무선충전 기술 산업동향 ①

키워드 : 무선충전 인프라, 접촉·비접촉 방식, RF방식, 자기유도방식, 자기공명방식, EuP 가이드라인, 자기장통신 융합기술, 대용량 전력, 인체유해성, 충전효율, 전기자동차 무선충전, 전송코일의 소형화, 전력배분, 도전성 방지

※ 이 원고는 필자가 2016년 5월 특허청심사관신기술교육센터에서 강의한 내용을 요약한 것으로서 무선충전(무선전력전송) 기술 및 산업에 대한 이해를 제고하는 차원에서 기고한 것임. 다음호에 이어 2회로 나눠 기고할 예정임

무선충전 기술 기초

무선충전 기술은 무선 에너지 전송(WET : Wireless Energy Transmission) 및 무선 전력 전송(WPT : Wireless Power Transmission)이란 용어로 쓰이고 있으나 모두 같은 의미다.

무선충전 기술은 전기에너지(직류전력)를 전파 전력으로 변환해 일정한 거리에 무선으로 전송하는 기술을 의미한다. 즉, 정류(rectification : 직류↔교류)를 거쳐 전자기기의 2차전지(배터리)를 접촉·비접촉 방식으로 충전하는 것이다.

전력전송방식 및 전송거리에 따라 RF방식(안테나를 통한 전자기파 방식), 자기유도방식, 자기공명방식으로 분류할 수 있다. 무선충전 기술의 개발역사를 시계열적으로 간단히 요약하면 다음과 같다.

- 100여년 전 미국의 니콜라 테슬라에 의해 개념적인 원리가 개발

- 1900년대 초 150㎑의 전자파를 이용해 무선 전력전송 시도

- 1963년 마이크로파(300㎒~300㎓)를 이용한 무선 전력전송 성공

- 1964년 10월 미국의 윌리엄 브라운에 의해 2.45㎓ 마이크로파를 이용한 무연료 헬리콥터에 무선 전력공급 성공

- 1979년 미국항공우주국(NASA)과 에너지부의 우주태양광발전소(Solar Power Satellite) 프로젝트로 연결되면서 본격적인 연구개발 착수

2008년 무선충전기의 대기전력 손실에 대한 EuP(Energy using Product : 친환경제품 설계의무 지침) 가이드라인이 발표되면서 저 전력 무선충전기 수요가 급속히 증가하고 있는 추세다. EuP 가이드라인의 핵심을 간단히 요약하면 다음과 같다.

- 에너지 사용제품에 대한 에코디자인 요구사항을 정립하기 위해 기본 체제를 규정한 EU의 법령으로 2005년 8월11일 발효됐다.

- 제품디자인에 관한 EU 환경부의 EEE(Electrical and Electronic Equipment) 지침과 에너지 효율제고에 대한 EU 산업부의 EER(Energy Efficiency Requirement)지침을 통합한 것이다.

- 기기별 커넥터의 다양성 및 기기별 충전방식의 다양성 등으로 인해 상용화의 장애요인이 되고 있다.

무선충전 방식별 특징

■RF(Radio Frequency) 방식(안테나를 통한 전자기파 방식, 마이크로웨이브 방식)

