Wi-Fi 신호를 전력으로 변환…배터리 없는 스마트폰

스마트폰을 비롯해 노트북, 웨어러블 및 기타 전자기기가 배터리 없이 작동되는 세상을 상상해보자. MIT과 마드리드 기술대학, 육군 연구소, 마드리드 찰스 III대학, 보스턴 대학, 남부 캘리포니아 대학 등 공동 연구팀이 Wi-Fi 신호의 에너지를 전기로 변환할 수 있는 실험에 성공했다.

전파를 직류 전력으로 변환하는 장치 렉테나(rectenna)는 무선 전력 공급 등에 활용되고 있는 소자다. 이번에 MIT가 새롭게 개발한 렉테나는 Wi-Fi 주파수인 2.4GHz 및 5GHz 대역에 적합한 소재를 사용한 렉테나에서 일반 Wi-Fi 강도인 150μW(마이크로 와트)의 경우 40μW의 전력을 만들어 내는 데 성공했다.

이번 연구 결과는 지난 28일(현지시간) 과학학술지 네이처지에 'Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting'라는 논문명으로 게재됐다. 

▲ Wi-Fi 대역(5.9 GHz)에서 전자기 방사 에너지를 수집하는 완전 유연한 MoS 2 렉테나 [네이처지 캡처]

렉테나(Rectenna)는 Rectifier(정류기)와 Antenna(안테나)를 합성한 말로 구조도 안테나와 정류기를 조합한 구조로 되어 있으며, 마이크로파를 직접 직류전력으로 변환하는 소자다. 이처럼 전파 에너지를 발전에 이용한다는 발상은 특별히 새로운 것이 아니라 과거에 여러 가지 렉테나가 개발되고 있다. 

기존 렉테나 정류기는 실리콘이나 갈륨비소(GaAs)를 사용했다. 이러한 물질을 사용해 소형 장치를 제조하는 것은 상대적으로 저렴하지만, 건물 및 벽 표면과 같은 방대한 영역을 커버하는 데는 비용이 많이 들어간다.

연구원들은 오랫동안 이러한 문제를 해결하려고 노력해왔다. 하지만 지금까지 보고된 몇 안 되는 유연한 소재의 경우 저주파수에서 작동하며, Wi-Fi 신호인 GHz(기가 헤르츠) 주파수를 잡아내고 전력으로 변환할 수 없었다.

하지만 연구진은 이산화 몰리브덴(MoS 2)이라는 새로운 2차원 물질을 사용해 정류기를 만들었다. 이 물질은 원자 3개 정도의 두께로 세계에서 가장 얇은 반도체 중 하나다. 연구팀은 MoS 2를 이용해 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 만들 수 있었다. 이는 일반 다이오드에 비해 마이크로파에서의 특성이 좋은 것으로 알려져 있다.

이 덕분에 Wi-Fi, Bluetooth, LTE를 포함한 일상생활 속에서 많이 사용하는 주파수 대역의 전파를 빠르게 처리할 수 있는 유연한 정류기를 만들 수 있었다.

MIT에 따르면, 출력 효율은 일반적인 Wi-Fi 강도의 경우 약 30%~40%로 실리콘이나 갈륨비소를 이용한 정류기의 경우 약 50%~60%를 달성하고 있기 때문에 다소 효율이 낮다. 하지만 공동 연구팀은 새로운 시스템을 구축하고 효율성을 높일 계획이다.

이번 연구는 MIT의 지식과 개혁정신을 전파하기 위한 'MISTI(MIT International Science and Technology Initiatives)' 프로그램의 일환으로 마드리드 공과대학(Technical University of Madrid)과 협력을 통해 작업이 가능했다. 

또한 일부는 MIT 군인 나노테크놀로지연구소(Institute for Soldier Nanotechnologies), 육군 연구소(Army Research Laboratory), 국립 양자과학 재단의 통합 양자재료 센터(National Science Foundation’s Center for Integrated Quantum Materials) 및 공군 과학 연구실(Air Force Office of Scientific Research)에서도 지원했다.

iT뉴스 / 김들풀 기자 itnews@