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기획특집 <특집: 공정 자동화 분야의 무선 기술 최신 동향> 원거리 무선전력 전송의 실용화 현황

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작성자 댓글 0건 조회 394회 작성일 21-09-02 12:42

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그림 1. 일본에서 논의가 진행되는 원거리 무선전력전송의 응용 예(1) 

서론

전파를 이용하여 무의식중에 전기 에너지를 공급하는 원거리 무선전력전송의 실용화가 최근 급속도로 진전되고 있다. 원거리 무선전력전송은 100년 전 니콜라 테슬라의 실험에서 시작되어 GHz대 마이크로파를 이용한 연구가 미국에서 1960년대에 활발해졌다. 당시 이 기술은 유선 전력 전송을 대체하는 이미지에 가까웠으며 마이크로파를 빔 형태로 만들어 대량의 전력을 보내는 연구가 주로 이루어졌지만, 활용할 수 있는 애플리케이션을 찾지 못한 채 오랫동안 연구 단계에 머물러 있었다. 21세기에 들어 IoT(Internet-Of-Things)용 센서나 생체 센서 등, 소전력의 전기 기기가 발전함에 따라 전지 없이 무선으로 전력을 전송하거나, 2차 전지를 무선으로 의식하지 못하는 사이에 계속 충전할 수 있는 것들에 대한 요구가 높아지면서 현재의 원거리 무선전력전송의 실용화를 가속하고 있다.


원거리 무선전력전송 기초 이론과 기술

원거리 무선전력전송에서 이용하는 마이크로파를 포함한 전파는 통신 등에서 이용하고 있는 것과 완전히 같으며, 같은 기초 논리와 기술을 기반으로 한다. 통신용과 무선 전력 전송용 전파의 차이를 살펴보면 통신용에서는 정보를 전송하기 위하여 전파를 변조하고 그 결과 주파수 대역이 넓어지지만, 일반적으로 무선 전력 전송용에서는 전파 변조가 없으며 주파수 스펙트럼이 매우 좁은 대역이라는 점이다. 무선 전력 전송에서는 전파 그 자체가 에너지이기 때문에(전자레인지를 떠올려보자) 전기 에너지로 변환하기 위하여 GHz의 마이크로파를 직류로 주파수 변환하였을 뿐이다. 이 때문에 안테나・전파는 무선 전력 전송이라도 통신 등에서 이용되는 Friis 공식(Friis Formula)에 따른다. 다만 통신에서는 Friis 공식에서 ‘거리의 제곱에 비례하여 전파가 감쇠한다.’라고 표현하는데, 무선 전력 전송에서는 ‘거리의 제곱에 비하여 전파가 확대한다. = 진정한 의미에서의 감쇠는 없고 안테나를 크게 만들면 이론적으로 100%의 효율로 에너지를 전송할 수 있다.’라고 표현한다.


마이크로파(전파)의 발생 및 수전 정류를 위한 회로도 일반적인 마이크로파 회로와 같다. 다만 요구되는 효율이 통신용 회로보다 높을 것이 요구되는데 지나지 않는다. 수전 정류 회로는 일반적으로 다이오드 회로이며, 2.4GHz 대역에서 90% 이상의 효율을 실제로 실현하고 있다.


원거리 무선전력전송의 일본 국내외 실용화 현황

원거리 무선전력전송은 통신 등과 동일한 전파 응용 기술이기 때문에 일본 국내외의 전파법에 맞추어 운용, 개발할 필요가 있다. 유감스럽게도 현재는 원거리 무선전력전송의 법제화에 대한 논의는 진행 중이며, 이러한 의미에서 개발된 제품은 아직 많지 않다.

법제화 논의에 대해서는 이후에 이야기하겠지만, 일본에서는 <그림 1>에서와 같이 제1단계의 응용 예를 상정하여 활발하게 논의가 이루어지고 있으며, 2020년도 이내에 법제화가 이루어지는 방향으로 총무성이 현재 검토를 진행 중이다.

