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Nikkei X-TECH_2020.7.3

주행 중인 EV에 광무선 급전 기술 제안
수 km 떨어진 곳에 kW급 전력 공급, 드론용으로 진화

도쿄공업대학 미야모토(宮本) 교수는 출력이 kW급으로 큰 레이저 광선으로, 주행 중인 전기자동차(EV)에 전력을 보내는 광무선 급전 기술을 제안했다. 수십 m~수 km 멀리 떨어진 곳에 급전을 할 수 있다. 레이저의 방향을 바꾸는 것은 간단하기 때문에 움직이는 차량을 추종하기 쉽다. 안전 확보에는 연구가 필요하지만 기본적인 기술은 확립했으며, 가까운 미래에 실용화를 계획하고 있다.

광무선 급전은 고출력 레이저 등을 태양전지에 조사함으로써 전력을 전송하는 기술이다. 미야모토 교수는 지금까지 출력이 수 W~수십 W의 표면 광방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser: VCSEL)로 드론 등을 급전하는 기술을 연구해 왔다. 20년 5월에 자동차기술회에서 발표한 논문 내용이, 출력을 kW급으로 높임으로써 주행 중인 EV에 급전하는 구상이다. 미야모토 교수는 “자동화된 공장 내부를 주행하는 무인반송차(AGV)에 대한 급전이라면 5년 이내에 실용화가 가능하다”라고 말한다.

무선급전의 주류는 전자유도 방식이다. 2개의 코일을 마주 보게 하고, 한쪽에 전류를 흘려 보내 발생한 자속을 매개로 다른 한쪽의 코일에 전력을 보낸다.

급전 효율은 높지만 kW급 정도가 되면 코일은 직경 수십 cm로 크고, 무거워지기 쉽다. 급전 거리는 겨우 수십 cm로 짧아, 정차 중의 EV에 급전하는 것이 기본이 된다. 도로에 많은 코일을 매설해 주행 중에 급전하는 구상은 있지만 1km당 약 1억엔의 부설 비용이 든다고 한다. 실현성이 떨어졌다.

광무선 급전은 효율에서 전자유도 방식에 미치지 못하지만 급전 거리는 수십 m~ 수 km로 압도적으로 길다. 출력에 따라 다르지만 레이저광은 먼 곳까지 직선으로 나가기 때문이다. 또한 미러를 사용하면 레이저광의 방향은 간단히 바꿀 수 있다. 예를 들면 가로등에 레이저 광원을 설치, 카메라 등으로 차량의 움직임을 감지하면 주행 중의 차량에 레이저광을 조사해 급전할 수 있다.

-- 스마트폰용에서 가까워지는 실용화 --
광무선 급전의 실용화는 우선 수 W급의 저출력 용도에서 시작될 것으로 보인다. 이스라엘의 스타트업 기업 Wi-Charge는 수년 내에 수 W의 적외선 레이저로 4m 정도 떨어진 스마트폰에 급전하는 기술을 개발하고 있다. 최근에는 NTT도코모와 협력했다.

미야모토 교수는 그 후에 수백 W급으로 높여, 하늘을 나는 드론에서 실용화될 것으로 생각한다. 레이저의 방향을 바꾸기 쉽고, 멀리 떨어진 곳에 급전하는 특징을 활용하기 쉽기 때문이다.

kW급으로 높이는 것은 아직 미래의 이야기지만 기술적으로는 충분히 실현 가능하다. 10kW급의 고출력 레이저는 이미 실용화했기 때문이다. 군사 용도에서는 미국 국방성 산하의 고등연구계획국(DARPA)이 100kW급의 레이저를 개발하고 있다고 한다.

광무선 급전의 효율은, 시판 제품을 사용한 경우에 레이저 광원과 태양전지에서 각각 약 40%로 낮다. 급전 효율은 곱한 수치가 되며, 이 조합으로는 20% 정도가 한계다.

미야모토 교수는 레이저 광원의 효율은 85%, 태양전지는 80%로 진화할 여지가 있다고 보고 있지만 그래도 급전 효율에서 70%에 미치지 못한다. 전자유도 방식은 90% 이상에 달하며, 광무선 급전은 멀리 미치지 못한다. 전자유도 방식의 치환이 아니라 전자유도 방식의 약한 분야를 개척하는 것이 실용화의 관건이다.

미야모토 교수는 광무선 급전에 적합한 레이저 광원이나 태양전지의 연구에 기대를 걸고 있었다. 이론적으로는 레이저의 파장은 짧을수록 급전 효율을 높이기 쉽기 때문이다. 현재의 고출력 레이저는 800nm 정도의 근적외를 이용하는 것이 주류다. 그러나 미야모토 교수는 “400nm 정도의 청색이 급전 용도에는 적합하다”라고 말한다. 태양전지도 청색에 적합한 것이 좋지만 “현재로서는 청색용 태양전지 연구는 거의 없다”(미야모토 교수).

-- 과제는 안정성 --
실용화를 위한 ‘제1 과제’는 안전성을 확보다는 것이다. 레이저는 출력에 따라서 안전 기준이 정해져 있다. 1W로 가장 높은 기준을 필요로 하는 ‘클래스4’로 분류된다. 광무선 급전을 실용화하기 위해서는 레이저 광선을 조사할 때 사람을 피하는 기술이 필수가 된다.

광원에서 발산되는 레이저의 방향은 “센싱 기술과 조합시켜 (사람을 피할 수 있도록) 간단하게 바꿀 수 있다”(미야모토 교수). 그러나 문제는 반사광이다. 우선은 사람이 적은 장소에서 실용화가 시작될 것이다.

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