월간전기



[트랜드 리포트]무선전력전송 기술의 과거와 현재

2019-06-01

무선전력전송 기술의 과거와 현재 향후 기술 패러다임의 시프트가 될 수 있을까? 전기는 금속 도체로 흐른다는 생각이 일반적이다. 따라서 송배전 설비는 케이블이 주된 부분을 이룬다. 하지만 무선(Wire-less)으로 전력을 전송할 수 있다면 어떨까? 공상과학영화에나 등장할 법하지만, 무선전력전송(Wireless Power Transmis-sion: WPT) 기술은 이미 오래 전부터 연구돼 왔으며, 이미 휴대전화 충전 등 일상에서 구현되고 있다. 무선전력전송 기술의 연구 역사와 원리, 그리고 최근 동향에 대해 짚어보았다. 글 강창대 기자 통신기기는 날로 증가하고 있고 일상을 크게 변화시키고 있다. 휴대폰은 단순히 전화기의 기능을 넘어 사무나 금융 업무를 비롯해, 소셜미디어와 연결되면서 일상적인 커뮤니케이션의 상당 부분을 담당하고 있어 비즈니스 측면에서도 중요한 수단으로 인식되고 있다. 따라서 휴대폰을 분실하거나 배터리가 모두 방전돼 전원이 꺼질 경우 생활에 큰 지장을 초래하게 된다. 개개인의 생활 뿐만 아니라, 산업에서도 ICT 기술을 이용한 자동화와 자율화가 빠르게 가속되면서 기계의 제어기술이 통신기술과 연결되어 실시간으로 데이터를 생성하고 이를 토대로 생산성의 효율을 높이고 있다. 이 경우에도 생산설비를 모니터하는 수많은 기계들의 전원을 어떻게 공급하느냐가 관건이 되고 있다. 이를 위해 에너지 하베스트 기술과 더불어 무선전력전송 기술이 하나의 대안으로 지목되기도 한다. 전기차의 경우도 마찬가지다. 전기차 배터리를 충전하기 위해서는 충전소를 찾아 일단 멈추고 전원 코드를 연결해야 하는 번거로움이 있다. 만약 이를 무선전력전송으로 해결할 수 있다면 전기차의 편리함을 극대화시킬 수 있다. 그러나 저주파 영역에서의 근거리 WPT 기술은 이미 상용화된 반면, 수십 W 이상의 대전력 전송을 위한 연구는 큰 진전을 이루지는 못했다. 여기에는 5.8㎓ 정도의 마이크로파(microwave)를 사용하는 연구가 진행되기도 했지만, 마이크로파가 인체에 미치는 부정적 영향에 대한 우려와 더불어, 고효율 안테나를 사용해야 하는 점, 전자파의 직진성 때문에 고정된 위치에서만 사용할 수 있다는 단점으로 상용화의 어려움이 있다. 그럼에도 2007년 MIT 물리학과의 마린 솔라치치(Marin Soljacic) 교수팀의 비방사(non-radiated) 방식의 무선전력전송 기술은 고주파 무선전력전송 기술에 대한 관심이 커지는 계기가 됐다. 이 기술에는 10㎒의 반송파를 이용하여 2m 거리에서 60W의 대전력을 전송하는 시연을 성공했다고 한다. 우리나라도 WPT를 ‘미래전파(Next-wave) 응용서비스’의 핵심 분야로 선정하는 등 이 분야의 잠재력에 주목해 왔다. 2010년 이후, 이러한 추세를 반영해 한국과학기술원(KAIST)에서는 무선전력전송을 이용한 온라인 전기자동차(On-Line Electric Vehicle: OLEV) 개발과 상용화 계획을 발표하기도 했다. [그림 1] 무선충전 기술을 적용한 휴대폰과 충전기(출처: 위키피디아)[그림 2] 2011년 도쿄 오토쇼에 선보인 자동차 유도전기 충전 시스템의 프로토타입(출처: 위키피디아)[그림 3] 무선전력전송 기술 가운데 광전지를 조준하는 레이저빔으로 전기를 변환하여 전력을 전송하는 방법도 있다. (출처: 위키피디아) 미래전파 응용서비스의 핵심 분야 WPT는 크게 ‘근거리 무선전력전송’ 분야와 ‘원거리 무선전력전송’ 분야로 나뉜다. 다시 근거리 무선전력전송은 ‘자기 유도 무선전력전송’과 ‘자기 공진 무선전력전송’ 연구 분야로 나뉘고, 원거리 무선전력전송은 주로 ‘마이크로파 무선전력전송’ 기술을 일컫는다. 