최근 전 세계적으로 각종 전자기기에 전선 없이도 편리하게 전원을 공급하거나 충전할 수 있는 무선전력 전송(Wireless Power Transfer) 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 무선전력 전송(WPT: Wireless Power Transmission) 기술은 100여 년 전 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)에 의해 시도된 이후 지속적으로 다양한 연구가 진행되었으며, 최근 스마트폰 무선충전기와 전기자동차에 적용되면서 상용화 가능성을 보여주고 있다.

선으로부터의 자유, 무선전력 전송 기술 시대 도래

그동안 무선전력 전송 기술은 무선 전동칫솔과 전기면도기, 무선 주전자 등 일부 산업에서 제한적으로 기술을 활용하여 왔다. 그러나 최근 휴대폰 제조사 및 관련 부품업체를 비롯해 이동통신사들이 무선충전기 시장에 뛰어들면서 무선충전 기술의 상용화를 앞당기고 있다. 사용량이 급증한 스마트폰은 동영상과 인터넷 사용이 증가하면서 배터리의 급격한 소모로 인해 언제, 어디서나 편리하게 배터리를 충전할 수 있는 기술에 대한 사용자 요구가 증가고 있기 때문이다.

삼성전자의 경우, 갤러시 S4 공식액세서리에 무선충전기를 포함시키면서 애프터마켓 제품으로 무선충전기와 무선충전용 커버를 출시했다. 갤럭시 S4용 무선충전기는 배터리 자체에 근거리 무선통신(NFC)안테나를 내장했으며, 관련 국제표준인 WPC(Wireless Power Consortium) Qi 인증을 받았다. 스마트폰용 무선충전기는 충전 시에 충전케이블을 꽂을 필요 없이 무선충전기 패드 위에 올려놓기만 하면 전원을 공급받아 충전이 진행된다.

또한, 친환경 전기자동차 및 하이브리드 자동차에 대한 연구도 기존의 대용량 배터리를 통해 전력을 공급받아 운행되었던 전기자동차와 달리 차량에 장착된 고효율 집전장치를 통해 주행 및 정차 중 도로에 설치된 급전라인으로부터 전력을 공급받아 운행되어 배터리 용량이 1/5 수준으로 축소된 신개념 온라인전기자동차가 개발되면서 전기자동차 분야도 무선충전 기술 연구를 같이 진행하고 있다.

특히 스마트폰에 무선충전 기술이 도입되며 전 세계 무선충전 시장은 2011년 8억 8,000만 달러에서 2015년 237억 달러 규모로 연평균 60% 이상 고성장이 전망되고 있다(출처 : 아이서플라이). 또한, 한국스마트산업협회(KOSIA)는 국내 무선충전기 시장이 삼성전자의 ‘갤럭시 S4’ 출시를 계기로 연평균 60% 이상 성장할 것으로 예상하고 있다. 이는 과거보다 고효율의 충전기술이 탑재된 무선충전기의 상용화 시점이 다가오고 있음을 의미한다.

무선충전 기술이 본격적으로 상용화되면 현재 거미줄처럼 어수선하게 뒤엉켜 다양한 전자기기에 에너지를 공급하는 각종 케이블들이 사라지고 한층 편리하고 쾌적하게 전자제품을 사용할 수 있게 된다. 무선전력전송 기술의 발달로 향후 다양한 기기에 필요한 에너지 전달이 무선으로 이루어지게 되면 경제적, 산업적 측면에서 새로운 혁명적 변화가 있을 것으로 예상된다.

무선통신 기술은 IT혁명의 근간을 이루며 개인 간의 통신을 단순한 정보전달에서 음성 및 화상 통화가 언제, 어느 곳에서도 가능하게 만들며 사람들의 생활을 바꾸어 놓았다. 그러나 아직 이러한 단말기를 작동하게 하는 전력 에너지는 여전히 유선으로 공급하거나 전지를 충전하여 사용하고 있다. 향후 무선 통신만이 아니라 무선 에너지 전송까지 가능하다면 IT기술은 또 다른 도약을 할 것으로 전망된다.

무선전력 전송 기술의 종류

현재까지 다양한 무선전력 전송방식이 소개되었으며 레이저를 사용한 방법도 있으나, 투과성이 우수하고, 상대적으로 인체에 영향이 적은 라디오 주파수(Radio frequency; RF)를 이용하는 방식을 중심으로 연구되고 있다. 라디오 주파수를 사용하는 방식은 전송 전력의 세기와 전송거리의 관점에서 크게 자기유도방식, 자기공진방식, 마이크로웨이브(전자기파)방식의 세 가지로 분류된다. 무선전력 전송의 유형 비교는 표 1과 같다.

