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자료제공/ EPC(Efficient Power Conversion Corporation, www.epc-co.com)

에너지는 원하는 결과를 얻기 위해 여러 다양한 방법으로 전이될 수 있다. 음식을 가열하기 위해 사용되는 전기스토브처럼 요리는 무선 전력전송의 좋은 사례이지만, 휴대형 전자기기에 전력을 공급하는 경우에는 그리 유용하지 않다. 전기 전도체를 사용하지 않고 휴대형 기기에 유용한 전기 에너지를 공급하기 위해서는 광자(Photon)나 전기장(Electric Field), 자기장(Magnetic Field)과 같은 여러 매체들이 사용될 수 있다.

이러한 매체들은 각각의 장단점이 있다. 광자는 최상의 경우라 하더라도 레이저가 사용되는 경우[1.1] 40% ~ 50% 만을 달성할 뿐이며, 보통의 경우에는 약 10%[1.2] 더 떨어지기 때문에 에너지 전이에 효율적이지 못하다. 전기장은 전송거리가 뛰어나지만, 전계강도(Electrical Potential)가 높아 감전사고를 유발할 수 있다. 자기장은 상대적으로 안전하지만, 근본적인 루프 특성 때문에 충전패드와 기기간의 거리가 짧아야 한다.(이 특성은 수학적으로 컬(curl)이라고 불린다.) 무선 전력전송이 필요한 시나리오를 생각해보면, 전력 수신이 필요한 대부분의 기기는 무선 전력의 표면 상에 배치될 것이며, 이는 충전패드와 기기 간 거리에 따라 약간의 제어가 필요하게 된다. 또한 이 거리는 지나치게 멀어서도 안될 것이다. 이러한 전도성, 안전성, 거리 등과 같은 비교 요인들을 고려한 가장 합리적인 무선 전력 매개체는 자기장이다.

모바일 기기의 다양성 및 엄청난 수를 고려할 때, 무선 전력전송은 복잡하고 불편한 케이블을 제거하고, 플러그-인의 번잡함을 없앰으로써 편리하게 배터리를 충전할 수 있도록 해준다. 또한 무선 전력은 필요할 때 전력을 무선으로 제공함으로써 배터리 수명도 연장할 수 있다.

또 다른 무선 전력전송의 사용사례는 의료적 삽입물과 같은 의료기기 애플리케이션에서 찾을 수 있다. 빠르게 성장하고 있는 이러한 애플리케이션은 삶의 질을 향상시킬 수 있으며, 생명연장에도 상당한 영향을 미칠 수 있다. 인공 심장 박동기에 전력을 공급하기 위해 외과적 수술로 피부에 와이어를 삽입하는 것이 아니라 의자에 앉아 있거나 산책을 하거나 침대에 누워있을 때에도 원격 에너지원을 통해 펌프에 전력을 공급할 수 있다고 상상해 보자.

또한 무선 전력전송은 폭발 및 부식성 환경(예를 들어, 가스 펌프 주변의 전기스파크)이나 수중, 또는 전기접속으로 인해 발화가 유발될 수 있는 안전 상의 위험이 있는 환경 어느 곳이라도 사용될 수 있다.

무선 전력전송의 필요성 및 전도 매개체로 자기장을 사용하는 것이 타당하다는 사실을 확인했다면, 다음으로 우리는 자기장과 관련된 특성을 이해해야 한다. 첫 째로, 가장 중요한 점은, 자기장이 무선 전력전송을 위한 주파수에서도 안전하게 사용할 수 있는지 고려되어야 한다.[1.3] SAR(Specific Absorption Rate) 가이드라인은 자기장에 노출되었을 때 인체의 안전성을 보장할 수 있는 자기장 밀도에 대한 한도를 정하고 있으며, 충분한 연구를 토대로 수립된 표준에 따라 제어되고 있다.[1.4]–[1.6]

두 번째는 전기 엔지니어들이 자기장에 대해 충분히 이해하고 있어야 하며, 이들이 쉽게 생성하고, 캡처할 수 있도록 해야 한다. 마지막으로, 자기장은 거리에 따라 달라지는 특성 때문에 장거리에서는 에너지를 제대로 전송하기 어렵다. 이로 인해 충전패드에서 멀리 떨어진 수신기는 충분한 자속(Magnetic Flux)을 캡처하기가 어렵다. 이러한 한계는 대부분의 무선 전력전송 애플리케이션이 상대적으로 단거리(18인치 미만)를 필요로 한다는 점을 고려하면, 심각한 것은 아니다.

