에너지 수확 전자기기: CES 2025부터 배터리 없는 미래까지
전자 산업이 조용한 혁명의 전환점에 있습니다. 수십 년 동안, 스마트 센서와 웨어러블에서 원격 모니터에 이르기까지 우리의 장치들은 교체 비용이 많이 들고 재활용하기 어려운 일회용 배터리에 의존해 왔습니다. 그러나 이러한 장치들이 스스로 전력을 공급할 수 있다면 어떨까요?
에너지 수확 분야의 혁신 덕분에 자가 발전 장치가 현실이 되고 있습니다. 운동 에너지 발전기부터 광전기 하이브리드에 이르기까지 새로운 에너지 수확 구성 요소들이 주변 에너지를 포착하여 점점 더 효율적으로 전기로 변환하고 있습니다. 결과는 무엇일까요? 전적으로 배터리 없이 또는 배터리 수명을 대폭 연장함으로써 수년간 자율적으로 작동할 수 있는 전자 시스템입니다.
자립형 전력 혁명
2025년 라스베이거스에서 열린 소비자 전자제품 전시회(CES)에서 수십 개의 회사들이 에너지 수확의 실용적인 응용을 선보이며 지속 가능하고 유지 보수가 필요 없는 전자제품으로의 전환을 알렸습니다. CES에서 주목할 만한 혁신 중 일부를 살펴보면, 배터리 없는 시스템이 가능할 뿐만 아니라 실용적이라는 것을 보여줍니다.
전자기 유도 및 운동 에너지 수확
운동이 어떻게 의미 있는 전력을 생성할 수 있을까요? WePower Technologies가 CES 2025에서 Gemns™ 에너지 수확 발전기 제품 라인으로 이에 대한 답을 제시했습니다. 이 회사의 전자기 유도 기술은 영구적으로 진동하는 자석을 사용하여 운동으로부터 전기를 생성하며, 기존의 운동 에너지 수확 기술(일반적으로 마이크로줄 범위)보다 30배 더 큰 에너지 출력(밀리줄 범위에서)을 제공합니다.
이러한 우수한 효율성은 WePower의 독특한 진동 자석 구성에서 비롯되며, 이는 자속 밀도를 극대화하고 기계적 저항을 최소화합니다. 전통적인 운동 에너지 수확기가 선형 운동에 의존하는 것과 달리, 그들의 설계는 미세한 움직임에서도 더 높은 유도 전압을 생성하는 특수한 자기극 배열을 포함하여 기계적 에너지의 더 큰 비율을 전기 출력으로 효과적으로 변환합니다. 전시회에서 WePower는 이 기술의 실용적인 구현을 물 새는 감지기와 산업 컨트롤러에서 시연했습니다.
비슷한 접근 방식으로, MIT 연구자들은 전기선 주변의 자기장에서 에너지를 수확하는 배터리 없는 센서를 개발하여 외부 전원 없이 실시간 온도 모니터링을 가능하게 했습니다.
SMK Electronics의 자체 전원 공급 장치(SCPS) 코인 배터리 모듈은 표준 CR2032 코인 셀 배터리를 대체하는 업계 최초의 에너지 수확 모듈을 만들어 CES 2025 혁신상을 수상했습니다. 이 혁신은 센서, 태그 및 추적기에 사용되는 수십억 개의 코인 셀 배터리를 단계적으로 폐기하는 데 도움이 될 수 있습니다.
AI 기반 최적화 및 에너지 관리
통합된 AI와 머신러닝은 전력 관리를 최적화하여 에너지 수확 시스템을 개선하고 있습니다. AI 기반 알고리즘은 실시간으로 수확 전략을 조정하여 태양, 열 또는 진동 에너지와 같은 원천에서 효율성을 극대화합니다. AI는 에너지 자율성의 두뇌로 점점 더 활용되어 장치가 현명한 즉석 전력 결정을 내릴 수 있도록 돕고 있습니다.
CES 2025에서 e-peas는 광원 및 운동 기반 원천에서 전력을 최적화하는 AEM13920 이중 소스 에너지 수확 통합 회로를 선보였습니다. 움직임 감지, 문 감지 및 이산화탄소 모니터링의 시연을 통해 실용적인 배터리 없는 애플리케이션이 이제 가능하다는 것을 입증했습니다. CEO Geoffroy Gosset은 "스마트 홈과 건물에 대한 에너지 자율성이 점점 더 중요해지고 있다"고 강조하며 개발자들이 환경 영향과 배터리 교체 비용을 없애려고 한다고 말했습니다.
정전기 발전기 및 에너지 관리 장치
연구자들이 고성능 에너지 관리 장치(EMUs)를 개발하여 정전기 발전기의 임피던스 불일치를 해결하고 효율을 최대 50%까지 향상시켰습니다. 이 새로운 EMU 디자인에는 스파크 스위치 튜브와 벅 컨버터가 포함되어, 회전하는 일렉트릿 발전기에서 최대 79.2 mW m⁻² rps⁻¹의 직류 출력을 달성했습니다. 이러한 출력 수준은 신뢰성이 필수적이며 배선이 불가능한 가혹한 환경에서 센서를 구동하는 데 있어 이 장치들을 강력한 후보로 만듭니다.
광전지 및 하이브리드 시스템
투명하고 유연한 셀과 같은 태양광 기술의 발전 덕분에, 빛 에너지 수확은 여전히 지배적이며 하이브리드 시스템에 점점 더 통합되고 있습니다. EnOcean의 배터리 없는 센서는 예를 들어, 태양광이나 움직임을 이용하여 무선 스위치와 환경 모니터링 시스템을 구동합니다.
