자기 공진형 무선 충전 기술이 소형 모바일 기기용 무선충전 시장 주도

이 기고에서는 최근 연구가 활발히 진행중인 자기 공진 무선전력전송 기술을 이용하여, 급격히 증가하고 있는 소형 모바일 기기를 위한 자유 위치 무선 충전 및 여러 개를 동시에 충전하는 기술에 대해 소개한다. 우선은 자기 공진 무선전력전송 기술 및 이의 특징들을 설명하고, 이를 이용한 소형 모바일 기기 무선충전 기술에 대해 설명한다.

글 : 박영진 센터장 / 융복합의료기기연구센터
한국전기연구원 / www.keri.re.kr

최근 스마트폰 무선충전(무선전력전송) 제품 시장이 급속히 증가하고 있다. 현재 스마트폰 무선충전에 주로 활용되는 기술은 비방사 시변 자기장(Non radiative time varying magnetic field)을 이용한 자기 유도(Magnetic induction) 기술이다. 최근에 제품으로 출시된 삼성전자의 갤럭시 S6에도 적용된 무선충전 기술이다. 

스마트폰 충전에 적용된 근거리 자기 결합 무선충전 기술은 현재 다양한 분야로 그 응용이 확산되고 있다. 

미래창조과학부 고시 제2015-5호에서는 가전제품에 한하여 200와트까지 전력을 무선으로 전송할 수 있도록 허용하였다. 즉, 무선전력전송 기기는 전파응용설비로 지정되어 있어, 이미 50와트 이하는 별도의 허가없이 사용할 수 있었다. 따라서 이번 고시를 통하여 가전제품에 대해서는 200와트까지 허가 없이 기본파 및 불요발사에 대한 전계 강도를 만족하면 사용할 수 있다.

또 한편으로 스마트와치, 스마트밴드, 헬스케어 정보통신 단말과 같은 소형 모바일 기기는 스마트폰의 보급과 함께 사용이 급격히 증가하고 있다. 이러한 개인별 소형 모바일 기기는 현재 일반적으로 유선 어댑터를 이용하여 충전하고 있으나, 잦은 충전 및 유선 충전 방식의 불편함이 실용화에 있어 큰 걸림돌이 되고 있다.

▲ 그림 1. 무선충전 기술이 적용된 스마트 와치 제품.

모토롤라 모토360 (좌) 과 아이와치 (우)

이러한 문제점을 해결하기 위하여 웨어러블 기기들의 충전 방식에 있어 새로운 방식인 무선 충전 기술이 활성화 되고 있다. 아래 그림 1은 최초로 원형 디스플레이를 적용한 모토롤라의 모토360 제품과 애플사의 아이와치 무선충전 사진이다.

현재 소형 모바일 기기에 적용되는 무선충전 기술은 스마트폰 무선충전에 적용된 자기 유도 기술이다. 그러나 소형 모바일기기들은 그 크기가 스마트폰에 비해 상대적으로 작고 종류가 다양하여 송수신부의 위치에 제약이 작은 자유 위치 무선충전이 가능해야 하며 특히, 사용하고 있는 여러 기기를 동시에 충전할 수 있어야 한다.

현재 사용되고 있는 자기 유도 기술로는 이러한 요구 조건을 만족할 수 없다. 
이 기고에서는 최근 연구가 활발히 진행중인 자기 공진 무선전력전송 기술을 이용하여, 급격히 증가하고 있는 소형 모바일 기기를 위한 자유 위치 무선 충전 및 여러 개를 동시에 충전하는 기술에 대해 소개한다.

우선은 자기 공진 무선전력전송 기술 및 이의 특징들을 설명하고, 이를 이용한 소형 모바일 기기 무선충전 기술에 대해 설명한다.

자기 공진 무선전력전송 기술

▲ 그림 2. 자기 결합 공진형 무선전력전송 원리

자기 공진 기술은 자기 유도 기술과 마찬가지로 1차 측 코일에서 만들어진 시변 자기장 속에 2차 코일이 놓이면, 2차 코일에 전압이 유도되는 Faraday 법칙을 기반으로 한다(그림 2 참조). 

