이론적으로 전자파를 이용해 높은 효율로 무선전력전송을 하기 위해서는 전자파의 주파수가 높으면 높을수록 좋다. 마이크로파 정도의 주파수를 사용할 수 있게 되면서 드디어 실용적인 무선전력전송의 실증실험이 성공한 것이다.

패러데이의 법칙이나 앙페르의 법칙을 통합한 맥스웰 방정식은, 당시 않았던 전자파를 예언했다. 그 후 하인리히 헤르츠의 유명한 실험을 통해 전자파의 공존이 실증됐는데, 동시에 포인팅에 의해 전자파가 에너지라는 사실이 정식화되면서 무선전력전송의 기초 이론이 확립됐다. 

1990년을 전후로 니콜라 테슬라에 의한 전자파를 이용한 무선전력전송 실증실험이 실시됐으나 실패로 끝났고, 보다 실용적인 무선전력전송은 1960년대 윌리엄 브라운의 실증실험을 통해 실현됐다. 테슬라가 실패하고, 브라운이 성공한 이유는 마이크로파라는 고주파의 존재에 있다. 이론적으로 전자파를 이용해 높은 효율로 무선전력전송을 하기 위해서는 전자파의 주파수가 높으면 높을수록 좋다. 마이크로파 정도의 주파수를 사용할 수 있게 되면서 드디어 실용적인 무선전력전송의 실증실험이 성공한 것이다. 

그러나 마이크로파를 가지고도 무선전력전송은 상용화에는 이르지 못했다. 일례로 세계 최초의 고정점 간 마이크로파 무선전력전송 실증실험으로, 1975년 미국 Goldstone에서 이루어진 실험이 있다. 

송전 시스템은 450kW CW 클라이스트론과 26mφ의 카세그레인 파라볼라 안테나를 조합한 것으로, 마이크로파 주파수는 2.388GHz였다. 송수전 거리는 1.54km로, 3.4m×7.2m=24.5m2의 수전 정류 안테나로부터 30kW의 직류 전력을 RF-DC 변환 효율 82.5%로 얻었다고 알려졌다. 

450kW 마이크로파 방사에 대해, 30/0.825≒36.4kW가 정류 안테나에 입사한 계산이 되기 때문에, 빔 효율(송전 안테나로부터 방사된 전자파가 수전 안테나에 닿는 효율)은 최대 8% 정도였다. 1.54km 떨어진 거리에 무선전력전송을 하는데 26mφ의 파라볼라를 이용해도 빔 효율이 너무 낮았다. 빔 효율은 송수전 안테나의 크기, 송수전 간 거리, 그리고 주파수의 파라볼라로 결정되는 것이기 때문에 이는 이론의 문제이지 기술의 문제는 아니다. 

주파수를 높이면 높일수록 안테나를 작게 할 수 있고, 또는 보다 먼 거리의 무선전력전송이 가능한데, 주파수를 높이면 DC-전자파 및 전자파-DC의 변환회로의 효율이 일반적으로 저하되기 때문에 DC-무선송전-DC의 종합효율을 생각했을 때, 반드시 고주파화가 유리하다고 볼 수도 없다. 따라서 전자파를 이용한 무선전력전송을 보다 실용화시키기 위해서는 다음의 응용·방책을 생각할 수 있다. 

(1) ‌우주태양발전소 SPS(Solar Power Satellite/Station)

무선화에 의한 효율 저하(DC-무선송전-DC에서 약 50%)를 우주 공간에서의 총발전량 증가(약 10배)로 보충한다. 또한 일반적인 SPS의 설계로 송수전 안테나가 2kmφ 이상(@5.8GHz)이 되는 사이즈도 우주로부터의 송전(36,000)일 경우에는 보다 실용적이다. 

(2) 밀리파 무선전력전송

고주파화를 통해 빔 효율을 향상시킨다. DC-전자파 및 전자파-DC 변환회로의 효율 향상에 대한 연구가 필수다.

