에너지 하베스팅 기술로 지속 가능한 연결된 세상을 구축하기

사물인터넷(IoT)은 오늘날 가장 두드러진 기술 발전 중 하나입니다. 그러나 많은 IoT 기기가 여전히 배터리에 의존하여 전력을 공급받고 있으며, 배터리 소비는 더욱 지속 가능한 연결된 세상을 구축하는 데 있어 상당한 도전을 제기합니다. 배터리 의존도를 줄이기 위해 에너지 하베스팅 기술을 활용하는 것은 IoT 애플리케이션에서 중요한 방향이 되었습니다. 이 글에서는 IoT 기기에서 에너지 하베스팅 기술의 활용과 Silicon Labs 및 그 파트너들이 개발한 관련 솔루션을 소개합니다.

지속 가능한 개발 목표에서의 배터리 문제

오늘날 지속 가능성을 중시하는 세계에서, 기업, 소비자, 국가들은 증가하는 도시화로 인해 증가하는 에너지 수요를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 탄소 중립을 달성하는 것이 필수 과제가 되었으며, 낭비를 최소화하고 에너지 효율적인 혜택을 제공하는 기술 솔루션을 채택하는 것이 필수적입니다. IoT(사물 인터넷) 애플리케이션도 이제 이러한 변화를 수용해야 할 도전에 직면해 있습니다.    IoT를 생각할 때, 우리는 스마트하고 혁신적인 기기로 구동되는 매끄럽게 연결된 세계를 상상합니다. 하지만 이런 기기들을 연결된 상태로 유지하는 것은 무엇일까요? 간단한 대답은 전원 공급원, 보통은 전통적인 배터리입니다. 배터리는 목적에 부합하지만 몇 가지 상당한 단점이 있습니다.    통계에 따르면, 매년 150억 개 이상의 사용된 배터리가 매립지에 폐기되며, 이는 약 90만 톤의 유해 폐기물을 방출하여 토양과 지하수를 오염시킵니다. 미국에서만도 가구당 연간 평균 90개 이상의 배터리를 구매하며, 이 중 대부분은 10년도 사용하지 못하고 수명이 다합니다. 2025년에는 약 250억 개의 IoT 기기가 운영될 것으로 예상되며, 매일 600만 개의 배터리 교체가 필요하게 됩니다.    이 수치는 전통적인 배터리의 세 가지 주요 문제를 강조합니다: 불편하고 부적절한 폐기 관행, 끊임없는 교체 필요, 그리고 확장성의 한계입니다. 이러한 결점은 기기의 기능성과 신뢰성을 저하시킬 뿐만 아니라 스마트 IoT 애플리케이션이 배터리 없는, 에너지 중심의 미래로 전환하는 데 방해가 됩니다. 이러한 문제를 해결하고 점점 더 연결된 세계에서 야기되는 환경적 위협을 줄이기 위해 새로운 클래스로 구분된 연결 기기가 등장했습니다. 이를 'Ambient IoT(앰비언트 IoT)'라고 부릅니다.    Ambient IoT란 자기장과 전기장, 빛, 열, 운동 에너지, 소리 등 자연적으로 활용 가능한 에너지원으로 구동되는 IoT 기기를 의미합니다. 이러한 방법으로 주변 에너지로부터 운영 전력을 추출함으로써 IoT 기기에서 배터리의 필요성을 제거합니다.    Ambient IoT를 통해 스마트 기기들은 이제 기존의 배터리 대신 자연 에너지원(예: 빛, 열, 운동)을 전력 및 연결의 원천으로 활용할 수 있습니다. 이런 에너지원은 기기의 수명을 연장시키면서 배터리가 환경에 미치는 영향을 크게 줄입니다. 

