모든 전기기기의 전원 케이블이 사라지면 어떻게 될까? 단순히 편리해지는 이점 외에도 미래의 사회를 크게 변화시킬 만한 변혁이 일어날지도 모른다. 이 글에서는 무선전력전송기술의 현황과 적용 분야를 살펴보고 미래의 사회를 바꿀 가능성에 대해 생각해 본다.

2007년 메사추세츠공과대학(MIT)의 자계공진방식을 이용한 전력전송기술 논문을 계기로 무선전력전송에 관한 연구개발이 활발해졌고 본격적인 실용화 움직임이 대두되기에 이르렀다. 무선을 이용한 전력전송에 관한 연구는 지금으로부터 100년 이상 전인 1880년대에 니콜라 테슬라에 의해 시작했으며 그 역사는 길다. 바꾸어 말하면 무선전력전송에 대한 긴 세월의 꿈이 겨우 실현되는 시대가 도래했다고 할 수 있다. 

현대 사회에서 대부분의 사물은 전기로 동작한다. TV, PC, 휴대전화, 냉장고, 에어컨, 세탁기, 조명기구 등 집안에만 해도 그 수가 많다. 출근이나 통학하는 길에도 역의 판매기와 자동 개찰기, 지하철과 전기자동차, 은행 ATM, 상점의 계산대, 전동 카 등 이루 다 헤아릴 수 없다.

당연히 일반인이 접할 기회가 드문 공장과 같은 산업 인프라에도 전기로 동작하는 기기·장치가 많다. 이러한 기기는 전원 케이블에 의해 전력을 공급받아 이용하거나 전원 케이블을 접속해서 충전하는 형태이며, 우리는 이를 당연하게 여기며 이용하고 있다.

그러나 모든 전기기기의 전원 케이블이 사라지면 어떻게 될까? 단순히 편리해지는 외에도 사회생활을 크게 변화시키는 변혁이 일어날지도 모른다. 

이 글에서는 무선전력전송기술의 발전과 적용 분야의 확산에 대해 논하고 미래의 사회를 바꿀 가능성에 대해 생각해 본다.

자계공진방식의 무선전력전송기술

최근 가장 주목을 받고 있는 자계공명방식 무선전력전송기술은 자기공명방식 등 자계 (磁界) 대신 자기(磁氣)와 자장(磁場), 공진(共振) 대신 공명(共鳴)이라는 단어를 이용하는 경우가 있지만, 여기서는 자계공진이라고 부르기로 한다. 

MIT의 자계공진방식 무선전력전송시스템의 구성을 보면, 코일에 의해 구성되는 자기공진기가 송전 측과 수전 측에 있으며 송전 측 자기공진기에 의해 발생한 자계(자속)가 수전 측 공진기에 결합함으로써 전력이 전달된다. 여기서 코일이 공진기가 되는 이유는 그 선상(線狀) 도체 소자의 길이에 의해 인덕턴스(L)가 형성되고 코일의 도체 소자 간에서 발생하는 용량에 의해 커패시터(C)가 형성된다. 때문에 등가회로적으로 LC의 직렬 공진기가 돼 있다. 이 코일을 직접 여진(勵振)하는 것도 가능하지만 50Ω계 측정장치와의 정합성 문제로 인해 MIT에서는 루프 소자를 이용해 전자계적으로 결합시킴으로써 여진하는 방법을 취했다. 

수전 측도 마찬가지의 구성이다. 이 루프는 원리적으로는 불필요하므로 가장 간단하게 구성하면, C는 코일 바깥에 나와 있고 실제로 이처럼 외장 용량 소자를 접속시켜도 마찬가지로 동작한다. 자계공진방식의 메커니즘은 송전 코일에 전류를 흘러 여진함으로써 자계가 발생하고 그 자계를 수전 코일로 받아들임으로써 코일에 전류가 유기되어 그 결과로서 전력이 전달된다. 자계 결합에 의해 전력이 전송되는 원리는 일반적으로는 강한 공진을 일으키지 않고 이용하는 전자유도방식과 기본적으로 같다. 

이 구성에서는 자계(자속)를 도입하도록 수전 코일을 배치하는 것이 포인트다. 이를 위해, 가령 송전과 수전 코일을 교대로 직교하도록 배치하면 수전 코일에서 자속을 받아들이지 못하게 돼 전력은 전달되지 않는다. 단 자계공진방식을 이용하는 경우에는 코일 간의 각도나 코일 축이 어긋난 경우에도 공진시키면 효율적으로 전력을 전송할 수 있는 이점이 있다.

