[학술] 무선전력전송 기술
[학술] 무선전력전송 기술
  • 이형주 / 안동대 전자공학과 교수
  • 승인 2011.04.13 15:38
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‘무선시대’ 이끌 무선전력전송 기술

  무접점, 무방향성 충전으로 기기 충전 가능
  ITㆍ의료ㆍ자동차 등 여러 산업분야에 응용

 최근 핸드폰, 테블릿 PC 등 휴대용 통신기기의 기능의 다양화로 배터리 소모량이 급격히 늘어나고 있는 가운데 기존 유선의 충전은 여러 가지 문제점이 있다. 전력 케이블 연결의 번거로움, 접촉단자의 접촉 시 접촉확인 및 충전기 규격의 다양화 등이 있다. 이러한 문제점들을 없애기 위해 현재 무선으로 전력을 전송하여 충전하는 무선충전 패드의 제품화가 국내외적으로 시도되고 있는 실정이다. 무선충전기는 송신부 역할의 패드형 혹은 상자(box)형이 있으며 핸드폰, mp3 등 모바일 기기 내부 장착의 수신모듈로 구성되어 있다. 송신부 패드 혹은 상자에서 방사되어진 전파의 자기장을 수신부에서 접점 없이 무선으로 받아 패러데이의 전자기유도 법칙에 의해 전기로 변환하여 기기를 충전하는 방식이다. 핸드폰이나 mp3 등 다양한 모바일 기기를 동시에 패드 위 혹은 상자 내에 자유롭게 둠으로서 충전할 수 있으며 접점단자가 필요 없어 접점의 마모 및 방수 문제점 등이 해결된다. 아직 국내외적으로 제품화되지는 않았지만 무선충전 상자의 장점으로는 흔들리는 차 안에서도 선 연결 없이 무접점으로 자동 충전되며 박스 내 위치에 상관없는 무방향성 충전으로 모바일 기기 외에도 전동칫솔 등을 여러 개 동시에 담아 유선과 같은 시간에 충전할 수 있어 향후 다양한 응용이 기대된다.

 무선으로 전력을 공급하는 무선전력전송(Wireless Power Transmission)은 1893년 미국의 니콜라 테슬라(Tesla)에 의해 처음 시도되었으며 전자기유도 방식, 마이크로파 방식, 현재 세계적으로 각광을 받고 있는 자기공명 방식이 있다.

 첫째, 전자기유도 방식은 종래의 전동칫솔, 무선충전 패드 등에서와 같이 패러데이의 전자기법칙을 이용한 것으로 송신코일에서 발생된 시변 자기장을 무접점, 무선으로 수 센티미터 정도 이내의 아주 가까운 거리의 수신코일에서 수신하여 발생된 유도기전력을 기기에 공급하는 방식이다. 매우 짧은 송수신거리로 고효율 및 쉬운 구현의 장점이 있지만, 단점으로 송수신거리가 매우 짧고 송수신 코일의 위치 일치가 중요하여 약간의 어긋남에도 효율의 급격한 저하가 있고 금속주변 자기장의 와전류로 인한 열발생 문제점이 있다. 최근 한 개의 작은 무선충전 패드 위에 한 개의 핸드폰 기기의 충전이 아닌 향후 한 개의 무선충전 패드 위에 복수기기 충전 기술방식의 제품화가 필요하다.

▲ 무선충전 패드의 제품화가 국내외적으로 시도되고 있다
 둘째, 마이크로파 방식은 GHz의 마이크로파를 사용하여 무선으로 전력을 공급하는 방식이다. 1975년 미 항공우주국(NASA)이 모하비 사막에서 대형 장비를 이용해 1.4㎞ 거리에 30㎾의 전력을 전송한 것도 같은 원리이다. 원거리 무선전력전송의 장점이 있으나 이 방식은 고가의 설치비에 인체에 해로운 고주파 및 고출력 전파를 이용하기 때문에 실생활에 사용하지 못하고 있다. 또한, 문제점으로 정류안테나의 변환효율을 높이기 위하여 현재의 소자 및 회로기술로 큰 변환효율을 얻기가 힘들고, 불필요한 고조파가 수신안테나를 통하여 재방사 된다. 재방사의 고조파는 상용 사용 중인 다른 주파수에 통신장애를 일으키게 된다. 과거 우리나라의 전기연구원에서도 개발하였으나 현재는 중단된 무선전력방식 기술이다. 그러나 미래 우주공간의 태양광 발전소에서 전기를 지상으로 보낼 때 이 기술이 사용될 것으로 보이며 미국ㆍ일본 등 국가적 차원에서 수 킬로미터 반경의 수신안테나 설계와 함께 계획이 진행 중인 프로젝터이다.

