원자력및양자공학과 임춘택 교수팀이 어느 위치에서나 충전할 수 있으면서도 소형기기에 활용할 수 있는 무선 전력 전송 기술을 개발했다. 이번 연구는 지난 6월 24일 <국제전기전자공학회 전력전자 저널(IEEE Trans. On Power Electronics)>에 게재되었다.

자기장으로 전력을 수송해
무선 전력 전송에는 자기장, 마이크로파, 레이저 등 매개체를 이용한다. 그중 마이크로파와 레이저를 이용한 방법은 매개체를 장애물로 차단하면 전력이 전달되지 않는다. 반면 자기장을 이용한 방법은 장애물이 있어도 자기장만 보존되면 전력을 수송할 수 있어 외부 영향을 적게 받는다. 따라서 일상에서 무선으로 전력을 수송할 때는 자기장을 이용한 방법이 적합하다.
자기장을 이용해 전력을 전송할 때는 코일을 사용한다. 우선 전력 송신부, 수신부에 코일을 설치한다. 그다음 송신부의 코일에 전류를 흘려보내면 송신부 코일 주변에 자기장이 형성된다. 이러한 자기장의 변화는 수신부 코일까지 영향을 미쳐 수신부 코일에 전류가 흐르도록 한다. 이 과정에서 효과적인 전력 전달을 위해 수백 kHz에서 수 MHz 정도의 고주파 전류를 사용하며, 동작 주파수* 대역에 속하는 공진 주파수를 가진 코일을 이용한다.

외부 영향 많이 받는 루프 코일
전력 전송에 사용되는 코일에는 루프 코일과 다이폴 코일이 있다. 루프 코일(loop coil)은 전선을 고리 모양으로 여러 번 감은 코일이다. 루프 코일의 중심부에는 자성체가 들어가지 않아 큰 전력을 전송하려면 송신부에 흐르는 교류 전류의 주파수를 높여야 한다. 하지만 높은 주파수에서 동작하는 코일은 공진도(Q factor)**가 높아 공진 특성이 주변 환경의 영향을 쉽게 받는다. 즉, 코일이 외부 환경의 영향을 받으면 송수신부 코일의 공진 주파수가 쉽게 변해 일상에서 사용하기 어렵다.

다이폴 코일은 공진도가 낮아
반면 다이폴 코일(dipole coil)은 전선을 나선형으로 감아 만든다. 다이폴 코일의 중심에는 코일의 자기장을 강화하는 자성체를 넣는다. 따라서 다이폴 코일을 사용하면 전류의 주파수는 루프 코일을 사용할 때만큼 높지 않아도 되므로, 코일의 공진도도 낮아 외부 환경에 영향을 많지 받고 전력을 전달할 수 있다.
자기장을 사용하면 생기는 문제 중 하나는 코일이 방향성을 갖고 있다는 점이다. 따라서 코일이 단순한 루프 코일 혹은 다이폴 코일이라면, 송수신 코일의 위치가 특정 조건을 만족해야 전력을 전달할 수 있다. 이 때문에 여러 코일을 조합해 어느 위치, 어느 방향에서든 전력 송수신이 가능한 기술을 개발하려는 연구가 진행되었다.

부피 문제 해결한 평면형 코일
이전에도 어떤 위치로든 무선으로 전력을 전송할 수 있는 기술은 존재했다. 예를 들어 송신부 코일이나 수신부 코일을 루프 코일 3개를 서로 직교하도록 구성하면 방향에 제약을 받지 않고 전력을 전달할 수 있다. 하지만 이는 전력 송수신부 중 하나는 입체여서 소형기기에 탑재하기 어려웠다.
임 교수팀은 다이폴 코일을 사용해 송수신부를 평면 모양으로 제작했다. 다이폴 코일 두 개가 직각을 이루도록 코일을 설계한 것이다. 이렇게 만든 코일은 모든 방향에서 전력을 수신할 수 있으며, 형태가 평평한 판 모양이므로 소형기기에도 쉽게 설치할 수 있다. 또한, 다이폴 코일로 제작해 공진도도 낮다.

임 교수는 “이번 기술은 최초로 평면형 코일을 고안해 전력을 장거리 수송한 것에 의의가 있다”라고 밝혔다. 논문 제1저자 최보환 학우는 “앞으로 코일의 형태 및 자성체의 성능이 개선된다면 더 넓은 범위에서 다양한 기기에 동시에 전력을 전달하는 것이 가능하며 관련 연구를 진행할 예정이다”라고 말했다. 

동작 주파수*
송신부 코일에 흐르는 전류의 주파수. 전력을 전달할 때 송수신 코일이 송신 코일 전류의 주파수에서 공진하도록 설계하기 때문에 생긴 용어다

공진도(Q factor)**
코일이 외부에서 어떤 영향을 받았을 때 얼마나 민감하게 반응하는지를 나타내는 지표. 공진도가 낮을수록 공진 주파수가 외부 영향을 덜 받는다