서울 서울대학교 공과대학 전기·정보공학부 오정석 교수 연구팀의 이영석 박사과정생이 세계 최대 규모의 무선전력전송(Wireless Power Transfer, WPT) 국제학술대회인 ‘IEEE Wireless Power Technology Conference and Expo 2026(IEEE WPTCE 2026)’에서 최우수 학생논문상(Best Student Paper Award)을 수상했다. 기존 WPTC와 WoW가 2023년 통합된 이후 한국 소속 연구자가 최우수 학생논문상 1위를 수상한 것은 이번이 처음이다.

서울대학교 공과대학은 이영석 박사과정생의 논문이 26개국에서 제출된 145편의 논문 가운데 기술프로그램위원회(Technical Program Committee, TPC) 심사를 거쳐 단독 수상작으로 선정됐다고 밝혔다. 수상 논문은 무선전력전송 시스템의 송신단부터 수신단까지 실제 전력 효율을 최적화하는 종단간(DC-to-DC) 설계 기법을 제시했다.

무선전력전송은 전선 없이 전력을 보내는 기술로, 현재 스마트폰 무선 충전과 같이 가까운 거리에서 주로 활용되고 있다. 전자파(RF)를 활용하면 수 미터 떨어진 기기에도 전력을 전달할 수 있으며, 원리적으로는 우주 태양광 발전의 지상 전력 전송에도 적용할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

그동안 무선전력전송 성능은 송신 안테나에서 방출한 전파가 수신 안테나에 얼마나 잘 도달하는지를 중심으로 평가해 왔다. 그러나 사용자나 산업 현장에서 체감하는 성능은 콘센트에서 사용한 전기 대비 배터리에 실제로 채워진 전기의 양이다. 수도에 비유하면 그동안은 중간 배관의 누수율만 따져 왔지만 정작 중요한 것은 펌프가 쓴 전기 대비 물탱크에 찬 물의 양인 셈이다.

이영석 박사과정생은 다중입력·다중출력(MIMO) 안테나 시스템에서 송신단 전력증폭기(Power Amplifier, PA)가 소비하는 직류전력부터 수신단 정류기(Rectifier)가 출력하는 직류전력까지를 하나의 문제로 묶어 최적화하는 설계 프레임워크를 최초로 제시했다.

무선전력전송에서 가장 큰 전력 손실은 공중에서의 전파가 아니라 전기를 전파로 바꾸는 송신단 전력증폭기와 전파를 다시 전기로 변환하는 수신단 정류기에서 발생한다. 현재 최고 수준의 소자도 각각 최대 70% 수준의 효율에 머물러 있어 두 소자를 함께 고려하는 시스템 설계가 성능 향상의 핵심 과제로 꼽혀왔다.

특히 전력증폭기와 정류기는 모두 입력과 출력이 비례하지 않는 비선형(nonlinear) 소자다. 송신 신호 설정은 전력증폭기의 동작점과 수신단 전력 분포를 동시에 바꾸기 때문에 각 단계를 분리해 최적화하는 방식만으로는 시스템 전체의 최적 효율을 달성하기 어렵다. 기존 연구는 무선 구간에서 정류기, 송수신 소자 전체로 설계 범위를 넓혀 왔지만 안테나가 하나인 단순 구조에 머물거나 수식으로 근사한 소자 모델에 의존해 실제 하드웨어 검증 사례가 없었다.

연구팀은 실제 측정을 통해 얻은 전력증폭기와 정류기의 특성 데이터를 최적화 모델에 직접 반영했다. 이어 반정부호 완화(Semidefinite Relaxation) 기법을 이용해 수백 개 안테나의 신호 세기와 위상을 동시에 최적화했다. 이 기법은 단순히 높은 효율의 해를 찾는 데 그치지 않고, 주어진 장치 조건에서 도달 가능한 최대 효율의 이론적 상한선을 함께 제시한다는 점이 특징이다. 이를 통해 설계자는 자신의 시스템이 이론적 한계에 얼마나 근접했는지를 정량적으로 평가할 수 있으며, 연구팀이 제안한 설계 기법은 이론적 최대 효율의 97% 이상에 도달했다.

