ICT 신기술 무선전력전송기술개발현황과시사점 황선한정보통신기술진흥센터수석연구원 I. 서론 무선전력전송기술은약 100 년전미국의 Nikola Tesla 에의해최초로시도된이후꾸준히연구되어오다가 2007 년 MIT 연구팀의자기공진방식이제안되면서재조명을받았다 [1]. 기존의전력선 (wire) 을이용한전력공급방식과는달리무선 (wireless) 으로전력을전달할수있는기술이므로, 배터리를사용하는이동성을갖는다양한스마트디바이스들이넘쳐나는현실에서그활용분야가기하급수적으로늘어나고있다. 특히, 전력선을유선으로연결하는것이위험한장소이거나설치가불편한상황에서는무선전력전송기술의적용이매우유용할것으로판단된다 [2]. Nicola Tesla 는무선전력전송기술에서전설적인과학자이며두개의코일을사용한전력전송기법을고안할만큼시대를앞서갔던인물이다. [ 그림 1] 은테슬라가전구에불을밝히기위해무선으로전력을공급하는장치를고안한개념도이다. 이는오늘날무선으로전력을전송하는주요기술중하나이며 100 년전에이런장치를고안했다는사실이놀랍다 [3]. [ 그림 1] Tesla 무선전력전송장치개념도 * 본내용은황선한수석 ( 042-612-8165, sunhan@iitp.kr) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 정보통신기술진흥센터 15
주간기술동향 2016. 6. 29. 무선전력전송기술개발의역사는 1960 년대부터시작하여오늘날까지지속적으로이어져오고있으며전송효율이낮은문제가시장확대의커다란장애요인이되고있다 [4]. 1960 년대에생명의학분야에서무선전력전송기술에대해선도적연구를시작하였으며, 인체피부를통한근거리무선전력전송기술 ([5]-[8]) 또는인체삽입형임플란트장치들에무선전력전송적용을시도하였고 [9], 1980 년대에는진보된전력전자기술덕분에전력전자기반의임플란트장비들이연구되었다 [10]-[11]. 1990 년대에는휴대폰을주류로다양한휴대형전자기기들을무선으로충전하는기술이대거등장함과동시에전기차충전 [12]-[13], 이동형로봇충전 [14], 산업기기무선충전 [15] 등다양한응용분야들이본격적으로관심을받게되었다. [ 그림 2] 는 2007 년이후우리나라의무선전력전송기술트렌드이다. 2010 년에 KETI, 전기연구원, KISTEP 등에서무선전력전송을미래를바꿀유망기술로소개하면서사람들의관심을고조시켰다. 해외에서는 WPC 위주의무선전력전송표준화가진행되다가 2012 년부터 PMA 와 A4WP 가경쟁적으로기술적완성도를높여갔으며, 특히 2015 년 PMA 와 A4WP 간공식합병 (AirFuel Alliance) 으로무선전력전송분야의경쟁이가속화되고있다. 이런상황에서삼성전자, < 자료 > 임승옥, 무선전력전송기술및표준화동향, 무선전력전송컨퍼런스 2013. [ 그림 2] 무선전력전송기술트렌드 16 www.iitp.kr
ICT 신기술 LG 전자와같은국내기업들이 WPC, AirFuel 등의세계무선전력전송표준단체에서주도적인역할을하고있음은매우고무적이다. 국내시장의경우, 무선전력전송기술에대한지속적인연구개발에도불구하고시장활성화가늦어지면서관련분야에초기투자한중소기업들의어려움은여전히진행중이지만, 최근휴대폰, 전기자동차, 드론, 웨어러블기기시장에서무선충전기술이조금씩적용되고있는상황은긍정적인신호라생각된다. 본고에서는무선전력전송기술에대한최근기술및시장동향을소개하고, 조속한생태계구축과산업활성화를위해서고민해야할요소들을시사점으로제시하고자한다. II. 무선전력전송동향 1. 기술방식분류무선전력전송기술에대해연구자들간다양한분류가제안되었으며, 주파수 (LF- 대역, HF- 대역, RF-대역 ), 공급전력 ( 소출력, 중출력, 대출력 ), 이격거리 ( 초단거리, 근거리, 중장거리 ), 통신방식등에따라여러형태로분류된다. 본고에서는자기유도, 자기공진, 전자기파복사등기술장식기준으로 3 가지로크게구분하였으며 [16], [ 표 1] 에서각기술들의특징을요약하였다. 자기유도방식은기존의변압기동작원리와유사하며 1 차코일에흐르는전류로부터발생하는자기장이 2 차코일을통과하면서 2 차코일에유도전류가흘러부하 (load) 에에너지를공급하는기술이다. 