2020년도의 법제화 실현보다 이전인 2013년부터 무선 전력 전송의 실용화를 목표로 현재 41개 기업이 모여 토론과 연구 개발 활동을 펼치고 있는 것이 필자가 대표를 맡고 있는 무선 전력 전송 실용화 컨소시엄 WiPoT이다(2).


WiPoT는 법제화 논의에도 적극적으로 참여하고 해외 무선전력전송 스타트업 기업과도 교류하면서 활발하게 활동하고 있다. 또한, WiPoT 멤버이기도 한 일본 최초의 원거리 무선전력전송 스타트 기업인 SpacePower Technology사가 2019년 교토에서 탄생을 알렸다(3). SPT사는 법제화 후 바로 제품을 출시를 목표로 현재 제품 개발에 임하고 있다.


미국에서는 통일된 법 정비라기보다는 유연하게 개별 원거리 무선전력전송 제품에 허가를 내주어 제품화를 추진시키고 있다고 한다. Ossia, Energeous, Power Cast, AETERLINK 등이 다양한 원거리 무선전력전송을 연구 개발하고 제품을 출시하고 있다. 법적으로는 무선 전력을 ISM 주파수 대역의 응용 기기로서 해석하고 있다(ISM=Industrial Scientific Medical). <그림 2>는 2020년 8월에 발매되어 미국에서는 Amazon.com을 통해 구입할 수 있는 Power CAST의 원거리 무선전력전송 제품이다. 유감스럽게도 이것은 미국 법률에 따른 제품이기 때문에 미국 외에서는 구입할 수가 없다.

유럽과 중국의 경우에는 눈에 띄는 원거리 무선전력전송 관련 스타트업 기업은 없지만, 대학에서의 연구 개발이나 규모가 큰 국가 연구 프로젝트는 진행되고 있어 앞으로의 발전이 기대된다.


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그림 2. Amazon.com에서 구입할 수 있는 Power CAST의 제품 
 



원거리 무선전력전송 국내외의 법제화 현황 

일본에서 원거리 무선전력전송의 법제화가 정식으로 시작된 것은 2018년 12월이었으며, 원거리 무선전력전송의 기술적 요건에 대하여 총무성이 정보통신심의회로부터 조언을 받았다고 공표된 것이 시작이었다(4). 약 1년 반 동안 있었던 다양한 논의 중 2020년 7월에 총무성이 정보통신심의회로부터 ‘구내 원거리 무선전력전송 시스템의 기술적 조건’에 관한 일부 회신을 받았으며 이 회신을 바탕으로 신속하게 제도 정비 등을 실시할 예정이었다. 2020년도 이내에는 법제화가 이루어지고 일본 국내에서도 2021년에는 원거리 무선전력전송의 제품을 판매할 수 있게 되는 것이다.


물론 2018년 이전부터도 일본에서는 원거리 무선전력전송의 실용화, 법제화에 대한 논의가 활발하게 이루어지고 있었다. 특히 일본은 국제 협력을 추진하고 있으며 전파의 UN이라고도 할 수 있는 ITU-R(International Telecommunication Union, Radio communication Sector)에 적극적으로 기여 문서를 제출해왔다(6). 2016년에는 ITU-R의 공식 보고서로서 SM.2392-0 “Applications of wireless power transmission via radio frequency beam”이 발행되었으며 세계적으로 원거리 무선전력전송의 기술과 응용에 관하여 소개할 수 있었다. 2020년 현재는 SM.2392-0의 다양한 응용 중에서 widebeam 타입으로 불리는 IoT 센서와 휴대전화의 무선 전력에 초점을 맞추어 계속 논의를 하고 있다. 이 논의에는 2020년 총무성이 ‘구내에서의 원거리 무선전력전송 시스템의 기술적 조건’이 진행되어 다음 단계인 recommendation(권고화)을 목표로 하고 있다.


..(후략) 


篠原 真毅 / 교토대학 

  본 기사는 2021년 9월호에 게재되었습니다. 

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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