(3) 근거리 대전력 무선전력전송

전자파의 확산을 안테나 직경이 아닌 거리로 억제함으로써 고효율화 및 소형화한다. 전자파 무선전력전송의 특징인 송수의 위치 정렬 여유도는 그대로다. 전자파를 집중시킬 필요가 거의 없기 때문에 저주파 이용도 가능하다. 근거리의 경우 대전력 송전에 대한 요구가 높기 때문에 전력/전자파 변환의 반도체 전력 한계와 효율이 다음 연구에서 해결해야 할 과제다. 

(4) ‌2차원 무선전력전송 또는 도파관 전송

전자파가 3차원으로 확산되기 때문에, 거리의 제곱에 반비례해 밀도가 내려가는 것을 2차원으로밖에 확산되지 않는 시트 형상의 도파관 혹은 1차원 전파의 도파관을 이용해 전자파의 확산을 억제한다. 

(5) ‌유비쿼터스 전원 또는 에너지 하베스팅

무선의 장점을 살려 전자파를 집중시키지 않고 통신과 같이 전력을 넓은 범위로 보낸다. 때문에 통신과 같이 전자파 확산에 따른 전파 손실이 그다지 문제가 되지 않는 시스템이 된다. 송전 시스템을 갖추면 ‘유비쿼터스 전원=무선전력 전송’이 되며, 통신·방송파로부터 전력을 취하면 ‘에너지 하베스팅’이 된다. 전자파를 집중시킬 필요가 별로 없기 때문에 저주파의 이용도 가능하다. 

(6) 이동체의 무선전력전송

유선이나 전자유도/공명송전에서는 곤란하며, 배터리보다도 지속 시간이 길고 경량화가 가능하다. 

SPS는 1968년에 미국에서 처음 제창된 이래 1980년대 이후에는 일본이 세계 연구를 선도해 왔다. SPS는 지구의 그림자에 들어가지 않는 정지 위성 궤도에 태양전지 위성을 설치해, 비에도 감쇄하지 않는 ‘전파창’ 주파수인 마이크로파를 이용해 지상에 무선전력 전송함으로써 태양전지의 설비 가동률을 95% 이상으로 향상시켜(지상 설치의 경우 일본에서는 14~5% 정도), 안정적이며 CO2가 없는 대규모 전원으로의 이용이 가능하다(그림 1). 

▲ 그림 1. SPS의 일반적인 개념과 파라미터

1970년대 이후의 마이크로파 무선전력 전송은 SPS가 견인하고 있다. 이때까지 다양한 SPS 연구가 있었지만 2009년에 제정된 일본의 우주기본 계획에서 ‘지정학적 영향을 받지 않고 안정적이고 깨끗한 에너지를 이용할 수 있는 우주에서의 태양광 발전 시스템에 관해, 실현에 필요한 기술의 연구 개발을 진행해, 지상에서의 재생 에너지 개발의 진보와 비교하면서 10년 정도를 목표로 실용화를 위한 전망을 세운다’라고 기술한 점은 매우 중요하다. 이 방침을 바탕으로 2009년도부터 경제산업성 주도로 태양광발전 무선 송수전 기술연구개발(마이크로파를 이용한 정밀 빔 제어 기술의 연구개발)이 이루어지고 있다. 이번 연구 개발에서는 우주 태양광발전 시스템의 실현을 위한 최초의 목표인 마이크로파를 이용한 에너지 전송의 지상 기술 실증을 목표로, 우주항공연구개발기구(JAXA)와 제휴·협력해 안전성과 효율성 확보에 필요한 정밀 빔 제어 기술의 연구개발을 실시하는 것을 목적으로 하고 있다. 2012년 현재도 연구개발은 진행 중이며 고효율 박형 마이크로파 송전용 페이즈드 어레이나 고효율 수전 정류용 정류 안테나의 개발을 진행하고 있다. 

주파수를 높여 안테나 직경을 작게 하는 것은 어렵지 않지만 회로 효율의 향상이 과제이다. 세계적으로도 10GHz 이상의 무선전력전송의 연구 예가 많지는 않지만, 교토대학에서는 NTT와 공동으로 24GHz 무선전력전송용 MMIC 정류 안테나 개발에 성공했다. 개발된 MMIC 정류 안테나를 그림 2(a)에, RF-DC 변환 효율의 이론값과 실험값을 그림 2(b)에 나타낸다. 120Ω의 부하를 연결할 경우, 210mW@24GHz의 입력에 대해, RF-DC 변환 효율 47.9%, 30Ω 부하 접속의 경우, 181mW@24GHz 입력으로 41.4%를 실현했다. 지금까지 개발된 2.45GHz나 5.8GHz의 정류 안테나나 35GHz 정류 안테나의 효율 경향에 비추어 보더라도 MMIC화된 정류 안테나로서도 충분히 높은 효율이라고 할 수 있다. 

