[논문]RF 무선전력전송 기술과 관련 무선통신 연구 동향

이경재; 김동완; 임용석

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電子工學會誌 = The journal of Korea Institute of Electronics Engineers, v.44 no.7 = no.398, 2017년, pp.47 - 54

이경재 (한밭대학교 전자.제어공학과) , 김동완 (동아대학교 전자공학과) , 임용석 (전자부품연구원 스마트네트워크연구센터)

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문제 정의

따라서 무선 통신 시스템에서 무선으로 전송된 전자파의 전력을 이용하여 통신과 무선전력전송을 동시에 구현하고자 하는 연구가 활발히 진행되었다^[6-8]. 본 논문에서는 무선전력전송 기술의 최근 개발 동향과 문제점 및 극복 방향을 분석하고, 주로 이론적으로 관심이 집중되었던 무선전력전송과 결합된 무선통신 연구의 최신 흐름을 소개하려고 한다.
또한 마이크로파 기반 무선전력전송과 무선통신을 접목한 “무선 전력 및 정보 동시전달” 기술과 “무선전력전송 기반 통신네트워크”와 관련된 최근 연구들을 살펴본다.
다중 어레이 안테나 빔포밍 기술은 무선통신에서도 매우 중요한 요소기술로 이용되어져 왔던 만큼 기술적인 성숙도는 이미 매우 높다고 할 수 있다. 본 장에서는 먼저 마이크로파 기반의 무선전력전송에서 효율성 및 인체안전성을 증대하기 위한 연구들을 소개한다. 또한 마이크로파 기반 무선전력전송과 무선통신을 접목한 “무선 전력 및 정보 동시전달” 기술과 “무선전력전송 기반 통신네트워크”와 관련된 최근 연구들을 살펴본다.
본 고에서는 무선전력전송 기술의 동향과 마이크로파를 이용한 RF 방사형 무선전력전송과 통신을 결합하는 연구에 대하여 살펴보았다. 마이크로파 기반의 원거리 무선전력전송은 전자기기의 이동성 관점에서 이용의 편의성을 증대시킬 뿐만 아니라, 에너지 저장장치의 수명을개선시킬 수 있어 셀룰러 시스템뿐만 아니라 센서 네트워크 등의 다양한 분야에서 기대되는 기술 중 하나이다.

제안 방법

특히 미국의 신생기업인 Ossia사는 일본의 통신기업인 KDDI와 함께 COTA라는 이름의 무선충전시스템을 개발하였다. COTA 시스템은 2.4GHz의 ISM 대역을 이용하여 충전기에서 무선충전 수신칩이 부착된 스마트폰, 태블릿, 노트북 등의 이동기기에 최대 1W의 전력을 충전할 수 있도록 설계되었다.

성능/효과

[3]에서는 실제 무선전력 수신회로에서의 효율이 선형적이지 않은 점을 밝히고, 단일 사용자뿐만 아니라 다중사용자를 고려하는 상황에서 전송 빔과 전력 할당을 최적화하는 연구를 수행하였다. 또한 모의실험을 통해 다중분산 송신단 시스템이 수신전력의 Outage 확률을 낮출 수 있다는 사실을 보여준다. [11]에서도 분산 에너지 송신단을 고려한 피드백 설계가 연구되었다.

후속연구

그러나 마이크로파 무선전력 송수신기의 잇따른 개발에도 불구하고 폭발적인 시장 확산을 위해서는 여전히 전송 효율과 이동성, 인체 안정성에 대한 면밀한 검증과 추가연구가 필요한 상황이다.
<그림 5>에서처럼 분산 송신단을 이용하면 한 송신단의 빔 경로가 인체에 의해 막힐 경우 다른 송신단의 빔을 사용할 수 있어 효율성과 안전성을 동시에 확보할 수 있게 된다. 이 때 분산 송신단의 위상 동기를 통해 빔포밍 신호들이 수신단에서 결합될 수 있도록 하는 기술이 중요할 것으로 예상되며 이에 대한 심도 깊은 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.
이러한 비선형선을 고려한 연구가 여러 상황에서 추가적으로 이루어질 수 있을 것이다. 마지막으로 무선전력전송은 배터리의 용량을 비약적으로 줄일 수 있는 가능성을 가진 기술이기 때문에 배터리 용량과 무선전력전송 관련 문제들의 연관관계를 푸는 것도 의미가 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기공진 방식은 무엇인가?	자기공진 방식은 수십 cm 내외로 인접한 근거리 자기장을 통해 공진주파수를 가지는 두 개의 코일 사이에 전력이 전달되는 공명현상을 이용하여 전력을 전송한다. 자기유도 방식에 비해 원거리 전송이 가능하고 송수신 코일의 방향성의 자유도가 높으나 상대적으로 전송 효율이 낮고 전자기파에 대한 인체 영향을 피할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요한 상황이다[3].
	전자 및 통신기기에 선을 없애면서 이동성과 휴대성이 생겼지만 이에 반하는 한계점은 무엇인가?	이처럼 그동안 무선통신의 발달은 전자 및 통신기기에 선을 없애면서 이동성과 상시 휴대성을 제공하였다. 그러나 이동기기의 전원을 공급하기 위하여 배터리를 사용하고 배터리 충전을 위해서는 전원선을 연결해야 하는 번거로움이 남아있다[1-2]. 이러한 배터리 충전의 문제를 해결하기 위하여, 저전력 기술 및 고효율 집적 배터리 등의 다양한 시도들이 있어왔다.
	마이크로파 무선전력전송 방식의 장점은 무엇인가?	마이크로파 무선전력전송 방식은 원거리 충전이 가능하고 기기사용 중에 충전할 수 있는 자유도를 제공하여 배터리 수명 등 통신, IoT 기기의 한계를 극복할 수 있는 기술로 크게 주목을 받고 있다. 특히 기존에 문제가 되었던 1mW 이하의 낮은 에너지 수확량과 전자파 인체 노출 등의 안전성 문제를 해결하기 위한 노력이 진행되었고, 최근에는 1W 이상의 전력을 수 m의 원거리에서 전송하는 기술이 구현되어 상용화 시제품들이 나오고 있는 상황이다.

참고문헌 (21)

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