전자부품연구원(KETI)이 프랑스 남파리대학(UPSUD)과 공동연구를 통해, 별도 알고리즘 없이 다양한 주파수와 진폭에 대응할 수 있는 압전 에너지 하베스팅용 초소형·광대역 전력변환회로를 개발했다고 13일 밝혔다.
압전 에너지 하베스팅 기술이란 주변 진동·압력 변화 등으로부터 에너지를 확보하는 기술로, 배터리를 정기적으로 교체해야 하는 사물인터넷(IoT) 센서 등에 필요한 기술이다. 진동·압력으로 발생하는 교류(AC) 전력을 전원으로 사용하도록 직류(DC) 전력으로 변환하는 전력변환회로기술이 핵심이다.
기존 연구는 자연환경·인공환경 등 주변의 다양한 주파수와 진폭의 진동에 대응하도록 임피던스 매칭을 수행해 최대 출력을 확보하는 방식을 활용했다. 임피던스 매칭이란 에너지원으로부터 최대 에너지를 추출하기 위해 에너지원의 임피던스(전압과 전류의 비)와, 에너지를 추출하는 부하의 임피던스를 맞추는 작업을 말한다.
이 때문에 복잡한 알고리즘을 내재한 반도체 칩을 구현했고, 구동 소비전력도 수백 마이크로와트(㎼) 이상으로 높았다. 전력변환효율도 진동 주파수에 따라 변환효율이 현저히 떨어지는 등 변동이 심해, 효율이 최적화된 특정 주파수 대역에서만 80% 수준의 효율을 냈다. 전력변환효율이란 AC 전력을 전원으로 사용할 수 있는 DC 전력으로 변환하는 효율을 말한다.
이번에 KETI가 개발한 전력변환회로는, 최대 전력 추출 지점에서 임피던스가 일정하게 유지되는 벅-부스팅(buck-boosting) 형태의 전력변환회로 특성을 이용해 에너지를 추출하기 때문에 임피던스 매칭이 필요없다. 소비전력이 수~수십㎼로 낮고, 양산 시 생산단가 절약도 가능하다. 변환효율 또한 108~132Hz의 넓은 주파수 대역과 0.5~2.0G의 진동 크기에 대해 80% 이상, 특히 2.0G의 진동 크기에 대해서는 전 주파수 범위에 대해 90% 정도로 우수하다.
이번 기술 개발은 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원(KETEP)이 지원하는 에너지국제공동연구개발사업, '75% 이상의 변환효율을 갖는 고효율 회로 기반 10mW급 압전 에너지 하베스터 고효율 회로기술 개발' 과제 일환으로 수행했다. 화력발전소, 변전소 내 변압기, 리액터 등 전력 인프라를 대상으로 실증 실험을 통해 제품화를 추진 중이다.
연구를 주도한 융복합전자소재연구센터 유찬세 박사는 "프랑스 남파리대학과 공동으로 해외 특허를 5건 출원했다"며 "국내 및 프랑스 등 유럽 기업과 기술이전 협의를 진행 중"이라고 밝혔다. 이어 "이번 기술은 압전 에너지 하베스팅 외에도 다양한 주파수와 크기의 AC 신호를 DC로 변환해야 하는 무선주파수(RF) 하베스팅, 마찰전기 하베스팅 등에서도 확대 적용이 가능하다"고 덧붙였다.
