426㎞. 현재 완전 충전 상태의 전기 자동차로 갈 수 있는 최대 거리다. 한 번 충전으로 서울에서 부산까지 갈 수 있다. 하지만 주행거리가 이렇게 긴 차량은 테슬라모터스의 모델 S 한 종류뿐이다. 일반적으로 전기 자동차가 한 번 충전으로 주행할 수 있는 최대 거리는 150㎞ 정도다.

이를 극복하는 대안으로 떠오르고 있는 것이 경북 구미에서 운행되고 있는 무선충전 전기 버스다. 무선충전 전기 버스는 운행하면서 실시간으로 도로에 매설된 전력선을 통해 전기를 무선으로 공급받기 때문에 전기 자동차의 짧은 운행거리가 문제 되지 않는다.

무선전력전송은 여러 전자 회사에서 관심을 쏟는 분야다. 스마트폰과 같은 휴대용 전자 기기, 전기를 이용한 자동차, 드론 같은 무인기는 물론 우주에서 태양광 발전으로 생산된 전기를 지구로 전송할 때도 사용할 수 있을 전망이다. 문제는 아직 무선전력전송을 사용할 수 있는 곳이 제한적이라는 것이다.

거리와 구조는 OK, 효율과 크기는 NO

지난 4월 한국과학기술원(KAIST) 임춘택 교수 연구실에서 5m 떨어진 곳까지 전력을 무선으로 전송하는데 성공했다. 임 교수팀은 자기공진 무선전력전송 방법을 사용했다. 이 방법은 2007년에 매사추세츠공대(MIT) 연구팀에서 처음 제안했고, 2.4m까지 전력 전송에 성공했다. 임 교수팀은 기술 개발로 거리를 약 2배 늘리는데 성공했다.

특히 임 교수팀의 방법은 더 멀리까지의 전송에 성공했다는 점에서도 의미가 있지만 단순하다는 점이 장점으로 꼽힌다. MIT에서 제안하고 성공한 방법은 총 4가지 종류의 코일 이용이다. 송신부에 2개, 수신부에 2개가 각각 사용된다. 하지만 임 교수팀은 송신부와 수신부에 각각 한 개의 코일을 사용했다. 그만큼 구조가 단순해졌다.

임 교수팀의 연구 성과를 상용화하기에는 아직 시간이 더 필요하다. 효율과 크기 문제 때문이다. 임 교수팀의 실험 결과를 담은 논문에 따르면 실험은 3m, 4m, 5m 거리에서 실시됐다. 그리고 각각 1403W, 471W, 209W의 전력을 전송하는데 성공했다. 하지만 효율은 29%, 16%, 8%에 불과하다.

209W를 5m 떨어진 곳까지 전송하기 위해 약 2612W를 사용했다는 말이다. 일반 가정에서 한 번에 사용할 수 있는 최대 전력이 3000W인만큼 무선전력전송을 이용하면 가정에서 사용 가능한 전기를 거의 다 써도 형광등 10개를 켜기가 어려울 정도로 효율이 낮다. 게다가 전력 전송 장치도 크다. MIT에서 사용한 전력전송 장치보다는 작지만 여전히 송신과 수신에 각각 2m 정도 크기의 장치를 사용해야 한다. 휴대는 불가능하다.

휴대용 무선 전송, 효율보다 크기와 거리

수신부의 크기를 줄인 원거리 전송은 자기공진 방식보다 고주파수의 전자기파와 렉테나를 이용한 방법이 성과를 보이고 있다. 안테나를 통한 통신 방법을 전력 전송에 응용한 방법이다.

이 방법에서 핵심 장치는 렉테나다.

렉테나(Rectenna)는 교류를 직류로 만들어 주는 전기 장치인 정류기(Rectifier)와 전자기파를 수신하는 안테나(Antenna)를 합성한 말이다. 이름처럼 정류기와 안테나를 합쳐서 만든 장치다. 안테나에서 전자기파를 수신하면 정류기에서 직류 전력으로 변환한다.

이는 우주에서 지구로 전력을 보내는 방법으로 구상됐다. 인공위성에 태양전지 패널을 설치하면 지상 태양발전에 비해 태양에너지가 대기를 통과하면서 발생하는 손실이 없고, 무중력 상태에서도 안정된 전력 생산이 가능하다는 게 장점이다.

렉테나를 이용하면 우주에서 고효율로 만들어진 전력을 지구로 전송할 수 있다. 하지만 전송 효율이 낮다. 태양에너지나 전기에너지는 전자기파 형태이기 때문에 결국 대기에 흡수되거나 흩어지면서 에너지가 손실된다. 우주까지 나아가서 전력을 생산한다는 의미가 없다는 말이다. 렉테나는 드론 같은 무인비행선에 전력을 전달하는 방법으로 고려되기도 했다. 하지만 이 경우도 에너지가 대기 중으로 전달되기 때문에 전력 손실 문제가 발생한다. 또 에너지를 충분히 전달하기 위해서는 안테나 크기가 커야 하는데 비행선에는 큰 안테나를 설치하기 어렵다는 문제가 있다.

하지만 지난해 미국의 스타트업 오시아(Ossia)는 렉테나의 새로운 사용법을 제시했다. 스마트폰 같은 휴대 기기에 사용하는 방법이다. 렉테나를 이용하면 효율이 떨어지더라도 멀리까지 전력을 전송할 수 있다는 점을 활용했다. 오시아가 선보인 기술은 10m 이상 떨어진 곳까지 전력을 보낼 수 있다. 스마트폰 같은 휴대용 기기는 소비전력이 10W 정도에 불과해 10% 효율로 전달하더라도 100W의 전력만 있으면 충분하다. 다만 안테나를 이용하면 특정한 방향으로만 전력을 보낼 수 있기 때문에 안테나가 향한 방향 이외에는 사용할 수 없다는 점은 해결해야 할 문제다.

용도에 따라 특화된 기술개발이 열쇠

무선전력전송에는 자기공진 방식이나 전자기파를 이용하는 방법 외에 자기유도를 이용한 방식도 있다. 교통카드나 전동칫솔 등에 사용되는 등 현재 가장 많이 쓰이는 방식이다. 일부 스마트폰 무선 충전에도 사용한다. 하지만 이 방법은 전력 전송 거리가 몇 ㎝에 불과한 한계가 있다. 여러 한계가 있음에도 전자 기기 사용이 증가하면서 무선전력전송 기술이 주목을 받고 있다. 전기 자동차에서도 별도의 전선을 이용하지 않고 주차장에서 바로 무선으로 충전할 수 있도록 하는 방법이 연구되고 있다.

핵심은 효율과 거리 중 어떤 점을 특화할지 결정하는 것이다. 스마트폰 같은 모바일 기기는 전기 용량이 작기 때문에 낮은 효율에서도 문제가 없다. 대신 전원장치에서 어떤 방향으로, 얼마나 떨어져 있든 충전에 신경 쓰지 않고 사용할 수 있어야 한다. 특히 최근 주목받는 웨어러블 장치의 경우 배터리 무게와 수명이 장치의 휴대성과 사용시간에 걸림돌이 되고 있는 만큼 무선전력전송 기술의 발전은 돌파구가 될 수 있다.

반면 전기 자동차에 사용되는 무선전력전송은 특정한 장소에서만 사용하더라도 고효율이 있어야 한다. 이 경우 적어도 90% 중반의 효율성이 나와야 한다고 전문가들은 이야기한다. 어떤 방향으로든 목적에 맞는 무선전력전송 기술개발이 이뤄진다면 복잡한 전선으로부터 자유로워질 날이 올 것이다.


출처 : 머니투데이