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이정용 교수. 근적외선 이용한 영구 무선충전 플랫폼 개발
〈 이 정 용 교수 〉
우리 대학 EEWS 대학원 이정용 교수와 서울대학교 최장욱 교수 공동 연구팀이 눈에 보이지 않는 근적외선 대역의 빛 에너지를 전기로 변환하는 기술을 통해 웨어러블 전자기기용 영구 무선충전 플랫폼을 개발했다.
백세웅 박사, 조정민 석사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 5월 11일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Colloidal quantum dots-based self-charging system via near-infrared band)
수 나노미터 수준의 콜로이달 양자점은 광 특성 변환이 쉽고 용액 공정을 통해 합성이 가능해 차세대 반도체 재료로 각광받는다. 특히 황화납(PbS) 양자점의 경우 가시광 뿐 아니라 적외선 영역까지 광 흡수가 가능해 여러 광전소자에 응용할 수 있다.
콜로이달 양자점을 이용한 광전변환소자는 지속적 연구와 발전을 통해 현재 12% 이상의 광전변환효율을 달성했으나 그동안 뚜렷한 응용 분야를 찾지 못하고 있었다.
연구팀은 콜로이달 양자점 전지의 높은 근적외선 양자효율을 웨어러블 전자기기의 무선충전에 응용했다. 기존 웨어러블 전자기기는 번거로운 충전 방식이 분야 발전의 큰 걸림돌이었다.
이번 연구에서는 양자점 전지 모듈을 유연 기판에 제작해 고 유연성 웨어러블 배터리와 함께 웨어러블 헬스케어 팔찌의 가죽 내부에 이식했다. 이를 통해 양자점 전지가 근적외선 광자를 통해 생성되는 전기를 배터리에 충전할 수 있는 플랫폼을 개발했다.
이전에도 비슷한 방식으로 태양광 발전 방식이 개발된 바 있으나 이번 연구에서 개발한 플랫폼은 더 많은 장점을 갖는다. 근적외선은 비가시대역의 빛이기 때문에 생활에 지장을 주지 않으며 가시광 대역에 비해 높은 투과도를 가져 전지를 노출할 필요 없이 내부 이식이 가능하다.
위와 같은 측면으로 인해 실제 상용화에 중요한 요소인 디자인 측면에서 더 많은 자유도를 가지며 기존 구조보다 더 높은 소자 효율과 안정성을 확보했다.
연구팀은 이미 상용화된 웨어러블 헬스케어 팔찌의 기존 배터리를 제거하고 개발한 무선충전 플랫폼을 도입했고, 이를 통해 실제 개발한 플랫폼이 상용화된 저전력 웨어러블 전자기기에 응용 가능함을 증명했다.
이 교수는 “근적외선 대역을 이용해 실제 웨어러블 전자기기의 충전문제를 해결한 것은 새로운 방식이다”며 “이번에 개발한 플랫폼의 규모를 넓히면 웨어러블 전자기기를 넘어서 모바일, IoT, 드론 및 4차산업의 핵심 분야의 새로운 방식의 에너지 변환 플랫폼이 될 것이다”고 말했다.
이 연구는 한국연구재단 기초연구사업, 기후변화대응기술개발사업, KAIST 기후변화연구허브 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 개발한 근적외선 무선충전 플랫폼과 웨어러블 헬스케어밴드에 응용한 모식도"
그림2. 개발한 기술에 대한 양자점 광전변환기기의 구조와 무선충전 플랫폼 성능
2018.06.14 조회수 13809 -
와이파이 존처럼 무선충전 가능한 기술 개발
임 춘 택 교수
우리 대학 원자력 및 양자공학과 임춘택 교수(52) 연구팀이 와이파이 존과 같이 특정 장소에서 무선 충전이 가능한 기술을 개발했다.
이 기술은 50cm 이내에서는 기기의 위치와 방향에 상관없이 충전이 가능하고, 인체에 무해한 낮은 자기장에서도 동작한다.
이번 연구 성과는 국제전기전자공학회 전력전자 저널(IEEE Trans. on Power Electronics)에 지난 6월 게재됐다.
기존의 무선충전 방식은 송신기에 스마트폰을 고정시키는 접촉식 충전방식으로 충전 중에는 자유로운 사용이 어려웠다. 비접촉식 충전 방식이 연구 중이지만 10cm 이상의 거리에서는 충전이 어렵고, 특정 방향에서만 충전이 되는 한계가 있었다.
임 교수 연구팀은 문제 해결을 위해 작년 5월 자체 개발한 다이폴코일 공진방식(DCRS, Dipole Coil Resonance System)을 응용했다. 기존의 평행한 일자 구조였던 송신코일과 수신코일을 십자형으로 배치해 회전자기장을 발생시켜 어떤 방향에서도 전력을 송, 수신할 수 있게 만들었다.
이를 통해 부피를 거의 차지하지 않는 송, 수신 코일을 구현했고, 일정 공간 내에서 3차원 위치와 3축 방향에 상관없이 6-자유도(Six degree of freedom)를 갖는 무선충전 기술 개발에 성공했다.
