제2장
무선 전력 전송(Wireless Power Transfer, WPT)은 하나의 기술이라기보다 거리와 출력, 주파수가 크게 다른 여러 기술을 묶은 이름입니다. 스마트폰 충전 패드와 전기차 도로 충전, 우주 태양광 발전 위성은 모두 "케이블 없는 전력"이라고 불리지만 물리 원리와 안전 요건이 다릅니다. WIA-COMM-009는 밀리미터에서 킬로미터까지의 결합 방식, 밀리와트에서 메가와트까지의 전력, 킬로헤르츠에서 광학 대역까지의 주파수를 한 틀에서 다룹니다. 이 장은 그 틀의 뼈대를 설명합니다. 방식을 어떻게 구분하는지, 효율이 거리에 따라 왜 달라지는지, 안전과 규제는 무엇을 요구하는지를 순서대로 봅니다.
표준이 정의하는 방식은 근거리 유도 결합(IPT)과 용량 결합(CPT), 중거리 공진 결합, 원거리 마이크로파와 레이저 빔 전송입니다. 응용 영역으로는 전기차 동적 충전(EV Dynamic Charging), 우주 태양광 발전, 로봇·AGV·크레인 같은 산업용 고출력 WPT가 별도 항목으로 정리되어 있습니다. 방식별 위치는 다음과 같이 요약됩니다.
| 기술 | 범위 | 효율 | 전력 | 주파수 |
|---|---|---|---|---|
| 유도(Qi 계열) | 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 | 적외선/광학 |
이 표는 방식 분류 수준의 대표 범위입니다. 개별 규격(예: Qi 규격의 결합 거리 0–5 mm)은 기준이 더 좁으므로 두 값을 구분해 읽어야 합니다. 핵심은 거리가 멀어질수록 효율과 출력이 함께 떨어지고 주파수는 올라간다는 경향입니다. 이것이 WPT 설계의 가장 큰 제약입니다.
표준은 용어도 고정해 둡니다. 결합 계수(k)는 자속 결합 정도를 0–1로 나타내고, 품질 계수(Q)는 공진 회로에서 무효전력 대 저항성 전력의 비입니다. 렉테나(rectenna)는 RF를 DC로 바꾸는 정류 안테나이고, SAR은 비흡수율(W/kg)입니다. FOD(이물질 감지)와 LOP(생체 보호)는 안전 기능의 약칭입니다.
표준은 영역을 파장 기준으로 나눕니다. 근거리(d < λ/2π)에서는 비방사형 반응성 결합이 지배하고, 원거리(d > λ)에서는 전자기 복사로 전력이 전달됩니다. 그 사이는 프레넬(Fresnel) 천이 영역입니다.
| 영역 | 거리 | 지배 메커니즘 | 효율 스케일링 |
|---|---|---|---|
| 근거리 | d < λ/2π | 반응성 결합 | ∝ (1 + d²/r²)⁻³ |
| 프레넬 | λ/2π < d < 2D²/λ | 천이 | ∝ 1/d |
| 원거리 | d > 2D²/λ | 복사 | ∝ 1/d² |
여기서 r은 코일 또는 플레이트 반경, D는 안테나 개구 지름입니다. 근거리 유도 결합과 원거리 Friis 전송의 기본식은 다음과 같습니다.
P_rx = k² × Q₁ × Q₂ × P_tx (유도 결합, 근거리)
P_rx / P_tx = G_tx × G_rx × (λ / 4πd)² (Friis, 원거리)
L_path [dB] = 20 × log₁₀(4πd/λ) (경로 손실)유도 방식에서는 두 코일의 상호 인덕턴스 M과 결합 계수 k = M/√(L₁×L₂)가 성능을 좌우합니다. 표준이 제시하는 전형값은 정렬이 좋고 d < r이면 k = 0.6–0.9, d ≈ r이면 0.3–0.6, 정렬이 나쁘고 d > r이면 0.3 미만입니다. 약결합(k² ≪ 1)에서의 효율은 η = k²Q₁Q₂ / (1 + k²Q₁Q₂)입니다. k²Q₁Q₂가 1보다 훨씬 크면 이론적으로 η는 1에 접근합니다. 결합이 약해도 Q가 높으면 효율을 확보할 수 있다는 뜻이며, 공진 방식이 중거리에서 성립하는 이유입니다.