그림 3에는 그림 2의 두 개 코일에 의한 자기 결합 공진형 무선전력전송 시스템의 등가회로이다. 

그림에서 Rs와 Ls는 송신코일의 손실 저항 및 인덕턴스를 말한다. RR과 LR은 수신부 코일의 손실 저항과 인덕턴스를 말한다. MSL은 송수신 코일 사이의 상호 인덕턴스를 말한다. 송수신부 모두에는 매칭 및 공진 회로가 포함된다.

▲ 그림 3. 자기 공진 무선전력전송 시스템의 등가회로

매칭 및 공진 회로는 여러 가지 방법으로 구현할 수 있다. 그림 3에서는 송신부는 직렬(CS2)-병렬 보상(CS1), 수신부는 병렬(CR1)-직렬(CR2) 보상을 사용하였다.

특히, CS1과 CR1은 코일이 가지고 있는 자기 커패시턴스(self capacitance)를 포함하고 있다. 또한, 전력 소스(power source)는 특성 임피던스 Z0를 갖는다. 2007년 MIT 연구팀에서 발표한 논문[A. Kurs, etc, "Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonance", Science, vol. 317, pp. 83-86, Jun. 2007] 에서는 네 개 코일을 사용하였다.

발표된 논문에서는 10MHz 근처의 주파수를 사용하여 송신과 수신부에서 각각 품질 계수(Quality factor, Q-factor=2πf×L/R)가 약 1000 정도인(측정값 기준) 자기 공진기(self-resonator)를 보였다.

10MHz 주파수 대역을 사용함으로 작은 부피에서도 높은 품질 계수를 얻을 수 있었다. 실제 100kHz이하에서 1000정도가 되는 품질계수를 갖는 코일 설계가 매우 어렵다. 또한, 송신부의 소스 코일과 수신부의 부하 코일은 부하에 따른 최대 전력전송을 위한 정합 기능을 위해 사용된다.

실제 논문에서는 200와트 파워 입력으로 수신부에서 60와트 백열 전구를 켤 수 있음을 보였다. 이를 통해 MHz 주파수 대역에서 자기 공진 기술의 전송 효율 및 전송거리 개선 등에 대한 우수성을 보였다.

일반적으로 자기 공진 기술의 효율은 송수신 코일 직경이 동일할 경우, 코일 직경의 두 배 거리에서 효율이 50%이상이면 우수한 것으로 보면 된다. 따라서, 스마트폰과 같은 작은 기기의 경우 자기 공진을 이용할 경우 50% 이상 효율을 갖는 유효 전송거리는 대략 수 센티미터 이내이다. 

자기 공진 기술은 수백 kHz이하에서도 구현이 가능하며, 수 MHz 주파수를 사용하여서도 구현이 가능하다. 송수신부의 부피가 넉넉하고, 전송 전력이 크다면, 예를 들어 전기자동차 무선충전과 같은 경우는 수백 kHz이하가 적합할 수 있다.

그러나, 송수신부의 부피를 가능한 줄여야 하는 경우, 예를 들면 웨어러블 기기 및 생체 삽입형 의료 센서 등과 같은 경우에는 수 MHz 주파수를 사용한 공진 시스템 구현이 합리적이다.

이러한 자기 공진 무선전력전송 시스템의 최대 효율(ηmax)을 그림 3의 등가회로를 이용하여 유도할 수 있다. 유도를 위해 송신부는 전력 소스와 수신부는 부하와 공액 임피던스 정합이 된 것으로 한다. 

κ는 결합상수(coupling coefficient)이고, Г는 고유 감쇠율(intrinsic decay rate) 이며, f는 공진 주파수다. FoM(Figure of Merit)은 제작된 무선전력전송 시스템의 성능 지수이다. 성능 지수는 송수신 코일의 손실 저항과 상호 인덕턴스로 주어진다.

