아스팔트가 충전기가 된 날: 시속 100km로 달리며 배터리를 채우는 스마트 고속도로

1. Future Diary (2029년 7월 15일, 세종-대전 24km 스마트도로 실증구간)

‘차가 충전기에 멈춘 것이 아닙니다. 도로가 차를 통과시키며 에너지를 건넨 겁니다.’ — 이서윤, 세종 스마트도로 운영센터 전력제어 책임자, 가상 인터뷰

오전 7시 42분, 세종시 금남면 진입 램프의 전광판에 초록색 번개 표시가 켜졌다. 출근 차량들이 시속 100km로 2차로를 미끄러지듯 통과했지만 휴게소처럼 줄을 선 차도, 케이블을 들고 내리는 운전자도 보이지 않았다. 전날 밤 비가 내린 아스팔트에서는 타이어가 물기를 가르는 낮은 소리만 났다. 도로 표면에 충전기라는 표식은 없었다. 차선 중앙의 얇은 반사도료와 80m 간격의 통신 표지판이 전부였다.

기자가 탄 실증용 전기차의 배터리 잔량은 진입 직전 18%였다. 차량 하부 수신 패드가 첫 번째 송신 세그먼트 위에 들어서자 계기판의 전력 흐름이 800V 직류 버스로 전환됐다. 화면에는 충전 출력 176kW, 전력 전달 효율 92%, 예상 잔여 주행거리 증가 중이라는 문구가 차례로 나타났다. 차 안에서는 휴대전화 무선충전기보다 조금 낮은 웅웅거림이 들렸고 바닥에서는 진동이라기보다 발바닥에 닿는 미세한 긴장감이 느껴졌다.

‘지금 이 속도라면 8m 송신 구간 하나를 지나는 데 0.3초도 걸리지 않습니다.’ 이서윤 책임자가 뒷좌석 태블릿을 가리켰다. ‘그래서 코일 하나가 계속 켜져 있는 것이 아니라 차량 인증 신호를 받은 세그먼트들이 순서대로 켜집니다. 바로 앞 화물차가 충전 대상이 아니면 전력은 차단되고요.’ 차량은 10km의 활성 구간을 지나는 동안 약 16kWh를 배터리에 추가했다. 시속 100km 주행에 필요한 에너지가 1km당 약 0.2kWh인 승용차라면 같은 구간에서 쓴 전력보다 훨씬 많은 양이다.

대전 유성구 방향으로 접어들 무렵 배터리 잔량은 18%에서 39%로 올라갔다. 운전자는 충전이 끝났다는 알림 대신 평소와 같은 내비게이션 안내를 들었다. ‘다음 활성 구간까지 3.4km입니다.’ 도로가 충전기라는 사실을 의식하지 않는 것이 이 시스템의 가장 낯선 점이었다. 자동차는 차선을 바꾸고 앞차와 간격을 유지하고 톨게이트를 통과하는 동안에도 전력을 받았다.

운영센터의 벽면에는 24km 구간의 코일 상태가 가로등처럼 표시돼 있었다. 초록색 점 312개 사이로 노란색 점 세 개가 깜빡였다. 한 곳은 포장 균열을 감지해 정비 대기 상태였고 다른 두 곳은 차량이 몰린 시간대의 변압기 열을 낮추기 위해 출력을 줄인 구간이었다. 이 장면은 주행 중 무선충전이 단순한 자동차 부품이 아니라 도로 운영체계와 배전망, 통신망을 묶은 거대한 에너지 서비스임을 보여줬다.

다만 이 차가 무제한으로 달릴 수 있다는 말에는 조건이 붙는다. 활성화된 스마트도로를 벗어나면 차량은 다시 배터리만으로 주행해야 한다. 2029년의 혁신은 모든 도로가 충전기가 되는 데 있지 않다. 물류와 통근이 집중된 구간의 10~20%만 전기화해도 전기차의 배터리 소진을 상쇄할 수 있다는 계산을 도로 설계에 적용한 데 있다.

