IT 기획시리즈 – IT 에너지 ④

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유비쿼터스 에너지(Ubiquitous Energy)

1. 기술의 개요

유비쿼터스 에너지(Ubiquitous Energy: u-Energy)란 IT 분야에서 요구되는 새로운 형태의

에너지를 말한다[1]. 현재 정보통신 연구분야에서 개발중인 내용들을 살펴보면 주로 유비쿼터스

사회에서 필요로 하는 서비스나 통신 네트워크들에 대한 것이다. 그러나 아직까지 유비쿼터스

사회에서 요구되는 에너지 공급형태에 대해서는 개념을 정의하거나 필요한 기술들에 대한 의견

은 없었던 것 같다. 본 고에서는 유비쿼터스 사회에서 실현될 서비스나 통신 네트워크의 전원공

급 체계를 예상해 보고 이에 대한 요소 기술들을 살펴보기로 하겠다.

(그림 1)과 같이 화석연료의 고갈이나 환경문제의 심각성 등과 같은 에너지 환경문제로 인하

IT 기획시리즈 IT 에너지 ④

1. 기술의 개요

2. u-에너지의 요소기술

3. u-에너지의 응용 예

4. 결론

박래만

한국전자통신연구원 IT융합부품연구소

nmpark@etri.re.kr

성희경, 전용일, 이유경

한국전자통신연구원 IT융합부품연구소

(그림 1) u-에너지의 필요성

* 본 컬럼은 한국전자통신연구원에서 작성한 내용입니다. 본 내용과 관련된 사항은 한국전자통신연구원 박래만 선임연구

원(☎ 042-860-5987)에게 문의하시기 바랍니다.

**본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITA의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.

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여 신재생 친환경 에너지가 급부상하고 있다. 이와 마찬가지로 유비쿼터스 사회의 도래와 같은

IT 환경의 변화는 새로운 IT 적응형 에너지인 이른바 u-에너지를 필요로 하게 되었다. 유비쿼

터스 사회에서는 개인이 개인용 정보기기에 대한 의존성이 증가하기 때문에 이를 지원하는 u-

에너지는 언제, 어디서나, 누구가 쉽게 전력을 공급받을 수 있는 형태가 되어야 한다는 특징을

지닌다. 이러한 요구를 만족시키기 위해서는 고밀도, 고효율이면서도 작고 휴대하기 편하며, 안

전하고 친환경적인 전력원이어야만 한다. 또한, 전력 전달에 있어서 편의성과 효용성을 높이기

위해서는 무선전송의 특성도 지녀야 한다.

2. u-에너지의 요소기술

u-에너지의 특징이 될 수 있는 개인화(personality), 소형 휴대화(compact portability), 착용

화(wearability)를 만족하기 위해 필요한 세부적인 요소 기술들을 살펴보면 크게 에너지 생산,

저장, 전송의 세 가지로 분류된다. 이 기술 분야에 해당하는 세부 기술들은 (그림 2)에 예시되어

있다.

에너지 생산기술로는 열에너지를 전기에너지로, 빛 에너지를 전기에너지로, 기계적 에너지를

전기에너지로 바꾸는 기술과 화학변화를 전기에너지로 바꾸는 기술 등이 있다. 이에 대한 예시

기술로서 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 기술로는 태양열 발전 및 인체의 열과 같은 미세한

열을 이용한 발전 등이 이에 해당한다. 빛 에너지를 전기에너지로 바꾸는 기술로는 태양광 발전

(그림 2) u-에너지의 요소 기술들에 대한 예시

무선 전력전송

- 전자기 유도

- AC 자기 유도

- RF 전송

화학변환 에너지

- 연료전지

- 배터리

- 캐패시터

- 수소저장

- 인체 내 소형 전력발전

기계적 에너지

- 압전 효과

열 에너지

- 태양열 발전

광 에너지

- 태양광 발전

- 광-충전 전지

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이 대표적인 예이다. 기계적 에너지를 전기에너지로 바꾸는 기술로는 압전효과를 이용하여 외부

에서의 압력변화를 전기로 바꾸는 기술 등이 이에 해당한다. 화학적 변환에 의한 발전기술로는

연료전지나 인체 내 대사작용을 이용하여 발전을 하는 기술 등이 있다.

에너지 저장기술로는 고효율 소형 수소저장이나 고효율 캐패시터, 대용량 소형 배터리 등이

있고, 광-충전 소자 및 압전-충전 소자 등은 에너지 생산기술과 에너지 저장기술을 접목한 융합

기술에 해당한다. 특히, 압전-충전 소자 등은 에너지 하베스트라는 이름으로 최근 많은 관심을

모으고 있다.

