전력 전자의 기술 동향 - 무선 전력 전송 (WPT)-

 

전력전자 및 에너지 변환 기술들 중 차후의 중요한 역할을 할 것으로 기대하는 기술 중에 하나인 무선 전력 전송 (Wireless Power Transfer, WPT) 기술에 대하여 포스팅해 보겠습니다.

 

스마트폰의 무선 충전

 

- 무선 전력 전송 (WPT) 기술 소개 -

 

무선 전력 전송 소개

 

무선 전력 전송(WPT)은 물리적 유선 연결 없이 전원에서 전기 부하로 전기 에너지를 전송하는 기술입니다. 이 기술은 스마트폰, 태블릿, 웨어러블 디바이스와 같은 전자 기기 충전, 전기 자동차(EV) 및 기타 산업용 애플리케이션에 전력을 공급하는 등 다양한 애플리케이션에 사용됩니다.

유도 결합, 공진 결합, 전자기 방사 등 여러 가지 방법으로 무선 전력 전송을 수행할 수 있습니다. 유도 결합은 휴대용 장치의 무선 충전에 가장 일반적으로 사용되는 방법이며, 공진 결합과 전자기 방사 방식은 일반적으로 EV 충전과 같은 고전력 애플리케이션에 사용됩니다.

유도 결합은 전원에 있는 코일과 충전 중인 장치에 있는 코일 두 개를 서로 가깝게 배치하는 방식으로 작동합니다. 전원에 있는 코일에 교류(AC)가 흐르면 충전 중인 디바이스의 코일에 전류를 유도하는 교류 자기장이 생성됩니다. 이 전류는 장치의 배터리를 충전하는 데 사용됩니다.
공진 커플링도 비슷한 방식으로 작동하지만 공진 회로를 사용하여 효율을 개선하고 전원과 충전 중인 장치 사이의 거리를 늘립니다. 무선 주파수(RF) 에너지 전송이라고도 하는 전자기 방사선은 전자파를 사용하여 더 먼 거리로 전력을 전송합니다. 현재 사용 중인 무선 전력 전송(WPT) 기술의 실제 사례에는 다음과 같은 몇 가지가 있습니다:

 

무선 전력 전송의 실제 사용 예시

1. 모바일 장치의 무선 충전

현재 많은 스마트폰, 태블릿 및 기타 휴대용 전자 기기가 무선 충전을 지원합니다. 삼성, Apple, Google과 같은 회사에서는 자사 디바이스에 대한 무선 충전 옵션을 제공하며, 타사 무선 충전 패드 및 스탠드도 판매하고 있습니다.

 

2. 전기 자동차(EV) 충전

전기차 충전을 위한 WPT 기술이 개발 및 배포되고 있습니다. 이 기술을 사용하면 충전소에 물리적으로 연결할 필요 없이 차량을 충전할 수 있으므로 편의성이 향상되고 크고 무거운 배터리의 필요성을 줄일 수 있습니다.

 

3. 임플란트

심박 조율기나 이식형 제세동기와 같은 의료용 임플란트에도 WPT 기술이 사용되고 있습니다. 이러한 장치는 배터리를 자주 교체해야 하지만 WPT를 사용하면 배터리를 교체하기 위해 수술할 필요가 없습니다.

 

4. 산업용 애플리케이션

WPT 기술은 손이 닿기 어려운 곳에 있는 센서와 모니터링 장비에 전원을 공급하는 등 산업용 애플리케이션에도 사용되고 있습니다.

5. 소비자 가전

로지텍, 레이저와 같은 회사에서는 WPT 기술을 사용하는 게이밍 마우스용 무선 충전 패드를 출시했습니다.

- 무선 전력 전송 (WPT) 기술의 역사와 기술 동향 -

 

무선 전력 전송 기술의 역사 및 동향

 

무선 전력 전송(WPT) 기술의 역사는 19세기 후반 니콜라 테슬라가 고주파 교류(AC) 전기 실험을 통해 무선 전력 전송을 처음 시연했을 때로 거슬러 올라갑니다. 1891년, 그는 짧은 거리에서 무선으로 전기를 전송할 수 있는 일종의 공진 변압기인 테슬라 코일을 개발했습니다.
그 후 수십 년 동안 다른 여러 발명가와 연구자들이 WPT 기술 개발에 기여했습니다. 1920년대에는 무선 통신의 선구자 굴리엘모 마르코니가 장거리 무선 전력 전송 실험을 진행했고, 1950년대에는 전자기 방사선을 이용해 음식을 조리하는 전자레인지를 개발했습니다. 1960년대와 1970년대에 NASA 및 기타 기관의 연구원들은 인공위성에 전력을 공급하고 우주선에 전력을 전송하는 등 우주 애플리케이션을 위한 WPT 기술을 실험하기 시작했습니다. 이 연구를 통해 우주에서 태양 에너지를 수집하여 지구로 무선으로 전송하는 태양열 발전 위성이 개발되었습니다.

