제4장
WIA-COMM-009 Phase 1은 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer, WPT) 시스템을 서로 다른 구현이 같은 의미로 주고받을 수 있도록 하는 "봉투(envelope)" 형식을 정의합니다. 표준의 부제가 말하듯 정규 범위는 WPT 시스템, 공진기(resonator), 마이크로파·레이저, 안전, 우주태양광(space-solar)의 다섯 봉투입니다. 이 장은 그중 시스템 기술자를 중심으로, 봉투가 서술하는 물리와 표준을 짚어 봅니다.
시스템 기술자는 전송 메커니즘에 따라 시스템을 여섯 부류로 묶습니다.
각 레코드는 정규 필드로 시스템 식별자, 메커니즘, 동작 주파수, 최대 송신 전력, 종단 간 효율 프로파일, 링크 거리 범위, 규제 인가 범위를 담습니다. 같은 부류 안에서도 전력과 거리가 크게 다르므로, 이 일곱 항목이 한 시스템을 다른 시스템과 구별하는 최소 정보가 됩니다.
WPT는 송신기와 수신기 사이의 전자기장 결합을 이용합니다. 표준은 거리에 따라 지배 메커니즘이 달라진다고 정리합니다. 근접장(d < λ/2π)에서는 반응성(비복사) 결합이 지배적이고, 원거리장(d > λ)에서는 전자기 복사가 전력을 나릅니다. 두 영역 사이에는 천이 구간인 프레넬 영역이 있습니다.
| 영역 | 거리 | 지배 메커니즘 | 효율 스케일링 |
|---|---|---|---|
| 근접장 | d < λ/2π | 반응성 결합 | ∝ (1 + d²/r²)⁻³ |
| 프레넬 | λ/2π < d < 2D²/λ | 천이 | ∝ 1/d |
| 원거리장 | d > 2D²/λ | 복사 | ∝ 1/d² |
여기서 r은 코일 또는 판의 반경, D는 안테나 개구 지름입니다. 근접장에서는 자기 결합(상호 인덕턴스 M, 결합계수 k, Q 값)과 전기 결합(정전용량 C = ε₀·εᵣ·A/d)이 각각 유도 방식과 용량 방식의 바탕이 됩니다. 원거리장 빔 방식은 Friis 전송 방정식으로 서술합니다.
P_rx / P_tx = G_tx × G_rx × (λ / 4πd)²
L_path [dB] = 20 × log₁₀(4πd/λ)유도 결합의 핵심 관계는 k = M / √(L₁ × L₂)입니다. 정렬이 좋고 d < r이면 k는 0.6~0.9, d ≈ r이면 0.3~0.6, d > r이면 0.3 미만이 전형적입니다. 느슨한 결합(k² ≪ 1)에서 효율은 η = k²Q₁Q₂ / (1 + k²Q₁Q₂)이며, k²Q₁Q₂ ≫ 1이면 이론상 1에 접근합니다. 품질계수는 Q = ωL/R이고, 리츠(Litz) 선으로 표피 효과를 줄이거나 페라이트 코어(µᵣ 1000~3000)로 자속을 모으는 방법으로 높입니다.
공진 방식은 f₀ = 1/(2π√(LC))에서 동작합니다. 결합된 두 공진기는 ω₊ = ω₀√(1+k)와 ω₋ = ω₀√(1−k)의 두 고유 모드로 갈라집니다. 전력 전송은 ω_opt = ω₀√(1+k²)에서 최대가 됩니다.
시스템 전체는 DC → AC(인버터) → 무선 링크 → AC → DC(정류기)의 사슬이며, 종합 효율은 각 단의 곱입니다. 표준이 제시하는 단별 범위는 다음과 같습니다.
링크 기술자는 이 사슬을 링크 예산으로 기록합니다. 송신 전력에서 출발해 자유공간 손실 또는 결합 손실, 수신측 변환을 거쳐 최종 전달되는 DC 전력에 이르는 흐름입니다. 링크 기술자에는 링크별 거리와 정렬 범위(효율이 정책 한계 아래로 떨어지기 전의 횡·각 허용 오차)도 포함됩니다.
이 표준은 시장 규모나 점유율 같은 수치를 규정하지 않으므로 여기서도 다루지 않습니다. 표준이 제공하는 것은 시장을 구분하는 기술적 축입니다. 거리(mm 단위 접촉형에서 km 단위 빔 전송까지), 전력(W급 소비자 기기에서 kW급 차량까지), 방식(유도·용량·공진·마이크로파·레이저)이 그 축입니다. 제품 분류를 이 축으로 잡으면 아래 응용 절의 표준들이 서로 다른 시장에 대응함을 알 수 있습니다.
표준 본문은 유도와 공진 방식에서 널리 쓰이는 규격의 동작점을 정리합니다.
| 규격 | 주파수 | 전력 | 거리 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| Qi (WPC) | 80~300 kHz 기본, 2 MHz 확장 | 5~15 W 기본, 확장 시 최대 100 W | 0~5 mm | ASK 변조 통신(2 kbps), 스마트폰·웨어러블 |
| AirFuel Resonant | 6.78 MHz (ISM) | 5~50 W | 0~50 mm | BLE 통신, 노트북·태블릿 |
| SAE J2954 | 85 kHz | WPT1 3.7 kW / WPT2 7.7 kW / WPT3 11 kW / WPT4 22 kW | 공극 100~250 mm | 정렬 허용 X ±100 mm, Y ±75 mm, 효율 85% 초과(계통-차량) |
| WiTricity | 6.78 MHz (ISM) | 1~11 kW | 1~2 m | 최적 결합 시 90~95%, EV 충전·로봇·의료기기 |
용량 결합(CPT)은 유도 방식과 장단점이 반대입니다. 금속 근처에서 강하고 유전체에는 약하며, EMI가 낮고 판 비용도 낮습니다. 전형적 효율은 유도 70~90%, 용량 60~80%로 비교됩니다. 이 특성 때문에 수중 충전(방수 유전체 격리), 노출 도체를 피해야 하는 가혹 환경, 회전 기계의 비접촉 슬립링, 생체적합 유전체를 쓰는 의료용 임플란트가 CPT의 응용 영역으로 꼽힙니다.