수십센티미터범위이내에위치한두개의코일을이용하여수킬로와트까지전력전달이가능하며, 거리에따른효율저하가크므로 1 센티미터미만의비접촉식전원공급에유용한전기칫솔, 휴대폰무선충전장치, 전기자동차등의분야에활용된다. 자기공진방식은 1 차코일에흐르는전류로부터발생하는자기장들이 2 차코일을통과하여유도전류가발생하는것은자기유도방식과유사하지만, 1 차코일의공진주파수와 2 차코일의공진주파수가일치하도록코일을설계하여코일간공진모드에너지결합을통해 1 차코일에서 2 차코일로에너지가전달되는원리이다. 자기유도방식에비해전송거리가긴장점이있으며높은효율 (Q) 을유지하기위해코일의크기가자기유도방식대비커지는단점이있다. 자기공진방식은전송거리를수미터까지늘릴수있는장점이있어서가전제품, 조명, 컴퓨터및주변기기, 모바일기기, 로봇, 전기자동차등의분야에활용될수있다. 정보통신기술진흥센터 17
주간기술동향 2016. 6. 29. [ 표 1] 무선전력전송기술방식간비교 구분자기유도자기공진전자기파복사 원리 1~2 차코일간자기장의유도현상이용 송수신코일간공진현상이용 전자파를빔형태로안테나를통해직접송수신 개념도 파동형태자기장 ( 광대역 ) 자기장 ( 협대역 ) 전자기파 전송거리초단거리 (~cm) 근거리 (~m) 중장거리 (~km) 전송효율높음중간낮음 동작주파수 LF 대역 (~ 수백 khz) HF 대역 (6.78MHz, 13.56MHz) RF 대역 (2.4GHz, 5.8GHz) 장점높은효율근거리에서중간효율장거리 단점 응용분야 초단거리 휴대폰, 노트북, 전기자동차등 실응용시효율을높게유지하기어려움 휴대폰, TV, 가전기기등 낮은효율, 인체영향 무인비행체충전, 위성과지구간전력전송등 인체유해성 거의무해 거의무해 유해 표준단체 WPC, AirFuel(PMA) AirFuel(A4WP) AirFuel(A4WP) 주요업체 LG, Fulton, Convenient Power, Powermat, Procter & Gamble 삼성전자, WiTricity, Intel, Qualcomm < 자료 > [16] 김종대, 무선전력전송 ; 마지막남은케이블로부터의해방 에근거하여본저자가내용보완 Power-cast 전자기파복사방식의경우, 수십미터부터수만킬로미터의원거리전송을위한마이크로 파방식으로 10 메가와트전력을수백킬로미터거리에전송성공한사례도있으며, 무인비행 체충전또는위성에서지구사이의전력전송등에적용가능하다. 2. 기술및시장동향자기유도방식은스마트기기충전에먼저적용되고있으며, WPC 를중심으로 5mm 이하에 5~10W 급스마트폰무선충전기술을표준화하고이미시장에제품을출시하였다. 하지만자기유도방식은근본적으로전송거리가짧고정렬에대한자유도가없어이를극복하기위한기술들이집중적으로연구되고있다. 자기공진방식은 2007 년 MIT 연구팀의원천기술제안으로주목을받았고인텔, 퀄컴, 애플, 소니등에서유사한개념의시제품을발표함으로써산업계의연구개발이이어졌다. 이방식은 18 www.iitp.kr
ICT 신기술 개념적으로전력전송의높은효율과위치의자유로움으로인해그응용가능성이매우높아보이나, 현재까지상용화에성공한사례가없어최근에는이기술의한계에대한우려도일각에서일어나고있다. 즉, 공진코일의크기, 주파수할당, 낮은효율등의장애요인들을해결해야만상용화로이어질수있으며, 소형공진코일에서높은 Q 값을갖는공진기의개발이상용화여부를결정하는핵심요소중하나이다. 전자기파복사방식은장거리에무선으로전력을전송하기위해파장이짧은 GHz 대역의주파수를사용하는방식이다. 하지만 2.4GHz, 5.8GHz 등 ISM (Industrial, Scientific, and Medical) 대역에서고출력의전자파를이용하여원거리에전력을전송하는방식은효율및인체영향등의문제로인해상용화에장애요인이되고있으며, 단지수 mw 의전력전송이필요한 UHF 대역의 RFID(Radio Frequency Identification) 등일부소출력서비스상용화후답보상태이다. [ 그림 3] 은시장조사업체 IHS 에서세계무선충전시장전망을예측한그래프이며, 2016 년대비 2024 년에는 4 배이상의규모로무선충전시장이커질것을전망하였다. 