5천만 전자 펄스로 1년 이상 자가 구동 센서 작동 가능

단 5천만 개의 전자로 점프스타트하면 센서가 1년 넘게 스스로 전력을 공급할 수 있습니다.

세인트루이스 워싱턴 대학교 연구팀(샨타누 차크라바티 교수 주도)은 '터널링(tunneling)'으로 알려진 양자 효과를 활용하여 자가 구동 센서를 만들었습니다.

복잡한 물리학에 의존하는 장치치고는 구조가 다소 단순합니다. 필요한 구성 요소는 커패시터 4개와 트랜지스터 2개뿐입니다.

이 6개 부품으로 차크라바티 팀은 각각 커패시터 2개와 트랜지스터 1개로 구성된 두 개의 역학 시스템을 구축했습니다. 커패시터는 각각 약 5천만 개의 전자만큼의 작은 초기 전하를 보유합니다.

5천만 전자는 장치 초기화 단계에서 프로그래밍됩니다.

장치에는 일종의 작은 분할 장벽도 포함됩니다. 두께가 100원자 미만인 '파울러-노르드하임 터널링 장벽(Fowler-Nordheim tunneling barrier)'이 커패시터 판과 반도체 물질 사이에 위치합니다. 센서는 전자 흐름을 더 잘 제어하기 위해 경계를 조정함으로써 오랜 기간 스스로 전력을 공급할 수 있습니다.

"분당 1개 전자 수준으로 합리적으로 느리게 만들면서도 신뢰성을 유지할 수 있습니다."라고 차크라바티 교수는 말했습니다.

이 속도면 역학 시스템이 배터리 없이 1년 이상 시계 장치처럼 작동합니다.

주변 움직임을 측정하기 위해 미세한 압전 가속도계를 센서에 연결했습니다. 연구자들은 가속도계를 기계적으로 흔들어 움직임을 전기 신호로 변환했습니다.

신호는 장벽의 모양을 바꾸고, 양자 물리학 법칙 덕분에 장벽을 통과하는 전자 비율을 변화시킵니다.

간단히 말하면, 전자는 장벽을 넘어가지 않고 양자 터널링으로 그대로 통과합니다.

특정 수의 전자가 장벽을 터널링할 확률은 장벽 크기의 함수입니다. 차크라바티 교수는 테크 브리프에 "모래시계와 비슷합니다."라고 설명했습니다.

5천만 개의 전자 각각은 모래 알갱이처럼 터널링 장벽의 좁은 관을 통해 쏟아집니다. 변환 신호가 관의 직경을 제어합니다. 따라서 큰 신호가 변환되면 관이 확대되고 더 많은 전자가 장벽을 통과합니다.

"일정 시간 후 위쪽 챔버에 남은 총 '모래', 즉 전자를 측정하면 변환 신호의 총 평균 에너지를 추정할 수 있습니다."라고 차크라바티 교수는 말했습니다.

실험 후 연구팀은 센싱 및 레퍼런스 시스템 커패시터의 전압을 모두 읽었습니다. 두 전압의 차이를 사용하여 변환기로부터 실제 측정값을 찾고, 센서가 생성한 총 에너지를 결정했습니다.

"현재 플랫폼은 범용입니다."라고 차크라바티 교수는 말했습니다. "어떤 트랜스듀서를 장치에 결합하느냐에 달려 있습니다. 전기 신호를 생성할 수 있는 트랜스듀서가 있는 한 우리 센서-데이터-로거를 자가 구동할 수 있습니다."

팀은 언젠가 신경 활동 기록이나 인체 내 포도당 수치 모니터링 등 다양한 응용 분야에 센서를 사용할 수 있기를 희망합니다.

아래 짧은 Q&A에서 차크라바티 교수는 자가 구동 기술에 대한 아이디어를 공개합니다.

테크 브리프: 간단히 말하면, 어떻게 작은 초기 에너지 입력만으로 센서가 1년 동안 작동하게 하나요? 전자 흐름 제어에 관한 것인가요?

