무선전력으로 실현되는 미래의 교통 시스템

주행 중 충전과 자동 주행에 달렸다

무선급전기술은 전기자동차를 포함한 기기의 전동화를 가속하고 전기 케이블의 철폐에서 시작해 미래의 교통사회도 극적으로 바꿀 만한 원동력을 갖고 있다. 

무선급전기술이 성숙하고 라스트 원 미터를 완전히 극복하면 언제 어디서나 무선급전이 실현되는 사회인 유비쿼터스 에너지 사회가 실현될 것이다. 특히 무선급전기술을 구사해 미래의 교통 시스템은 현재의 교통 시스템과 비교해 극적으로 변할 가능성이 있으며, 그 열쇠를 쥐고 있는 것은 주행 중 충전과 자동 주행이다.

왜 우리는 가솔린차에서 전기자동차로 갈아타는 걸까. 그리고 전기자동차가 미래의 교통사회에서 어떠한 의미를 갖고 있을까. 

큰 시야에서 봤을 때 가솔린차와 전기자동차 중 어느 쪽이 기술이나 산업이 성숙해 가는 과정에서 과도기를 지탱하는 기술이 될 것이며, 어느 쪽이 영속적으로 남는 기술이 될 것인가. 

당분간은 가솔린차와 전기자동차와 연료전지차 등의 베스트 믹스가 차세대의 기술이 되겠지만 경유와 레귤러와 하이오크와 EV 충전의 차이만 하더라도 버거운 상황에서 결국에는 기업도 유저도 복잡한 시스템에 견딜 수 없게 되는 것은 뻔하다. 그리고 결국 유저는 편리성을 가장 중요한 항목으로 꼽을 것은 부정할 수 없다. 

에너지의 분배는 라스트 원 미터의 지점에서 가장 번거로워지는 것이 본질이다. 2007년 이전에는 석유도 전기도 큰 차이 없이 취급하기 어려웠다.

그러나 2007년에 무선급전기술이 진화하고 전동화되어 전기를 에너지원으로 하는 탈것은 라스트 원 미터의 문제를 모두 해결할 수 있는 가능성을 열었다.

무선급전기술은 전기자동차를 포함한 기기의 전동화 움직임을 가속화하는 데 큰 힘이 되고 전기 케이블의 철폐에서 시작해 미래의 교통 사회도 극적으로 바꿀 수 있는 원동력을 갖고 있다.

서론

앞으로 얼마나 석유를 사용할 수 있을까. 수도 없이 반복되는 이 질문에 과거부터 미래의 교통 사회 예측은 좌우되었다.

과거의 예측에서는 가솔린을 사용할 수 없게 되어 별도의 에너지원이 필요하며 그것에 적합한 탈것이 필요해질 것이라고 했다. 그 답 중 하나가 전기자동차일 것이다. 그러면 이 예측이 맞아떨어진 걸까. 절반은 틀렸고 절반은 맞았다고 할 수 있다. 아는 바와 같이 가솔린은 지금도 과거처럼 사용하고 있으며 그리고 전기자동차도 보급되기 시작했다.

1980년 당시 기준으로 석유를 향후 몇 년 사용할 수 있을까 하는 예측에서는 약 30년이라고 봤다. 예측대로라면 2012년 현재 석유는 고갈되고 가솔린차는 움직이지 않아야 했다.

여기서는 앞으로 몇 년 석유를 사용할 수 있을지를 연수로 나타낸 가채연수라는 지표를 그 당시의 예측으로 했다. 가채연수=세계의 석유 매장량÷연간 사용량이다. 그리고 1992년에는 석유를 당시 기준으로 향후 약 40년이라고 했다. 20년 후인 2012년 현재 석유의 사용 가능 연수를 향후 약 54년으로 봤다.

아는 바와 같이 옛날부터 가채연수는 매년 보합 또는 증가하는 현상을 보였으며 과학적으로는 올바른 데이터이기는 하지만 해석 방법의 오해도 수반해 석유의 고갈에 대한 위기감은 설득력을 잃게 됐다. 

