무선 전력: 전자기 전송 - 글로벌 개요

무선 전력 전송(WPT)은 무선 에너지 전송(WET) 또는 무선 충전이라고도 하며, 물리적 연결선 없이 전기 에너지를 전송하는 기술입니다. 이 기술은 전자기장을 이용하여 송신기에서 수신기로 거리를 두고 에너지를 전송합니다. 이 개념은 1세기 이상 존재해왔지만, 기술 발전 덕분에 이제 WPT는 전 세계 다양한 산업에서 실용적이고 점점 더 보편적인 솔루션이 되고 있습니다.

전자기 전송 이해

전자기 전송은 크게 근거리 및 원거리 기술의 두 가지 유형으로 분류되는 여러 방법을 포함합니다.

근거리 전력 전송

비방사 전송이라고도 하는 근거리 전력 전송은 전자기장의 파장과 비슷하거나 그보다 짧은 거리에서 작동합니다. 주요 기술은 다음과 같습니다:

• 유도 결합: 송신기와 수신기라는 두 개의 코일을 사용하여 자기장을 생성하는 가장 일반적인 방법입니다. 수신기 코일이 송신기 코일에 의해 생성된 자기장 내에 놓이면 수신기 코일에 전기가 유도됩니다. 전동 칫솔 충전 도크나 스마트폰 무선 충전 패드를 일상적인 예로 들 수 있습니다. 유도 결합의 효율성은 거리가 증가할수록 빠르게 감소합니다.
• 공진 유도 결합: 이 방법은 송신기와 수신기 코일 모두를 동일한 주파수로 공진하도록 튜닝하여 유도 결합의 효율성과 범위를 향상시킵니다. 이는 더 강력한 자기장을 생성하고 약간 더 큰 거리에서 더 효율적인 에너지 전송을 가능하게 합니다. 이는 일부 전기 자동차용 무선 충전 시스템에 사용됩니다. 실제 사례로는 도시 환경에서 버스 정류장에서 충전할 수 있도록 버스용 공진 유도 충전을 연구하고 구현하는 기업들이 있습니다.

원거리 전력 전송

방사 전송이라고도 하는 원거리 전력 전송은 전자기장의 파장보다 훨씬 큰 거리에서 작동합니다. 주요 기술은 다음과 같습니다:

• 마이크로파 전력 전송: 이 방법은 마이크로파를 사용하여 더 먼 거리로 에너지를 전송합니다. 전기를 마이크로파로 변환하는 송신기와 마이크로파를 다시 전기로 변환하는 수신기(정류 안테나)가 필요합니다. 마이크로파 전력 전송은 원격 센서 전원 공급이나 우주 기반 태양광 발전소에서 지구로 에너지를 전송하는 것과 같은 응용 분야에서 탐구되고 있습니다. 이 분야 연구의 한 예는 다양한 우주 기관 및 민간 기업의 우주 기반 태양광 발전에 대한 지속적인 작업입니다.
• 무선 주파수(RF) 에너지 수확: 이 기술은 주변의 무선파(예: Wi-Fi 라우터, 기지국, 방송 신호)를 수집하여 사용 가능한 전기 에너지로 변환합니다. 수확되는 에너지 양은 일반적으로 적지만, 센서나 웨어러블 전자 기기와 같은 저전력 장치에 전력을 공급하기에 충분할 수 있습니다. 예를 들어, 주변 RF 에너지로 전원이 공급되는 스마트 빌딩의 센서가 있습니다.
• 레이저 전력 전송: 이 방법은 레이저를 사용하여 무선으로 전력을 전송합니다. 레이저 빔이 광전지에 조사되어 빛을 전기로 변환합니다. 레이저 전력 전송은 드론이나 로봇에 원격으로 전력을 공급하는 것과 같은 틈새 응용 분야에서 사용됩니다.