따라서, 송수신 사이의 상호 결합이 증가하든지, 송수신 코일의 손실 저항이 감소하면 된다. 일반적으로 상호 인덕턴스(MSL)는 송수신 코일의 턴 수, 직경에 관계되며, 큰 상호 인덕턴스를 얻기 위해서는 주어진 공간 속에 가능한 많은 턴 수를 갖도록 하는 것이 좋다. 실제 수백 kHz 이하에서는 코일에서 각 도선간의 간격을 가능한 작게 하여 제작한다.

그러나, 주파수가 수 MHz 이상인 경우는 와류 전류(eddy current)로 인하여 도선에서 전류가 표피로 흐르게 되는 표피효과(skin effect) 및 인접 도선에 의한 근접효과(proximity effect)로 손실 저항(ohmic resistance)이 증가한다.

따라서, 주어지 부피에서 최대의 효율을 얻기 위해서는 코일의 최외각 지름, 최내각 코일의 지름이 결정될 경우 코일의 턴 수와 도선의 두께에 따른 간격의 비를 최적화해야 한다[J. Kim, etc, “Approximate closed-form formula for calculating ohmic resistance in coils of parallel round wires with unequal pitches”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, DOI. 10.1109/TIE.2014.2370943]. 

위 수식을 이용하여 FoM 또는 κ/Γ에 따른 효율을 그릴 수 있으며, 그 결과는 그림 4에 나타내었다. 그림 4를 보면 성능 지수가 10 이하의 경우에 80%이하의 효율을 가지며, 성능지수의 변화에 민감하게 효율이 변화된다. 그러나 10 이상에 대해서는 효율의 변화가 크지 않다. 즉, 송수신 코일 사이에 일정 이상의 성능 지수를 유지한다면, 자유 위치 무선충전이 가능하다.

▲ 그림 4. 성능 지수에 따른 전송 효율 그래프

자기 공진 기술은 다양한 특징이 있다. 작은 자기 결합(magnetic coupling)에서도 송수신 코일이 높은 품질 계수를 가진다면, 위치에 따라 자기 결합이 달라져도 효율적인 자유 위치 무선충전이 가능하다.

또한, 송신 코일과 수신 코일의 중심 축이 기울어져 있어, 자기 결합 크기가 작아져도, 송수신 공진 코일의 품질계수를 높이면 공진 특성으로 전력 전송 효율이 높다. 특히, 송신부는 하나의 자기 공진 코일을 갖고, 수신부가 여러 개가 되더라도 효율적인 무선전력전송이 이루어진다.

▲ 그림 5. 다중기기 동시 충전 설명을 위한 구성도

그림 5는 송신 공진기 하나를 이용하여, 여러 개의 수신기에 전력을 전달하는 원리를 설명하기 위한 시스템 구성도이다. 하나의 송신기와 네 개의 수신기로 구성되어 있다.

송신부와 수신부 모두 단일 루프에 평행평판으로 된 자기 공진기를 사용한다(그림 내에 있는 자기 공진기 참조). 송신기는 반경이 30cm, 도선의 두께가 2cm이다. 네 개의 수신기는 모두 동일하게 반경이 10cm, 도선의 두께는 1cm이다.

그러나, 수신기는 송신기와 중심축의 배치가 다르다. Device 1과 3은 코일 중심축이 송신 코일과 수직이며, 중심은 Z=60cm, ρ=50cm 이다. Device 2와 4는 송신코일과 평행하며, Z=70cm, ρ=60cm이다. 주파수는 13.56MHz를 사용하였다. 

그림 6은 그림 5의 시스템에 대하여 각 Device에 대한 에너지 전달 효율을 시간에 따라 나타낸 것이다. 해석을 위해 결합 모드 이론(coupled mode theory)을 사용하였다. aS, a1, a2, a3, a4의 절대값 제곱은 시간에 따른 송신 공진 코일과 네 개의 수신 코일이 가지고 있는 에너지를 각각 나타낸다.

