무선충전, 무선 전력 전송 기술의 과제 및 사례
이 글에서는 자기 공명형 무선전력전송 시스템에서 등가 회로 모델을 통하여 해석을 해보고 이를 이용하여 효율의 향상을 가져 올 수 있는 방법을 알아보고자 한다.
아래에서는 위의 효과를 쉽게 설명하고, 자기 공명형 무선전력전송에서 주파수 분할 현상 및 임피던스 정합을 통하여 전송효율의 향상을 보이도록 할 것이다. 적응형 회로는, 상황에 따라 최적의 전력전송효율을 유지할 수 있는 가능성을 보여 줄 것이다.
글: 나경민, 변영재 교수 / 전기전자컴퓨터공학부
UNIST(울산과학기술대학교) / www.unist.ac.kr
무선전력전송 기술은 완벽한 무선기기의 구현을 위한 최첨단의 기술이다. 수많은 무선 기기의 보급을 통하여 소비자들은 어디에서나 무선 기기를 사용할 수 있고 기기의 전력공급 문제가 이슈가 되고 있다. 이에 전선을 제거하기 위하여 많은 기업과 연구소들이 관심 및 투자를 하고 있다.
비록 이 기술은 1985년 초반에 니콜라 테슬라에 의하여 고안된 최초의 아이디어였지만(Tesla, 1919), 그 당시에는 휴대용 전자장치의 필요성 및 수요가 없었기에 크게 발전하지 못하였다. 그러나 최근 몇 년 동안, 휴대 전화와 모바일 장치에서 엄청난 호황과 기술의 발전으로 인하여 무선 에너지 전송의 관심이 다시 대두되었다.
무선전력전송은 AC전원에 전선을 이용한 충전방식이 아닌 전선을 연결하지 않고도 배터리를 충전할 수 있는 가능성을 제시하였으며 지금까지 이 기술뿐만 아니라 이를 보조할 수 있는 기술을 개발하기 위해 많은 노력을 기울이고 있는 상황이다. 수많은 가능성 중 자기 공명형 중거리 무선전력전송과 마이크로파를 사용하는 장거리 무선전력전송 연구가 대두되고 있다(Green. et al. 2007; Brown&Eves, 1992).
그림 1.
기술 방식별 세계 무선 충전기 시장 전망
그림 2.
응용별 세계 무선 충전기 시장 전망
마이크로파를 이용한 장거리 전력 전달의 경우, 낮은 전력전달효율과 IEEE 표준에 의한 사람의 인체에도 해로운 영향을 끼칠 수도 있는 문제점을 가지고 있다(IEEE, 1999). 게다가, 마이크로파를 기반으로 하는 무선전력전송 시스템은 Line of sight(LoS)에 어떠한 방해하는 물체가 생길 경우 효율의 손실이 생기게 되고 만약 전력을 수신 하는 매체가 모바일 개체일 경우는 복잡한 추적 시스템을 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 마이크로파를 기반으로 하는 무선전력전송의 경우는 적은 전력을 요구하는 군사용 장치 또는 우주 탐험과 같은 용도에 사용함이 적합하다. 반면에, 자기 공명형 중거리 무선전력전송 기술은 인체에 무해하며 30미터까지 전송이 가능하며 광범위한 용도로 사용이 가능한 기술이다. 효율적인 전송을 달성하기 위한 중요한 요소는 공진기에 사용되는 코일의 높은 Q-Factor를 달성하는 것이다.
따라서, 이 글에서는 자기 공명형 무선전력전송 시스템에서 등가 회로 모델을 통하여 해석을 해보고 이를 이용하여 효율의 향상을 가져 올 수 있는 방법을 알아보고자 한다.
아래에서는 위의 효과를 쉽게 설명하고, 자기 공명형 무선전력전송에서 주파수 분할 현상 및 임피던스 정합을 통하여 전송효율의 향상을 보이도록 할 것이다. 적응형 회로는, 상황에 따라 최적의 전력전송효율을 유지할 수 있는 가능성을 보여 줄 것이다.
