Hanyang University 1/16 무선전력전송 (Wireless Power Transfer) 기술 동향 Wonhong Jeong

Hanyang University 2/16 목차 Antennas & RF Devices Lab.

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Hanyang University 4/16 플톤 이노베이션을 중심으로 한 WPC 와 파워매트를 중심으로 한 PMA, 삼성전자와 퀄컴을 중심으로 한 A4WP 등 크게 세 개의 진영으로 나뉘어 관련 시장을 선점하기 위해 경쟁하고 있다. 2.1 WPT 시장

Hanyang University 5/ 삼 세력 기술 동향  팜프리사는 자기유도 방식으로 ‘Touchstone‘ 이라는 충전기를 개발.  WPC(Wireless Power Consortium) 는 5W 급 휴대폰 충전을 위한 기술 규격을 제정 하였으며, 향후 120W 급 노트북 충전 기술을 위한 표준화를 계획 중에 있다.  파워매트는 2009 년 하반기에 휴대기기용 자기 유도 충전 제품을 출시하였으며, 충 전 패드 안에 4 개의 1 차 코일을 설치하여 최대 4 개의 전자기기들을 동시에 충전할 수 있도록 기술을 개발.  퀄컴은 CES 2009 에서 자기공진 무선전력 전송 시스템인 “eZone” 을 선보였으며 충 전 매트 위에 2 개의 기기들을 최대 20cm 거리에서 충전하였다. 또한 퀄컴은 ISM 밴 드인 13.56MHz 주파수를 공진주파수로 사용하였으며, 다수 충전기기들의 관리를 위 하여 Bluetooth, NFC, Wi-Fi 등 의 별도의 통신 프로토콜을 접목하였다.  풀톤 이노베이션에서는 “eCoupled” 라는 무선전력전송 기술을 개발하였고 패키지 와 무선 파워를 통합하는 제품을 개발하였다. 최근 삼성전자와 퀄컴 주도로 A4WP (Alliance for Wireless Power) 를 결성하여 블루투스를 통신 채널로 사용하는 휴대 단 말기 무선충전기 관련 규격을 개발하고 관련 테스트 규격을 개발 중에 있다.

Hanyang University 6/ WPC( Wireless Power Consortium) WPC 는 자기장을 이용한 유도 방식의 무선전력전송을 위한 하드웨어 규격의 Ver 를 2013 년에 공개했다. 밑의 그림은 WPC 의 무선전력전송 시스템 구조인데, 베이스 스테이션 과 모바일 디바이스로 구성되며 하나의 베이스 스테이션에는 여러 개의 파워 전송 모듈이 내 장될 수 있다. 유도 방식은 무선전력 전송 시 자유도가 허락되지 않으므로, 충전 환경에 따라 파워전송 모듈을 선택할 수 있게 한 것이다.

Hanyang University 7/16 WPC 규격에는 모바일 디바이스를 베이스 스테이션의 표면 위에 놓기 위한 방법으로 가이 드 포지셔닝 방법과 프리 포지셔닝 방법, 2 가지가 있다. 가이드 포지셔닝 방법은 사용자가 휴대용 기기를 충전 스테이션의 표면에 적당히 위치시 켜도 자석에 의해 정위치에 고정되도록 하는 방식이다. 프리 포지셔닝 방법은 밑의 그림과 같이 충전 스테이션의 표면에 휴대용 기기를 임의대로 위치시켜도 전력을 전송할 수 있는 방식인데, 여러 개의 어레이 안테나를 설치해서 그 중 에 가장 충전기기와 효율이 좋은 코일을 선택해 전력을 전송 하거나 기구적으로 안테나가 움직이도록 하여 충전기기와 수평 위치를 맞춘 후, 전력을 전송하는 방식이다.

