선이 없는 세상이 오기까지, 무선충전 기술의 탄생계보

Until the world with no wires comes, a genealogy of wireless charging technology

하루 하루가 다르게 발전하는 현대 과학은 우리에게 거리가 먼 소식인 것 같지만 , 문득 문득 그 기술력들이 생활 속에 와 닿을 때가 있습니다. 스마트폰을 들고 나가지 않으면 길을 잃어버리기 십상일 때, 버스 정류장에 멀뚱히 서 있다가 스마트폰으로 버스 도착시간을 체크할 때, 스마트폰이 연도별로 클라우드의 사진을 정리해서 순간을 엮어 영상으로 만들어 주는 그런 순간들 말이죠. 생각 해 보면 우리가 가장 밀접하게 체감하는 기술력들은 모두 스마트폰으로부터 나옵니다. 심플하고 편리한 현대인의 일상을 누릴 때 우리에게 꼭 필요한 것은 스마트폰이라는 말이 되겠지요.

디지털 중독자들의 구원, 무선충전 기술

어느새 ‘기계’ 라기 보다는 내 신체에 일부가 되어버린 것 같은 스마트폰에게 유일하게 거리감이 느껴질 때는 바로 충전이 필요한 순간입니다. 충전 없이도 영원히 내 신체의 일부분인 듯 작동했으면 좋겠다는 바람은 이기적일 수도 있겠지만, 어쩌면 이러한 끝없는 갈망 때문에 기술력도 함께 발전하는 것이 아닐까요? 때문에 현재 우리에게 가장 중요한 기술 트렌드는 선이 없는 충전, 즉 무선충전이 되었습니다. 그저 올려만 놓아도 고속충전이 되었으면 좋겠다는 사람들의 편리함을 갈망하는 욕구를 정확히 반영한 이 기술은 대체 언제부터, 그리고 어떻게 개발된 걸까요?

무선충전의 원리를 발견하다, 마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791 - 1867)

1831년, 영국의 마이클 패러데이는 무선충전의 원리를 발견했습니다. 흔히 패러데이 전자기유도법칙(Faraday's laws of electrolysis)이라고 부르며 전기현상의 기초가 되는 법칙 중의 하나인데요, 코일에 자석을 가까이하고 멀리 하기를 반복하면 이 코일에는 전압이 발생하게 됩니다. 즉, 시간에 따라서 자계의 세기가 변해야만 전압이 발생하는데, 이를 시변자기장(time-varying field)라고 말합니다. 패러데이가 기본적인 전자기유도법칙을 발견했으나 이 법칙을 통해 무선통신, 무선전력송신에 대한 기초를 닦은 사람은 다름아닌 오스트리아 출신의 과학자인 니콜라 테슬라였습니다.

무선으로 전세계에 전기를 공급하는 꿈을 꾸다, 니콜라 테슬라(Nikola Tesla, 1856 - 1943)

니콜라 테슬라는 1890년대부터 1906년까지 많은 시간과 노력을 투자하여 전기로 고주파를 만들어 신호를 발생시킨 다음 수신장치에서 이를 받아 다시 전기로 바꾸는 방식으로 무선전력전송을 가능하게 만들었습니다 . 이를 통해 수십 센티미터 떨어져 있는 네온등에 무선전기를 보내서 불을 켜는데에 성공했는데요, 무접점 충전방식이라고 불리는 이 방식의 원리가 바로 패러데이의 전자기유도법칙을 활용한 것입니다. 우리 생활과 밀접한 무선충전기술에 빗대어 이해해 보자면 휴대폰 충전기에 전류를 흐르게 할 때 그 주변에 자기장이 흐르게 되고, 자기장이 발생할 때 그 자기장이 미치는 영향권 내에 휴대폰을 접근시키면 휴대폰이 충전될 수 있는 것입니다. 끊임없는 연구와 실험을 통해 무선전력전송을 가능하게 만들었던 그는 최초로 무선충전을 구현했던 과학자로 알려져 있습니다.

무선충전기술이 꽃 피웠던 1900년대

니콜라 테슬라의 무선충전 실현 이후 , 1964년 미국의 윌리엄 브라운(William C. Brown, 1916 - 1999)은 2.45GHz 마이크로파를 이용하여 무연료 헬리콥터에 무선전력을 공급하는 것에 성공했는데요, 이러한 연구들은 1979년 미국항공우주국(NASA, National Aeronautics and Space Administration)과 에너지부의 우주태양광발전소 프로젝트로 연결되면서 본격적인 연구 개발에 착수하게 되었습니다. 그 이후로 무선충전기술은 어떤 발전을 이뤄왔을까요? 현재까지 연구되어 온 무선충전은 크게 세 가지 방식으로 나눌 수 있습니다. 바로 자기유도, 자기공진, 전자기파 방식입니다.

무선충전의 3가지 방식

자기유도 방식의 무선충전은, 근거리용으로 핸드폰, 노트북, 전기자동차에 적용될 수 있는 방식이며, 인체에 거의 무해하고 효율도 높습니다. 보통 스마트폰을 충전하는 우리에게 가장 밀접한 방식이라고 볼 수 있는데요, 2008년 이를 연구하는 무선전력컨소시움(WPC, Wireless Power Consortium)가 생겼습니다. 무선전력컨소시움에서는 개인용 전자제품 무선충전 분야에서 ‘Qi’라는 국제 표준을 제정했는데, Qi 인증을 받은 제품은 전 세계 어디서나 안전하고 편리하게 무선충전을 할 수 있습니다. 자기유도 방식 이 가장 유용하게 적용된 예로 스마트폰 무선충전 기능입니다. 다만 자기유도 방식은 충전기와 기기가 수 mm 내의 거리에 있어야만 충전할 수 있을 정도로 전송 거리가 짧다는 단점이 있습니다.

자기공진 방식의 무선충전은, 자기유도 방식과 유사하지만 1~3m 정도까지 충전 범위에 포함되는 중거리용 방식입니다. 1, 2차 코일의 공진 주파수가 같아서 송신부 코일에서 공진 주파수로 진동하는 자기장을 생성해 동일한 공진 주파수로 설계된 수신부 코일에만 에너지가 집중적으로 전달되도록 한 기술로, 자기유도 방식보다 전력 전송 거리가 길고 동시에 여러 기기를 충전할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 이 방식의 가장 큰 단점은 인체의 유해성 여부가 아직 명확하게 규명이 되지 않아서 규격은 제정되었지만 제품화에는 큰 진전이 이루어 지고 있지 못하고 있습니다.

전자기파 방식의 무선충전은, 최대 수십 km까지 전송되는 원거리용으로, 송신부에서 전자기차를 보내면 수신부에서는 렉테나를 이용해 전자기파를 수신하여 전력으로 변환하는 방식입니다. 원거리까지 전기선 없이 전력 전송이 가능하기 때문에 원거리 무인 시스템이나 신재생 전기에너지의 전력 전송에 사용될 수 있습니다.. 하지만 이 방식 역시 인체에 유해하다는 치명적인 단점이 있어서 이를 극복할 수 있는 추가적인 기술 개발이 필요한 방식입니다.