미국 MIT 대학의 아난타 챈드라카산(Anantha Chandrakasan) 교수가 이끄는 연구진은 배터리가 필요없는 모니터링 시스템을 개발하는데 한 걸음 더 나갈 수 있는 기술을 개발하였다. 이 기술은 궁극적으로 접근하기 어려운 바이오의학 디바이스, 환경 센서등에 사용될 수 있을 것이다. 이들 연구진은 이전에 극도로 낮은 전력 수준에서 작동할 수 있는 컴퓨터 및 무선 통신 칩의 개발을 연구하였다. 또한 자연적인 빛, 열 그리고 주위 환경의 진동으로부터 전력을 수확할 수 있는 다양한 디바이스에 대해서도 연구하였다.

최근 아난타 챈드라카산 교수는 박사과정 학생인 사우레이 반디오파드히아이(Saurav Bandyopadhyay)와 함께 이런 주위 환경으로부터 전력 소스를 모두 얻을 수 있는 최적화된 출력 공급이 가능한 칩을 개발하였다. 이 에너지 결합 회로에 관한, 이들의 연구 논문은 "Platform Architecture for Solar, Thermal, and Vibration Energy Combining With MPPT and Single Inductor" 라는 제목으로, IEEE Journal of Solid-State Circuits 저널에 발표될 예정이다.

찬드라카산 교수는 에너지 수확은 현실이 되어가고 있다고 말하였다. 데이터를 수집할 수 있고 그것을 중심 장치에 전달할 수 있는 저전력 칩은 현재 개발중이며 주위 환경 소스로부터 전력을 얻을 수 있는 시스템도 개발중이라고 말하였다. 그러나 이 새로운 디자인은 단일 디바이스 안에서 다중 출력 소스를 효율적으로 사용할 수 있도록 설계되었다. 이것은 많은 소스들이 간헐적이고 예측할 수 없기 때문에 여러모로 큰 장점이 될 수 있다. 찬드라카산 교수는 여기서 핵심적인 것은 여러 에너지 소스를 하나로 효율적으로 결합하는 회로라고 말하였다.

이런 미세한 에너지 소스를 수확하기 위해서 필요한 각각의 디바이스는 이미 찬드라카산 교수의 연구실에서 이미 많이 개발되었다. 미세한 에너지 소스의 예를 들면, 신체 온도와 외부 온도의 차이, 사람이 걷는 것에서 차량이 지나갈 때 진동하는 다리에 이르기 까지 모든 진동과 같은 것이다. 이런 변하는 소스로부터 전력을 결합하는 것은 복잡한 제어 시스템을 필요로 한다고 연구진은 설명하였다. 전형적인 각 에너지 소스는 특정한 조건을 만족시키기 위해서 그 자체의 조절 회로를 필요로 한다.

예를 들면, 열차이를 수확하는 회로는 전형적으로 0.02 에서 0.15 볼트를 생산하지만, 저전력 광전지는 0.2 에서 0.7 볼트를 생성할 수 있으며 진동 수확 시스템은 5 볼트까지 생성할 수 있다. 이런 다른 에너지 소스를 실시간으로 조율하여 일정한 출력이 발생되도록 하는 것은 복잡한 과정을 필요로 하는 것이다. 지금까지, 다중 에너지 소스를 수확하기 위한 노력은 단순히 주어진 순간에 가장 큰 에너지를 생성하는 것만을 수확하였다고 연구진은 말하였다. 그러나 이 방법은 다른 에너지 소스에 의해서 얻어진 에너지를 버릴 수 있다는 단점이 있다.

그 대신에, 연구진은 급속히 에너지 사이를 변환시킴으로써, 모든 에너지 소스로부터 전력을 추출하였다고 말하였다. 특정한 순간에, 에너지는 그들의 칩에 의해서 한개의 소스로부터 추출되지만, 다른 소스로부터 나온 에너지는 축전기에 저장되어 나중에 사용되기 때문에 낭비되는 것이 없다. 연구진들에게 또 다른 도전은 조절 회로 자체에 의해서 소모되는 전력을 최소화하여, 심장 박동을 모니터 하는 센서, 교각이나 파이프라인에 걸리는 스트레스등을 모니터하는 센서를 구동하기 위해 가능한 한 더 많이 사용될 수 있도록 하는 것이다. 조절회로는 각 소스로부터 추출된 에너지 양을 최적화한다.

시스템은 혁신적인 이중 경로 아키텍처를 이용하고 있다. 전형적으로, 전력 소스는 배터리 또는 슈퍼축전기와 같은 저장 디바이스를 충전하는 데 사용된다. 이런 충전된 디바이스는 실제적인 센서를 구동하거나 다른 회로를 구동하는데 사용된다. 그러나 이런 조절 시스템에서, 센서는 저장 디바이스로부터 구동될 수 있거나 또는 저장시스템을 가로질러 소스로부터 직접적으로 구동될 수 있다.

연구진은 그것은 더욱 효율적일 것이라고 말하였다. 칩은 단일 시간 분할 인덕터를 사용한다. 이것은 이 디자인에서 필요한 다중 컨버터를 지원하기 위한 핵심적인 부품이다. 이 연구에 참여하지 않은, 텍사스 인스트루먼트에서 전력 공급 솔로션의 연구원인 데이비드 프리만(David Freeman)은 MIT 대학에서 수행되고 있는 연구는 다양한 환경으로부터 에너지를 수확할 수 있게 해주는 매우 중요한 연구라고 말하였다. 다중 에너지 소스로부터 에너지를 수확할 수 있는 것은 무선 센서 노드와 같은 시스템으로부터 더 많은 기능을 최대로 구동할 수 있게 해 줄 수 있을 것이라고 그는 덧붙였다.

프리만은, 오로지 최근에야, 텍사스 인스트루먼트같은 회사가 저전력 마이크로콘트롤러 및 무선 송수신기를 개발하였다고 말하였다. 이런 디바이스는 MIT 대학에서 개발한 기술로 에너지를 주위로부터 공급받을 수 있을 것이다. 다중 에너지 소스를 결합할 수 있는 이런 혁신적인 시스템은 이제 기능성을 향상시키기 시작하였다고 그는 말하였다. 다중 소스로부터 작동함으로써 얻을 수 있는 혜택은 피크 에너지를 최대화하는 것을 포함하며, 단 한개의 에너지 소스 만이 이용가능할 때도 이용할 수 있다는 장점이 있다.

첨부그림 1: 미국 MIT 대학의 아난타 챈드라카산(Anantha Chandrakasan) 교수가 이끄는 연구진은 배터리가 필요없는 모니터링 시스템을 개발하였다.
첨부그림 2: MIT 대학 연구진이 디자인된 시스템을 보여주고 있다.