제1장
WIA-COMM-009는 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer, WPT) 기술 전반을 하나의 틀로 묶은 표준입니다. 버전은 1.0.0이고 상태는 Active이며, 분류는 COMM(통신/네트워크)입니다. 근거리 유도·용량성 결합, 중거리 공진 방식, 장거리 마이크로파·레이저 전송을 모두 포함합니다. 소비자 전자기기, 전기차, 산업 시스템, 우주 태양광 발전이 적용 대상입니다. 표준이 지향하는 바는 홍익인간(弘益人間)의 정신에 따라 케이블 없는 충전 인프라를 널리 쓸 수 있게 하는 것입니다.
표준이 열거하는 핵심 기능은 다음과 같습니다.
명세 본문은 서론, 기본 원리, IPT, CPT, 공진, 마이크로파, 레이저, EV 충전, 우주 태양광, 안전·규제, 구현 지침, 참고문헌의 12개 절로 구성됩니다. 이 책 1장은 그중 원리와 분류, 안전, 구현의 뼈대를 먼저 훑는 역할을 합니다.
WPT는 송신기와 수신기 사이의 전자기장 결합을 이용합니다. 명세는 거리에 따라 지배적인 메커니즘이 달라진다고 정리합니다. 근접장(d < λ/2π)에서는 반응성(비방사) 결합이 우세하고, 원거리장(d > λ)에서는 전자기 복사로 전력이 전달됩니다. 두 영역 사이에는 전이 구간(Fresnel)이 있습니다.
| 영역 | 거리 | 지배 메커니즘 | 효율 스케일링 |
|---|---|---|---|
| 근접장 | d < λ/2π | 반응성 결합 | ∝ (1 + d²/r²)⁻³ |
| Fresnel | λ/2π < d < 2D²/λ | 전이 구간 | ∝ 1/d |
| 원거리장 | d > 2D²/λ | 복사 | ∝ 1/d² |
여기서 r은 코일 또는 판의 반경, D는 안테나 개구 지름입니다. 유도 결합과 원거리 전송의 핵심 관계식은 다음과 같습니다.
유도 결합(근접장)
P_rx = k² × Q₁ × Q₂ × P_tx
Friis 전송식(원거리장)
P_rx = P_tx × G_tx × G_rx × (λ / 4πd)²
경로 손실
L_path [dB] = 20 × log₁₀(4πd/λ)k는 결합 계수(0~1), Q₁과 Q₂는 송수신 코일의 품질 계수, G_tx와 G_rx는 안테나 이득, λ는 파장, d는 거리입니다. 근접장 방식은 결합 계수와 Q를 높이는 쪽으로, 원거리장 방식은 안테나 이득과 파장 대비 거리를 관리하는 쪽으로 설계 방향이 갈립니다.
전력 변환 체인은 방식과 무관하게 같습니다. 직류를 인버터로 교류로 바꾸고, 무선 링크를 지난 뒤, 정류기로 다시 직류로 만듭니다. 인버터는 92~98%, 정류기는 85~95%, 무선 링크는 거리에 따라 30~95% 효율을 보이며, 전체 효율은 각 단의 곱입니다.
표준은 기술을 거리, 효율, 전력, 주파수로 비교합니다. 거리가 멀어질수록 효율은 낮아지고, 대신 도달 범위와 전송 전력의 상한이 커집니다.
| 기술 | 범위 | 효율 | 전력 | 주파수 |
|---|---|---|---|---|
| 유도(Qi) | 0–5 cm | 70–90% | 5–15 W | 80–300 kHz |
| 공진 | 10 cm–2 m | 40–80% | 1–11 kW | 6.78 MHz |
| 마이크로파 | 1–1000 m | 10–50% | 1 W–100 kW | 2.45–24 GHz |
| 레이저 | 100 m–1000 km | 10–40% | 1 W–1 MW | IR/광학 |
용량성 방식(CPT)은 유도 방식의 대안입니다. 금속 근처에서 강하고 유전체 환경에서는 약하며, EMI가 낮고 판 비용이 저렴한 반면 일반적인 효율은 60~80%로 유도 방식(70~90%)보다 다소 낮습니다. 수중 충전, 가혹 환경, 회전 기계의 비접촉 슬립링, 의료용 임플란트가 적용 사례로 꼽힙니다.
