이정호 한국전기연구원 전력망연구본부장
이정호 한국전기연구원 전력망연구본부장

오래전 어릴 때 만화나 공상과학 영화에서 보아왔던 이야기들이 최근 들어 세상에 현실로 다가오는 일이 빈번해 지고 있다. 예를 들어, 조만간 미국 우버(Uber)사가 상용화를 발표한 나는 자동차(Flying Car), 미국 아마존(Amazon)사가 운영중인 사람을 대신할 물류 이동 로봇(Robot), IBM사가 개발한 세계 최초의 의료용 인공지능(Artificial Intelligence) 의사 ‘왓슨(Watson)’ 등 나열할 기술의 진보는 수도 없이 많다. 이를 보면 대부분 전기기술이 큰 부분을 차지할 뿐 아니라 전기공급 기술이 뒷받침 되어야 한다는 사실을 알게된다.

최근에 관심을 받고 있는 무선전력전송 기술은 이미 우리 생활에 가까이 와있다. 무선전력전송 기술은 전기에너지를 물리적 연결 없이 공간을 통해 전달하는 기술로 휴대용 전화를 포함한 모바일 기기를 위한 전원, 산업용 센서, 디지털 가전 및 전기 추진체 에너지 공급 등에 활용 가능한 미래사회 핵심 인프라 기술이다. 최근 스마트워치, 칫솔, 주방용 믹서 등 가전분야 응용사례에서 보는 바와 같이, 유도자기장 이용 방식의 근거리 무선전력전송 제품들이 활발히 실생활에 적용되고 있으며, 여러 분야에서 상용화가 급속하게 진행 중이다.

1968년 최초로 우주에서 태양광으로 발전된 전력을 마이크로파를 통해 지구로 송전하는 우주태양광발전 위성이 제안되었고, 해당 내용의 특허가 등록되었다. 1978년에는 미국 항공우주국(NASA)과 에너지성(DOE, Department of Energy)에서는 정지궤도에서 동작하는 50km2 면적의 우주태양광발전 위성시스템을 제안하였다. 특히, 최근에는 공중비행체와 지상에서의 전력전송시스템 실용화를 도모하고 있다. 또한, 일본과 중국에서는 국가적인 사업으로 우주태양광발전과 무선전력전송 기술을 선점하기 위해 치열한 경쟁을 하고 있다.

우리나라의 경우, 한국전기연구원은 1996년부터 장거리 무선전력전송 기술 개발에 착수하였다. 2000년 이후 국내에서는 마이크로파 무선전력전송 기술에 대한 연구가 거의 진행되지 않고 있었으나, 2013년 이후 경북대학교의 무선전력전송 기초 기술 개발, 2014년~2020년 성균관대학교의 방사형 무선전력전송 과제 수행 등 대학에서의 활발한 연구 활동이 진행되고 있다. 2016~2020년 경희대에서는 실용적 방사형 무선전력전송 시스템 및 제어기술 연구를 진행하고 있다.

최근 한국전기연구원에서는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회의 Big Issue Group 사업으로, 2017년부터 2025년까지 우주태양광발전에 활용 가능한 무선전력전송 기반기술 개발을 목표로 다시 연구를 시작하였다. 1990년대 종래 연구는 마그네트론 및 단일 반사판 안테나를 활용한 지상전송 수준이었으나, 현재는 정밀한 전자 빔(Beam) 제어가 가능한 고출력 시스템을 개발하고 있다. 2021년까지 지상에서 10kW 급 마이크로파 송출 및 100m 전송 실증을 계획하고 있다. 2025년까지는 우주 적용을 고려한 확장 가능한 형태의 시스템 구현을 위해 연구개발을 수행하려고 한다.

마이크로파를 이용한 원거리 무선전력전송은 40년 이상의 역사를 가진 기술이지만, 고출력 대용량 시스템의 개발 난이도와 경제성 및 효용성 문제로 소수 선진국 위주로 연구가 진행되어 왔다. 최근 근거리 무선전력전송 기술의 실생활 적용이 활발해짐에 따라 방사형 전력전송기술의 실용화 요구 또한 늘어나고 있는 추세이다. 그러나 인체 영향 규정 및 주파수 배분 등 기술 외적인 문제 또한 국내외 합의 및 상용화를 어렵게 하는 걸림돌이다. 그럼에도 불구하고 미국, 일본, EU, 인도 뿐만 아니라 중국 또한 미래 에너지문제 해결을 위한 국가 주도의 장기 로드맵을 수립하여 꾸준한 관련 연구 수행 및 단계별 계획을 추진하고 있다.

최근들어 한국항공우주연구원에서 한국형 우주태양광발전 위성 계획안을 발표하고, 한국전기연구원에서 장거리 무선전력전송 연구가 다시 시작되어 세계수준에 뒤지지 않는 요소 기술이 개발되고 있다. 사업 규모나 연구 분야의 다양성 측면에서는 아직은 부족한 상황이다. 국내 무선전력전송 및 항공우주 분야 뿐 아니라, 전력변환, 전력반도체, 전기환경, 시험평가 등 무선전력전송 관련 여러 전문분야의 연구가 병행하여 진행되어야 한다. 우주태양광발전을 더욱 긍정적으로 실현시키기 위해 다양한 요소 기술의 국제경쟁력 강화 및 국내 산업기반 확보, 규제나 제도의 정비와 더불어 정책적 준비와 고민이 필요한 시점이다. 이제 미래 지구에서의 무한청정에너지 활용을 위한 연구개발 환경을 차분히 준비해 나가야 할 것이다.

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