무선 전력 전송 장치

전자기 유도 방식은 패러데이 법칙에 기반하여, 송신 코일에 흐르는 교류 전류가 생성하는 변화하는 자기장이 수신 코일을 통과할 때 전기적 기전력을 유도하는 원리를 이용한다. 이는 가장 오래되고 상용화가 가장 진전된 무선 전송 기술이다. 송신기와 수신기는 일반적으로 평판형 코일 형태로 제작되며, 두 코일 간의 거리가 매우 가까울 때(보통 수 mm에서 수 cm) 가장 효율적인 전력 전송이 이루어진다.

효율을 극대화하기 위해 송신 코일과 수신 코일의 정렬이 매우 중요하다. 정렬이 나쁘면 자기장 결합 계수가 낮아져 전송 효율이 급격히 저하된다. 이를 보완하기 위해 다수의 코일을 배열하거나 코일을 이동시키는 기술이 적용되기도 한다. 주로 사용되는 주파수 대역은 100~300 kHz 사이이다.

이 방식의 주요 응용 분야는 다음과 같다.

전자기 유도 방식은 기술적 성숙도가 높고 상대적으로 구현 비용이 낮다는 장점이 있다. 그러나 전송 거리가 매우 짧고, 송수신기 간 정렬에 민감하며, 금속 물체가 근처에 있을 경우 발열이나 효율 손실을 유발할 수 있는 단점도 존재한다.

공진 방식은 전자기 유도 방식보다 더 먼 거리에서 효율적으로 전력을 전송할 수 있는 기술이다. 이 방식은 송신 코일과 수신 코일을 각각 동일한 공진 주파수로 조정하여, 두 코일 사이에 강한 공진 결합을 형성하는 원리를 기반으로 한다. 공진 상태에서는 에너지가 코일 사이에 집중적으로 교환되며, 비교적 먼 거리에서도 높은 전송 효율을 유지할 수 있다.

이 방식은 크게 자기 공진 방식과 전기 공진 방식으로 나눌 수 있으며, 대부분의 상용 시스템은 자기 공진을 이용한다. 송신측과 수신측의 공진 주파수가 일치할 때 에너지 전달이 최대화되며, 주파수 불일치나 거리 증가에 따른 효율 저하가 유도 방식에 비해 완만하다는 특징을 가진다. 전송 거리는 일반적으로 수십 센티미터에 이르며, 정렬에 대한 요구사항도 상대적으로 낮다.

공진 방식 무선 충전의 주요 성능 지표는 다음과 같다.

이 기술은 중거리 전송이 필요한 응용 분야, 예를 들어 전기자동차 충전이나 공장 내 이동형 장비, 심지어 방 안의 가전제품에 전력을 공급하는 데 유망하게 연구되고 있다. 그러나 시스템 설계가 복잡하고, 고주파 동작으로 인한 전자파 간섭 관리가 중요한 기술적 과제로 남아 있다.

레이저/마이크로파 방식은 전자기파를 이용하여 공간을 통해 에너지를 전송하는 기술이다. 이 방식은 전자기 유도나 공진 방식과 달리, 가시광선 또는 마이크로파 대역의 전자기파를 집속된 빔 형태로 발사하여 수신부에서 다시 전기 에너지로 변환하는 원리를 기반으로 한다. 송신부에서 생성된 고출력 레이저 빔이나 마이크로파는 수신부에 설치된 광전지나 정류 안테나에 조사되어 전류를 생성한다. 이 방법은 방향성이 매우 뛰어나 장거리 전송이 가능하다는 특징을 지닌다.

이 방식의 주요 구성 요소와 특징은 다음과 같이 정리할 수 있다.

응용 분야는 주로 장거리 및 특수 환경에 집중되어 있다. 예를 들어, 드론이나 고고도 정체 플랫폼(HAPS)에 지상에서 전력을 공급하거나, 우주 공간에서 위성 간 에너지 전송, 태양광 발전 위성에서 지구로의 에너지 전송([1]) 등의 분야에서 연구가 진행되고 있다. 또한, 전원 선로의 설치가 어려운 감시 장치나 사물인터넷 센서에 대한 무선 전력 공급에도 활용될 수 있다.

