일본산업뉴스요약

에너지 하베스팅이 IoT의 가능성을 넓힌다
‘20년 후, 전세계의 센서는 45조개’, 모든 장소에서 가동

빛이나 열, 압력, 자력(磁力). 우리들의 주변에는 미약한 에너지가 넘쳐나고 있다. 아직 이용되지 않는 이러한 에너지를 전기로 ‘수확’(하베스트)하는 기술이 잇달아 실용 단계에 들어갔다. 개발을 지원하는 것은 IoT의 확대다. 배터리 없이 센서나 통신장치를 움직이는 ‘에너지 하베스팅’이 IoT사회를 돌리는 열쇠가 된다.

후쿠시마현 고리야마시. JR고리야마역의 동쪽에는 자주 범람하는 아부쿠마강이 흐른다. 과거 30년 동안 15번의 침수 피해가 있었다고 한다. 이 아부쿠마강 주변의 주택지에 2017년 8월, 6개의 신형 맨홀이 등장하였다.

보통의 맨홀과 별반 차이가 없어 보이지만 이 맨홀은 실은 뚜껑 뒤쪽에는 하수도의 수위를 5분마다 계측하여 클라우드에 보내는 센서 유닛이 내장되어 있다. 게릴라성 호우 등으로 수위가 급상승했을 때, 재빨리 주민에게 대책을 호소하기 위한 비밀 병기다.

-- 관리 비용 저렴 –
유닛에 전력을 공급하는 것은 배터리와 함께 내장된 “열전변환소자’다. 맨홀의 뚜껑이 태양광을 받아 뜨거워지는 에너지를 전기로 바꾸는 뛰어난 물건이다. 개발한 후지쓰는 “배터리만 사용한다면 10개월마다 교환해야 하지만, 소자를 병용하게 되면 이를 5년으로 연장시킬 수 있다”라고 설명한다.

후지쓰 유닛의 소비전력은 20밀리와트. 열전소자가 만들어낼 수 있는 전력은 섭씨 20도의 온도차가 있는 경우에서 1볼트이지만 이것을 축전기에 모아서 보조 전원으로 활용한다. 배터리 교환 빈도를 줄면 비용도 줄일 수 있다. 기능뿐 아니라 저렴한 관리 비용이 도입의 결정적인 이유가 되었다.

지금까지는 방재 담당자는 주민들의 통보를 통해 물이 범람한 사실을 알 수 있었다. 도입한 후에 아직 관수피해는 나오고 있지 않지만 “태풍으로 인한 증수 때의 수위를 보충할 수 있었다. 만일의 상황에는 조기 대응이 가능할 것 같다”라고 시 담당자는 기대한다.

모든 장소에서 보급이 확대되고 있는 IoT센서. 관련기업 13사가 10년에 설립한 에너지 하베스팅 컨소시엄의 다케우치(竹内) 사무국장은 “20년 후에는 전세계적으로 센서가 45조개를 초과할 것이다”라고 말한다.

현재 센서의 주전원은 배터리지만 이렇게 많은 센서의 배터리를 교환하려면 막대한 노동력이 필요하다. “어느 배터리를 교환해야 할지를 관리하는 비용만도 어마어마하다. 센서가 스스로 발전하는 것이 바람직하다”라고 다케우치 씨는 설명한다.

컨소시엄에 참여하는 기업들이 이어져 이미 43사로 늘었다. 다케우치 씨는 “개별 요소 기술에서 일본 기업의 물건에 대한 평가는 높다. 양산되면 국제적으로 경쟁력 있는 산업이 될 것이다”라고 강조한다.

이미 징조는 나타나고 있다. 그늘이나 실내의 미미한 불빛이라도 발전하는 ‘색소증감 태양전지’를 사용한 센서를 15년부터 전개하고 있는 후지쿠라. 센서∙시스템연구부의 아키타(秋田) 부장은 “IoT 붐으로 흐름이 변했다. 작년부터 1로트 몇 천 개라는 주문이 들어오기 시작했다”라고 말한다.

