무선전력전송기술동향과발전방향 방송통신미디어기술특집 김성민 (S.M. Kim) 문정익 (J.I. Moon) 조인귀 (I.K. Cho) 윤재훈 (J.H. Yoon) 변우진 (W.J. Byun) 마이크로파기술연구실선임연구원마이크로파기술연구실선임연구원마이크로파기술연구실책임연구원마이크로파기술연구실책임연구원마이크로파기술연구실실장 Ⅰ. 서론 Ⅱ. 무선전력전송기술개요 Ⅲ. 무선전력전송기술동향 Ⅳ. 무선전력전송기술전망및해결과제 Ⅴ. 결론 * 본연구는미래창조과학부가지원한 2014 년정보통신 방송 (ICT) 연구개발사업의연구결과로수행되었음. 무선전력전송 (WPT: Wireless Power Transmission) 기술은최근개인휴대기기에대한무선충전과전기자동차무선충전을중심으로비약적인발전을이루고있는기술이다. 또한보다높은자유도와안전성을부여하기위해보다먼전송거리를확보하고다양한이종기기에동시에전력을공급할수있는기술을개발하기위해노력하고있다. 이와더불어해당기술에대한독립적지위를확보하기위한다양한표준화활동이동시에진행되고있다. 본고에서는이러한무선전력전송의기술발전동향과표준화동향을소개하고, 향후무선전력전송기술의발전방향에대해논하고자한다. 98 2014 한국전자통신연구원
Ⅰ. 서론 100여년전니콜라테슬라 (Nikola Tesla) 에의해최초로실험된 RF(Radio Frequency) 를이용한무선전력전송 (WPT: Wireless Power Transmission) 기술은당시에도큰주목을받지못하였고최근까지도박물관등에서단순히일반인들의이목을끄는도구로활용되었으며이를산업화에적용한분야는무선전동칫솔과전기면도기, 무선주전자등제한적인분야에서만무선전력전송기술을적용하여왔다. 이렇게제한적인범위에서사용되었던무선전력전송기술은 2007년 MIT 물리학과마린솔자치치 (Marin Soljacic) 교수가이끄는연구팀이자기공명이라는새로운무선전력전송기술을이용하여 2m의거리에서무선으로램프에전원을공급하는연구결과를발표하면서산업계및학계의주목을받게되었고 [1], 최근에는다양한방식의무선전력전송기술을이용하여다양한전기, 전자기기에무선으로에너지를공급하기위한연구, 개발이진행되고있다. 특히스마트폰의대중화에따라개인이사용하는전력량이크게증가하게되면서유선충전기없이언제, 어디서나자유롭게배터리를충전할수있는기술에대한사용자요구가증가하게되었고, 이를충족시킬수있는무선전력전송기술에대한관심도같이증가하게되었다. 또한친환경전기자동차및하이브리드자동차에대한연구가진행됨에따라전기자동차배터리충전의자유도를제공함과동시에단락, 단선으로부터안전한무선충전기술에대한연구도같이진행되고있다. 본고에서는이와같이최근큰주목을받고있는무선전력전송기술에대한국내외기술개발및표준화동향과앞으로의시장전망을살펴보고, 향후무선전력전송의보다넓은범위에서의적용을위한방향을제시하고자한다. Ⅱ. 무선전력전송기술개요무선전력전송기술은전기에너지를전자기파형태로 ( 그림 1) 자기유도방식무선전력전송개념변환하여전송선없이무선으로에너지를부하로전달하는기술이다. 전기에너지를전자기파로변환하기위해특정주파수의 RF 신호로전기에너지를변환하여그로부터발생하는전자기파를이용하여에너지를전달하는기술이다. 이러한 RF 무선전력전송기술은자기장을이용하는근거리무선전력전송기술과안테나를이용한원거리무선전력전송기술로구분되며현재개발되고있는대부분의무선전력전송기술은자기장을이용한근거리전송기술이다. RF를이용한근거리무선전력전송기술은에너지를전송하는방식과전송가능거리에따라크게두가지로구분할수있다. 첫번째방식은자기유도방식으로코일에유기되는자기장을이용하여전력을전달하는방식이다. 자기유도방식의개념은 ( 그림 1) 에나타난것과같이 1차코일에흐르는전류로부터발생하는자기장의대부분이 2차코일을통과하면서 2차코일에유도전류가흘러부하로에너지를공급하는기술이다. 이와같은에너지전달방식은기존의변압기의동작원리와유사한방식이다. 자기유도방식의특징은각코일의고유공진주파수가실제에너지를전달하는전송주파수와다르다는점에있다. 이는코일의소형화를가능하게하지만코일의크기가줄어듦에따라전송가능한거리또한줄어든다는단점을동시에가지게된다. 현재자기유도방식은대부분의휴대기기의무선충전에적용되고있으며일부전기자동차무선충전에이용되고있는방식이다. 김성민외 / 무선전력전송기술동향과발전방향 99
