▲ 자율 배치 무선 충전 기술이 적용된 예: 자율 배치 무선 충전 기술은 평면구조에 적용가능하기 때문에 책상, 벽면, 바닥면 등에 적용되어 여러 개의 전자기기를 동시에 자유롭게 충전시킬 수 있다     ©특허뉴스

책상이나 바닥 등 널찍한 평면 어디서든 무선충전이 가능해진다. 충전기에 꼭 맞춰서 두던 기존 무선충전에서 진보한 방식이다. 사물인터넷(Internet of Things, IoT)과 5G 통신 등으로 충전이 더 중요해지는 상황에서 크게 주목받고 있다.

UNIST 전기전자컴퓨터공학부의 변영재 교수팀은 무선충전시 여러개의 전자기기를 자유롭게 배치할 수 있고, 충전 면적도 넓힌 ‘대면적 자율배치 무선충전 기술’을 개발했다고 21일 밝혔다. 전력을 주고받는 자기장 신호를 ‘공기’ 대신 ‘페라이트(ferrite)’라는 물질을 통해서 보내는 게 핵심이다.

페라이트(ferrite)는 산화철계의 자성체 세라믹의 총칭으로 망간-아연(Mn-Zn)계 페라이트와 니켈-아연(Ni-Zn)계 페라이트가 대표적이다. 강자성체의 일종이지만 자화가 잔류하는 정도를 나타내는 보자력(coercive force)은 낮다. 보자력은 자화된 자성체의 자화도를 0으로 만들기 위해 반대 방향으로 인가되야 하는 자기장의 세기를 뜻한다. 이번 연구에서는 페라이트의 자성 투자율(magnetic permeability)이 높고 자기저항(magnetic reluctance)이 낮은 성질을 이용했다.

무선충전은 전류가 자기장을 일으키고, 거꾸로 자기장도 전류를 발생시키는 원리를 이용한다. 전원장치의 전류에서 발생된 자기장을 전자기기가 받아 다시 전류로 바꾸는 것이다. 자기장 크기가 클수록 전류량도 커지므로 전원장치와 전자기기의 거리가 멀어도 충전된다.

▲ 구조 기반 성능 향상 기법: 왼쪽에 감겨 있는 송신 코일(Tx coil)에서 자기장이 발생하며, 이 자기장이 판 모양의 페라이트를 통해 전달된다.(여기서 페라이트가 매질이 됨) 자기장은 전류 방향에 영향받기 때문에, 페라이트 판을 기준으로 위쪽과 아래쪽에 감겨있는 코일에서 생성된 자기장은 서로를 상쇄시킨다. 이런 한계를 송신 코일의 감는 방법을 조정(skew)해(코일을 비스듬히 감음) 자기장 상쇄를 줄이고, 길어지는 코일에서 오는 발열을 고려해 코일 모양을 최적화했다  © 특허뉴스

기존 무선충전 기술은 자기장을 보내는 매질로 ‘공기’를 이용한다. 충전용 전선이 사라졌다는 점에서 편리하지만, 전자기기와 무선충전기의 배치가 고정된다는 제약이 있었다. 둘의 배치가 조금이라도 빗겨나가거나 멀어지면, 충전효율이 급격히 떨어지거나 충전이 중단된다.

변영재 교수팀은 이런 제약들을 풀기 위해 자기장을 전파하는 매질을 바꿨다. ‘페라이트’를 사용해 충전기기에 전달되는 자기장 세기를 극대화한 것이다. 자기장이 공기로 전달될 때는 ‘자기저항(자기장을 가로막는 성질, magnetic reluctance)’이 커서 전력손실이 크다. 하지만 페라이트의 자기저항은 공기보다 1000배 작아 전송효율이 높아진다.

또 전원장치에서 자기장을 발생시키는 코일을 감는 방식도 달리해 전력전송 효율을 높였다. 판형 구조의 페라이트에 코일을 위아래로 감으면, 판을 기준으로 위와 아래의 전류 방향 반대가 되어 자기장이 상쇄된다. 이 문제를 풀기 위해 코일을 비스듬히 감는 방식을 사용한 것이다.

▲ 대 면적(30×130㎠)에 다중 무선 충전 가능성을 가지는 자율 배치 무선 전력 전송 기술 실험 사진: 자율 배치 무선 전력 전송 기술은 평면형 구조로 확장이 용이하며 여러 개의 수신기로 전력을 전송할 수 있는 가능성을 가진다  © 특허뉴스

제1저자인 서석태 UNIST 연구원은 “공기보다 자기저항이 매우 낮은 페라이트를 이용하는 동시에 구조적 설계를 개선한 무선충전 시스템을 개발했다”며 “충전 범위가 크게 넓어지는 데다, 충전하고자 하는 휴대기기를 자유롭게 배치 가능한 게 장점”이라고 밝혔다.

이 시스템의 실현 가능성은 시뮬레이션과 실험으로 확인됐다. 인체에 유해할 수 있는 자기장과 전기장 노출 역시 국제기준을 통과한다는 것도 입증됐다. 공동 1저자인 조현경 UNIST 연구원은 “새로운 무선충전 시스템은 충분히 실현 가능하지만 페라이트가 무겁고 가격이 비싸다는 게 한계”라며 “페라이트를 대체할 물질을 찾고, 시스템을 최적화하는 연구를 추가로 진행할 것”이라고 전했다.

변영재 교수는 “넓은 면적에 자율배치가 가능한 무선충전 원천기술을 확보한 점에서 의미가 있다”며 “향후 책상과 탁자, 벽, 바닥 등에 적용돼 앞으로 다가올 IoT 시대의 견인차가 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구결과는 세계적인 권위의 국제전기전자공학회(IEEE)에서 발행하는 학술지 ‘IEEE Transactions on Power Electronics’에 10월 4일자로 온라인 공개됐다.