사물인터넷 가속화 이끈다

新미세전자기계 에너지 수확기 개발

기계전자든 생명체든 모든 장치를 구동하기 위해서는 에너지 공급이 필요하다. 그런데 에너지를 필요할 때마다 언제 어디서든 원하는 대로 공급받을 수 있다면 장치 개발에 획기적인 전환점이 될 수 있다.

일본 도쿄공업대(Tokyo Institute of Technology) 연구팀은 미래의 사물인터넷(IoT) 응용장치 구동에 결정적인 설계 유연성을 제공하는 새로운 미세전자기계 에너지 수확기(micro-electromechanical energy harvester)를 발표해 관심을 모은다.

요즘에 나오는 전자장치 가운데는 용도에 따라 거의 눈에 띄지 않을 정도로 아주 작아진 것들이 적지 않다. 다가오는 사물인터넷 시대에 극소형 센서를 사용하면 공상과학에서나 볼 수 있는 응용품을 개발해 낼 수 있을 정도가 되었다.

단일 칩에 전체 시스템을 포함하는 기존의 일렉트릿 기반 MEMS 에너지-수확기와는 달리 새로 제안된 설계방법은 일렉트릿과 MEMS 가변 축전지를 서로 다른 칩에 넣어 설계 제약을 완화했다. [그림] CREDIT : Daisuke Yamane

[그림 1] 단일 칩에 전체 시스템을 포함하는 기존의 일렉트릿 기반 MEMS 에너지-수확기와는 달리 새로 제안된 설계방법은 일렉트릿과 MEMS 가변 축전지를 서로 다른 칩에 넣어 설계 제약을 완화했다. @ CREDIT : Daisuke Yamane

주변 에너지를 활용

그러나 미세 전자장치는 여전히 가동에 필요한 전력이 공급돼야 한다. 에너지를 수확할 수 있는 미세 전자기계 시스템(MEMS)을 사용해 기계적 진동에서 나오는 것과 같은 주변 에너지를 활용하면 제한점이 큰 에너지원을 사용하지 않고도 원하는 극소 장치를 구동할 수 있다는 것이다.

기존의 MEMS 에너지 수확기는 MEMS 가변 축전지(capacitor)에 있는 영구자석 유전체인 일렉트릿(electret; 영구 자석의 전기 등가물로, 영구 전하가 저장되어 있음)을 사용한다. 이 축전지는 주변 힘에 의해 밀리는 이동 전극이 있어 전하 이동을 유도한다(그림1 참조).

그러나 이것을 설계하려면 일렉트릿과 MEMS 구성품의 제작 과정이 양립 가능해야 하기 때문에 매우 제한적이다.

이런 상황을 타개하기 위해 야마네 다이스케(Daisuke Yamane) 조교수(과학기술 미래 학제간 연구실)를 포함한 연구팀은 두 개의 칩으로 구성된 새로운 MEMS 일렉트릿 기반 에너지 수확기를 제안했다.

이 제안은 제32차 국제 미세전기전자시스템(MEMS) 컨퍼런스 회지에 발표됐다.

[그림2]. 시스템과 측정된 전압 출력 사진. 가변 축전지의 용량이 일렉트릿 회로의 용량보다 크면 전하 이동은 한 방향으로 유도된다. 마찬가지로 상황이 바뀌면 전하 이동이 반대방향(위)로 유도된다. 왼쪽은 설계된 시스템 사진으로 MEMS의 가변 축전지가 빗처럼 생긴 구조로 되어있다. 아래 오른쪽은 측정된 전압 출력으로, 기계적 진동 에너지가 효과적으로 수확될 수 있음을 보여준다.  CREDIT : Daisuke Yamane

[그림2] 시스템과 측정된 전압 출력 사진. 가변 축전지의 용량이 일렉트릿 회로의 용량보다 크면 전하 이동은 한 방향으로 유도된다. 마찬가지로 상황이 바뀌면 전하 이동이 반대방향(위)로 유도된다. 왼쪽은 설계된 시스템 사진으로 MEMS의 가변 축전지가 빗처럼 생긴 구조로 되어있다. 아래 오른쪽은 측정된 전압 출력으로, 기계적 진동 에너지가 효과적으로 수확될 수 있음을 보여준다. @ CREDIT : Daisuke Yamane

“MEMS 구조와 전력원을 처음 분리”

두 개의 칩 가운데 하나는 MEMS 가변 축전지용이고, 다른 하나는 또 다른 축전지를 형성하기 위한 일렉트릿과 유전체를 포함하고 있다(그림 1).

야마네 교수는 “이것은 처음으로 MEMS 구조와 일렉트릿을 물리적으로 분리할 수 있게 해주는 설계”라고 강조했다.

장치의 에너지-수확 메커니즘은 그림 2에 나타나 있다. 일렉트릿 회로의 정전용량(capacitance)은 고정된(Cfix) 반면, MEMS 가변 축전지(CM)의 정전용량은 외부 진동에 의해 스프링이 늘어남에 따라 변화한다.

CM이 Cfix보다 높아지면 전하의 이동이 유도돼 가변 축전지가 전하를 얻게 된다. 마찬가지로 Cfix가 더 높으면 전하는 반대 방향으로 이동하게 되고, 일렉트릿 회로의 축전지가 전하를 얻는다.

도쿄공업대와 도쿄대 공동연구팀. 가운데가 야마네 다이스케 교수와 공저자인 도쿄대의 도시요시 히로시 교수와 혼마 히로아키 연구원.  CREDIT : Daisuke Yamane, Hiroshi Toshiyoshi, Hiroaki Honma

도쿄공업대와 도쿄대 공동연구팀. 가운데가 야마네 다이스케 교수와 공저자인 도쿄대의 도시요시 히로시 교수와 혼마 히로아키 연구원. @ CREDIT : Daisuke Yamane, Hiroshi Toshiyoshi, Hiroaki Honma

“사물인터넷 가속화에 도움”

이러한 전하의 움직임은 바로 우리가 이용할 수 있는 전력을 나타낸다. 그림2의 왼쪽은 조립된 칩과 이를 단순화한 도표로 나타내 준다. 그림2의 오른쪽은 전압이 효과적으로 발생할 수 있다는 것을 보여준다.

야마네 교수는 “이번에 제안된 방법은 MEMS 구조와 일렉트릿 모두에서 설계와 제작 유연성을 향상시킬 수 있는 유망한 방법이 될 수 있다”고 밝혔다.

설계 제약요소를 완화하면 엔지니어가 갖는 한계를 더욱 넓힐 수 있고, 사물인터넷 시대의 도래를 가속화함으로써 그 이점을 활용할 수 있게 된다.

MEMS 기술은 인공지능과 로봇, 사물인터넷 등으로 대변되는 4차 산업혁명 기반 기술의 하나로 집중 연구되고 있다.

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