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무선충전 ( 무선전력전송 ) 기술과활용 23 th September, 2015 김형준

Contents 무선전력전송기술소개 국내외시장동향 무선전력전송기술현황 - 유도형무선전력전송 - 공진형무선전력전송 - 방사형무선전력전송 무선전력전송시스템사례분석 국제표준화동향및규제동향

무선전력전송기술소개 국내외시장동향 무선전력전송기술현황 - 유도형무선전력전송 - 공진형무선전력전송 - 방사형무선전력전송 무선전력전송시스템사례분석 국제표준화동향및규제동향

무선전력전송기술소개 Increasing interest in research and development of wireless power transmission technology to eliminate last cable. Large number of battery operated consumer electronics such as laptops, cell phones, PDAs, electric vehicles, etc. Charging many different devices equipped with receiving coils and cutting last wire of portable wireless devices

무선전력전송기술소개 전기에너지의공간적제약증가 무선통신기기들의공간적제약극복필요 통신기기의배터리동작시간및충전시스템개선 대체에너지개발필요 화석연료고갈및온실가스감축계획에따른우주태양에너지활용 무한한태양에너지의전송을위한무선전력전송기술개발필요 신개념의배전및응용기술창조요구 낙도, 무인등대등에원격무인전력공급 전기자동차, 고속전철등에비접촉식전력공급 저전력조명장치등 전원코드및전력선제거

무선전력전송기술소개 구분 근거리 원거리 자기유도방식자기공명방식마이크로파방식레이저방식 개념 가까운코일에유도전류를일으켜전송 송 수신부의공진주파수를일치시켜전송 전력을마이크로파로바꿔전송 전력을광선으로바꿔전송 주파수 < 수십 KHz 수십 KHz ~ 수 MHz 수 GHz 가시광선, 적외선 송수신수단자기코일코일, 공진기위상배열안테나레이저, 광전지 전송전력수 W 수십 W 고출력고출력 전송거리 / 전송효율 수 mm 내외 ( ~ 100 % ) ~ 수 m ( ~90 %) ~ Km ( 낮음 ) > Km ( 낮음 ) 인체유해성거의무해일부유해하나, 회피가능 기술성숙도상용화개발초기기초연구기초연구 응용문야휴대폰, 면도기, 가전기기가전, 조명기기, EV 충전 UAV, 우주태양광발전 UAV, 우주태양광발전 Player LG, 삼성전자, Powermat, Qi 등 Witrcity, Qualcomn, Toyota, A4WP 등 NASA, JAXA NASA, JAXA, Lasermotive

무선전력전송기술소개

국내외시장동향 사용자관점및요구사항 가정과직장, 식당및호텔등야외활동, 이동상태 원하는충전시간 2 시간이내 (69 %)

국내외시장동향 사용자관점및요구사항

국내외시장동향 무선전력전송을원하는이유

국내외시장동향 무선전력전송매출예상

무선전력전송기술현황 무선전력전송주요이슈 주파수할당이슈 무선주파수를사용하기에타시스템과의간섭최소화 아직특별하게할당된주파수대역은없음 현재사용하는주파수 : 125 KHz, 134 KHz, 6.78 MHz, 13.56 MHz EMI / EMC 문제고려필요 인체영향이슈

무선전력전송기술현황 무선전력전송주요이슈 기술적인이슈 높은 Q 값을유지해야함 낮은주파수에의한큰파장으로인한시스템의소형화필요 무선전력전송을위한전력소자개발필요 지능형전력공급시스템연구필요

무선전력전송기술현황 유도형무선전력전송 수 mm 내거리에서두개의코일이유도전류를일으켜전력전송

무선전력전송기술현황 유도형무선전력전송 WPC(Wireless Power Consortium), PMA(Power Matters Alliance) 에의해표준화 기술의성숙도가높음 인체에무해하며, 지중및수중에서이용가능

무선전력전송기술현황 유도형무선전력전송요소기술 송 수신기초회로설계기술 : 전력을송 수신하기위한회로설계코일제작기술 : High Q 코일설계발열제어기술 : 발열에의한전송효율개선 Shielding 기술

무선전력전송기술현황 유도형무선전력전송단점 저전력전송, 짧은전력전송거리, 디바이스위치에따른심한전력전송효율편차 유도형무선전력전송최근기술 이물질감지기술, 무방향성충전기술

무선전력전송기술현황 공진형무선전력전송 수 m 내외로인접한공지주파수를가질경우, 전자파가근거리자기장을통해하나의매체에서다른매체로이동하는자기공명현상을이용특정진동수를가진물체에같은진동수의힘이외부에서가해질때, 진폭이커지면서에너지가증가 L C R ω 0 = 1 LC Q = ω 0 2Γ = L C 1 R = ω 0L R

