시답잖은 지식과 개똥철학

이론적인 배경은 공명 유도에 의한 에너지 전달입니다.

사진에서 보듯 크기가 좀 크죠. 전력 손실도 큰편입니다. 하지만 앞으로 전력을 대규모 발전기가 아닌 일반 가정에서도 발전하는 시대가 올 것을 예상하면, 저정도 손실은 '편리성'이라는 부분과 맞바꿀 수 있을 것 같습니다. 물론 그 사이에 효율을 높이기 위한 기술 개선도 동시에 이루어질 것이구요.

내용추가: TED 동영상 시연입니다. 위 기술을 좀 더 발전시킨 형태지요.

재미있는 기술은 우리 근처에도 있습니다. 바로 교통카드와 같은 RFID 기술이 그것인데요. 교통카드를 뜯어보면 코일이 감겨있습니다. 이 코일은 특정 주파수(교통카드의 경우 13.56MHz)의 자기장을 받으면 전자기 유도에 의해서 전기를 발생시킵니다. 내부적으로 이러한 전기(교류입니다)를 다이오드라는 전자 소자 몇개로 정류(Rectifying)를 하고 적당한 전압으로 만들어서 IC를 동작시킵니다. 그래서 교통카드는 배터리도 없는 주제에 반 영구적으로 IC의 정보를 사용할 수 있지요.

위에서 교통카드는 13.56MHz의 주파수를 쓴다고 했는데, 그리고 자기장을 쓴다고 했는데, 다른 주파수를 쓰면 어떤 현상이 벌어질까요? 전기장을 쓰면 어찌될까요? 전자기장을 쓰면?

주파수에 따라서 에너지가 전달되는 형태가 바뀝니다. 13.56MHz의 주파수 대역은 기껏해야 30cm정도의 거리까지 밖에 영향을 못끼쳐요. 튜닝을 잘 하고 환경이 잘 갖추어지면 1M까지는 가능하다고 그러는데 비용대비 효과를 생각하면 거리가 먼 곳에 전력을 보내고 싶으면 주파수를 바꾸는 것이 현실적인 대안입니다.

미국의 Powercast라는 회사는 2007년 라스베가스 CES에서 1m정도 떨어진 곳의 장치에 900MHz 대역의 전자기파를 이용해서 전력 전송을 하였습니다. 전송 효율은 최대 70%였구요, 마우스처럼 전력소모가 적은 소형 기기에 무선으로 전력을 공급하거나 배터리 충전을 무선으로 할 수 있는 가능성을 보여줬습니다. 예를 들자면 마우스에 배터리도 없는데 그냥 동작하는 거죠. 보통 900MHz대역에서도 RFID 기술을 이용하여 데이터를 주고 받는데, 이 경우 약 10m정도 거리에서도 통신이 가능합니다. 물론 교통카드처럼 RFID 카드(혹은 태그)는 배터리따위는 들어있지 않구요.(참고로 제가 연구하는 부분이 요런 RFID 기술의 응용기술 이랍니당. ㅎㅎ)

지금까지 외국 기술을 주로 봤는데 국내에서는 어떤 일들이 있을까요?

대부분의 무선 전력 전송은 이론적으로는 고등학교 수준입니다. 코일을 이용한 전자기 유도현상, 전파나 마이크로파를 안테나로 수신해서 그것을 정류하여 전력을 얻는 방식은 고등학교 물리/기술 정도의 이론으로 설명이 가능합니다. 국내 기술도 그 정도 수준에서 크게 벗어나진 않습니다. 대부분 전자기 유도방식으로 휴대폰 등을 무선으로 충전하거나 에너지를 공급하는 특허가 종종 눈에 띄는 정도입니다.

조금 구체적으로 살펴보면 JC프로텍이라는 벤처회사가 Splashpower와 비슷한 무선 충전 패드를 개발 중이고 전송 거리와 전송 전력을 늘리기 위한 연구를 하고 있다고 하구요, 이노트론테크놀로지라는 회사에서 2.45GHz 대역에서 렉테나(Rectenna = 안테나 + 정류기)기술을 이용해서 전력을 무선으로 송출하는 기술을 개발중이라고 합니다. 목표는 대략 5m거리에서 300mW이상의 전력 송신이라는데, 300mW정도의 전력이면 요즘 사용하는 휴대형 기기를 충분히 동작시킬 정도의 전력입니다. 다르게 말하면 곳곳에 무선 전력 송출기가 있으면 충전 걱정 없이 휴대기기를 마음껏 사용할 수 있게 된다는 뜻이지요.

대기업에서도 무선 전력 송출에 관심이 있습니다. LS산전에서는 2007년에 전자기 유도로 소형기기를 연결선 없이 충전할 수 있는 무접점 충전 기술을 개발하여 상용화한 케이스가 있습니다. 인빌딩 솔루션 장비에 사용되는 팜패드(Palm Pad)에 적용했다고 하는데 Splashpower에서 개발한 방식보다 효율이 더 좋다고 합니다. 하지만 자사 기업 뉴스에 나온 내용이라 어디까지 믿어야 할지는 모르겠습니다.

