- 어디서나 가능한 스마트폰 무선급전 기술 개발 -- 샤오미, 열쇠를 쥐고 있는 것은 밀리미터파 대역
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- 카테고리미분류
- 기사일자 2021.11.29
- 신문사 Nikkei X-TECH
- 게재면 online
- 작성자hjtic
- 날짜2021-12-07 19:32:20
- 조회수314
Nikkei X-TECH_2021.11.29
10m급 무선급전 시동
어디서나 가능한 스마트폰 무선급전 기술 개발
샤오미, 열쇠를 쥐고 있는 것은 밀리미터파 대역
“전기가 공기처럼 떠다니는 세계를 목표로 한다. 아무 곳에나 놓아두면 스마트폰이 조금씩 충전되는 이미지이다”---. 이렇게 말하는 사람은 오랜 기간 무선급전 기술을 개발하고 있는 교토대학의 시노하라(篠原) 교수이다.
10m 이상 떨어져 있는 기기를 충전할 수 있는 무선급전 기술이 올해 안에 일본 내에서 허용된다. 초기에 충전할 수 있는 기기는 수 mW 이하로 구동하는 IoT 디바이스 등에 한정되지만, 단계적으로 규제를 완화해 2025년도 이후에는 스마트폰이나 드론 등 대규모 전력이 필요한 기기도 대상에 포함시키는 것을 목표로 하고 있다. 충전 효율이 수 %에 불과하다는 높은 장벽을 뛰어넘어 10m급 무선급전은 과연 일상적인 기술이 될 수 있을까?
-- 중국의 샤오미, 스마트폰용으로 공세 --
올해 안에 국내에서 허용되는 무선급전은 마이크로파의 진동을 전파에 실어 충전하는 시스템이다. 우선은 수 mW 이하로 구동하는 IoT 디바이스를 대상으로 하며, 2023년경부터 웨어러블 단말기, 2025년도 이후에는 스마트폰이나 드론 등, 단계적으로 대상을 확대해 나갈 예정이다. 무선급전은 전력을 전파에 실어 공간에 전송하기 때문에 인체에 미칠 영향을 고려해야 한다. 이 때문에 총무성은 신중하게 단계적으로 규제 완화를 도모해나갈 방침이다.
이처럼 신중한 일본과는 달리, 해외에서는 이미 대규모 전력 용도의 무선급전 개발이 활발하게 추진되고 있다. 스마트폰 전용 10m급 무선급전의 제품화에서 선두로 나설 것으로 보이는 것이 중국과 미국의 기업들이다.
예를 들어 중국의 샤오미는 올해 1월, 수 미터 앞에 있는 스마트폰에 5W로 급전할 수 있는 기술을 발표했다. 5W까지 수전(受電) 전력을 높일 수 있게 된다면, 스마트폰 용도도 충분히 시야에 들어온다.
샤오미가 개발한 기술의 구조는 이렇다. 우선 스마트폰에서 미약한 비콘 신호를 송전기에 발신해 스마트폰의 위치를 특정한다. 송전기는 무선급전용 안테나 소자가 144개 탑재되어 있어, 특정한 스마트폰의 위치를 향해 전파를 좁힌 빔 포밍을 사용해 급전한다. 스마트폰에는 14개의 안테나 소자가 탑재되어 있는 수전기가 내장되어 있다.
샤오미가 스마트폰의 무선급전을 실현하기 위해 활용한 것이 밀리미터파대(30GHz대~300GHz대) 전파이다. 지금까지의 마이크로파 방식의 무선급전 제품은 5.7GHz대까지의 주파수가 주류였다. 일본에서 규제를 완화해 이용할 수 있게 하는 것도 920MHz대와 2.4GHz대, 5.7GHz대라는 3개의 주파수대이다.
밀리미터파대의 장점은 전파의 빈 공간이 많아 마이크로파의 진동을 싣는 송전용 대역폭을 넓게 확보하기 쉽다는 점이다. 대역폭이 넓어지면 큰 전력을 보내기 쉬워진다. “샤오미는 제품화 시기를 공개하고 있지 않지만, 수 년 내에 제품화할 수 있을 것으로 보인다”라고 교토대학 생존권연구소 생존권전파응용 분야 교수인 시노하라 교수는 예측한다.
