EEWS 대학원 이정용 교수와 서울대학교 화학생물공학부 최장욱 교수 공동연구팀이 근적외선* 대역의 전자기파를 이용한 무선충전 플랫폼을 개발하였다. 이번 연구는 지난 5월 11일 <어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)> 온라인 판에 게재되었다.

스마트 기기, 충전 기술 발전 요구해

 최근 스마트 시계, 스마트 안경과 같은 웨어러블 디바이스(Wearable Device)에 대한 수요가 증가하고 있으며, 스마트폰이나 무선 이어폰 등 직접 전지를 충전해서 사용해야 하는 기기의 종류 역시 다양해지고 있다. 하지만 각 기기가 처리해야 하는 정보량이 기하급수적으로 증가하였고, 스마트폰 등의 모바일 디바이스(Mobile Device)의 경우 액정의 크기가 커지는 등의 이유로 인해 기기를 충전하더라도 전지를 오랜 시간 사용하지 못하는 상황이다. 이처럼 각 기기가 사용하는 전력의 양이 전지 용량 증가 기술의 발전속도보다 빠르게 증가하는 문제를 해결하기 위해 사용자가 기기를 사용하면서도 전지를 충전할 수 있는 기술들이 도입되었다.

양자점 크기 조절로 근적외선 흡수해

 가장 대표적인 예가 태양광을 받아 전지를 충전하는 태양전지이다. 하지만 태양전지는 낮에만 충전할 수 있으며, 그마저도 날씨에 영향을 받는다는 한계가 있다. 또한, 태양전지는 빛을 흡수하는 효율을 높이기 위해 어두운색을 띨 수밖에 없어 디자인에서의 활용도가 낮다. 이에 연구팀은 태양전지의 한계를 극복하기 위해 근적외선 대역의 전자기파로 에너지를 송수신하는 기술을 개발했다.

 연구팀은 양자점(Quantum Dot)을 이용해 근적외선 대역의 에너지를 받아 전기를 충전하는 광전변환 소자**(Photovoltaic Cell)를 개발했다. 양자점은 크기가 수 nm 단위인 반도체 입자로 띠틈과 같은 크기의 에너지를 가지는 전자기파를 흡수하는 성질이 있으며, 입자의 크기를 조절함으로써 띠틈을 조절할 수 있다. 이번 연구에서는 근적외선 대역의 전자기파를 흡수하는 황화납(PbS) 양자점을 이용했다.

사용자 인지 없이도 지속적 충전 가능

 이렇게 개발한 광전변환 소자를 이용한 무선충전 플랫폼은 사용자가 인지하고 있지 않은 상황에도 기기를 충전할 수 있다는 장점이 있다. 기존 RF(Radio Frequency) 무선전력전송 기술보다 에너지 전송 가능 거리가 매우 길 뿐만 아니라, 근적외선은 비가시광선 대역의 전자기파이기에 인간이 인식할 수 없어 24시간 충전하더라도 생활에 영향을 주지 않기 때문이다.

 또한, 근적외선은 가시광선보다 투과도가 높아 소자를 외부에 드러내지 않더라도 충전할 수 있으며 디자인을 위해 여러 색을 표면에 입히더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다. 기존 무선 전력 송신 기술들에 사용된 소자들은 단단해서 굽힐 수 없다는 한계도 있었다. 하지만 이번에 개발한 전지는 두께가 수백 nm 정도로 매우 얇아 굽힐 수 있으며, 이러한 성질은 웨어러블 디바이스에 적용하기도 매우 적합하다.

 이 교수는 “이번 연구에서는 무선 전력 전송 플랫폼에서 사용될 수신기를 개발하였다”며, “추후 효율적인 전력 송신기 개발 등의 연구를 진행하겠다”고 전망을 밝혔다.

근적외선*

파장이 가장 짧은 적외선 대역. 0.75㎛에서 3㎛의 파장을 가짐.

광전변환 소자**

광전 효과를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 소자.