Ⅲ. 무선전력전송기술동향 두번째방식은 ( 그림 2) 에나타난것과같이코일사이의공명현상을이용하여에너지를전송하는자기공명방식이다. 자기공명방식은 1차코일에흐르는전류로부터발생하는자기장들이 2차코일을통과하여유도전류가발생하는것은자기유도방식과유사하지만 1차코일의공진주파수와 2차코일의공진주파수가모두동일하게제작되어코일간의공진모드에너지결합을통해 1차코일에서발생한에너지가 2차코일로전달되는방식이다. 자기공명방식은각코일의공진주파수와에너지전송주파수가동일하게제작되어야하며공진기의높은 Q를이용하여자기유도방식에비해전송거리측면에서유리하지만높은 Q를확보하기위해각코일의크기가자기유도방식에비해크게제작되어야한다는단점이있다. 이와같은자기공명방식은자기유도방식에비해다양한분야에적용이가능하다. < 표 1> 은앞에서기술한세가지의 RF 에너지전송기술에대한장단점과적용분야를나타내고있다. < 표 1> RF 에너지전송의비교 방식자기유도자기공명안테나 동작원리 장점 단점 적용분야 ( 그림 2) 자기공명방식무선전력전송개념 코일간전자기유도현상 수 cm 이내전송에유리코일소형화에유리 전송거리가짧음코일간정렬에민감 휴대기기, 전기자동차등 공진주파수가동일한코일간자기공명현상 1m 이내전송에유리코일간정렬자유도가높음. 코일설계가어려움전자파환경극복필요 휴대기기, 전기자동차, 공공서비스등 안테나의원역장방사현상 1m 이상의원거리에너지전송이가능함. 전송효율이매우낮음전자파환경문제발생 우주태양광발전무선전력전송등 앞에서언급한것과같이최근무선전력전송은대부분자기유도방식과자기공명방식을이용하여개발되고있으며전송전력량을기준으로볼때, 스마트폰무선충전기를포함한 10W 이하의소전력분야와전기자동차 (EV: Electric Vehicle) 무선충전기기를포함한 3.3kW 이상의대전력분야에집중되고있다. 실제생활에주로사용되는가전분야는 50W~2.4kW의중전력분야에해당되지만이러한중전력분야에대한연구개발은소전력과대전력분야에비해미진한편이다. 본장에서는전송전력을기준으로각분야별기술개발동향과무선전력전송관련표준화현황을살펴보고자한다. 1. 소전력분야기술동향및표준화현황 10w이하의소전력무선전력전송분야는스마트폰무선충전기기에집중하여개발되고있다. 현재스마트폰무선충전분야는민간표준을중심으로제품을출시하고있거나제품출시를준비하고있는단계이다. 스마트폰무선충전분야를주도하고있는민간표준은자기유도방식을이용하는 WPC(Wireless Power Consortium), PMA(Power Matters Alliance) 그리고자기공명방식을이용하는 A4WP(Alliance for Wireless Power) 가있다. WPC는유럽의 Fulton, ConvenientPower 등이중심이되어 2008년 12월발족한민간표준단체로회원사의다양한의견수렴을거쳐 2010년 7월 Qi-1.0 표준을최초로공식발표한민간표준단체이다 [2]. WPC 는 2014 년 3월까지 206개의업체가가입되어 5W급자기유도방식의무선충전표준을주도하고있는단체이다. PMA 는미국의 Powermat Technologies 와 Procter & Gamble 을중심으로 2012년에발족한표준단체로최근 AT&T, Duracell, Starbucks와협력하여커피숍, 공항식당등에서무선충전서비스를제공하는 Wireless Charging Spots 서비스를선도적으로제공하면서그 100 전자통신동향분석제 29 권제 3 호 2014 년 6 월
