스마트폰은 일상 생활에서 없어서는 안 되는 상품이 되었습니다. 업무용이든 개인용이든 이 기기로 온갖 종류의 일을 처리합니다. 스마트폰에 대한 의존성이 커지면서 그 기능과 성능이 매일 더 강력해지고 있습니다. 강력한 프로세서, 더 많은 저장 용량, 고성능 카메라 같은 기능을 보고 스마트폰을 구입합니다.
운영체제와 별도로 소비자들은 스마트폰에서 사용되는 센서와 처리 능력이 서로 다른 다양한 애플리케이션도 사용할 수 있습니다. 이 모든 프로세스가 작동하려면 전원이 필요한데 모바일 기기의 전원은 배터리입니다. 프로세스가 계속 작동하려면 배터리를 수시로 충전해야 합니다. 따라서 스마트폰을 선택하는 중요한 기준 중 하나가 긴 배터리 수명입니다. 배터리 수명 최적화와 관련된 기술은 스마트폰 산업의 기타 수직 부문과 같은 속도로 개발되지 않았습니다.
스마트폰의 배터리 수명 연장에는 하드웨어와 소프트웨어 기술이 모두 관여해야 합니다. 하드웨어를 바꾸어 더 큰 배터리 설치할 수도 있겠지만 그러면 스마트폰 크기도 커질 것입니다. 효율이 좋은 전력 관리 장치와 전력 효율이 좋은 집적 회로(IC)를 설계하는 것이 타당한 해법입니다. 그리고 운영체제의 소프트웨어를 개선해 배터리 집약적 애플리케이션을 관리하고 가용 배터리를 지혜롭게 사용하는 것도 이 문제를 해결할 수 있는 방법입니다. 이 글에서는 스마트폰의 배터리 수명을 최적화하는 소프트웨어와 하드웨어 기술에 대해 이야기합니다.
소프트웨어 전력 관리 기술
처리 능력이 더 크고 인터넷 연결이 더 빠른 최신형 스마트폰에 대한 인기가 엄청나게 커지면서 Android와 iOS 둘 다 데이터 및 하드웨어 집약적 애플리케이션 수도 증가했습니다. WhatsApp, Instagram, Skype 등과 같은 애플리케이션은 CPU 자원만 필요할 뿐만 아니라 인터넷도 상시 연결되어 있어야 합니다. 연구 결과 인터넷 사용이 유휴 상태에서 전력 소모량의 약 62%를 차지하는 것으로 밝혀졌습니다. 그리고 소규모 데이터 패킷이 자주 교환되는 3G/4G가 Wi-Fi보다 배터리를 더 많이 소모합니다.
데이터 압축, 패킷 응집, 배치 스케줄링 같은 소프트웨어 기술을 사용해 배터리 수명을 최적화할 수 있습니다. 스마트폰에서 서로 다른 애플리케이션에 의한 무작위 데이터 전송으로 배터리가 더 많이 소모되므로 배치 스케줄링 방식을 사용하면 절전 모드 시간을 최대화하고 애플리케이션에 의한 데이터 반복 전송에 따른 절전 모드 해제 주기를 최소화할 수 있습니다.
3G/4G에서 Wi-Fi로 데이터를 오프로딩하는 것도 배터리 수명을 효과적으로 개선할 수 있는 방법입니다. Wi-Fi는 3G/4G보다 데이터 전송 효율이 좋기 때문입니다. 또 다른 소프트웨어 기술은 CPU 집약적 소프트웨어 같은 고도의 컴퓨팅 작업을 컴퓨팅용 클라우드로 오프로딩하는 것입니다. 이 방법을 사용해 Office 365와 MATLAB 같은 소프트웨어를 모바일 기기에서 작동할 수 있지만 이 경우 클라우드와 기기 사이의 통신에 많은 비용이 듭니다. ASP(Application State Proxy)도 한 방법입니다. 이것은 CPU 자원과 인터넷 데이터를 모두 사용하는 배경 애플리케이션을 억제하고, 다른 기기로 옮겼다가 필요할 때만 기기로 불러오는 방법입니다.