그러면 석유가 풍부하기 때문에 가솔린차는 이대로 좋은 것일까. 사회가 제출한 대답은 노이다. 답은 전기자동차였다. 가솔린이 당장은 고갈하지 않을 거라고 알고 있는 상황에서도 가솔린차가 아닌 전기자동차에 거는 기대가 높아진 것은 지구온난화 방지를 위해 CO2를 절감한다는 의의에서 기인한 것이라고 할 수 있다. 

당연히 언제가 없어질 석유라는 에너지에 대한 위기감이 배후에 있다. 만약 지구온난화 방지라는 슬로건이 없으면 어떻게 됐을지는 알 수 없지만 수십 년에 한 번 이런 종류의 지구 전체에 관련된 위기감이 기술 진화의 방향성을 정하는 큰 요인이 되고 있다.

무선급전기술의 잠재력 어디까지… 휴대 시장 능가할 것

2007년 MIT의 가계공명 논문 발표 이전과 이후의 무선급전 업계는 완전히 별개다. 2007년에 발표된 1m의 에어 갭으로 효율 약 90%라는 숫자는 누구도 본 적이 없는 경이적인 수치였다. 

무선급전기술의 하나인 전자유도라는 현상을 배운 사람도 효율에 대해서는 크게 주목해서 배우지 않았으므로 그 수치가 어느 정도 무서운지 실감하는 것은 어려울지 모른다. 그러나 기존 기술에서는 전력이 닿는 거리인 에어 갭이 1cm 정도였다는 사실을 안다면 그 두려움을 어느 정도 알 수 있지 않을까 생각한다.

MIT가 발표한 자계공명기술은 전자유도기술의 공진현상을 제대로 사용한 것으로서 설명할 수 있는 기술이다. 이제 막 태어난 기술이지만 잠재력은 이루 다 헤아릴 수 없다. 

휴대 시장의 규모도 능가할 것으로 보이는 무선급선기술이 앞으로 산업에 미칠 영향은 크다. 수cm의 에어갭과 1m의 에어갭은 에어갭이 커졌다는 의미 이상의 가치가 생겨난다. 그것이 라스트 원 미터(최후의 1m)다.

라스트 원 미터

통신 업계에서는 라스트 원 미터를 어떻게 유저에게 제공할지가 문제 됐지만 전력에서는 라스트 원 미터의 전력 공급이 문제가 된다. 그러나 기술적으로 불가능한 것으로 여겨졌기 때문에 문제조차 되지 않았다.

사실 많은 장소에서 라스트 원 미터가 큰 장벽이었지만 인간의 높은 적응력으로 인해 그것을 고통으로 여기지 않고 문제라고는 인식하지 않았다. 그래서 라스트 원 미터의 문제에 대해 생각하기로 한다. 

전기는 구석구석까지 모든 곳으로 전해진다. 도로에는 전신주와 전선이 있고 건물에는 벽 안이나 발밑의 배선, 머리 위의 형광등, 눈앞의 PC 등 도처에 전기는 전해진다.

바깥에서는 수m 앞, 건물 내에서는 상하좌우 1m 앞에는 반드시 전기가 존재한다. 그곳에서 실제의 애플리케이션까지의 1m(라스트 원 미터)의 전력을 어떻게 연결할지가 문제이며 그 열쇠를 쥐고 있는 것이 무선급전기술이다. 

지금까지의 상식으로는 라스트 원 미터의 전기를 보내는 방법은 전기 코드를 접속하는 방법뿐이며 접속 작업의 번잡함과 전기 코드의 존재 등 여러 제약을 받아 언제나 어디서나 손쉽게 급전할 수 있는 상황은 아니었다. 

한편 무선급전기술에 의해 라스트 원 미터를 전원 코드 없이 보낼 수 있다고 한다. 이름 그대로 무선으로 전력을 보낼 수 있기 때문에 전기 코드를 접속하는 작업을 할 필요가 없는 것이다.

유저는 정해진 일정한 존에 물건을 놓기만 하면 아무 것도 하지 않아도 자동 충전이 된다. 예를 들면 휴대전화와 노트북을 책상 위에 놓아두면 자기도 모르는 사이에 충전된다.

또 일정한 존을 넓히면 건물 내의 모든 개소에서 자동 충전되는 무선충전 하우스를 만들 수도 있어 올전화(all 電化. 가정에서 이용하는 모든 에너지, 특히 조리·급탕·난방을 전기로 조달하는 주택) 주택과도 상성이 좋다.

