[비즈월드] #. 본 발명은 무선 마그네틱 센서에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 새로운 형태의 신재생 에너지인, 에너지 하베스팅 기술을 이용한 디바이스로 전자기 유도 방식을 통해 에너지를 획득해 자가 생존이 가능하며 다른 디바이스 간의 통신을 효과적으로 수행할 수 있는 혁신적 에너지 자립형 IoT 디바이스로 예를 들면, IoT 기반 에너지 자립형 무선 마그네틱 센서를 제공하는데 있다.

이를 위해 본 발명은 이동 가능한 제1자성체를 포함하는 액튜에이터; 상기 액튜에이터에 결합되어 상기 제1자성체로부터 전력을 생산하는 에너지 하베스팅부; 상기 액튜에이터의 제1자성체의 위치를 센싱하는 센서부; 및 상기 에너지 하베스팅부로부터 전력을 공급받아 상기 센서부로부터 획득한 센싱 신호를 출력하는 송신 통신부를 포함하는 IoT 기반 에너지 자립형 무선 마그네틱 센서를 개시한다.

㈜썬에이치에스티가 2018년 3월 7일 출원(출원번호 제1020180026980호)해 2018년 8월 21일 등록(등록번호 제101892220호)을 받은 'IoT 기반 에너지 자립형 무선 마그네틱 센서'의 특허 요약문입니다.

옷이나 신발 등에 부착하는 센서 등 웨어러블 기기는 내부에 리튬이온 전지 등 소형 건전지가 탑재돼 기기를 작동시킵니다. 스마트팜이나 스마트공장 등에 실용화된 사물인터넷(IoT)도 마찬가지입니다.

여기에 사용되는 건전지는 전력 소모가 워낙 적어 자주 교체하지는 않지만 사람이 주기적으로 교체해야 하는 방식은 동일합니다. 원 거리에서 관리하는 경우 교체시기를 놓치면 곤란한 일이 발생합니다. 전원이 끊기면 전체 시스템의 작동이 멈추기 때문입니다. 때로는 심각한 사고로 이어질 수도 있습니다.

조만간 건전지를 사람이 교체해야 하는 불편함이 사라질 것으로 보입니다. ‘에너지 하베스팅(energy harvesting)’ 기술이 급속도로 발전하고 있기 때문입니다. 하베스팅은 영문으로 ‘수확’한다는 의미입니다. 즉 생활 속에서 방치되고 있는 각종 에너지를 수집해 전기로 변환한 후 이를 사용한다는 것입니다.

전기를 만들어내는 방식은 다양합니다. 대체로 6가지로 요약되는데 열, 진동, 압력, 자기장, 마찰(정전기), 화학작용 등입니다. 열은 태양열 발전을 생각하면 쉽게 이해됩니다. 빛 파장에서 발생하는 열 에너지를 전기로 번환하는 것입니다. 지열발전도 한 예가 됩니다.

진동이 발생하면 전자의 움직임이 활발해지고 이를 이용해 전기를 축적하기도 합니다. 진동으로 인해 발생하는 지진은 막대한 에너지를 발생시킵니다. 압력의 경우 세라믹 등에 압력을 가할 때 전기가 발생하는 원리를 이용합니다. 마찰은 초등학교 시절부터 실험해 우리에게 익숙합니다. 머리에 책받침을 비비고 떼면 머리카락이 하늘로 솟습니다. 정전기가 발생하는 것입니다.

이들 모두가 생활 속에서 움직이는 에너지들입니다. 이 에너지를 전기로 바꾸어 축적하고 이를 활용하는 기술이 개발되면 전력 소모가 적은 전자부품이나 기기들은 건전지가 필요 없게 됩니다.

특히 환경 부담을 갖지 않는다는 점에서 더욱 주목을 받고 있습니다. 또 사물 인터넷 시대에 맞춰 무선 통신 및 센서기술과 저전력 설계의 발전으로 극저전력 시스템의 집적화가 가능해져 신에너지와 재생에너지를 이용한 연구의 범위가 넓어지고 있습니다.

특허청에 따르면 지난 2008년부터 2017년까지 10년 동안 에너지 하베스팅에 관한 특허는 총 1370건이 출원됐습니다. 세부적으로는 압력을 활용한 방식이 508건으로 가장 많았고 진동이 356건이었습니다. 뒤이어 ▲정전기 247건 ▲열 148건 ▲자기장 110건 등으로 조사됐습니다.

특히 지난 2008년 전체의 2.7% 비중으로 출원이 미미했던 정전기와 4%였던 자기장 하베스팅 분야가 10년 만인 지난해 기준 정전기 비중은 41%로, 자기장 비중은 15%로 대폭 성장했습니다.

정전기와 자기장은 마찰이 많이 발생하는 경우에 잘 발생하기 때문에 웨어러블 기기에 특히 유리합니다. 웨어러블 기기의 대중화에 따라 의류나 신체에 부착되어 정전기를 쉽게 발생시킬 수 있습니다. 또 전기로 바꾸어 충전하는 장치도 간단하게 구현할 수 있습니다. 이 부문의 특허 출원이 활발한 주 요인으로 분석됩니다.

특허 출원은 주로 연구기관이 주도한 것으로 나타났습니다. 같은 기간 동안 대학과 연구소의 특허 출원이 40%에 달했습니다. 기업도 42.5%로 높았습니다만 기업의 비중은 해가 갈수록 줄어드는 경향을 보였습니다. 즉 지난해의 경우 대학이 42%의 비중이었지만 기업은 14%에 머물렀습니다. 기업과 연구소가 절대 비중을 차지하고 있습니다.

이는 기업들이 태양광, 풍력 등 대규모 플랜트에 집중하고 있는 현재의 상황을 반영합니다. 결국 소전력을 수확하는 에너지 하베스팅 분야는 대학의 영역으로 좁혀지고 있습니다.

이는 다소 실망스러운 모습입니다. 이익을 따라 사업을 영위하는 것이 기업의 생리이기는 하지만 4차 산업혁명 시대에는 극소전력의 수집이 사물인터넷이나 5G의 대중화 및 산업 혁신에 절대적인 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.

이 부분에 대한 연구개발(R&D)을 게을리 한다면 바탕 또는 기초를 무시하는 것과 다름없습니다. 스카치 테이프와 포스트잇 등 몇 개의 상품으로 세계를 호령한 3M은 생활 속에서의 변혁을 찾아내 성공한 대표적인 기업입니다.

특허청 전력기술심사과 관계자도 “에너지 하베스팅은 웨어러블 기기 등에 전원으로 사용되다가 점차 4차 산업혁명의 기반이 된 사물인터넷의 전원으로 더욱 각광받을 것”이라고 전망했습니다.

과기정통부에 따르면 오는 2020년까지 사물인터넷과 관련된 기기 300억 개가 인터넷에 접속돼 실생활에서 사용될 것으로 전망됩니다. 앞으로 배터리가 없이도 전원을 공급받을 수 있는 에너지 하베스팅이 곳곳에 흩어져 사물인터넷을 움직일 것으로 보입니다.

대학이나 연구소는 물론 관련 분야의 기업들이 협력해 기술을 개발하고 지식재산권을 확보해 실생활에서의 4차 산업혁명에 대비해야 할 시점입니다.