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무선 전력 전송

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근거리 무선 전송의 예인 스마트폰용 무선 충전 패드. 전화기를 패드 위에 올려두면 패드의 코일이 자기장[1]을 형성하고, 이것이 전화기 내부의 다른 코일에 전류를 유도하여 배터리를 충전한다.

무선 전력 전송(Wireless power transfer, WPT 또는 무선 에너지 전송(wireless energy transmission, WET)은 물리적인 연결선인 철사 없이 전기 에너지를 전달하는 것이다. 무선 전력 전송 시스템에서 전력원에 연결된 송신기 장치는 시간에 따라 변하는 전자기장을 생성하여 공간을 통해 수신기 장치로 전력을 전송하며, 수신기 장치는 이 자기장에서 전력을 추출하여 전기 부하에 공급한다. 무선 전력 전송 기술은 전선과 배터리의 사용을 없애줌으로써 모든 사용자가 전자 기기를 사용할 때 이동성, 편의성 및 안전성을 높일 수 있다.[2] 무선 전력 전송은 연결 전선이 불편하거나 위험하거나 불가능한 상황에서 전기 기기에 전력을 공급하는 데 유용하다.

무선 전력 기술은 크게 두 가지 범주로 나뉜다: 근거리장과 원거리장.[3] 근거리장 또는 비복사 기술에서는 코일 사이의 유도 결합을 이용한 자기장, 또는 금속 전극 사이의 정전 결합을 이용한 전기장을 통해 짧은 거리에서 전력이 전송된다.[4][5][6][7] 유도 결합은 가장 널리 사용되는 무선 기술로, 그 응용 분야에는 휴대폰 및 전동 칫솔과 같은 휴대용 기기 충전, RFID 태그, 인덕션 요리, 그리고 인공 심박동기와 같은 이식형 의료 기기나 전기차의 무선 충전 또는 지속적인 무선 전력 공급 등이 포함된다. 원거리장 또는 복사 기술(전력 빔 전송이라고도 함)에서는 마이크로파[8]나 레이저 빔과 같은 전자기파 빔을 통해 전력이 전송된다. 이러한 기술은 에너지를 더 먼 거리까지 운반할 수 있지만 수신기를 정확히 조준해야 한다. 이 유형의 제안된 응용 분야로는 태양광 발전 위성과 무선 동력 드론 등이 있다.[9][10][11]

모든 무선 전력 시스템과 관련된 중요한 문제는 잠재적으로 해로울 수 있는 전자기장에 인간과 다른 생명체가 노출되는 것을 제한하는 것이다.[12][13]

기초 개요

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무선 전력 시스템의 일반적인 블록 다이어그램

무선 전력 전송은 전자기장을 수단으로 에너지를 전송하는 여러 다양한 기술을 일컫는 일반적인 용어이다.[14][15][16] 각 기술은 전력을 효율적으로 전송할 수 있는 거리, 송신기가 수신기를 조준(지향)해야 하는지 여부, 그리고 사용하는 전자기 에너지의 유형(시간에 따라 변하는 전기장, 자기장, 전파, 마이크로파, 적외선 또는 가시광선)에 따라 차이가 있다.[17]

일반적으로 무선 전력 시스템은 전력을 시간에 따라 변하는 전자기장으로 변환하는 전력선 등의 전력원에 연결된 "송신기" 장치와, 전력을 수신하여 전기 부하에 사용되는 직류(DC) 또는 교류(AC) 전류로 다시 변환하는 하나 이상의 "수신기" 장치로 구성된다.[14][17] 송신기에서는 입력된 전력이 어떤 유형의 "안테나" 장치에 의해 진동하는 전자기장으로 변환된다. 여기서 "안테나"라는 단어는 포괄적인 의미로 사용되는데, 자기장을 생성하는 코일일 수도 있고, 전기장을 생성하는 금속판, 전파를 방사하는 안테나, 또는 빛을 생성하는 레이저일 수도 있다. 수신기에 있는 유사한 안테나 또는 결합 장치는 진동하는 장을 전류로 변환한다. 파동의 유형을 결정하는 중요한 매개변수는 파장을 결정하는 진동수이다.

무선 전력은 휴대 전화, 라디오 방송, 텔레비전 방송, 와이파이 등에서 사용되는, 전자기장을 통해 전선 없이 전기 에너지를 전송하는 익숙한 기술인 라디오와 같은 무선 통신 기기와 동일한 장과 파동을 사용한다.[18][19] 무선 통신에서의 목표는 정보의 전송이므로, 정보를 명확하게 수신할 수 있을 만큼만 충분하다면 수신기에 도달하는 전력의 양은 그리 중요하지 않다.[15][18][19] 무선 통신 기술에서는 아주 미량의 전력만이 수신기에 도달한다. 반면 무선 전력 전송에서는 수신되는 에너지의 양이 핵심이므로, 효율(전송된 에너지 중 수신된 비율)이 더 중요한 매개변수가 된다.[15] 이러한 이유로 무선 전력 기술은 무선 통신 기술보다 거리에 의한 제한을 더 많이 받게 된다.

무선 전력 전송은 무선 정보 송신기나 수신기에 전원을 공급하는 데 사용될 수 있다. 이러한 유형의 통신은 무선 전력 통신(WPC)으로 알려져 있다. 수확된 전력이 무선 정보 송신기의 전력을 공급하는 데 사용될 때 그 네트워크는 동시 정보 및 전력 전송(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT)으로 알려져 있으며,[20] 무선 정보 수신기의 전력을 공급하는 데 사용될 때는 무선 전력 통신 네트워크(Wireless Powered Communication Network, WPCN)라고 한다.[21][22][23]

역사

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19세기 발전과 한계

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19세기에는 전기 에너지가 어떻게 전송될 수 있는지에 대한 많은 이론과 반론이 등장했다. 1826년 앙드레마리 앙페르는 전류와 자석 사이의 연결을 발견했다. 마이클 패러데이는 1831년 시간에 따라 변하는 자기 선속에 의해 도체 루프에 전류를 흐르게 하는 기전력을 설명하는 전자기 유도 법칙을 기술했다. 전선 없는 전기 에너지의 전송은 많은 발명가와 실험가들에 의해 관찰되었으나,[24][25][26] 일관된 이론의 부재로 인해 이러한 현상들은 막연하게 전자기 유도 탓으로 돌려졌다.[27] 이러한 현상들에 대한 명확한 설명은 1860년대 제임스 클러크 맥스웰의 맥스웰 방정식에서 나왔으며, 이는 전기와 자기을 전자기학으로 통합하는 이론을 정립하고 전자기 에너지를 실어 나르는 "무선" 매개체로서 전자기파의 존재를 예측했다. 1884년경 포인팅 벡터를 정의하고 전자기파가 통과하는 영역에서의 전력 흐름을 설명하는 포인팅 정리를 발표함으로써 무선 전력 전송 시스템에 대한 정확한 분석이 가능해졌다.[28][29] 뒤이어 1888년 하인리히 루돌프 헤르츠가 이 이론을 검증하면서 전파의 증거를 제시했다.[29]

같은 시기에 윌리엄 헨리 워드(1871)와 말론 루미스(1872)는 저고도에서 접근 가능한 전기가 흐르는 대기층이 존재한다는 잘못된 믿음에 근거하여 두 가지 무선 신호 체계를 제안했다.[30][31] 두 발명가의 특허는 이 층이 '지구 전류'를 사용하는 귀로와 연결되면 무선 전신이 가능할 뿐만 아니라 전신기에 전력을 공급하여 인공 배터리를 없앨 수 있고, 조명, 난방 및 동력으로도 사용될 수 있다고 명시했다.[32][33] 전도에 의한 무선 전송의 더 실질적인 시연은 1879년 에이머스 돌베어의 자기 전기 전화기에서 이루어졌는데, 이는 지면 전도를 사용하여 4분의 1마일 거리에서 전송에 성공했다.[34]

니콜라 테슬라

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1891년 컬럼비아 칼리지 강연 중 "정전기 유도"에 의한 무선 전송을 시연하는 테슬라. 두 금속판은 고전압 무선주파수 교류를 인가하는 테슬라 코일 발진기에 연결되어 있다. 판 사이의 진동하는 전기장이 그의 손에 든 두 개의 긴 가이스러관 내부의 저압 가스를 이온화시켜 네온관과 유사한 방식으로 빛을 내게 한다.