핵심 기술 및 구성 요소

무선 전력 전송 시스템을 구현하는 데 필수적인 몇 가지 핵심 기술 및 구성 요소는 다음과 같습니다:

• 송신기 코일: 이 코일은 에너지 전송에 필요한 전자기장을 생성합니다. 효율성을 최적화하고 손실을 최소화하도록 신중하게 설계됩니다. 유도 및 공진 유도 결합에는 다른 코일 디자인이 사용됩니다.
• 수신기 코일: 이 코일은 전자기 에너지를 포착하여 다시 전기 에너지로 변환합니다. 효율적인 에너지 전송을 위해서는 이들의 설계 또한 중요합니다.
• 전력 전자 장치: 전력 전자 회로는 전력 흐름을 제어하고, 전압 및 전류를 조절하며, 효율적인 에너지 변환을 보장하는 데 사용됩니다. 이 회로에는 인버터, 정류기 및 DC-DC 컨버터가 포함됩니다.
• 제어 시스템: 제어 시스템은 에너지 전송 프로세스를 모니터링하고, 작동 매개변수를 조정하며, 안전하고 신뢰할 수 있는 작동을 보장합니다. 센서, 마이크로컨트롤러 및 통신 인터페이스를 포함할 수 있습니다.
• 차폐 재료: 차폐 재료는 전자기장을 차단하고 다른 전자 기기와의 간섭을 방지하는 데 사용됩니다. 또한 전자기 방출을 줄이고 안전 규정 준수를 보장하는 데 도움이 됩니다.

무선 전력 전송의 응용

무선 전력 전송은 광범위한 산업 및 분야에서 응용되고 있습니다:

가전 제품

이는 WPT의 가장 눈에 띄는 응용 분야 중 하나입니다. 스마트폰, 스마트워치, 무선 이어버드 및 기타 가전 제품은 점점 더 무선 충전 기능을 채택하고 있습니다. Qi 표준은 모바일 장치의 무선 충전에서 가장 널리 사용되는 표준입니다. 예를 들어, 이케아는 Qi 충전기를 가구에 통합합니다.

전기 자동차(EV)

EV용 무선 충전은 기존 플러그인 충전에 대한 편리하고 효율적인 대안으로 주목받고 있습니다. 무선 충전 패드는 도로 또는 주차 공간에 내장될 수 있어 EV가 주차 중이거나 심지어 주행 중(동적 충전)에도 자동으로 충전할 수 있습니다. WiTricity와 같은 회사들은 EV용 무선 충전 기술을 개발하고 라이선스를 부여하고 있습니다. 전 세계 여러 도시에서 전기 버스 무선 충전 시범 프로그램이 진행 중입니다.

의료 기기

무선 전력 전송은 의료 기기, 특히 심박 조율기, 인슐린 펌프, 신경 임플란트와 같은 이식형 기기에 대한 새로운 가능성을 열어주고 있습니다. 무선 충전은 배터리 필요성을 없애 배터리 교체와 관련된 감염 및 합병증 위험을 줄입니다. 기업들은 인공와우 이식 장치 및 기타 의료 기기용 무선 충전 시스템을 개발하고 있습니다.

산업 응용

WPT는 혹독하거나 접근하기 어려운 환경에서 센서, 로봇 및 기타 장비에 전력을 공급하기 위해 산업 현장에서 사용되고 있습니다. 무선 전력 전송은 전선 및 케이블의 필요성을 없애 안전성, 신뢰성 및 유연성을 향상시킬 수 있습니다. 제조 공장의 센서 전원 공급 및 창고 로봇 충전이 그 예입니다. 기업들은 AGV(자율 주행 차량)의 충전을 자동화하기 위해 무선 전력 솔루션을 배포하고 있습니다.

사물 인터넷(IoT)

무선 전력 전송은 원격지 또는 유선 전력을 사용할 수 없는 곳에 저전력 IoT 장치를 배포할 수 있도록 합니다. RF 에너지 수확은 센서, 액추에이터 및 기타 IoT 장치에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있어 스마트 도시, 농업 및 환경 모니터링 분야에서 광범위한 응용을 가능하게 합니다. 예를 들어, 원격 농경지의 토양 조건을 모니터링하는 무선 센서는 RF 에너지 수확으로 전원이 공급될 수 있습니다.

