무선 충전 (Wireless Charging)

정의

무선 충전이란 말 그대로 충전용 케이블을 사용하지 않고 기기를 충전하는 방식을 말합니다. 영어권에서 'Wireless Power Transfer' (WPT)로 명칭 됩니다. 니콜라 테슬라에 의해 최초로 고안된 이 충전 방법은 전자기기 사용량이 증가함에 따라 관련 기술이 발전하고 있습니다.

무선 충전 기술은 유선 연결이 불가능하거나 위험할 경우 전력을 공급하는 데 유용합니다. 현재 무선 충전의 방법에는 크게 자기 유도방식과 공진 유도방식으로 분류됩니다.

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역사

1800년대 전자기학이 정립되면서 Faraday의 전자기유도법칙과 Maxwell의 실험과 이론의 수식등 전자기학이 지속적으로 발전되었습니다. 18세기 후반에 H.R.Hertz가 전자기파 존재를 확인함으로 무선 전송의 길이 열었습니다.

이후 1894년 N.Tesla가 무선공명 유도 결합방식으로 전구를 밝힌것이 무선 충전의 시초입니다.

G.Marconi가 1900년대초 무선 통신을 최초로 성공함에 따라 라디오, TV 등 정기적 신호를 송수신할 수 있게 되었습니다. 이후 통신 기술은 비약적인 발전을 이루게 됩니다. 무선 전력 전송은 1900년대 후반에 파워일렉트로닉스사의 익덕션 방식으로 상용화가 되었습니다.

전동 칫솔에 무선 충전을 적용 하였는데, 물의 접촉이 많은 곳에서 사용하는 가전제품임으로 전원부가 밀폐화가 필요하였고 느린 충전이지만 사용 시간이 짧고 대기 시간이 긴 칫솔이었기에 무선 충전 기술 적용이 가능했습니다. 2000년 초반 MIT의 솔리치치라는 그룹에서 기존에 사용하던 비공진형 유도 충전 방법과 달리 자기 공명 충전 방법을 논문으로 발표하면서 무선 충전이 다시 부각되었습니다.

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종류

자기 유도방식 무선 충전 (electromagnetic induction coupling)

자기 유도방식은 충전기기의 자기장을 이용하여 충전 상대의 자기를 유도 함으로 전력을 전송하는 자기 유도원의 원리에 기반을 두고 있습니다.

자기 유도방식에서는 충전 패드에 전기를 인가하여 자기장을 형성합니다. 이 자기장은 공간을 건너 충전 기기 내부에 있는 코일과 상호 작용하게 됩니다. 충전 기기 내부의 코일에 충전기기에서 나온 자기장의 영향으로 새로운 자기장이 발생되어 전력을 수신하고 이를 충전으로 사용합니다.

자기 유도방식은 근거리 무선 충전에 적합하며 무선 충전 기술 중에서도 가장 보편적으로 사용되는 방식입니다. 자기장의 거리가 제한적이어서 충전 패드와 충전 기기 사이의 접촉 및 위치의 일체화가 필요하여 일정한 위치에 기기를 놓아야 충전이 가능합니다. 하지만 충전 효율이 높아 전력 손실이 적은 장점으로 주로 스마트폰, 스마트워치 등의 기기에 적용됩니다.

유도 결합은 가장 오래되고 가장 널리 사용되는 무선 전력 기술이며 현재까지 상용 제품에 사용되는 사실상 유일한 기술입니다. 전동칫솔, 면도기 등 습한 환경에서 사용되는 무선 가전의 유도충전 스탠드에 사용되어 감전의 위험을 줄입니다. 또한 의학 분야에서 심장 박동기 및 인슐린 펌프와 같이 인체에 이식된 생체 의학 장치의 재충전에 사용됩니다. 그중 가장 널리 사용되는 것은 컴퓨터, 휴대용 기기등의 전가 기기 분야입니다. 미국 FCC(Federal Communications Commission)가 2017년 12월 무선 전송 충전 시스템에 대하여 첫 인증을 제공했습니다.