안전 봉투는 주파수 대역마다 다른 기준을 적용합니다. 어느 기준을 쓰는지는 시스템 기술자의 동작 주파수에서 결정됩니다.
빔 방식에는 구조적 안전장치가 붙습니다. 마이크로파 봉투는 송신기 개구와 이득, 빔 조향 방식(기계식·전자식 위상배열·액정), 렉테나 수와 렉테나별 변환 효율을 기록하며, 수신기가 존재를 확인하고 안전 스캐너가 빔 경로를 확인하기 전에는 송신을 막는 인터록 체인을 포함합니다. 레이저 봉투는 IEC 60825-1 레이저 등급(Class 1M 또는 위험 구역을 문서화한 Class 4), 빔 발산 범위, 수신기별 광전 변환 효율, 그리고 LiDAR나 카메라로 빔 경로의 침입을 감지하는 능동 안전 스캐너를 기록합니다. 운영자가 문서화한 임계값을 넘는 피크 전력의 마이크로파·레이저 시스템에는 빔 차단 인터록이 필수입니다.
사람이 있는 공간에서 동작하는 시스템의 공진기 기술자에는 SOTIF 범위도 들어갑니다. 규제 인가 범위는 시스템 기술자 안에서 운영자의 면허 체계에 맞춰 기록합니다.
공진기 기술자는 구현자가 정해야 할 설계 선택을 필드로 만든 것입니다. 송신측은 LCC 보상을 쓴 평면 코일이나 병렬 LC, 수신측은 정합된 LCC나 직병렬 혼성 구조를 쓰며, 전형적인 고Q 공진기의 Q는 100~500입니다. 이 밖에 온도에 따른 동작 주파수 안정성, 임피던스 정합 범위, 수신기별 디커플링 범위를 함께 기록합니다. 보상 토폴로지는 다음과 같이 구분합니다.
| 토폴로지 | 송신 커패시터 | 수신 커패시터 | 특성 |
|---|---|---|---|
| SS | 직렬 | 직렬 | 정전류, 단순 |
| SP | 직렬 | 병렬 | 송신 정전류, 수신 전압원 |
| PS | 병렬 | 직렬 | 송신 정전압 |
| PP | 병렬 | 병렬 | 정전압 |
| LCC | L + C + C | 직렬/병렬 | 넓은 ZVS 범위 |
첫 구현의 권장 순서는 참조 컨테이너(wia/wireless-power-transfer-host:1.0.0)를 띄우고, 적합성 테스트 스위트를 처음부터 끝까지 돌린 뒤, 모의(mock) 백엔드를 엔드포인트 하나씩 실제 백엔드로 교체하는 것입니다. 이후 감사 로그 복제를 운영 싱크로 연결하고, 신뢰 피어 한 곳부터 연합을 시작해 확장합니다. 1.x 계열에서는 기존 봉투 형태를 제거할 수 없고 선택 필드와 새 봉투를 추가하는 것만 허용됩니다. 호환을 깨는 변경은 메이저 버전 상승, 12개월 폐기 유예, 위원회 3분의 2 찬성을 거쳐야 합니다.
우주태양광은 이 표준에서 연구 트랙으로만 분류됩니다. 봉투는 송신기 군집(단일 위성, 클러스터, 하위 개구를 가진 위상배열), 궤도 등급(GEO, 렉테나 핸드오버가 있는 태양동기 LEO, 연속 커버리지 LEO 클러스터), 대기 창 전파에 알맞은 2.45 GHz 또는 5.8 GHz 빔 주파수, km 규모의 렉테나 팜을 서술합니다. 종단 간 효율은 우주에서의 DC-RF 변환, 자유공간 손실, 대기 흡수, 렉테나의 RF-DC 변환을 이어 붙여 계산합니다. 규제 측면에서는 ITU 무선통신규칙에 따른 조정, 국가 규제기관의 인가, 상공 통과를 위한 국제해사기구와 ICAO의 승인이 필요합니다. 실증 사례가 쌓이기 전까지는 이 항목을 본격 구현 대상으로 삼기보다 데이터 형식의 확장 여지로 이해하는 것이 적절합니다.
Phase 1의 핵심은 무선 전력 전송 시스템을 한 가지 척도로 묶으려 하지 않고, 메커니즘별로 서술하되 같은 정규 필드로 비교할 수 있게 한 것입니다. 이 장에서 확인한 내용은 다음과 같습니다.
이 봉투들은 서로 다른 시스템이 주고받는 계약, 곧 와이어 형식입니다. WIA 네 단계 구조에서 Phase 2는 이 봉투를 HTTPS 인터페이스로 노출하고, Phase 3은 신뢰 경계를 넘는 프로토콜 교환으로 감싸며, Phase 4는 더 넓은 생태계와 통합합니다. 다음 장에서는 이 데이터 형식을 실제로 조회하고 갱신하는 API 계층으로 넘어가, Phase 1의 필드가 HTTPS 위에서 어떻게 전달되는지 살펴봅니다.