그러나 이 방식은 기술적, 안전적 한계를 동시에 지닌다. 레이저 방식은 대기 중의 먼지나 안개 등에 의해 에너지가 흡수되거나 산란되어 효율이 크게 저하될 수 있다. 마이크로파 방식도 넓은 영역에 전파가 퍼져 에너지 밀도가 낮아지는 문제가 있다. 가장 큰 도전 과제는 인체나 동물, 다른 전자기기에 미치는 잠재적 위험성이다. 고출력의 집속된 에너지 빔은 심각한 안전 문제를 초래할 수 있으므로, 정밀한 추적 및 안전 장치, 그리고 관련 전자파 안전 기준의 엄격한 준수가 필수적이다.

무선 전력 전송 시스템에서 송신기는 전력을 공급하는 측의 장치를 의미한다. 전원으로부터 공급받은 전기 에너지를 무선으로 전송할 수 있는 형태로 변환하여 공간을 통해 방출하는 역할을 담당한다. 송신기의 핵심 기능은 전력 변환, 주파수 생성, 그리고 에너지의 효율적인 방출이다.

주요 구성 요소로는 전력 증폭기, 송신 코일 또는 안테나, 그리고 제어 회로가 포함된다. 전력 증폭기는 입력 전원을 무선 전송에 적합한 고주파 교류 신호로 변환하고 증폭한다. 이렇게 생성된 고주파 전류는 송신 코일(전자기 유도/공진 방식)이나 안테나(레이저/마이크로파 방식)로 흘러가며, 주변 공간에 전자기장 또는 전자기파를 형성한다. 제어 회로는 전송 효율을 최적화하고, 수신기가 감지되었는지 확인하며, 과열이나 오작동을 방지하는 역할을 수행한다.

사용되는 기술에 따라 송신기의 설계는 크게 달라진다. Qi 표준과 같은 전자기 유도 방식의 송신 패드는 평판형 송신 코일을 사용하며, 수신기와의 정렬이 중요하다. 공진 방식의 송신기는 특정 공진 주파수에서 동작하도록 설계되어, 비교적 자유로운 위치에서 전송이 가능하다. 레이저나 마이크로파를 이용하는 원거리 전송 시스템의 송신기는 고출력 광원 또는 방사형 안테나 어레이를 갖추고, 에너지를 집속된 빔 형태로 발사한다.

송신기의 성능은 전송 효율, 전송 거리, 정렬 자유도, 그리고 안전성에 의해 평가된다. 최근 연구는 더 높은 효율, 더 긴 거리, 그리고 한 번에 여러 장치를 충전할 수 있는 다중 코일 설계 및 빔 형성 기술에 집중되고 있다.

수신기는 무선 전력 전송 장치에서 전송된 에너지를 수신하여 전기적 에너지로 변환하고, 이를 연결된 전자기기에 공급하는 역할을 한다. 송신기와 쌍을 이루는 핵심 구성 요소이며, 전력 변환 효율과 기기의 충전 성능을 직접적으로 결정한다.

수신기의 주요 구성 요소는 다음과 같다.

수신기의 설계는 적용 방식(전자기 유도 방식, 공진 방식 등)과 목표 기기의 크기, 전력 요구량에 따라 크게 달라진다. 스마트폰과 같은 소형 기기의 수신기는 매우 얇고 평평한 형태로 제작되어 기기 내부에 통합된다. 반면, 전기자동차 충전 패드나 산업 장비용 수신기는 훨씬 큰 크기와 높은 전력 처리 능력을 가진다. 최근 연구는 수신기의 효율 향상, 소형화, 그리고 송신기 위치에 대한 정렬 오차 허용도를 높이는 데 집중되고 있다.

제어 회로는 무선 전력 전송 시스템의 두뇌 역할을 수행하는 핵심 구성 요소이다. 이 회로는 주로 마이크로컨트롤러나 전용 집적 회로를 중심으로 구성되며, 송신기와 수신기 사이의 효율적이고 안전한 에너지 전달을 실시간으로 관리 및 최적화한다.

