냉장고를 열면 스마트폰 앱이 어떤 품목이 며칠 안에 유통기한 만료인지 즉시 알려준다고 상상해보자. 무척 편리할 것이다. 이 기술은 캘리포니아 대학교 샌디에고 (University of California San Diego) 연구팀이 개발한 신기술을 응용한 프로그램 중 하나에 불과하다.

2023년 IEEE 국제 고체회로 컨퍼런스(International Solid-State Circuits Conference)에서 발표된 이 기술은 제품 패키지에 통합된 칩과 스마트폰 내 소프트웨어 업데이트를 결합하는 것이다.

스마트폰은 칩이 블루투스 혹은 와이파이(Wi-Fi) 주파수에서 방출하는 신호를 기반으로 물체를 식별할 수 있게 된다. 산업 환경에서 이는 소프트웨어 업데이트가 장착된 스마트폰이 RFID 판독기로 사용될 수 있음을 의미한다.

이 기술은 후방산란(backscatter) 통신이라는 혁신을 활용한다. 즉, 스마트폰에서 이미 생성된 신호를 사용하여, 스마트폰이 이해할 수 있는 형식으로 다시 리디렉션하는 것이다. 이 기술은 실질적으로 최신 기술보다 1000배 적은 전력을 사용하여 와이파이 신호를 생성하는 데, 이러한 개선과 진보로 인해 온바디(on-body) 센서 또는 자산 추적기(asset trackers)와 같은 애플리케이션이 이미 가능해졌다. 자산 추적기란 트럭, 유조선, 컨테이너, 농기구, 건설 장비 등의 원격 추적, 모니터링 및 관리를 가능하게 한다.

대략적으로 모래 알갱이 크기에 몇 푼 들지 않는 비용으로 제조되는 ‘맞춤형 칩’은 소비 전력을 거의 필요로 하지 않는데, ‘RF 에너지 하베스팅’으로 불리는 기술, 즉, LTE 신호에 의해 필요한 전력을 거의 다 공급받을 수 있다. 칩은 블루투스 전송을 와이파이 신호로 변환하여 특정 소프트웨어 업데이트가 있는 스마트폰에서 감지할 수 있다.

이 혁신은 최초의 후방산란 집적 회로에 해당하는 데, 이 회로로 인해 단일 모바일 장치로부터 발생하는 무선 통신 및 배터리 프리 작동이 가능하다. 그리고 이러한 접근 방식은 RFID와 같은 방식으로 전력을 공급하고 통신을 가능하게 하는 강력하고 저렴하며 확장 가능한 방식의 문을 열었다. 여기에서 스마트폰은 단지 신호를 읽고 전력을 공급하는 장치로만 사용된다.

이 기술의 더 큰 가능성은 LTE 신호로 전력을 수확할 수 있기 때문에 배터리가 필요하지 않은 장치를 개발할 수 있다는 점이다. 즉, 지금보다 훨씬 더 저렴하고 수십 년 동안 지속되는 장치를 개발할 수 있다.

샌디에고 연구팀은 LTE 스마트폰 신호에서 전력을 수집하고 이 전력을 에너지 저장 장치에 버퍼링함으로써 이러한 돌파구를 달성했다. 이는 역으로 블루투스 신호들을 감지하는 수신기를 활성화시키고, 이후 이 신호들은 반사된 와이파이 신호로 변형된다. 소프트웨어 업데이트는 블루투스 신호를 보다 쉽게 와이파이 신호로 전환할 수 있도록 변환해주는 역할을 수행한다.

대부분의 저전력 무선 통신에는 맞춤형 프로토콜이 필요하다. 하지만 연구팀이 개발한 장치는 블루투스, 와이파이, LTE와 같은 일반적 통신 프로토콜을 사용한다. 스마트폰에는 블루투스 송신기와 와이파이 수신기가 모두 탑재돼 있기 때문이다. 현재 이 기술로 제작되는 장치의 가용 범위는 1미터이고 크기는 0.5제곱인치, 제조비는 불과 몇 센트에 불과하다.

- THE UNIVERSITY OF CALIFORNIA SAN DIEGO, February 21, 2013, “Breakthrough Enables Battery-Free Smart Tag Technology,” by Iona Paringenaru, et al. © 2023 Regents of the University of California. All rights reserved.

Imagine that when you open your fridge, an app on your phone immediately lets you know which items will expire within a few days. This is one of the valuable applications of a new technology developed by engineers at the University of California San Diego.

This technology presented at the 2023 IEEE International Solid-State Circuits Conference combines a chip integrated into product packaging and a software update on your phone. The phone becomes capable of identifying objects based on signals the chip emits at Bluetooth or Wi-Fi frequencies. In an industrial setting, this means that a smartphone equipped with the software update could be used as an RFID reader.

The work harnesses breakthroughs in backscatter communication. It uses signals already generated by a smartphone and re-directs them back in a format your phone can understand. Effectively, this technique uses 1000-times less power than state-of-the-art techniques to generate Wi-Fi signals. Already, these advances have enabled applications such as on-body sensors or asset trackers.

The custom chip, which is roughly the size of a grain of sand and costs only a few pennies to manufacture, needs so little power that it can be entirely powered by LTE signals, a technique called RF energy harvesting. The chip turns Bluetooth transmissions into Wi-Fi signals, which can in turn be detected by a smartphone with that specific software up-date.

This breakthrough represents the first backscatter integrated circuit that can enable wireless communication and battery-free operation coming from a single mobile device.

This approach enables a robust, low-cost and scalable way to provide power and enable communications in an RFID-like manner, while using smartphones as the devices that both read and power the signals.

The technology’s broader promise is the development of devices that do not need batteries because they can harvest power from LTE signals instead. This in turn would lead to devices that are significantly less expensive and last up to several decades.

The researchers achieved this breakthrough by harvesting power from LTE smartphone signals and buffering this power onto an energy storage capacitor. This in turn activates a receiver that detects Bluetooth signals, which are then modified into reflected Wi-Fi signals.

The software update is simply a bit sequence that turns the Bluetooth signal into something that can be more easily turned into a Wi-Fi signal.

In addition, most lower power wireless communications require custom protocols, but the device the researchers developed relies on common communication protocols: Bluetooth, Wi-Fi and LTE. That’s because smartphones are equipped with both a Bluetooth transmitter and a Wi-Fi receiver.

The device currently has a range of one meter, is half a square inch in size, and costs just a few cents to manufacture.

The team hopes to commercialize the device, through a startup or an industry partner.