무선전력전송기술현황 공진형무선전력전송장점 자기유도방식에비해원거리전력전송가능송 수신코일의방향성의자유도가높음충전기기의위치와관계없이전력수신가능다양한응용분야 공진형무선전력전송단점 자기유도방식대비디바이스간전송효율이낮음 전자파에의한인체에영향 : EMC/EMI 동반연구필요 High-Q 송 수신공진코일설계의어려움

무선전력전송기술현황 R l1 C 1 R r1 M R l2 C 2 R r2 V I L 1 L 2 1 I R L 2 V : AC voltage source R l : Ohmic resistance of the loop R r : Radiation resistance of the loop L : Self-inductance of the loop C : Capacitance for the resonance M : Mutual inductance I : Current flowing on the loop

무선전력전송기술현황 R l1 C 1 R r1 M R l2 C 2 R r2 V I L 1 L 2 1 I R L 2 η L = P L P in = 1 + b 1 + F m 2 F m 2 1 + 1 b 1 + F m 2 F m 2 = κ 2 Q 1 Q 2 b = R L R L,opt Q 1 = ω 0L 1 R l1 + R r1 Q 2 = ω 0L 2 R l2 + R r2

무선전력전송기술현황 p/a L(μH) R(Ω) Q 송신수신송신수신송신수신 2 8.46 1.43 1.61 0.37 224.4 165.0 2.5 7.86 1.32 1.14 0.33 237.6 168.5 - 근접효과에의한전류집중 - 3 7.35 1.23 1.28 0.31 244.4 169.4 3.5 6.87 1.13 1.14 0.28 254.9 168.0 4 6.44 1.04 1.09 0.27 250.8 163.5 4.5 6.03 0.98 1.05 0.26 243.5 158.0 - 도선의직경과도선사이의간격 -

무선전력전송기술현황

무선전력전송기술현황 Metamaterial Positive Index Medium Negative Index Medium

무선전력전송기술현황 Metamaterial n > 0 n < 0 n > 0 n sin n sin, 1 i 2 t θ t n 1 1 sin sin θi n2

무선전력전송기술현황 Metamaterial ε eff = 0, μ eff = 0 n = εμ = 0 Air Transmitter Metamaterial Receiver

무선전력전송기술현황 Metamaterial μ eff = 0.091 + j0.0372

무선전력전송기술현황 Metamaterial x - axis : 35 mm y - axis : 50 mm x y

무선전력전송기술현황

무선전력전송기술현황 Distance (mm) Conventional structure Center Proposed structure Edge S 21 (db) Efficiency (%) S 21 (db) Efficiency (%) S 21 (db) Efficiency (%) 100-5.71 26.9-2.64 54.4-2.76 52.9 110-6.49 22.4-2.06 62.2-2.45 56.8 120-7.56 17.5-2.04 62.5-2.49 56.3 130-8.82 13.2-2.51 56.1-2.97 50.5 140-10.19 9.6-3.07 49.3-3.47 44.9 150-11.58 7.1-3.44 45.2-3.93 40.5

무선전력전송기술현황 방사형무선전력전송 수백 MHz 이상의마이크로파를공기중에방사시켜수신부의안테나를통해수신후전력으로변환우주태양광발전분야에개발중전송시대기중으로에너지가흡수되거나수분에의해전송효율저하고주파를이용하기때문에인체에유해할수있음

무선전력전송기술현황 방사형무선전력전송 Solar panels on satellite capture light, sends power to earth using microwave wireless power transmission technology Signal sent from receiving antenna on earth (green) allows satellite to pinpoint it s microwave beam.

무선전력전송시스템사례분석 - MIT 무선전력전송 - - 갤럭시 S5 Receiver-

무선전력전송시스템사례분석 - 전기자동차용무선충전개념 - - 비접촉충전 - - 삼성전자갤럭시 S6 무선충전 - - Nissan 의무선충전 EV 개념도 -

무선전력전송시스템사례분석 - A4WP 자기공진방식무선충전기술 - - 파워매트 & 스타벅스 -

무선전력전송시스템사례분석 - 철도기술연구원의무선급전트램 - - Bombadier 의무선충전버스투시도 - - 마이크로파방식원거리무선전력전송원리 - - 마이크로파방식원거리무선전력전송실증 -

무선전력전송시스템사례분석 WiTricity (WiT 330 R3 Development)