주요 기능은 다음과 같다. 첫째, 외부 물체 검출 기능을 통해 송신 코일과 수신 코일 사이에 금속성 이물질이 있는지 감지하여 발열이나 에너지 낭비를 방지한다. 둘째, 수신기의 위치나 부하 상태 변화에 따라 최적의 공진 주파수를 유지하거나 전송 전력을 동적으로 조절한다. 셋째, 수신기로부터 역방향 통신을 통해 배터리 잔량, 충전 상태, 요구 전압 등의 정보를 받아 충전 프로토콜을 제어한다. 이러한 제어는 일반적으로 수신기가 변조하는 방식으로 송신기에 신호를 보내 이루어진다[3].

제어 회로의 성능은 전체 시스템의 효율, 충전 속도, 안전성에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 저전력 설계, 빠른 응답 속도, 정밀한 검출 알고리즘 구현이 중요한 기술 과제이다. 최근에는 인공지능 알고리즘을 도입하여 전송 효율을 예측하고 최적화하는 연구도 진행되고 있다.

무선 전력 전송 기술은 스마트폰과 스마트워치, 무선 이어폰 등의 웨어러블 기기에 가장 먼저 상용화되어 널리 보급된 분야이다. 이 기술은 사용자가 기기를 매번 충전 케이블에 연결할 필요 없이, 충전 패드나 스탠드 위에 올려놓기만 하면 전원이 공급되도록 한다. 편의성을 극대화하는 이 방식은 현재 대부분의 주류 스마트폰 제조사가 채택하고 있으며, 일상 생활에서 가장 흔히 접할 수 있는 무선 충전의 형태이다.

주요 응용 방식은 다음과 같다.

스마트폰 무선 충전의 핵심은 Qi 표준이다. 이 표준은 전력 전송 효율, 안전성, 상호 운용성을 규정하여, 서로 다른 제조사의 기기와 충전기가 호환될 수 있도록 보장한다. 초기에는 충전 속도가 유선에 비해 느리다는 단점이 있었으나, 기술 발전으로 고속 무선 충전이 가능해지면서 그 격차는 줄어들고 있다.

웨어러블 기기 분야에서는 소형화와 방수 디자인에 무선 충전이 필수적이다. 유선 충전 포트를 제거함으로써 기기의 디자인 자유도와 내구성을 높일 수 있다. 예를 들어, 무선 이어폰의 충전 케이스는 대부분 무선 충전을 지원하며, 스마트워치 역시 전용 충전 도크 없이 범용 Qi 충전 패드에서 충전 가능한 모델이 늘고 있다. 이는 사용자에게 하나의 충전 패드로 여러 기기를 관리할 수 있는 편리함을 제공한다.

무선 전력 전송 기술은 전기자동차 충전 분야에서 주목받는 핵심 기술 중 하나이다. 유선 충전에 비해 편의성과 안전성을 높이고, 자율 주행 및 완전 자동화 충전 인프라 구축의 기반이 된다.

주요 적용 방식은 전자기 유도 방식과 공진 방식으로 나뉜다. 전자기 유도 방식은 비교적 짧은 거리(수 cm 이내)에서 고효율 충전이 가능해, 주로 주차 중인 차량 바닥과 지면 패드 사이의 정지형 충전에 사용된다. 공진 방식은 수십 cm의 거리에서도 전력을 전송할 수 있어, 정차 중 또는 저속 주행 중인 차량에 대한 충전이 가능하다. 이는 동적 무선 충전(주행 중 충전) 시스템의 기반 기술로 연구되고 있다.

이 기술의 도입은 충전 케이블 연결의 번거로움을 제거하고, 악천후나 극한 환경에서의 접촉 위험을 줄인다. 또한, 도로 아래에 매설된 충전 패드를 통해 주행 중에 배터리를 보충하는 '이동형 충전소' 개념을 실현하여, 전기자동차의 항속 거리 불안 문제와 대용량 배터리 의존도를 완화할 수 있는 잠재력을 가진다. 현재는 효율, 정렬 오차 허용 범위, 표준화, 그리고 대전력 전송 시의 전자파 안전 기준 등 해결해야 할 과제가 남아 있다.

