편리한 충전 시대, 스마트폰 무선 충전!

 

스마트폰 무선 충전은 케이블을 직접 연결하지 않고도 전력을 전달해 배터리를 충전하는 방식입니다. 이 기술은 전자기 유도(Electromagnetic Induction) 또는 전자기 공진(Electromagnetic Resonance)을 활용하여 에너지를 무선으로 전송합니다. 대표적으로 사용하는 표준은 Qi(치) 표준입니다. Qi 표준은 스마트폰, 태블릿, 이어폰 등 다양한 전자기기에서 무선 충전을 지원하게 합니다.

무선충전개념도 from.와이드경제

▶무선 충전의 기본 원리: 전자기 유도:

무선 충전은 전자기 유도를 기반으로 합니다. 이 원리를 이해하기 위해서는 코일과 전자기장의 개념이 필요합니다.

▶송신 코일: 충전 패드에 있는 송신 코일에 전류를 흘리면 자기장이 발생합니다.

▶ 수신 코일: 스마트폰에 내장된 수신 코일이 이 자기장을 감지하고, 자기장 변화에 따라 전류가 유도되어 전기가 발생합니다.

이 과정을 통해 스마트폰이 충전되는 것입니다.

▶필요한 기술 요소:

무선 충전을 위해서는 여러 가지 핵심 기술이 필요합니다.

▶코일 설계: 송신기와 수신기 코일이 정확히 일치해야 에너지 손실을 최소화하고, 높은 효율로 충전할 수 있습니다. 이 코일은 일반적으로 평면형이며, 많은 경우 구리로 만들어집니다.

▶ 전자기 유도 및 공진 기술: 대부분의 무선 충전기는 전자기 유도 방식으로 작동하지만, 일부 고급 무선 충전기에서는 공진 기술도 활용됩니다. 공진 방식은 충전기와 기기가 일정 거리를 두고도 충전할 수 있게 해 줍니다.

▶ 전력 관리 칩셋: 효율적인 전력 전송과 발열을 줄이기 위해 전력 관리 칩셋이 필요합니다. 이 칩셋은 충전 속도를 조절하고, 발열을 관리하며, 과전압을 방지해 기기의 안전성을 높입니다.

▶ 충전 표준(Qi, PMA 등): 현재 대부분의 스마트폰 제조사들은 Qi 표준을 채택하고 있습니다. Qi 표준은 전력 전송 방식과 보안 기능을 규정하여, 충전기의 호환성을 보장합니다. PMA 표준은 다른 무선 충전 표준으로, 주로 북미 지역에서 사용되지만, Qi에 비해 사용이 줄어들고 있습니다.

▶ 발열 관리 기술: 무선 충전은 유선 충전보다 발열이 심할 수 있습니다. 따라서 발열을 관리하는 기술이 필수적입니다. 열을 방출하거나 분산시키는 구조와, 온도를 감지하여 충전 속도를 조절하는 시스템이 포함되어야 합니다.

▶ 자기장 간섭 차폐: 무선 충전 중 발생하는 자기장은 주위의 다른 전자기기에 간섭을 일으킬 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 자기장 간섭을 차단하는 차폐 기술이 필요합니다.

▶최신 무선 충전 기술 트렌드:

▶고속 무선 충전: 초기 무선 충전은 속도가 느렸지만, 현재는 고속 충전을 지원하는 제품이 많아졌습니다. 15W 이상의 고속 충전을 지원하는 모델도 있습니다.

▶ 리버스 무선 충전: 일부 스마트폰은 다른 스마트 기기를 역으로 충전할 수 있는 리버스 무선 충전을 지원합니다. 예를 들어, 스마트폰을 통해 무선 이어폰이나 다른 기기를 충전할 수 있습니다.

▶ 장거리 무선 충전: 근거리뿐만 아니라 몇 미터 떨어진 기기도 충전할 수 있는 장거리 무선 충전 기술도 연구 중입니다.

마트폰 무선 충전 기술은 최근 몇 년간 빠르게 발전해 왔으며, 국내외에서 여러 기업과 연구기관이 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 현재의 무선 충전 기술은 대부분 자기 유도 방식과 자기 공진 방식으로 이루어져 있으며, 이를 기반으로 다양한 응용 분야와 상용화를 위한 연구가 진행되고 있습니다. 주요 개발 현황과 향후 기술 방향 및 상용화 과제는 다음과 같습니다.

▶무선 충전 기술 개발 현황:

▶국내:

삼성전자: 삼성전자는 갤럭시 스마트폰을 통해 무선 충전 기능을 적극적으로 도입하고 있습니다. 자기 유도 방식의 무선 충전을 기본으로 하여, 최신 스마트폰 모델에서 무선 충전 속도를 높이기 위한 기술을 개발하고 있습니다. 삼성은 또한 기기간 무선 전력 공유 기능인 '무선 배터리 공유' 기술을 통해 스마트폰뿐만 아니라 다양한 기기를 무선으로 충전할 수 있도록 확장하고 있습니다.

