제8장

구현 및 인증

개요

WIA-COMM-009는 밀리와트급 소형 기기부터 메가와트급 전력까지, 수 밀리미터부터 수 킬로미터까지의 무선 전력 전송(WPT)을 하나의 틀로 묶은 표준입니다. 이 장은 그 틀을 실제 제품과 시스템으로 옮길 때 거치는 설계 절차, 효율과 열 설계, 비용 구조, 시험·인증·규제 연동을 정리합니다. 표준은 구현을 요구사항 분석에서 시험·인증까지 여섯 단계로 나누고, 마지막 단계의 결과를 규제 상태 조회 API로 연결합니다.

기술적 기초

8.1 시스템 설계 절차와 기술 선택

표준 11.1절의 설계 절차는 다음 여섯 단계로 이루어집니다.

요구사항 분석: 전력 수준(W, kW, MW), 거리(mm, m, km), 주파수 제약(ISM 대역과 규제), 효율 목표, 비용 예산을 확정합니다.
기술 선택: 전력과 거리에 따라 방식을 고릅니다.
코일·안테나 설계: 자기장은 FEMM과 ANSYS Maxwell, RF는 CST Microwave Studio와 HFSS, 광학은 Zemax와 FRED로 시뮬레이션합니다.
전력전자: 인버터는 풀브리지 또는 하프브리지 토폴로지를 쓰고, PLL과 주파수 추적으로 제어하며, 통신은 ASK, FSK, Bluetooth 중에서 선택합니다.
안전 통합: FOD(이물질 감지)와 LOP(생체 보호) 센서, 열 관리, EMI 차폐를 갖춥니다.
시험·인증: 효율 측정, EMC 시험, SAR 측정을 수행합니다.

전력	거리	권장 기술
< 100 W	< 10 mm	유도 방식(Qi)
100 W – 50 kW	10 mm – 2 m	공진 방식
> 1 kW	> 2 m	마이크로파/레이저

표의 구간은 일부 겹칩니다. 따라서 기계적으로 적용하기보다 1단계에서 정한 효율 목표와 비용 예산을 함께 놓고 판단하는 출발점으로 삼아야 합니다. 기술 선택의 물리적 근거는 2장의 효율-거리 관계에 있습니다. 근거리장에서는 반응성 결합이, 원거리장에서는 방사가 지배하며, 그 사이의 프레넬 영역은 전이 구간입니다.

8.2 효율 최적화와 열 관리

WPT 시스템의 총효율은 DC-AC 인버터(92~98%), 무선 링크(30~95%, 거리 의존), AC-DC 정류기(85~95%)의 곱입니다. 링크 구간만 잘 설계해서는 충분하지 않고, 세 단계를 함께 최적화해야 합니다.

주파수 선택: 주파수를 높이면 코일은 작아지지만 교류 손실이 커집니다. Qi는 80~300 kHz로 절충하고, 공진 방식은 6.78 MHz(ISM)로 전력 밀도를 높이며, 전기차는 85 kHz로 투과성과 효율을 확보합니다.
도선과 코어: 20 kHz 초과에서는 표피 효과를 줄이는 리츠선(Litz wire)을 쓰고, 대전류에서는 냉각이 가능한 구리 튜브를 씁니다. 페라이트는 1 MHz 미만에서 Mn-Zn, 1 MHz 초과에서 Ni-Zn이며, 투자율과 손실 사이의 절충을 따집니다.
임피던스 정합: 전력 전달을 최대화하려면 Z_load = Z_source* 조건을 만족해야 하며, L-C 정합 회로로 임피던스를 변환합니다.
정류기: 쇼트키 다이오드(순방향 전압 0.3~0.5 V), MOSFET 동기 정류(전압 강하 0.1 V 미만), 고주파용 GaN HEMT(스위칭 10 ns 미만)를 용도에 맞게 고릅니다.

손실은 열로 바뀌므로 열 설계는 효율 설계와 이어집니다. 표준은 손실을 아래 식으로 계산하고 냉각 방식을 구분합니다.