최근 무선전력 전송은 대부분 자기유도방식과 자기공명방식을 이용하여 개발되고 있으며, 전송 전력량을 기준으로 스마트폰 무선충전기를 포함한 10W 이하의 소전력 분야와 전기자동차(EV: Electric Vehicle) 무선충전기기를 포함한 3.3kW 이상의 대전력 분야에 집중되고 있다. 실제 생활에 주로 사용되는 가전 분야는 50W~2.4kW의 중전력 분야에 해당되지만 이러한 중전력 분야에 대한 연구개발은 소전력과 대전력 분야에 비해 미진한 편이라고 한다.

1. 자기유도방식

자기유도(magnetic induction)방식은 1차 코일에 흐르는 전류에서 발생하는 자기장의 대부분이 2차 코일을 통과하면서 2차 코일에 유도전류가 흘러 부하로 에너지를 공급하는 기술이다. 이는 기존 변압기의 동작원리와 유사한 방식이다.

자기유도방식은 각 코일의 고유 공진주파수가 실제 에너지를 전달하는 전송주파수와 달라 코일의 소형화가 가능하지만, 코일의 크기가 줄어듦에 따라 전송 가능 거리도 줄어드는 단점이 있다. 현재 자기유도방식은 대부분 휴대기기의 무선충전에 적용되고 있으며 일부 전기자동차 무선충전에 이용되고 있다.

자기유도방식에서 전송 효율을 높이고 송수신 코일의 결합 계수를 높이기 위해서는 전송 거리를 작게 하고, 송수신 코일의 중심이 일치하도록 배치하는 것이 매우 중요하다. 자기유도방식은 송수신 코일 간의 위치에 대한 자유도가 매우 작고 무선 상에서 에너지 전송 효율이 좋지 않아 전동칫솔, 전기면도기 같이 주로 접촉에 가까운 근접거리에서 충전을 제공한다.

2. 자기공진방식

자기공진(magnetic resonance)방식은 코일 사이의 공명현상을 이용하여 에너지를 전송하는 방식이다. 자기공명방식은 1차 코일에 흐르는 전류에서 발생하는 자기장들이 2차 코일을 통과하여 유도전류가 발생하는 것은 자기유도 방식과 유사하지만, 1차 코일의 공진주파수와 2차 코일의 공진주파수가 모두 동일하게 제작되어 코일 간의 공진모드 에너지 결합을 통해 1차 코일에서 발생한 에너지가 2차 코일로 전달되는 방식이다.

자기공진방식은 각 코일의 공진주파수와 에너지 전송주파수가 동일하게 제작되어야 하며 공진기의 높은 품질계수를 이용하여 자기유도방식보다 전송거리 측면에서 유리하지만 높은 품질계수를 확보하기 위해 각 코일의 크기가 자기유도방식보다 크게 제작되어야 한다는 단점이 있다. 이와 같은 자기공명방식은 자기유도방식에 비해 다양한 분야에 적용할 수 있다.

자기유도방식에서 송신코일과 수신코일 간의 공진주파수가 정확히 일치하게 되면 무선 상에서 에너지 전송효율이 급격히 증가한다. 이로 인해 공진 자기유도방식의 경우 1~2m 거리까지도 충전이 가능하며 송수신 코일 배치에 대한 자유도가 우수하고, 다중 기기 충전이 가능한 기술로 현재 활발하게 연구되고 있다.

또한, 동일한 공진주파수를 갖는 기기 사이에만 전력 전송이 일어나기 때문에 전송거리가 증가하여도 마이크로파 방식과 달리 송수신 공진기 사이에 존재하는 이종의 전자기기나 인체에 영향을 주지 않는다. 최근에는 자기 공진형 기술을 전기자동차 무선충전에 적용하기 위하여 수 킬로와트 이상의 전력 전송 시스템에 대한 연구도 진행되고 있다.

자기공진형 방식은 2007년 미국 MIT대학 연구진에 의해 2.4m 떨어진 곳의 60w 전구에 불을 밝히는 데 성공하면서 주목을 받았다. 그림 3은 MIT에서 제안된 시스템의 간략화 된 구조이다.

