공기 속 전파를 에너지원으로 이용할 수 있다고?
공기는 우리의 삶에 없어서는 안 될 존재입니다. 호흡에 필요할 뿐만 아니라 지구 내부에 온도를 유지해주는 역할을 합니다. 이렇게 우리 삶에 소중한 공기에서 에너지도 얻을 수 있다는 것을 알고 계시나요? 공기에서 에너지를 얻는 방법은 여러 가지가 있지만, 특히 무선통신이 발달한 요즘은 전파를 이용해 에너지를 얻을 수 있답니다. 이 방법을 공기전력공급(Power from the Air)이라고 합니다.
공기전력공급(Power from the Air)이란 Wi-Fi의 신호 또는 각종 통신 시그널 등에서 전력을 공급받는 무선 전력 공급 기술을 말합니다. 2016년 MIT에서 10대 혁신 기술을 발표했는데요, 그중 하나가 바로 ‘공기전력공급’ 기술입니다. 왜 이 기술이 10대 혁신 기술에 선정되었을까요? 계속되는 빠른 소비로 지구에 저장된 에너지원이 고갈되어 가는 가운데, 에너지의 효율적 생성과 저장, 활용이 지속가능한 발전의 열쇠로 인식되고 있기 때문입니다.
공기전력공급은 어떤 원리를 이용한 기술일까요? 바로 우리에게 친숙한 전자기 유도를 이용한 기술입니다. 전자기 유도란 코일 내부에 자기장이 변하면 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 유도기전력이 생겨 유도전류가 흐르는 원리로 변압기, 전파의 수신 안테나 등에서 활용되고 있습니다. 전자기 유도 법칙을 이용해 핸드폰, 스마트 워치와 같이 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 기기를 무선으로 충전하기도 합니다.
이런 무선 충전기는 무선 충전이 가능한 특정 기기와만 상호작용하며, 거리가 멀어지면 충전이 잘 안 되는데요. 이는 회로의 고유 진동수를 이용해 공명현상으로 전자기파를 수신하고 일정 이상 세기의 전자기파가 수신되어야 충전을 시작하기 때문입니다.
공기전력공급 기술은 전자기 유도를 이용한다는 점에서 무선 충전 방식과 같지만, 몇 가지 차이점이 있습니다. 공기전력공급은 버려지는 에너지를 잡아내어 활용하는 것이기 때문에 작은 신호도 잡아낼 수 있으며 특정 신호가 아니라 여러 진동수의 전자기파를 모두 수신하여 에너지를 저장할 수 있어야 한다는 것입니다.
드레이슨 테크놀러지에서 발표한 프리볼트 (Freevolt) 컨셉 (이미지 출처 : Drayson Technologies)이 기술은 어느 정도 발전했을까요? 2010년 RCA라는 회사는 라스베이거스에서 열린 국제가전박락회(CES)에서 공기 중의 Wi-Fi 전파를 포집해 소형 기기의 전력원으로 바꾸는 기술인 ‘에어너지(Airnergy)’라는 충전기기를 공개하였습니다. 이것을 시작으로 2015년 영국의 드레이슨 테크놀러지에서는 집에 설치하여 휴대폰이나 Wifi기기, 디지털 TV에서 나오는 전자파를 수집할 수 있는 프리볼트(Freevolt)라는 기계를 만들었고요. 이 프리볼트에는 다중 대역 안테나(multi-band antenna)가 들어있어 에너지 저장 효율을 높이고 있습니다. 또한 노키아(NOKIA)에서는 TV, 라디오 등의 전파에서 충전할 수 있는 휴대전화 프로토타입을 개발하였으니 공기 중에서 전력을 수집하여 배터리를 충전하는 휴대전화 또한 조만간 만나볼 수 있을 것 같습니다.
그렇다면 우리나라는 공기전력공급 적용이 어느 정도 진행 중일까요? 재료연구소의 발표에 의하면 전선 주변에 미세하게 발생하는 자기장을 전기에너지로 바꾸는 지능형 복합 소재를 개발했다고 합니다. 이 소재는 기계 자체의 에너지 손실이 최소화되어 작은 센서에 안정적으로 전원을 공급할 수 있습니다. 또한, 한국전력공사는 민간업체 및 개인연구자와 협력하여 전기의 발전과 송전에서 전자기들의 흐름에 의해 손실되는 전력을 포집하여 전자파의 유해성을 줄이고 조명을 밝히도록 하는 프로젝트를 진행 중에 있습니다.
이처럼 4차 산업혁명과 사물인터넷(IoT) 시대를 맞아 공기전력공급은 더욱 주목받고 있습니다. 10년 안에 세계적으로 1조 개 이상의 선세가 설치될 것으로 전망되고 있으며 이러한 소형 센서의 전기 효율과 전력 공급에 대한 문제해결의 필요성이 같이 주목받고 있기 때문입니다. 2016년 MIT에서는 공기전력공급이 2~3년 후 실용화될 것이라고 예상했는데요, 예상과 다르게 아직까진 생소한 기술이지만 이미 개발된 제품들이 있고, 실용화에 힘을 쓰고 있는 만큼 조만간 만나볼 수 있게 될 것 같습니다. 공기전력공급 기술이 상용화되어 사물인터넷(IoT)의 각종 센서가 별도의 배터리 없이 작동할 수 있게 되는 날을 기대해봅니다.
[참고문헌]
공기전력공급- 공기 속 전력을 에너지원으로! - NDSI
http://www.ndsl.kr/ndsl/issueNdsl/detail.do?techSq=60
주변 전자파 잡아내 전기로 바꿔 스마트폰 충전한다(동아사이언스, 오가희 기자, 2017.07.21.) http://dongascience.donga.com/news.php?idx=19046
전자파 에너지 변환으로 인류를 유익하게 만드는 전기장 하베스팅 선도 기업(월간 인터뷰, 오상헌 기자, 2018.12.12.) http://www.interviewm.com/news/articleView.html?idxno=514
2016년 MIT 10대 혁신 기술 (한국사업기술진흥원, 2016)
https://www.itfind.or.kr/publication/regular/periodical/read.do?selectedId=02-001-160616-000002
한국전력 블로그 굿모닝 KEPCO! 일상이 만드는 전력, 에너지 하베스팅! https://blog.kepco.co.kr/1374
