무선전력전송기술개발동향 안성덕무선전력전송프로젝트조정위원회부의장, 한국전자통신연구원전자종이기술연구팀팀장 1. 머리말무선전력전송기술이란전선을사용하지않고전력을보낼수있는기술을의미한다. 전선없이전력을보내는것이마치마술과같지만, 우리는이미무선통신기술을가지고있다. 이러한무선전력전송기술이실현된다면그파급효과가매우크기때문에관심이집중되고있다. 만약에수십 W 이상의전력을무선으로공급할수있다면 IT기술의패러다임이획기적으로바뀔것으로예상된다. 특히무선통신기술의핵심인휴대용 IT기기의경우는이동통신, 무선 LAN 등의망을통해통신이무선으로자유롭게이루어지고있으나, 기기의전원공급은충전된배터리를이용하고있으므로전원장치의무선화에대한관심이매우높을수밖에없다. 지금까지다양한무선전력전송기술이개발되었지만일부비접촉식유도결합 (Induction coupling) 방식을제외하고는아직까지상용화되지못하고있다. 예를들어과거수십 W 이상의대전력을전송하기위해 5.8GHz 등마이크로파 (microwave) 를사용하려는연구가일부이루어져왔으나인체에미치는영향및고효율안테나사용에따른직진성등으로인해활발하 게상용화되지는못하고있다. 하지만 2007 년 MIT 물리학과의마린솔라치치 (Marin Soljacic) 교수팀이제안한비방사 (non-radiated) 방식의대전력무선전송기술은 10MHz 의반송파를이용하여 2m 거리에서 60W 의대전력전송을시연하였다고발표함으로써향후미래유망기술로대두되고있다. 2. 무선전력전송의기술동향무선으로전기에너지를전력원에서원하는기기로전달하는무선전력전송기술 (wireless power transmission 또는 wireless energy transfer) 은이미 1800 년대에전자기유도원리를이용한전기모터나변압기가사용되기시작했고, 그후로는라디오파나레이저와같은전자파를방사해서전기에너지를전송하는방법도시도되었다. 우리가흔히사용하는전동칫솔이나일부무선면도기도실상은전자기유도원리로충전된다. 이러한여러종류의에너지전송방법을전송거리를기준으로 < 표 1> 과같이분류하였다. [ 그림 1] 은여러가지무선전력전송방식별전송거리, 출력및응용분야에대한것이다. 자기유도방식은 1cm 이하의거리 045
S p e c i a l T h e m e _ 무선전력전송 < 표 1> 3GPP A-GNSS 관련주요기능변화 비접촉식전송 ( 자기유도 ) 근거리전송 (Radiative) 근거리전송 ( 자기공명 ) 원거리전송 ( 전자기파 ) 전송거리 수 mm 내외 수 m ~ 10 m 내외 수 m 내외 수 km ~ 수십 km 주파수 125kHz, 13.56MHz 수십MHz ~ 수GHz 10MHz 이내 수GHz (5.8GHz) 전송전력 수 W 수십 mw 수십 W N/A ( 고출력 ) 기술성숙도 성숙 개발중 개발중 N/A 표준화 WPC 표준제정 N/A 추진중 N/A 모듈 / 시스템단가 저가 N/A 고가 N/A 소형화 가능 N/A 소형화진행중 N/A 인체유해성 없음 있음 없다고주장 있음 사용처 교통카드 RFID 전자태그 수십 W 전력전송 우주발전 문제점 짧은전송거리 직진성, 인체유해성 송수신코일축소 인체유해성 해외주요업체 국내주요업체 Fulton Innovation Texas Instrument Powermat Duracell Energizer Airvolt LS 전선와이즈파워한림포스텍 K 더파워 WiTricity WiPower Qualcomm Intel Fujitsu Haier LS 전선 ETRI KETI 메타테크놀로지 100kW 이상 Blue ocean, Disruptive, New Market 10kW On-line Car 자기유도 Unmanned Solar power airship satellite Remote island or place 10W 100mW 100mW 이하 Powermat Mobile Phone, Camera Electric tooth brushes Factory electrical device Home electrical device Submarine robot 자기공명 Body area device Robot RFID 안테나 Temp. Sensor (Zoo) Sensor network 1cm 이하 50cm 100cm 400cm 10m 이상 [ 그림 1] 무선전력전송방식별응용분야 에서비교적높은출력을원하는응용분야에응용이 가능하며, 안테나를이용한방사방식은 10m 이상의먼 거리에서비교적적은출력이필요한경우에응용된다. 