‘주머니속 휴대폰 충전’ 시대 성큼…“벽·바닥·공중 등 3차원 공간 어디서든 충전”
변영재 UNIST 교수. UNIST 제공
그림. 개발된 중거리(Mid-range) ERWPT 시스템. A)전력 수신기에 Open Bifilar Coil을 구현해 중거리 전력 전송 거리를 달성한 ERWPT 시스템의 구조, B)중거리 ERWPT 실험 측정 환경 (2m 전력전송 거리). UNIST 제공
휴대폰을 주머니에 넣은 채로 충전하는 시대가 가까워졌다. 벽, 바닥, 공중 등 3차원 공간 안 어디서든 전자기기를 무선 충전할 수 있는 기술이 개발됐기 때문이다.
울산과학기술원(UNIST, 총장 박종래) 전기전자공학과 변영재 교수팀은 3차원 공간 어디에서든 충전이 가능한 전기공진 방식의 무선전력전송(ERWPT) 기술을 세계 최초로 개발했다고 12일 밝혔다.
연구팀은 전기장이 일정한 방향성을 유지하는 특성에서 착안해 전기공진 방식의 무선전력전송 기술을 개발했다. 무선 충전이더라도 정해진 위치에 놓아야만 충전할 수 있었던 기존 자기공명 방식의 한계를 넘어선 기술이다. 자기공명 방식은 자기장의 스스로 돌아오려는 성질 때문에 송수신기 위치가 조금이라도 틀어지면 충전 효율이 급격히 떨어졌다.
개발된 기술은 가로, 세로, 높이가 최대 2m인 공간 안에서 46%의 무선 전력 전송 효율을 보였다. 앞서 2007년 미국 MIT 연구진은 ‘자기공진방식’을 통해 최대 2m 떨어진 거리에서 40%의 전송 효율을 달성한 바 있다.
그림. 수신기를 여러 대 배치했을 때 충전 효율 다중 ERWPT 수신기에 4W LED를 부하로 적용한 경우, 동일한 xy-평면에서 모든 LED가 동일한 밝기를 나타냄을 확인한 사진. 이는 ERWPT 시스템이 동일한 xy-평면에서 동일한 전력 전송 효율을 유지하며, 단일 전력 송신기로 다중 수신기 연결이 가능함을 보여줌. UNIST 제공
변영재 교수는 “MIT 연구진이 자기공진 방식으로 중거리 충전의 가능성을 보여줬다면, 이번 기술은 이에서 진화해 3차원 공간 어디서든 충전이 가능하도록 한 혁신”이라며, “스마트 공장의 물류 로봇, 자동화 시스템에 무선 충전 솔루션을 제공할 수 있을 것”이라고 설명했다.
연구팀은 수신기가 전기장 안에서 자유롭게 충전될 수 있도록 송수신기의 물리적 구조를 개선하고, ‘오픈 바이 필러 코일’ 구조(Open bifilar coil)를 적용해 이 같은 전력전송 방식을 구현했다. 전통적인 코일 구조를 오픈 바이필러 코일 구조로 대체함으로써 전기공진을 최적화해 멀리 떨어진 거리에서도 무선 전력 전송이 가능하다. 이 충전방식은 여러 대의 전자기기를 동시에 충전할 수도 있다. 실험을 통해 여러 개의 수신기를 한 공간으로 배치해도 동일한 효율로 전력을 전송할 수 있음을 확인했다.
연구팀은 이번 연구가 기술적 성과를 넘어 전자기력의 본질에 대한 새로운 접근을 제시한 점에서 학술적으로도 가치가 있다고도 설명했다. 제1 저자인 이본영 UNIST 박사는 “ERWPT 시스템은 기술적 성과를 넘어, 전자기력을 활용한 새로운 에너지 전송 방식을 제시하고, 전자기력의 본질에 대한 새로운 접근을 보여준다”고 말했다.
이번 연구는 SB솔루션 민형기 연구소장이 공동 저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 11월 21일 자로 온라인 게재됐다. 연구수행은 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 이뤄졌다.
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