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웨어러블 기기를 위한 '전력 시스템의 진화'
이나리 기자 | 승인 2017.07.18 09:48

[EPNC=이나리 기자] 웨어러블 기술에 대한 소비자의 요구가 폭발적으로 증가하는 추세다. 시장조사 기관인 가트너(Gartner)는 2017년 웨어러블 기기 시장이 이미 3억 2500만개 이상의 연간 판매량(350억 달러의 매출 달성)을 기록할 것으로 추정하고 있다. 또 스포츠용 시계나 팔찌와 같은 스마트워치와 피트니스 모니터링 시스템은 전체 시장에서 적어도 60%를 차지할 전망이다. 

웨어러블 제품에 대한 관심이 높아지고 있지만 사실 가장 단순한 형태인 웨어러블 기기는 이미 약 45년 전에 개발된 바 있다. 그 첫 번째 사례는 1970년대 초반 카시오(Casio)와 펄서(Pulsar)와 같은 회사에서 출시한 디지털 시계다. 이들이 제조했던 디지털 시계가 제공하는 기능은 요즘의 기기들보다 훨씬 적었지만 배터리 수명은 반대로 훨씬 커서 최신의 스마트 시계와는 매우 다른 모습이었다. 

이를 토대로 최신의 웨어러블 전자 제품이 직면하고 있는 문제는 새로운 세대의 제품이 진화해 더욱 기능이 늘어남에 따라 그에 따른 제품의 구동 시간이 현저히 줄어들고 있다는 것이다. 극단적으로 말하면, 잘못된 방향으로 흘러가고 있다고도 해석될 수 있다. 
과거의 기본 착용형 기기는 마이크로 컨트롤러나 디스플레이 등을 구동하는 배터리에 직접 연결됐기 때문에 전력 관리 레이어가 추가로 필요하지 않았고, 배터리는 2년에서 3년 이상의 시간 동안 지속됐다. 즉, 사용자는 갑작스럽게 시스템이 종료되는 문제가 없었기 때문에 매우 편리하게 사용했다. 

그러나 최신 웨어러블 제품의 경우 배터리 수명이 하루도 지속하지 못한다는 것이 가장 큰 문제다. 결과적으로 사용자들은 웨어러블 기기를 다시 충전하는 시간 동안 착용하지 못하는 상황을 참아내야 한다. 이는 사용자 불만을 야기하고 웨어러블 시장의 확산에 어느 정도 방해 요소가 되고 있다. 

웨어러블 기기의 디자인이 갖는 고유의 특성은 배터리 비축량에 중요한 영향을 미친다. 따라서 설계 엔지니어는 이런 사실에 대해 충분히 이해하고 있어야 한다.

첫째, 배터리가 차지할 수 있는 공간은 매우 협소하다. 둘째, 가전 사업 분야의 경쟁률이 높기 때문에 자재 명세서(Bill of Materials, BOM)가 최소한의 수준으로 유지돼야 한다. 셋째, 배터리 비축량 증진에 대한 요구가 오랜 세월에 걸쳐 상당히 증가됐으나 이와 연관된 화학 기술 수준이 이를 따르지 못했다. 따라서 이런 기술의 부족한 부분에 대한 보완을 위해 더욱 정교한 전력 관리가 요구되는 상황이다. 더불어 전력 변환 효율 수준을 높이고 전력 손실을 줄이기 위한 노력이 수행돼야 한다. 

다양한 형태로 제공되고 있는 웨어러블 기술 중 가장 일반적인 사례인 피트니스 트래커를 살펴보자. 이 기기는 다음과 같은 주요 부품으로 구성된다: 

• 마이크로 컨트롤러 : 처리작업을 수행함 
• 디스플레이 : 사용자가 다양한 데이터(심장 박동, 이동 거리, 시간 등)에 접근하도록 함 
• PC또는 태블릿으로 데이터를 전송하기 위한 저전력 무선 트랜시버 
• 다양한 센서
• 지원 전원 관리 시스템  

이들 각각의 부품은 배터리 소모에 영향을 미치고, 각 부품의 배터리 소모량은 피트니스 트래커의 작동에 결정적인 영향을 미치게 된다. 그러나 다행히도 기술 진보로 인해 이들 각 부품이 소모하는 전력을 점진적으로 줄여나갈 수 있다. 디스플레이는 이전 세대의 디스플레이 보다 전류를 적게 소모하는 TFT다. 새로운 프로세스 기술로 진화함에 따라 마이크로 컨트롤러의 전력 소모 또한 줄어들게 된다. 무선 트랜시버는 대부분의 경우 BLE(Bluetooth Low Energy) 프로토콜을 사용하고 있다. 

