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Good Bye 유선, Welcome to 무선

시대가 발전함에 따라, 우리가 사용하는 전자기기의 수는 증가하고 이러한 전자기기들은 우리의 삶을 편리하게 만들었다. 하지만 가정, 사무실 콘센트에 꽂혀 있는 여러 전선들은 이제 더 이상 정리할 수 없을 만큼 꼬여있다. 이러한 불편함을 해결하기 위해 등장한 것이 ‘무선충전기’이다. 무선 충전기에 스마트폰을 올려놓기만 하면 충전이 시작된다. 이와 같이 편리한 무선화 시대, 즉 콘센트 없는 세상이 실현될 수 있을까? 지금부터 밑거름이 되어 줄 ‘무선전력전송’ 기술에 대해 소개해 보려고 한다.

무선전력전송(wireless power transfer)은 말 그대로 전선없이 전력을 전송하는 기술이며, 와이파워(Wi Power)라고 부른다. 이 기술은 기존의 유선 전력 공급 방식 기술에 비해, 언제 어디서나 안전하게 전력을 공급 받을 수 있기 때문에, 사용자의 편리성 및 기기들의 자유도를 획기적으로 개선할 수 있다. 무선 전력전송은 방식에 따라 크게 자기유도, 자기공명, 전자기파 3가지로 구분되며, 방식에 따라 사용 용도가 다르다.

[그림 1. 자기유도방식 무선전력전송 개념]출처 : ETRI(한국전자통신연구원)

 

1. 자기유도

변압기의 송신코일과 수신코일의 자기유도 현상을 이용한 것이다. [그림1]에서 송신회로에 전원을 인가하면, 송신코일에 흐르는 전류가 자기장을 발생시킨다. 이렇게 변화된 자기장은 수신 코일에 유도기전력을 발생시켜, 수신회로에 전류를 흐르게 하며, 이 이론을 ‘페러데이 법칙’이라고 한다. 페러데이 법칙을 이용하면 연결되는 전선없이 송신회로에서 수신회로까지 전류를 전달할 수 있게 된다.

자기유도방식은 주로 근거리 전력전송에 이용되며, 수mm이내에서 수mW~수십KW의 전력을 90%의 효율로 전달할 수 있다.

[그림 2. 자기공명방식 무선전력전송 개념]출처 : ETRI(한국전자통신연구원)

 

2. 자기공명방식

코일 사이의 공진현상을 이용하여 에너지를 전달하는 기술이다. 공진현상이란 특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 현상이다. [그림2]에서와 같이 동일한 공진주파수를 갖는 송수신코일을 설계한다.

기본적인 원리는 송신회로에 흐르는 전류로 인하여 발생된 자기장이 수신회로에 전류를 생성시켜 전달하는 원리로, 전자기유도 방식과 동일하다고 생각할 수 있지만, 공진주파수에서 차이가 있다. 송신회로에 공진주파수의 교류전류를 인가하면 동일한 공진주파수를 갖는 수신코일에 공진현상이 발생하여 코일 간의 에너지 결합에 의해 높은 효율로 에너지를 전달하는 것이 핵심 원리이다.

공진현상에 의하여, 자기공명방식은 자기유도방식보다 더 먼 거리에서 전력전송이 가능하며, 수신부에 전달되지 않은 에너지는 공기 중에 방사되지 않고, 다시 송신부의 코일로 흡수되어 높은 효율을 가진다. 현재 자기공명방식은 1m의 거리에서 약 90%, 2m에서는 40%의 전력전송 효율을 가진다.

[그림 3. 마이크로파방식 무선전력전송 개념]출처 : 한국전기연구원

3. 마이크로파 방식

마이크로파 방식은 안테나를 통해 마이크로파 신호를 공기 중에 방사하여 전력을 전달하는 기술로서, 주로 원거리 전력전송에 활용된다. [그림3]처럼 마이크로파 방식은 송신부에는 AC/DC 변환기, 송신안테나, 수신부에는 수신안테나와 RF/DC 변환기로 구성된다. 송신부에서 다양한 방법으로 얻은 에너지(교류신호)는 AC/DC 변환기에 의해 직류로 변환된다. 이렇게 변환된 신호는 원거리 전력전송을위해, 마이크로파로 변환되어야 한다. 이때 직류 신호를 고출력 마이크로파 형태로 변환하는 소자가 필요한데, 대표적으로는 ‘마그네트론’이 있다. 이러한 고출력의 전자기파가 수신부의 안테나(Rectifying antenna)로 전달되면, RF/DC 변환기를 통해 직류로 바뀌어, 원하는 전력을 얻을 수 있다.

우리가 여러 주파수의 신호 중 마이크로파(1~10GHz)를 쓰는 이유는 해당 주파수에서 전자파의 공간 전파 특성(감쇠가 적은)이 가장 좋게 나타나기 때문이다. 마이크로파 방식은 현재 수 십Km에서 수mW의 전력을 약 10~50%의 효율로 전달할 수 있으며, 자기유도,자기공명방식보다 더 먼 거리에서 전력을 전송할 수 있어 미래의 기술로 긍정적인 평가를 받고 있다. 무선전력전송의 3가지 방식을 특징에 따라 [표1]으로 정리할 수 있다. 3가지 방식의 가장 큰 차이점
은 전력전송에 이용되는 주파수의 차이이며, 주파수가 클수록 전력의 전송거리가 증가하지만 전송효율은 감소하는 경향성을 나타내었다.

