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무선 전력 전송

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목차

1. 개요

무선 전력 전송은 전선 없이 전력을 전달하는 기술로, 20세기 초 니콜라 테슬라의 실험을 통해 구상되었고, 현재는 다양한 방식으로 연구되고 있다. 크게 비방사형(근거리) 방식과 방사형(원거리) 방식으로 나뉘며, 전자기 유도, 자기 공명, 마이크로파, 레이저 등을 활용한다. 19세기에는 전자기 유도 현상 발견과 함께 다양한 이론과 실험이 진행되었으며, 20세기에는 마이크로파 및 레이저 기술의 발전으로 방사형 방식의 실용화가 이루어졌다. 21세기에는 WiTricity 기술을 중심으로 자기 공명 방식이 주목받고 있으며, Qi 규격 제정 및 Qi2와 같은 후속 규격 발표를 통해 상용화가 진행 중이다. 무선 전력 전송은 전동 칫솔 충전, 전기 자동차 충전, 의료 기기, 산업 현장, 우주 개발 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 한국은 OLEV 개발 등을 통해 기술 개발에 앞장서고 있다. 하지만 전송 거리, 효율, 안전성 등 해결해야 할 과제가 남아있다.

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무선 전력 전송
기본 정보
무선 전력 전송 시스템 다이어그램
일반적인 무선 전력 전송 시스템의 다이어그램
다른 이름무선 전력 전송 (wireless power transfer)
비접촉 전력 전송 (contactless power transmission)
관련 항목유도 충전
기술 정보
사용되는 기술전자기 유도
자기 공명
전자기파
정전 결합
응용 분야무선 충전
전기 자동차 충전
무선 센서 네트워크
의료 기기
상세 정보
설명무선 전력 전송은 물리적 도체를 사용하지 않고 한 장치에서 다른 장치로 전기를 전송하는 것을 의미함.
관련 용어근거리 무선 전력 전송
원거리 무선 전력 전송
동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)

2. 역사

앙드레 마리 앙페르와 마이클 패러데이 등의 과학자들은 19세기 후반 전기와 자기 현상 간의 관계를 밝혀 무선 전력 전송의 기초를 다졌다. 이후 제임스 클러크 맥스웰은 맥스웰 방정식을 통해 전자기파의 존재를 예측했고, 존 헨리 포인팅은 포인팅 벡터를 통해 전자기파의 에너지 흐름을 설명했다. 하인리히 루돌프 헤르츠는 전파의 존재를 실험적으로 증명하여 무선 통신 및 전력 전송의 가능성을 열었다.

20세기 초, 니콜라 테슬라는 테슬라 코일을 이용한 무선 전력 전송 시스템을 실험하며, 장거리 전력 전송을 위한 월드 와이어리스 시스템을 구상했다. 그러나 워든클리프 타워 건설은 재정 문제로 중단되었다. 제2차 세계 대전 이후, 마이크로파 기술이 발전하면서 장거리 무선 전력 전송이 가능해졌다. 윌리엄 C. 브라운은 렉테나를 발명하여 마이크로파를 직류 전력으로 변환하는 효율적인 방법을 제시했다.

21세기에는 전자기 유도, 자기 공명, 마이크로파, 레이저 등 다양한 방식의 무선 전력 전송 기술이 발전하고 있다. 특히, 매사추세츠 공과대학교(MIT) 연구팀이 개발한 WiTricity와 무선 전력 컨소시엄(WPC)의 Qi 표준은 상용화에 가까운 기술로 평가받고 있다.

2. 1. 19세기: 초기 연구 및 실험

19세기에는 전기 에너지를 전송하는 방법에 대한 많은 이론과 실험이 진행되었다. 1826년, 앙드레 마리 앙페르는 전류와 자석 사이의 관계를 발견했다.[20] 1831년, 마이클 패러데이는 유도 법칙을 통해 시간에 따라 변하는 자기 선속에 의해 도체 루프에 전류를 흐르게 하는 기전력을 설명했다.[21][22] 무선으로 전기에너지를 전송하는 것은 많은 발명가와 실험가들에 의해 관찰되었지만, 일관된 이론이 없어 전자기 유도로 모호하게 귀결되었다.[23]

이러한 현상에 대한 명확한 설명은 1860년대 제임스 클러크 맥스웰의 맥스웰 방정식[24]을 통해 이루어졌다. 맥스웰은 전기와 자기를 전자기학으로 통합하는 이론을 확립하여 전자기 에너지의 "무선" 전달체인 전자기파의 존재를 예측했다. 1884년경 존 헨리 포인팅은 포인팅 벡터를 정의하고 포인팅 정리를 제시했는데, 이는 전자기파 내의 면적을 가로지르는 전력 흐름을 설명하고 무선 전력 전송 시스템의 정확한 분석을 가능하게 했다.[24][25] 이는 1888년 하인리히 루돌프 헤르츠가 전파의 존재를 실험적으로 증명하면서 무선 통신 및 전력 전송 기술 발전의 가능성을 제시하였다.[25]

같은 기간에 윌리엄 헨리 워드(1871)와 메이론 루미스(1872)는 낮은 고도에서 접근 가능한 전기를 띤 대기층이 존재한다는 잘못된 믿음에 기초한 두 가지 무선 신호 방식을 제시했다.[26][27] 두 발명가의 특허는 "지구 전류"를 사용한 반환 경로와 연결된 이 층이 무선 전신뿐만 아니라 전신에 전력을 공급하여 인공 배터리를 제거하고 조명, 열 및 동력에도 사용할 수 있다고 언급했다.[28][29] 전도 방식을 통한 무선 전송의 보다 실질적인 시연은 아모스 돌베어의 1879년 자석 전기 전화에서 이루어졌으며, 이 전화는 지면 전도를 사용하여 4분의 1마일 거리를 전송했다.[30]

2. 2. 니콜라 테슬라의 무선 전력 전송 실험

니콜라 테슬라는 1890년대부터 스파크 여기 고주파 공진 변압기(테슬라 코일)를 사용하여 유도 및 용량성 결합을 통해 전력을 전송하는 실험을 했다.[24][75][31] 테슬라 코일은 높은 AC 전압을 생성하는 장치였다. 초기에는 근거리 전계 유도 및 용량성 결합을 기반으로 한 무선 조명 시스템을 개발하려 시도했으며, 가이슬러 튜브와 백열 전구를 켜는 공개 시연을 수행했다.[75][31][32]

1891년 컬럼비아 대학교 컬럼비아 칼리지에서 열린 강연에서 "정전 유도"를 통해 무선 전송을 시연하는 테슬라. 두 금속판은 고전압 고주파수 교류를 생성하는 테슬라 코일 발진기에 연결되어 있다. 판 사이의 진동하는 전기장은 손에 들고 있는 두 개의 긴 가이슬러 튜브의 저압 가스를 이온화하여 네온등과 유사한 방식으로 빛나게 한다.


