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친구와 만나기로 한 10분 전, 배터리가 방전되어 휴대전화기가 꺼져버렸다면? 명절에 할머니 댁에 가는 길, 꽉 막힌 도로 위에서 자동차 계기판에 기름 부족을 알리는 신호가 들어왔다면? 그런데 미래에는 이런 난감한 사태를 걱정할 필요가 없어질 겁니다.
실내 전자기기
얼리어답터 조문과 씨의 생활은 더 쾌적해졌다. 수많은 전자기기를 선 하나 없이, 배터리 걱정 없이 사용할 수 있기 때문!
전기자동차 무선충전
김동인 씨 집에는 태양열로 전기자동차를 충전하는 주차장이 있다. 주유소를 찾아가지 않아도 자동으로 충전이 된다.
공연장
밴드멤버 배혁인 씨는 공연 중 전자기타 선에 걸려 넘어진 후 퍼포먼스가 소극적으로 변했다. 이제는 주렁주렁한 선이 없으니 걱정 끝!
보행로봇
다리가 불편한 김시집 씨는 무선으로 충전되는 보행로봇으로 새로운 다리를 얻었다. 충전시간에 얽매이지 않아도 되니 더 좋다.
무선충전 도로
김동인 씨가 타는 전기 자동차는 충전 전용 도로를 지나면 자동으로 충전된다. 충전소를 찾기 위해 전전긍긍하지 않아도 된다.
충전기 이제 안녕
전기에너지를 전달하는 수단은 자기, 전자기파, 빛, 소리, 진동 등 다양합니다. 그중 무선전력전송에는 자기 방식을 가장 많이 사용합니다. 대부분의 휴대폰 무선충전기술도 자기장을 이용하여 전력을 송수신합니다.
자기장을 이용하는 방식에는 자기유도 방식과 자기공명 방식 두 가지가 있습니다. 현재 무선충전은 대부분 자기유도 방식을 이용합니다. 전선 코일 두 개를 만들어 한쪽에 전류를 흘려주면 다른 코일에도 전류가 흐르는 원리를 이용하지요. 그런데 자기유도 방식은 자기공명 방식에 비해 무선충전 가능한 거리가 짧습니다. 고작 몇 cm에 불과합니다.
2007년 미국 매사추세츠 공과대학은 이런 단점을 극복하고자 자기공명 방식 무선충전 기술을 개발했습니다. 똑같이 코일 두 개와 자기장을 이용하지만 공명 주파수를 변형해 더 먼 거리에서도 전송 효율을 높일 수 있는 기술입니다. 1m 거리에서 90%, 2m 거리에서도 40%의 충전 효율을 낼 수 있다는 결과에 많은 연구자들이 주목했습니다.
그런데 2015년 임춘택 KAIST 원자력 및 양자공학과 교수팀이 자기유도 방식으로 수 m 떨어진 거리에서 무선으로 전력을 전송하는 실험에 성공했습니다. 기유도 방식 중 하나인 ‘다이폴 코일 공진 방식’을 이용했습니다. 그리고 세계 최초로 자기유도 방식을 이용해 5m 거리에서 209W, 7m에서 11W, 10m에서 10W 까지 보낼 수 있는 장거리 무선전력시스템을 구현했습니다.
이로써 임 교수는 자기유도 방식과 자기공명 방식이 근본적으로는 차이가 없다는 사실을 증명했습니다. 자기유도 방식과 자기공명 방식 모두 자기장을 이용한다는 점에서는 물리학적으로 완전히 같다는 것이지요.
앞으로는 지상교통수단이 대부분 전기를 이용하고, 그중 상당 부분이 무선전송으로 충전되는 방식을 쓸 전망입니다. 드론이나 전기비행기도 마찬가지입니다. 이쯤 되면 조금 더 발칙한 상상을 해봅시다. 길거리에 깔린 무수히 많은 전선과 거대한 철탑인 송전탑도 사라질 수 있을까요?
초고전압 송전탑에서 전송하는 수만 W가 넘는 전력을 무선으로 보내는 건 지금으로서는 어렵습니다. 현재 가장 멀리 전력을 전송할 수 있는 수단인 전자기파를 이용한 무선전력량은 많아야 수백 W 수준이기 때문이지요. 물론 이론적으로는 발전소에서 바로 집으로 무선으로 전력을 전송할 수 있습니다.
우주의 힘까지 모아
그렇다면 발전소를 우주에 띄워 빛을 전력으로 바꾸고, 무선으로 지구까지 전달하는 것도 가능할까요? 달에 태양광 발전소를 세워 지구에 전력을 보내는 방법도 있겠지요. 실제로 무선전력전송 기술을 가장 주목하고 있는 분야는 태양광 발전입니다.
지상에서는 태양 에너지를 받는 시간과 받지 못하는 시간이 나뉩니다. 또한 날씨의 영향도 받지요. 그러나 우주는 다릅니다. 지상보다 훨씬 큰 태양에너지로 시간과 날씨에 상관없이 발전할 수 있습니다. 미국과 일본은 이런 태양광발전에 관심을 기울이고 있지요. 2015년 3월 일본우주항공연구기구 (JAXA)는 실제로 1.8㎾의 전력을 송전선 없이 55m 떨어진 수신기에 보내는 데 성공했답니다.
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Intro. 수학과 전기의 짜릿한 만남
Part 1. 전기를 만들어낸 사람들
part 2. 전선 없는 세상
Part 3. 여전히 수학자가 필요해
