지난 10년 동안 과학자들은 일상생활 속 에너지를 수집해서 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 방법을 모색해 왔다. 과학자들은 주로 전자파를 교류 전류에서 직류 전류로 변환하는 장치인 정류기를 통해 그렇게 해왔다.

대부분의 정류기는 다이오드가 있는 전기 회로를 사용하여 전파를 직류 전류로 유도할 수 있는 전기장을 생성하기 위해, 전파와 같은 저주파를 변환하도록 설계된다. 문제는 이러한 정류기는 특정 주파수까지만 작동하며, 테라헤르츠 범위를 수용할 수 없었다.

테라헤르츠파(Terahertz wave)를 직류 전류로 변환하는 몇 가지 실험은 실제 적용에서는 구현하기 어려운 극한 온도 설정에서만 가능했다.

MIT 대학 물리학자들은 보통 티-레이(T-ray)라고 부르는 테라헤르츠 파장을 직류 전기로 바꿔 많은 가정용 전자제품에 전력을 공급하는 장치의 청사진을 마련했다고 발표했다.

이 디자인은 탄소물질 그래핀의 양자역학, 즉 원자의 움직임을 이용한다. 과학자들은 그래핀을 다른 물질과 결합시키면 그래핀 전자가 일정한 방향으로 움직인다는 것을 발견했다. 이들이 이용한 물질은 질화 붕소(boron nitride)이다.

연구팀은 이 연구결과를 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 저널에 발표했으며, 이 설계를 물리적인 장치로 만들기 위해 실험학자들과 협력하고 있다.

MIT소재연구소의 히로키 이소베(Hiroki Isobe) 박사는 “우리는 테라헤르츠 범위에 있는 전자파에 둘러싸여 있다”고 말했다. “만약 우리가 그 에너지를 일상생활에 사용할 에너지원으로 바꿀 수 있다면, 우리가 직면한 에너지 문제를 해결하는 데 도움이 될 것”이라고 그는 강조했다.

그래핀의 대칭을 깨다

이소베 박사는 변환 장치에 외부 전기장을 적용하여 전자파를 직류 전류로 바꾸는 대신, 양자역학 수준에서 티-레이를 직류 전류로 유도하기 위해 물질 자체의 전자가 한 방향으로 흐르도록 유도할 수 있는지 궁금했다.

물질의 불규칙성을 흩뜨리지 않고 전자가 흐르려면 물질이 매우 깨끗하거나 불순물이 없어야 한다. 그는 그래핀이 이상적인 재료라고 생각했다.

그래핀 전자가 한 방향으로 흐르도록 유도하려면, 물질 고유의 대칭을 깨뜨리는, 물리학자들이 말하는'인버전(inversion)'을 유도해야 한다. 일반적으로 그래핀 전자는 그들 사이에 동일한 힘을 느끼는데, 이는 들어오는 에너지가 전자를 모든 방향으로 대칭적으로 흩어버린다는 것을 의미한다. 이소베는 그래핀의 인버전을 깨뜨리고 들어오는 에너지에 대응하여 비대칭적인 전자의 흐름을 유도하는 방법을 찾았다.

문헌을 통해 그는 다른 사람들이 벌집 격자인 질산 붕소 층 위에 그래핀을 올려놓는 실험을 했다는 것을 발견했다. 다른 과학자들은 이럴 경우 그래핀 전자 사이의 힘 균형이 깨졌다는 것을 발견했다. 붕소에 가까운 전자는 일정한 힘을 느끼는 반면, 질소에 가까운 전자는 다른 당김을 경험한다. 이 과정에서 전자들이 한 방향으로 움직이지 않고 왜곡된다.

이소베 박사는 그 같은 왜곡은 그래핀이 비교적 순수하다면 한곳으로 모여 직류 전류를 생성한다는 것을 발견했다. 그래핀에 너무 많은 불순물이 존재하면, 불순물이 전자구름의 경로에 장애물로 작용하여, 구름을 하나로 움직이기보다는 사방으로 흩어지게 할 것이다.

테라헤르츠파 모으는 안테나 설치

연구팀은 또한 들어오는 티-레이 에너지가 강할수록 직류 전류로 변환할 수 있는 에너지가 더 많다는 것을 발견했다. 이것은 티-레이가 변환 장치에 들어가기 전에, T-레이를 집중시키는 방법을 포함해야 한다는 것을 의미한다.

그래서 연구팀은 티-레이를 수집하고 집중시키는 안테나를 추가로 배치하고, 그래핀으로 구성된 테라헤르츠 정류기 설계도를 고안했다.

연구팀은 새 ‘고주파수 정류’ 설계에 대한 특허를 출원했고, MIT 실험 물리학자들과 협력하여 상온에서 작업이 가능한 물리적 장치를 개발하고 있다.

그럴 경우, 많은 휴대용 애플리케이션에 사용할 수 있다. 예를 들어 임플란트 배터리를 교체하는 수술 없이도 환자 몸에 있는 임플란트에 무선으로 전원을 공급할 수 있을 것이라고 예상된다. 주변 와이파이 신호를 노트북이나 휴대폰 같은 개인용 전자 장치를 충전하도록 변환할 수 있다.