테슬라는 송신기와 공진되도록 조정된 수신 LC 회로를 사용하여 램프를 켤 수 있는 거리를 늘릴 수 있다는 것을 발견하고,[74] 공진 유도 결합을 사용했다.[75][76] 비록 테슬라는 자신의 발견을 상업적인 제품으로 만들지는 못했지만,[33] 그의 공진 유도 결합 방식은 현재 전자 제품에 널리 사용되고 있으며, 단거리 무선 전력 시스템에 적용되고 있다.[75][34]

테슬라는 장거리를 통해 전력을 전송할 수 있는 무선 전력 분배 시스템 개발을 목표로 했다. 그는 30000feet 이상의 고도에서 전송 및 수신 전극을 공중에 매달기 위한 풍선으로 구성된 시스템을 제안했는데, 그곳에서는 압력이 높은 전압(수백만 볼트)을 장거리로 보낼 수 있다고 생각했다.[35][36] 테슬라는 저압 공기의 전도성을 연구하기 위해 1899년 콜로라도 스프링스에 고고도 테스트 시설을 설치했다.[37][38][39] 그는 메가볼트 범위에서 작동하는 대형 코일로 실험을 수행했으며, 번개 충격의 전자 노이즈에 대한 관찰을 통해 지구 전체를 전기 에너지를 전도하는 데 사용할 수 있다고 결론 내렸다.[40][30]

테슬라는 접지된 테슬라 코일에서 지구의 공진 주파수로 교류 펄스를 구동하여 지구의 전위를 진동시키는 방식으로, 지구상의 어느 지점에서든 전력 손실 없이 교류를 수신할 수 있다고 생각했다.[41][42][43] 그는 또한 수백 피트 고도에 있는 코일에 사용된 고전압이 "공기층을 파괴"하여, 대기 순환 회로를 만들기 위해 풍선에 매달린 수 마일의 케이블이 필요하지 않게 될 것이라고 믿었다.[44][45]

니콜라 테슬라가 무선 전력 전송 실험에 사용한 워든클리프 타워


테슬라는 1901년, 뉴욕 주 쇼어햄에서 워든클리프 타워라고 불리는 대형 고전압 무선 발전소를 건설하려고 시도했으나, 1904년까지 투자가 줄어들어 시설은 완공되지 못했다.

2. 3. 20세기: 마이크로파 및 레이저 기술의 발전

제2차 세계 대전 중 클라이스트론, 마그네트론 튜브, 포물선 안테나와 같은 마이크로파 기술이 개발[115]되면서, 방사형(원거리장) 방식이 처음으로 실용화되었다. 1960년대에 윌리엄 C. 브라운은 장거리 무선 전력 전송 기술을 크게 발전시켰다.[24] 1964년, 브라운은 마이크로파를 직류(DC) 전력으로 효율적으로 변환하는 렉테나를 발명하고, 이를 이용해 지상에서 쏘아올린 마이크로파로 작동하는 모형 헬리콥터를 시연했다.[115]

태양광 위성은 마이크로파를 이용하여 우주선이나 행성 표면에 에너지를 보낼 수 있다. (예술가의 상상도)


1970년대와 1980년대에는 우주 기반 태양광 발전 위성 개발을 위한 연구가 활발히 진행되었다. 이 연구에서는 마이크로파를 사용하여 궤도상의 태양광 발전 위성에서 지구로 에너지를 전송하는 방법이 제안되었다.[108][109] NASA의 1978년 연구에서는 1km 송신 안테나와 10km 수신 렉테나가 필요했다.[110]

지상에서는 넓은 면적(직경 10km)의 수신 배열을 통해 인체에 안전한 낮은 전력 밀도(1mW/cm2)로도 총 750MW의 큰 전력을 사용할 수 있다. 이는 현대식 발전소의 전력 레벨과 비슷하며, 태양광 발전소는 낮 동안 최고의 조건에서 10,000MW를 초과할 수 있다.

1975년 캘리포니아의 골드스톤 심우주 통신 단지에서 수십 킬로와트의 마이크로파 전력 전송 실험이 수행되었고,[113][114][115] 1997년에는 레위니옹의 그랑 바생에서 킬로미터 수준의 거리에서 전력 전송 실험이 이루어졌다.[116]

광전지 패널에 집중된 레이저 빔은 경량 모델 비행기를 비행시킬 수 있을 만큼 충분한 전력을 제공한다.


레이저를 이용한 전력 전송('전력 빔') 기술도 연구되었다. 레이저는 전기를 레이저 빔으로 변환하여 수신기의 광전지(태양 전지)에 집중시켜 전력을 전송한다.[124][125] 레이저 방식은 좁은 빔으로 장거리 전송이 가능하고, 소형화가 가능하며, 기존 무선 통신에 간섭을 주지 않는다는 장점이 있다.[127] 그러나 레이저 방사선은 위험하고, 빛-전기 변환 효율이 제한적이며(광전지는 최대 40%~50% 효율[128]), 대기 흡수 및 산란에 의한 손실이 크다는 단점도 있다.

NASA 드라이든 비행 연구 센터에서는 레이저 빔으로 구동되는 경량 무인 모델 비행기를 시연하여 레이저 빔을 이용한 주기적인 재충전 가능성을 보여주었다.[143]

2. 4. 21세기: 다양한 방식의 무선 전력 전송 기술 발전

21세기에는 전자기 유도, 자기 공명, 마이크로파, 레이저 등 다양한 방식의 무선 전력 전송 기술이 연구 개발되고 있다. 특히, 자기 공명 방식은 2006년 11월 매사추세츠 공과대학교(MIT) 연구팀이 "WiTricity"라는 이름으로 발표하면서 주목받기 시작했다.[190]

2010년 7월에는 무선 전력 컨소시엄(WPC)이 국제 표준 규격 'Qi'를 제정하였다.[187] 5W 이하의 소형 전자기기용 규격이지만, 국제 표준 제정으로 2011년 이후 무선 충전 기술의 보급이 예상되었다.[187] 또한, 향후에는 노트북 컴퓨터 등을 대상으로 최대 120W까지의 규격 제정도 이루어질 예정이었다.[187]

2023년 1월, WPC는 Qi의 후속 규격으로 애플(Apple)의 MagSafe를 기반으로 한 'Qi2'를 제정한다고 발표했다.[188]

3. 무선 전력 전송의 원리 및 방식

무선 전력 전송은 크게 비방사형(Near-field) 방식과 방사형(Far-field) 방식으로 나뉜다.

거리별 무선 전력 기술[8][11][49][50]
기술거리지향성[11]주파수안테나 장치현재 및/또는 가능한 미래 응용 분야
유도 결합단거리낮음Hz – MHz전선 코일전동 칫솔 및 면도기 배터리 충전, 유도 가열 조리 기구 및 산업용 히터.
공진 유도 결합중거리낮음kHz – GHz튜닝된 전선 코일, 집중 소자 공진기휴대용 기기 충전 (Qi), 생체 의학 임플란트, 전기 자동차, 버스, 기차, 자기 부상 열차(MAGLEV) 전원 공급, RFID, 스마트 카드.
정전 결합단거리낮음kHz – MHz금속판 전극휴대용 기기 충전, 대규모 집적 회로의 전력 라우팅, 스마트 카드, 생체 의학 임플란트.[176][177][178]
자기역학적 결합단거리해당 없음Hz회전 자석전기 자동차 충전,[50] 생체 의학 임플란트.[51]
마이크로파장거리높음GHz포물면 안테나, 위상 배열 안테나, 정류 안테나태양광 발전 위성, 드론 항공기 전원 공급, 무선 기기 충전
빛 파동장거리높음≥THz레이저, 광전지, 렌즈휴대용 기기 충전,[52] 드론 항공기 전원 공급.



전기장과 자기장은 전하와 같은 물질 내의 전하 입자에 의해 생성된다. 정지된 전하는 그 주변 공간에 정전기장을 생성하고, 전하의 일정 전류 (직류 전류)는 그 주변에 정적 자기장을 생성한다. 이러한 정적인 장들은 에너지를 포함하지만 전력을 전달할 수는 없다. 그러나 전선의 전자 교류 전류와 같이 가속되는 전하는 시간 변화하는 전기장과 자기장을 생성하여 전력을 전달할 수 있다.[53]

안테나 장치에서 움직이는 전하를 둘러싼 진동하는 전기장과 자기장은 안테나로부터의 거리에 따라 두 영역으로 나눌 수 있다.[8][11][12][49][54][55][56]

비방사형 방식은 안테나에서 약 1 파장(λ) 이내의 근거리 영역에서 사용되며, 정전 유도를 통해 전기장으로, 또는 전자기 유도를 통해 자기장으로 전력을 전송한다. 이러한 필드는 에너지가 송신기 근처에 머무르는 비방사형이며, 수신 장치가 없으면 전력이 송신기에서 나가지 않는다. 범위는 안테나 크기에 따라 다르며, 거리에 따라 지수적으로 감소하므로 장거리 전송에는 부적합하다.