1890년 이후, 발명가 니콜라 테슬라는 오늘날 테슬라 코일이라 불리는, 높은 교류 전압을 생성하는 불꽃 여기 방식의 무선주파수 공진 변압기를 사용하여 유도 및 정전 결합을 통한 전력 전송 실험을 수행했다.[28][35][36] 초기에 그는 근거리 유도 및 정전 결합에 기반한 무선 조명 시스템 개발을 시도했으며,[35] 무대 건너편에서 가이스러관과 백열전구에 불을 밝히는 일련의 공개 시연을 진행했다.[35][36][37] 그는 송신기의 LC 회로와 공명하도록 튜닝된 수신용 LC 회로를 사용함으로써 전등을 켤 수 있는 거리를 늘릴 수 있음을 발견했으며,[38] 이는 자기 공진 결합을 이용한 것이었다.[35][39] 테슬라는 자신의 발견을 상업적 제품으로 만드는 데는 실패했으나,[40] 그의 자기 공진 결합 방식은 현재 전자 공학에서 널리 사용되고 있으며 단거리 무선 전력 시스템에 적용되고 있다.[35][41]

(왼쪽) 1899년 콜로라도스프링스에서 테슬라가 수행한 자기 공진 전송 실험. 코일이 근처의 테슬라 확대 송신기와 공명하여 하단의 전구에 불을 밝히고 있다. (오른쪽) 테슬라의 실패한 워든클라이프 전력소.

테슬라는 가정과 공장에 직접 장거리 전력을 전송할 수 있기를 희망하며 무선 전력 분배 시스템 개발을 이어갔다. 초기에 그는 말론 루미스의 아이디어를 차용한 것으로 보이는데,[42][43] 기압이 낮아 고전압(수백만 볼트)을 장거리로 보낼 수 있을 것이라 생각한 고도 30,000 feet (9,100 m) 이상의 공중에 송수신 전극을 매달기 위해 기구를 사용하는 시스템을 제안했다. 저압 공기의 전도성을 더 연구하기 위해 그는 1899년 콜로라도스프링스의 고산 지대에 테스트 시설을 세웠다.[44][45][46] 그곳에서 메가볼트 범위에서 작동하는 대형 코일을 사용하여 수행한 실험과 낙뢰의 전자 노이즈 관찰을 통해, 그는 지구 전체를 전기 에너지 전도로 사용할 수 있다는 잘못된 결론을 내렸다.[47][34] 이 이론은 접지된 테슬라 코일에서 지구의 공진 주파수로 교류 펄스를 지구 내부로 흘려보내 지구의 전위를 진동시키는 방식을 포함했다. 테슬라는 이를 통해 지구상의 어느 지점에서나 공명하도록 튜닝된 유사한 정전 용량 안테나를 사용하여 전력 손실이 거의 없이 교류를 수신할 수 있을 것이라고 생각했다.[48][49][50] 또한 그는 수백 피트 높이의 코일에서 사용되는 고전압이 "공기층을 무너뜨려" 대기 귀로를 만들기 위해 기구에 수 마일의 케이블을 매달 필요를 없애줄 것이라고 믿었다.[51][52] 테슬라는 이듬해에 전 세계에 정보와 전력을 모두 방송하는 "세계 무선 시스템"을 제안하기에 이르렀다.[53][54] 1901년 뉴욕 쇼어햄에 현재 워든클라이프 탑이라 불리는 대형 고전압 무선 전력소를 건설하기 시작했으나, 1904년 투자가 끊기면서 시설은 완공되지 못했다.

전후 발전

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제2차 세계 대전 이전까지 무선 전력 전송 분야에서는 거의 진전이 없었다.[55] 라디오는 통신용으로 개발되었으나, 상대적으로 낮은 진동수의 전파가 모든 방향으로 퍼져나가 수신기에 도달하는 에너지가 거의 없었기 때문에 전력 전송에는 사용할 수 없었다.[28][55] 무선 통신에서는 수신기에서 앰프가 다른 에너지원을 사용하여 약한 신호를 증폭한다. 전력 전송을 위해서는 수신기를 향해 좁은 빔으로 집중시킬 수 있는 고주파 마이크로파를 생성할 수 있는 송신기가 필요했다.[28][55][56]

속도변조관(클라이스트론), 마그네트론 튜브 및 파볼라 안테나와 같은 제2차 세계 대전 중의 마이크로파 기술 발전은[55] 처음으로 복사식(원거리장) 방법을 실용화할 수 있게 했으며, 1960년대에 윌리엄 C. 브라운에 의해 최초의 장거리 무선 전력 전송이 달성되었다.[28] 1964년 브라운은 마이크로파를 직류 전력으로 효율적으로 변환할 수 있는 렉테나(rectenna)를 발명했으며, 같은 해 지상에서 빔으로 쏜 마이크로파로 동력을 공급받는 최초의 무선 구동 항공기인 모델 헬리콥터를 시연했다.[55]

장 영역

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전기장과 자기장은 전자와 같은 물질 내의 하전 입자에 의해 생성된다. 정지된 전하는 그 주변 공간에 정전기장을 생성한다. 전하의 정상적인 흐름(직류, DC)은 그 주변에 정자기장을 생성한다. 이러한 장들은 에너지를 포함하고 있지만 정지해 있기 때문에 전력을 운반할 수 없다.[57] 그러나 시간에 따라 변하는 장은 전력을 운반할 수 있다. 철사 안의 전자 교류(AC) 흐름에서 볼 수 있는 가속하는 전하는 주변 공간에 시간에 따라 변하는 전기장과 자기장을 생성한다. 이러한 장은 수신 "안테나"의 전자에 진동하는 힘을 가해 전자가 앞뒤로 움직이게 할 수 있다. 이것이 부하에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있는 교류를 나타낸다.

안테나 장치에서 움직이는 전하를 둘러싸는 진동하는 전기장과 자기장은 안테나로부터의 거리 Drange에 따라 두 영역으로 나눌 수 있다.[14][17][18][58][59][60] [61] 이 영역 간의 경계는 다소 모호하게 정의된다.[17] 각 영역에서 장은 서로 다른 특성을 가지며 전력 전송을 위해 서로 다른 기술이 사용된다.