MIT 연구진은 자기공진형 시스템을 구현하며 부하로서 전구를 사용했다. 일반적으로 전구는 배터리에 비해 큰 저항을 갖는데, 이는 자기공진방식이 부하의 임피던스가 높은 경우에도 적용될 수 있음을 보여준 것이다. 또한, MIT는 기존 무선전력 전송에서 고려하지 않았던 주파수 대역인, 약 10MHz의 높은 주파수를 사용하여, 높은 품질 계수를 얻었다.

3. 마이크로파방식

마이크로파(Microwave)방식은 수백 MHz 이상의 마이크로파를 이용하며, 안테나를 통해 마이크로파 신호를 공기 중에 방사하여 전력을 전달하는 기술로, 주로 수 kW가 넘는 큰 에너지의 원거리 전력 전송에 활용된다.

우주에서 태양광을 모아 지구로 모은 에너지를 전송하는 기술은 전자기파를 기반으로 하고 있으며 수 GHz 대역에서 약 1mile당 84% 정도의 전송 효율을 갖는 것으로 알려져 있다.

마이크로파방식은 작은 전력을(1W 미만) 수 미터 이상 떨어진 곳으로 보내기 위해서 활용될 수 있으며, 다른 응용으로는 수십kw 이상을 수km 이상 보내기 위해서도 활용될 수 있다. 마이크로파의 주요한 미래 응용 분야에는 우주 태양광 발전 위성(SPS, Space Solar Power Satellite)도 포함된다.

최근 마이크로파를 이용한 전기자동차 충전 기술에 대한 연구가 수행되고 있어, 매우 짧은 거리에서도 마이크로파 무선전력 전송의 응용 가능성이 연구되고 있다.

마이크로파방식의 기본적인 구조는 아래와 같이 마이크로파의 송수신을 위한 안테나가 필요하다. 송신부는 고출력 마이크로파를 발생할 수 있는 마이크로파 소자가 필요하며, 대표적인 것으로 마그네트론이 있다. 수신부는 수신 안테나를 통하여 수신된 교류 신호를 직류로 변환하는 소자가 필요하다. 현재까지 연구용으로 가장 많이 활용되고 있는 주파수는 2.45GHz 또는 5.8GHz이다.

국내에서는 최초로 한국전기연구원에서 1998년에 약 50미터 거리에서 10kW의 전력을 2.45GHz 마이크로파를 사용하여 전송했다.

전자기파를 이용한 무선충전 기술을 일상생활에 사용하기 위해서는 무엇보다 인체유해성에 대한 검증과 소형화 등이 필요하다. 무선으로 수십 kW 이상의 에너지를 사람의 근접거리에서 전송하는 것은 엄청난 위험을 수반하기 때문에 위성에서 모은 에너지를 전송하는 기술은 사막이나 바다 같이 인적이 거의 없는 곳에 시설을 설치하여 에너지를 수신하고 이를 유선케이블을 이용하여 필요한 곳에 전송하는 것으로 알려져 있다.

또한, 현재 위성으로부터 에너지를 받는 수신코일의 크기는 직경 수km 정도로 일상에서 사용되려면 혁신적으로 소형화해 크기를 축소해야 하는 반면, 성능은 그대로 유지되어야 1~2m 내에서 무선충전 서비스를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

기술을 주도하는 국제 협회들

1. WPC(Wireless Power Consortium)

WPC(Wireless Power Consortium)는 2008년 12월 설립된 국제 민간 표준단체로 회원사의 다양한 의견수렴을 통해 2010년 Qi1.0 표준을 공식발표한 단체다. 2014년 3월까지 206개의 업체가 가입하여 5W급 자기유도방식의 무선충전 표준을 주도하며 자기유도 기술의 국제표준을 마련하고 관련 기술의 상용화를 주도하고 있다.

현재 휴대폰 제조사인 모토로라․노키아가, 칩 제조업체는 Freescale․TI․인텔․퀄컴이, 이동통신사는 Verizon․NTT DoCoMo가 회원으로 참여하고 있다. 국내기업들은 삼성전자․한림포스텍․LG전자․LS전선․팬텍․와이즈파워․ETRI․삼성전기․KT․LG유플러스 등이 참여하고 있다.

WPC ‘Qi’ 인증을 받은 무선충전기는 모바일기기에 상관없이 무선충전이 가능하며, 자기 유도 방식 무선충전 기술인 'Qi(치)'를 선보인 이후 지금까지 모바일 시장의 대세를 주도하고 있다.