▶LG전자: LG전자는 무선 충전 패드 및 스탠드를 개발하고, 이를 스마트폰, 스마트워치 등과 연동해 사용자를 대상으로 다양한 제품을 선보이고 있습니다. LG도 자기 유도 방식을 이용하지만, 고출력 무선 충전과 다양한 전자 기기에서의 활용성을 높이기 위해 신소재 연구와 효율성 개선에 힘쓰고 있습니다.

▶ 중소기업 및 연구기관: 다양한 중소기업과 연구기관에서도 효율을 높이기 위한 소재 개발, 충전 거리 확대, 다중 기기 동시 충전 연구가 진행되고 있습니다. 특히 한국전자통신연구원(ETRI)과 한국과학기술연구원(KIST) 등은 산업체와 협력하여 무선 충전 기술의 상용화를 위한 공동 연구 프로젝트를 운영 중입니다.

ETRI 무선 충전 개발 시제품들 from.헬로디디

▶해외:

▶ 애플: 애플은 자기 유도 방식의 MagSafe 기술을 통해 아이폰의 무선 충전 성능을 개선하고, 무선 충전 액세서리를 확대하고 있습니다. 또한, 자기 정렬 방식으로 충전 효율성을 높여 사용 편의성을 극대화하는 데 초점을 두고 있습니다.

▶ 퀄컴: 퀄컴은 자기공진 방식 기반의 무선 충전 기술 개발에 주력하고 있으며, WiPower라는 상용화 솔루션을 개발했습니다. 이는 여러 기기를 동시에 충전할 수 있는 가능성을 제공하며, 차량 내 무선 충전 솔루션에서도 활용되고 있습니다.

▶ 스타트업 및 연구 기관: 미국과 유럽의 스타트업에서는 장거리 무선 충전 기술을 연구 중입니다. MIT와 같은 연구기관에서는 전자기파를 이용한 고속 장거리 충전 기술을 실험하고 있으며, 전력 손실을 줄이는 방안을 중점적으로 연구하고 있습니다.

▶향후 기술 개발과 연구 방향:

▶고속 무선 충전: 유선 충전에 비해 상대적으로 느린 속도는 여전히 과제입니다. 이를 개선하기 위해 고출력 무선 충전 기술 연구가 필요하며, 특히 스마트폰의 발열 문제를 줄이고 안정성을 높이기 위한 소재와 디자인 개선이 필요합니다.

▶ 충전 거리 확대: 현재 대부분의 무선 충전은 패드와 밀접한 거리를 요구합니다. 연구자들은 전자기파나 RF(Radio Frequency) 기술을 통해 수 미터 거리에서도 충전이 가능하도록 하는 연구를 진행하고 있으며, 실제 상용화 단계에서는 안전성과 에너지 효율성이 중요합니다.

▶ 다중 기기 충전 및 상호 충전: 미래의 무선 충전 기술은 여러 기기를 동시에 충전할 수 있고, 스마트폰을 통해 다른 기기를 충전할 수 있는 상호 충전 방식으로 발전하고 있습니다. 이를 위해서는 전력 관리 및 분배 기술이 필수적입니다.

▶ 고효율 소재 개발: 무선 충전에서 전력 손실을 최소화하기 위해 자성을 띠는 새로운 소재와 고효율 전도체 개발이 활발히 진행 중입니다. 이와 함께 충전 효율을 극대화하고 환경에 미치는 영향을 줄이기 위한 소재 연구도 필수적입니다.

▶안정화 과제:

▶표준화 문제: 무선 충전 표준은 Qi 표준이 주도하고 있지만, 여러 기술이 혼재되어 있어 호환성 문제가 발생할 수 있습니다. 이에 대한 표준화가 이루어져야 다양한 기기에서 일관된 충전 경험을 제공할 수 있습니다.

▶ 발열과 안전성: 무선 충전 중 발생하는 발열은 장비 손상이나 사용자의 불편을 초래할 수 있습니다. 이를 줄이기 위해 발열 관리 기술과 안전 기준이 강화될 필요가 있습니다.

▶ 효율성과 비용 문제: 무선 충전은 유선보다 효율이 떨어지는 경우가 많으며, 충전 효율을 높이면서도 비용을 낮추는 것이 관건입니다. 이는 소재 개발과 공정 개선을 통해 해결해야 할 문제로 꼽힙니다.

▶ 에너지 소비량과 환경 문제: 다수의 기기를 충전할 수 있는 무선 충전 시스템에서는 에너지 소비량이 늘어나므로, 이를 줄이기 위한 친환경적인 설계가 필요합니다.

무선 충전 기술은 사용자의 편의를 높이는 중요한 분야로, 향후 5년 내에 더욱 빠르고 안정적인 충전 기술이 상용화될 가능성이 큽니다.

무선충전시장 추이 from.전자신문