무선 전력 전송: 현실화 되고 있는 20세기 초의 테슬라의 무모한 도전

전기차는 도로에 설치된 자기 공진 패드로 주행 중에도 전력을 얻고, IoT와 스마트 기기는 전자기파로 동작합니다. 또한 오지에서는 태양광 위성의 mm-Wave로 모빌리티와 센서에 전력을 공급합니다. 20 세기 초 니콜라 테슬라의 무모한 도전이 지금 현실화되고 있습니다. 이 글에서는 무선 전력 전송 기술의 개발현황과 미래 동향 및 우리나라의 선결 과제에 대하여 알아보겠습니다.

1. 제4차 친환경 자동차 기본계획의 성과 분석

제4차 친환경 자동차 기본계획은 2021년부터 2025년까지 시행되는 중요한 정책입니다. 이 계획은 전기차의 보급을 중심으로 친환경 자동차 시장을 선도하고자 합니다. 계획에 따르면 2025년까지 전기차 113만 대를 보급하고, 2030년까지는 이 수를 300만 대로 늘리는 것이 목표입니다. 그러나 현재까지는 작년 말 기준으로 39만 대(34.5%) 정도의 보급량에 불과하여 목표에 도달하지 못한 상황입니다. 이는 충전 시설의 부족과 충전 시간이 긴 것 등이 원인인 것으로 분석되고 있습니다.

2. 무선 전력 전송 기술의 발전과 기대 효과

1906년 미국의 과학자 니콜라 테슬라는 무선 전력 전송 기술이 미래를 혁신할 것이라고 예언했습니다. 당시 그는 무선으로 전력을 전송하기 위해 20m 높이의 철탑을 세우는 실험을 시도했지만, 그 당시에는 기술적 한계로 실패했습니다. 
무선 전력 전송 기술은 전기차 산업에 큰 혁신을 가져올 수 있는 기술 중 하나입니다. 이 기술이 발전하면, 전기차 부품인 배터리 비용 등을 최대 40%까지 절감할 수 있습니다. 

3. 자기장 기반 전력 전송 기술의 성과

우리의 일상에서 접하는 무선 전력 전송은 대부분 자기 유도 방식을 활용한 것입니다. 하지만 이 방식은 원거리 전력 전송에는 적합하지 않습니다. 그래서 연구자들은 더 나은 방식을 모색해왔습니다. 2007년 MIT에서는 자기 공진 방식을 사용하여 2.4m 거리에 있는 60W 전구에 불을 밝히는 데에 성공했습니다. 이후, 한국과학기술원(KAIST)은 2009년에 20kHz 대역의 자기 공진 방식을 개발하여 전기 버스의 무선 충전을 성공시켰습니다. 이 기술은 계속해서 발전하여 85kHz 대역의 무선 충전 전기 버스가 대전광역시에서 운행되고 있습니다.

4. 데이터를 뛰어넘는 전자기파 전력 전송 기술

무선 통신은 데이터 전송에 주로 사용되어왔습니다. 그러나 전자기파의 출력을 높이면 원거리에서도 전력을 전송하는 데 사용할 수 있습니다. 최근에는 미국 기업들이 915 MHz 전자기파를 사용하여 5m 정도 떨어진 거리에 있는 기기에 3~5W의 전력을 공급하는 제품과 솔루션을 선보였습니다. 이들 제품은 이미 미국 FCC 등의 인증을 받았으며, 다양한 산업 분야에서 활용될 전망입니다.

5. 우주에서의 태양광발전 위성을 통한 전력 전송 기술

미국 NASA는 태양광발전 위성을 개발하여 지상에 전력을 공급하는 계획을 추진 중입니다. 이를 통해 태양광 에너지를 우주에서 직접 수집하고, 밀리미터 전자파(mm-Wave)로 지상으로 전송할 수 있습니다. 최근 미국 캘리포니아공대는 태양광발전 위성의 성능을 검증하기 위해 위성을 발사하여 550Km 저궤도 상공에서 태양광발전에 최적인 패널 성능 검증 등 핵심 부품들을 비교하며 검증에 성공을 거두었습니다. 이러한 혁신적인 기술은 에너지 분야에 혁명을 가져올 것으로 기대됩니다.

6. 미래 동향

전기차와 무선 전력 전송 기술은 서로 긴밀한 관련성을 갖고 있습니다. 전기차는 도로에 설치된 자기 공진 패드를 통해 충전할 수 있으며, 전자기파를 활용한 전력 전송 기술은 IoT 기기 등에 적용되고 있습니다. 전파 관련 기술은 지속적으로 발전하고 있으며, 무선전력전송은 전파를 활용한 Killer 산업으로 지속적 성장이 예상됩니다.

7. 우리나라의 선결 과제

우리 기업이 무선전력전송 시장에서 선도적 역할을 하기 위해서는 아래와 같은 정부와 민간 단체 간의 협력이 필수적입니다.

1)  국제 표준 주파수 대역의 기술 확보

먼저, 국제 표준을 준수하는 노력이 필요합니다. 현재 국제 전기통신연합 무선 통신 부문에서 스마트 기기용 자기장 전력전송의 표준 주파수 대역을 논의하고 있는데, 이에 따르면 5개의 대역이 새롭게 검토되고 있습니다. 그러나 이 중 4개의 대역은 국내에서 무면허로 사용할 수 없는 대역이기 때문에 우리 기업이 해외 시장에서 경쟁력을 확보하기 위해서는 해당 대역의 기술 확보가 절실합니다.

2)  화합물 반도체의 국산화 촉진

또한, 화합물반도체의 국내 생산을 촉진하기 위한 노력이 필요합니다. 자기 공진 방식과 전자기파 방식의 전력전송에서 핵심 부품으로 사용되는 SiC와 GaN 같은 화합물 반도체는 국내 수요 중 90% 이상을 해외에서 수입하고 있습니다. 따라서 우리는 국내 화합물 반도체 산업을 강화하고 지속 가능한 생태계를 구축하기 위해 노력해야 합니다. 우리의 기술은 세계 최고 수준의 기업과 어깨를 나란히 할 만큼 경쟁력을 가지고 있습니다. 국내 기업의 시장 경쟁력을 강화하기 위해서는 빠른 개발과 신속한 시장 진입을 위한 기반을 확충해야 합니다.