도쿄 - 9월 17일, 2025 -NTT 주식회사(본사: 도쿄 치요다, 사장 겸 CEO: 시마다 아키라, 이하 "NTT")와 미츠비시 중공업 주식회사(본사: 도쿄 치요다, 사장 겸 CEO: 이토 에이사쿠, 이하 "MHI")는 레이저 빔을 사용하여 에너지를 1km 떨어진 곳까지 무선으로 전송하는 광무선 전력 전송 실험을 실시했습니다. 광출력 1kW의 레이저빔을 조사해 1㎞ 떨어진 곳에서 152W의 전력을 수신하는 데 성공했다. 이는 대기 난류가 강한 환경에서 실리콘 광전변환소자(주2)를 이용한 광무선전력전송 효율이 세계 최고 수준임을 의미한다.
이 결과는 멀리 떨어진 곳에 전력을 공급할 수 있는 가능성을 보여줍니다. 향후에는 전력 케이블을 설치할 수 없는 낙도 및 재해 피해 지역에 대한-주문형 송전에 적용될 것으로 예상됩니다.
이 성과는 2025년 8월 5일 영국 잡지 Electronics Letters에 게재되었습니다.
배경
최근에는 스마트폰, 웨어러블 디바이스, 드론, 전기자동차 등 케이블을 사용하지 않고도 전력을 공급할 수 있는 기기에 대한 무선전력전송 기술이 주목받고 있다. 무선 전력 전송 시스템에는 두 가지 유형이 있습니다. 하나는 마이크로파를 사용하고 다른 하나는 레이저 빔을 사용합니다. 마이크로파 무선전력전송은 이미 실용화되어 그 용도가 확대되고 있다. 한편, 레이저빔을 이용한 광무선전력전송은 아직 실용화되지 않았으나, 레이저빔의 높은 지향성을 활용하여 수 킬로미터 정도의 컴팩트한 장거리 무선전력전송을 실현할 수 있을 것으로 기대된다(그림 1).
미래 전망에서는 재해 발생 시, 외딴 섬, 산악 지역, 해상 등 전기나 통신 네트워크를 사용할 수 없는 상황과 지역에서 전력을 공급하고 통신 범위를 확장할 수 있는 차세대 인프라 개발을 구상하고 있습니다. 여기에는 특정 영역에 전력을 정확하게 전달하거나 드론과 같은 플랫폼을 이동하는 것이 포함됩니다. 이렇게 매우 정확하고 장거리 전력 공급을 달성하려면 강력한 방향성을 활용하는 레이저-기반 무선 전력 전송이 필요합니다.
기존 기술의 과제와 이번 실험의 성과
광무선전력전송 기술은 일반적으로 효율이 낮아 실용화를 위해서는 효율 향상이 과제이다. 그 이유 중 하나는 -장거리 레이저빔이 특히 대기 중에서 전파되면 강도 분포가 불균일해지고, 광전변환소자에서 레이저빔을 전력으로 변환하는 효율이 낮아지기 때문입니다.
이번 실험에서는 NTT의 빔 성형 기술과 MHI의 수광 기술을 결합하여 레이저 무선 전력 전송의 효율성을 향상시켰습니다. 1km 전파 후 균일한 빔 강도를 달성하기 위해 송신측에서 빔을 형성하는 장거리 플랫 빔 쉐이핑 기술과 수신측의 호모지나이저 및 레벨링 회로를 사용하여 대기 변동의 영향을 억제하는 출력 전류 레벨링 기술을 사용하여 실외 환경에서 장거리 광무선 전력 전송 실험을 수행했습니다.
2025년 1월부터 2월까지 와카야마현 니시무로군 시라하마마치 난키-시라하마 공항 활주로에서 광무선 전력 전송 실험을 실시했습니다(그림 2). 레이저 빔을 방출하는 광학 시스템을 갖춘 송신 부스는 활주로 한쪽 끝에 설치되었으며, 수광 패널이 포함된 수신 부스는 1km 떨어진 곳에 배치되었습니다.
전송 시 레이저의 광축은 지상 약 1m의 낮은 높이에 설정되어 수평으로 정렬되었습니다. 그 결과, 빔은 지반난방과 바람의 영향을 크게 받으며, 대기 난류가 강한 조건에서 실험을 진행하였다.
전송 부스 내부에서는 1035W의 광 출력을 갖는 레이저 빔이 생성되었습니다. 회절광학소자(DOE)(주3)를 사용하여 빔은 1km 거리에서 균일한 강도 분포를 생성하도록 형성되었습니다. 또한, 빔 스티어링 미러를 사용하여 성형된 빔을 수신 패널 쪽으로 정확하게 향하게 했습니다. 빔은 전송 부스의 구멍을 통해 빠져나와 1km의 열린 공간을 가로질러 전파되어 최종적으로 수신 부스에 도달했습니다.
전파 중에 대기 난류로 인해 빔 강도가 변동되어 핫스팟이 생성되었습니다. 이는 수신부스의 균질화 장치에 의해 확산되어 균일한 빔이 수신 패널에 조사됩니다. 그런 다음 레이저 빔은 효율적으로 전력으로 변환되었습니다(그림 3). 수신 패널에는 비용과 가용성을 모두 고려하여 실리콘- 기반 광전 변환 소자가 채택되었습니다.
본 실험에서 수신 패널에서 추출된 평균 전력은 152W(그림 4)였으며, 이는 수신된 전력 대 전송된 광 전력의 비율로 정의되는 무선 전력 전송 효율 15%에 해당합니다. 이 결과는 강한 대기 난류 조건에서 실리콘- 기반 광전 변환 소자를 사용하여 입증된 세계 최고의 광무선 전력 전송 효율을 나타냅니다. 또한, 30분 동안 연속 전력 공급이 성공적으로 유지되어 이 기술을 이용한-장시간 전력 전송의 타당성을 확인했습니다.