방사형 방식은 안테나에서 약 1 파장(λ) 이상 떨어진 원거리 영역에서 전자기파를 이용하여 전력을 전송한다. 전파, 마이크로파, 빛 파동 등이 사용된다. 원거리에서 전자기파를 효율적으로 방사하려면 안테나 크기가 파장과 비슷하거나 커야 한다. 파장과 비슷한 크기의 안테나는 전력을 효율적으로 방사하지만, 모든 방향으로 에너지가 퍼져나가므로 장거리 전송에는 비효율적이다. 장거리 전송을 위해서는 좁은 빔 형태로 전자기파를 집중시켜야 하며, 이를 위해 안테나는 파장보다 훨씬 커야 한다.

3. 1. 비방사형 (Near-field) 방식

무선 전력 전송 방식


비방사형(Near-field) 방식은 송신기와 수신기 사이의 거리가 짧을 때 효율적인 전력 전송이 가능하다. 이 영역은 안테나에서 약 1 파장(λ) 이내의 영역을 의미하며, 진동하는 전기장과 자기장이 분리되어 있다.[12] 전력은 금속 전극 간의 정전 유도(용량성 결합)를 통해 전기장으로, 또는 전선 코일 간의 전자기 유도(유도 결합)를 통해 자기장으로 전송될 수 있다.[9][11][12][49]

이러한 필드는 에너지가 송신기에서 짧은 거리에 유지되는 '비방사형'이다.[55][57] 수신 장치가 범위 내에 없으면 송신기에서 전력이 나오지 않는다.[57] 범위는 "안테나" 장치의 크기와 모양에 따라 다르며, 필드와 전송 전력은 거리에 따라 지수 감쇠한다.[54][56][58] 따라서 장거리 전력 전송에는 사용할 수 없다.

공진 유도 결합은 안테나 간의 결합을 크게 증가시켜 효율적인 전송을 가능하게 하지만,[8][12][49][54][59][61] 필드는 여전히 지수적으로 감소한다. 근거리 장치의 범위는 일반적으로 다음과 같이 나뉜다.

  • 단거리: 안테나 직경의 약 1배까지 (''D''range ≤ ''D''ant).[57][59][60] 일반적인 비공진 용량성 또는 유도성 결합이 실용적인 양의 전력을 전송할 수 있는 범위이다.
  • 중거리: 안테나 직경의 최대 10배까지 (''D''range ≤ 10 ''D''ant).[59][61][60][62] 공진 용량성 또는 유도성 결합이 실용적인 양의 전력을 전송할 수 있는 범위이다.


비접촉으로 전력을 공급하는 기술은 크게 비방사형과 방사형으로 나뉜다. 2017년 현재 비방사형 중에서는 전자기 유도를 이용한 "전자기 유도 방식"과, 코일이 공진할 때 생기는 자계의 조상 현상을 이용한 "자기 공진 결합 방식"이 유력하게 여겨지고 있다.[189]

거리가 상대적으로 멀리 떨어져 있으면, 근접 전계 성분은 준정적 진동 쌍극자장이다. 이러한 장은 거리의 세제곱에 반비례하여 감소하고(''D''범위 / ''D''안테나)−3,[56][66] 전력은 전계 강도의 제곱에 비례하므로 전송되는 전력은 (''D''범위 / ''D''안테나)−6으로 감소한다.[12][58][67][68] 즉, 거리를 10배 늘리면 수신 전력이 1/1,000,000로 감소한다. 따라서 유도 결합 및 정전 결합은 단거리 전력 전송에만 사용할 수 있다. 쌍극자 안테나가 전파 방향에 수직일 때 최대 복사가 발생하는 방사 시스템과 달리, 쌍극자장에서는 쌍극자가 종 방향으로 향할 때 최대 결합이 발생한다.

비방사형 방식의 종류[8][11][49][50]
기술거리지향성[11]주파수안테나 장치현재 및/또는 가능한 미래 응용 분야
유도 결합단거리낮음Hz – MHz전선 코일전동 칫솔 및 면도기 배터리 충전, 유도 가열 조리 기구 및 산업용 히터.
공진 유도 결합중거리낮음kHz – GHz튜닝된 전선 코일, 집중 소자 공진기휴대용 기기 충전 (Qi), 생체 의학 임플란트, 전기 자동차, 버스, 기차, 자기 부상 열차(MAGLEV) 전원 공급, RFID, 스마트 카드.
정전 결합단거리낮음kHz – MHz금속판 전극휴대용 기기 충전, 대규모 집적 회로의 전력 라우팅, 스마트 카드, 생체 의학 임플란트.[176][177][178]
자기역학적 결합단거리해당 없음Hz회전 자석전기 자동차 충전,[50] 생체 의학 임플란트.[51]


3. 1. 1. 전자기 유도 방식

전자기 유도(유도 결합, 유도 전력 전송, IPT)는 전선 코일 사이에서 자기장을 통해 전력을 전송하는 방식이다.[12] 송신기 및 수신기 코일은 함께 변압기를 형성한다.[12][49] 송신기 코일 ''(L1)''을 통해 흐르는 교류 (AC)는 암페어의 법칙에 의해 진동하는 자기장 ''(B)''을 생성한다. 이 자기장은 수신 코일 ''(L2)''을 통과하며, 패러데이의 유도 법칙에 의해 교류 기전력 (전압)을 유도하여 수신기에 교류를 생성한다.[9][69] 유도된 교류는 부하를 직접 구동하거나, 수신기의 정류기에 의해 직류 (DC)로 정류되어 부하를 구동할 수 있다. 전동 칫솔 충전 스탠드와 같은 일부 시스템은 50/60 Hz에서 작동하므로 AC 주 전력이 송신기 코일에 직접 적용되지만, 대부분의 시스템에서는 전자 발진기가 코일을 구동하는 더 높은 주파수의 AC 전류를 생성한다. 주파수가 높을수록 전송 효율이 향상되기 때문이다.[69]

전동 칫솔 충전기


유도 결합은 가장 오래되고 널리 사용되는 무선 전력 기술이며, 현재까지 상업 제품에 사용되는 사실상 유일한 기술이다. 주로 전동 칫솔[49] 및 면도기와 같이 습한 환경에서 사용되는 무선 기기의 유도 충전 스탠드에 사용되어 감전 위험을 줄인다.[70] 또한 인공 심장 박동기와 같은 인체에 이식된 생체 의학 보철 장치의 "경피" 재충전에 사용되어 피부를 통과하는 전선을 피할 수 있다.[85][71] 전기 자동차 충전 및 버스, 기차와 같은 대중 교통 차량에 전력을 공급하는 데에도 사용된다.[49]

최근에는 노트북 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 컴퓨터 마우스, 휴대폰, 디지털 미디어 플레이어, 비디오 게임 컨트롤러와 같은 모바일 및 휴대용 무선 장치를 재충전하기 위한 무선 충전 패드에 많이 사용되고 있다. 2017년 12월, 미국 연방 통신 위원회(FCC)는 무선 전송 충전 시스템에 대한 첫 번째 인증을 제공했다.[72]

전송되는 전력은 주파수[69]와 코일 간의 상호 인덕턴스 (M)에 따라 증가한다.[9] M은 코일의 기하학적 구조와 코일 사이의 거리 (D_\text{range})에 따라 달라진다. 널리 사용되는 성능 지수는 결합 계수 (k\; =\; M/\sqrt{L_1 L_2})이다.[69][73] 이 값은 L2가 개방 회로일 때 송신기 코일 L1을 통과하는 자기 선속 중 수신기 코일 L2를 통과하는 비율을 나타내는 무차원 매개변수이다. 두 코일이 동일한 축에 있고 가깝게 위치하여 L1의 모든 자기 선속이 L2를 통과하면 k = 1이고 링크 효율은 100%에 근접한다. 코일 간의 거리가 멀어질수록 첫 번째 코일의 자기장이 두 번째 코일에 미치지 못하고, k와 링크 효율은 낮아지며, 큰 거리에서는 0에 접근한다.[69] 링크 효율과 전송 전력은 대략 k^2에 비례한다.[69] 높은 효율을 달성하기 위해서는 코일이 코일 직경 (D_\text{ant})의 일부,[69] 일반적으로 수 센티미터 이내로,[64] 매우 가까이 있어야 하며 코일 축이 정렬되어야 한다. 결합을 늘리기 위해 넓고 평평한 코일 형태가 주로 사용된다.[69] 페라이트 "자속 구속" 코어는 자기장을 구속하여 결합을 개선하고 주변 전자 장치에 대한 간섭을 줄일 수 있지만,[69][85] 무겁고 부피가 커서 소형 무선 장치는 주로 공심 코일을 사용한다.