  • 근거리장(near-field) 또는 비복사(nonradiative) 영역: 안테나의 약 1 파장(λ) 이내의 영역을 의미한다.[14][59][60] 이 영역에서는 진동하는 전기장과 자기장이 분리되어 있으며,[18] 금속 전극 사이의 정전 결합(정전기 유도)에 의한 전기장을 통하거나, 코일 사이의 유도 결합(전자기 유도)에 의한 자기장을 통해 전력을 전송할 수 있다.[4][5][6][7] 이러한 장은 비복사성으로,[60] 에너지가 송신기의 짧은 거리 내에 머무른다는 것을 의미한다.[62] "결합"할 수 있는 수신 장치나 흡수 물질이 제한된 범위 내에 없으면 송신기에서 전력이 빠져나가지 않는다.[62] 이러한 장의 범위는 짧으며 보통 코일 형태인 "안테나" 장치의 크기와 모양에 따라 달라진다. 장의 강도, 즉 전송되는 전력은 거리에 따라 지수적 감쇠를 하므로,[59][61][63] 두 "안테나" 사이의 거리 Drange가 안테나 지름 Dant보다 훨씬 크면 수신되는 전력은 매우 적어진다. 따라서 이러한 기술은 장거리 전력 전송에 사용할 수 없다. 자기 공진 결합과 같은 공명은 안테나 사이의 결합을 크게 증가시켜 다소 먼 거리에서도 효율적인 전송을 가능하게 하지만,[14][18][58][59][64][65] 장은 여전히 지수적으로 감소한다. 따라서 근거리 장 장치의 범위는 관습적으로 두 가지 범주로 나뉜다.
    • 단거리: 안테나 지름의 약 1배까지: Drange ≤ Dant.[62][64][66] 일반적인 비공진형 정전 또는 유도 결합이 실질적인 양의 전력을 전송할 수 있는 범위이다.
    • 중거리: 안테나 지름의 최대 10배까지: Drange ≤ 10 Dant.[64][65][66][67] 공진형 정전 또는 유도 결합이 실질적인 양의 전력을 전송할 수 있는 범위이다.
  • 원거리장(far-field) 또는 복사(radiative) 영역: 안테나의 약 1 파장(λ)을 넘어서면 전기장과 자기장이 서로 수직을 이루며 전자기파로서 전파된다. 예로는 전파, 마이크로파 또는 빛 등이 있다.[14][58][59] 에너지의 이 부분은 복사성으로,[60] 에너지를 흡수할 수신기가 있든 없든 안테나를 떠난다는 것을 의미한다. 수신 안테나에 닿지 않는 에너지는 흩어져 시스템에서 손실된다. 안테나에서 전자기파로 방출되는 전력의 양은 안테나의 크기 Dant와 파동의 파장 λ의 비율에 따라 달라지며,[68] 이는 진동수에 의해 결정된다(λ = c/f). 안테나가 파동의 크기보다 훨씬 작은 낮은 진동수 f(Dant << λ)에서는 전력이 거의 방사되지 않는다. 따라서 낮은 진동수를 사용하는 근거리 장 장치는 에너지를 거의 전자기파로 방사하지 않는다. 파장과 비슷한 크기의 안테나(Dant ≈ λ), 예를 들어 모노폴 안테나나 다이폴 안테나는 전력을 효율적으로 방사하지만, 전자기파가 모든 방향으로(무지향성 안테나) 방사되므로 수신 안테나가 멀리 떨어져 있으면 방사 에너지의 아주 적은 양만이 수신기에 닿게 된다.[60][64] 따라서 이들은 단거리의 비효율적인 전력 전송에는 사용될 수 있지만 장거리 전송에는 적합하지 않다.[69] 그러나 장(field)과 달리 전자기파는 반사나 굴절을 통해 빔으로 집중시킬 수 있다. 방사 에너지를 수신기를 향한 좁은 빔으로 집중시키는 고이득 안테나나 광학 시스템을 사용하면 장거리 전력 전송에 사용될 수 있다.[64][69] 레일리 기준에 따르면, 상당한 양의 에너지를 멀리 떨어진 수신기에 집중시키는 데 필요한 좁은 빔을 생성하려면 안테나가 사용되는 파동의 파장보다 훨씬 커야 한다(Dant >> λ = c/f).[70] 실용적인 빔 전력 장치는 센티미터 단위 이하의 파장을 필요로 하며, 이는 마이크로파 대역 이상의 1 GHz가 넘는 진동수에 해당한다.[14]
범위별 무선 전력 기술[14][17][58][71]
기술 범위 지향성[17] 진동수 안테나 장치 현재 및 미래의 가능성 있는 응용 분야
유도 결합 단거리 낮음 Hz – MHz 와이어 코일 전동 칫솔 및 면도기 배터리 충전, 인덕션 쿡탑 및 산업용 가열기.
자기 공진 결합 중거리 낮음 kHz – GHz 튜닝된 와이어 코일, 집중 정수 공명기 휴대용 기기 충전(Qi), 생체 의료 이식, 전기차, 버스/기차/자기부상열차 전력 공급, RFID, 스마트카드.
정전 결합 단거리 낮음 kHz – MHz 금속판 전극 휴대용 기기 충전, 대규모 집적 회로의 전력 라우팅, 스마트카드, 생체 의료 이식.[5][6][7]
자석역학 결합 단거리 해당 없음 Hz 회전 자석 전기차 충전,[71] 생체 의료 이식.[72]
마이크로파 장거리 높음 GHz 파라볼라 안테나, 위상배열, 렉테나 태양광 발전 위성, 드론 전력 공급, 무선 기기 충전
광선 장거리 높음 ≥THz 레이저, 광전지, 렌즈 휴대용 기기 충전,[73] 드론 전력 공급.

근거리장(비복사) 기술

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상대적으로 거리가 멀 때, 전기장과 자기장의 근거리장 성분은 대략 준정적 진동 쌍극자 장의 형태를 띤다. 이러한 장은 거리의 세제곱에 반비례하여 감소한다: (Drange / Dant)−3.[61][74] 전력은 장 강도의 제곱에 비례하므로 전송되는 전력은 (Drange / Dant)−6에 비례하여 감소한다.[18][63][75][76] 즉 10배 거리가 멀어지면 수신 전력은 106 = 1,000,000분의 1로 감소한다. 결과적으로 유도 및 정전 결합은 안테나 장치 지름 Dant의 몇 배 이내인 단거리 전력 전송에만 사용될 수 있다. 쌍극자 안테나가 전파 방향에 수직일 때 최대 방사가 일어나는 복사 시스템과 달리, 쌍극자 장에서는 쌍극자가 종방향으로 배열될 때 최대 결합이 일어난다.

유도 결합

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 이 부분의 본문은 무선 충전입니다.
2011년 도쿄 모터쇼에서의 프로토타입 전기차 유도 충전 시스템
커피숍의 파워매트 유도 충전 스팟. 고객은 그 위에 전화기와 컴퓨터를 올려 충전할 수 있다.
무선 구동 액세스 카드.
현재는 구식이 된 Magne Charge 스테이션에서 유도 충전 중인 GM EV1과 도요타 RAV4 EV
왼쪽: 현대적인 유도 전력 전송 방식인 전동 칫솔 충전기. 거치대의 코일이 자기장을 생성하여 칫솔 내부 코일에 교류를 유도하고, 이것이 배터리 충전을 위해 정류된다. 오른쪽: 1910년에 시연된 유도로 무선 구동되는 전구.
유도형 무선 전력 시스템의 일반적인 블록 다이어그램