의료 임플란트는 심박 조율기, 인공 와우, 심부 뇌 자극기, 신경 자극기 등 생명 유지나 치료에 필수적인 전력을 지속적으로 공급받아야 하는 장치입니다. 기존에는 배터리 수명이 다하면 외과적 수술을 통해 배터리나 장치 전체를 교체해야 했습니다. 무선 전력 전송 기술은 이러한 수술적 개입의 빈도와 위험을 줄이기 위해 도입되었습니다. 피부를 통과하여 에너지를 전달함으로써, 임플란트의 배터리를 외부에서 충전하거나 완전히 무배터리 시스템을 구축하는 것이 가능해집니다.

가장 일반적으로 사용되는 방식은 전자기 유도 방식입니다. 환자가 착용하거나 피부에 부착하는 외부 코일과 임플란트 내부에 장착된 코일 사이에서 자기장이 형성되어 전력을 전송합니다. 이 방식은 비교적 낮은 주파수에서 작동하며, 전송 효율과 안전성 사이의 균형이 중요합니다. 특히 심박 조율기와 같이 저전력으로 장기간 운영되어야 하는 장치에 적합합니다. 더 발전된 기술로는 공진 방식을 적용하여 전송 거리를 늘리거나 정렬 오차에 대한 허용도를 높이는 연구가 진행 중입니다.

무선 전력 전송이 의료 임플란트에 적용될 때는 안전성이 최우선 고려사항입니다. 강한 전자기장이 인체 조직을 가열하거나 임플란트 자체의 기능을 방해하지 않도록 주파수와 출력을 엄격히 제어해야 합니다. 또한, 전송 시스템은 신뢰성이 매우 높아야 하며, 외부 간섭에 강해야 합니다. 관련 규제 기관들은 이를 위해 특정 흡수율 등의 엄격한 안전 기준을 마련하고 있습니다.

미래에는 초소형, 저전력의 생체 감지 임플란트들이 무선 전력 공급과 데이터 통신을 동시에 수행하는 시스템으로 발전할 전망입니다. 이를 통해 실시간 건강 모니터링과 맞춤형 치료가 가능해지고, 환자의 삶의 질을 크게 향상시킬 수 있습니다.

산업 현장에서 무선 전력 전송 기술은 산업용 로봇의 유연성과 자율성을 크게 향상시키는 핵심 요소로 주목받고 있다. 유선 전원이나 배터리 교체에 의존하는 기존 방식은 로봇의 작업 범위를 제한하거나 생산 라인의 가동 중단을 유발할 수 있다. 무선 전송 기술을 적용하면 로봇이 작업 영역 내에서 지속적으로 전력을 공급받을 수 있어, 중단 없는 연속 운전이 가능해진다. 특히 복잡한 이동 경로를 갖는 AGV나 협동 로봇(Cobot)에서 그 유용성이 두드러진다.

주요 적용 방식은 공진 방식을 기반으로 한다. 작업 공간의 천장, 벽, 또는 바닥에 설치된 송신 코일과 로봇 본체에 장착된 수신 코일 사이에서 자기 공진이 일어나 수십에서 수백 와트(W) 수준의 전력을 효율적으로 전달한다. 이 방식은 수 cm에서 수 m에 이르는 비교적 긴 거리에서도 전송이 가능하며, 정확한 정렬이 필수적인 전자기 유도 방식보다 공간적 제약이 적다.

이 기술의 도입은 생산 시스템의 설계 자유도를 높인다. 전원 케이블이 없어 로봇의 이동 경로 변경이 용이하고, 방수·방진 설계가 간소화되며, 스파크 위험을 줄여 안전성을 개선할 수 있다. 또한, 산업용 로봇의 관절부에 내장되어 구동 모터에 직접 전력을 공급함으로써 기계적 마모 요소인 슬립 링을 대체하는 용도로도 연구되고 있다. 그러나 대용량 전력을 안정적으로 공급해야 하는 중장비 로봇에의 적용, 그리고 복잡한 금속 환경에서의 전송 효율 저하 문제는 여전히 해결 과제로 남아 있다.