현재 상용화가 가장 많이 된 무선전력전송 방식은 자기유도방식의 무선전력전송이다. 전자유도 방식은 3 W 이하의 소형 전자기기에 적용이 가능하며 공급전력 대비 충전전력의 효율이 최고 90 % 이상이다. 충전 위치의 변화에 따라 충전 효율이 크게 달라지며 발열이 많다는 단점이 있다. 특히 전력 전송 가능 거리가 수 mm로 매우 짧아 적용 가능한 분야가 적다는 것이 가장 큰 단점으로 지적된다.

전력전송 거리를 획기적으로 증가 시킬 수 있는 마이크로파방식은 1대의 전력 전송장치로 다수의 전력 수신 장치에 전력을 공급 할 수 있는 수단으로 관심을 받고 있다. 하지만 장거리 전력 전달의 경우, 낮은 전력전달효율과 IEEE 표준에 의한 사람의 인체에도 해로운 영향을 끼칠 수도 있는 문제점을 가지고 있다(IEEE, 1999). 게다가, 마이크로파를 기반으로 하는 무선전력전송 시스템은 Line of sight(LoS)에 어떠한 방해하는 물체가 생길 경우 효율의 손실이 생기게 되고 만약 전력을 수신 하는 매체가 모바일 개체일 경우는 복잡한 추적 시스템을 필요로 하는 문제점이 있다. 이에 마이크로파를 기반으로 하는 무선전력전송의 경우는 적은 전력을 요구하는 군사용 장치 또는 우주 탐험과 같은 용도에 사용함이 적합하다.

[그림 4. 거리에 따른 방식 별 전송효율]출처 : 한국전자통신연구원(ETRI

 

1. 모바일 기기 (모바일, 가전기기, 전기자동차, 생체의료기기)

앞서 언급했던 배터리 문제를 비롯한, 모바일 기기의 가장 큰 특징은 휴대성과 이동성이다. 그렇기 때문에 모바일 기기에서 선을 없애고자 하는 노력이 계속되고 있다. 국내에서는 스마트폰 제조사인 삼성전자와 LG전자를 중심으로 스마트폰 뿐만 아니라 스마트 워치 등 웨어러블 기기에 대해서도 무선충전 기술을 빠르게 도입하고 있다.

LG전자와 삼성전자는 2009년부터 WPC(Wireless Power Consortium, 자기유도 방식의
‘Qi’ 규격 사용) 회원으로 활동하고 있으며, 2014년 말부터는 LG 전자가 WPC Board Member의 의장이 되면서 국제표준화를 주도하고 있다. 또한 삼성전자는 2015년 갤럭시 S6부터, LG전자는 2014년 G3부터 주요 스마트폰에 무선충전 방식을 탑재하고 있다. 삼성전자에서는 자기공명방식에 대한 무선충전 기술을 개발하여 스마트폰에 내장하고자 했으나 기술적, 환경적 요인으로 인해 자기유도방식으로 전환하였는데, 자기유도방식과 함께 자기공명방식의 상용화를 위한 노력을 병행하고 있다.

[그림 5. 무선전력전송 기술의 응용 분야]출처 : ETRI

 

2. 가전기기
 

무선충전 기술이 가장 폭넓게 적용될 수 있는 분야가 바로 가전 분야이다. 2010년부터 스마트폰과 더불어 다양한 가전기기에 무선충전 기술을 적용하기 위한 연구가 진행되었으나 전자파에 의한 인체영향, 시스템의 효율 및 안정성 문제 등으로 인해 상용화가 다소 더디게 진행되고 있다. 하지만 꾸준한 연구개발을 통해 다양한 가전기기에 무선충전 기술을 적용하려는 노력이 계속되고 있다.

LS 전선은 2012년에 자기공명방식을 이용하여 200W급의 TV에 무선으로 전력을 공급하는 기술을 발명하였다. 2010년부터 무선충전 기술을 연구해온 한국전자통신연구원에서도 같은 해에 LED 전광판에 무선으로 전력을 공급하는 기술을 개발하였고, 이를 바탕으로 2015년에는 일정한 영역에서 같은 효율로 전기자전거를 무선충전할 수 있는 시스템을 개발하였다.

 

3. 전기자동차

무선충전 기술이 크게 보급될 수 있는 또 하나의 분야가 바로 전기자동차이다. 한국과학기술원(KAIST)에서는 2009년부터 도로에 매설된 급전 코일과 버스에 내장된 집전 코일을 이용하여 무선으로 전기버스를 충전할 수 있는 온라인 전기버스 시스템을 개발하여 상용화를 시도했다. 이 기술은 세계 최초로 구미시에 대중교통으로 상용화되었는데, 구미시는 2013년 8월 시범서비스를 시작으로 2014년부터 본격적인 서비스를 시작하였다고 한다.

