무선충전 기술 산업동향 ②

키워드 : 자기유도무선충전, 자기공명무선충전, 무선충전 패드, 송수신 코일, WPC/PMA 표준, 정보가전, 산업용기기, 전기자동차, Qi 규격, 충전효율, 자기장통신융합기술

※ 이 원고는 필자가 2016년 5월 특허청심사관신기술교육센터에서 강의한 내용을 요약한 것으로서 무선충전(무선전력전송) 기술 및 산업에 대한 이해를 제고하는 차원에서 기고한 것임. 다음호에 이어 3회로 나누어 기고할 예정임.

자기유도 무선충전기술

개요

자기유도방식의 무선충전은 코일을 이용해서 전자기장을 만들고 이를 통해 전력을 전달하며 제1, 2차 코일간 전자기 유도결합(induction coupling) 현상을 이용한다. 반면 자기공진방식은 코일 간 자기공진방식을 이용한다.

자기유도방식의 무선충전은 1차 코일에서 생성된 자기장에 의해 2차 코일에 유도전류를 흘려보내 에너지를 공급하는 원리로 코일과 코일간에 유도전류가 흐르려면 전자기기와 충전패드가 거의 접촉돼야만 된다. 이에 수㎜ 정도만 떨어져도 유도전류가 흐르면서 충전이 되기 때문에 이 점에서 자기유도방식을 ‘무선충전’이라고 부른다.

자기유도방식은 전기를 이용해서 선풍기를 돌린다. 그리고는 그 선풍기 끝에 자석을 달아놓는다. 이것이 송신부다. 또 반대쪽 수신부에서는 자석에 매달린 소형 발전기를 가져다 놓는다.

자석끼리 연결을 통해 선풍기 모터의 회전력이 수신부의 발전기를 돌린다. 그러면 전기가 생산되는 것이다. 즉, 전력을 자력으로 바꾸어 송신하고 그 자력을 다시 전력으로 환원하는 것이다.

자기공명방식이 향후에 유망한 기술이지만 여러 기술상의 문제로 현재는 자기유도 방식이 많이 상용화돼 있다.

삼성전자의 갤럭시S6도 자기유도방식 채택하고 있어 단말기와 무선충전 패드와 접촉돼야 한다. 전자기기와 충전패드(cradle)가 실내에 이격돼 있고 크래들(cradle)까지 무선으로 교류전원을 인가할 수 있어야 진짜 무선충전(real wireless power charging)이라 할 수 있다. 이를 위해서는 송수신 코일을 확장시켜 대용량의 인체에 무해한 자기공명방식이 보급돼야 할 것이다.

자기유도 무선충전 원리

기본동작 원리는 충전패드(cradle)에 전원을 연결하면 코일에서 전자기장이 발생한다. 또 전자기 유도현상에 따라 전력수신기가 유도전류를 받아들여 배터리를 충전한다.

제1, 2차 코일간에 발생하는 자석유도현상을 이용하며 전송거리가 수㎜~수㎝ 이내(근접형)다. 현재 상용화가 완료된 상태다.

삼성전자 스마트폰 자기유도방식 무선충전의 두 진영을 살펴보자. 제1진영은 WPC(Wireless Power Consortium)로 200개가 넘는 회원사 보유하고 있다. Qi라는 표준을 제정해 체계적으로 무선충전 기술영역을 넓혀가고 있다

제2진영은 PMA(Power Matters Alliance)로 아직 설립초기 단계이며 자체표준이 없다.

두 진영 모구 자기유도방식이지만 다른 점이 있은데 충전을 위한 주파수 대역이 다르다. 후발주자이긴 하지만 PMA 주파수 대역이 충전효율이 더 좋은 편이다.

WPC는 개방적인 반면 PMA는 폐쇄적인 정책을 펴고 있어 WPC의 기술을 이용하는 무선충전 제품들이 더 많은 실정이다. 현재는 WPC의 표준규격인 Qi방식의 무선충전기가 대부분을 차지하고 있다

갤럭시S6 무선충전의 특징은 WPC와 PMA의 무선충전 기술을 동시에 이용 가능하도록 제조돼 있다는 점이다. 충전패드에 스마트폰을 고정시키는 접촉식 충전방식으로 충전중 자유로운 사용이 가능하다.

