포커스 포커스 무선전력전송기술동향및주요이슈 장병준 * 전세계적으로무선전력전송기술에대한관심도가증가함에따라관련연구개발이활발하게진행되고있으며, 새로운무선전력전송서비스의출현이예상되고있다. 그러나한편으로는인체영향등다양한문제점이제기되어서비스에대한부정적인시각도퍼지고있다. 이에본고에서는무선전력전송에대한개념, 전세계주요업체의기술개발동향및관련된주요이슈를조사분석하여국내의무선전력전송기술개발및활성화에참고하고자한다. 목 차 I. 머리말 I. 머리말 II. 무선전력전송개요 III. 무선전력전송기술동향 IV. 무선전력전송주요이슈 V. 맺는말 * 국민대학교전자공학부 / 교수 전세계적으로에너지기술과 IT 기술을융합하는에너지-IT 융합기술에대한관심도가높아지고있다. 에너지-IT 융합기술이란고도로발전된 IT 기술을에너지분야에접목하는것으로그린 IT(Green IT) 라는개념으로도소개되고있다. 예를들어내부에전원이없는수동태그에수록되어있는정보를리더기로판독하기위하여무선으로에너지를공급하는 RFID(Radio Frequency Identification) 기술, 전원선을없애고무선으로가전기기나전기자동차에전원을공급하는무선전력전송 (Wireless Power Transfer: WPT) 기술, LED 를이용하여조명과통신을동시에수행하는가시광통신기술 (Visual Light Communication: VLC), 무선통신을이용하여사용자의전력사용량을원격으로검침하는 AMI(Advanced 1
주간기술동향통권 1445 호 2010. 5. 12. Metering Infrastructure) 기술, 전력공급처인한국전력과수요자가전력사용량에대한정보를교환할수있도록전력선또는무선통신을이용한스마트그리드 (Smart Grid) 등이그린 IT 의대표적인서비스로소개되고있다. 이중에서무선전력전송기술은상용화될경우, 그파급효과가매우크기때문에관심이집중되고있는분야이다. 만약에수십 W 이상의전력을무선으로공급할수있다면 ( 그림 1) 과같이 IT 기술의패러다임이획기적으로바뀔것으로예상된다. 특히무선통신기술의핵심인휴대용 IT 기기의경우이동통신, 무선 LAN 등의망을통하여통신이무선으로자유롭게이루어지고있으나, 기기의전원공급은충전된배터리를이용하고있으므로전원장치의무선화에대한관심이매우높을수밖에없는분야이다. 지금까지다양한무선전력전송기술이개발되었지만일부비접촉시유도결합 (Induction coupling) 방식을제외하고는아직까지상용화되지못하고있다. 예를들어과거수십 W 이상의대전력을전송하기위하여 5.8GHz 등마이크로파 (microwave) 를사용하려는연구가일부이루어져왔으나, 인체에미치는영향및고효율안테나사용에따른직진성등으로인해활발하게상용화되지는못하고있다. 하지만, 2007 년 MIT 물리학과의마린솔라서치 (Marin Soljacic) 교수팀이제안한비방사 (non-radiated) 방식의대전력무선전송기술은 10MHz 의반송파를이용하여 2m 거리에서 60W 의대전력전송을시연하였다고발표함으로써향후미래유망기술로대두되고있다 [1],[2]. 무선전력전송기술 Today Future ( 그림 1) 무선전력전송기술의대두 이에방송통신위원회등에서는무선전력전송기술을미래전파 (Next-wave) 응용서비스의핵심분야로선정하여관련기술개발, 시범사업및제도개선등을 2010 년이후진행하려고계획하고있으며, KAIST 에서는무선전력전송을이용한온라인전기자동차 (On-Line Electric Vehicle: OLEV) 를개발하여서울시버스노선등에서상용화할것이라는계획을발표하였다. 하지만아직까지도무선전력전송은해결해야할문제가산적해있는기술로서, 원천기술개발, 제도개선, 2
