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무선송전기술의 개념도. 이 기술은 올해 과학기술기획평가원(KISTEP)이 선정한 10대 미래유망기술에 |
얼마 전 아이와 광화문에 위치한 녹색성장체험관에 들른 적이 있다. 힘차게 펌프를 움직이면 오선지 상의 바람개비들이 춤을 추고, 열심히 자전거 페달을 밟으면 에너지가 발생되는 것을 눈으로 확인할 수 있었다. 정부 차원에서 주도적으로 추진되는 녹색기술은 국방에서도 그 관심과 이슈가 매우 큰 사항이다.
배낭을 메고 걷기만 해도 전기가 발생될 수 있다면 얼마나 놀라운 일일까? 더군다나 전투원들이 유사시 전기공급을 받기 어려울 때, 또한 충전을 받을 수 있는 전기선들이 없을 때, 배낭의 운동에너지를 전기로 변환하는 기술과 무선송전기술은 이를 가능하게 해준다.
미국 펜실베이니아대학교 연구진은 걸을 때 몸이 위아래로 움직여 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환해 휴대폰, GPS 장비, 각종 디바이스들과 같은 이동형 장비에 배터리를 별도로 휴대할 필요 없이 야외에서 사용할 정도의 에너지인 7.4W의 전력을 생산하는 배낭을 개발했다고 한다. 이전에 신발에 장착된 장비는 비록 신발이 지면에 세차게 힘을 주지만 단거리이기 때문에 운동에너지의 양이 매우 작아 단지 20mW의 매우 적은 전력만을 생산할 수 있었다. 이를 극복하기 위해 처음으로 사람의 이동으로 상당한 양의 전기를 생산하는 배낭을 개발한 연구진은 걷는 동안에 발생하는 5~7㎝에 달하는 둔부의 위아래 움직임을 이용했다고 한다.
연구진은 가방에 짐을 싣고 움직이면 둔부가 움직인 수직거리만큼 가방도 역시 움직이는 것을 밝혔으며, 37㎏의 가방을 5㎝ 높이는 데는 한 걸음당 18J의 기계적 일이 소요된다고 계산했으며, 이 기계적인 일이 전기로 변환되는 것이다.
배낭은 등산객이 사용하는 것과 비슷한 단단한 프레임으로 만들어졌지만, 짐을 나르는 칸막이는 수직 스프링에 의해 프레임에 매달려 있다. 둔부의 움직임에 따라 가방 프레임이 위로 움직이게 되면 관성에 의해 가방과 짐의 움직임에 차이가 생기게 된다. 운동에너지는 톱니 모양의 선반을 짐 받침대에 부착시켜 톱니 기어가 프레임에 맞물리게 함으로써 얻어졌다.
이 기어는 전기를 생산하는 발전기에 부착되고, 전기는 사용되거나 가벼운 재충전 배터리에 저장된다. 연구진에 따르면, 더 빨리 걷거나 무거운 짐을 이용함으로써 전기를 더 많이 생산할 수 있었다고 한다.
이렇게 발생한 전기에너지를 선 없이 전기가 필요한 군 장비에 전송할 수 있다면 얼마나 좋을까?
그것이 바로 ‘무선송전기술’이다. 무선송전이란 선이 없이 전기를 보내는 기술을 의미한다. 지금 우리는 스마트폰을 이용해 영상과 음악 등의 데이터를 무선으로 주고받고 있다. 이와 마찬가지로 전기도 전선 없이 주고받을 수 있다. 만약 이 기술이 완성된다면 실내에서 가전제품의 코드 꽂을 곳을 찾아 헤맬 필요도 없어지겠으며 무거운 배터리도 휴대할 필요가 없게 된다.
이러한 전자제품과 충전기를 전선으로 연결하지 않아도 충전이 되는 원리에는 ‘공명’의 원리가 이용된다. 다른 양의 물이 들어 있는 유리잔을 두드리면 서로 소리가 다른 것을 알 수 있는데 이는 각 유리잔의 ‘주파수가 다르다’고 할 수 있다. 이때 악기로 특정 유리잔과 같은 주파수의 소리를 내주면, 그 유리잔만 흔들리게 된다. 이것이 바로 ‘공명현상’이다.
전기도 마찬가지로 전자기파(전자파)가 발생하는데, 이 전자파도 같은 주파수끼리는 공명하게 된다. 그래서 코일을 이용해 전기를 보내는 쪽과 받는 쪽의 주파수를 같게 한 후, 보내는 쪽에 전력을 공급하면 받는 쪽 코일로 전자파가 이동해 충전을 하게 되는 것이다. 그런데 거리가 조금만 멀어져도 효율이 크게 떨어지기 때문에 지금은 거의 붙어 있어야 하는 방식만 쓰고 있지만 이미 4~5ｍ 거리에서 80~90% 효율의 무선송전 실험이 성공하는 등 기술이 발전하고 있어 머지않아 전선이 사라지는 시대가 올 것이다.
얼마 전 북한의 연평도 포격도발은 우리에게 시사하는 바가 크다고 할 수 있다. 모든 기반시설이 파괴됐을 때 군의 원활한 작전을 위해서는 전기공급이 필수불가결한 사항이다. 이럴 때 전투원이 메고 있는 배낭을 통해 전기를 충전하고 무선송전기술을 통해 필요한 장비에 전기를 공급할 수 있다면, 우리 군은 유사시 어떤 환경에서도 전기를 공급할 수 있는 환경을 구비할 수 있을 것이다.
<서민우 국방기술품질원 선임연구원 / 국방일보 2011.5.31>