이번 기술은 1제곱미터의 평면형 송신기 위 50cm 내 거리에서 임의로 놓인 스마트폰에 1와트(W)씩 30대, 노트북에 2.4와트씩 5대에 무선전력을 공급할 수 있는 기술이며, 최대 전력전달 효율은 34%이다.
또한 연구팀이 독자 개발한 자기장 차폐기술을 적용해 자기장 수치를 국제 자기장 안전기준(ICNIRP guideline : 27µT) 이하로 낮춰 인체와 주변 전자장비에 무해하다.
임 교수는 “기존 무선충전의 고질적 문제였던 충전 거리와 방향의존성을 상당부분 해결했다”며 “충전에 대한 걱정 없이 스마트폰이나 노트북을 무제한으로 사용할 수 있다”고 말했다.
연구팀은 기술을 우리 대학 입주기업인 ㈜테슬라스(대표 한승훈)에 이전해 카페와 사무실에 적용 가능한 제품을 개발 중이다.
□ 사진 설명
사진 1. 30W급 광역 무지향성 무선충전 송신 장치
사진 2. 십자형 송신코일로부터 발생하는 회전자기장
사진 3. 개발된 십자형 다이폴 코일 구조와 회전자기장
2015.07.07 조회수 12727 -
무선충전 전기열차 원천기술 개발
- KAIST, 철도연과 공동으로 60kHz 무선전력전송 원천기술 개발 성공 -
우리 학교와 한국철도기술연구원(이하 철도연, 원장 홍순만)은 대용량 고주파(60kHz, 180kW) 무선전력전송 원천기술을 세계 최초로 확보(2012년 12월)하고, 13일 오전 10시 충북 오송에 위치한 철도연 무가선트램시험선에서 대전력 무선급전 단위모듈시험을 공개했다.
이 기술은 지난 2011년 KAIST가 개발한 무선충전전기버스로 검증된 20kHz 급집전 기술을 크게 발전시킨 것으로 3배 이상의 전력전송 밀도를 향상시켰으며, 집전모듈의 크기와 무게 감소, 급전과 집전장치의 제작비 절감 등 경제성을 높여 무선급전시스템 상용화에 성큼 다가섰다.
그동안 소규모의 전기를 사용하는 버스만을 움직일 수 있었던 무선전력전송기술은 60kHz 대전력 무선전력전송기술의 확보로 대전력이 필요한 철도시스템, 항만과 공항 하역장비 등 물류이송시스템은 물론 전송효율 증대로 기존 무선급전 시장이었던 휴대폰, 노트북 등 휴대기기 및 가전제품, 로봇분야, 레저분야 등에도 광범위하게 활용될 것으로 보인다.
대전력 무선전력전송기술을 철도에 적용할 경우 열차가 비접촉 방식으로 전력을 공급받기 때문에 급전장치의 마모가 없어 유지보수 비용이 절감된다. 또한 전신주 등 전차선 설비가 필요하지 않아 철도부지 소요면적이 줄어들고, 터널단면적도 크게 축소돼 건설비를 낮출 수 있다. 높은 속도에서도 팬터그래프와 전차선 간에 이선문제와 소음문제 등이 해결돼 레일형 초고속열차 개발도 가속화될 것으로 보인다.
KAIST와 철도연은 이번에 성공한 대전력 무선전력전송기술을 올해 무가선트램(5월경)과 차세대도시철도 및 고속열차(9월경)에 적용해 시험할 계획이다.
무선급전기술이 성공적으로 진행될 경우 독일 봄바디어(Bombardier)사의 프리모베(Primove)를 뛰어넘는 세계 최고 수준의 기술을 확보하게 된다.
※ 독일 봄바디어 프리모베 열차
- 아우크스부르크 시험선 총 800m 중 275m에 무선급전시스템설치 운영 중 20kHz, 200kW 용량, 최고속도 50km/h
KAIST 서남표 총장은 “KAIST가 개발한 무선급전버스에 이어 철도까지 움직일 수 있는 대용량 무선전송기술개발에 성공함으로써 무선급전시스템의 완결판을 만들 수 있게 돼 기쁘다”고 전했다.
KAIST 조동호 교수는 “2009년 무선충전전기버스 기술개발 시작 당시 관련부품의 기술 수준 한계로 20kHz 공진주파수를 이용하는 등 많은 고비가 있었으나 한국철도기술연구원과 협력해서 60kHz 대용량 급진전원천기술을 개발할 수 있었고, 향후 철도에 적용할 수 있는 가능성을 증명한 것”이라고 밝혔다.
철도연 홍순만 원장은 “무선전력전송기술은 철도 건설시 철도부지 소요면적이 줄어들고, 터널단면적 축소 등으로 인한 건설비 절감을 비롯해, 전차선이 없어 도시미관이 개선되고, 유지보수비가 절감되는 등 철도시스템 전반에 대한 패러다임을 바뀔 것으로 기대한다”며 “계속해서 좀 더 용량이 큰 대전력 기술 개발과 상용화 추진을 통해 첨단의 새로운 미래철도 기술을 개발하고, 해외시장 진출을 위한 기술경쟁력 강화에도 기여할 것”이라고 전했다.
