"스마트폰 배터리 안 커진다"…해결사 'ET'

[아이뉴스24 김문기기자] 스마트폰 디스플레이 크기가 6인치 안팎으로 정형화되면서 탑재할 수 있는 배터리 용량도 제한되고 있다. 이에 따라 전력효율을 높일 수 있는 대체 기술이 요구되고 있다. 그 중 엔벨롭 트래킹(Envelope Tracking) 솔루션이 부상하고 있다.

웨인 램 IHS마킷 모바일 디바이스&네트워크 수석 애널리스트와 브래드 쉐퍼 IHS마킷 모바일 디바이스&네트워크 시니어 애널리스트는 28일(현지시간) 보고서를 통해 스마트폰의 전력효율을 높이는 엔벨롭 트래킹(ET) IC가 배터리 수명과 관련해 모바일 생태계에 또 다른 이점을 제공한다고 강조했다.

이 분석가들은 "비디오 및 카메라, 내비게이션 기반 애플리케이션과 커져가는 화면 크기, 그에 따른 활동이 늘어남에 따라 모바일 디바이스의 배터리 수명에 대한 스트레스가 증가하고 있다"고 설명했다.

통상적으로 배터리 수명에 가장 많은 영향을 주는 요소는 디스플레이가 꼽힌다. 배터리 사용 이력을 살펴보더라도 디스플레이가 가장 많은 전력을 소모하는 것으로 나타난다. 화면 크기가 더 커지고, 해상도가 늘어남에 따라 필요한 전력량도 늘어난다. 스마트폰 대비 화면이 더 큰 태블릿이 더 많은 용량의 배터리를 탑재함에도 불구하고 비슷한 지속시간을 갖는 이유 중 하나이기도 하다.

스마트폰의 화면크기는 근미래에 5.5인치에서 6인치 안팎을 유지할 가능성이 크다. 스마트폰의 크기도 이에 맞게 고정화된다. 여유 공간은 배터리 보다는 다양한 기능을 위한 부품들이 자리잡게 된다. 물리적인 배터리 크기는 크게 많아지지 않을 뿐더러 오히려 줄어들 수 있다.

디스플레이 측면에서도 전력효율을 높이기 위한 여러 방법이 도입되고 있다.

예를 들어 애플은 지난해 출시한 아이패드 프로에 옥사이드 TFT 패널을 적용했다. 비정질실리콘 대비 전자이동도가 빨라 전력효율이 올라간다. 타이밍 컨트롤러를 직접 설계하기도 했다. GPU와 디스플레이를 연결해주는 역할을 담당한다. 각각의 픽셀이 어떻게 구동돼야 하는지를 알려준다.

보통 백라이트 광량을 키워 밝기를 높이는데, 이런 방식은 전력소모량을 증가시킨다. 애플은 픽셀 사이사이를 채우고 있는 검정색 마스킹을 줄여 백라이트 불빛이 더 많이 노출될 수 있도록 했다. 모바일 운영체제(OS)인 iOS도 이를 돕는다. 가변재생률을 활용한다. 통상적으로 디스플레이는 1초에 60번 정도를 깜박이는데, 정지화면일 경우 깜박임 수를 30번으로 낮추면서 전력을 아끼는 방식을 택했다.

디스플레이만큼 많은 전력을 필요로 하는 구간은 RF프론트엔드(RFFE) 부문이다. RFFE는 RF트랜시버와 안테나 사이에 위치한 중요 부품 집단이다. 주로 전력증폭기, 저잡음증폭기, 스위치, 듀플렉서, 필터 및 기타 여러 구성 요소들이 붙는다.

웨인 램과 브래드 쉐퍼 애널리스트는 "스마트폰와 배터리 수명 중 15%에서 40%는 RF프론트엔드에 쓰인다. RFFE의 전력증폭기가 에너지를 지속적으로 소모한다"고 설명했다.