일반적인 유도 결합은 높은 효율을 얻기 위해 코일이 서로 매우 가까이(대개 인접) 있어야 한다. 대부분의 현대 유도 시스템에서는 공진 회로를 사용하여 효율을 높이는 공진 유도 결합이 사용된다.[55][61][69][24] 이를 통해 비공진 유도 결합보다 더 먼 거리에서 높은 효율을 얻을 수 있다.

유도 무선 전력 시스템의 일반적인 블록 다이어그램


단순한 전자기 유도를 사용한 방식은 원리적으로 전자기 유도 그 자체이며, 자속을 통해 수신 측 코일에 전력을 전송한다. 이때 결합 계수 (k)가 작으면 효율이 떨어진다. k는 상호 인덕턴스에 의존하며, 이는 거리에 따라 달라지는 파라미터가 된다. 떨어진 코일 사이에서는 상호 인덕턴스가 작아지고, 코일 대부분이 누설 인덕턴스가 되며, 이 누설 인덕턴스에 의해 생기는 단락 인덕턴스가 무효 전류를 증가시켜 동손을 증가시키고 효율을 떨어뜨린다. 따라서 작은 코일을 사용한 경우에는 비접촉이라고 할 수 없을 정도로 가까운 거리에서만 전력을 전송할 수 있으며, 주로 무선 전화나 전동 칫솔 등의 충전, IH 조리기와 같은 근거리 송전 용도로 사용된다.

3. 1. 2. 자기 공명 방식

매린 솔자칙(MIT)의 2007년 실험에 사용된 자기장 공진 시스템 그림


자기 공명 결합(전자기 결합,[49] 강하게 결합된 자기 공명[59])은 송신기와 수신기에 각각 하나씩 있는 두 개의 공진 회로(동조 회로) 사이에서 자기장 ''(B, 녹색)''에 의해 전력이 전달되는 유도 결합의 한 형태이다.[12][49][55][70][24] 각 공진 회로는 커패시터에 연결된 전선 코일, 또는 내부 커패시턴스를 가진 자기 공진 코일 또는 기타 공진기로 구성된다. 두 회로는 동일한 공진 주파수에서 공진하도록 조정된다. 코일 사이의 공진은 진동하는 튜닝 포크가 동일한 음조로 조정된 멀리 떨어진 포크에 공명 진동을 유도하는 방식과 유사하게 결합 및 전력 전송을 크게 증가시킬 수 있다.

니콜라 테슬라는 20세기 초 무선 전력 전송에 대한 선구적인 실험을 통해 공진 결합을 처음 발견했지만,[74][75][76] 전송 범위를 늘리기 위해 공진 결합을 사용하는 가능성은 최근에 탐구되었다.[77] 2007년 매린 솔자칙이 이끄는 매사추세츠 공과대학교(MIT) 연구팀은 각각 10 MHz에서 25 cm 자기 공진 코일로 만들어진 두 개의 결합된 동조 회로를 사용하여 약 40%의 효율로 2m(코일 직경의 8배) 거리에서 60W의 전력을 전송하는 데 성공했다.[49][59][70][75][78]

공진 유도 결합 시스템의 개념은 높은 Q 팩터 공진기가 내부 감쇠비로 인해 에너지를 잃는 것보다 훨씬 높은 속도로 에너지를 교환한다는 것이다.[59] 따라서 공진을 사용하면, 근접 전계의 주변 영역("꼬리")에서 훨씬 약한 자기장을 사용하여 동일한 양의 전력을 더 먼 거리에서 전송할 수 있다.[59] 공진 유도 결합은 코일 직경의 4~10배(''D''ant) 거리에서 높은 효율을 달성할 수 있다.[61][60][62] 이는 코일이 인접할 때만 유사한 효율을 달성할 수 있는 비공진 유도 전송의 "단거리"와 대조적으로 "중거리" 전송이라고 한다.[60] 또 다른 장점은 공진 회로가 비공진 물체보다 서로 훨씬 더 강하게 상호 작용하므로 주변의 부유 물체에서 흡수되는 전력 손실이 무시할 수 있다는 것이다.[55][59]

공진 결합 이론의 단점은 두 개의 공진 회로가 가깝게 결합될 때 시스템의 공진 주파수가 더 이상 일정하지 않고 두 개의 공진 피크로 "분할"되어,[79][80][81] 최대 전력 전송이 더 이상 원래의 공진 주파수에서 발생하지 않으므로 발진기 주파수를 새로운 공진 피크로 조정해야 한다는 것이다.[61][82]

공진 기술은 현재 현대적인 유도 무선 전력 시스템에 널리 통합되고 있다.[69] 이 기술에 대해 예상되는 가능성 중 하나는 영역 무선 전력 범위이다. 방의 벽이나 천장의 코일은 방 안의 어디에서든 조명과 모바일 장치에 적절한 효율로 무선으로 전력을 공급할 수 있다.[70] 시계, 라디오, 음악 플레이어 및 리모콘과 같은 소형 장치에 무선으로 전력을 공급하는 것은 매년 폐기되는 60억 개의 전지를 대폭 줄여 유해 폐기물과 지하수 오염의 큰 원인을 줄일 수 있다는 환경적, 경제적 이점이 있다.[64]

MIT가 발표한 것은 송전 측과 수전 측의 공진기가 같은 주파수에서 공명(공진)함으로써 효율적인 전력 전송이 가능하다는 이론에 근거하기 때문에, "전자기장 공명 방식", "공진 결합 방식"이라고도 불린다. 개발자인 매린 솔자칙은 이 기술을 무선(wireless)과 전기(electricity)를 합쳐 만든 조어인 WiTricity라고 명명하고[190] 동명의 법인을 설립했다. WiTricity에서는 이 기술에 대해 Highly Resonant Wireless Power Transfer|고공진 무선 전력 전송영어라고 설명하고 있다.[191]

WiTricity의 이론 설명이나 개념에 따르면, 자기장 공진의 원리는 멀리 떨어진 음차가 같은 공진 주파수에 의해 공명하는 성질을 이용한 것이며, 코일과 콘덴서로 공진하는 두 개의 공진기 사이에서 비방사형 에너지 전송은 공명장에바네센트 테일의 결합[192][193][194]이 개입하고, 이 공명장의 결합에 의해 비방사 전자기 공명 에너지 터널(non-radiative electromagnetic energy resonant tunneling|비방사 전자기 공명 에너지 터널링영어)이 생기며, 이 비방사 전자기 공명 에너지 터널을 통해 전력을 주고받으면, 결합 계수 k가 0.1 또는 그 이하라는 상당한 疎결합 상태에서도 고효율로 송전할 수 있기 때문에, 전자기 유도보다 긴 거리를 전송할 수 있다고 설명된다.

3. 1. 3. 용량 결합

전기장과 자기장은 전하와 같은 물질 내의 전하 입자에 의해 생성된다. 정지된 전하는 그 주변 공간에 정전기장을 생성한다. 전하의 일정 전류 (직류 전류, DC)는 그 주변에 정적 자기장을 생성한다. 이러한 장들은 에너지를 포함하지만 정적이기 때문에 전력을 전달할 수 없다. 그러나 시간 변화하는 장은 전력을 전달할 수 있다.[53] 전선의 전자 교류 전류 (AC)와 같이 가속되는 전하는 그 주변 공간에 시간 변화하는 전기장과 자기장을 생성한다.

