23-무선전력전송.김주성23.

MIT 선정 2008 유망기술 : (10)무선 전력 전송
■ 개발자 - Marin Soljacic, MIT
■ 정의 - 무선 전력 전송 기술은 케이블 없이 전력을 각종 기기로 전송하는 것이다.
■ 영향 - 휴대폰, MP3 Player, 랩탑 등 저 전력 장치는 무선 전력원 범위 안에 있으면 간단하게 자동으로 충전이 가능하여, 케이블을 없애고 아마도 궁극적으로는 배터리도 없어질 것이다.
■ 연구배경 - 전력선 코드를 제거하여 현재의 유비쿼터스용 휴대용 전자기기를 무선으로 만들게 되었다. 많은 연구원과 창업 회사는 이 분야의 성장을 이끌고 있다.

Maric Soljacic는 무선 전력 전송 시대를 위해 연구하고 있다. (Jennifer Chu)

19세기 말, 전기가 일반화되었는데, 이 뒤에는 Nikola Telsa라는 유명한 과학자가 있었다. 하지만, 전기를 모든 도시, 건물, 방까지 공급하기 위해 전선을 늘리는 것은 이에 대한 막대한 기반시설 투자가 있어야 했는데, 어려움이 많았다. Telsa는 무선 전력 전송이 그 대안이 될 것이라 생각했다. 그는 처음에 57미터 정도의 탑에서 이를 테스트해보고, 그 다음에 수 킬로미터 떨어진 두 지점 사이의 무선 전력 전송을, 그 뒤에는 롱아일랜드(Long Island)까지도 이를 테스트해보고자 했다. 하지만, 탑에서의 테스트가 끝나기도 전에 이미 자금이 부족했다. 전선 없이 공중을 이동할 수 있는 전력에 대한 희망은 더 많은 산업화가 진행되고 더 많은 전기 배선이 설치되면서 급격히 사라져갔다.

몇 해 전, MIT 물리학과 교수 Marin Soljacic는 침대에서 자고 있던 중에 계속해서 울려대는 휴대전화 소리에 짜증을 냈다. 충전을 위해 연결해 놓은 플러그를 뽑기 전까지 휴대전화 알람 소리는 멈추지 않았다. 지친 상태에서 그는 집으로 들어오자마자 휴대전화가 자동으로 충전될 수 없는지를 생각했다.

그리하여 Soljacic 교수는 무선으로 전력을 전송하는 방법을 찾기 시작했다. Tesla처럼 매우 먼 거리를 무선으로 전력을 전송하는 것이 아닌, 휴대전화, PDA, 랩탑과 같은 휴대용 기기가 충전될 수 있는 적당한 범위에서 무선으로 전력을 전송하는 방법을 찾기로 결심했다. 그는 공기 중에서 효과적으로 정보를 전송할 수 있는 전파를 이용하는 것을 고려했으나 그렇게 할 경우 대부분의 에너지가 공기 중에서 사라지게 된다는 것을 알았다. 보다 한 방향으로 에너지가 집중되는 레이저를 이용할 경우, 그 빛이 이동할 경로에 불필요한 것이 없어야 했다. 즉, 레이저의 시야가 확보되어야 한다. 레이저가 다른 방향으로 향할 경우 그 지역에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있기 때문이다. 그래서 Soljacic 교수는 공기 중에서 에너지 손실 없이 직접적으로 전력을 수신할 수 있는 안전하고 효율적인 방법을 찾기 시작했다.

그는 공진 커플링 현상에 착안하였다. 두 물체가 같은 주파수로 튜닝 되면 다른 물체와의 상호작용은 매우 약하지만, 해당되는 두 물체 사이에는 손실 없이 에너지를 교환할 수 있다. 고전적인 예로 와인 글래스 세트가 있다. 각 잔에는 서로 다른 양의 와인이 채워져 있어서 서로 다른 소리의 주파수로 공진을 한다. 연주자가 어떤 한 글래스 잔의 주파수와 매칭되는 소리를 발생시키면, 그 글래스 잔은 공진되어서 소리 에너지를 흡수하여 발생된 소리와 같은 소리를 내게 되고, 다른 글래스 잔은 영향을 받지 않은 채로 남아있게 된다. Soljacic 교수는 전기 전송 수단으로 자기 공명(magnetic resonance)을 알아냈다. 자기장은 공기 중에서 환경이나 다른 주파수 또는 생물체에 거의 영향을 끼치지 않고 자유롭게 이동할 수 있기 때문이다. MIT 물리학과 교수 John Joannopoulos와 Peter Fisher, 그리고 3명의 학생들의 공동 연구로 60와트의 백열전구에 무선으로 전력을 전송할 간단한 방법을 구상하였다.

연구원들은 공진을 발생시키기 위해 두 개의 구리 코일을 천장에 대략 2미터 간격으로 매달았다. 한 코일에 전원을 공급하면 교류전류가 구리 코일을 통해 흐르게 되어 자기장을 형성시킨다. 그렇게 되면 전원과 연결되지 않은 다른 한 구리 코일은 같은 주파수로 매칭되어 전류를 발생시켜 전구에 불이 들어온다. 두 구리코일 사이에 벽이 있어도 전구에 불은 들어온다.

지금까지 가장 좋은 효율을 보인 경우는 60㎝의 구리코일과 10㎒의 자기장에 2미터 정도 떨어진 경우로 대략 50%의 효율을 보였다. Soljacic 교수팀은 효율을 높이고 코일 크기를 줄이기 위해 은(silver)이나 다른 물질을 찾고 있다. 이상적인 경우 100%의 효율이 가장 좋지만, 70~80%정도의 효율을 보여도 실용화가 가능할 것이라 생각한다.

전원 플러그 없이 배터리를 충전시키는 방법이 나타나고 있다. Powercast, Fulton Innovation, WildCharge 등의 회사는 사용자가 집이나 자동차 안에서 무선으로 휴대전화나 MP3 Player, 다른 기기를 충전시킬 수 있는 어댑터와 패드를 판매하고 있다. 그러나 Soljacic 교수의 접근 방법은 이것들과 다르다. 패드 등의 사용 없이 무선 전송기의 범위 안에 들어오면 자동으로 충전이 되는 날이 올 수 있을 것이라 생각한다.

MIT의 연구는 소비자 가전제품 회사와 자동차 회사의 관심을 끌기에 충분하다. 연구비 지원을 하는 미 국방부는 이 기술을 군용장비의 배터리를 자동으로 충전시키는 데 적용되기를 바라고 있다. 그러나 Soljacic 교수는 산학 협동에 대해서는 말이 없는 상태이다.

“배터리로 동작되는 시대에, 이 기술은 많은 분야에서 필요로 할 것이고 많은 잠재성을 가지고 있다.”

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