[정구민]배터리 없는 사물인터넷 세상이 펼쳐진다

사물인터넷 관련 발표를 하다 보면 배터리에 대한 질문을 많이 받게 된다. 그만큼 전원 문제는 향후 사물인터넷의 발전에서 가장 중요한 이슈가 되어 가고 있다. 물론 배터리는 스마트폰이나 일반 가전 기기에서도 큰 문제가 되기는 하지만, 사물인터넷용 개별 센서에서도 큰 문제가 된다.

인터넷 망이나 전력망에 연결이 가능한 센서를 제외하면, 개별 센서들의 전력 문제는 일차적으로 배터리로 해결할 수 밖에 없다. 배터리의 수명에 따른 교체는 관리의 부담과 사물인터넷 정보의 신뢰성에 대한 문제를 안겨 준다. 배터리 없는 센서가 가능하다면 사물인터넷을 얼마나 확장시킬 수 있을까?

◆MWC 2015에서 소개된 배터리 없는 센서 기술

지난 MWC 2015의 올신얼라이언스 행사에서는 이러한 고민에 대한 재미있는 해법을 소개해 준 바 있다. 인오션(EnOcean)의 CEO 그레이엄 마틴은 현재 배터리 없는 센서에 적용 가능한 세가지 기술을 소개했다.

가장 많이 알려진 기술은 태양광이나 집안의 전등 빛을 이용하는 방법이다. 집 안에서는 빛이 없을 때의 사용성이 문제가 될 수는 있지만, 현재 가장 많이 이용되는 방법으로 볼 수 있다.

다음은 열전소자를 이용한 온도차 발전 방법이다. 올 초에 유네스코가 선정한 세계를 바꿀 10대 기술인 카이스트 연구팀의 ‘체온을 이용한 발전’ 방식도 온도차를 이용한 방법의 하나이다. 향후, 웨어러블 기기에서의 사용성이 기대되고 있다.

또 하나의 기술은 움직임에서 전력을 발생시키는 방법이다. 스위치 버튼을 누를 때, 문을 열고 닫을 때, 사람이 움직일 때 발생하는 최소한의 전력을 이용해서, 주위의 수신기에 무선으로 이벤트의 발생을 알려 주게 된다.

물론, 발생되는 전력이 작기 때문에 전송되는 정보는 작을 수 밖에 없다. 하지만, 빛이나 온도차를 이용한 방법에 비해서 사용 제약 조건이 적고, 언제나 쓸 수 있다는 장점을 가진다.

프랑크푸르트 공항에 있는 더 스퀘어(The Squaire, square와 air의 합성어)빌딩에는 이러한 배터리 없는 센서가 2만개가 설치되어, 냉난방이나 전등의 제어에 쓰이고 있다.

◆배터리 없는 센서를 위한 인오션사의 에너지 변환 모듈

인오션사는 앞에서 언급된 세 가지 방식의 에너지 변환 모듈과 무선 전송 모듈을 모두 제공하고 있다. 가장 흥미를 끄는 것은 직선운동을 에너지로 변환하는 모듈인ECO 200이다.

무선 전송 모듈은 ECO200에서 발생된 에너지를 이용해서, 간단한 정보를 가까운 수신기에 전송하여, 이벤트의 발생을 알려 주게 된다. 센서의 ID와 직선 운동의 방향 정보를 전송하여, 어느 문이 열렸는 지, 닫혔는 지에 대한 정보를 알려 줄 수 있다. 이 기술은 배터리없는 스위치에도 사용이 가능하다.

스위치를 누를 때 에너지를 발생 시켜, 스위치가 켜졌는지, 꺼졌는지를 알려 주고 스마트홈 제어에 이용할 수 있다.

빛을 이용한 에너지 발생 모듈로는 ECS 300과 ECS 30이 있으며 일반적인 태양 전지와 비슷하게 동작한다. 온도차를 이용한 에너지 변환 모듈로는 ECT 310이 있다. 온도 차에 따라 발생되는 전력이 다르지만, uW에서 mW 범위의 전력을 만들어 낼 수 있고, 무선 전송 모듈과 연결되어 정보를 전송할 수 있다.

이러한 기술들은 유선으로 연결되거나 배터리가 필요했던 기존의 사물인터넷 환경을 크게 변화시키고 있다. 배터리 없는 스위치를 사용할 경우, 기존 배선이 필요 없이 조명이나 가전 기기의 제어가 가능하다.

창문 열림 감지 센서는 배터리 교환이 필요 없이, 반 영구적인 사용이 가능하여 관리가 편해진다. 즉, 새로 짓는 건물뿐만 아니라 기존의 건물에서도 적용 가능하게 된다. 인오션 측은 2015년 5월 기준으로 35만개 이상의 빌딩에 관련 기술이 적용되었다고 밝혔다.

◆배터리 없는 센서가 열어가는 사물인터넷의 시대

전원 공급의 문제는 사물인터넷의 발전에 큰 장벽이 되고 있는 게 사실이다. 에너지 하비스팅 기술의 발전은 그 장벽을 조금씩 낮춰 주고 있다. 인오션은 관련 모듈, 센서의 스마트 빌딩 적용에 적극 나서고 있으며, 인오션 얼라이언스를 통한 관련 기술의 표준화에도 나서고 있다.

인오션은 배터리 없는 센서를 적용한 빌딩 자동화를 통하여, 상업용 빌딩의 경우 20-40%, 주거용 빌딩의 경우 5-20% 절감이 가능하고 평균적으로 대략 25% 정도의 에너지 절감이 가능하다고 밝혔다. 또한, 2015년 5월 기준으로 35만개 이상의 빌딩에 배터리 없는 센서 기술이 적용되었며, 독일 기준으로 연간 8000만톤의 이산화탄소 발생을 줄이고 있다고 한다.

앞으로 배터리 없는 센서는 사물인터넷 응용을 크게 확장 시킬 수 있을 것으로 전망된다. 에너지 하비스팅 기술과 사물인터넷 응용의 발전을 기대해 본다.

정구민

국민대 전자공학부 교수(부교수)는 서울대 제어계측공학과에서 학사·석사학위를, 서울대 전기컴퓨터공학부에서 박사학위를 받았다. 솔루션 전문기업 네오엠텔 기반기술팀, SK텔레콤 터미널 개발팀 등에서 근무하면서 업계와 학계를 두루 거친 전문가다.

현재 한국자동차공학회 이사, 한국멀티미디어 학회 이사, 대한전기학회 정보및제어부문회 이사, 한국정보전자통신기술학회 이사를 맡고 있다.