한양대학교는 이병훈 전기·생체공학부 바이오메디컬공학전공 교수 연구팀이 이식형 의료기기 및 웨어러블 기기의 배터리를 보다 빠르고 안전하게 충전할 수 있는 단일단 무선 펄스 충전 집적회로(IC)를 개발했다고 12일 밝혔다.
최근 인체 삽입형 의료기기나 웨어러블 헬스케어 기기 등은 기기 소형화와 장시간 동작이 요구되면서 안정적인 배터리 충전 기술의 중요성이 커지고 있다. 체내 삽입형 의료기기의 경우 배터리 교체를 위해 추가 시술이 필요할 수 있어, 무선 전력 전송을 이용한 고효율 충전 기술이 핵심 기술로 주목받고 있다. 그러나 기존 무선 충전 회로는 정류기, 레귤레이터, 충전 회로 등 여러 전력단을 거쳐야 해 효율 저하와 회로 복잡도 증가가 불가피했다. 기존의 일반적인 정전류-정전압(CC-CV) 충전 방식은 배터리 내부저항으로 인해 정확한 충전 종료 시점을 판단하기 어려워 과충전이나 불완전 충전의 위험이 있었고, 충전 시간이 길어지는 한계가 있었다.
이병훈 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 교류-직류 변환과 배터리 충전 제어를 하나의 전력단에서 동시에 수행하는 '단일단 무선 펄스 충전기'를 제안했다. 제안된 회로는 무선으로 전달된 전력을 직접 펄스 형태의 충전 전류로 변환하며, 충전 전류가 흐르는 구간과 흐르지 않는 구간을 반복적으로 생성한다. 이때 전류가 흐르지 않는 구간에서는 배터리 내부저항에 의한 전압강하가 사라지므로, 회로가 실제 배터리 셀 전압을 직접 감지할 수 있다.
이 방식은 별도의 고해상도 아날로그-디지털 변환기나 복잡한 디지털 연산 회로 없이도 배터리 내부저항 영향을 보상할 수 있다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 이를 통해 기존 정전압 충전 구간에서 발생하는 충전 시간 증가 문제를 줄이고, 보다 정확한 충전 종료 시점 검출을 가능하게 했다. 또한 펄스 충전 방식은 배터리 전극 내부의 이온 확산 시간을 확보할 수 있어 리튬 도금 현상 완화에도 기여할 수 있다.
이병훈 교수는 “이번 연구는 무선 전력 전송 회로와 배터리 충전 제어 기능을 하나의 전력단으로 통합하면서도, 배터리 내부저항 보상과 정확한 충전 종료 검출을 동시에 구현했다는 점에서 의미가 있다”며, “향후 이식형 의료기기, 웨어러블 헬스케어 기기, 소형 무선 센서 등 배터리 안정성과 충전 효율이 중요한 다양한 응용 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구는 산업통상자원부 기술혁신사업, 알키미스트 프로젝트, 과학기술정보통신부 인공지능반도체 고급인재양성사업 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 전력전자 및 산업전자 분야의 저명 국제학술지인 'IEEE Transactions on Industrial Electronics'에 4일 온라인 게재됐다.
해당 논문 「A Single-Stage Wireless Pulse Charger With Robust Built-in Resistance Compensation and Charging Time Reduction」에는 한양대 이준혁 연구원이 제1저자, 김예민 연구원과 김동림 연구원이 공동저자로, 이병훈 교수가 교신저자로 참여했다.
권미현 기자 mhkwon@etnews.com
