무선충전 방식 비교 - museonchungjeon bangsig bigyo

이번에 무선충전기에 대해서 알아보면서 무선충전에 대해 조금 공부를 해 보았다.
물론 무선충전에 대해 아주 깊은 지식을 얻게 된 것은 아니지만, 기본적인 상식 수준으로 알아둘만한 것들을 정리해 본다.

기본적인 무선충전의 원리부터 시작해서 무선충전의 방식 등 알아두면 좋을 만한 것들이 제법 있었다.
무선충전기를 사용하면서 내가 사용하고 있는 무선충전기가 어떤 원리로 작동을 하는 것인지, 그리고 어떤 방식으로 무선충전이 이뤄지고 있는지 정도는 알아두면 좋을 것 같았기 때문이다.

참고로 아래 나오는 각종 자료들은 키움증권과 신한금융투자에서 정리해 놓은 자료들이다.
(물론 출처는 한국전자통신연구원, WPC, PMA, 뉴 사이언티스트 등 다양하다.)

일단 무선충전방식은 크게 세 가지 정도로 나뉜다.
1. 자기유도방식, 2. 자기공진방식, 3. 안테나방식.

이 중에서 현재 실생활에서 주로 사용되는 방식은 자기유도방식과 자기공진방식이다.
사실상 안테나를 통한(전파를 통한) 전력공급 방식은 10년 전에도 이미 있었던 방식이었다.
하지만 전파에 전기를 실어 보내는 데 있어 효율이 워낙 낮고 전자파 관련 문제등으로 인해 해당 분야에서의 연구가 그리 활발히 진행되지 못한 것이 사실이다.
반면 자기유도방식이나 자기공진방식은 국제적인 컨소시움까지 만들어져 있고, 제법 체계가 잘 잡혀 있는 무선충전방식이라고 볼 수 있다.

자기유도방식이나 자기공진방식 등 무선충전 원리를 이해하는 데 있어 가장 기초가 되는 것은 자기장이다.
두 방식 모두 이름에 ‘자기’라는 말이 들어간다.

즉, 코일을 이용해서 전자기장을 만들고, 이를 통해 전력을 전달하는 것이 무선충전의 원리인것이다.
하지만 자기유도방식은 코일간 전자기 유도현상을 이용하고, 자기공진방식은 코일간 자기공진방식을 이용한다는 점이 다르다.

자기유도방식은 1차 코일에서 생성된 자기장이 2차 코일에 유도전류가 흘러 에너지를 공급하는 원리인데, 코일과 코일간에 유도전류가 흐르려면 거의 접촉이 있어야만 한다. 그런 점에서 과연 이것도 무선충전방식이라고 말할 수 있을지 모르겠지만, 아주 약간의 공간(수 mm) 정도는 떨어져도 유도전류가 흐르면서 충전이 되기 때문에 무선충전이라고 말하는 것 같다.

어찌보면 자기공명방식이 진짜 무선충전이라고 이야기해도 될 것 같은데, 공진현상을 통해 전력을 송신하는 이 방식은 현재 효율이 낮고 전자파 문제가 있어 잘 사용되지 않고 있다. 향후 인체 유해성 문제만 해결된다면 무선충전방식은 자기유도방식보다는 자기공진방식이 더욱 크게 발전하지 않을까 생각한다.

자기공진방식이 향후에 유망할 것이긴 하지만, 현재는 기술상의 문제로 자기유도 원리를 채용한 무선충전이 더욱 많이 상용화 되어 있다.
이번에 삼성전자에서 새로 출시된 갤럭시 S6도 자기유도방식을 채택하였으며, 자기유도방식의 특성상 무선충전패드와의 접촉이 반드시 있어야만 충전이 가능하다.

