전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2019.10 Emerging Tech 요약 (p61~66)

IoT의 전지 불요 기술 실현
온도차 필요 없는 열발전도 가능

색소 증감형 태양전지에 있어서 개발부터 20년이상 어려운 시절을 견뎌온 각종 에너지 하베스팅(EH) 기술의 실용화가 드디어 시작되었다. 기존 과제가 해결되었을 뿐만 아니라, 용도에 대한 니즈도 맞아 떨어졌기 때문이다. 열전발전(發電)에서는 온도차 5K로 발전하는 소자(素子), 더 나아가서 온도차 제로K로 발전하는 소자까지 등장했다. ‘EH 2.0’이라고 할 수 있는 시대가 오고 있다.

2019년 후반부터 IoT단말기용 에너지 하베스팅(Energy Harvesting: EH) 기술 분야에서 커다란 진전이 있어 기존의 과제를 해결하는 기술, 그리고 전혀 새로운 신기술도 등장하게 되었다. 구체적으로는 최초 개발부터 약 28년이 지난 색소 증감형 태양전지(DSC)의 IoT용 실용화가 드디어 시작되었을 뿐만 아니라, 독성이 없는 저비용 재료로 이루어진 기계적 강도가 뛰어난 열전발전 소자, 나아가서 지금까지 실현이 어렵다고 여겨왔던 온도차가 불필요한 열발전 소자 등이 있다. 모두 IoT 단말기의 배터리 교환의 수고를 없애거나 경감하는 기술로서 IoT 단말기의 본격적인 보급이 크게 탄력을 받게 될 것으로 보인다.

EH기술은 빛이나 온도차, 진동 그리고 환경 전파의 에너지 등을 ‘수확(Harvesting)’해 전력으로 전환시킴으로써 IoT 등 저소비 전력의 단말기를 배터리레스로 하기 위한 기술이다.

지금까지 많은 EH기술이 제안 및 개발되어 왔으나, 각 기술마다 각각의 과제가 있어 실용화가 진척되지 못하고 있었다. 예를 들어, 실내광 등 약한 빛으로도 비교적 효율적인 발전(發電)이 가능한 DSC는 전해액의 누수가 오래 전부터 해결해야 할 과제였다. 그것을 막기 위해 밀봉 구조를 갖춘 모듈의 양산 기술도 제조사마다 달라, 결정적인 해결책은 나오지 않았다.

그런 오랜 정체가 드디어 종지부를 찍었다. 최근에 와서 DSC의 상업적 이용으로의 장벽을 뛰어넘는 움직임이 잇따라 있었기 때문이다.

-- 발전량의 크기로 선택 --
그 중 하나가 샤프의 DSC이다. 2019년 7월말에 샤프의 DSC를 이용한 BLE(저전력블루투스) 비콘(Beacon) 장치를 시미즈(清水)건설과 IBM도쿄기초연구소가 공동 개발한 ‘실내외 보행자 네비게이션 시스템’용으로 납입했다. 납입 대수는 적지 않은 규모’(샤프)로 상업용 IoT 서비스로서의 실용화 사례로는 국내 최초의 발표라고 할 수 있다.

최대의 특징은 실내 조명에 대한 발전 출력이 아모르파스(비정질) Si 태양전지의 약 2배, 회로 상의 고안도 포함하면 약 3배로 높다는 점. 이것은 비콘의 이용이 가능한 곳을 넓히거나 ID발신의 빈도를 크게 늘리거나 하는 것으로 이어진다. “50룩스(lx)의 비상 시에 어두운 조명 아래에서 1초 간격, 300lx라면 0.1초 간격으로 비콘을 발신할 수 있다”(샤프). 사람을 대상으로 하는 네비게이션에서는 사람의 이동을 추적하기 때문에 “달리는 것까지 상정하면 발신 간격은 0.4초 이하로 할 예정이다”(샤프). 아모르파스 Si 태양전기로 이것을 실현하기 위해서는 태양전지의 면적을 샤프의 비콘 크기의 수 배로 크게 할 필요가 있다.

한편, 이 용도를 위한 전력을 일반 단추형 배터리에 공급하기 위해서는 반년~2년마다 배터리 교환이 필요하게 된다. 비콘의 전개 규모가 커질수록 유지보수 비용이 커진다. 이것이 샤프의 BLE 비콘이 선택을 받게 되는 이유 중 하나이다.

