빛 에너지 하베스팅(Harvesting)은 밝기 약 1000룩스의 실내 빛과 태양광이 각각 cm2당 0.3-0.4mW, 1mW 가량 보유하고 있는 빛 에너지를 태양전지로 변환해 전자 디바이스를 구동시키는 기술로 태양전지가 실용화된 이래 전자계산기, 완구, 각종 감시 시스템 등 전원배선을 부설할 수 없는 장소에 설치하는 기기에 활용되고 있다.
최근 기술발전에 따라 다양한 전자 디바이스의 소비전력이 낮아 소형 태양전지를 활용할 수 있는 기기가 늘어나고 있으며 IoT(사물인터넷)화 등에 따라 각종 무선 네트워크 기기가 다양하게 사용되기 시작함으로써 빛 에너지 하베스팅 수요가 늘어날 것으로 예상되고 있다.
또 장치 내부 및 사람이 일반적으로 출입하는 창고 등은 예외적이나 사람이 일상적으로 행동하는 장소라면 일반적으로 어느 정도의 빛을 얻을 수 있다는 점에서 활용도가 높을 것으로 기대되고 있다.
다양한 에너지 하베스팅 기술 중 설치장소(에너지원 주변)를 신경을 쓰지 않아도 원하는 장소에서 이용할 수 있다는 점이 빛 에너지 하베스팅 기기의 특징이다.
그러나 실내·실외에서 주변 밝기 및 시각에 따라 에너지량이 크게 변동하기 때문에 안정적으로 전력을 이용하기 위해서는 축전회로와 함께 사용할 것이 요구되고 있다. 기기에 닿는 빛의 강도와 하루 중 밝기가 변동하는 정도는 실내·실외 등 장소에 따라 다양하기 때문이다.
주택 지붕 등에 설치하는 태양전지 패널은 발전량을 개산할 때 일일 3-5시간의 직사광선에 상당하는 빛이 닿는다고 설정하나 실외 음지에 빛 에너지 하베스팅 기기를 설치할 때는 하루에 약 12시간 2000-5000룩스 정도 상태가 지속된다고 설정하고 개산한다.
이에 따라 소비전력에 비해 발전전력이 부족할 것이 우려될 때는 설치장소에서 평균적인 밝기를 다시 실측해 태양전지 사이즈를 선택하는 등 대응책이 요구되고 있다.
Fujikura, 에너지 하베스팅용 DSC 생산
태양전지에는 결정 실리콘(Silicone)을 주류로 아몰퍼스(Amorphous) 실리콘, 화합물 반도체, 유기반도체를 이용하는 다양한 방식이 있으나 일본 Fujikura는 2015년부터 에너지 하베스팅용에 적합한 색소 증감형 태양전지(DSC: Dye-sensitized Solar Cell)를 생산하고 있다.
DSC는 TiO2(Titanium Dioxide) 나노 다공막, 루테늄(Ruthenium) 복합체 색소 및 요소 전해액을 활용하는 것이 표준 구조로 인공광합성 연구 성과를 바탕으로 개발했으며 스위스 Gratzem 연구진이 1991년 보고한 이후 화학 관련기업을 중심으로 실용화를 위한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.
Fujikura 외에 최근 5년 동안 Fuji Film, Konica Minolta, 샤프(Sharp), Sekisui Chemical 등이 DSC 관련 특허를 다수 출원했다.
DSC 셀 안에 다양한 유기소재를 사용하고 있기 때문에 개발 초기에는 풍우 및 직사광선에 처하는 환경에서 장기 신뢰성을 유지하기 어렵다는 해결과제가 제기됐으나 소재 및 구조를 연구함으로써 수분 및 산소, 자외선을 적절하게 컨트롤할 수 있게 된 이후 유리기판을 사용해 실리콘계 태양전지용으로 표준화했고 동일한 평가시험에서 신뢰성을 확인했다.
