초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
LOS/NLOS 환경에서 3차원 선택적 공간 무선전력전송 기술개발

○ 전체 내용
● 무선전력전송은 근거리에서 원거리까지 떨어진 각종 IT 기기에 전력을 무선으로 공급하는 것으로서 다가올 IoT 시대의 중요한 혁신 기술이며, IoT 센서, 모바일기기, 사무·가전기기, 의료기기, 차량, 인프라, 국방 등 다양한 분야에 적용될 수 있음.
● 본 무선전력전송 기술개발 연구는 크게 전자기파를 이용한 방식과 자기장을 이용하는 두 가지 방식으로 이루어져 있으며 근거리에서

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
LOS/NLOS 환경에서 3차원 선택적 공간 무선전력전송 기술개발

○ 전체 내용
● 무선전력전송은 근거리에서 원거리까지 떨어진 각종 IT 기기에 전력을 무선으로 공급하는 것으로서 다가올 IoT 시대의 중요한 혁신 기술이며, IoT 센서, 모바일기기, 사무·가전기기, 의료기기, 차량, 인프라, 국방 등 다양한 분야에 적용될 수 있음.
● 본 무선전력전송 기술개발 연구는 크게 전자기파를 이용한 방식과 자기장을 이용하는 두 가지 방식으로 이루어져 있으며 근거리에서 원거리까지 소전력에서 대전력까지 모두 포함할 수 있는 기술 개발을 목표로 함.
● 전자기파를 이용한 무선전력전송을 위해서 안전한 전력 전송환경 구축을 위해 전력을 받을 곳과 회피할 곳을 인지할 수 있는 측위 기술을 확보하며, 이를 기반으로 최적의 전파흐름을 합성하여 최고의 효율을 구현할 것임.
● 자기장을 이용한 무선전력전송 연구는 능동메타물질과 코일배열을 이용한 자기장 패터닝 기술을 포함할 계획임
● 수요자 중심의 산학연 협력 연구 추진을 통해 무선전력전송 시제품 개발과 원천기술 및 지적 재산권을 확보하며, 기술이전과 사업화를 통해 고부가가치를 가지는 융합적 산업발전에 기여할 것임.
● 무선전력전송 기술을 IT 시스템 전반에 접목하여 선이 없는 통신 정보 전송 뿐 아니라 전력 전송이 가능한 지능형 무선정보 전력 전송 시스템 구축을 목표로 국내의 무선전력전송 분야를 최상의 수준으로 혁신하고자 함.

○ 1단계 (2016년 -2017년)
□ 목표
환경 적응형 무선전력전송 시스템 요소 기술 개발

□ 내용
빔패턴 형성, RF 회로부 설계, 무선채널 환경 분석을 통하여 환경 적응형 무선전력전송 시스템 요소 기술 개발

○ 2단계 (2018년-2019년)
□ 목표
지능형 무선전력전송 시스템 및 응용 구조 개발

□ 내용
Far/near field 3D 빔 패턴 및 방사소자 구현, 고효율 RF 시스템구현, LOS/NLOS 측위 알고리즘/통신 하드웨어 구현을 통해 지능형 무선전력전송 시스템 및 응용 구조 개발.

○ 3단계 (2020년-2021년)
□ 목표
원·근거리 지능형 무선전력전송 시스템 고도화를 목표

□ 내용
시스템의 경량 박형을 위하여 RF보드 및 제어보드 일체형 안테나 모듈 개발, Far/near field 3D 빔 제어 기술 연구, 측위 알고리즘/통신 알고리즘 및 하드웨어 기술 고도화를 통해 원·근거리 지능형 무선전력전송 시스템 고도화를 목표로 함.

○ 해당 연도 (2021년)
□ 목표
원·근거리 지능형 무선전력전송 시스템 최적화

□ 내용
● RF보드 및 제어보드 일체 초박형 배열 안테나 개발
● 페라이트를 배치한 자기공명 무선전력전송 공진기
● 지능형 무선전력전송 수신기 위치 확인 알고리즘 개발 및 최적화
● 직류전압 변환기, LDO 전압 조정기, RF 송신 모듈 개발
● 사업화를 위한 타일구조 안테나 일체형 초소형 무선전력전송 시스템 개발
● 두 공동 간의 고효율 무선전력전송 기술 연구