포커스 상용화등의계획을체계적으로세워서추진해야만성공할수있는분야이다. 따라서현시점에서무선전력전송에대한전반적인개요, 주요개발동향및인체영향등의주요이슈 (Issue) 를살펴봄으로써관련기술개발의활성화및상용화를위한타산지석으로삼을필요가있으므로이에본고의의의가있다고사료된다. 본고에서는먼저무선전력전송의개요부터시작하여최근기술개발동향을살펴보고, 관련된주요이슈를정리하여향후국내의무선전력전송에대한기술기준개정, 주파수할당및도입활성화를위한기초자료및연구방향을제시하고자한다. II. 무선전력전송개요 무선전력전송기술은 < 표 1> 과같이전송거리에따라크게 4 가지분야로분류할수있다. 이중에서원거리전송은 5.8GHz 등고출력의마이크로파를이용하는방식으로과거부터연구되어왔으나, 인체영향및직진성등의문제로상용화되지는못하였다. 방사 (radiative) 방식의근거리전송은 UHF(Ultra High Frequency) 대역의 RFID/USN 주파수대역또는 2.4GHz ISM 대역을이용한 RFID 서비스를의미하며, 유통 / 물류분야에서 2000 년대초반부터상용화되었으나방사손실에의해최대수십 mw 의전력전송만이가능하다. 유도결합을이용하는방식은수 mm 의거리에서접촉식으로수 W 의전력을전송하는방식으로 125kHz 혹은 13.56MHz 의주파수를사용하며, 교통카드 (T-money 등 ), 무선면도기, 전동칫솔등에서상용화되었으나전송거리가최대수 cm 이내라는한계가있다. 하지만, 2007 년 MIT 의마린솔라서치 (Marin Soljacic) 교수팀이제안한비방사방식의자 < 표 1> 무선전력전송기술의분류분류전송거리특성 원거리전송 근거리전송 (radiative 방식 ) 근거리전송 (non-radiative 자기공명방식 ) 접촉식전송 ( 유도결합이용 ) 수 km~ 수백 km 수m ~ 10m 내외수 m 내외수 cm 내외 - 수 GHz 주파수사용 (5.8GHz 등 ) - 고출력전송가능 - 인체영향등문제제기 - 수십 MHz~ 수 GHz, 저출력전송 - UHF RFID 에서사용 - 2007 년제안, 수십 W 전송가능 - 개발초기단계 (MIT, Intel 등 ) - 10MHz 근방 - Inductive Coupling - 실용화가많이이루어짐 ( 무선면도기등 ) - Powercast, Philips 등 - 125kHz, 135kHz 등 - 저가의고출력소자가가능함 3
주간기술동향통권 1445 호 2010. 5. 12. 기공명의경우, 두매체가같은주파수로공진할때전자파가근거리자기장을통해한매체에서다른매체로이동하는공진결합 (resonant coupling) 방식에기반을두고있으며, 2m 거리에서 60W 의대전력전송을시연하였다고발표함으로써향후미래유망기술로대두되고있다. 하지만, 자기공명의경우공진기의 Q(Quality Factor) 값이매우커야하는데, 실제상용화시에는부하조건에따른임피던스의변화, 주변도체의영향등으로 Q 값을높게유지할수없어아직까지상용화되지못하고있다. 무선전력전송기술이상용화될경우기술별로가능한적용분야를살펴보면 ( 그림 2) 와같다. 그림과같이최대수 cm 이내의거리에서는유도결합방식이사용되며, 수 W 의휴대용가전기기충전에서부터수 kw 의전기자동차등의전력공급등다양한응용분야에서이용될수있을것으로보인다. 한편, 비방사방식의자기공명의경우수십 cm 에서수 m 까지의거리에서가전기기또는조명용전력전송에사용될것으로보인다. 반면방사방식에서는소출력의경우전자태그에사용되며, 근역장 (near-field) 안테나를사용한다면 1m 이하의 PC 주변기기등의무선전력전송에도사용될수있다. 원거리고출력마이크로파방사방식은우주발전등에서연구가진행되고있으나, 앞으로도인체영향등으로인해상용화는어려울것으로판단된다. ( 그림 2) 무선전력전송의응용분야 4
