무선 전력 전송 기술의 역사 및 미래 전망

목차

무선 전력 전송 기술의 주요 연대기 
무선 전력 전송의 선구자들 (19세기 후반 - 20세기 중반)
무선 전력 전송 기술의 정체기(20세기 중반 - 21세기 초)
무선 전력 전송의 발전 (21세기 초 ~ 현재)
무선 전력 전송 기술의 미래 전망

 

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무선 전력 전송 기술의 주요 연대기 

연도	주요 인물	주요 사건
1890년	니콜라 테슬라	자기 유도 방식의 무선 전력 전송 시스템 고안
1894년	모리스 휴틴, 모리스 르블랑	철도 열차에 전원 공급하는 무선 유도 전력 전송 시스템 제안
1926년	야기 히데쓰구, 우다 쇼인	약 2~3W의 전력을 전송하고 약 200mW를 수신하는 데 성공
1933년	Harrell Noble	100MHz 라디오파를 이용하여 5~12m 거리에 15kW 정도의 무선 전력 전송 시연
1964년	William C. Brown	마이크로파를 이용한 최소의 장거리 무선 전력 전송 개발, 렉테나(Rectenna) 발명, 지상에서 마이크로파로 구동되는 최소의 무선 구동 항공기 시연
1968년	피터 글레이저	태양광 에너지를 마이크로웨이브 형태로 지상으로 전송하는 시스템 구상
1973년	마리오 카둘로, 코엘레	최초의 수동형 무선 주파수 식별 장치(RFID) 발명
1975년	William C. Brown	475W의 마이크로파 전력을 약 1.6km 떨어진 렉테나에 54% 효율로 전송
1975년	William C. Brown, Robert Dickinson	26m의 접시에서 7.3m X 3.5 m 렉테나 배열에 2.35GHz 마이크로파를 사용하여 30kW DC 전력을 1.5km 떨어진 거리에 전송
2007년	Marin Soljacic	자기공명 방식을 이용한 새로운 방식의 무선 전력 전송 기술 선보임
2008년	무선 전력 컨소시엄 설립	Qi 유도 전력 표준(Qi inductive power standard) 제정
2008년	Greg Leyh, Mike Kennan	약 12m 의 거리에서 무선 전력 전송 기술 선보임
2011년	크리스토퍼 A. 터커, 케빈 워릭	테슬라의 1900년 특허를 미니어처로 재현하여 4m 이상의 전력 전송 시연

 

 

무선 전력 전송의 선구자들 (19세기 후반 - 20세기 중반)

 

1) 니콜라 테슬라 (Nikola Tesla)

무선전력전송 기술의 선구자는 니콜라 테슬라라고 여겨진다. 1890년에 니콜라 테슬라는 자기 유도 방식의 무전전력전송 시스템을 고안하였다. 초기 무선전력전송장치는 전력 수신부 및 송신부를 한 쌍의 코일로 구현하였다. 송신부에 교류 전압을 인가하면, 코일 간에 공진 현상으로 전기에너지를 전달하는 구조로 되어 있다. 이러한 특징은 현대의 기술과 핵심은 크게 다르지 않다. 

Spiral coil 앞에 앉아 있는 니콜라 테슬라(출처 : Naoki Shinohara, Wireless Power Transfer - Theory, thechnology, and applications)

 

2) 모리스 휴틴(M. Hutin)과 모리스 르블랑(M. LeBlanc)

거의 같은 시기인 1894년, 모리스 휴틴과 모리스 르블랑은 약 3kHz 주파수의 교류(AC) 발전기를 사용하여 선로에 유도 결합된 공진 코일을 사용하여 철도 열차에 전원을 공급하는 장치와 방법을 제안했다. 내연 기관의 등장으로  휴틴과 르블랑의 무선 유도 전력 전송 시스템은 잊혀졌다. 

 

M. Hutin 와 M. LeBlanc의 첫 무선 충전 장치 (출처 : 미국 특허, Transformer system for electric railways, 1894)

 

 

3) 야기 히데쓰구와 우다 쇼인

1926년 일본에서는 야기 안테나 발명가 "야기 히데쓰구"와 "우다 쇼인"이 무선 전력 전송 실험을 수행하였다.  그들은 68 MHz 주파수의 전송 안테나와 수신 안테나 사이에 비급전 소자를 배치하여 약 2~3W의 전력을 전송하여 약 200mW를 수신하는 데 성공했다.

 

Wave canal - 야기 히데쓰구, 우다 쇼인, 1926 (출처 : Naoki Shinohara)

 

4) Harrell Noble

비슷한 시기에 미국에서는 "Harrell Noble"이 1933년 시카고 세계 박람회에서 100 MHz 라디오파를 이용하여 5~12m 거리에 15kW 정도의 무선 전력을 전송하는 시연을 했다. 

 

Radio wave-wireless power transfer-Harrell Noble, 1933년 시카고 박람회 (출처 : Naoki Shinohara)

 

무선 전력 전송 기술의 정체기(20세기 중반 - 21세기 초)

2차 세계 대전 이후 (20세기 중반 - 21세기 초) 이후에도 무선 전력 전송에 대한 연구는 계속되었지만, 상업적으로는 큰 성과가 없었다. 1960년대 초 공진 유도 방식의 무선 전력 전송은 이식형 의료기기에서 사용되었다. W. C. 브라운 (미국, 1960년대, 마이크로웨브), D. 오토 (뉴질랜드, 1970년대, 초저주파 유도 방식) 등 많은 연구자들이 노력했지만 , 무선 전화기 충전기, 전동 칫솔, 면도기 등 일부 제품을 제외하고는 상용화에 실패하였다. 하지만, 연구자들을 통해 관련 연구는 꾸준히 진행되어 왔다. 