주로 전자기파에 관련된 이야기를 했지만 이 외에도 무선으로 뭔가를 하려는 시도는 다양합니다.

이왕이면 무선으로 전력도 보내면서 전자기파라는 점을 이용해서 데이터도 전달하고자 하는 시도도 다양하지요. HP의 경우 2006년도에 Memory Spot (메모리 스팟)이라는 메모리+무선통신 장치를 만들기도 하였습니다. 2mm X 4mm의 말 그대로 좁쌀만한 크기에 최대 4MB의 메모리를 내장할 수 있고, 이놈이 아주 짧은 거리(1mm)이긴 하지만 10Mbps의 전송속도로 데이터를 보낼 수 있습니다. 주파수는 2.45GHz를 사용하구요. HP는 앞으로 이 기술을 발전시켜 메모리 용량도 늘리고 전송속도는 100Mbps정도의 메모리 스팟을 개발하려 하고 있습니다. 전원을 다른 장치로부터 접촉식으로 전달받아 WiFi통신을 하는 SD 메모리도 이미 시중에서 판매되고 있지요. 가격이 일반 SD메모리에 비해서 10배 정도 비싸지만, 디카등에 사용하면 메모리의 내용을 PC등으로 옮기기 위해서 SD메모리 리더기가 없어도 WiFi 통신으로 무선으로 전송하는 것이 가능합니다. 이름은 Eye-Fi라고 하지요.

이외에도 재미있는 기술이 있습니다. 통상 에너지 수확(Energy Harvesting) 기술이라고 부르는 것인데 아주 간단한 물리 법칙을 이용해서 우리 주변에서 버려지는(?) 에너지를 전기 에너지로 바꿉니다.

미국 Clarkson 대학에서는 물리적 진동을 이용해서 전력을 자체 생산하는 센서 노드¹ 를 개발하였습니다. 관성과 전자기 유도를 이용한 방식인데, 구조를 보면 놀랍도록 간단합니다. 용수철에 영구자석을 달고 주변에 코일을 달아서 진동이 있으면 관성에 의해서 영구자석은 가만히 있고 주변의 장치가 흔들립니다. 그러면 주변 코일에 유도기전력이 발생하지요. 이 전력을 이용하여 IC등을 동작시킵니다.

이런 방식은 매우 다양하게 쓰일 수 있는데요 Clarson 대학에서는 교량의 상태를 관리하는 무선 센서 네트워크에 응용하고 있습니다. 교량은 미세하게 진동하는데요, 그 진동이면 센서 노드를 동작시키기 위한 충분한 전력이 생산된다고 합니다. 이런 진동을 이용한 방법으로는 손목이나 발목에 소형의 발전장치를 다는 식으로 확장 되어 사용됩니다. 사람이 걸을 때 자연스럽게 반복 운동을 하는데, 이 때 관성과 유도기전력을 이용해서 전력을 만드는 것이죠.

독일의 EnOcean이라는 회사는 아주 다양한 방법으로 전력을 얻습니다. 역시 이론은 굉장히 단순합니다. 사용자가 취하는 물리적인 동작(문을 연다던지, 문을 열기 위해서 손잡이를 잡는다던지 하는 동작들)을 통해서 전력을 얻습니다. 금속의 손잡이를 사람이 맨손으로 잡으면 '온도차'가 생깁니다. 이 온도차에 의해서 아주 미세한 전류가 흐르는데, 이 전류를 이용해서 전자회로를 동작시킵니다. 또는 문을 열 때 발생하는 회전/직선 운동을 이용하기도 하구요, 태양광을 비롯한 실내광원으로부터 전력을 얻기도 합니다. 진동도 이용하구요. 이렇게 얻은 전력으로 아주 간단한 센서노드를 동작시키거나 무선 통신을 하여 빌딩/가정/공장의 자동화에 적용합니다. 배터리도 없는데 사람들이 흔하게 하는 행동으로부터 전력을 얻는 것이죠.

Advanced Cerametrics Inc에서는 Piezo를 이용하여 전력을 생산합니다. 피에조는 압전소자인데요 압력을 받으면 압력에 비례하는 전압을 발생시킵니다. 신발 깔창에 놓으면 사람이 걸을 때 마다 피에조에 압력을 줘서 전력을 만들죠. 그냥 선을 구부리거나 해도 압력이 다르게 작용해서 전기가 발생하기도 하구요. 테니스채에 압전소자를 달면 공을 칠때마다 빛이 나게 하거나 센서 등을 달아서 얼마의 힘으로 쳤는지를 측정하게 할 수도 있지요^^

Ambient Micro나 Green Peak라는 회사도 EnOceon이라는 회사처럼 태양광, 진동, 열과 주변에 널려있는 라디오 신호(ambient RF)로부터 에너지를 수집해서 배터리를 충전하는 기술을 보유하고 있습니다.

