무선 전력 전달이 가능한 슈퍼렌즈

미국 듀크 대학의 연구진은 메타 물질을 이용하여 슈퍼렌즈를 제작하여 자기장을 집중시킬 수 있게 하였다. 이 슈퍼렌즈는 하나의 출력 코일에서 나오는 자기장을 원거리에 떨어진 동일한 수신 코일에 전기를 유도시킬 수 있다. 이는 무선 전력 송신에 매우 유용할 것이다. 발명가인 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)는 거의 1백년 전에 공기를 통해서 에너지를 전송할 수 있는 기술을 상상하였다. 그러나 지금까지 개발된 복잡한 디바이스는 단지 매우 작은 거리에 걸쳐서만 작동하였다. 그러나 이제, 미국 듀크 대학의 연구진은 저주파수 자기장을 이용하여 송신기나 수신기 크기보다도 훨씬 더 긴거리에 걸쳐 무선전력 이동의 가능성을 시연하였다. 

이런 진보는 자기장을 집중시킬 수 있는 슈퍼 렌즈를 제작하기 위해서 메타 물질을 이용한 듀크 대학 연구진의 연구 결과로 가능하게 되었다. 이런 슈퍼렌즈는 하나의 전력 코일에서 나온 자기장을 거의 1피트 떨어진 동일한 구조의 전력 코일에 전달함으로써 수신 코일에서 전류를 유도할 수 있게 한다. 이 실험은 이와 같은 방법을 이용하여 처음으로 공기를 통해서 먼거리로 전력을 무선 전달한 첫 성공 사례이다. 이런 전력 전달 효율은 동일한 장치를 사용하지만 슈퍼렌즈를 사용하지 않은 장치에 비해서 몇 배나 더 좋은 것이다. 

이 연구 결과는 북미 토요타 자동차 연구소와 공동 연구 수행으로 얻어졌으며 Scientific Reports 온라인 판에 2014년 1월 10일 보고되었다. 듀크 대학의 연구진은 그들이 처음으로 자기-유도 무선 전력 전달이 수신기 및 송신기의 크기 보다 몇 배 더 큰 거리를 통해서 전달될 수 있으며 효율이 증가될 수 있다는 것을 시연한 첫 연구 그룹이 말하였다. 이런 기술이 일상 생활에서 사용되기 위해서는 오늘날 소형 모바일 전자기기의 크기에 부합되어야 하기 때문에, 일정한 거리 이상 전력이 송신되어야 하는 것은 매우 중요한 일이다. 

코일의 구조와 그것의 반복적인 특성은 자기장과 상호작용하는 메타 물질을 형성한다. 이런 코일 구조는 자기장을 좁은 원뿔 형태로 제한시키면서 세기는 훨씬 더 커지게 만든다. 그 결과 전달되는 전력의 세기는 훨씬 더 커지게 되는 것이다. 슈퍼렌즈의 한쪽 면에, 연구진은 작은 구리 코일을 위치시켰다. 이 코일에는 교류의 전류가 인가되어 흐른다. 이때 이 코일은 그 주위에 자기장을 발생시킨다. 그러나 이런 자기장은 세기가 거리에 따라 약해지게 되며 전력 전달 효율은 거리가 코일에서부터 멀어지면서 급속히 작아지게 되는 것이다. 

슈퍼렌즈는 이런 무선 전력 전달 거리를 확장시키는 데 유용한 것이다. 만약에 전자기석의 직경이 1인치라면, 단지 3인치 떨어진 거리에서는 전력 전달이 거의 불가능할 것이라고 연구진은 말하였다. 그런 거리에서 코일 내부에는 약 0.1% 만이 남아있을 것이다. 그러나 슈퍼렌즈를 사용하면, 자기장은 거의 1피트 떨어진 거리까지 집중될 수 있으며, 동일한 크기의 수신 코일에서 충분한 전류가 유도될 수 있을 정도의 자기장이 발생될 것이다. 

