무선전력전송 기술 방식 비교

목차

무선전력전송 기술이란?
무선전력전송 기술 방식 분류
무선전력전송 기술 중 주로 사용되는 방식
무선전력전송의 대표적인 방법 비교

 

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무선전력전송 기술이란?

무선전력전송(WTP : Wireless Power Trnasfer) 기술이란 전선이 없어도 전자기기에 전원을 공급하거나 전력을 충전할 수 있는 기술을 의미한다. 무선전력전송 기술은 전선과 배터리가 필요 없어, 사용자의 이동성, 편의성, 안전성을 높일 수 있는 기술이다. 무선 전력전송은 연결이 불편하거나, 위험한 곳과, 연결이 불가능한 곳에 있는 전력기기에 전력을 공급하는데 유용한 기술이다. 

 

무선전력전송 기술 방식 분류

 

무선전력전속 기술은 크게 근거리(Near field)에서 사용 가능한 비방사(Nonradiative) 기술과 장거리(Far-field)에서 사용 가능한 방사(Radiative) 기술로 구분할 수 있다.

 

무선전력전송-기술분류

 

비방사 기술은 전선 코일 사이의 유도 결합을 이용하는 자기장 또는 금속 전극 사이의 정전 용량 결합을 사용하는 전기장에 의해 전력을 전송하는 방식이다. 유도 결합(Inductive coupling), 유도 공명 결합(Resonant inductive coupling), 정전 용량 결합(Capacitive coupling), 전기 역학적 무선 전력전송(Electrodynamic Wireless Power Transfer), 자기 역학적 결합(Magnetodynamic coupling), 제넥파 전송(Zenneck Wave Transmission 방식이 있다.

 

방사 기술은 마이크로파(Microwaves), 레이저(Lasers) 빔(Beam)과 같은 전자기 방사선 빔을 이용하여 전력을 전송한다. 이 기술은 더 먼 거리를 전송할 수 있지만, 반드시 수신자를 겨냥해서 전력을 전송해야 한다. 

 

구분	기술	범위	지향성(Directivity)*	주파수	안테나 기기
단거리, 비방사	유도 결합	짧음	작음	Hz - MHz	전선 코일
	공진 유도 결합	중간	작음	kHz - GHz	전선 코일, 공진기
	정전 용량 결합	짧음	작음	kHz - MHz	금속판 전극
	자기 역학적 결합	짧음	-	Hz	회전 자석
장거리, 방사	마이크로파	긴	큼	GHz	위상 배열, 정류 안테나
	광파	긴	큼	> THz	레이져, 포토셀, 렌즈

 

* 지향성 : 무선전력전송의 방향성을 의미하며, 작을수록 골고루 전송되고, 클수록 방향성이 뚜렷하게 전송됨

 

이 중에서 주로 근거리에서 주로 사용되는 방식은 자기 유도 결합을 이용한 자기 유도 방식, 자기 공명 결합을 이용한, 자기 공명방식이 있다. 장거리에서는 인공위성에서 전력을 전송하는 데 사용하고자 하는 전자기파 방식이 연구되고 있다. 주로 사용하는 3가지 방식에 대해 좀 더 자세히 알아보고자 한다. 

 

 

무선전력전송 기술 중 주로 사용되는 방식

1) 자기 유도 방식 

자기 유도 방식은 코일에 유도되는 자기장을 이용하여 전력을 전달하는 방식이다. 1차 코일의 전류에서 발생하는 자기장이 2차 코일 통과할 때 유도 전류가 흘러 그 부하를 이용하여 에너지를 공급하는 방식이다. 소형화가 가능하며 전송 거기가 코일의 크기에 따라 달라진다. 무선전력 전송의 거리가 짧다. 전기 자동차, 소형 스마트 기기  또는 전동 칫솔에서 주로 사용된다. 

무선전력전송-자기 유도(출처: KISTI, 무선전력전송 기술동향 및 시장 전망 )

 

2) 자기 공명 방식

자기 공명(Magnetic Resonance) 은 코일 사이의 공명 현상을 이용하여 에너지를 전송하는 방식이다. 1차 코일과 2차 코일에 흐르는 전류의 공진 주파수를 동일하게 하여 전류에서 발생하는 부하를 무선으로 전송하는 방식이다. 자기 유도 방식과의 차이점은 1차와 2차 코일의 공진 주파수가 동일하다는 점과 유도 전류가 아닌 코일 간에 공진 에너지를 이용하여 에너지를 전달하는 방식이라는 점이다. 공진값을 이용하여 전송거리 측면에서 유리하지만, 코일의 크기가 크다는 단점이 있다. 진공청소기, 모니터, 노트북, 프린터 등에 적용이 가능하다. 

무선전력전송-자기 공명(출처: KISTI, 무선전력전송 기술동향 및 시장 전망 )

 

 

3) 마이크로파 방식

마이크로파 방식은 전력을 마이크로파로 변환하여 안테나를 통해 변환된 마이크로파를 직접 송수신하는 방식이다. 인체 및 장애물에 영향을 받는다. 약 50% 이내의 효율로 예상되며, 최대 수십 km까지 전력전송이 가능하다. 위성과 지구비행체에 전력전송이 가능하며, 우주 태양광 발전을 위해 오래전부터 연구되어 왔다. 

무선전력전송-마이크로파(출처:  [Tech Inside] 무선전력 전송 기술 상용화 눈앞…스마트폰·전기자동차 등 적용)

 

 

무선전력전송의 대표적인 방법 비교

 

아래는 대표적인 무선전력전송 기술을 비교한 것이다. 

구분	비방사 방식 (Non-radiative method)		방사 방식 (Radiative method)
	자기유도 방식	자기공명 방식	마이크로(전자)파 방식
원리	송/수신 코일간의 자기장 유도 현상을 이용	송/수신 코일 사이의 공진현상을 이용	전자파의 방사특성을 이용해서 빔 형태로 안테나를 통해 직접 송/수신
파동의 형태	자기장 (광대역)	wkrlwkd(협대역)	전자기파
전송 거리	초단거리(~cm)	근거리 (~m)	중장거리(~km)
전송 효율	높음	중간	낮음
동작 주파수	LF 대역 (~수백 kHz)	HF 대역 (6.78MHz, 13.56MHz)	RF 대역 (2.4GHz, 5.8GHz)
응용분야	휴대폰, 노트북, 전기자동차	휴대폰, TV, 가전기기 등	무인비행체, 위성과 지구간 전력전송 등
인체 유해성	거의 무해	거의 무해	유해
전송 효율	수 mm 이내에서 90%이상	1m에서 약 90% 2m에서 약 40%	약 50%이내
장점	높은 효율 기술 성숙도 높음 소형화 가능 인체 무해 수중 및 지중에서 이용 가능	근거리에서 중간 효율 코일의 품질 계수가 높음 코일 배치에 대한 자유도가 높음	장거리 전송 가능 고출력으로 이용 가능
단점	초단거리 전력 전송 소형기기에 적합 발열이 심함 충전 위치에 따라 충전 효율 변화	전송효율 낮아 충전 시간이 김 발열이 심한	송/수신 안테나 큼 낮은 효율 인체의 유해성

(출처) 김종대, "무선전력전송, 마지막 남은 케이블로부터의 해방" 참조

 

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무선전력전송 기술의 종류와 특징에 대해서 비교해 보았다. 휴대폰 등의 전자기기에는 현재 많이 사용되고 있으며, 미래에 차량 무선 충전, 우주 태양광 발전 등에 적용 가능한 기술로 계속 발전되어갈 기술이다.