Micropelt GmbH나 Thermo Life Energy Corp.에서는 온도차이를 이용하여 전력을 생산하는 기술을 가지고 있는데 20도 정도의 온도차이면 2V에 4mW정도의 전력 생산이 가능하다고 합니다.

KCF Technology나 PMG Perpetuum이라는 회사는 진동을 이용하여 전력을 생산하는 기술을 가지고 있구요

무선 전력 전송과 전력 획득 방법과 함께 중요한 기술이 배터리 기술입니다. 극 소형 대용량 2차전지나 슈퍼캐패시터(=슈퍼 콘덴서)를 만드는 기술도 연구되고 있지요. 기전력, 누설전류, 단위시간당 허용 전류, 메모리 효과등에 따라서 응용이 달라지지만 실로 다양한 1차/2차 전지가 만들어지고 있습니다.

Tadiran이라는 회사에서는 리튬 염화 티오닐 배터리를 만들었는데 AA크기(일반 배터리 크기)에 기전력은 4V나 되고 2Ahr를 저장 가능합니다. 누설전류도 적다고 하구요.

Front Edge Technology는 세계에서 가장 얇은 충전지를 만드는 기술을 가지고 있습니다. NanoEnergy라는 기술로 패키지를 포함해서 0.05mm로 초박형이고 1000회 이상 충전이 가능하며 2분 안에 70%의 충전이 가능하고 누전률도 5%/year로 아주 재미있는 배터리지요. 모양이나 크기를 마음대로 만들 수 있고 휘거나 비틀어도 동작합니다. Nanoexa라는 회사는 리튬전지와 태양전지를 만드는데 휴대형 태양광 충전기를 만드는 사업을 계획하고 있습니다. Oak Ridge Micro-Energy사는 저전압 박막 필름 전지 기술을 가지고 있는데 리튬전지로 두께는 0.35~0.62mm에 불과하고 2~4V의 기전력으로 제곱센티당 20uA 안팎의 전류를 만듭니다. Solicore, Inc.도 리튬 박막 전기 기술을 보유하고 있는데 용량은 10mAh~50mAh이고 전압은 3V, 두께는 0.37~0.45mm에 사용기간은 2~3년 정도를 쓸 수 있다고 합니다. 타겟은 의료용 장비, RFID, 교통카드와 같은 전자회로가 내장된 카드 형태의 장치입니다. Varta Microbattery라는 독일 기업은 각종 소형 전지를 생산하는데 가장 최근에 양산한 단추형 NiMH (니켈 메탈 하이브리드)전지의 경우 용량은 450mAh~650mAh인데 크기는 24.1mm x 34.1mm x 5.6~6.8mm 정도에 10~15g밖에 안나갑니다. 출력 전압은 1.2V구요...보통 블루투스 이어셋에 들어가는 전지라고 보시면 됩니다.

기술의 원리는 생각보다 매우 간단합니다. 위에 링크해 놓은 회사 홈페이지에 가시면 더 자세한 정보를 사진과 함께 얻을 수 있을 겁니다(영어 울렁증이 있는 분들이라면 사진만 보셔도 신기한게 많이 있습니다). 대부분이 미국, 영국, 독일 회사입니다. 기초 기술을 응용하여 앞을 보고 뛰는 회사들이죠. 사실 이런 자료를 찾다보면, 선진국이 괜히 선진국이 아니구나...하는 생각이 듭니다. 아주 기초적인 물리/화학 이론을 바탕으로 새로운 기술을 만들어 냅니다. 원천 기술에 대한 특허는 이미 저런 회사들에서 다 가지고 있습니다. 획기적인 기술이라는 것도 기초가 있어야 가능한 것이죠.

물리시간에 유도기전력과 관성에 대해 배울 때, 그 둘을 융합하여 버려지는 에너지를 전기에너지로 바꿀 수 있겠구나....하는 아이디어는 사실 어렵지 않게 나올 수 있는 것입니다. 문제는 그런 생각을 자유롭게 할 수 있도록 하는 분위기이죠. 그리고 그런 아이디어가 실제로 가능한지 확인하고 싶을 때 바로 확인할 수 있는 지원(실험실, 고문/자문 선생님, 장비)이구요.

과학교육이라는 것은 F=ma, P=VI, PV=nRT를 외우는 교육이 아니라

논리적인 사고, 합리적인 사고를 하는 방법을 배우는 것이라고 생각합니다.

여기 있는 자료들은 무선 전력과 에너지 획득에 관심이 많은 상황에서 연구제안(?)을 위해 인터넷에서 수집한 자료들입니다. 인터넷에서 손품을 팔면 구할 수 있는 공개된 자료라서 정리해서 포스팅합니다.

ps. http://www.technologyreview.com/communications/22764/ 기사를 보고 다시 발행

2008년 말 작성.

2009년 6월 17일 기사보고 갱신.

2009년 12월 7일 TED 동영상 추가.