여러 에너지 소스를 결합한 이러한 하이브리드 시스템은 노스이스턴 대학의 잎사귀에서 영감을 받은 장치가 비와 바람에서 에너지를 캡처하는 것과 같이 점점 더 주목받고 있습니다. 태양, 바람, 움직임과 같은 소스를 혼합함으로써, 하이브리드 수확기는 건강 모니터, 인프라 센서 및 기타 원격 장치에 필수적인 전력 공백의 위험을 줄입니다.
시장 동향 및 성장 동력
산업 추정에 따르면 전 세계 에너지 하베스팅 시스템 시장은 연평균 성장률(CAGR)이 9%에서 11%에 이르며, 2030년까지 25억 달러를 초과할 것으로 예상된다. 이러한 성장을 주도하는 주요 요인은 다음과 같다:
- IoT 확산:스마트 도시, 헬스케어 및 산업 자동화에서 무선 센서 네트워크는 배터리 폐기물을 줄이기 위해 지속 가능한 전원 공급원이 필요하다.
- 정부 인센티브:특히 북미에서 녹색 에너지 채택을 촉진하는 정책 프레임워크가 시장 확장을 촉진하고 있다.
- 기술의 소형화:저전력 전자 및 에너지 저장 시스템의 진보는 점점 더 컴팩트하고 효율적인 장치의 창출을 촉진한다.
응용 및 구현
스마트 인프라 및 IoT
스마트 인프라는 이미 주변 에너지를 활용하여 조명, HVAC 및 교통 시스템을 구동하고 있다. 운동 및 태양 에너지 구성 요소는 배터리 없이 조명과 HVAC를 제어하며, 고급 IC가 탑재된 LoRaWAN® 지원 장치는 최소한의 인프라로 장거리 통신 네트워크를 유지한다. 이러한 응용은 환경 에너지가 도시 풍경 전반에 걸쳐 자율적인 모니터링 및 제어를 구동할 수 있음을 보여준다.
의료 및 웨어러블 기술
에너지 하베스팅은 생명 징후를 모니터링하는 의료 기기가 재충전 없이 지속적으로 작동할 수 있게 합니다. 예를 들어, 착용 가능한 글루코스 모니터와 심박수 추적기는 이제 몸의 열을 이용해 자체적으로 전력을 공급하며, 환자들이 자주 충전하거나 배터리를 교체할 필요가 없게 해줍니다.
산업 자동화
진동이나 열 센서가 유선 연결 없이 장비의 이상을 감지할 수 있는 제조 환경은 에너지 하베스팅에 독특한 기회를 제공합니다. EMU 강화된 정전기 발전기는 특히 가혹한 산업 환경에서 효과적이며, 예측 유지보수를 위한 분산 센서 네트워크에 전력을 공급합니다.
채택의 도전과 미래 방향
지난 몇 년 동안 상당한 진전에도 불구하고, 에너지 하베스팅 기술은 오늘날 구현과 관련하여 여러 도전에 직면해 있습니다:
- 초기 통합 복잡성:특수 부품과 맞춤형 요구 사항이 구현 비용을 증가시킵니다.
- 에너지 간헐성:태양이나 진동과 같은 주변 에너지 원은 자연스럽게 변동하며, 고급 저장 시스템과 지능형 전력 관리가 필요합니다.
- 재료의 한계:유연한 태양 전지와 압전 폴리머와 같은 재료가 계속 발전하고 있지만, 하이브리드 시스템의 대량 생산은 여전히 초기 단계에 있습니다.
2025년에서 2030년 사이에, 여러 중요한 발전이 이 기술의 진화를 이러한 주요 영역에서 형성할 것입니다:
- AI 주도 에너지 조정:심층 AI 통합은 동적 전력 최적화, 예측 분석 및 자가 치유 시스템을 가능하게 하여 효율성을 극대화할 것입니다.
- 첨단 나노물질:트라이보전기 나노발전기와 자가 복원 코팅의 돌파구는 변환 효율을 크게 향상시킬 것입니다.
- 하이브리드 다중 소스 시스템:태양광, 열 및 진동 수확을 결합한 장치가 표준이 될 것이며, 단일 소스 접근 방식의 한계를 완화할 것입니다.
- IoT를 넘어서의 확장:에너지 수확은 간판, 소비자 전자제품 및 교통 인프라 요소를 포함한 더 큰 시스템을 점점 더 전원을 공급할 것입니다.
내일을 위한 오늘의 계획
일회용 배터리에서 자가 지속 가능한 에너지 시스템으로의 전환은 이번 십년의 가장 의미 있는 전자 설계 변화 중 하나를 대표합니다. CES 2025에서 보여진 바와 같이, 실용적인 구현은 이제 실제 응용 프로그램에 충분한 전력을 제공합니다. 향후 5년 동안, AI, 하이브리드 수확 및 구성 요소 설계의 지속적인 발전은 시장을 진정으로 자율적이고 환경적으로 책임 있는 시스템으로 밀어붙일 것입니다.
전자 엔지니어는 기본 전력 아키텍처 가정을 재고하고 초저전력 회로, 에너지 저장 통합 및 다중 소스 수확 기술에 대한 전문 지식을 개발함으로써 이 미래를 준비해야 합니다. 주변 에너지 가용성과 동적 전력 요구 사이의 상호 작용을 마스터한 엔지니어는 에너지 자율성이 전자 시스템에서 특수 기능이 아닌 기본 기대로 자리 잡으면서 크게 수요가 있을 것입니다.
