어디서든 무선충전 가능한 기술 한국 연구진 개발… IoT 시대 앞당긴다

윤경진 기자입력 : 2019-10-21 12:23
평평한 페라이트 통해 자기장 전달, 전송효율 향상… IEEE TPEL 발표
책상이나 바닥처럼 평평한 곳 어디서든 무선충전이 가능한 기술이 한국에서 나왔다. 사물인터넷(IoT)과 5G 통신 등으로 충전이 더 중요해지는 상황이라 새로운 무선충전 기술이 주목받고 있다.

울산과학기술원(UNIST)은 변영재 UNIST 전기전자컴퓨터공학부 교수팀이 무선충전 시 여러 개의 전자기기를 자유롭게 배치해 무선 충전하고 충전 면적도 넓힌 '대면적 자율배치 무선충전 기술'을 개발했다고 21일 밝혔다. 이 기술은 전력을 주고받는 신호를 '공기'대신 '페라이트(ferrite)'라는 물질을 통해 보내는 게 핵심이다.

페라이트는 산화철계의 자성체 세라믹의 총칭으로 망간-아연(Mn-Zn)계 페라이트와 니켈-아연(Ni-Zn)계 페라이트가 대표적이다.

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

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.[사진=UNIST]

기존 무선충전 기술은 공기를 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 제약을 풀기 위해 자기장을 전파하는 매개체를 페라이트로 바꿨다. 페라이트를 사용해 충전기기에 전달되는 자기장 세기를 극대화한 것이다. 자기장이 공기로 전달될 때는 자기장을 가로막는 성질인 자기저항이 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.

논문의 제1저자인 서석태 연구원은 "공기보다 자기저항이 매우 낮은 페라이트를 이용하고 구조적 설계를 개선한 무선충전 시스템을 개발했다"며 "충전 범위가 크게 넓어지고 충전하고자 하는 휴대기기를 자유롭게 배치 할 수 있다"고 설명했다.

변영재 교수는 "넓은 면적에 자율배치가 가능한 무선충전 원천기술을 확보한 점에서 의미가 있다"며 "향후 책상과 탁자, 벽, 바닥 등에 적용돼 앞으로 다가올 IoT 시대를 앞당기게 될 것”이라고 밝혔다.

연구팀은 실험과 시뮬레이션으로 실현 가능성과 인체에 유해할 수 있는 자기장과 전기장 노출 역시 국제기준을 통과한다는 것도 입증됐다. 논문의 공동 1저자인 조현경 연구원은 "새로운 무선충전 시스템은 충분히 실현할 수 있지만 페라이트가 무겁고 가격이 비싸다는 게 한계"라며 “페라이트를 대체할 물질을 찾고, 시스템을 최적화하는 연구를 추가로 진행할 것"이라고 전했다.

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

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