무선전력전송 기술은 전기자동차의 무선충전뿐만 아니라 다양한 웨어러블 기기와 IoT 센서의 전력 공급과 같은 응용분야에서 활발한 연구개발이 진행되고 있다. 소형 기기에서 출발한 시장은 향후 전기차의 무선충전으로 확대되어 2018년에는 전기차와 가전기기용 무선전력전송이 전체의 60%를 차지할 것으로 전망되고 있다.

왜 무선전력전송 기술인가?

최근 전 세계적으로 자기유도 방식의 무선충전 기술이 스마트폰의 충전에 적용되기 시작하면서 관련 제품의 가격하락과 함께 기술의 발전이 이루어져 무선전력전송 기술은 전기자동차의 무선충전뿐만 아니라 다양한 웨어러블 기기와 IoT 센서의 전력 공급과 같은 응용분야에서 활발한 연구개발이 진행되고 있다. 

무선전력전송 기술은 전기에너지를 전자기파의 형태로 변환하여 전송선 없이 에너지를 전달하는 기술이다. 무선 전송을 위하여 전기에너지를 특정 주파수의 고주파 전기신호나 광파로 변환하고 발생하는 전자기파를 이용하여 에너지를 전달하는 기술이다. 

이러한 무선전력전송 기술은 주로 가까운 거리에서 코일에서 발생하는 자기장을 이용하는 기술과 안테나 또는 레이저를 이용하는 원거리 무선전력전송 기술로 구분할 수 있다(표 1 참조). 한전에서는 단기적으로는 무선충전 전기차의 출현에 대비하고, 장기적으로는 새로운 전력서비스 개발과 선로공사 없는 전력 공급 방안을 마련하기 위해 무선전력전송 - 충전 기술을 미래유망기술로 선정했다. 

표 1. 전송 방식별 무선전력전송 기술의 특징

기술개발 현황

현재 개발되고 있는 대부분의 무선전력전송 기술은 자기유도 방식과 자기공명 방식을 이용한 근거리 전송기술이다. 이를 다시 전송 전력으로 구분하면 스마트폰 무선충전기와 같은 10W 내외의 소전력 분야와 전기자동차용 무선전력 충전기를 포함하는 수kW 이상의 전력 공급 분야로 나눌 수 있다. 

소전력 무선전력 분야에서는 Alliance for Wireless Power(A4WP), Qi 등의 협력체를 중심으로 수많은 기업들이 스마트폰, 노트북, 웨어러블 기기를 위한 솔루션을 개발하고 있으며 수년 내에 대부분의 소형 기기들은 무선방식으로 전력을 공급받거나 충전하게 될 것이다.

kW 이상의 전력을 송신하는 분야도 소전력 무선전력 전송 분야와 같이 자기유도 방식과 자기공명 방식이 경쟁하고 있다. 미국(Witricity, Qualcomm-Halo)과 일본(Toyota, Nissan)을 중심으로 전기자동차의 보급 활성화에 따라 전기자동차용 무선전력 충전 기술에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 

WiTricity는 2014년 2월 Toyota와 함께 3.3 kW급 자기공명 방식 전기자동차 무선충전기의 실증을 시작했다. 특히 Toyota는 무선 송수신 코일의 정렬 문제를 극복하고자 차량에 자동 주차시스템을 적용하여 주차장 바닥의 무선송신부와 전기자동차가 자동으로 정렬될 수 있도록 했다. 

Qualcomm-Halo는 CES 2014에서 포뮬러E용 전기차에 자기유도 방식 무선충전 기술을 적용하여 시연했고 전기차의 성능을 겨루는 ‘포뮬러E챔피언십’ 대회를 후원하며 경기에 참가하는 자동차에 자사의 무선충전 기술을 제공할 예정이다. 

완성차 회사인 Toyota, Volkswagen, Nissan 등에서는 2017~18년경 무선 충전방식의 전기차 모델을 출시한다고 발표했다. 미래의 전기차는 주차하면 저절로 충전되는 편리한 무선 방식으로 충전 전력을 공급받는 것이 대세가 될 것으로 생각된다. 

특히 어르신이나 노약자, 장애인은 충전 플러그를 다루는 것이 어렵기 때문에 무선충전 전기차를 사용하게 될 것이다. 따라서 한국전력은 무선충전 방식의 전기차 출현 시 적기의 인프라 구축과 고객의 편리한 전기차 사용을 위해 산학연과 협력하여 전기차용 무선전력 충전인프라 개발에 착수할 예정이다.  

이와 같은 소형 전기자동차 무선전력 충전 기술과는 별도로 KAIST에서는 2009년부터 자기유도 방식의 온라인 전기자동차 무선충전 기술을 개발하여 지난 2013년 동원올레브와 협력하여 구미 시에서 온라인 전기버스의 시범운행을 시작했다. 

KAIST에서 개발된 온라인 전기자동차 무선충전은 도로에 매설된 급전 코일과 버스에 내장된 집전 코일을 통해 20cm의 거리에서 100kW의 전력을 최대 83%의 효율로 전송하여 배터리를 충전하고 도로에 세그먼트(segment) 방식으로 매설된 코일을 통해 주행 중에도 충전하는 기술이다. 

