제6장
WIA 표준의 네 단계 구조에서 Phase 1은 와이어 포맷(envelope)을, Phase 2는 이를 HTTPS로 노출하는 방식을 정의합니다. Phase 3은 신뢰 경계를 넘나드는 프로토콜 교환을 다룹니다. WIA-COMM-009의 Phase 3은 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer)의 다섯 가지 운영 영역을 규정합니다. 유도(IPT)·용량(CPT) 결합, 공진, 마이크로파·레이저 빔, 전기차 충전(EV-WPT), 우주 태양광 연구입니다. 이 장에서는 각 영역의 프로토콜이 무엇을 통제하는지, 어떤 안전·규제 조건이 따르는지 정리합니다.
IPT 운영 프로토콜은 사업자가 선택한 주파수 대역에서 시작합니다. 대전력 EV·산업용은 LF(kHz) 대역을 쓰고, 공간 자유도가 필요한 소비자용 공진 IPT는 HF(MHz) 대역을 씁니다. 이어서 자기 결합 제어 루프를 규정합니다. Tx 측은 전류 포락선(envelope), Rx 측은 정류기와 DC-DC 포락선을 제어합니다. 정렬 추적, 해당되는 경우의 다중 수신기 조정, 사이클마다 수행하는 FOD(이물질 검출)도 포함됩니다. FOD는 Phase 1 §A.4를 따르며, WIA-COMM-008 무선 충전 표준을 상호 참조합니다.
| 방식 | 프로토콜이 다루는 범위 |
|---|---|
| IPT | 대역 선택, 자기 결합 제어 루프, 정렬 추적, 다중 수신기 조정, 사이클별 FOD |
| CPT | 도체 플레이트 쌍 사이의 전기장 결합, 접근 가능한 플레이트로부터의 안전 거리, 임피던스 정합 제어 루프 |
| 공진(Resonant) | 고Q 탱크, BLE·Wi-Fi·독자 사이드 채널을 통한 제어 협조, 수신기별 결합 해제(decoupling), 임피던스 정합 |
공진 WPT는 AirFuel 계열 ISM 대역 시스템에서 통상 6.78 MHz를 사용하며, ETSI EN 301 489와 FCC Part 15/Part 18의 규제 범위 안에서 운용합니다. 엄격한 주파수 안정성이 요구되는 이유는 규제 준수와 고밀도 설치 현장에서의 링크 간 간섭 방지입니다.
마이크로파 WPT는 GHz 대역 전자기 복사를 이용합니다. 수신 전력은 안테나 이득과 거리로 결정됩니다.
S = (P_tx × G_tx) / (4πd²)
P_rx = S × A_eff = P_tx × G_tx × G_rx × (λ / 4πd)²
G = (4π × A_eff) / λ²
Φₙ = 2π × d × sin(θ) / λ (위상 배열 소자 n의 위상 이동)수신 측 렉테나(rectenna)는 안테나, 정합 회로, 정류기(쇼트키 다이오드, GaN HEMT), DC 필터로 구성됩니다. 렉테나당 변환 효율은 설계 주파수에서 통상 60~85%입니다. 대역은 S-band 2.45 GHz(드론·IoT), C-band 5.8 GHz(중거리 전력), K-band 24 GHz(고밀도 링크)가 ISM 대역입니다. W-band 94 GHz는 연구 단계입니다.
빔 운용 절차는 다음 순서를 따릅니다. 먼저 수신기가 IFF 방식 트랜스폰더 챌린지로 자신의 존재를 증명합니다. 송신기는 수신기의 비콘을 향해 빔 포인팅을 서보 제어합니다. 위상 공액을 이용해 파일럿 신호 방향으로 빔을 자동 지향하는 레트로디렉티브 배열도 사용할 수 있습니다.
[수신기] 트랜스폰더 챌린지 ──▶ [송신기] 존재 검증
[송신기] 비콘 획득 → 빔 포인팅 서보
[독립 안전 스캐너] 레이더/LiDAR/카메라 침입 감지 ──▶ 즉시 빔 차단
[규제] ITU-R + 국가 규제기관 + 설치 지점별 허가안전 스캐너는 전력 제어와 독립적으로 동작하는 인터록 체인입니다. 침입이 감지되면 빔을 곧바로 차단하는 것이 핵심입니다. 레이저 빔은 같은 비콘 획득 절차를 따르되 렉테나 대신 광전지(PV) 수신기를 씁니다. 안전 등급은 IEC 60825-1의 Class 1M 또는 엄격히 통제되는 Class 4입니다. 레이저 총 효율은 η_total = η_laser × η_transmission × η_PV로 계산하며, 통상 전체 5~25% 범위입니다.
이 표준은 시장 점유율 같은 수치를 싣지 않습니다. 대신 도입 판단에 쓰이는 비용 구조를 명시합니다. 도로 내장형 동적 충전의 인프라 비용은 코일 설치가 미터당 1,000~2,000달러, 전력전자가 km당 100,000~200,000달러입니다. 합계는 차선 1km당 약 100만~200만 달러입니다. 손익분기는 버스, 트럭, 택시처럼 교통량이 많은 노선에서 기대합니다. 우주 태양광은 수 GW급 시스템에 1,000억~1조 달러, 궤도 투입 질량 1만~10만 톤이 필요하다고 보며, 상용 서비스는 이 표준의 인증 대상이 아닙니다.
