제3장

표준 개요

개요

3.1 표준의 범위와 구성

WIA-COMM-009는 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer, WPT) 기술 전반을 다루는 표준입니다. 버전은 1.0.0, 상태는 Active이며 분류는 COMM(통신/네트워크)입니다. 스마트폰 충전 패드 같은 근거리 유도·용량성 결합부터 중거리 공진 방식, 마이크로파·레이저를 쓰는 장거리 전송까지 하나의 틀로 묶습니다. 대상 응용은 가전, 전기차(EV), 산업 시스템, 우주 태양광 발전입니다. 표준은 "홍익인간(弘益人間)"의 이념에 따라 케이블 없는 충전 인프라를 널리 쓸 수 있게 하는 것을 목표로 삼습니다.

표준이 정의하는 기술 계열은 다음과 같습니다.

• 유도 전력 전송(IPT): 근접장 자기 결합을 이용하며 Qi, AirFuel이 해당합니다.
• 용량성 전력 전송(CPT): 유전체를 사이에 둔 전기장 결합을 이용합니다.
• 공진 무선 전력: 중거리 공진 결합을 이용하며 WiTricity가 대표 사례입니다.
• 마이크로파 전력 전송: RF 빔을 보내 렉테나(rectenna)로 수신합니다.
• 레이저 전력 빔: 광학·적외선으로 전력을 보냅니다.
• EV 동적 충전, 우주 태양광 발전, 산업용 WPT: 도로 매설 충전, 궤도 발전과 무선 송전, 로봇·AGV·크레인용 대전력 응용입니다.

이 기술들에는 안전 요구도 함께 따라붙습니다. 표준은 SAR 한계, EMI/EMC 준수, 이물질 감지(FOD)를 안전 항목으로 명시합니다. 효율 최적화 수단으로는 전력 제어, 임피던스 정합, 빔 조향을 듭니다. 명세 본문은 서론, 기본 원리, IPT, CPT, 공진, 마이크로파, 레이저, EV 충전, 우주 태양광, 안전·규제, 구현 지침, 참고문헌의 12개 장으로 구성됩니다. 표준 문서군은 데이터 형식(Phase 1), API(Phase 2), 프로토콜(Phase 3), 생태계 통합(Phase 4)의 네 단계로 나뉩니다.

3.2 전자기 결합의 물리 모델

표준은 WPT를 송신기와 수신기 사이의 전자기장 결합으로 설명합니다. 거리에 따라 지배적인 메커니즘이 달라지며, 명세는 영역을 다음처럼 나눕니다.

영역	거리	지배 메커니즘	효율 경향
근접장(Near-Field)	d < λ/2π	반응성(비방사) 결합	∝ (1 + d²/r²)⁻³
프레넬(Fresnel)	λ/2π < d < 2D²/λ	전이 영역	∝ 1/d
원거리장(Far-Field)	d > 2D²/λ	방사	∝ 1/d²

여기서 r은 코일 또는 판의 반경, D는 안테나 개구 지름입니다. 근접장의 자기 결합에서는 수신 전력이 결합계수 k와 송수신 코일의 품질계수 Q₁, Q₂로 결정됩니다.

P_rx = k² × Q₁ × Q₂ × P_tx
k = M / √(L₁ × L₂)
Q = ω × L / R = 2πf × L / R

결합계수 k는 0과 1 사이의 값입니다. 정렬이 좋고 d < r이면 0.6~0.9, d ≈ r이면 0.3~0.6, d > r이면 0.3 미만이 전형적입니다. 약결합(k² ≪ 1) 코일의 효율은 η = k²Q₁Q₂ / (1 + k²Q₁Q₂)로 표현됩니다. k²Q₁Q₂가 1보다 훨씬 크면 η는 이론적 한계인 1에 가까워집니다. 용량성 결합은 C = ε₀εᵣA/d에서 출발하며 수신 전력은 ω²C²V²에 비례합니다.

원거리장에서는 프리스(Friis) 전송식이 적용됩니다.