Qi 표준은 무선 전력 전송 분야에서 가장 널리 채택된 글로벌 표준이다. 무선전력연합(WPC, Wireless Power Consortium)이 개발하고 관리하며, 주로 전자기 유도 방식을 기반으로 저전력(5W 이하)에서 중전력(최대 15W)까지의 무선 충전을 규정한다. 이 표준은 스마트폰, 무선 이어폰, 웨어러블 기기 등 휴대용 전자제품의 무선 충전 호환성을 보장하는 데 중점을 둔다.

Qi 표준은 통신 프로토콜, 전력 전송 제어, 보안 메커니즘을 명확히 정의한다. 충전 과정은 수신기(예: 스마트폰)를 송신기(충전 패드) 위에 올려놓으면 시작된다. 송신기는 주기적으로 신호를 보내 수신기의 존재를 탐지하고, 수신기는 자신의 식별 정보와 필요한 전력 수준을 송신기에 전송한다. 이후 전력 전송이 이루어지며, 수신기의 배터리 상태나 온도 변화에 따라 실시간으로 전력량을 조절한다. 이 과정에서 외부 물체 감지(FOD) 기능은 충전 패드와 기기 사이에 금속 이물질이 있는 경우 충전을 중단하여 안전을 확보한다.

Qi 표준의 버전과 지원 전력 수준은 다음과 같이 발전해왔다.

이 표준의 광범위한 채택으로 인해 다양한 제조사의 기기와 충전 장치 간 상호 운용성이 크게 향상되었다. 사용자는 하나의 Qi 인증 충전 패드로 여러 브랜드의 휴대폰을 충전할 수 있게 되었다. 또한, 공공장소(카페, 공항, 자동차 내장)에 Qi 충전 스테이션이 보편화되는 데 기여했다. WPC는 지속적으로 표준을 개정하여 효율성, 전력 전송 거리, 충전 속도를 향상시키고 있으며, 향후 중전력 응용 분야로의 확장도 모색하고 있다.

AirFuel Alliance는 무선 전력 전송 기술의 표준화와 상호운용성 확보를 목표로 결성된 산업 컨소시엄이다. 2015년 Power Matters Alliance(PMA)와 Alliance for Wireless Power(A4WP)가 합병하여 설립되었다. 이 합병은 당시 시장에서 경쟁 관계에 있던 전자기 유도 방식 기반의 PMA 표준과 공진 방식 기반의 A4WP 표준을 하나의 조직 아래 통합하여 산업의 분열을 해소하고자 한 움직임이었다.

주요 목표는 다양한 공진 방식 및 RF 기반 무선 충전 솔루션에 대한 개방형 표준을 개발하고 보급하는 것이다. 컨소시엄은 Qi 표준이 주로 대응하는 짧은 거리(접촉 또는 극근접) 유도식 충전뿐만 아니라, 중거리(수십 cm 수준) 공진 방식 및 RF(무선 주파수) 방식까지 포괄하는 표준 체계를 추구한다. 이를 통해 책상 위, 차량 내부, 공공장소 등에서 기기를 자유롭게 배치하며 충전할 수 있는 사용자 경험을 제공하는 것이 핵심 비전이다.

AirFuel Alliance가 주력하는 기술은 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있다.

이 컨소시엄에는 반도체, 소비자 가전, 통신, 자동차 등 다양한 분야의 글로벌 기업들이 회원사로 참여하고 있다. 그들은 공통의 기술 사양을 정의하고 인증 프로그램을 운영하여, 서로 다른 제조업체의 송신기와 수신기가 호환되어 작동할 수 있는 생태계 조성을 위해 노력한다. 이는 시장의 확대와 기술 채택을 가속화하는 데 기여한다.

무선 전력 전송 장치는 전선이나 물리적 접점 없이 전력을 전달함으로써 여러 가지 편의성과 실용적 이점을 제공한다.