코일 설계에서 품질 계수는 Q = 2πf×L/R이고, R은 도선과 코어 손실의 직렬 저항입니다. 표준이 권고하는 최적화 방향은 다음과 같습니다.
용량 결합(CPT)은 유전체를 사이에 둔 전기장 결합입니다. 평행판 정전용량 C = ε₀εᵣA/d와 전력 P = (2πfC)×V²가 기본식입니다. 유도 방식과 비교하면 금속 근처에서는 CPT가 유리하고 유전체 근처에서는 유도가 유리합니다. CPT는 EMI가 낮고 코일·플레이트 비용도 낮지만, 대표 효율은 60–80%로 유도의 70–90%보다 다소 낮습니다. 수중 충전이나 가혹 환경이 대표적 용도입니다.
어떤 방식이든 전력 경로는 DC → AC(인버터) → 무선 구간 → AC → DC(정류기)로 같습니다. 단별 효율은 인버터 92–98%, 무선 구간 30–95%(거리 의존), 정류기 85–95%이며 전체 효율은 각 단의 곱입니다. 무선 구간이 아무리 좋아도 변환단 손실이 누적되므로, 시스템 효율은 링크만으로 평가하지 않고 전 구간으로 평가해야 합니다.
이 표준 자료에는 시장 규모나 점유율 같은 수치가 없으므로 여기서도 다루지 않습니다. 대신 표준이 구분하는 응용 영역을 기준으로 수요의 성격을 정리합니다. 소비자 전자제품은 5–15 W급 근거리 유도가 중심이고, 전기차와 산업 설비는 kW급이 필요하며, 원거리 빔 전송과 우주 태양광 발전은 아직 성격이 다른 영역입니다. 표준이 방식별 범위·효율·전력·주파수를 한 표에 놓는 것은 이 수요를 공통 언어로 비교하기 위해서입니다.
표준은 세 개의 기존 규격을 참조 규격으로 정리합니다. 각각의 적용 영역은 다음과 같습니다.
| 규격 | 주파수 | 전력 | 거리 | 통신/비고 | 용도 |
|---|---|---|---|---|---|
| Qi (WPC) | 80–300 kHz (확장 2 MHz) | 5–15 W (확장 최대 100 W) | 0–5 mm | ASK 변조 (2 kbps) | 스마트폰, 웨어러블 |
| AirFuel Resonant | 6.78 MHz (ISM) | 5–50 W | 0–50 mm | Bluetooth Low Energy | 노트북, 태블릿 |
| SAE J2954 | 85 kHz | WPT1 3.7 kW / WPT2 7.7 kW / WPT3 11 kW / WPT4 22 kW | 에어갭 100–250 mm | X ±100 mm, Y ±75 mm 정렬 허용, 효율 85% 초과(계통-차량) | 전기차 충전 |
Qi는 전력 제어 신호를 코일 자체에 ASK로 실어 보내지만, AirFuel Resonant는 별도 무선 채널(BLE)을 씁니다. 전기차 규격은 전력 등급(WPT1–WPT4)과 정렬 허용 범위를 명시해 차량과 지상 장치의 호환성을 확보합니다. 산업용으로는 로봇, AGV, 크레인 같은 고출력 응용이 표준 범위에 포함됩니다. 우주 영역에서는 궤도 발전과 무선 송전이 다뤄집니다.
WPT는 전자기장을 공간에 내보내므로 안전 요건이 설계의 일부입니다. 표준이 제시하는 항목은 다음과 같습니다.
