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ETRI, 무선으로 충전하는 원천기술 개발

자기공명방식, 균일장 만들어 1미터내 무선충전가능

국내 연구진이 1미터(m)거리에서도 무선으로 충전하는 기술개발에 성공했다. 현재 스마트폰 무선충전이 7mm이내의 짧은 거리인데 비해 획기적으로 충전 가능거리를 넓힘에 따라 향후 웨어러블 기기나 사물인터넷(IoT) 시대를 성큼 앞당길 전망이다.

ETRI(한국전자통신연구원, 원장 김흥남)는 60와트(Watt)급 자기공명 방식을 이용한 무선충전 시스템 핵심기술을 개발, 전기자전거를 완전 무선화하여 편리하고 안전한 충전 서비스가 가능한 길을 열었다고 밝혔다.

그 동안 무선충전은 패드구조였다. 따라서 스마트폰을 충전기에 거의 붙여야 충전이 가능해 불편했다. 하지만, ETRI는 공간내 무선전송방식을 택해 특정한 구역내에 스마트기기가 들어오게 되면 충전되도록 만들었다. 와이파이존 처럼 일명 ’에너지존(E-Zone)’화 시킨셈이다. 따라서 향후 본 기술이 상용화되면 자동차의 컵홀더나 바구니, 책꽃이 등 서로 다른 스마트기기를 놓아 두면 충전되는 방식으로 발전될 전망이다.

ETRI는 본 기술이 1.78MHz대역의 낮은 주파수로 기존보다 에너지 밀도가 균일한 충전영역(균일장, Quiet zone)을 만드는데 성공했다고 설명했다.

ETRI 무선충전 원천기술 확보

미국의 시장조사기관인 마켓앤마켓에 의하면 무선전력전송의 세계시장 규모는 오는 2020년까지 연간 60% 성장해 약 17조원에 이를 것으로 전망하고 있다. 특히, 아시아 태평양 시장이 전체 시장의 42.5%로 우리나라의 기술개발 및 시장 선점이 매우 중요한 시점이다.

특정 공간내의 스마트기기들을 충전하기 위해선 균일한 자기장 조성은 반드시 필요한 작업이다. 이는 스마트기기를 공간 내 어느 위치에 놔 두어도 균일한 전력효율을 내기 위해서다. ETRI는 현재, X,Y,Z축내 3차원 공간중 한 축을 이용해 충전하는 방식에 성공했다. 따라서 이번 개발은 향후 완벽한 무선 공간의 충전으로 가는 핵심 원천기술을 개발한 것이라고 연구진은 말했다.

연구진은 본 기술을 전기자전거에 먼저 적용했다. 양쪽 1미터(m)거리 사이에 키오스크 형태의 두 개 송신기를 두고 자전거 앞바퀴에 달린 수신기를 통해 충전하는 방식이다. 앞바퀴 휠에 에너지를 수신하는 공진코일이 내장되어 충전되면 집전회로를 통해 수집, 수신 충전기로 보내 고주파신호를 직류신호로 바꾸어 배터리에 충전시킨다. 1미터 거리사이에 균일한 에너지장이 형성되기에 충전이 가능하다. 특히 전기자전거의 바퀴가 1m내 어디라도 평형을 유지해 주면 충전이 가능하다.

ETRI는 전기자전거 배터리의 용량을 완충하기 위해선 기존 유선으로 6시간 가량 걸렸는데 현재 ETRI 무선충전방식은 10시간 정도라고 설명했다. 향후 이를 절반정도인 5시간 내외로 줄일 계획인데 이를 위해 송신전력을 높이면서 송수신 시스템의 안정성 확보에 주력하고 전자파 환경 문제도 추가로 개발 중이다.

따라서 연구진은 향후 빠른 충전을 위한 노력을 추가 연구를 통해 완료할 계획이다. 기존 스마트폰의 패드형 충전방식은 자기유도 방식으로 유선대비 효율이 약 80%에 달한다. ETRI는 자기공명 방식으로 1미터 거리에서도 유선대비 약 58%효율이 나온다고 밝혔다. 현재 세계최고 수준이다. 상용화 수준은 70%로 보고 있다.

향후 본 기술은 상용화시 전기자전거, 전동휠체어, 새그웨이 등의 이바이크(E-bike) 무선충전에 유용할 것으로 보고 있다.

ETRI는 관련기술을 전원공급장치(SMPS) 전문기업이며, 공동연구기관인 동양이엔피(주)에 기술이전했다. ETRI는 본 기술을 현대자동차의 맥스크루즈, 산타페 등 차종에 스마트폰 무선충전(패드형)이 가능토록 전자파 장해 문제를 해결, 기술지원 한바 있다. 또한 동양이엔피(주)에서는 ETRI의 개발된 핵심원천기술을 상용화하기 위해 현재 소형화 및 패키징에 집중하고 있다.

연구책임자인 ETRI 생활전파연구실 조인귀 박사는 ”본 기술개발로 향후 무선으로 전력을 전송하는 핵심원천기술의 토대를 마련한 것이다. 에너지 충전의 신속성을 높이고, 300kHz 대역에서 완전한 소형 공간 무선충전을 위한 연구를 계속 추진하고 있다.”고 말했다.

한편, ETRI는 본 기술개발을 통해 선행과제 포함, 국제특허 28건 출원, SCI논문 8편을 기고한 바 있다.

파워일렉트로닉스 매거진 power@icnweb.co.kr

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