가장 두드러진 장점은 사용 편의성의 향상이다. 사용자는 기기를 충전할 때마다 케이블을 연결하고 분리하는 번거로운 과정을 반복할 필요가 없다. 특히 스마트폰이나 무선 이어폰과 같은 일상 기기의 경우, 충전 패드나 스테이션에 올려놓기만 하면 자동으로 충전이 시작되어 편리함을 극대화한다. 이는 케이블의 마모나 접촉 불량으로 인한 문제를 근본적으로 줄여준다. 또한, 방수 및 방진 설계가 필요한 제품에서 충전 포트를 완전히 밀봉할 수 있어 제품의 신뢰성과 내구성을 높이는 데 기여한다.

안전성과 환경 적응성 측면에서도 유리한 점이 많다. 전기적 접점이 외부에 노출되지 않아 감전 위험이 줄어들고, 스파크 발생 가능성이 낮아 위험 환경에서의 사용이 비교적 안전하다. 이는 의료 임플란트나 산업 현장과 같은 까다로운 조건에서 중요한 장점으로 작용한다. 더불어, 기기의 외관 디자인에 제약을 주는 충전 포트가 필요 없어지므로, 더욱 미니멀하고 일체감 있는 디자인 구현이 가능해진다.

장기적인 관점에서 무선 전력 전송은 생활 공간의 인프라를 변화시킬 잠재력을 지닌다. 가구, 차량 내부, 공공 장소에 무선 충전 영역이 구축되면, 사용자는 어디서나 배터리 잔량에 대한 걱정 없이 기기를 자연스럽게 충전할 수 있는 환경, 즉 '언제 어디서나 충전'이 가능한 사물인터넷 생태계로 나아갈 수 있다. 이는 궁극적으로 사용자의 에너지 관리 패턴을 근본적으로 재편할 수 있는 기술적 기반이 된다.

무선 전력 전송은 편리성을 제공하지만, 몇 가지 명확한 단점과 기술적 한계를 지니고 있다. 가장 큰 문제는 유선 충전에 비해 효율이 낮다는 점이다. 전송 과정에서 발생하는 에너지 손실은 열의 형태로 방출되어, 충전 속도를 저하시키고 장치의 발열을 유발한다. 특히 송신기와 수신기 사이의 거리가 멀어지거나 정렬이 맞지 않을 경우 효율은 급격히 떨어진다. 이는 전력 소비 증가로 이어져, 에너지 절약 측면에서는 불리한 요소로 작용한다.

전송 거리와 정확한 위치 제약도 주요한 한계이다. 널리 보급된 전자기 유도 방식은 수 밀리미터에서 수 센티미터 정도의 매우 짧은 거리에서만 효과적으로 작동하며, 송신 코일과 수신 코일의 위치가 정확히 맞아야 한다. 공진 방식은 거리를 몇십 센티미터까지 늘릴 수 있지만, 여전히 제한적이며 효율은 거리에 반비례한다. 또한, 금속 물체나 전자기 간섭이 발생할 수 있는 환경에서는 성능이 크게 저하되거나 안전상의 문제가 발생할 수 있다.

비용과 복잡성 역시 장애물이다. 무선 충전 시스템은 유선 충전기에 필요한 커넥터와 케이블을 대체하기 위해 상대적으로 고가의 송신기, 수신 코일, 그리고 정교한 제어 회로가 필요하다. 이는 최종 제품의 가격을 상승시키는 요인이 된다. 또한, 서로 다른 제조사 간의 표준이 완전히 통일되지 않아, 호환성 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, Qi 표준과 AirFuel Alliance의 표준은 서로 호환되지 않는 경우가 많다.

안전에 대한 우려도 지속적으로 제기된다. 시스템에서 누출될 수 있는 잔여 전자기장이 다른 전자기기에 간섭을 일으키거나, 생체 조직에 미치는 장기적 영향에 대한 연구는 여전히 진행 중이다. 특히 고출력 전력을 원거리로 전송하는 레이저나 마이크로파 방식은 열 손상이나 방사선 안전 문제로 인해 엄격한 규제를 받고 있다. 이러한 기술적, 경제적, 안전상의 한계들이 현재 무선 전력 전송 기술이 보편화되는 데 걸림돌로 작용하고 있다.