P_loss = P_tx × (1 - η)

11 kW 전기차 충전기, 효율 90%:
P_loss = 11,000 × 0.10 = 1,100 W

자연 대류는 50 W 미만, 강제 공랭은 50~500 W, 액체 냉각은 500 W 초과에 해당합니다. 위 예의 1,100 W는 액체 냉각 구간이며, 효율이 몇 퍼센트포인트 낮아지는 것만으로도 냉각 구조가 달라질 수 있음을 보여 줍니다.

시장 분석

8.3 비용 구조

표준 11.4절은 전기차 Level 2 정지형 무선 충전을 기준으로 구성 요소별 비용을 제시합니다. 비용 항목은 시장의 규모 효과가 어디서 나타나는지 보여 주므로 구현 단계에서 기준선으로 쓸 수 있습니다.

구성 요소	단가	비용 결정 요인
송신 코일(EV, 11 kW)	$200–500	양산 규모
수신 코일(EV)	$300–600	차량 통합
전력전자	$500–1500	반도체 가격
제어·통신	$100–300	MCU, 센서
설치(정지형)	$500–1000	인건비
합계(EV Level 2)	$1,600–3,900	목표: $2,000 미만

합계 범위의 상단은 목표치의 두 배에 가깝습니다. 목표 달성의 관건은 코일의 양산 효과와 전력전자 부품 가격이며, 설치 인건비는 설계로 줄이기 어려운 부분입니다.

산업 응용

표준이 다루는 응용은 설계 단계의 기술 선택과 직접 이어집니다. 스마트폰과 웨어러블은 Qi 유도 방식(0~5 mm), 노트북과 태블릿은 AirFuel 공진 방식(6.78 MHz, 0~50 mm)을 씁니다. 전기차는 SAE J2954에 따라 85 kHz에서 WPT1(3.7 kW)부터 WPT4(22 kW)까지의 전력 등급으로 나뉘고, 에어갭은 100~250 mm입니다. 마이크로파는 드론 충전, 원격 센서, 재난 대응에 쓰이고, 레이저는 우주 전력 중계와 달 극지 기지 등에 쓰입니다. 용도가 달라지면 인증 경로도 달라집니다.

표준 준수

8.4 시험·인증과 규제 연동

11.1절의 시험 단계는 세 갈래입니다. 효율은 전력 분석기(Yokogawa WT5000)로 측정하고, EMC는 CISPR 11과 FCC Part 15로 시험하며, SAR은 IEEE 1528과 IEC 62209로 측정합니다. 이 시험들이 어떤 시장·용도의 규격과 연결되는지는 Phase 4의 표준 교차표가 정리합니다.

관심사	관련 표준
저전력 소비자 기기	WPC Qi v1.3 / v2.0 (WIA-COMM-008 참조)
공진형 소비자 기기	AirFuel Alliance 규격
전기차 정지형 WPT	SAE J2954
전기차 WPT 통신	SAE J2847/6
전기차 WPT(유럽)	IEC 61980-1 / -2 / -3
EMC	CISPR 11 / CISPR 25 / EN 301 489
EMC 내성	IEC 61000-4 시리즈
RF(미국)	FCC 47 CFR Part 15 / Part 18
RF(유럽)	RED 지침 2014/53/EU
EMF 공중 노출	ICNIRP 2010 + 2020
EMF RF 노출	IEEE C95.1-2019
이식형 의료기기	ISO 14117
레이저 안전	IEC 60825-1
마이크로파/RF 주파수 할당	ITU-R Radio Regulations
대기 손실 모델	ITU-R P.676 / P.838
배터리 충전기 안전	IEC 62368-1

이 교차표는 참고용입니다. 구현자는 규격의 정본을 각 발행 기관에서 직접 입수해야 합니다.