정전 결합은 전기 결합이라고도 하며, 전력 전달을 위해 두 개의 전극 (양극과 음극) 사이에 전기장을 사용하여 전력을 전송한다.[84] 정전 결합 (정전 유도)에서, 유도 결합의 공액(conjugate)인 전력은 전극 (금속판 등) 사이의 전기장에 의해 전송된다.[175][9][176][178] 송신기 및 수신기 전극은 유전체를 사이에 둔 커패시터를 형성한다.[177][9][12][49][85][86] 송신기에 의해 생성된 교류 전압은 송신판에 인가되고, 진동하는 전기장은 정전 유도에 의해 수신판에 교류 전위를 유도하여[9][86] 부하 회로에서 교류 전류가 흐르게 한다. 전송되는 전력량은 주파수와 전압의 제곱, 그리고 판 사이의 커패시턴스에 따라 증가하며, 이는 작은 판의 면적에 비례하고 (단거리의 경우) 간격에 반비례한다.[9]

정전 결합은 실질적으로 몇몇 저전력 응용 분야에서만 사용되어 왔는데, 그 이유는 상당한 전력을 전송하는 데 필요한 전극의 매우 높은 전압이 위험할 수 있으며,[12][49] 유해한 오존 생성과 같은 불쾌한 부작용을 일으킬 수 있기 때문이다. 또한, 자기장과 달리,[59] 전기장은 유전 분극으로 인해 인체를 포함한 대부분의 물질과 강하게 상호 작용한다.[85] 전극 사이 또는 근처의 개입 물질이 에너지를 흡수할 수 있으며, 사람의 경우 과도한 전자기장 노출을 유발할 수 있다.[12] 그러나 정전 결합은 유도 결합에 비해 몇 가지 장점이 있다. 전기장은 주로 커패시터 판 사이에 국한되어 간섭을 줄이며, 유도 결합의 경우 무거운 페라이트 "자속 구속" 코어가 필요하다.[9][85] 또한 송신기와 수신기 사이의 정렬 요구 사항이 덜 중요하다.[9][12][86] 정전 결합은 최근 배터리 구동 휴대용 장치의 충전[175] 및 생체 의학 임플란트의 충전 또는 지속적인 무선 전력 전송에 적용되었으며,[176][177][178] 집적 회로의 기판 레이어 간 전력 전송 수단으로 고려되고 있다.[87]

두 가지 유형의 회로가 사용되었다.

  • 가로 (쌍극자) 설계:[176][178][88][89] 이 유형의 회로에는 두 개의 송신판과 두 개의 수신판이 있다. 각 송신판은 수신판에 연결된다. 송신기 전자 발진기는 높은 교류 전압으로 송신판을 반대 위상(180° 위상차)으로 구동하며, 부하는 두 개의 수신판 사이에 연결된다. 교류 전기장은 수신판에 반대 위상 교류 전위를 유도하고, 이 "푸시-풀" 동작은 부하를 통해 판 사이를 전류가 앞뒤로 흐르게 한다. 무선 충전의 경우 이 구성의 단점은 수신 장치의 두 판이 장치가 작동하려면 충전기 판과 마주보도록 정렬되어야 한다는 것이다.[10]
  • 세로 (단극) 설계:[9][86][89] 이 유형의 회로에서 송신기와 수신기는 하나의 활성 전극만 가지고 있으며, 접지 또는 대형 수동 전극이 전류의 귀환 경로 역할을 한다. 송신기 발진기는 활성 전극과 수동 전극 사이에 연결된다. 부하 또한 활성 전극과 수동 전극 사이에 연결된다. 송신기에 의해 생성된 전기장은 정전 유도를 통해 부하 쌍극자에서 교류 전하 변위를 유도한다.[90]


공진은 범위 확장을 위해 정전 결합과 함께 사용할 수도 있다. 20세기 초에 니콜라 테슬라는 공진 유도 결합과 정전 결합에 대한 최초의 실험을 수행했다.

3. 1. 4. 전자기 무선 전력 전송

전자기 무선 전력 전송(EWPT) 시스템은 기계적으로 공진하거나 회전하는 영구 자석을 갖춘 수신기를 사용한다.[91][92] 시간 변화하는 자기장에 노출되면 공진 자석의 기계적 움직임은 전자기/유도, 압전, 또는 용량성과 같은 하나 이상의 전기 기계적 변환 방식에 의해 전기로 변환된다.[93][94] 일반적으로 고주파 자기장을 사용하는 유도 결합 시스템과 달리, EWPT는 전도성 매체를 안전하게 통과하고 인체 노출 한계가 더 높은 (~1 kHz에서 2 mTrms) 저주파 자기장(<1 kHz)을 사용하며, 이는 생체 의학 임플란트의 무선 재충전에 잠재적으로 사용될 가능성을 보여준다.

동일한 공진 주파수를 갖는 EWPT 장치의 경우, 전력 전송의 크기는 송신기 및 수신기 장치 간의 임계 결합 계수 k에 전적으로 의존한다. 동일한 공진 주파수를 갖는 결합된 공진기의 경우, 송신기와 수신기 간의 무선 전력 전송은 과소 결합, 임계 결합, 과다 결합의 세 가지 영역으로 나뉜다. 임계 결합 계수가 과소 결합 영역(k)에서 임계 결합 영역으로 증가함에 따라 최적 전압 이득 곡선은 크기(수신기에서 측정)가 증가하고 k=k_{crit}일 때 최대값을 가지며, 이후 k>k_{crit}인 과다 결합 영역으로 진입하여 피크가 두 개로 분리된다.[100] 이 임계 결합 계수는 소스 장치와 수신기 장치 간의 거리에 따라 달라지는 것으로 나타났다.[101][102]

3. 1. 5. 자력 동적 결합

자력 동적 결합에서 전력은 두 개의 회전하는 전기자 사이에서 전송되며, 전기자는 동기적으로 회전하고 영구 자석에 의해 생성된 자기장에 의해 결합된다.[50] 송신기 전기자는 전동기의 회전자 역할을 하며, 그 자기장은 수신기 전기자에 토크를 가하여 회전시킨다. 자기장은 전기자들 사이의 기계적 결합처럼 작용한다.[50] 수신기 전기자는 별도의 발전기를 회전시키거나, 수신기 전기자 자체를 발전기의 회전자로 사용하여 부하를 구동하는 전력을 생산한다.

이 장치는 전기 자동차의 비접촉 충전에 사용될 수 있다.[50] 차고 바닥이나 연석에 내장된 회전 전기자는 차량 하부의 수신기 전기자를 회전시켜 배터리를 충전한다.[50] 이 기술은 90% 이상의 고효율로 10cm~15cm 거리에서 전력을 전송할 수 있다고 주장한다.[50][103] 또한, 회전하는 자석에 의해 생성된 저주파수 유해 자기장은 유도 결합 시스템에서 생성된 고주파수 자기장보다 인근 전자 장치에 미치는 전자기 간섭이 적다. 브리티시컬럼비아 대학교에서 2012년부터 전기 자동차를 충전하는 시제품 시스템이 운영되고 있다. 그러나 다른 연구자들은 두 번의 에너지 변환 (전기 -> 기계 -> 전기)으로 인해 이 시스템이 유도 결합과 같은 전기 시스템보다 효율성이 떨어진다고 주장한다.[50]

3. 2. 방사형 (Far-field) 방식

방사형(Far-field) 방식은 송신기와 수신기 사이의 거리가 멀 때에도 전력 전송이 가능한 방식이다. 이 방식은 안테나에서 약 1 파장(λ) 이상 떨어진 거리에서 전기장과 자기장이 서로 수직으로 전자기파 형태로 전파되는 원리를 이용한다.[8][49][54] 전파, 마이크로파, 빛 파동 등이 여기에 해당한다.[8][49][54]