무선 전력전송 시스템 구현은 시스템 디자이너에게 여러 도전과제에 직면하게 만든다. 과제 중 일부는 시장이 얼마나 확산될 것이냐의 문제인 반면, 다른 것들은 시스템의 현실성과 관련되어 있다. 현재 모바일 기기 마켓은 무선 전력전송 분야의 성장을 추동하면서 이미 여러 요건 및 과제들이 해결되고 있다.

이러한 요건으로는 제한된 전력소모 규격 때문에 특히 수신기 측면에서 고효율성이 필요하며, 이와 더불어 물리적으로 작은 크기와 그리고 모든 동작 조건에서 견고성이 요구된다. 사용자들이 기기의 배치 조건이나 동시에 충전할 수 있는 기기의 수 또는 기기의 사이즈에 구애받지 않기를 원하기 때문에 무선 전력전송이 제공하는 사용 편의성과 더불어 견고한 시스템이 필요하다. 이러한 요건과 더불어 무선 전력전송 시스템의 동작 및 성능에 크게 영향을 미칠 수 있는 이물질 유입 등과 같은 부정적인 동작 조건을 미리 고려한 시스템이 필요하다.

마지막으로, 이러한 시스템은 FCC part 18[1.7]와 같은 방사성 EMI 방출 표준은 물론, 이와 동등한 EN 55011[1.8] 및 EMC 디렉티브(2004/108/EC)[1.9]와 같은 EN 표준을 준수해야 한다. 대부분 기존의 무선 전력 솔루션은 100kHz에서 315kHz의 상대적으로 낮은 주파수에서 동작하는 유도 코일 솔루션과 타이트하게 결합되어 있다. 이는 Qi(Wireless Power Consortium) 및 PMA(Power Matters Alliance) 표준에 기반하고 있다.

리젠스(Rezence)라고 불리는 A4WP(Association for Wireless Power) 표준[1.10]은 공진 방식을 통해 무선 전력전송을 위한 자기장 생성 및 전송을 향상시킬 수 있도록 고주파수(6.78MHz) 동작을 사용할 수 있다. 고주파수 동작은 무선 전력 전송을 위한 느슨한 커플링 및 고도의 공진방식을 사용할 수 있는 기반이 된다. 우리가 이 주제를 연구할수록 이러한 접근방식의 장점들은 더욱 분명해질 것이다. 가장 중요한 두 가지 장점은 다양한 전력 레벨에서, 기기의 배치 방향에 상관없이 여러 디바이스를 동시에 지원할 수 있다는 것이다. 현재 Qi 표준은 다양한 전력 레벨을 지원하고 있지만, 한 번에 하나의 기기만 충전이 가능하다.

리젠스 표준은 다수의 기기 사이즈에 대응할 수 있도록 다양한 전력 레벨 지원에 주력하고 있다. Qi 표준 또한 일부 등급에서는 더 높은 전력에 대응하고 있으며, 현재 최고 15W까지 지원할 수 있다. 이는 Qi 표준도 성능을 향상시키기 위해 공진기의 제한된 사용을 수용했기 때문에 가능했다. 모든 방식들은 충전패드 및 기기(송신기, 수신기) 간의 전력관리 및 제어를 위해 디지털 통신을 이용하고 있다. WPC(Wireless Power Consortium) Qi 표준 및 PMA(Power Matters Alliance) 표준의 경우 디지털 정보는 전력 캐리어 상에 인코딩되어 있다. 반면 리젠스 표준은 ISM 대역의 15kHz 대역폭 제한으로 전력변조를 방지할 수 있는데다, 독자적으로 실행 가능한 통신 옵션인 BLE(Bluetooth Low Energy) 표준을 사용하고 있다.

