무선충전 시스템 위에 주차해두면 충전
우주서 생성한 전기에너지 지구로 송출
화석연료 시대 끝…기후변화 재앙 막아

무선전력 전송(wireless power transmission, WPT)은 4차 산업혁명 시대의 핵심 기술 중의 하나이다. 거의 모든 기술 산업은 전기를 기반으로 하며, 다른 기술과의 융합으로 엄청난 시너지 효과를 낼 수 있기 때문이다.

특히 사물인터넷 기술을 적용한 스마트 시티나 스마트 팩토리를 구현하기 위해서는 무선충전 인프라 구축이 필수다. 이미 상용화된 근거리 무선충전을 넘어 중·장거리 충전을 실현하는 기술개발이 구현된다면 일상생활과 밀접한 전자제품은 물론 의료, 농업, 건설업 등 연계 활동 가능한 스펙트럼이 무궁무진하다. 무선전력에 대한 아이디어는 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)에서 시작되었다.

유선을 통한 전력공급의 불편함을 간파한 니콜라 테슬라가 유선시대 초기인 1899년 이미 무선전력 전송을 제안하고 실험적으로 시도했으나 낮은 효율로 인해 상용화되지 못했다.

그 이후로도 전파를 이용한 전력전송에 관한 연구는 간간히 있었으나, 그것은 특수 목적을 위한 시험연구가 대부분을 차지했다. 그러던 중 무선전력 전송에 대한 관심은 2007년 마린 솔랴치치(Marin Soljacici) 교수 연구팀이 사이언스지에 발표한 자기공명방식 논문으로 새롭게 촉발된 것이다.

현대인들에게 있어서 스마트폰과 전기자동차는 일상의 필수품이지만 여전히 불편함을 느낀다. 그것은 다름 아닌 배터리가 방전되면 무용지물이 되기 때문이다. 그러나 스마트폰을 들고만 있어도 충전이 되고 전기차를 타고 달리는 도중에 자동적으로 충전이 가능한 시대가 성큼 다가오고 있다. 바로 무선전력 전송 기술이 그것이다. 이 기술이 범용되면 스마트폰을 사용하면서도 충전이 가능해진다. 전기차의 경우도 고정식 무선충전 시스템은 충전 케이블 없이 무선으로 배터리를 충전하는 기술이 가능해진다는 것이다.

무선충전 시스템 위에 차량을 주차해두기만 하면 충전이 된다. 주차면에 설치된 패드(PAD)와 전기차 하단의 충전 장치 사이에 유도전력이 작동해 충전이 이뤄지고 충전이 끝나면 휴대폰으로 완충 사실을 알려준다. 차량과 충전 매개체 사이의 거리가 멀어져도 충전이 가능한 자기공명방식의 무선충전 기술이 연구되고 있기 때문에 배터리 방전 걱정 없이 운전이 가능하다는 것이다.

무선전력 전송이 가능해지면 더 이상 한전의 변전소와 고압송전탑 설치가 필요 없어지며, 전송 시 발생하는 상당량의 전력 손실도 막을 수 있다고 한다. 뿐만 아니라 더 이상 연장 코드나 멀티 콘센트도 필요하지 않으며, 핸드폰 충전기 역시 사라지게 된다. 무선전력은 사물인터넷의 모든 잠재력을 실현하는 핵심 열쇠가 될 수 있다.

전기차 배터리 최소 단위인 셀을 연결하는 소재인 PFC가 적용된 배터리 플랫폼 이미지. (사진=두산그룹)

무선전력 전송 기술은 크게 세 가지 방식으로 나눠진다. 가까운 거리에서 사용할 수 있는 자기유도방식(inductive charging)과 수십 미터 정도 떨어진 거리에서 사용할 수 있는 자기공명방식(magnetic resonance) 그리고 수백 미터를 넘어 멀게는 우주와 같은 원거리에서도 사용할 수 있는 마이크로파 방식(microwave system)이다.

최근에 들어와서 전력 전송거리의 한계를 극복하고자 하는 시도로 마이크로파나 밀리미터파(millimeter wave) 대역 통신에 많이 사용되는 위상배열 안테나 개념을 무선전력 전송에 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다고 한다.

이는 2차원 배열안테나에 급전되는 신호 크기와 위상을 조절함으로써 공간 내 원하는 위치에 전파를 집중하는 방식으로 미드 필드(Mid Field)와 파 필드(Far Field) 내에서 소전력 전송 시 전력 전송 효율 향상을 도모하고 공간적인 제약을 극복할 수 있다고 한다.

무선전력 전송 기술은 지상에 그치지 않고 우주로까지 확장되고 있다. 우주 태양광발전은 거대한 태양광발전 장치를 단 위성을 정지궤도에 띄어놓고 전기를 생산한 후, 거기서 얻은 에너지를 지구로 송출한다는 개념이다.

우주에서 태양광을 이용해 전기를 만들면 그 에너지의 양은 어마어마할 것이다. 날씨에 구애받지 않을 뿐만 아니라 밤낮에 상관없이 24시간 풀가동할 수 있기 때문이다.

전문가들은 우주 태양광이 지상보다 10∽20배 정도 효율이 높을 것이라고 예상하고 있다. 이때 우주에서 만들어진 전기를 지구로 가져오기 위해 무선전력 전송 기술이 활용된다.

미우주항공국(NASA)은 우주정거장에서 무선전력 전송 기술을 시험하고 2040년경에 우주 태양광발전을 상용화하겠다는 야심찬 계획을 발표했다. 우주 태양광발전은 오늘날 다양한 연구와 기상 모니터링 등을 위해 사용하는 큐브 위성 및 마이크로 위성과도 연관이 있으며, 이들 위성은 자체 전력을 사용한다는 것이다.

머잖아 우주 태양광발전이 실현되는 날이면 분명 화석연료로 인해 유발된 기후변화의 재앙으로부터 해방되어 살기 좋은 지구환경으로 거듭날 것이기에 그날을 학수고대해본다.


*구병두((사)한국빅데이터협회 부회장/ 전 건국대학교 교육대학원 교수/(주)테크큐 연구소장)