글로벌 기업인 Bombardier는 전기자동차, 전기버스, 도시형 트램에 적용할 수 있는 PRIMOVE라는 자기유도 방식 무선전력전송 기술을 개발하고 2013년 9월 독일의 브라운슈바이크(Braunschweig)에서 최대 200kW의 전력을 무선으로 공급하여 전기버스를 충전하는 시범서비스를 시작했다. PRIMOVE는 버스나 트램의 정류장과 주차장에 무선충전기를 설치하여 정차 중에 충전이 되도록 하는 기술이다. 

수km 이상의 거리에 수kW 이상의 전력을 전송할 수 있는 원거리 무선전력전송 기술은 미국의 NASA와 일본의 JAXA 중심으로 우주에서 태양광 발전된 전력을 지상으로 전송하는 방안으로 마이크로파나 레이저를 이용한 방법이 연구되고 있다. 또한 군사용과 같은 특수목적의 무인항공기에 에너지를 전송하기 위한 방법으로 캐나다, 미국 등에서 연구되고 있다. 원거리 무선전력전송 기술이 개발되면 도서 지역이나 오지에도 송배전선로의 건설 없이 전력을 공급할 수 있는 대안이 될 수 있을 것이다.

▲ 전기차의 무선전력 충전

▲ 원거리 무선전력전송

시장전망과 기술개발 방향

지금 무선전력전송 시장은 초기 형성 단계라 할 수 있다. IMS research IMS Research, A4WP 무선전력전송 심포지움, 2012.10에서는 무선전력 시장이 2015년부터 급성장해 2021년에는 세계 시장 규모가 120억달러에 이를 것으로 예측했다. 소형 기기에서 출발한 시장은 향후 전기차의 무선충전으로 확대되어 2018년에는 전기차와 가전기기용 무선전력전송이 전체의 60%를 차지할 것으로 전망되고 있다(GBI Research). 전기차 시장의 확대에 따라 글로벌 EV 무선충전 시장은 2013년 2600만달러 규모에서 연평균 65.4% 성장하여 2019년에는 5억3천2백만달러가 되고 2025년에는 20억달러에 이를 전망이다(IMS Research).

이와 같은 시장의 요구를 충족하고 무선전력전송 기술의 보급과 확산을 위해 몇 가지 해결해야 할 문제점이 있다. 

첫 번째로 해결해야 하는 문제점은 무선전력의 전송 효율 문제이다. 현재 무선전력전송 시스템의 무선전송 효율은 자기유도/공진 방식의 경우, 업체에 따라 최대 85~90%로 발표되고 있지만 실제 총 시스템의 효율은 이보다 낮은 70~80% 수준으로 알려져 있다. 특히 전송거리의 증가, 송신부와 수신부의 부정합에 따라 전송 효율이 크게 변하므로 이를 극복하고 보완하기 위한 기술개발이 필요하다.

두 번째로 해결해야 하는 문제점은 전자파에 대한 안전성 문제이다. 지금도 산학연의 많은 연구자들은 전자파 문제를 해결하기 위해 전자파 차폐재료 개발, 비복사 공진코일 구조의 최적화와 같은 다양한 연구를 진행 중이다. 

세 번째는 기기 또는 제조사마다 다른 무선전력 방식의 표준화이다. 제조사의 구별없이 무선전기차가 충전되는 인프라를 위해서는 기술개발과 함께 표준화도 진행되어야 한다. Qi, A4WP와 같은 협력체와 국제기구에서도 무선전력전송 방식의 표준에 대한 논의가 진행되고 있으므로 기술혁신과 보급 확대에 따라 표준화도 따라갈 것으로 생각된다.

과감한 R&D·투자 필요

현재 무선전력전송 기술은 관심도가 매우 높고 국내외의 산업체와 기관에서 연구개발이 활발해 시장 확대에 따라 산업체 간 경쟁이 치열할 것으로 전망된다. 따라서 국내외 산업계에서는 향후 무선전력전송 산업의 확대와 주도권 확보를 위해 기술 혁신과 응용 분야 확대에 많은 노력을 기울일 것으로 예상된다. 

국내 시장의 활성화와 국제 시장 선도를 위해서는 보다 원천적이고 기반이 되는 분야의 연구개발과 과감한 투자가 필요하다. 단기적으로는 무선충전 전기제품의 사용과 무선전력 충전식 전기차에 대한 소비자 욕구를 충족하고 중기적으로는 재난 대응, 벽오지 해상 등의 특수 목적 무선전력 틈새시장을 공략하며, 장기적으로는 우주에너지 개발 시대를 대비해야 할 것이다.

한국전력도 관련 시장의 활성화와 글로벌 시장 진출을 위해 산학연과 협력하여 무선전력전송 분야의 연구개발에 투자할 계획이다. 또한 국내외 기관과 협력하여 보다 먼 거리까지 높은 효율로 전력을 전송하여 다양한 기기에 전력을 공급할 수 있는 기술과 높은 안전성을 갖는 기술개발을 위해 노력할 것이다.

박기준 책임연구원 _ 전력연구원 미래기술연구소