전력 및 전력관리용 반도체의 세계 1위 공급사인 ST마이크로일렉트로닉스와 신개념 박막 열전 장치 전문의 독일 신생기업인 마이크로펠트
(Micropelt GmbH)는 양사가 공동 개발한 자율 무선 센서 평가 키트인 TE-Power NODE를 발표했다. TE-Power NODE는
마이크로펠트의 열전력발생기 (thermogenerator)와 전력 백업 및 펄스 전류를 위한 에너지 저장장치인 ST의 EnFilm 첨단 박막
배터리로 구성되어 있다. 또한 전력관리 및 충전 모니터링 회로가 내장된 GUI (graphical user interface) 소프트웨어와
연결되어 2.4GHz 무선 링크 속도로 동작한다.
에너지 수확 (Energy Harvesting) 기술은 진동, 열, 빛 등과 같이 무료로 이용할 수 있는 자원으로부터 유용한 전기
에너지를 얻는 기술로서, 배터리가 필요 없는 자체-전력의 무선 센서를 구축하는 데 있어서 필수적이다. 현재 공정 자동화, 상태 모니터링
(condition monitoring), 스마트 빌딩 등의 분야에서 무선 센서 네트워크의 사용이 증가되고 있다. 이러한 무선 센서 네트워크는
높은 비용의 센서 배선이 필요없고, 이전에는 사용이 불가능한 위치에서도 쉽게 사용할 수 있는 즉각적인 이점을 제공한다. 동시에 진정한
‘인텔리전트 환경’ 방식으로서, 다수의 센서가 모든 측정 지점에 장착될 것으로 예상된다. 센서는 온도, 압력, 진동 등의 변수를 측정하여 제어
또는 모니터링 시스템에 무선으로 전송한다. 이후 전송된 정보는 공정 제어 및 에너지 관리 성능 향상, 유지보수 비용 절감, 빌딩 효율성 향상
등을 위해 사용된다.
TE-Power NODE의 중심에는 TEG라는 열전기 발전기 (Thermoelectric
Generator)가 있다. TEG는 열전기 미세구조층의 온도차로 발생되는 열 유량 (heat flux)으로부터 전기 에너지를 생성하는 제벡
효과 (Seebeck Effect)라는 물리적 현상을 활용한다. TEG는 유효 온도 변화가 10°C일때부터 1.4V의 전압을 생성한다.
마이크로펠트의 맞춤형 전력 조정 기능은 온도 변화로 생성된 전압을 무선 센서 노드를 구동하기에 충분한 전력으로 변환하고, 초과 열 에너지를
이용하여 배터리를 충전한다. TE-Power NODE에서, 마이크로펠트의 TEG는 고체 알루미늄 기판과 핀 방열판 (finned heatsink)
사이에 집적되어 있다. 이 기판은 적합한 열원에 부착되며, 방열판의 냉각 효과가 내장된 TEG에서 온도차를 만들어낼 수 있다.
마이크로펠트의 CEO인 프리츠 폴케르트 (Fritz Volkert)는 “열 에너지 수확 기술은 사용하지 않고 버려질 수도 있는 잔여
열 (surplus heat)을 무료로 활용하기 때문에 사실상 무한한 자급자족 에너지원으로서 엄청난 잠재력을 보유하고 있다.”면서 “마이크로펠트의
첨단 열 수확 기술의 성능을 최적화하기 위한 협력업체로서 전력관리 분야의 세계적인 선도업체인 ST는 당연한 선택이었다.”라고 말했다.
향상된 TE-Power NODE 키트에는 ST의 EFL700A39 EnFilm 박막 고체 배터리가 사용되었다. 이는 네트워크와
통신하는 동안 무선 센서 노드에 전력을 공급하기 위해 고펄스 피크 전류 (최대 10mA)를 제공할 수 있는 UL1642 인증의 재충전 가능한
700µAh (마이크로암페어시) [1] 배터리이다. 평카 키트의 기판이 열원과 접촉하면, 마이크로펠트의 TEG가 시스템에 전력을 공급하여 ST의
EnFilm 배터리를 충전한다. 열원이 제거되면 TEG는 동작을 중단하고, ST의 EnFilm 배터리만이 무선 센서에 전력을 공급한다.
마이크로펠트의 TEG와 ST의 EnFilm 배터리가 결합됨으로써, 열 공급 격차에 대한 균형을 이루고, 연결된 무선 시스템에 영구적으로 재생
가능한 에너지를 공급해 준다.
ST가 설계한 배터리 보드는 EnFilm 배터리와 배터리 충전 레벨 및 에너지 균형 모두를 제어 및 모니터링할 수 있는 전자 회로로
구성되어 있다. 이 보드는 특히 저전력소모 성능이 제약되는 환경에서 동작하도록 설계된 BiCMOS 리니어 레귤레이터 (STLQ50)뿐만 아니라
배터리 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하는 배터리 관리칩 (STC3100)을 내장하고 있다. 또한 쿨롬 카운터 (Coulomb counter)를
통합하고 있어 충/방전 상태를 지속적으로 추적할 수 있다.
ST마이크로일렉트로닉스의 그룹 부사장 겸 ASD & IPAD 사업부 본부장인 리카르도 드 사 어프 (Ricardo de Sa
Earp)는 “유비쿼터스 모니터링과 보다 지능화된 제어 기능을 추구하는 움직임으로, 이용 가능한 주변 에너지를 가장 효율적으로 활용하는 재생
가능한 전력원에 대한 필요성이 대두되고 있다.”면서 “ST는 전력 관리 분야의 세계 선도적 기술력을 바탕으로, 마이크로펠트와 같은 혁신 기업들이
최소 비용으로 신개념 에너지 수확 기술에 대한 최적의 성능 및 높은 신뢰성을 구현할 수 있도록 협력할 만반의 준비가 되어 있다.”고 말했다
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