무선전력전송 기술동향과 발전방향

10w이하의 소전력 무선전력전송분야는 스마트폰 무선충전기기에 집중하여 개발되고 있다. 현재 스마트폰 무선충전분야는 민간 표준을 중심으로 제품을 출시하고 있거나 제품 출시를 준비하고 있는 단계이다. 스마트폰 무선충전분야를 주도하고 있는 민간 표준은 자기유도 방식을 이용하는 WPC(Wireless Power Consortium), PMA(Power Matters Alliance) 그리고 자기공명 방식을 이용하는 A4WP(Alliance for Wireless Power)가 있다. WPC는 유럽의 Fulton, ConvenientPower 등이 중심이 되어 2008년 12월 발족한 민간 표준단체로 회원사의 다양한 의견수렴을 거쳐 2010년 7월 ‘Qi-1.0’ 표준을 최초로 공식 발표한 민간 표준단체이다[2]. WPC는 2014년 3월까지 206개의 업체가 가입되어 5W급 자기유도 방식의 무선충전 표준을 주도하고 있는 단체이다. PMA는 미국의 Powermat Technologies와 Procter ＆ Gamble을 중심으로 2012년에 발족한 표준단체로 최근 AT&T, Duracell, Starbucks와 협력하여 커피숍, 공항 식당 등에서 무선충전 서비스를 제공하는 ‘Wireless Charging Spots’ 서비스를 선도적으로 제공하면서 그 영역을 넓혀가고 있는 단체이다[3]. A4WP는 삼성전자, Qualcomm을 중심으로 80여 개의 회원사가 가입되어 자기공명 방식의 무선충전 표준을 개발하는 단체로 5W급 자기공명 무선충전 표준인 ‘Rezence’를 개발하고 있다[4].

가. 소전력 무선전력전송 해외 기술개발 동향

2009년까지 휴대폰, 카메라 등을 충전할 수 있는 비표준 무선충전 제품이 개발되어 무선충전 기술의 가능성을 보여주었으나, 제품 간 호환이 불가능하여 그 한계를 보여 주었으며 기존의 휴대기기의 배터리 사용량이 많지 않아 무선충전에 대한 수요 또한 크게 높지 않았다. 그러나 2007년 애플이 iPhone을 출시하면서 스마트폰의 개념이 새롭게 만들어지고 개인의 전력사용량이 크게 증가하게 되면서 무선충전에 대한 수요도 증가하게 되었다. 2010년 WPC의 ‘Qi’ 인증을 받은 최초의 무선충전 제품이 Energizer사에서 출시되면서 현재까지는 자기유도 방식의 소전력 무선충전 제품이 시장을 주도하고 있다. 최근까지 개인이 사용할 수 있는 다양한 형태의 ‘Qi’ 인증 무선충전기가 출시되었으며 CES2014 (Consumer Electronic Show2014)에서는 적용영역을 자동차 전장분야로 넓혀 ‘Qi’ 규격을 적용한 스마트폰 무선충전기가 내장된 차량을 선보였다[5]((그림 3) 참조).

앞에서 설명한 것과 같이 자기유도 방식은 전송거리와 코일 간의 정렬에 있어 자유도가 높지 않아 일반 사용자에게 큰 호응을 얻지 못하고 있는 실정이다. 이에 따라 사용자들은 보다 먼 전송거리와 보다 많은 충전 자유도를 요구하게 되었고 이를 충족시킬 수 있는 자기공명 방식의 무선충전기기의 개발을 앞당기는 계기가 되었다. 자기공명 방식의 표준을 주도하고 있는 A4WP는 CES(Consumer Electronics Show)2013에서 자기공명 방식을 이용하여 다양한 무선기기를 동시에 충전할 수 있는 시제품을 전시하여 자기공명 방식의 장점을 홍보하였다. 2008년 자기공명 방식을 최초로 발표한 MIT연구팀이 설립한 WiTricity는 2014년 1월에 있었던 CES2014에서 자기공명 방식을 이용하여 수 인치(inch) 이내의 거리에서 iPhone5/5s를 충전할 수 있는 시스템을 전시하였다[6]((그림 4) 참조).

(그림 3)

자기유도 무선충전기

(그림 4)

자기공명 무선충전기

나. 소전력분야 국제 표준화 현황

소전력분야 국제 표준은 WPC, PMA, A4WP의 세 단체가 주도하고 있다. (그림 5)는 소전력분야 국제 표준 단체별 특성을 나타내고 있다.