그림 3.
응용별 세계 무선 충전기 시장 전망
현재 상용화가 되어서 쓰이고 있는 무선충전제품들은 접촉에 가까운 거리에서만 충전이 가능한 자기유도방식을 기반으로 하고 있어서 제공할 수 있는 서비스에 한계가 있다.
시장조사회사 Cahners In-Stat은 세계 무선 충전기 시장에서 현재 자기유도방식만 상용화되어 있으나, 자기공명방식은 2011년, 전자기파 방식은 2013년부터 점진적으로 상용화될 것으로 전망하고 있다. 또한, In-Stat에 따르면, 모바일 단말기 보급이 늘어남에 따라 서로 다른 충전 옵션으로 인한 불편함도 증가하면서 무선 충전 시스템의 시장 가능성이 높아질 것으로 전망하고 있다.
In-Stat의 조사결과에 따르면, 휴대전화 이용자의 44%는 현재의 충전 옵션을 귀찮게 생각하고 있으며, 40%는 무선 충전 기능에 50달러를 추가로 지불할 용의가 있다고 밝혔다. 전 세계 무선 충전시스템 시장은 2014년 43억 달러의 매출을 올릴 것으로 예상되며, 제품 비용도 지속적으로 하락하여 2014년에는 현재의 절반 수준에 이를 것으로 전망한다.
그림 4.
무선전력 전송 시스템 등가회로
공진자기유도기술은 유효충전거리를 1m 정도로 늘려줄 수 있을 것으로 예상이 된다. 따라서 집 혹은 오피스 환경에서 책상에 설치해 책상 위 어떤 곳에서도 충전이 가능하고 혹은 주머니 속에 두고 작업을 하더라도 충전 서비스를 제공할 수 있을 것으로 예상된다.
또한 노트북 뚜껑에 충전 베이스스테이션을 설치할 경우 노트북 위에 휴대폰을 두는 것만으로도 충전이 가능하며 자가용의 앞문이나 컵홀더에 설치해 운전 중에도 따로 사용자의 의식 없이 충전 서비스를 제공할 수 있을 것으로 예상된다.
또한 사람들의 왕래가 잦은 버스, 지하철 같은 대중교통이나 버스정류소에 충전 베이스스테이션을 설치해 이동 중인 시민들에게 항상 충전 서비스를 제공하는 것도 가능할 것으로 예상된다. 이와 같은 서비스를 제공하기 위해서는 기존 기술에 비해 좀 더 무선에너지 전송의 효율성을 증대시켜야 하고, 방향성 개선, 더 많은 디바이스에게 충전서비스를 제공해야 한다.
또한 무선자원의 효율적 사용을 위하여 따로 무선통신을 추가하기 보다는 충전 시에 사용되는 무선채널을 이용한 통신기술의 추가도 필요하며, 기기 간 간섭을 고려하여 휴대폰이나 디지털카메라 같은 타 기기에 충전시스템이 추가되어도 상호 간의 기능에 큰 지장 없이 각자의 역할을 수행할 수 있도록 해야 할 필요성이 있고 인체유해성 또한 반드시 고려되어야 하는 중요한 요소이다.
따라서 향후 표준에서는 기술표준화 외에도 국내외 기술 및 시장동향의 정확한 파악과 사용자 요구 분석을 기반으로 서비스 시나리오, 기술의 파급효과 및 응용분야를 분석하고 시스템 요구사항을 세밀하게 설정해야 한다.
자기 공명형 무선전력전송의 경우 크게 세 가지로 나뉜다. 그림 1을 보면 인덕티브 공명 방식, 자가공명 방식, 마지막으로 자가공명 방식에서 수정된 자기공명 방식이 있다. 인덕티브 공명방식의 경우 크게 2개의 송/수신코일로 구성되어있고, 각 코일에 커패시턴스 성분이 장착되어 공명을 이루어 전력전송을 하는 방식이다.