 

 

 

 

1) William C. Brown

최소의 장거리 무선 전력 전송은 1960년대 William C. Brown에 의해 개발되었다. 1964년에 마이크로파를 이용하여 DC 전원을 효율적으로 변환할 수 있는 렉테나(Rectenna)를 발명하였다. 그리고, 1964년에 지상에서 마이크로파로 구동되는 최소의 무선 구동 항공기를 시연하였다. 

마이크로파 방식의 최초의 무선 전력 전송 드론 시험 (출처 : Naoki Shinohara)

 

2) 피터 글레이저 (Peter Claser)

피터 글레이저는 1968년에 태양 전지 패널을 이용하여 태양광 에너지를 모았다. 모은 에너지를 마이크로 웨이브 형태로 지상의 거대한 직사각형의 안테나(렉테나)로 전송한 다음 다시 전기 에너지로 변환하여 전력망에 공급하였다.

 

3) 마리오 카둘로 (Mario Cardullo, 1973)와 코엘레 등(Koelle et al., 1975)

최초의 수동형 무선 주파수 식별 장치(RFID, Radio Frequency Identification)는 마리오 카둘로 (Mario Cardullo, 1973)와 코엘레(Koelle, 1975)의 연구자들에 대해 발명되었으며, 1990년대에 근접식 카드와 비접촉식 카드에 사용되었다. (참고로, IC 카드의 경우 13.58 MHz 유도 방식을 사용하지만, 이는 근거리 통신 시스템으로 무선 전력 전송이라고 분류하지 않는다.)

 

4) 브라운과 로버트 디킨스

1975년에 JPL/Raytheon 프로그램의 기술책임자인 브라운은 475W의 약 1.6km 떨어진 렉테나에 54% 효율로 마이크로파 전력을 전송하였다. 그와 함께 NASA의 제트 추진 연구소에서 로버트 디킨슨은 26m의 접시에서 7.3m X 3.5 m 렉테나 배열에 2.35 GHz 마이크로파를 사용하여 30kW DC 전력을 1.5km 떨어진 거리에 전용하였다. 

 

 

무선 전력 전송의 발전 (21세기 초 ~ 현재)

1) MIT의 마린 솔자치치

무선 전력 전송 기술은 21세기가 되어 다시 주목받기 시작했다. 2007년에 MIT의 물리학자 마린 솔자치치(Marin Soljacic) 교수팀에서 자기공명이라는 방식을 이용하여 새로운 방식의 무선전력전송 기술을 선보였다. 약 2m 거리에서 약 40% 효율로 무선으로 램프 전원을 공급(약 60W)하면서 학계, 산업체 등에 관심을 끌었다. 

 

2) Qi 유도전력 표준

또한, 최근 수십 년 동안 휴대폰, 노트북, 태블릿과 같은 전자기기의 확산으로 인해 단거리, 중거리의 무선 전원 충전 기술이 발달하였으며, 각 전력 업체 간의 기기에 대한 상호 호환을 위해 표준(Standard)이 필요하게 되었다. 무선 전력 업체 간의 표준을 만들기 위해 무선 전력 컨소시엄이 2008년에 설립되었다. 이때 만들어진 Qi 유도 전력 표준(Qi inductive power standard)은 4cm 거리에서 최대 5W의 고효율 충전 및 휴대 장치에 전원 공급이 가능하다. 

3)  Greg Leyh와 Mike Kennan

2008년 네바다 라이트닝 연구소(Nevada Lightning Lab)의 Greg Leyh와 Mike Kennan 은 약 12m의 거리에서 무선 전력 전송 기술을 선보였다. 

 

4) 크리스토퍼 A 터커와 케빈 워릭 

2011년에 레딩대학교의 크리스포터 A. 터커 박사와 케빈 워릭 교수는 테슬라의 1900년 특허를 미니어처로 재현하였다. 코일 직경 10cm, 공진 주파수 27.50 MHz에서 유효 효율 약 60% 수준으로 4m 이상의 전력 전송을 시연하였다. 

 

 

 

무선 전력 전송 기술의 미래 전망

무선 전력 전송 기술은 표준을 정하고, 새로운 기술을 개발하며 지속적으로 발전하고 있는 중이다.

 

1) 장거리 무선 전력 전송 

현재는 짧은 거리에서 무선 충전에 활발하게 사용되고 있다. 하지만, 지구의 전력 문제 해결을 위해 태양광 발전을 우주에서 하는 방식이 고려되고 있다. 그렇다면 우주에서 생산된 전기를 지구로 보내는 방법이 필요하다. 따라서, 이와 같이 더 긴 거리에서 전력을 전송하려는 연구가 계속 진행될 것이다. 

 

우주태양광발전 개념도(그림 출처 : 주간조선, 너도나도 우주 태양광발전소 한국도 나선다)

 

2) 효율 향상

무선 충전 기술의 전송 효율은 가까운 거리를 제외하고 멀어질수록 급속도록 낮아진다. 효율적인 전력 전송을 위한 알고리즘과 기술이 개발이 진행되고 있다. 

 

3) 보안 강화  

무선 전력 전송 기술의 보안은 중요한 문제가 될 것이다. 현재 자동체 무선 충전 시스템에 무선 전력 전송 기술이 활용되고 있는데 개인 정보 보호 및 시스템 보안을 강화하기 위한 다양한 방법을 연구하고 있다. 

 

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무선 전력 전송 기술은 니콜라 테스라부터 시작되어 현재의 우리 일상생활에서부터 사회 전반 및 미래 세대까지 영향을 끼칠 수 있는 중요한 기술로 발전하고 있다. 

 

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