[논문]무선전력 전송을 위한 RF 송신기 기술 동향 및 설계 기법

강원실; 임종균; 박희수; 구현철

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문제 정의

본 원고에서는 무선전력 전송 시스템을 살펴보고, 무선전력 전송을 위한 송신기에 대하여 살펴보았다. 무선전력 전송의 실용화를 위해 전력 전송 효율의 극대화가 필요함을 언급하고, 이러한 송신기 동향 및 설계 기법에 대하여 살펴본 후, 향후 무선 전력 전송 송신기 구현을 위해 필요한 연구들에 대하여 기술하였다. 무선전력 전송의 실용화를 앞당기기 위해서는 고효율 무선 전력 전송용 송신기 분야에서 RF용 전력소자 개발 및 고효율 회로 설계 기법 등에 대한 지속적인 연구 개발이 진행되어야 할 것이다.
본 원고에서는 무선전력 전송 시스템을 살펴보고, 무선전력 전송을 위한 송신기에 대하여 살펴보았다. 무선전력 전송의 실용화를 위해 전력 전송 효율의 극대화가 필요함을 언급하고, 이러한 송신기 동향 및 설계 기법에 대하여 살펴본 후, 향후 무선 전력 전송 송신기 구현을 위해 필요한 연구들에 대하여 기술하였다.
본 원고에서는 에서 기술한 무선전력 전송 시스템 설계 고려 요소 중 효율, 특히 송신기의 효율 측면에서 기술한다.

제안 방법

무선전력 전송 송신기 구조 사례를 에 도시하였다.
송신기 설계시 출력 전력, 주파수, 전력 효율, 신호 대 잡음비, 고조파 잡음 등을 고려한다. 이 중 송신기의 효율 특성은 무선전력 전송 시스템의 전체 효율에 영향을 미칠 뿐 아니라 송신기부의 열처리 시스템의 크기 및 용량을 결정하는 중요한 요소이다.
최근 무선 전력 전송용 증폭기로 Class D, E 전력증폭기가 많이 사용되고 있다. <표 4>에서 최근 무선전력 전송에 활용 가능한 스위치 모드 전력증폭기의 성능을 비교하였다.
고체상 소자의 경우 최근 발전한 반도체 기술을 이용하여 진공관 소자에 비하여 경제적이며, 크기 및 무게도 훨씬 작아 시스템 구성에 용이하다.<그림 5>에서는 RF 전력증폭기에 사용되는 고체상 소자의 전압 및 전력 밀도 특성을 비교하였다.
RF 전력증폭기의 효율은 RF 전력증폭기에 사용되는 전력소자 및 설계 기법 (Class A, Class AB, Class B, Class C, Class D, Class E, Class F 등) 에 의해서 결정된다. <그림 6>에서는 전력증폭기를 Conduction angle 및 회로 설계 기법에 따라 Class를 분류하는 방식과 파형, 효율 특성을 비교 도시하였다.

대상 데이터

최근 2007년에 MIT(매사추세츠공대)의 마린 솔라시치(Soljacic) 교수팀에 의해서 자기공명 방식을 이용하여 기존의 일반 자기유도 방식에 비해 높은 효율로 상대적으로 원거리 전송이 가능함이 Science지등에 소개되었다^[5-6]. 2m 거리에서 60와트의 전력을 전송하는 실험을 수행하였다. 이후 자기공명 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, WiTricity 같은 관련 회사들도 생겨나고 있다.

성능/효과

상기 기술한 각 시스템의 효율을 최대화 하는 것은 무선전력 전송 시스템의 성능, 경제성 등을 향상시키기 위한 핵심적인 요구 사항이다. 각 부분별 현재 기술로서 최대 달성 가능한 효율을 보면 송신기의 효율이 70~80%, PCE 효율이 80~90%, 빔 효율 80%, 수신부 정류 효율 80%, Rectenna Power Management 효율이 85~95% 가량이다. 전체 시스템의 무선전력 효율은 각 효율 값을 곱해서 구할 수 있다.

