상을 초월합니다.
그리고 이 회사가 이만한 돈을 버는 원천은 바로 에너지겠죠.
에너지는 돈이 됩니다. 하지만 낭비되는 에너지는 너무 많습니다.
2018년, LG이노텍은 이 낭비되는 에너지를 최소화할 수 있는 열전 반도체 사업을 개시합니다.
그들의 컨셉만큼은 정말로 괜찮았습니다. 미래 가치도 충분했고요.
하지만 그들은 2020년 1월, LED조명을 비롯해 냉장고 부품 열전 사업을 접는다고 발표합니다.
이렇게 가치가 좋은 사업을 왜 접은 걸까요?
흥미로운 영상이길 바랍니다.
감사합니다.
– Chapter
0:00 순이익 순위
1:13 에너지 하베스팅
3:03 열전반도체
4:20 철수하는 LG
5:41 앞으로의 전망
7:08 일론 머스크
– 내용출처:
1. LG이노텍 Newsroom, “열전반도체 기술 및 장점 이용한 냉장고 기대됩니다”, 2018
2. 이은정, “LG 이노텍, 열전 반도체 신사업 개시… 5년 후 매출 2천~3천억”, ZDnet, 2018
3. 윤진우, “LG이노텍, 열전 반도체 기술 LG 오브제 냉장고에 적용”, 한국경제, 2018
4. LG 이노텍, “LG 이노텍, 나노 다결정 열전 반도체로 시장 공략 본격화”, 2018
5. 김보형, “LG이노텍, 옥에 티였던 LED조명 냉장고부품 사업 접는다”, 한국경제, 2020
6. 변세진 외2, “열전 에너지 변환 연구동향”, 한국세라믹학회, 2017
7. 김연균, 에너지하베스팅, 저전력기기 급증에 관심집중, 정보통신신문, 2020
8. 김준래, “1분이면 미지근한 물이 시원해진다”, The science times, 2020
9. 전황수, “열전소자 시장 및 개발동향”, ETRI, 2014
10. 김윤수, “카이스트, 버려지는 열로 전기 만드는 소재 성능 높였다”, 조선비즈, 2020
11. 김민철, “구기고 찢어도 자가 치유, ‘이온성 고효율 열전소재’ 개발…세계 최초”, 케미컬뉴스, 2020
12. Zico Alaia Akbar et al, “Intrinsically Self-Healable, Stretchable Thermoelectric Materials with Large Ionic Seebeck Effect”, Energy \u0026 Environmental Science, 2020 (doi.org/10.1039/C9EE03861B)
13. Markets and Markets, “Thermoelectric Modules Market by Model, Type, Functionality, Offering, End-Use Application, and Region – Global Forecast to 2024”, 2019
14. 김형규, “1111억달러! 사우디 아람코, 애플 제치고 지난해 순이익 1위…삼성 3위”, 2019
15. 강경주, “한국, 핵융합 역사 다시 썼다… 인공태양 섭씨 1억도 20초 운전”, 한국경제, 2020
– BGM: Aakash Gandhi,Cavalry / Ugonna Onyekwe, Progressive Moments / Nomyn, Fragments
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선행연구 – (주)노바텍
VEH. Vibration Energy Harvesting. 에너지 하베스팅 기술은 자연의 빛 에너지, 미세 진동 에너지, 신체활동 에너지 등을 흡수하여 전기 …
Source: www.mynovatech.com
Date Published: 7/11/2021
View: 5573
에너지 하베스팅 시장
에너지 하베스팅은 신재생에너지 분야에 속하는 기술로, 태양열, 열에너지, … 전 세계 에너지 하베스팅 시장에서 주요 기업은 Analog Devices(미국),.
Source: www.innopolis.or.kr
Date Published: 3/16/2021
View: 4124
[기획]에너지하베스팅, 저전력기기 급증에 관심집중
□2022년 5조원 시장 전망에너지 하베스팅이란 태양광 발전처럼 개별 장치 … 가장 많이 알려진 압전에너지 하베스팅은 영국의 에너지 기업 ‘페이브 …
Source: www.koit.co.kr
Date Published: 6/25/2022
View: 3748
버려지는 에너지를 재활용하다, 현대차그룹의 에너지 하베스팅 …
이처럼 글로벌 기업을 중심으로 에너지 하베스팅에 대한 기술 개발과 시장 규모가 빠르게 늘어나는 추세다. 태양열 패널과 풍력 발전기가 늘어서 있다.
Source: www.hyundai.co.kr
Date Published: 11/17/2021
View: 7712
에스아이티테크놀로지, ‘에너지 하베스팅 전력관리반도체 …
이어 “하드웨어부터 소프트웨어까지 통틀어 다루는 엔드-투-엔드 솔루션 기업으로서 고객사가 원하는 최적 제품을 공급할 수 있도록 심혈을 기울이겠다”고 …
Source: www.etnews.com
Date Published: 7/13/2021
View: 4663
버려진 에너지가 만드는 전력, 에너지 하베스팅 | 국내연구자료
KB금융지주경영연구소는 본 보고서에서 에너지 하베스팅 기술의 개념과 이를 적용한 사례를 살펴보고자 하였다. 아울러 에너지 하베스팅 시장 규모를 …
Source: eiec.kdi.re.kr
Date Published: 5/10/2022
View: 1578
최신 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술 및 산업 동향
1. 개요 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)은 태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 미세하게 수확하여 전기에너지로 …
Source: scienceon.kisti.re.kr
Date Published: 8/28/2022
View: 1811
[기고] 에너지 하베스팅, IoT 성장 이끌까?