물론휴대폰무선충전이큰비중을차지하는데노트북, 웨어러블기기, 주방가전등신규서비스제품들의시장활성화시점이변수가될것이다. IHS 측은무선전력전송기술개발에서떠오르는기업들인에너저스 (Energous), 오시아 (Ossia), 휴마복스 (Humavox), 유빔 (ubeam) 등이제품을상용화할경우시장은더욱다변화될것으로예상했다 [17]. ( 단위 : 10 억달러 ) 16 14 12 10 8 6 4 2 250% 200% 150% 100% 50% 0 0% 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 Transmitters Receivers Overall y-o-y growth(%) < 자료 > IHS, 2016. [ 그림 3] 무선충전시장전망 정보통신기술진흥센터 19
주간기술동향 2016. 6. 29. 또한, 무선전력전송기술및시장잠재력에대한중요성을인지하여정부각부처별로 [ 표 2] 와같이전략을수립하여추진하고있다. 특히, 미래창조과학부는 2015 년 12 월정보통신전략위원회에서의무선전력전송안건의결에따른후속조치로 2 개의 R&D 과제와 1) 1 개의인력양성과제 2) 및기반조성 1 개과제를 3) 2016 년에신규로기획하였으며, 무선전력전송저변확대를위한 모델시티 구축을검토하고있다. [ 표 2] 무선전력전송정책동향 부처 미래부 산업부 국토부 환경부 정책동향 2016 년 5 월, RRA 주관의무선전력전송기기전자파연구반활동시작 2015 년 12 월, 총리주재제 6 차정보통신전략위원회에서 무선전력전송활성화방안 채택 2014 년 1 월, 전파진흥기본계획수립발표 ( 무선전력전송기술개발추진포함 ) 2013 년 6 월, ITU-R 무선전력전송온라인전기자동차국제표준화논의시작 ( 국립전파연구원 ) 2014 년 12 월, 제 3 차에너지기술개발계획발표 (17 개프로그램에무선전력송수신포함 ) 2014 년 8 월, 유망시험인증서비스전략로드맵발표 ( 무선충전에대한충전효율성, 충전안전시험, 호환성시험포함 ) ( 기표원 ) 2014 년 12 월, 세계최초로 1MW 급무선전력으로고속열차이동성공 ( 철도연 ) 2013 년 8 월, 세계최초무선충전전기버스경북구미시시범운행 2014 년 12 월, 전기자동차, 2015 년부터상용화시대기반조성 III. 응용분야및시사점 1. 응용분야무선전력전송기술은향후휴대폰, 주방가전, 전기자동차등산업전분야에서우리생활과밀접한관계를가질것으로예상된다. 표준화단체별서비스분류를살펴보면 WPC 는 15W 이하의소전력, 150W 이하의중전력, 150W 이상의대전력 ( 주방기기및산업용 ) 으로분류하고있다. A4WP(AirFuel) 는 1W, 5W, 10W, 15W, 50W 까지 5 개의카테고리로분류하여웨어러블디바이스등소전력중심으로규격을세분화하고있다. 본고에서는 2015 년미래창조과학부무선전력전송활성화방안을인용하여 [ 표 3] 과같이 1) MST 일체형자기유도 / 자기공진기반 15W 급무선충전기술개발, 다중스마트기기적용가능한 3 차원입체코일구조의자기공진형무선전력전송제품상용화기술개발 2) LOS/NLOS 환경에서 3 차원선택적공간무선전력전송기술연구 3) 무선전력전송기반기술지원 20 www.iitp.kr
ICT 신기술 [ 표 3] 전력크기에따른응용분야 구분응용분야주파수및성능 근접소전력 중전력 대전력 초대전력 1 웨어러블디바이스, 2 휴대폰, 스마트폰 3 테블릿 PC, 4 디지털카메라캠코더, 5 휴대용음악재생기, 6 음향장비 ( 스피커, 헤드폰등 ), 7 헬스케어기기, 8 게임기장난감 1 스마트폰급속충전, 2 테블릿 PC, 3 노트북, 4 휴대용 TV, 5 디지털카메라, 캠코더, 6 휴대용음악재생기, 7 음향장비 ( 스피커, 헤드폰등 ), 8 조명장비산업용장비, 9 의료장비, 헬스케어장비, 10 게임기장난감, 11 장착장비 1 바닥에세우는가전제품류 ( 냉장고, 세탁기, 에어컨 ) 2 가열제품류 ( 드라이기, 다리미, 밥솥, 기타가열기구 ) 3 진공청소기, 오디오, 비디오기기 ( 대형 TV 등 ), 미용장비 4 고출력조명장비 5 전기사용이륜차 ( 전기자전거등 ) 1 전기자동차 1 트램 2 산업용기기 < 자료 > 미래창조과학부 K-ICT 무선전력전송활성화방안, 2015. 