송신 공진 코일(aS)에서 1이 입력되면, 시간에 따라 네 개 수신기에 일정 비율로 에너지가 전달된다. Total energy는 시간이 증가할수록 떨어지는 것을 알 수 있으며, 이는 송신 코일과 수신 코일에서 발생되는 손실 때문에 열과 방사 에너지로 사라진다.

네 개 수신기가 받는 전체 에너지를 total device energy로 표시하였다. 시작점(t=0)에서 1이 입력되면, 시간이 83.61/f에서 네 개 수신기가 가지고 있는 최대 에너지는 0.51868이다. Device 2와 4는 0.2262를 각각 가져가고, Device 1과 3은 0.03314를 가지고 간다.

▲ 그림 6. 시간에 따른 각 디바이스에서 가지고 있는 에너지

이러한 차이는 Device 1과 3이 송신 코일과 수직 배열로 되어있고, Device 2와 4는 송신 코일과 수평으로 배열되어 device 1과 3에 비해 거리가 멀어도 상호 인덕턴스가 크다.

즉, 성능 지수 관점에서 보면, device 코일들의 품질 계수는 동일하지만, 상호 인덕턴스가 다르기 때문에 효율이 달라진다. 

그림 7은 상용 전자파 해석 시뮬레이터를 이용하여 그림 5의 구성을 시뮬레이션 한 결과 중의 하나이다. 그림에서는 device 2와 4, 송신 공진기의 단면에서의 정상상태에서의 자기장 분포를 보여준다. 빨간색은 자기장이 제일 큰 부분이며, 파란색은 자기장이 매우 작은 부분이다. 그림처럼 송신부에서의 자기장이 device 2와 4에 전달되고 있음을 알 수 있다.

▲ 그림 7. 다중기기의 무선전력전송 시뮬레이션(정상상태)

이처럼 자기 공진 무선전력전송 기술을 이용할 경우, 다중 기기에 대한 동시 무선충전이 가능하며, 송수신 코일의 중심축이 일치하지 않더라도 전력 전송이 가능하다. 특히, 여러 기기가 있을 경우에 전력은 송수신 사이의 상호 인덕턴스와 수신기의 품질 계수에 따라 각각 다르게 전달된다. 

자기 공진 무선전력전송 기술을 이용한 소형 모바일 기기 무선충전 

스마트와치, 스마트 밴드 같은 웨어러블 기기는 부피가 작고, 최대 상호 인덕턴스를 얻기 위해 송신기의 코일과 웨어러블 기기 내에 있는 수신기를 맞추기가 어렵다.

또한, 기존의 무선충전 제품들이 평판형인 경우가 많아, 작은 웨어러블 기기의 무선충전에 적합하지 않다. 특히, 기존의 방법으로는 다수의 웨어러블 기기가 있을 경우, 이들을 동시에 충전시킬 수가 없다. 

이러한 이유로 앞에서 언급한 것처럼 공진 기술을 이용한 무선충전이 적합하다. 그림 8은 인텔에서 2014년에 보도한 스마트 충전 보울(smart charging bowl), 뉴질랜드의 Powerbyproxi, MIT(US2014/0091756A1, WiTricity/MIT)에서 제시한 충전 제품 및 기술들이다.

▲ 그림 8. 소형 웨어러블 기기를 위한 무선충전 기술 예

소개된 제품들은 모두 공진 기술을 적용하고 있다. PowerbyProxi에서는 수백 kHz 주파수를 사용하며, 인텔은 6.78MHz 또는 13.56MHz를 사용한 것으로 알려져 있다. MIT에서 출원한 특허를 보면 송신부의 코일 구조는 여러 개의 코일이 조합되어 있다. 

바닥 부분은 두 코일이 서로 교차하는 모양이며, 위 부분은 복수 개의 공진기가 독립적으로 존재한다. 이렇게 코일을 구성하는 이유는 그림 5와 6의 결과에서도 보였듯이 수신부와 송신부 사이의 배치를 가능한 평행하게 하여 전력전송 효율을 높이기 위해서이다.

