새 파동 간섭 기술, 장거리 무선 충전 효율 대폭 향상

연구진이 자유 공간을 통해 전력을 효율적으로 전송하는 독특한 시스템을 개발했습니다. 이 시스템으로 전원 소켓에서 떨어진 거리에서 모바일을 무선 충전하기 쉬워질 수 있습니다. 특정 진폭과 위상을 가진 신호를 전송해 작동합니다.

어떻게 했나?

안테나가 정보 및 전력 전송을 포함한 무선 기술에서 주요 역할을 한다는 건 잘 알려져 있습니다. 무선 통신 시스템은 잘 발달했지만, 무선 전력 전송은 아직 초기 단계입니다.

시도하지 않은 건 아닙니다. 공진기 기하학과 주변 요소 최적화로 더 높은 효율로 전력을 전송하는 새 방법을 찾는 데 상당한 연구가 헌신됐습니다. 사실 최근 큰 진전을 이뤘습니다.

국제 연구팀이 전력 전송 효율을 높이고 실현 가능한 장거리 무선 충전으로 이어질 새로운 개념을 입증했습니다. 구현된다면 모든 휴대폰 가전제품, 의료 임플란트, 심지어 전기차에도 유익할 것입니다.

작동 원리

전자기파로 충분한 에너지를 장거리(전선 없이) 전송하는 건 매우 어렵습니다. 하지만 연구진은 간섭 메커니즘이 제공하는 파동 임피던스(wave impedance)의 국소 제어에 의존하는 새로운 기술을 개발했습니다.

그들은 특정 위상과 진폭을 가진 신호(후방 전파)로 아웃커플링 도파관의 결맞는 여기(coherent excitation)를 사용해 수신 안테나 효율을 높일 수 있음을 보였습니다. 이 신호는 독특한 간섭 패턴을 형성해 수신단에서 최적의 파동 임피던스를 제공, 자유 공간을 통한 전력 전송량을 최대화합니다.

무슨 의미인가?

간단히 말해, 무선 전력 전송의 주요 문제 중 하나는 안테나가 복사를 흡수하지 않고, 입사 복사의 작은 부분을 방출한다는 것입니다. 이 두 과정은 보통 결합 상수(coupling constant)와 연관되며, 이 두 과정의 상수가 같을 때 최대 에너지가 전송됩니다.

이 결합 상수들을 안정적으로 유지하기 위해 연구진은 인덕터와 커패시터를 포함한 몇 가지 구성 가능한 회로 모듈들을 통합했습니다. 또한 특정 진폭과 위상으로 신호를 전송해 결합 상수의 불균형을 억제했습니다. 이 신호는 부하를 변경할 필요 없이 파동 전송을 개선하도록 구성될 수도 있습니다.

시연

이미지 출처: Krasnok / University of Texas

이미지는 우측의 송신 안테나가 파동(무선 주파수)을 방사하는 것을 보여줍니다. 수신측 안테나는 동축 케이블을 통해 배터리로 에너지(파란색 파동)를 보냅니다. 회로에서 방출된 빨간 파동이 에너지를 최대화하는 방식으로 간섭합니다.

팀은 완전 파동 수치 시뮬레이션으로 이 원리를 입증하는 이론적 모델을 개발했습니다. 신호 발생기와 두 안테나를 사용해 40센티미터 거리에서 마이크로파 전력을 전송했습니다. 동축 케이블이 수신 안테나를 회로(배터리 등)에 연결합니다.

그들은 결합 상수의 큰 차이에도 불구하고 최대 에너지 전송을 복원할 수 있음을 입증했습니다. 연구진에 따르면, 이 기술은 급격히 변하는 환경에서 효율적인 무선 에너지 전송 시스템 개발에 사용될 수 있습니다.

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하지만 무선 전력 전송 기기 제조사 위트리시티(Witricity)는 이 개념의 이점이 아직 검증되지 않았다고 말합니다. 구현할 가치가 있는지 아직 확신하지 못합니다.