강한 자성을 형성하는 영구자석은 최근에 네오디움(Neodium, Nd 원소기호 60) 기반의 희토류(Rare Earth Material)의 화합물인 NdFeB를 주로 사용하고 있다.
네오디움계 영구자석(NdFeB 52SH)은 강력한 에너지(2 × 10⁶[J/m³], 50MGOe)를 스스로 반영구적으로 보유하고 있고, 이러한 에너지원을 비대칭적으로 재활용할 수 있는 새로운 차원의 재생에너지 전기기기의 개발이 절실한 실정이다.
이러한 영구자석의 힘을 재활용할 수 있는 기술을 총칭해서 MERA(Magnetic Energy Renewable Algorithms)기술이라고 한다.
MERA기술을 다음과 같이 ALPA이론과 MEPSH이론으로 구현할 수 있다.

1. 서론(Introduction)

모든 물리계에 작용하는 힘은 에너지 분포의 위치에 따라 변화가 있을 때 생긴다. 이것을 수학적으로 표현하면,  F=-∇U와 같이 나타낼 수 있다.
지구의 중력이 가지는 포텐셜 에너지와 완벽한 대칭을 이루면서 원운동을 계속하는 인공위성의 경우는 중력에너지를 재활용하여 사용하는 경우에 속한다. 지구에서 약36,000km 떨어진 우주에서 지구의 자전 각속도와 같은 속도로 원 운동하는 위성은 지구 관측자에겐 정지한 것처럼 보인다. 이 정지위성은 추진을 위해 외부에서 어떤 힘이나 에너지를 공급해 주지 않는다.
오직 지구의 중력을 재활용하여 스스로 회전운동을 계속하고 있을 뿐이다.
그렇다고 해서 지구의 중력에너지가 감소하고 있는 것은 아니다. 태양 궤도를 따라 일년에 한바뀌씩 공전하고 있는 지구뿐 아니라 우주의 모든 은하, 항성과 행성들도 마찬가지로 중력을 재활용해서 회전운동을 계속하고 있다. 영구자석이나 전자석에 의해 자기장이 형성되면 그 자기장에 영향을 받는 공간에는 자기 에너지가 축적되는데, 이것을 수학적 언어로 표현하면 다음과 같다.



희토류를 사용한 NdFeB계 N52 그레이드 영구자석을 사용하면 공극내의 자속밀도 B가 최대 2테슬라임으로 공식에 의해서 자기장내에 저장된 자기에너지 밀도는 대략 2.0MJ/m³이 된다. 이는 전기장에 의해 저장된 에너지의 약 50,000배에 해당한다. 따라서 대부분 에너지 변환장치는 자기장을 활용하여 구현한다. 어떤 계에 저장된 에너지는 상수로 향상 보존된다. 에너지는 새로 만들어지거나 없어질 수 없으나, 이 에너지를 다른 형태로 변환하여 재활용해서 사용할 수는 있다.
특히, 1J의 에너지는 1N·m의 토크에 해당되기 때문에 에너지를 힘으로 재활용해서 사용한다면 자기에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다.
영구자석은 한번 착자되면 자극이 형성되고 이를 인위적으로 파괴하지 않는 한 반영구적으로 사용할 수 있다. 공극내에 저장된 자기에너지를 재활용해서 다른 형태로 사용한다고 할지라도 자기에너지가 소멸되는 것이 아니고 자성이 남아있는 한 이 에너지는 계속 재활용해서 사용할 수 있다. 이와 같이 형성된 자기장내에 강자성체가 놓여있고 에너지 량의 위치에 따른 변화가 있다면 이 강자성체에 작용하는 힘은 다음과 같이 포텐셜 에너지 변화량의 미분형으로 표현할 수 있다.
이와 같은 형태의 힘은 공극내의 릴락턴스 변화의 미분형으로 표시할 수 있기 때문에 이를 전기공학자들은 릴락턴스 토크(Reluctance Torque)라고 한다. 여기서 는 공극내 릴락턴스(자기저항)를 나타낸다.
강자성체의 비투자율은 자유공간내의 비투자율에 비해 보통 4,000배 이상 크고 대부분의 자기에너지는 공극내에 저장되어있기 때문에 힘을 계산할 때, 공극에 모여 있는 에너지 변화량만을 취급한다.