12. 7. (1) 주파수 : 110~205kHz(WPC), 232~278kHz, 205~300 khz(pma), 6.78MHz±15kHz(A4WP) (2) 송신전력 : ~10W (3) 전송거리 : 5mm~ 수 cm (1) 주파수 : 110~205kHz(WPC), 232~278kHz, 205~300 khz(pma), 6.78MHz±15kHz(A4WP) (2) 송신전력 : ~150W (3) 전송거리 : 수 cm (1) 주파수 : 수백 khz 이하, ISM 대역 (2) 송신전력 : 150W~ 수 kw (3) 전송거리 : 수십 cm (1) 주파수 : 20kHz/60kHz( 동원올레브 ), 85kHz( 현대자동차 ) (2) 송신전력 : 수십 kw (3) 전송거리 : 수십 cm 이내 (1) 주파수 : 100kHz 이내 (2) 송신전력 : 1kW 이상 (3) 전송거리 : 수 cm 이내 전력크기에따라활용분야서비스들을구분하였다. 여기에서소전력 중전력 대전력은가정 용단상전력을사용하고초대전력은산업용삼상전력을사용함을전제로하였다. 2. 시사점제도측면에서는국내외적으로무선전력전송주파수가일원화되어있지않고상용화에필요한전자파안전성기준도아직미흡한상황이다. 예를들면, 인체영향을다루는 IEC TC106 에서는 WG9 에서무선전력전송기기에대한전자파인체노출평가및측정방법을논의하고있으며, 이식형의료기기업체의참여가필요하다는의견정도가제기된상황이다. WG9 은관련기술보고서를 2017 년 10 월완료목표로표준화작업을진행하고있다. 전기자동차산업활성화를위한무선충전주파수측면에서우리나라는기존부터연구개발을진행해왔던 OLEV 용도로 20kHz 와 60kHz 주파수대역이할당되어있으나, 최근세계적으로 정보통신기술진흥센터 21
주간기술동향 2016. 6. 29. 85kHz 대역 (81.39~90kHz) 을소형승용차무선충전용도로사용하는분위기가일본및유럽을주축으로진행되는상황을감안할때 85kHz 대역을국내무선충전주파수로할당가능한지세밀한검토가필요하다. 기술측면에서는자기유도방식과자기공진방식에집중해서기술개발을하고있는국내 R&D 상황을볼때고효율무선전력전송이가능한새로운기술의발굴에대한시도를지속적으로병행해야해외선도국들과경쟁시기술주도권을확보할수있다. 한예로 2016 년 4 월에국내에선보인빛을이용한무선충전방식인광자공명식 (Photon Resonance) 기술은이스라엘스타트업와이차지 (Wi-Charge) 사가개발하였고특허권을소유하고있는기술이며, 1 미터이상의중거리무선충전에적합한기술로판단된다. 레이저를이용한충전기술은과거에시도된적이있었지만인체유해가능성때문에상용화까지도달하지못했는데, 와이차지특허는원거리공명빔원리로이를해결하였으며사람이레이저근처에다가가면자동으로파장공명이멈춰에너지전송이중단되는원리라고소개하고있다. 초기시장선점및시장진출확대를위해적극적인국제표준활동이요구되며국제표준화이슈에효과적으로대응하기위해정부, 산업계, 학계등의유기적인협력 대응체계구축과표준화활동에대한지원이필요하다. 이에미래창조과학부에서는무선전력전송진흥포럼을결성하여대기업과중소기업, 학계등국내외표준화및제도관련한방향성을논의하는자리를만들었고한국전파진흥협회 (RAPA) 에서회의소집등실무작업을원활하게수행하고있으며, 5 월 27 일현재통합분과위원회 2 차회의까지완료하였다. 우리나라기업들의해외진출을활성화하기위해서는상호운용성등국제표준요구사항충족이필수적이나국내에는이를시험할수있는테스트환경이없다는건의에따라 2016 년정보통신기술진흥센터 (IITP) 에서정보통신연구기반구축사업지정공모과제로 무선전력전송기반기술지원 과제를 RFP 공시하여한국정보통신기술협회 (TTA) 가수행기관으로선정되었다. 이과제는국내기업 ( 특히중소 중견기업 ) 들의무선충전관련제품시험기술지원및개발지원을위한통합테스트베드조기구축을목표로하고있다. IV. 결론 본고의앞부분에서는무선전력전송기술개발현황및시장동향을소개하였다. 기술방식별 22 www.iitp.kr
