어디에 놓아도 무선충전이 가능한 기술이 나왔다. 책상이나 바닥 등 널찍한 평면 어디서든 무선충전이 가능하다. 충전기에 꼭 맞춰 두던 기존 무선충전에서 진보한 방식이다. 사물인터넷(Internet of Things, IoT)과 5G 통신 등으로 충전이 더 중요해지는 상황에서 주목받을 것으로 보인다.

유니스트(UNIST) 전기전자컴퓨터공학부의 변영재 교수팀은 무선충전할 때 여러 개의 전자기기를 자유롭게 배치할 수 있고 충전 면적도 넓힌 ‘대면적 자율배치 무선충전 기술’을 개발했다. 전력을 주고받는 자기장 신호를 ‘공기’ 대신 ‘페라이트(ferrite)’라는 물질을 통해서 보내는 게 핵심이다. 페라이트는 산화철계 자성체 세라믹의 총칭이다. 망간-아연(Mn-Zn)계 페라이트와 니켈-아연(Ni-Zn)계 페라이트가 대표적이다.

무선충전은 전류가 자기장을 일으키고 거꾸로 자기장도 전류를 발생시키는 원리를 이용한다. 전원장치 전류에서 발생한 자기장을 전자기기가 받아 다시 전류로 바꾸는 것이다. 자기장 크기가 클수록 전류량도 커지므로 전원장치와 전자기기의 거리가 멀어도 충전된다.

기존 무선충전 기술은 자기장을 보내는 매질로 ‘공기’를 이용한다. 충전용 전선이 사라졌다는 점에서 편리한데 전자기기와 무선충전기의 배치가 고정된다는 제약이 있었다. 둘의 배치가 조금이라도 빗겨나가거나 멀어지면 충전효율이 급격히 떨어지거나 충전이 중단된다.

변영재 교수팀은 이런 제약들을 풀기 위해 자기장을 전파하는 매질을 바꿨다. ‘페라이트’를 사용해 충전기기에 전달되는 자기장 세기를 극대화한 것이다. 자기장이 공기로 전달될 때는 ‘자기저항(자기장을 가로막는 성질, magnetic reluctance)’이 커서 전력손실이 크다. 페라이트의 자기저항은 공기보다 1000배 작아 전송효율이 높아진다.

전원장치에서 자기장을 발생시키는 코일을 감는 방식도 달리해 전력전송 효율을 높였다. 판형 구조의 페라이트에 코일을 위아래로 감으면 판을 기준으로 위와 아래의 전류 방향 반대가 되어 자기장이 상쇄된다. 이 문제를 풀기 위해 코일을 비스듬히 감는 방식을 사용한 것이다.

이번 시스템의 실현 가능성은 시뮬레이션과 실험으로 확인됐다. 인체에 유해할 수 있는 자기장과 전기장 노출 역시 국제기준을 통과한다는 것도 입증됐다. 변영재 교수는 “넓은 면적에 자율배치가 가능한 무선충전 원천기술을 확보한 점에서 의미가 있다”며 “앞으로 책상과 탁자, 벽, 바닥 등에 적용돼 앞으로 다가올 IoT 시대의 견인차가 될 것”이라고 말했다.

연구결과는 국제전기전자공학회(IEEE)에서 발행하는 학술지 ‘IEEE Transactions on Power Electronics’에 10월 4일 자(논문명: Free Arrangement Wireless Power Transfer System with a Ferrite Transmission Medium and Geometry-Based Performance Improvement) 온라인에 실렸다.