무선충전 기술 산업동향 ③

키워드 : 자기유도, 자기공명, WPC, Qi마크, 무선충전기술표준, EMF 노출·방사·측정, 무선충전 하이프 사이클(Hype Cycle), 무선충전기술 특허동향

※ 이 원고는 필자가 2016년 5월 특허청심사관신기술교육센터에서 강의한 내용을 요약한 것으로서 무선충전(무선전력전송) 기술 및 산업에 대한 이해를 제고하는 차원에서 기고한 것임

무선 네트워크에 연결된 다양한 디지털기기의 전원은 대부분 기기에 내장된 2차전지에 전력을 충전해 이용하고 있다. 스마트 미디어기기의 급속한 대중화로 인해 무선충전(무선충전, 무선 에너지 전송, 무선 전력전송 등의 용어로 사용되고 있으나 모두 같은 의미다)에 대한 수요가 확대되면서 현재까지 다양한 무선충전 기술이 개발됐지만 일부 비접촉식 유도결합(Induction coupling) 방식을 제외하고는 아직까지 본격 대중화되지 못하고 있다.

무선충전 기술의 핵심 이슈는 충전방식, 충전시간, 충전용량, 사용시간, 전력전송 거리 및 무선충전기의 휴대성 등을 들 수 있다. 이러한 핵심 요인을 충족할 수 있는 수요가 모바일기기는 물론 u-홈 지향의 홈 어플라이언스 더 나아가 전기자동차 등에 확산되면서 관련 시장의 블루오션으로 자리매김 되고 있다.

이 연구에서는 WPC(Wireless Power Consortium)를 중심으로 추진되고 있는 자기유도 방식 표준화 동향과 EMF 노출·방사·측정 표준화동향 중심의 자기유도 무선충전기술 표준화동향, WPC(Wireless Power Consortium), A4WP(Alliance for Wireless Power), PMA(Power Matters Alliance)를 중심으로 경쟁이 가속되고 있는 자기유도방식의 표준화동향 중심의 자기유도 무선충전 산업동향, 무선충전 기술의 핵심인 자기유도 방식과 자기공진 방식에 대한 특허동향에 대해 설명한다.

자기유도 무선충전기술 표준화 동향

자기유도 방식 표준화 동향 = WPC (Wireless Power Consortium : 무선전력컨소시엄)는 2008년 12월에 설립된 민간표준화단체로서 2010년 9월 기준 10개의 정회원 기업, 48개의 준회원 기업이 등록돼 있다. 10개의 정회원 기업은: 컨비넌트파워(Convenient Power), 펄톤(Fulton), 내셔널세미컨덕터(National Semiconductor), 올림푸스, 노키아, 필립스, 리서치인모션, 상페이(Sang Fei), 산요 및 TI이며 한국은 삼성전자, 와이즈파워, LG전자, LS전선 및 한림포스텍 등 5개사가 등록돼 있다.

이러한 WPC를 중심으로 손전등, 전동칫솔, 휴대용 안마기, 보온 슬리퍼 및 LED 캔들 등 다양한 상용제품에 무선충전 사업화를 진행중이다. WPC는 2010년 9월 치(Qi) 1.0 표준을 발표했다. 치는 ‘기(氣)’의 중국식 발음으로 WPC 표준을 따르는 무선충전기와 호환성을 보장하는 의미를 담고 있는데 치마크를 획득한 충전장치는 제품간 비 호환성으로 인한 시장분할 위험을 줄일 수 있다.

무선충전 시장규모가 연간 10만대에서 1억대로 확대될 수 있을 것으로 예상되며 치마크를 통해 휴대폰 제조업체들은 무선 전력 수신기를 통합하고 반도체 업체는 해당 기능을 자사 칩셋(chip-set)에 통합해 표준화했다. 인프라 공급사는 가정·사무실·전기자동차·호텔·정보가전 등에 무선충전 시스템 구축 기반을 마련했다.

WPC에서 제정한 자기유도방식 국제표준 치는 WPC표준에 인정받으면 전세계 109개 업체에서 사용을 할 수 있고 충전효율성이 높다는 정점을 가지고 있다. 반면 치는 비접촉식이긴 하지만 4㎜ 이내 거리에서 충전이 진행되기 때문에 사실상 유선과 다를 바 없다는 단점도 존재한다. 2016년 1월 현재 41㎜까지 충전거리가 늘어났지만 여전히 길다고 볼 수는 없다.

