전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2022.1 Emerging Tech (p80~84)

10m급 무선급전의 실용화
우선은 센서 용도부터, 스마트폰이나 드론도 추진

일본은 총무성의 규제 완화로 10m이상의 무선급전 기술을 실용화하는 움직임이 활발해지고 있다. 그 선두주자는 920MHz대를 이용한 mW급의 급전 시스템을 제공하는 벤처기업이다. 도시바나 미국 기업 등은 대전력 전송을 위해 인체에 대한 조사(照射)를 피하는 기술 개발에 주력하고 있다. 스마트폰이나 드론에 급전할 수 있는 시스템 개발도 추진되고 있다.

10m이상 떨어져 있는 스마트폰이나 다양한 IoT 디바이스에 공급할 수 있는 기술이 드디어 2021년도 내에 일본에서 해금(解禁)된다. 총무성이 법개정을 통해 새로운 무선급전 시스템인 ‘공간 전송형 무선전력전송 시스템’을 일본에서 사용할 있게 할 예정이기 때문이다. 목표로 하는 것은 방 안에 스마트폰을 두면 알아서 충전이 되는 세상. 번거로운 충전 케이블이나 배터리 교환이 필요 없는 새로운 시장이 형성될 조짐을 보이고 있다.

“이용자가 어디에 있든 도난 방지용 IC태그 등IoT 디바이스에 급전할 수 있도록 밀리파 통신과 무선급전을 연계·융합한 기술 개발을 추진한다”(소프트뱅크의 담당자). 소프트뱅크와 쿄토대학, 가나자와(金沢)공업대학의 연구팀은 2021년 11월 12일, 5G(제5세대 이동통신시스템)에 사용하는 28 GHz대(준 밀리미터파대)의 주파수대를 활용해, 통신과 무선급전을 연계·융합한 기술 개발을 추진한다고 발표했다. 여기에서 활용하는 급전 기술이 바로 총무성이 2021년도 안에 법개정을 통해 활용할 수 있도록 하는 10 m급의 무선급전 기술인 것이다.

소프트뱅크는 통신뿐만 아니라 전력도 무선으로 전송하는 완전 무선의 세계을 목표로 한다. 5G시대가 본격화됨에 따라 방대한 수의 IoT 디바이스가 사회에 설치될 것으로 예상된다. 이들 디바이스를 가동시키기 위해 배터리를 정기적으로 교환하면 적지 않은 번거로움이 따른다. 통신처럼 전력도 무선으로 떨어진 장소에 전송할 수 있다면, 배터리 문제를 신경쓰지 않고 IoT 디바이스를 부담없이 설치할 수 있게 된다. 소프트뱅크는 다른 통신 시스템과의 전파 간섭이 적은 28GHz대에서, 최종적으로는 ‘기지국 주위의 100m 범위까지 급전’(소프트뱅크)할 수 있는 기술 개발을 목표로 하고 있다.

-- 우선은 실내 한정으로 해금(解禁) --
무선급전은 케이블 등을 이용하지 않고 떨어진 곳에 있는 기기에 충전할 수 있는 기술이다. 전력 전송거리가 수mm에서 1m 정도인 '근접 접합형'과 10m 이상 떨어진 기기에 충전 가능한 '공간 전송형'의 2종류로 크게 나뉜다.

근접 접합형에서는 스마트폰의 무선급전에 사용되는 ‘Qi’ 등의 상용화가 이미 진행된 상태이다. Qi는 예로부터 실용화되고 있는 전자 유도 방식을 활용한 무선급전 방식이다.

2021년도 내에 10m 이상 떨어진 기기에 충전할 수 있도록 일본 국내에서 허용된다. 마이크로파의 진동을 전파에 실어 급전하는 방식이다. 송전기측에서 전력을 고주파(마이크로파)로 변환. 이 진동을 원격지의 수전기에 전파를 사용해 전송한다. 수전기측은 안테나로 수신한 마이크로파의 진동을 다시 전기로 변환하고, 대상 기기에 전력을 공급한다.

총무성은 2021년도 내에 920MHz대와 2.4GHz대, 그리고 5.7GHz대에서 마이크로파 방식의 무선급전을 사용할 수 있도록 제도를 개정한다. 920MHz대는 최대 송전전력이 1W, 2.4GHz대는 최대 15W 등, 주파수의 특성에 따라 실현 가능한 무선급전 능력이 다르다.

