“플러그 시대를 끝낼” 무선 충전의 작동 원리

1890년대 니콜라 테슬라는 무선으로 전력을 송신하는 기기인 테슬라 코일을 발명해 전세계의 주목을 받았다. 그로부터 100년 이상 지난 지금, 세계는 이 선구적인 기술을 채택해 그의 아이디어를 확장하고 있는데, 주로 쓰인 곳은 무선 전통 칫솔의 충전용이었다.

하지만 무선 전기의 세계가 빠르게 변화하고 있으며 지난 몇 년간 새로운 아이디어들이 쏟아지고 있다. 점점 더 많은 기기 제조업체들이 '충전기가 없는 세상'이라는 아이디어를 확장해가고 있으며, 이 기술 카테고리는 다른 영역에도 확장할 준비를 마치고 있다.

휴대폰, 전등, 심지어 전기자동차도 무선으로 충전할 수 있는 날이 올 수 있을까? 이번 기사에서는 무선 충전의 작동 방식에 관해 기초적인 내용을 설명하고자 한다.

현재: 근거리 유도 결합
내부에 배터리를 탑재하고 특정 충전 스테이션이나 충전패드 위에 놓아두는 기기는 지난 몇 년간 우리 대부분이 보아왔던 유도 결합(inductive coupling)이라는 무선 기술을 활용한 것이다. 여기에는 두 개의 기기가 필요한데, 눈에 보이는 전극이나 분명한 접촉면은 없다. 이 기술은 자기장을 활용해 전류를 생성해내는 원리에서 나온 것이다.

전기를 코일을 통해 흘려 보내면 코일은 자기장을 생성한다. 전형적인 유도 결합 시나리오에서 이 코일은 벽에 전기를 꽂는 기본 스테이션이나 충전 유닛에서 찾아볼 수 있다. 다른 전선 코일을 첫 번째 코일 가까이에(하지만 닿지는 않게) 놓는다.

이 두 번째 코일이 무선 전동 칫솔이나 스마트폰 내부에 들어간다. 첫 번째 코일의 자기장이 두 번째 코일과 반응하면 두 번째 코일은 전류를 생성한다. 이런 원리를 유도(induction)라고 한다. 전류가 세지는 않지만, 2분 정도 사용하는 전기 칫솔에 많은 전기가 필요한 것도 아니다. 그래서 마술처럼 칫솔의 배터리가 완충되는 것이다.

전기 칫솔에 유도 결합 기술을 적용한 것은 인간에게 편리함을 주기 위함이었다. 한편, 물기가 많은 환경에서 노출된 전극은 사용자를 위험에 처하게 만들 수 있다. 최근에는 이 기술이 개선되어 더 작은 부품을 쓰면서도 효율성은 높아짐에 따라 편의 기능 가운데 하나가 되어가고 있다. 집과 자동차의 적절한 곳에 설치해둔 유도 결합 장치가 자동적으로 휴대폰을 충전해줄 것이다.

미래: 원거리 유도 결합
유도 결합은 괜찮은 아이디어이지만, 초근거리 즉 mm 단위에서만 적용되기 때문에 실세계에서는 용도가 한정적이다(전류를 전송할 수 있는 거리는 코일의 지름과 감긴 코일 수에 좌우된다_. 현재 상당한 연구들은 전류가 도달할 수 있는 거리를 최대화하면서도 거리에 따른 전력 손실을 최소화하는 데 초점을 맞추고 있다.

최근 연구에서는 동일한 공진 주파수를 가진 재료를 사용해 유도 결합의 전력 도달 거리를 늘릴 수 있다는 점이 발견됐다. 모든 사물은 자연적인 공진 주파수를 가진다. 소리굽쇠를 생각해보자. 아무리 세게 쳐도 그 공진음은 동일하다. 유도 결합 시나리오에서 두 개의 코일의 공진 주파수를 맞추면 그 조합으로 효율성이 더 커지게 된다.

공명 유도 결합 회로의 설계는 이보다 약간 복잡해서 두 개의 유도 코일 각각에 축전기를 부착해야 한다. 엔지니어들은 코일과 플레이트 설계 모두를 세밀하게 조정해서 공진 주파수를 바꿀 수 있다. 궁극적으로 시스템이 가동되면 전기자기장 파동이 한 코일에서 다른 코일로 이전보다 훨씬 더 먼 거리에서도 전송되게 된다.

이런 유형의 실험으로 가장 돋보이는 사례가 하나 있다. 2006년과 2007년 MIT에서 연구원들이 공진 유도를 활용해 2m 거리에 떨어진 전구에 전력을 공급하는 데 성공했다. 이 기술은 와이트리시티(WiTricity)라는 이름을 얻게 됐다. 연구원중의 한 명인 마린 솔야치치는 후에 같은 이름의 무선 전기 회사를 창업하기에 이른다. 오늘날 이 회사는 995달러의 자체 프로디지(Prodigy) 시스템의 개발 키트를 판매하고 있다.