간단히 말해서 에너지 하베스팅은 기업이 사물 인터넷을 진정으로 활용해 배터리에 낭비되었을 비용과 시간을 절약할 수 있게 한다.
Source: www.elec4.co.kr
Date Published: 6/1/2021
View: 5793
일상을 전기로, 에너지하베스팅(4, 끝) “시장성과 기술개발 모두 …
IoT 기업들과 전문가들은 에너지하베스팅을 차세대 스마트사업의 키가 될 기술로 꼽았다. 동시에 국내 에너지하베스팅을 발전시키기 위해서 시장형성 …
Source: www.electimes.com
Date Published: 6/10/2022
View: 7244
경북도, 에너지 하베스팅 핵심 부품소재 국산화로 친환경 에너지 …
해외에서는 대규모 호텔의 수만 개 스위치에 에너지 하베스팅 기술을 사용하여 … IBM, 오슬람(OSRAM) 등 글로벌 정보통신 기업들이 활동하고 있다.
Source: www.mtnews.net
Date Published: 4/6/2022
View: 4770
주제와 관련된 이미지 에너지 하베스 팅 기업
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주제에 대한 기사 평가 에너지 하베스 팅 기업
- Author: 에스오디 SOD
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- Date Published: 2020. 12. 3.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=B7wLMDWjrjA
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[기획]에너지하베스팅, 저전력기기 급증에 관심집중
열, 진동, 전자기파, 신체 등
잉여에너지 추출원 다양 이점
부산 지하철·서울숲 보도블록
압전 이용 에너지 생산 성큼
출력·내구성 높은 소자 개발
안정적 전기 생산·유지 관건
에너지 하베스팅에 대한 관심이 증가하면서 압전, 열전 등 다양한 기술들이 개발되고 있다.
■에너지 하베스팅, IoT 성장 이끌까
IT 산업을 주도하고 있는 화두는 사물인터넷(IoT)과 웨어러블 디바이스라 할 수 있다. 특히 저전력을 필요로 하는 소형 전자기기들은 시간과 공간에 구애받지 않고 설치되거나, 인체에 밀착돼야 하기 때문에 독립 전원을 필요로 한다. 이러한 제약의 해법이 될 수 있는 해결책이‘에너지 하베스팅’이다. 이 기술을 사용하면 에너지를 주변 환경에서 포획해 전기로 바꿀 수 있다.
■2022년 5조원 시장 전망
에너지 하베스팅이란 태양광 발전처럼 개별 장치들이 자연적인 에너지원(태양광, 진동, 열, 바람 등)으로부터 발생하는 에너지 혹은 주변에 버려지는 빛, 운동에너지 등을 모아 저장해 전력으로 변환하는 기술이다.
현재 에너지 하베스팅 소재 기술 발전으로 출력 에너지는 기대 이상 증가하고 있고, 전자기술의 소형화, 집적화, 그리고 배터리의 사이즈 및 용량의 한계로 인해 향후 에너지 하베스팅에 대한 수요는 급증할 것으로 예상된다고 전문가들은 말하고 있다.
영국의 글로벌 시장조사 기관 IDtechEx에서 발표한 ‘전자기기를 위한 에너지 수확과 저장’에 따르면 에너지 하베스팅 시장은 2022년 5조원 시장으로 성장할 것으로 전망하고 있다.
또한 2022년 에너지 하베스팅 기술별 전 세계 시장 점유율은 태양전지 기술이 46.6%로 가장 크게 사용될 것으로 예상된다. 이어 전자기, 압전, 열전 에너지 하베스팅 기술이 큰 차이 없이 약 23%에서 14% 정도로 전체 에너지 하베스팅 기술로 적용될 전망이다.
■주변 일상에서 에너지 추출
에너지 하베스팅의 에너지 추출원은 열(열전), 진동(압전), 전자기파, 신체, 중력, 위치 등 다양하다. 태양광으로부터 에너지를 얻는 솔라셀, 열로부터 전기에너지를 얻는 열전소자, 진동으로부터 전기에너지를 얻는 압전소자, 그리고 전자기파로부터 에너지를 얻는 RF 방식 등이 대표적으로 주목받고 있다.
열에너지는 주요 발전소의 연료 연소 후 폐열, 냉각수의 온배수 등 잔열을 배출하는 시스템에서 온도차를 이용해 전기에너지를 추출한다. 열전소자를 이용한 발전방식은 약 10%의 에너지 변환 효율을 가지며, 가용시간에 따른 발전부품의 수명이 길고 높은 신뢰도를 가지고 있다.
진동에너지는 사람들이 걸어 다닐 때의 바닥 충격, 구조물의 진동, 자전거 폐달 회전 등에서 발생하는 진동 및 충격에너지를 압전소자를 이용해 전력으로 변환한다.