후속연구

무선전력 전송은 현재 실용화되고 있는 자기유도방식 뿐만 아니라 향후 자기공명 방식, 전자기파 기반 방식 등을 포함하며 에서와 같이 다양한 응용분야를 만들어 나갈 것으로 예상된다.
무선전력 전송의 실용화를 위해 전력 전송 효율의 극대화가 필요함을 언급하고, 이러한 송신기 동향 및 설계 기법에 대하여 살펴본 후, 향후 무선 전력 전송 송신기 구현을 위해 필요한 연구들에 대하여 기술하였다. 무선전력 전송의 실용화를 앞당기기 위해서는 고효율 무선 전력 전송용 송신기 분야에서 RF용 전력소자 개발 및 고효율 회로 설계 기법 등에 대한 지속적인 연구 개발이 진행되어야 할 것이다.
국내의 경우에도 무선 에너지 전달 시스템 [출원 번호: 10-2011-7009635, 출원일: 2009년 9월 25일, 출원인: 메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지], 간섭 강화를 포함하는 무선 에너지 전달 [출원 번호: 10-201-7028149, 출원일: 2009년 5월 14일, 출원인: 메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지]등이 출원되어 있다. 향후 국내에서 자기공명 방식을 이용한 제품 개발시 관련 기술 사용에 따라 발생할 문제에 대한 고려가 필요할 것이다. 또한 자기공명 방식을 실생활 제품에 상용화하기 위해서는 표준화 문제, 인체 유해성 문제, 전파 잡음 문제 등에 대한 해결이 필요하다.
앞서 기술하였듯이 스위치 모드의 경우는 이론적으로 100%이나 실제 구현시에 효율이 낮아지는 것은 고주파 대역에서 발생하는 소자내의 기생성분에 의하여 이상적인 스위치로 동작하지 않아서 발생하는 손실 때문이다. 향후 무선전력용 고효율 송신기 개발을 위해서는 낮은 Ron 값과 빠른 스위칭 속도를 가지는 전력소자의 연구/개발, 기생성분을 고려한 전력소자의 정확한 특성 모델링 기법 연구, 기생성분을 고려한 향상된 SMPA 설계 기법 연구, 고효율 전력 결합 기법 연구, 빔포밍을 위한 송신기에서 정밀 위상제어 기법 연구, 가변 임피던스 매칭 및 고조파 제어 기법 연구 등이 필요하다.
이 방식은 자기유도 방식의 거리 문제를 개선하여 폭넓은 쓰임새가 기대된다. 향후 소형 자기공명 방식을 활용한 스마트 기기의 충전기 제품이 증대할 것으로 예상한다. 자기공명 방식에 대한 연구를 수행한 MIT 연구팀은 다수의 특허를 미국 및 세계 각국에 출원하였다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

무선전력 전송의 효율 향상은 무엇을 통해 달성할 수 있는가?

무선의 장점에 비해 에너지 효율의 문제가 크게 대두되어 실제 제품에 적용이 어렵다. 무선전력 전송의 효율 향상은 전력 전송 시스템의 주요 서브시스템인 송신기, 안테나 , 수신기 각각의 효율 향상을 통하여 달성될 수 있다. 본 원고의 2장에서는 무선전력 전송 시스템의 연구 동향을 살펴보고, 시스템의 주요 구성 요소 및 설계 요소에 대하여 고찰한다.

무선으로 전력을 전송하는 기법의 단점은 무엇인가?

전력을 무선으로 전송하고자 하는 연구는 19세기말~20세기초 Tesla 에서부터 시작하여, 1960~1970년대 Brown 의 Rectenna 발명 등으로 진행되어 왔다.[1-2] 무선으로 전력을 전송하는 기법은 전력 전송 효율이나 안정성 면에서 유선으로 전송하는 기법에 비해 단점이 있다. 이러한 단점으로 20세기 후반까지 무선전력 전송에 대한 연구 및 활용은 국방 및 우주 개발 분야 등에 제한적이었다.

무선전력 전송을 실용화하기 위해 해결해야 할 주요한 기술적 문제는 무엇인가?

무선전력 전송을 실용화하기 위해서는 해결하여야 할 문제들이 산재해 있다. 이 중 기술적으로 해결하여야 할 주요 문제는 전력 전송 효율의 향상이다. 에너지가 도선에 집중되는 유선전력 전송에 비하여 공간에서 무선으로 전파되는 무선 전송의 효율은 송신기와 수신기의 거리가 멀어짐에 따라 크게 떨어지게 된다.

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