포커스 II. 무선전력전송기술동향 본절에서는전세계적으로이루어지고있는무선전력전송기술동향을살펴보고자한다. 먼 저유도결합에의한대표적인기술개발동향을살펴보면 < 표 2> 와같다. 현재까지 Fulton 사가 < 표 2> 무선전력전송의주요기술동향 (a) 코일유도결합방식 구분 Fulton Innovation Seiko- Epson Convenient Power 東光 ( 日 ) Powermat WiPower Tokyo University 시제품사진 제품구성 제품화시기 2009 년 (Sp lash power 인수 ) 1 차코일 ( 송전 ), 2 차코일 ( 수전 ), Control IC 미정 2009 년미정미정미정미정 송전거리수 mm 3mm Max. - 수 mm 수 mm 수 mm 수 mm 송전시효율 인체유해성 데이터통신기능유무 Max. 98.6% Set 의 shield 처리로해결 1Mbps 가능 (b) 방사방식및자기공명방식 70% (0.5W) 일본내전파규격통과 3Mbps (2008 년 ) - 65% (3~3W) - - 81% (40W) - - - - - - 없음 - - - 구분 Fulton Innovation Seiko-Epson Convenient Power 東光 ( 日 ) 시제품사진 제품구성 안테나, RF 회로, IC - - - 제품화시기 2007 년미정미정미정 송전거리 Max. 10m 수 m 60cm 송전시효율 인체유해성 데이터통신기능유무 10~50% 1W) FCC 인증필요 - (60W) 원리상유해성없다고주장 75% (60W) 원리상유해성없다고주장 0.6~2m (10MHz) 40~50% (60W) 원리상유해성없다고주장 없음 - - - 5
주간기술동향통권 1445 호 2010. 5. 12. 가장앞선기술 (ecouple TM Technology) 을보유하고있다. 특히 Fulton 사는전력흐름을연속적으로모니터링할수있는제어시스템을추가함으로써수백 mw 에서수십 W 의전력을 90% 이상의효율로전송하는기술을시현하였으며, TI, Energizer, Leggatt&Platt 등의회사와상용화에협력하고있다. 다음으로 Convenient Power 사도유사한특성을갖는배터리충전시스템을개발하였으며, 애플의 iphone, 닌텐도 DS, Blackberry Curve 용무선충전기를개발하고있다. WiPower 사는플로리다대학에서개발한비접촉방식의무선전력전송시스템을상용화하고있다. 일본의 Seiko-Epson, 동광전기, 도쿄대학에서도유사한기술을이용하여시제품을제작하였다고발표하였다. 국내에서는한림포스텍, LS 산전등여러기업에서관련기술을개발하고있다. 현재까지발표된유도결합기술의주요특징을살펴보면, 수백 khz 의주파수를사용하며, 전송거리는수 mm 의접촉식을사용한다는것이다. 특히 Fulton 사는관련회사들과연합하여 Wireless Power Consortium 을구성하여최근기술보급에노력하고있다 [3],[4]. 마이크로파를이용한무선전력전송기술은 20 세기초 Tesla 의시도에서알수있듯이과거부터많은시도가있었으나전파의감쇄특성및인체유해여부등으로고출력무선전력전송은상용화되지못하였다. 하지만소출력무선전력전송의경우는활발히상용화되었는데, 예를들어 RIFD 태그나소출력의센서노드등에수 m 의거리에서수 mw 의전력을공급하는시스템이상용화되었다. 마이크로파무선전력전송의원리는발진기 (Oscillator) 에서발생한신호가증폭기를거쳐대신호로증폭된후송신안테나를거쳐공기중으로방사되면, 수신안테나는이신호의일부를수신하고정류기 (Rectifier) 를통해 DC 전력으로변환하여부하에전력을공급하는것이다. 대표적인회사로미국의 Powercast 사가있으며, 2009 년피츠버그동물원수족관에있는온도, 습도센서의전원을공급하기위하여마이크로파를이용한시스템을개발하였다고발표하였다. Powercast 사는 Philip 사와협력으로무선키보드와마우스, 의료용 RF 무선전력전송장치를개발하고있으며, 최근에는방위산업용지능형센서네트워크에무선으로전력을공급하는방식을개발하고있다. 자기공명을이용한무선전력전송기술은 2007 년마린솔라서치교수팀이제안한방식으로 2m 거리에서 60W 의대전력전송을시연하였다고발표함으로써향후미래유망기술로대두되고있다. 또한 Intel 및 Sony 에서도유사한시스템을데모한바있다. 하지만아직까지는전력효율을높이거나, 공진기를소형화하는등의지속적인연구개발이필요한분야로판단되고있다. 6
