모바일의 최대 난관, “배터리 수명”을 해결하기 위한 노력들

미국 전역의 연구진들이 배터리 수명과 성능을 높이기 위해 진행하고 있는 여러 연구 가운데 다섯 가지 방법을 소개한다.

1. 화학적 성질을 바꾼다
배터리 수명과 성능을 5% 정도만 높인다는 생각은 버려라. UC 리버사이드(University of California, Riverside) 산하 본스 공대(Bourns College of Engineering)의 부부 교수인 센기즈 오즈칸과 미리마 오즈칸은 에너지 밀도를 300% 높이는 연구에 매진하고 있다.

대학원생들로 구성된 연구팀은 일반적인 리튬이온 배터리의 화학적 구조를 모래(이산화규소)가 포함되도록 바꾸었다. 이렇게 오늘 날 배터리에 들어있는 그래파이트를 모래로 대체하자 동일한 설계에서 에너지 밀도가 3~4배 증가했다.



배터리 수명이 3배 이상 증가한다는 의미이다. 이는 많은 애플리케이션에 도움을 줄 수 있는 성능 향상이다.

기계공학 및 소재공학 전문가인 센기즈는 "현재 배터리 제조에 사용되는 소재들로 인해 충전 횟수가 제한된다. 이는 에너지 밀도에도 제약을 가져온다. 이를 해결하는 방법은 신소재를 사용해 에너지 스토리지의 양과 속도를 높이는 것"이라고 설명했다.

전기 공학자인 미리마는 “수치 분석 등 프로세서를 많이 사용하는 작업 때문에 스마트폰이나 태블릿을 꺼리는 사용자들에게 있어 에너지 밀도가 300% 증가한 것은 '게임 체인저'나 다름 없다”고 말했다. 미리마는 "충전을 3배는 적게 할 수 있게끔 배터리를 설계하고 있다. 배터리 부족 때문에 일을 망치는 일이 없도록 하기 위해서이다"고 덧붙였다.

UC 리버사이드 대학은 이산화규소를 적용한 설계 구조에 특허를 출원했고, 이 기술을 테미즈 에너지 테크놀로지스(Temiz Energy Technologies)에 라이선싱했다. 동전 크기의 셀을 대상으로 테스트를 성공적으로 마쳤으며, 현재 대다수 스마트폰에서 사용되는 작은 주머니 크기의 배터리를 테스트할 계획을 갖고 있다.

2. 구조를 바꾼다
제록스 PARC 연구소 하드웨어 시스템 랩(Hardware Systems Lab)의 스콧 엘로드 부사장 또한 ‘지속적인 생산성을 보장받기 위해서는 모바일 기기의 배터리 구조를 근본적으로 바꿔야 한다’는 오즈칸 교수의 의견에 동의했다.

PARC의 연구원들은 이에 리튬 이온 배터리 제조 공정에 초점을 맞추고 있는데, 치약에서 아이디어 하나를 착안했다.



현재 배터리 기술에서는 리튬 이온이 평평한 소재 계층으로 구성된 음극과 양극 사이를 오간다. 엘로드는 “전극의 두께와 더불어 평평한 구조 때문에 리튬 이온이 충전 성능을 높일 수 있는 지점까지 깊이 들어가지 못한다”며, “그리고 이로 인해 충전이 필요할 때마다 전력 '낭비'가 발생한다”고 설명했다.

연구원들은 줄무늬 치약을 닮은 리본 모양의 양극과 음극으로 구성된 '공동 압출(Co-extrusion)'이라는 프로세스를 사용했다. 단일 소재를 하나의 층으로 구성하는 대신 리본처럼 소재들을 함께 배치한 구성이다. 이는 리튬 이온이 들어오고 나가는 통로 역할을 한다. 엘로드는 이런 구조가 “더 빠른 시간에 이온을 교체하고, 낭비도 줄인다”고 설명했다.