ICT 신기술 분류는최근기술개발의중심에있는자기유도, 자기공진, 전자기파복사방식을소개하였고각기술에대한장단점을요약하였다. 2024 년까지의시장규모확대에대한 IHS 예측그래프를제시하였고, 무선전력전송기술개발에서떠오르는기업들인에너저스, 오시아, 휴마복스, 유빔등을언급하였다. 무선전력전송기술시장의규모가커지면서향후응용될서비스분야에대해서는전송되는전력의크기에따라근접소전력, 중전력, 대전력, 초대전력으로구분하여응용제품들을예로들었다. 시사점에서는우리나라무선전력전송산업활성화를위해서시급하게개선해야할이슈들을인체영향, 주파수배정, 기술개발, 표준화, 테스트베드구축측면에서종합적으로현황을공유하고방향성을고민하는계기로제시하였다. 무선전력전송기술은국내외유수의리서치기관들에서핵심적인미래기술로빈번하게선정할정도로산업파급효과가큰응용기술이므로, 다양하고체계적인기술개발및표준화를추진하고세계각국의연구개발동향을예의주시하여우리나라가무선전력전송기술주도국으로자리잡을수있도록산 학 연 관의긴밀한협조체계를구축해야할것이다. [ 참고문헌 ] [1] A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, Wireless power transmission via strongly coupled magnetic resonances, Science, vol.317, July 2007, pp.83-86. [2] K. Kumar, Wireless electricity: Dream of a wireless world, International Journal of Scientific & Engineering Research, Vol.4, Issue 1, Jan. 2013. [3] H. Winfield Secor, Tesla apparatus and experiments-how to build both large and small Tesla and Oudin coils and how to carry on spectacular experiments with them, Practical Electrics, Nov. 1921. [4] Hui, S. Y., "Planar wireless charging technology for portable electronic products and Qi," Proceedings of the IEEE, Vol.101, No.6, June 2013, pp.1290-1301. [5] J. C. Schuder, H. E. Stephenson, Jr., and I. F. Townsend, High-level electromagnetic energy transfer through a closed chest wall, in IRE Int. Conf. Record, 1961, vol.9, pt. 9, pp.119 126. [6] C. F. Andrea, M. A. Fadpli, V. L. Gott, and S. R. Topaz, The skin tunnel transformer. A new system that permits both high efficiency transfer of power and telemetry of data through the intact skin, IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. BME-15, No.4, Oct. 1968, pp.278 280. [7] J. C. Schuder, I. H. Gold, and H. E. Stephenson, Jr., An inductively coupled RF system for the transmission of 1 kw of power through the skin, IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. ME-18, No.4, Jul. 정보통신기술진흥센터 23
