[스페셜 리포트] 전선 없는 전기 생활… ‘100년 꿈’, 현실이 되다

A는 요즘 사무 공간에서 흔히 볼 수 있는 광경이다. PC와 대용량 USB를 비롯, 랜(LAN)선∙모뎀∙공유기∙전화기∙자동 응답기∙스탠드 등 모든 사무용 기기가 전선으로 연결돼 있다. 여기에 TV와 셋톱박스, 오디오 세트, 커피메이커와 토스트 따위가 더해지면 상황은 심각해진다. 이 모든 장치를 연결하는 선이 대개 한두 군데 콘센트에 집중되기 때문에 그 근처는 늘 엉망으로 얽히고 꼬인 전선들로 어지럽게 마련이다. 자칫 그 중 하나가 고장이라도 나면 낭패다.

B는 다용도 무선 충전기를 제외한 모든 전기 기구가 무선 상태로 연결된 작업실 풍경이다. 굳이 콘센트에 딱 붙어 있는 책상이 아니어도 자신이 일하기 편한 곳이면 어디서든 작업할 수 있다. 각자 사용하고자 하는 기기를 원하는 위치에 자유롭게 둘 수도 있다. 이 공간에선 기기 종류를 막론하고 ‘전선 없이’ 사용할 수 있다(단, 자기에너지를 받아 이를 다시 전력으로 전환하는 장치가 내장돼 있어야 한다). 따라서 여럿이 한 공간에서 많은 기기를 쓰더라도 전선 얽힐 걱정 없이 작업할 수 있다. 공간 연출도 한결 깔끔해진다. 일상 자체가 편리하고 효율적으로 바뀌는 것이다.

“무선으로 전 세계에 전력을 공급하겠다”

큰 비용 들이지 않고, 이상 현상을 일으키는 설비 없이도 무선으로 전기를 보낼 수 있다면 얼마나 편리할까? 미관상 좋은 건 두말할 필요도 없고 다양한 전자기기를 사용할 때도 편리할 것이다. 급히 외출하려는데 스마트폰 배터리가 간당간당해 맘 졸일 일도, 침대에 누워 스마트폰 게임에 한창 열 올리다 배터리가 방전돼 기기가 꺼져버릴 일도 없다.

무선 전력 공급 기술(이하 ‘무선 기술’)은 사회적으로도 유용하다. 일단 관련 비용이 크게 절감된다. 매년 전 세계적으로 송전탑과 기간 전선을 건설, 관리하는 데 드는 비용이 천문학적 수준이기 때문. 생태계 보전 효과도 쏠쏠하다. 당장 매년 수십 억 개씩 생산∙소비∙폐기되는 배터리로 인한 환경 오염 문제가 상당 부분 해소될 수 있다. 이 때문에 무선 기술은 인류가 최초로 인공 전기를 사용하기 시작한 때부터 줄곧 품어온 꿈이었다.

▲무선 전력 공급 기술이 보편화되면 송전탑 건설(왼쪽 사진)이나 건전지 제작에 투입되는 비용을 대폭 아낄 수 있다

무선 기술을 실현시키기 위해 각고의 노력을 기울인 선구자는 단연 니콜라 테슬라(Nikola Tesla, 1856~1943)였다. 미국을 무대로 활동했던 이 세르비아 태생 과학자에겐 늘 ‘천재’란 칭송과 ‘사기꾼’이란 비난이 동시에 따라다녔다. 실제로 그가 시도했던 많은 일 중 지금껏 유용한 기술로 쓰이는 게 많은 반면, 실패작도 적지 않았다. “무선으로 전 세계에 전력을 공급하겠다”는 야심 찬 프로젝트 역시 완수되지 못했다. 당대 굴지의 자본가였던 J.P.모건의 지지로 거창하게 시작된 이 사업은 몇 년 지나지 않아 엄청난 규모의 무선 전선탑만 미완성 상태로 남긴 채 중단됐다.

▲니콜라 테슬라(왼쪽 사진)는 “전 세계에 무선 기술을 보급하겠다”며 야심만만하게 관련 실험을 진행했지만 결국 실패하고 말았다(출처: 위키피디아/출처가 명기된 이미지는 무단 게재, 재배포할 수 없습니다)

테슬라의 꿈은 왜 실현되지 못했을까? 이와 관련, 후대 과학자들은 다양한 의견을 내놓았지만 모두가 수긍할 만한 결론은 여전히 내려지지 않은 상태다(그 중엔 “실험 결과, ‘원거리 무선 송전 방식이 인체에 부정적 영향을 끼친다’는 증거가 발견됐다”는 의견도 있었다).