참고: 안전 관점에서 볼 때, 고출력 레이저 빔에 대한 우발적인 노출과 반사광의 산란을 방지하기 위해 광 전송 시스템과 수신 패널을 각각 부스 내부에 설치했습니다.
기술적인 하이라이트
장거리-거리 평면 빔 성형 기술
광전변환 효율을 높이려면, 광전변환소자에 입사하는 빔의 강도분포를 균일하게 하는 것이 필요하다.
본 연구에서는 장거리 전파 후 강도 균일성을 가능하게 하는 빔 형성 방법을 제안했습니다.- 이 접근법에서는 액시콘 렌즈(Note4)의 효과를 사용하여 빔의 외부 부분이 링- 모양의 패턴으로 변환됩니다. 빔의 중앙 부분은 오목 렌즈 효과를 통해 확장되도록 위상이 변조됩니다. 빔이 전파됨에 따라 링- 모양의 빔과 확장된 중앙 빔이 점차 중첩되어 그림 5와 같이 대상 위치에서 균일한 강도 분포가 발생합니다.
실험을 위해 우리는 1km 거리에서 원하는 강도 프로파일을 달성하기 위해 빔 설계를 최적화했습니다. 빔 성형은 회절 광학 요소를 사용하여 구현되었으며, 이는 1km 떨어진 대상 위치에서 빔 강도의 균일성을 향상시켰습니다.
출력 전류 레벨링 기술
레이저 빔이 대기를 통해 전파됨에 따라 대기 난류의 영향을 받아 강도 분포가 교란됩니다. 위에 설명된 평면-빔 성형 기술은 강도 분포를 균일하게 할 수 있지만 그림 6에 표시된 것처럼 강한 난류로 인해 여전히 높은 강도의 반점이 형성될 수 있습니다.-
이 문제를 해결하기 위해 우리는 수광 패널 앞에 빔 균질화기를 배치했습니다-. 호모지나이저는 높은-세기의 스폿을 확산시켜 빔이 패널에 균일하게 조사되도록 합니다. 또한, 수신 패널의 각 광전 변환 소자에는 레벨링 회로가 연결되었습니다. 이러한 회로는 대기 난류로 인한 출력 전류의 변동을 억제하고 전체 전력 출력을 안정화하는 데 도움이 됩니다.
이 두 가지 기술을 통해 기존 빔 쉐이핑 방식으로는 어려웠던 킬로미터{0}}오더 전송 단위의 빔 균일성을 구현하고 실외 환경에서 출력을 안정화할 수 있습니다. 이에 따라 낙도나 재해{2}}피해 지역 등 원격지에도 안정적인 전력 공급이 가능해질 것으로 기대된다.
각 회사의 역할
NTT: 빔 성형 기술과 같은 전송 광학 장치의 설계 및 구현
MHI: 광검출기 패널, 균질기, 레벨링 회로 등 광검출기 광학 장치의 설계 및 구현
향후 개발
이 기술은 대기의 난기류 속에서도 장거리에 걸쳐 효율적이고 안정적인 에너지 전송을 가능하게 합니다. 본 실험에서는 태양광 변환소자로 실리콘을 사용하였다. 그러나 레이저 광의 파장과 일치하도록 특별히 설계된 광전지 장치를 사용하면 훨씬 더 높은 전력 전달 효율을 기대할 수 있습니다. 또한 출력이 높은 레이저 광원을 사용하면 더 많은 양의 전력을 공급할 수 있다.
결과적으로, 전통적으로 전력 케이블 설치가 어려웠던 재해 피해 지역이나 외딴 섬과 같은 원격지에서도 유연하고 신속한 전력 공급이 가능해졌습니다.- 지상 애플리케이션 외에도 이 기술을 기반으로 다양한 새로운 사용 사례를 구상할 수도 있습니다(그림 7). 특히, 레이저 빔의 높은 지향성과 낮은 발산으로 인해 작고 가벼운 수신 장치를 설계할 수 있습니다. 이는 무게와 탑재량 용량이 엄격히 제한되는 모바일 플랫폼에 큰 이점이 됩니다.
예를 들어 이 기술을 빔 조향 기술과 결합하면 비행 중인 드론에 무선으로 전력을 전달하는 것이 가능해진다. 이를 통해 배터리 교체를 위한 착륙이나 테더링된 전원 공급 케이블 사용과 같은 작동상의 제약을 피하고 장거리-장거리 연속 작동이 가능합니다. 이러한 기능은 이전에는 구현하기 어려웠던 재해 지역 모니터링은 물론 산악 지역이나 해상 지역의 광역 통신 중계-를 향상시킬 수 있습니다.
또한 NTT의 우주 브랜드인 NTT C89(주6)의 범위에 속하는 HAPS(High Altitude Platform Station)(주5)와 같은 모바일 플랫폼에 대한 전력 공급을 포함하여 우주에서의 잠재적인 응용이 예상됩니다. 더 나아가 이 기술은 전력 우주 데이터 센터와 달 탐사선뿐만 아니라 레이저를 통해 정지 위성에서 지상으로 전기를 전송하는 우주 태양광 발전 시스템에도 적용될 수 있습니다. 이러한 애플리케이션은 시장 확장 가능성이 높은 영역을 나타냅니다.
NTT와 MHI의 협력을 통해 대기 변동의 영향을 크게 받는 조건에서 세계에서 가장 효율적인 레이저 무선 전력 전송 기술을 실현했습니다. 이번 성과는 재난 대응부터 우주 개발까지 다양한 사회적 요구를 충족할 수 있는 혁신적인 기술 기반을 구축하는 데 중요한 진전을 의미합니다.
