“버려진 열·빛·진동, 전기로 되살리다”—에너지 하베스팅이 여는 무전원 센서 시대

[한국정보기술신문] 에너지 하베스팅(energy harvesting)은 자연·산업 현장에서 버려지는 열·빛·진동·전파 같은 미세한 에너지를 모아 전기로 바꾸는 기술을 말한다. 개념은 1954년 벨연구소 태양전지 연구에서 처음 소개됐고, 지금은 풍력·파력 같은 재생에너지도 하베스팅 범주에 포함된다.

원리는 간단하다. 에너지원을 가만히 두면 사라질 ‘낭비’를 소형 발전장치가 잡아내 전하(電荷)의 흐름으로 바꾼다. 덕분에 배터리 교체가 어려운 센서나 웨어러블 기기가 자급자족 전원을 갖출 수 있다.

태양광·풍력처럼 거대한 설비를 떠올릴 필요는 없다. 손톱만 한 열전(TEG) 칩, 동전 크기 진동 수확기, 센티미터급 RF 안테나 모두가 ‘마이크로 하베스터’로 활약한다.

에너지 하베스팅이 각광받는 배경에는 두 가지가 있다. 하나는 IoT 확산으로 센서 노드 수가 기하급수적으로 늘었다는 점, 다른 하나는 전지 폐기·교체 비용과 탄소 발자국을 줄여야 한다는 압박이다.

전문가들은 “전기 콘센트가 닿지 않는 곳에 전원을 심는 가장 현실적 해법”이라며 하베스팅을 ‘소전력 시대의 파워 인프라’로 부른다.

배터리 없는 IoT의 부상

ABI리서치는 2030년 ‘앰비언트 IoT(주변 에너지 기반 IoT)’ 디바이스 출하량이 11억 개에 이를 것이라 전망했다. 이 가운데 57 %는 광(光) 하베스팅, 36 %는 RF 수확, 7 %는 진동·열전 기반이 될 것으로 보인다.

같은 보고서는 “배터리 교체 인건비가 제품가를 앞지르는 순간 하베스팅이 시장의 기본값이 된다”고 지적했다.

산업 현장도 움직인다. Plant Engineering은 “배터리 없는 열전 센서가 설비 진동·온도를 24 시간 모니터링해 예지정비 정확도를 높였다”고 소개했다.

ESG 압박도 무시 못한다. 네트 제로(Net Zero) 목표를 세운 제조사는 폐전지 처리와 CO₂ 발생을 동시에 줄일 솔루션으로 하베스팅을 선택하고 있다.

스마트팩토리 구축 기업들은 “센서를 구석구석 더 달고 싶지만 배선·배터리 유지비가 장벽”이라고 토로해 왔다. 하베스팅은 이 난제를 ‘배선 없는 전원’으로 풀어낸다.

수확 기술 ① 빛과 전파—앰비언트 IoT의 동력

빛 에너지 하베스팅은 미니 태양전지를 센서 기판에 얹어 주변 조도만으로 mW(밀리와트)급 전력을 뽑는다. 2030년쯤 전체 앰비언트 IoT 가운데 5억 7600만 개가 이 방식을 쓸 전망이다.

스웨덴 엑세거(Exeger)는 실내광 효율이 높은 ‘파워포일’를 노트북·헤드폰에 적용해 “충전선이 사라진다”는 시장 메시지를 던졌다.

RF 하베스팅은 TV·5G 기지국·와이파이 신호에 실린 전파를 다이오드 정류기로 모아 직류 전원으로 바꾼다. 2030년 기준 앰비언트 IoT의 36 %가 이 방식을 도입할 것으로 예측된다.

파워캐스트·오시아 같은 스타트업은 ‘수 미터 무선충전’을 표방하며 RF 하베스터-송신기 세트를 상용화했다.

RF 방식은 전파 세기가 약해 마이크로와트 영역에서만 동작하지만, 극저전력 BLE·UWB 칩과 결합하면 실내 자산추적 태그를 무전원화할 수 있다.

업계 관계자는 “RF·광 하베스팅을 하이브리드로 묶으면 밤낮·실내외 전원 공백을 최소화할 수 있다”고 말했다.

수확 기술 ② 진동—기계가 떨 때 전기가 흐른다

크레덴스리서치에 따르면 진동 에너지 하베스팅 시장 규모는 2024년 5억 2900만 달러에서 2032년 11억 4200만 달러로 연평균 10.1 % 성장할 전망이다.

진동 하베스터는 피에조(압전)·자기유도·정전 방식으로 나뉜다. 공통점은 기계·차량·교량의 떨림을 전압으로 변환한다는 사실이다.

산업 자동화가 확산되자 “배터리를 갈 수 없는 곳에 자가발전 센서를 박는다”는 수요가 늘고 있다.

북미가 최대 시장(점유율 1위)인 이유는 공장 로봇·CNC 등 고진동 설비가 많고, IoT 투자도 활발하기 때문이다.

유럽은 자동차·항공이, 아시아는 제조업 급성장이 진동 하베스팅 수요를 이끈다. 보고서는 “APAC이 가장 빠른 성장률을 기록할 것”이라 밝혔다.