Hanyang University 8/16 무선 전력전송 방식은 1 차 측 송신부 코일에 전류를 흘리면 자계가 유도되고, 유도된 자계 가 2 차 측 수신부에 기전력이 유도 되는 전자기 유도 방식을 사용한다. 충전기기 배터리 관리를 위하여 무선 충전 송수신부 사이에 통신이 제공되며 전력 신호를 이용한 통신 방식을 이용한다. 위의 그림은 무선전력 전송 시스템의 구성이다. 파워 변환 장 치 (Power Conversion Unit) 는 전기를 무선 전력 신호로 변환을 하고, 파워 픽업 장치 (Power Pick-up Unit) 는 무선 전력 신호를 전기로 변환한다. 수신부는 전력신호에 부하 변조를 통하여 제어 정보를 송신부에 전송하고, 송신부는 수신부 로부터 제어 정보를 받기 위해 반사된 부하의 복조 (demodulation) 를 통해 메시지를 받고, 수 신부가 부하에 필요로 하는 전력을 공급 하기 위해 제어한다.

Hanyang University 9/16 전자기 유도에 의해 발생할 수 있는 기기 간 간섭 및 인체 유해 기준을 만족하기 위하여 송수 신부 코일에 자기 쉴드를 통하여 억제하고 국제적인 EMI, EMC, EMF 규정을 만족하기 위해 위와 같은 쉴드 구조를 갖는다.

Hanyang University 10/ A4WP (Alliance for Wireless Power) A4WP 는 자기장을 이용한 공진 방식의 무선전력전송을 위한 하드웨어 규격의 Ver 을 2013 년에 공개했다. 밑의 그림은 A4WP 의 무선전력전송을 위한 송수신 시스템의 구조이 다. 송신기에는 공진 방식이기 때문에 매칭 회로 (Matching Circuit) 가 있는 것이 유도 방식 과 다른 점이고, 전력전송을 위한 주파수는 6.78 MHz 를 사용한다. 제어 신호를 위해 블루 투스의 저전력 통신모드를 사용한다.

Hanyang University 11/16  송신기 부분 밑의 그림은 무선전력전송을 위한 송신기 상태도이다. 송신기의 상태는 설정 상태 (Configuration), 대기 상태 (Power Save), 저전력 상태 (Low Power), 전력전송 상태 (Power Transfer) 로 구성된다. 대기 상태에는 주기적으로 비콘을 보내며 충전기기가 있는지 찾는 상태이고, 저전력 상태는 전력 전송을 시작하기 전 데이터 교환 상태이다. 참고 ) 비콘 (beacon) 은 네트워크의 규격에서 Tx 와 Rx 사이에 미리 약속된 알고 있는 신호를 말한다. 즉, Tx 에서 보내는 데이터의 형태를 Rx 가 이미 알고 있는 형태의 신호라고 할 수 있다. 이것이 필요한 이유는 네트워크 사이의 통신 과정에서 이루어지는 여러 과정 ( 동기화, 채널 추정 ) 에 필요하기 때문이다.

Hanyang University 12/16  수신기 부분 밑의 그림은 무선전력전송을 위한 수신기 상태도이다. 수신 기의 상태는 널 상태 (Null), 부팅 상태 (Boot), 전력 수신 상태 (PRU On State), 시스템 에러 상태 (System Error) 로 구성된 다. 부팅 상태는 통신 링크를 설정하는 상태이다. 옆의 그림은 A4WP 의 무선전력전송을 네트워크 토폴로 지를 나타낸다. 마스터 하나에 여러 개의 슬레이브가 존재하는 스타 구조 를 갖는다. 전력전송은 마스터에서 슬레이브로만 가능하고 통신은 마스터와 슬레이브 간 양방향 통신이 가능하다

