이동 중에도 방향 구애받지 않고 무선 충전

광주과학기술원

(왼쪽부터) 임춘택 광주과학기술원(GIST) 에너지융합대학원 교수, 김윤수 교수, 사흐 사이드 아손 알리 박사, 태춘반 박사. GIST 제공.

웨어러블 장치나 자율주행차 등의 방향에 구애받지 않는 새로운 무선전력 기술이 개발됐다. 

광주과학기술원(GIST)은 임춘택 에너지융합대학원 교수 연구팀이 차세대 무선전력 기술로 주목받고 있는 회전자계 축간 간섭방지 방법을 찾아내 새로운 무지향 무선전력 기술을 개발하는 데 성공했다고 8일 밝혔다. 

무선전력은 유선전력 케이블을 제거해 전기사고를 방지하고 충전 편의성을 높일 수 있는 방법이다. 특히 무지향 무선전력 기술은 6자 유도(3축 위치, 3축 회전)를 갖고 이동하는 로봇, 산업용 자율주행차(AGV), 웨어러블 장치, 사물인터넷(IoT) 등에 적용돼 이동 중에도 무선으로 전력을 공급할 수 있는 차세대 기술이다.

무지향 특성을 얻기 위해서는 직각으로 쇄교(자기력선 2개가 서로 교차하는 것)하는 두 쌍의 코일로 회전자계를 만들어야 한다. 축간 간섭현상으로 인해 공진회로가 불안정해져 무선 공급 전력량을 높일 수 없는 한계가 있었다. 

연구팀은 두 코일의 교차 지점에서 자기 포화가 발생하고 이로 인해 코일의 전류로부터 발생하는 자기장 세기를 나타내는 비례계수인 인덕턴스가 감소하면서 회로의 공진주파수가 높아진다는 점을 확인했다. 이로 인해 코일 전류가 증가함으로써 자기 포화가 악화돼 전력량을 높일 수 없었다. 자기 포화는 자성체를 갖는 코일에서 전류를 증가시키는 자기력선의 합이 증가하다가 더 이상 증가하지 않는 현상을 의미한다. 

무선전력용 코일에는 전력 전달의 효율을 높이기 위해 무선전력용 코일 자기 재료로 사용되는 코어(페라이트 또는 나노 크리스탈 라인)는 전류가 높아지고 코어의 성능을 초과하는 자기 포화가 발생하고 악순환이 일어나는 것이다. 

무선전력 회로가 한번 악순환에 빠지면 직각으로 쇄교하는 두 축간 불균형이 심해져 더 이상 회전자계가 발생하지 않고 전력 손실이 급격히 늘어 무선전력 전달이 불가능한 상태가 된다.

이를 해결하려면 코일의 설계를 변경하거나 전류를 안정적으로 제어해야 한다. 연구팀은 비선형적인 자기회로(자속이 흐르는 통로)를 선형적으로 해석해 악순환이 발생하지 않기 위한 조건을 정량적으로 찾아내 무선 공급 전력량을 지금보다 30% 이상 높일 수 있었다. 

임 교수는 “무지향성 무선전력 기술은 공간 제약 없이 자유롭게 충전할 수 있는 기술”이라며 “무선 공급 전력량을 높이는 기술은 반드시 필요하며 넘어야 하는 관문”이라고 말했다. 이번 연구는 국제학술지 ‘국제전기전자공학회 전력전자학회지’ 10월호에 실렸다. 

<참고 자료>
https://doi.org/10.1109/TPEL.2024.3419913

[문세영 기자 moon09@donga.com]