하지만 샤오미의 기술은 대규모 전력화로 인해 수반되는 인체에 대한 영향을 어떻게 고려하고 있는지 등에 대해 자세한 내용을 아직 밝히지 않고 있다.
-- 밀리미터파로 시야에 들어오는 드론 용도 --
밀리미터파대를 사용해 대규모 전력 용도의 무선급전을 추진하는 것은 샤오미뿐만이 아니다. 국내에서는 쓰쿠바대학이 밀리미터파대를 사용한 대규모 전력 용도의 무선급전 연구개발에 임하고 있다. 쓰쿠바대학 시스템정보계 구조에너지공학역의 시마무라(嶋村) 조교는 “밀리미터파대를 활용함으로써 드론이나 플라잉카 용도의 무선급전을 실현할 수 있다”라고 말한다.
드론이나 ‘플라잉카’로 불리는 전동수직이착륙(eVTOL)기기로의 무선급전을 실현할 수 있게 된다면 비행 시간을 늘릴 수 있다. 지금까지는 배터리가 소진될 때마다 지상에서 배터리를 교환해야 하는 번거로움이 있었다. 또한 무선급전 이용을 전제로 함으로써 드론 등의 기체에서 차지하는 배터리의 무게를 낮춰 기체의 경량화를 도모할 수 있다. 현재 드론은 기체 무게의 1/3 정도를 배터리 무게가 차지하는 일도 드물지 않다. 기체를 경량화할 수 있게 된다면 장거리 비행에도 유리하다.
지금까지 드론 전용 무선급전으로는 대부분 송전 거리가 최대 1m 정도의 자계 공명 방식을 검토해왔다. 마이크로파를 사용한 무선급전에 비해 급전 효율이 뛰어나고, 드론 같은 대규모 전력 용도도 시야에 들어오기 때문이다. 하지만 실제 이용 장면을 고려하면, 10m 앞에 있는 디바이스에 급전할 수 있는 마이크로파 방식의 편리성이 더 높다.
시마무라 조교 연구팀은 올 7월, 밀리미터파대에 해당하는 28GHz대를 활용해 드론을 대상으로 무선급전 실증을 실시했다. 우선은 고도 50m를 선회하는 기체에 송전 전력 200kW로 전력을 보내 최대 수전 전력 약 10kW로 급전할 수 있는 가능성을 확인했다. “부품의 조달 코스트 등도 고려하면 5G 등에서 사용되는 28GHz대를 활용하는 것이 적절하다”(시마무라 조교)라고 한다.
실험에서는 기체 제어 시스템을 자체 개발해 기체가 위치한 방향으로 빔을 형성해 송전할 수 있도록 했다. 우선 드론에 탑재한 GPS를 활용해 송전 측의 PC에 드론의 위치정보를 송신. 송전 측은 발신하는 전파의 최적의 상태를 위치정보를 바탕으로 계산한다. 전파의 위상을 각도로 나타내는 위상각을 송전기에 입력함으로써 드론이 있는 장소로 빔을 형성할 수 있다. 28GHz대의 빔은 2개의 송전 안테나의 위상을 제어해 송전 범위를 좁혔다.
-- 예산의 99%를 차지하는 송전기 --
쓰쿠바대학의 실험에서는 밀리미터파대를 활용해 비행 중의 드론에 급전할 수 있는 가능성을 확인했지만, 실제로 필요한 kW급의 무선급전은 “아직 실시하지 않았다”(시마무라 조교)라고 한다. 현 시점에서는 대규모 전력 용도의 무선급전용 송전기 개발에 거액의 자금이 필요하기 때문이다.
개발하는 송전기의 발진기에는 전자레인지와 같은 진공관(마그네트론)이 탑재된다. 출력 10kW의 발진기의 경우 수천 만엔이 소요. 예산의 99%를 차지하는 것이 송전기라고 시마무라 조교는 말한다. 마이크로파를 사용한 무선급전의 급전 효율은 수 %로 낮으며, 송전 전력의 대부분이 낭비되어 버리기 때문에 송전기는 보다 대규모 전력을 전파에 실을 수 있는 구조가 필요하게 된다.