정지 충전은 차량이 지상 패드 위에 주차한 상태입니다. 주차 레이더와 시각 신호로 정렬을 보조하고, SAE J2847/6에 따른 LIN/CAN 사이드밴드로 통신합니다. SAE J2954의 전력 등급은 다음과 같습니다(60 kWh 기준 충전 시간).
| 등급 | 전력 | 용도 | 충전 시간 |
|---|---|---|---|
| WPT1 | 3.7 kW | 야간 | 약 16시간 |
| WPT2 | 7.7 kW | 가정·직장 | 약 8시간 |
| WPT3 | 11 kW | 공공 충전 | 약 5.5시간 |
| WPT4 | 22 kW | 급속 | 약 2.7시간 |
동적 충전은 계측된 도로 구간에 지상 패드를 여러 개 두는 연구 사례입니다. 차량 측 컨트롤러가 접근하는 구간을 활성화하고 통과하면 비활성화하며, 패드별 과금과 사업자 간 정산을 다룹니다. 이 방식은 연구 트랙이며 이 표준에서 상용 배치 인증을 받지 않습니다. 평균 전력은 다음과 같이 계산합니다.
Duty Cycle = L_segment / L_spacing
Power_avg = Power_rated × Duty_cycle × η
예: 100 km/h, 3 m 구간, 20 kW @ 효율 85%
구간당 통과 시간 0.108 s, 구간당 에너지 2.16 kJ, 평균 전력 약 17 kW마이크로파 빔은 드론·UAV 비행 중 급전, 원격 센서, 재난 구호, 군 전진기지에 쓰입니다. 레이저 빔은 위성 간 전력 중계, 달 극지 야간, 수중, 스파크와 EMI를 피해야 하는 위험 지역에 쓰입니다.
인체 노출은 SAR(= σ × |E|² / ρ)로 평가합니다. 한도는 FCC가 1g 평균 1.6 W/kg, ICNIRP가 10g 평균 2.0 W/kg이며, 2~300 GHz 일반인 전력 밀도 한도는 10 W/m²입니다. 직업적 노출은 5배 높습니다. EMC는 FCC Part 15 Class B와 EN 55011 Class B(CISPR 11 Group 1)를 따릅니다. 1064 nm CW 레이저의 MPE는 눈 약 2 W/m², 피부 약 1000 W/m²입니다.
이물질 검출(FOD)의 방식별 특성은 다음과 같습니다.
| 방식 | 원리 | 응답 시간 |
|---|---|---|
| Q-factor | 코일 저항 변화(금속) | < 100 ms |
| 열(IR) | 온도 상승 | 1~5 s |
| 용량성 | 정전용량 변화 | < 50 ms |
| 레이더/라이다 | 반사 | < 10 ms |
| 카메라 | 영상 처리 | 100~500 ms |
Qi의 FOD는 전력 손실 방식으로 ΔP = P_tx − P_rx가 임계값(예: 1 W)을 넘으면 전력을 줄이거나 중단합니다. 생체 보호(LOP)는 움직임, 열 신호, 심박·호흡, 파일럿 톤 반사로 감지하며, 감지되면 전력을 1 W 미만으로 낮춥니다. 상호운용 기준은 Qi(WPC, 80~300 kHz), AirFuel Resonant(6.78 MHz), SAE J2954(85 kHz), ISO 19363, IEC 61980입니다.
관리 평면(management plane) 제어 트래픽은 96비트 nonce, 300초 시각 오차 허용 창, 600초 nonce 캐시로 재전송 공격을 방어합니다. 링크별 안전 이벤트 기록은 발생 시점에 서명되고, 서명 체인은 테넌트별 Merkle 트리에 고정됩니다. 체인이 끊어지면 안전 자체 시험이 무효가 되므로 재실행해야 하며, 그 전에는 POST /links 호출을 더 진행할 수 없습니다. 텔레메트리는 채널별 단조 증가 카운터를 둔 mTLS를 쓰고, 재전송은 브로커에서 탐지해 폐기합니다.
도입 순서는 참조 컨테이너 기동, 적합성 시험 전체 실행, 백엔드를 엔드포인트 단위로 교체, 감사 로그 복제, 신뢰 피어 한 곳부터 연합 확대, 경고 envelope 구독 활성화 후 운영 전환입니다. 1.x 계열 안에서는 기존 envelope·엔드포인트·프로토콜 교환을 제거할 수 없고, 선택 필드 추가만 허용합니다.
우주 태양광 연구 프로토콜은 위성군 간 핸드오버, 렉테나 팜의 활성 소자 선택, 궤도상 위상 배열 보정을 조율합니다. 대기 손실은 ITU-R P.676(주파수별 흡수)과 P.838(강우 감쇠 여유)로 모델링하고, 지상에서는 규정된 전계 강도 등고선에 따라 렉테나 팜 배제 구역을 둡니다. 지상 전력 밀도는 10 W/m² 미만이어야 합니다. 상용 우주 태양광 서비스는 이 표준이 인증하지 않습니다.
GEO(35,786 km)는 일조율 99%로 연속 전력에 유리합니다. 2.45 GHz 마이크로파는 1 km급 송신 안테나가 필요하지만, 1064 nm 레이저는 1~10 m급 구경으로 가능합니다. 다만 레이저는 대기 흡수, 구름 차단, 난류에 의한 빔 흔들림이라는 한계가 있습니다. 근미래 적용처는 달 기지 전력, 위성 간 중계, 화성 표면 기지입니다.
Phase 3은 envelope와 엔드포인트를 신뢰 경계 너머로 옮기는 프로토콜을 완성했습니다. 다음 장은 Phase 4로, 이 프로토콜을 더 넓은 WIA 생태계에 결합하는 방법을 다룹니다. 자격 증명 저장, 런타임 신뢰 목록, 연합 핸드셰이크, 워크로드 의도 선언을 하나의 신원과 서명 키 체인, 감사 전송으로 재사용하는 구성입니다.