스마트폰 사용자들은 가는 곳마다 와이파이(Wi-Fi)가 잘 연결되는지, 충전은 어디서, 어떻게 가능한지에 늘 신경을 곤두세운다.

얼마 전부터는 국내에 데이터 무제한 요금제가 나오면서 전원 쪽에 더 관심이 쏠리고 있다. 전원이 떨어질 것을 염려해 보조배터리 하나쯤은 챙겨서 다니고, 제조업체들 간에는 배터리 용량 높이기 경쟁이 치열하다.

그런데 와이파이 같은 전자신호를 전력으로 바꿀 수 있다면 스마트폰을 포함해 휴대나 착용이 가능한 전자통신기기 사용에 획기적인 전환점을 가져올 수 있다.

최근 미국 매서추세츠공대(MIT)가 이끄는 국제연구팀은 새로운 2차원 재료를 이용해 와이파이 신호를 전력으로 바꾸는데 성공했다. 이들은 교류(AC) 전자기파를 직류(DC) 전기로 변환하는 장치인 새로운 정류 안테나(rectennas)를 개발해 과학저널 ‘네이처’(Nature) 최근호에 발표했다.

원자 세 개 두께의 세계 최소형 반도체 기능

이들이 개발한 장치는 와이파이 신호를 포함하는 전자기파를 교류 파형으로 포착하는 유연한 무선(RF) 안테나를 사용한다.

이 안테나는 원자 몇 개 두께의 2차원 미세 반도체로 만들어진 새로운 장치에 연결된다. 교류 신호는 이 반도체로 전달돼 직류 전압으로 변환되며, 전자회로나 배터리 재충전 전원으로 쓸 수 있다.

이 방식으로 ‘배터리가 필요 없는 장치’는 어디에서나 활용 가능한 유비쿼터스 와이파이 신호를 포착해 직류 전원으로 변환한다. 더욱이 이 장치는 유연성이 있고, 제조원가가 싼 롤-투-롤(roll-to-roll) 방식으로 만들 수 있어 매우 넒은 영역에서 사용이 가능하다.

논문 공저자인 토마스 팔라시오스(Tomás Palacios) MIT 전기공학 및 컴퓨터 과학부 교수(마이크로시스템 기술연구소 그래핀 장치와 2D시스템 MIT/MTL센터 원장)는 “교량을 감싸고 고속도로 전체나 사무실 벽을 덮어서 우리 주위 모든 곳에서 전자지능을 활용한다고 할 때 이런 전자장치들에 어떻게 에너지를 공급할 수 있겠는가?”라는 질문을 던졌다.

그는 이에 대해 “우리는 미래의 전자시스템을 구동할 새로운 방법을 고안해 냈다”며, “넓은 지역에 쉽게 통합될 수 있는 방법으로 와이파이 에너지를 포획해 우리 주위의 모든 물체에 지능을 부여할 수 있다”고 밝혔다.

착용 전자기기나 이식의료기기 등 다양한 사물인터넷에 활용

연구팀이 제안한 렉테나의 초기 응용프로그램에는 사물인터넷(Iot) 용의 유연하고 착용 가능한 전자장치와 의료기기 및 센서에 대한 전원 공급이 포함된다.

예를 들어 접고 펼 수 있는 유연한 스마트폰은 주요 기술회사들 간에 개발경쟁이 치열한 뜨거운 시장이다. 연구팀이 개발한 장치는 실험에서 와이파이의 일반적인 전력 수준(약 150마이크로와트)에 노출됐을 때 약 40마이크로와트의 전력을 만들어낼 수 있었다. 이는 간단한 모바일 기기용 디스플레이나 실리콘 칩을 구동시키는데 충분한 양이다.

논문 공저자인 스페인 마드리드 과학기술대 헤수스 그라할(Jesús Grajal) 연구원은 또 다른 응용분야로 이식 가능한 의료기기의 데이터 통신용 전원 공급을 꼽았다.

예를 들면 의료기기 연구자들이 개발 중인 삼킬 수 있는 진단 알약을 보자. 이 진단 알약은 환자의 소화관을 통해 내려가면서 장기의 상태나 기능 등에 대한 정보를 인체 밖의 컴퓨터로 전달하게 된다.