- 안테나를 통해 수㎓의 반송주파수를 이용해 10m 이상의 전자기기에 전력을 전송

- 목표지점으로의 방향성을 가지고 수㎞ 이상의 장거리에서 사용되는 것이 일반적임

- 1960년대 NASA의 SPS(Sun Power Satellite) 프로젝트, 캐나다의 SHARP 프로젝트 등의 연구에 이용됐음

- 10년 전에도 있었던 방식이지만 전파에 전기를 실어 보내는 데 효율성이 매우 낮음

- 여러 기술적 제약과 인체에 유해한 결정적인 단점이 있어 상용화되지 못하고 있음

■ 자기유도(Magnetic Induction) 방식

- 인접한 두 코일에 유도전류를 일으켜 배터리를 충전하는 방식

- 125㎑ 및 135㎑의 반송주파수를 이용해 수㎜~수㎝의 전자기기에 전력을 전송

- 3W 이하의 소형기기에 적용 가능

- 공급전력 대비 60~90%의 비교적 고효율성

- 발열이 많으며 충전위치에 따라 충전효율이 크게 달라질 수 있음

- 현재 수십W급 무선충전 기술 상용화

■자기공명(Resonant Magnetic Coupling) 방식

- 두 매체가 같은 주파수로 공진할 경우 전자파가 근거리 자기장을 통해 한 매체에서 다른 매체로 이동하는 감쇄파결합 현상을 이용하는 기술

- 10㎒ 이내의 반송주파수를 이용해 수m 내외의 전자기기에 전력을 전송

- 현재 수십W급 무선충전 기술 상용화

무선충전 산업동향

국내·외 기술·솔루션·제품 개발 현황

■ 듀라셀

- 2009년 8월 모바일기기를 좀 더 오래, 좀 더 간편하게 충전할 수 있는 솔루션이 포함된 스마트 파워 제품 ‘마이그리드(myGrid)’ 개발

- 다수의 모바일기기를 한꺼번에 충전할 수 있는 방식, 어댑터 포함 79.99달러

■ 무선충전 스페셜 인터레스트 글로벌 그룹(전자부품연구원·삼성전자·LG전자·LG텔레콤·팬택·KT·SK텔레콤·인텔·퀄컴 등)

- 2009년 10월 국내 최초로 박막·소형 무선충전기를 이용해 50㎝ 떨어진 전자기기에 0.6W의 무선 전력전송 성공

- 공진자기유도 기술 기반 송·수신 안테나가 서로 공진(resonance)을 일으키게 함으로써 에너지 손실이 거의 없는 고효율의 전력전송 가능

■ MIT의 마린 솔라치치, 앤드리 커스 연구팀

- 10㎒의 반송파를 이용해 2m 떨어진 거리에서 60W 전력을 최대 40%의 무선 전력전송 성공(2007년 6월 ‘사이언스’지)

- 근접장 자기공명 현상(코일에 전기장을 걸면 주위에 자기장이 발생하고 반대로 코일 주변에 자기장을 걸어 주면 코일에 전기가 흐르는 원리를 이용)을 이용

■ 와이트리시티(MIT프로젝트를 기반으로 창업)

- 2008년 8월부터 인텔과 공동으로 자기장 기술 기반 무선 전력전송 프로젝트 수행

- 전기자동차의 무선 전력공급 목표

- 특히 공명 결합(resonant coupling) 현상을 이용해 충전 대상물이 동일한 주파수로 공명을 일으킬 때만 서로 에너지를 교환하게 함으로써 발생하는 자기장이 인체에 거의 무해한 것으로 알려져 있다.

- 2011년 말 노트북·태블릿PC·스마트PC·스마트폰 등에 적용제품 출시

■ 국민대학교 연구팀

- 2010년 7월 원격 에너지 공급체인 기반 획득·충전기술 연구

- 목적 : USN 응용서비스의 신뢰성 확보 및 다양한 산업분야 적용

무선충전 방식별 메이저업체 현황

■ RF방식(전자기파 방식)

- 인체 유해성으로 인해 아직 상용화되지 못하고 있음

- 수m~10m 거리에서 수십㎒~수㎓의 반송파로 수십㎽의 직진성 전력을 방사하여 RFID 태그에 이용된 사례 있음

- 추후 우주개발 등의 분야에 적용 예상

■ 자기유도 방식/글로벌

- 폴톤이노베이션(fultoninnovation.com)

- TI(www.ti.com)

- 파워매트(powermat.com)

- 듀라셀(www.duracell.com/en-us) 등

■ 자기유도 방식/국내

- 와이즈파워(www.wisepower.co.kr)

- LS전선(www.lscable.co.kr)

- 한림포스텍(www.hanrim.com)

- 더파워(www.thepower.kr) 등

■ 자기공명 방식/글로벌

- 와이트리시티(www.witricity.com)

- 와이파워(www.wi-power.com)

- 퀄컴(www.qualcomm.com)

- 인텔(www.intel.com)

- 후지쯔(www.fujitsu.com)

- 하이얼(www.haier.com) 등

■ 자기공명 방식/국내

- LS전선, 한국전자통신연구원, 전자부품연구원, 메타테크놀로지 등

무선충전 기술 및 충전기 시장동향

무선충전 융합기술 시장동향 = 자기장통신 기술은 하드웨어·소프트웨어·서비스·솔루션 등을 통합한 자기장통신 융합시스템 시장은 글로벌 시장규모는 2007년 404억달러에서 2016년에는 3288억달러의 대규모 시장성장이 예상된다. 국내 시장규모는 2007년 2조원에서 2016년에는 32조원으로 급성장할 것으로 전망된다.