자석은 홀극으로 존재할 수 없고 향시 N극과 S극이 동시에 존재하기 때문에 이 릴락턴스 토크는 완벽한 대칭을 이룬다. 자석을 전자 레벨까지 작게 잘라도 전자의   스핀 운동에 의하여 향시 N극과 S극이 동시에 존재한다. N극과 S극에 의해서 생기는 자력선은 완벽히 대칭적이다. 즉, 자기장내에 들어갈 때 작용하는 힘은 자기장을 빠져나올 때 힘과 평형을 이룬다.
1주기를 기준으로 할 때 릴락턴스의 변화에 의한 토크은 다음 [그림 1]에서 알 수 있는 바와 같이 싸인 함수로 표시되고 대칭적으로 플러스, 마이너스로 반복해서 나타나기 때문에 1주기 동안 토크의 합은 향상 0이 된다. 원주 방향으로 무한히 반복해서 운동을 해도 +1과 -1의 테두리를 벋어 날 수 없다. 아니, 회전 속도가 증가할수록 영구자석과 코아에서 발생하는 와전류손이나 기계적 손실의 영향 때문에 오히려 1주기 동안 이 토크의 합은 마이너스가 된다. 이와 같이 자연적으로 존재하는 자기에너지의 대칭성은 완벽하기 때문에 쉽게 깨지지 않는다. 이에 따라서, 자석의 힘을 재활용(renewable)해서 사용하는 선례도 지금까지는 아무도 없었다.




영구자석이 힘을 가진다는 사실은 이미 수천 년 전부터 경험적으로 잘 알고 있었기 때문에 이것을 이용하여 영구기관을 만들려는 시도는 수없이 많이 진행되었으나, 지금까지는 한 번도 성공하지 못하였고 100% 사기임이 드러났다.

2. Previous Works

릴락턴스 토크에 의한 힘은 외부에서 힘을 가하거나 전류를 흐르게 하거나 하는 등 아무런 작용 없이, 순전히 위치에 따른 자속에너지의 변화에 의해서 자연적이고 자발적으로 생기는 힘이다. 이러한 시도의 대표적인 방법이 마그네틱 그라디언(Magnetic Gradient)방법이다.
이 방법은 미국의 Howard Johnson이 그의 1979년도 미국 특허(US Patent No.4,151,439)에서 처음 소개되었다. 원주 방향으로 둘러가면서 자석과 회전체가 배치되었다. 공극은 회전체가 출발하는 위치에서는 좁고 끝나는 위치에서는 넓게 배치해서 반지름 방향으로 형성되는 자속밀도의 차이가 생기게 고안되었다. 고정자의 자석은 같은 극으로 경사각을 두어 배치하고 또한 같은 극의 영구자석으로 회전자를 구성해서 자석의 같은 극끼리 반발하는 힘이 작용하도록 하였다.
이때 회전자 입장에서 볼 때 위치에 따른 자속밀도의 분포가 비대칭적이다. 따라서 회전이 진행되면서 대칭 깨짐에 의해서 계속해서 발생하는 에너지의 밀도 차이로 인해 새로운 힘이 생겨서 회전자는 원주방향을 따라서 시계방향으로 회전하게 된다. 또한 Hartman에 의해서 고안된 리니어 모타도 있다.
Wankel 엔진은 [그림 1]와 같이 원주 방향으로 둘러가면서 자석과 회전체가 배치되었다. 공극은 회전체가 출발하는 위치에서는 좁고 끝나는 위치에서는 넓게 배치해서 반지름 방향으로 형성되는 자속밀도의 차이가 생기게 고안되었다. 따라서, 회전이 진행되면서 계속해서 발생하는 에너지의 밀도 차이로 인해 회전자는 원주방향을 따라서 시계방향으로 회전하게 된다.
고정자의 자석은 같은 극으로 경사각을 두어 배치하고 또한 같은 극의 영구자석으로 회전자를 구성해서 자석의 같은 극끼리 반발하는 힘이 작용하도록 하였다.

