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선 없는 편리함, 무선 전력 전송의 원리

9월 20 업데이트됨

올해 초 삼성전자가 내놓은 갤럭시 s10에는 혁신적인 기능이 탑재되었습니다. 바로 무선 배터리 공유입니다. 기존에는 휴대 전화를 무선 충전 패드 위에 올려놓아서 휴대 전화가 무선 충전을 받는 것만 가능했습니다. 하지만 이 무선 배터리 공유는 휴대 전화로 무선 충전을 받는 것을 넘어서 무선 충전을 다른 기기에 하는 것이 가능하게 했습니다. 이 무선 배터리 공유를 비롯한 휴대 전화, 무선 이어폰, 심지어는 전기 버스까지 무선 충전을 활용하는 시대가 된 것입니다. 그래서 무선 충전에 사용되는 무선 전력 전송의 원리에 대해서 알아보고자 합니다.


무선 전력 전송의 방식들

전력을 전선을 사용하지 않고 대기를 통해서 무선으로 전송하는 무선 전력 전송의 방식은 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다. 자기 유도 방식, 자기 공명 방식, 전자기파 방사 방식입니다. 자기 유도 방식은 두 코일을 이용해서 전자기 유도 방식으로 전력을 전송하는 것이고, 자기 공명 방식은 공명 진동수가 같은 두 코일 사이의 공명을 이용해서 전력을 전송하는 방식이며, 전자기파 방사 방식은 전자기파를 안테나를 통해서 직접 송수신하는 방식입니다.


자기 유도 방식을 이용한 무선 충전

자기 유도 방식은 현재 가장 많이 사용되고 있는 무선 충전 방식입니다. 자기 유도 방식은 이미 가장 빠르게 상용화가 이루어져서 무려 2012년부터 휴대 전화에도 탑재된 기술입니다. 우리가 주로 사용하는 휴대 전화나 이어폰 같은 기기들을 무선 충전할 때 이 자기 유도 방식을 사용합니다. 자기 유도 방식은 변압기에서 전력을 송신하듯이 가까이 붙어있는 두 코일에서 전자기 유도를 이용해서 전력을 전달합니다. 더 자세히 말하자면, 송신하는 기기에 있는 코일에서 수백 kHz의 주파수로 변하는 전류를 보내면 이에 따라 생기는 자기장이 변화합니다. 그래서 수신하는 기기의 코일에서 전압이 유도되고, 배터리가 충전되는 것입니다.

자기 유도 방식에 사용되는 코일

그래서 전력을 송신하는 기기와 전력을 수신하는 기기가 서로 붙어있을 때는 코일 사이의 거리가 가까워서 전력 손실이 적고, 이론상으로는 두 코일이 가까이 있을 때 최대 약 85%의 효율을 낸다고 합니다. 하지만 자기 유도 방식에서는 두 코일이 멀리 떨어져 있으면 자기력선이 다른 곳으로 퍼져나가고, 효율이 급감합니다. 그래서 자기 유도 방식은 무선임에도 불구하고 두 기기가 매우 가까이, 정확한 위치에 놓여 있어야 한다는 단점이 있습니다. 그래도 근거리에서 효율이 높고, 인체 건강에 대한 문제가 검증되어 현재 가장 상용화되어 있는 방식입니다. 그리고 정확한 위치에 있어야 한다는 문제는 여러 개의 코일을 사용해서 해결할 수 있습니다. 그래서 삼성, LG, 애플 등에서 만드는 모바일 기기나 일부 전기 자동차 등에서 오래전부터 사용됐습니다.

자기 유도 방식을 이용한 삼성의 무선 충전 기술
자기 공명 방식을 이용한 무선 전력 전송

앞에서 본 자기 유도 방식은 거리가 조금만 떨어져도 충전의 효율이 매우 낮아진다는 문제가 있었습니다. 하지만 옆으로 새어나가는 전력을 줄이고, 먼 거리에서도 효율을 높이는 방법이 있습니다. 그것은 바로 ‘공명’을 이용하는 것입니다. 공명을 이용하면 꽤 먼 거리에 있더라도 공명 진동수가 같은 물체끼리는 서로 효율적으로 에너지를 전달할 수 있습니다. 그래서 이 자기 공명 방식에서는 공명 진동수가 같은 두 코일 간의 자기적 공명을 이용해서 꽤 먼 거리에서도 효율적으로 전력을 보냅니다. 실제로 1m 거리에서도 60%가 넘는 준수한 효율을 자랑합니다. 이런 자기 공명 무선 충전은 아직 여러 문제로 인해 상용화하는 단계에 있지만, 자기 공명 무선 충전이 현재의 문제들을 극복하고 사용된다면 먼 거리에서 전기차나 모바일 기기 등을 동시에 여러 대 무선 충전할 수 있어서 그 실용성은 높을 것으로 기대됩니다.