유도 결합(전자기 유도[58][77] 또는 유도 전력 전송, IPT)에서 전력은 자기장에 의해 코일 사이에서 전송된다.[18] 송신기 코일과 수신기 코일은 함께 변압기를 형성한다.[18][58] 송신기 코일(L1)을 통과하는 교류(AC)는 앙페르 회로 법칙에 의해 진동하는 자기장(B)을 생성한다. 자기장은 수신기 코(L2)일을 통과하며 패러데이 유도 법칙에 의해 진동하는 기전력(전압)을 유도하고, 수신기 내부에 교류 전류를 생성한다.[15][77] 유도된 교류 전류는 부하를 직접 구동하거나, 수신기의 정류기에 의해 직류(DC)로 정류되어 부하를 구동할 수 있다. 전동 칫솔 충전 거치대와 같은 소수의 시스템은 50/60 Hz에서 작동하여 AC 가정용 전원이 송신기 코일에 직접 인가되지만, 대부분의 시스템에서는 진동수가 높을수록 전송 효율이 향상되기 때문에 전자 발진기가 더 높은 주파수의 AC 전류를 생성하여 코일을 구동한다.[77]

유도 결합은 가장 오래되고 가장 널리 사용되는 무선 전력 기술이며, 사실상 지금까지 상업용 제품에 사용되는 유일한 기술이다. 감전 위험을 줄이기 위해 전동 칫솔[58]이나 면도기처럼 젖은 환경에서 사용되는 무선 가전제품의 유도 충전 거치대에 사용된다.[78] 또 다른 응용 분야는 피부를 관통하는 전선을 피하기 위해 인공 심박동기와 같이 인체에 이식된 생체 의료용 인공 보조물을 "경피적"으로 재충전하는 것이다.[79][80] 승용차와 같은 전기차를 충전하거나 버스, 기차와 같은 대중교통 수단에 전력을 공급하거나 충전하는 데에도 사용된다.[58]

그러나 가장 빠르게 성장하는 용도는 태블릿 컴퓨터, 마우스, 휴대 전화, 디지털 미디어 플레이어, 비디오 게임 컨트롤러와 같은 모바일 및 휴대용 무선 기기를 재충전하기 위한 무선 충전 패드이다. 미국에서 연방 통신 위원회(FCC)는 2017년 12월 무선 전송 충전 시스템에 대한 최초의 인증을 제공했다.[81]

전송되는 전력은 진동수[77]와 코일 사이의 상호 유도 에 따라 증가하며,[15] 이는 코일의 기하학적 구조와 사이 거리 에 따라 달라진다. 널리 사용되는 성능 지수는 결합 계수 이다.[77][82] 이 무차원 매개변수는 L2가 개방 회로일 때 송신기 코일 을 통과하는 자기 선속 중 수신기 코일 를 통과하는 비율과 같다. 두 코일이 동일한 축상에 있고 매우 가까워서 의 모든 자기 선속이 를 통과하면 이 되며 링크 효율은 100%에 가까워진다. 코일 사이의 간격이 넓어질수록 첫 번째 코일의 자기장이 두 번째 코일을 더 많이 비껴가게 되어 와 링크 효율이 낮아지며, 간격이 매우 멀어지면 0에 수렴한다.[77] 링크 효율과 전송 전력은 대략 에 비례한다.[77] 높은 효율을 달성하기 위해서는 코일이 코일 지름 의 아주 작은 분율 이내로,[77] 보통 수 센티미터 이내로 매우 가까워야 하며[69] 코일의 축이 정렬되어야 한다. 결합을 높이기 위해 보통 넓고 평평한 코일 형태가 사용된다.[77] 페라이트 "자속 가둠" 코어는 자기장을 가두어 결합을 개선하고 근처 전자 기기에 대한 간섭을 줄일 수 있지만,[77][79] 무겁고 부피가 커서 소형 무선 기기에서는 공심 코일을 사용하는 경우가 많다.

일반적인 유도 결합은 코일이 매우 가까울 때, 즉 보통 인접해 있을 때만 높은 효율을 낼 수 있다. 대부분의 현대적인 유도 시스템에서는 자기 공진 결합이 사용되며, 여기서는 공진 회로를 사용하여 효율을 높인다.[60][65][77][28] 이는 비공진형 유도 결합보다 먼 거리에서 높은 효율을 달성할 수 있다.

자기 공진 결합

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 이 부분의 본문은 자기 공진 결합입니다.
 테슬라 코일 § 공진 변압기 문서에 이 부분의 추가 정보가 있습니다.

자기 공진 결합(전동역학적 결합,[58] 강결합 자기 공명[64])은 송신기와 수신기에 각각 하나씩 있는 두 개의 공진 회로(조율 회로) 사이의 자기장(B, 녹색)을 통해 전력이 전송되는 유도 결합의 한 형태이다.[18][58][60][78][28] 각 공진 회로는 커패시터에 연결된 와이어 코일, 또는 내부 커패시턴스를 가진 자기 공진 주파수를 갖는 코일이나 다른 공명기로 구성된다. 두 회로는 동일한 공진 주파수에서 공명하도록 튜닝된다. 코일 사이의 공명은 진동하는 소리굽쇠가 동일한 음높이로 튜닝된 멀리 떨어진 포크에 공명 진동을 유도하는 것과 유사하게 결합과 전력 전송을 크게 증가시킬 수 있다.

니콜라 테슬라는 20세기 초 무선 전력 전송에 관한 선구적인 실험을 하던 중 공진 결합을 처음 발견했으나,[38][35][39] 전송 범위를 늘리기 위해 공진 결합을 사용하는 가능성은 최근에야 본격적으로 탐구되기 시작했다.[83] 2007년 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 마린 솔랴치치가 이끄는 팀은 10 MHz에서 25 cm 크기의 자기 공진 코일 두 개를 사용하여 약 40%의 효율로 2 미터 (6.6 ft) 거리(코일 지름의 8배)에서 60 W의 전력을 전송하는 데 성공했다.[58][64][78][35][84]

자기 공진 결합 시스템의 이면에는 높은 Q 인자 공명기가 내부 감쇠로 인해 에너지를 잃는 속도보다 훨씬 빠른 속도로 에너지를 교환한다는 개념이 있다.[64] 따라서 공명을 사용하면 근거리장의 주변부("꼬리")에 있는 훨씬 약한 자기장을 사용하여 더 먼 거리에서 동일한 양의 전력을 전송할 수 있다.[64] 자기 공진 결합은 코일 지름(Dant)의 4배에서 10배 범위에서 높은 효율을 달성할 수 있다.[65][66][67] 이는 코일이 인접해 있을 때만 비슷한 효율을 낼 수 있는 비공진형 유도 전송의 "단거리"와 대비되는 "중거리" 전송이라 불린다. 또 다른 장점은 공진 회로들이 비공진 물체들보다 서로 훨씬 더 강하게 상호작용하기 때문에 주변의 떠돌이 물체들에 흡수되어 발생하는 전력 손실이 무시할 수 있는 수준이라는 점이다.[60][64]

자기 공진 결합 이론의 단점은 두 공진 회로가 단거리에서 단단히 결합될 때 시스템의 공진 주파수가 더 이상 일정하지 않고 두 개의 공진 피크로 "분리"된다는 것이다.[85][86][87] 따라서 최대 전력 전송이 더 이상 원래의 공진 주파수에서 발생하지 않으며 발진 주파수를 새로운 공진 피크에 맞춰야 한다.[65][88]

공진 기술은 현재 현대적인 유도 무선 전력 시스템에 널리 통합되고 있다.[77] 이 기술에 대해 예상되는 가능성 중 하나는 무선 전력 구역 커버리지이다. 방의 벽이나 천장에 있는 코일이 방 안 어디에 있는 등기구와 모바일 기기에도 적절한 효율로 무선으로 전력을 공급할 수 있게 될 것이다.[78] 시계, 라디오, 뮤직 플레이어 및 리모컨과 같은 소형 기기에 무선으로 전력을 공급하는 것의 환경적, 경제적 이점은 독성 폐기물과 지하수 오염의 주요 원인인 매년 버려지는 60억 개의 배터리를 획기적으로 줄일 수 있다는 점이다.[69]

스웨덴 군의 한 연구에 따르면 차량용 동적 무선 전력 전송을 위한 85 kHz 시스템은 최대 300km 반경까지 전자파 간섭을 일으킬 수 있다.[89]

정전 결합

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 이 부분의 본문은 정전 결합입니다.