압전소자를 이용한 발전 방식은 비교적 높은 발전효율과 넓은 응용 가능성으로 에너지 하베스팅 분야에서 다양하게 적용될 것으로 전망된다. 비교적 간단한 응용 사례로 신발에 압전소자를 삽입해 사람이 걸을 때 발생하는 지면과의 충돌에너지를 활용해 전기를 생성하는 것이다.
또한 전자기파는 방송 전파, 휴대폰 전파 등 주변에 존재하는 수많은 전자기파 에너지를 이용해 전기에너지를 수집한다. 통신 전파 이외의 남는 ‘잉여 전파’를 수집해 직류 전기로 변환해 전기 에너지를 수확하는 방식이다.
한편 신체에서 발생하는 체온, 정전기, 운동에너지 등을 이용해 특수한 섬유로 전기를 생성하거나 보행 시 체중의 변화를 이용할 수도 있다.
■환경에 적합한 방법 선택
다양한 에너지 추출원만큼 얻을 수 있는 에너지의 크기도 다양하다.
업계 의견에 따르면 솔라셀은 태양광 에너지로부터 약 0.4~40mW/㎠의 에너지를 얻을 수 있으며, 열전소자는 열에너지로부터 약 0.01~10mW/㎠의 에너지를, 압전소자는 진동에너지로부터 약 0.005~10mW/㎠의 에너지를, 그리고 RF 방식은 약 0.1~5 mW/㎠의 전기적 에너지를 각각 얻을 수 있다.
에너지 하베스팅은 단지 에너지 수확에서 끝나는 것이 아니라, 수확된 에너지를 변환해 저장하였다가 사용하는 것이기 때문에 에너지 획득 모듈과 이를 사용할 수 있게 하는 변환 모듈로 구성된다. 에너지 획득 모듈에는 다양한 에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 소자가 포함되고, 변환 모듈에는 전기에너지를 취합하는 입력회로와 이를 정격 전압과 전류로 변환하는 변환회로, 전자기기의 에너지로 보내는 출력회로가 포함된다.
그러나 각각의 방법은 모두 장단점을 갖고 있어 주어진 환경에 적합한 방법을 선택하는 것이 중요하다.
예들 들어 광에너지 변환기술인 태양발전은 생산되는 에너지양은 크지만 날씨에 따라 발전량이 변동될 수 있고, 실내에선 사용할 수 없다는 단점이 있다. 압전에너지 변환기술은 다른 방법에 비해 에너지 밀도가 높고, 풍력이나 파도 등 다양한 형태의 기계적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다는 장점이 있지만, 압전 재료로 납 성분을 포함하고 있는 독성 물질이 이용되므로 각별한 주의를 요한다.
■다양한 전력원, 활용도 다양
에너지 하베스팅은 다양한 분야에 적용되기 시작했다.
SK에너지는 2009년부터 울산 공장에서 버려지는 시간당 40톤의 폐열 증기를 활용해 연간 약 2300만 리터의 벙커C유를 절약하고, 연간 7만5000톤의 온실가스를 감축하는 효과를 거두고 있다. 국내에서는 대표적인 열 에너지 하베스팅 사례로 꼽히고 있다.
2012년 의정부시와 서울시는 의정부시에 소재하는 소각장에서 발생하는 폐열을 서울시에 공급하기로 협정을 맺었다. 이로 인해 의정부시는 2027년까지 연간 10억원, 모두 150억원의 세외 수입을, 서울시는 26억원 가량의 지역난방 생산비용을 아낀 것은 물론 41억원 석유수입 대체효과와 1만4850톤의 온실가스 저감효과를 얻을 것으로 기대하고 있다.
진동 및 압력 에너지를 이용한 사례는 국내외에서 자주 접할 수 있다.
부산 지하철 서면역에는 사람들이 걸을 때 발생하는 진동을 이용해 전력을 생산하는 압전 에너지 하베스팅 보도 블록이 설치됐다. 이곳에 설치된 ‘에너지블럭’은 압력·진동·충격에 의한 압전기술을 이용한 ‘자가발전장치’로 센불과 티오션이 한국세라믹기술원과 함께 개발한 압전에너지 상용화 제품으로 알려져 있다. 압전 발전판은 서울 성수동 서울숲 공원에도 설치돼 있다.
가장 많이 알려진 압전에너지 하베스팅은 영국의 에너지 기업 ‘페이브젠(Pavegen)’이 개발한 운동에너지 활용 시스템이다. 페이브젠은 브라질 리우데자네이루의 빈민가에 축구장을 건설, 사람들이 축구장을 뛰어다니며 발생하는 진동에너지를 압전소자를 이용해 전기를 발생시켜 6개의 LED 조명 전력으로 전환해 사용하고 있다.
네덜란드 로테르담의 ‘에너지 플로어’도 주목받는 사례다. 댄스클럽의 바닥에 에너지 발전기를 설치해 사람들이 춤을 추면 진동에너지가 전기에너지로 변환돼 클럽에 전기를 공급하는 시스템이다. 이런 원리를 이용해 클럽뿐만 아니라 박물관, 피트니스센터, 공공시설 등 다양한 분야에 접목해 나가고 있다.
이스라엘은 도로에 ‘압전 발전기’를 깔았다. 이스라엘 이노와테크사는 도로 아래에 에너지 하베스팅 발전기를 설치해 자동차의 무게(중력에너지)와 도로의 진동(진동에너지), 그리고 온도의 변화(열에너지)를 모두 전력으로 변환하는 ‘도로 압전 발전기’를 가동 중이다. 2차선 1㎞의 도로에서 차량 600여대가 지나갈 경우 약 250가구에 공급할 수 있는 400㎾의 전력을 생산하고 있다.