항공우주 및 방위

WPT는 군사 작전에서 드론, 로봇, 센서에 전력을 공급하는 것과 같은 항공우주 및 방위 분야 응용을 위해 탐구되고 있습니다. 레이저 전력 전송은 원격 기지국에서 드론에 전력을 공급하여 비행 시간과 범위를 연장하는 데 사용될 수 있습니다. 궤도 위성에 전력을 공급하기 위한 마이크로파 전력 전송 사용에 대한 연구가 진행 중입니다.

무선 전력 전송의 이점

무선 전력 전송은 기존 유선 전력 시스템에 비해 여러 가지 이점을 제공합니다:

• 편의성: 무선 충전은 케이블과 커넥터의 필요성을 없애 충전을 더 편리하고 사용자 친화적으로 만듭니다.
• 안전성: 무선 전력 전송은 노출된 전선과 커넥터를 없애 감전 및 화재 위험을 줄여 안전성을 향상시킬 수 있습니다.
• 신뢰성: 무선 전력 전송은 마모되기 쉬운 물리적 연결의 필요성을 없애 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.
• 유연성: 무선 전력 전송은 장치 배치 및 사용에 더 큰 유연성을 제공하여 원격 또는 접근하기 어려운 위치에서도 장치를 충전할 수 있도록 합니다.
• 비용 절감: 무선 전력 전송은 케이블, 커넥터 및 배터리 교체 필요성을 없애 비용을 절감할 수 있습니다.
• 미학: 무선 충전 솔루션은 눈에 보이는 코드를 제거하여 더 깔끔하고 현대적인 디자인에 기여합니다.

과제 및 고려 사항

많은 이점에도 불구하고 무선 전력 전송은 몇 가지 과제에 직면해 있습니다:

• 효율성: 전자기장 및 에너지 변환 과정에서의 손실로 인해 무선 전력 전송의 효율성은 일반적으로 유선 전력 전송보다 낮습니다. 효율성 향상은 연구 개발의 핵심 영역입니다.
• 범위: 무선 전력 전송의 범위는 전자기장의 강도에 의해 제한됩니다. 근거리 기술은 원거리 기술보다 범위가 짧습니다.
• 안전성: 전자기장 노출은 안전 문제를 야기할 수 있습니다. 무선 전력 전송 시스템이 안전 한도 내에서 작동하도록 보장하기 위한 표준 및 규정이 필요합니다. 국제 비전리 방사선 보호 위원회(ICNIRP)는 전자기장 노출에 대한 지침을 설정합니다.
• 간섭: 무선 전력 전송 시스템은 다른 전자 기기, 특히 유사한 주파수에서 작동하는 기기와 간섭할 수 있습니다. 간섭을 최소화하기 위해 차폐 및 필터링 기술이 필요합니다.
• 비용: 무선 전력 전송 시스템의 비용은 유선 전력 시스템보다 높을 수 있으며, 특히 원거리 기술의 경우 더욱 그렇습니다. 비용 절감은 광범위한 채택을 위해 필수적입니다.
• 표준화: 보편적인 표준 부족은 상호 운용성과 전 세계적인 채택을 방해합니다. 유도 충전용 Qi 표준은 주목할 만한 예외입니다.

글로벌 표준 및 규정

여러 국제 기관이 안전, 상호 운용성 및 호환성을 보장하기 위해 무선 전력 전송에 대한 표준 및 규정을 개발하고 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

• Qi 표준: 무선 전력 컨소시엄(WPC)이 개발한 Qi는 유도 무선 충전에서 가장 널리 사용되는 표준입니다.
• AirFuel Alliance: 이 조직은 공진 유도 및 RF 무선 전력 전송을 위한 표준을 개발합니다.
• 국제 전기 기술 위원회(IEC): IEC는 전자기 호환성 및 안전에 대한 표준을 개발합니다.
• 국제 비전리 방사선 보호 위원회(ICNIRP): 이 조직은 전자기장 노출에 대한 지침을 설정합니다.
• 미국 연방 통신 위원회(FCC): 무선 주파수 장치를 규제하고 전자기 방출에 대한 제한을 설정합니다.
• 유럽 전기 통신 표준 협회(ETSI)(유럽): 통신 및 무선 기술 표준을 개발합니다.