포커스 IV. 무선전력전송주요이슈 앞에서무선전력전송의개념및주요업체의동향을살펴보았다. 본절에서는무선전력전송의활성화를위해필요한다양한기술적, 제도적이슈에대해살펴본다. 기술적인이슈는전송거리이슈, 안테나이슈, 하드웨어구현등이주요문제이며, 제도적인이슈는인체에미치는영향과 EMI/EMC 등이주요논의대상이다. 1. 주파수할당이슈무선전력전송을위해서는무선주파수를사용해야하는데, 이경우타시스템에의간섭을줄이고, 인체에영향을주지않도록각국은엄격하게규제하고있다. 또한전세계적으로무선주파수는주로통신, 방송, 항행, 측위등의용도로사용되고있으며, 아직까지무선전력전송을위해서특별하게할당된주파수대역은없다. 따라서아직까지특정주파수대역을별도로설정한나라도없다. 현재까지무선전력전송의후보주파수로고려되고있는대역은수십 khz 에서수백 khz 사이또는수 MHz 에서수십 MHz 사이이며, 이중에서현재가능한주파수대역은 125kHz 또는 134kHz 및 13.56MHz 정도이다. 이주파수는전세계적으로 ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 대역으로지정되어있으며, RFID 등에서소출력에너지전송으로현재사용이되고있으므로기술기준개정만으로무선전력전송용으로사용이가능한주파수대역이다. 만약, 이외주파수대역에서신규주파수가필요한경우에는기술개발추이를살펴상용화가능정도를조사하고, 산업체에미치는영향까지고려하면서전세계동향을예의주시하여국내주파수할당문제를논의해야한다. 이때인체영향및 EMI/EMC 문제가반드시고려되어야한다. 다행히 2010 년부터방송통신위원회에서무선전력전송을위한장기계획및이용제도개선연구를진행하고있으므로그동향을주의깊게살펴보아야한다. 2. 인체영향이슈전자파에대한인체영향은이동통신이보급된이후핵심적인이슈였다. 하지만, 현재까지연구결과는수 W 이하의이동통신단말기또는기지국영향및전력선에의한 60Hz ELF (Extremely Low Frequency) 영향에대한연구로한정되어있는상황이다. 이동통신의주파수대역인 800MHz 에서 5GHz 사이의인체영향은다양한분야에서연구되고세포실험, 동물실험, 역학조사등연구방법역시체계화되고있다. 다행히유도결합방식및 UHF 대역 RFID 등에의한인체영향연구가최근 RFID 기술이도입됨에따라활발하게시작되고있으므로이러한 7
주간기술동향통권 1445 호 2010. 5. 12. ( 그림 3) 무선전력전송의인체영향국제기준 연구결과를확장하면, 고출력무선전력전송에의한인체영향연구로확대할수있을것이다. 인체영향에대한전세계가이드라인은 ( 그림 3) 과같이 IEEE 또는 ICINRP(International Commission on Non-Ionising Radiation Protection) 에서발표한가이드라인을기초로하며, 각국에서는이를근거로다양한국가레벨을제정하고있다. 예를들어이태리의경우 ICINRP 규정의 1/10 이하로규정을정해강화하고있는상황이다. 따라서무선전력전송의경우서비스영역에서각국의기준을초과해서는안된다. 아직까지무선전력전송의상용화가이루어지지않은상태이므로구체적인논의는진행되고있지않지만상용화될경우인체영향이국가에서정한가이드라인을벗어나지않도록유념해야한다. 게다가최근에는전자파를환경오염관점에서살피고있으며, 전자파총량제, 전자파환경평가문제등이대두되고있어, 무선전력전송의상용화시이점을고려하여매우엄격하게인체영향가이드라인을제시하여야한다. 3. 기술적인이슈무선전력전송의경우주요기술적이슈를살펴보면다음과같다. 먼저, 자기공명방식의경우매우높은 Q 값을유지하여야수 m 까지전력전달이가능하게된다. 하지만실제전력을사용하는기기내동작환경에서는동작상태 ( 대기모드, 정상동작모드, 최대출력모드등 ) 에따라부하임피던스가가변되며, 주변도체등의영향등으로 Q 값을높게유지할수없어실제환경에서는전력전달효율이낮아지게된다. 또한 MIT 에서수행한시험에서매우큰헬리컬 (helical) 안테나를사용하였으나, 실제가전기기나자동차에설치할경우크기의한계로사용할수없으므로효율이낮아진다는단점이있다. 따라서실제상용화될경우전송거리는수십 cm 8