그라할 연구원은 “이 진단 알약에 구동용 리튬 배터리를 장착했을 때 만에 하나 리튬이 새어나오기라도 하면 환자가 사망할 위험이 있기 때문에 사람들은 가능하면 배터리를 사용하지 않기를 바랄 것”이라고 말했다.

그는 “몸 안에 들어간 ‘작은 검사실’에 전원을 공급하고 외부 컴퓨터와 통신하려면 주변 환경에서 에너지를 얻는 것이 훨씬 낫다”고 덧붙였다.

이황화몰리브덴 원자배열로 획기적 정류기 개발

모든 렉테나는 교류 입력신호를 직류 전원으로 변환하는 정류기(rectifier)라는 구성요소를 기반으로 하고 있다. 전통적인 렉테나는 정류기에 실리콘 또는 갈륨 비소화합물을 사용한다.

이 재료들은 와이파이 대역을 커버할 수는 있으나 유연하지 않고 딱딱한 성질이 있다. 그리고 이 재료들을 사용해 소형장치를 제조하는 것은 상대적으로 저렴하지만 건물이나 벽의 표면 같은 넓은 영역에 장착하려면 비용이 많이 든다.

이 분야 연구자들은 오랫동안 이 문제를 해결하기 위해 노력해 왔다. 그러나 지금까지 보고된 몇몇 렉테나는 낮은 주파수에서 작동하고, 대부분의 셀룰러 폰이나 와이파이 신호가 운용되는 기가헤르쯔 주파수에서는 신호를 포착해 변환할 수 없었다.

연구팀은 정류기를 만들기 위해 새로운 이황화몰리브덴(MoS2) 2차원 재료를 사용했다. 이 재료는 원자 세 개 두께로 세계에서 가장 얇은 반도체 가운데 하나다.

연구팀은 이황화몰리브덴의 한 가지 특성만 사용했다. 즉, 특정 화학물질에 노출됐을 때 재료의 원자들이 스위치처럼 작동해 재배열되는 것이다.

이렇게 되면 아황화몰리브덴에서 상전이가 일어나 금속재료의 특성을 갖게 된다. 이 구조는 반도체를 금속과 접합시키는 쇼트키 다이오드(Schottky diode)로 알려져 있다.

빠르고 유연하며 사용 무선주파수 커버

논문 제1저자인 쑤 장(Xu Zhang) MIT 박사후 연구원(카네기멜론대 조교수 부임 예정)은 “우리는 이황화몰리브덴을 2차원의 반도체성 금속상 접합으로 가공함으로써 원자적으로 얇으면서도 초고속의 쇼트키 다이오드를 만들었다”며, “동시에 직렬 저항과 기생용량도 최소화했다”고 밝혔다.

기생용량(parasitic capacitance)이란 특정 재료에 저장돼 있는 작은 전하로서 전자회로의 속도를 느리게 하지만 전자제품에서는 불가피한 상황이다. 따라서 이 용량이 낮으면 정류기 속도가 빨라지고 작동 주파수가 더 높아진다.

연구팀이 만든 쇼트키 다이오드의 기생용량은 오늘날의 최첨단 정류기보다 크기가 작기 때문에 신호 변환이 훨씬 빠르며, 10기가헤르츠의 무선신호를 잡아 변환할 수 있다.

장 박사는 “이 같은 설계로 인해 오늘날 일상적으로 쓰는 와이파이와 블루투스, 셀룰러 LTE를 비롯한 많은 전자장치가 사용하는 대부분의 무선주파수 대역을 커버할 수 있는 빠르고 완전히 유연한 장치를 만들어낼 수 있었다”고 설명했다.

플렉시블 와이파이-전기 변환장치 청사진 제공

이번 연구는 상당한 출력과 효율성을 가진 플렉시블 와이파이-전기 변환 장치를 만들 수 있는 청사진을 제공한다.

현재 장치의 최대 출력 효율은 와이파이 입력 전력의 40% 정도를 유지한다. 일반적인 와이파이 전력 수준에서 이황화몰리브덴 정류기의 전력 효율은 약 30% 정도다.

참고로 오늘날 딱딱하고 더 비싼 실리콘이나 갈륨 비소화합물로 만드는 가장 좋은 실리콘과 갈륨 비소 렉테나는 50~60% 정도의 효율을 나타낸다.