후지쿠라가 전개하는 것은 기온이나 습도, 인간 감지 등 5개의 센서를 내장한 유닛이다. 일반적인 실리콘제 태양광 패널은 수만~10만 럭스의 빛이 필요하지만 후지쿠라의 태양전지는 실내 조명 정도인 300럭스로 24시간 센서를 가동시킨다.

광합성하는 식물과 같이 빛을 받은 색소가 전기를 띠게 되고 전해액을 통해서 전극에 전기를 운반한다. 구멍이 숭숭 난 스펀지에 색소가 잔뜩 붙어 있는 구조로, 막(膜) 상태의 패널과 비교하여 표면적은 약 1,000배다. 미약한 빛도 흡수할 수 있다. 이미 교량의 횡목 등에 설치되어 교체 시기를 감정하는데 활용되고 있다.

-- 에너지절약에 활용 --
미약 에너지의 활용은 산업기기의 감시로도 확산되고 있다. 고마쓰 자회사인 KELK(가나가와현)는 공장 설비의 가동열과 외기의 온도 차로 소자가 발전하여 온도나 진동 등의 데이터를 클라우드에 송신하는 전용 디바이스를 17년 6월에 발매하였다. 고장 시기 진단 등에 활용할 수 있다.

KELK의 소자는 섭씨 2~3도의 온도 차가 있으면 100µW(마이크로는 100만분의 1)의 전기를 만들 수 있다. “센서나 무선 소비전력의 저하로 실용 단계에 들어갔다”라고 하치우마(八馬) 전무는 말한다. 지금의 디바이스는 수cm의 상자 모양이지만, 현재 개발하고 있는 것은 볼트 일체형으로 나사구멍에 넣기만 하면 설치가 끝난다.

현시점에서는 가는 볼트에 넣을 수 있을 정도로 작은 통신 유닛은 통신용량이 작은 규격에서밖에 만들 수 없다는 것이 과제다. “고객마다 요구하는 사양이 다르다. 대량생산이 가능하면 싸게 제공할 수 있어 보급으로 이어진다”라고 하치우마 전무는 말한다.

도쿄전력홀딩스 산하의 소매사업자인 도쿄전력에너지파트너(EP)가 전개하는 것은 전원케이블에서 나오는 자계를 코일로 흡수, 다시 전기를 만드는 구조다. 공장 등의 설비 전원 케이블에 클립과 같은 모양의 센서를 장착하기만 하면 전류량을 측정할 수 있어 개개 설비의 소비전력을 파악할 수 있다.

‘수확’할 수 있는 것은 이러한 계속적으로 발생하는 에너지만은 아니다. 일순간의 압력만으로 발전하여 신호를 보내는 센서가 도쿄 도심의 지하상가에 설치되어 있다.
 

전차 운행도 끝나고 영업도 끝난 지하상가. 셔터를 내리면 상가 안에 갇힌 취객들에게 시달리는 일이 빈번하게 발생한다. 셔터에는 사람이 걸렸을 때 자동으로 멈추는 센서가 장착되어 있지만 취객이 신호를 주고받는 코드를 끊어버리는 사례가 있다고 한다.

그래서 나오게 된 대책이 코드가 없는 셔터다. 셔터가 내려올 때 사람이 끼면 안에 내장된 용수철이 신축되면서 발전하여 무선으로 셔터를 정지시키는 신호를 보낸다. 아직 가격이 비싸서 채용은 일부에 머물고 있지만 코드가 잘리면 부재 비용이나 작업 비용으로 수천만 엔의 비용이 든다고 한다. 장기적으로 보면 더 싸게 먹힌다는 점을 홍보하여 판매 확대를 목표한다.

‘수확’할 수 있는 에너지는 모든 장소에 있다. 가나자와공업대학은 도시바나 알프스전기 등과 협력하여 공공의 전파를 전력으로 바꾸는 연구를 추진한다. 중앙전력연구소는 바람이나 자동차의 주행으로 흔들리는 다리의 저주파 진동으로 전기를 만드는 부재를 개발하고 있다. 작은 에너지가 사회를 바꾸는 큰 힘이 된다.

  -- 끝 --