2. 핵심 요약 (Quick Overview & TL;DR)

항목	내용
핵심 기술	아스팔트 하부의 분할형 송신 코일과 차량 하부 수신 패드 사이의 동적 자기공명·유도 결합 무선전력전송
예상 상용화 시점	2029년, 세종-대전·수도권 물류축 등 고이용률 전략 구간부터 상용 서비스화
현재 기술 수준 (2026)	ORNL은 차량 통합형 100kW 무선충전에서 96% 효율을 달성했고 DOE는 실험실 동적 시스템에서 200kW와 93% 이상의 종단 효율을 검증했으나 고속도로 대규모 상용망은 미완성
결정적 패러다임 전환	충전소를 찾아 정차하는 교통에서 도로 이용 중 전력을 거래하는 도로-전력망 결합 교통으로 전환
주요 기술적 동력	고전력 전력반도체, 고밀도 다상 코일, 800V 배터리 플랫폼, 차량 인증 통신, 세그먼트 제어, 에너지저장장치
해결 과제	공사비와 포장 내구성, 차종 간 상호운용성, 전자파 안전, 전력망 피크, 고장 진단, 이용량 기반 요금제와 책임 법제

3. 현재 상황 및 기술적 토대 (2026년 기준)

핵심 원천 기술 및 메커니즘

주행 중 무선충전의 기본 구조는 네 단계다. 먼저 변전소에서 공급된 교류 전력을 전력변환기가 고주파 교류로 바꾼다. 도로 아래에 매설된 송신 코일에는 이 전류가 흐르며 교번 자기장을 만든다. 차량 하부의 수신 코일은 이 자기장과 공진하도록 인덕턴스와 커패시턴스를 조정하고 유도된 전력을 정류기와 DC-DC 변환기를 거쳐 배터리의 직류 버스로 보낸다.

핵심은 단순한 코일 두 개가 아니라 공진 주파수, 코일 간격, 차량의 좌우 오차, 차량 속도, 배터리의 충전 허용 전류를 실시간으로 맞추는 제어 시스템이다. 도로 송신기는 여러 미터 길이의 세그먼트로 쪼개져 있으며 차량 인증 신호가 들어온 구간만 켜진다. 이 방식은 사람이 도로 위에 없을 때 불필요한 자기장을 줄이고 대기전력을 절약한다.

2029년형 설계안에서는 8m 안팎의 송신 세그먼트를 연속 배치하고 차량이 시속 100km로 이동할 때 약 0.29초마다 다음 세그먼트로 전력을 넘긴다. 차량이 180kW를 공급받으면 1km를 지나는 동안 이론상 약 1.8kWh가 전달되고 92% 효율을 적용하면 약 1.66kWh가 배터리 측에 도달한다. 일반 승용 전기차의 고속도로 소비량을 18~22kWh/100km로 가정하면 1km 주행에 필요한 에너지는 약 0.18~0.22kWh다. 따라서 짧은 활성 구간만으로도 배터리 소모를 상쇄하고 잔량을 늘릴 수 있다.

그러나 완충은 순간적으로 일어나는 현상이 아니다. 77kWh 배터리를 20%에서 80%까지 채우려면 손실을 제외하고 약 46kWh가 필요하다. 180kW급 수신이 안정적으로 유지되는 활성 구간을 약 26km 통과해야 한다. 이 때문에 도로 전체를 전기화하는 대신, 고속도로의 일부 구간을 충전 레일처럼 배치하는 전략이 경제적으로 중요하다.

실증 수치는 이미 높은 수준까지 올라왔다. ORNL의 2024년 실증에서는 현대 코나 전기차가 5인치 공극을 두고 100kW를 96% 효율로 무선 수신했다. ORNL은 다상 전자기 결합 코일과 회전 자기장을 이용해 기존 코일보다 8~10배 높은 전력 밀도를 구현했다고 밝혔다.

미국 DOE의 EVs@Scale 연구 보고서는 실험실 동적 유도충전 에뮬레이터에서 200kW 입력과 188kW 출력, 93% 이상의 종단 효율을 기록했다. 보고서는 200kW급 시스템이면 승용 전기차의 충전 균형 운행을 위해 도로의 약 10%만 전기화해도 될 수 있다고 분석했다. 다만 이 수치는 실제 포장도로와 교통 흐름을 모두 반영한 상용 운행 기록이 아니라 실험실 검증이다.

한국에서는 KAIST OLEV 연구가 도로 하부 송신기와 차량 수신기를 하나의 교통 시스템으로 설계한 초기 사례다. KAIST의 당시 실증은 차량이 정지하거나 이동하는 동안 도로에 매설된 전력선에서 자기장을 받아 배터리를 충전하는 구조였으며 구동용 대형 배터리의 크기를 줄이는 시스템 최적화까지 다뤘다.

글로벌 선도 기관 및 산업계 동향

KAIST는 OLEV를 통해 도로 매설 전력선, 차량 하부 픽업 장치, 전자파 차폐, 차량 인증형 세그먼트 제어를 함께 실증했다. 2013년 구미 OLEV 버스 노선에서는 20kHz, 100kW 전력과 최대 85%의 전력전송 효율, 약 17cm 공극이 공개됐다. 이는 승용차보다 무겁고 지상고가 높은 버스에서 주행 중 무선충전을 구현한 사례였다.

