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자료제공/ EPC(Efficient Power Conversion)

조만간 무선 전력전송 기술은 우리의 일상생활에서 전자 및 전기 분야를 새롭게 뒤바꾸게 될 것이다. MIT에서 분리된 와이트리시티(WiTricity)의 대표인 에릭 길러(Eric Giler)는 2009년에 있었던 TED 프리젠테이션에서 ‘무선 전기 데모’를 발표한 바 있다. 이 데모에서 길러는 무선 전력전송을 통한 소형 TV을 구동했는데, 그 이후 상당한 기술적 진전이 이뤄졌다. 이 기사는 이러한 기술의 현재 상황을 엿볼 수 있는 기회를 제공하자 한다.

EPC(Efficient Power Conversion)의 엔지니어링 부사장인 마이클 드 루지(Michael de Rooij) 박사와의 인터뷰를 통해 무선 전력의 해결 과제와 2017년 어떠한 기회들이 전개될 지에 대해 논의했다. 드 루지 박사는 EPC에서 eGaN 전력 제품을 개발하고, 데모 보드 및 레퍼런스 디자인, 디자이너 교육지원 등을 담당하고 있다. 그는 ‘무선 전력 핸드북(Handbook for Wireless Power)’을 발간한 바 있다.

CES 2017에서 EPC는 무선 전원을 통해 구동되는 43인치 평면 HDTV를 시연했다. 올해에는 초기 길러의 데모를 능가하는 놀라운 첨단 기술을 EPC를 통해 보게 될 것이다.

장거리 무선 전력전송
드 루지 박사와 장거리에서도 무선 전력 충전을 효과적으로 달성하기 위해 극복해야 할 현재 직면한 한계는 무엇이고, 가능성은 무엇인지 논의했다. 그렇다면, 전력전송의 현실적인 효율성을 어떻게 모든 소비자에게 실현할 수 있을까? GaN 전력 요소(EPC의 eGaN)는 이러한 노력에 어떠한 도움을 줄 수 있을까?

드 루지 박사는 제한사항으로 코일 설계를 가장 먼저 언급했다. 이는 현재 일반적으로 7인치 이상에서는 성능이 저하된다. 장거리에서의 효율 규칙은 각 코일 Q의 품질 계수와 코일 k 간의 커플링 계수에 영향을 받는다. 송신 코일과 수신 코일의 크기 및 구조는 독립적으로 Q와 k에 영향을 미친다.(참고자료 1) 그림 1은 기본적인 무선 전력전송의 원리를 보여준다.

드 루지 박사는 무선 전력전송의 E-필드 방식은 기술적인 논란이 있지만, 장거리에서의 전력 이동은 오존 생성 및 생물학적 물질을 포함한 다른 물질과의 상호작용과 관련한 일반적인 우려사항이 있을 수 있다고 언급했다. 이러한 방식은 드론 충전에 훨씬 뛰어나지만, 충전 패드 위에 호버링되어야 한다. 간단하게 전계 커플링 기법을 구현하는 것은 소스 및 부하 사이에 병렬로 플레이트 커패시턴스를 이용하는 것이다. 효율적으로 전력을 전송하기 위해서는 입력 임피던스와 매칭이 되어야 한다. 따라서 하나의 플레이트는 드론의 바닥에, 그리고 다른 플레이트는 재충전 패드에 있어야 한다.(그림 2 참조)

자기 공진 커플링으로 호버링하면서 드론을 충전하는 것도 좋은 대안이다.(그림 3 참조)

그림 3. 송신 코일과 수신 코일 간의 갭이 불과 3mm로 최소화되도록 드론의 수신 코일이 착륙 지지대에 맞춰져 있는 직사각형 모양의 코일 디자인이다. 이는 지상의 패드 스테이션 위로 호버링함으로써 드론의 배터리를 재충전하기 때문에 코일 사이의 커플링 인자를 극대화할 수 있다.(이미지: 참고자료 3)

무선 전력전송 코일과 관련한 현재 기술 및 미래
드 루지 박사는 뉴커런트(NuCurrent)가 무선 전력전송을 위한 향상된 고효율 코일을 개발 중이라고 언급했다. 뉴커런트는 개발 중인 안테나가 다른 인쇄형 안테나/코일/공진기보다 더욱 효율적이라고 주장하고 있다. 이 회사는 현재 설계된 제품이 일반적으로 Qi/PMA 주파수(~200KHz)에서 20% 이상, A4WP(6.78MHz) 및 NFC(13.56MHz) 주파수에서는 60% 이상 효율이 향상되었다고 밝혔다.

무선 전력전송 코일을 플로어 타일에 내장하면, 거리를 약간 늘려서 분산 필드에 도움을 줄 수 있지만, 더 중요한 것은 전력을 수집할 수 있는 영역을 크게 향상시킬 수 있다는 것이다. 이는 동일한 면적에 단일 코일을 설계하는 방법보다 훨씬 효율적이다.

무선으로 HDTV에 전원공급
CES 2017에서 EPC가 선보인 HD 평면 TV 무선 전력전송 데모는 스타벅스가 스마트폰을 충전하기 위해 테이블에 무선 전력전송 기술을 도입한 것을 제외하고는, 지금까지 보아온 가장 유용한 애플리케이션 중 하나일 것이다. 대부분의 경우 아직 내부 무선 전력전송 기능이 없는 제품에 대비해 휴대전화용 어댑터도 판매하고 있다.

이제 TV에 전원을 공급하는 방법을 살펴보도록 하자. EPC는 비지오(Vizio) 모델 D43-D1, 43인치 HD 평면 TV를 선택했다.(상세 스펙정보 확인하기) 이 제품은 테스트를 기준으로 85W를 소모한다. 이전의 다른 테스트에서는 더 낮은 전력의 20인치 TV를 사용했다.

