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Wi-Fi를 넘어 Wi-Power로
[자료1. 와이파이신호와 공유기]출처: ZDnet Korea

우리는 데이터의 시대에 살고 있다. 스마트폰이 있어도, 데이터가 없다면 스마트폰을 스마트하게 사용할 수 없다. 하지만 무제한 요금제가 아닌 이상, 데이터를 맘대로 사용할 수 없다. 그래서 우리는 집이나 건물에 들어갈 때마다 항상 와이파이를 찾는다. 이렇게 와이파이는 스마트폰을 이용하는데 있어 필수적인 요소이다. 현재 국내 와이파이 공유기 수는 2만대가 넘고,음식점과 공공기관 등을 모두 합치면 그 수는 셀 수 없이 많다. 걸어 다니는 곳마다 와이파이가 있다는 말처럼 우리는 와이파이가 만드는 전자파에 둘러싸여 있다.

와이파이가 만드는 전자파를 우리가 사용할 수 있는 전기로 만들어 낼 수는 없을까? 이러한 생각의 출발은 전자파가 가지고 있는 에너지에 있다. 기존의 이동통신 기술은 전자파를 이용하여 정보를 주고받을 뿐, 정보를 공유하는데 발생한 나머지 전력은 버려진다. 우리 삶을 둘러싸고 있는 수많은 전자파를 에너지로 이용할 수 있다면, 어쩌면 스마트폰에 배터리가 필요 없는 Wi-Power 시대가 올 수도 있다.

 

<전자파를 전기로 이용하기 위한 조건>

배터리 없는 시대의 현실화를 위해서는 전자파가 가지고 있는 에너지를 전자기기 충전을 위한 전기로 바꾸어야 한다. 전자파는 다양한 주파수의 교류전압을 발생시킨다. 하지만 전자기기에 충전되는 전기는 직류전압으로 교류전압을 직류전압으로 바꿀 수 있는 정류기가 필요하다.

대부분의 정류기는 다이오드 회로를 이용하여 전파를 직류 전류로 유도할 수 있도록, 전파를 변환하도록 설계된다. 하지만 이러한 정류기는 특정한 주파수에서만 작동하며, 주로 저주파에서 이용되기 때문에, 와이파이가 가지고 있는 GHz 이상의 범위를 수용할 수 없었다. 이외에도 반도체를 이용한 에너지 하베스팅 방법이 있지만, 작동시키기 위해서 어느 정도 최소 전압이 필요하고, 반응속도에 한계가 있으며 주파수가 높으면 반응속도가 떨어진다는 점에서 Wi-Power 기술로는 부적합했다.

[자료3. 그래핀 대칭기술 개념도]출처: MIT

<그래핀 대칭기술>
MIT의 연구진은 물질이 높은 주파수의 전자파를 맞았을 때, 자신들의 전자를 한 방향으로 흐르도록 유도하기 위해 그래핀을 이용했다. 일반적으로 그래핀 전자에 들어오는 에너지는 전자를 모든 방향으로 발산시킨다. 하지만 직류전기로 이용하기 위해서는 전자가 한 방향으로 흐를 수 있어야 했고, 이렇게 대칭적인 그래핀 전자의 흐름을 깨뜨리기 위해 연구진은 그래핀에 질소붕소를 첨가했다.

벌집 격자인 질화붕소위에 불순물이 거의 없는 그래핀을 올렸을 때, 그래핀 하층의 질소와 붕소원자가 전자의 경로를 리디렉션하여 직류전기를 생성했다. 여기서 불순물이 없어야 하는 이유는 불순물이 많아질수록 양자역학적으로 전자구름이 생겨 전류가 한 방향으로 흐르는 것을 방해하기 때문이고, 전기적인 관점에서는 저항이 높아져 전자의 흐름을 방해하기 때문이다.
연구진은 이러한 연구가 성공적으로 현실화 된다면 배터리를 교체하기 위해 수술이 필요한 맥박 조정기와 같은 이식 장치에 교체 없이 전력을 공급하는 것이 가능할 것이라고 설명했다.

 

<결론>

이번 연구는 와이파이가 전기신호로 변환하는 아이디어를 이론적으로 가능하다는 것을 발견했을 뿐 아직 구체적인 실증 단계에 들어가지는 않았다. 또한, 아직 출력량이 매우 작고 긴 충전시간과 특수 제작된 방이 필요하다는 점에서 한계가 있고, 실증 단계에 이르기까지는 많은 시간이 걸릴 것으로 보인다. 하지만 MIT 연구진의 그래핀 대칭기술은 일상생활에서 쉽게 발견할 수 있지만 저장하기 어려웠던 T-Hz 범위의 고주파를 직류전기로 변환하여 충전가능하다는 점에서 와이파워 기술의 현실화 가능성을 제시했다.

 

R.E.F 15기 최명근  felixchoi627@gmail.net

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