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마이크로칩으로 IoT 기기의 배터리 문제 해결
등록일 : 2018-05-14 10:58 | 최종 승인 : 2018-05-14 10:58
강민경
▲새로운 마이크로칩(출처=셔터스톡)

[리서치페이퍼=강민경 기자] 싱가포르 국립대학(National University of Singapore)의 엔지니어들이 배터리가 방전되더라도 계속 작동하는 실험용 마이크로칩을 개발했다.

배터리에 의존하지 않는 기기

이 획기적인 연구 결과로 인해 사물인터넷(IoT) 장치가 배터리에 의존하지 않고, 배터리가 방전되더라도 계속 작동할 수 있을 전망이다. 또 마이크로칩은 배터리의 크기를 줄여 배터리가 열 배는 더 작고 저렴해지도록 만든다. 그리고 배터리의 수명 주기를 최대화해 작고 저렴한 IoT 장치가 출시될 수 있는 길을 연다.

연구진은 이 마이크로칩에 배트리스(BATLESS)라는 이름을 붙였다. 이 혁신적인 마이크로칩은 온칩 태양 전지를 사용해 칩을 자체 시동시키고 희미한 빛 아래서도 작동할 수 있다. 50 럭스의 실내 조명만 있으면 배터리가 작동한다. 50 럭스는 석양이 질 때의 밝기와 같은 수준이다.

두 가지 작동 모드

배터리 전원이 사용 가능할 때, 칩은 배터리 전력을 절약하기 위해 최소 에너지 모드에서 작동한다. 배터리가 방전되면, 칩은 최소 전력 모드로 돌아가고 나노 와트 전력을 사용한다. 이것은 스마트폰으로 전화 통화를 할 때 사용되는 전력의 10억분의 1밖에 되지 않는 적은 양이다. 이 전력은 온칩 태양 전지나 주변 광원으로부터 얻은 열, 진동 등으로 발생한다.

또 이 마이크로칩은 최소 전력 모드에서 작동 중일 때도 온도, 습도, 조명 및 압력 감지 등 다양한 IoT 애플리케이션에 사용되기에 충분하다. 이 칩은 스마트 빌딩, 환경 모니터링, 에너지 관리 및 거주자의 요구 사항에 맞게 거주 공간을 조정하는 기기에 사용될 수 있다.

배트리스 칩이 최소 에너지 모드에서 최소 전력 모드로 전환될 수 있다면 배터리가 현재 센티미터 단위에서 밀리미터 단위로 소형화될 수 있다. 배트리스 칩은 IoT 장치가 끊임없이 데이터를 감지, 처리, 캡처 및 타임 스탬프 처리할 수 있도록 만들며 이 데이터는 저장됐다가 배터리가 다시 정상 모드로 돌아오면 클라우드로 전송된다.

배터리 크기 감소

연구진은 이 마이크로칩의 개발로 배터리의 크기를 대폭 줄일 수 있다고 발표했다. 배트리스 칩은 최소 전력 모드에서 고정 최소 에너지 동작을 위해 설계된 최신 마이크로 컨트롤러보다 1천~1만 배 적은 전력을 사용한다. 속도는 10만 배 빠르다. 즉 이 마이크로칩은 두 가지 모드로 작동할 수 있는 능력이 있기 때문에 광범위한 잠재 에너지, 전력, 속도 등을 향상시킬 수 있다. 연구진은 이것이 IoT 센서 노드를 개발하려는 목표를 향한 주요 단계라고 주장했다. 이 마이크로칩은 배터리가 없는 IoT 센서 노드 및 수많은 IoT 장치에 사용될 것이다.

IoT 센서는 대규모 공장이나 단지, 원격으로 조종돼야 하는 먼 지역 등에 설치되기 때문에 에너지 자급 자족, 긴 에너지 수명, 쉽고 빠른 유지 보수 등을 필수 조건으로 갖춰야 한다. 그리고 새로 개발된 마이크로칩은 제한된 전력 가용성 아래 높은 전력 효율을 얻을 수 있는 대안이 된다. 이에 따라 IoT 장치의 수명도 늘어날 것이다.

현재 배터리의 단점

현재 IoT 장치에 사용되는 전류 배터리는 전력으로 작동하는 칩보다 크기가 3배 정도 크다. 배터리 크기는 센서 노드 수명에 따라 달라지므로 배터리 교체 횟수에도 영향을 준다. 또한 배터리를 유지 관리하는 비용과 배터리가 폐기될 때 환경에 미치는 영향 등도 고려해야 한다. 소형 배터리는 에너지가 더 빨리 소모되므로 IoT 장치의 작동이 중단될 우려가 있다. 배처리 수명을 연장하려면 예를 들어 태양 전지 등을 사용해 배터리가 환경으로부터 얻은 에너지원으로 천천히 재충전되도록 만들어야 한다.

▲배터리가 부족한 스마트폰(출처=셔터스톡)

연구진은 센서에서 무선 통신에 이르기까지 전체 신호 체인을 포괄하는 배터리 무관계 시스템 개발에 대한 연구를 이어가고 있다. 마이크로 컨트롤러 및 전원 관리에 대한 기존 연구도 확대했다. 이들의 목표는 배터리 크기를 밀리미터 단위로 줄이는 것이다. 이것은 전지구적인 IoT 비전을 실현하고 더욱 푸르고 스마트한 지구를 만들기 위한 발걸음이다.

이들의 연구는 미국 샌프란시스코에서 개최된 국제 반도체 회로 컨퍼런스(International Solid-State Circuits Conference)에서 발표됐다.

[researchpaper 리서치페이퍼=강민경 기자]

[리서치페이퍼=강민경 기자]
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