특정 전력전송 시스템 디자인을 위한 무선 표준을 선택할 때는 전력 레벨이나 타깃 애플리케이션과 같은 주요 두 가지 요소들을 비롯해 여러 요인들을 고려해야 한다. 의료기기 및 모바일 컴퓨팅 애플리케이션을 위한 핵심 요소에는 안전성과 사용 편의성이 추가되어야 할 것이다.

Qi 및 PMA 표준은 기기를 충전 패드 위에 정밀하게 배치해야 하고, 한 번에 하나의 기기만 충전할 수 있다는 점은 문제점으로 제기되고 있다. 반면 리젠스 표준은 자기공명 원리를 이용하기 때문에 수신하는 기기의 배치 방향에 상관없이 단일 충전패드로 여러 기기를 동시에 충전할 수 있다. 또한 공진기를 사용함으로써 시스템이 유도성 기반 표준보다 더 높은 전력을 제공할 수 있도록 해준다.

여러 무선 전력 표준을 비교해보면, 결론은 A4WP 리젠스 표준이 가장 합리적이라는 사실을 알 수 있다. 이 표준은 고도의 공진방식을 통해 특성화되었으며, 충전패드와 기기간의 느슨한 커플링을 가능하게 해준다. 또한 A4WP 표준은 개방형 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 주파수 대역인 6.78MHz에서 동작[1.13]하기 때문에 최종 사용자가 주파수 대역에 대한 사용 허가를 받지 않고도 무선 전력 제품을 이용할 수 있다. 이 주파수에서의 동작은 고효율을 유지할 수 있도록 앰프에 대한 세심한 선택은 물론, 다른 디자인 요건에 대한 신중한 고려가 필요하다. 이러한 무선 전력전송 시스템 디자인 문제를 해결하는 것이 이번 연구의 주요 목적이었다.

[1.1] J-G. Werthen and M. Cohen, “The Power of Light: Photonic Power Innovations in Medical, Energy and Wireless Applications,” Photonics Spectra Magazine, May 2006.
[1.2] A. Polman and H. A. Atwater, “Photonic design principles for ultrahigh-efficiency photovoltaics,” Nature Materials, Vol. 11, March 2012, pp. 174–177.
[1.3] J. Nadakuduti, L. Lu, P. Guckian, “Operating Frequency Selection for Loosely Coupled Wireless Power Transfer Systems with Respect to RF Emissions and RF Exposure Requirements,” IEEE Wireless Power Transfer Conference, May 15–16, 2013 Perugia, Italy, pp 234–237.
[1.4] Class B–Human Exposure Limits, FCC Part 1.1310.
[1.5] Human Exposure Limits – Recommendation 1999/519/EC.
[1.6] Human Exposure Limits – ICNIRP 2010.
[1.7] FCC Code of Federal Regulations Title 47, Vol. 1, Part 18 B (Industrial, Scientific, and Medical Equipment), 1998.
[1.8] European Norm. EN55011 Group 2 Class B.
[1.9] Electromagnetic Compatibility (EMC), European Directive (2004/108/EC).
[1.10] R. Tseng, B. von Novak, S. Shevde and K. A. Grajski, “Introduction to the Alliance for Wireless Power Loosely-Coupled Wireless Power Transfer System Specification Version 1.0,” IEEE Wireless Power Transfer Conference 2013, Technologies, Systems and Applications, May 15–16, 2013.
[1.11] A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljačić, “Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer,” Annals of Physics, Vol. 323, No. 1, 2008, pp. 34–48.
[1.12] A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, M. Soljačić, “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances,” Science, Vol. 317 No. 6, July 2007, pp. 83–86.
[1.13] “ISM band.” Wikipedia: The Free Encyclopedia. Wikimedia Foundation, Inc. January 2014. [Online] Available: http://en.wikipedia.org/wiki/ISM_band