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노트북과 자동차까지 무선으로 충전할 수 있을까?



글/마우저 블로거


조지 프리드먼(George Friedman)은 그의 저서 ‘100년 후(The Next 100 Years)’에서 우리에게 그다지 친숙하지 않은 기술 환경을 제시했다. 국제문제를 분석하고 예측하는 온라인 단체인 ‘지정학의 미래(Geopolitical Futures)’의 전략가인 프리드먼 박사는 우주에서 태양 광으로부터 포집한 태양 에너지를 지상 즉, 지구 표면에서 사용되는 전기 에너지의 주요 원천으로 보고 있다. 전기 에너지는 마이크로파 전송을 통해 지상의 수신기로 전송된다. 포집한 에너지는 무기화 할 수 있다. 적대국의 위성이나 우주 정거장을 격추하는 데 사용하는 것이다. 그러나 프리드만 박사가 제안한 가장 극적인 예측은 메가 와트(megawatt) 용량의 전기 에너지를 한 곳에서 다른 곳으로 전송하는 기능이다. 그것도 ‘무선’으로 말이다.
일본과의 우주 전쟁이나 멕시코와의 경제적 대결 같은 프리드먼의 또 다른 예측들은 보통의 독자들이 보기에 아주 터무니없는 게 아니라면 약간 기이하게는 느껴지겠지만, 이번 전망은 전혀 공상 과학 소설 같지는 않다. 그는 우주 공간에서 에너지를 무선을 포집하는 것은 이번 21세기가 끝나기 전에 가능할 것이라고 주장한다. 
현재 우리는 에너지를 무선으로 전송하는 기술을 실제로 체험하고 있다. 휴대전화 충전기, 특히 자기유도 방식의 충전기는 커피숍이나 공항 라운지에서 케이블이나 커넥터를 사용하지 않고 배터리를 충전할 수 있다. 휴대전화기 무선충전 기술은 전동 칫솔 충전 기술과 거의 같다. 이들은 전력 전송 코일과 수신기 코일 사이의 긴밀한 자기 결합을 이용한다.
휴대전화 충전 시스템이 점점 대중화되고 있는 사이, 엔지니어들은 이미 상용화의 다음 단계를 상상하고 있다. 시장의 경우, 예컨대 애플 같은 가전 회사들이 무선 충전 기술을 도입한 신제품을 내놓는다면 그렇지 않은 제품보다 소비자들로부터 더 관심을 끌 것이다. 기술 차원에서는, 무선으로 전력을 송신 및 수신할 수 있는 거리를 늘려야 하며, 그러기 위해서는 무선으로 전송할 수 있는 전력의 크기를 높여야 한다.
전류 유도 방식이나 자기공진 방식의 무선 충전기는 약 5W의 전력을 공급한다. 퀵차지(QuickCharge) 고속 충전 시스템과 마찬가지로, 전력이 더 클수록(10W) 사용자가 휴대전화 배터리를 충전하느라 커피숍의 전원 케이블 곁에 머물러야 하는 시간을 줄일 수 있다.
차세대 기술(15W)은 전자책과 태블릿용 충전 시스템을 지원한다. 25W를 전송할 수 있다면 태블릿을 무선으로 충전할 수 있고, 40~60W라면 노트북 충전도 가능한다. 송신기 코일이 수신기에서 전류 흐름을 유도하는 전자기유도 방식(inductive)이나 수신기 코일을 통한 발진이 송신기의 펄스 DC 주파수를 반영하는 공진 방식(resonant) 모두 고주파 파워 펌프처럼 에너지를 전송하는, 단단히 감긴 권선을 통한 자기 전달 기술을 사용한다.

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노트북과 자동차까지 무선으로 충전


송신기와 수신기 사이의 거리를 늘리는 것은 무선 전력 엔지니어들의 위시 리스트 중에서 여전히 높은 순위를 차지하고 있다. 무선 전력 컨소시엄(Wireless Power Consortium, WPC)과 에어퓨얼 얼라이언스 컨소시엄(AirFuel Alliance Consortium, AAC)이 승인한 무선 전력 기술 중에서, 자기공명 방식의 무선 충전 기술은 전력 송신기와 수신기 사이의 거리를 좀 더 넓힐 수 있기 때문에 충전 패드에 휴대전화를 정확히 올려놓지 않아도 된다. 휴대전화 및 모바일 장치의 경우 송신 코일이 충전 패드에 내장되어 있다. 그러나 노트북 컴퓨터나 전기 자동차용 배터리를 충전하기 위해 대형 충전 패드를 사용하려는 연구는 계속 진행 중이다. 델(Dell)은 2017년 7월에 세계 최초의 무선 충전 노트북 제품인 ‘래티튜드 7285’를 선보인 바 있다. 이 제품은 WiTricity가 개발한 자기 공진 방식의 무선 충전 기술을 채택하고 있다.
WiTricity의 비전은 차고 바닥에 충전 패드를 설치하고 이를 이용해 공진 기술을 구현하는 것이다. Wi-Tricity는 이 기술을 사무용 기기에서 전기 자동차까지 확대 적용할 수 있다고 주장한다. 레퍼런스 디자인에는 사무용 기기와 소비가전 제품을 위한 15W, 30W 시스템이 포함되어 있으며, 전기 자동차용 11kW 레퍼런스 디자인은 3.6kW~11kW까지 대응이 가능한다.
여기서 소개한 시스템들은 향후 개발될 에너지 전송(또는 무선 충전) 시스템의 굉장한 프로토타입은 아니다. 욕실에 비치된 전동 칫솔 수준에서 조지 프리드먼이 예측한 마이크로파 에너지 빔을 실현하기까지는 아직 갈 길이 멀다.