마그네틱 그라디언트를 이용한 전기 모타 이 형태는 양쪽에 자석을 다른 극끼리 배치하고 출발하는 지점과 끝 지점의 공극의 크기를 점점 크게 하고 시작 지점에 강자성체 회전체를 놓으면 지속밀도 차에 의해서 회전체는 총알처럼 앞으로 빠져나갈 것이다.
그러나 이와 같은 개념은 지속적으로 사용할 수 있는 에너지 발생 장치로 활용하는 것이 다음과 같은 두 가지 이유로 현실적으로 불가능하다.
첫 번째 이유는 회전체가 처음 출발한 원점으로 다시 회귀할 수 없다는 점이다. 360도까지는 자속 밀도 차에 의해 움직인다고 해도 끝 부근에서 벌어진 커다란 에너지 벽에 막혀서 더 이상 전진할 수 없다. Wankel엔진에서는 이 벽을 뛰어넘기 위해서 펄스 발생회로를 구성하여 순간적인 급격한 인덕턴스 변화를 유도하여 반대방향의 극성을 가진 자석을 만들어서 이벽을 뛰어넘는 시도를 수행하였다.
그러나, 의벽을 극복하기 위해 또 다른 에너지원을 사용해야 하는데, 이때 들어가는 에너지가 지금까지 한 일의 량을 초과할 수도 있다. Wankel 엔진과 리니어모타의 경우 마찬가지로 자속밀도차를 무한히 크거나 작게 할 수 없기 때문에 결국 정지하고 만다. 리니어 모터의 경우도 마찬가지로 앞으로 일직선 운동을 해서 나아갔지만 회전체를 다시 원래 위치로 누군가 일을 해서 되돌려 놓아야만 하는 어려움이 있다.
두 번째는 교류발전 이론에 의해, 효율 좋은 3상 AC전원을 만들어 내기 위해서는 자석이 N극과 S극이 교차적으로 배치되어야 한다는 점이다. 자석밀도는 같은 극끼리 이웃하는 것보다 N극과 S극이 교차적으로 배치될 때 훨씬 커져서 많은 량의 전기를 생산할 수 있다. 그러나, 위의 두 가지 경우에서는 같은 극의 자석만 사용했기 때문에, 결국 성공한다고 하더라도 전기발전기로 사용하는 것은 불가능하고 회전기로 밖에 사용할 수 없다는 단점을 가지고 있다.
이와 같이 위치에 따른 에너지 변화에 의해서 나타나는 힘은 대칭적이기 때문에 재활용해서 사용하는 것은 어려운 일이다. 새로운 역사는 다음과 같은 지금까지 누구도 생각하지도 시도하지 않았던 기본적이고 대담한 발상에서 시작되었다.
만약에 공극내 자기에너지는 어쩔 수 없이 존재한다 해도 위치에 따라 자기 에너지의 스칼라량의 변화가 없다면, 미분형이고 플러스 마이러스가 주기적으로 반복되는 릴락턴스 토크가 생기지 않을 것이다.
우리는 이와 같이 자연계에서 본질적으로 주어지는 대칭적 현상을 인위적으로 파괴하는 과정을 자기에너지 분포의 대칭 깨짐(Symmetry Breaking)이라고 한다.

