➌ Special Issues 무선전력충전기술개발현황및동향 1 개황 박기준 한전전력연구원미래기술연구소책임연구원 최근전세계적으로자기유도방식의무선전력전송기술이스마트폰의충전에본격적으로적용되기시작하면서관련제품의가격이하락하고보급이확대되고있다. 무선전력전송기술은전기자동차용무선충전뿐만아니라다양한웨어러블기기와 IoT 센서용전력공급과같은응용분야에서활발한연구개발이진행되고있다. 무선전력전송기술은전기에너지를전자기파형태로변환하여전류가흐르는전선없이에너지를전달하는기술이다. 무선전송을위하여전기에너지를특정주파수의고주파전기신호나광파로변환된전자기파로에너지를전달하는기술이다. 주로가까운거리에서코일에발생하는자기장을이용하여에너지를보내는기술과마이크로파와안테나또는레이저를이용하는원거리무선전력전송기술로구분할수있다 ( 표1 참조 ). 한국전력에서는무선전력전송 충전기술을 2014년미래유망기술 로선정하고단기적으로는무선충전전기자동차의출 32 Journal of the Electric World
+ 무선전력충전기술개발현황및동향 표 1 XLPE 케이블 AC 내전압시험기준 (IEC) 구분 근거리 원거리 자기유도방식자기공명방식마이크로파방식레이저방식 개념 가까운코일에유도전류를일으켜전송 송신부와수신부의공진주파수를일치시켜전송 전력을마이크로파로바꿔전송 전력을광선 ( 적외선 ) 으로바꾸어전송 주파수 < 수십 khz 수십 khz ~ 수 MHz 수 GHz 가시광선, 적외선 송수신수단자기코일코일, 공진기 패러볼릭, 위상배열안테나 레이저, 광 (PV) 전지 전송전력수십 W ~ 수십 kw 고출력고출력 전송거리 / 전송효율 수 mm 내외 (~85%, ~mm) ~ 수 m (~90%, ~0.2m) ~km ( 낮음 ) > km ( 낮음 ) 인체유해성거의무해일부유해하나, 회피 * 가능 기술성숙도상용화개발초기기초연구기초연구 응용분야휴대폰, 면도기, 가전기기가전, 조명기기, EV 충전 UAV, 우주태양광발전 UAV, 우주태양광발전 Player LG, 삼성전자, Powermat, Qi 등 Witricity, Qualcomm, Toyota, A4WP 등 방사전자기파의밀도에관계되므로유해수준이하로조절 ( 회피 ) 가능 NASA(JPL), JAXA( 일 ) NASA(JPL), JAXA( 일 ), Lasermotive 현에대비하는한편, 장기적으로는새로운전력서비스개발과선로공사없는전력공급방안을위한기술개발에착수하였다. 2 기술개발현황 현재개발되고있는대부분의무선전력전송기술은소형전자기기나전기자동차의충전에응용되는자기유도방식과자기공명방식을이용한근거리전송기술이다. 이를다시전송전력으로구분하면스마트폰무선충전기와같은 10W 내외의소전력분야와전기자동차용무선전력충전기를포함하는수kW 이상의전력공급분야로나눌수있다. 소전력무선전력분야에서는 Alliance for Wireless Power(A4WP), Wireless Power Consortium(WPC) 등의협력체를중심으로수많은국 내외기업들이스마트폰, 노트북, 웨어러블기기를위한솔루션을개발하고있으며, 수년내에더많은소형기기들이무선방식으로전력을받거나충전하게될전망이다. 지난 4월유도방식의근접무선충전기술이기본으로장착된삼성전자의갤럭시 S6의출시로무선충전이본격적으로보급될것으로예상된다. 출처 : 삼성전자 그림 1 삼성전자갤럭시 S6의무선충전 July 33
➌ Special Issues 그림 2 전기차용무선전력충전개념 그림 3 Nissan 의무선충전 EV 개념도 수kW 이상의전력을송신하는분야도소전력무선전력전송분야와같이자기유도나자기공명방식이적용되고있다. MIT Spinoff 인 WiTricity, 뉴질랜드 Auckland 대학의 Inductive Power Transfer(IPT) 기술에기반한 Qualcomm Halo와같은무선전력전송전문기업과 Toyota, Nissan, Volkswagen 등의완성차제조사를중심으로전기자동차용무선전력충전기술에대한연구가진행되고있다. WiTricity는 2014 년 2월 Toyota와함께 3.3kW급자기공명방식전기자동차무선충전기실증을시작하였다. 