신뢰성 향상 및 실내외의 광전효율 향상을 중심으로 연구개발이 진행되고 있으나 인쇄방식을 활용해 DSC 수광부를 다양한 디자인으로 만들 수 있기 때문에 컬러플화, 시스루화, 플렉서블(Flexible)화 등 디자인성을 향상시키는 연구개발도 추진되고 있다.
Fujikura는 웨어러블(Wearable)용으로 채용하기 위한 경량 및 플렉서블 니즈가 높아지고 있으나 도전성 플래스틱 등 플렉서블한 전극기판은 수증기 및 산소의 배리어성이 불충분하고 현재 상품화가 가능한 수준의 신뢰성, 코스트, 출력을 겸비한 모듈은 갖추지 못한 것으로 파악되고 있다.
이에 따라 용도를 확대하기 위해서는 앞으로 해당 분야의 소재기술, 설계기술을 발전시키는 것이 요구되고 있다.
DSC는 실내, 그늘 등 비교적 어두운 환경에서 사용하는데 적합한 특성을 보유하고 있다.
태양전지의 등가회로는 종류에 따라 다르나 정전류원, 병렬 다이오드, 내부저항을 조합한 것이 대표적이다.
태양전지 내부저항에는 값이 크면 전압손실 요인이 되는 직렬상당성분 Rs와 값이 작으면 전류손실의 원인이 되는 병렬상당성분 Rsh 등 2종류가 있으며 DSC는 일반적인 태양전지에 비해 Rs, Rsh 모두 큰 것으로 알려졌다.
이에 따라 직사광선과 같은 강한 빛 환경 속에서는 Rs의 영향이 강하게 나타내 출력 효율이 떨어지는 반면 약한 빛에 대해서는 Rsh의 영향이 강하게 나타나 저손실로 광전변환이 가능하기 때문에 실내 빛 속에서 광전변환효율이 20%를 넘는다고 판단하는 것도 가능한 것으로 파악되고 있다.
이밖에 DSC가 확산광의 이용 효율이 높다는 특성도 보유하고 있어 확산광이 많은 실내 및 그늘 등에서 이용할 수 있는 것으로 알려졌다.
DSC는 원료에 활용되는 색소, 전해질 종류 및 배합을 바꾸면 강점인 광원의 종류 및 밝기를 어느 정도 조정하는 것이 가능하다. 10만룩스까지 모든 장소에서 사용할 수 있으나 실내에서도 실외 그늘에서 사용하는 것을 가정하고 있다.
특히, Fujikura의 에너지 하베스팅용 DSC는 200-5000룩스 가량의 밝기에서 최적 동작하도록 설계돼 있다.
전원 매니지먼트와 축전기능 부착
태양전지는 주야 발전량이 크게 변동해 단독 전원으로 사용하기 어렵기 때문에 전원 매니지먼트 IC(PMIC)와 축전소자를 조합한 전원 모듈로서 활용해야 한다.
전원 모듈은 발전전력을 낭비 없이 활용하기 위해 자가소비전력 및 누설 전류를 최대한 줄이고 내부저항을 최소화하는 것이 요구된다.
최근 몇년 동안 빛 에너지 하베스팅에 대응해 자가소비 전력이 적은 PMIC가 다수 출시되고 있다.
접속 태양전지 종류 및 밝기에 맞추어 자가 입력 임피던스를 최적으로 조정하는 기능 이외에 승압 타입은 0.3-0.5V 등 낮은 전압의 태양전지에서 효율적으로 전압을 변환해 축전하는 기능이 구비돼 있어 하나의 DSC 셀로도 전력을 효율적으로 이용할 수 있다.
최근에는 PMIC가 복수 종류의 전원을 하이브리드로 이용하는 기능 및 복수의 전압을 공급 출력하는 기능, DSC가 발전하지 않을 때 혹은 출력장소가 전력을 필요로 하지 않는 때 회로 일부를 슬립하는 기능 등 다양한 기능을 탑재하고 있다.