에너지 하베스팅을 위한 혁신적인 무선 시스템 온 칩 솔루션

Silicon Labs는 혁신 및 IoT 연결 분야의 선두 주자로서, 개발자가 산업을 혁신하고 경제를 성장시키며 삶을 개선하는 무선 연결 기기를 제작할 수 있도록 돕는 사명을 가지고 있습니다. Silicon Labs는 이제 xG22 시리즈 SoC(System-on-Chip)를 최적화하여 에너지 하베스팅 기능을 포함시켰습니다. 새롭게 에너지 최적화된 xG22E SoC 제품군은 IoT 기기의 모든 에너지 절약 요구를 충족합니다.    이 강력한 MCU(Microcontroller Unit)는 8ms의 파워 온 리셋(PoR)을 특징으로 하며, 이는 단지 150 마이크로줄(µJ)을 소비합니다. EM4 웨이크업 시간은 1.83 밀리초로, 16.6 µJ의 에너지 소비만 필요합니다. 또한, 높은 RF 성능, 다중 프로토콜 지원, 그리고 2.4GHz 작동을 제공합니다. 이 제품들은 여러 전원 소스와 전원 관리 기기를 지원하며, 사용자가 슈퍼커패시터(supercapacitor)와 같은 새로운 배터리 기술을 탐구할 수 있도록 합니다.    예를 들어 EFR32xG22E를 살펴보면, 초고속, 저전력 콜드 스타트와 저전력 딥 슬립 웨이크업 및 효율적인 에너지 모드 전환을 제공하여 해로운 전류 스파이크를 완화하고 에너지 저장 셀을 보호합니다. 이는 시장에서 가장 신뢰할 수 있는 무선 장거리 SoC 중 하나로 자리잡고 있습니다.    xG22E SoC의 공통적인 응용 분야는 스마트 홈 및 가전 제품, 게임 전자기기, 스마트 빌딩과 같은 사례를 포함합니다. 예를 들어 Zigbee가 지원되는 스마트 홈 기기(문, 수도꼭지, 스위치 등)에서는 에너지 하베스팅 발전기로 배터리 의존도와 교체 비용을 없앨 수 있습니다. 게임 전자기기에서는 실내 태양광으로 구동되는 TV 리모컨이나 컴퓨터 키보드가 에너지 효율적이고 비용 효율적인 Bluetooth LE SoC를 필요로 합니다. 스마트 빌딩에서는 배터리가 필요 없는 도어 손잡이와 조명 스위치 제어를 위해 xG22E Zigbee Green Power를 이용한 키네틱 펄스 하베스팅이 잦은 배터리 교체를 줄여줍니다. 그 외 주요 응용 분야로는 타이어 압력 모니터 센서, 자산 추적, 전자 선반 라벨(ESL), 공장 자동화, 예측 유지보수, 및 농업 등이 있습니다.   

혁신적인 첨단 에너지 수확 실드 키트 솔루션 

디바이스 제조업체가 완벽한 에너지 하베스팅 솔루션을 구축할 수 있도록 돕기 위해 Silicon Labs는 업계 선도적인 전력 관리 집적 회로(PMIC) 제공 업체인 e-peas와 협력하여 새로운 전력 최적화 xG22E Explorer Kit용으로 최첨단 에너지 하베스팅 실드 키트를 공동 개발했습니다.    이 키트는 Explorer Kit 보드에 딱 맞게 설계된 세 개의 전용 실드를 포함하고 있습니다. 보드는 전력 누출을 격리하고 외부 측정을 용이하게 하도록 최적화되었습니다. 첫 번째 실드는 대체 배터리 화학 물질 및 슈퍼커패시터를 사용한 실험을 가능하게 합니다. 두 번째 실드는 운동/펄스 하베스팅 애플리케이션에 특화되어 있으며 e-peas의 AEM00300을 사용합니다. 이러한 실드는 디버깅 및 전력 소비 측정을 위한 여러 테스트 포인트를 제공합니다. 세 번째 실드는 e-peas의 최신 및 가장 진보된 PMIC인 AEM13920을 통합하여 개발자가 두 가지 에너지 하베스팅 소스를 동시에 실험할 수 있도록 합니다.    키트에는 Bluetooth 및 Zigbee Green Power에 대한 새롭게 개정된 샘플 애플리케이션과 PMIC 구성 및 에너지 기반 의사 결정에 최적화된 코드 작성 관련 지침이 포함되어 있습니다.    예를 들어, EFR32xG22E Explorer Kit는 초저가, 소형 폼 팩터의 개발 및 평가 플랫폼으로서 EFR32xG22E Bluetooth LE IoT 애플리케이션의 신속한 프로토타이핑 및 개념 개발을 위해 설계되었습니다. 이 키트는 USB 인터페이스, 내장 SEGGER J-Link 디버거, 사용자 LED 및 버튼을 제공하며, mikroBus 소켓과 Qwiic 커넥터를 통해 하드웨어 애드온 보드를 지원합니다. 이러한 하드웨어 애드온 지원을 통해 개발자는 MIKROE, SparkFun, Adafruit 및 Seeed Studios에서 제공하는 기성 보드를 사용하여 거의 무한한 조합의 애플리케이션을 생성하고 프로토타입을 제작할 수 있습니다. 