특히, Toyota 는무선송수신코일의정렬문제를극복하고자차량에자동주차시스템을적용하여주차장바닥무선송신부와전기자동차가자동으로정렬될수있도록하였다. Qualcomm Halo는 CES 등의전시회에서포뮬러 E용전기자동차와 Nissan LEAF에자기유도방식무선충전기술을적용, 시연하였고전기자동차의성능을겨루는 포뮬러E 챔피언십 대회를후원하고, 경기에참가하는자동차에자사의무선충전기술을제공하고있다. 국내에서는제주도스마트그리드 Smart Transportation 사업의일환으로 2013 년 그린파워에서 3.3kW급무선충전시스템을개발하였고, 2014 년에는이를쏘울전기자동차에도적용하였다. 향후 전기자동차의보급활성화와편리함에대한시장의요구에따라무선전력충전기술의확대가예상된다. 완성차회사인 Toyota, Volkswagen, Nissan 등에서는 2017~2018년경무선충전방식의전기자동차모델을출시한다고발표하였다. 미래의전기자동차는플러그를연결하지않아도주차만하면저절로충전되는편리한무선방식으로충전전력을공급받는것이대세가될것으로전망된다. 특히, 어르신이나노약자, 장애인은충전플러그를다루는것이불편하고어렵기때문에무선충전전기자동차가필요하다. 한전전력연구원은무선충전방식의전기자동차출현시적기에무선충전인프라를구축하여고객의편리한전기자동차사용과서비스를제공하기위해산 학 연과협력하여전기자동차용무선전력충전인프라개발에착수하였다. 2018년까지전송효율 90% 이상의무선전력충전시스템을개발하여전기자동차와충전인프라에적용하고실증할계획이다. 소형 EV용의정지형무선전력충전기술과는별도로주행중인자동차에자기유도로전력을전송하는기술은 1970년대후반미국 LBNL에서연구되어 1990년대에는미국캘리포니아대학에서캘리포니아 PATH 프로그램의일부로 Roadway Powered Electric Vehicle 34 Journal of the Electric World
+ 무선전력충전기술개발현황및동향 출처 : 한국철도기술연구원 출처 : Bombadier 그림 4 철도기술연구원의무선급전트램 그림 5 Bombadier 의무선충전버스투시도 Project Track Construction and testing Program 에서연구되었다. KAIST에서는 2009년부터자기유도방식의온라인전기자동차 (OLEV) 무선충전기술을개발하여지난 2013년동원올레브와협력하여구미시에온라인전기버스를시범운행하였다. KAIST에서개발된온라인전기자동차무선전력전송기술은도로에매설된급전코일과버스에내장된집전코일을통해 20cm의거리에서 100kW 전력을최대 83% 효율로전송하고, 도로에세그먼트 (segment) 방식으로매설된코일을통해주행중에도충전하는기술이다. 한편, 한국철도기술연구원은 KAIST등과함께 2013년에 60kHz를사용하는 180kW급무선전력전송기술을이용하여무가선트램에적용하였으며, 2014년 5월에는 1MW급무선전력전송을적용하여고속열차를움직이는데성공하였다. 글로벌기업인 Bombardier는전기자동차, 전기버스, 도시형트램에적용할수있는 PRIMOVE라는자기유도방식무선전력전송기술을개발하고, 2013년 9월독일브라운슈바이크 (Braunschweig) 에서최대 200kW의전력을무선으로공급하여전기버스를충전하는시범서비스를시작하였다. PRIMOVE는버스나트램의정류장과주차장에무선충전기를설치하여정차중에충전이되도록하는기술이다. 수Km 이상거리에수kW 이상의전력을전송할수 렉테나 AC/DC 변환 마이크로파변환 ( 마그네트론 ) 마이크로파 RF/DC 변환 송신부 수신부 그림 6 마이크로파방식원거리무선전력전송의원리 <Source: MHI> 그림 7 마이크로파원거리무선전력전송실증 (2015 년, 미쓰비시중공업 ) July 35
