무선충전(Wireless Charge)에 대한 간단한 이해

"무선 충전?"

 

 

무선충전 분야에는 두개의 큰 줄기가 있습니다.

 

자기공진(자기공명), 자기유도방식입니다.

 

무선충전의 개략적 원리는 다음과 같습니다.

 

: 둥그렇게 말아 놓은 코일에 강한 전류를 흘리면 자성이 생성되는데, (암페어의 오른손 법칙)

 

이렇게 생긴 자성은 다른 코일을 가까이 대면 그쪽으로 전달됩니다. (변압기의 원리와 동일)

 

 

즉, 둥글에 말아놓은 코일에 강한전류① -> 자성(자기력) 발생② -> 옆에 코일로 자성 전달③ -> 전류발생④

 

이 되는 원리 입니다.

 

여기서, ② 과 ③ 사이가 무선으로 전류를 전달 하기에, 이 부분을 이용하여 충전하는 것을 무선충전이라고 합니다.

 

(정리하자면 [송신측]전류 -> [송신측]자성 ->[수신측]자성 -> [수신측] 전류 -> 충전이 되는것입니다.)

 

출처 : https://www.belkin.com/kr/resource-center/wireless-charging/how-it-works/

 

 

즉, 정리하자면 [송신측]전류 -> [송신측]자성 ->[수신측]자성 -> [수신측] 전류 -> 충전 이 된다.

 

 

출처 : https://www.lcnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=1029

 

"무선 충전 기술"

 

 

① 자기유도방식(Magnetic induction)

 

: 자기유도방식 무선충전은 우리가 현재 흔히 사용중인 Qi 무선충전 '패드' 입니다.

 

여기서 '패드'가 중요한데요,

 

무선충전패드는 유선충전기처럼 단자를 꽂는 것은 아니지만, 패드와의 접촉이 반드시 필요합니다.(혹은 수cm 이내)

 

즉 이것이 자기 유도방식의 가장 큰 한계점으로... 무선 충전같지않은 무선충전인거죠

 

충전기 패드

 

이런 현상이 발생하는 원인은

 

위의 무선충전 설명에서 변압기와 같다고 한 부분에 송신부와 수신부의 코일이 있습니다.

 

이 두부분의 주파수를 동일하게 만들어 접촉시에 정확하게 송신부->수신부로 자성이 '유도'되도록 만든것이 자기'유도'방식이기에

 

송신부와 수신부의 코일이 거리가 멀어질수록, '유도'되는 양이 줄어들어, 접촉에 가까울 정도로 거리가 가까워야합니다.

 

자기유도(Magnetic induction)

 

▶ 자기유도 방식의 5가지 특징

 

1. 자기장 공진을 이용해 근거리(코일과 코일간)에서 전력을 공급

2. 충전기와 접촉 필요(패드)

3. 비용이 적게들고 인체에 무해하며(따로 주파수를 공기중으로 쏘지않습니다. 코일간 유도만 될뿐..),

4. 전력 전송 효율이 90% 이상

5. 짧은 전력 전송 거리(2번과 동일하나 수cm까지는 가능)

 

이런 치명적인 한계점을 가지고 있지만, 엔지니어링이란 불확실성과 현실성이 trade off이기에...

 

현실적 구현성이 아주 높으며, 이미 실생활에 사용될 정도로  양산되고 있습니다.

(우리가 사용하는 무선충전기는 전부 자기유도방식)

 

 

 

② 자기 공명방식(resonant inductive coupling)

 

자기공명방식은 자기공진으로도 불리는데, 직접적으로 충전 패드와 접촉하지 않아도 전력을 전송할 수 있다는 점이 특징이 있습니다.

 

기본적으로 코일을 통해서 전류가 전자기(자장)으로 바뀌는것 까지는 자기유도 방식과 동일한데요

 

여기서, 동일한 주파수를 가지는 코일을 통해 자기를 유도시키는 자기유도방식과 달리

 

자기 공진방식은 공진주파수에 자기를 실어 멀리 날려보냅니다.

 

 

(간단히 이해하자면, 송신코일과 수신코일을 무선통신의 안테나로보고 그 사이에 공진주파수라는 Carrier 주파수에 자기장을 실어서 보낸다고 생각하면 됩니다.)

 

현재는 1~2m까지 자기공진방식에 성공했지만(2m가 아마 MIT였던걸로 기억...) 상용화에는 아직 쉽지 않아보이는데요

 

전류가 전자기로 바뀌고 이를 다시 공진시키는 과정(공진주파수)에서 전력손실이 큰편이며,

 

이러한 전력손실보다 충전효율이 더욱 심각하게 좋지 않습니다.. (2m에선 40%정도..)

 

즉, 다시 원리를 정리해보자면

 

자기공명방식은

 

"송신부코일에서 공진 주파수로 진동하는 자기장을 생성해 동일한 공진 주파수로 설계된 수신부 코일에만 에너지가 '집중적'으로 전달되도록 하는 것"

 

입니다.

 

수 MHz에서 수십MHz대역의 주파수를 사용하여 자기적 공명을 이루어 전력을 전송하는 기술입니다.

 

-자기공명방식이 상용화되기 어려운 이유들

 

: 가장 중요한 이슈는 실제 이용 환경에서 전송되는 거리나 효율이 높지않다는 문제입니다.

 

송신기와 수신기가 공진을 일으키는 주파수대역이 작을수록 더 멀리 더 높은 효율로 전력을 전달 할 수 있는데,

 

 

이 주파수 대역(BandWidth)와 인체유해성은 trade off입니다. (5G이상 통신이 나오기 힘든것과 마찬가지).

 

고주파로 내몸을 쏜다고 생각하면 쉽습니다. (MRI도 자기공명을 이용한 기술입니다.)

 

위의 문제가 상관없다고 해도, 더 높은 효율을 위해서는 주파수 대역이 작아야하고,

 

이런 작은 주파수 대역을 수신부에서 정확히 인지하기 위해선 수신 공진기의 품질계수(Q-factor)가 높게 설계 되어야합니다.

 

신호를 제대로 잡지 못할 경우, 자기장으로 인한 발열문제가 발생할 수 있고, 무선으로 전송하는 전력이 인체에 유해하지 않다는 점도 증명해야하죠..

 

 

위 문제들만 해결된다면

 

누워서 핸드폰을 하지만 자동으로 충전이 된다거나, 전기자동차를 충전없이 원하는대로 운전할 수 있게 됩니다.

 

▶ 자기공명 방식의 4가지 특징

 

1. 충전기 내부 코일로 원거리에서 전력 공급(공진 주파수)

2. 충전기 주변에서 자동 충전

3. 원거리 충전으로 동시에 여러기계의 충전이 가능하며 송신부와 수신부 사이에 장애물이 있을 경우 효율 저하

4. 인체 유해성 논란