1980년대와 1990년대에 대학과 민간 기업의 연구원들은 새로운 기술과 응용 프로그램을 개발하면서 WPT 기술에 대한 연구를 계속했습니다. 1998년 스플래시파워라는 회사에서 최초로 상용화된 무선 충전 패드가 출시되었습니다.
그 이후로 특히 휴대용 전자기기와 전기 자동차 충전에 대한 WPT 기술에 대한 관심이 높아졌습니다. 무선 충전에 대한 여러 표준이 개발되었는데, 여기에는 무선 전력 컨소시엄의 Qi 표준과 에어퓨얼 얼라이언스의 공진 표준이 포함됩니다.
현재 무선 전력 전송(WPT)의 현재 동향으로는 모바일 기기 무선 충전의 인기 증가와 전기 자동차(EV) 충전에 대한 WPT 기술 채택 증가가 있습니다. 또한 WPT 기술의 효율성, 범위, 안전성을 개선하기 위한 연구 및 개발 노력이 집중되고 있습니다. 미래에는 몇 가지 흥미로운 가능성이 있습니다. 다음은 몇 가지 잠재적인 트렌드와 응용 분야입니다.

 

무선 전력 전송의 기술의 미래 가능성

1. 장거리 무선 충전

현재 대부분의 무선 충전은 단거리로 제한되어 있지만, 장거리에서 기기를 충전할 수 있는 WPT 기술 개발에 대한 연구가 진행 중입니다. 이 기술이 개발되면 지속적으로 이동하는 드론이나 로봇과 같은 장치를 무선으로 충전할 수 있을 것입니다.

2. 이동 중에도 충전 

WPT 기술의 또 다른 잠재적 응용 분야는 사용 중인 디바이스를 충전하는 것입니다. 여기에는 도로, 보도 및 기타 공공장소에 WPT 기술을 내장하여 디바이스를 사용하면서 무선으로 충전할 수 있도록 하는 것이 포함될 수 있습니다.

3. 전기 자동차 무선 충전

전기차 충전을 위한 WPT 기술의 채택은 계속 증가할 것으로 예상됩니다. 여기에는 주차 공간에 충전 패드를 내장하여 주차 중에 전기차를 무선으로 충전할 수 있도록 하는 것이 포함될 수 있습니다.

4. 외딴 지역을 위한 무선 전력 전송

WPT 기술은 기존의 전력 전송이 어렵거나 불가능한 외딴곳이나 도달하기 어려운 지역에 전력을 전송하는 데에도 사용될 수 있습니다. 여기에는 원격 위치에 있는 센서, 모니터링 장비 및 기타 장치에 전원을 공급하기 위해 WPT를 사용하는 것이 포함될 수 있습니다.

5. 우주 기반 태양광 발전

WPT 기술의 야심 찬 응용 분야 중 하나는 우주 기반 태양광 발전입니다. 위성을 이용해 우주에서 태양 에너지를 수집하고 이를 무선으로 지구로 전송하는 것입니다. 이 기술은 아직 개발 초기 단계에 있지만, 전력을 생산하고 분배하는 방식을 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

- 무선 전력 전송 (WPT) 기술의  한계점들 -

 

무선 전력 전송(WPT) 기술은 먼 길을 걸어왔지만, 널리 채택되고 사용되기에는 여전히 몇 가지 한계가 있습니다. 다음은 몇 가지 주요 제한 사항입니다:

1. 제한된 범위

현재 대부분의 WPT 시스템은 범위가 제한되어 있으며, 일반적으로 몇 미터에 불과합니다. 따라서 장거리에서 기기를 충전하거나 장비에 전력을 공급하는 데는 유용성이 제한됩니다.

2. 낮은 효율성

WPT 시스템은 일반적으로 유선 전력 전송 방식에 비해 효율성이 낮습니다. 이는 전력을 무선으로 변환하고 전송하는 과정에서 발생하는 에너지 손실 때문입니다.

3. 안전 문제

WPT 시스템은 전자기장을 사용하여 무선으로 전력을 전송하므로 특히 고전력 애플리케이션의 경우 안전 문제가 발생할 수 있습니다. 전자기 방사선에 노출될 위험이 있으며 다른 전자 장치와 간섭을 일으킬 수 있습니다.

4. 비용

WPT 기술을 구현하는 데 드는 비용은 기존의 유선 전력 전송 방식보다 높을 수 있으며, 이는 특히 대규모 애플리케이션의 경우 도입을 가로막는 장벽이 될 수 있습니다.

5. 간섭

WPT 시스템은 다른 전자 장치 또는 기상 조건과 같은 환경 요인으로부터 간섭을 받기 쉬우며, 이는 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

6. 표준화

현재 WPT 기술에 대한 여러 경쟁 표준이 존재하며, 이는 상호 운용성 문제와 소비자 혼란을 초래할 수 있습니다.

전반적으로 WPT 기술은 많은 장점을 가지고 있지만, 다양한 애플리케이션에서 채택 및 사용을 확대하기 위해서는 해결해야 할 몇 가지 한계가 있습니다. WPT 시스템의 효율성, 범위, 안전성을 개선하고 기술을 표준화하며 비용을 절감하기 위한 연구 개발 노력이 계속되고 있습니다.

이상, 무선 전력 전송 기술에 대하여 포스팅을 마치겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다.