무선전력전송 기술은 이미 RF 전파를 이용하여 렉테나 등과 같은 기술로 상용화된 기술도

있지만 인체에 무해하며 전력을 효과적으로 전달하기 위한 새로운 기술들이 최근에 연구되고 있

다. u-에너지 기술의 관점에서 보면 무선전력 전송의 유효거리는 대략 20m 이내라고 생각된다.

그 이유는 우선 집안에서의 무선전송을 고려할 경우에 20m 정도가 실사용 거리로 예상되며, 공

공의 장소 및 거리에서 무선으로 전력을 송수신하는 것 또한 20m 범위 정도면 효과적일 것이라

판돤된다. 이보다 더 거리가 길어지게 되면 공공장소에서는 문제가 없지만 개인 가정집에서는

옆집이나 다른 사람이 개인 전력을 도용할 수 있는 요소가 발생하기 때문에 큰 유효거리는 전력

의 무료화와 같은 새로운 사회제도가 뒷바침되어야 할 것으로 예상된다.

u-에너지 기술은 위의 세 가지 큰 기술들이 잘 어우러질 때 효과적이며 새로운 유비쿼터스

서비스를 뒷바침할 수 있다.

3. u-에너지의 응용 예

가. 가정 및 자동차

이 장에서는 u-에너지를 이용한 응용 분야들을 살펴보기로 하겠다. 우선 가정이나 자동차

분야에 u-에너지 기술을 적용할 경우에 다음과 같은 응용 사례들을 생각할 수 있다. 가정에서는

필요한 모든 전력을 자체 생산하게 된다. 실내 인테리어와 연계하여 색깔을 가진 베란다 창유리

에 태양전지가 접목된 이른바 파워 창유리를 설치하여 낮에 실내 밝기를 조절할 수 있으면서 전

력 발전도 하게 된다.

산업화가 점차 확대되어 개인의 복지가 향상되고 원격진료와 같은 의료서비스가 시작되면

주거지와 근무지가 멀리 떨어지게 된다. (그림 4)과 같이 외딴 곳에 집을 마련하여 자연 속에서

휴식과 여가를 즐기는 가정들이 늘어날 것이다. 이런 경우에는 한전의 전력선을 개인 곳곳마다

설치하는 것은 비효율적이다. 따라서, 독립된 발전이 필요하게 되고 태양전지 같은 대체 에너지

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가 주요 발전원이 될 것이다. 유기물 기반의 태양전지를 이용할 경우에 월 400kWh의 전력생산

을 고려하면 약 200만 원대로 태양광 발전 시스템을 설치할 수 있게 된다.

이렇게 개인 가정에서 독립적인 발전을 통하여 축적된 전력은 주택 내에서 무선에 의해 모든

가정용 전자기기들이 전력을 공급받게 된다. 무선전력전송의 장점은 전력선이 불필요하게 되어

이로 인한 화재 등을 막을 수 있고, 무의식 중에 발생하는 누설 전력에 대한 에너지 낭비가 없다

는 것이다. 무엇보다도 선을 없앰으로써 전자기기 사용에 대한 편리성을 증대시키게 된다.

자동차는 요즘 대체 에너지 및 전기를 이용한 동력발생을 위해 많은 연구가 이루어지는 분야

(그림 3) 파워 창유리로 사용 가능한 염료 태양전지

(그림 4) 외딴 곳에 독립 발전시설을 갖춘 주거용 주택

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이다. u-에너지의 개념에 포함된 에너지 생산기술은 청정 자동차를 개발하는 데도 기여할 수 있

다. 태양광 자동차, 연료전지 자동차 등과 같은 대체연료 측면에서만 본다면 자동차 분야의 u-

에너지는 기존의 연구주제와 크게 다르지 않다. 그러나 자동차의 편의사양과 안전성이 진화하면

서 무선기술이 접목되고 있다. 따라서, 운행 중에 필요한 각종 정보들을 도로 중앙통제센터와 무

선 송수신하게 되고 필요한 경우에는 개인의 휴대기기와도 무선 송수신이 이루어져야 한다. 이

때 개인 휴대기기가 필요로 하는 전력 역시 자동차에서 무선으로 공급받을 수 있다.

나. 의료 서비스

u-에너지는 의료 서비스 분야에서 특히 유용한 기술이다. (그림 7)은 유비쿼터스 센서 네트

워크(USN)를 이용한 개인 의료 복지 향상에 대한 기술 개념도를 보여주고 있다.