대규모 전력에 대응하는 송전기의 높은 코스트는 실용화에 있어서의 큰 과제가 될 것으로 보인다. 시마무라 조교는 드론뿐만 아니라 플라잉카의 수요도 전망하며 코스트 문제 해결을 모색하고 있다.
사람이 탑승하는 플라잉카를 대상으로 할 경우, 대규모 전력화와 함께 인체에 대한 안전성은 한층 더 확보되지 않으면 안 된다. 시마무라 조교는 기체가 금속제라면 마이크로파의 진동이 차단되어 기체 내부에는 침투하지 않기 위해 이론상으로는 거의 문제가 없다고 말한다. 하지만 유리창은 마이크로파가 투과되기 때문에 기체 하부에만 무선급전을 하는 등의 대책이 필요하게 될 것 같다.
-- 에릭슨도 광전송 방식에 참여, 안전성이 과제 --
장거리 전송 가능한 무선급전 시스템은 마이크로파 방식과 함께 광전송 방식도 있다. 광전송 방식은 송전 측에서 고출력 레이저를 조사(照射)해 수전 측의 태양전지에 닿게 하는 방식으로 급전하는 구조이다. 최대 수 킬로미터 앞에 있는 물체에 급전할 수 있는 것이 특징으로, 드론 등으로의 활용을 목표로 개발이 진행되고 있다.
레이저로 핀포인트에 급전할 수 있기 때문에, 급전 효율도 마이크로파 방식에 비해 높다. “현재 급전 효율은 최대 20% 정도이지만, 70%로 높일 수 있는 여지가 있다. 레이저는 방향을 바꾸기 쉽기 때문에 드론용으로는 유리하다”라고 해당 기술을 개발하고 있는 도쿄공업대학 과학기술창성연구원의 미야모토(宮本) 조교수는 설명한다.
해외에서도 실용화를 위한 검증이 진행되고 있다. 스웨덴의 통신장비 벤더인 에릭슨은 올 10월, 광전송 방식을 개발하는 미국의 파워라이트테크놀로지(PowerLight Technologies)와 공동으로 5G 기지국에 무선급전을 실증했다고 발표했다. 실용화에 성공한다면 전력망 확보가 어려운 장소에서도 기지국을 배치할 수 있게 된다.
양사는 실증실험에서 파워라이트테크놀로지의 기술을 사용해 수 백 와트(W)의 전력을 수 백 미터 앞의 기지국에 급전할 수 있었다고 한다. 에릭슨은 이 전력이 송전 전력(출력)인지, 수전 전력(입력)인지에 대해서는 밝히지 않고 있다. 파워라이트테크놀로지는 향후, kW급의 전력을 수 킬로미터 떨어진 곳에 급전하는 기술을 수 년 내에 실용화할 예정이라고 밝혔다.
스마트폰용 광전송 방식의 무선급전시스템 개발은 NTT도코모와 협업하고 있는 이스라엘의 와이차지(Wi-Charge)가 추진되고 있다. 와이차지는 수 와트의 적외선 레이저로 4미터 정도 앞에 있는 스마트폰에 급전하는 기술개발을 추진하고 있다.
광전송 방식의 과제는 마이크로파 방식 이상으로 인체에 대한 안전성을 고려할 필요가 있다는 점이다. 고출력 레이저를 실외나 유인 환경에서 사용하는 것에는 위험이 따른다. 일본에서는 법 개정의 필요성이 있어, 반드시 인체에 닿지 않도록 해야 할 것이다.
파워라이트테크놀로지와 와이치스의 광전송 방식은 모두 송전기와 수전기 사이에 장애물이 있을 때 송전을 정지하는 기능을 갖추고 있다. 와이차지는 이 기능을 탑재함으로써 레이저 제품의 안전성을 규정하는 국제 표준 규격 ‘IEC60825-1’에서 가장 안전한 ‘Class 1’에 준거했다고 한다.
송신 정지 기능 및 레이저의 방향을 자유자재로 바꿀 수 있는 센싱 기술을 조합한다면, 인체에 대한 안전성을 확보할 수 있을 가능성이 있다. 한편, 반사광 등의 과제도 지적되고 있다. 광전송 방식의 실제 상용화는 마이크로파 방식의 보급이 진행된 후에 시행될 것으로 전망된다.
-- 끝 --
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