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전기 기술자들은 최첨단 기술보다 628 배 낮은 전력과 1 와트 (Watt)보다 약 100 억 배 작은 113pW의 전력으로 작동하는 온도 센서를 개발했다. 이 거의 제로 전력 온도 센서는 신체 온도, 스마트 홈 모니터링 시스템, 사물의 인터넷 장치 및 환경 모니터링 시스템을 모니터하는 웨어러블 또는 이식 장치의 배터리 수명을 연장시킬 수 있다. 이 기술은 신체 또는 주변 환경과 같은 저전력 소스로부터 에너지를 수확함으로써 강화될 수 있는 새로운 종류의 장치를 가능하게 할 것이라고 연구원이 말했다. 이 연구 결과는 Scienctific Reports ('Near-Zero-Power Temperature Sensing via Tunneling Currents Through Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistors')에 발표되었다. 연구팀의 목표는 웨어러블 장치를 눈에 잘 띄지 않게 만드는 것으로, 사용자는 웨어러블 소자를 착용하고 있다는 사실을 깨닫지 못하게 한다. 새로운 제로 파워 (zero-power) 기술은 향후 배터리를 교체하거나 재충전할 필요성을 제거할 것이다. 연구팀은 아주 작은 배터리로 몇 년 동안 잠재적으로 실행할 수 있는 저전력 요구 사항을 가진 시스템을 구축하고 있다. 초 저전력 소형 전자 장치를 만드는 연구에서 중요한 부분은 전체 시스템의 전력 요구량을 줄이기 위해 집적 회로의 개별 부품의 에너지 효율성을 높이는데 초점을 맞추고 있다. 한 가지 예가 의료 기기 또는 스마트 온도 조절장치에서 볼 수 있는 온도 센서이다. 최첨단 온도 센서의 전력 요구량은 수십 나노 와트로 낮아졌지만 최근 개발한 장치의 전력은 겨우 113 피코 와트 (628 배 낮은 전력)이다. 이들의 새로운 접근 방식은 전류 소스와 온도를 디지털 판독 값으로 변환하는 두 영역에서 전력을 최소화하는 것을 포함한다. 연구자들은 '게이트 누설' 트랜지스터, 즉, 전자 장벽이나 게이트를 통해 흐르는 작은 레벨의 전류 트랜지스터를 사용하여 초 저전력 전류 소스를 만들었다. 트랜지스터는 일반적으로 전자의 흐름을 켜고 끌 수 있는 게이트를 가지고 있다. 그러나 현대 트랜지스터의 크기가 계속 줄어들면서 게이트 재료가 너무 얇아 져서 전자가 새어 나가는 것을 더 이상 차단할 수 없으며 양자 터널링 효과라고 알려진 현상이 발생한다. 게이트 누설은 마이크로 프로세서 또는 정밀 아날로그 회로와 같은 시스템에서 문제가 되는 것으로 간주된다. 여기에서 연구원들은 그것을 활용하고 있다. 그들은 회로에 동력을 공급하기 위해 이러한 극소량의 전자 흐름을 사용하고 있다. 많은 연구자들이 누설 전류를 없애려고 노력하고 있지만, 연구팀은 초저전력 전류 소스를 구축하기 위해 이를 이용하고있다. 이러한 전류 소스를 사용하여 연구원들은 전력을 적게 사용하여 온도를 디지털화하는 방법을 개발했다. 이 프로세스는 일반적으로 저항을 통해 전류를 통과시켜야 한다. 저항은 온도에 따라 변하고 그 다음 결과 전압을 측정한 다음 고전력 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 해당 전압을 해당 온도로 변환해야 한다. 연구자들은 온도를 직접 디지털화하고 전력을 절감하는 혁신적인 시스템을 개발했다. 이 시스템은 두 개의 초 저전력 전류 소스로 구성된다. 하나는 온도에 관계없이 일정 시간 동안 커패시터를 충전하고, 다른 하나는 온도에 따라 변화하는 속도로 충전한다. 저온에서는 느리게, 고온에서는 더 빠르게 충전된다. 온도가 변함에 따라 온도에 의존하는 전류 소스가 고정 전류 소스와 동일한 시간 내에 충전되도록 시스템이 조정된다. 빌트인 디지털 피드백 루프 (feedback loop)는 온도에 의존하는 전류 소스를 다른 크기의 커패시터에 다시 연결함으로써 충전 시간을 동일하게 한다. 이 커패시터의 크기는 실제 온도에 직접 비례한다. 예를 들어, 온도가 떨어지면 온도에 의존하는 전류 소스가 더 천천히 충전되고, 피드백 루프는 특정 디지털 판독을 지시하는 더 작은 커패시터로 스위칭하여 보상한다. 온도 센서는 0.15 × 0.15 평방 밀리미터의 작은 칩에 통합되어 있다. 그것은 섭씨 영하 20도에서 40도까지의 온도에서 작동한다. 한 가지 단점은 센서가 초당 약 1 회의 온도 업데이트 응답 시간을 가지며 기존 온도 센서보다 약간 느리다는 것이다. 그러나 이 응답 시간은 온도가 급격하게 변동하지 않는 인체, 가정 및 기타 환경에서 작동하는 장치에 충분하다고 연구자들이 전했다. 앞으로 이 팀은 온도 센서의 정확성을 향상시키기 위해 노력하고 있다. 또한 팀은 상용 장치에 성공적으로 통합될 수 있도록 디자인을 최적화하고 있다. |