RFFE는 낮게는 수백MHz에서 높게는 수GHz 주파수 대역을 커버하면서 저주파 대역으로 변조시키거나 그 반대로 쏴주기도 하는 등 쉬지않고 전력을 잡아 먹는다. 최근에는 취급하는 주파수 대역이 다양해지고 안테나 수도 늘어나면서 전력소모량도 오르고 있다. 빠른 속도를 지원한다는 사실은 디스플레이를 더 역동적으로 사용함을 의미하기도 한다.

엔벨롭 트래핑(ET) 솔루션은 전력 증폭기의 입력 전압을 동적으로 조정해 RFFE의 전력효율을 높이는 기술이다. 증폭기에 인가된 전압을 조절해 필요한 순간에만 전력을 공급함으로써 전력을 아끼는 방식이다.

지난 2013년 퀄컴이 스냅드래곤에 엔벨롭 트래킹 칩을 적용하는데 성공했다. 대표적인 ET 솔루션 적용 스마트폰은 삼성전자 갤럭시노트3와 애플 아이폰6, 구글 넥서스5 등이 포함된다. 초기 프리미엄 스마트폰에 주로 탑재됐으나 현재는 중급형 라인업까지 보급화됐다.

웨인 램과 브래드 쉐퍼 애널리스트는 “ET IC의 중요성은 시간이 지남에 따라 커졌으며, 5G 스마트폰 시대가 가까워짐에 따라 핵심으로 부상할 것”이라며, “경쟁 기술인 평균전력추적(APT) 보다 ET는 30% 더 향상된 성능과 전력 효율성을 구현할 수 있다”고 소개했다.

APT 또한 전력증폭기와 함께 쓰여 효율적은 전력전달을 도모한다. 출력 수준이 비교적 낮은 상황에서 전력 효율을 높여준다. ET의 경우 APT와 비슷한 전력을 소비하지만 고출력 상황에서 빛을 발한다.

예를 들어 올해 미국 이통사 스프린트는 삼성전자 갤럭시S8을 통해 고출력장비(HPUE) 기술을 구현할 수 있다고 밝힌 바 있다. 기존 UE가 23dBm을 송출할 수 있지만 HPUE는 최대 31dBm까지 출력을 높일 수 있다. 이에 따라 LTE 커버리지는 더 넓어진다. 스프린트는 HPUE를 통해 기존 2.5GHz 주파수 대역의 서비스 범위에서 26dBm 송출을 통해 최대 30%까지 커버리지가 확장될 수 있다고 강조했다.

이러한 고출력 솔루션에서 ET가 탁월한 전력효율을 기록할 수 있도록 돕는다. 또한 발열을 통해 전력이 낭비되는 상황에서도 ET는 일정 온도를 유지시켜 전력을 아낄 수 있도록 지원할 수도 있다. 엔드 사용자뿐만 아니라 네트워크 운영자, 스마트폰 제조업체까지 이득을 볼 수 있는 솔루션이다.

IHS마킷에 따르면 ET IC 기반 스마트폰 출하량은 지난 2015년 4억1천100만대에서 오는 2021년에는 7억7천400만대로 증가할 전망이다. 연평균성장률(CAGR) 10%를 나타낸다. 즉, 오는 2021년에 출하되는 스마트폰 중 42%가 ET IC를 장착할 것으로 예상된다.

웨인 램과 브래드 쉐퍼 애널리스트는 "5G 주파수 대역 중 일부는 2.5GHz 보다 높은 대역에 위치해 있다. 전력출력도 높아져야 한다. ET를 사용하면 높은 피크 대 평균 전력 비율을 얻을 수 있다. 미래 스마트폰이 적절한 전력 효율을 유지하면서 5G 기능을 사용하기 위해, 최종 사용자에게 허용 가능한 배터리 수명을 제공하기 위해 ET 솔루션이 필요하다"고 강조했다.

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