샨타누 차크라바티 교수: 네, 전자 흐름 제어가 전부입니다. 우리는 처음에 부유하는 아일랜드(floating-island)에 약 5천만 개의 전자를 프로그래밍합니다. 그런 다음 파울러-노르드하임(FN) 양자 터널링을 활용하여 이 아일랜드에서 전자가 새어 나가는 비율을 제어합니다. 이 경우 전자 누출 비율은 초당 몇 개에서 분당 1개까지 다양합니다. 이 연구에서 흥미로운 개념은 전자가 그렇게 느린 속도로 새어 나가더라도 FN 터널링의 물리학이 어떻게 두 장치를 매칭할 수 있게 하는가입니다.

테크 브리프: 이 작은 초기 에너지 입력에 초점을 맞추고 싶습니다. 나무에서 사과를 따는 데 필요한 에너지, 즉 그 '작은 초기 에너지 입력'은 무엇인가요? 어디서 오며 얼마나 필요한가요?

샨타누 차크라바티 교수: 초기 에너지는 부유하는 아일랜드에 전자를 퇴적시키는 데 필요합니다. 이는 제조 또는 초기화 중에 수행할 수 있습니다. 한 장치당 초기 에너지는 단 10피코줄(picoJoules)입니다. 이 에너지는 많은 메모리에서 비트 하나를 쓰는 데 소모되는 에너지와 동일합니다. 일단 이 초기 전자 수가 퇴적되면 양자 터널링의 물리학이 맡아서 장치는 작동에 추가 에너지가 필요하지 않습니다. 센싱을 위한 모든 에너지는 포도당 센서나 압전 센서 같은 트랜스듀서에서 나옵니다.

테크 브리프: 그 에너지를 효과적으로 센서 구동에 사용하도록 제어하는 데 가장 큰 과제는 무엇인가요?

샨타누 차크라바티 교수: 장치의 초기 전력 공급은 전자를 퇴적시킬 수만 있으면 장치가 스스로 보정하므로 문제가 아닙니다. 가장 큰 과제는 센싱 측면에서 우리 장치가 에너지를 우리 장치에 결합할 수 있는 소스라면 모든 것을 포착할 수 있다는 점입니다. 그래서 민감성이 대가를 치르는데, 그래서 우리는 환경 아티팩트를 보상하기 위해 차동 아키텍처를 사용합니다. 다른 과제는 장치 판독입니다. 장벽을 터널링하는 전자가 몇 개뿐이므로 판독해야 하는 전압 변화가 마이크로볼트(microvolts) 수준입니다.

테크 브리프: 이 자가 구동 센서로 구상하는 가장 흥미로운 응용 분야는 무엇인가요?

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샨타누 차크라바티 교수: 이것은 플랫폼 기술이라 광범위한 센싱 응용 분야에 적용할 수 있습니다. 그러나 우리가 보고하는 전력/에너지 수준에서는 생물학적 세포가 이제 우리 센싱 장치를 자가 구동할 수 있습니다.

우리는 이 센서들을 생물체의 뇌 신경 활동을 기록하는 데 사용하려 시도해 왔습니다. 뇌 내부의 전기 활동이 장치에 전력을 공급하는 것입니다. 이것이 원래 이 프로젝트에 자금을 지원한 미국 국립보건원(NIH) 연구 보조금의 초점이었습니다.

따라서 이 장치는 뇌에 꽂는 USB 메모리 스틱처럼 작동하며, 뇌는 전원 역할도 합니다. 우리는 이 장치의 여러 복사본을 가질 수 있습니다(사실 단일 칩에 수백만 개를 통합할 수 있음). 이들은 신경 활동을 감지하고 저장합니다. 우리가 해결하려던 과제는 칩을 회수하고 저장된 정보를 측정한 후 어떻게 이벤트를 재구성할 것인가입니다.

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