총무성은 이와 함께 공간 전송형 무선급전에 대한 규제 완화를 3단계로 추진할 계획이다. 우선 2021년도 안에 해제되는 제 1단계에서는 오피스나 공장 등 옥내 환경 한정으로 규정한다. 920MHz대는 사무실 등의 유인환경, 2.4GHz대와 5.7GHz대는 공장 등 무인환경에서 사용할 수 있다. 2023~2024년도에 계획하는 제2단계에서는 옥외 환경에서의 무선급전도 제한을 해제한다. 마지막 제3단계에서는 2025년도 이후를 상정해 공간 전송형 무선급전의 대전력화를 도모한다.

현재로서는 마이크로파를 사용한 무선급전의 급전 전력이 최대 수백 mW로 작으며, 이는 감시카메라 등에 급전할 수 있는 수준이다. 급전 능력이 낮기 때문에 현실적으로는 소비 전력이 적은 IoT 디바이스로의 급전이 상정된다. 또한, 송전 측에서 수전 측으로 전송할 수 있는 전력의 급전 효율도 매우 떨어진다. 현재는 수%의 수준이며, 대부분의 전력이 공간을 전송할 때 소멸된다는 과제가 있다.

-- 배터리레스 센서 용도로 --
스타트업 기업인 에이터링크(Aeterlink)는 2021년 11월, 총무성의 규제 완화를 예측, 유인환경에서의 사용이 가능해지는 920MHz대 마이크로파를 사용한 무선급전 디바이스를 제품화했다. 에이터링크의 디바이스는 최대 20m 범위에서 수 mW급전이 가능하다. 타깃은 오피스의 IoT센서 용도 등이다. 예를 들면 사람이 있는 장소를 감지해, 공조 제어 등의 용도로 배터리 없는 IoT센서와 무선급전 디바이스를 조합한다.

10m급 무선급전이기에 가능한 활용사례도 나오고 있다. 전자기기 부품의 제조 판매를 하는 미네베어미쓰미(MinebeaMitsumi)는 교토대학과 공동으로 2020년, 공간 전송형 무선급전을 활용한 실증 실험을 실시. 터널 내의 배터리레스 IoT 센서에 무선급전을 시행해, 터널의 변형 데이터를 취득한다.

터널 내의 보수관리는 지금까지 사람에 의한 작업이 대부분으로, 가까이에서 육안으로 터널 현황을 살피며 순회하는데 반나절이 걸렸다고 한다. 미네베어미쓰미와 교토대가 개발하는 시스템은 차량 주행만으로 IoT 센서를 통해 수 분만에 정보를 받을 수 있다.

기존에도 보수 점검에 IoT 센서를 사용하는 방법은 있었지만, 배터리 교환의 번거로움이 있거나 차량의 주행 속도에 제한이 있는 등의 과제가 있었다. 시노하라 씨와 미네베어미쓰미가 개발하는 시스템은 배터리 없이 볼트 축력센서에 무선급전 하는 구조이기 때문에, 배터리 교환이 필요 없게 된다. 또한 송전기를 탑재하는 차량이 시속 50km(최고 시속 80km)로 터널 안을 주행. 한 번의 주행만으로 센서가 가동되어 즉석에서 데이터를 보낼 수 있다.

-- 벤처기업이 선행 --
미국 스탠퍼드대학발 스타트업 기업인 에이터링크는 2021년 11월, 최대 20m 떨어진 IoT 디바이스에 수mW의 무선급전을 할 수 있는 송전기와 수전기를 제품화했다. 이 기업은 의료 분야에서 무선급전 분야로 진출해 일본 시장을 선도하고 있는 특이한 기업이다.

에이터링크가 개발하는 무선급전 시스템은 다케나카공무점(竹中工務店)이 취급하는 오피스 빌딩의 빌딩 매니지먼트 용도로서 선행 도입이 정해졌다. 구체적으로는 오피스 빌딩의 의자에 비치된 배터리 없는 인체 감지 센서에 대해, 오피스 천장에 약 6m 간격으로 설치된 마이크로파를 사용한 무선급전의 송전기로부터 전력을 보낸다. 가동된 인체 감지 센서가 어느 위치에 사람이 있는지를 감지해, 최적의 위치로 바람을 보내도록 공조 제어에 활용한다.