현재는 부분적으로 운행되고 있지만, 이 시스템은 달리면서도 실시간으로 충전할 수 있고, 배터리 크기도 줄일수 있어 기존 전기자동차보다 상용화에 유리한 조건을 갖추고 있다고 평가받는다. 이와 더불어 국내에서는 전기 승용차 무선충전기술개발에 착수하였다. 2015년부터 그린파워 컨소시엄과 6.6kW급 전기차용 무선충전 시스템 개발사업을 추진하고 있다. 산업부는 90% 이상의 충전효율을 갖는 전기승용차 무선충전 시스템을 개발하여 적용할 계획을 세우고 있다.

 

4. 생체의료기기
 

무선전력전송 기술이 생체의료 분야에 적용됨으로써 생체의료기기의 이용을 확산시키고 새로운 생체의료기기의 개발을 촉진해 인간의 생명 연장에 크게 기여할 예정이다. 대표적인 사례로는 심장박동기가 있는데, 그동안은 내부 배터리를 7-8년에 한 번씩 새 배터리로 교체하는 수술을 해야 해서 환자가 상당한 고통과 경제적 부담을 느꼈지만, 무선으로 배터리를 충전할 경우 육체적, 정신적 고통이 사라질 것이다. 또한, 배터리 용량을 낮추거나 아예 전선을 제거함으로써 소형화하는 것이 가능해지고, 그로 인해 초소형 심장박동기, 초미세 내시경 등과 같이 인체 내에 삽입하거나 이식할 수 있는 가볍고 작은 생체의료기기들이 등장할 것으로 보인다.
 

새로운 시장

새로운 시장의 중심은 역시 ‘에너지분야’가 아닐수 없다. 미국과 일본을 비롯한 여러 국가는 현재 무선전력전송 기술을 기반으로 우주에서 태양광 발전을 하는 기술을 개발중에 있다. 태양에너지를 마이크로파로 변환하여 지구에 전송하고, 이를 DC 전력으로 변환하여 전기 에너지를 공급하는 방식이다. 기존 태양에너지와 동일하게 무공해 청정에너지임은 물론, 지상 태양광 발전에 비해 10배 정도 우수한 효율을 이룩할 수 있다고 한다.

특히 일본은 2011년 후쿠시마 원전 사고 이후 친환경적 재생 에너지원에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 2014년을 기준으로 50m거리 송전 프로젝트를 수행중이고, 400km 고도에서 지상으로 무선 송전 실험을 준비중이라고 한다. 자국의 신문에 따르면, 밤낮과 기상(氣象)에 따른 제약이 없어 지상 태양광발전에 비해 5~10배 전력을 생산할 수 있고, 2㎢ 패널의 경우 원자력발전소 1기의 발전 능력(100만㎾)이 기대된다고 한다. 또한 2040년 경에1GW 용량의 상업용 우주 태양광발전소를 건설할 것을 목표로 활발히 연구 중이라고 한다.

지금까지 상용화된 무선전력송신 기술은 주로 자기유도&자기공명 방식으로, 거리, 효율성 등의 한계점이 제시되어 왔다. 하지만 이를 보완한 ‘마이크로파 방식’의 연구가 활발하게 진행된다면 다양한 방면에서 접목 가능하다. 5G 시대가 도래하면서 각광받고 있는 IoT 분야(사물인터넷)&스마트 그리드,그리고 생활 속에서 전기 에너지를 수확하는 ‘에너지 하베스팅’ 분야에 접목될 수 있다. 이처럼 지금껏 시도하지 못했던 우주에서의 발전은 물론, 지상에서도 더욱 획기적인 방식의 전력, 에너지 기술들이 시도되고 있다.

기존의 방식처럼 인근 발전시설에서 생산된 에너지를 중앙 관리시설로 보내고 사용할 때 다시 송전하는 방식이 아니라, 무선전력전송 기술을 통해 원하는 곳으로 곧바로 송전한 뒤에 사용 가능하다. 기존 유선방식의 경우, 재해가 발생하면 누전 및 단선의 위험이 크다. 상대적으로 낙후된 산간이나, 시골지역의 경우는 전기 공급이 차단되기 때문에 더더욱 문제가 크다. 그러나 무선전력송신은 통신장비만 구비된다면 안전한 전력 공급은 물론, 임업&산간 지역의 발전소와의 전력 거래도 보다 편안하게 관리할 수 있을 것이다. 이와 같은 방식으로, 한 전력망으로
묶여 있는 발전소의 잉여 전력을 모아 활용하는 ‘가상발전소’ 분야에도 접목해 더욱 효율적으로 운영할 수 있으리라 본다.

전기가 없는 일상을 상상할 수 없는 것처럼, 우리생활 속에서 전력은 매우 중요하며, 모든 과정을 담당하는 ‘전력송신기술’ 또한 무시할 수 없다. 그리고 앞으로는 더더욱 생활 깊은 곳까지 정착하게 될 예정이다. 새로운 시대가 다가오는 만큼, 사용의 주체가 될 우리 모두의 관심이 필요한 때가 아닌가 싶다.

[그림 6. 우주태양광 기본 모식도]출처: 조선일보

 

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