일본 도쿄공업대학교( 東京工業大學) 등은 레이저를 사용해서 전기를 공급하는 “광 무선 충전” 연구를 추진하고 있다. 대상물에 레이저를 조사(照射)해서 빛 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 이를 실현한다. 통신기기나 가전제품을 코드리스로 사용할 수 있는 것 외에도 충전하지 않고도 주행하는 전기자동차(EV)의 실현에도 기여한다. 2050년에는 충전을 신경 쓰지 않아도 되는 생활을 하게 될지도 모른다.

레이저를 사용한 무선 충전의 구조는 단순하다. 전기 에너지를 레이저로 변환해서 쏘는 것이다. 레이저 수신부는 태양광 패널로 빛을 전기 에너지로 변환해서 사용한다. 도쿄공업대학교의 미야모토 토모유키(宮本智之) 준교수는 “효율성과 안전 측면의 문제점을 모두 해결하게 되면 조기에 실용화되지 않겠느냐”며 기대를 내비쳤다.

미야모토 준교수와 연구팀은 광 무선 충전으로 10W 정도의 전력을 송전할 수 있다는 사실을 확인했다. 무선 조종장치를 작동시키거나 지상에서 레이저를 쏘아서 드론을 체공하도록 하는데 성공했다. 또한 물을 통과하여 레이저로 충전할 수 있다는 것도 특징이다. 물 속에서 작동하는 드론에도 무선 충전을 사용할 수 있다.

무선 충전에서 이미 보급되고 있는 것은 전자 유도 방식이다. 코일에 전기를 흘려 보내 발생하는 전자기력을 사용해서 송전한다. 스마트폰 충전 등에서 실용화되고 있다. 90% 정도의 효율로 송전할 수 있는 한편, 거리를 불과 수 cm 만 띄울 수 있다.

장거리 전송에서 유력한 후보로 꼽히고 있는 것이 바로 마이크로파를 이용한 무선 충전이다. 특정 파장의 전파를 사용해서 전달할 수 있다. 광범위, 장거리에서도 송전이 가능하지만 거리가 늘어나면 효율이 크게 떨어져 대규모 전력을 송전하기는 어렵다. 또한 전파를 사용하기 때문에 전기를 받는 쪽의 기계에 노이즈가 발생해서 고장 등의 원인이 될 가능성도 있다.

레이저는 장거리로 전력을 송전할 수 있다는 이점이 있다. 또한 변환 효율도 50% 정도를 유지할 수 있을 것으로 보고 있다. 장거리에 대전류를 보내는 무선 충전 구조로 유력 시 되고 있다.

다만 해결 과제도 있다. 특히 문제가 되는 것이 안전측면이다. 고출력 레이저는 사람에게 닿으면 위험하기 때문에 사람이 없는 환경에서 이용하거나 닿는 부분을 엄격하게 제어할 필요가 있다.

미야모토 준교수는 “무인 창고 내 센서나 무인운송차(AGV)에 우선적으로 사용하지 않겠느냐”고 설명했다. 창고 안을 자유롭게 오고 가거나, 곳곳에 설치되어 있는 센서를 실내 상부 등에 설치한 레이저로 계속해서 충전할 수 있다. 2030년에는 도입이 시작될 것으로 보고 있다.

사람이 있는 방안에서도 가전이나 통신기기에 충전하는 방법이 연구되고 있다. 카메라 등의 센서를 사용해서 사람을 감지하고, 레이저 조사를 중단함으로써 안전성을 확보한다. EV에 계속해서 송전하면서 주행하도록 하는 것도 고출력 충전이 가능한 레이저라면 가능하다.

해외에서는 스타트업도 설립되었다. 미국의 스타트업 PowerLight Technologies는 스웨덴의 통신기기 메이커 Ericsson과 공동으로 고속통신규격 “5G” 기지국에 전력을 공급하기 위한 광 무선 충전 실증테스트를 실시했다. 이스라엘의 스타트업 Wi-Charge도 모든 사물이 인터넷으로 연결되는 IoT 기기 충전 기술로 개발을 추진하고 있다.

일본에서는 구체적인 움직임이 나오고 있지 않지만, “관심을 보이는 기업이 늘고 있다”고 한다. 미야모토 준교수 연구팀은 광 무선 충전 검토회라는 산학연계조직을 통해 정보 등을 공유해 나갈 방침이다.

◆ 핵융합과 농업, 응용 확대

레이저 등 빛을 사용한 기술은 광 화이버와 같은 통신기기 외에도 CD나 DVD와 같은 기록장치에 널리 사용되어 왔다. 또한 레이저 빛을 국소부위에 집중시켜 열이 발생하도록 함으로써 금속을 절단하는 레이저 가공은 공업 분야에서는 빼놓을 수 없는 기술이다.

인증이나 자율주행 기술에서도 이용이 확대되고 있다. 예를 들어, 스마트폰의 얼굴 인증이나 적외선 레이저를 얼굴에 조사해서 특징을 입체적으로 포착해 본인 여부를 인식한다. 자동차의 자율주행에서는 레이저를 주위에 조사해서 장애물의 형태나 위치 등을 감지하는 기술이 개발되고 있다.

레이저를 활용하는 상황은 더욱 늘어날 것으로 보인다. 높은 에너지를 취급한다는 이점을 살려서, 핵 융합 발전에 적합한 연구도 추진하고 있다. 고출력 레이저를 한 점에 집중시켜서 고밀도로 압축과 가열함으로써 핵융합 반응을 일으킨다. 각 국에서 스타트업이 설립되고 있다.

농업 분야에서는 식물의 성장과 토양의 상태를 모니터링하는데 활용한다. 잡초나 해충을 레이저로 제거하는 기술도 있다. 화학 농약 사용량을 줄이고 무인 식물공장을 실현한다.

앞으로도 다양한 레이저 이용법이 생겨날 전망이다.