기존 비접촉식 충전기술의 한계(10㎝ 이내에서 특정 방향에서만 충전)를 극복해 충전 거리와 방향에 구애받지 않고 스마트폰이나 노트북을 무제한으로 충전할 수 있다.

자기유도 방식의 전망

자기유도 무선충전 기술은 WPC/PMA 표준으로 제정돼 모바일기기를 시작으로 성장해 왔으나 점차 정보가전, 산업용기기, 전기자동차(EV) 시장으로 확산중에 있다.

자기유도 무선충전 제품 및 서비스 시장 국내외 동향을 살펴보면 국내의 경우 자기유도형 제품이 초기 출시 단계에 있으며 휴대폰에 수신부가 기본적으로 장착돼 나오면서 본격 시장 활성화가 기대됐지만 그 실적은 아직 미미한 상황이다. 또 위치 자유도가 없는 유도형의 한계로 인해 사장확대가 어려울 것으로 예상된다.

국외의 경우 Qi 규격에 의한 무선충전 제품 출시가 활성화되 있으며 국내와 마찬가지로 기기 내부에 수신부가 장착된 휴대폰이 출시됐으나 그 실적은 매우 저조한 상황이다.

자기유도 방식은 변압기의 1차 코일과 2차 코일간의 자기유도 현상을 이용하기 때문에 코일이 근접거리에 위치해야 가능한 방식으로 자기장이 초 근접거리(수㎜ 내외)에서 코일에 공동으로 영향을 줄 수 있어야 하므로 거리에 매우 민감한 문제가 있다. 또 Rx(수신) 코일의 위치 정합성에 매우 민감한 문제도 있다.

충전효율은 90% 이상으로 매우 양호하나 전송거리가 수㎜ 이내로 짧은 점이 결정적인 단점이라고 할 수 있다, 자기공명방식의 경우 전송거리 1m에서 충전효율 90%, 2m에서 40%의 충전효율 보장 전송거리를 수㎜ 이내에서 1~2m 정도로 확장할 수 있는 기술 개발이 필요하다.

자기유도 무선충전 심화기술 및 최신기술

자기유도 무선충전 솔루션의 구조

전자기기간에 무선(wireless) 연결을 위해 블루투스 및 NFC를 개발했고 무선 인터넷과 와이파이 기술을 개발했다.

그러나 전력을 공급하는 전원부가 유선으로 연결돼 있어 원활한 블루투스 및 NFC, 무선인터넷, 와이파이 동작을 위해 2010년경부터 자기유도(magnetic induction) 방식의 무선충전기술이 개발, 상용됐다. 1831년 마이클 패러데이가 그 원리를 규명했고 1800년대 후반부터 전기 모터와 변압기에 적용했으며 현재 RFID(교통카드), 전동칫솔 등에 널리 사용중이다.

자기유도 무선충전기술의 핵심은 전력 송신부 코일에서 자기장을 발생, 그 자기장을 활용해 전기를 수신부 코일로 유도하는 것이다. 이때 전기가 새지 않도록 자기장이 선(wirw)의 역할을 대신한다. 낮은 주파수를 활용하기에 전기를 송신할 수 있는 거리는 매우 짧다(1㎝ 내외)으며 전력손실이 매우 적어 원 전력의 90% 이상을 수신할 수 있다.

자기유도 무선충전은 USB 케이블 대신 무선충전패드 내 무선충전 솔루션을 이용한다. 충전패드(전력 송신부)에 교류전원을 인가하고 제1, 2차 코일간에 전자기 유도현상 발생시켜 직류 전기에너지를 전파 전력으로 변환한다. 다음으로 일정 거리(수㎜ 이내)에 무선으로 전송하고 전자기기(전력 수신부)에서 정류시켜 전자기기의 2차전지를 비접촉 방식으로 충전한다.

