무선전력전송의 개요

무선전력전송이란?

 

전기 에너지를 전자기파, 전자기 유도 또는 전자기 공진 형태의 무선으로 전력을 전달하는 기술이다.

자기장을 이용한 전력 전송은 전송하는 방식과, 전송 가능 거리에 따라 구분된다.

 

자기 유도 방식

 

전자기학의 전자기유도 원리를 이용한 방식이다.

 

아래 그림 과 같이 1차 송신 코일에 전류를 흘려 보내 자기장이 형성되면 2차 수신 코일에 자기장이 들어가 유도 전류를 발생시켜 부하에 에너지를 공급하는 방식이다. 전송 효율은 수mm 이내에서 약 90% 이상으로 매우 높은 편이며 소형화가 가능하지만 전송 가능 거리가 짧다는 단점이 있다. 현재 많은 사람들이 사용하고 있는 휴대폰 무선 충전기 등에 적용된 기술로서 국제 무선 충전 표준 협회(WPC) 가 생기고 ‘Qi’ 라는 표준 규격이 만들어져 호환성 문제도 해결되고 있다.

 

 

자기 공명 방식

 

자기 공명 방식은 자기 공진 방식이라고도 하며, 코일 사이의 공명 현상을 이용한 방식이다.

 

아래 그림과 같이 1차 송신 코일에서 공진 주파수로 진동하는 자기장이 생성되면 동일한 공진 주파수를 갖는 2차 수신 코일에 자기장이 유도되어 에너지를 전달하는 방식이다. 1미터 이내에서 약 70~90%의 효율을 갖으나, 높은 Q값을 갖기 위해서는 코일이 크게 제작 되어야 하고 방향성이 있다는 단점이 있다. 하지만 자기 공진 방식은 송수신 코일의 공진 주파수가 동일하면 한번에 여러 기기를 충전 할 수 있고, 전송 가능 거리가 길다는 장점이 있어 여러 기관에서 연구가 진행중이다.

 

 

자기공명방식과 자기유도방식의 차이점

 

자기 유도 방식과 자기 공명 방식은 비슷한 것처럼 보이지만 송, 수신부 공진 주파수의 차이가 있다.

 

자기 유도 방식은 각 코일의 공진 주파수가 실제 에너지를 전달하는 전송 주파수와 달라 수신 코일의 공진 주파수가 중요하지 않지만, 자기 공명 방식은 수신 코일과 송신 코일이 동일한 공진 주파수를 가져야만 공진 현상이 발생에 에너지를 전달할 수 있다는 차이점이 있다.

 

 

마이크로파 방식

 

안테나를 통해 마이크로파 신호를 공기중에 방사하면 수신 안테나에서 전자기파를 수신해 전력으로 변환하는 방식이다.

 

아래 그림과 같이 송신부에 고출력 마이크로파를 발생 시킬 수 있는 안테나를 이용하여 마이크로파를 방사하면 수신부의 정류형 안테나(렉테나)에서 RF 신호를 전달 받아 에너지로 변환하는 방식이다.

현재까지 연구용으로 가장 많이 활용되는 주파수는 2.45GHz 또는 5.8GHz 대역으로 Wifi 와 같이 방향성이 없는 원거리 전력 전송이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 효율이 10~50%로 낮고 전자파로 인해 인체 및 환경에 어떠한 영향을 미칠 것인지에 대해서도 아직 알려지지 않은 상황이다. 앞으로 연구가 활발하게 진행된다면, 우주에서 전력을 공급받거나 일상 생활을 하며 Wifi처럼 실시간으로 전력을 전달받아 충전을 할 수 있는 시대가 올 것이라 기대한다.

 

 

 

각 무선전력전송 방식의 장단점 비교

	자기유도	자기공명	마이크로파
Frequency	100~250kHz	수십kHz ~ 수MHz	2.45GHz, 5.8GHz
Efficiency	90% @ ≤ 4mm	70~90% @ ≤ 1M	10~50% @ 수십km
Range	수mm	수M	수십km
장단점	코일 소형화 높은 효율 대전력 전송 가능. 전송거리가 짧음.	코일 설계 어려움 코일 간 정렬 자유도 높음. 대전력 전송 힘듦.	인체 유해성 및 장애물 영향이 높음. 전송 효율이 매우 낮음. 원거리 전송 가능.