주간기술동향 2016. 6. 29. 1971, pp.265 272. [8] F. C. Flack, E. D. James, and D. M. Schlapp, Mutual inductance of air-cored coils: Effect on design of radio-frequency coupled implants, Med. Biol. Eng., Vol.9, No.2, Mar. 1971, pp.79 85. [9] W. H. Ko, S. P. Liang, and C. D. Fung, Design of radio-frequency powered coils for implant instruments, Med. Biol. Eng. Comput., Vol.15, 1977, pp.634 640. [10] A. Ghahary and B. H. Cho, Design of a transcutaneous energy transmission systems using a series resonant converter, in Proc. IEEE Power Electron. Specialists Conf., 1990, DOI: 10.1109/PESC.1990.131165. [12] G. B. Joung and B. H. Cho, An energy transmission system for an artificial heart using leakage inductance compensation of transcutaneous transformer, IEEE Trans. Power Electron., Vol. PE-13, No.6, Nov. 1988, pp.1013 1022. [12] G. A. J. Elliott, J. T. Boys, and A. W. Green, Magnetically coupled systems for power transfer to electric vehicles, in Proc. Int. Conf. Power Electron. Drive Syst., 1995, Vol.2, pp.797 801. [13] J. R. Severns, E. Yeow, G. Woody, J. Hall, and J. Hayes, An ultra-compact transformer for a 100 W to 120 kw inductive coupler for electric vehicle battery charging, in Proc. 11th Annu. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo., 1996, Vol.1, pp.32 38. [14] J. T. Boys, G. A. Covic, and A. W. Green, Stability and control of inductively coupled power transfer systems, Inst. Electr. Eng. Proc.VElectr. Power Appl., Vol.147, No.1, pp.37 43, 2000. [15] J. T. Boys, G. A. J. Elliott, and G. A. Covic, An appropriate magnetic coupling co-efficient for the design and comparison of ICPT pickups, IEEE Trans. Power Electron., Jan. 2007, Vol.22, No.1, pp.333 335. [16] 김종대, 무선전력전송 ; 마지막남은케이블로부터의해방, LG Business Insight, 2012. 3, pp.16-27. [17] 고성장하는무선충전시장... 올해가대중화원년, 디지털데일리, 2016. 3. 31. 24 www.iitp.kr