집과 사무실의 모든 전선을 감출 수 있다?
무선전력전송기술
가전제품을 사용하다보면 꼬리처럼 달린 굵은 전선이나 멀티탭이 거추장스럽게 느껴질 때가 많다. 통신은 다 무선인데 충전은 왜 유선으로만 해야 할까?
‘무선전력전송’은 전기에너지를 전자기파·전자기 유도 또는 전자기 공진 형태의 ‘무선으로 전달하는 기술’이다. 기존 유선 전원 공급이나 충전 방식을 대체해 전깃줄 없이 언제 어디서나 전력을 공급할 수 있다. 무선통신에 이어 유비쿼터스 시대에 미래 사회를 바꿀 주역으로 각광받는 이유다. 더불어 무선전력전송 기술은 상용화 될 경우, 그 파급효과가 매우 크기 때문에 집중이 관심되고 있는 분야이다. 만약에 수십 W(와트) 이상의 전력을 무선으로 공급할 수 있다면 IT기술의 패러다임이 획기적으로 바뀔 것으로 예상된다. 특히 무선통신 기술의 핵심인 휴대용 IT기기의 경우 이동통신, 무선 LAN 등의 망을 통하여 통신이 무선으로 자유롭게 이루어지고 있으나, 기기의 전원공급은 충전된 배터리를 이용하고 있으므로 전원장치의 무선화에 대한 관심이 매우 높을 수 밖에 없는 분야이다.
이 기술은 19세기 초 패러데이(Michael Faraday)의 전자기 유도 실험 및 니콜라 테슬라의 전파를 이용한 무선전송 실험을 시작으로 20세기 중반 원거리 무선전력전송 기술의 산업화와 타당성 조사가 이뤄졌다. 20세기 말부터는 상대적으로 구현이 용이한 근거리 비접촉 무선전원 기술 개발과 상용화 노력이 현재까지 꾸준히 이어지고 있다.
대표적으로 미국의 파워캐스트가 라디오파를 이용해 0.1W급 전력 전송에 성공했고, MIT는 자기공명을 이용한 무선전력전송 기술을 개발했다. 일본 닛산은 전기자동차용 10㎾급 비접촉 충전기 개발을 발표한 바 있다. 국내에서는 한국전기연구원이 10여년 전 마이크로파를 이용한 수백W의 무선전력전송에 성공한 노하우를 토대로 최근 다시 무선전력 연구개발에 나섰다. ETRI는 2008년부터 IT융합을 위해 무선전력기술 개발에 착수했고 LS전선은 지난 해말 자기공명 무선전력기술의 사업화에 나서겠다고 선언했다.
특히 무선전력전송은 충전의 불편함과 전선 코드의 거추장스러움을 제거할 수 있다는 점에서 전자제품 업체 입장에서는 에너지 효율화에 버금가는 경쟁력의 핵심 포인트로 여겨지고 있다. 의료분야의 경우 생체조직에 이식된 보조기기의 전력 공급을 위한 새로운 대안이 될 수도 있다.
전세계적으로 무선전력전송 기술에 대한 관심도가 증가함에 따라 관련 연구 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 새로운 무선전력전송 서비스의 출현이 예상되고 있다. 우리나라에서도 방송통신위원회 등에서는 무선전력전송 기술을 미래전파(Next-wave) 응용 서비스의 핵심 분야로 선정하여 관련 기술개발, 시범사업 및 제도 개선 등을 2010년 이후 진행하려고 계획하고 있으며, KAIST에서는 무선전력전송을 이용한 온라인 전기자동차를 개발하여 서울시 버스노선 등에서 상용화할 것이라는 계획을 발표하였다. 그러나 한편으로는 이러한 무선전력전송의 활성화를 위해 필요한 다양한 기술적, 제도적 이슈에 대한 논의가 충분히 이루어져야 한다. 기술적인 이슈는 전송거리 이슈, 안테나 이슈, 하드웨어 구현 등이 주요 문제이며, 제도적인 이슈는 인체에 미치는 영향 등이 주요 논의 대상이다.
1. 주파수 할당 이슈 무선전력전송을 위해서는 무선주파수를 사용해야 하는데, 이 경우 타 시스템에의 간섭을 줄이고, 인체에 영향을 주지 않도록 각 국은 엄격하게 규제하고 있다. 또한 전세계적으로 무선주파수는 주로 통신, 방송, 항행, 측위 등의 용도로 사용되고 있으며, 아직까지 무선전력전송을 위해서 특별하게 할당된 주파수 대역은 없다. 따라서 아직까지 특정 주파수 대역을 별도로 설정한 나라도 없다. 현재까지 무선전력전송의 후보 주파수로 고려되고 있는 대역은 125kHz 또는 134kHz 및 13.56MHz 정도이다. 만약, 이 외 주파수 대역에서 신규 주파수가 필요한 경우에는 기술개발 추이를 살펴 상용화 가능 정도를 조사하고, 산업체에 미치는 영향까지 고려하면서 전세계 동향을 예의 주시하여 국내 주파수 할당 문제를 논의해야 한다. 이 때 인체 영향 및 EMI/EMC 문제가 반드시 고려되어야 한다. 다행히 2010년부터 방송통신위원회에서 무선전력전송을 위한 장기 계획 및 이용제도 개선 연구를 진행하고 있으므로 그 동향을 주의 깊게 살펴보아야 한다.
