단지 몇 나노와트만 소비하는 프로토타입 센서가 개발됐다. 이 센서는 향후 안구의 압력(안압)을 읽어들여 그 정보를 저장, 전송할 수 있을 것으로 전망된다. 크기면에서는 단 1세제곱 밀리미터에 불과한 이 무선 컴퓨터 센서는 향후 녹내장을 앓는 사람들의 눈에 이식된다. 하루 24시간동안 안압을 읽어들여 의사에게 데이터를 전송하는 기능을 수행할 수 있다.

이 새로운 디바이스는 얇은 정방형 유리 안에 프로세서, 메모리, 압력센서, 태양전지, 박막 리튬 배터리, 그리고 송신기를 탑재하고 있다. 미국 미시간대 연구진들은 이 디바이스를 지난달 미국 샌프란시스코에서 열린 국제 고형 회로 컨퍼런스(International Solid-State Circuits Conference)에서 발표했다.

이 센서는 매 15분마다 압력을 읽어내 외부 기기에 데이터를 업로드할 수 있을 때까지 메모리에 정보를 저장해 둔다. 0.07 평방 밀리미터에 불과한 태양전지는 지속적으로 베터리를 충전한다. 태양빛에서는 1시간 반, 실내에서는 10시간이면 완전 충전된다.

미시간대의 전기공학자 데니스 실베스터(Dennis Sylvester) 박사는 “디바이스의 크기를 수축시키면서 드는 실제 난점은 회로의 크기가 아니라 배터리에 있는 전력을 각 부품에 공급할 수 있도록 만드는 것”이라고 말했다. 이에 따라 모든 부품은 가능한 적은 전력을 사용하도록 디자인됐다.

모든 부분이 가능한 적은 전력 사용하도록 디자인

논문의 공동저자인 미시간대 전자공학자 데이빗 브라우(David Blaauw) 교수는 원래 요구되는 전력량을 줄이기위해 연구자들이 해야하는 것보다 회로를 더 크게 만들 작정이었다. 더 작은 회로는 전류에 보다 취약할 수 있고, 더 큰 배터리가 필요해서 전체 패키지를 더 크게 만들어야 했다. 그래서 회로는 현대 표준인 32 나노미터를 쓰기 보다 180 나노미터로 보다 생산적인 특징을 가진 크기인 10년전 프로세서로 만들어졌다. 전선의 굵기가 가늘수록 저항계수가 높아져 전력량이 더 많이 소요되기 때문이다.

반면, 메모리 소자는 일반적인 1볼트 대신에 단지 약 400밀리볼트의 전압에서 구동될 수 있도록 재설계 해야했다. 연구자들은 또한 디바이스가 쉬고 있을 때 거의 완벽하게 전류를 끌 수 있는 특별한 전압게이트 트렌지스터를 사용했다.

이렇게 만든 결과, 센서는 평균적으로 단지 5.3 나노와트의 전력만을 사용한다. 그러나 전압 절약에는 비용이 따랐다. 프로세서는 단지 100킬로헤르쯔의 성능만을 낼 수 있는데, 이는 최근의 스마트폰의 프로세서가 1 기가헤르쯔 정도인 것과 크게 비교된다. 메모리는 단지 4천 비트 용량밖에 안된다. 그리고 무선 전송기는 단지 10센티미터 범위에서만 데이터 전송이 가능하다. 그럼에도 이 디바이스는 안압을 읽어들이고 이를 여러날동안 저장하는데는 충분한 성능을 발휘할 수 있을 것으로 예상된다.

이 디바이스에 대한 발표와 별개로 같은 컨퍼런스에 등장한 논문 중, 미시간대학의 전자공학자 데이비드 원츠로프(David D. Wentzloff)는 보다 개선된 미니어쳐 라디오(전파 송수신기)를 발표했다. 이 라디오를 활용하면 작은 센서의 무선 전송 범위를 확대시켜 이들 간 네트워크를 구성할 수 있다.

보안, 군사 등 활용범위 광범위

라디오들은 보통 수정 크리스탈이나 무선 주파수를 설정할 수 있는 다른 발진기 등을 사용한다. 그러나 발진기는 벌크를 추가해 전파를 밀리미터 크기로 축소시키기 어렵게 만든다. 그러나 윈츠로프의 라디오는 모든 안테나가 그 전파의 상에 맞게 변화하는 자연의 공진 주파수를 활용한다. 원츠로프는 공진 주파수를 측정하는 회로를 개발했고, 이를 활용해 라디오 주파수를 조정하는데 활용했다. 그는 궁극적으로 이 작은 라디오가 1~10미터로 송수신 범위에서 각 송수신기간 통신을 할 수 있게 하는 네트워크를 만들 수 있을 것으로 본다.

1세제곱밀리미터 정도의 크기로 된 이 작은 센서는 종양의 진행을 추적하는 등 의학용 모니터용으로 활용될 수 있다. 이는 또 오염물질에 대한 환경 모니터로 사용될 수도 있고 보안용 기기나 군사용 수색에도 활용될 수 있어 활용범위가 대단히 광범위하다.