자계공진방식의 연구 과제

(1) Q값을 높일 수 있으면 전력전송 거리는 늘어난다
송수전 코일 간의 거리가 멀어져도(결합계수 k가 작아져도) 공진기의 Q값을 높일 수 있으면 높은 전력전송효율을 실현할 수 있다. 수식적으로는 Q를 무한대로 하면 전송 거리도 무한해진다. 그럼 Q값을 높이려면 어떻게 할까? 

ω0(공진각 주파수)이나 L(인덕턴스)을 크게 하거나 R(저항)을 작게 하면 된다. 단, ω0와 L은 반비례 관계에 있으므로 양방을 동시에 크게 하기는 어렵다. 그렇게 되면 R을 작게 하면 된다. R을 작게 하는 방법으로는 코일에 도전율이 높은 금속(금이나 은 등)을 사용하거나 도체를 두껍게 하는 방법을 생각할 수 있지만 실제로는 이용하는 주파수대에 의한 표피효과(금속 표면에만 전류가 흐르지 않는 현상)가 있으며 저항치는 좀처럼 낮아지지 않는다. 

그래서 일반적으로는 리츠선(세선을 묶은 도체선)을 이용하지만 근접하는 노선 간에 동일 방향의 전류가 흐르기 어려운 현상(이것을 근접효과라 한다) 때문에 저항은 역시 낮아지지 않는다. 이 점은 향후의 연구 과제 중 하나다.
그런데 R을 작게 하면 되는 거라면 초전도 기술에 거는 기대가 커진다. 상온 초전도가 실현되면 현재 사용되고 있는 방법으로 코일을 식혀도 문제없다. 문제가 없는 것은 코일을, 가령 액체질소 안에 침전시켜도 자계 결합에는 효율 저하 등 큰 영향은 없기 때문이다.

(2) Q값을 높이는 데 따른 과제
Q값을 높일 수 있으면 전력전송 거리를 늘릴 수 있다고 했지만 실은 여기에 또 다른 과제가 생긴다. Q값이 높아지면 동작 대역폭이 좁아지는 문제가 있다. 즉 Q값을 높여 전력전송거리를 늘리고자 할 때는 전력전송시스템의 공진 주파수와 송전기로부터의 전송 주파수를 고정도로 일치시켜야 한다. 그런데 자계공진방식은 다음과 같이 이용 조건이나 주위 환경에 의한 영향을 쉽게 받는다. 

•송수전 코일 간 거리의 변화와 위치, 각도의 어긋남에 의한 결합계수 k의 변화
•코일에 근접하는 물체 사이에 발생하는 부유용량 등에 의한 공진 주파수의 변화
•부하 RL의 변화(가령, 충전 외의 경우 충전 상태에 따라서 저항치는 다르다)

위와 같이 결합계수나 부유용량, 부하의 변화에 의해 전기회로로서 봤을 때의 공진 주파수가 변화하는 것은 이 분야의 기술자에게는 잘 알려진 일이다. 이 영향은 특히 Q값이 높은 경우에 현저해진다. 이러한 문제가 있기 때문에 동적인 제어 기능을 마련하는 등 공진 주파수와 전력전송 동작 주파수를 고정도로 일치시키는 방법은 향후의 연구 과제가 될 것이다.

(3) 중계로 전력전송 거리가 늘어난다
전력전송 거리를 늘리는 방법으로는 중계 코일을 이용하는 방법이 있으며 이것은 이 분야의 연구자에게는 잘 알려져 있는 방법이다. 일반적으로 송수전 코일 간의 거리가 늘어나면 결합계수 k는 작아지지만 송수전 코일과 동일한 주파수에서 공진하는 중계 코일을 사이에 배치하면 송수전 코일 간의 결합계수 k는 커진다. 

코일을 수직으로 나열하는 방법과 수평으로 나열하는 방법에 대해 나타내면 모두 자속이 코일을 뚫듯이 결합해 있는 점이 포인트다. 자력선은 항상 코일에 의해 형성되는 도체의 로프(바꾸어 말하면 전류가 흐르는 루프) 면을 수직으로 뚫는 형태로 발생하기 때문에 한쪽에서는 자력선이 직선상이 되며 다른 한쪽에서는 파도치는 형태가 된다. 중계 코일을 더 많이 나열해서 전력을 멀리까지 전송시키는 방법도 검토하고 있다.