2013년 6월에는 ‘Qi-1.1.2’ 버전의 규격을 발표하여 초기 4가지의 송신 코일 형태를 22가지로 늘려 개발자에게 선택의 폭을 넓혀 주었다. 또한, 향후 WPC는 전송전력을 15W까지 늘려 휴대기기 고속 충전방식을 제시할 예정이다. 이와 함께 WPC는 2014년 CES에서 발표한 것과 같이 무선충전의 적용 분야를 자동차 전장 분야로 확대하고 있다. 후발 협회인 PMA의 공격적인 행보에 영향을 받고 있지만, 삼성전자 갤럭시 S4도 이 기술을 탑재하며 주도권을 확보하고 무선충전 기술 보급과 상용화를 주도하고 있다.

2. PMA(Power Matters Alliance)

현재 자기유도방식의 무선충전 시장에서 가장 많은 제품과 회원사를 확보하고 있는 WPC와 2강구도 형성에 총력을 기울이고 있는 PMA(Power Matters Alliance)는 미국의 듀라셀과 이스라엘의 파워매트사의 합작으로 2012년 설립되었다. PMA는 Powermat사의 기술을 기반으로 규격개발을 진행하고 있으며, 현재 5W급의 소전력 무선충전 규격인 Release 1을 완성하고, 15W급의 Release 1 enhancement 규격을 준비하고 있다. 또한, 향후 넷북과 울트라북의 무선충전에 적용할 수 있는 규격을 목표로 하고 있다.

PMA 역시 WPC와 같은 자기유도방식을 사용하지만, WPC의 'Qi'와는 다른 주파수 대역을 적용하고 있다. 미국 통신사업자 AT&T, 커피전문점 스타벅스, 구글 등이 참여하고 있고, 특히 AT&T의 적극적인 움직임에 WPC 진영의 주요 업체인 LG전자, 삼성전자까지 가입하며 북미지역을 중심으로 빠르게 세를 확장하고 있다.

이 기술이 적용된 제품은 아직 적지만 향후 협회는 신제품 시장을 겨냥해 충전 인프라 구축에 적극적이며 미국 공항 등 공공시설과 스타벅스 매장에 무선충전 핫스팟을 설치하는 둥 영향력을 확대하고 있다.

3. A4WP(Alliance for Wireless Power)

무선전력연합(The Alliance for Wireless Power, A4WP)은 자기공명방식 기술 상용화를 주도하고 있는 친환경 시스템인 리젠스의 개발 연합이다. A4WP는 고객들에게 최고의 무선충전 체험을 위해 다양한 기종끼리 상호 연결이 가능한 제품을 개발하는 것을 목표로 한다.

A4WP는 2012년에 설립돼, 100개가 넘는 회원 수를 보유하고 있다. 브로드콤 (NASDAQ:BRCM) 이사회, 길 일렉트로닉스(Gill Electronics), 통합 전자기술(Integrated Device Technology, Inc. (NASDAQ: IDTI), 인텔(NASDAQ:INTC), 퀄컴(Qualcomm, NASDAQ: QCOM), 삼성전자, 삼성전기, 그리고 와이 트리시티(WiTricity Corporation) 등 다수의 회사가 참여하고 있다.

자기공명방식이 아직 상용화 되지 않아 기술이 구현된 제품이 없지만 향후 무선충전기술의 헤게모니를 쥘 것으로 전망된다. 2014년도 1월에는 모바일 시장 선두인 삼성전기가 A4WP의 기술을 적극 채용하겠다는 의지를 밝히며 A4WP로부터 세계 최초로 국제인증을 받은 자기공진식 무선충전기를 선보이기도 했다.

거리 측면에서 가장 편리성을 제공하는 자기공명방식은 국내 대기업을 중심으로 기술 개발이 활발하게 진행 중이며, 상용화가 시작되면 시장 파급력이 가장 클 것으로 예상되지만, 아직 관련 기술 개발 단계로, 상용화에 시간이 필요할 것으로 전망된다.

무선전력연합(A4WP)은 2014년 6월 자기공진식 무선충전 시스템인 리젠스 기반의 무선 충전 기술 확장을 탄력적으로 추진하기로 발표해 다변기기 무선충전을 50와트 사양까지 확장했다. 규격 대역에서 50W까지 확장함으로써 스마트폰은 물론 노트북, 태블릿, 그리고 다른 가전제품 또한 무선충전이 가능하게 되었다. 2014년 말까지 기존의 기준 시스템 사양과 인증프로그램을 최근에 출시되는 제품 론칭에 맞춰 최신화할 예정이다.

