1. 서 론
최근 스마트폰 및 IT기기, 가전제품 등의 발달로 삶의 질이 향상되고 있으며, 전기자동차의 등장으로 고유가, 환경오염의 문제를 어느 정도 해결해 주고 있다. 그러나 대부분의 전자제품 및 전기자동차의 충전 및 전원 공급은 케이블에 의존하고 있다. 이는 케이블에 의한 공간의 제약이 따른다는 불편함이 있으며, 전기자동차의 충전 시 비나 눈에 의한 감전의 위험이 있다. 이러한 불편함을 해소하기 위한 방안으로 무선전력전송 기술이 대두되고 있다.
무선전력전송 기술은 20세기 초 테슬라에 의해 최초로 시도 되었지만 그 당시의 기술 수준에서는 무선전력전송의 필요성이 적어 발전이 활성화되지 못했었다[1]. 그러나 최근 전자기기 및 전기자동차의 발달로 무선전력전송의 관심이 높아졌으며, 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 스마트폰 및 전동칫솔 등의 무선충전기는 이미 실생활에 보급이 되고 있으며, 전기자동차의 무선충전기 또한 실생활에서 사용되고 있다. 그러나 이들 모두 자기유도방식을 이용한 것으로 전력전송 거리의 제약이 있으며, 송·수신 코일의 배열이 틀어지면 효율이 급격히 떨어진다는 단점이 있다[2]. 또한 마이크로파방식의 무선전력전송은 전력 전송 거리는 좋으나 고주파를 이용하기 때문에 인체에 유해하며 전력전송 효율이 주위환경에 영향을 미친다는 단점이 있다[3]. 이러한 단점을 보완해주는 방법이 바로 자기공명방식 무선전력전송이다.
자기공명방식 무선전력전송은 2007년 미국 MIT 대학의 Marine soljacic 교수 연구팀에 의해 구현된 이후 최근까지 그 개발이 꾸준히 진행되고 있다[4]-[8]. 자기공명방식은 자기유도방식과 마이크로파방식의 단점을 보완해주는 최신 기술이다. 무선으로 전력을 수cm에서 수십m까지 전달할 수 있으며, 인체에 무해하다. 그러나 개발 초기 단계로 거리에 따른 효율감소와 송·수신 코일의 크기가 매우 크므로 실생활에 적용하기 어려운 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 보완해주기 위한 연구가 필요하다. 본 연구팀은 자기공명무선전력전송 시스템의 송·수신 코일에 초전도체를 적용해 전력전송의 효율을 높이고자 하였으며 기존의 실험을 통해 이를 증명하였다[9].
본 논문에서는 초전도체를 적용한 송·수신 코일의 평행배열의 변화에 따른 효율의 변화를 분석하였다.
2. 본 론
2.1 자기공명방식 무선전력전송 시스템
자기공명방식 무선전력전송은 특정 공진주파수에서 송신코일이 같은 공진주파수로 설계된 수신코일과 공명하여 에너지를 집중적으로 전달하는 방식이다. 따라서 공진주파수를 가진 기기에 에너지를 전달할 수 있으며, 그 이외의 에너지는 방사되지 않으므로 다른 기기 또는 인체에 영향을 주지 않는다. 또한 근거리 에너지 전달이 가능해 거리의 제약을 보완할 수 있는 장점이 있다. 그림 1은 자기공명방식 무선전력전송의 간이 회로도 이다. 식(1), (2), (3)을 통해 63.1kHz의 공진주파수를 도출하였다.
2.2 Q-factor
무선전력전송의 전달효율을 결정하는 중요한 요소는 Quality-factor(Q-factor) 이다. Q-factor는 주파수의 선택적 특성을 나타내는 값으로 값이 클수록 공진 특성이 좋다. 자기공명방식은 근거리에서 무선전력전송이 가능하지만 거리가 멀어질수록 자기결합이 감소하여 전송효율이 낮아진다는 단점이 있다. 그러나 Q-factor 값을 증가시키면 거리가 멀어져 자기결합이 감소하더라도 근거리에서 전력전송이 가능하다. 따라서 높은 Q-factor 값을 갖는 공진 코일의 설계가 매우 중요하다. 식(4)는 Q-factor를 나타내는 식이다. 식(4)에서 알 수 있듯이 Q-factor가 높다는 것은 코일의 저항 R이 작다는 것을 의미한다.
그림 1자기공명방식 무선전력전송 시스템의 개념도 Fig. 1 The concept of magnetic resonance WPT System
그림 2Spiral type으로 권선한 초전도 코일 Fig. 2 Superconductor coil wound by spiral type
그림 3(a) 초전도 코일 (b) 상전도 코일 Fig. 3 (a) Superconductor coil (b) Normal conductor coil
2.3 초전도 송·수신 코일 설계
일반적으로 상전도 코일의 Q–factor 값은 104을 갖는다. MIT에서 구현한 자기공명방식 무선전력전송의 Q-factor 값은 대략 103을 갖는다.[5] 상전도체의 특성상 시스템의 최적화가 가능하지만 전송효율을 높이기에는 다소 한계가 있다. 또한 MIT에서 구현한 자기공명방식 무선전력전송의 경우 코일의 직경이 60cm로 매우 크므로 코일의 크기를 줄이면서 높은 전력전송이 가능한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구팀은 초전도체를 이용해 이러한 단점을 보완하고자 한다.