ORNL은 승용차 수신 코일의 소형화와 전력 밀도를 끌어올리는 역할을 하고 있다. 연구진은 직경 14인치가 조금 넘는 다상 코일로 100kW급 차량 충전을 시연했으며 다음 단계는 차량 통합 기술을 도로·전력망 환경에서 검증하는 것이다.

Electreon은 미국 디트로이트의 14번가에서 포드 E-트랜짓 셔틀에 수신기를 장착하고 약 1/4마일 도로와 교차부의 코일을 이용해 실제 교통 속에서 충전했다. 해당 실증은 전체 노선의 약 20%만 전기화해도 차량의 운행 가능 시간을 늘릴 수 있다는 운영 모델을 시험했다.

독일에서는 Electreon과 Eurovia, 연구기관이 참여한 E|MPOWER 프로젝트가 바이에른 아우토반에서 전기 트럭을 대상으로 고속 주행 중 무선충전을 시험하고 있다. 이는 기술 자체뿐 아니라 도로 설계, 시공, 부품 생산, 유지보수까지 포함하는 전기도로 공급망을 만들려는 시도다.

표준화는 아직 뒤처져 있다. SAE J2954는 경량 플러그인 전기차의 무선전력전송에 필요한 안전성, 전자파 적합성, 성능, 상호운용성을 정의하지만 2020년 개정판은 정지 충전을 중심으로 하며 동적 충전은 향후 검토 대상으로 남겨뒀다.

4. 실현 가능성을 높이는 동력 vs 극복해야 할 난제

🚀 기술 실현을 앞당기는 핵심 동력 (Key Drivers)

1. 100kW에서 200kW로 이동하는 전력 밀도 경쟁

ORNL의 100kW 차량 실증과 DOE의 200kW 동적 시스템 검증은 도로 전기화 비율을 낮출 수 있는 길을 열었다. 송신기가 모든 도로를 덮지 않고도 높은 순간 전력을 제공하면 전기화 구간을 물류 병목과 경사 구간, 톨게이트 전후에 집중할 수 있다.

2. 배터리보다 도로를 크게 만드는 경제성

주행 중 충전이 보편화되면 모든 차량에 100kWh 이상의 대형 배터리를 넣어야 할 필요가 줄어든다. 제조사는 배터리 원재료와 차량 중량을 낮출 수 있고 도로 운영자는 한 구간을 여러 차량이 공유하는 충전 자산으로 운영할 수 있다. 미국 DOE가 제시한 약 10% 전기화 도로 비율은 선택적 매설 전략의 경제성을 뒷받침한다.

3. 정차 시간이 비용이 되는 상업 운송 시장

택배 밴, 셔틀버스, 냉장 화물차는 하루 운행 중 충전 때문에 멈추는 시간이 곧 인건비와 배송 지연으로 이어진다. 이 차량들은 주행 경로가 반복되고 이용률이 높아 초기 인프라 비용을 회수하기 쉽다. 2029년의 첫 고객은 개인 승용차보다 이런 고정 노선 차량이 될 가능성이 높다.

⚠️ 넘어야 할 기술적·제도적 장벽 (Bottlenecks)

1. 아스팔트 아래에 숨은 토목공사의 가격표

코일만 묻으면 끝나는 일이 아니다. 중전압 전력선, 인버터, 냉각장치, 통신선, 배수 구조, 차선 재포장까지 함께 설계해야 한다. 겨울철 제설제, 반복 하중, 포장 재시공 때의 열과 진동이 코일의 절연재와 페라이트를 손상할 수 있다. 24시간 도로를 운영하면서 고장 난 세그먼트를 교체하는 정비 표준도 필요하다.

2. 차종과 속도가 달라질 때 무너지는 상호운용성

승용차의 수신 패드와 전기 트럭의 수신 패드는 크기와 지상고가 다르다. 차량이 차선 중앙에서 20cm 벗어나거나 노면이 젖어도 출력이 안정적으로 유지돼야 한다. 전자파가 차량의 통신·의료기기·도로 센서에 간섭하지 않는지 금속 물체가 코일 위에 떨어졌을 때 전력을 즉시 차단하는지도 검증해야 한다.

3. 고속도로가 만드는 새로운 전력 피크와 사이버 위험

차량 100대가 동시에 180kW를 받으면 순간 부하는 18MW에 이른다. 이를 지역 배전망에 그대로 연결할 수 없으므로 변전소 증설, 배터리저장장치, 태양광·풍력 연계, 차량별 출력 제어가 필요하다. 차량 인증과 요금 결제가 통신망에 의존하는 만큼 충전 도로가 해킹되거나 특정 차종의 접속을 거부하는 상황에 대한 보안과 법적 책임도 정해야 한다.