테슬라 이후에도 무수한 과학자들이 무선 기술의 꿈을 실현하기 위해 도전을 거듭했다. 그 과정에서 현실에 적용할 만한 기술도 상당히 많이 축적됐다. 최근 이 같은 기술의 지향점은 ‘무선 충전기를 활용, 스마트폰 등 각종 전기기기의 동시 충전 환경을 조성하는 것’이다. 이는 정보 네트워크 중심 세상에 걸맞은 일명 ‘유비쿼터스 환경’ 구축에도 필수불가결한 요건이다. 실제로 과학계에선 이를 위해 회로와 소재, 시스템 등 여러 관점에서 다양한 연구가 진행돼왔으며 그 중 일부는 지금도 여전히 진행 중이다.

드론부터 진동칫솔까지 활용 분야 ‘무한대’

무선기술은 △떨어져 있는 2개 안테나 △전력 발생∙전송 장치 △전력 수용 장치 등 세 가지 요소로 구성된다<아래 개념도 참조>. 여기서 다시 전력을 보내고 수용하는 방식 차이에 따라 여러 종류로 나뉘며, 이는 다시 방사전송(radiative transmission)과 비방사전송(non-radiative transmission) 등 두 가지 체계로 구분된다.

▲무선 전력 전송 개념도

방사전송은 초단파나 레이저빔처럼 전자파선을 방사해 에너지를 전달하는 방식이다. 이 방식은 에너지를 수십 킬로미터 이상 되는 먼 곳까지 보낼 수 있으며, 대기 중 손실되는 부분이 적어 장거리 무선 전력 전송 시 널리 활용된다.

하지만 이때 전송 과정에서 사용되는 전자파선이 직진성(直進性)을 띠고 있어 정확히 수신 장치에 맞춰 전달해야 한다는 한계가 있다. 동력 작동 범위 내에 인간을 포함한 생물체가 있을 경우, 생리 과정을 방해할 수 있기 때문이다. 무선전신(전보)에서 시작된 방사전송은 방송국 전파 송출 등에 이용돼오다 점차 인공위성이나 무선 동력 드론, 에너지 하베스팅(energy harvesting, 버려지는 에너지를 수확<harvest>해 사용 가능한 에너지원으로 활용하는 기술) 등으로 그 응용 범위를 넓혀가고 있다.

반면, 비방사전송은 근거리에서 무선으로 전력을 보내는 형태다. 전력 송신 방식에 따라 다시 △자기유도 커플링(coupling∙결합) △공명유도 커플링 △전기용량 커플링 △마그네토다이내믹스(magnetodynamics) 등으로 나뉜다. 인체에 부정적 영향을 거의 끼치지 않지만 아주 근접한 기기 사이에서만 적용된다는 건 단점이다. 활용 범위는 꽤 넓은 편이다. 전동칫솔이나 전기면도기 충전을 포함, △인덕션 쿡톱(cooking top)과 히터 구동 △스마트폰 충전 △전기자동차 충전 △태양광 위성과 드론 동력 공급도 가능하다. 이 중 최근 가장 활기를 띠고 있는 분야는 단연 스마트폰 충전이다.

‘필요’가 창출한 스마트폰 무선 충전 시장

스마트폰 무선 충전에 주로 쓰이는 기술은 자기유도 커플링 방식이다. △전선 코일을 둥글게 말아놓은 뭉치 두 개를 일정 간격으로 떼어놓은 후 △그 중 하나에 전원을 연결하면 자기에너지가 발생, 옆 코일에 전달되고 △이를 다시 전류로 바꿔 사용하는 메커니즘이다. 비교적 쉬운 기술이어서 일찌감치 개발, 활용돼왔지만 발생되는 전기 용량이 적고 몇 센티미터 이내의 근접 거리에서만 사용할 수 있어 용도가 다소 제한적이었다.

자기유도 커플링 기술에 대한 관심이 높아진 계기는 단연 스마트폰의 대중화였다. 스마트폰은 그 자체로 소형 무선 컴퓨터와 같은 역할을 한다. 스마트폰을 더욱 편리하게 쓰고자 하는 사용자 입장에서 무선 충전 기술은 더없이 반가운 존재였다. 충전기 위에 스마트폰을 올려놓기만 하면 되는 구조여서 근접 거리에서 유효한 자기유도 커플링 방식으로 충분하기 때문이다.