연구진은 메타물질로 향상된 무선 전력 시연은 이전에 미쯔비시 전기의 연구 실험에서 이루어졌지만, 그러나 한 가지 중요한 차이점이 있다고 말하였다. 미쯔비시 전기 연구진의 전력 전달 거리는 대략 전력 코일의 직경과 비슷하였다. 그와 같은 장치에서는 필요한 거리로 전력이 전달되기 위해서 코일의 직경이 상당히 커야 한다는 문제점이 존재한다. 연구진은 실제로 전력 전달 거리는 단순히 코일의 크기를 증가시킴으로써 쉽게 향상시킬 수 있다고 말하였다. 그러나 코일의 직경이 커지면 휴대 기기에 적용시키기에 적합하지 않다는 문제점이 발생한다. 따라서 이들 연구진은 작은 크기의 송신 및 수신 코일을 제작하였으며, 슈퍼렌즈가 이를 가능하게 해주었다. 

연구진은 자기장은 무선 전력 전달에 있어서 전기장보다 더 독특한 장점을 가지고 있다고 말하였다. 대부분의 물질은 자기장을 잘 흡수하지 않는다. 따라서 전기장 보다 훨씬 더 안전하게 된다고 연구진은 말하였다. 실제로 FCC는 의료 영상을 위해 3테슬라의 자기장 사용을 승인하였다. 이것은 소비자용 전자기기를 가동시키기에 필요한 것 보다 훨씬 더 큰 값이다. 현재 개발되고 있는 기술은 이런 소비자 안전면을 더 염두에 두고 디자인되고 있다. 

연구진은 실내에서 휴대용 디바이스를 충전하는 것과 같은 실질적인 전력 전달 시나리오에 더 적합하도록 그들의 시스템을 크게 업그레이드하기를 원하고 있다. 연구진은 집중된 전력 원뿔의 방향을 조절할 수 있는 동적 조율 가능한 슈퍼렌즈를 제작할 계획이다. 소비자가 유용한 무선 전력 시스템으로부터 원하고 기대하는 진정한 기능은 디바이스가 어디에 있든지 충전할 수 있는 능력이며 단지 케이블 없이 충전하기를 원하는 것은 아니라고 연구진은 말하였다. 

이전의 상업용 제품은 그런 이유로 표준 솔루션이 되지 못하였다. 그것은 사용자가 송신을 위해서 특정한 영역 또는 지역에 있어야 한다는 제한이 있었다. 이런 상황은 마치 보이지 않은 연결선이 디바이스에 필요한 것과 같은 것이다. 따라서 진정으로 무선 전력 송신이 되기 위해서는 소비자가 휴대용 전기 디바이스를 어느 곳에서도 자유롭게 충전할 수 있어야 할 것이다. 이들의 연구 결과는 "Magnetic Metamaterial Superlens for Increased-Range Wireless Power Transfer"라는 제목으로 Scientific Reports 저널에 발표되었다. 

첨부그림 1: 이것은 메타물질 슈퍼렌즈를 측면에서 본 것이다. 슈퍼렌즈의 두께와 길이는 모두 그것이 전자기파를 이용하여 그것이 얼마나 잘 전력을 무선으로 이동시키는데 효율적인지를 결정하는 중요한 인자이다. 실험에서 연구진은 수십개의 루빅스 큐브가 함께 쌓아 올려진 것과 같이 보이는 정사각형 슈퍼렌즈를 제작하였다. 내부가 빈 블록의 외부 및 내부의 벽은 모두 마이크로칩을 연상시키는 나선형 구리 와이어로 복잡하게 에칭되었다. 

첨부그림 2: 무선 전력 전달의 범위를 증가시킬 수 있도록 전자기파를 조절하는 메타물질 슈퍼렌즈의 근접 사진. 그림에서 보이는 정사각형은 실제로 마이크로칩의 표면을 연상하게 하는 구리 와이어의 긴 코일이다. 

첨부그림 3: 이 작은 구리코일은 교류전류를 그 안에 흐르게 함으로써 전자기파를 생성하였다. 배경에 보이는 메타물질 슈퍼렌즈는 다른 쪽에 있는 다른 동일한 크기의 구리 코일 상에 전자기파를 집중시킨다. 그 결과 무선 이동 전력이 크게 증가한다.

출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

원문: http://phys.org/print308589638.html