전자부품연구원(KETI)은 프랑스 남파리대학(UPSUD)과 공동연구를 통해 별도 알고리즘 없이 다양한 주파수와 진폭에 대응할 수 있는 압전(壓電) 에너지하베스팅용 초소형, 광대역 전력변환회로를 개발했다고 21일 밝혔다.

압전 에너지하베스팅 기술은 주변의 진동, 압력의 변화 등으로부터 에너지를 확보하는 기술로 정기적인 배터리교체가 필수적인 IoT센서 등에 필요한 핵심기술이다. 진동, 압력에 의해 발생하는 교류(AC)전력을 전원으로 사용할 수 있도록 직류(DC)전력으로 변환하는 전력변환회로기술이 핵심이다.

기존 연구들은 바람과 같은 자연환경, 공장설비와 같은 인공적 환경 등 주변에 존재하는 다양한 주파수와 진폭의 진동에 대응할 수 있도록 임피던스 매칭을 수행해 최대 출력을 확보하는 방식이었다. 따라서 복잡한 알고리즘이 내재된 반도체칩을 구현해야 됐을 뿐만 아니라 이를 구동하기 위한 소비전력도 수백 μW (마이크로 와트) 이상으로 높았다.

전력변환효율 또한 진동 주파수에 따라 변환효율이 현저히 떨어지는 등 변동이 심해 효율이 최적화된 특정 주파수 대역에서만 80%수준의 효율을 낼 수 있었다고 KETI는 설명했다.

이번에 개발한 전력변환회로는, 최대전력 추출지점에서 임피던스가 일정하게 유지되는 buck-boosting 형태의 전력변환회로의 특성을 이용해 에너지를 추출하기 때문에 임피던스 매칭이 필요 없다. 덕분에 소비전력이 수~수십 μW로 낮은 것은 물론, 양산 시 생산단가 절감도 가능하다.

변환효율 또한 108~132Hz*의 넓은 주파수 대역과 0.5~2.0G(진동의 크기를 나타내는 단위)의 진동 크기에 대해 80%이상, 특히 2.0G의 진동 크기에 대해서는 전 주파수 범위에 대해 90%정도로 우수하다.

유찬세 KETI 융복합전자소재연구센터 박사는 “현재 프랑스 남파리대학과 공동으로 5건의 국외특허(PCT 2건 등)를 출원했고, 10건 이상의 해외저널을 통해 독창성을 인정받았다”며, “확보된 지적재산권을 바탕으로 국내 및 프랑스 등 다수 유럽기업들과 기술이전 협의를 진행 중”이라 밝혔다.

유 박사는 Eh “이번에 개발된 기술은 압전 에너지하베스팅 뿐 아니라, 다양한 주파수와 크기를 갖는 AC신호를 DC로 변환해야하는 RF하베스팅, 마찰전기 하베스팅 등에도 확대적용 가능하다”며, “앞으로 동 기술을 통해 전력인프라 시설감시, 스마트공장 내 장비모니터링 등 IoT응용시장 확대에 힘을 보탤 것”이라 덧붙였다.

이 기술은 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원(KETEP)이 지원하는 에너지국제공동연구개발사업, ‘75%이상의 변환효율을 갖는 고효율 회로 기반 10mW급 압전 에너지 하베스터 고효율 회로기술 개발’과제의 일환으로 수행됐다. 현재 국내 화력 발전소, 변전소 내 변압기, 리액터 등 전력인프라를 대상으로 실증 실험을 통해 제품화 추진 중이다.