초전도체는 극저온에서 저항이 0이 되는 물질이다. 초전도체는 저항이 매우 낮아 Q-factor의 값을 104~107까지 구현 할 수 있다.[5] 또한 상전도체와 비교해 많은 에너지 저장능력을 가지고 있어 보다 큰 전력의 전송이 가능하다. 따라서 전송거리 및 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
그림 2는 권선틀에 spiral type으로 권선한 초전도 코일을 나타낸다. 본 실험에서 사용된 송·수신 코일은 직경 10cm의 권선틀에 초전도체를 18번 적층시켰다. 비교를 위해 그림 3과 같이 초전도 코일과 동일한 조건의 상전도 코일을 제작하였다.
2.4 실험방법 및 분석
공진주파수 63.1kHz의 자기공명방식 무선전력전송 시스템에 전압 12V를 인가하였다. 또한 초전도체의 극저온 상태를 유지하기 위해 냉각용기를 제작하여 액체질소를 담아 실험하였다. 그림 4는 극저온 상태에서 무선전력전송의 효율을 측정하는 실험과정이다. 또한 실험을 위해 송신코일은 고정시키고 수신코일의 위치를 변화시켰다. 송·수신 코일의 배열을 50mm거리에서 평행상태로 그림 5와 같이 0％, 25％, 50％, 75％, 100％로 코일을 배열해 효율을 측정하였다. 효율은 식(5)와 같이 산정하였다.
그림 4극저온 상태에서의 무선전력전송 Fig. 4 Apparatus for wireless power transmission at cryogenic conditions
측정결과, 그림 6의 그래프와 같이 송·수신 코일이 100％ 일치했을 때 효율이 가장 높다는 것을 확인할 수 있었다.
또한 초전도 코일을 적용한 무선전력전송의 전송효율이상전도 코일에 비해 약 10％ 높았다. 송·수신 코일의 배열이 50％ 일치했을 때, 초전도 코일을 적용한 무선전력전송의 효율이 15％가 나타났으며, 상전도 코일을 적용했을 때보다 약 3％ 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한 자기공명방식 무선전력전송의 경우 코일의 배열이 0％일 경우에도 약 3~5％의 효율로 무선전력전송이 가능하다는 것을 볼 수 있다. 이는 초전도 코일의 0저항 특성으로 인해 Q-factor의 값이 높아 졌기 때문이다.
3. 결 론
본 논문에서는 자기공명방식 무선전력전송의 송·수신 코일에 초전도체를 적용하여 각각의 코일 배열에 따른 효율을 분석하였다. 송·수신 코일의 배열이 완전히 일치하였을 때의 효율이 가장 높았으며, 코일이 완전히 불일치했을 때도 효율의 측정이 가능하였다. 또한, 초전도체를 적용한 무선전력전송의 효율이 상전도체를 적용했을 때와 비교해 약 2배이상 높았다. 이는 초전도체의 0저항 특성으로 인해 Q-factor의 값이 증가하여 무선전력전송의 효율을 크게 향상시킬 수 있었기 때문이다. 이러한 초전도체의 장점을 이용하면 전기자동차 및 자기부상열차 등의 대전력수송기기에 급속충전이 가능할 것으로 사료된다. 또한, 자기공명방식의 무선전력전송을 이용하면 송·수신 코일의 배열이 불일치하여도 전력을 전달할 수 있었다. 본 연구팀이 구현한 자기공명 무선전력전송은 인가전압 및 전류가 매우 낮아 실생활에 적용하기엔 다소 무리가 있다. 따라서 대전력으로 무선전력전송이 가능한 시스템의 개발이 필요할 것으로 사료된다.
그림 5수신코일의 위치변화 (a) 불일치 (b) 50％ 일치 (c) 100％ 일치 Fig. 5 The position change of receiving coils (a) mismatch (b) 50％ match (c) 100％ match
그림 6수신코일의 위치 변화에 따른 효율 Fig. 6 Efficiency according to the changing position of the receiving coil
References
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- T. Sekitani, M. Takamiya, Y. Noguchi, S. Nakano, Y. Kato, K. Hizu, H. Kawaguchi, T. Sakurai, and T. someya, "A large-area wireless power-transmission sheet using printed organic transistor and plastic MEMS switches", Nature Materials, pp. 413-417, jun. 2007.
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Cited by
- Characteristics simulation of wireless power transfer system considering shielding distance vol.17, pp.1, 2015, https://doi.org/10.9714/psac.2015.17.1.040