"레이저 쏘자 드론 계속 날았다"…中, 비행 중 무선충전 성공

중국 연구진이 고출력 레이저를 이용해 비행 중인 드론을 무선으로 충전하는 데 성공했다. 드론이 착륙하거나 배터리를 교체하지 않고 장시간 비행할 수 있는 가능성을 제시한 성과로 평가된다.

과학매체 라이브사이언스는 최근 중국민용항공대학(CAUC)과 칭화대 연구진이 이 같은 연구 결과를 과학 학술지 ‘물질과 빛(Matter & Light)’에 발표했다고 보도했다. 해당 기술은 무인항공기(UAV)의 운용 방식을 크게 바꿀 수 있는 혁신적인 기술로 주목 받고 있다.

연구진은 드론 날개 아래에 태양전지처럼 작동하는 수신기를 장착했다. 이 수신기는 지상에서 쏜 레이저 빔의 에너지를 전기로 변환해 드론 프로펠러를 구동하는 데 필요한 전력을 공급하는 데 성공했다.

중국 연구진이 고출력 레이저를 이용해 비행 중인 드론을 무선으로 충전하는 데 성공했다. 과학자들은 모형을 이용한 초기 테스트를 마친 후, 실제 드론을 비행 중에 무선으로 충전하는 실험을 진행할 계획이다. (사진=Y. Han, X. Han)

이번 연구를 이끈 중국민용항공대 한지안화(Jianhua Han) 연구원은 "기존 연구는 주로 소재나 장치 자체에 초점을 맞췄지만, 우리는 실제 항공기에 시스템을 통합하고 비행 중 냉각과 운용이 가능한지까지 고려했다"며 "이는 단순한 재료과학이 아니라 공학적인 문제"라고 설명했다.

페로브스카이트 전지 활용…빛-전기 변환 효율 38.5%

드론 수신기에는 레이저 광을 전기로 바꾸도록 최적화된 페로브스카이트 기반 전지가 적용됐다. 페로브스카이트는 차세대 태양전지 핵심 소재로, 실리콘보다 다양한 파장의 빛을 흡수할 수 있어 높은 발전 효율을 기대할 수 있는 물질이다. 일부 연구에서는 실내 조명만으로도 전력을 생산할 수 있는 가능성도 제시되고 있다.

연구진에 따르면 녹색 레이저를 사용한 실험에서 해당 수신기는 빛 에너지의 38.49%를 전기로 변환하는 데 성공했다. 이는 미국 에너지부(DOE)가 기록한 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 최고 효율인 34%를 웃도는 수치다.

다만 초기 실험에서는 고출력 레이저로 인해 장치 온도가 섭씨 80~90도까지 상승하면서 효율이 떨어지는 문제가 확인됐다. 연구진은 "열화상 카메라로 측정한 결과 예상보다 훨씬 높은 온도가 나타났으며, 열 축적이 가장 큰 문제라는 사실을 확인했다"고 밝혔다.

이를 해결하기 위해 연구진은 페로브스카이트층과 탄소 전극 사이에 반도체 소재인 삼셀렌화 안티모니(Sb₂Se₃) 나노결정을 삽입했다. 이 나노결정은 열 장벽 역할을 하며 과도한 열이 장치 내부에 축적되는 것을 억제해 성능 저하를 줄였다.

"배터리 교체 없는 장시간 비행 기대"

연구진은 이번 기술이 숲 탐사, 재난 감시, 물류 배송 등 다양한 분야에서 드론 운용 시간을 획기적으로 늘릴 수 있을 것으로 기대했다. 연구진은 "드론 임무 시간이 길어질수록 배터리 수명이 가장 큰 제약 요인이 된다"며 "배터리 교체를 위해 자주 착륙하지 않아도 되는 미래를 기대할 수 있다"고 말했다.

향후 활용 분야로는 정찰과 물류, 재난 구호 등을 제시했다. 다만 실제 환경에서는 비행 중인 드론에 레이저를 정확하게 조준하기 위한 실시간 추적 시스템 개발이 추가로 필요하다고 설명했다.

연구진은 현재 모형을 이용한 초기 검증을 마친 상태이며, 앞으로 실제 경량 드론에 장치를 탑재해 야외 환경에서 비행 중 무선 충전 성능을 검증할 계획이다.