태양광 전지는 실내 IoT 장치의 안정성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

스마트 빌딩 센서부터 자산 추적기에 이르기까지 많은 실내 IoT 장치의 경우, 설계가 간단하다는 이유로 여전히 일회용 배터리를 사용하고 있습니다. 그러나 이와 같이 배터리 사용에 의존하다 보니, 한정된 수명, 유지보수 오버헤드, 운영 중단 시간, 환경 문제 등 여러 가지 문제가 수반되는 상황입니다. 이러한 요소는 모두 IoT 장치의 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다.

배터리를 자주 교체하는 것은 시간도 많이 걸리고 비효율적인데, 이는 장치가 자율적이고 항상 작동 상태를 유지한다는 IoT 비전에도 역행하는 것입니다. 따라서 안정성을 높이고 유지 관리 비용을 최소화하며 대규모 배포를 용이하게 하려면 실내 IoT 노드에 전원을 공급하는 새로운 접근 방식이 필요합니다.

Transforma Insights의 보고서에 따르면, IoT 장치의 성장으로 2030년까지 에너지 수요가 34테라와트시 증가할 것으로 예상됩니다. 따라서 지속적인 전력 공급을 위해 실내 태양광 전지를 사용하고, 지속 가능한 소재를 사용하고 배터리를 사용하지 않음으로써 전자 폐기물을 줄이며, 계산 및 데이터 전송에 드는 에너지 비용을 최소화하는 것이 중요합니다.

최근 몇 년 동안 실내 환경에 적합한 광발전 기술의 재료와 구조에 엄청난 기술 발전이 있었습니다. 실외 태양광 패널의 일반적인 활성 소재인 결정질 실리콘의 밴드갭은 1.12eV입니다. 그러나 일반적인 실내 광원은 가시광선 범위에서만 방출되기 때문에 최적의 밴드갭은 1.9eV ~ 2.0eV로 바뀝니다.

그 결과 결정질 실리콘은 실내 조명 조건에서 성능이 저하됩니다. 이를 해결하기 위해 업계에서는 비정질 실리콘, 염료 감응형 태양전지(DSSC), 페로브스카이트 태양광 전지, 유기 광발전 전지 등 실내용 태양광 집광 기술로 대안을 개발했습니다.

그림 1: 유리형 기판을 갖춘 Panasonic Energy의 AM-1456CA-DGK-E 비정질 태양광 전지(이미지 출처: Panasonic Energy).

IoT를 위한 주요 실내 태양광 발전 기술

1. 비정질 실리콘(a-Si) 전지

비정질 실리콘(a-Si)은 실내 조명 응용 제품의 최적 값에 가까운 약 1.6eV의 광학 밴드갭을 가졌으며 널리 사용되는 박막 태양광 전지 기술로, 저전력 실내 IoT 장치에 통합된 최초의 기술입니다.

스펙트럼이 일치하고 낮은 조명 수준에서 개방 회로 전압이 상대적으로 높은 a-Si는 일반적인 실내 조명에서 결정질 실리콘보다 성능이 뛰어납니다. 다양한 테스트 결과, 수소화 a-Si 태양광 전지는 LED 실내 조명 아래에서 최대 21%의 효율성을 달성할 수 있습니다.

실리콘 기반 태양광 전지의 주요 장점은 기체 플라즈마 소스를 사용하여 비용 효율적으로 박막을 제조할 수 있다는 점입니다. 이를 통해 저비용의 유연한 기판에서 태양광 전지를 제조할 수 있습니다.

그러나 이 기술의 중대한 한계는 최신 기술과 동일한 전력을 생산하려면 더 큰 전지 면적이 필요하다는 점입니다. 또한 각 a-Si 전지는 개별적으로 상대적으로 낮은 전압을 생성하므로 IoT 장치에 필요한 전압에 도달하기 위해 전지를 직렬로 연결하는 경우가 많습니다.