한편 삼성전자·LG전자·코잇·한림포스텍·와이즈파워 등이 자기유도 방식의 국내 표준을 주도하고 있다. 이들은 WPC 무선충전기 인터페이스 표준 규격(ver 1.0) 발표한 바 있다.

EMF 노출·방사·측정 표준화 동향 = EMF (Electro-Magnetic Field : 전자기장) 표준은 무선충전기의 방사 및 노출한계(방사와 노출표준이 적합한지를 확인하는 표준, 충전기의 전자기장에 인체가 노출되는 최대허용 수준)에 대한 표준으로 ICNIRP(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) 및 IEEE(The Institute of Electrical and Electronic Engineers)/ICES( International Committee on Electromagnetic Safety) 등에서 개발했다.
EMF 측정표준은 IEEE C95.1-005에 의한 제어상황 하의 최대 허용 노출한계(MPE)는 6분간이며 비 제어상황 하의 최대 허용 노출한계(MPE)는 30분간이다. 

무선전력전송 ‘하이프 사이클’

하이프 사이클(Hype Cycle)은 기술의 성숙도를 표현하기 위한 시각적 도구(미국의 가트너에서 개발)를 말한다. 무선전력전송 기술에 대한 관심도가 가장 고조된 시점은 2013년으로 예상된다. 2015~2017년에 시장이 안정될 것으로 보이며 2021년 무선전력전송 글로벌 시장 규모는 10조원이 될 것으로 예측된다.

무선충전기술 국제표준이 정착되고 시장이 안정화되기 위해서는 시스템의 전송효율을 향상(현재는 자기유도 70%, 자기공진방식은 자기유도방식 이하)시며야 하며 전자파의 안전성도 확보(전자파에 의한 기기 및 인체보호 기준과 측정기술 개발 필요0돼야 할 것으로 보인다.

자기유도 무선충전 산업동향

2015년 글로벌 모바일 시장에서 메가트랜드로 무선충전 기술이 자리 잡고 있다. 특히 삼성전자의 갤럭시S6에 무선충전 기능을 탑재하면서 이슈가 됐다. 가구업체인 이케아가 무선충전 패드를 내장한 가구를 출시하는 등 생태계가 변화하고 있는 상황이다.

특히 제너럴모터스, 토요타, 크라이슬러 등 글로벌 자동차업체들이 무선충전 인프라를 확장하고 있다. 또 스마트폰의 무선충전 시스템을 선택사양으로 제공하며 무선충전 인프라 확장에 일조하고 있다. 현대자동차는 2015년 2월 MWC2015 이후 스마트폰의 무선충전 기능이 탑재되는 신차를 개발했다.

무선충전 기술을 전기자동차 분야로 확대하고 있는 시장 상활을 살펴보면 우선 퀄컴은 2017년 이후 전기자동차용 무선충전 기술인 ‘헤일로(HALO)’ 상용화할 예정이다. 헤일로는 차량이 충전판에 올라가면 자동으로 무선충전이 이뤄지는 방식을 채택할 계획이다. 헤일로 스마트폰 앱을 통해 충전과정을 살펴볼 수도 있으며 3~4시간이면 충전을 완료할 수 있다.

전기자동차가 도로를 주행하는 동안에도 자동으로 충전되는 시스템을 개발하고 있는 기업들도 있다. BMW, 닛산, IHI는 기존 유선충전 전기자동차도 블루투스와 배터리 시스템을 교체하면 무선충전이 가능한 무선충전기를 개발하고 있다. BMW의 전기차 i3 및 i8, 닛산의 전기차 리프 등이다.

닛산 및 소와비행기공업은 2세대 전기자동차에 무선충전시스템 도입할 예정이며 IHI는 미국 와이트리시티의 무선충전 특허권을 인수해 전기자동차에 접목시키는 기술을 개발중에 있다.

국가별로 살펴보면 독일은 도로에 전선을 매설하고 전선 자기장으로 움직이는 도심 전기열차를 계획중이며 미국 뉴욕시는 맨홀뚜껑 형태의 전기차용 무선충전기를 도입한다. 국내도 KAIST가 주행중 20㎝ 거리에서 83%의 충전 효율을 갖는 온라인 전기자동차를 개발하고 있다.

이와 같이 무선충전 관련 기술표준화 경쟁이 심화되고 있는 상황으로 특히 자기유도방식의 WPC(Wireless Power Consortium), 자기공명방식의 A4WP(Alliance for Wire less Power : 자기공진방식무선충전연합) 및 PMA(Power Matters Alliance) 진영을 중심으로 경쟁이 가속되고 있다.