게다가 각 부품은 예전보다 더욱 적은 시간을 할애하며 작동된다. 즉 사용자가 정보를 추출할 때 디스플레이가 완전히 활성화 된 경우 BLE 트랜시버는 데이터 전송이 이뤄지고 있는 동안에만 작동된다. 마이크로 컨트롤러는 기능적으로 볼 때 상당한 시간을 차지하지만 기본적으로 전력 관리 회로를 항상 사용한다. 납득이 잘 안 될 수도 있지만, 기존의 전원 관리 메커니즘은

웨어러블 기기의 작동과 관련해 가장 많은 전력을 소모하는 것일 수도 있다. 
최근 컴퓨팅 기능과 관련된 부품을 사용하는 비용이 저렴해짐에 따라 마이크로 컨트롤러에 더 많은 기능을 탑재하고자 하는 유혹들이 난무했다. 사실 웨어러블 기기와 같이 전력에 민감한 애플리케이션의 경우 마이크로 컨트롤러나 기타 전력이 부족한 부품의 작동을 최대한 자제하는 것이 유리하다. 

경우에 따라 웨어러블 디자인을 타깃으로 하는 마이크로 컨트롤러가 매우 적은 양의 대기전력을 소모해 매력적으로 보일 수 있지만, 반대로 생각해보면 대기 모드에서 기기를 깨우는 데에는 고작 4~5mA만 소모될 뿐이다. 대기 모드에서 규칙적으로 웨이크업 모드로 전환 때의 웨어러블 기기가 소비하는 배터리양은 상당히 커질 수 밖에 없다. 

따라서 완전히 새로운 전략이 필요한 상황이다. 초저전력 마이크로 컨트롤러와 프로그래밍 가능한 전력관리 소자를 결합하면 ‘분산 인텔리전스’를 활용해 전반적인 전력 효율성을 대폭 향상시킬 수 있다. 즉, 활성화해야 하는 기능에서만 배터리에서 전력이 소모되므로 배터리 수명이 연장될 수 있기 때문이다. 

저전력 마이크로 컨트롤러, BLE 트랜시버와 정교한 전력 관리 칩으로 구성된 기존 웨어러블 피트니스 트래커의 예에서 볼 때 시스템이 비활성 상태일 때의 전력소비는 겨우 3~4 µA이다. 그러나 움직임이나 RF감지를 위해 대기 모드에서 웨이크업 모드로 전환될 때의 전력 소비는 200배로 급격하게 증가한다. 만약 프로그램 가능한 전력관리 소자가 내장돼서 전력관리 칩이나 마이크로 컨트롤러 대신 내부 타이머를 통해 이런 대기모드 시작/종료 주기를 처리할 수 있는 용량이 주어진다면 전력 소모를 줄일 수 있다. 

 
프로그래밍 가능한 전력관리 소자는 또한 센서를 이용해 데이터를 수집하기 때문에 마이크로 컨트롤러가 계산 목적으로 사용될 때만 대기 모드를 종료하면 되므로 기본적인 휴먼 머신 인터페이스의 기능 또한 수행할 수 있다. 따라서 이를 통해 웨어러블 기기의 전체 전력을 30%까지 감소시킬 수 있다. 

분산 인텔리전스 모델을 구현한다는 것은 단일 칩에 더 많은 기능을 지속적으로 통합하는 것보다 전체 시스템을 전력 효율이 높은 방식으로 실행할 수 있게 됨을 의미한다. 이런 방식은 건물 자동화에서 이미 적용됐으며, IoT 기기에도 적용되기 시작했고, 이런 연구는 앞으로 꾸준히 지속될 것이다. 마이크로 컨트롤러에서 일부 기능적 요소를 줄이고 그대신 전원관리 기능이 이를 대신하면 배터리를 소형화하면서도 배터리의 수명도 연장할 수 있다. 

무어의 법칙을 따르는 반도체 산업은 계속해서 더 작은 공정 노드로 진화해 점점 더 집적된 IC를 제공할 수 있게 됐으며, 처리 능력 등 여러 면에서 많은 이점을 가져다 줬다. 이는 어느 정도의 타협 없이 얻어진 것이 아니며 특히 소비전력 분야가 가장 두드러진 사항이다. 더 높은 집적을 통해 기존의 사고를 벗어나게 하는 '분산 인텔리전스'의 구현은 더욱 중요한 역할을 맡게 될 것이다. 

엔지니어들은 지금까지 해왔던 일을 지속하면서도 단순히 그저 많은 기능을 칩에 추가하려 했던 방식이 아니라 수많은 선택 중 더 나은 선택을 해야 하는 과제에 직면하게 됐다. 우리는 기술 진보에 안주할 것이 아니라 전력 중심의 관점을 제품 설계에 적용하기 시작해야 한다.

글 : 매튜 타일러(Matthew Tyler) 온세미컨덕터 전략 사업 개발 디렉터
자료제공 : , 온세미컨덕터(www.onsemi.com)

 

#웨어러블#전력 시스템

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr

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