이 방식은 코일의 수가 적어 전체 시스템 사이즈가 작고, 구현이 간단한 장점이 있으나, Q-factor 값이 상대적으로 다른 방식에 비해 낮아 전력전송 효율이 낮고, 송수신 코일이 직접적으로 전원부와 부하 코일로 연결되어 있어, 임피던스 미스 매칭 환경에 매우 취약한 특성을 나타낸다. 다음으로는 자가공명방식의 4개의 코일을 사용하여 전송하는 방식으로, 전원, 송신, 수신 그리고 부하 코일로 이루어져있다.
이 방식은 총 4개의 코일로 이루어져 있고, 기생 커패시턴스 구조를 사용하여, 낮은 공진주파수를 얻기 위해서는 인덕턴스 값이 커져야하여 구조체의 사이즈가 크다는 단점이 있는 반면에 공명하는 송수신 코일이 회로 외부에 떨어져 있고, 직접적으로 커패시터를 장착하지 않아, 높은 Q-factor 특징을 보인다. 또한 공명부가 전원과 부하에 직접적으로 연결이 되어 있지 않아 공진 주파수 변동 없이 임피던스 미스 매칭 상황에서 조절이 가능한 방식이다.
마지막으로, 위의 자가공명 방식과 같이 4개의 코일을 사용하는 방식의 무선전력전송 기술의 경우 자가공명 방식과 다르게 송수신부에 의도적으로 커패시터를 장착한 방식이다. 이 경우 자가공명 방식 보다 Q-factor가 다소 낮아 효율이 떨어질 수 있다는 단점이 있지만, 커패시턴스의 크기를 증가시켜 공진 주파수를 조절이 가능하므로, 구조체의 크기를 획기적으로 줄일 수 있다.
무선전력전송 기술은 일정 거리 이내에서 최적의 전력전송 효율을 갖는다. 하지만, 일상 생활에서는 모바일 제품을 사용자가 기기를 계속해서 움직이게 되고, 그에 따라 무선전력전송 효율이 낮아지는 기술적 한계를 갖고 있다. 현재 많은 연구자가 이러한 문제점들을 극복하기 위해 연구에 매진하고 있다. 아래에는 송수신부 간의 거리, 각도 변화 등에서도 최적의 효율로 전력을 전송하는 방법에 대하여 소개한다.
무선전력전송 장치를 실제장치에 적용하면서 오는 문제이므로 본고에서는 동일한 크기를 가지는 공진기에서의 효율의 향상을 다루어 본다. 그림 4는 무선전력전송 시스템의 등가적 회로를 나타내고 있다.
이 회로는 네 개의 코일에 의해 나타나는 현상을 증명하기 위하여 구성 되었으며 이 코일들은 결합계수에 의해 정의 될 수 있다. 이론적으로 결합계수는 0에서 1사이의 값을 가진다. 만약 송신부에서 만들어진 자기파가 송신부로 모두 전달 될 경우는 이 계수는 '1'의 값을 가지게 되며 반대로 전혀 전달되지 않을 경우는 '0'의 값을 가지게 된다. 이 결합계수는 다음 식에 의하여 정의 될 수 있다.
여기서 Mxy는 코일 'x'와 코일 'y'사이의 상호 인덕턴스를 의미하고 kxy는 0과 1사이에 값을 가진다. 그림 2 에서 볼 수 있듯이 전력원은 입력 임피던스를 지니고 있으며 이는 전력 증폭기나 VNA의 입력 임피던스와 동일한 값을 지니며 상황에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
여기서 RS는 일반적인 50ohm의 값을 가지고 있다. 각각의 코일들은 인덕턴스 L, 기생 저항 R, 기생 커패시턴스 C로 모델링 될 수 있다. 이 등가회로 모델은 무선전력전송 특성을 분석하는데 매우 효율적으로 접근할 수 있게 도와준다. 여기에 키르히호프 전압 법칙(KVL)을 적용하면 그림 2에 그려진 전류에 관한 식을 쉽게 얻을 수 있다. 이는 다음과 같다. 있다. 이는 다음과 같다.