다양한 에너지 하베스팅 기능은 연속적으로 동작하는 것이 아니라 슬립 상태와 액티브 상태를 전환해 간결하게 동작함으로써 소비전력을 저감하고 있으며 슬립 시에는 미약한 전류를 축전하고 액티브 시에는 전류를 순간적으로 공급하는 동작을 취한다.
이에 따라 사용하는 축전소자도 누설 전류가 적고 내부저항이 작으며 사이클 수명이 긴 것이 요구된다.
캐패시터 축전에 대응한 PMIC를 사용할 때에는 현재 소형 리튬이온(Lithium-ion) 캐패시터가 누설 전류가 적고 내부 저항이 작은 특징을 겸비하고 있어 적합한 것으로 파악되나 최근에는 다른 에너지 하베스팅에 대응한 새로운 축전소자의 개발이 이루어지고 있다.
Fujikura는 실증평가 및 시제품 제작 등에 용이하게 이용할 수 있도록 DSC와 전용 설계의 축전기능 부착 3V 정전압 전원 회로를 조합한 모듈을 제공하고 있다.
인프라·헬스케어·자연재해 감시에 활용
빛 에너지 하베스팅 기기는 실내외를 구분하지 않고 자유롭게 설치할 수 있어 다수의 센서를 통해 환경정보를 가시화하는 등의 용도로 활용할 수 있다.
무선 데이터 통신과 조합함으로써 접속이 어려운 장소 및 대량 설치 등 전지 교환의 정기적인 보수와 설치 배선 공사가 어려운 경우에도 다양한 센서를 네트워크에 접속할 수 있다.
Fujikura는 무선 센서 네트워크를 효율적으로 활용할 수 있는 분야로서 빌딩 에너지 관리 시스템(BEMS), 사회 인프라 감시, 스마트 농업, 헬스케어, 자연재해 감시 등에 주목하며 수요처를 모색하고 있다.
자체적으로도 에너지 절약 및 설비 감시 용도로 활용하는 방안을 검토하고 있다.
Fujikura가 제작하고 있는 DSC 에너지 하베스팅 무선 센서 시스템은 부속장치가 온도·습도·기압·인감·조도 등 복수의 환경상태를 감지해 920MHz대의 특정 소전력 무선을 통해 5분마다 본체에 무선 송신하는 시스템이다.
본체는 데이터를 가공한 후 정보를 3G·LTE 및 Wi-Fi 등을 통해 LAN 및 WAN으로 송신 가능하다. 부속장치는 DSC를 탑재하고 있으며 9시간 동안 300룩스 밝기의 장소에 두면 하룻밤 이상 센싱을 지속할 수 있다.
간결 동작으로 센싱을 실시하는 에너지 하베스팅 기기를 설계할 때에는 슬립 시에 소비하는 전력을 가능한 적게 하고 액티브 상태의 시간을 가능한 짧게 하는 것이 중요하다.
소비전력이 큰 디바이스라도 단시간에 동작을 완료하면 전력 사용량을 줄일 수 있다.
Fujikura의 센서 시스템은 상황 변화에 대응해 적절한 슬립 컨트롤을 실시함으로써 소비전력을 최소화하고 예측하지 못한 환경변화에 따른 결측을 방지하기 위해 주위의 밝기 및 축전 잔량을 셀프 체크해 원격으로 확인하거나 동작 상태를 변경해 전력 소비량을 컨트롤하는 기능을 구비하고 있다.
또 접속 가능한 외부 센서의 종류 및 중계기를 활용한 설치범위를 확대해나갈 계획이며 차압, 비접촉온도, 진동·가속도, 전류·전압, 이산화탄소(CO2) 농도 등과 같은 센서는 충분히 낮은 전력으로 동작시킬 수 있을 것으로 파악된다.
앞으로 추가적인 저소비전력 센서 소자 및 마이크로컴퓨터, 커버리지 영역이 광범위한 신규 무선 인터페이스가 순차 등록됨에 따라 우수한 기능을 보유하고 사용하기 쉬운 에너지 하베스팅 네트워크 기기를 실현할 수 있을 것으로 예상되고 있다. <이하나 기자: lhn@chemlocus.com>
