일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2021.11.24

10m급 무선 급전 시동
안전 확보를 경쟁하는 10m급 무선급전 기술
도시바는 '호흡'으로 인체 회피

10m 이상 떨어져 있는 기기에 충전할 수 있는 무선급전 기술이 21년도 내에 일본 내에서 허용된다. 그에 따라 도시바나 미국 오시아(Ossia)와 같은 기업도 호시탐탐 시장 참가를 노리고 있다. 이들 기업이 주력하는 것은 인체의 안전성을 높이기 위한 기술 개발이다. Ossia와 도시바는 전파가 인체에 닿지 않도록 하는 무선급전 기술을 개발한다. 각각 다른 어프로치로 안전성을 어필하며, 23년 제품화를 목표로 하고 있다.

21년도 내에 국내에서 새롭게 해금(解禁)되는 무선급전은, 마이크로파 진동을 전파에 실어 급전하는 방식이다. 총무성은 920MHz대와 2.4GHz대, 그리고 5.7GHz대에서 마이크로파 방식의 무선급전을 사용할 수 있도록 규제를 완화한다.

무선급전에서는 전력이 전파에 실려 공간을 날기 때문에 인체에 미칠 영향을 고려해야 한다. 인체가 강력한 전자파에 장시간 노출되면 피부 등에 열기가 생기거나 신경이나 힘줄에 자극이 생길 수 있다. 총무성도 우선은 인체에 대한 안전성을 고려해, 21년도에는 무인 및 옥내 환경을 중심으로 해금한다. 유인 환경에서 사용할 수 있는 것은 송전 전력이 1W로 미약한 920MHz대로 한정했다.

2.4GHz대나 5.7GHz대는 수십 W 규모의 송전 전력을 인정하고 있다. 송전 전력이 크기 때문에 09년도 제도 개정에서는 인체에 미치는 영향을 고려하여 무인공장 등의 환경으로 한정했다. 또한 이러한 주파수대에서 무선급전을 다루는 기업에는 무선종사자 자격을 보유한 사람이 있어야 한다. 2.4GHz대와 5.7GHz대의 경우, 21년도 내의 규제완화는 시험적인 해금이다.

관계자가 10m급 무선급전을 본격화하는 타이밍으로 생각하고 있는 시기는 총무성이 다음에 규제를 완화할 예정인 23년도부터 24년도 기간이다. 이 이간 이후, 옥외 환경 외에 2.4GHz대와 5.7GHz대의 유인 환경 이용에 대해서도 해금할 계획이다.

도시바 연구개발센터 정보통신플랫폼연구소의 오니즈카(鬼塚) 씨는 “21년도 이후, 마이크로파를 사용한 무선급전 방식은 ‘이런 장면에서 유효하다’라는 인식이 전세계로 확대될 것이다. 사업적 규모는 대략 23년도부터 본격적으로 커질 것으로 생각한다”라고 말한다.

-- '인체를 피할 수 있는 기능'을 구현 --
총무성은 비교적 큰 전력을 송전하는 2.4GHz대와 5.7GHz대에 대해, 인체 보호를 위해 전파방호지침의 지침 수치를 넘는 범위에 사람이 들어가면, 이를 검출하여 송신을 멈추는 기능을 요구하고 있다. Ossia와 제휴를 맺고 있는 마루분 디오네 컴퍼니의 가와무라(河村) 주임은 “2.4GHz대의 경우는 약 5m 이내의 범위에 들어갔을 경우에 인체감지 센서 등으로 감지할 수 있도록 한다. 송신을 즉석에서 멈출 수 있는 환경이라면, 완전한 무인 환경이 아니어도 사용할 수 있다는 의미이기도 하다”라고 설명한다.

그래서 2.4GHz대에서 무선급전 시장에 참가하려는 Ossia, 5.7GHz대에서 참가하려는 도시바는 사람을 피해 전력을 전송할 수 있는 구조의 개발에 주력하고 있다. “이미 시작품은 완성 단계에 있다. 제도화에 맞추어 상용화할 생각이다”(가와무라 주임).

