키워드 : 무선충전 인프라, 접촉·비접촉 방식, RF방식, 자기유도방식, 자기공명방식, EuP 가이드라인, 자기장통신 융합기술, 대용량 전력, 인체유해성, 충전효율, 전기자동차 무선충전, 전송코일의 소형화, 전력배분, 도전성 방지
※ 이 원고는 필자가 2016년 5월 특허청심사관신기술교육센터에서 강의한 내용을 요약한 것으로서 무선충전(무선전력전송) 기술 및 산업에 대한 이해를 제고하는 차원에서 기고한 것임. 다음호에 이어 2회로 나눠 기고할 예정임
무선충전 기술 기초
무선충전 기술은 무선 에너지 전송(WET : Wireless Energy Transmission) 및 무선 전력 전송(WPT : Wireless Power Transmission)이란 용어로 쓰이고 있으나 모두 같은 의미다.
무선충전 기술은 전기에너지(직류전력)를 전파 전력으로 변환해 일정한 거리에 무선으로 전송하는 기술을 의미한다. 즉, 정류(rectification : 직류↔교류)를 거쳐 전자기기의 2차전지(배터리)를 접촉·비접촉 방식으로 충전하는 것이다.
전력전송방식 및 전송거리에 따라 RF방식(안테나를 통한 전자기파 방식), 자기유도방식, 자기공명방식으로 분류할 수 있다. 무선충전 기술의 개발역사를 시계열적으로 간단히 요약하면 다음과 같다.
- 100여년 전 미국의 니콜라 테슬라에 의해 개념적인 원리가 개발
- 1900년대 초 150㎑의 전자파를 이용해 무선 전력전송 시도
- 1963년 마이크로파(300㎒~300㎓)를 이용한 무선 전력전송 성공
- 1964년 10월 미국의 윌리엄 브라운에 의해 2.45㎓ 마이크로파를 이용한 무연료 헬리콥터에 무선 전력공급 성공
- 1979년 미국항공우주국(NASA)과 에너지부의 우주태양광발전소(Solar Power Satellite) 프로젝트로 연결되면서 본격적인 연구개발 착수
2008년 무선충전기의 대기전력 손실에 대한 EuP(Energy using Product : 친환경제품 설계의무 지침) 가이드라인이 발표되면서 저 전력 무선충전기 수요가 급속히 증가하고 있는 추세다. EuP 가이드라인의 핵심을 간단히 요약하면 다음과 같다.
- 에너지 사용제품에 대한 에코디자인 요구사항을 정립하기 위해 기본 체제를 규정한 EU의 법령으로 2005년 8월11일 발효됐다.
- 제품디자인에 관한 EU 환경부의 EEE(Electrical and Electronic Equipment) 지침과 에너지 효율제고에 대한 EU 산업부의 EER(Energy Efficiency Requirement)지침을 통합한 것이다.
- 기기별 커넥터의 다양성 및 기기별 충전방식의 다양성 등으로 인해 상용화의 장애요인이 되고 있다.
무선충전 방식별 특징
■RF(Radio Frequency) 방식(안테나를 통한 전자기파 방식, 마이크로웨이브 방식)
- 안테나를 통해 수㎓의 반송주파수를 이용해 10m 이상의 전자기기에 전력을 전송
- 목표지점으로의 방향성을 가지고 수㎞ 이상의 장거리에서 사용되는 것이 일반적임
- 1960년대 NASA의 SPS(Sun Power Satellite) 프로젝트, 캐나다의 SHARP 프로젝트 등의 연구에 이용됐음
- 10년 전에도 있었던 방식이지만 전파에 전기를 실어 보내는 데 효율성이 매우 낮음
- 여러 기술적 제약과 인체에 유해한 결정적인 단점이 있어 상용화되지 못하고 있음
■ 자기유도(Magnetic Induction) 방식
- 인접한 두 코일에 유도전류를 일으켜 배터리를 충전하는 방식
- 125㎑ 및 135㎑의 반송주파수를 이용해 수㎜~수㎝의 전자기기에 전력을 전송
- 3W 이하의 소형기기에 적용 가능
- 공급전력 대비 60~90%의 비교적 고효율성
- 발열이 많으며 충전위치에 따라 충전효율이 크게 달라질 수 있음
- 현재 수십W급 무선충전 기술 상용화
■자기공명(Resonant Magnetic Coupling) 방식
- 두 매체가 같은 주파수로 공진할 경우 전자파가 근거리 자기장을 통해 한 매체에서 다른 매체로 이동하는 감쇄파결합 현상을 이용하는 기술
- 10㎒ 이내의 반송주파수를 이용해 수m 내외의 전자기기에 전력을 전송
- 현재 수십W급 무선충전 기술 상용화
무선충전 산업동향