원거리에서 전자기파를 효율적으로 방사하려면 안테나의 크기(''D''ant)가 파동의 파장(λ)과 비슷하거나 커야 한다.[63] 단극 안테나나 다이폴 안테나처럼 파장과 비슷한 크기의 안테나는 전력을 효율적으로 방사하지만, 모든 방향으로 에너지가 퍼져나가기 때문에(무지향성 안테나) 수신 안테나가 멀리 떨어져 있으면 극히 일부의 에너지만 도달한다.[55][59] 따라서 이러한 안테나는 단거리 전력 전송에는 사용할 수 있지만, 장거리 전송에는 비효율적이다.[64]

장거리 전력 전송을 위해서는 반사나 굴절을 통해 전자기파를 좁은 빔 형태로 집중시켜야 한다.[59][64] 고이득 안테나나 광학 시스템을 사용하여 수신기를 향해 좁은 빔을 형성하면 장거리 전력 전송이 가능하다.[59][64] 레일리 기준에 따르면, 좁은 빔을 생성하려면 안테나가 사용되는 파동의 파장보다 훨씬 커야 한다(''D''ant >> λ = ''c/f'').[65] 따라서 실용적인 빔 전력 장치는 센티미터 이하의 파장, 즉 마이크로파 이상의 주파수를 사용해야 한다.[8]

방사형 방식은 수 킬로미터 범위의 먼 거리까지 전력을 전송할 수 있다. 높은 지향성 안테나나 레이저 광선을 사용하면 수신 영역에 맞춰 에너지 빔을 형성할 수 있다. 안테나의 최대 지향성은 회절에 의해 제한된다.

일반적으로 빛 빔(레이저)과 마이크로파(특수 설계된 안테나)가 에너지 전송에 가장 적합한 전자기파 형태이다. 구성 요소의 크기는 송수신기 간 거리, 파장, 레일리 기준 또는 회절 한계에 의해 결정된다. 에어리의 회절 한계는 개구에서 임의의 거리에 대한 대략적인 스폿 크기를 결정하는 데 사용된다. 전자기파는 파장이 짧을수록(주파수가 높을수록) 회절이 덜 발생한다. 예를 들어, 파란색 레이저는 빨간색 레이저보다 회절이 적다.

레일리 한계에 따르면, 전자기파의 복사 조도(강도)는 빔이 최소 비율로 거리에 걸쳐 발산함에 따라 감소한다. 전송 안테나의 안테나 개구 또는 레이저의 출구 개구와 복사 파장의 비율이 클수록 복사는 컴팩트 빔에 더 집중될 수 있다.

마이크로파 전력 빔은 레이저보다 효율적일 수 있으며, 안개나 먼지 같은 에어로졸에 의한 대기 감쇠에 덜 취약하다. 전력 레벨은 안테나 특성, 복사가 통과하는 매체의 투명도 및 분산으로 인한 안테나 이득 및 감쇠를 고려하여 계산되며, 이를 링크 예산 계산이라고 한다.

3. 2. 1. 마이크로파 방식

마이크로파를 이용하여 전력을 전송하는 방식이다. 렉테나를 사용하면 마이크로파를 직류(DC) 전력으로 효율적으로 변환할 수 있다.[115] 1964년에 윌리엄 C. 브라운은 마이크로파로 작동하는 모형 헬리콥터를 시연하며 이 기술의 가능성을 보여주었다.[115]

마이크로파 방식은 원거리장 기술을 사용하여 장거리 전력 전송이 가능하다. 지향성 안테나를 사용하여 에너지 빔을 수신 영역에 집중시킬 수 있으며, 회절 한계에 의해 안테나의 최대 지향성이 결정된다. 마이크로파 전력 빔은 레이저보다 효율적이며, 먼지나 에어로졸 등에 의한 대기 감쇠에 덜 영향을 받는다.

NASA는 태양광 발전 위성에서 지구로 에너지를 전송하는 연구에서 1km 송신 안테나와 10km 수신 렉테나가 필요하다는 것을 밝혔다.[110] 지상에서는 넓은 수신 배열을 통해 인체에 안전한 낮은 전력 밀도로도 큰 전력을 얻을 수 있다. 예를 들어, 10km 직경의 수신 배열에 1mW/cm2의 전력 밀도를 사용하면 총 750MW의 전력을 얻을 수 있는데, 이는 현대식 발전소의 전력 수준에 해당한다.

1975년 캘리포니아의 골드스톤 심우주 통신 단지에서 수십 킬로와트의 마이크로파 전력 전송 실험이 성공적으로 수행되었고,[113][114][115] 1997년에는 레위니옹의 그랑 바생에서 유사한 실험이 이루어졌다.[116] 이러한 실험들은 킬로미터 수준의 거리에서 마이크로파 전력 전송이 가능함을 보여준다. 실험 조건에서 마이크로파 변환 효율은 1미터에서 약 54%로 측정되었다.[117]

일본의 연구자 야기 히데쓰구는 야기 안테나를 통해 무선 에너지 전송을 연구했다.[112] 최근에는 IoT 장치에 전력을 공급하기 위해 약 900MHz 주파수를 사용하는 무선 충전 시스템이 개발되고 있다.[123]

3. 2. 2. 레이저 방식



가시광선 영역(0.2~2 마이크로미터)의 전자기파를 레이저 빔으로 변환하여 수신하고, 광전지(태양 전지)에 집중시켜 전력을 전송할 수 있다.[124][125] 이 방식은 수신기에 전력을 빔으로 쏘아 전기 에너지로 변환하기 때문에 '전력 빔'이라고도 불린다. 수신기에는 단색광 변환에 최적화된 특수 광전지 레이저 전력 변환기가 사용된다.[126]

다른 무선 방식에 비해 다음과 같은 장점이 있다:[127]

  • 콜리메이팅된 단색 파면 전파는 좁은 빔 단면적을 통해 장거리 전송이 가능하다. 송신기에서 수신기까지의 거리가 늘어나도 전력 감소가 거의 없다.
  • 소형화: 고체 레이저는 작은 제품에 적합하다.
  • 와이파이 및 휴대폰과 같은 기존 무선 통신에 대한 무선 주파수 간섭이 없다.
  • 접근 제어: 레이저에 의해 맞은 수신기만 전력을 수신한다.


단점은 다음과 같다.

  • 레이저 방사선은 위험하다. 적절한 안전 장치가 없으면 낮은 전력 수준에서도 인간과 다른 동물의 시력을 손상시킬 수 있다. 높은 전력 수준은 국부적인 열 발생으로 사망을 초래할 수 있다.
  • 전기와 빛 사이의 변환은 제한적이다. 광전지는 최대 40%~50%의 효율을 달성한다.[128]
  • 대기 흡수, 구름, 안개, 비 등에 의한 흡수 및 산란으로 인해 최대 100% 손실이 발생한다.
  • 대상과 직접적인 시선이 필요하다. (레이저 빛은 수신기에 직접 빔을 쏘는 대신 광섬유로 안내할 수도 있다. 그러면 광섬유 전력 전송 기술에 대해 말하게 된다.)


레이저 "전력 빔" 기술은 지향성 에너지 무기[129][130][131] 및 레이저 추진[132][133] 분야에서 연구되었다. 또한 산업 환경에서 다양한 종류의 센서에 전력을 공급하는 데 적용된다. 최근에는 상업용 및 소비자 가전 제품에 전력을 공급하기 위해 개발되었다. 소비자 가전 분야에 레이저를 사용하는 무선 에너지 전송 시스템은 IEC 60825에 따라 표준화된 레이저 안전 요구 사항을 충족해야 한다.

소비자 응용 분야에 레이저를 사용하는 최초의 무선 전력 시스템은 2018년에 시연된 와이-차지(Wi-Charge)로, 방 전체에서 고정 및 이동 장치에 전력을 공급할 수 있다. 이 무선 전력 시스템은 IEC 60825 표준에 따른 안전 규정을 준수하며, 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받았다.[134]

기타 세부 사항으로는 전파,[135] 및 결맞음 및 범위 제한 문제가 있다.[136]

제프리 랜드이스(Geoffrey A. Landis)[137][138][139]는 태양광 발전 위성[140] 및 에너지의 레이저 기반 전송, 특히 우주 및 달 임무 분야의 선구자 중 한 명이다. 안전하고 빈번한 우주 임무에 대한 수요로 인해 레이저로 구동되는 우주 엘리베이터에 대한 제안이 나왔다.[141][142]

미국 NASA 드라이든 비행 연구 센터(Dryden Flight Research Center)는 레이저 빔으로 구동되는 경량 무인 모델 비행기를 시연했다.[143] 이 개념 증명은 레이저 빔 시스템을 사용하여 주기적인 재충전의 타당성을 보여준다.