5. 산업 생태계 및 사회적 파급 효과 (Impact Analysis)

1) 관련 산업 지형 및 비즈니스 모델 변화

도로는 더 이상 아스팔트와 배수시설만으로 구성된 자산이 아니다. 송신 코일, 전력변환기, 냉각장치, 통신 게이트웨이, 에너지저장장치가 결합된 이동형 전력망이 된다. 기존 도로공사는 전기설비 기업, 자동차 부품사, 배터리 운영사, 통신사업자와 컨소시엄을 구성해야 한다.

요금은 충전소의 주차 시간 기준이 아니라 kWh 또는 충전 도로 이용거리 기준으로 부과될 가능성이 크다. 차량 제조사는 출고 단계에서 수신 패드와 전력제어 소프트웨어를 기본 또는 선택사양으로 제공하고 도로 운영자는 충전 가능 시간의 99% 가동률을 보장하는 서비스 수준 계약을 판매할 수 있다.

배터리 산업에도 변화가 생긴다. 장거리 주행을 위해 대형 배터리를 장착하는 대신, 도로 충전 구간을 전제로 한 중형 배터리와 높은 충방전 수명을 가진 셀의 수요가 커진다. 반대로 충전 도로가 적은 지역에서는 기존 대용량 배터리 차량이 계속 필요하므로 두 종류의 플랫폼이 공존할 것이다.

2) 개인의 삶과 노동 환경의 재편

개인 운전자는 휴게소에서 20분간 충전하는 대신, 목적지에 도착한 뒤 주차 중 완속충전을 하는 생활로 이동할 수 있다. 아파트 거주자나 노상 주차 이용자처럼 집에서 충전하기 어려운 사람에게는 주행 중 충전이 새로운 접근성을 제공한다.

택배 기사와 버스 운전자는 충전 대기시간이 줄어들지만 휴식시간까지 사라지는 것은 아니다. 차량이 충전된다고 해서 운전자의 피로가 충전되는 것은 아니기 때문이다. 노동 현장에서는 운행 데이터와 배터리 잔량을 기반으로 배송 경로를 재배치하고 충전 도로의 혼잡 시간대에 따라 배차하는 소프트웨어 직무가 늘어난다.

지역 격차는 새로운 쟁점이 된다. 충전 도로가 수도권과 주요 물류축에 집중되면 지방의 전기차 이용자는 높은 배터리 용량과 별도 급속충전소를 계속 부담해야 한다. 따라서 초기 인프라 수익의 일부를 농어촌 충전망과 공공버스 노선에 재투자하는 정책이 없으면 스마트도로는 이동권의 격차를 줄이는 대신 확대할 수 있다.

환경 효과도 자동으로 보장되지 않는다. 코일과 전력변환기를 설치하기 위해 반복적인 포장 공사가 필요하고 낮은 교통량의 도로를 전기화하면 매설 자재와 공사에서 발생한 탄소를 회수하기 어렵다. 높은 이용률의 화물·버스 구간부터 구축하고 운영 전력을 재생에너지와 저장장치로 조달할 때 주행 중 무선충전의 기후 효과가 커진다.

6. 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1. 전기차가 시속 100km로 달리면서 실제로 충전할 수 있나요?

A. 가능합니다. ORNL은 차량 통합형 100kW 무선충전을 96% 효율로 시연했고 KAIST와 Electreon은 도로 매설 코일을 활용한 주행 중 충전을 실증했습니다. 다만 2026년에는 모든 차종과 고속도로에서 가능한 기술이 아니며 2029년에도 인증된 차량과 지정된 충전 도로를 중심으로 상용화될 가능성이 높습니다.

Q2. 주행 중 무선충전이 전기차를 무제한으로 달리게 하나요?

A. 충전 코일이 매설된 도로에서는 배터리 소모보다 많은 전력을 공급해 잔량을 유지하거나 늘릴 수 있지만 일반 도로에서는 배터리만 사용합니다. 따라서 무제한 주행은 전국 모든 도로가 아니라 충분히 긴 스마트도로망을 이용할 때 성립하는 운영 개념입니다.

Q3. 왜 모든 도로를 충전 도로로 만들지 않나요?

A. 송신 코일, 전력망, 통신망, 포장 유지보수 비용이 크기 때문입니다. 승용차보다 운행 빈도가 높은 버스·택배·화물차 노선과 대형 교통축을 우선 전기화하고 충전 균형 운행에 필요한 약 10~20%의 전략 구간부터 구축하는 방식이 경제적으로 현실적입니다.