절약과 재생 에너지의 시대,에너지 하베스팅 반도체!

▶에너지 하베스팅 반도체의 개념:

에너지 하베스팅 반도체는 환경에서 자연적으로 발생하는 에너지를 수집하고 전기 에너지로 변환하는 기술을 사용한 반도체 소자입니다. 이 기술은 태양광, 열, 진동, 전자기파 등의 다양한 에너지원에서 미세한 에너지를 모아 전력을 생성하는 것을 목표로 합니다. 에너지 하베스팅 반도체는 주로 자가 구동 시스템이나 배터리 교체가 어려운 소형 전자 기기에서 활용되며, IoT(사물인터넷), 웨어러블 기기, 무선 센서 네트워크에서 자주 사용됩니다. 기존의 에너지 공급 방식과는 다르게 외부 전력원 없이도 기기를 구동할 수 있어 에너지 효율성과 지속 가능성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다.

하베스팅 반도체 형상화 이미지 from. pixabay

 

▶에너지 하베스팅 반도체의 개발 현황:

최근 몇 년간 에너지 하베스팅 반도체 기술에 대한 연구는 크게 발전해 왔습니다. 특히 나노기술과 재료 과학의 발전으로 인해 소형화 및 고효율화된 에너지 하베스팅 소자가 개발되고 있습니다. 최신 연구 논문에 따르면, 나노와이어, 2차원 물질, 복합 재료 등의 기술을 활용한 소자들이 큰 주목을 받고 있으며, 고온 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 새로운 열전 소재들이 개발되고 있습니다. 또한, PZT(lead zirconate titanate) 같은 압전 재료를 활용한 진동 에너지 하베스팅 소자나, 그래핀과 같은 2D 물질을 활용한 태양광 에너지 하베스팅 기술도 주목받고 있습니다.

특히 IBM, Qualcomm, STMicroelectronics와 같은 반도체 기업들은 다양한 에너지 하베스팅 설루션을 설루션을 개발하고 있으며, 이들은 주로 사물인터넷 기기, 의료 기기, 스마트 센서와 같은 시장에 집중하고 있습니다. 최근 IBM은 ‘Green Horizon’ 프로젝트의 일환으로 스마트 그리드 시스템을 위한 에너지 하베스팅 반도체를 연구하고 있으며, Qualcomm은 초저전력 블루투스 디바이스와 결합된 에너지 하베스팅 반도체 설루션을 개발 중입니다. STMicroelectronics는 다양한 환경 에너지원으로부터 에너지를 추출하는 멀티소스 에너지 하베스팅 칩을 선보였으며, 이러한 기술은 소형 IoT 기기와 웨어러블 기기에서 주로 사용됩니다.

https://go.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20231019500152

아주대 공동 연구팀, 세계 최고 수준의 유기 열전 에너지 변환 기술 개발

국내 열전소자 개발뉴스 from.서울신문

 

▶에너지 하베스팅 반도체의 응용 분야:

에너지 하베스팅 반도체는 다양한 산업 분야에서 응용 가능성이 큽니다. 주요 응용 분야로는 사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기, 무선 센서 네트워크(WSN), 스마트 농업, 의료 기기, 그리고 인프라 모니터링 시스템이 있습니다.

사물인터넷(IoT): 에너지 하베스팅 반도체는 IoT 기기에서 중요한 역할을 합니다. 특히, IoT 기기들은 소형화되고 에너지 소비가 적어야 하며, 배터리 수명이 길어야 하기 때문에 에너지 하베스팅 기술은 이를 위한 최적의 설루션입니다. IoT 센서가 태양광이나 진동으로부터 에너지를 수집해 데이터를 수집하고 전송하는 데 사용될 수 있습니다.

웨어러블 기기: 스마트 워치, 헬스케어 모니터링 기기와 같은 웨어러블 기기들은 배터리 교체가 번거롭기 때문에 에너지 하베스팅 기술을 통해 자체적으로 전력을 생산할 수 있습니다. 특히, 사용자의 신체 운동이나 체온을 에너지원으로 활용하는 방법이 연구되고 있습니다.

무선 센서 네트워크(WSN): 에너지 하베스팅 반도체는 WSN에서 센서들이 배터리 없이도 장기간 작동할 수 있도록 해줍니다. 예를 들어, 대규모 모니터링 시스템에서는 배터리 교체가 힘든 위치에 설치된 센서들이 에너지 하베스팅을 통해 자체적으로 구동될 수 있습니다.

스마트 농업: 농업 분야에서도 센서 네트워크를 통해 환경 데이터를 모니터링하고, 이를 통해 작물 생산성을 높이는 데 에너지 하베스팅 반도체가 활용됩니다. 태양광이나 풍력 에너지를 이용해 농작물의 상태를 감지하고, 스마트 농업 시스템과 연결하여 데이터를 분석할 수 있습니다.

의료 기기: 체내에 삽입되는 소형 의료 기기나, 체외에서 사용하는 웨어러블 의료 기기들도 에너지 하베스팅 반도체를 이용해 배터리 교체 없이 장기간 사용할 수 있습니다. 이러한 기술은 심박수 모니터링, 혈당 측정기 등에서 적용될 수 있습니다.

인프라 모니터링 시스템: 다리, 건물, 도로와 같은 주요 인프라의 상태를 모니터링하는 시스템에서도 에너지 하베스팅 기술이 중요합니다. 진동이나 태양광을 통해 에너지를 수집하여 무선 센서를 지속적으로 운영함으로써 인프라의 손상 여부를 실시간으로 확인할 수 있습니다.

▶에너지 하베스팅 반도체의 향후 시장 예측:

에너지 하베스팅 반도체 시장은 IoT와 웨어러블 기기 시장의 성장과 함께 급속도로 확대될 것으로 전망됩니다. 여러 시장 조사 보고서에 따르면, 2025년까지 에너지 하베스팅 반도체 시장은 연평균 10% 이상의 성장을 기록할 것으로 예상되며, 특히 북미와 유럽 지역에서 높은 수요가 있을 것으로 보입니다. 또한, 저전력 기술에 대한 요구가 증가함에 따라 에너지 하베스팅 설루션의 필요성도 더욱 커질 것입니다.

IoT 기기의 보급률이 증가함에 따라 배터리 수명을 연장하거나 배터리 없이 운영할 수 있는 기기의 필요성도 증가하고 있습니다. 특히 스마트 시티, 스마트 홈, 스마트 팩토리 등 다양한 스마트 기술들이 도입되면서 에너지 하베스팅 반도체는 필수적인 기술로 자리 잡을 것입니다. 또한, 향후 6G 네트워크 기술이 보편화되면 초저전력 디바이스에 대한 수요가 급증할 것으로 예상되며, 이에 따른 에너지 하베스팅 기술의 발전도 기대됩니다.

결론적으로 에너지 하베스팅 반도체는 차세대 저전력 기술의 핵심 요소로서, 반도체 산업의 중요한 축을 차지할 것이며, 다양한 산업 분야에서 그 응용 가능성이 점차 확대될 것입니다. 최신 연구와 기업들의 개발 동향을 주시하며, 이 분야에서의 기술적 발전은 에너지 효율성과 지속 가능성을 동시에 만족시킬 수 있는 중요한 돌파구로 작용할 것입니다.

참조:반도체 넥스트 시나리오.

저자:권순용.

출판사:위즈덤하우스.