특히 2012년 초에 개발된 공진자기유도 기반 신기술로 인해 생성될 총 시장규모는 2013년 20억달러에서 2018년에는 50억달러를 예측되고 있다. 국내외 자기장통신 융합기술의 시장규모를 [표2]에 나타낸다.

무선충전기 시장동향 = 무선충전기의 글로벌 시장규모를 보면 매출액은 2010년 35억달러에서 2018년에는 52억달러의 대규모 시장형성이 예상된다.

출하량은 2010년 360만대에서 2018년에는 2010년 대비 65배 성장한 2억3490만대로 예상하고 있다. 유선 및 무접점 기술을 통합한 충전기의 글로벌 시장규모는 2010년 35조달러에서 2018년에는 2010년 대비 1.5배 성장한 52조달러의 대규모 시장형성이 예상된다. 무선충전 기술 관련 글로벌 시장규모 전망치를 [표3]에 나타낸다.

시장도사 전문기관(Cahners In-Stat)의 조사결과에 의하면 조사대상자의 40%가 50달러 정도의 비용이면 무선충전기 구입의사가 있다고 응답한바 있다. 이는 무선충전기의 부품가격 인하가 대중화의 관건이 될 것임을 시사하고 있다. 국내의 경우 소셜커머스 시장에서 5000원~4만원대까지 다양한 종류의 무선충전기가 판매되고 있다.

맺음말

무선충전 기술은 안테나를 통한 전자기파나 마이크로파를 이용한 RF방식, 1,2차 코일에 유도전류를 일으켜 이차전지를 충전하는 자기유도방식, 두 전파매체 간 감쇄파결합 현상을 이용한 자기공명방식이 개발됐다.

RF방식은 여러 기술적 제약과 인체에 유해성 등으로 인해 상용화되지 못하고 있으며 자기유도방식은 충전위치에 따라 충전효율이 크게 달라질 수 있어 현재는 수십W급 무선충전기에 상용화돼 있다. 궁극적으로는 자기공명방식으로 상용화돼 수십W급 무선충전 기술로 정착될 것으로 예상된다.

무선충전 기술의 궁극적인 목표는 ▲대용량의 전력을 보다 더 먼 거리까지 인체에 무해하게 전송하는 것과 ▲충전기 크기의 콤펙트화 및 충전효율 향상에 있다.

무선충전 기술이 개발돼 상용화 된지는 10년 정도가 지났지만 아직도 스마트 미디어기기를 제외한 다양한 디지털 기기에는 적용이 지연되고 있는 상황이다.

일본의 경우 전기자동차의 무선충전까지 상용화돼 가고 있다. 무선충전기 수요는 2010년경부터 다양한 모바일기기(스마트폰·디지털카메라·PMP·PDA·태블릿PC 등)의 급속한 대중화로 인해 급성장하고 있으며 다양한 산업분야(홈 네트워크 기기(정보가전), 전기자동차 등)로 확산되고 있다.

이에 무선충전 인프라를 조기에 구축할 수 있도록 ▲송수신 커플링 위치기술 ▲무선전력 전송코일의 소형화기술 ▲기기전력 사용 및 충전량 조절기술 ▲다양한 기기의 공진조건 및 전력배분 기술 ▲무선전력 전송의 플럭스 누출방지 기술 ▲간섭 및 열 발생에 의한 부품의 도전성 방지(shielding) 기술과 같은 원천기술(원천특허, 표준특허 등) 확보가 시급한 상황이다.

■ 참고문헌

- www.ecowise.kr

- ‘폐 전기·전자제품의 ErP 관련 동향 조사’, 한국전자제품자원순환공제조합, 2015. 3. 11.

- 무선충전 관련 자료종합.

- 박세환, ‘무선충전 인프라 산업 동향’, 한국인터넷방송통신학회 2012 추계학술대회, 2012. 11. 16~17.

- 박세환, ‘무선충전 산업동향’, 주간기술동향, 정보통신기술진흥센터, 2014. 4.

- 무선충전기 구입의사에 대한 설문자료 종합(Cahners In-Stat)

- 박세환, 무선충전기술동향_강연자료종합(특허청심사관신기술교육센터, 2016. 5. 9.