자기 공명 무선 충전의 원리
전자기파 방사 방식을 이용한 무선 전력 전송

마지막으로 소개해드릴 무선 전력 전송 방식은 전자기파 방사 방식입니다. 전자기파 방사 방식은 마이크로파와 같은 전자기파를 보내서 에너지를 전달한다는 것입니다. 이 경우에는 먼 거리라도 에너지를 바로 보낼 수 있고, 빛을 강하게 보내면 고출력으로도 보낼 수 있습니다. 그래서 이 기술은 멀리 있는 비행체나 무선 송전 등으로 사용될 수 있을 것으로 보입니다. 실제 실험에서 500m 거리고 10kW의 전력을 보내는 데 성공하기도 했습니다. 현재 마이크로파를 이용한 무선 전력 전송 기술을 더 발전시키면 우주 태양광 발전 기술이나 먼 거리로의 무선 송전 기술을 사용할 수 있을 것으로 기대됩니다. 하지만 앞의 두 방법에 비하면 효율이 매우 낮을 뿐만 아니라 안전성에 대한 우려로 실제 고출력 전자기파 방사 방식은 사용하기가 힘들어서 현재 실험 단계에 머물러있습니다.

마이크로파를 통한 전력 송신
무선 전력 전송이 가지는 장점

우리가 이런 무선 전력 전송 기술을 개발해서 좋은 점이 무엇이 있을까요? 우선 무선 전력 전송은 선을 없애준다는 것만으로도 큰 이점을 줍니다. 기존에는 선을 통해서 전기를 보내야 해서 선들이 많아지고, 이로 인해서 걸리적거리는 것이 문제였는데, 선이 없다면 그런 문제를 해결할 수 있습니다. 선이 없으면 감전사고 또한 줄일 수 있을 것입니다. 그리고 아직은 자기 유도 방식이 가장 상용화되었고, 나머지 자기 공명이나 전자기파 방사와 같은 기술은 상용화되지 않아서 원거리 전력 기술을 아직 사용하기는 힘들지만, 자기 공명이나 전자기파 방사 방식을 잘 개발한다면 원거리에서, 한 기기에서 여러 기기로 한 번에 충전이 가능해져서 전력 전송에서 혁신을 이뤄낼 수 있습니다. 와이파이처럼 방 안에 무선 전력 송신기를 두면 방에서 각각의 충전기 없이도 많은 기기를 전할 수 있습니다.


<참고자료>

[1]http://home.sogang.ac.kr/sites/rfdesign/lect/HFE/Lists/b6/Attachments/5/%EC%B4%88%EA%B3%A0%EC%A3%BC%ED%8C%8C%EA%B3%B5%ED%95%99_1b_RF%EC%84%A4%EA%B3%84%EC%97%B0%EA%B5%AC%EC%8B%A4%EC%86%8C%EA%B0%9C_wpt.pdf

[2]http://www.kea.kr/elec_journal/2015_7/5.pdf

[3]https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Whitepaper_WirelessCharging_Wireless_Resonant_Power_Transfer-WP-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462636cc8fb0163aaf282900eef

[4]http://www2.lns.mit.edu/fisherp/83.pdf

[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_power_transfer


<이미지>

[1]http://image.newdaily.co.kr/site/data/img/2012/06/17/2012061700025_0.jpg

[2]https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn%3AANd9GcRMthb6c3HXnqCgvSnMKUuLfss1vLdLSm6bbELDFgXVQrLeCVgC

[3]http://www2.lns.mit.edu/fisherp/83.pdf

[4]https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/66/Space_to_ground_microwave%2C_laser_pilot_beam.png


Physics 학생기자 김선우

2019년 겨울호

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