그냥 무선충전기가 어딘가에 위치해 있고 책상위 아무 곳에나 올려놔도 충전이 되는 그런 멋진 무선충전을 기대했다면.. 그 기대는 살포시 접어두는 것이 좋다.
아직까지는 자기공진방식이 아닌, 자기유도방식의 무선충전이 대세이기 때문이다.
충전기를 꼽지 않고 그냥 패드 위에 올려 놓기만 해도 충전이 된다는 것 때문에 확실히 무선충전이 편리하긴 하지만, 진정한 의미의 무선충전시대가 오려면 자기공진방식이 인체 유해문제를 모두 해결하고 빨리 보급되어야 할 것이다.

그런데 삼성전자가 갤럭시S6에 채용한 자기유도방식의 무선충전도 크게 두 가지 진영으로 나뉜다.
한 쪽은 WPC라는 곳이고, 또 다른 한쪽은 PMA라는 곳이다.

WPC는 Wireless Power Consortium의 약자로 회원사가 무려 200개가 넘는다.
이쪽 진영은 Qi라는 표준을 만들어서 PMA에 비해 조금 더 체계적으로 무선충전의 영역을 넓혀가고 있다고 볼 수 있다.
반면 PMA는 Power Matters Alliance의 약자로 아직은 설립초기단계라고 보면 된다.

그렇다면 같은 자기유도방식인데 두 곳이 뭐가 다른가?
바로 충전을 위해 사용하는 주파수 대역이 다르다는 점이다. 비록 후발주자이긴 하지만 PMA가 사용하는 주파수 대역이 충전효율이 더 좋다고 한다.
하지만 WPC는 개방적인 반면 PMA는 폐쇄적인 정책을 펼치고 있어 WPC의 기술을 이용하는 무선충전제품들이 더 많은 실정이다.

현재는 WPC의 표준규격인 Qi방식의 무선충전기가 대부분을 차지하고 있다고 보면 되나, 혹시 모르니 무선충전방식이 어떤 방식인지 꼭 확인하고 제품을 구입해야겠다.
(참고로 삼성전자의 갤럭시 S6는 WPC와 PMA의 무선충전기술을 동시에 이용 가능하도록 만들어져 있다.)

1992년 IBM에서 최초의 스마트폰을 개발하고, 2007년 스티브 잡스가 스마트폰에 대 혁신을 이뤄낸 후, 스마트폰은 우리 생활에서 뗄 수 없는 존재가 되었습니다. 이와 함께 스마트폰에 사용되는 기술도 발전해왔는데요. 가장 대표적인 기술 중 하나가 바로 무선 충전 입니다. 최근 출시되는 스마트폰은 대부분 무선 충전 기술이 탑재되어 있고, 무선이어폰이나 스마트밴드 등 무선 충전 기능을 지원하는 기기도 다수 출시되고 있습니다. 하지만 무선 충전에도 다양한 방식이 있고, 각 충전 방식에 따른 장단점이 존재한다고 하는데요. 우리 생활의 필수품인 스마트폰과 스마트 기기들을 더 편리하게 사용할 수 있도록 돕는 무선 충전 기술에 대해 좀 더 자세히 알아볼까요?

자기 유도 방식은 현재도 가장 널리 사용되고 있는 방식입니다. 이 방식은 무선충전패드에 있는 코일에 전류를 흘려보내 자기장이 형성되면, 형성된 자기장이 충전할 기기에 내장된 코일에 전기를 유도합니다. 자기 유도 방식은 90% 이상의 전력 전송 효율을 가질 정도로 충전 효율이 높은 것이 장점입니다.

하지만 무선 충전 패드에 접촉한 상태로 사용해야 한다는 점이 가장 큰 단점입니다. 또, 무선 충전 패드에 기기를 접촉하고 있더라도 위치가 틀어지면 충전 효율이 낮아지거나, 충전되지 않는 경우도 발생합니다. 편리한 ‘선 없는 세상’을 위해 만들어진 무선 충전이지만, 충전 패드에 붙어 있어야 한다는 점에서는 기존의 유선 충전과 큰 차이가 없다는 한계가 단점으로 지적 받고 있습니다.