여기서 Z1, Z2, Z3, Z4, 는 각 코일의 임피던스를 의미한다. (2)의 매트릭스로부터 부하 코일의 전류를 계산하여 흔히 알고 있는 옴의 법칙을 통하여 얻을 수 있는 부하에 걸리는 전압은 VL=-i4RL 이와 같이 얻을 수 있고 효율은 VL/VS로 계산할 수 있다. i4는 다음과 같이 표현된다.(3)
또한, 이 와 같은 시스템은 S 파라미터를 사용하여 쉽게 해석할 수 있다. 이 시스템의 S21은 전력전송효율을 의미하며 이는 다음의 식으로 표현 될 수 있다.(Sample et al., 2011, as cited in Fletcher & Rossing, 1998; Mongia, 2007).
위의 수학식들을 이용하면 S21의 크기에 관한 식(5)을 얻을 수 있다. 이러한 분석은 무선전력전송 시스템을 이해하는데 매우 효율적이며 이를 이용하여 무선 전력 전송에서 발생할 수 있는 현상들을 증명할 수 있다. 이 분석을 통하여 S21의 크기는 오직 k23와 주파수에 의하여 결정될 수 있다는 것을 알 수 있다.
사실 이러한 원리는 이미 잘 알려진 바와 같다. k23은 두 개의 공진기 거리에 의하여 바뀌는 결정되는 파라미터이기 때문이다. 공진기 사이의 거리가 커질수록 상호 인덕턴스의 값은 작아지게 되고 전체적인 전송효율의 감소를 유도하게 된다.
또한 공진기 사이의 불일치에 의하여서도 전체적인 기구의 거리가 멀어지게 되므로 이 또한 효율의 감소를 가져오게 된다. 그림 5는 유도된 수식을 그래픽적으로 보여준 결과이며 예상되는 공진 주파수는 13.3 MHz이다. 그러나 커플링 계수 k23이 일정값 이상으로 커질 때 공진 주파수가 두 개로 벌어지는 현상이 발생하며 이를 주파수 분할 현상이라 부르기로 한다.
그림 5.
거리와 주파수에 따른 S21
이러한 현상 때문에 오히려 두 공진기의 거리가 가까워지면 가까워질수록 효율이 감소하는 현상이 발생하는 문제점이 있으며 이를 극복하기 위한 방법은 후에서 언급하기로 한다. 이 시스템을 검증하기 위한 다른 방법으로는 등가회로를 통해서 전력전송효율을 예측하는 방법이다 k23이 증가함에 따른 주파수가 분할되는 현상을 확인할 수 있는 결과이다.
그림 6.
기구적 불일치 실험 환경
수학식에서 예측된 결과를 통하여 증명 될 수 있으며 두 공진기의 거리가 가까워짐에 따라 k23의 값은 증가하게 되고 이는 곧 주파수 분할로 이어진다. 그러므로 전력 전송의 효율을 높이기 위해서는 적합한 주파수로 전력을 공급하거나 또 다른 기술을 사용하여 공진 주파수를 원하는 주파수로 옮겨갈 필요가 있다.
위에 나타난 주파수 분할 현상과 임피던스 불일치 상황에서 전력전송 효율을 증가 시키는 방법을 다룬다. 첫 번째로는 송신부와 송신부의 기구적 불일치를 이룰 때 전력전송효율은 감소하게 된다(그림 6) 송수신 코일은 60cm의 지름으로 갖고, 5.25의 턴 수를 갖도록 설계되었다. 전력코일과 로드 코일의 지름은 49cm이다.
이 두 공진기 사이의 거리는 70cm를 기준으로 실험을 하였다. 이는 앞서 언급한 바 있다. 이 때 S21의 크기는 감소하게 되고 이러한 현상은 결과적으로 입력 전력의 반사를 발생시키게 된다. 이 반사는 입력 전력원과 송신부의 임피던스 불일치로 인하여 생기는데 임피던스 정합 기법을 사용함으로써 최소화 시켜주는 방법을 사용하였다.