소재·마이크로전자 진보로 변환 효율이 30 %까지 올라가면서 과거 ‘실험실 기술’이던 진동 하베스팅이 상업화 궤도에 진입했다. credenceresearch.com

예지정비를 바꾸는 ‘무전원 센서’

Plant Engineering은 열전 하베스터가 배관·모터 표면 온도차를 전기로 바꿔 센서를 365일 구동, 예지정비 정확도를 끌어올렸다고 보도했다.

배터리 의존도가 사라지면 센서를 더 깊은 곳·높은 곳·위험 구역까지 확장할 수 있다. 이는 데이터 범위가 넓어지고 AI 분석 정확도가 높아진다는 뜻이다.

현장 엔지니어가 꼽는 최대 장점은 유지보수 비용 절감이다. 배터리 교체 인력·폐기물 처리 예산이 줄어 ESG 점수도 오른다.

터빈·보일러처럼 고열 장비는 ‘버려지는 열’을 그대로 발전원으로 쓰기 때문에 열전 하베스터 효율이 가장 높다.

진동 하베스터는 생산 라인의 미세 진동 변화를 전력·데이터 두 마리 토끼로 바꾸어, 고장 예측 신호를 배터리 없이 수집한다.

전문가들은 “에너지 하베스팅이 센서 네트워크 밀도를 획기적으로 높여 스마트팩토리 완성도를 끌어올린다”고 강조한다.

투자·연합·표준의 삼각 구도

2025년 4월 결성된 ‘앰비언트 IoT 얼라이언스’에는 퀄컴·인텔·오시아 등 30여 개사가 참여, 하베스팅 전원 규격·보안 표준을 논의 중이다.

얼라이언스 관계자는 “2027년까지 RF 전력 전송 거리 10 m, 실내광 효율 15 % 개선”이라는 공동 로드맵을 공개했다.

투자도 늘고 있다. 하베스팅 스타트업에 대한 VC 투자액은 2023년 대비 2024년 42 % 증가했다는 ABI 통계를 RCR Wireless가 전했다.

기업들은 하베스터·저전력 칩·배터리 보조회로를 묶은 ‘SoP(System on Package)’ 형태로 시장을 공략한다. 이는 조립 공정을 줄이고 납품 단가를 낮추는 효과가 있다.

정부 차원에서도 움직임이 있다. 유럽연합은 2024년 ‘배터리 규제’ 개정안에 “무전원 IoT 권고” 항목을 넣어 하베스팅 시장을 우회적으로 지원 중이다.

분석가들은 “표준·투자·정책 삼박자가 맞아떨어지면서 2030년 이후 하베스팅이 ‘센서 전원의 기본 옵션’이 될 것”이라 전망한다.

효율·저가·보안이 숙제

하베스팅은 mW급 출력이 한계라 고전력 기기를 돌릴 수 없다. 따라서 ‘극저전력 설계’가 병행되어야 하며, 이 과정에서 SoC·통신 프로토콜의 혁신이 필요하다.

실외 광·진동 조건이 변동하면 출력이 불안정해진다. 적응형 전력관리 IC가 필수인데, 이는 하드웨어 비용을 높이는 요인이다.

RF 하베스팅은 주파수 대역·송신 전력 규제로 글로벌 규격 차이가 크다. 국제 표준화를 통과해야 글로벌 IoT 모듈 상용화가 가능하다.

보안도 새 과제다. 배터리 없는 센서는 전력 절감을 위해 암호연산을 축소하는 경향이 있어, 경량 암호·하드웨어 키 스토어 채택이 요구된다.

그럼에도 기술·시장 지표는 긍정적이다. 진동 하베스팅 CAGR 10.1 %, 앰비언트 IoT 11억 대 전망 등 숫자는 ‘성장 궤도’를 가리킨다.

업계는 “광·RF·진동·열을 조합한 하이브리드 하베스터와 AI 기반 전력관리 칩이 2027년쯤 상용화될 것”이라 낙관한다.

버려지는 에너지의 가치, 이제는 숫자로 증명

한때 ‘엉뚱한 상상’으로 여겨졌던 에너지 하베스팅은 IoT·ESG 시대를 맞아 필요 기술로 자리 잡았다.

센서 전원 문제를 해결하려는 산업계, 배터리 폐기물을 줄여야 하는 사회, 그리고 전력망 확충에 부담을 느끼는 정부가 이해관계를 공유한다.

태양·열·진동·RF라는 네 가지 ‘작은 발전소’가 공장·도시·환경에 뿌려지면, 전력 선 하나 없는 초저전력 네트워크가 현실이 된다.

기술적 숙제를 풀기 위한 연합·표준·투자가 이미 가동 중이며, 2030년 ‘배터리 없는 IoT 11억 대’라는 목표도 구체적 숫자로 제시됐다.

결국 에너지 하베스팅은 ‘낭비를 자산으로 바꾸는’ 패러다임 전환이다. 버려지는 에너지를 수확해 환경 부담을 덜고, 디지털 전환의 전원 문제를 동시에 해결한다.

남은 과제는 효율·보안을 높여 하베스팅을 모든 센서의 기본 사양으로 만드는 일이다. 그 과정에서 산업과 환경을 동시에 살리는 “전기의 재활용 문화”가 정착할지 주목된다.

한국정보기술신문 학제간융합분과 이현서 기자 news@kitpa.org