자기 공명 방식(자기 공진 방식)은 특정 주파수로 진동하는 자기장을 생성해, 동일한 공진 주파수를 가지는 코일에 자기장을 유도하는 과정을 통해 에너지를 전달하는 방식입니다. 자기 공명 방식은 자기 유도 방식에 비해 먼 거리에서도 충전할 수 있다는 것이 장점입니다. 무선 충전 패드에 거의 접촉하다시피 접근해야 충전되는 자기 유도 방식과는 다르게, 자기 공진 방식은 1미터 이내에서는 약 90%의 충전 효율을 냅니다. 또한 자기 공명 방식은 자기장의 주파수와 충전할 기기에 내장된 코일의 공진 주파수가 같으면 충전이 가능하므로, 한 번에 여러 기기를 충전할 수 있습니다. 이런 장점을 바탕으로 휴대전화는 물론 TV, 냉장고 등의 가전제품에 사용하는 방법이나 주차장에 충전기를 설치하여 전기자동차를 충전하는 방식 등이 연구되고 있습니다.

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▲ 자기 공명 방식으로 작동하는 스마트폰 충전 패드 (allaboutsamsung)

하지만 자기 공명 방식은 자기장의 주파수와 전자파 간 상호 간섭이 일어나 혼선이 발생할 가능성이 있으며. 자기 유도 방식(1cm 90% 효율)보다는 상대적으로 먼 거리까지 고 효율로 충전이 가능하지만(1m 90% 효율) 자기 공명 방식도 거리가 멀리 떨어지면 에너지 효율이 크게 떨어질 수 있다고 합니다. 또한 강한 전자파가 공진되어 나오는 기술 특성상 그 안에 우리 인체가 있을 때 어떤 영향을 받을 것인가 하는 안전성의 부분도 좀 더 연구가 필요하다고 합니다.

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▲ 전기자동차 무선 충전기 (WiTricity)

마이크로파 방식은 충전기에서 전자기파를 생성해서 보내면, 충전할 기기에 내장된 렉테나(정류형 안테나)에서 그 전자기파를 수신해 전력으로 변환하는 방식입니다. 마이크로파 방식의 경우 현재의 무선 인터넷 존(wi-fi 존)처럼 특정 영역 이내에 있으면 자동으로 충전이 이루어집니다. 최대 수십 km까지 전력을 전송할 수 있지만, 효율은 10%~50%로 자기 유도 방식과 자기 공진 방식에 비해서 낮은 편입니다.

▲ 마이크로파 방식 무선 송전 기술이 등장하면 사라질 송전탑 (wikipedia)

장거리에서도 전력 전송이 가능한 이상적인 기술이지만, 실생활에 적용하기에는 해결해야 할 문제 역시 많습니다. 전자파 규제로 인해 전송할 수 있는 전력에 한계가 있고, 이 전자파가 인체에 어떤 영향을 미칠지도 아직 알려지지 않은 상황입니다. 기술 개발과 더불어 규제, 인체 영향 평가까지 완성되어야 마이크로파 방식의 무선 충전을 실생활에 적용할 수 있을 것입니다.

무선 충전 기술은 거추장스러운 전선 없이 전기를 편리하게 사용하기 위해 개발되었지만, 편리성 외에도 여러 장점을 가집니다. 비용과 안전성 측면인데요. 전선과 변압기를 무선으로 대체할 수 있으므로 비용을 크게 절감할 수 있고, 전선 관리 소홀이나 단선, 합선 등으로 인한 감전사고를 막을 수 있습니다.

▲ 무선 충전 기술을 사용 중인 치과 (Energous)

무선 충전 기술, 더 나아가 무선 전력 송신 기술이 상용화된다면, 우리는 ‘선 없는 세상’에서 살아갈 수 있을 것입니다. wi-fi 존처럼 무선으로 전력을 수신해 가로등을 켜고, 콘센트에 전선을 꽂지 않고도 TV를 보고, 컴퓨터를 하고, 무선 충전 패드가 내장된 주차장에서 전기차를 충전하는 것. 그것이 우리가 앞으로 살아갈, 무선 충전이 불러올 ‘선 없는 세상’입니다. 과학기술이 우리 생활에 가져올 변화를 함께 지켜봐 주세요!

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