➌ Special Issues 있는원거리무선전력전송기술은미국의 NASA와일본의 JAXA 중심으로우주에서태양광에의해발전된전력을지상에전송하는방법으로써마이크로파나레이저를이용한방법이연구되고있다. 또한, 군사용과같은특수목적의무인항공기에에너지를전송하기위한방법으로캐나다, 미국등에서연구되었다. 미국의 NASA JPL에서는 1975년도에 26미터직경의패러볼라안테나를이용하여약 1.5km 거리에서마이크로파로전력을전송할수있음을선보였다. 최근에는지난 3월일본의미쓰비시중공업에서 10kW의전력을마이크로파로변환하여 500미터떨어진렉테나수신부로전송하였다. 원거리무선전력전송기술이개발되면전력도서지역이나오지에도송배전선로의건설없이전력을공급할수있는대안이될수있을전망이다. 3 시장전망과기술개발방향 지금까지의무선전력전송시장은초기형성단계라할수있다. 그러나지난 4월 WPC(Qi) 와 PMA 규격의무선충전이적용된삼성전자갤럭시 S6의출시와자체규격의무선충전이적용된애플와치의출시로인해올해는무선충전시장의폭발적인확대가예상된다. 시장조사전문기관인 IHS에따르면 2014년도에팔린무선전력수신기는 5,500만대였고, 올해는 1억6,600 만대가팔리고 2024 년에는 20억대에이를전망이다. 무선전력전송시장규모는지난해의 1,500만달러에서올해는 17억달러규모로급성장하여 2024년에는 150 억달러에이를것으로예측하고있다. 한편, 전기자동차시장의확대에따라글로벌 EV용무선충전기시장은 2012년부터연평균 126.6% 성장하여 2020 년에는연 35만대규모로확대될것이며, 가정용충전기가전체의 70% 를차지할것으로전망된다 (Frost & Sullivan, 2014). 이와같은시장의요구를충족하고무선전력전송기술의보급과확산을위해서몇가지풀어야할과제가있다. 첫번째로해결해야하는과제는무선전력전송의효율개선이다. 현재무선전력전송시스템의전력전송효율은자기유도 / 공진방식의경우, 업체에따라최대 85~90% 로발표되고있지만실제시판되는기기의총시스템의효율은이보다낮은 70~80% 수준으로알려져있다. 특히, 전송거리의증가와송신부-수신부의부정합에따라전송효율이크게변하므로이를극복하고보완하기위한기술개발이필요하다. 두번째는기기또는제조사마다다른무선전력전송방식의표준화이다. 제조사의구별없이가전기기와노트북, 휴대폰, 전기차가무선으로충전되는인프라를위해서는기술개발과함께표준화도진행되어야한다. WPC의 Qi, Power Matters Alliance(PMA) 와합치기로한 A4WP의 Rezence와같은표준화협력체와 IEC 등국제표준화기구에서도무선전력전송방식의표준화에대한논의가진행되고있어기술혁신및보급확대와함께표준화도수행될전망이다. 한편, 복수의표준을충족하는 Multi-mode 무선전력제품도등장할 그림 8 전기차용무선전력충전개념 36 Journal of the Electric World
+ 무선전력충전기술개발현황및동향 것이다. 세번째는전자파에대한안전성논란이다. 지금도산학연의많은연구인력들은전자파문제를해결하기위해새로운전자기파차폐재료의개발, 비복사공진코일의구조최적화와같은다양한연구를진행중이다. 무선전력전송기술이적용되는기기와환경에적합한다양하고안전이담보된개선기술이개발될것으로전망된다. 4 향후계획 현재무선전력전송기술은관심도가매우높고국내외의산업체와기관에서연구개발이활발하여시장이급속히확대되고있으므로산업체간경쟁이치열할것으로예상된다. 따라서국내외산업계에서는향후무선전력전송기술의확산과주도권확보를위해기술 혁신과응용분야확대에많은노력이발휘될전망이다. 무선전력전송기술의국내시장활성화와국제시장선도를위해서는원천기술뿐만아니라기반이되는분야의도전적인연구개발과과감한투자또한필요하다. 단기적으로는무선전력방식의 IT 기기와무선충전전기자동차에대한소비자요구를충족하고, 중기적으로는재난대응, 벽오지, 해상등의특수목적무선전력틈새시장을공략하며, 장기적으로는우주에너지개발시대를대비해야할것이다. 한국전력도관련시장의활성화와글로벌시장진출을위해산학연과협력하여무선전력전송분야의연구개발에적극적으로투자할계획이다. 또한, 국내외기관과의협력을통해높은효율로보다먼거리까지전선없이다양한기기에전력을공급할수있고높은안전성이확보된기술개발을위해지속적인노력을펼쳐나갈계획이다. July 37