4차 산업혁명으로 사물을 인터넷에 연결해 정보를 수집하고 주변 환경을 제어하는 사물인터넷(Internet of Things, IoT)이 전 세계적으로 확산하고 있다. 그러나 사물인터넷의 확산은 통신 네트워크상의 전력량 급증으로 이어져 전 세계 에너지 관리에 상당한 어려움이 예상된다. 미래사회에 폭증하는 에너지 소모량을 저감하고 기후변화에도 적극적으로 대응할 수 있는 네트웍상의 대기전력(Standby Power) 연구에 전 세계의 관심이 집중되고 있다.
-꿈의 기술, 네트웍상의 대기전력 0W에 성공하다!
네트워크 대기전력은 제품이 주요 기능을 수행하지 않을 때도 네트워크에 연결돼 소비되는 전력이다. 기존에 제품이 꺼진 상태로 플러그만 연결돼 소비되는 대기전력보다 네트워크 대기전력은 최대 10배 이상 전력을 소모한다.
대기전력 분야의 최고 권위자, 앨런 마이어(Alan Meier)박사는 미래 사회를 위한 대기전력 0W의 가상시스템(0-watt EPS)을 발표했다.
그의 이론을 토대로 국내 중소기업 예텍은 대기전력 없는 사물인터넷(IoT)이 가능한, 반영구적이고 친환경적인 기술 ‘IoT 제로 와트 스위치’를 세계 최초로 개발했다고 3일 밝혔다.
에너지 하베스팅((Energy Harvesting)된 초저전력으로 스마트 기기를 제어하고, 에너지를 수집할 수 없는 환경에서는 별도의 저장장치를 활용, 대기전력 0W 목표에 도달한 것이다.
-초저전력 재생에너지, 기후변화에 선제대응하다.
국제에너지기구(IEA)는 2025년까지 네트워크 기기 에너지 소비량이 연간 1140TWh에 달할 것으로 추정하고 있다. 이는 세계 전기소비량의 6% 수준이다.
국제에너지기구는 장기적으로 지속가능한 에너지 목표를 달성하기 위해서 훨씬 더 강력한 재생에너지의 중요성을 피력하고 있다.
예텍이 개발한 ‘IoT 제로 와트 스위치’는 태양광이나 전기 불빛처럼 버려지는 에너지를 전력으로 활용하는 에너지 하베스팅으로 스마트 기기를 작동시킬 수 있다. 또한 에너지 하베스팅 할 수 없는 환경에서는 슈퍼커패시터 또는 배터리를 통해 저장된 에너지를 활용, 통신을 가능하게 하면서 스마트기기의 대기전력을 0W로 만든다.
에너지 전환과 기후변화 대응은 이미 수십여 년 전부터 세계 주요 국가들이 공동 추진하는 중요 정책이다. ‘IoT 제로 와트 스위치’는 친환경 에너지 사용과 네트웍상 대기전력 0W 기술로 기후변화에 선제 대응하는 등 글로벌 과제 해결을 선도할 수 있을 것으로 기대된다.
‘IoT 제로 와트 스위치’는 기본구조는 간단하다. 포토트라이악 커플러와 스텝래칭릴레이의 결합이다. 마이컴에서 순간적인 미세한 전류를 포토 트라이악 커플러로 흘려주면 포토 트라이악 커플러 내부의 발광다이오드가 소등 상태에서 점등 상태로 바뀌게 되고, 이에 따라 교류에서 동작하는 스탭래칭릴레이의 솔레노이드가 기계적 스위치부를 구동시켜 외부 교류전원이 전자기기로 공급되거나 차단되는 구조이다. 즉 발광다이오드의 순간 전력으로 전자기기의 ON/OFF가 가능하며 OFF시에는 전원 자체가 차단되므로 대기전력은 발생하지 않는다.
-배터리 있는 ‘IoT 제로 와트 스위치’
조그마한 코인셀 배터리로 10년간 교체 없이 ‘IoT 제로 와트 스위치’로 통신을 하면서 전자기기들을 외부전원의 대기전력 없이 기기들을 ON/OFF 할 수 있다.
-배터리 없는 ‘IoT 제로 와트 스위치’, 효율성을 높이다.
1차 전지와 같은 에너지 저장장치는 교체 및 관리 비용 등의 문제와 환경적 부담으로 IoT를 지속하는데 어려움이 따른다. ‘IoT 제로 와트 스위치’는 배터리가 아닌 슈퍼커패시터를 사용함으로써 반영구적으로 충•방전이 가능하다는 장점이 있다.
슈퍼커패시터를 충전시키면 외부 교류전원 공급 없이 스마트기기는 스마트폰과 블루투스로 페어링하며, 시간이 지나면 슈퍼커패시터는 전압이 떨어진다. 그동안에는 스마트기기를 스마트폰으로 스위칭(ON, OFF)하게 할 수 있다. 페어링 시간은 간헐적으로 통신을 하거나 하베스팅된 에너지가 있으면 상당히 길어진다. 페어링 하는 시간 동안 스마트기기의 대기전력은 차단되어 0W가 되며 그 상태에서 언제든지 스마트폰으로 스마트기기를 켤 수 있다.
-사물인터넷(IoT) 시대의 핵심기술, 초저전력
IoT 기술을 활용한 시스템의 엔드 디바이스는 운용 시간 확장을 위하여 저전력 시스템 동작을 요구한다. ‘IoT 제로 와트 스위치’는 최저 순간적인 700μA의 초저전류만으로도 스마트 기기를 작동시킬 수 있다.
‘IoT 제로 와트 스위치’는 에너지하베스팅이나 배터리, 슈퍼커패시터의 순간적인 초저전력만으로 스마트 기기를 작동시키고, 전원을 차단해 대기전력 0W에 성공한 기술을 인정받아 최근 특허등록을 완료했다.
업체 관계자는 “세계 IoT 시장 규모는 2016~2022년까지 연평균 12.8% 성장하면서 1조 1,933억 달러에 달할 것으로 전망된다. 친환경적인 초저전력으로 스마트 기기를 작동시키고, 대기전력이 0W에 이르는 ‘IoT 제로 와트 스위치’는 구조가 단순하여 반영구적인 IoT 제품에 필수장치가 될 전망”이라고 전했다.
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