(그림 7)은 각종 바이오센서 및 환경센서와 네트워크 기술을 이용하여 개인의 직접적인 건강

관리와 간접적인 주변환경 조정 등의 서비스를 수행하게 된다. 여기에서 보조기술로서 가장 핵

(그림 5) 무선전력전송을 이용한 가정용 전자기기의 사용 개념도

(그림 6) 무선 전력 송수신이 가능한 태양광 자동차

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심이 되는 것이 바로 전원에 관한 것이다. 즉, 모든 바이오센서나 환경센서의 전원 및 네트워크

관리를 위한 전력, 개인 휴대용 센서 전원 등이 이에 해당한다. u-에너지 기술은 이러한 문제에

대응하기 위해 제안된 기술로서 센서 내장형 전원장치 및 네트워크와 센서 간의 상호정보 교환

시 전력의 송수신이 함께 이루어지는 기술 등이 포함된다. 특히, 휴대용 센서의 전원은 배터리로

이용하기에는 위험요소가 너무 크다. 노약자 같은 분들은 배터리의 교체시가를 잘 알기가 어려

우며 교체하는 일도 어려울 수 있다. 또한, 부지 중에 배터리의 수명이 만료되어 센서가 작동하

지 못하는 경우에 있어서 (그림 7)과 같은 서비스는 치명적인 손상을 입게 된다. 따라서, 센서

내장형 자가 발전식 전원장치나 내장형 무선 전력 송수신 장치는 매우 중요한 요소기술이 된다.

아직까지 이에 대한 관심이 적지만 앞으로 많은 연구와 개발이 이루어져야 할 분야로 판단된다.

다. 모바일 IT기기

u-에너지 기술이 아주 유용하게 사용될 수 있는 세 번째 분야는 모바일 개인 휴대기기 및

제품일체형 광고판 분야이다. 우선 개인 휴대기기에 대해서는 (그림 8)에 예시되어 있다.

(그림 8)을 살펴보면 개인이 휴대하고 다니는 모든 IT 기기들이 독자적으로 배터리 같은 전

원장치가 내장되어 있는 것이 아니라 한 곳에서 전원을 생산하고 이를 무선으로 휴대기기에 공

급하는 시스템으로 되어 있다. 이러한 전원장치는 소형이면서도 고효율의 전력생산이 가능해야

하고 또한 무선 전력송신 장치와 접목된 형태이다. 이 경우에 각 IT 기기들은 무선 전력 수신장

치만 내장되어 있으면 된다. 따라서, 각각의 기기들이 가져야 하는 배터리 무게가 하나로 줄어들

(그림 7) USN 기술을 이용한 의료 서비스 개념도

Sensor tag

NA

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게 되어 휴대성이 더욱 용이하게 되고 기존의 배터리 문제에서 야기되던 전력소모에 대한 부담

이나 환경문제가 줄어들어 소형의 다기능 IT 기기 개발을 촉진하게 될 것이다.

(그림 9)는 제품과 일체형으로 된 광고판 및 제품의 유통을 관리하기 위한 RFID 칩, 제품의

상태를 파악하고 정보를 수집하기 위한 센서 등이 제품과 하나로 접목된 상품을 보여주고 있다.

이 경우에 있어서 각 장치들이 필요로 하는 전력을 생산하고 공급하는 전원장치 또한 제품 일체

형으로 제작되는 것이 보다 효과적일 것이다. u-에너지 기술은 이러한 부분에도 사용이 가능하

다. 즉, 유기물로 제작된 광고판과 RFID 기술은 현재 연구되고 있으며 센서에 대한 개발도 융합

(그림 8) 개인 휴대기기용 무선 전원장치

Ubiquitousterminal

Wireless power source

(그림 9) 제품 일체형 광고판과 RFID 용 전원장치

RFID

Power supply

Sensor pack Display

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기술로서 중요한 부분을 차지하고 있다. 그러나, 각각의 장치들이 제품 일체형으로 응용될 경우

에는 전원에 대한 문제가 심각해진다. 경제적인 측면이나 장치 운용의 효율성, 배터리가 제품포

장제와 함께 버려질 때의 환경문제 등을 고려하면 단일화된 전원생산 장치와 공급장치는 필수적

인 요소이다. 이 경우에 있어 전원생산 장치는 고효율의 유기물 기반 태양전지 등을 사용할 수

있고 필요한 경우에는 유기물 기반의 무선전력 송수신 장치를 사용할 수 있다. 유기물 기반의

소자는 기존의 제품과 일체형으로 만들기 쉽다는 장점이 있기 때문에 응용 가능성이 높다.