-- 유인환경에서 사용할 수 있다 --
에이터링크의 제품이 활용하는 것은 920MHz대이다. 2.4GHz대, 5.7GHz대를 이용할 경우, 송전 전력을 높일 수 있는 반면, 인체로의 영향에 대한 우려 때문에 무인환경에서의 이용에 한정되어 있다. 실제로 파나소닉은 사무실 직원의 컨디션 관리 등에 사용할 수 있는 웨어러블 센서용으로920MHz대에서 개발을 추진하고 있다.

920MHz대에서 인정되는 송전(출력) 전력은 1W 이하. 유인환경에서도 이용할 수는 있지만, 용도도 소비전력이 적은 IoT 디바이스에 한정된다. “현재는 1W의 전력을 보내면 1mW정도가 급전되며, IoT센서의 구동에는 문제가 없다”(에이터링크의 이와사(岩佐) COO)라고 한다.

공장용으로는 센서나 산업용 로봇과 같은 용도를 상정한다. “배선이 불필요해지므로, 지금까지 설치할 수 없었던 장소에도 센서를 설치할 수 있다는 것이 포인트다”라고 이와사 COO는 설명한다. 예를 들면, 전원을 공급받기 어려운 공장의 높은 곳에서도, 무선급전을 활용함으로써 IoT센서나 감시카메라 등을 설치할 수 있게 된다.

-- 2단계 규제 완화를 내다보며 도시바 등이 호시탐탐 노린다 --
향후 본격적인 대응을 위해 비교적 큰 전력을 전송하는 시스템을 위한 움직임도 등장하고 있다. 도시바나 오시아 등이 각각 다른 어프로치로 안전성을 어필하며, 2023년경의 제품화를 노리고 있다.

2.4GHz대 및 5.7GHz대에 대해서는 수십W 규모의 송전 전력을 인정하고 있다. 송전 전력이 크기 때문에 2021년도 제도 개정에서는 인체에 미치는 영향을 고려하여 무인공장 등의 환경으로 제한했다. 또한 이러한 주파수대에서 무선급전을 취급하는 기업에는 무선종사자 자격을 보유한 사람이 있어야 한다. 2.4GHz대와 5.7GHz대의 경우, 2021년도 내의 규제완화는 시험적인 해금으로 규정된다.

관계자가 10m급 무선급전이 본격화되는 타이밍으로 보고 있는 시기는 총무성이 제 2단계의 규제를 완화할 예정인 2023~2024년도의 기간이다. 이 기간 이후, 옥외 환경뿐 아니라, 2.4 GHz대와 5.7 GHz대의 유인환경에서도 이용을 해금할 계획이라고 한다.

-- ‘인체를 피하는 기능’ 구현 --
총무성은 대전력을 전송하는 2.4GHz대와 5.7GHz대에 대해, 인체 보호를 위해 전파방호지침의 지침 수치를 넘는 범위에 사람이 들어가면, 이를 검출하여 송신을 멈추는 기능을 요구하고 있다. “2.4GHz대의 경우, 약 5m 이내의 범위에 들어갔을 경우에 인체 감지 센서 등으로 감지할 수 있도록 한다. 송신을 즉석에서 멈출 수 있는 환경이라면, 완전한 무인환경이 아니어도 사용할 수 있다는 의미이기도 하다”라고 오시아와 제휴를 맺고 있는 마루분(丸文)디오네컴퍼니의 가와무라(河村) 주임은 설명한다.

오시아는 미국에서 마이크로파를 사용한 무선급전 기술 ‘Cota’를 인증 완료했다. 미국에서 무선기기를 규제하는 FCC(미연방통신위원회) 인증 및 EU Notified Body(EU 인증기관), UKCA Conformity Assessment Body(영국 적합성평가기관)의 규제 평가에도 합격했으며, 미국의 소매업계나 물류업계 등에서 이미 도입이 진행되고 있다.

-- 우선 전자가격표시기(ESL)를 노린다 --
오시아가 개발한 2.4 GHz대에 대응한 무선급전의 송전기는 외형 치수가 600×600mm. 1m 떨어진 곳에 최대1.5W 정도의 전력을 공급하고, 최대10m 떨어진 복수의 대상에게 급전할 수 있다. 마루분이 수전기로서 상정하는 것은 4.2 인치의 전자가격표시기(ESL)다. 송신기를 사용하면 급전뿐만 아니라, 상품명이나 가격 변경도 가능하다. 수전기의 위치 정보도 취득할 수 있기 때문에 상품 맵에 대한 응용 등도 전망한다.