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무선충전도 와이파이 연결처럼 가능할까?


에너지 비밍(energy beaming)에 대해, 이미 몇몇 과학자와 기술자들은 이에 대한 연구에 매진하고 있다. 공진 방식의 충전 외에도, 전력 전송의 수단으로서 RF 에너지 사용을 탐구(및 촉진)하는 기업들이 많이 있다. 기본적인 아이디어는 와이파이와 무선 충전 기술의 비교에서 시작한다. “핫스팟 공간으로 들어가면 와이파이 연결이 자동으로 이루어지듯이 무선 충전이 가능한 방에서는 배터리가 자동으로 충전될 수는 없을까?”라는 발상 말이다.
공진 방식의 무선 충전 기술의 경우, 배터리로 구동되는 휴대기기가 무선 충전 패드의 어느 위치에 올려져야 하는지는 그리 중요하지 않다. 하지만 충전 패드는 일반적으로 고정되어 있다. 배터리가 충전되는 동안은 휴대전화기도 고정된다. RF 캐리어를 사용하면 휴대전화기가 이동한다 하더라도 넓은 자기장 내의 어디서든 충전이 가능하다.
이와 관련한 기업으로는 오시아(Ossia), 에너고스(Energous), 유빔(uBeam)이 있다. 이들은 무선 충전 시스템보다는 와이파이 같은 ‘환경’을 조성하는 일에 더 큰 관심을 보인다. 하지만 이들 중 어느 곳도 아직 상용 제품을 출시하지는 않았으며, 몇몇 기술 담당 기자들 사이에서는 와이파이 컨셉트의 환경이 작동할지에 대해 회의론이 나타나기도 한다.
오시아는사무실의 천정에 통합할 수 있는 1 피트 크기의 코타(Cota) 타일(송신기, 수신기)을 시연했다. 작동 시, 코타 에너지 패킷은 블루투스 패킷보다 1,000 배 더 작을 정도로 매우 작다. 에너지 전송은 비콘 신호를 보내는 수신기에 의해 지시된다. 코타 송신기는 펄스를 확인한 다음, 수신자가 사용한 바로 그 경로를 통해 전력을 돌려보낸다. 코타 시스템은 RF-전도성 인터페이스를 필요로 하며, LoS(line-of-sight)로 신호뿐 아니라 벽에서 튕기는 신호까지도 추적한다. 실제로 이 송신기에는 265개 이상의 개별 신호 경로가 있는 위상 배열 안테나가 포함되어 있다. 이러한 다중 경로 기능을 통해, 이 송신기는 필요할 때 전력을 되돌릴 수가 있다. 오시아 USA 투데이에 보여준 시연 장면에서 코타는 3~6 피트만큼 떨어진 휴대전화기를 1W의 전력으로 충전했다.
RF 전력 전송의 수혜자가 되길 바라는 또 다른 기업인 에너고스는 다이얼로그 세미컨덕터(Dialog Semi-conductor)로부터 1천 5백만 달러의 투자를 유치한 바 있다. 애플에 전력 관리 IC를 공급하는 다이얼로그는 거래 조건에 따라 에너고스의 ‘WattUP’ 에너지 전송 시스템의 전력 반도체 공급회사가 된다. 또한, 애플 아이폰용 전원 관리 장치를 만드는 다이얼로그는 블루투스 기술 분야를 주도하고 있다고 주장하기도 한다.
이 기술은 원거리(far-field), 중거리(mid-field) 및 근거리(near-field)라고 불리는 ‘반복(iterations)’이나 문구(phrases)로 구현된다고 한다. 원거리 에너지는 15 피트 크기의 방에 있는 기기들을 충전할 수 있다. 중거리 에너지(책상에 있는 송신기)는 책상이나 탁자 정도 크기 위에 있는 모든 기기들을 충전할 수 있다. 근거리 에너지는 유도 방식 충전과 동일하며 한 번에 하나의 장치를 충전한다. 에너고스는 2017 년 말에 첫 번째 근거리 제품을 출시한 바 있다.
또 다른 회사인 유빔은 목표로 하는 전력을 초음파 기술을 통해 전송하는 솔루션을 개발하고 있다. 이 기술은 아날로그 기술의 한 형태로, 가청주파수 밖의 범위에서 전송된다.

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leekh@semiconnet.co.kr
(끝)
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