휴대장치의 배터리 수명을 획기적으로 연장할 수 있는 새로운 기술

휴대장치의 배터리 수명을 획기적으로 연장할 수 있는 새로운 기술

2011-03-12

더 얇고 경량이면서 오래갈 수 있는 배터리를 꿈꿔왔던 기술 애호가들(Technophiles)의 희망이 곧 이루어질지 모른다. 일리노이 대학(University of Illinois)의 엔지니어들은 기존의 유사 메모리보다 빠르고 100배 적은 에너지를 사용하는 초저전력 디지털 메모리를 개발하였다. 이 기술로 미래 휴대장치의 배터리 수명을 상당기간 연장할 것으로 기대된다. 전기컴퓨터공학과 Eric Pop 교수가 이끌고 있는 연구팀의 이번 연구결과는 Science 매거진과 Science Express 온라인에 게재될 예정이다.

Pop교수는 “야간에 많은 충전기나 플러그 장치를 사용하는 소비자는 배터리가 일 주 또는 한 달 동안 지속할 수 있는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터를 원할 수 있다.”고 말한다. 오늘날 휴대장치에 사용되는 플래쉬 메모리는 전하를 사용하여 비트(Bit)를 저장한다. 이를 위해 높은 프로그래밍 전압이 필요한데 속도가 비교적 느리다. 산업계는 이러한 단점을 극복하기 위해 더 빠르지만 고전력이 필요한 상변환물질(Phase-change Materials, PCM)을 대체재료로 탐색해 왔다. PCM 메모리는 물질의 저항으로 비트를 저장하며, 이 값은 다시쓰기가 가능하다.

Pop의 연구팀은 단순하지만 중요한 요소 중 하나인 크기에 초점을 맞춰 현재의 PCM 메모리보다 비트당 전력을 100배 낮출 수 있었다. 연구팀은 산업에서 사용하는 금속 와이어 대신 직경이 나노미터 단위인 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes)를 사용하였다. 이번 논문의 저자이자 대학원생인 Feng Xiong은 “에너지 소비는 메모리 비트의 크기에 비례한다. 또한 나노단위 접점을 사용함으로써 훨씬 적은 전력 소비량이 가능하였다.”고 말한다. 연구진은 비트를 만들기 위해 탄소나노튜브의 중간에 형성된 나노 크기의 갭(Gap)에 소량의 PCM을 두었다. 그리고 나노튜브를 통해 약간의 전류를 흘려보냄으로써 비트의 “on”과 “off”로 전환할 수 있었다.(그림참조)

Pop은 “탄소 나노튜브는 알려진 전자전도체(Electronic Conductors)중 가장 작은 물질이다. 이들은 PCM 비트를 전환시키기 위해 전기를 가할 수 있는 다른 어느 금속보다도 우수하다.”고 말한다. 또한 나노튜브는 금속 와이어에 문제가 되는 퇴화(Degradation)에 민감하지 않기 때문에 극도의 안정성을 보여준다. 이 뿐만 아니라 나노튜브를 이용한 PCM은 스캐너나 자석과 같은 물체를 지날 때 발생할 수 있는 삭제현상을 예방할 수 있다. 저전력 PCM 비트는 현재의 배터리에 적용한다면 배터리 수명을 상당기간 증가시킬 것으로 보인다. 현재 일반 스마트폰은 약 1 W의 에너지를 사용하고 있으며, 노트북 컴퓨터는 25W 이상을 사용한다. 소비되는 에너지의 일부는 디스플레이에서 사용되지만, 메모리에 사용되는 양도 증가하고 있다.

공동저자인 Albert Liao 는 “스마트폰 앱을 실행하거나 MP3 또는 스트리밍 비디오를 저장할 때 배터리를 많이 사용한다. 그리고 메모리와 프로세서는 데이터를 검색하기 기 위해 열심히 작업한다. 또한 순수 연락을 목적으로 휴대폰을 사용하는 이용자들이 적어지고 컴퓨터용으로 사용하는 이용자들이 많아지고 있다. 따라서 데이터 저장과 검색 작업을 개선하는 것은 중요하다.”고 말한다. Pop은 디스플레이 기술의 개선과 함께 나노튜브 PCM 메모리를 활용한다면 아이폰과 같은 휴대장치의 에너지 효율을 증가시켜 지금보다 더 작은 배터리로 더 오랫동안 작동이 가능할 것으로 믿고 있다. 심지어 이러한 휴대장치가 열, 기계 또는 태양에너지를 통해 스스로 에너지를 수확할 수도 있을 것이다.

이와 같은 발전은 단순 기계 매니아들에게만 혜택이 가는 것은 아니다. Pop은 이러한 기술이 단지 사용자들의 주머니나 가방을 가볍게 만들 뿐만 아니라 인공위성, 원거리 지역의 전자통신 또는 과학 및 군사 분야에 사용되는 배터리에 중요한 역할을 할 수 있다고 말한다. 게다가 저전력 메모리는 에너지 소비를 절감할 수 있어 데이터 저장이나 슈퍼컴퓨터 센터의 비용을 대폭 낮출 수 있다. 그리고 제조 및 열 문제로 인해 개발자들이 배제하였던 3차원 집적화(Three-dimensional Integration), 칩 적층(Stacking) 등의 기술구현도 가능할 것으로 보인다.

연구진은 지금까지 몇 백 비트만을 테스트하였으며, 메모리 비트 배열(Arrays)을 만들기 위해 생산을 확대하길 원하고 있다. 또한 다중비트 메모리(Multibit Memory)라 불리는 진보된 프로그래밍을 통해 더 큰 데이터 밀도를 확보하길 바라고 있다. 연구진은 이미 보여주었던 획기적인 에너지 절감 수준을 넘어 추가적으로 전력 소모를 줄이고 에너지 효율을 증가시키는 작업을 지속적으로 진행하고 있다. Pop은 “우리의 기술이 100배 향상된 성능을 보여준다고 하더라도 물리적으로 가능한 선까지 도달하지 못하였다. 심지어 아직 그러한 한계조차 측정하지 못하였다. 지금보다 적어도 1/10 정도 전력을 더 낮출 수 있을 것으로 보고 있다.”고 말하였다.

키워드 : 배터리 수명, 탄소나노튜브, 상변환물질

출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2011/03/110310141433.htm