P_rx / P_tx = G_tx × G_rx × (λ / 4πd)²
L_path [dB] = 20 × log₁₀(4πd/λ)

실제 시스템은 링크만으로 이루어지지 않습니다. 명세는 DC → AC(인버터) → 무선 링크 → AC → DC(정류기)의 변환 사슬을 전제로 하고, 전체 효율을 각 단 효율의 곱으로 봅니다. 인버터는 92~98%, 정류기는 85~95%이며 링크는 거리에 따라 30~95%로 크게 달라집니다. 따라서 거리가 늘수록 링크 효율이 전체 효율을 좌우한다는 점이 설계의 출발점입니다.

3.3 기술 계열별 규격 파라미터

README의 비교표는 기술별 거리, 효율, 전력, 주파수 범위를 한눈에 보여 줍니다.

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

유도 방식의 개별 규격은 명세 3장에서 다룹니다. Qi(WPC)는 기본 80~300 kHz에 5~15 W이며 확장 사양은 2 MHz, 최대 100 W입니다. 통신은 ASK 변조(2 kbps)를 쓰고 주 용도는 스마트폰과 웨어러블입니다. AirFuel Resonant는 6.78 MHz ISM 대역에서 5~50 W를 다루며 BLE(Bluetooth Low Energy)로 통신합니다. EV용 SAE J2954는 85 kHz를 쓰고 전력 등급이 WPT1(3.7 kW), WPT2(7.7 kW), WPT3(11 kW), WPT4(22 kW)로 나뉩니다. 에어갭은 100~250 mm, 정렬 오차 허용은 X축 ±100 mm와 Y축 ±75 mm, 계통-차량 효율은 85% 초과입니다.

코일 설계에서는 표피 효과를 줄이는 리츠(Litz) 와이어, 자속 집중용 페라이트 코어(µᵣ 1000~3000), 저저항화, 동작 주파수 최적화가 핵심입니다. 구현 지침도 페라이트 선택 기준을 줍니다. 1 MHz 미만에는 Mn-Zn, 1 MHz 초과에는 Ni-Zn을 쓰며, 투자율과 손실 사이의 절충을 고려합니다.

장거리 방식에서는 안테나·광학계와 변환 소자가 중심이 됩니다. 마이크로파는 안테나, 정합 회로, 정류기(쇼트키 다이오드, GaN HEMT), DC 필터로 이루어진 렉테나가 RF를 DC로 바꿉니다. 렉테나의 전체 효율은 60~85%입니다. 빔 조향은 위상배열로 하며, 파일럿 신호 방향으로 위상 공액을 이용해 빔을 되돌리는 레트로디렉티브 배열도 정의되어 있습니다. 레이저는 총 효율이 η_laser × η_transmission × η_PV이고 전체로는 5~25% 수준입니다. 파장은 대기 투과, 광전지(PV) 정합, 눈 안전을 함께 보고 고릅니다. 1550 nm는 대기 투과가 우수하고 InGaAs와 맞으며 눈에 안전한 쪽으로 분류됩니다. 450 nm는 레일리 산란으로 대기 투과가 나쁘고 눈에 위험합니다.

3.4 소프트웨어 인터페이스와 안전·규제 연동

WIA-COMM-009는 물리 규격과 함께 TypeScript SDK(@wia/comm-009)와 CLI(wia-comm-009)를 제공합니다. 다음은 Qi 호환 유도 충전기를 만들고 전송을 시작하는 예를 줄여 인용한 것입니다.

import { InductiveWPT } from '@wia/comm-009';

const qiCharger = new InductiveWPT({
  standard: 'Qi',
  frequency: 87000, // Hz
  maxPower: 15,     // Watts
  foreignObjectDetection: true
});

const session = await qiCharger.startTransfer({
  deviceId: 'phone-12345',
  requestedPower: 10, // W
  alignment: { x: 0, y: 0, z: 0.005 } // meters
});

CLI는 기술별 하위 명령(inductive, resonant, microwave, laser, ev-dynamic)과 계산 명령(efficiency, safety)을 둡니다.

wia-comm-009 resonant --distance 1.0 --power 3300 --frequency 6.78e6
wia-comm-009 efficiency --technology resonant --distance 0.5 --coupling 0.6
wia-comm-009 safety --power 1000 --distance 2 --frequency 2.45e9

Phase 2는 시스템, 링크, 안전, 텔레메트리, 규제의 다섯 영역에 걸친 HTTP/WebSocket API를 정의합니다.