유도 방식 안에서도 규격이 나뉩니다. Qi(WPC)는 80~300 kHz 기본 대역과 ASK 변조 통신을 쓰고 스마트폰·웨어러블을 겨냥합니다. AirFuel Resonant는 6.78 MHz ISM 대역과 Bluetooth Low Energy 통신으로 노트북·태블릿을 대상으로 합니다. SAE J2954는 전기차용으로 85 kHz를 쓰며, 전력 등급은 WPT1(3.7 kW)부터 WPT4(22 kW)까지입니다. 에어갭은 100~250 mm이고 효율 목표는 그리드에서 차량까지 85% 초과입니다.
안전은 선택 기능이 아니라 표준의 중심 축입니다. 재료가 제시하는 안전 항목은 다음과 같습니다.
Phase 1 데이터 형식에는 마이크로파·레이저 빔의 안전 봉투(beam-safety envelope)가 정의되어 있습니다. 수신기가 존재를 확인하고 안전 조건이 충족되기 전에는 송신기를 열지 않도록 막는 인터록 체인이 그 핵심입니다. 이 개념은 이후 장에서 자세히 다룹니다.
구현 측면에서는 TypeScript SDK(@wia/comm-009)와 CLI 도구(wia-comm-009)가 제공됩니다. SDK는 방식별 클래스를 노출하며, Qi 호환 충전기는 다음처럼 구성합니다.
import { InductiveWPT } from '@wia/comm-009';
const qiCharger = new InductiveWPT({
standard: 'Qi',
frequency: 87000, // Hz
maxPower: 15, // Watts
coilDiameter: 0.05, // meters
foreignObjectDetection: true
});
const session = await qiCharger.startTransfer({
deviceId: 'phone-12345',
requestedPower: 10, // W
alignment: { x: 0, y: 0, z: 0.005 } // meters
});
console.log(`Transfer efficiency: ${session.efficiency}%`);CLI는 방식별 하위 명령으로 같은 계산을 수행합니다. 효율 계산(efficiency)과 안전 분석(safety) 명령도 있습니다.
wia-comm-009 inductive --standard Qi --power 15 --frequency 87000
wia-comm-009 resonant --distance 1.0 --power 3300 --frequency 6.78e6
wia-comm-009 microwave --frequency 2.45e9 --distance 100 --power 1000
wia-comm-009 safety --power 1000 --distance 2 --frequency 2.45e9이 장의 핵심은 세 가지입니다. 첫째, WPT는 근접장 반응성 결합과 원거리장 복사라는 두 물리 영역으로 나뉘며 거리가 늘수록 효율이 떨어집니다. 둘째, 유도, 용량성, 공진, 마이크로파, 레이저로 이어지는 분류는 전력과 거리 요구에 따라 선택됩니다. 셋째, 안전(SAR, EMI/EMC, FOD)은 처음부터 설계에 포함되어야 합니다.
명세는 구현 지침에서 설계 절차를 요구사항 분석, 기술 선택, 코일·안테나 설계, 전력전자, 안전 통합, 시험·인증의 순서로 제시합니다. 기술 선택의 기준은 다음과 같습니다.
| 전력 | 거리 | 권장 기술 |
|---|---|---|
| < 100 W | < 10 mm | 유도(Qi) |
| 100 W–50 kW | 10 mm–2 m | 공진 |
| > 1 kW | > 2 m | 마이크로파/레이저 |
다음 장에서는 이 분류 중 가장 널리 쓰이는 유도 방식으로 들어갑니다. 상호 인덕턴스와 결합 계수, 코일 인덕턴스와 품질 계수(Q = 2πf × L / R) 같은 설계 변수가 효율에 어떻게 반영되는지 수식 중심으로 살펴봅니다.