전선없이 전기를 공급한다 – 무선전력전송시대

  '아침이 되어 잠에서 깨면 집안의 전기 충전량을 체크하는 것으로 하루를 시작한다. 우주의 인공위성이 태양에너지를 이용해 발전한 전기가 집으로 충분히 전달되어있다. 그 전기를 이용해 음식을 조리하고 TV를 시청한다. 출근시간이 되면 무선으로 전기 충전이 된 자동차를 타고 집을 나선다.' 미래에 예상되는 우리의 모습이다. 전기가 우주에서 생성되고 그것이 모든 전자기기에 전선 없이 전달이 된다. 영화와 같은 이야기로 들릴 수 있겠지만 현재 기술이 확보돼 있거나 연구가 이루어지고 있는 상황이다. 실제로 국내에서는 중﹒단거리 에너지 전달 기술이 개발 중에 있고, 미국과 일본은 전파를 이용한 원거리 무선 전력 전송 기술을 기반으로 우주 태양광발전에 관한 기초연구를 공동으로 진행하고 있다.

  

  ◆ 개발 초기 단계인 무선 전력 전송  

  무선충전방식은 선이 연결되지 않은 상태로 전자기기의 배터리를 충전하는 방식이다. 일종의 ‘무선 전력 전송’이 도입된 것이라 할 수 있다. 무선 전력 전송이란 각종 전자기기에 전선이 없어도 편리하게 전원을 공급하는 것이다. 다시 말해 유선 전력 전송은 전기에너지를 전선을 통해 전달한다면 무선 전력 전송은 자기장 또는 전파를 이용해 전기에너지를 전달하는 것이다. 전력을 전송받은 기기는 수신한 에너지를 저장하거나 용도에 맞게 사용한다. 기술로 인해 이용자 측면에서는 선이 필요 없으므로 편리성이 증가하게 되고 전자제품의 활용도가 넓어진다. 그리고 배터리와 전선의 사용이 줄어들어 자원낭비를 방지하고 환경에도 긍정적인 결과를 가져온다. 

  

◆ 무선 전력 전송 – 자기 유도방식, 자기 공명방식, 전자기파 방식

  무선 전력 전송의 경우는 크게 세 가지로 구분이 가능하다. 자기 유도 방식, 자기 공명방식 그리고 전자기 방식으로 구분이 된다. 자기 유도방식의 경우는 비복사 특성과 비공진기를 활용하는 기술인데 전력 송신부 코일에서 자기장을 발생시키면, 그 자기장의 영향으로 수신부 코일에서 전기가 유도되는 전자기 유도 원리를 이용한 방식이다. 이러한 자기 유도 방식은 이미 1800년대 후반부터 전기 모터나 변압기 등에 이용되어 왔으며, 최근에는 교통카드에 주로 사용되는 RFID나 전동 칫솔 충전기 등에도 이용되고 있다. 자기공명방식의 경우는 비복사 특성과 공진기를 활용하는 기술이며, 전자기파 방식은 복사 특성과 공진기를 활용하는 기술이다. 송신부에서 전자기파를 발생시키면 수신부에서는 여러 개의 렉테나(Rectenna)를 이용하여 전자기파를 수신한 후 전력으로 변환하여 사용하는 방식이다. 전자기파 방식도 이미 1890년경에 니콜라 테슬라에 의해 구현되었으며, 이동통신이 그 대표적인 응용 사례이다.

 

◆ 무선 전력 전송의 한계 

  무선 전력 전송에 대한 기초이론이 이미 100년 전에 정립이 되었고, 어느 정도 기술개발이 이루어졌음에도 불구하고 여전히 전선이 이용되고 있는 이유는 아직 기술에 한계가 있기 때문이다. 현재 기술은 공급전력 대비 낮은 효율성으로 낭비 전력이 발생하므로 지속적인 연구가 필요하다. 자기 유도방식과 전자기파 방식 모두 효율성에 한계가 있다. 자기 유도 방식의 경우 전송 효율이 90% 이상으로 매우 높지만 거리가 멀어질 경우 효율이 급격히 저하된다. 전자기파 방식 역시 전력의 상당 부분이 전송되는 도중에 사라진다.(약 40-50%) 또한 기기 간 간섭이 문제가 되고 있는데 송신기기와 기기 사이에 방해물이 있을 때 충전 기능이 현저히 줄어들기 때문이다.

  기술이 인체에 어떠한 유해성이 있는지도 확실치 않은 상황에서 전파법의 개정과 함께 안정성을 확인해야 한다. 전파가 이동하면서 인체에 어떠한 영향을 끼칠지 알 수 없다. 조그마한 핸드폰의 전자파도 환경에 큰 문제를 일으키는데 전기를 이동시키는 전파의 경우 더 큰 악재를 불러올 수 있을 가능성을 염두에 두어야 한다.

  전력 전송 시에 사용되는 무선채널을 이용한 통신기술도 추가가 필요하다. 이는 비용 상승으로 직결되므로 이익과 비용 사이의 관계도 따져 봐야 한다. 과연 현재의 시스템을 대체함으로써 얻는 득과 실을 비교했을 때 실이 더 클 경우 기술의 도입이 오히려 독이 될 수 있다.

 

◆ 무선 전력 전송 기술의 전망과 과제 

  최근 들어 유망산업으로 추앙 받아봤지만 기술력의 부족과 한계점으로 인해 성장에 걸림돌을 만나는 경우가 많다. 대표적인 예가 태양광 발전, 풍력발전이다. 장밋빛 미래를 예상했지만 발전성과는 미비한 현실이다. 설비단가와 국내 환경에 적합성을 인식하지 못한 결과다. 무선 전력 전송기술이 이 전례를 뒤밟지 않으려면 해결해야 할 점이 무수히 많다. 전력 전송효율과 인체에 유해성 등이 있는데 산업이 성공하기 위해 넘어야 할 과제물인 것이다.

무선 전력 전송이라는 말은 생소하지만 이제 곧 우리 삶 가까이에 존재할 것이다. 무선 전력 전송 기술 분야는 이제 막 걸음마를 뗀 단계이다. 앞으로 이 기술이 적용될 분야는 무궁무진하다. 핸드폰과 같은 소형 기기부터 해서 TV, 청소기 등 가정 내 중형 전자기기, 더 나아가 인공위성을 통해 전력을 공급받는 등 범위는 점점 넓어지고 있다. 이 모든 것들이 지금 발전되고 있고 우리가 이용할 것들이다.

  무선 전력 전송 기술은 2009년 MIT가 정한 10대 미래산업에 선정되었다. 산업의 경제성과 가치성은 충분히 인정받았다. 과연 이 기술을 언제 개발하고 어떻게 활용할 것인지가 관건인 셈이다. 끊임없는 연구와 개발이 산업의 성공을 가져다줄 것이며 세상을 윤택하게 만드는 데 일조할 수 있는 일이다. 무선전력전송은 전자기기의 외형을 변화시키는 데 그치지 않고 삶의 패러다임을 바꿀 수 있는 변화의 방아쇠가 될 것이다.