-- 실용화는 ‘발전(發電)하는 책상’부터 --
리코는 샤프의 납입보다 약 2개월 빠른 2019년 6월에 DSC의 EH용으로 자사의 첫 실용화 사례를 발표했다. 그러나 IoT용이 아닌 회의실용 책상에 DSC를 내장했다. 책상에 내장된 모바일 배터리를 실내 조명을 받은 DSC로 충전한다. 이번에는 디자인 쇄신이 채택 포인트가 된 것으로 알려져 있으나, 리코는 IoT 단말기 등의 ‘자립 전원’으로서의 DSC도 계속해서 추진해 나갈 방침이다. 실제로 다양한 응용을 상정한 단말기를 시작(試作)하고 있다.

리코는 최근 화제가 되고 있는 페로브스카이트 태양전지도 개발 중이다. 다만 “페로브스카이트 태양전지는 잠재력은 높지만 실용화까지는 조금 더 시간이 걸린다. IoT 단말기의 자립 전원화에 조금이라도 빨리 공헌하기 위해 일단은 DSC를 시장에 출시해 나갈 것이다”(리코 EH사업 센터소장 다나카(田中) 씨).

-- 전해질을 액체화해 액체가 새어 나오는 것을 해소 --
리코의 DSC는 발전(發電) 성능의 점에서는 ‘비정질 실리콘 태양전지(Amorphous Silicon Cells)의 약2배’라는 점에서 샤프에게 뒤지지 않는다. 한편, 리코는 DSC의 액체가 새는 문제를 전해액을 사용하지 않는 완전 고체화를 실현함으로써 해결했다. 구체적으로는 기존에 액체였던 정공수송층(HTL)의 재료를 고체의 p형 유기재료로 바꿨다. 재료 설계에는 “(복사기의) 감광체의 연구 개발에서의 노하우를 활용했다”라고 한다.

-- 후지쿠라도 보급을 위한 준비 작업 --
DSC 모듈의 제품화에서는 국내에서 앞서있는 후지쿠라도 IoT용도로 응용하려는 자세를 강화하고 있다. 예를 들어 2018년 8월에는 후쿠오카(福岡) 시의 보육원이나 NTT 서일본 등과 공동으로, 열사병 대책으로서 온도∙습도 센서 등을 원내에 설치해 와이파이 또는 LTE로 클라우드 경유를 통해 직원에게 기온 등을 알리는 시스템의 실증실험을 실시했다. 2019년 7월 30일에는 오사카 부 스이타(吹田) 시의 중학교에서 동일한 실증실험을 개시했다. 무선에는 LoRaWAN을 사용했다.

-- 온도차 확보는 쉽지 않아 --
열전발전 소자 또는 온도차 발전소자로 불리는 기술도 본격적인 실용화가 좀처럼 진척이 잘 되지 않는 기술이다. 문제는 예를 들어, (1)발전 성능이 높은 기술은 고가인 레어메탈 및 양산이 어려운 구조를 띠는 것이 많다, (2)재료의 대부분이 기계적 진동에 약하다, (3)고열의 환경에서 사용하는 기술이지만 열에 약한 재료가 많다, (4)가장 일반적인 비스무트와 테르르(BiTe)계 재료는 Te의 독성이 강하다---는 것이다.

소자 성능과는 별개로 보다 근본적인 과제로서는 (5)온도차를 거의 제로 비용으로 유지할 수 있는 용도가 지극히 한정되어 있다는 것도 보급의 진척이 어려운 커다란 이유가 되고 있다. 열전발전 소자의 대부분은 수mm 두께 이하로 얇다. 이것을 열원에 붙이면 처음에는 소자의 화면에 온도차가 생겨 발전(發電)하지만, 곧바로 열원과 반대측(저온 측) 면도 뜨거워져 온도차가 거의 없어지게 된다.

그렇다고 해서 저온 측의 면을 팬 등을 사용해 냉각시키는 것은 발전(發電)의 의미가 없어져 본말전도가 된다. 온도차 발전은 소자의 고온 측에 이용할 열원이 있어야 할 뿐만 아니라, 저온 측의 온도를 쉽게 유지할 수 있는 상황이 되어야만 처음으로 가능해지는 기술이라고 할 수 있다.

-- Fe와 AI와 Si가 구세주로? --
이런 많은 과제에 부응하는 형태로 등장해 온 열전발전 소자용 재료가 신에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO)의 주도 아래, 물질∙재료연구기구(NIMS)와 아이싱정기(精機), 이바라기(茨城)대학의 연구자가 공동 개발한 ‘FAST 재료(Fe-Al-Si Thermoelectric Material’이다.