무선전력전송시스템사례분석 Nissan Leaf

무선전력전송시스템사례분석 KAIST OLEV

무선전력전송시스템사례분석 철도기술연구원

무선전력전송시스템사례분석 - KAIST 원자력및양자공학과 - - 미국 Ossia(Cota 기술 ) - - Qualcomm Halo -

무선전력전송시스템사례분석 원거리무선전력전송

무선전력전송시스템사례분석 전자파방식무선전력전송 레이저방식무선전력전송

국제표준화동향및규제동향 무선전력전송기술의응용분야와규격 항목 WPC (Wireless Power Consortium) PMA (Power Matters Alliance) A4WP (Alliance for Wireless Power) 설립년도 2008 2012 2012. 05 주파수 / 효율통신방식 100 ~ 205 KHz / ~ 70% In-band 통신, 자기유도 주파수 : 105 KHz 100 ~ 300 KHz / ~ 70 % In-band 통신, 자기유도 6.78 MHz / 40 ~ 55 % BLE 통신, 자기공진 주파수 : 6.78 MHz (30 KHZ BW) 주요진행사항 2010: 5 W 2012: 5 W + FOD(Foreign Object Detection) 2015: 15 W 규격배포 2013: 5 W 규격배포 2014: > 10 W 규격논의중 2013: 5 W ~ 15 W 규격배포 2015: 30 W ~ 규격논의중 주요참여사 Samsung, LG, NXP, Qualcomm 등세계 205 개회원사 Powermat, Duracell, Starbucks, AT&T 등 68 개회원사 Samsung, LG, NXP, Qualcomm, Intel 등 122 개회원사 제품화현황 글로벌제품출시진행중 공항등 infra 구축중 일본 NTT, 북미 Verizon 주도 753 개제품출시중 북미위주시장형성 스타벅스등 infra 구축중 A4WP 와표준병합추진중 26 개제품출시중 아직관련제품미출시 인증 Qi TTA 에서인증

국제표준화동향및규제동향 무선전력전송기술의응용분야와규격 분류응용분야적용대상규격 I 옥내디지털정보가전비접촉무선전력전송 휴대전화충전 노트북, 테블릿 PC 충전 주파수 : 10 KHz ~ 10 MHz ISM(13.27 MHz, 40 MHz) 전력 : ~ 50 W 전송거리 : 10 cm 이내 II 옥내외디지털가전소전력무선전력전송 휴대전화 노트북, 테블릿 PC 벽걸이 TV, 비디오카메라 휴대용 Player 음향기기, 조명기기, 의료기기 주파수 : 10 KHz ~ 10 MHz ISM(13.27 MHz, 40 MHz) 전력 : ~ 50 W 전송거리 : 수 m 이내 III 옥내가전비접촉중전력무선전력전송 거치형가전 ( 냉장고, 세탁기등 ) 발열형가전 ( 다리미등 ) 청소기, 대형 TV 및 AV 기기 주파수 : 10 KHz ~ 10 MHz ISM(13.27 MHz, 40 MHz) 전력 : 50 W ~ 1 kw 전송거리 : 10 cm 이내 IV 대전력무선전력전송및특수용도 전기자동차, 노면전차 공장내산업기기 주파수 : 10 KHz ~ 10 MHz ISM(13.27 MHz, 40 MHz) 전력 : 1 kw ~ 수 kw 이내 전송거리 : 수 m 이내

국제표준화동향및규제동향 일본 무선설비는 Radiation 되는전파의강도가아래표에서정한값을넘는장소에는 사람의출입을통제하는시설을마련해야함

국제표준화동향및규제동향 유럽

국제표준화동향및규제동향 방사규격

국제표준화동향및규제동향 무선전력전송산업화를위해확보되어야할기반과제 개발할기반기술 사유 전파측정기술 저주파대역공간복사량측정기술 수 MHz 이하에대한복사전력측정기술부족 전기장 / 자기장교정기술 근역전파교정기술부족으로인한정확도저하 전기전자기기전자파내성기술 근역복사전기장 / 자기장내성력시험 근역복사전기장 / 자기장내성력시험방법부재 우세전기장 / 우세자기장내성력시험 우세전기장 / 우세자기장발생기술미정착 무선기기전파간섭평가기술 근역전파에대한간섭평가 정확한근역전파에적합한간섭평가방법부재 근역장에대한주파수배치 근역전파응용기기의주파수배치기술경험부족 전파인체영향평가기술 10 MHz 이하기본제한치평가용팬텀및프로브 저주파대역팬텀및프로브기술부재 3 KHz ~ 수십 MHz 대역에대한제한치연구 ICNIRP 와 IEEE 의격차가심해논란중