이를 위해서는 공간적 제약이 큰 수신부 보다는 고정형 송신부에서 x, y, z축 모든 방향으로 자기장 결합이 가능한 구조를 만들어야 하기 때문이다. 

그러나, 자기 공진 기술을 적용한 다양한 웨어러블 기기를 위한 무선충전의 실용화를 위해서는 몇 가지 애로 점들을 해결해야 한다. 예를 들면, 송수신 사이의 위치 변동에 따라 자기 결합이 변경되기 때문에 송수신부 회로에서 최대 전력전송을 위한 최적 정합 회로 및 제어 알고리즘을 구현하여야 한다. 

최근에는 이러한 위치에 따른 송수신 자기 결합 변화의 문제를 해결하기 위해, 균일한 자기장을 갖는 송신 코일 구조에 대한 연구 결과를 제시하기도 하였다. 또한, 수신 부하의 종류가 다르며, 수신기의 배터리 상태가 다르며, 배터리의 충전 회로 특성이 다르기 때문에 각 수신기에 맞는 최대 전력 전송 회로 구현 및 제어 알고리즘이 필요하다. 

예를 들어 여러 개의 수신기가 동시에 충전되고 있는 경우에, 어느 하나의 수신기의 자기 결합이 크지만, 배터리의 충전이 완료된 경우라면 시스템 적으로 그 수신기는 전력 수신이 작아야 한다. 이러한 문제는 현재 평판 보드형 자기 공진 무선전력전송 시스템에서도 해결해야 할 이슈이다. 

효율을 높이기 위해서는 가능한 수신 코일을 크게 만드는 것이 좋지만, 현실적으로 수신부에 내장되는 수신 코일 및 차폐제는 일체화되고 소형화되어야 한다. 특히, 응용 분야를 고려하여 최적의 주파수 선정이 매우 중요하다. 

현재 가장 많이 고려되고 있는 주파수는 1MHz 이하에서도 구현이 가능하지만 공진형 무선전력전송 표준 제정 단체인 A4WP(Alliance for Wireless Power)에서 사용하고 있는 6.78MHz과 ISM(Industrial Scientic and Medical) 주파수 대역인 13.56MHz이다. 6.78MHz와 13.56MHz를 이용할 경우, 낮은 주파수에 비해 더 작은 코일로도 더 큰 품질 계수를 얻을 수 있기 때문이다.

다른 관점으로는 전력 전송 효율 및 충전 시간 문제이다. 일반적인 소형 웨어러블 기기들의 배터리는 리튬이온 전지이며, 500mAh이하이다. 따라서, 전력 전송 효율 보다는 작은 용량의 배터리를 얼마나 빨리 충전시킬 수 있느냐가 중요한 이슈가 될 것이다. 

결론

근거리 무선충전 시장은 스마트폰에서 소형 모바일 기기인 스마트와치, 휴대용 헬스케어 단말, 휴대용 정보통신기기 등으로 확산되고 있다. 개인용 정보통신 단말의 증가는 사람의 삶을 편리하게 하지만, 언제 어디서나 쉽게 충전할 수 있어야 그 활용이 증가할 것이다. 

자기 공진 기술은 기존의 자기 유도의 문제인 자유위치 충전, 다중기기 무선전력전송을 해결할 수 있다. 이러한 자기 공진 기술이 현재 보급되고 있는 다양한 소형 모바일 기기용 무선 충전 응용에 적합할 것이다. 

따라서, 아직 실용화를 위해 해결하지 못한 문제점들이 해결이 된다면, 공진형 무선 충전 기술은 스마트폰 뿐만 아니라 소형 모바일 기기용 무선충전 시장을 주도할 것이다. 특히, 생체 삽입형 및 생체 부착형 헬스케어 단말의 충전에도 적용될 것이다. 

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