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"주변 자기장에서 에너지 확보"··· MIT, 자체 전력 공급 센서 개발 발표

2024.01.24 김달훈  |  CIO KR
"전선 주변에서 생성되는 자기장으로부터 전기 에너지를 공급받는 온도 감지 장치를 만들었다. 모터에 전력을 공급하는 전선처럼 전기가 흐르는 전선 주위에 센서를 끼우기만 하면, 자동으로 에너지를 수집 저장하여 모터의 온도를 모니터링하는 데 사용할 수 있다. (전력을 얻기 위해 선을 연결할 필요가 없기 때문에) 이 센서는 설치가 매우 쉽다."

MIT 연구팀이 외부 전력을 공급하거나 별도의 배터리를 내장할 필요가 없이, 자체적으로 전력을 공급하는 온도 감지 센서를 개발했다. 센서 구동에 필요한 전력은 주변에 있는 전선으로부터 얻는다. 전기가 흐르는 전선에는 자기장이 발생하고, 이때 발생한 자기장을 이용하면 역으로 전기를 얻을 수 있다. 전기가 흐르는 전선만 있다면 쉽고 간편하게 센서를 설치하고, 이를 기반으로 데이터를 수집할 수 있는 것이다.

이번에 개발한 자체 전력 공급 센서에 대한 연구는, "외부나 내부에서 직접 전원을 공급할 필요가 없는 다양한 형태의 자체 전력 공급 센서 프레임워크에 대한 로드맵을 제시하고 있다. 이번 연구를 IEEE 센서 저널(IEEE Sensors Journal) 1월호에 발표한 연구팀은, 주변 환경으로부터 사용 가능한 에너지 감지와 이를 통해 에너지를 공급받는 데 필요한 설계 가이드를 제공한다"라고 MIT 뉴스가 소개했다.
 
이미지 출처 : MIT News

예를 들면 선박 엔진처럼 접근하기 어려우면서, 외부로부터 추가 장비나 전력을 공급하는 것이 엄격하게 제한된 환경에서 유용하게 활용할 수 있다. 선박의 엔진이나 모터에 전기를 공급하는 전선 주위에 센서를 고정하면, 온도, 소비 전력, 진동 등을 모니터 하고 필요한 데이터를 실시간으로 수집할 수 있다.

사물 인터넷 시대를 맞아 다양한 환경과 공간에서 센서를 활용해 실시간으로 상황과 환경을 모니터링하고, 작업 및 안전 효율을 높일 수 있는 실시간 데이터 수집이 일반화되고 있다. 하지만 센서를 설치한다는 것이 말처럼 간단하고 쉬운 일이 아니다. 이런 곳에 센서를 설치하려면 전용 전원 공급라인 설치를 위한 설비 투자를 해야 하고, 경우에 따라서는 안전 규정이나 환경 요인 때문에 이런 작업이 쉽지 않을 수 있다.

하지만 이번에 개발한 자체 전력 공급 센서처럼 이미 기존에 설치되어 있는 전력선으로부터 자기장을 통해 구동에 필요한 전력을 얻거나, 진동이나 햇빛으로부터 필요한 전력을 얻는 방법으로 센서 프레임워크를 구성할 수 있다는 것이다. 연구팀은 초저전력으로 작동하는 센서에 안전하고 안정적으로 전력을 공급하는 회로를 설계했고, 광학이나 음향 등 데이터 전송 과정에서 전력 소모량을 줄일 수 있는 방법에 대해 계속 연구할 예정이다.

연구팀은 이번 이번 연구를 수행하면서 ►콜드 스타트 가능 ►배터리 없이 동작 ►에너지 제어 알고리즘이라는 세 가지 과제를 해결해야 했다고 밝혔다. 콜드 스타트는 초기 전압이 없는 상태에서도 장치를 작동하는 것을 말한다. 이를 위해 특정 임계값에 도달할 때까지 전력을 전장할 수 있도록 회로를 설계하고, 시스템을 작동시킬 수 있는 충분한 전력을 저장해야 켜지도록 했다.

배터리를 사용하지 않고 자기장으로부터 얻는 전기를 저장하고 활용할 수 있도록 하는 것도 매우 중요하다. 배터리를 내장할 수도 있지만 그럴 경우 시스템이 복잡해지고 화재의 위험성이 증가한다. 또한, 배터리에 문제가 생겼을 경우, 이를 교체하는 작업이 필요하다. 연구팀은 장치를 켜고 구동하는 데 필요한 전력을 충분히 공급하고 저장할 수 있으면서, 충전이 오래 걸리지 않도록 설계한 커패시터를 설계해 이를 해결했다.

장치에서 변환하고 저장한 후 사용하는 에너지를 측정하고, 이를 기반으로 장치의 효율적이고 안전하게 작동할 수 있도록 하는 제어 알고리즘을 개발했다. 현재 저장되어 있는 에너지가 얼마나 되는지, 센서를 켜거나 끌 것인지, 에너지 수집을 더 늘이거나 줄일지를 결정하는 알고리즘을 개발한 것이다. 초저전력으로 구동하는 장치의 특성 때문에 오히려 너무 많은 전력이 공급되면 문제가 발생할 수 있기 때문이다. ciokr@idg.co.kr
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