전기 결합이라고도 하는 정전 결합은 전력 전송을 위한 전기 용량을 형성하는 두 개의 전극(애노드 및 캐소드) 사이의 전기장을 이용한다.[90] 유도 결합의 켤레이기도 한 정전 결합(정전기 유도)에서는 금속판과 같은 전극[6] 사이의 전기장[4][15][5][7]을 통해 에너지가 전달된다. 송신기와 수신기 전극은 축전기를 형성하며 그 사이의 공간은 유전체 역할을 한다.[6][15][18][58][79][91] 송신기에서 생성된 교류 전압이 송신판에 인가되면 진동하는 전기장이 정전기 유도에 의해 수신판에 교류 전위를 유도하고,[15][91] 이로 인해 부하 회로에 교류 전류가 흐르게 된다. 전송되는 전력량은 진동수,[91] 전압의 제곱, 그리고 판 사이의 전기 용량에 비례하여 증가하며, 전기 용량은 작은 쪽 판의 면적에 비례하고 (단거리의 경우) 간격에 반비례한다.[15]

정전형 무선 전력 시스템
양극성 결합
단극성 결합

정전 결합은 상당한 전력을 전송하기 위해 전극에 인가되는 매우 높은 전압이 위험할 수 있고,[18][58] 유해한 오존 생성과 같은 불쾌한 부작용을 일으킬 수 있기 때문에 소수의 저전력 응용 분야에서만 실질적으로 사용되어 왔다. 또한 자기장과 달리[64] 전기장은 유전 분극으로 인해 인체를 포함한 대부분의 물질과 강하게 상호작용한다.[79] 전극 사이나 근처에 있는 개입 물질이 에너지를 흡수할 수 있으며, 사람의 경우 과도한 전자기파 노출을 유발할 수 있다.[18] 그러나 정전 결합은 유도 결합에 비해 몇 가지 장점이 있다. 장이 주로 커패시터 판 사이에 갇혀 있어 간섭이 적으며, 이는 유도 결합에서 무거운 페라이트 "자속 가둠" 코어를 필요로 하는 것과 대조된다.[15][79] 또한 송신기와 수신기 간의 정렬 요구 사항이 덜 엄격하다.[15][18][91] 최근 정전 결합은 배터리 구동 휴대용 기기 충전뿐만 아니라[4] 생체 의료 이식물의 충전 또는 지속적인 무선 전력 공급에 적용되고 있으며,[5][6][7] 집적 회로의 기판 층 간 전력 전송 수단으로도 고려되고 있다.[92]

두 가지 유형의 회로가 사용되어 왔다:

  • 횡방향(양극성) 설계:[5][7][93][94] 이 유형의 회로에는 두 개의 송신판과 두 개의 수신판이 있다. 각 송신판은 하나의 수신판과 결합된다. 송신기 발진기는 높은 교류 전압으로 두 송신판을 반대 위상(180° 위상차)으로 구동하며, 부하는 두 수신판 사이에 연결된다. 진동하는 전기장은 수신판에 반대 위상의 교류 전위을 유도하고, 이 "푸시-풀" 작용으로 인해 부하를 통해 판 사이로 전류가 앞뒤로 흐르게 된다. 무선 충전을 위한 이 구성의 단점은 수신 장치의 두 판이 충전기 판과 마주보도록 정렬되어야 한다는 점이다.[16]
  • 종방향(단극성) 설계:[15][91][94] 이 유형의 회로에서 송신기와 수신기는 오직 하나의 활성 전극만을 가지며, 접지 또는 큰 수동 전극이 전류의 귀로 역할을 한다. 송신기 발진기는 활성 전극과 수동 전극 사이에 연결된다. 부하 역시 활성 전극과 수동 전극 사이에 연결된다. 송신기에 의해 생성된 전기장은 정전기 유도를 통해 부하 쌍극자에 교류 전하 변위를 유도한다.[95]

범위를 확장하기 위해 정전 결합에서도 공명을 사용할 수 있다. 20세기 초 니콜라 테슬라는 공진형 유도 및 정전 결합을 이용한 최초의 실험을 모두 수행했다.

전동역학적 무선 전력 전송

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전동역학적 무선 전력 전송(Electrodynamic wireless power transfer, EWPT) 시스템은 기계적으로 공명하거나 회전하는 영구 자석이 있는 수신기를 활용한다.[96][97] 시간에 따라 변하는 자기장에 노출되면 공명하는 자석의 기계적 운동은 하나 이상의 전기 기계 변환 방식(예: 전자기/유도, 압전기, 또는 정전 결합)에 의해 전기로 변환된다.[98][99] 보통 고주파 자기장을 사용하는 유도 결합 시스템과 대조적으로, EWPT는 전도성 매체를 안전하게 통과하고 인간 장 노출 한계가 더 높은 저주파 자기장(<1 kHz)을 사용하며,[100][101][102] 이는 생체 의료 이식물의 무선 재충전에 잠재적으로 유용할 것으로 기대를 모으고 있다. 동일한 공진 주파수를 갖는 EWPT 장치의 경우 전력 전송의 크기는 전적으로 송신기와 수신기 장치 사이의 로 표시되는 임계 결합 계수에 달려 있다. 동일한 공진 주파수를 가진 결합된 공명기의 경우 송신기와 수신기 사이의 무선 전력 전송은 과소 결합(under-coupled), 임계 결합(critically coupled), 과결합(over-coupled)의 세 가지 체계로 나뉜다. 임계 결합 계수가 과소 결합 체계()에서 임계 결합 체계로 증가함에 따라 최적 전압 이득 곡선은 (수신기에서 측정 시) 크기가 커져 일 때 최고점에 도달하며, 그 후 인 과결합 체계로 진입하면 피크가 두 개로 갈라진다.[103] 이 임계 결합 계수는 소스와 수신기 장치 사이 거리의 함수임이 입증되었다.[104][105]

자석역학 결합

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이 방식에서는 송신기와 수신기에 하나씩 있는 두 개의 회전하는 전기자 사이에서 전력이 전송된다. 이들은 동기화되어 회전하며 전기자의 영구 자석에 의해 생성된 자기장에 의해 서로 결합된다.[71] 송신기 전기자는 전동기의 로터로서 또는 그에 의해 회전하며, 그 자기장이 수신기 전기자에 돌림힘을 가해 이를 회전시킨다. 자기장은 전기자들 사이의 기계적 결합처럼 작동한다.[71] 수신기 전기자는 별도의 발전기를 돌리거나 수신기 전기자 자체를 발전기의 로터로 사용하여 부하를 구동할 전력을 생산한다.