자계공진방식의 기술 발전 가능성

이상으로 기술적 시점에서 본 가능성을 설명했는데 여기부터 조금씩 실제 이용 시스템으로서의 미래 발전 가능성을 살펴본다. 

우선, 자계공진방식에 대해 전송 거리와 전송 효율의 관계를 해석한 예다. MIT에서 구성한 예를 참고로 직경 60cm의 코일을 주파수 10MHZ에서 공진하도록 설계한 모델에서의 전력전송 거리와 전력전송 효율의 관계를 모멘트법을 이용한 해석 툴인 NEC2를 이용해 해석했다. 그 결과 거리 1m에 전력전송 효율 90%가 달성됐다. 이 해석에서는 코일의 저항치를 표피효과가 없는 이상 조건에서 수행했기 때문에 실제보다 효율이 높지만 그 영향을 고려했다고 해도 전송거리 1m에 80% 정도의 효율은 실현할 수 있다. 

또 코일의 크기에 대해서는 어느 정도의 효율 저하를 허용할 수 있다면 소형화·박형화도 가능하다. 여기서 향후 연구에 의한 성과도 가미해 현실적으로 실현할 수 있는 조건으로서 주파수 10MHZ(파장 30m), 전송거리 1m, 코일 직경 10cm를 베이스로서 생각해 본다.

전자계의 영역에서는 일반적으로 파장과 코일 등의 크기는 비례 관계라는 점, 또 코일의 인덕턴스도 파장 환산 길이에 거의 비례하는 점 등을 고려해 이러한 가정을 했다. 여기서 코일에 대해서는 권수에 따라서 크기는 변화한다.
그러면, 여기서 코일의 크기와 전력전송 거리의 관계에서 자계공진방식을 이용한 응용 가능성에 대해 생각해 본다. 그 예로서 아래의 가전기기와 체내 의료기기에의 응용을 생각해 본다. 

① 가전에의 응용 : 집에서 이용하는 가전제품에의 응용을 고려한 경우 전형적으로는 전력전송 거리는 수십cm에서 1m 정도가 될 것이다. 한편 가전기기에 들어가는 코일 크기를 생각하면 코일 크기는 수cm에서 수십cm 정도일 것이다. 그러면 10MHz 근방이 해당될 것 같다. 실제로 이 근방의 주파수를 검토하는 경우도 많다. 

② 체내 의료기기에의 응용 : 예를 들면 소장 내를 통해 장 내벽을 촬영하는 캡슐 내시경은 전형적으로는 직경 1cm×길이 2~3cm의 캡슐 형상(원통형)이다. 현재 이용되고 있는 것은 전지를 내장하고 있지만 체내에 넣는 것이기 때문에 전지를 없애고자 하는 요구가 있다. 이 방법으로서 몸 밖의 송전기로부터 캡슐 내시경을 향해 전력을 무선으로 보내는 방법을 생각할 수 있다. 체내에서의 전송거리는 겨우 10cm 정도이기 때문에 100MHz에서 수백MHz가 후보가 된다. 

이번에는 반대로 코일 크기와 전송거리에 따른 응용법을 생각해 본다. 아래는 그 일례이다(표 참조).

① 표의 100kHz 난을 보면 코일 직경 10m에 전송거리 100m이다. 지하철과 터널의 내경은 이 정도이며 안을 이동하는 전차나 자동차에 100m 정도까지 전력을 공급할 수 있다. 더욱이 중계 코일을 이용하면 전송거리를 늘릴 수 있다. 미래의 교통시스템과 엘리베이터에의 응용도 생각할 수 있다. 엘리베이터의 상자(Car) 자체가 전원선과 접속 없이 전원을 공급받아 움직이게 되고 상하뿐 아니라 수평면 내를 포함해 3차원 공간을 종횡무진으로 이동하는 시스템도 가까운 장래에 실현될 것이다. 