2.1 원거리전송기술 ( 전자기파 ) 전자기파방식이란원거리에서수 GHz의고주파수를이용해고출력에너지를전송하는기술로기술적제약때문에실용화까지는많은시간이소요될것 046 11/12 2011
으로예상된다. 전자기파방식은특정목표지점으로의방향성을가지고수 km 이상의장거리에서사용되는것이일반적이며, 1960 년대 NASA 의 Sun Power Satellite(SPS) 프로젝트, 캐나다의 SHARP 프로젝트등의연구에이용되었다. SPS 프로젝트는지구를도는위성에서태양전지를통해전력을생산하고이를지상에전파의형태로전송하는것이고, SHARP 프로젝트는지상의마이크로파안테나어레이 (microwave antenna array) 로부터고주파의형태로방사된에너지는비행기의후방에장착된 rectenna(rectifying antenna) 에서수신하여 DC 전원으로변환하여사용하게되는것이다. 그러나전자기파방식은매우큰송수신안테나가필요하고, 무선으로전송되는전력이대기중에흡수되거나수분에의해방해를받아매우비효율적이어서저렴하게전력을공급할수없으며, 고출력에너지를전송함에따라인체에매우치명적이라는단점이있다. 2.2 근거리전송기술 (Radiative) 수 m 내에서에너지를전달하는근거리전송기술은전자파방사에기반하고비교적작은출력을전달하는방식이다. 필립스전기 (Philips Electronics, N.V.) 의자회사인파워캐스트 (Powercast LLC) 는라디오파 (RF radio frequency) 를이용하여무선센서, RFID, 이식용의료기기등낮은전력을요구하는전자기기에무선으로파워를전달할수있는기술을발표했다. 이러한기술들은전자기방사의특징인전방향성특성으로인해전송효율이매우떨어져서상대적으로고전력을요구하는기기의경우, 충전시간이매우길어지는단점이있다. 이를만회하기위해송신부의출력을높이게되면인체에해를끼치게되는환경적요인이발생하게된다. 그러므로광범위한사용을위한무선전력전송방법으로는적합하지않다. 2.3 비접촉식전송기술 ( 자기유도 ) 무선으로전기에너지를원하는기기로전달하는무 선전력전송기술중에서자기유도 (magnetic induction) 현상을이용한것은이미 1800 년대에전기모터나변압기가사용되기시작했다. 우리가흔히사용하는전동칫솔이나일부무선면도기도실상은전자기유도원리로충전된다. 자기유도방식이란수 mm 내외로인접한두개의코일에유도전류를일으켜배터리를충전하는방식이다. 3W 이하의소형기기에적용가능하고공급전력대비 60~90% 의효율을보이나, 충전기 - 수신기간거리가수 mm로매우짧고발열이많으며충전위치에따라충전효율이크게달라진다는것이단점이다. 2.4 근거리전송기술 ( 자기공명 ) 자기공명방식이란두매체가같은주파수로공진할경우전자파가근거리자기장을통해한매체에서다른매체로이동하는감쇄파결합현상을이용하는기술로, 2007 년 MIT 부교수였던마틴솔라치치 (Martin Soljacic) 교수팀이 2007 년사이언스지를통해기존의무선에너지전송과는다른새로운개념의전송기술을발표하였다. 이기술은기존의원거리전자파방사와는달리사용되는주파수 / 파장에비해짧은거리에서의전달로근접장효과를이용하고기존의자기유도에서나아가송 / 수신부의공진주파수를일치시켜매우높은효율로 비방사형중거리무선에너지전송 (Nonradiative mid-range energy transfer) 기술을개발하였다. 발표한새로운방식의무선전송기술은기존의전자기유도보다먼거리에서, 전자기방사보다는더높은효율로에너지를전달할수있다. 현재이기술은개발의초기단계로아직까지는무선전력송 / 수신용코일의크기가반지름 50cm 로매우커서실제사용을위해서는많은문제점이있다. 그러므로공진을유지하면서송 / 수신용코일의크기를획기적으로줄이는기술이필요하다. 특히고효율의전력전송을위해서는공진조건과함께송 / 수신코일의커플링 (coupling) 을크게만드는것이핵심적인데, 가정 / 사무 047