이 TV는 단일 역률의 AC를 이용하기 때문에 소스에서 공급되는 모든 에너지는 부하에 의해 소모된다. TV 전자제품은 DC 전원이 필요하기 때문에 기존의 모든 AC 정류기, 대형 전해 커패시터, 브리지 다이오드는 필요하지 않다. TV의 전원을 처음 켜면 5W 미만이 소모되는데, TV가 더 적은 전력을 필요로 하면, 무선 전력전송 트랜스미터가 공급량을 조절할 수 있다.

EPC가 CES에서 선보인 데모의 회로 디자인은 그림 6에서 확인할 수 있다. 설계자는 차동 ZVS(Zero Voltage Switching) 클래스 D 앰프를 사용해 송신 코일을 구동했다.(참조: 특히 300MHz 주파수 범위를 넘어서는 차동 아키텍처는 단일 종단 설계에 비해 방사 EMI 효과를 향상시킨다. 동일한 부하 전력에서 차동 설계의 경우, 접지에 대한 증폭기 출력에서 전압 전이의 크기가 절반이다.) 하지만 이 경우 6.78MHz ISM 대역의 높은 공진 상태에서만 전송하고 있으며, EPC는 eGaN FET가 기존 MOSFET 전력 요소보다 상당한 이점을 가지고 있음을 입증했다.(참고자료 4)

확실한 점은 소비자들은 TV를 벽이나 엔터테인먼트 센터에 기계적으로 쉽게 장착이 가능하도록 앞으로는 완벽한 무선 기능을 요구하게 될 것이다. 이는 평면 스크린 TV를 넘어 가전제품 및 전기적으로 AC 전원이 공급되는 다른 기기들은 물론, 기능적으로도 DC 전원만 필요로 하는 기기들까지 확장될 것이다.

생활을 변화시키는 무선 전력전송 기술의 가능성
드론에 무선 전력전송 기술이 적용되면, 아마존이나 UPS, 페더럴 익스프레스와 같이 패키지 배달에 이를 이용하려는 회사들에게 도움이 될 수 있다.

의료분야의 경우, 현재 피부를 통해 케이블링을 해야 하는 임플란트에 무선 전력전송 기술이 적용되면 감염의 위험을 크게 줄일 수 있다. 신경 자극과 심장-보조 펌프 또한 이 기술의 주요 타깃 분야이며, 조만간 심장 박동기와 척수 및 신경 자극기를 장착한 환자가 4~5피트 떨어져서 잠자고 있는 동안 무선으로 충전이 가능하게 될 것이다. 환자의 신호를 포착하는 코일은 MRI(Magnetic Resonance Imaging)를 향상시키기 위해 증가되겠지만, 무선 전력전송을 사용하여 비용을 줄이고, 케이블을 제거하고, 복잡성을 낮출 수 있을 것이다.

카페나 바, 공항에서는 향후 가구 책상, 테이블 디자인에 무선 전력전송 장치를 갖추게 될 것이며, 벽이나 가구, 바닥에 무선 전력전송 중계기가 장착된 가정에서는 전원 콘센트가 거의 또는 전혀 필요하지 않게 될 것이다.

자동차 배선은 비용이 많이 들고, 안정성이 떨어지며, 무게가 가중된다. 무선 전력전송은 차량 내의 동축 케이블에 얽매이지 않고 더 많은 전자장치를 사용하고, 조명이나 오디오, 전화, EV 충전 또는 RADAR 및 LIDAR 전원공급이 가능하게 될 것이다. 무선 전력은 좌석이나 문, 트렁크에도 적용할 수 있다. 이는 맞춤형 디자인 아키텍처가 아닌 모듈형 방식을 채택하여 자동차 제조공정을 단순화할 수 있다.

또한 무선 전력전송은 주유소나 수중, 산소가 풍부한 공간이나 해변가 주택 및 시설, 또는 먼지가 많은 대기 환경의 곡물 사일로와 같은 분야에서 폭발 및 화재를 유발하는 위험한 불꽃을 방지할 수 있다.

언젠가 고전압 전력선이 무선 전력전송 솔루션으로 제거되고, 미래의 유비쿼터스 고전압 무선 전력전송 시대가 도래하면서 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)의 꿈이 실현될 날이 올 수도 있을 것이다.

EPC의 드 루지 박사는 올해 APEC에서는 더 많은 무선 전력전송의 혁신이 이뤄질 것으로 전망했다. 전자 및 전기 시스템의 형태는 계속해서 혁신적인 기술을 기반으로 새로운 개발이 이뤄지면서 끊임없이 변화해 갈 것이다.

참고자료
1. Benjamin H. Waters, Brody J. Mahoney, Gunbok Lee, and Joshua R. Smith, "Optimal Coil Size Ratios for Wireless Power Transfer Applications," University of Washington, Seattle, 2014.
2. Jingook Kim and Franklin Bien, "Electric Field Coupling Technique of Wireless Power Transfer for Electric Vehicles," IEEE 2013 Tencon - Spring.
3. T. Campi, S. Cruciani, G. Rodriguez, and M. Feliziani, "Coil Design of a Wireless Power Transfer Charging System for a Drone," University of L’Aquila, Italy and University de Matanzas Camilo Cienfuegos, Cuba, 2016.
4. Performance Comparison for A4WP Class-3 Wireless Power Compliance between eGaN FET and MOSFET in a ZVS Class D Amplifier, EPC

*이 기사는 EPC의 엔지니어링 부사장인 마이클 드 루지(Michael de Rooij) 박사와 EDN의 인터뷰 내용을 EPC에서 제공한 것이다.