□ 연구개발성과
□ 국내·외 최초 상용 지능형무선전력전송시스템 개발완료
● 세계최초 5G의 핵심기술인 빔포밍 기술을 시스템에 적용하여 마이크로파 방식에서 최대 효율 전력전송 구현과 지능형 무선전력전송 시스템의 발전 가능성을 보임.
□ 전력 전송 시스템 모델링 / 원/근거리 3D 빔 생성 기술개발
● 근거리장 무선전력전송의 빔포밍 기술 개발
● 3D 고효율 배열 송신시스템 및 근/원거리 빔포밍 기술 개발
□ LOS/NLOS 측위 기술을 기반 다중 경로 추적/회피 알고리즘 구현
● 무선전력전송 수신기 위치 확인 고도화 알고리즘 개발
● 빔 패턴을 이용한 수신기 위치 추정 알고리즘 구현 및 성능 분석
□ 다중 위상 배열 송·수신용 RF Front-End 블록 집적회로 기술
● 위상천이 방식의 RF 송신 모듈에 필요한 소신호 증폭기 및 드라이버 증폭기 CMOS 집적회로 개발
□ 저주파 대역 자기장 집중/제어 기술 개발
● 코일 배열을 이용한 자기장 패터닝 기술
● HEMA를 이용한 저주파 빔포밍 및 차폐 기술 연구
□ 배열안테나 및 Cavity를 이용한 무선전력전송 기술 개발
● 두 공동 간의 고효율 무선전력전송 기술 연구
● 전자파 차폐 기능을 가진 주파수 공진 공동 개발
□ 3차원 무선전력전송 Hybrid 시스템 제작 및 응용 시스템 개발
● 빔포밍 Array RF System 설계 및 구현
● 안테나 일체형 RF 모듈 설계 및 제작

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
□ 국내 외 마이크로파 무선전력전송 기술의 선도 개발
● 현재 상용화된 자기유도 방식 및 자기 공진 방식 무선전력전송 분야에서는 국내 기술 수준이 세계 최고 수준이지만 전자기파 무선전력전송 기술은 미국, 일본 등 국외 기술과 비교해 국내 기술개발 수준은 낮은 편으로 국내 기술개발이 매우 시급한 실정임.
● 기존의 유도방식 무선충전 방식이나 매우 근접한 거리에서의 자계결합공진방식을 혁신적으로 뛰어넘는 극히 최근의 무선전력전송 방식.
□ 기존에 적용된 방식을 뛰어넘은 새로운 무선전력전송 방식의 선도
● 실생활에 적용된 무선전력전송 기술은 가까운 자기공진방식, 자기유도방식으로 소형 디바이스 충전에 국한되어 있는 상황. 비 마이크로파 방식에는 에너지 하베스팅을 포함하여 한국인의 특허 등록수가 2014년 기준으로 1800명 정도로 전 세계적으로 가장 많은 수준.
● 2016년 빔조향이 가능한 마이크로파 방식을 실생활에 적용하여 산업용 장비 및 스마트 오피스용 무선전력전송 시스템을 개발하여 배터리 자치성을 이루기 위한 비전 제시
□ 국내 최초 실생활 적용이 가능한 소형화 모델.
● 현재 실생활에 국내외 군용 레이더, 인공위성 등 군사 목적의 마이크로파방식 무선전력전송이 적용되고 있으나 실생활에 적용된 사례가 없음.
● 전력전송 시스템의 크기 등의 제약조건으로 실생활 적용은 미비. 전기환경연구센터의 무선전력전송장치의 경우 부품을 단계적으로 결합하여 장비의 두께가 두꺼운 반면 2020년 60x60x10[cm³] 사이즈의 벽걸이형 마이크로파방식 무선전력전송 시스템 개발.
● 산업체 및 연구실에 마이크로파방식 무선전력전송 시스템은 존재하나 국내 최초 시스템 소형화라는 차별성 확립.
□ 관련 산업 저변확대 및 파급력 증가
● ITRC 국책사업을 통해 국내 마이크로파 무선전력전송 기술 발전에 기여..
● 기업, 산업체들에 기술이전, 관련 특허 다수 출원. 2020년 ITRC 사업을 수행하면서 전력/정보 융합, 5G통신, 송수신 배열안테나 등의 전문지식을 확보한 ICT 총30명 11명의 학사인력,15명의 석사인력, 4명의 박사인력을 배출. (2020년)
● 1년에 1인당 1건이상의 특허를 출원 독려 및 수행
● IEEE Access, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, IEEE Transactions on Electromagentic Compatibility, IET Communications, Journal of Electromagnetic engineering and Science 등의 SCI 논문지에 논문게재
● 무선전력전송 관련 업체 및 빔포밍 관련 업체에 기술이전 진행 및 사업화

[성과의 활용계획]
□ 산학연 전문가의 세미나 및 기술토론회를 수시로 개최하고 수요자 중심의 사업화 전략 바탕 으로기술이전 및 사업화 지원이 가능하다.
● SK하이닉스(주), LG전자, 한국단자공업(주), 한화시스템(주), 현대자동차(주), 리젠 등 기업과 연계를 통해 수요기술을 파악하고 본 연구센터의 3차원 선택적 공간 무선전력전송 기술 및 파생 응용기술 산업현장 적용 및 기업과제 수행 원천기술 확보.
● 관심 있는 IoT 산업체와 산학연 공동기술 개발 및 교류를 통해 본 연구센터의 기술을 적용하는 아이디어를 구체화하고 시제품 제작 및 개발 기술사업화/비즈니스 모델 발굴.
□ 무선전력전송 기술 및 파생 응용기술에 참여를 유도하고 산학연 공동연구 기반을 구성하여 무선전력 전송 분야의 핵심인재를 양성.
● IoT 산업체에 기술이전/사업화 지원하고 무선전력전송 관련 고급인력 양성과 특허 출원을 통한 지식재산권 확보.