국내 무선충전 기술 개발동향

국내에서 소전력 무선전력 전송 기술은 WPC 회원사인 LG전자와 삼성전자 등 휴대폰 제조사와 관련 부품 업체들이 5W급 스마트폰 무선충전기기를 개발해 제품을 출시하고 있다. 자기유도방식의 무선충전기는 대기업과 더불어 동양이엔피, PN텔레콤, 한솔 등 유선충전기 개발업체와 한림포스텍, 코마테크 등 다양한 업체들이 자기유도방식의 무선충전기 제품을 상용화했으나 아직 시장의 반응은 그리 높지 않다.

자기유도방식의 무선충전기와 더불어 자기공명방식의 무선충전기 개발도 가속화되고 있다. 삼성전기는 2013년말 세계 최초로 A4WP 󰡐Rezence’󰡑인증을 획득하여 2014년 CES에서 제품을 시연하며 상용화를 준비하고 있다.

3.3kW 이상의 전력을 송신하는 대전력 무선전력 전송 분야도 소전력 무선전력 전송 분야와 같이 자기유도방식과 자기공명방식이 경쟁하고 있다.

국내 대전력 무선전력 전송 분야는 2009년부터 KAIST에서 자기유도방식의 온라인 전기자동차 무선충전 기술을 중심으로 개발되고 있다. KAIST는 동원 OLEV와 협력해 2013년 8월 구미시에서 온라인 전기버스를 시범운행 시작했고, 2014년 구미역과 인동동을 잇는 시내버스로 운영되고 있다. KAIST에서 개발된 온라인 전기자동차 무선충전은 도로에 매설된 급전코일과 버스에 내장된 집전코일을 통해 20cm의 거리에서 최대 83%의 전송 효율로 100kW의 전력을 전달하여 전기버스의 배터리를 충전하는 기술로 도로에 세그먼트(segment)방식으로 매설된 급전코일을 통해 주행 중에도 충전이 가능하다고 한다.

50W 이상 2.4Kw 이하의 중전력 분야는 가전, 서비스 로봇, 전기자전거, 보행보조로봇 등 일반인의 생활과 가장 밀접한 전자, 전기 분야로 무선전력 전송 기술이 적용될 경우, 가장 큰 파급 효과와 관련 산업의 활성화를 얻을 수 있는 분야이다. 그러나 현재까지 무선전력 전송 분야의 기술개발은 스마트폰 충전용 소전력 분야와 전기자동차 충전용 대전력 분야에 집중되어 있어 국내외 모두 중전력 분야 무선전력 전송 기술개발은 미진한 편이다.

무선충전 기술의 전망

현재 무선전력 전송 기술은 국제적으로 관심이 매우 높고 여러 기업체들에 의해 개발이 진행되고 있으며, 향후 기업체 간 경쟁이 매우 치열할 것으로 예상된다. 또한, 현재의 무선전력 전송 민간 표준은 국내외의 여러 기업들과 표준단체들이 서로 얽혀 주도권을 확보하기 위해 치열하게 경쟁하고 있는 분야이다.

앞으로 무선전력 전송 기술의 국내시장 활성화와 국제시장의 선도를 위해서는 보다 원천적이고 기반이 되는 연구 분야에 대해 과감한 투자와 지속적인 연구, 개발이 필요하다. 이와 더불어 학계, 연구소, 산업계가 더욱 유기적으로 협력하여 기술적 문제점들을 해결하고 이를 산업화할 수 있는 방안이 모색되어야 할 것이다. 또한, 정부에서는 관련 제도를 정비하고 인증 규정을 마련하여 산업이 활성화될 수 있는 기반을 조속히 마련할 수 있도록 지원해야 할 것이다.

그동안 오랫동안 정체되어 있었던 무선전력 전송 관련 시장이 기술의 도약과 발전을 통해 시장을 확대하기 위해서는 국내의 많은 연구자들이 완전히 새로운 디자인과 기능과 서비스를 갖춘 비즈니스모델의 개발과 함께 이 분야에 참여해야 하며, 이를 통해 무선전력 전송 기술이 IT 산업에서 새로운 신산업을 창출할 수 있는 기술로 발전할 수 있으리라 생각된다.

임은희 객원전문기자 (킴스파트너스 이사)

* 임은희 객원전문기자는 현재 킴스파트너스 이사로 재직 중이다. 임은희 이사는 중소기업 마케팅과 기술사업화, R&D 기획, 창업 컨설턴트 전문가로도 활발하게 활동하고 있다.