무선전력전송 방식

왜 배우는가: 무선전력전송은 스마트폰 무선 충전, 전기자동차 무선 충전, 의료 이식기기처럼 실무 적용이 빠르게 늘고 있어 방식별 원리와 한계를 구분해 이해해야 한다. 자기유도·자기공진·전자기파 방식의 구분은 기술사 시험에서 반복적으로 묻는 분류 체계이므로 정확한 정의와 거리 특성을 익혀 두어야 한다.

출제 이력: 제113회 4교시 6번, 제109회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

무선전력전송(Wireless Power Transfer, WPT)은 전선 없이 공간을 통해 전기에너지를 송신부에서 수신부로 보내는 기술이다. 작동 원리에 따라 자기유도 방식, 자기공진 방식, 전자기파(마이크로파·레이저) 방식으로 나뉜다.

무선전력전송은 작동 원리에 따라 자기유도, 자기공진, 전자기파 방식으로 분류한다.

• 핵심 키워드: 무선전력전송(WPT), 자기유도 방식, 자기공진 방식, 전자기파 방식, 근거리장(비복사), 원거리장(복사), 결합계수, 공진 주파수

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 코일 두 개를 가까이 두고 한쪽에 교류를 흘려 다른 쪽에 전기를 만드는 것이 무선전력전송의 출발점이다. 전선 대신 자기장이 에너지를 옮긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 무선전력전송은 송신 측 전원을 전자기장(자기장·전기장 또는 전자기파) 형태로 변환해 공간에 보내고, 수신 측에서 다시 전기에너지로 변환하는 전력 전달 방식이다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

자기유도 방식은 송신 코일과 수신 코일이 한 쌍의 변압기처럼 작동하는 방식이다. 송신 코일의 교류가 만든 진동 자기장이 수신 코일에 기전력을 유도한다. 패러데이 유도 법칙이 원리다. 전송 효율은 높지만 코일 간 거리가 수 mm에서 수 cm 범위로 매우 짧다.

자기공진 방식은 송신 공진기와 수신 공진기에 각각 커패시터를 붙여 같은 공진 주파수에 맞춘 방식이다. 높은 Q 인자 공진기는 내부 손실보다 훨씬 빠르게 에너지를 주고받으므로, 근거리장의 약한 자기장 꼬리를 이용해 더 먼 거리까지 전력을 전달할 수 있다. 공진이 맞을 때 결합이 크게 강해지는 것이 핵심이다.

전자기파 방식은 마이크로파나 레이저 같은 복사 전자기파로 에너지를 보내는 방식이다. 원거리장(복사) 기술로 분류되며, 거리가 장치 지름보다 훨씬 먼 경우에 쓰인다. 안테나의 지향성과 빔 집속이 효율을 좌우한다.

근거리장과 원거리장은 무선전력전송을 나누는 기준이다. 근거리장(비복사)은 자기장·전기장이 주로 작용하는 영역이고, 원거리장(복사)은 전자기파가 공간으로 퍼져 나가는 영역이다.

3. 등장 배경과 필요성

유선 충전은 케이블 연결이 필요해 이동 범위가 제한되고, 접점 노출로 인한 감전 위험과 방수 문제가 있다. 모바일 기기와 가전의 수가 늘면서 이를 해결하려는 요구가 커졌다.

무선 전력 전송의 역사는 길다. 근거리 코일 사이의 유도 전력 전송은 변압기가 개발된 1800년대부터 존재했다. 1892년에는 철도 열차에 궤도 전선을 통해 전력을 공급하는 유도 방식이 특허로 나왔다. 1960년대 초에는 공진형 유도 방식이 심박동기 등 이식형 의료기기에 쓰였다.

2000년대 이후 자기공진 방식이 주목받았다. 2007년 MIT 연구팀은 10MHz에서 약 40% 효율로 60W를 전송하는 데 성공했다. 이를 계기로 중거리 전송 가능성이 본격적으로 탐구됐다.

휴대폰 무선 충전은 WPC 표준의 자기유도·자기공진 송수신 제품이 2015년부터 최신 휴대폰에 적용되면서 시장이 크게 성장했다. 전기자동차 무선 충전은 수십 cm 떨어진 곳에서 충전할 수 있는 자기공진 방식이 중심이며, 표준화 단체로 SAE가 있다.