이 재료는 철(Fe)과 알루미늄(Al), 실리콘(Si)와 같은 범용 원소만으로 구성된다. 독성은 없으며 열 안전성 및 기계적 강도가 높다. 이것들의 3원소를 ‘τ-1상(相)’으로 불리는 결정 구조로 만든 것이 포인트이다.

이용 가능한 고온 측 온도는 200℃이하로 가장 ‘미(未)이용 열’이 많은 온도 영역이기도 하다. 또한 온도차 5K로도 85㎼/㎠로 비교적 높은 출력 밀도를 실현할 수 있게 했다. 큰 온도차가 필요 없다는 것은 이용 가능한 장소가 크게 확대된다는 것을 의미한다. 모듈화를 담당한 아이싱정기는 “방 안의 천정과 벽에서도 5K정도의 온도차는 있다”라고 하며 이 열전발전 소자의 실용화를 서두르고 있다.

-- 현재 상태의 성능이라면 양산은 용이 --
해결해야 할 과제는 낮은 기전력(起電力)이다. 열발전 소자의 기전력은 부여하는 온도차에 거의 비례하지만 이번에는 작은 온도차를 전제로 하기 때문에 기전력은 작다. 구체적으로는 온도차가 10K일 때의 기전력은 pn접합7에 대한 모듈로 6㎷. “20㎷ 이상이라면 승압 회로가 이용 가능하기 때문에 모듈을 4개 직렬로 하는 게 좋다”(NIMS 에너지환경재료연구거점 열전재료그룹 주임연구원 다카기와 씨)라고 하지만, 승압 회로에서의 손실도 무시할 수는 없다.

지금 정도의 성능이라면 양산이 어렵지 않다고 한다. “가스 애터마이즈 방법으로 재료를 정확한 조성으로 녹이는 것만으로 일정한 성능의 소자가 만들어진다”(다카기와 씨).

다카기와 씨 팀은 온도차를 한층 더 작게 해 1K정도에서의 열전발전을 실현하는 것을 목표로 하고 있다. 실현된다면, 소자를 피부에 붙여 체온을 고온 측의 열원, 저온 측은 자연공냉으로 하는 사용 방법이 가능하기 때문이다. 다만, 일정한 기전력을 확보하기 위해 제베크 계수가 상당히 높은 재료의 개발이 필요하게 된다.

-- 온도차 없는 열발전 기술이 등장 --
온도차가 제로일지라도 발전이 가능한 열발전 기술이 등장했다. 도쿄공업대학 물질이공학원 재료계 조교수인 마쓰시타(松下) 씨의 연구실에서 개발하는 ‘증감형 열이용 발전소자’가 그 주인공이다. 이미 자동차 부품 제조사인 미사쿠라공업과 공동으로 단추형 배터리 등을 시작(試作)한 상태이다. 80℃온도의 열원에 이 소자를 닿게 하거나 열원 안에 집어 넣는 것만으로 0.4V의 기전력(개방 전압)을 얻을 수 있다.

-- 빛이 아닌 열로 전자를 여기(勵起) --
발전의 원리는 광으로 발전하는 DSC의 열여기(熱勵起) 판이다. 그러나 최신 소자에서는 정공수송재료로서 DSC에서 일반적인 요오드 이온이 아닌 동(銅, Cu)이온을 쓴다. 색소나 산화티탄(이산화티타늄)을 사용하지 않고 소자의 반도체에는 밴드갭이 0.67eV인 게르마늄(Ge)을 쓰고 있다. 전자의 열에너지의 일부가 이 밴드갭을 초과함으로써 발전(發電)한다고 한다.

-- 2030년에 지열발전을 시작하고 싶다 --
마쓰시타 씨는 현재의 남은 전류 수치를 높이는 아이디어가 몇 가지 있다고 말한다. “2025년까지 지열발전 등에 이용할 수 있는 발전 시스템을 개발해 2030년에는 지열발전을 시작하고 싶다”(마쓰시타 씨).

보다 저온에서의 발전 효율이 높아지면 온도차 충전과는 대조적으로 이용 가능한 영역이 비약적으로 확대된다.

-- 반도체 pn 접합으로도 열발전? --
참고로, 이 열여기(Thermally-induced)의 전자를 사용하면 증감형이 아닌 밴드갭이 작은 반도체를 사용한 pn접합에 기반한 태양전지도 열로 발전할 수 있을 것으로 생각된다. 그러나 마쓰시타 씨는 그럴 가능성이 낮다고 한다.

이유는 n형과 p형의 반도체를 접합시키면 계면에서 페르미준위(The Fermi Level)의 일치가 일어나 그것이 밴드갭에 의한 광기전력의 대부분을 상쇄해 버리기 때문이다.

 -- 끝 --