[과학 기술적 파급효과]
□ 무선전력전송용 안테나 3차원 빔 합성 원천 기술개발.
● 현재 보편화 된 초근거리의 접촉식 충전을 뛰어넘어 사용자의 편의에 따라 자유로운 수신기의 위치에서 빔형성/빔집속을 이용한 선택적 무선 전력전송 기술이 요구됨. 현재 평면 배열 공진 구조에서 공진기의 직렬 커패시터를 조절한 빔포밍이 가능한 기술개발에 성공.
□ 실시간 전력/정보 시스템 기술개발.
□ 웨어러블 바이오 시스템 플랫폼 등 다양한 응용기술 확보.
● 사람에게 직접적으로 전파를 사용해야 하므로 전자파로 인한 인체의 영향에 주의가 필요하다. 확장된 HEMA 시스템을 이용하여 목표 공간에 전파를 집중시켜 EMI/EMF 문제를 발생시키지 않는 무선전력전송 기술 검증이 필요하다. 이에 Halbach 구조를 통한 차세대 EMF/EMI 문제 해결을 기술을 확보하여 바이오 메디컬 분야로의 무선전력전송 시스템 활용범위 확장이 가능해진다.
● 빔포밍 기술개발을 통해 거리에 따른 마이크로파 무선전력전송 시스템의 자기장 빔포밍 예측 및 최적화 가능.

[경제 사회적 파급효과]
□ ICT 시장의 활성화와 무선전력전송 응용 범위의 폭발적 성장.
● 현재 600x600x100(mm³) 크기의 소형화 모델 개발이 완성단계에 있으며 현재는 좁은 실내공간 수 m 이내의 전력 전달 빔포밍 기술을 적용할 수 있지만 이를 기반으로 고출력 모델 개발을 통한 시스템 개발을 통해 각 산업현장에 적용하여 작업효율 향상 및 안전성을 제공할 수 있다.
● 진행중인 개발을 통해 무선전력전송 효율 증가를 통해 전력전송 바이오 메디컬, 산업현장, 사무실에 실적용하여 웨어러블 디바이스 이용에 편의 제공 뿐아니라 batteryless 구현을 통한 파생 효과가 기대된다.
□ 국내기술개발에 따른 해외 시장에서 무선전력전송 기술 자치성 확보.
● 4차산업을 선도하기 위해 국내 기술개발을 통해 국제 사회에서 무선전력전송 기술에 대한 한국 고유의 자치성을 확보해야 한다. 솔루션 구매를 통한 시스템구현의 제약에서 벗어나 국제 사회에서 기술혁신을 선도하는 기술 라이센스 수출국가로 거듭날 것이다. 특히, 5G 분야에서의 시장 선점을 통한 국가 위상 제고와 시범 모델로서의 입지를 구축하는 성과가 있을 것이라 기대된다.

□ 타분야 산업과 융합적 기술 진보로 신사업 성장 및 고부가가치 창출.
● 개발 결과물을 공사현장, 대규모 발전소등에 적용하여 인력들의 안전성과 편의성을 제공할 수 있다. 또한 실내 공간에 적용할 경우 선택적 전력전송을 통한 베터리 자치성을 확보를 통한 시간적 비용을 절감할 수 있다.

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 최종보고서 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• 주요 연구 성과 요약 ... 7
• 목차 ... 16
• Ⅰ. 계획 대비 달성도 ... 21
• 1. 연구개발 목표 및 내용 ... 21
• 2. 연차별 추진계획 및 실적 ... 32
• 3. 연구개발 결과 ... 73
• 4. 추진전략 및 체계 ... 94
• Ⅱ. 사업수행 실적 ... 108
• 1. 센터의 연구 인프라 구축실적 ... 108
• 2. 정책 중점추진사항 추진실적 ... 113
• Ⅲ. 연구개발 성과 ... 136
• 1. 연구성과 총괄 ... 136
• 2. 지표별 대표성과 ... 141
• 3. 연구성과의 우수성 ... 184
• Ⅳ. 인력양성 성과 ... 194
• 1. 인력양성 추진전략 및 방안 ... 194
• 2. 인력양성 실적 ... 198
• Ⅴ. 향후계획 ... 211
• 1. 연구계획 ... 211
• Ⅵ. 기대효과 ... 212
• 1. 연구결과의 산업적/경제적 기여도 ... 212
• 2. 연구결과의 기술적 기여도 ... 214
• 3. 연구결과의 활용가능성 ... 214
• Ⅶ. 연구개발비 사용실적 ... 215
• 끝페이지 ... 218