무선 전력 전송의 미래 동향

무선 전력 전송의 미래는 유망하며, 여러 가지 새로운 동향이 산업을 형성할 것으로 예상됩니다:

• 효율성 향상: 연구자들은 새로운 재료, 회로 설계 및 제어 알고리즘을 통해 무선 전력 전송 시스템의 효율성을 향상시키기 위해 노력하고 있습니다.
• 더 긴 범위: 원거리 기술의 발전은 더 먼 거리에서 무선 전력 전송을 가능하게 하여 항공우주, 방위 및 산업 자동화 분야에서 새로운 응용 분야를 열고 있습니다.
• 동적 충전: 전기 자동차용 동적 무선 충전은 운전 중에도 EV를 충전할 수 있도록 하여 더욱 보편화될 것으로 예상됩니다.
• 소형화: 무선 전력 전송 부품의 소형화는 더 작고 휴대성이 뛰어난 장치에 통합될 수 있도록 합니다.
• 다중 장치 충전: 여러 장치를 동시에 충전할 수 있는 무선 충전 패드가 점점 더 보편화되고 있습니다.
• 무선 전력 네트워크: 건물이나 지역 전체에 에너지를 분배할 수 있는 무선 전력 네트워크 개발이 탐구되고 있습니다.
• 주변 소스에서 에너지 수확: 더 효율적인 에너지 수확 기술은 주변 무선파 및 기타 환경 소스에서 장치에 전력을 공급할 수 있도록 합니다.

무선 전력 혁신 기업 사례

전 세계적으로 수많은 기업이 무선 전력 기술의 한계를 뛰어넘고 있습니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다:

• WiTricity (미국): 전기 자동차용 무선 충전 기술의 선두 기업입니다.
• Energous (미국): RF 기반 무선 전력 전송 기술인 WattUp을 개발합니다.
• Ossia (미국): 전파를 사용하여 원거리에서 전력을 공급하는 Cota Real Wireless Power에 중점을 둡니다.
• Powermat Technologies (이스라엘): 공공 장소 및 가전 제품을 위한 무선 충전 솔루션을 제공합니다.
• Humavox (이스라엘): 웨어러블 및 보청기와 같은 소형 장치용 근거리 무선 충전을 전문으로 합니다.
• NuCurrent (미국): 무선 전력 코일 및 시스템을 설계 및 제조합니다.
• 무라타 제작소(일본): 무선 전력 전송 모듈을 포함한 전자 부품 분야의 글로벌 리더입니다.
• ConvenientPower (중국): 가전 제품 및 자동차를 포함한 다양한 응용 분야를 위한 무선 충전 솔루션을 개발합니다.
• 샤오미(중국): 스마트폰용 무선 충전 기술(over-the-air)을 시연했습니다.

결론

무선 전력 전송은 우리가 장치와 시스템에 전력을 공급하는 방식을 혁신할 잠재력을 가진 빠르게 발전하는 기술입니다. 가전 제품에서 전기 자동차, 의료 기기에 이르기까지 WPT는 광범위한 산업에서 응용되고 있습니다. 효율성, 범위, 안전성 및 비용 측면에서 과제가 남아 있지만, 지속적인 연구 개발은 무선 전력이 우리 삶에 유비쿼터스하고 원활하게 통합되는 미래를 위한 길을 닦고 있습니다. 기술 혁신의 글로벌 특성은 다양한 시장과 응용 분야에서 이러한 기술의 지속적인 발전과 채택을 보장합니다.