공진 유도방식의 무선 충전 (magnetic resonance)

공진 유도 방식의 원리 또한 전원에 연결된 충전기기에서 자기장을 발생시키는 것은 자기 유도방식과 마찬가지입니다. 자기장에 추가로 공진 주파수를 설정하여 근접장을 형성합니다. 같은 공진 주파수로 설계된 충전기기를 근접장 내 접근시키면 양쪽 간 에너지 공진이 일어나 충전기기에 전력을 발생시키고 충전을 하는 방법입니다.

공진 유도방식은 무선 충전 거리가 상대적으로 멀리까지 가능합니다. 자기 공진 현상을 이용하여 효율적으로 전력을 전송할 수 있기 때문입니다. 따라서 충전 패드와 충전 기기 간에 접촉이 필요하지 않으며, 충전 기기를 패드의 근접장 내에 두기만 하면 충전이 시작됩니다. 다만 충전 패드와 충전 기기 사이의 거리와 위치에 따라 충전 속도와 효율은 달라질 수 있습니다.

공진 유도방식의 가장 큰 장점은 충전 거리에 있습니다. 이는 자기장의 범위의 영역이며 스웨덴 국방연구소는 무선 충전 시스템을 85kHz로 설정할 경우 최대 300km 반경까지 영향을 준다고 발표하였습니다.

그 외.

유도충전 (Inductive charging)

전자기 유도를 사용하여 충전하는 이 방법은 완전히 새로운 원리를 사용하는 것은 아닙니다. 다만 이 방법은 전기 자동차의 무선 충전을 목적으로 개발된 방법입니다. 1kW 이상의 고전력 유도 충전 시스템을 목표로 하며 공진 유도 방식으로 130khz 주파수의 자기 파장에서 작동합니다.

세계 무선 시스템

개인적으로 가장 인상 깊었던 아이디어입니다. N.Tesla가 고안한 방법으로 고도 30,000피트 이상의 공중에서 전극을 송수신하는 풍선으로 전력을 무선으로 전송하는 시스템을 제안했습니다. 고고도의 대기 중에 고전압(수백만 볼트)을 장거리로 보낼 수 있는 방법으로 1899년 콜로라도 스프링스의 높은 고도에 테스트 시설을 세웠습니다. 메가볼트 범위에서 작동하는 대형 코일을 사용하여 그곳에서 수행한 실험과 낙뢰의 전자 소음에 대한 관찰을 통해 지구 전체를 전기 에너지 전도에 사용할 수 있다고 생각했습니다. 지구의 전위를 진동시키기 위해 높은 커패시턴스로 작동하는 테슬라 코일에서 공진 주파수로 교류 펄스를 지구로 구동하는 것이 포함되는 방법입니다 N.Tesla는 이것이 전력 손실 없이 지구상의 어느 지점에서든 교류와 공명하도록 설정된 안테나로 교류를 통한 전기를 수신할 수 있을 것이라고 생각했습니다. 지구 자체를 큰 자석으로 적용한 원리입니다. 1901년 뉴욕 쇼어햄에서 'Wardenclyffe Tower'라고 불리는 대형 고압 무선 발전소를 건설하려고 시도했지만 투자가 고갈되어 시설이 완공되지 않았습니다.

자기 유도 무선 충전 방식의 DIAGRAM (출처 : 구글 이미지)

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미래

무선 충전 기술은 우리가 사용하는 전자 제품부터 자동차, 의료 기기, 산업용 로봇 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며 미래에도 더욱 발전할 것으로 기대됩니다. 다가오는 전기차 시대에는 무선 충전을 통해 전기차 충전 인프라를 구축하는 노력이 적극적으로 추진되고 있습니다.

근대는 무선으로 정보만 전달하는 시대였으나 현대의 전자기 기술은 무선으로 전력까지 전달하는 새로운 패러다임의 시대를 열었습니다. 다양하고 여러 가지의 전력 전달 방법들이 고안되고 변하는 과정에서 이러한 기술이 환경이나 인간에 미치는 장기적인 영향을 충분히 고려해야 할 것입니다. 무선 충전의 역사가 짧은 관계로 이런 영향에 대한 관찰이나 보고가 충분히 이루어져야 합니다.

기술의 발전 속도가 어느 때보다 빠른 시대입니다. 우리는 '클레어 패터슨'같은 과학자가 더욱 절실한 것 같습니다.