이들 충전되는 존은 무선 LAN 스폿과 마찬가지로 무선충전 스폿으로서 설치되고 음식점이나 역에서는 당연히 설치될 가능성이 있다. 

그리고 당연히 라스트 원 미터의 대상은 전기자동차도 포함된다. 현재는 일상적으로 이루어지는 번잡한 전기 케이블을 접속해 충전하는 작업이 전기자동차의 보급에 저해되지 않을까 우려하고 있으며 주차를 하면 무선으로 자동 충전되는 시스템에 주목이 집중되고 있다.

무선자동급전의 가장 큰 메리트는 역시 편리함이다. 편리하면 당연히 유저의 이용률이 높아지고, 결국 무선급전이 전기자동차의 보급에 큰 후원자 역할을 할 것으로 기대한다. 그리고 장래적으로는 주행 중 충전의 실현으로도 이어진다. 

무선급전기술이 성숙하고 라스트 원 미터를 완전히 극복하면 언제 어디서나 무선급전이 실현되는 사회인 유비쿼터스 에너지 사회가 실현될 것이다. 무선급전기술을 구사해 미래의 교통 시스템은 현재의 교통 시스템과 비교해 극적으로 변할 가능성이 있다. 열쇠를 쥐고 있는 것은 주행 중 충전과 자동 주행이다.

라스트 원 미터의 실현, 자계공명과 중계 코일에 달렸다 

마지막 라스트 원 미터의 무선급전을 담당하는 기술로서 주목받고 있는 것이 자계공명이다. 수십cm부터 약 1m 정도라면 고효율의 전력전송이 가능하다.

원리는 송신 코일과 수신 코일의 공진 주파수를 같게 해서 자계 에너지로 결합함으로써 고효율의 전력전송을 실현한다. 또 위치가 어긋나도 고효율로 전력을 보낼 수 있는 위치 어긋남에 대한 강점도 큰 특징이다. 코일의 위치 어긋남이 생겼을 때도 전력의 전송이 가능하며 매우 넓은 범위에서 고효율의 전송이 가능하다. 

자계공명에서는 중계 코일을 이용함으로써 전송 거리를 늘리는 것도 가능하다. 중계 코일이란 송수신 코일과 같은 주파수로 공진하는 코일이다.

중계 코일을 이용해 전력을 끊이지 않고 보낼 수 있다. 중계 코일을 두는 방향에는 약간의 제약이 있기는 하지만 기본적으로는 코일의 형상이나 방향에 대한 자유도가 높고 코일 설치상의 제약은 그다지 높지 않다.

그리고 배선이 불필요하며 단지 코일을 가까이에 두기만 하면 전력을 중계할 수 있으므로 부설이나 메인티넌스 시에는 큰 메리트가 있다.

무선급전기술 이용한 주행 중 충전 실현될 것

세계적인 에너지 정책에 영향을 미친 동일본대지진에 수반하는 탈원전은 당연히 전기자동차 업계에 미친 영향도 크다. 대참사로 인해 전기자동차의 CO2 삭감량을 예전과 같이 높은 목소리로 외치던 상황과는 분명 달라졌다. 

그러나 현 시점에서 전기자동차가 더욱 높은 주목을 받고 있는 것은 왜일까. 그것은 여전히 전기자동차는 에너지 효율이 높다는 점과 배기가스를 배출하지 않는 점을 꼽을 수 있다. 그리고 가솔린차로는 도저히 실현할 수 없는 100배 가까운 속도로 토크를 제어하고 슬립을 방지하고 100배 안전한 차를 만들 수 있다는 특징이 있기 때문이다. 

즉 전기자동차는 환경(에코)을 지나치게 강조하다 보니 오히려 그 장점이 가려져 있지만 실은 가솔린차로는 도저히 이룰 수 없는 초고성능의 차가 될 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 그리고 무선자동급전에 의해 급유와 같은 번거로운 작업도 사라진다. 이러한 이유에서 전기자동차는 일과성의 붐이 아니라 100년이 지나도 우위의 입장에 있을 것이다. 

