[자립형 MEMS 센서 네트워크를 활용한 에너지 절약 ③] 실내조명에 의한 고효율 환경 발전 디바이스와 자립전원의 개발

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[자립형 MEMS 센서 네트워크를 활용한 에너지 절약 ③] 실내조명에 의한 고효율 환경 발전 디바이스와 자립전원의 개발

2017년 11월 1일 (수) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2017년 11월호 - 전체 보기 )

[자립형 MEMS 센서 네트워크를 활용한 에너지 절약 ③]
실내조명에 의한 고효율 환경 발전 디바이스와 자립전원의 개발

향후 유망 분야로 떠오르고 있는 무선 센서 네트워크에 있어서 그 본격적인 보급에 각 센서 및 통신 노드로의 전력공급이 큰 장애가 되고 있다. 현재의 유선 전력공급 및 전지구동을 대체하여 주위의 환경으로부터 전력을 만들어내는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting: EH) 디바이스를 전력원으로 이용할 수 있다면 메인터넌스 프리(maintenance free)의 영속적 구동이 가능해질 뿐만 아니라, 전원공사가 불필요해지고 번거로운 작업 및 공사비용이 줄게 되어 보급이 크게 확산될 것으로 기대된다. NEDO의 그린 센서 네트워크 시스템 기술 개발 프로젝트에서는 실내의 미약한 조명에서도 고효율로 축·발전이 가능한 자립전원 모듈을 개발하여 이를 통해 영구적인 센서 및 무선송신의 구동을 실현하고 있다. 구체적으로는 본 「그린 센서 네트워크 시스템 기술 개발 프로젝트」에서 개발되는 그린 센서에 의해 중소 규모 사무실의 에너지 절약화를 달성하기 위한 무선 센서 네트워크로의 전원 공급을 실현하는 ‘초소형 고효율 옥내용 자립전원’을 개발하고 있다.

정리 편집부

옥내용 고효율 환경 발전 디바이스의 개발
환경 발전 디바이스
EH 기술에는 빛, 진동, 온도차, 전자파를 이용하는 기술뿐만 아니라, 생체의 화학반응을 이용하는 기술 등 대상이 되는 에너지원이 점차 넓어지고 있다. 한편, 무선 센서 네트워크에 이용되는 ▲센서 ▲마이크로컴퓨터 ▲무선통신의 각종 디바이스의 소비전력은 해마다 감소하고 있으며, EH 디바이스로 구동 가능한 애플리케이션은 향후 더욱 확산될 것으로 예측되고 있다. EH 디바이스 중에서도 색소증감태양전지(Dye Sensitized Solar Cell: DSC)는 실내광 아래에서의 발전량이 크고 다채로운 컬러 및 투명화가 가능하여 디자인성이 우수한 특징을 가지고 있다. 실내용 DSC의 고효율화를 실현하기 위해서는 미약한 실내조명 에너지의 손실을 최대한 억제해야 한다. 그러기 위해서는 DSC셀의 손실을 어떻게 줄일 것인가가 핵심이 된다.

[그림 1]에 DSC 디바이스의 단면 구조도를 나타냈다. 2장의 전극기판, 색소분자를 흡착시킨 비표면적(比表面積)이 매우 큰 나노 포러스 산화 티타늄(TiO₂), 전해액과 밀봉재로 구성되는 간단한 구조이다. 입사광 측 기판의 전극이 투명전극인데 다른 기판의 전극도 투명전극으로 하면 속이 훤히 비쳐 보이는 투명한 컬러를 띤 DSC를 형성할 수 있게 된다.

[그림 2]는 DSC의 등가회로이며, 여기서 주목해야 할 점은 직렬저항(R_S)과 션트저항(R_sh)이다. 이들에 의해 광발전 특성이 어떻게 변화하는지를 발전 시의 전류밀도(J)-전압(V) 특성에 따라 이하에 설명한다.

[그림 3]은 발전특성을 나타내는 J-V 그래프인데, χ절편을 개방단 전압(V_oc), y절편을 단락전류밀도(J_sc)라 하고, 곡선의 형상계수를 FF, 최대출력을 P_max로 하면 FF=P_max/(J_sc×V_oc)의 관계식이 주어진다. 발전특성을 향상시키기 위해서는 V_oc, J_sc, FF를 각각 크게 할 필요가 있다.

예를 들어 [그림 3]의 좌측 그래프에서 보이는 바와 같이 R_sh가 일정한 경우, R_s가 0에서 커질수록 J_sc와 FF가 작아지는 것을 알 수 있다. 한편, [그림 3]의 우측 그래프에서 보이는 바와 같이 R_s가 일정한 경우, R_sh가 무한대에서 작아질수록 V_oc와 FF가 작아지는 것을 알 수 있다. 즉, 직렬저항의 감소와 션트저항의 증가(리크 저감)가 V_oc, J_sc, FF 개선의 열쇠라고 할 수 있다.

또 직렬저항(R_s)이 일정할 시 실내광 아래와 태양광 아래에서 R_sh를 각각 1/10로 작게 했을 경우 광발전 특성의 조도 의존성에 어느 정도 영향을 주는지를 계산한 결과가 [그림 4]의 좌측 그래프이다. 실내광의 경우 R_sh를 1/10로 하면 저조도(低照度) 시의 V_oc 저하가 현저하게 나타남을 알 수 있다. 한편, 태양광의 경우 R_sh를 1/10로 해도 광발전 특성(J-V 특성)은 거의 변하지 않는다([그림 4]의 우측 그래프). 이것은 반대로 말하면 태양광 발전에서는 문제가 되지 않는 수준의 리크전류(역전류)가 실내광 발전에서는 대폭적인 전압 저하를 일으킬 수 있다는 것을 의미한다.