3. ALPA Theory

비록 영구자석이나 불완전한 순환기기가 진공에서 에너지가 계속 채워지는 [정리 1]을 만족한다할지라도, 포텐셜 에너지 분포의 대칭성 때문에 계속해서 일을 할 수 없다. 따라서 이들을 실제적인 파워 시스템에 활용하는 것은 대단히 어렵다.
[조건 1]을 만족하는 완벽한 순환장치를 만들기 위하여 제일 중요한 것은 추출과 채움이 연속적으로 이어지는 순환 구도 내에서 자력선의 대칭 깨짐에 의한 휨을 향상 한쪽 방향으로 일정하게 유지시킬 수 있는 전기기기를 만들 수 있는가의 문제이다. 이는 원통형에서 원주방향으로 회전하는 대칭적인 전기기기에서 회전체가 회전함에 따라 자력선이 한쪽 방향으로만 비대칭적으로 휘어지는 만들어서 힘이 향상 일정하게 작용되게 하는 구조를 찾는 문제로 귀결된다.
ALPA(ALways Positive warping force by simultaneously symmetry breaking Asynchronous cores)이론에 의한 방법이다. 이 이론은 더마젠 주식회사의 정 자춘 박사에 의해 개발된 방법으로 2018년7월에 미국 특허를 획득하였다. (US Patent No.10,020,694)
ALPA이론은 영구자석에 의해서 형성된 자기력선 공간內에 TNR(Tilting Notch Rounding)의 비대칭 코아를 배치하면, 코아의 비대칭 기하학적 구조에 의해 자기력이 향상 한쪽 방향으로 대칭이 깨져 있어 (Simultaneous Symmetry Breaking) 한쪽 방향으로 휘는 현상이 발생하고, 이 휜 공간에 놓인 로타는 내측 공극과 바깥측 공극 사이의 접선(tangent) 방향으로 당겨주는 힘 때문에(Stretching Force) 한쪽 방향으로만 움직이는 Warping Torque가 발생하여, 대칭이 깨지고, 스스로 회전하게 된다는 사실을 입증하고 있다. 이를 구현하기 위해서는 다음과 같은 두 단계를 거쳐야 한다.
먼저, 영구자석의 N극과 S극의 완벽한 대칭성에 의해 생기는 포텐셜 에너지 분포의 대칭성을 깨야 한다. 포텐셜 에너지 분포가 위치에 따라 대칭적이질 않고 일정하게 분포하는 공극 구조여야 한다. 즉, 이는 포텐셜 에너지의 위치에 따라 변화에 의해서 발생하는 릴럭턴스 토크가 제로가 될 수 있도록 환경을 구축해 놓아야한다는 의미이다.
두 번째 단계는 기하학적으로 자력선이 휨이 향상 일정 방향으로 유지될 수 있는 비대칭인 코아를 사용해서 공극 내 자력선 분포의 대칭 깨기를 구현해야 한다. 휨의 방향이 플러스와 마이너스가 교체적으로 반복되면 순환성이 깨지기 때문에 향상 일정하게 플러스를 유지할 수 있어야 완벽한 순환형 기기가 실현된다. 이때 자력선 분포의 대칭은 연속적으로 깨지기(Simultaneous Symmetry Breaking) 때문에 공극내 보관된 자기에너지에 의해 토크로 변환된 에너지가 연속적으로 채워지는 완벽한 순환구조의 실현이 가능하다.
연속적인 대칭 깨기에 의해서 [규칙 1]을 만족하는, 즉, 에너지 보존성이 유지되면서 계속해서 대칭 깨기가 발생하여 추출과 채움이 계속적으로 발생하는 일정한 방향으로 비대칭 구조가 유지된다.
이와 같이 연속적 대칭 깨기를 실현하는 알고리즘을 구현하는 이론을ALPA(ALways Positive warping force with simultaneous symmetry breaking Asymmetric core) 이론이라고 한다.
다음 [그림]은 ALPA이론으로 구현된 모바일 마젠 충전기를 도식적으로 보여주고 있다.