발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 전기장 측정 기술은 동판과 알루미늄 호일 스트립과 같은 도체의 편향 정도를 레이저로 측정하는 방식을 사용했습니다.

• 이러한 방식은 측정 정밀도가 1V/m 수준에 머물러 있어, 보다 정밀한 측정이 요구되는 현대 전자 산업 환경에는 한계가 있었습니다.

기술의 필요성

• 다양한 첨단 전자장치의 등장으로 인해 기존 기술보다 더욱 정밀하게 전기장을 측정할 수 있는 혁신적인 장치 및 방법에 대한 기술적 요구가 크게 증가했습니다.

• 기존 방식의 정밀도 한계를 극복하고, 고도의 신뢰성이 요구되는 다양한 산업 분야에 적용 가능한 차세대 측정 기술 개발이 시급한 과제입니다.

구현 방법

기술의 원리

• 전기장 내에서 회전하는 2개의 절연된 도체에 유도되는 전하량의 주기적인 변화를 이용합니다.

• 도체의 회전으로 인해 발생하는 미세한 전류의 변화를 감지합니다.

• 검출된 전류의 위상과 회전자의 회전 위상 간의 위상차를 분석하여 전기장의 세기를 매우 정밀하게 연산합니다.

구체적인 구현 방법

본 기술은 회전자부, 회전 구동부, 검출부, 초퍼부, 연산부 등 핵심적인 구성요소들의 유기적인 결합을 통해 구현됩니다.

1. 회전자부: 서로 절연된 2개의 도체를 포함하며, 회전 중심을 기준으로 마주보며 회전합니다. 전기장에 노출되는 '노출부'를 가지고 있습니다.

2. 회전 구동부: 모터와 같은 구동 수단을 이용해 회전자부를 일정한 속도로 회전시킵니다.

3. 검출부: 각 도체에 유도된 전하량의 변화로 인해 발생하는 미세 전류를 검출하고, 차동 증폭기를 통해 전류의 차를 증폭합니다.

4. 초퍼부: 검출된 전류의 위상과 회전자부의 기계적 회전 위상 간의 차이를 정밀하게 검출합니다.

5. 연산부: '록-인 증폭기(Lock-in Amplifier)'를 사용하여 검출된 전류 및 위상차 정보를 바탕으로 노이즈를 최소화하고 전기장의 세기를 정확하게 연산합니다.

기술의 장점

• 고정밀 측정: 기존 1V/m 수준의 정밀도를 뛰어넘는 초정밀 전기장 측정이 가능합니다.

• 높은 안정성: 록-인 증폭 방식을 사용하여 주변 노이즈의 영향을 최소화하고 안정적인 측정 결과를 보장합니다.

• 자기장 간섭 최소화: 도체 노출부의 특화된 설계를 통해 강한 자기장이 존재하는 환경에서도 전기장 측정의 정확도를 유지합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 기술의 핵심 원리인 '회전을 통한 DC 전압의 AC 신호 변환 측정' 가능성을 입증하고, 실제 고전압 환경에서 센서 유기 전압과 인가 전압 간의 비례 관계를 확인함으로써 기술의 유효성과 실용성을 검증하는 것을 목표로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 소형 다이폴 안테나의 전기장 수신 원리에 대한 이론적 분석을 진행합니다.

2. 교류 400kV급 고전압 분압기 평가 환경에서 개발된 전기장 센서의 성능을 테스트합니다.

3. 센서에 모터를 부착하여 회전시킴으로써 DC 전압 환경의 신호를 강제적 AC 신호로 변환하여 측정하는 테스트를 수행합니다.

실험 결과

주요 실험 내용과 그 결과는 아래 표와 같습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

본 기술은 높은 정밀도를 바탕으로 다음과 같은 다양한 분야에 활용될 수 있습니다.

기대효과

• 차세대 정밀 측정 및 센서 기술 분야의 기술 경쟁력 확보에 기여합니다.

• 스마트 그리드와 같은 고전압 환경에서 비접촉식 정밀 측정을 통해 시스템의 안전성과 운영 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.

• 단순 전압 측정을 넘어 주변 움직임 감지 등 새로운 응용 분야를 창출하여 IoT 및 보안 시장 확대를 견인할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

양자 기술을 포함한 정밀 측정 센서 시장은 지속적으로 성장하고 있습니다. 특히 양자 센싱 시장은 전 세계적으로 2019년 9억 1,900만 달러 규모에서 2027년 20억 3,200만 달러 규모로 성장할 것으로 예측되며, 연평균 10.4%의 높은 성장률을 보일 것으로 전망됩니다. (출처: IITP)

• 국내 시장 또한 2019년 65.6억 원에서 2027년 169.9억 원으로 연평균 12.6% 성장할 것으로 예상됩니다.

• 스마트 그리드 시장 확대에 따라 실시간, 비접촉 방식의 고정밀 전압/전류 측정 기술의 중요성이 부각되고 있습니다. (출처: KIEE)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 전기장 센서는 자기장 센서에 비해 상용화가 더디지만, 기술 개발 경쟁은 활발히 이루어지고 있습니다. 특히 양자 센싱 기술 분야의 특허 출원 동향을 통해 글로벌 경쟁 환경을 엿볼 수 있습니다. (출처: IPUONE)

주요 국가별 양자 센싱 특허 출원 점유율

산업 동인 및 기회 요인

1. 스마트 그리드 확장: 실시간 전력 모니터링을 위한 비접촉 고정밀 센서 수요가 급증하고 있습니다.

2. 고전압 설비 안전성 강화: 절연 파괴, 단락 사고 예방을 위한 정밀 진단 기술의 필요성이 대두되고 있습니다.

3. 신규 응용 분야 창출: 단순 전기장 측정에서 벗어나, 주변 움직임 감지 등 IoT 기술과 융합하여 새로운 시장을 열 가능성이 있습니다.

4. 양자 기술의 발전: 감도, 주파수, 위상 측정 등에서 월등한 성능을 가진 양자 센서의 등장이 전체 정밀 측정 시장의 성장을 견인하고 있습니다.