WPC는 2010년 자기유도 방식의 ‘Qi’ 마크를 통해 제품인증을 시행한 후, ‘Qi’ 제품인증을 받은 제품이 시장에 출시되면서 업계 최초의 상용화를 이루었다. 2013년 6월에는 ‘Qi-1.1.2’ 버전의 규격을 발표하여 초기 4가지였던 송신 코일 형태를 22가지로 늘려 개발자에게 선택의 폭을 넓혀 주었다. 향후 WPC는 전송전력을 15W까지 늘려 휴대기기 고속충전 방식을 제시할 예정이다. 이와 함께 WPC는 2014년 CES에서 발표한 것과 같이 무선충전의 적용분야를 자동차 전장분야로 확대하고 있다.

2012년 설립된 PMA는 Powermat사의 기술을 기반으로 규격개발을 진행하고 있으며 현재 5W급의 소전력 무선충전 규격인 Release 1을 완성하고, 15W급의 Release 1 enhancement 규격을 준비하고 있다. 또한 향후 넷북 및 울트라북에 무선충전에 적용할 수 있는 규격을 목표로 하고 있다.

(그림 5)

소전력 무선충전 표준단체별 특성

<자료>: 삼성전자, 한국무선전력전송포럼자료실(http://kwpf.org)[7]

2012년 자기공명 방식 무선충전 규격개발을 목표로 설립된 A4WP는 5W급의 자기공명 방식 무선충전 규격을 2012년 11월에 최초로 발표하고 ‘Rezence’ 인증을 수행하고 있다. 2014년 상반기 삼성전자의 스마트폰 갤럭시S5의 출시와 함께 A4WP 기반의 자기공명 방식 무선충전기의 출시가 기대되었으나 갤럭시S5에는 자기유도 방식인 ‘Qi’가 적용되었다.

자기유도 방식을 이용하여 국제표준을 선도하고 향후 다양한 영역으로 확대하고자 하는 WPC에 대항하기 위해 2014년 2월 PMA와 A4WP는 상호 규격통합에 협의하였다. 자기유도 기반의 PMA와 자기공명 기반의 A4WP의 협력으로 인해 소전력 무선충전 표준화 경쟁은 더욱 가속화 될 것으로 예상된다.

다. 소전력 무선전력전송 국내 기술개발 동향

국내 소전력 무선전력전송 기술은 WPC 회원사인 LG전자와 삼성전자를 중심으로 5W급 스마트폰 무선충전기기 개발에 집중하고 있다. 자기유도 방식의 무선충전기는 대기업과 더불어 동양이엔피, PN텔레콤, 한솔 등 유선충전기 개발업체와 한림포스텍, 코마테크 등 다양한 업체에서 관심을 갖고 개발 중에 있다.

현재 개발 중인 자기유도 방식의 무선충전 기기와 더불어 자기공명 방식의 무선충전기기의 개발도 가속화 되고 있다. 삼성전기는 2013년말 최초로 A4WP ‘Rezence’ 인증을 획득하여 제품출시를 준비 중에 있으며, ㈜디아이디와 같은 국내업체에서도 A4WP 규격의 자기공명 무선충전 기기를 개발하여 A4WP 인증을 준비 중에 있다((그림 6) 참조).

또한 국내에서는 제조사, 학교, 정부출연연구소를 중심으로 2011년에 설립된 한국무선전력전송포럼(KWPF: Korea Wireless Power Forum)을 통하여 각계의 의견을 수렴하고 상호 협력을 통하여 국내 무선전력전송 산업 활성화를 위해 노력하고 있다. 한국무선전력전송 포럼은 주파수, 법·제도, 서비스, 표준의 4개 분과활동을 통하여 효율적인 국제적 주파수 발굴, 제도 개선, 최적인프라 운용방안, 국내외 표준화 활동 지원 등의 활동을 수행하고 있다[8].

(그림 6)

국내 소전력 자기공명 무선충전기

가. 대전력 무선전력전송 해외 기술개발 동향

3.3kW 이상의 전력을 송신하는 대전력 무선전력전송 분야도 소전력 무선전력전송분야와 같이 자기유도 방식과 자기공명 방식이 경쟁하고 있다. 대전력 무선전력전송 분야를 선도하고 있는 기술은 전기자동차 무선충전 기술이며 해외에서는 WiTricity, Qualcomm-Halo 등에서 전기자동차 무선충전 기술을 개발하고 있다.

WiTricity는 2014년 2월 일본 자동차 회사인 Toyota와 함께 지난 수년간 개발한 3.3kW급 자기공명 방식 전기자동차 무선충전기의 실험검증을 시작하였다((그림 7) 참조). 개발된 무선충전기는 주차장에 설치되어 최대 3.3kW의 전력으로 전기자동차 배터리를 충전하는 방식이다. 코일 정렬에 대한 문제점을 해결하기 위해 Toyota에서는 자동 주차시스템을 적용하여 주차장에서 무선충전기와 전기자동차가 자동으로 정렬될 수 있도록 하였다[9][10].