S p e c i a l T h e m e _ 무선전력전송 실에설치할경우위치에따른커플링이매우약한지점이발생하므로이를개선하는기술또한필수적이다. 또한, 사용하는기기의종류와그크기가다양한경우하나의전력공급장치로는전체의공진조건을만족시키기는매우어렵다. 그러므로, 이를극복하기위한기술도개발이필요하다. 3. 주요업체의개발동향 코에서개최한이벤트 2008 Intel Developer Forum 에서 MIT의공진형무선전력전송기술을사용한연구결과를발표했다. 인텔은전력을무선으로안전하고효율적으로공급할수있는기술을노트북에탑재하여송신측의공진기에서수십센티미터거리에접근함으로써배터리를충전하는것을가능하게한다. 인텔의연구자들은모바일기기에서코드를모두없애고인텔의플랫폼에무선으로송전하는방법을개발하려고하고있다. 3.1 해외주요업체의개발동향 3.1.1 MIT MIT는 2007 년 6월송전거리는한정되어있지만노트북 PC 구동에필요한레벨의전력을무선으로공급하는연구에성공했다고발표했다. MIT 연구팀이실증실험에사용한시스템은물리적으로접속되어있지않은전력원과 60W 전구로이루어진것으로실험은 WiTricity(Wireless Electricity) 라불리는프로젝트의일환으로이루어졌다. 연구팀에따르면전파와같은전력빔을 2점간에전송하여 60W 전구를점멸시키는데성공하였다. WiTricity 기술은상용화시기를 3~5 년정도로보고있으며상용화를위해기업에기술을이전시키는계획을세우고있다. WiTricity 가대부분의가전제품에표준탑재되면배터리없이도 WiTricity 핫스팟존에서전원이제공될수있다. 3.1.2 인텔인텔은무선으로전력을전송하는 3종류의기술을연구하고있다. TV용전파등주변환경에있는전파로에너지를수확하는 WARP(wireless ambient radio power) 기술과 UHF대의 RFID 기술을근거로전력을무선으로전송하는 WISP(wireless identification and sensing power) 기술, 그리고세번째는수미터거리에서수십와트의큰전력을무선으로전송하는 WREL(wireless resonant energy link) 기술이다. WREL 기술이경우, 인텔이 2008 년 4월샌프란시스 3.1.3 세이코엡슨 2008 년 9월휴대폰에들어갈정도의모듈크기로송전 / 수전양쪽이가능한칩을개발하여이것으로고효율무접점전력전송을가능하게하는전력전송유닛을개발하여샘플을출하하였다. 본제품의경우최대효율이 70% 로매우높고, 2.5W 의전력전송이가능하다. 세이코엡슨은 2007 년 9월에무라타제작소와함께충전시간을단축할수있는무접점식급속충전시스템의공동개발에착수하는데합의했다. 전력전송효율이 70% 인고효율전송코일과급속충전이가능한리튬이온 2차전지를조합함으로써무접점식이면서단시간에충전이가능하게하는시스템이다. 전송전력을 15W 전후로주로모바일기기의충전을대상을하고있다. 디바이스 ID 인증에의한가능도탑재하고있어충전전압이다른제품등에의오충전을방지한다. 또한금속탐지를구비함으로써이물질이충전기상에낙하했을때전송을정지하는기능, 온도탐지를탐재함으로써과발열에의한사고등을방지하여안전성을배려하였다. 3.1.4 동경대학동경대학에서 2006 년 12 월, 무접점으로전력을전송할수있는플라스틱시트를개발했다고발표하였다. 시트상에올려놓은물체의위치를검출하는기능을구비하고있어시트상의임의의위치에올려놓은물체에만전력을선택적으로공급할수있다. 기기측에서받을수있는전력은최대 29.3W, 전력전송효율은 048 11/12 2011