포커스 이하로낮아질수있다. 다음으로무선전력전송을위한전력소자의개발이필요하다. 무선전력전송의거리를늘리기위해서는수십 MHz 의주파수에서동작하는대전력스위칭소자등이필요한데, 현재대부분의대전력스위칭소자등의특성은수십 MHz 의높은주파수에서는성능이급격히나빠지는특성이있다. 반면가격이비싼마이크로파소자를주파수를낮추어사용할경우가격문제로무선전력전송상용화에장애가될수있다. 유도결합의경우는자기공명방식과달리주파수가낮으므로상대적으로상용화에유리하다. 하지만, 현재전송거리가수 mm 에불과하며, 이를수십 cm 이상올리기위해서는자기공명방식과같은공진특성을이용하여야하는데, 이경우공진기의크기가커지는단점이있다. 또한, 유도결합은전세계적인특허가많이나와있으므로이를회피하기위한노력이필요하다. 마지막으로무선으로전력을공급할때꼭필요한기기에필요한양만큼의전력을무선으로공급할수있는지능형전력공급시스템에대한연구가필요하다. 예를들어 ( 그림 4) 와같이전력을공급받는각종부하정보를수신하고, 이를토대로최대전력변환효율을얻을수있도록 DC/DC 단및 DC/RF 단을구동하는지능형전력제어 (Smart Power Control) 방식이필요하며, 이를위해서는관련기술개발과함께전력정보의표준화가필요할것이다 [5]. ( 그림 4) 지능형무선전력전송시스템의예 V. 맺는말 앞에서살펴본바와같이무선전력전송기술은기술의패러다임을바꿀만큼파급효과가매 우큰첨단기술이지만, 주파수할당, 인체영향및기술적인한계점등아직까지해결되지않은 9
주간기술동향통권 1445 호 2010. 5. 12. 문제가많이있으므로체계적으로접근해야할기술이다. 특히, 기존소출력기술을대출력까지허용할때의전파법등기술기준개정문제, 상용화되었을때의인체영향및 EMI/EMC 문제, 기술적인어려움의문제등을단시일내에해결하는것은매우어렵다. 따라서이를극복할수있도록다양하고체계적인기술개발, 제도개선및표준화가시도되어야한다. 이에전세계연구개발동향을예의주시하고, 외국의연구개발사례를타산지석으로삼아국내의무선전력전송기술연구및서비스보급확대에만반의준비를다할필요가있다고사료된다. < 참고문헌 > [1] M. Soljacic et al., Wireless power transfer via strongly coupled.magnetic resonances, Science, June 2007, pp.83-86. [2] 강승열, 김용해, 이명래, 정태형, 무선에너지전송기술, ETRI, 전자통신동향분석 Vol.23, No.3, 2008. 12, pp. 59-69. [3] Fulton 사홈페이지, http://ecoupled.com [4] Wireless Power Consortium 홈페이지, http://www.wirelesspowerconsortium.com [5] 장병준, RFID/USN 을활용한에너지 - IT 융합기술동향, 전파진흥, Vol.19, No.3, May 2009, pp.18-27. [6] 김희승, 원도현, 임재봉, 장병준, 루프안테나를이용한무선전력전송시스템의새로운설계법, 한국전자파학회논문지, Vol.21, No.1, Jan. 2010, pp.36-45. * 본내용은필자의주관적인의견이며 NIPA 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 10