라. 로봇분야

u-에너지 기술의 주요 응용분야 중에 하나는 로봇기술이다. 산업이 발전하고 인간의 복지에

대한 관심이 증가하면서 로봇에 대한 관심도 비례하여 증가하고 있다. 그 이유는 개인의 생명을

위협할 수 있는 작업환경이나 전투 작전에 로봇에 대한 활용도가 높아지기 때문이다. 또한, 의료

용 로봇에 대한 필요성이 확산되어 가고 있다. 의료용 로봇 중에는 생체 내에 들어가 검진 및 시

술을 하는 초소형 나노로봇에 대한 연구가 전세계적으로 진행되고 있는데 이러한 로봇분야에서

도 전원에 대한 문제는 존재한다. 결국 얼마나 오랫동안 전원을 공급할 수 있느냐가 로봇의 작

업시간을 의미하기 때문이다. 더욱이 로봇의 크기가 줄어들수록 전원장치에 대한 부피문제는 심

각해진다. 이 경우에 있어서 무선전원 공급장치가 해결책을 제시할 수 있다. 외부에 전원장치가

있고 생체 내에서 동작하고 있는 로봇은 무선전력 수신기만 내장하고 있으면 거의 무한정의 시

간동안 작업을 할 수 있게 된다. 생체 로봇의 경우에는 자체 전력생산 장치를 유지할 수도 있다.

(그림 10) 각종 군사용, 탐사용 로봇들과 의료용 나노로봇

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예를 들어 생체반응을 이용한 전력발생 장치를 이용하면 가능할 수 있다. 그러나, 이 경우에는

전력생산량이 매우 작을 것으로 예상되어 나노로봇의 전력소모량 또한 매우 작아야만 한다. (그

림 10)의 맨 오른쪽 그림에서 보이는 적혈구 크기만한 나노로봇을 제작할 경우에는 생체반응 전

력생산장치로도 충분히 필요한 전력을 공급할 수 있을 것으로 기대한다.

마. 공공분야

모바일 기기들이 지금보다 더 개인 필수품이 되고 전력생산에 대한 정부의 부담이 줄어들 경

우에는 (그림 11)과 같이 거리나 공공건물 내에서 무선으로 필요한 정보뿐만이 아니라 개인 휴

대기기의 전원도 공급받을 수 있게 될 것이다. 정보서비스 부분은 현재에도 어느 정도 가능하리

만큼 기술이 성숙되어 있지만 전력 부분은 매우 다른 실정이다. (그림 11)과 같은 사회에서는 개

(그림 11) 공공 장소에서의 무료 무선 전력 송수신 서비스

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인 주택이나 상업용 또는 공공 건물 등에 설치된 독립된 전원설비로 인해 전력생산과 소비에 대

한 부담이 지금보다 매우 완화될 것이고 각종 정보에 대한 매개체가 개인 모바일 기기들을 통한

무선통신이 될 것이다. 이렇게 되면 전력공급이 사용료가 없는 공공 서비스로서 누구나, 언제,

어디서나 무한정 사용할 수 있는 자원이 된다. u-에너지 기술은 이것을 실현할 수 있는 가장 중

요한 기술이다. 무한정의 에너지를 무상으로 공급하기 위해서는 매우 값싼 전력생산 장치가 필

요하며 또한, 친환경적인 에너지원이 되어야만 한다. 언제, 어디서나 쉽게 공급하기 위해서는 무

선전력전송 기술이 필수적이다. 무선전력전송 기술도 인체에 무해한 기술이어야만 하는 것은 두

말할 필요도 없으며 일반적으로 예상되는 전력전송에 있어서의 막대한 손실을 막을 수 있는 기

술이어야 한다. 아직까지 이러한 서비스를 제공하기 위해서는 많은 기술적 성장이 요구되지만

앞으로 다가올 미래 사회임에는 틀림없다.

4. 결론

u-에너지 기술에서 에너지 생산기술은 기본적으로 무한정한 자원으로부터 전력을 생산할 수

있는 기술들로서 예를 들어 태양광 전지 같은 것이다. 무한정한 태양 에너지로부터 무한정한 전

력을 생산할 수 있는 기술을 의미한다. 그러나, 태양에너지 외에 주변에서 전력화할 수 있는 에

너지는 많이 있다. 이것을 얼마나 효과적으로 전력화 하느냐가 개발의 핵심이 될 것이다. 에너지

저장기술은 기존 기술의 고효율화와 초소형화에 초점을 맞추게 된다. 결국 전력을 얼마나 효과

적으로 저장하느냐가 관건이 된다. 마지막으로 에너지 전송기술은 기존의 RF 기술보다는 효율

적이고 친환경적인 새로운 무선전력전송 기술의 개발이 요구된다.

u-에너지 기술은 다가오는 유비쿼터스 사회에서 구현될 모든 서비스에 관한 기술들을 완성

한다는 의미에서 그 의의가 크다고 하겠다. 아직까지는 여기에 대한 관심이나 이해가 부족한 것

이 우리나라의 현실이나 이미 일본의 경우에는 관련 연구가 진해되고 있다. 우리나라도 하루 속

히 IT 기반의 에너지 기술에 대한 연구개발이 시작되길 바란다.

<참 고 문 헌>

[1] Research Institute for Ubiquitous Energy Devices at AIST (homepage;

http://www.aist.go.jp/aist_e/research_units/research_section/ubiqen/ubiqen_main.html)