단, 가솔린에는 미치지 못하는 낮은 전지의 에너지 밀도라는 현실적인 문제를 해결할 필요가 있다. 1회 충전으로 달릴 수 있는 거리를 1충전 주행 거리라고 하며, 현재의 전기자동차는 에어컨 사용 없이 약 160km를 달린다. 에어컨을 사용하면 약 100km 전후이다. 이 상태로는 고속도로를 달릴 때 불안감이 생긴다. 

만약 현행의 급속충전 방식을 유지하는 경우 고속도로의 서비스 에어리어에서는 어떠한 상황이 생길까.

가령, 약 100km마다 서비스 에어리어에서 충전한 경우 50kW의 급속충전을 20~30분간 할 필요가 있다. 그 경우 약 60대의 전기자동차가 항상 서비스 에어리어에서 급속충전을 하게 되어 50kW×60대=3MW의 전력이 서비스 에어리어별로 필요해지는 문제가 생긴다.

그리고 60대분의 주차장 확보 문제, 60대분의 급속충전기 설치 장소와 비용 문제가 있다. 이것은 어디까지 유저가 휴식을 취한 후 바로 돌아오고, 더구나 전체 차량의 10%가 전기자동차인 경우를 가정했기 때문에 그 이상으로 전기자동차가 증가한 경우에는 문제가 더 심각해진다. 

하나의 해결 방법으로 전지 개발을 계속하는 노선은 필수이지만 현재로서는 리튬전지를 능가하는 혁신적 축전지의 출현에 의존하는 상황에 빠져 있다.

이러한 폐쇄적인 상황을 타개할 수 있는 새로운 길이 바로 주행 중 충전이다. 가솔린차가 주행 중에 급유하는 일은 어렵지만 라스트 원 미터를 극복할 수 있는 무선급전기술에 의해서 전기자동차에 주행 중 급전이 가능해진다.

당연히 기술적 과제를 남아 있다. 주행 중 충전을 실현시키기 위해서는 도로 조건에 따라 코일 간의 에어갭이 최저라도 60cm는 필요하다. 또 코일의 크기도 차량 아래에 최대한 작게 해서 설치하고 싶어 하는 자동차 업계의 희망사항도 있다. 

이처럼 매우 엄격한 조건에서 고효율의 코일을 실현해야 할 필요성이 있는 점과 여러 대의 차가 급전 라인에 들어오고 나가도 시스템이나 각 차별의 효율은 높이면서 전력 분배를 임의의 상황에서 실현시키는 점 등 많은 과제가 산적해 있다. 그러나 이들 과제에 대해 많은 연구자가 연구하고 있으며 장래적으로는 해결될 것이다. 

그러면 비용면에서는 어떨까. 주행 중 충전을 실현하기 위해서는 도로 아래나 옆에 급전용 코일이 필요하다. 보통은 모든 코일에 전원에서 전기 코드를 배선하지만 앞서와 같이 중계 코일이라는 기술을 사용하면 코일을 설치하는 수고는 물론 비용도 줄일 수 있다.

중계 코일을 사용하면 코일 자체의 가격은 저렴해질 가능성이 있다. 그러나 전원 비용은 그에 비해서는 높아질 것으로 예상된다.

탈것의 전동화 흐름

전기자동차가 세계를 석권하는, 조금은 과장된 내용을 다룰까 한다. 그 전에 현재의 상황을 보면 적재적소에서 발달해 온 교통 시스템은 다양화가 진행되고 있다.

자전거, 퍼스널 모빌리티, 바이크, 연료전지차, 가솔린차, 전기자동차, 초소형차, 라이트레일(LRT : Light Rail Transit), 버스, 전차, 비행기 등 다양한 탈것이 존재한다. 

여기서 주목해야 할 것은 다양화되는 동시에 차뿐 아니라 자전거나 바이크나 비행기 등 많은 탈것이 전동화되고 있다는 것이다.

전동화하면 무선자동충전에 의해 급유와 같은 사람손이 필요한 작업을 하지 않아도 된다. 그리고 전동화에 의한 제어성의 향상이라는 큰 메리트는 설명한 바와 같다. 

또 전동화하면 풍력발전이나 태양광발전 같은 클린 에너지를 그대로 사용할 수 있는 메리트가 있다. 그리고 전동화한 때에는 전차와 같이 항상 인프라에서 에너지를 받아 언제 어디서나 급전이 가능하다.