그림 2: 4.2V 개방 회로 전압을 제공하는 TDK Corporation의 BCS4430B6 얇고 유연한 비정질 태양광 전지(이미지 출처: TDK Corporation).

2. 염료 감응형 태양광 전지(DSSC)

차세대 광전지 소자인 DSSC는 산화 환원 반응을 통해 전해질로 보충되기 전에 작동 전극에서 전자를 생성하는 염료의 광감작을 통해 광합성과 유사하게 작동합니다. 이 염료는 실내 광원의 방출 스펙트럼에 맞게 최적화할 수 있어 실내 IoT 응용 제품에 적합합니다.

이를 설계하는 다른 접근 방식은 산란 기능을 결합하여 빛 트래핑과 전하 수집을 향상시키는 복합 광아노드와 같은 다차원 나노 아키텍처를 사용하는 것입니다. 한 연구 논문에서는 새로운 나노 구조를 사용하여 0.014mW/cm²의 극도로 낮은 인공 조명 아래에서 24%의 전력 변환 효율성을 달성했다고 주장합니다.

3. 페로브스카이트 태양광 전지(PSC)

실내 응용을 위한 또 다른 대안으로는 2015년에 처음 연구된 PSC가 있습니다. 이 연구에서 연구진은 전자 전달 층을 설계하여 페로브스카이트 활성층의 트랩과 캐리어 역학을 제어했습니다. 그 결과 PSC는 실내 환경에서 27.4%의 전력 변환 효율성을 달성했습니다.

페로브스카이트는 용액 공정이 가능한 반도체 소재의 일종으로, 1.8eV의 이상적인 밴드갭과 높은 광전압을 갖도록 조정할 수 있어 LED 및 형광등 조명 아래에서 높은 효율성을 발휘합니다. 페로브스카이트 실내 광발전(IPV) 장치는 기록적인 효율을 달성했는데, 2025년 한 연구 결과에 따르면, 1,000룩스에서 42%의 전력 변환 효율성을 달성해 역대 최고치를 기록했습니다.

4. 유기 광발전(OPV) 전지

유기 광발전(OPV)은 탄소 기반 분자를 반도체로 사용하여 빛을 흡수하고 전력을 생산합니다. 분자 설계를 통해 유기 반도체는 가시광선 스펙트럼을 강력하게 타겟팅하도록 맞춤화할 수 있습니다. 최적화된 실내 OPV는 저조도 환경에서 30%에 육박하는 전력 변환 효율성을 달성했는데, 이는 최고의 DSSC 또는 페로브스카이트 전지와 비슷한 수준입니다.

이러한 특성으로 인해 OPV는 PET 플라스틱과 같은 기판에 얇고 유연한 필름으로 인쇄할 수 있기 때문에 불규칙한 폼 팩터의 이산 소자 IoT 배포 시 특히 적합합니다. 기업들은 다양한 모양으로 구부리거나 맞출 수 있는 유연한 실내용 태양광 포일도 생산하고 있습니다. 이로써, IoT 설계자는 태양광 전지를 센서 표면의 얇은 필름이나 장치 내부의 스티커와 같은 전원 필름으로 쉽게 통합할 수 있습니다.

결론

실내 태양광 전지는 자율 IoT 시스템을 구축하기 위한 핵심 기술로 부상했습니다. 이러한 태양광 전지는 주변 광으로부터 에너지를 수확하여 일회용 배터리를 대체할 수 있는 실용적인 대안으로, 오래 지속되고 유지보수가 적은 작동이 가능합니다.

특히 페로브스카이트와 유기 전지를 중심으로 한 재료 과학 분야의 지속적인 발전으로, 저조도에서도 전력 변환 효율 수준이 개선되고 있으며, 스마트 통합 전략으로 안정성과 폼 팩터 제약도 해결되고 있습니다. 그 결과 IoT 환경의 보다 지속 가능한 미래를 위한 확실한 길이 열리고 있습니다.