제1, 2차 코일간에 전자기 유도현상을 발생시켜(자기공명 방식에서는 전자기유도 대신 자기공명을 발생시킴) 유도전류가 흐르려면 충전패드와 전자기기가 수㎜ 이내로 거의 접촉돼야만 한다.

실례로 성전자 스마트폰 무선충전 모니터(SE370)의 경우 SE370의 표준은 WPC표준의 Qi 자기유도방식 무선 충전이다. 모니터 스탠드에 무선충전용 제1, 2차 코일이 삽입돼 있다.

제1, 2차 코일 간에 전기를 흘려 자성을 띠게 하여 기기로 흘려보내 다시 전기로 바꾸는 방식으로 자기유도 무선충전 기술은 에너지 형태를 전기→자기→전기로 변환해 무선으로 전송하기 때문에 전력손실이 발생하지 않으며 점차 충전효율도 향상되면서 유선충전과 충전속도가 그리 차이 나지 않는다.

핵심 아이디어는 ▲모니터의 빈 공간을 무선충전 패드로 활용했다는 점 ▲사용자 눈높이를 맞추기 위해 스탠드를 달아 화면 높이를 위로 올리는 과정에서 모니터와 스탠드 사이에 생긴 공간을 활용했다는 점이다.

시장조사기관 IHS에 따르면 무선충전을 지원하는 기기 출하량은 2014년 5500만대에서 2024년 20억대로 40배 증가할 전망이다.

자기유도 무선충전 최신기술 : 자기유도 무선충전기술의 진화 = 휴대폰을 패드에 올려놓지 않아도 충전이 가능한 무선충전 기준을 마련했다. 2013년 12월24일 미래창조과학부 국립전파연구원은 무선충전 기술을 위한 전력전송 기준(전파응용설비의 기술 기준 : 기존 이용설비 보호를 위해 무선신호 충돌을 막기 위한 가이드라인)을 개정했다.

이에 따라 2014년 상반기부터 삼성전자 등 주요 IT기업들은 새로운 무선충전 방식을 적용한 휴대폰을 출시하고 있다. 이는 그간의 자기유도방식(충전패드 위에 휴대폰을 올려놓아야 충전이 가능)에서 자기공진방식(스마트폰과 충전패드가 떨어져 있어도 충전 가능)으로의 전환을 의미한다.

현재로서는 자기공명방식의 장점을 완벽하게 구현하는데 어려움이 있다. 휴대폰과 충전패드가 떨어진 상태에도 충전이 되게 하려면 출력을 높여야 하며 이 경우 기존 설비의 무선신호와 충돌을 일으킬 수 있다.

미래부는 충전방식에 대한 전환 계획(자기유도방식→자기공명방식)을 마련했는데 2013년 12월20일 6765~6795㎑(중심 주파수 6780㎑) 주파수 대역을 자기공명방식 무선충전기에 활용할 수 있도록 주파수 분배표를 고시했다. 기존 무선설비와의 간섭(interference) 영향을 고려해 6.78㎒ 대역 자기공명방식 무선충전기의 불요발사 전계강도 허용기준을 마련했으며 현재 상용화된 현행 기준을 준용하기로 했다.(20㎑/60㎑ 대역 무선충전 전기자동차, 100~205㎑ 대역 자기유도방식의 무선충전기)

이를 통해 무선설비규칙 등 기술기준을 명확히 규정하고 무선전력전송 규제 체계를 일원화했으 기술기준 개정으로 자기공명방식 무선충전기 상용화 토대 마련했다. IT분야는 물론 무선전력전송 기술 분야의 글로벌 시장선점 및 대외 경쟁력강화에 일조한 것으로 평가됐다.

자기유도 무선충전 최신기술 : 레이저 빔을 이용한 전기항공기 무선충전

전기항공기는 항공업계의 환경친화적 아이콘이지만 짧은 비행거리로 인해 레저·스포츠용 경량항공기(LSA) 이상의 주 항공산업에는 진입하지 못하고 있다. 현재 배터리의 크기 및 중량 대비 전력저장능력 한계로 인해 1~2인승 비행거리가 300~400㎞ 수준에 불과하다.