저전력 및 높은 전송 효율을 위한 무선 SoC 솔루션 

Silicon Labs의 xG22E SoC 제품군에는 EFR32BG22E 시리즈, EFR32FG22E 시리즈, EFR32MG22E 시리즈와 같은 여러 제품 라인이 포함되어 있습니다. 아래는 이러한 제품들의 주요 특징입니다.    우선, EFR32BG22 Series 2 Bluetooth® 무선 SoC는 EFR32BG22 및 EFR32BG22E Bluetooth 저에너지(LE) 무선 SoC 솔루션을 포함하며, Wireless Gecko Series 2 플랫폼의 일부입니다. 이 장치는 에너지 효율성을 중점적으로 설계되어 초저송신 및 수신 전력을 제공하는 최고 수준의 에너지 효율성을 자랑합니다. 고성능 및 저전력 Arm® Cortex®-M33 코어는 업계 최고의 에너지 효율성을 제공하여 동전형 배터리의 수명을 최대 10년까지 연장할 수 있습니다. BG22는 에너지 효율적인 애플리케이션을 가능하게 하는 한편, BG22E("E"는 Energy Conservation을 의미)는 배터리 수명을 더욱 향상시키고 배터리가 필요 없는 설계를 지원합니다. Silicon Labs의 BG22 및 BG22E 시리즈는 Ambient IoT 또는 에너지 수집 장치에 이상적인 시장 선도 SoC입니다. 주요 적용 분야는 블루투스 메시 저전력 노드, 스마트 도어락, 개인 헬스케어 및 피트니스 장치입니다. 또한 자산 추적 태그, 비콘, 실내 내비게이션은 이 SoC의 다재다능한 블루투스 도달각(AOA) 및 이탈각(AOD) 기능을 활용하여 1미터 이하의 위치 정확도를 제공합니다.    EFR32FG22 Series 2 Proprietary Wireless 2.4 GHz SoC는 EFR32FG22 및 EFR32FG22E를 포함하며, Wireless Gecko Series 2 플랫폼의 일부입니다. FG22 SoC는 TrustZone이 포함된 38.4 MHz Arm® Cortex®-M33 코어와 -102.3 dBm의 수신 감도를 갖춘 고성능 라디오를 통합합니다. FG22는 에너지 효율적인 애플리케이션을 가능하게 하지만, FG22E("E"는 Energy Conservation을 의미)는 배터리 수명을 연장하고 배터리가 필요 없는 설계를 지원합니다. 이 SoC는 초저송신 및 수신 전력(8.2 mA TX @ +6 dBm, 3.6 mA RX), 1.2 µA의 딥 슬립 모드, RFSense와 같은 혁신적인 저전력 기능을 결합하여 업계 최고의 에너지 효율성을 제공합니다. 이 제품은 전자식 선반 라벨 및 산업용 무선 센서 노드와 같이 제한된 배터리나 에너지 수집 옵션이 있는 제품의 운영 수명을 연장합니다.    EFR32MG22 Series 2 Zigbee SoC는 EFR32MG22 및 EFR32MG22E를 포함하며, Wireless Gecko Series 2 플랫폼의 또 다른 부분입니다. MG22 시리즈는 고성능 및 저전력 76.8 MHz Arm® Cortex®-M33 코어와 TrustZone을 통합하여 최적화된 Zigbee SoC 솔루션을 제공합니다. MG22는 에너지 효율적인 애플리케이션을 가능하게 하며, MG22E("E"는 Energy Conservation을 의미)는 배터리 수명을 개선하고 배터리가 필요 없는 설계를 지원합니다. MG22 SoC는 초저송신 및 수신 전력(8.2 mA TX @ +6 dBm, 3.9 mA RX), 1.4 µA의 딥 슬립 모드, 저전력 주변 장치를 통합하여 Green Power를 포함한 Zigbee 프로토콜 애플리케이션에 최고 수준의 에너지 효율 솔루션을 제공합니다. IoT 애플리케이션에는 스마트홈 센서, 조명 제어, 건물 및 산업 자동화 등이 포함됩니다. 

결론 

더 스마트하고 연결된 미래로 나아가기 위해 에너지 수확 기술이 중요한 역할을 하고 있습니다. 빛, 열, 진동, RF와 같은 널리 퍼져있는 주변 에너지를 전기로 변환함으로써 전통적인 전력원에 대한 의존도를 줄이고, 기기의 수명을 연장하며, 배터리 폐기물을 최소화하고, 진정한 저탄소 지속 가능성을 실현할 수 있습니다. IoT 기기가 급격히 증가함에 따라 에너지 수확 기술은 이들의 장기적이고 안정적인 작동을 위한 중요한 기반이 될 것입니다. Silicon Labs에서 선보이는 에너지 수확 SoC 솔루션은 더 친환경적이고 효율적이며 탄력적인 연결된 세상을 구축하는 데 필수적인 요소로 작용할 것입니다.