충전 패드 위에 스마트폰을 올려두면 자동으로 충전되는 '무선 충전 기술'은 이제 우리에게 너무나 익숙한 기술이다. 충전을 위해 전원 단자를 꽂을 필요도 없고 충전 단자가 고장 나서 케이블을 교체해야 하는 수고도 덜어주는 편리한 기술이다. 이 최신 기술이 복잡하고 어려운 기술이라고 생각하기 쉽지만 사실은 그렇지 않다. 무선 충전 기술의 원리 자체는 꽤 간단하고 오래전에 발명된 것으로, 19세기 물리학자 패러데이가 발견한 ‘전자기유도 현상’이 이 원리를 설명할 수 있다.

패러데이 법칙이 관성의 법칙이라고?

버스가 붕~하고 출발하면 갑자기 출발한 버스 때문에 승객들이 뒤로 넘어지게 되는데 이는 관성의 법칙을 설명할 때 가장 흔히 드는 생활 속 예이다. 덕분에 많은 사람들이 뉴턴의 관성 법칙을 쉽게 이해한다. 그런데 전자기학에도 관성의 법칙이 있다면 믿어지겠는가? 그것이 바로 패러데이 법칙으로 설명되는 전자기 유도 현상이다. 패러데이 법칙은 영국 국민으로부터 가장 존경받는 물리학자 마이클 패러데이에 의해 1831년에 발표된 법칙으로 오늘날 다양한 곳에서 쓰이는 생활 속에서 없어서는 안 될 위대한 원리다.

패러데이는 자석과 코일을 이용한 실험을 통해 신기한 현상을 발견했다. 금속 코일 속으로 자석을 넣거나 빼면 전기가 흐르는 모습이 관찰됐고, 자석을 더 빠르게 움직이거나 코일을 많이 감을수록 전기의 발생량이 증가했다. 이러한 현상을 '전자기 유도 현상'이라고 부르는데, 이러한 현상은 왜 발생하는 것일까?

▲ 전자기 유도 실험 (출처: 엘사 TV 유튜브 채널)

전자기 유도의 원리

▲ 자석이 가진 자기력선들

전자기 유도 현상은 자기장으로 인해 발생한다. 자석은 고유의 자기력을 갖고 있기 때문에 N극과 S극 사이에 자기력이 존재하며, 위 그림처럼 여러 자기력선들이 형성되어 있고, 이러한 영역을 자기장이라고 부른다. 이때 자석이 코일 속으로 들어가면 자석의 자기력선들이 코일의 영역을 침범하게 되는데, 코일은 그 자체의 상태를 보존하려는 자연의 법칙을 지키기 위해 자신을 자석처럼 변화시켜 자기장의 침범을 막으려 한다. 이는 코일이 자기력에 대한 관성을 유지하려고 한다는 의미다. 코일을 향해 자석의 N극이 들어오면 코일 자신을 N극화 시켜서 막으려 하고, S극이 들어오면 자신을 S극화 시켜서 막으려 한다. 하지만 코일은 그 자체가 자석은 아니기 때문에 스스로 전류의 흐름을 만들어 자석과 같이 행동한다. 관성을 유지하기 위해 전류의 흐름을 만들어 내는 현상이 벌어지는 것이다.

그림과 같이 코일 위쪽에서 자석의 N극이 코일 쪽으로 접근하게 되면 코일 내부를 지나는 자기력선들이 증가(초록색 화살표) 하게 된다. 이때, 코일 내부에서는 전자기적 관성에 의해 코일 내부를 침범하는 자기력선의 증가를 방해하는 방향으로 자기력선이 생겨야 하므로(빨간색 화살표) 코일에는 전류가 B→Ⓖ→A를 지나는 방향으로 흐르게 된다. 전자기적 관성이 전원이 연결되지도 않은 코일에 전류를 흐르게 한 것이다.

이번에는 반대로 코일에 넣었던 자석의 N극을 코일에서 멀어지게 하면 코일 내부를 침범하는 자기력선이 감소하게 되고, 코일에는 자기력선이 감소하는 것을 막기 위해 A→Ⓖ→B로 전류를 흐르게 한다. 이는 앞의 사례와 반대로 이미 들어온 자석의 자기력선을 현재의 관성에 따라 지켜내려는 현상이다.

이러한 현상은 신기하면서도 놀랍다. 보통의 전류를 만드는 것은 건전지와 같은 배터리이다. 하지만 전자기 유도에서는 자석과 코일만 가지고도 전류를 만들 수 있다. 마치 무에서 유를 창조하는 것과 같은 경이로운 일이 아닐 수 없다.

스마트폰 무선 충전의 원리에 활용!

그렇다면 스마트폰 무선 충전 방식에는 이러한 전자기 유도 현상을 어떻게 적용한 것일까? 먼저 무선 충전기의 구조를 단순화 해서 보면 아래처럼 '충전기 코일'과 '스마트폰 코일'로 볼 수 있다.

