[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

4차 산업혁명과 5G 통신기술이 도입되면서 휴대기기의 데이터 소모량이 기하급수적으로 증가했고, 이는 기기의 전력 소모량 증가로 이어졌다. 이에 따라 사람들은 휴대기기를 더 자주 충전해야 하는 환경에 놓였고, ‘편리하고 제약이 적은 배터리 충전 방법’에 대한 수요가 필연적으로 높아진다. 이런 수요를 만족시킬 기술로 ‘무선 전력전송 기술’을 이용한 충전 시스템이 크게 주목받고 있다.

기존 무선 충전기가 상용화되면서 휴대기기와 충전기 사이에 전선(cable)을 없앴고, 이는 이전보다 자유로운 전력 공급 방식이 됐다. 하지만 전선을 없앴을 뿐 ‘제약 없는 충전’에 대한 모든 수요를 충족시키지는 못했다. 상용화된 무선 충전기를 사용한다고 해도, 휴대기기를 고정된 채로 유지하는 부분은 변함이 없기 때문이다. 또 무선 충전기에서 전자기기가 조금이라도 빗겨나거나 둘 사이에 간격이 벌어지면, 충전 효율이 매우 떨어진다. 심한 경우, 충전은 안 되고 휴대기기에 발열만 초래한다.

2. 연구내용

본 연구에서는 평면구조의 무선 충전기 위에 여러 개의 휴대기기를 자유롭게 배치해 동시에 충전할 수 있는 기술을 개발했다.

기존 무선 충전기는 충전기 내부의 송신 코일에서 생성되는 자기장을 공기 중에 방사해, 휴대기기 내부에 있는 수신 코일에 전류를 유도하는 방식이다. 이때 자기장은 무조건 공기를 거쳐야 하므로 휴대기기가 충전기의 정해진 위치에서 벗어나면 충전 효율이 매우 떨어진다. 공기를 통해 이동하는 자기장의 세기는 이동하는 거리가 멀어질수록 급격하게 감소하기 때문이다.

이번 연구에서는 공기보다 자기저항(reluctance)이 약 천 배 낮은 ‘페라이트(ferrite)’1)를 이용해, 자기장을 매질 내부로 잘 전달하도록 유도했다. 자기저항2)이 낮은 물질일수록 자기장 전파를 방해하는 저항이 작아, 물질의 내부로 자기장이 잘 전달된다. 공기보다 자기저항이 훨씬 낮은 물질을 매질로 선택하자, 넓은 범위의 충전이 가능해졌다. 이뿐 아니라 자유로운 전력 공급 경로(power path) 생성이 가능해져 충전하고자 하는 휴대기기도 자유롭게 배치할 수 있었다.

또 넓은 판 형태의 구조에서의 전력전송 효율을 높이기 위해 송신 코일의 감는 방식도 조정했다. 본 연구팀은 판 모양의 페라이트 매질의 한쪽에 치우치게 송신 코일을 감아, 실험적으로 최대 전송 거리를 가지는 구조에서 실험을 진행했다. 송신 코일에서 생성되는 자기장은 전류 방향에 영향을 받기 때문에, 페라이트 판을 기준으로 위쪽과 아래쪽에 감겨있는 코일에서 생성된 자기장이 서로를 상쇄시킨다. 본 연구에서는 이러한 한계를 송신 코일의 감는 방법을 조정해 풀었다. 송신 코일의 모양을 조정해 자기장의 상쇄를 줄이면서, 길어지는 코일에서 오는 발열을 고려해 코일 모양을 최적화한 것이다.

자기저항이 낮은 매질(페라이트)을 도입하고 새로운 평면구조에서 코일 모양을 조정함으로써, 더욱 높은 효율과 넓은 충전 면적을 갖는 ‘대면적 자율배치 무선충전 기술’을 구현했다. 해당 연구는 시뮬레이션과 실험을 통해 실현 가능성을 확인했고, 인체에 유해할 수 있는 자기장과 전기장 노출도 국제 기준을 통과한다는 것을 시뮬레이션을 통해 검증했다.

3. 기대효과

본 연구에서 제안하는 기술은 ‘페라이트’와 ‘평면구조’에 기반해 전력전송 효율을 높여, 휴대기기를 자유롭게 배치할 수 있는 ‘무선 전력전송 기술’이다. 이 기술을 이용하면 평면형 구조를 가진 모든 물체를 충전 가능 공간으로 바꿀 수 있다.

앞으로 다가올 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 시대에는 수많은 전자기기가 서로 통신하며 편리한 삶을 제공한다. 이번에 제안된 기술은 책상과 탁자, 벽, 바닥 등에 적용돼 여러 전자기기에 무선으로 전력을 공급할 수 있으므로, 진정한 사물인터넷 시대를 이끌어갈 견인차가 될 것이라 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 페라이트(ferrite)

산화철계의 자성체 세라믹의 총칭이다. Mn-Zn, Ni-Zn계 페라이트가 대표적이다. 강자성체의 일종이지만 자화가 잔류되는 정도를 나타내는 보자력은 낮다. 본 연구에서는 페라이트의 투자율(magnetic permeability)3)이 높고 자기저항(magnetic reluctance)은 낮은 성질을 이용하였다.

2. 자기저항(magnetic reluctance)

자속(magnetic flux)이 통과하기 어려운 정도를 나타내며 자기장이 전파되기 어려운 정도와 비례한다. 어떠한 물질의 자기저항은 해당 물질의 길이에 비례하면 투자율과 단면적에 반비례한다. 즉, 자기장을 전파시키는 매질이 길어지면 자기저항이 커지고, 투자율이 큰 물질을 매질로 사용하거나 매질의 단면적을 키우면 자기저항이 작아진다. 본 연구에서는 투자율이 큰 페라이트를 사용하여 같은 조건에서의 공기보다 자기저항이 약 천배정도 낮은 매질을 무선 충전 시스템에 적용하였다.

3. 투자율(magnetic permeability)

물질의 자기화하는 정도를 나타내는 상수로 투자율이 클수록 자화되기 쉽다. 물질의 특성 중 하나이기 때문에 물질의 종류에 따라 정해진다. 철, 페라이트 등의 강자성체는 매우 큰 값을 가진다.

[붙임]  그림설명