▲ 그림 2. (a)24GHz MMIC 정류 안테나                      (b)MMIC 정류 안테나의 RF-DC 변환 효율 특성(120Ω 부하)(이론값과 실험값)

회로 효율을 고려하면 주파수는 낮은 편이 좋지만 안테나 직경을 크게 하고 싶지 않은 경우에는 송전 거리를 근접시킬 필요가 있다. 전형적인 응용 예가 전기자동차의 무선충전이다. 세계적으로는 자장을 통한 전자유도나 공명 송전이라는 코일 간의 커플링을 이용한 근거리 비접촉 급전 방법이 주류이지만 마이크로파를 이용한 무선충전에 대한 연구도 많이 존재한다. 교토대학은 지금까지 도요타자동차, 닛산자동차, 볼보와 공동 연구를 해왔다. 미쓰비시중공업은 미쓰비시자동차공업, 후지중공업, 다이하츠공업, 교토대학과 공동으로 마이크로파를 이용한 전기자동차 무선충전 연구를 진행했다. 

이들 연구에서는 비용과 효율을 중시해 2.45GHz의 민생용 마그네트론을 송전기로 이용, 지면에 배치한 마이크로파 송전 시스템으로부터 차체 하면에 배치한 마이크로파 수전 시스템으로 무선급전하는 방식을 선택했다. 마이크로파 무선전력전송은 다른 비접촉 급전 방식과는 달리 안테나가 커플링하지 않고 전자파의 방사로 일단 분리되기 때문에 이동 중 충전에도 적합하다. 

또한 정보통신이나 에너지 하베스팅의 융합에 의해 다양한 센서로의 동시 급전도 가능하다. 무선급전의 특징을 살리면 주차 시에 전기자동차를 충전할 수 있을 뿐만 아니라 이동하는 전기자동차에 지속적으로 급전이 가능하다. 전기자동차의 이동 중 무선급전 시스템은 우선 마이크로파 무선전력전송 시스템을 이용한 것이 제안, 실험되고 있다.  

2012년에는 2.45GHz를 이용해 송전 거리 약 4m에서 10kW 클래스의 무선급전 실험을 실시, 10kW에서 정류 안테나의 변환 효율 84%를 실현했다. 마이크로파 무선전력전송의 특성을 살려, 트럭의 높이가 달라도 일정 효율로 무선급전하는 것을 목표해 송전 안테나의 설계 최적화를 진행하고 있다. 

유비쿼터스 전원과 에너지 하베스팅은 송전 시스템을 스스로 갖는지 아니면 다른 통신·방송파를 이용할 것인지의 차이와, 수전하는 전자파가 무변조인지 아니면 변조되어 광대역인지의 차이가 있을 뿐이다.  

마이크로파 무선전력전송은 연구 역사도 길고, 이처럼 장점을 살리고 결점을 보완하는 다양한 애플리케이션이 제안되면서 연구가 진행되고 있다. 마이크로파 무선전력 전송은 현재는 전파법의 규정이 없기 때문에 RF-ID 등의 기술을 이용하는 유비쿼터스 전원이나 방송·통신파를 이용하는 에너지 하베스팅 이외에는 아직 상용화가 어려운데, 현재 실용화를 위한 총무성과의 논의가 이루어지고 있다. 

전자유도나 공명 송전, 그리고 환경 발전이라 불리는 전자파 이외의 에너지 소스로부터의 에너지 하베스팅 등과 배터리리스·코드리스 기술을 통해 앞으로도 연구 개발을 진행해 무선전력전송이라는 새로운 영역을 정착시켜 가는 것이 중요하다. 

시노하라 나오키(篠原 真毅)

교토대학 생존권연구소 교수

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