성능 비교에서는 기존 무선 구간 최적화 방식보다 48% 높은 종단간 효율을 달성했다. 또한 5.64GHz 대역에서 자체 제작한 16×16 송신 안테나 배열과 5×5 정류 안테나 배열을 활용한 실험에서도 예측값과 실제 측정값의 오차가 5% 이내로 나타났다. 연구팀은 제안한 방법이 특정 부품에 종속되지 않아 소자의 특성 데이터를 바꾸면 다양한 무선전력전송 시스템에 그대로 적용할 수 있다고 설명했다.

이번 연구는 무선전력전송 시스템 설계의 기준점을 ‘전파 전달률’에서 ‘실제 전력 효율’로 옮기는 계기가 될 것으로 기대된다. 향후 △사무실이나 가정에서 여러 기기를 케이블 없이 충전하는 원거리 무선 충전 △통신과 탐지, 전력 전송을 동시에 수행하는 6G 통합센싱통신(ISAC) 시스템 △비행 중 충전이 가능한 드론과 무인기 △우주 태양광 발전(SSPS)의 지상 전력 전송 등 다양한 무선전력전송 분야에 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

오정석 교수는 “무선전력전송의 효율을 논할 때 그동안 간과돼 온 송수신 소자의 비선형성을 한 번에 다루고, 나아가 이론적 상한까지 제시했다는 점에서 의미가 깊다”며 “이번 연구 성과인 최적화된 효율에 근접하게 도달하면서도 실시간으로 동작할 수 있는 알고리즘 개발 연구로 확장해 실용화 단계에 한 걸음 더 다가갈 계획”이라고 말했다.

공동 지도를 맡은 남상욱 명예교수는 “그동안의 연구 성과가 국제적으로 평가받은 것 같아 기쁘다”며 “낮은 효율은 원거리 무선 충전의 상용화를 가로막아 온 오랜 과제였던 만큼 이번에 제시한 최적화 방법이 그 문턱을 낮추는 데 기여하기를 바란다”고 밝혔다.

이번 연구의 제1저자인 이영석 박사과정생은 서울대학교 전기정보공학부에서 무선전력전송 시스템 설계와 최적화 연구를 수행하고 있다. 박사학위 취득 후 무선전력전송과 위상배열 안테나 분야 연구를 이어갈 계획이며, 향후 우주 태양광 발전(SSPS) 전력전송 시스템으로 연구를 확장하는 것을 목표로 하고 있다.

한편 이영석 박사과정생은 이번 학회에 앞서 IEEE MTT-S 학생여행지원금(Student Travel Grant) 수혜자로도 선정돼 미화 1000달러를 지원받았다. 또한 이번 연구를 확장한 논문은 마이크로파 분야 최고 권위 학술지인 IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques(IEEE TMTT)에 ‘An End-to-End DC-to-DC Efficiency Optimization and Design Analysis for MIMO Wireless Power Transfer Systems’이라는 제목으로 지난 6월 게재 승인됐다.

이영석 박사과정생은 2025년 한국전자파학회 동계종합학술대회 우수학생논문상 대상(1위)과 2024년 아시아·태평양 지역을 대표하는 안테나·전파 분야 국제 학술대회인 2024 ISAP(International Symposium on Antennas and Propagation) 우수논문상(2위)도 수상한 바 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 정보통신기획평가원(IITP)의 지원(No. 2019-0-00098, 전자파 해석을 위한 고도화 및 통합 소프트웨어 개발)을 받아 수행됐다.

※ 참고 자료

- 논문명: An End-to-End DC-to-DC Efficiency Optimization and Design Analysis for MIMO Wireless Power Transfer Systems
- 학술지명: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques(TMTT)
- DOI: https://doi.org/10.1109/TMTT.2026.3714844

웹사이트: https://eng.snu.ac.kr/