영역을넓혀가고있는단체이다 [3]. A4WP는삼성전자, Qualcomm을중심으로 80여개의회원사가가입되어자기공명방식의무선충전표준을개발하는단체로 5W 급자기공명무선충전표준인 Rezence 를개발하고있다 [4]. 가. 소전력무선전력전송해외기술개발동향 2009년까지휴대폰, 카메라등을충전할수있는비표준무선충전제품이개발되어무선충전기술의가능성을보여주었으나, 제품간호환이불가능하여그한계를보여주었으며기존의휴대기기의배터리사용량이많지않아무선충전에대한수요또한크게높지않았다. 그러나 2007년애플이 iphone 을출시하면서스마트폰의개념이새롭게만들어지고개인의전력사용량이크게증가하게되면서무선충전에대한수요도증가하게되었다. 2010년 WPC의 Qi 인증을받은최초의무선충전제품이 Energizer 사에서출시되면서현재까지는자기유도방식의소전력무선충전제품이시장을주도하고있다. 최근까지개인이사용할수있는다양한형태의 Qi 인증무선충전기가출시되었으며 CES2014 (Consumer Electronic Show2014) 에서는적용영역을자동차전장분야로넓혀 Qi 규격을적용한스마트폰무선충전기가내장된차량을선보였다 [5](( 그림 3) 참조 ). 앞에서설명한것과같이자기유도방식은전송거리와코일간의정렬에있어자유도가높지않아일반사용자에게큰호응을얻지못하고있는실정이다. 이에따라사용자들은보다먼전송거리와보다많은충전자유도를요구하게되었고이를충족시킬수있는자기공 ( 그림 3) 자기유도무선충전기 ( 그림 4) 자기공명무선충전기명방식의무선충전기기의개발을앞당기는계기가되었다. 자기공명방식의표준을주도하고있는 A4WP는 CES(Consumer Electronics Show)2013에서자기공명방식을이용하여다양한무선기기를동시에충전할수있는시제품을전시하여자기공명방식의장점을홍보하였다. 2008년자기공명방식을최초로발표한 MIT연구팀이설립한 WiTricity 는 2014년 1월에있었던 CES2014에서자기공명방식을이용하여수인치 (inch) 이내의거리에서 iphone5/5s를충전할수있는시스템을전시하였다 [6](( 그림 4) 참조 ). 나. 소전력분야국제표준화현황소전력분야국제표준은 WPC, PMA, A4WP 의세단체가주도하고있다. ( 그림 5) 는소전력분야국제표준단체별특성을나타내고있다. WPC는 2010년자기유도방식의 Qi 마크를통해제품인증을시행한후, Qi 제품인증을받은제품이시장에출시되면서업계최초의상용화를이루었다. 2013년 6월에는 Qi-1.1.2 버전의규격을발표하여초기 4가지였던송신코일형태를 22가지로늘려개발자에게선택의폭을넓혀주었다. 향후 WPC는전송전력을 15W까지늘려휴대기기고속충전방식을제시할예정이다. 이와함께 WPC 는 2014년 CES 에서발표한것과같이무선충전의적용분야를자동차전장분야로확대하고있다. 2012년설립된 PMA 는 Powermat 사의기술을기반으로규격개발을진행하고있으며현재 5W급의소전력무선충전규격인 Release 1을완성하고, 15W급의 김성민외 / 무선전력전송기술동향과발전방향 101
( 그림 5) 소전력무선충전표준단체별특성 < 자료 >: 삼성전자, 한국무선전력전송포럼자료실 (http://kwpf.org)[7] Release 1 enhancement 규격을준비하고있다. 또한향후넷북및울트라북에무선충전에적용할수있는규격을목표로하고있다. 2012년자기공명방식무선충전규격개발을목표로설립된 A4WP는 5W급의자기공명방식무선충전규격을 2012년 11월에최초로발표하고 Rezence 인증을수행하고있다. 2014년상반기삼성전자의스마트폰갤럭시S5의출시와함께 A4WP 기반의자기공명방식무선충전기의출시가기대되었으나갤럭시S5에는자기유도방식인 Qi 가적용되었다. 자기유도방식을이용하여국제표준을선도하고향후다양한영역으로확대하고자하는 WPC에대항하기위해 2014년 2월 PMA와 A4WP는상호규격통합에협의하였다. 자기유도기반의 PMA와자기공명기반의 A4WP의협력으로인해소전력무선충전표준화경쟁은더욱가속화될것으로예상된다. 전자와삼성전자를중심으로 5W급스마트폰무선충전기기개발에집중하고있다. 