마이크로파와 레이저 빔 전송은 일반 소비자 기기와 달리 운영자 단위의 규제 승인이 따로 필요합니다. 표준은 미국에서 ISM 대역에 대해 FCC Experimental과 Part 18, 영국에서 Ofcom의 28 GHz 산업 시험 면허를 예로 들고, 독일 BNetzA, 프랑스 ANFR, 한국 KCC, 일본 MIC, 중국 MIIT에 상응하는 절차가 있다고 명시합니다. 전자파 노출 측면에서는 ICNIRP 지침과 IEEE C95.1이 기준이 되고, 레이저는 눈 보호를 위한 허용 노출 한계(MPE)가 적용됩니다. 표준은 1064 nm 연속파 레이저의 MPE를 눈 약 2 W/m², 피부 약 1000 W/m²로 제시합니다.

구현 고려사항

Phase 2의 API는 규제 승인과 안전 시험 결과를 링크 개설 단계에 직접 연결합니다. 모든 엔드포인트는 /.well-known/wia-wireless-power-transfer의 디스커버리 규약을 따릅니다.

POST /wireless-power-transfer/v1/systems         # register WPT system
GET  /wireless-power-transfer/v1/systems/{id}    # fetch system record
POST /wireless-power-transfer/v1/links           # establish link
GET  /wireless-power-transfer/v1/links/{id}/state# current link state
POST /wireless-power-transfer/v1/safety/test     # run safety self-test
WS   /wireless-power-transfer/v1/telemetry/stream# live link telemetry
GET  /wireless-power-transfer/v1/regulatory/{id} # regulatory authorisation status

POST /systems는 Phase 1의 시스템 봉투(envelope)를 받아 고정된 systemId를 반환합니다. POST /links는 등록된 송신기와 수신기 사이에 정렬, 요청 전력, 링크 지속 시간 같은 링크별 파라미터로 링크를 엽니다. 이때 링크 요청은 규제 봉투에 비추어 검증됩니다. 마이크로파 빔 링크는 유효한 운영자 승인이 있어야 하고, 레이저 빔 링크는 문서화된 유효 기간 안에 안전 스캐너 자체 시험을 통과한 이력이 있어야 합니다. 따라서 구현자는 시험 결과의 유효 기간을 관리하고, 승인이 만료되면 링크 개설이 거부되는 경로를 시험 시나리오에 포함해야 합니다. 안전 자체 시험(POST /safety/test)은 인터록 체인의 연속성 등을 점검하며, 이는 8.1절의 FOD·LOP 센서 통합과 같은 맥락입니다.

미래 전망

표준은 구현 생태계를 WIA 내부 규격과도 연결합니다. 범용 에너지 전송 API는 WIA-OMNI-API, 의도 기반 전력 요청 프로토콜은 WIA-INTENT, IoT 기기의 무선 충전 규격은 WIA-IOT가 담당합니다. 저전력 소비자 영역은 Qi v2.0을 통해 WIA-COMM-008과 교차 참조됩니다. 우주 태양광 발전은 이 표준의 범위에 포함되어 있으며, 마이크로파·레이저·우주 태양광 시스템에는 별도의 규제 승인이 필요합니다.

요약

8.5 장 요약과 다음 장으로의 연결

이 장의 핵심은 세 가지입니다. 첫째, 구현은 요구사항 분석, 기술 선택, 코일·안테나 설계, 전력전자, 안전 통합, 시험·인증의 여섯 단계로 진행하며, 전력과 거리가 기술 선택을 좌우합니다. 둘째, 효율은 인버터·링크·정류기의 곱이고 손실은 열로 나타나므로 주파수, 도선, 코어, 정합, 정류기, 냉각을 함께 설계해야 합니다. 셋째, 인증은 효율·EMC·SAR 시험과 용도별 규격(Qi, AirFuel, SAE J2954, IEC 61980, ICNIRP, IEC 60825-1 등)을 거치고, 마이크로파·레이저 시스템은 운영자 승인과 안전 시험 이력이 링크 개설 조건으로 API에 반영됩니다.

정리하면, 이 표준에서 구현은 규격에 맞추는 일에 그치지 않고, 시험·승인의 상태를 API 수준에서 검증 가능한 형태로 유지하는 일이기도 합니다. 다음 장에서는 이렇게 갖춘 구현과 인증 체계가 WIA 생태계의 다른 표준과 만나 확장되는 방식을 다룹니다.