중국과학원 과학자들은 이중 파장 레이저를 활용하여 휴대용 장치 또는 무인 항공기(UAV)를 무선으로 충전하는 개념 증명을 개발했다.[144]

3. 2. 3. 대기 플라즈마 채널 결합

대기 플라즈마 채널 결합에서, 에너지는 이온화된 공기를 통한 전기 전도에 의해 두 전극 사이에서 전달된다.[145] 두 전극 사이에 전기장 기울기가 존재하고 해수면 대기압에서 34kV/cm를 초과하면, 전기 아크가 발생한다.[146] 이러한 대기 절연 파괴는 두 전극 사이의 이온화된 플라즈마 채널을 통해 무작위 궤적을 따라 전류가 흐르는 결과를 낳는다. 자연 번개가 이러한 현상의 예시인데, 번개의 경우 한 전극은 구름 속의 가상점이고 다른 전극은 지구상의 점이다. 레이저 유도 플라즈마 채널(LIPC) 연구는 현재 초고속 레이저를 사용하여 공기 중의 플라즈마 채널의 인위적인 발달을 촉진하고, 전기 아크를 유도하며, 제어 가능한 방식으로 특정 경로를 따라 전류를 안내하는 방식으로 진행되고 있다.[147] 레이저 에너지는 대기 절연 파괴 전압을 감소시키고, 공기는 과열에 의해 절연성이 감소하며, 이는 공기의 필라멘트 밀도를 낮춘다.[148]

이러한 LIPC 기술은 레이저 피뢰침이나, 자연 번개 채널 연구를 위해 구름에서 번개 볼트를 유발하는 수단,[149] 인공 대기 전파 연구, 기존의 라디오 안테나 대체,[150] 전기 용접 및 가공 관련 응용,[151][152] 고전압 커패시터 방전에서 전력을 전환하는 데 활용될 수 있다. 또한 접지 귀환 경로를 통한 전기 전도를 이용하는 지향성 에너지 무기 응용 분야,[153][154][155][156] 그리고 전파 방해에 사용하기 위해 연구되고 있다.[157] 전기 레이저도 참고할 수 있다.

4. 활용 분야

무선 전력 전송 기술은 주변 환경에서 전기 에너지를 수확하여 소형 무선 장치에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 주변 에너지는 전기 장비의 유휴 전기장, 자기장, 전파, 빛, 열, 진동 등에서 얻을 수 있으며, 변환 효율은 낮지만 소형 무선 장치 작동에는 충분할 수 있다.[158] 이 기술은 배터리 교체나 충전의 필요성을 없애고 장치를 자율적으로 작동시킬 수 있도록 개발되고 있다.[159][160]

1800년대 변압기 개발과 함께 유도 전력 전송 기술이 등장했으며, 유도 가열은 1900년대 초부터 사용되었다.[161] 무선 기기의 출현과 함께 전기 칫솔, 전기 면도기와 같이 습한 환경에서 사용되는 기기를 위한 유도 충전 거치대가 개발되었다. 1892년에는 철도 열차에 전력을 공급하는 무선 방법이 특허를 받았다.[162]

1960년대 초, 심장 박동기 등 이식형 의료 기기에 공진 유도 무선 에너지 전송이 성공적으로 사용되었다.[163] 초기 시스템은 공진 수신기 코일을 사용했지만, 이후 시스템[164]은 공진 송신기 코일도 구현했다. 오늘날 공진 유도 에너지 전송은 많은 의료용 이식형 장치에 전력을 공급하는 데 사용된다.[165]

1990년대에는 근접 카드와 비접촉식 스마트 카드에 RFID 기술이 사용되기 시작했다.

최근에는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터와 같은 휴대용 무선 통신 장치의 충전을 위한 무선 전력 공급 및 충전 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다.[168] 무선 전력 컨소시엄은 2008년에 설립되었으며,[168] 2009년에는 Qi 유도 전력 표준이 발표되었다.[169]

1984년 4월, 주식회사 비앤플러스는 전자기 유도(공진 회로 방식)를 사용하여 비접촉 급전 및 신호 전송을 동시에 수행할 수 있는 센서를 개발하여 제품화했다.[225]

1993년, 주식회사 다이후쿠는 오클랜드 대학교의 존 보이스 등의 제안에 따라 세계 최초의 비접촉 급전 반송 시스템[184]을 실용화했다.

2006년 12월 4일, 도쿄 대학 연구팀은 트랜지스터 등을 조합한 시트형 무선 전력 전송 시스템을 구현하는 데 성공했다.[227]

2007년, 산와 서플라이는 무선 급전을 이용한 무선 마우스를 출시했다.[228]

2008년 8월 21일, 인텔은 전자기장 공명 기술에 의한 무선 공진 에너지 링크의 연구 성과를 발표했다.[230]

소니는 2009년 10월 2일, "무선 급전 시스템"을 개발했다고 발표했다.[234]

2010년, 쇼와 항공기 공업은 충전 스팟에 정차하는 것만으로 EV를 충전할 수 있는 무선 급전 기술을 EV 버스에 실용화했다.[235] 같은 해, 한국의 KIST는 온라인 전기 자동차 (Online Electric Vehicle, OLEV)를 개발하여 비접촉 전력 전송을 이용한 버스를 실용화했다.

1970년대와 1980년대에는 우주 기반 태양광 발전을 위한 위성 개발을 위해 마이크로파 연구가 진행되었다.[24][115] 피터 글레이저가 1968년에 구상한 이 위성은 태양 전지를 사용하여 태양광 에너지를 수확하고, 마이크로파로 빔을 쏘아 전력망에서 전기에너지로 변환한다.[172] 1975년 실험에서 브라운은 475W의 마이크로파 전력을 약 1.61km 떨어진 렉테나로 빔을 쏘아 장거리 전송을 시연했다.[173]

최근에는 무선 전력 공급 드론 항공기 개발이 진행되고 있으며, 이는 1959년 미 국방부의 RAMP 프로젝트로 시작되었다.[115] 1987년 캐나다는 정지 고고도 중계 플랫폼 (SHARP)이라는 소형 프로토타입 비행기를 개발했다.

2003년 NASA는 최초의 레이저 동력 항공기를 비행했다.

4. 1. 소형 전자기기 무선 충전

유도 결합은 전자기 유도를 이용해 전력을 전선 코일 사이에서 자기장으로 전달하는 방식이다.[12] 송신 코일과 수신 코일은 변압기를 형성하며,[12][49] 송신 코일에 교류 전류가 흐르면 암페어의 법칙에 따라 진동하는 자기장이 생성된다. 이 자기장이 수신 코일을 통과하면 패러데이 유도 법칙에 의해 교류 기전력 (전압)이 유도되어 수신기에 교류 전류가 생성된다.[9][69]

유도 결합은 가장 오래되고 널리 사용되는 무선 전력 기술이며, 현재 상용화된 제품에 사용되는 유일한 기술이다. 전동 칫솔[49], 면도기 등 습한 환경에서 사용되는 무선 기기의 유도 충전 스탠드에 사용되어 감전 위험을 줄인다.[70]

노트북 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 컴퓨터 마우스, 휴대폰, 디지털 미디어 플레이어, 비디오 게임 컨트롤러와 같은 모바일 및 휴대용 무선 장치를 재충전하기 위한 무선 충전 패드에도 널리 사용된다.