미국 스타트업 솔파워는 걸을 때 발생하는 압력으로 8㎞만 걸어도 스마트폰을 완충할 수 있는 전력을 만드는 신발 깔창 발전기를 고안해 선보인 바 있다.
신체 에너지를 이용한 에너지 하베스팅 사례도 있다.
영국의 모바일 회사인 보다폰은 바지 주머니에 열전 소자를 넣어서 사람의 신체에서 나오는 열을 이용해 전기를 생산해 휴대폰을 충전할 수 있는 바지를 2013년에 출시했으며, 잠을 자는 동안 발생하는 열을 이용하는 침낭도 개발했다.
■융합 연구·원천기술 확보 필요
IT 업계는 각종 디바이스의 소형화, 모바일화, 저전력화로의 변화가 에너지 하베스팅 관점에서 새로운 기회가 될 수 있다고 전망한다.
스마트워치 등 단말기는 복잡한 기능을 실행하면서 더 많은 전력을 필요로 하고 있다. 전력 소비를 줄이려는 노력과 배터리 용량을 높이려는 노력이 동시에 진행되고 있지만 배터리 용량 은 크기와 직결되기 때문에 전자기기의 크기, 무게 제약 하에서 한계가 있다.
또한 배터리를 주기적으로 충전, 교체해야 한다는 점은 사용자들의 불편을 초래하고 있다. 이에 보조전원으로 에너지 하베스팅이 적용될 수 있는 가능성은 높은 편이다.
또한 에너지 하베스팅 기술은 제품 생산 전 과정이 무선통신으로 연결돼 자동으로 이뤄지는 스마트 팩토리에도 적용 가능하다. 산업 시설에서는 전력설비의 안전진단 및 유지보수를 목적으로 정보통신기술을 이용한 전력설비의 실시간 상태진단과 무전원, 무배선, 고신뢰도 등을 갖춘 무선진단시스템이 요구되고 있다.
최근 한국전기연구원에서는 자기에너지 하베스팅 기술을 이용한 자가발전 온도 센서를 개발해 이 문제를 해결했다. 이 온도 센서는 전선 주위의 폐자기장을 수집해 전력을 생산하고, 아날로그 디지털 전력 변환을 통해 센서 및 무선송신 모듈의 전원으로 공급한다. 또한 2.4㎓의 주파수로 10~15m 떨어진 수신기에서 측정된 온도 신호를 실시간으로 수집해 모니터에 표기한다.
보도블럭에 압전 소재를 설치해 전기를 생산할 수 있다.
하지만 에너지 하베스팅 기술은 소재와 모듈의 기술적 한계를 극복해야 한다.
정윤지 LG경제연구원 연구원은 “에너지 하베스팅이 더 많은 분야에 적용되기 위해서는 출력 성능과 내구성을 높여 에너지 하베스팅 기술을 적용했을 때의 이점을 충족시켜야 한다”고 설명했다.
그동안 열전 소자의 경우, 에너지 변환 효율이 낮아 작은 크기로 적용되는 데에 한계가 있었다. 열전 소자의 핵심은 소재가 갖는 열전 성능 지수, 즉 열이 전기로 변환하는 성능을 나타내는 지표로 이 지수가 클수록 에너지 변환 효율이 높다. 최근 소재 측면에서 나노 기술을 적용해 열전 성능 지수를 높이는 방법이 두각을 나타내고 있다.
압전의 경우에는 우수한 압전 성능과 함께 유연하면서도 반복적인 압력에 내구성을 지닌 소재가 필요하다. 현재까지 가장 많이 쓰이는 소재로 압전 세라믹인 PZT가 있는데, 이는 납을 사용하기 때문에 인체에 유해하고 잘 깨지는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 고분자 압전 재료, 고분자 복합 소재 등이 개발되고 있다.
한편 에너지 하베스팅 기술에 적용된 센서에 필요한 전력이 클 경우, 저전력으로 충당하기에는 한계가 있다. 뿐만 아니라 불규칙적으로 에너지가 발생하기 때문에 출력이 일정치 않고, 장시간 수집하면서 모아지는 전력량은 독립 전원으로 전자기기를 구동시키기에 부족하다.
정윤지 연구원은 “전력원으로 활용되기 위해서는 일정 수준의 전기를 안정적으로 생산하고, 오랫동안 유지될 수 있어야 한다”며 “이를 위해서는 저전력으로 구동 가능한 센서 및 회로와 불규칙한 에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 저장장치 등의 주변 기술 발전이 이뤄져야 한 다”고 조언했다.
이에 대한 해결책으로 고효율 소재 기술·설계 기술 등 융합 연구 및 원천기술 확보를 위한 산업계 및 정책기관의 과감한 투자 전략이 요구된다.