이런 식으로 역학을 바꾸면 소비자 기술의 배터리 수명이 20~30% 증가할 수 있다. PARC는 최초 태양 에너지 전지 셀에 '공동 압출' 프로세스를 적용한 후, 다른 배터리에도 적용할 수 있음을 입증했다.

3. 배터리 “밖”에서 해결책을 찾는다
오즈칸과 엘로드는 배터리 설계에 초점을 맞추고 있지만, 마이크로소프트의 챈드라는 OS와 애플리케이션 개발자들이 배터리 수명 연장에 더 큰 책임을 져야 한다고 강조한다.

챈드라는 "일부는 새로운 배터리 화학구조가 창조되기를 기다리고 있지만, 업계는 이런 태도를 버려야 한다. 대신 배터리 외의 혁신을 수용할 수 있는지 고려해야 한다"고 지적했다.

예를 들어, 마이크로소프트 리서치는 UC 샌디에고(University of California, Sand Diego)의 연구원들과 제휴해 스토리지 장치와 스토리지 관리 소프트웨어가 모바일 기기의 배터리에 미치는 영향을 조사하고 있다. 여기에는 개발자들이 자신의 애플리케이션이 어떤 방식으로 스토리지와 배터리를 사용하는지 평가하는데 도움이 되는 툴이 포함되어 있다.

연구원들은 몇몇 모바일 플랫폼을 대상으로 시험한 결과, 스토리지 하드웨어보다는 스토리지 소프트웨어가 최대 200배가 많은 에너지를 사용한다는 사실을 발견했다. 챈드라는 "하드웨어는 꽤 효율적이다. 반면 소프트웨어가 많은 에너지를 소비한다"고 지적했다.

모바일 앱에서 보안과 프라이버시 관련 요건들이 중요 요소인 것으로 밝혀졌다. 암호화를 구현시키면 읽기는 2.6배, 쓰기는 5.9배의 에너지가 소비된다. 또, 안드로이드에서 자바 등의 관리형 언어를 사용하는 애플리케이션도 많은 전원을 잡아 먹는다. 연구원들에 따르면, 윈도우 RT 시스템에서 관리자 환경에서 애플리케이션을 실행시키면 스토리지 시스템의 에너지 소모량은 12.6%~18.3% 정도다.

연구원들은 "많은 개발자들은 애플리케이션을 설계하면서, 모바일 플랫폼의 스토리지 시스템은 에너지를 크게 소비하지 않는다고 가정한다. 그러나 실험 결과 정반대임이 드러났다"고 말했다.

개발자들은 마이크로소프트의 EMOS(Energy Modeling for Storage) 시뮬레이터를 이용, 타임 스탬프 디스크 요청 시퀀스와 파일 시스템 캐시의 총 크기를 입력해 상세한 에너지 소비량을 파악할 수 있다. (읽기/쓰기, 크기 또는 캐시 등) I/O 종류 별로 에너지를 측정한다. 연구원들은 “EMOS의 정확도가 80%에 달한다”고 강조했다.

챈드라는 "분석과 이해, 모델링만으로는 배터리 수명을 크게 늘릴 수 없지만, 모바일 장치를 구성하는 요소들의 에너지 관련 정보를 파악할 필요가 있다"고 말했다. 이는 두 가지 이유에서 중요하다.

첫째, 구성요소가 예상하지 못한 정도의 에너지를 소비하는 등, 비정상적인 상태와 에너지 버그를 찾아 바로잡을 수 있다. 둘째, 전력 절약 알고리즘 도출에 도움을 준다.

마이크로소프트는 개발자들이 스마트폰이나 태블릿 앱의 에너지 소비량을 추정할 수 있으며, 많은 에너지를 소모하는 요소를 파악할 수 있는 비주얼 스튜디오(Visual Studio) 기반의 왓트온(WattsOn)이라는 툴을 공급하고 있다. 개발자들은 이를 이용해 앱의 에너지 '발자국'을 줄일 수 있다.