이 장치는 전기차의 비접촉 충전을 위한 유도 전력 전송의 대안으로 제안되었다.[71] 차고 바닥이나 연석에 매립된 회전 전기자가 차량 하부의 수신기 전기자를 돌려 배터리를 충전하는 방식이다.[71] 이 기술은 10~15 cm(4~6인치) 거리에서 90% 이상의 높은 효율로 전력을 전송할 수 있다고 주장된다.[71][106] 또한 회전 자석에 의해 생성되는 저주파 떠돌이 자기장은 유도 결합 시스템에 의해 생성되는 고주파 자기장보다 주변 전자 기기에 대한 간섭을 적게 일으킨다. 전기차 충전 프로토타입 시스템은 2012년부터 브리티시컬럼비아 대학교에서 운용되고 있다. 그러나 다른 연구자들은 두 번의 에너지 변환(전기-기계-전기)이 유도 결합과 같은 전기적 시스템보다 효율을 떨어뜨린다고 주장한다.[71]

제넥파 전송

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오루간티(Oruganti) 등은 제넥파를 이용한 새로운 종류의 시스템을 보여주었으며, 평평한 금속-공기 계면에서 제넥파 유형의 파동을 여기시키고 금속 장애물을 가로질러 전력을 전송하는 것이 가능하다는 것을 입증했다.[107][108][109] 여기서 핵심 아이디어는 금속-공기 계면에서 국소적인 전하 진동을 여기시키는 것이며, 그 결과 발생하는 모드는 금속-공기 계면을 따라 전파된다.[107]

원거리장(복사) 기술

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원거리장 방식은 거리가 장치의 지름보다 훨씬 먼 경우로, 종종 수 킬로미터 범위의 더 긴 거리를 달성한다. 높은 지향성을 가진 안테나나 잘 시준된 레이저 광은 수신 영역의 모양에 맞게 조정될 수 있는 에너지 빔을 생성한다. 안테나의 최대 지향성은 회절에 의해 물리적으로 제한된다.

일반적으로 (레이저에서 나오는) 가시광선과 (목적에 맞게 설계된 안테나에서 나오는) 마이크로파가 에너지 전송에 가장 적합한 전자기파 형태이다.

구성 요소의 치수는 송신기에서 수신기까지의 거리, 파장, 그리고 표준 무선주파수 안테나 설계에 사용되며 레이저에도 적용되는 레일리 기준 또는 회절 한계에 의해 결정될 수 있다. 에어리 회절 한계는 조리개로부터 임의의 거리에서의 대략적인 스팟 크기를 결정하는 데에도 자주 사용된다. 전자기파는 파장이 짧을수록(진동수가 높을수록) 회절이 적게 발생하므로, 예를 들어 청색 레이저는 적색 레이저보다 회절이 적다.

레일리 한계(아베 회절 한계라고도 함)는 원래 이미지 해상도에 적용되었지만 반대로도 볼 수 있으며, 모든 전자기파(마이크로파나 레이저 빔 등)의 복사조도(또는 강도)는 빔이 조리개 크기에 반비례하는 최소 속도로 거리 전반에 걸쳐 퍼짐에 따라 감소한다는 것을 규정한다. 전송 안테나의 조리개 또는 레이저 출사 조리개와 전자기파 파장의 비율이 클수록 방사 에너지를 더 밀집된 빔으로 집중시킬 수 있다.

마이크로파 전력 빔 전송은 레이저보다 더 효율적일 수 있으며, 먼지나 안개와 같은 연무질에 의한 대기 감쇠에 덜 민감하다.

여기서 전력 수준은 매개변수들을 결합하고 안테나 특성으로 인한 이득과 손실, 그리고 방사선이 통과하는 매질의 투명도 및 분산을 더하여 계산된다. 이 과정은 링크 버짓 계산으로 알려져 있다.

마이크로파

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우주선이나 행성 표면으로 마이크로파를 통해 에너지를 보낼 수 있는 태양광 발전 위성의 상상도

전파를 통한 전력 전송은 전형적으로 마이크로파 범위에서 전자기파의 더 짧은 파장을 사용하여 더 지향성 있게 만들 수 있으며, 이를 통해 장거리 전력 빔 전송이 가능하다.[110] 렉테나를 사용하여 마이크로파 에너지를 다시 전기로 변환할 수 있다. 95%를 초과하는 렉테나 변환 효율이 실현된 바 있다. 마이크로파를 이용한 전력 빔 전송은 궤도를 도는 태양광 발전 위성에서 지구로 에너지를 전송하는 용도로 제안되었으며, 궤도를 떠나는 우주선에 전력을 쏘아주는 것도 고려되었다.[111][112]

마이크로파에 의한 전력 빔 전송은 대부분의 우주 응용 분야에서 회절로 인해 안테나 지향성이 제한되어 필요한 조리개 크기가 매우 크다는 어려움이 있다. 예를 들어 1978년 미국 항공 우주국(NASA)의 태양광 발전 위성 연구에서는 2.45 GHz 마이크로파 빔을 위해 지름 1-킬로미터 인 (0.62 mi) 송신 안테나와 지름 10-킬로미터 인 (6.2 mi) 수신 렉테나가 필요했다.[113] 이러한 크기는 더 짧은 파장을 사용하여 어느 정도 줄일 수 있지만, 짧은 파장은 대기 흡수 및 비나 물방울에 의한 빔 차단 문제를 겪을 수 있다. "희소 배열의 저주"(thinned-array curse) 때문에 여러 작은 위성의 빔을 결합하여 더 좁은 빔을 만드는 것은 불가능하다.

지상 응용 분야의 경우 지름 10 km의 대면적 수신 어레이를 사용하면 인체의 전자기파 노출 안전을 위해 제안된 낮은 전력 밀도에서도 높은 총 전력 수준을 유지할 수 있다. 10 km 지름 영역에 걸쳐 분포된 인체 안전 전력 밀도 1 mW/cm2는 총 750메가와트의 전력 수준에 해당한다. 이는 많은 현대식 발전소에서 볼 수 있는 전력 수준이다. 이에 비해 비슷한 크기의 태양광 발전소는 낮 시간 최적의 조건에서 대략 10,000메가와트를 쉽게 초과할 수 있다.

제2차 세계 대전 이후 마그네트론이라는 고출력 마이크로파 방출 장치가 개발되면서 마이크로파를 이용한 전력 전송 아이디어가 연구되었다. 1964년에는 마이크로파 동력으로 추진되는 소형 헬리콥터가 시연된 바 있다.[114]

일본의 연구자 야기 히데쓰구 또한 자신이 설계한 지향성 어레이 안테나를 이용한 무선 에너지 전송을 조사했다. 1926년 2월 야기와 그의 동료 우다 신타로는 현재 야기 안테나로 알려진 튜닝된 고이득 지향성 어레이에 관한 첫 논문을 발표했다. 전력 전송에는 특별히 유용하지 않은 것으로 판명되었으나, 이 빔 안테나는 탁월한 성능 특성 덕분에 방송 및 무선 통신 산업 전반에 걸쳐 널리 채택되었다.[115]

마이크로파를 이용한 무선 고출력 전송은 충분히 입증되었다. 1975년 캘리포니아의 골드스톤 심우주 통신 단지에서 수십 킬로와트 규모의 실험이 수행되었으며,[116][117][55] 더 최근에는(1997년) 레위니옹섬의 그랑 바생에서 실험이 있었다.[118] 이러한 방법들은 킬로미터 단위의 거리를 달성한다.

