무전원 사물인터넷(IoT) 센싱 디자인을 위한 핵심, 초저전력 기술에 대하여 ①

최태우 기자 / 기사승인 : 2020-01-06 10:11:10
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사물인터넷(IoT)이 최대한의 잠재력을 발휘하고 스마터 플래닛(Smarter Planet)을 가능하게 하려면 배터리와 유지보수가 필요 없는 엔드포인트가 필요하다.

더 쉽게 강력한 분석 정보에 액세스할 수 있게 되면서 센서 데이터에 대한 수요가 증가하고 있다. 2020년까지 500억 개의 사물(things)들이 연결될 것이라는 시스코시스템즈의 초기 예측은 더 이상 참신해 보이지 않는다.

만약 이렇게 많은 장치들 중 절반 정도가 1차전지만으로 구동된다면, IoT를 제공하는 데 드는 비용 및 환경적 부담, 또 이를 교체하는 데 수반되는 관리상의 문제점으로 인하여 IoT는 지속하기 어려울 수 있다.

하베스팅된 에너지로 구동되는 배터리가 없는 스마트센서는 한동안 기술적 관심사가 되어 왔다. 새로운 초저전력IC, 센서와 블루투스 저에너지(BLE)와 같은 무선기술과 결합된 최근의 에너지 하베스팅 기술 발전은 이제 에너지 하베스팅이 보다 실용적이고 효과적이며 저렴하면서, 콤팩트하고 신뢰할 수 있는 폼팩터로 구현되기 쉽다는 것을 의미한다.

저에너지 구동
환경 데이터를 정기적으로 수집하고 전송하는 스마트센서를 생각해보자. 각 센서-전송 사이클을 완료하는 데 필요한 에너지 및 그 때마다 필요한 반복 간격을 분석한다면, 배터리 없는 작동을 위해 필요한 조건이 무엇인지 이해할 수 있을 것이다.

시스템이 사용률(duty cycle)을 충족시키기에 충분한 에너지를 하베스팅할 수 있는 경우, 장기간 배터리 없이 작동이 가능할 것이다.

필요에너지는 시스템 전력과 데이터를 수집하고 전송하는 시간에 따라 달라진다. 블루투스 저에너지 및 지그비 그린 파워(ZigBee Green Power)와 같은 프로토콜은 적절한 보안을 보장하면서, 짧은 프레임 지속 시간 및 낮은 전송 전력에 최적화되었다.

이러한 프로토콜 중 하나를 사용하면 약 10ms(이하) 내에 완전한 센서 데이터 프레임을 전송할 수 있다. 예를 들면 1V에서 10mA로 신뢰성 있게 수행된다고 가정해보면 센서 노드 서브시스템이 필요한 에너지 수지(energy budget)는 다음과 같이 계산할 수 있다.

- 1회 작동 시 1V x 10 mA x 10 ms = 100 µJ


이는 무엇이 필요한지를 보여준다. 감지, 처리와 무선 서브시스템이 1V에 가까운 전압에서 작동할 수 있다고 가정하면, 필요한 총 에너지 수지는 100μJ이다. 에너지 하베스팅 서브시스템은 필요할 때 회로를 구동하는 데 적어도 100μJ를 사용할 수 있는 충분한 에너지를 모아야 한다.

이 때 유일한 문제는 목표로 하는 사용률에 도달할 수 있는 만큼의 에너지를 수집하는 것이다. 사용률이 1초에서 10초 사이인 경우 하베스터 소스가 제공할 수 있는 에너지 회수율(gain factor)은 의외로 상당하다. 예를 들어 변환 에너지가 4%에 불과한 표준 1 또는 2평방인치인 태양전지도 가능하다.

이러한 요구 조건을 충족시키기 위해 시스템 설계는 초저전력 센서로 시작되어야 한다. 최신 MEMS 기술을 기반으로 하는 센서는, 이러한 요구를 충족시키면서 첨단 기계 설계 및 고기능 통합 간의 조합을 통해 초저전력 소비를 지원하는 디자인 설계 부문에 필수라고 해도 과언이 아니다.

예를 들어 보쉬(Bosch)의 BME280 환경 센서는 하나의 저전력 올인원 장치에 압력, 온도 및 습도 센서를 결합했다. 또한 BMA400은 성능을 희생하지 않고도 진정한 초저전력 작동을 제공하는 업계 최초의 3축 가속도계(3-axis accelerometer)다.

이 장치를 결합한다면 기후 제어, 프로세스 모니터링, 위치 추적 또는 침입 탐지 같은 애플리케이션에 대한 관성탐지(inertial sensing)가 추가된 초저전력 다중-센서 플랫폼을 만들 수 있다. 

 

 

글 : 브루노 데미안(Bruno Damien) / IoT 전략 마케팅 디렉터 / 온세미컨덕터

 

 

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