현재 수백 ㎑ 대의 저주파를 사용하는 비접촉식 유도결합(Induction Coupling) 방식이 상용화됐다. 자기 유도 무선전력전송 방식은 송신 코일에 인가된 시변전류에 의해 근역장(Near Field)에서 형성되는 자기장을 이용하는 방식이다. 자기 공진 무선전력전송 기술은 MIT 마린 솔라치치 교수팀이 10MHz 주파수를 사용하여 품질 계수가 1,000인(설계 값~4,000) 자기공진기를 제작해 2.4미터 떨어진 60와트 전구를 켜는 시연으로 알려진 방식이다. 당시 연구원들은 이 기술이 인체에 무해하다는 점을 강조하기 위해 송수신 코일 사이에 서 있기도 했다. 원역장(Far Field) 방사는 마이크로파를 이용해 수 ㎓ 이상의 방사형 마이크로파를 사용해 수미터 이상의 원거리에 무선으로 전력을 전송한다. 마이크로파 무선전력전송 기술은 주로 우주태양광 발전 위성(Space Solar Power Satellite: SPS)을 활용해 무한한 태양광 에너지를 활용하는 방안으로 논의되고 있다. 2008년에 무려 143㎞ 거리에서 무선전력전송이 가능한 시스템이 개발된 바가 있다.¹ 니콜라 테슬라로 시작된 WPT 놀랍게도, 무선전력전송 기술이 최초로 연구된 것은 100년 전 미국의 발명가인 니콜라 테슬라(Nikola Tesla: 1856년~1943년)로 부터다. 테슬라는 잘 알려진 바와 같이, 교류(AC) 전류로 동작하는 유도 전동기 및 전력 시스템을 발명했다. 에디슨 연구소에서 수년간 연구하기도 했지만, 에디슨과 성향이 달라 그곳을 나온 뒤 철도 사업가인 웨스팅하우스(Westinghouse)와 손잡고 교류(AC) 시스템을 이용하여 전력기술 발전에 기여했다. 그리고 라디오와 레이더, 무선전력전송 기술에도 큰 공로를 남겼다. 자기장의 단위로 사용하는 테슬라(T)는 그의 공로를 기리기 위해 채택된 것이라고 한다. 테슬라의 주된 아이디어는 지구상의 어떤 지점에도 전력을 전달하는 도체로 행성을 이용하는 것이었다. 1899년 테슬라는 전원에서 25마일(약 35.4㎞) 떨어진 곳에 있는 형광등을 작동시켜 그 개념을 성공적으로 설명했다고 한다. 1901년 테슬라는 워든클리프(Wardenclyffe) 타워를 지었다. 테슬라는 (Nikola Tesla)는 유도자(誘導子, Inductor) 및 커패시터(Capacitor)의 공진(Resonance) 현상과 승압형(Boost Type) 변압기를 사용하여 고전압을 발생시켜 인공적으로 번개를 만들어 천재성을 과시하기도 했다. 테슬라 활동 당시, 전력용 스위치로 사용하는 전력용 반도체를 대신해 스파크갭(Spark Gap)을 사용해 전류의 개폐를 제어했다고 한다. 스파크갭은 전기 스파크가도체 사이를 통과할 수 있도록 설계된 두 전도성 전극의 배열로 구성된다. 그 사이에는 공기와 같은 기체로 채워진 틈이 있다. 테슬라는 이를 이용해 메시지 전송을 비롯해 무선전력전송 기술을 통합하려 했다고 한다. 그러나 이 기술을 지원하던 금융업자가 비현실적이라는 이유로 투자를 거부하면서 테슬라의 아이디어는 별 성과 없이 역사에서 사라지는가 싶었다. 그러다 윌리엄 브라운(William .C. Brown, 1916년~1999년)이 초단파(microvave) 이론을 고안해 냈다. 브라운의 아이디어는 이후의 무선전력전송 기술과 진공관, 우주태양광발전 위성(SPS) 기술로 이어졌다. 1960년경에 그는 마이크로파를 DC 전원으로 변환하는 직사각형을 발명했다. 이것은 WPT에서 중요한 돌파구로 평가된다. ² [그림 4] 워든클리프 타워(Wardenclyffe Tower) 혹은 테슬라 타워(Tesla Tower) 자기유도와 공진결합 케이블을 통해 전력을 전송하는 방식은 전자기기에 맞는 케이블을 필요로 한다. 