실험 조건 하에서 마이크로파 변환 효율은 1미터 거리에서 약 54%로 측정되었다.[119]

LED와 유사한 마이크로파 방출기가 부저항(즉, 건 다이오드나 IMPATT 다이오드)을 사용하여 매우 높은 양자 효율로 만들어졌기 때문에 24 GHz로의 전환이 제안되었으며, 이는 단거리 링크에 실행 가능할 것이다.

2013년 발명가 하템 자인(Hatem Zeine)은 위상 배열 안테나를 이용한 무선 전력 전송이 최대 30피트까지 전력을 전달할 수 있음을 시연했다. 이는 와이파이와 동일한 무선 주파수를 사용한다.[120][121]

2015년 워싱턴 대학교의 연구원들은 와이파이 공유기에서 나오는 전송을 사용하여 배터리를 세류 충전하고 배터리 없는 카메라와 온도 센서에 전원을 공급하는 '와이파이를 통한 전력(power over Wi-Fi)'을 선보였다.[122][123] 와이파이 신호는 최대 20피트 범위에서 배터리 없는 온도 및 카메라 센서에 전원을 공급하는 것으로 나타났다. 또한 와이파이를 사용하여 최대 28피트 거리에서 니켈-수소 및 리튬 이온 코인 셀 배터리를 무선으로 세류 충전할 수 있음을 보여주었다.

2017년 연방 통신 위원회(FCC)는 무선 전력의 최초 중거리 무선주파수(RF) 송신기를 인증했다.[124] 2021년 FCC는 약 900 MHz의 주파수를 사용하여 근거리장과 원거리장 방식을 결합한 무선 충전 시스템에 라이선스를 부여했다. 약 1 W의 방사 전력 덕분에 이 시스템은 다양한 센서, 추적기, 탐지기 및 모니터와 같은 소형 IoT 장치를 대상으로 한다.[125]

레이저

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태양 전지 패널에 집중된 레이저 빔이 경량 모델 항공기가 비행할 수 있을 만큼의 충분한 전력을 공급하고 있다.

전기를 레이저 빔으로 변환하여 이를 태양 전지(광전지)에 수신 및 집중시킴으로써 전력을 전송할 수 있다.[126][127] 이는 가시광선 영역에 가까운(.2~2 마이크로미터) 전자기파를 활용한다. 이 메커니즘은 전력을 수신기로 쏘아 전기에너지로 변환하기 때문에 일반적으로 '전력 빔 전송'으로 알려져 있다. 수신기에서는 단색광 변환에 최적화된 전력 변환기가 적용된다.[128]

다른 무선 방식과 비교할 때 장점은 다음과 같다:[129]

  • 거리: 시준된 단색 파면 전파는 큰 거리에 걸쳐 전송할 수 있도록 좁은 빔 단면적을 허용한다. 결과적으로 송신기에서 수신기까지 거리가 멀어져도 전력 감소가 거의 없거나 전혀 없다.
  • 크기: 고체 레이저는 작은 폼 팩터에 적합하다.
  • 간섭: 와이파이나 휴대폰과 같은 기존 무선 통신에 대한 무선주파수 간섭을 피할 수 있다.
  • 접근성: 레이저가 닿는 수신기만 전력을 공급받는다.

단점은 다음과 같다:

  • 위험: 안전 장치가 없으면 낮은 전력 수준에서도 사람과 동물의 눈을 멀게 할 수 있다. 높은 전력 수준은 국소 가열을 통해 치명적일 수 있다.
  • 효율: 태양 전지의 광-전기 변환 효율이 제한적이다. 그러나 전력 변환기는 최대 68.9%의 효율을 입증한 바 있다.[130]
  • 날씨: 대기 흡수 및 구름, 안개, 비 등에 의한 흡수와 산란으로 인해 최대 100%의 손실이 발생할 수 있다.
  • 가시선: 목표물에 대한 가시선 연결이 필요하거나 광섬유를 통한 전송이 필요하다.

전력 빔 전송 기술은 지향성 에너지 무기와 같은 군사 분야 및 우주 항공 분야에서 연구되었다. 또한 산업 환경의 센서와 상업 및 컨슈머 일렉트로닉스용으로 전력을 공급한다. 소비자 공간을 위한 레이저 이용 무선 에너지 전송 시스템은 IEC 60825에 표준화된 레이저 안전 요건을 충족해야 한다.[131]

소비자용 레이저 이용 최초 무선 전력 시스템은 2018년에 시연된 Wi-Charge로, 방을 가로질러 고정되거나 움직이는 장치에 전력을 전달할 수 있다. 이 무선 전력 시스템은 안전 규정을 준수했으며, 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받았다.[132]

기타 문제로는 전파,[133] 그리고 간섭성 및 범위 제한 문제가 있다.[134]

NASA의 드라이든 비행 연구 센터는 레이저 빔으로 동력을 공급받는 무인 모델 비행기를 시연하여 주기적인 레이저 재충전의 타당성을 보여주었다.[135]

중국과학원 과학자들은 휴대용 기기나 UAV를 무선으로 충전하기 위해 이중 파장 레이저를 활용하는 개념 증명을 개발했다.[136]

2025년 DARPA는 전력 수신기 어레이 데모(PRAD)를 사용하여 1마일(1.7 km) 거리에서 230와트를 25초간 전송했던 이전 결과를 넘어, 5.3마일(8.6 km) 거리에서 800와트를 30초 동안 20% 효율로 전송했다고 발표했다.[137]

대기 플라스마 채널 결합

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 일렉트로레이저 문서를 참고하십시오.

대기 플라스마 채널 결합에서는 이온화된 공기를 통한 전기 전도에 의해 두 전극 사이에서 에너지가 전달된다.[138] 해수면 기압에서 두 전극 사이에 센티미터당 34킬로볼트를 초과하는 전기장 기울기가 존재하면 아크 방전이 발생한다.[139] 이러한 대기 절연파괴는 두 전극 사이의 이온화된 플라스마 채널을 통해 무작위 궤적을 따라 전류가 흐르는 결과를 초래한다. 자연적인 번개가 그 예로, 한 전극은 구름 속의 가상 점이고 다른 전극은 지상의 한 점이다. 레이저 유도 플라스마 채널(LIPC) 연구는 초고속 레이저를 사용하여 인공적으로 공기 중에 플라스마 채널 발달을 촉진하고, 전기 아크를 유도하며, 제어 가능한 방식으로 특정 경로를 따라 전류를 유도하는 실험을 진행 중이다.[140] 레이저 에너지는 대기 절연파괴 전압을 낮추고, 공기는 과열되어 밀도()가 낮아지면서 절연성이 떨어진다.[141]

이 새로운 공정은 레이저 피뢰침으로 사용하거나, 자연 번개 채널 연구를 위해 구름에서 번개를 유도하는 수단,[142] 인공 대기 전파 연구, 기존 라디오 안테나의 대체물,[143] 전기 용접 및 가공 관련 응용,[144][145] 고전압 커패시터 방전의 전력 우회, 지면 귀로를 통한 전기 전도를 이용하는 지향성 에너지 무기 응용,[146][147][148][149] 그리고 전자 방해 등에 대해 탐구되고 있다.[150]

에너지 하베스팅

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 이 부분의 본문은 에너지 하베스팅입니다.