 셋째, 최근 국내외적으로 각광을 받고 있고 연구개발이 한창인 자기공명 방식이 있다. 자기장을 3~5m까지 무선으로 보낼 수 있는 공진(共振)을 이용한 기술이다. 외부에서 발생한 주파수가 어떤 물체가 갖고 있는 고유의 주파수와 같아지면 에너지가 갑자기 커지는 것이 공진이다. 소프라노의 고음에 와인잔이 어느 순간 강한 진동과 함께 갑자기 깨져버리는 것이나 같은 주파수에서 진동하는 소리굽쇠 원리도 공진현상이다. 이 원리를 무선전력전송에 사용하기 위해서는 송수신코일 양쪽에 같은 주파수의 ‘중계기’라는 부품만 추가하면 된다. 중계기는 수동소자인 코일과 카패시터로만 구성되는 간단한 구조로서 특정주파수에서 공진하여 최대전류를 발생시켜 강한 자기장이 발생되어지며 송수신사이에 여러 개를 설치함으로써 보다 먼 거리의 무선전력전송으로 수신 단말기의 무선충전이 가능하다. 충전기에서 나오는 자기장은 거리가 멀어질수록 약해지지만 이 공진 원리를 이용하면 멀리 있는 휴대전화에도 강한 자기장을 일으켜 충전에 필요한 전류를 만들 수 있으며 같은 공진 주파수의 기기내부의 수신코일에서만 영향을 주어 마이크로파 방식과 비교하면 인체 유해성이 현저히 감소되는 장점이 있다. 기존의 전자기 유도방식과 달리 방향성이 있는 방식이 아닌 집안에 핸드폰 등 모바일기기를 자유롭게 두어도 충전이 가능한 무지향성, 수 미터 이내의 근거리 무선전력전송이 가능하다. 또한 1W 에서 수 kW의 전력공급이 가능하며 수신 단말기의 멀티 무선충전, 이동성 및 편의성이 매우 용이하다.

 지난 2007년 MIT 마린 솔자익 교수 연구진은 2m 정도 떨어진 곳에 있는 전구에 자기공진방식으로 무선으로 전력을 전송하여 불을 밝혔다. 또한 노트북, MP3 등 전자기기의 배터리를 수 미터 떨어진 곳에서도 무선으로 충전할 수 있다고 이론적으로도 증명하였다. 이후 2009년 Qualcomm회사에서 자기공명방식을 이용하여 핸드폰 충전기인 eZone을 시제품으로 선보였으며, 또한 Sony에서는 송신부와 50cm 거리의 22인치 TV를 자기공진방식으로 무선전력을 공급하여 TV를 작동시켰다. 국내에서도 현재 한국전기연구원, 한국전자통신연구원 등 연구소, 학회 및 기업에서 자기공진방식의 무선전력전송을 이론적 연구, 컴퓨터 시뮬레이션 및 시제품 시연으로 검증하였으며, 모바일기기 등에의 다양한 제품 적용을 위해 연구가 활발히 진행되고 있다.

 이러한 무선전력전송 기술은 2008년 MIT 10대 유망기술 선정, 2009년 IEEE의 세상을 바꿀 7대기술 선정, 2010년 KISTEP의 10대 유망기술선정, 2010년 한국전기연구원, 한국전력공사 등에서 10대 미래유망기술로 선정될 만큼 각광을 받고 있는 기술이며, 향후 가까운 장래 현재의 무선통신시대에 추가하여 전력도 무선인 실제의 무선시대로 분명히 들어설 것이다. 무선전력전송 특히 자기공진방식의 무선전력전송은 다양한 전자제품의 근거리에서의 무선충전 혹은 실시간 무선전력공급으로 ITㆍ의료ㆍ자동차 등 여러 산업분야에의 응용이 가능하고 국내외적으로 관련 특허출원, 소형화, 효율상승에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있는 최첨단 기술 분야이다.


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