Ossia는 미국에서 마이크로파를 사용한 무선급전 기술 ‘Cota’를 인증 완료했다. 미국에서 무선기기를 규제하는 FCC(미 연방통신위원회) 인증이나, EU Notified Body(EU 인증기관)나 UKCA Conformity Assessment Body(영국 적합성 평가기관)의 규제 평가에도 합격했으며, 미국의 소매업계나 물류업계 등에서 이미 도입이 진행되고 있다.

Ossia가 개발하는 Cota는 급전과 더불어 데이터 전송이 무선으로 가능하다. 인체에 대한 안전성을 확보하기 위해, 사람을 피해 전력을 전송하는 구조를 이미 구현했다고 한다.

구체적인 구조는 이렇다. 우선 전력을 받는 측의 수전기가 미약한 비콘 신호를 모든 방향으로 보낸다. 이렇게 들어온 비콘 신호를 천장 등에 설치된 송전기가 수신한다.

실내 환경에서 비콘 신호를 발신하는 수전기와 송전기 사이에 사람이 있을 경우, 사람에 의해 차단된 비콘 신호는 송전기 측에서 수신할 수 없다. 따라서 송전기 측에 도착한 비콘 신호의 경로만을 활용해, 송전기가 실제로 전력을 보내면 인체를 피한 전력 전송이 가능해진다. 비콘 신호는 1초에 100회 송신한다. 그 때문에 사람이 이동했을 경우도, 순차적으로 전력을 보내는 경로를 변경함으로써 안전성을 확보할 수 있다고 한다.

무엇보다 Ossia의 방법은 수전기 측에서 비콘 신호를 보내기 위한 전력이 필요하다는 점이 과제다. 현재는 수전기에 비콘 신호용 배터리를 탑재하고 있다고 한다.

-- 우선 목표는 전자가격표시기(ESL), 문의 100건 이상 --
Ossia가 개발한 2.4GHz대에 대응한 무선급전 송전기는 외형 치수가 600×600mm다. 1m 앞에 최대 1.5W 정도 전력을 공급하고, 최대 10m 앞의 복수의 대상에게 급전할 수 있도록 한다. 마루분이 수전기로서 상정하는 것은, 외형 치수 4.2인치의 전자가격표시기(ESL)다. 송신기를 사용하면 급전뿐만 아니라 상품명이나 가격도 변경할 수 있다. 수전기의 위치 정보도 취득할 수 있기 때문에 상품 맵에 대한 응용 등도 전망한다.

미국에서는 이미 Ossia의 무선급전을 활용한 전자가격표시기가 도입되고 있다. 미국 소매 대기업인 월마트는 18년부터 시험적으로 도입하고 있다. “많은 전자가격표시기에서 배터리를 교환할 필요가 없어지는 이점은 크다. 장기적으로는 바코드 스캐너 등에 응용하는 것도 생각하고 있다”(가와무라 주임).

마루분에 따르면, Ossia의 무선급전 시스템에 대한 문의는 21년 10월 시점에서 공장이나 오피스, 소매 분야를 중심으로 100건을 넘는다고 한다. 상용화는 옥내 용도를 생각하고 있다. 23년부터 24년의 규제 완화에 맞출 계획이라고 한다.

-- 사람의 호흡을 검출하는 기술로 추격하는 도시바 --
도시바도 5.7GHz대를 활용한 무선급전시스템 개발을 서두른다. 상정하고 있는 용도는 공장이나 창고의 감시카메라나 보수 관리를 위한 센서에 대한 무선급전이다. 5.7GHz대는 총무성이 해제하는 무선급전용 3개 주파수대 중에서 가장 큰 32W의 최대 송전 전력을 취급할 수 있다. 3~5m 앞의 카메라와 같은 디바이스에도 무선급전을 할 수 있다. 기존에는 배선 문제로 곤란했던 장소에도 카메라 등을 설치할 수 있다는 이점이 있다.