옥내용 광발전 디바이스의 고효율화

앞에서의 논의를 이어 나가 DSC의 역전류 저감 대책의 일례를 소개한다. 손실의 원인 중 하나인 전극기판 표면과 전해액 사이에 흐르는 역전류를 억제하기 위해 티타니아 전구체 수액(水液) 처리를 실시, 형광등 200럭스 환경하에서의 J_sc, V_oc 및 FF의 처리횟수 의존성을 평가한 결과를 [그림 5]에 나타냈다.

처리횟수와 함께 Jsc를 변화시키지 않고 V_oc 및 FF가 커지고 있는데, 이것은 [그림 3]의 우측 그래프에서의 Rs 일정(一定)에서 R_sh를 증대시킨 결과와 부합한다. 본 처리를 3회 실시함으로써 V_oc 및 FF가 각각 최대 8.7% 및 22% 증대, V_oc~0.58V 및 FF~0.70을 얻을 수 있었다.

초소형 고효율 옥내용 자립전원의 개발
저리크 전류 전기이중층 커패시터

실내에서 높은 효율로 광발전이 가능해지면 이 발전량을 커패시터 또는 배터리에 고효율로 축전하여 무선 센서 네트워크 단말 구동에 이용할 수 있게 된다.

본 프로젝트 발족에 앞서 DSC에 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor: EDLC)를 조합시켜 수많은 실증들이 이루어져 왔다. 이것은 실내 환경에서는 일반 Si 태양전지보다 DSC가 큰 발전량을 얻을 수 있다는 점과 2차전지는 충전에 문턱값이 있어 저전압에서의 충전이 어려운 반면, EDLC는 원리적으로 0V 이상부터 충전이 가능하다는 점에서 에너지 밀도가 낮은 실내조명 환경에 보다 적합하다고 판단했기 때문이다. 또 EDLC는 Li이온전지에 비해 내부저항이 낮기 때문에 비교적 큰 전류를 소비하는 무선 디바이스에 직결하여 구동시킬 수도 있고, 보다 심플한 시스템 구성이 가능하다.

그러나 일반적으로 EDLC는 절연저항이 낮기 때문에 리크전류가 크고, 전압보유율이 Li이온전지보다 낮다. 이에 낮은 내부저항을 유지하면서 저리크 전류로 전압보유율이 높은 EDLC를 개발하고 있다. [그림 6]은 EDLC의 리크전류의 원인이 되는 활물질(活物質)의 박리를 억제하여 용량 0.01F의 EDLC에서 충전개시 24시간 후의 도달 리크전류를 10㎂→1.0㎂(0.05㎂/cm²) 정도까지 저감시킨 결과이며, 그에 따라 전압보유율이 80%에서 90%로 증가한 사례이다. 사무실에서의 그린 센서 네트워크 실증을 고려할 시 야간·휴일의 축전용량 저하 문제가 애플리케이션에 따라서는 과제가 될 수 있으므로 전압보유율이 높은(저리크 전류) EDLC를 개발할 필요가 있다.

자립전원 POC 보드의 시험제작과 동작검증

실내의 미약한 광환경에서도 높은 효율로 발전이 가능한 저역전류 DSC와 DSC의 미소전력을 고효율로 축전 가능한 저리크 전류 EDLC를 개발해 상기의 DSC 및 EDLC와 고효율 DC/DC 컨버터를 조합한 실내용 광축발전 보드(자립전원 POC(Proof Of Concept, 개념증명 보드)를 개발하고 있다([그림 7] 참조).

DSC 및 EDLC와 DC/DC 컨버터로 시험제작한 자립전원 탑재의 무선 센서 네트워크 단말의 블록선도를 [그림 8]에 나타냈다. DSC는 1셀이며, 그 유효면적은 8.6 cm²이다. EDLC는 5mF의 저용량이며 제어기판에 양면 실장을 하였다. 이 구성으로 실내조명 환경하에서 온도센서의 정보 송신이 가능해진다.

소비하는 에너지의 관점에서 생각해보면 다음과 같이 정리할 수 있다.

충전전압이 2.6V이므로 저장할 수 있는 에너지의 양은
Q=CV=5×10^-³(F)×2.6(V)=13mC이다. 마이크로컴퓨터/온도센서/RF를 1회 구동시키는 데 필요한 전하량은 약 100µC(만충전의 1/130)이므로 안정된 동작이 가능하다. 본 평가에서 사용한 DSC셀은 형광등 450럭스 환경하에서 약 150㎼를 발전하고 있다. 이 경우 [그림 9]에서와 같이 충전 초기에는 20분 정도의 시간을 요하지만 150㎼의 발전량이라도 온도센서 데이터의 무선통신 동작(10초마다 1회)이 영속적으로 가능하다는 것을 확인했다. 여기서 동작기간은 온도센서의 값을 읽고 무선으로 PC에 데이터를 송신하는 기간이다. 향후 [그림 10]과 같은 기존의 920MHz 무선모듈과 마이크로컴퓨터 및 센서모듈(온도·습도, 기압, 조도)을 자립전원으로 구동시키는 무선 센서 네트워크 단말의 시험제작 개발을 진행함으로써 스마트 오피스 실증으로의 길을 제시한 후 본 프로젝트에서 개발되는 적외선 어레이 센서를 탑재해 중소 규모 사무실에서의 그린 센서 네트워크 실증을 추진해 나갈 계획이다.