ITU-R 지정 전기차 무선전력 주파수 81~90kHz 대역

위 표는 세 방식의 거리 범위를 비교한다. 자기유도는 효율이 높으나 거리가 가장 짧고, 전자기파는 거리가 가장 길지만 빔 집속과 안전 관리가 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

무선전력전송 시스템은 전력을 공급하는 송신부와 전력을 받아 부하에 넘기는 수신부로 구성된다. 송신부는 교류 전원을 고주파 교류로 바꾸는 고주파 인버터와 송신 코일을 두고, 수신부는 수신 코일과 교류를 직류로 바꾸는 정류회로를 둔다. 두 코일 사이의 전력 결합 방식에 따라 자기유도형, 자기공진형, 전자기파(복사)형으로 나뉜다.

송신 코일과 수신 코일은 함께 변압기를 형성한다. 송신 코일에 흐르는 교류가 진동하는 자기장을 만들고, 이 자기장이 수신 코일을 통과하면서 패러데이 유도 법칙에 따라 기전력이 생긴다. 상호 인덕턴스 M과 결합 계수 k(0~1)가 전달 가능한 전력의 크기를 정한다. 결합 계수 k는 k=\dfrac{M}{\sqrt{L_1 L_2}} 로 정의하며, L_1, L_2는 두 코일의 자체 인덕턴스(H)다. k가 1에 가까울수록 한 코일의 자기 선속이 다른 코일을 더 많이 통과한다.

자기유도형의 원리는 변압기와 같다. 두 코일이 직접 결합하여 전력을 전달하며 효율은 높지만 거리는 수 mm에서 수 cm로 짧다. 자기공진형은 송신 코일과 수신 코일에 각각 커패시터를 달아 두 회로를 같은 공진 주파수로 맞춘다. 공진 회로는 비공진 물체보다 서로 강하게 상호작용하므로 주변 물체에 의한 손실이 작고, 코일 지름의 4~10배 거리에서도 높은 효율을 얻을 수 있다.

전자기파형은 마이크로파나 레이저 빔으로 에너지를 복사하는 방식이다. 수신 영역 모양에 맞춰 빔을 조정할 수 있고 거리는 수 km까지 가능하다. 다만 빔의 퍼짐은 레일리 한계에 따라 조리개 크기에 반비례하며, 전력 수준은 링크 버짓 계산으로 구한다.

전력 전송 절차는 다음과 같다.

• 송신부 전원이 교류를 고주파 교류로 변환한다.
• 송신 코일이 교번 자기장(또는 전자파)을 만든다.
• 수신 코일이 공진 주파수에서 자기장을 받아 기전력을 유도한다.
• 수신부 정류회로가 교류를 직류로 바꾼다.
• 제어회로가 전압·전류를 맞추어 배터리나 부하에 공급한다.

5. 관련 법령·기준·표준

무선전력전송은 전용 법령보다 표준화 단체의 규격과 전파 관련 주파수 규정이 기준이 된다. 모바일·가전 분야의 대표 표준화 단체는 WPC이고, 전기자동차 분야는 SAE가 표준을 개발한다. WPC는 자기유도 방식과 자기공진 방식의 송수신 규격을 함께 다룬다. 한편 A4WP는 자기공명 방식의 무선충전을 위해 삼성전자, 인텔, 퀄컴 등이 만든 협의회다.

전기자동차 무선 충전의 주파수는 ITU-R이 정한 대역을 따른다. 기준값은 다음과 같다.

주파수 표는 ITU-R 정의에 따른다. 자동차 무선 충전은 수십 cm 떨어진 곳에서도 충전할 수 있도록 자기공진 방식을 기본으로 개발되고 있다. 이식형 의료기기는 코일 간격을 일반적으로 20 cm 미만으로 둔다.

전기 설비 측면에서는 전기차 충전설비를 규정하는 「전기자동차 충전설비 설치 및 관리」 기준과 전파 사용 기준을 함께 확인하게 된다. 이 기준들은 설치 조건에 따라 적용 범위가 다르다.

6. 유형과 비교

무선전력전송 방식은 전력을 전달하는 물리 현상과 전송 거리에 따라 크게 세 가지로 나뉜다. 근거리장(비복사) 방식에는 자기유도 방식과 자기공진 방식이 있고, 원거리장(복사) 방식에는 마이크로파 방식과 레이저 방식이 있다. 답안에서는 먼저 두 계열을 나누고, 그다음 계열 안에서 세부 방식을 비교하는 순서가 명확하다.