사용된 임피던스 매칭 방법으로 T-model 임피던스 매칭 방법을 사용하였다. 그림 7은 T-model 등가회로를 무선전력전송 모델과 결합한 개념도이다.
그림 7.
T-model 임피던스 매칭 네트워크
그림 8.
(i)와 (ii)는 기구적 불일치가 없는 환경에서의 S21, S11 파라미터
그림 9.
응용별 세계 무선 충전기 시장 전망
모바일 장치에 쉽게 일어날 수 있는 기구적 축 불일치 상황에서 T-model 매칭 회로를 이용하여 얻은 결과는 그림 8을 보면 매우 자세히 나와 있다. 두 송수신부의 공진 주파수는 10.14 MHz이다.
그림 8 (i)와 (ii)는 기구적 불일치 가 없는 환경에서의 S21, S11 파라미터이다. 이때는 다른 환경 세팅과 비교하여, 가장 높은 전력전송 효율을 보인다. 다른 환경은 모두 동일하게 유지하고, 두 코일 간의 미스 매치가 35cm 즉, 50%를 이루도록 할 경우 전력전송 효율은 매우 감소하여 -4.1 dB로 감소하게 된다.
감소된 전력전송 효율을 증가시키기 위해 기구적 불일치 환경을 유지하며, T-model 매칭 회로의 커패시턴스 값을 변동하면, 그림 8(v)과 (vi)의 그래프를 얻을 수 있다. 이 때 전력전송 효율은 -2.9dB로 1.5dB의 증가 효율을 보였다. 이는 앞선 값과 비교하여 상대적으로 48.4%의 증가됨을 나타낸다.
(i)S21 w/o axial-misalignment and mat ching, S21 w/o 축간 비정렬과 매칭
(ii)S11 w/o axial-misalignment and mat ching, S11 w/o 축간 비정렬과 매칭
(iii)S21 with axial-misalignment and w ithout matching, 축간 비정렬 S21와 매칭 없음
(iv)S11 with axial-mi salignment and w ithout matching, 축간 비정렬 S11와 매칭 없음
(v) S21 with axial-mis alignment and ma tching,
(vi) S11 with axial-mi salignment and matching
무선전력전송 효율을 증가시키기 위한 다음 방법으로 전원 코일과 송신 코일 간의 결합 계수를 변화하여 증가시키는 방법이 있다. 앞서 언급하였던 기구적 불일치 외에 거리에 따라 임피던스 매칭이 틀어지는 현상을 관측 할 수 있다.
이는 송수신 코일의 거리에 변동에 따라 결합계수 k23 값이 변하면서 임피던스 특징이 변하게 되며 나타나는 현상으로, 거리가 멀어짐에 따라 전력전송 효율이 최적화된 값을 벗어나게 된다. 이때 전력 전송 효율을 증가 시킬 수 있는 방법으로, k12 의 값을 변동하여, 시스템효율을 증가 시킬 수 있다.
그림 10.
결합계수 적응형 회로 검증을 위한 실험 환경
그림 11.
결합계수 적응형 회로를 적용하기기 전과 적용 후의 S21 그래프
위 사진은 송수신 코일 간에 거리에 따라 송신 코일과 전원 코일의 거리를 변동 시켜 임피던스 매칭을 해주기 위한 실험 환경 세팅이다. 송신부와 수신부 간의 최적화된 결합계수 k12는 각 위치마다 다른 값을 가지고 있으며, 실질적으로 기본 세팅 상태에서는 최적의 효율로 전력을 전송할 수 있더라도, 코일간 상대적 위치가 바뀌게 되면 최적지점이 바뀌게 된다.
특별한 임피던스 매칭 기술을 적용시켜주지 않을 경우 송수신 코일간 거리에 따라 최적화된 효율로 전력을 전송할 수 없어, 전력 손실을 발생시키게 된다. 하지만, 송신 코일과 전원 코일의 거리를 변동 시킬 경우 최적 효율을 얻을 수 있다. 아래 그림은 위 이론을 기반으로 얻은 데이터로 최대 3.3dB의 전력전송 효율 향상을 얻을 수 있었다.