자기유도방식의무선충전기는대기업과더불어동양이엔피, PN텔레콤, 한솔등유선충전기개발업체와한림포스텍, 코마테크등다양한업체에서관심을갖고개발중에있다. 현재개발중인자기유도방식의무선충전기기와더불어자기공명방식의무선충전기기의개발도가속화되고있다. 삼성전기는 2013년말최초로 A4WP Rezence 인증을획득하여제품출시를준비중에있으며, 디아이디와같은국내업체에서도 A4WP 규격의자기공명무선충전기기를개발하여 A4WP 인증을준비중에있다 (( 그림 6) 참조 ). 또한국내에서는제조사, 학교, 정부출연연구소를중 다. 소전력무선전력전송국내기술개발동향 국내소전력무선전력전송기술은 WPC 회원사인 LG ( 그림 6) 국내소전력자기공명무선충전기 102 전자통신동향분석제 29 권제 3 호 2014 년 6 월
심으로 2011년에설립된한국무선전력전송포럼 (KWPF: Korea Wireless Power Forum) 을통하여각계의의견을수렴하고상호협력을통하여국내무선전력전송산업활성화를위해노력하고있다. 한국무선전력전송포럼은주파수, 법 제도, 서비스, 표준의 4개분과활동을통하여효율적인국제적주파수발굴, 제도개선, 최적인프라운용방안, 국내외표준화활동지원등의활동을수행하고있다 [8]. 2. 대전력분야기술동향가. 대전력무선전력전송해외기술개발동향 3.3kW 이상의전력을송신하는대전력무선전력전송분야도소전력무선전력전송분야와같이자기유도방식과자기공명방식이경쟁하고있다. 대전력무선전력전송분야를선도하고있는기술은전기자동차무선충전기술이며해외에서는 WiTricity, Qualcomm-Halo 등에서전기자동차무선충전기술을개발하고있다. WiTricity 는 2014년 2월일본자동차회사인 Toyota 와함께지난수년간개발한 3.3kW급자기공명방식전기자동차무선충전기의실험검증을시작하였다 (( 그림 7) 참조 ). 개발된무선충전기는주차장에설치되어최대 3.3kW의전력으로전기자동차배터리를충전하는방식이다. 코일정렬에대한문제점을해결하기위해 Toyota 에서는자동주차시스템을적용하여주차장에서무선충전기와전기자동차가자동으로정렬될수있도록하였다 [9][10]. ( 그림 8) Qualcomm Halo의자기유도전기자동차무선충전 Qualcomm-Halo 는 CES2014에서 2014년 9월개최예정인전기자동차경주대회인 포뮬러E챔피언십 대회에참가예정인 스파크르노-01E 에자사의자기유도방식무선충전기술을적용하여시연하였다 (( 그림 8) 참조 ). Qualcomm-Halo는 포뮬러E챔피언십 대회를 5년간후원하며참가하는자동차에자사의무선충전기술을제공할예정이다 [11]. 이와같은소형전기자동차무선충전기술과별도로캐나다에본사를둔봄바디어 (Bombardier) 에서는자기유도방식으로전기자동차, 전기버스, 도시형트램에적용할수있는 PRIMOVE 솔루션을개발하여 2013년 9 월독일의브라운슈바이크에서전기버스무선충전시범서비스를시행하였다 (( 그림 9) 참조 ). PRIMOVE 솔루션은버스, 트램의정류장과주차장에무선충전기를설치하여정차중에무선충전이가능하도록하는기술이다. 이번에설치된전기버스정류장에서는최대 200kW의전력을무선으로공급하여보다빠르게전기버스를충전할수있도록하였다 [12]. 나. 대전력무선전력전송국내기술개발동향국내대전력무선전력전송분야는 2009년부터 KAIST 에서자기유도방식의온라인전기자동차무선충전기 ( 그림 7) WiTricity 의자기공명전기자동차무선충전기 ( 그림 9) 봄바디어 PRIMOVE 솔루션 김성민외 / 무선전력전송기술동향과발전방향 103