반면, WPT는 선에 구애됨이 없이 전력을 전송하는 방법을 추구하는 기술이다. 지금까지 WPT는 주로 무선 자기유도(Self Induction)를 기반으로 제품화돼 왔다. 하지만, 미래의 무선전력 전송은 무선 공진결합(Resonance Coupling)을 기반으로 하는 기술 발전이 이루어질 것으로 전망된다. 2007년 MIT 물리학과의 마린 솔라치치 교수팀의 연구는 이 분야에 돌파구가 되었다는 점에서 큰 의의가 있다. 자기유도(Self Induction)의 원리는 패러데이 법칙(Faraday’s Law)을 기반으로 한다. 기전력이 변화하며 1차측 코일에 자속(Magnetic Flux)이 발생한다. 이때 발생한 자속은 2차측 코일을 관통하며 전압을 발생시킴으로써 전력의 전송이 가능하다. 이때, 1차와 2차측 코일에 정합(Align)이 중요하며 공극(Air Gap)을 최소화하는 것이 관건이다. 그래야 전력 전송의 효율이 높기 때문이다. 이 방식은 지금도 휴대폰 무선충전에 널리 사용되고 있는 방식이다. 그리고 공진(Resonance)은 물체가 지니는 고유의 공진주파수(f)가 특정 주파수에서 진동이 증폭되는 현상을 말한다. 예를 들어, 기타나 바이올린과 같은 현악기의 줄은 길이와 굵기에 따라 다른 음색을 낸다. 이처럼 전기회로마다 특정 주파수에서 인덕터 성분(L 성분)과 커패시터(C 성분)이 서로 상쇄하면서 에너지가 최대로 전달되는 특정 주파수가 존재한다. 이를 공진주파수(fr)라고 한다. 공진 주파수가 같은 공진기를 이웃하면, 자기장 파장으로 에너지가 전달되며, 자기장의 직접적 연결이 약하거나 코일 방향이 서로 달라도 에너지 전달이 가능한 장점이 있다. 공진결합은 바로 이러한 공진주파수를 기반으로 전력을 공중에서 자유롭게 전송하는 원리이다. 공진결합은 아래와 같이 수학적으로 표현할 수 있다. [그림 5]는 가장 기본적인 공진결합 방식의 WPT 회로를 나타낸 것이다.³ [그림 5] 공진결합 방식의 WPT 시스템의 가장 기본적인 도식(출처: 위키백과) 국내 무선전력전송 기술 현황 무선전력전송 기술은 미래 기술 예측에서 빠지지 않고 등장하는 기술이다. 한국전기연구원은 2010년에 첨단 전기기술 중에서 향후 10년 내 실현 가능할 것으로 예측되는 기술들을 대상으로 기술적 완성도, 실현가능지수, 사회적 경제적 파급효과 등을 고려해 발표한 ‘미래를 바꿀 미래유망 전기기술’을 발표한 바 있다. 이때 WPT는 미래를 바꿀 미래유망 전기기술 10대 기술 가운데 하나로 선정됐다. 당시 한국전기연구원은 WPT가 미래사회에 새로운 패러다임을 제공할 수 있는 잠재력을 가진 것으로 파악했다. 국내에서는 1997년에 최초로 한국전기연구원이 마크네트론과 혼 안테나를 이용하여 2미터 떨어진 렉테나에 전력을 전달하는 시제품을 개발해 시연했다. 이 제품은 2.45㎓ 마이크로파를 이용해 전력을 전송하고, 수신된 에너지를 DC로 변환해 소형 기구를 구동하는 방식으로 작동했다. 같은 방식으로 50미터 떨어진 거리에서 수㎾를 수전할 수 있는 원거리 고출력 마이크로파 무선전력전송 시제품을 선보이기도 했다. --------------- 1 「무선전력전송의 이해」, 박영진, 전자공학회 제39권 제8호, 2012.8 2 ELECTRICAL AND INFORMATION ENGINEERING, Wamalwa Paul Wamboka, University of Nairobi School of Engineering DEPARTMENT OF ELECTRICAL AND INFORMATION ENGINEERING, 2016. 3 3『핵심특허를 통해 살펴본 에너지 변환 및 신재생 에너지 특허기술 동향』, 배진용, 더하심 출판사, 2017.10 < Energy News >