-- 도시바는 5.7 GHz를 노린다 --
도시바도 5.7GHz대를 활용한 무선급전시스템 개발을 서두른다. 상정하는 용도는 공장·창고의 감시카메라나 보수 관리를 위한 센서에 무선급전 하는 것이다.  5.7GHz대는 총무성이 해제하는 무선급전용 3개 주파수대 중에서 가장 큰 32W의 최대 송전 전력을 취급할 수 있다. 3~5m 떨어진 카메라와 같은 디바이스에도 무선급전을 할 수 있다. 기존에는 배선 문제로 곤란했던 장소에도 카메라 등을 설치할 수 있다는 메리트가 있다.

도시바가 시작(試作)하는 송전기는 폭 260×높이 380×깊이 88mm이다. 64개의 송전 안테나 소자가 전파를 간추려, 방향을 바꾸면서 급전할 수 있다고 한다.

도시바의 무선급전 시스템은 이러한 구조를 이용해 하나의 송전기에서 복수의 수전기로 최적으로 전력을 전송하는 시스템을 구현했다. 우선 복수의 수전기가 미약한 비콘 신호를 보낸다. 송전기는 비콘 신호를 바탕으로 수전기의 위치를 검출. 시험적으로 각 수전기에 전력을 전송하고, 실제로 어느 정도의 전력을 수전할 수 있는지를 확인한다. 각 수전기는 수전한 전력이나 필요한 전력량의 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 --
도시바는 5.7GHz대에서 필수인 인체를 피하는 구조도 이와테(岩手)대학과 함께 개발하고 있다. 여기서 이용하는 것은 ‘마이크로 도플러 시프트’라고 하는, 인간의 호흡 심박으로 인한 전파 위상의 미세한 차이다.

구체적으로는, 송전기가 미약한 전파를 수신기의 방향으로 전송한다. 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 3Hz정도의 저주파로 충분하다”라고 이와테대학 이공학부시스템창성공학과 혼마(本間) 교수는 설명한다.

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

-- 샤오미는 핸드폰에 5W급전 --
신중한 일본과는 달리, 해외에서는 이미 대규모 전력 용도의 무선급전 개발이 활발하게 추진되고 있다. 중국의 샤오미는 올해 1월, 수 미터 앞에 있는 스마트폰에 5W로 급전할 수 있는 기술을 발표했다. 5W까지 수전 전력을 높일 수 있게 된다면, 스마트폰 용도로도 활용이 가능하다.

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) 전파다. 지금까지의 마이크로파 방식의 무선급전 제품은 5.7GHz대까지의 주파수가 주류였다. 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, 수년 내에 제품화할 수 있을 것으로 보인다”라고 한다(교토대학 생존권연구소 생존권전파응용 분야 시노하라 교수).

그러나 샤오미의 기술은 대규모 전력화로 인해 수반되는 인체에 대한 영향을 어떻게 고려하고 있는지 등에 대해 자세한 내용을 아직 밝히고 있지 않다.

-- 밀리미터파로 시야에 들어오는 드론 용도 --
국내에서는 쓰쿠바(筑波)대학이 밀리미터파대를 사용한 대규모 전력 용도의 무선급전 연구개발을 추진하고 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 자기공명 방식을 검토해왔다. 마이크로파를 사용한 무선급전에 비해 급전 효율이 뛰어나며, 드론 같은 대규모 전력 용도도 시야에 들어오기 때문이다. 하지만 실제의 이용을 고려하면, 10m 앞에 있는 디바이스에 급전할 수 있는 마이크로파 방식의 편리성이 더 높다.

-- 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.

대전력에 대응한 송전기의 높은 비용은 실용화에 있어서 큰 과제가 될 것으로 보인다. 시마무라 조교는 드론뿐만 아니라 플라잉카의 수요도 전망하며 비용문제 해결을 모색하고 있다. 사람이 탑승하는 플라잉카를 대상으로 할 경우, 대규모 전력화와 함께 인체에 대한 안전성은 더욱 확보되지 않으면 안 된다. 시마무라 조교는 기체가 금속제라면 마이크로파의 진동이 차단되어 기체 내부에는 침투하지 않기 때문에 이론상으로는 거의 문제가 없다고 말한다. 하지만 유리창은 마이크로파가 투과되기 때문에 기체 하부에만 무선급전을 하는 등의 대책이 필요하게 될 것으로 보인다.

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