최대 62.3%, 시트의크기는 A4 정도, 두께는 1mm, 무 게는 50g 이다. 이전력전송시트를평면적으로나열함 으로써전력공급이가능한범위를넓힐수있다. 전력전송방식으로는전자기유도방식을사용하였 고, 전력전송시트에물체를가까이가져다대면물체가 구비한코일과의자기결합에의해위치검출용코일의 인덕턴스가변화되고, 이변화량을위치검출용코일에 접속한트랜지스터로읽어내서, 인덕턴스변화를검출 한위치의급전용코일에전력을공급한다. 전력전송시 트는유기반도체기술, MEMS 기술, 인쇄기술을사용 하여제작하였는데, 위로부터급전용코일시트, MEMS 스위치시트, 위치검출코일시트, 유기 TFT 시트의순 으로적층으로구성되었다. 3.1.5 애플 애플사는 2011 년 6 월 27 일충전기없이도아이폰이 나아이패드를충전할수있는독자적인방식의무선충 전기술특허 ( 특허명 : 로컬컴퓨팅환경에서무선전력 사용 ) 를미국특허청에신청하였다. 이특허는가정에 있는 PC, TV 전원에 USB 를연결하면 1m 내에있는복 수의애플기기 ( 아이폰, 아이패드, 아이팟, 아이맥등 ) 를 한꺼번에선없이충전할수있는기술이다 ([ 그림 2] 참조 ). 이특허에서애플은원거리에서배터리를충전할수 대상공진기 120 121 무선전력전송 전원공진기 대상공진기 111 110 [ 그림 2] 애플의특허도면 대상공진기 있도록근거리자기공명이라는기술을활용하였는데, 이방식은서로다른기기에코일을내장하고있는같은 MHz 대역의공진주파수를맞추는것이다. 예를들어스마트폰의공진주파수가 10MHz 라면전기를공급하는전원의공진주파수도 10MHz 로맞추는것으로, 한꺼번에여러기기를충전할수있다. 3.1.6 제너럴모터스제너럴모터스는자동차안에서스마트폰을무선으로충전하는장비를 2012 년부터일부차량에적용하려고하고있다. 제너럴모터스는이스라엘기업과합작하여파워매트라는무선충전기를차내에장착하여아이폰, 태블릿 PC 등모바일기기를전용어댑터에끼운뒤작은스노보드처럼생긴매트위에올려놓으면무선으로충전이되도록하였다. 제너럴모터스는파워매트를장착한시보레볼트전기차를미국의 CES 에서선보였다. 3.1.7 하이얼하이얼은 CES 2011 에서선이하나도없는무선 HDTV를출품하였다. 하이얼은 MIT에서개발한무선전력기술은 WiTricity 을이용하였는데, 자기결합 (magnetic coupling) 을이용한급전방식이다. TV의뒷면에는약 1피트각의코일을내장하여 1m에서 100W 전력을급전하였다. 급전이가능한거리는코일의크기에비례하고, 코일의직경에 35 배거리까지급전이가능하다고발표하였다. 3.1.8 무라타제작소무라타제작소는 전계결합방식 (electric field coupling technology) 으로송전측과수전측에전극을설치하여전극간에발생하는전계를이용하여전력을전송하였다. 양산을시작한모듈은출력이 3W인제품으로, 전극간전송효율은 90% 이며, 전원과정류회로등을포함한종합효율은 70~80% 를달성한상태로알려져있다. 사용한주파수는수백 KHz 이다. 수전모듈을가로세로약 7 049
S p e c i a l T h e m e _ 무선전력전송 mm 의칩속에내장할수있도록소형화하였다. 3.1.9 히타치맥셀 무라타제작소가제작한 전계결합방식 (electric field coupling technology) 의무선충전모듈을채용 하였다. 충전케이블에접속할필요가없고, 두는것만 으로간단하게충전할수있으며, 사용하면서완전충 전이가능하다. 세로두기 / 가로두기등어떠한방향으 로나무선충전이가능하다. 3.2 국내주요업체의개발동향 3.2.1 삼성전자 삼성전자는한대의충전기로스마트폰, 스마트패드 등여러대단말기를동시에무선충전할수있는기술 개발을완료했다고발표하였다. 무선전력전송제어 기술 을포함한 47 건의무선충전관련특허를이미출 원하였다 ([ 그림 3] 참조 ). D 210 208 212 202 NFMR power MR 204 Re-resonator power 206 R 210 한삼성전자는주변장치에미치는영향과에너지손실을최소화하기위한기술인 근접필드포커싱 기술을통해전원공진기에서내보낸전력이충전대기기로집중될수있도록고안하였다. 충전대상기기로전송되지않는전력은충전모듈을이용해저장, 재사용할수있도록설계해낭비되는에너지와주변기기에미치는영향을최소화하였다. 또한삼성전자는무선충전이가능한세계최경량의 3D 안경을개발하였다. 