하지만 해결해야 할 과제가 하나 더 있었다. 자기유도 커플링 기술을 채택해 무선 충전을 가능케 하려면 외부 충전기는 물론, 스마트폰 자체에도 상당한 길이의 코일이 들어가야 한다. 그래야 충전기 코일에서 자기에너지가 유도돼 스마트폰에 전달할 수 있다. 그렇잖아도 기능과 디자인 두 마리 토끼를 모두 잡아야 해 그 어느 때보다 경쟁이 치열한 스마트폰 시장에 ‘무선 충전 기능 탑재’란 과제까지 더해지며 제조 업체들은 고민에 빠졌다.

일부 기기는 충전 시 후면 배터리 커버를 무선 충전용 제품으로 교체하도록 해 이 문제를 해결하고자 했다. 그렇게 되면 평소엔 충전 가능한 코일을 스마트폰 안에 넣을 필요가 없어 가볍고 날렵한 디자인을 유지할 수 있다. 하지만 충전할 때마다 커버를 바꿔 끼워야 하는 불편은 감수해야 한다.

삼성 갤럭시 S6는 이런 측면에서 관련 기술 향상에 한 획을 그은 모델이다. 커플링 코일을 한층 더 ‘콤팩트’하게 제작하는 데 성공, 무선 충전 기능을 내장하면서도 슬림한 외형을 유지할 수 있도록 설계됐기 때문이다.

스마트폰 무선 충전 기술 수준이 이렇게 향상되면서 ‘충전이 편리하고 보기도 좋은’ 스마트폰 생산에 대한 기대감은 날로 높아지는 추세다. 실제로 최근 국내외 할 것 없이 온라인상에선 스마트폰 충전(기) 관련 콘텐츠 수가 크게 늘었다. 한 전문가는 “스마트폰 무선 충전 시장은 2014년 이후 약 10년간 매해 70% 이상 성장할 것”이란 전망을 내놓기도 했다(신효순 ‘무선 충전 기술 현황 및 전망’, 조명∙전기설비학회지 제28권 제3호, 2014년 5월, 50쪽).

효율성은 기본… ‘안전성’까지 잡아라

무선 기술은 기본적으로 ‘전력이 공급되는 장치’와 ‘전력을 공급 받는 장치’의 결합이다. 따라서 관건은 기존 기술이 지닌 용량이나 용적의 한계를 극복하는 데 있다. 앞서 스마트폰 충전 사례에서 본 것처럼 ‘용량을 늘리고 용적을 줄이는’ 기술 개발 경쟁은 갈수록 치열해지는 양상이다. 이 같은 노력이 거듭되며 관련 기술은 카드키처럼 작고 얇은 형태에서 전기자동차 충전처럼 덩치 큰 것까지 다양한 형태로 일상에 접목, 활용되고 있다.

▲무선 기술은 우리가 미처 인식하지 못하는 사이, 현대인의 일상 곳곳에서 다양하게 활용되고 있다

한동안 극복되지 못한 채 과제로 남아 있던 자기유도 커플링 기술의 한계(두 장치 사이 거리가 멀어지면 무선 전력 공급이 불가능해지는) 역시 최근 빠른 속도로 관련 기술이 축적되며 해소되고 있다. 이 단계에서 ‘효율성’ 못잖게 중요한 건 ‘안전성’이다.

파장이 극히 짧아 엄청난 에너지로 직진하는 방사전송 기술에 비해 비방사전송 기술은 인체에 끼치는 영향이 거의 없는 걸로 알려져 있다. 하지만 ‘자기에너지 역시 인체에 일정 부분 영향을 준다’는 게 생체물리학 분야의 정설이다. 지금껏 비방사전송 기술이 적용돼온 분야에선 코일 간 간격이 근접해 있어 자기장이 인체에 끼치는 영향을 걱정하지 않아도 됐다. 하지만 방 전체가 자기유도 공간으로 바뀐다면 얘긴 달라진다. 결국 무선 기술의 다음 단계를 고민한다면 이 같은 우려를 해소시키고 안전성을 확보하는 문제가 최우선적으로 해결돼야 할 것이다.