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버려지는 에너지를 재활용하다, 현대차그룹의 에너지 하베스팅 기술
모든 움직임에는 에너지가 발생한다. 그러나 대부분 의미 없이 사라지고 만다. 친환경이 중요한 가치로 부상하며 업계를 불문한 수많은 글로벌 기업들은 이렇게 낭비되는 에너지에 주목하기 시작했다. 이와 함께 떠오른 키워드가 바로 ‘에너지 하베스팅(energy harvesting)’이다. 사용하지 않거나 버려지던 에너지를 단어 뜻 그대로 ‘수확(harvest)’하여 전기를 비롯해 다양한 에너지로 변환하는 에너지 하베스팅은 현재 친환경 기술의 한 축으로 각광받고 있다.
영국 시장조사기관인 아이디테크엑스(IDTechEx)는 2012년 7억630만 달러에 불과했던 에너지 하베스팅의 시장 규모가 2022년 52억8,070만 달러로 크게 증가할 것이라 예측하고 있다. 이처럼 글로벌 기업을 중심으로 에너지 하베스팅에 대한 기술 개발과 시장 규모가 빠르게 늘어나는 추세다.
에스아이티테크놀로지, ‘에너지 하베스팅 반도체’ 선보인다
에스아이티테크놀로지(박규홍 대표)가 벨기에 e-PEAS사의 ‘에너지 하베스팅 전력관리반도체 PMIC(Power Management Integrated Circuit)’를 국내에 선보인다고 2일 밝혔다.
회사가 국내 시장에 공급할 에너지 하베스팅 반도체는 자연적인 에너지원인 태양광과 진동, 열 등 에너지를 전기에너지로 전환시켜 수확하는 기술을 탑재했다. 최첨단 기술을 활용해 버려지는 에너지를 수확해 전기에너지로 바꿔 재활용한다. 배터리를 사용하는 기존 사물인터넷(IoT) 전자장비들을 배터리 교체 없이 반영구적 제품으로 사용할 수 있다는 게 회사 측 설명이다. 회사는 이 제품과 함께 e-PEAS 초저전력 마이크로 컨트롤러(MCU)도 국내 시장에 선보인다. 고객사는 두 제품을 함께 사용하면 베터리 에너지 효율을 최적화할 수 있다.
박규홍 대표는 “국내외 산업계에서 무선 센서와 웨어러블, 산업용 노드, IoT 시스템 고도화가 이뤄지고 있다”며 “이 과정에서 에너지 하베스팅 기술이 주효한 역할을 할 것”이라고 말했다. 이어 “하드웨어부터 소프트웨어까지 통틀어 다루는 엔드-투-엔드 솔루션 기업으로서 고객사가 원하는 최적 제품을 공급할 수 있도록 심혈을 기울이겠다”고 덧붙였다.
에스아이티테크놀로지는 국내 산업 환경에 적합한 유·무선 반도체와 정보기술(IT) 통합솔루션을 공급·개발하는 기업이다. 회사는 마이크로칩 테크놀로지 협력사다. 지난 30년간 국내 산업계에 최적화한 반도체를 공급했다. 최근 에너지 절약을 돕는 지능형 검침 인프라(AMI)와 사물인터넷(IoT)용 로라(Lora) 통합솔루션으로 사업 영역을 확장했다. 회사 제품과 솔루션은 국내 대표 전자업체와 공기업, 철강업계와 통신장비제조업체, 전기차 충전기업체 등에서 쓰인다.
회사는 150여개 시스템 구축업체와 협력해 로라 모듈을 산업현장에 공급하고 있다. 로라 모듈을 통해 건물 밖과 도로 등 다양한 장소에 IoT 서비스를 구현할 계획이다. 회사 모듈은 중후장대 업종 안전 관리, 수도 자동검침기, 열량계 등 다양한 사용처에 적용됐다. 향후 국내 스마트시티 사업용 스마트 가로등, 디밍 제어기, 관제 솔루션에 자사 모듈을 적용할 계획이다.
에너지 하베스팅 칩은 국내외 산업계에서 전자가격표시기와 위치추적장치 등에 쓰인다. 하베스팅 방법은 태양발전, 기계 에너지를 이용한 압전발전, 기계적 운동과 전자기적 현상을 이용한 발전 및 용량성 발전, 폐열을 이용한 열전발전 등이다. 영국 시장조사기관 아이디테크엑스(IDTechEx)에 따르면 전 세계 에너지 하베스팅 시장 규모는 2012년 7억630만달러 규모에서 오는 2022년 52억8070만달러로 커질 전망이다. 국내 대표 전자기업과 글로벌 비즈니스 솔루션 기업에서도 하베스팅 칩을 기반으로 한 제품 상용화를 추진 중이다. 국내 중견기업도 관련 제품 상용화를 검토하고 있다.
임중권기자 [email protected]
[보고서]최신 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술 및 산업 동향
초록
1. 개요
에너지 하베스팅(Energy Harvesting)은 태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 미세하게 수확하여 전기에너지로 변환시켜 저장 또는 사용하는 일련의 기술을 의미하고, 에너지변환 단계에서 적용되는 에너지 하베스팅 기술로는 광전, 열전, 압전 그리고 전자기파 변환 기술 등이 있다.
초기 에너지 하베스팅은 소자의 집적도 및 크기를 키워 효율을 높이고, 많은 양의 에너지를 생산하는 데 주력하였으나, 최근에는 작고 휴대가 가능하며 유연한 소자를 제조하는 기술들이 개발되고 있어 응용 분야가 다양화될 것으로 전망된다.