무선 전력의 맥락에서 에너지 하베스팅은 주변 환경의 에너지를 전력으로 변환하여 주로 소형 자율 무선 전자 장치에 전원을 공급하는 것을 말한다.[151] 주변 에너지는 근처 전기 장비의 떠돌이 전기장이나 자기장, 전파, 빛, 열에너지(열), 또는 장치의 진동이나 움직임과 같은 운동 에너지에서 나올 수 있다.[151] 변환 효율이 일반적으로 낮고 수집되는 전력이 종종 아주 미미(밀리와트 또는 마이크로와트)하지만,[151] 여러 분야에서 확산되고 있는 원격 센서와 같은 소형 마이크로파워 무선 장치를 가동하거나 충전하는 데는 충분할 수 있다.[151] 이 새로운 기술은 이러한 무선 장치의 배터리 교체나 충전의 필요성을 없애 완전히 자율적으로 작동할 수 있도록 개발되고 있다.[152][153]

용도

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근처의 와이어 코일 사이의 유도 전력 전송은 1800년대에 변압기가 개발된 이후 존재해 온 가장 초기의 무선 전력 기술이었다. 유도가열은 1900년대 초부터 사용되었으며 인덕션 요리에 사용된다.[154]

무선 기기의 출현과 함께 감전 위험을 없애기 위해 전동 칫솔이나 전기 면도기와 같이 젖은 환경에서 사용되는 가전제품용 유도 충전 거치대가 개발되었다. 유도 전송의 초기 제안 응용 분야 중 하나는 전기 기관차에 전력을 공급하는 것이었다. 1892년 모리스 위탱(Maurice Hutin)과 모리스 르블랑(Maurice Leblanc)은 3 kHz에서 궤도 전선에 유도 결합된 공진 코일을 사용하여 철도 열차에 전력을 공급하는 무선 방식을 특허받았다.[155]

1960년대 초반에는 심박동기와 인공 심장을 포함한 이식형 의료 기기에 공진형 유도 무선 에너지 전송이 성공적으로 사용되었다.[156] 초기 시스템은 공진형 수신기 코일을 사용했으나, 나중에 등장한 시스템들은[157] 공진형 송신기 코일도 구현했다. 이러한 의료 기기는 저전력 전자 장치를 사용하여 높은 효율을 내도록 설계되었으며, 코일의 오정렬과 역동적인 비틀림을 효율적으로 수용한다. 이식형 응용 분야에서 코일 사이의 간격은 일반적으로 20 cm 미만이다. 오늘날 자기 공진 에너지 전송은 상용화된 많은 의료 이식 기기에 전력을 공급하는 데 정기적으로 사용된다.[158]

최초의 수동형 RFID(라디오 주파수 식별) 기술은 마리오 카둘로(Mario Cardullo)[159](1973)와 쾰레(Koelle) 등[160](1975)에 의해 발명되었으며, 1990년대에는 근접식 카드와 비접촉식 스마트카드에 사용되기 시작했다.

최근 수십 년 동안 휴대 전화, 태블릿 및 노트북 컴퓨터와 같은 휴대용 무선 통신 기기의 확산은 충전 중에 이러한 기기들이 벽면 콘센트에 연결되어야 할 필요성을 없애기 위해 중거리 무선 전력 공급 및 충전 기술의 발전을 가속화하고 있다.[161] 제조사 간의 상호 운용 가능한 표준을 개발하기 위해 2008년에 무선 전력 컨소시엄이 설립되었다.[161] 2009년 8월에 발표된 Qi 유도 전력 표준은 4 cm(1.6인치) 거리에서 최대 5와트의 휴대용 기기를 고효율로 충전하고 전력을 공급할 수 있게 한다.[162] 무선 기기를 평평한 충전 플레이트(예를 들어 카페의 테이블 상판에 매립될 수 있음) 위에 놓으면 충전기의 평평한 코일에서 기기 내부의 유사한 코일로 전력이 전송된다. 2007년 MIT의 마린 솔랴치치가 이끄는 팀은 10 MHz로 튜닝된 25 cm 지름의 2차 코일을 가진 이중 공진 송신기를 사용하여 약 40%의 효율로 2 미터 (6.6 ft) 거리(송신기 코일 지름의 8배)에서 유사한 이중 공진 수신기에 60 W의 전력을 전송하는 데 성공했다.[35][84]

2008년 네바다 번개 연구소(Nevada Lightning Lab)의 그레그 레이(Greg Leyh)와 마이크 케넌(Mike Kennan) 팀은 60 kHz로 튜닝된 57 cm 지름의 2차 코일을 가진 접지된 이중 공진 송신기와 유사한 접지된 이중 공진 수신기를 사용하여, 대지 귀로 회로를 통한 결합 전기장을 통해 12 미터 (39 ft) 거리에서 전력을 전송했다.[163] 2011년 레딩 대학교의 크리스토퍼 A. 터커(Christopher A. Tucker) 박사와 케빈 워릭 교수는 테슬라의 1900년 특허 0,645,576번을 미니어처로 재현하여, 27.50 MHz의 공진 주파수에서 10 센티미터 (3.9 in) 지름의 코일로 4 미터 (13 ft) 거리에 걸쳐 60%의 유효 효율로 전력 전송을 시연했다.[164]

1970년대와 1980년대 마이크로파 연구의 주요 동기는 우주 태양광 발전을 위한 위성을 개발하는 것이었다.[28][55] 1968년 피터 글레이저(Peter Glaser)가 구상한 이 방식은 태양 전지를 사용하여 햇빛으로부터 에너지를 수확하고 이를 마이크로파로 지상의 거대한 렉테나에 쏘아 보내 전기로 변환하여 전력망에 공급하는 것이다.[165] JPL/레이시온 프로그램의 기술 책임자로서 수행한 기념비적인 1975년 실험에서, 브라운은 1마일 떨어진 렉테나에 475 W의 마이크로파 전력을 쏘아 보내 마이크로파-직류 변환 효율 54%를 달성하며 장거리 전송을 시연했다.[166] NASA의 제트 추진 연구소에서 그와 로버트 디킨슨(Robert Dickinson)은 26m 접시 안테나에서 7.3 x 3.5m 렉테나 어레이로 2.38 GHz 마이크로파를 쏘아 1.5 km 거리에서 30 kW의 DC 출력을 전송했다. 렉테나의 입사 RF-직류 변환 효율은 80%였다.[167] 1983년 일본은 전리층을 통한 고출력 마이크로파 전송을 테스트하기 위한 로켓 실험인 MINIX(Microwave Ionosphere Nonlinear Interaction Experiment)를 발사했다.

최근 몇 년간 연구의 초점은 무선 구동 드론 항공기의 개발에 맞춰졌으며, 이는 브라운의 연구를 후원했던 국방부의 RAMP(Raytheon Airborne Microwave Platform) 프로젝트와 함께 1959년에 시작되었다.[55] 1987년 캐나다 통신 연구 센터는 통신 위성과 유사하게 지상 지점 간의 통신 데이터를 중계하기 위해 SHARP(Stationary High Altitude Relay Platform)라는 작은 프로토타입 비행기를 개발했다. 렉테나로 구동되는 이 비행기는 13마일(21 km) 고도에서 비행하며 몇 달 동안 공중에 머물 수 있었다. 1992년 교토 대학교의 팀은 MILAX(MIcrowave Lifted Airplane eXperiment)라는 더 진보된 기체를 제작했다.

2003년 NASA는 최초의 레이저 동력 항공기를 비행시켰다. 소형 모델 비행기의 모터는 지상 레이저에서 나오는 적외선 빔을 받은 광전지에서 생성된 전기로 구동되었으며, 제어 시스템은 레이저가 비행기를 계속 조준하도록 유지했다.

같이 보기

[편집]

각주

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