최근 수십 년 동안 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터와 같은 휴대용 무선 통신 장치의 보급이 증가하면서, 충전하는 동안 벽 플러그에 연결할 필요를 없애기 위한 중거리 무선 전력 공급 및 충전 기술 개발이 촉진되고 있다.[168] 무선 전력 컨소시엄은 제조업체 간의 상호 운용 가능한 표준을 개발하기 위해 2008년에 설립되었다.[168] 2009년 8월에 발표된 Qi 유도 전력 표준은 4cm (1.6인치) 거리에서 최대 5W의 휴대용 장치를 고효율로 충전하고 전력을 공급할 수 있게 한다.[169] 무선 장치는 평평한 충전판(예: 카페 테이블 상판에 내장될 수 있음) 위에 놓이며, 전력은 충전기의 평평한 코일에서 장치의 유사한 코일로 전송된다.

4. 2. 전기 자동차 무선 충전

Electric vehicles영어 (전기 자동차)의 무선 충전 시스템 개발이 활발하게 진행되고 있다. 정차 중 충전뿐만 아니라, 도로에 매설된 급전 시설을 통해 주행 중에도 충전이 가능한 기술이 연구 개발되고 있다.

2008년 2월 6일, 국토교통성은 노면에 매설된 급전 장치로부터 전자기 유도에 의해 비접촉 방식으로 차량 측 배터리에 급속 충전하여 구동력의 일부로 사용하는 하이브리드 버스를 하네다 공항 터미널 간 무료 연락 버스로 실제로 운행할 것을 발표했다.[229]

2010년, 쇼와 항공기 공업은 충전 스팟에 정차하는 것만으로 EV를 충전할 수 있는 무선 급전 기술을 EV 버스에 실용화하는 데 성공했다. 이는 전자기 유도 방식을 사용하며, 순환선으로 한 바퀴 약 5km 정도인 이 버스의 주행에 필요한 전력은 충전 스팟에 총 7분 정차하는 것으로 충당할 수 있다.[235] 같은 해, 한국의 KIST는 온라인 전기 자동차 (Online Electric Vehicle, OLEV)를 개발하여 비접촉 전력 전송을 이용한 버스를 실용화했다.

2016년 3월, 도요하시 기술과학 대학과 다이세이 건설은 총무성의 협력을 받아 대학 캠퍼스 내에 "전화 도로"를 부설했다. 전화 도로는 아스팔트 포장 아래에 2장의 스틸판을 레일 형태로 매설한 도로이며, 전계 결합에 의해 타이어를 거쳐 차량에 급전하는 방식(자기장은 사용하지 않음)이다. 시판 전기 자동차에서 주행용 배터리를 모두 제거하고, 전화 도로로부터의 급전만으로 주행하는 실험에 성공했다.[236][237]

이러한 전기 자동차의 비접촉 충전 방식은 유도 전력 전송의 대안으로 제안되었다.[50] 차고 바닥이나 연석에 내장된 회전 전기자는 차량 하부의 수신기 전기자를 회전시켜 배터리를 충전한다.[50] 이 기술은 90% 이상의 고효율로 10~15cm (4~6 인치) 거리에서 전력을 전송할 수 있다고 주장한다.[50][103] 또한, 회전하는 자석에 의해 생성된 저주파수 유해 자기장은 유도 결합 시스템에서 생성된 고주파수 자기장보다 인근 전자 장치에 미치는 전자기 간섭이 적다. 전기 자동차를 충전하는 시제품 시스템이 2012년부터 브리티시컬럼비아 대학교에서 운영되고 있다. 그러나 다른 연구자들은 두 번의 에너지 변환 (전기 -> 기계 -> 전기)으로 인해 이 시스템이 유도 결합과 같은 전기 시스템보다 효율성이 떨어진다고 주장한다.[50]

4. 3. 의료 기기

인공 심장 박동기, 인공 와우 등 체내 삽입형 의료 기기에 무선 충전이 활용된다. 무선 전력 전송 기술은 의료 기기의 배터리 교체 필요성을 줄여 환자의 편의성을 높이고 감염 위험을 줄이는 데 기여한다.[85][71] 1960년대 초, 공진을 이용한 유도 전력 전송이 페이스메이커나 인공 심장 등의 장치를 포함한 매립형 의료 기기[207]에 사용되기 시작했다. 초기 시스템에서는 수신 코일 측에만 공진이 적용되었지만, 이후 시스템[208]에서는 송신 코일 측에도 공진이 적용되었다. 이러한 의료 기기는 저전력 전자 기기에서 비교적 높은 효율을 실현할 수 있도록 설계되었으며, 코일의 위치 어긋남이나 비틀림을 효과적으로 조정한다. 매립형 기기에서 코일 간 간격은 대부분 20cm 미만이다. 현재 공진을 이용한 전력 전송은 많은 상업용 의료용 매립형 장치에 전력을 공급하는 데 사용되고 있다.[209]

4. 4. 산업 현장

무인 운반차(AGV), 로봇 등 산업 현장에서 사용되는 장비의 무선 전력 공급에 활용된다. 무선 전력 전송 기술은 산업 현장의 자동화 및 효율성 향상에 기여한다.

1993년, 주식회사 다이후쿠는 오클랜드 대학교의 존 보이스 등의 제안에 따라 세계 최초의 비접촉 급전 반송 시스템[184]을 실용화했다.

2010년, 쇼와 항공기 공업은 충전 스팟에 정차하는 것만으로 EV를 충전할 수 있는 무선 급전 기술을 EV 버스에 실용화했다. 이는 전자기 유도 방식을 사용하며, 순환선으로 한 바퀴 약 5km 정도인 이 버스의 주행에 필요한 전력은 충전 스팟에 총 7분 정차하는 것으로 충당할 수 있다[235]。

같은 해인 2010년, 한국의 KIST는 온라인 전기 자동차 (Online Electric Vehicle, OLEV)를 개발하여 비접촉 전력 전송을 이용한 버스를 실용화했다.

4. 5. 우주 개발



태양광 발전 위성에서 생산된 전력을 마이크로파나 레이저 형태로 지구로 전송할 수 있다.[107] 렉테나를 사용하면 마이크로파 에너지를 다시 전기로 변환할 수 있으며, 95%를 초과하는 변환 효율이 보고되기도 했다.

NASA의 태양광 발전 위성 연구에서는 1km 송신 안테나와 10km 수신 렉테나가 필요했다.[110] 이는 회절 제한으로 인해 필요한 조리개 크기가 매우 크기 때문이다. 지상에서는 넓은 면적의 수신 배열을 통해 인체에 안전한 낮은 전력 밀도로도 큰 총 전력 레벨을 사용할 수 있다. 예를 들어, 10km 직경 영역에 1mW/cm2의 전력 밀도는 총 750메가와트에 해당한다.

제2차 세계 대전 이후 마그네트론과 같은 고출력 마이크로파 방출기 개발로 마이크로파를 이용한 전력 전달 연구가 활발해졌다. 1964년에는 마이크로파로 구동되는 소형 헬리콥터가 시연되기도 했다.[111] 1975년 캘리포니아 골드스톤 심우주 통신 단지에서는 수십 킬로와트의 마이크로파 전력 전송 실험이 성공적으로 수행되었다.[113][114][115]

레이저를 이용한 전력 전송은 지향성 에너지 무기 및 레이저 추진 분야에서 연구되어 왔으며, 최근에는 상업 및 소비자 가전 제품 전력 공급에도 활용되고 있다. 레이저 전력 전송은 좁은 빔으로 장거리 전송이 가능하고, 소형화가 가능하며, 기존 무선 통신에 간섭을 주지 않는다는 장점이 있다. 그러나 레이저 방사선의 위험성, 낮은 변환 효율, 대기 흡수 및 산란에 의한 손실, 직접적인 시선 확보 필요성 등의 단점도 존재한다.

우주 탐사선, 드론 등 우주 공간에서 사용되는 장비의 무선 전력 공급에도 활용될 수 있다. 중국과학원 과학자들은 이중 파장 레이저를 활용하여 휴대용 장치나 무인 항공기(UAV)를 무선으로 충전하는 기술을 개발하기도 했다.[144]

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