WPC는 기술표준과 인증마크인 치를 통해 자기유도방식의 기술표준화에 주력하고 있고 초기 5W급 무선충전 규격을 현재 15W까지 확장한 상태다. A4WP는 리젠스(Rezence)를 표준으로 제정했으며 현재 삼성전자·퀄컴·브로드컴·인텔 등 150여개 회원사가 활동중에 있다. 이에 단일 충전패드에 여러 대의 기기를 동시에 충전할 수 있는 반면 낮은 전송 효율성과 자기장 유해성 여부 등의 해결 과제를 안고 있기도 하다. 

무선충전기술 특허동향

자기유도방식은 충전패드에서 수㎜에 달하는 근접거리에서 충전이 가능하며 전송효율이 높아 휴대폰이나 전기자동차 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 또 자기공명방식은 수m의 거리에서 여러 제품을 동시에 충전할 수 있지만 전송효율이 낮고 전자파 차단 등에 대한 기술보완이 필요하다.

무선충전 기술의 핵심 이슈는 충전방식, 충전시간, 충전용량, 사용시간, 전력전송 거리와 아울러 무선충전기의 휴대성 등이 성능을 결정하는 요소다. 이러한 핵심요인을 충족할 수 있는 수요가 모바일기기, 스마트 홈 지향의 정보가전 및 전기자동차 등에 확산되면서 관련 시장의 블루오션으로 인식되고 있다.

특허청은 무선충전기술을 세계 10대 유망기술에 선정했다. 스마트폰과 전기자동차의 보급 확산으로 보다 편리한 배터리 충전 수요가 커지면서 일정한 거리에서 자유롭게 이동하면서 충전이 가능한 무선충전 기술개발이 활발하기 때문.

삼성전자는 자기공진방식, LG전자는 자기유도방식을 적용하고 있다. 자기유도방식은 표준화, 충전효율, 안전성 등 기술적인 완성도로는 높은 편이나 전송거리가 짧다는 한계가 있으며 자기유도방식이 기술의 완성도를 높인다면 향후에는 자기공명방식이 무선충전기술로 대체될 것으로 전망된다.

맺음말

무선충전 기술은 2013년 세계경제포럼(WEF) ‘유망기술 글로벌 아젠다위원회’가 선정한 세계 10대 유망기술에 선정됐다. 현재 무선충전기 분야별 적용율은 휴대용 IT기기(80%), 스마트가전/전기자동차 등(20%)을 나타내고 있으며 글로벌 무선충전 시장은 2013년 3억8000만달러에서 2017년 75억달러로 CAGR 100% 이상 급성장할 전망이다.(IMS리서치 보고)

국내 무선충전 시장의 활성화 및 글로벌 시장선도를 위해서는 기반기술 연구에 주력할 필요가 있다. 아울러 정부차원의 관련 제도정비, 인증규정 마련 등 산업 활성화 기반을 마련할 필요가 있다. 

자기유도 방식은 상용화 단계이지만 근접거리에서만 무선전송이 이뤄지는 단점으로 인해 보다 자유도를 확보할 수 있는 자기공명 방식으로 전환이 예상된다. 자기공명방식의 장점인 다중 기기로의 동시 전송 기능은 무선충전 적용 시스템이 증가할수록 그 필요성이 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다.

향후 자기공명방식 무선충전 기술이 상용화되면 와이파이를 이용하는 것처럼 어디서나 충전기 없이 휴대폰 충전이 가능할 것이다. 이를 위해서는 충전효율성 향상, 전자파 차단기술 개발, 소형화 등이 과제로 남아있다.

무선충전 고객 및 시장의 니즈를 수용해 전자기기·정보가전·전기자동차 등의 전력을 무선 전송해 전력선을 제거 한다면 진정한 유비쿼터스 사회를 실현하게 될 것으로 보인다. 무선충전 기술의 성공요인(블루오션)은 미래 유망성에서 찾을 수 있을 것이다.

■무선충전기술 특허출원 동향(2009~2013)
- 2009∼2013년(5년간) 무선충전 기술 관련 특허출원건수 797건
- 2009년 150건, 2010년 131건, 2011년 184건, 2012년 191건, 2013년 141건
- 자기유도 방식 : 2009년 102건→2013년 54건으로 감소
- 자기공진 방식 : 2009년 48건→2013년 87건으로 증가 
※ 무선충전기술이 점차 자기유도방식에서 자기공진 방식으로 바뀌고 있음을 알 수 있음