② 1GHz의 난을 보면 코일 직경이 1mm에 전송거리가 1cm이다. 근거리이므로 그다지 무선전력전송의 필요는 없어 보이지만 전자기기 안의 회로 기판 내나 기판 간의 전원선 배선에 사용할 수 있다. 복잡하게 접속되어 있는 배선을 없앰으로써 콤팩트 실장이 가능하다는 이점 외에 배선 미스를 방지하는 등 제조 효율화라는 점에서도 효과가 있다. 여기서 더 발전시켜 IC 안의, 특히 상하 방향으로 접속되는 전원선을 대신해서도 사용할 수 있을 듯하다. 

다른 시점에서 자계가 주파수 변동을 하는 것을 살펴보면, 자계공진방식의 물리현상을 보다 넓게 생각해 보면 주기 변동하는 자연계의 자계(자속)가 있으면 거기에서 전력을 꺼낼 수 있는 꿈과 같은 발상도 가능하다. 자계라고 하면 지자기(地磁氣)를 떠올리지만 지자기는 거의 직류 성분뿐이며 유감스럽게 지구 내부의 에너지에서 전력을 꺼내는 것은 가능할 것 같지 않다. 하지만 지구 바깥으로 눈을 돌리면 목성에는 강력한 자장이 있고 주파수 변동도 하고 있다는 보고가 있다. 그 주파수는 매우 낮아 수십 km 오더의 코일이 필요하지만 장래에 인류가 목성 가까이에서 활동하는 시대가 된다면 어쩌면 에너지 공급원으로서 이용이 가능할지도 모른다.

표. 주파수, 코일 직경, 전력전송 거리의 관계

미래 니즈에서 자계공진방식의 응용 가능성

다음으로 사회로부터의 니즈와 자계공명방식의 특징에서 무선전력전송기술의 장래의 응용에 대해 살펴본다. 무선전력전송기술이 미래의 사회에 어떤 식으로 공헌할 수 있을지 아래와 같은 것을 꼽았다. 

① 전원에 대한 편리성의 향상
•전원 케이블이 없어짐으로써 어디에서나 급전·충전이 가능해진다. 예를 들면 스마트폰이나 태블릿, 노트북 등 책상 위에 놓기만 하면 충전·급전이 가능해지고 그 위치와 방향 등도 신경 쓰지 않아도 된다.
•대형 TV를 벽 내부로부터 급전하거나 천장 내부로부터 조명기구로 급전할 수 있고 가전기기의 배치나 보임이 좋아진다. 

② 안전·안심한 전원 공급·충전
•전기자동차에의 충전 응용 등 금속 접점이 없기 때문에 감전 우려가 사라진다. 옥외에서 비가 내리는 경우에도 상관없다.
•전기자동차가 축전지가 되고 비상시에는 그곳에서 급전과 충전이 가능하다.
•충전 플러그를 꽂는 것이 어려운 아이나 노인이라도 간단하게 이용할 수 있다. 장래에 초등학교에 태블릿형 디지털 교과서가 등장해도 간단하게 충전할 수 있다. 

③ 환경 친화적인 사회의 실현
•장래적으로 어디에서나 무선급전이 가능하면 전지를 탑재하지 않는 전기기기가 생기고 경량화된다. 일례로서, 도로 위를 주행하는 전기자동차의 급전이 실현되면 자동차가 경량화되고 에너지 소비량도 줄어 결과적으로 환경 친화적인 에너지 공급 사회를 실현할 수 있다. 이외에도 자계공진방식의 특징에서 아래와 같은 응용 예도 생각할 수 있다. 

④ 전파가 닿지 않는 곳에서도 무선을 이용한 전원 공급과 충전
자계의 결합이 있으면 전력전송이 가능하기 때문에 수중, 지중, 설중 등에서의 응용을 생각할 수 있다. 선박에의 전원 공급 등은 비교적 쉽게 실현할 수 있다.

⑤ 사람이 다가갈 수 없는 장소에서 무선을 이용한 전원 공급과 충전
보통은 사람이 다가갈 수 없는 장소나 어떠한 위험이 있는 장소에서 무선전력전송의 이용 가치는 높다. 예를 들면 우주 공간이나 원자력발전소 시설 중에서도 사람이 들어갈 수 없는 곳에서의 응용이 효과적이다. 원자력발전소에서 가동하는 로봇 등에 대한 무선을 이용한 전력 공급도 흥미 있는 응용이다.

정리 김혜숙 기자 (eltred@hellot.net)