앞 선 내용에서는 모바일 장치에서 모바일 장치에 이동에 따른 효율 감소를 극복하는 방안에 대해 알아보았다. 아래 단에서는 의료용 인체 삽입형 모바일 기기에 무선전력전송을 적용 시킬 시에 생기는 문제에 대하여 풀어본다.
최근에 첨단 IT 산업이 발달함에 따라, 기존의 거대한 인체 모니터링 센서를 초소형화 하고, 이를 인체에 삽입하는 방식의 기술들이 활발히 연구되고 있다.
응용분야로는 당뇨센서, 체내심제세동기, ECG 센서, 캡슐 내시경, 인공 시신경 등 다양한 분야에 걸쳐 있으며, 대부분의 센서의 경우 인체에 삽입하는 형태로 발전하고 있다. 인체에 전자기기를 삽입 할 때에 발생하는 문제점으로 배터리 용량의 한계가 가장 큰 문제로 이슈되고 있다.
체내에 삽입해야 하는 특수한 상황으로 배터리 용량을 크게 키울 수 없고, 삽입 시에는 충전이 불가능하다. 만약 이를 충전하기 위해서는 수술을 통하여 배터리를 교체해야 하는데 잦은 수술은 환자에게 신체적, 심적으로 큰 부담을 안겨주므로 배터리 교체는 지양 되어야 한다. 이를 해결할 수 있는 방법으로 떠오르고 있는 방법이 무선전력전송 기술이다.
표 1. Specific Absorption Rate(SAR)
무선전력전송 기술이 체내 이식형 의료센서에 적용될 경우, 핸드폰, 노트북 등 모바일 장치에 적용할 것들 보다 많은 것이 고려되어야 한다. 모바일 장치에서 문제가 되는 것처럼 최대 전력 전송 효율을 위한 연구가 진행되어야 하고, 상대적으로 더 제약된 공간에 삽입해야 하기 때문에 크기 문제에서도 많은 고려를 해야 한다.
또한 인체에 지속적으로 강한 전자기파를 방사 할 경우 인체에 영향을 미치는 부분도 고려해야 한다.
각 국가와 기관에서는 인체 내에 흡수되는 전자기파 흡수율을 제한하고 있으며, 그 기준은 위의 표와 같다. 각 단체마다 주파수 범위에서는 차이를 보이나, 지정된 범위에서는 대략 비슷한 기준을 갖는다. 전신의 경우 0.08W/kg을 넘으면 안 되는데, 이는 전 신체 온도가 1℃가 오르게 되면 사람이 죽음에 이를 수 있어 가장 엄격한 기준을 갖는다. 몸통에 경우 1.6~2W/kg 정도 이고, 사지의 경우에는 4W/kg으로 가장 낮은 기준을 갖는다.
무선전력전송 기술을 인체 내부로 가져가게 될 경우 위 기준을 만족시키는 연구가 동시에 진행되어야만 한다. 아래의 그림의 경우 무선전력전송 기술로 인체 내부에 전력을 전송 시킬 시 인체에 흡수되는 흡수율을 나타낸 3D 그래프이다.
그림 12.
인체 내에서의 Specific Absorption Rate 그래프
시뮬레이션 상태는 송신부에서 수신부로 0.3W를 전송시키는 상황에서의 SAR 그래프로 최대 SAR 값을 갖는 지점이 3.5x10-4W/kg이다. 무선전력전송 기술 중 자기장을 이용한 전력전송은 인체 흡수율이 다소 낮은 편으로 인체에 가장 안전한 무선전력전송 기술로 위험도가 낮으나 인체에 사용하는 만큼 신중하게 연구되어야 할 것이다.
또한 아직 활발히 연구 중인 분야이면서, 논란이 많은 분야이기 때문에 임상실험 등의 검증 실험이 반드시 실행되어야 하겠다.
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신윤오 기자
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