특허 개요
본 특허는 무선 충전기의 송신기 페라이트와 수신 코일을 컴퓨터로 함께 설계해 필요한 전압을 확보하면서 경량화를 추구하는 방법 및 장치입니다. 송신·수신 영역을 작은 요소로 나누고 각 요소에 재료와 공기의 배치를 표현하는 상대밀도 설계변수를 할당합니다. 유한요소해석 기반 위상 최적화로 페라이트의 자기저항과 전자기 물성을 반영한 유도전압을 계산하고, 무게 및 자계 강도 제약 아래 유도전압을 최대화하도록 부품의 개수·형상·치수·위치와 수신 코일 턴 수를 도출합니다.
- 핵심 기능
송신·수신 영역을 유한요소로 분할하고 코일 및 페라이트의 상대밀도를 설계변수로 설정한 뒤, 전자기 해석으로 수신 코일의 유도전압을 계산합니다. 이 계산값을 기반으로 제약조건을 만족하는 재료 배치와 구조를 최적화하고, 목표 전압에 필요한 수신 코일 턴 수를 결정합니다.
- 차별 강점
기존의 설계자 직관 중심 방식은 페라이트와 수신 코일의 무게를 함께 고려한 구조 최적화에 한계가 있었습니다. 본 기술은 두 부품의 재료 배치를 함께 최적화하며, 해석 사례에서는 최적화된 페라이트의 공기층이 누설 자속을 억제하고 수신 코일 경량화에 기여하는 결과를 제시했습니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 무선 전력전송의 전자기 해석, 페라이트 구조 설계, 수신 코일 경량화 및 위상 최적화 분야에 활용 가능합니다. 사업 측면에서는 스마트 기기·전기차·로봇의 무선 충전 설계에 적용을 검토할 수 있으며, 도심항공교통(UAM)과 우주·항공 분야 무선 전력전송으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
송신 코일이 2개 또는 4개인 구성에서 페라이트·수신 코일 동시 최적화, 페라이트 미사용, 페라이트 플레이트 사용 방식을 비교하여 목표 전압 충족과 수신 코일 무게 감소를 해석으로 확인했습니다. 실제 시제품의 충전 효율·발열·정렬 오차·내구성 및 다양한 기기 규모에서의 재현성은 아직 검증되지 않았습니다.
- 해석 대상: 송신 코일이 2개 또는 4개인 무선 충전기의 송신기 페라이트 및 수신 코일
- 비교 방식: 페라이트·수신 코일 동시 최적화, 페라이트 미사용, 페라이트 플레이트 사용
- 설계 조건: 목표 전압 5.00 V, 사용 가능한 페라이트 무게 125 g
현재 성과
페라이트와 수신 코일을 함께 최적화한 해석 사례에서 수신 코일 무게는 0.623 g으로, 페라이트 미사용 방식의 1.69 g 대비 감소했습니다. 이 결과는 페라이트 무게 125 g 조건에서의 수신 코일 경량화이며, 충전 기기 전체 무게의 절감률을 의미하지는 않습니다.
송신 코일이 2개 또는 4개인 구성에서 세 가지 비교 방식 모두 코일 턴 수를 조정하여 목표 전압을 충족하는 해석 결과를 제시했습니다. 유한요소해석·최적화 기반 검증이므로 실제 제작품의 전압과 충전 성능은 별도 PoC에서 확인해야 합니다.
페라이트와 수신 코일의 상대밀도를 함께 설계변수로 사용하고, 유도전압과 무게·자계 강도 제약을 반영하여 구조를 도출하는 점이 차별점입니다. 페라이트 플레이트를 고정한 방식과 달리 공기층을 포함한 페라이트 형상을 설계하며, 해석에서 누설 자속 감소와 송수신 결합 계수 증가를 정성적으로 확인했습니다.
상용화까지 남은 부분
최적화 구조의 실제 시제품 제작 및 해석 결과와 실측 결과의 일치 여부 확인
실제 충전 환경에서 충전 효율·발열·정렬 오차 영향·내구성 검증
다양한 기기 규모와 송신 코일 구성에서 설계 방법 및 경량화 효과의 재현성 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
무선 충전 기기 경량화를 위한 송신기 페라이트와 수신기 코일의 위상 최적 설계 방법 및 장치
10-2024-0030899 (2024.03.04)
1020250134438 (2025.09.11)
미등록 (심사 중)
이창우 (한국과학기술원)
한국과학기술원