POST /wireless-power-transfer/v1/systems          # WPT 시스템 등록
GET  /wireless-power-transfer/v1/systems/{id}     # 시스템 레코드 조회
POST /wireless-power-transfer/v1/links            # 링크 설정
GET  /wireless-power-transfer/v1/links/{id}/state # 현재 링크 상태
POST /wireless-power-transfer/v1/safety/test      # 안전 자가 시험 실행
WS   /wireless-power-transfer/v1/telemetry/stream # 실시간 링크 텔레메트리
GET  /wireless-power-transfer/v1/regulatory/{id}  # 규제 승인 상태

모든 엔드포인트는 /.well-known/wia-wireless-power-transfer 탐색 규약을 따릅니다. POST /systems는 Phase 1 봉투를 받아 변하지 않는 systemId를 돌려줍니다. POST /links는 등록된 송신기와 수신기를 정렬, 요청 전력, 링크 지속 시간 같은 링크별 파라미터로 연결합니다. 이 호출은 규제 봉투에 맞는지 검증합니다. 마이크로파 빔 링크는 유효한 운영자 승인이 있어야 하고, 레이저 빔 링크는 문서화된 유효 기간 안에 안전 스캐너 자가 시험을 통과해야 합니다. 안전 자가 시험 API는 인터록 체인의 연속성 등을 점검합니다.

안전·규제 측면에서 재료가 명시한 기준은 다음과 같습니다.

• 인체 노출: SAR 2 W/kg 미만(FCC/ICNIRP), IEEE C95.1 노출 한계
• EMC: FCC Part 15, EN 55011 및 CISPR 11
• 이물질·생체 보호: Q 계수 모니터링과 열 감지를 이용한 FOD, 이물질/생체 감지용 LOP 센서
• 레이저 안전: 눈과 피부에 대한 최대 허용 노출(MPE)을 계산하며 IEC 60825-1과 연계

Phase 4의 표준 교차표는 이 기준들을 생태계와 연결합니다. 저전력 소비자 영역은 WPC Qi, 공진 소비자 영역은 AirFuel Alliance입니다. EV 정지형 충전은 SAE J2954와 통신용 SAE J2847/6, 유럽은 IEC 61980입니다. RF 규제는 미국 FCC 47 CFR Part 15/18, 유럽 RED 지침 2014/53/EU이며 전파 할당은 ITU-R 전파 규칙을 따릅니다. 이식형 의료기기는 ISO 14117, 배터리 충전기 안전은 IEC 62368-1이 맡습니다. 교차표는 참고용이므로 공식 문서는 발행 기관에서 구해야 합니다.

3.5 요약과 다음 장으로의 연결

이 장은 WIA-COMM-009가 근접장 결합(유도·용량성)과 원거리장 방사(마이크로파·레이저)를 하나의 물리 모델로 묶고, 거리에 따른 효율 절충을 설계의 기준으로 삼는다는 점을 확인했습니다. 구현 지침은 이 기준으로 기술을 고르게 합니다. 대략 100 W 미만에 10 mm 이내이면 유도(Qi), 100 W~50 kW에 10 mm~2 m이면 공진, 1 kW 이상에 2 m 초과이면 마이크로파나 레이저가 후보가 됩니다. 열 관리도 같은 틀에서 다룹니다. 손실은 P_loss = P_tx × (1 − η)이므로, 효율 90%의 11 kW EV 충전기는 약 1,100 W를 열로 방출합니다. 냉각은 50 W 미만이면 자연 대류, 50~500 W이면 강제 공냉, 500 W를 넘으면 액냉이 기준입니다.

표준은 물리 규격에 그치지 않고 SDK, CLI, REST/WebSocket API를 두며, 마이크로파·레이저 링크에는 규제 승인과 안전 자가 시험을 호출 단계에서 강제합니다. 이 점이 이 표준의 특징입니다. 다음 장부터는 이 개요에서 언급한 요소를 하나씩 풀어 갑니다. 먼저 Phase 1의 데이터 형식, 곧 WPT 시스템, 공진기, 마이크로파/레이저, 안전, 우주 태양광 각각의 봉투 구조를 살펴보고, 이어서 API와 프로토콜, 외부 규격과의 통합을 차례로 다룹니다.