( 그림 10) KAIST 온라인전기자동차무선충전개념도 술을중심으로개발되고있다. KAIST는동원 OLEV와협력하여 2013년 8월구미시에서온라인전기버스의시범운행을시작하였고, 2014년정식운행을시행할예정이다 [13]. KAIST에서개발된온라인전기자동차무선충전은도로에매설된급전코일과버스에내장된집전코일을통해 20cm의거리에서최대 83% 의전송효율로 100kW의전력을전달하여전기버스의배터리를충전하는기술로도로에세그먼트 (segment) 방식으로매설된급전코일을통해주행중에도충전이가능한기술이다 [14](( 그림 10) 참조 ). 3. 중전력분야기술동향 50W 이상 2.4Kw 이하의중전력분야는가전, 서비스로봇, 전기자전거, 보행보조로봇등일반인의생활과가장밀접한전자, 전기분야로무선전력전송기술이적용될경우, 가장큰파급효과와관련산업의활성화를얻을수있는분야이다. 하지만국내외모두중전력분야무선전력전송기술개발은미진한편이다. 현재까지무선전력전송분야의기술개발은스마트폰충전용소전력 분야와전기자동차충전용대전력분야에집중되어있다. 중전력분야의해외기술개발은 CES2013에서중국의 Haier 가선보인무선믹서기정도이다 (( 그림 11 (a)) 참조 ). Haier 는 2010년 WiTricity사의기술을이용하여무선TV를전시한이후가전분야에무선전력전송을적용하기위해노력하고있다. 이외에무선충전민간표준인 WPC에서는 2013년 3월 codeless kitchen 규격을개발하는 work group 를생성하여향후생활에밀접하게접근할무선전력전송기술의규격을선점하려는노력을하고있다. WPC는 100W 부터 2.4kW에달하는중전력분야의자기유도방식규격을개발하여주방에서사용하는모든전기기기를구동할수있는방식에대한규격 (a) Haier 무선믹서기 (b) WPC codeless kitchen ( 그림 11) 해외중전력분야무선전력전송 104 전자통신동향분석제 29 권제 3 호 2014 년 6 월
Ⅳ. 무선전력전송기술전망및해결과제 (a) LED TV (b) LED 전광판 (c) 서비스로봇 ( 그림 12) 국내중전력분야무선전력전송을개발할계획에있다 (( 그림 11(b)) 참조 ). 국내에서도해외와같이중전력분야의무선전력전송기술개발이초기단계에있다. 국내에서는 2012년 LS전선이자기공명방식으로 LED TV에전원을공급하는시스템을개발하였고 [15](( 그림 12 (a)) 참조 ), 같은해한국전자통신연구원이 LED 전광판과 LCD 모니터에무선으로전력을공급하는시스템을개발하였다 ](( 그림 12 (b)) 참조 ). 또한국전자통신연구원은 2013년서비스로봇에무선충전기술을적용하여로봇이스스로충전지역으로찾아가서자동으로충전하는시스템을개발하여 WIS2013(World IT Show2013) 에서최초로선보였다 (( 그림 12 (c)) 참조 ). ( 그림 13) 에나타난기술시장예측기관인 Gartner의 2013년도 Hype Cycle 에따르면무선전력전송기술에대한관심도가가장고조된시점으로나타나고있으며향후 2~5년후에그시장이안정될것으로보고있다 [16]. 또한 IMS research 는 2021년무선전력전송세계시장규모가 10조원에이를것으로예측하고있다 [17]. 이외에도다수의시장예측기관에서무선전력전송기술시장이활성화될것으로예측하고있고, 기술관심도가최고조에이르고있으나이를실현하기위해서는두가지기술적문제점을해결하여야한다. 첫번째로해결하여야하는문제점은시스템의전송효율문제이다. 현재무선전력전송시스템의전송효율은자기유도방식의경우, 약 85% 로발표되고있지만실제시스템효율은최고 70% 에머물고있다. 자기공명방식의경우에는자기유도방식의시스템효율보다더낮은것으로나타나고있다. 따라서관련산업활성화를위해서는실제시스템의전송효율을더높여야하는과 < 자료 >: Gartner, 2013. ( 그림 13) 무선전력전송 Hype Cycle 김성민외 / 무선전력전송기술동향과발전방향 105