특히 무선네트워크나 자동차의 소형 전자장치, 모바일기기 그리고 웨어러블 디바이스 등 저전력기기 중심의 보급이 활발해질 것으로 예상되며, 에너지 하베스팅 기술 보급의 활성화, 탄소 배출 감소의 필요성 증대 그리고 사물인터넷(IoT) 기술의 적용 증가 등이 에너지 하베스팅 기술의 성장을 견인할 것으로 예측되고 있다.
본 리포트에서는 최근 에너지 하베스팅 기술 수준, 관련 산업 동향, 시장규모 그리고 시사점에 대해 소개하고자 한다.
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[기고] 에너지 하베스팅, IoT 성장 이끌까?
[기고] 에너지 하베스팅, IoT 성장 이끌까?IoT, 상시 전력 공급 받으려면
에너지 하베스팅 시스템의 기본 요소
하베스트 전력 관리
상시 적절한 전력 공급
새로운 제품 개발
새로운 애플리케이션 가능성
우리 주변의 수많은 사물에-전구, 가전기기, 자동차에서부터 의료용 센서, 산업 장비, 심지어 전체 도시에 이르기까지- 지능이 빠르게 확산되면서 사물 인터넷(IoT)이 거침없이 성장하고 있다. 시장조사기관 가트너(Gartner)에 따르면 2020년 네트워크에 연결된 IoT 노드의 수가 204억 대에 이를 것으로 예상되며, 이는 현재 전 세계 인구의 몇 배나 되는 수치이다.그러나 사물 인터넷 성장에 장애물이 없는 것은 아니다. 과제의 하나는 이러한 수십억 개의 IoT 기기들은 위치와 애플리케이션에 관계없이 상시 전력을 공급 받아야 한다는 것이다. 또한 주기적으로 배터리를 교환하기 위한 비용과 인적 자원이 필요하다. 이러한 기기에서 추가되는 모든 에너지 수요가 환경에 미치는 영향 또한 고려해야 한다.현재 이러한 제약의 해법이 될 수 있는 새롭게 떠오르는 해결책이 에너지 하베스팅이다. 이 기술을 사용하면 에너지를 주변 환경에서 포획하여 전기로 바꿀 수 있다. 에너지 하베스팅은 그대로 두면 버려지는 주변광, 진동, 열, RF와 같은 수많은 가능한 에너지원을 이용할 수 있다.사물 인터넷과 관련하여 에너지 하베스팅의 목표는 많은 양의 전력을 생산하는 것이 아니라 찾을 수 있는 모든 곳에서 소량의 에너지를 모으는 것이다. 예를 들어 주변광에서 수확되는 전력은 광원이 실외 또는 실내인지에 따라 보통 10μW/㎠에서 10mW/㎠사이이다. 사람이 움직일 때 생산되는 에너지는 4μW/㎠ ~ 100μW/㎠ 수준이다. 여기에서도 에너지원(사람 또는 기계)에 따라 달라진다. 마찬가지로 인체에서 끌어 올 수 있는 열 에너지는 약30μW/㎠이고, RF에서는 약 0.1μW/㎠를 얻을 수 있다.간단히 말해서 에너지 하베스팅은 기업이 사물 인터넷을 진정으로 활용해 배터리에 낭비되었을 비용과 시간을 절약할 수 있게 한다. 시장조사기관 IDTechEx는 전세계 연간 에너지 하베스팅 사업이 2022년에는 50억 달러를 넘어설 것으로 전망했다. 하지만 향후 성장 전망을 고려할 때 기술은 어떻게 전개될까?기본적으로 에너지 하베스팅은 수집, 조정, 저장의 3단계 과정을 거친다. 트랜스듀서가 에너지원(주변광, 열, 진동, 압력, RF 등)에서 에너지를 포획하고 전기 에너지를 출력한다. 다음으로, 전력 관리 IC가 들어오는 전기 전압을 부하에 맞춰 조정한 다음 저장 디바이스에 전달한다. 저장 장치(보통 슈퍼커패시터)는 저전력, 단속적 주 에너지원, 고전력, 그리고 연속적인 부하 사이에서 버퍼 역할을 한다.주 에너지원에 따라 에너지 하베스팅 시스템은 다른 종류의 트랜스듀서를 사용한다. 예를 들어 광전 에너지 하베스터는 실외와 실내에서 광 에너지를 포획하여 소비자용 및 산업용 애플리케이션에서 배터리를 보충하고 아예 제거할 수 있다. 마찬가지로 압전 트랜스듀서는 압력이나 움직임으로부터 기계적으로 응력을 받을 때 전압을 발생시킨다.이러한 트랜스듀서는 자동차, 항공기, 자동화 장비, 심지어 인체에서 주변의 모든 진동을 사용하여 수많은 사물 인터넷 기기에 전력을 공급할 수 있다. 미드(Mide)에서 출시한 PPA-1021은 0.74mm 두께의 압전 트랜스듀서로 진동 에너지를 포획하여 28.2V에서 4.5mW의 DC 출력을 발생시킨다.폐열을 활용하는 열전기 트랜스듀서는 2종의 다른 금속의 접합부에 온도 차가 존재할 때 전력을 발생시킨다(제벡 효과 현상). 마이크로펠트(Micropelt)의 TE-CORE 열 하베스팅 모듈은 국지적으로 사용 가능한 폐열을 포획하여 전기로 변환하도록 설계됐다. 10°C 미만의 온도 차에서 동작하는 이 디바이스는 1.8V ~ 4.5V 사이에서 구성 가능한 출력을 제공한다.연결된 부하에 맞춰 수확된 에너지를 조정하고 안정적인 전원 공급을 유지하려면 에너지 하베스팅 디바이스는 일정한 형식의 전력 관리 IC(PMIC)를 포함할 필요가 있다. 