FOD가 Q 계수를 이용하는 이유는 앞의 이론과 연결됩니다. 코일 사이에 금속 이물이 들어오면 손실이 늘어 Q가 떨어지므로, 이를 감시해 전송을 줄이거나 중단할 수 있습니다. 열 감지는 이를 보완합니다. 생체 보호(LOP)는 사람이나 동물이 전송 영역에 들어올 때의 보호 기능입니다. 마이크로파·레이저 빔 같은 원거리 방식에서는 노출 한계와 SAR 평가가 특히 중요합니다. CLI에는 전력, 거리, 주파수를 입력해 이를 계산하는 safety 명령이 있습니다.
표준은 TypeScript SDK(@wia/comm-009)와 CLI를 제공합니다. SDK에는 InductiveWPT, ResonantWPT, MicrowaveWPT, LaserPowerBeaming, EVDynamicCharging 클래스가 있어 방식마다 같은 형태로 장치를 구성하고 전송을 시작합니다. Qi 호환 충전기 예는 다음과 같습니다.
const qiCharger = new InductiveWPT({
standard: 'Qi',
frequency: 87000, // Hz
maxPower: 15, // W
coilDiameter: 0.05, // m
foreignObjectDetection: true
});
const session = await qiCharger.startTransfer({
deviceId: 'phone-12345',
requestedPower: 10, // W
alignment: { x: 0, y: 0, z: 0.005 } // m
});
console.log(`Transfer efficiency: ${session.efficiency}%`);구성에 FOD 여부를 넣고, 전송 요청에 정렬(alignment) 좌표를 전달하며, 결과로 효율과 전달 전력을 돌려받는 구조입니다. 마이크로파 예는 주파수 2.45 GHz, 송신 전력 1000 W, 안테나 이득 20 dBi, 빔 조향 사용으로 구성하고, 대상 위치와 거리(500 m), 필요 전력을 지정해 렉테나 어레이로 송신합니다. 결과 객체로 빔 효율과 수신 전력이 반환됩니다.
CLI는 같은 계산을 명령줄에서 수행합니다.
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 laser --wavelength 1064e-9 --distance 1000 --power 10000
wia-comm-009 ev-dynamic --speed 100 --power 20000 --efficiency 85
wia-comm-009 efficiency --technology resonant --distance 0.5 --coupling 0.6
wia-comm-009 safety --power 1000 --distance 2 --frequency 2.45e9구현 시 실무 지침은 앞 절의 내용으로 요약됩니다. 정렬 오차가 k를 떨어뜨려 효율을 좌우하므로 정렬 허용 범위를 설계에 반영해야 합니다. 효율은 인버터와 정류기를 포함한 전 구간 곱으로 평가해야 합니다. 마지막으로 FOD와 노출 한계 검증을 기능이 아닌 필수 요건으로 취급해야 합니다.
표준 범위는 이미 현재의 소비자 충전을 넘어섭니다. 전기차는 정차 충전뿐 아니라 도로에 매설한 설비로 주행 중 충전하는 동적 충전을 다루고, 궤도 태양광 발전은 우주에서 만든 전력을 무선으로 지상에 보내는 구상까지 포함합니다. 레이저 전송은 100 m에서 1000 km까지, 마이크로파는 수 킬로와트에서 100 kW까지 적용 범위가 열려 있습니다. 다만 이 영역들의 효율은 표의 수치대로 10–50% 수준이므로, 빔 조향과 임피던스 정합 같은 효율 최적화가 앞으로의 핵심 과제입니다. 표준이 내세우는 홍익인간(弘益人間)의 이념은 이런 기술을 케이블이 닿지 않는 곳까지의 전력 접근으로 확장하겠다는 지향을 나타냅니다.
이 장의 요점은 네 가지입니다.
이 장에서는 개념과 인터페이스의 윤곽만 다루었습니다. 다음 장에서는 이 윤곽을 상세화해, 공진 방식과 원거리 빔 방식에서 시스템·공진기·마이크로파/레이저·안전·우주 태양광 정보를 어떤 데이터 형식으로 표현하는지 살펴봅니다.