전차는 정해진 구간을 달리며 가선에서 전력을 접촉하면서 공급받지만 무선급전을 이용하면 비교적 자유롭게 에너지를 공급받을 수 있으므로 전기자동차라도 주행 중 충전도 가능해진다. 비행기의 경우는 마이크로파 전송이라는 꿈의 급전기술도 생각할 수 있다.

자동주행 실현될까? 차를 운전하지 않게 되는 날

교통 시스템이 진보함에 따라 안정성은 서서히 높아져 가지만 비약적으로 안전이 높아지는 변혁기가 있다. 바로 자동주행의 실용하다.

IEEE의 예측에 따르면 2040년에는 75%의 차가 자동주행할 것으로 보인다. 차는 온디맨드로 자택에서 목적지까지 자동으로 운반해 주는 편리한 탈것이 된다.

언젠가 드라이브라는 개념은 희박해지고 차 안은 프라이빗 공간이 되어 이동 중에는 넷을 하거나 영화를 보거나 컴퓨터로 일을 하는 시대가 될 것이다. 그리고 모든 차의 움직임이 정체 예측에 반영되어 원하는 곳으로 데려다 주기 때문에 교통사고는 제로에 가까워질 것이다.

이것은 안전면에서는 기쁜 일인 동시에 드라이빙(수동운전)이라는 하나의 즐거움의 종언을 의미하기도 한다. 절대적인 안전을 우선하는 거라면 드라이빙은 불필요하지만 차를 운전하는 것의 즐거움이 사라지는 것은 매우 유감스러운 일이다. 

유일하게 수동운전이 살아남을 길은 가솔린차에 대해 100배 안전한 전기자동차의 압도적인 강점을 이용해서 수동운전이라도 자동운전에 필적할 만한 안전성을 담보할 수 있음을 증명하는 것이다.  

어쨌든 언제 어디서나 자동으로 차가 사람을 운반하는 일이 계획적으로 이루어지면 정체를 줄이기 위해 신호의 타이밍도 리얼타임으로 계산되어 사회 전체의 시스템으로서 에너지가 최소가 되도록 운용될 것이다. 당연히 에너지는 끊임없이 무선급전에 의해서 공급된다. 

이러한 사회에서는 카 셰어가 보편화될 가능성이 있다. 개인 소유 차의 메리트는 원하는 시간에 언제라도 차를 사용할 수 있다는 점과 드라이빙의 즐거움에 있다. 

그러나 완벽한 온디맨드형 무인주행 시스템을 갖춘 카 셰어링에 의해 개인 소유 차의 메리트와 거의 동등한 이점을 누릴 수 있을 뿐 아니라 주차장도 필요하지 않는 메리트도 생긴다.

사라지는 것은 자신의 차라는 소유권과 애착이다. 즉 현재로는 개인이 차를 소유해도 하루 중 통근 이외에는 거의 가동하지 않고 주차장에 놓여 있기 때문에 가동률이나 주차장 점유율에서 생각하면 매우 아까운 상황이다. 

이 문제는 카 셰어링에 의해서 가동률이 압도적으로 증감함으로써 자연스럽게 해결될 것이다.

특히 지역과 시간대별 이용자 분포를 생각해서 리얼타임으로 차가 무인으로 이동하고 최적 배치되어 있다면 항상 가까운 장소에 사용하지 않는 차가 대기하고 있으므로 대기 시간 없는 온디맨드의 교통 시스템을 구축할 수 있다. 

즉 이것이 온디맨드형 무인주행 시스템을 갖춘 카 셰어링이다. 반복하지만 잊어서는 안 되는 것이 무선급전이다. 에너지의 공급을 사람이 수동으로 충전한다면 이 콘셉트는 붕괴한다. 

그렇게 간단히 자동운전 사회가 실현될 수 있을까 하는 회의적인 의견도 있다. 당연히 그렇게 생각하지만 하나의 방향성으로 제시해 봤다.

다종다양한 탈것이 존재하고 그리고 전기자동차에서도 수동운전과 자동운전이 공존하고 이행하는 기간에는 혼돈이 이어질 것이다.

새로운 기술이 탄생하는 여명기·과도기는 혼란과 함께 새로운 기술이 생겨나는 시대이기도 하며 기회가 찾아올 것이다.

정리 : 김혜숙 기자 (atided@hellot.net)