초저전력을 요구하는 곳에 사용하도록 설계된 사이프레스(Cypress) S6AE101A 에너지 하베스팅 PMIC는 각각 단 250nA 및 1.2μW의 동작 전류와 스타트업 전력을 필요로 한다.이 칩을 통해 초소형 태양 전지는 약 100lx의 낮은 밝기 조건에서도 IoT 기기를 구동하는 데 적절한 전력을 공급할 수 있다. 그림 1에서 보듯이 디바이스는 내장된 스위치 제어를 사용하여 출력 커패시터에 생산된 전력을 저장한다. 태양 전지의 전력이 연결된 부하에 충분하지 않을 경우 배터리 예비 전원으로부터 전력을 보충한다. 과전압 보호(OVP) 기능이 통합된 배터리 없는 무선 센서 노드 솔루션으로 제공되는 이 디바이스의 애플리케이션으로는 HVAC용 센서, 조명 및 보안 시스템 및 블루투스 스마트 센서 등이 있다.아나로그디바이스(Analog Devices)의 LTC3588-2는 압전, 태양광 또는 자기 트랜스듀서에 직접 인터페이싱 하도록 설계된 또 다른 에너지 하베스팅 PMIC이다. 이 디바이스는 전압 파형을 정류하고 수확된 에너지를 외부 커패시터에 저장한다. 내부 션트 레귤레이터를 통해 모든 여분의 전력을 가져오면서 고효율 나노전력 동기식 벅 레귤레이터를 이용하여 출력 전압을 조절한다.디바이스는 4가지 선택 가능한 출력 전압 3.45V, 4.1V, 4.5V 및 5.0V로 최대 100mA의 연속 출력 전류를 공급할 수 있다. OVP를 제공하기 위해 칩은 20V로 설정된 입력 보호 션트를 포함한다. 디바이스는 타이어 압력 센서와 모바일 자산 추적 등에도 사용할 수 있다.맥심(Maxim)은 마이크로전력 저장 셀을 충전하고 보호할 수 있는 부스트 레귤레이션 회로를 통합한 MAX17710 PMIC를 제공한다. 12핀 UTDFN 패키지로 제공되는 이 칩은 에너지 하베스팅에서 흔히 볼 수 있는 적절히 조절되지 않은 소스에 최적화되었으며, 0.75V와 같이 낮은 전압 레벨을 적용할 수 있다. MAX17710은 출력 값이 1μW ~ 100mW 범위이지만, 과충전 보호를 위한 내부 레귤레이터도 포함한다.목표 애플리케이션에 공급되는 출력 전압은 3.3V, 2.3V 또는 1.8V의 선택 가능한 전압을 갖는 저전압 강하(LDO) 선형 레귤레이터를 사용하여 조절한다. 출력 레귤레이터는 선택 가능한 저전력 또는 초저 전력 모드에서 동작할 수 있어 셀의 전류 소모를 최소화한다.에너지 저장 용량이 매우 큰 슈퍼커패시터는 에너지 하베스팅에 의존하는 기기의 연속적인 부하에 안정적인 전력을 공급한다. 높은 정전용량 수준을 제공하는 무라타(Murata)의 DMH 슈퍼커패시터 시리즈는 이러한 기기를 위한 에너지 버퍼 및 피크 전력 보조 장치 역할을 한다.20mm×20mm×0.4mm 패키지에 35mF 정전용량, 4.5V 정격 전압 및 300mΩ ESR(Electro-Static Resistance)를 제공하는 이 슈퍼커패시터는 공간과 배터리 수명이 제한된 애플리케이션에 적합하다. 디바이스는 종이처럼 얇은 폼팩터로 코인 셀 배터리 아래, 스마트 카드 내부 또는 디바이스 스크린 뒤에 배치할 수 있다. 주요 애플리케이션으로는 웨어러블 기술, 소매 시스템, 이북 리더, 로우 프로파일 I/O 스마트 기기 등이 포함된다.TI에서 출시한 태양광 에너지 하베스팅 개발 툴 eZ430-RF2500-SHE는 영구적으로 전력을 공급받는 무선 센서 네트워크를 설계 엔지니어가 개발하고 테스트할 수 있게 한다. 초저전력 MCU로 구동되는 이 툴은 고효율 태양광 패널을 포함하고 있어 실내 조명 조건에서도 추가적인 배터리 필요 없이 무선 센서 애플리케이션을 실행하기에 충분한 전력을 제공한다.뷔르트 일렉트로닉스(Wurth Electronics)의 To Go Kit은 단일 패키지에 에너지 하베스팅, 에너지 관리, 저장을 제공하는 또 다른 완벽한 개발 툴이다. 키트는 2개의 에너지 하베스팅 소스로서 태양 전지(32mm×50mm)와 열 발전장치(40mm×40mm)를 포함하며, 48MHz ARM Cortex™ M3 코어를 사용하는 EFM32 자이언트 게코(Giant Gecko) MCU를 탑재한다.에너지 하베스팅 기술이 거의 모든 곳에서 녹색 에너지를 약속함에 따라 연구자들은 새로운 애플리케이션 가능성을 바쁘게 탐색하고 있다. 일례로 미시건 대학 과학자들은 인간의 심장 박동에서 에너지를 수확하여 심장 박동기나 이식된 제세동기에 전력을 공급하는 장치를 개발함으로써 기술의 심장부에 도달했다. 이러한 개발은 중요한 의료 기기의 주기적인 배터리 교체 및 관련된 위험과 번거로움을 모두 없애줄 수 있다.동일 선상에서 연구자들은 인체의 열, 움직임, 진동에서 발생하는 에너지를 수확하여 이식 가능한 IoT 기기의 전력 요구사항을 지원하는 연구도 진행 중이다. 에너지는 우리 주변에 풍부하게 존재하지만, 현재 사용 가능한 전력으로 전환되지 않고 있다. 에너지 하베스팅은 이러한 간극을 메우고, 그 결과 우리의 모든 미래의 시도에 중요한 역할을 하게 될 것이다.