2. 인체 영향 이슈 전자파에 대한 인체 영향은 이동통신이 보급된 이후 핵심적인 이슈였다. 이동 통신의 주파수 대역인 800MHz에서 5GHz 사이의 인체 영향은 다양한 분야에서 연구되고 세포실험, 동물실험, 역학조사 등 연구방법 역시 체계화되고 있다. 다행히 유도결합 방식 및 UHF 대역 RFID 등에 의한 인체 영향 연구가 최근 RFID기술이 도입됨에 따라 활발하게 시작되고 있으므로 이러한 연구결과를 확장하면, 고출력 무선전력전송에 의한 인체 영향 연구로 확대할 수 있을 것이다. 아직까지 무선전력전송의 상용화가 이루어지지 않은 상태이므로 구체적인 논의는 진행되고 있지 않지만 상용화될 경우 인체 영향이 국가에서 정한 가이드라인을 벗어나지 않도록 유념해야 한다. 게다가 최근에는 전자파를 환경 오염 관점에서 살피고 있으며, 전자파 총량제, 전자파 환경평가 문제 등이 대두되고 있어, 무선전력전송의 상용화 시 이 점을 고려하여 매우 엄격하게 인체 영향 가이드라인을 제시하여야 한다.
3. 기술적인 이슈 무선전력전송의 경우 주요 기술적 이슈를 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 자기공명 방식의 경우 동작 상태(대기모드, 정상모드, 최대출력모드)와 주변 도체 등의 영향으로 실제환경에서는 전력전달 효율이 낮아지게 된다. 또한 MIT에서 수행한 시험에서 매우 큰 헬리컬(helical) 안테나를 사용하였으나, 실제 가전기기나 자동차에 설치할 경우 크기의 한계로 사용할 수 없으므로 효율이 낮아진다는 단점이 있다. 따라서 실제 상용화될 경우 전송거리는 수십 cm이하로 낮아질 수 있다. 다음으로 무선전력전송을 위한 전력소자의 개발이 필요하다. 무선전력전송의 거리를 늘리기 위해서는 수십 MHz의 주파수에서 동작하는 대전력 스위칭 소자 등이 필요한데, 현재 대부분의 대전력 스위칭 소자 등의 특성은 수십 MHz의 높은 주파수에서는 성능이 급격히 나빠지는 특성이 있다. 반면 가격이 비싼 마이크로파 소자를 주파수를 낮추어 사용할 경우 가격 문제로 무선전력전송 상용화에 장애가 될 수 있다. 유도결합의 경우는 자기공명 방식과 달리 주파수가 낮으므로 상대적으로 상용화에 유리하다. 하지만, 현재 전송거리가 수 mm에 불과하며, 이를 수십 cm이상 올리기 위해서는 자기공명 방식과 같은 공진 특성을 이용하여야 하는데, 이 경우 공진기의 크기가 커지는 단점이 있다. 또한 유도결합은 전세계적인 특허가 많이 나와 있으므로 이를 회피하기 위한 노력이 필요하다. 마지막으로 무선으로 전력을 공급할 때 꼭 필요한 기기에 필요한 양만큼의 전력을 무선으로 공급할 수 있는 지능형 전력 공급 시스템에 대한 연구가 필요하며 이를 위해서는 관련 기술 개발과 함께 전력 정보의 표준화가 필요할 것이다. |
앞에서 살펴본 바와 같이 무선전력전송 기술은 기술의 패러다임을 바꿀 만큼 파급효과가 매우 큰 첨단기술이지만, 주파수 할당, 인체 영향 및 기술적인 한계점 등 아직까지 해결되지 않은 문제가 많이 있으므로 체계적으로 접근해야 할 기술이다. 특히, 기존 소출력 기술을 대출력까지 허용할 때의 전파법 등 기술기준 개정 문제, 상용화되었을 때의 인체 영향 및 EMI/EMC 문제, 기술적인 어려움의 문제 등을 단시일 내에 해결하는 것은 매우 어렵다. 따라서 이를 극복할 수 있도록 다양하고 체계적인 기술개발, 제도개선 및 표준화가 시도되어야 한다. 이에 전세계 연구개발 동향을 예의 주시하고, 외국의 연구개발 사례를 타산지석으로 삼아 국내의 무선전력전송 기술 연구 및 서비스 보급 확대에 만반의 준비를 다할 필요가 있다.
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