2013.02.13 조회수 12855 -
KAIST 무선충전전기자동차, CNN 방영
우리 학교에서 개발한 무선충전전기자동차가 지난 8월 29일 미국 CNN방송의 "Eco Solutions"라는 프로그램에 방영됐다.
CNN은 올 7월 19일 서울대공원에서 상용서비스를 시작한 KAIST 무선충전전기자동차가 기존 디젤 "코끼리열차"에 비해 매연과 소음이 없는 친환경 전기자동차로 방문객들로부터 커다란 호응을 받고 있다고 소개했다.
CNN 링크 : http://edition.cnn.com/CNNI/Programs/eco.solutions/index.html
YouTube 링크 : http://www.youtube.com/watch?v=QLzmFFqPJfo
2011.09.04 조회수 10692 -
KAIST 무선충전전기자동차 본격 운행!
- 서울대공원 코끼리전기열차 3대 상용운행 시작 -
- ‘주행 중 무선충전방식’ 기술 세계 최초로 상용화, 관련 기술 선도 기대 -
우리 학교가 개발한 무선충전 전기자동차(Open Leading Electric Vehicle, OLEV)가 서울대공원에서 본격적인 상용운행에 들어갔다.
우리 대학은 지난 19일 오전 11시 서울대공원 동물원 입구에서 KAIST 서남표 총장, 주대준 대외부총장 등 주요 보직자들과 서울시의회 환경수자원위원회 서영갑 부위원장 등 서울시 관계자들이 참석한 가운데 ‘서울대공원 코끼리전기열차 개통식’을 가졌다.
이 열차에는 KAIST가 개발한 무선충전 기술이 적용됐다. 도로 하부 5cm 밑에 특수 전기선을 매설해 자기장을 발생시킨 후 발생된 자기력을 차량이 무선으로 공급받아 이를 전기로 변환, 동력원으로 사양하는 친환경 전기차다.
지난해 3월 KAIST는 서울시와의 시범사업으로 과천 서울대공원에서 디젤기관으로 운행되고 있는 무궤도 코끼리 열차를 무선충전 전기열차로 교체했다. 경유를 연료로 운행해 매연과 소음이 심각했던 코끼리 열차가 친환경 전기자동차로 탈바꿈한 것이다.
이후 시험운행을 실시해 시스템 안정성 및 효율성 등에 대한 검증을 완료하고, 서울시는 3대의 무선충전 전기열차를 추가 제작했다. 이로써 서울대공원을 방문하는 시민들 뿐만 아니라 동물원에 있는 동물들에게도 쾌적한 환경을 제공할 수 있게 됐다.
서울시와 추진한 시범사업 이후 KAIST는 ▲무선으로 대용량의 에너지를 안전하게 전달할 수 있는 자기장을 형상화하는 기술(SMFIR)의 원천기술을 상용수준으로 끌어올리고, ▲자기장이 인체에 미치는 전자기장(EMF) 안전성을 충분히 확보했으며, ▲주파수 배분, 전기안전 검증 등 신기술 상용운행에 대한 법제도 기반을 마련해 서울대공원 코끼리전기열차의 상용운행의 길을 열었다.
앞으로 서울대공원을 달릴 코끼리전기열차는 주행 및 정차 중 무선으로 대용량의 에너지를 실시간 전달받기 때문에 별도의 충전이 필요 없으며, 비접촉 무선충전으로 감전의 위험에서 자유롭다.
또한, 서울대공원 무궤도열차 순환구간 2.2km 중 약 16% 구간에 급전인프라를 구축해 무제한 운행하므로 경제성이 뛰어나며, 대기오염 물질을 전혀 배출하지 않는 친환경 전기열차다.
전자파 안전성 부분에서는 국내에서 규정하고 있는 기준(62.5mG)을 만족하고, 공인시험기관으로부터 성적서도 확보한 상태이다.
KAIST 조동호 온라인전기자동차사업단장은 “KAIST가 세계최초로 개발한 무선으로 대용량 에너지를 안전하게 전달하는 원천기술(SMFIR)은 다양한 분야에 적용가능하다”며 “서울대공원 코끼리전기열차 상용운행을 시작으로 버스에 이어, 철도 항만 등의 수송시스템에 우리 기술을 접목하는 연구를 진행할 계획이고, 앞으로는 가전이나 휴대기기에 대한 연구도 진행할 생각”이라고 말했다.
서울대공원 코끼리전기열차 상용운행은 냄새와 먼지 없는 아름답고 쾌적한 공원 환경을 조성한다. 더불어 국내 최대의 종합테마공원인 서울대공원을 방문하는 수많은 어린이 및 청소년에게 세계 최초로 KAIST가 개발한 전기자동차 기술을 직접 체험할 수 있는 기회를 제공함으로써 또 하나의 과학 체험 교육의 장을 마련했다는 의의도 갖게 된다.
한편, KAIST 무선충전전기자동차는 2010년 미국 시사주간지인 타임(Time)지가 꼽은 세계 50대 발명품 가운데 하나로 선정된 바 있다.
2011.07.21 조회수 18928