일상을 전기로, 에너지하베스팅(4, 끝) “시장성과 기술개발 모두 확보해야”
IoT 기업들과 전문가들은 에너지하베스팅을 차세대 스마트사업의 키가 될 기술로 꼽았다. 동시에 국내 에너지하베스팅을 발전시키기 위해서 시장형성과 기술개발에 대한 정부의 지원과 노력이 필요하다고 입을 모았다.
압전에너지를 활용한 스마트홈 제품이 주력인 스타트업의 A대표는 에너지하베스팅 기술의 중요성을 강조했다.
그는 “압전소자는 센서, 미용목적의 초음파 발생기, 가습기 등 다양하게 활용될 수 있는 대표적인 기술”이라며 “센서 등 다양한 곳에 부착할 수 있고 웨어러블 제품에도 용이하게 활용 가능해 차세대 스마트시장으로 진입하는 데 가장 효과적이고 중요한 키가 될 것”이라고 설명했다.
에너지하베스팅의 발전을 위해서는 에너지전환 효율성 향상과 시장 확대를 조건으로 들었다.
A사 대표는 “과거에도 압전소자를 활용한 무선 스위치를 개발했다가 시장화에 실패한 사례가 있다”며 “압전소자의 가격 자체가 고가이기도 하고, 낮은 에너지전환 효율을 보완하기 위해 자체프로토콜을 사용하다보니 시장화에 벽을 느낀 것”이라고 설명했다
이어 “어떻게 사람들에게 다가가고 생활에 접목할 수 있을지 고민하고, 사람들의 니즈를 반영해 시장화를 이뤄야 할 것”이라고 덧붙였다.
정부의 지원이 필요하다는 주장도 제기됐다.
에너지하베스팅 관련 업체인 B사 대표는 “에너지하베스팅을 하는 업체는 우리뿐만 아니라 미국이나 유럽 일부 국가도 스타트업을 위주로 이뤄지고 있다”며 “신기술 개발을 위해서는 대기업보다 스타트업 등 새로운 에너지가 필요한데 정부의 지원이 있으면 확대될 수 있는 부분”이라고 말했다.
전문가들 또한 비슷한 에너지하베스팅의 발전에 대해 업계와 비슷한 견해를 보였다.
전자관련 연구소에 몸을 담고 있는 C 연구원은 “IoT센서나 기술이 발전하면 센서의 개수가 늘어나게 되고 모든 배터리에 유선으로 전원을 공급할 수 없기 때문에 향후 에너지하베스팅의 중요성은 높아지게 될 것”이라고 말했다.
이어 “그러나 그 시장에서 요구하는 상품성을 아직 갖추지 못했기 때문에 사용자들이 기술에 대한 필요성을 느끼지 못하고 있는 것”이라며 “기술이 아직 미성숙해서 일반 제품보다 비싸고 효율이 낮아 굳이 찾지 않는 것”이라고 설명했다.
현재 국내 에너지하베스팅 수준에 대해서는 낮게 평가했다.
에너지하베스팅 가운데 가장 활용도가 높은 태양광마저 효율이 좋지 않고, 진동, RF기술 등도 투자 없이는 구체적으로 사업화 되기 어렵다는 것이다.
C 연구원은 “우리나라는 외국에 비해 기술의 성숙도가 낮고 상용화된 제품이나 요소, 에너지변환부품 자체도 국산화 된 것은 없다”며 “ 태양광 패널도 개발하면서 보면 국내용, 국내에서 생산하는 건 없는 게 현실”이라고 지적했다.
전문가들은 에너지하베스팅의 기술발전을 위해서는 정부의 지원이 필요하다는 데 동의했다.
같은 연구소에 근무하는 D 연구원은 “에너지하베스팅 확률을 높이기 위한 부품, 소프트웨어 등이 복합 개발돼야 활용성이 높아질 것”이라며 “그러려면 기술적인 완성도가 높아야 하는데 기술개발 측면에서는 정부의 지원이 필요하다고 본다”고 말했다.
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