▲ 스마트폰 무선 충전 구조 

이때 아래에 있는 충전기의 코일은 패러데이의 실험에서 보여준 자석의 역할을 맡게 된다. 충전기 코일에 전류를 흘려주면 코일은 자석처럼 극성을 띠게되며, 전류의 흐름을 반대 방향으로 바꿔주면 이 코일의 극성은 N극과 S극으로 계속 바뀌게 된다. 이렇게 극성을 반대로 자꾸 바꿔준다는 것은 자석의 극성을 바꿔가며 코일에 넣었다 빼기를 반복하는 것과 같은 효과를 가져온다는 것을 눈치챌 수 있다.

충전기의 코일 즉, 자석이 극성을 바꿔가며 동작하므로 스마트폰의 코일은 이로 인해 발생하는 자기장을 막아내기 위해 스스로 극성을 갖게 되며 유도 전류를 만들어낸다. 이때 발생한 전류가 스마트폰에 내장된 배터리로 흘러가면 충전이 되는 방식이다.

우리 생활 속 전자기 유도 법칙의 응용 사례

그렇다면 무선 충전기 외에 우리 생활에서 찾아볼 수 있는 전자기 유도 법칙을 응용한 사례에는 또 무엇이 있을까?

가장 대표적인 사례는 바로 발전기다. 발전기는 원자력/화력/수력 등 외부 에너지를 이용하여 코일을 회전시키는 방법으로 전자기 유도 현상을 이용한다. 코일을 회전시키면 코일면을 통과하는 자기력선이 시간에 따라 계속 변하게 되면서 유도 전류가 발생하는 원리다. 코일의 회전에 의해 발생한 전류는 브러시(Carbon Brushes)를 거쳐 송전으로 이어지게 하거나 배터리에 충전을 하게 된다.

두 번째는 놀이공원에 가면 볼 수 있는 롤러코스터의 브레이크이다. 롤러코스터에 사용되는 브레이크는 마찰력을 사용하는 일반적인 자동차 브레이크와는 방식이 다르다. 비접촉식이라 마찰이 없기 때문에 이론적으로 소음도 없고, 브레이크 마모도 없다. 원리는 이렇다. 롤러코스터에 달린 금속 부분이 강한 자석 내부로 들어가면 금속에는 유도 기전력(유도 전압)이 생기고, 이때 소용돌이 전류(맴돌이 전류)가 흘러 자석의 이동을 방해한다. 롤러코스터가 자석 브레이크에 진입할 때는 척력이 발생해 속도가 느려지고, 자석 브레이크를 떠나려는 순간에는 인력이 발생하기 때문에 롤러코스터를 원하는 위치에 강하게 잡아둘 수 있어 속력이 빠르게 감소할 수 있다.

한편, 교통 카드에서도 전자기 유도가 이용된다. 단말기에서는 지속적으로 변하는 자기장을 만드는데, 교통 카드를 단말기에 가까이하면 교통 카드 속의 코일에 유도된 전류에 의해 메모리칩의 정보를 읽어 단말기로 보내 요금이 처리된다.

(출처: 삼성 모바일 프레스)

여기서 끝이 아니다. 갤럭시 노트 ‘S’펜에도 전자기 유도 원리가 숨겨져 있다. 갤럭시 노트 S펜 속에는 돌돌 말린 구리 코일과 무선 주파수 발생 장치가 들어있고, 화면 장치에는 디스플레이 아래 ‘디지타이저’라고 부르는 별도 패널이 추가되어 있다. 패널 아래 디지타이저에 방향이 수시로 변하는 교류(AC)를 공급하면 패널 주변으로 변하는 자기장이 형성되는데, 전자기 유도에 의해 가까이 다가온 펜 속 코일에 유도 전류가 흐르게 된다. 에너지를 공급받은 펜은 펜 내부 회로를 통해 디지타이저가 인식할 수 있는 특정 주파수의 전자기파를 발생시키고, 이 신호를 수신한 디지타이저는 신호의 위치와 세기 등을 계산해 디스플레이에 표시한다.

러한 방식의 최대 장점은 펜에 배터리를 내장하거나 충전하지 않아도 된다는 점이다. 따라서 펜을 매우 가볍게 만들 수 있다. 또한 펜이 직접 패널에 닿지 않아도 펜이 자기장 구역 안에만 있다면 마우스와 같은 기능을 할 수 있는 ‘호버링’ 기능이나, 펜의 주파수 신호와 손바닥의 터치 신호를 각각 구분해 손바닥 압력은 무시하는 ‘팜 리젝션’ 기능을 활용할 수 있다는 것도 장점이다. 물론 유도 전류를 사용하기 때문에 물속에서도 사용이 가능하다.

전자기 유도는 이외에도 마트의 도난 방지 장치, 금속 탐지기, 가정에서 쓰는 인덕션레인지 등 활용 사례가 너무나도 많다.

패러데이 법칙은 전기와 자기의 상관관계를 찾아낸 이 시대 최고 수준의 발견이다. 항상 겸손한 자세로 자신의 연구 결과를 별것 아니라고 말해 왔던 패러데이지만 그가 오늘날의 현대 과학 기술 발전을 이루게 한 업적은 어느 누구도 부정할 수 없을 것이다. 그의 작은 날갯짓이 커다란 나비 효과가 되어 지금도 많은 사람들이 다양한 곳에서 편리함과 혜택을 누리고 있다.

※ 이 칼럼은 해당 필진의 개인적 소견이며 삼성디스플레이 뉴스룸의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.