이에 친환경 항공기의 대표주자인 전기항공기의 단점인 배터리 성능의 한계와 짧은 비행거리를 극복할 수 있는 기술 개발이 시급하다.

지대공 레이저 충전(미국의 레이저모티브가 개발)은 지상의 발신기에서 레이저를 발사해 항공기에 내장된 광전지가 이 빛을 전력으로 변환시켜 배터리를 충전하는 메커니즘이다. 2013년 7월 록히드마틴이 자사의 무인항공기(UAV) ‘스토커(Stalker)’를 이용해 실증시험에 성공한 바 있는데 풍동실험실에서 48시간 동안 비행 계속(예상 비행가능 시간의 2400% 달성)했다. 또 이동 중인 UAV를 실시간 추적해 레이저 도달 500m 거리에서 오차가 1㎝ 이내였다.

레이저는 특정 타깃에 빛의 집중이 가능해 먼 전송거리를 확보할 수 있다. 소형 레이저 송수신기를 이용해 4㎾의 전력 중 1㎾(29%) 이상 전송하는 고효율 구현했다. 향후 1년 안에 100m 이내 거리에서 수십㎾, 5년 내 1㎞ 이내에서 ㎿의 무선 전력전송을 구현할 계획이다.

이를 통해 다수의 전기항공기를 동시에 충전 가능한 대형 레이저 시설을 지상 및 해상 곳곳에 배치, 비행거리를 무한 확장할 수 있다. 또 1~2인승에서부터 10~20인승 전기항공기 산업을 활성화시킬 수 있다.

맺음말

2005년경부터 모바일기기의 확산과 2008년 미국 MIT의 무선충전 기술 10대 미래 유망 신기술 선정 등으로 인해 무선충전 기술이 확산되면서 관련 시장에 블루오션으로 부각되고 있다.

선진국들은 무선충전 기술을 유비쿼터스 컴퓨팅을 실현하는 핵심 전략기술로 선정하고 원천기술 선점 및 상용화에 적극적으로 나서고 있어 국내에서도 산·학·연 공동연구를 통한 전략적인 기술개발이 필요할 것으로 보인다.

무선충전 및 무선 전력(에너지) 전송기술의 기반 기술인 자기장통신 융합기술은 모바일기기 무선충전 및 스마트 배터리 무선충전, 빌트인(Built-in)형 가정용 및 사무용 무선충전, 휴대폰/PDA/네비게이션 등 차량용 무선충전, 공공장소 옥외형 원거리 무선충전, 디지털 카메라/MP3 플레이어/전자시계 등 멀티미디어 기기의 표준 무선충전, 의료용 임플란트기기 무선충전 등 다양한 전 산업 분야에 적용될 수 있어 세계시장 선점을 위한 원천기술 개발이 시급한 상황이다.

무선충전 시장 전망은 매우 밝은 편이며 전기자동차 충전 인프라가 완료될 것으로 예상되는 2015년까지는 지속적으로 높은 성장률을 기록할 것으로 예상된다. 이후 2020년까지 중·장기 시장은 가정 및 사무환경의 스마트화를 위한 정보가전 등이 시장을 주도할 것으로 전망된다.

국내 무선충전 산업 활성화를 위해서는 현 시점에서 가장 수요가 많은 다양한 휴대용기기의 충전시간/용량, 충전기의 휴대성 및 디자인 등의 폼팩터(Form factor) 컴퓨터의 하드 디스크 및 휴대전화의 메모리 등과 같이 기기에 내장되는 부품의 콤팩트화 및 안정화 등을 지향하는 지수를 의미하며 이를 수용할 수 있어야 할 것이다. 아울러 휴대용 기기보다는 많은 시간이 걸리겠지만 향후 거대 수요가 예상되는 전기자동차의 무선충전 인프라 구축이 중요한 시장이 될 것으로 전망된다.

■ 참고문헌

- 무선충전 관련 자료종합.

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

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

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