하드웨어 전력 관리 기술
이러한 모바일 기기가 스마트한 이유는 스마트폰에 내장된 다양한 시스템, 칩, 프로세서, 센서가 동시에 작동하기 때문입니다. 각 하드웨어 장치가 작동할 때 전력이 소모됩니다. 이 모든 전자 모듈 중에서도 송수신기 모듈이 전력을 가장 많이 소모하는데 그 이유는 들어오는 패킷을 수신하기 위해 장시간 활성 상태를 유지하기 때문입니다. 이러한 패킷의 데이터 전송을 최적화하는 다양한 소프트웨어 기술에 대한 논의가 이루어지고 있습니다. 디지털 신호 처리 장치(DSP)는 이러한 송수신기 모듈의 핵심 구성품으로, 멀티미디어 용도에 필요한 대량의 데이터를 처리합니다. 이러한 DSP의 공급 전압을 줄일 때 전력 소모를 바로 줄일 수 있습니다.
스마트폰 DSP가 통화 시에는 저전력, 고처리량 배율 집적(MAC) 방식으로 작동하고 대기 시간에는 저전력으로 간헐적으로 작동할 때 배터리 수명이 길어집니다. 1V 다중 문턱 CMOS 회로는 단순한 병렬 아키텍처를 갖고 있고, 전력 공급 제어에 적합한 수정된 DFF와 함께 사용되는 내장 프로세서를 사용해 전원을 관리하기 때문에 이러한 요구사항을 충족할 수 있습니다.
이미지 제공: Electronics Maker
프로세서 및 송수신기와 더불어 배터리 전력을 많이 소모하는 것이 스크린입니다. LED 스크린은 배면광이 있어야 하기 때문에 전력을 더 많이 소모하므로 OLED 같이 전력이 덜 드는 전력 효율적인 디스플레이로 교체할 수 있습니다. OLED는 LED나 LCD 디스플레이와 달리 배면광이 필요 없으며 OLED의 각 픽셀 자체에 컬러와 빛이 포함되어 있습니다. 따라서 OLED의 검은색 이미지는 완전한 검은색이지만 LED와 LCD는 그렇지 않습니다.
연구 결과 시간이 흐르면서 배터리 수명이 저하되는 것은 배터리의 그래파이트 애노드 박리를 방지하는 용도로 사용되는 바인더인 PVDF(폴리 비닐리덴 플루오라이드)가 원인일 수도 있는 것으로 확인되었습니다. 전도성이 없는 PVDF는 점착성이 낮아 전해액에 녹습니다. 새로운 n형 공액 공중합체인 BP(Bis-imino-acenaphthenequinone-paraphenylene) 바인더도 제안된 바 있는데 이것은 일반 PVDF 계열 바인더보다 성능이 좋고, 배터리 수명을 연장시키며, 배터리 노후화에 따른 열화를 방지합니다.
연구자들은 스마트폰에서 다양한 애플리케이션을 구동할 때 프로세서와 입력/출력 소자의 다양한 매개변수에 관한 정보를 수집하는 동적 전력 관리 장치(PMU)도 제안합니다. PMU는 수집된 정보를 토대로 예측 전력 인식 관리 체계를 제안합니다.
스마트폰 전력 관리의 전망
스마트폰 산업의 처리 능력과 기타 기능이 발전하는 속도가 배터리보다 훨씬 빠릅니다. 현재 연구자들은 하드웨어뿐만 아니라 소프트웨어를 이용해 가용 배터리 에너지를 효율적으로 관리할 수 있는 전력 관리 기술에 집중하고 있습니다. 이 글에서 이야기한 다양한 기법은 전도 유망한 기술로서, 스마트폰의 배터리 수명을 몇 배로 늘리기 위한 목적으로 사용되고 있습니다.