스탠포드대학 연구팀이 주행 중인 전지자동차 무선 충전 기술을 실현하기 위해 자기를 이용한 무선 전력 전송 기술 연구를 진행하고 있다. 이 무선 전력 전송 기술은 전기자동차 뿐 아니라 로봇이나 무인항공기 등 다양한 전자기기 충전 문제를 해결할 열쇠가 될 수 있다.
스마트폰용 무선 충전 패드는 이미 어느 정도 보급됐다. 덕분에 스마트폰을 1∼2시간씩 특정 위치에 놔두는 건 드문 일은 아니다. 또 스마트폰은 특정 위치에 고정된 상태에서도 웹브라우저를 열고 이메일을 확인하거나 동영상을 재생할 수 있다.
하지만 전기자동차는 주행용 연료를 공급하는 충전기에 1∼2시간 차량을 놔두면 그 시간 동안에는 일절 주행할 수 없기 때문에 상당히 불편하다. 연구팀은 전기자동차에 무선으로 전력을 전송해 언제 어디서나 배터리를 충전할 수 있는 고속도로를 구상하고 실현을 위한 기술 개발을 하고 있다.
전기자동차 입장에선 꿈같은 이 고속도도를 구상한 연구팀은 움직이는 물체에 무선 전력 전송을 위한 시스템을 구축하는데 성공했다. 하지만 이 시스템은 어디까지나 프로토타입 단계이기 때문에 비효율적이며 연구소 내 갖춰진 환경 이외에선 정상적으로 작동하지 않을 수 있다.
동체에 무선 전력을 전송하는 기술은 아직 개발 초기 단계지만 전자 분야 학술지 네이처(Nature Electronics)에 논문이 공개되어 있다. 동채에 무선 전력을 전송하는 기술이 순조롭게 개발된다면 가까운 미래에는 동작 중인 로봇을 무선 충전해주는 발판 등이 실현 가능해지며 이렇게 되면 로봇 충전으로 공장이나 창고 업무를 중단할 필요가 없어진다.
연구팀은 자동차와 로봇이 고속으로 이동할 때에도 배터리를 무선 충전하기 위한 실용적이고 효율적인 시스템을 개발하기 위한 중요한 단계라며 이동 중인 자동차를 충전하는 건 전송 전력을 높일 필요가 있지만 이로 인해 심각한 장애가 일어나지 않을 것이라고 말했다. 동작 중인 로봇을 무선 충전하는 건 기존 시스템이 충분히 실용 가능한 범위 안에 있다는 것. 연구팀이 개발한 동체에 무선 전력을 전송하는 기술은 전기자동차를 충전하려면 파워가 부족하지만 로봇 등을 충전하기에는 충분하다는 주장이다.
일반 무선 전력 전송 기술의 경우 일부 무선 급전 방식이 존재한다. 그 중에서도 유력시되는 건 수신과 발신 자가코일을 공진시키는 것으로 전력을 전송하는 방법. 하지만 이 방법으론 전력원과 수신 거리가 조금이라도 변하면 공진 주파수가 변화해 전력 전송 효율이 저하된다는 게 문제다.
연구팀은 수신자와 발신자 거리가 변해도 전력을 전송할 수 있는 무선 충전기를 2017년 개발했다. 이 무선 충전기와 배터리를 충전하려면 이동 물체 사이 거리가 변화했을 때 시스템이 작동 주파수를 조정할 수 있도록 증폭기와 피드백 저항을 통합한다. 이렇게 하면 충전기 쪽은 동체에 대해서도 무선 충전을 할 수 있도록 공진 주파수를 순차적으로 변경할 수 있다. 다만 어디까지나 개발 초기 단계였기 때문에 동작 주파수를 바꾸기 위한 증폭기가 많은 전력을 소비해버려 시스템에 흐르는 전력 중 10%만 무선 전송할 수 있었다고 한다.
연구팀은 동체에 무선 전력을 전송하는 기술 업그레이드 버전을 지난 4월 논문으로 발표했다. 최신 버전은 무선 전송 효율이 10%에서 92%까지 향상됐다. 전송 효율 향상 열쇠가 된 증폭기를 훨씬 효율적인 스위치 증폭기로 바꿨다고 한다. 스위치 증폭기 자체는 새로운 게 아니지만 취급이 곤란하고 정확한 조건에서만 고효율 증폭을 수행한다. 따라서 연구팀은 스위치 증폭기를 이용하면서 제대로 작동하는 동체 무선 전력 전송 기술 회로 구성 설계에 몇 년에 이르는 시간을 보냈다고 한다.
연구 성과로 만든 무선 충전기는 0.91m 거리에서 10W 전력을 무선 전송할 수 있다. 어디까지나 이론 검증을 위한 시제품인 만큼 전송 가능 전력은 10W. 전기자동차를 충전하기에는 턱없는 수준이다. 하지만 연구팀은 전기자동차가 필요로 하는 수백kW 전력을 전송하기 위해 시스템을 확장하는데 기본적으론 장애는 아무 것도 없다고 주장한다.
또 최신 버전 기술은 빠르게 움직이는 수신기에 전력을 전송하기 때문에 주행 중 자동차 배터리를 충전하기에도 충분하다는 설명이다. 전력 전송에는 몇 밀리초 밖에 걸리지 않는다.
연구팀은 무선 충전기가 건강상 위험을 야기하지 않을 것이라면서 전기자동차를 충전할 만한 강력한 무선 충전기도 기존 안전 지침 범위 내에서 자기장을 생성하는 정도로 끝날 것이라고 밝히고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.