Hanyang University 13/ 무선충전 기술 표준 A4WP 와 PMA 통합 협력 체결 2014 년 2 월 12 일 무선전력연합 (Alliance for Wireless Power, 이하 A4WP[ ]) 과 파워매터스얼 라이언스 (Power Matters Alliance, 이하 PMA[ ]) 는 오늘 선두 무선 전력 표준의 글로벌 상 호 운용성 확립을 위한 통합 협력을 체결했음을 발표했다. 이번 계약에 따라 아래의 사항들이 즉시 시행될 예정이다 : * PMA 는 단일모드와 다중 모드 환경을 모두 전송 및 수신하기 위한 PMA 자기 공명 충전 사양으로 A4WP 리젠스 (Rezence) 표준을 채택한다. * A4WP 는 다중 모드 유도 및 자기 공명 실행을 위한 옵션으로 PMA 유도 표준을 채택한다. * A4WP 는 네트워크 서비스 관리를 위해 PMA 의 오픈 네트워크 API(open network API) 와 상호 운영성을 갖는다.

Hanyang University 14/ 주파수 할당 이슈 아직까지 무선전력전송을 위해 특별하게 할당된 주파수 대역은 없다. 따라서 아직까지 특정 주파수 대역을 별도로 설정한 나라도 없다. 현재까지 무선전력 전송의 후보 주파수로 고려되고 있는 대역은 수십 KHz 에서 수백 KHz 사 이 또는 수 MHz 에서 수십 MHz 사이이며, 이 중에서 현재 가능한 주파수 대역은 125 KHz, 134 KHz 및 MHz 정도이다. 이 주파수는 전세계적으로 ISM 대역으로 지정되어 있으 며, RFID 등에서 소출력 에너지 전송으로 현재 사용되고 있으므로 기술 기준 개정만으로 무 선 전력전송용으로 사용이 가능한 주파수 대역이다. 3.2 인체 영향 이슈 전자파에 대한 인체 영향은 이동통신이 보급된 이후 핵심적인 이슈였다. 하지만, 현재까지 연구 결과는 수 W 이하의 이동통신 단말기 또는 기지국 영향 및 전력선에 의한 60 Hz 영향에 대한 연구로 한정되어 있는 상황이다. 이동 통신의 주파수 대역인 800 MHz 에서 5 GHz 사이에 인체 영향은 다양한 분야에서 연구 되고 세포실험, 동물실험, 역학 조사 등 연구방법 역시 체계화되고 있다. 다행히 유도 결합 방식 및 UHF 대역 RFID 등에 의한 인체 영향 연구가 최근 RFID 기술이 도 입됨에 따라 활발하게 시작되고 있으므로 연구결과를 확장하면, 고출력 무선 전력전력 전송 에 의한 인체 영향 연구로 확대할 수 있을 것이다.

Hanyang University 15/ 기술적인 이슈 자기공명 방식 전송 거리 이슈 1) 매우 높은 Q 값을 유지해야 수 m 까지 전력 전달이 가능 실제 전력을 사용하는 기기 내 동작 환경에서는 동작 상태 ( 대기모드, 정상 동작 모드, 최대 출력 모드 등 ) 에 따라 부하 임피던스가 가변되며, 주변 도체 등의 영향으로 Q 값을 높게 유지할 수 없어 실제 환경에서는 전력 전달 효율이 낮아지게 된다. 2) 전력 소자의 개발이 필요 무선 전력 전송의 거리를 늘리기 위해서는 수십 MHz 에서 동 작하는 대전력 스위칭 소자 등 이 필요한데, 현재 대부분의 대전력 스위칭 소자 등의 특성은 수십 MHz 의 높은 주파수에 서 성능이 급격히 나빠지는 특성이 있다. 유도 결합 방식 자기 공명 방식과 비교하여 주파수가 낮으므로 상대적으로 상용화에 유리 하지만, 현재 전송거리가 수 mm 에 불과하며, 이를 수십 cm 이상 올리기 위해서는 자기 공명 방식과 같은 공진 특성을 이용해야 하는데, 이 경우 공진기의 크기가 커지는 단점이 있다.

Hanyang University 16/16 Thank you for your attention