3.2.2 LG 전자 LG전자는 2011 년 3월미국 CTIA 2011 전시회에서무선충전패드 ( 모델명 WCP-700) 을공개하였다. LG전자의무선충전기는가로 90mm, 세로 160mm, 두께 9mm 크기의패드타입으로배터리커버를끼운휴대전화 1대를충전접점중심지름 14mm 내에서충전이가능하게하였다. 충전에걸리는시간은유선충전과같다. 3.2.3 LS전선 LS전선은자체기술로개발한아이폰 4용무선충전기차버 (Chaver) 를선보였다. 이제품은충전용패드와휴대폰커버로구성되어있어, 휴대폰에커버를씌우고패드위에올려놓기만하면자동으로충전이되며, 충전성능은유선충전기와동등하여 2시간정도에완전충전이가능하다. 이제품은가격은 99,000 원으로다른제품에비해저렴하며, 무선충전은수직자기장방식을이용하였다. 이기술은대용량배터리가요구되는휴대용통신기기에적합하며, 접점이노출돼있지않기때문에누전의위험성이거의없어안전성이매우뛰어나다. 200 [ 그림 3] 삼성의무선충전시스템특허도면 삼성전자가개발한무선충전방식은자기공명방식으로, 자기장공진주파수를이용해전력을전송하기때문에충전가능거리가최장 30cm 에불과한자기유도형보다더길고, 별도케이스나매트가필요없다. 또 3.2.4 와이즈파워와이즈파워는무선충전장치에관한특허와무선충전제어장치및충전제어방법에대해특허를확보하고있다. 또한무선충전솔루션을 LG전자에공급하였다. 2010 년 12 월 20일, 와이즈파워는국내최초아이폰 4용무접점충전기윌리윌리를판매하기시작하였다. 본 050 11/12 2011
제품은 3시간이내에완전충전이가능하며, 자기유도방식의무접점충전시스템이다. 초당 ID 송수신으로금속등이물침투, 전압이상등을초마다체크하여즉시차단하므로부품수가많은일반회로가아닌 ASIC 방식을사용하여전력손실과발열을최소화하였고, 전체적인크기와두께도소형화하였다. 2011 년 8월에는, 40W 급무선충전시스템의핵심기술개발로데스크톱컴퓨터와 LED 전광판도무선충전이가능함을시현하였고, 2011 년 10 월에는세계최초로무선전력전송 OLED 조명을시현하여향후사무실 / 가정환경에서무선전력전송기술을구축하는데일조할것으로판단된다. 3.2.5 한림포스텍 2002 년부터무선전송기술기초기술을연구하기시작하여 2003 년 7월에영국의 Splashpower 사의기술을도입하여휴대폰무접점충전방식개발을시작하였다. 2011 년에 WPC 인증을받은무선충전패드를양산할계획을발표하였다. 한림포스텍에서개발하는제품은패드에올려놓은배터리의방향에상관없이자유롭게충전이가능한독작적인기술을확보하였다. 3.2.6 한국전자통신연구원 2011 년 1월말, ETRI 는스마트폰을포함한소형멀티미디어기기에전선없이도전원을공급하거나충전할수있는 자기공명형무선충전시스템기술 을개발했다고발표하였다. 4. 맺음말무선전력전송기술은기술의패러다임을바꿀만큼파급효과가매우큰첨단기술이다. 모든영역에서전선들이모두제거되고가전기기들이전선의길이에따라위치가정해지지않고전기에너지가전달되는영역내에서자유롭게이동하여사용할수있다면일상생활에서지금까지와는다른변화가있을것이다. 조금더확대하여사무실에서나산업체에서에너지전달이무선으로이루어질수있다면경제적, 산업적측면에서새로운혁명적변화가있으리라예상할수있을것이다. 국내의많은연구자들이함께참여한다면, IT 산업에서신산업을창출할수있는기술로발전시킬수있으리라생각된다. 정보통신용어해설 소셜소싱 Social Sourcing [ 관리운용 ] 소셜네트워크서비스 (SNS, social network service) 로이미형성되어있는사회관계망을기반으로정보를실시간으로공유하는것과피드백으로함께문제를해결하는방법. 트위터등 SNS 가활성화되고카메라마이크등이부착된스마트폰으로실시간커뮤니케이션이이루어지면서이용자들이새로운방식으로정보를모으는것이가능해졌는데이것을소셜소싱이라고말한다. 인터넷디폴트 (default) 가소셜이되면서불특정한다수가참여하여해결방안을제시하는크라우드소싱 (crowd sourcing) 이소셜네트워크사회관계망기반인소셜소싱으로발전하고있다. 051