제를안고있다. 두번째로해결하여야하는문제점은전자파에대한안전성문제이다. 실제로산업계, 학계, 연구소에서는전자파간섭문제를해결하기위해전자파차폐재료개발, 비복사공진코일구조설계등다양한연구, 개발을수행하고있다. 하지만전자파안전성문제는연구개발자에의해서만해결될수는없다. 전자파에의한기기및인체에대한보호기준과측정기술을개발하여이를산업화에적용하여안전한무선전력전송기술개발을위한기반기술조성이필요하다. 또한기술개발과정책그리고산업활성화가잘조화를이룰수있도록각분야의전문가들이힘을모아야할것이다. 약어정리 A4WP CES EV KWPF PMA RF WPC WPT Alliance for Wireless Power Consumer Electronic Show Electric Vehicle Korea Wireless Power Forum Power Matters Alliance Radio Frequency Wireless Power Consortium Wireless Power Transmission V. 결론본고에서는무선전력전송기술의국내외기술개발동향과향후전망및해결하여야하는문제점을살펴보았다. 앞에서기술한것과같이현재무선전력전송기술은관심도가매우높고여러산업체들에의해개발이진행되고있으며향후산업체간경쟁이매우치열할것으로예상된다. 또한현재의무선전력전송민간표준은 tangled alliances 로표현될만큼산업체와표준단체가서로얽혀있는형태로나타나고있다. 이와같이국내외산업계에서는향후무선전력전송산업에대한주도권을확보하기위한많은노력을기울이고있다. 앞으로무선전력전송국내시장의활성화및국제시장선도를위해서는현재시점에서보다원천적이고기반이되는연구분야에대한과감한투자와지속적인연구, 개발이필요하다. 이와더불어학계, 연구소, 산업계가더욱유기적으로협력하여기술적문제점을해결하고이를산업화할수있는방안이모색되어야할것이다. 또한정부에서는관련제도를정비하고인증규정을마련하여산업이활성화될수있는기반을조속히마련하여야할것이다. 참고문헌 [1] A. Kures et al., Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonance, Sci., vol. 317, 2007. [2] WIRELESS POWER, http://www.wirelesspowercons ortium.com [3] powermatters, http://www.powermatters.org/ [4] rezence, http://rezence.com/ [5] Business Wire, Audi Demonstrates Qi Wireless Charging at CES 2014, Jan. 9th, 2014. [6] Business Wire, WiTricity Announces Breakthrough Wireless Charging System for Consumer Electronic Devices Including iphone 5, Jan. 7th, 2014. [7] 전해영, Wireless Charging: 기술전망및표준화현황, 한국무선전력전송포럼, pp. 8. [8] 한국무선전력전송포럼, http://kwpf.org/ [9] WiTricity, http://www.witricity.com/ [10] Business Wire, Toyota tests wireless charging for electric cars, Feb. 18th, 2014. [11] 디지털데일리, [CES2014] 포뮬러E 전기차첫선 퀄컴무선충전 헤일로 뜰까, 2014. 1. 7. [12] pimove, http://primove.bombardier.com/ [13] 한겨례, 구미가면무선충전시내버스타보세요, 2013. 8. 6. [14] 동원올레브, http://www.dongwonolev.com/ [15] 세계일보, LS 전선, 무선전력전송 TV 작동성공, 2012. 1. 26. [16] Gartner, http://www.gartner.com/ [17] HIS Technology, http://www.imsresearch.com/ 106 전자통신동향분석제 29 권제 3 호 2014 년 6 월