(그림 7)

WiTricity의 자기공명 전기자동차 무선충전기

(그림 8)

Qualcomm Halo의 자기유도 전기자동차 무선충전

Qualcomm-Halo는 CES2014에서 2014년 9월 개최예정인 전기자동차 경주대회인 ‘포뮬러E챔피언십’ 대회에 참가 예정인 ‘스파크 르노-01E’에 자사의 자기유도 방식 무선충전 기술을 적용하여 시연하였다((그림 8) 참조). Qualcomm-Halo는 ‘포뮬러E챔피언십’ 대회를 5년간 후원하며 참가하는 자동차에 자사의 무선충전 기술을 제공할 예정이다[11].

(그림 9)

봄바디어 PRIMOVE 솔루션

이와 같은 소형 전기자동차 무선충전 기술과 별도로 캐나다에 본사를 둔 봄바디어(Bombardier)에서는 자기유도 방식으로 전기자동차, 전기버스, 도시형 트램에 적용할 수 있는 PRIMOVE 솔루션을 개발하여 2013년 9월 독일의 브라운슈바이크에서 전기버스 무선충전 시범서비스를 시행하였다((그림 9) 참조). PRIMOVE 솔루션은 버스, 트램의 정류장과 주차장에 무선충전기를 설치하여 정차 중에 무선충전이 가능하도록 하는 기술이다. 이번에 설치된 전기버스 정류장에서는 최대 200kW의 전력을 무선으로 공급하여 보다 빠르게 전기버스를 충전할 수 있도록 하였다[12].

나. 대전력 무선전력전송 국내 기술개발 동향

국내 대전력 무선전력전송분야는 2009년부터 KAIST에서 자기유도 방식의 온라인 전기자동차 무선충전 기술을 중심으로 개발되고 있다. KAIST는 동원 OLEV와 협력하여 2013년 8월 구미시에서 온라인 전기버스의 시범운행을 시작하였고, 2014년 정식운행을 시행할 예정이다[13]. KAIST에서 개발된 온라인 전기자동차 무선충전은 도로에 매설된 급전코일과 버스에 내장된 집전코일을 통해 20cm의 거리에서 최대 83%의 전송효율로 100kW의 전력을 전달하여 전기버스의 배터리를 충전하는 기술로 도로에 세그먼트(segment) 방식으로 매설된 급전코일을 통해 주행 중에도 충전이 가능한 기술이다[14]((그림 10) 참조).

(그림 10)

KAIST 온라인 전기자동차 무선충전 개념도

50W 이상 2.4Kw 이하의 중전력분야는 가전, 서비스로봇, 전기자전거, 보행보조로봇 등 일반인의 생활과 가장 밀접한 전자, 전기분야로 무선전력전송 기술이 적용될 경우, 가장 큰 파급효과와 관련 산업의 활성화를 얻을 수 있는 분야이다. 하지만 국내외 모두 중전력분야 무선전력전송 기술개발은 미진한 편이다. 현재까지 무선전력전송 분야의 기술개발은 스마트폰 충전용 소전력분야와 전기자동차 충전용 대전력분야에 집중되어 있다.

중전력분야의 해외 기술개발은 CES2013에서 중국의 Haier가 선보인 무선 믹서기 정도이다((그림 11 (a)) 참조). Haier는 2010년 WiTricity사의 기술을 이용하여 무선TV를 전시한 이후 가전분야에 무선전력전송을 적용하기 위해 노력하고 있다. 이외에 무선충전 민간 표준인 WPC에서는 2013년 3월 codeless kitchen 규격을 개발하는 work group를 생성하여 향후 생활에 밀접하게 접근할 무선전력전송 기술의 규격을 선점하려는 노력을 하고 있다. WPC는 100W부터 2.4kW에 달하는 중전력분야의 자기유도 방식 규격을 개발하여 주방에서 사용하는 모든 전기기기를 구동할 수 있는 방식에 대한 규격을 개발할 계획에 있다((그림 11(b)) 참조).

(그림 11)

해외 중전력분야 무선전력전송

(그림 12)

국내 중전력분야 무선전력전송

국내에서도 해외와 같이 중전력 분야의 무선전력전송 기술개발이 초기단계에 있다. 국내에서는 2012년 LS전선이 자기공명 방식으로 LED TV에 전원을 공급하는 시스템을 개발하였고[15]((그림 12 (a)) 참조), 같은 해 한국전자통신연구원이 LED 전광판과 LCD 모니터에 무선으로 전력을 공급하는 시스템을 개발하였다]((그림 12 (b)) 참조). 또 한국전자통신연구원은 2013년 서비스로봇에 무선충전 기술을 적용하여 로봇이 스스로 충전지역으로 찾아가서 자동으로 충전하는 시스템을 개발하여 WIS2013(World IT Show2013)에서 최초로 선보였다((그림 12 (c)) 참조).