도시바가 시작(試作)하는 송전기의 외형 치수는 폭260×높이380×깊이88mm이다. 64개의 송전 안테나 소자가 전파를 간추려, 방향을 바꾸면서 급전할 수 있다고 한다.

도시바의 무선급전시스템은, 이러한 시스템을 이용해 하나의 송전기에서 복수의 수전기로 최적으로 전력을 전송하는 구조를 구현하였다. 우선 복수의 수전기가 미약한 비콘 신호를 보낸다. 송전기는 비콘 신호를 바탕으로 수전기의 위치를 검출한다. 시험적으로 각 수전기에 전력을 전송하고, 실제로 어느 정도의 전력을 수전할 수 있는지를 확인한다. 각 수전기는 수전한 전력이나 필요한 전력량 데이터를 송전기에 보낸다. 이 데이터를 바탕으로, 송전기 측에서 복수의 다른 신호를 차례로 전송하는 시분할다중의 최적화 알고리즘을 실행. 각 수전기에 맞춰 전력을 급전한다고 한다.

-- 인체에 대한 조사(照射) 전력을 230분의 1 이하로 --
5.7GHz대에서 필수인 인체를 피하는 시스템도 이와테대학과 함께 개발하고 있다. 여기서 이용하는 것은 ‘마이크로 도플러 시프트’라고 하는, 인간의 호흡 심박으로 인한 전파 위상의 미세한 차이다.

구체적으로는, 송전기가 미약한 전파를 수신기가 있는 방향으로 송신한다. 전파를 보낸 방향에 사람이 있을 경우, 인간의 호흡이나 심박에 의해 전파의 위상이 주기적으로 어긋난다. 그것을 송전기 측에 장착한 센서 장치가 검출해서 사람이 있는 방향을 감지한다. “인간의 마이크로 도플러 시프트를 보기 위해서는 3Hz 정도의 저주파로 충분하다”(이와테대학 이공학부 시스템창성공학과 혼마(本間) 교수).

도시바가 개발하는 무선급전 송전기는 다소자 안테나를 갖추고 있기 때문에 전파를 특정 방향으로 좁힐 수 있는 빔포밍이 가능하다. 감지한 정보를 기본으로 빔의 방향을 제어함으로써 사람을 피해 전력을 전송할 수 있게 한다. “빔포밍이 없는 통상의 송전기와 비교하면, 인체에 대한 조사(照射) 전력을 230분의 1이하로 억제할 수 있다”(혼마 교수).

이와테대학이 실시한 실증실험에서는 송전기와 인체 간에 3m 떨어진 거리에서 빔포밍을 할 수 있었다고 한다. 정지 상태의 3명을 대상으로 실증했다. “최대 10m 정도 앞에 있는 사람을 감지할 수 있으면 문제없다. 현재는 사람을 감지하는 데 약 30초가 걸리지만, 앞으로 1초로 단축하면 움직이고 있는 대상이라도 회피할 수 있게 된다”(혼마 교수). 실증 실험에서는 이와테대학이 개발한 송전기를 사용했지만, 21년 내에 도시바의 송전기를 사용해 공동 실증 실험을 진행할 예정이다.

또한 이 기술을 사용하기 위해서는 전파의 강도를 측정하는 필드 스캐너를 설치해야 한다고 한다. 빔포밍이 실제로 작동해 사람을 피할 수 있는지 안전성을 확인하기 위해서다. 이 장치는 대략 폭1m, 높이2m로 크고, 바닥에 설치하는 레일 위를 자동으로 수평 이동한다. 장소를 차지하기 때문에 설치 면에서는 과제가 될 것으로 보인다.

도시바는 이 마이크로파 방식과 인체 검출 기술을 조합한 기술을 이용해 23년 무렵에 제품화할 계획이다. 마루분과 마찬가지로 총무성의 규제 완화에 맞추기 위해서다. “도시바 관련 회사에서 제품화할 예정이다. 인프라 서비스 사업과 연계해 도입하고 데이터를 취득한다. 장기적으로는 자택에서 사용할 수 있도록 만들고 싶다”(도시바 연구개발센터 오니즈카 씨).

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