무선충전기

무선충전기(Wireless Charger)는 충전기와 배터리 사이에서 연결 케이블을 사용 안 하고 배터리를 충전할 수 있는 충전기기이다. 작동하는 원리에 따라 자기 유도방식(Inductive Charging), 자기공명 방식(Resonance Charging), 무선전 충전(Radio Charging) 등 3개 종류로 나뉜다.

개요

무선충전기는 무선전력수송(wireless power transfer)의 한 가지 방식으로서 유도성 충전기(Inductive charger)라고 칭하며 전자기 유도 원리를 이용하여 전력을 휴대용 장치들에 공급한다. 스마트폰, 스마트워치와 테블릿 등을 대상한 Qi 무선충전표준(wireless charging standard)이 가장 보편적이다. 무선충전은 전기자동차, 전동공구, 전동치솔 및 메디칼 장치에도 적용되고 있으며 휴대장치는 독(dock)과 플러그(plug)를 이용한 전기 연결이 없이 충전소(charging station)와 유도성 패드(inductive pad)의 근처에 방치하는 방식으로 충전을 할 수 있다.

유도성 충전은 유도 결합(inductive coupling)을 통해 에너지를 이전하는 방식으로서 충전소나 유도성 패드에 있는 유도(감응) 코일에 교류 전기가 흐를 때 자기장이 형성되어 휴대 장치에 있는 유도 코일에 전류를 발생시키며 발생한 전류는 정류기 회로를 거쳐 직류 전기로 전환되며 배터리를 충전하거나 구동 에너지를 제공한다. 유도 충전 시스템의 송수신기 유도 코일에 커패시터(capacitor)를 추가하여 각자 특정 주파수의 LC회로를 구성할 때 자기 공명 방식이 구성되며 이 때 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 거리를 키울 수 있다. 교류 주파수와 공명 주파수가 매칭될 때 거리에 따른 최대 효율을 나타낼 수 있다.

적용 원리

□ 자기 유도 방식

1차 권선에 일정한 주파수의 교류전기를 흘리면 전자기 유도 현상이 발생하면서 2차 권선에 유도 전류가 흐르게 되는데 이 유도 전류를 이용하여 배터리를 충전하는 방식을 자기 유도 방식 충전이라 한다. 저출력 충전방식은 통상적으로 100W 이하의 출력 레벨에서 소형 컨슈머 전자장치의 충전을 지원하며 이에는 핸드폰, 핸드헬드 장치(handheld devices), 일부 컴퓨터 및 유사한 장치들이 들어있다. 수 mm 이내의 거리에서 90% 이상의 충전효율을 가진다.

□ 자기 공명 방식

1차권선에 일정한 주파수의 교류전기를 흘리면 동일한 주파수를 가지는 2차권선에 자기 공명 현상이 발생하며 이에 따라 발생하는 전류로 충전하는 방식을 자기 공명 방식이라고 한다. 자기 공명 방식은 1m의 거리에서 90%의 효율을 유지하고 2m의 거리에서 40%의 효율을 가진다. 1kW에서 300k까지의 출력 레벨에서 전기자동차의 충전을 지원한다.

□ 전자기파 방사 방식

마이크로파와 같은 전자기파를 발사하여 접수기에서 접수한 뒤 정류기회로에서 직류로 변경하여 충전하는 방식이다.

적용 표준

□ Qi 표준

무선충전협회(WPC, Wireless Power Consortium)가 2008년에 처음으로 발행한 개방형 인터페이스 표준(open interface standard)이다. 자기 유도 충전 방식을 이용하여 4cm 거리 안에서 무선 충전을 추진하는 방식을 정의하였다. 100-205 kHz 주파수 대역을 이용하여 5w-15w 사이로 충전한다.

많은 모바일 기기 제조사들이 이에 개입되어 있으며 이에는 애플, 아수스(Asus), 구글, HTC, 화웨이, LG 전자, 모토롤라 모빌리티, 노키아, 누커런트(NuCurrent), 삼성, 블렉벨리, 샤오미 및 소니 등이 들어 있다. 2017년 7월 기준으로 세계에서 가장 보편적인 표준이며 2억 대 이상의 장치에서 이를 사용하고 있었다.

□ PMA(Power Matters Alliance) 표준

에어퓨어 얼라이언스(AirFuel Alliance) 표준이라고도 한다. P&G(Procter & Gamble)와 듀라셀 파워매트 테크놀로지(Duracell Powermat Technologies)사가 2012년 3월에 소비자 상호 운용 가능한 장치(consumers interoperable devices)를 보장하는 취지에서 발행한 표준이며 이 안에 무선충전 기술에 관한 내역이 들어 있다. PMA 표준은 인터페이스에 관한 표준이며 아날로그 방식의 충전(자기 유도와 자기 공명), 디지털 트랜시버 커뮤니케이션(디지털 라디오 송수신), 클라우드 기반의 전력 관리 및 환경 지속유지 가능성을 기술하였다. PMA는 277-357 kHz 주파수 대역을 이용하여 5cm의 거리 안에서 여러 장치들을 한 번에 충전한다.

PMA 이사회에는 AT&T, 듀라셀(Duracell), 스타박스, 플랙스트로닉스(Flextronics), 연방통신위원회(FCC, Federal Communications Commission) 및 에너지스타(Energy Star) 등 회사와 조직이 들어 있다. 2015년에 A4WP와 PMA가 합병되어 에어퓨어 얼라이언스(AirFuel Alliance)로 되었다.

참고자료

• "Inductive charging", Wikipedia
• 김 혜진 기자, 〈무선충전 기술 산업동향 ①〉, 《CCTV뉴스》, 2016-11-01
• 박세환, 〈무선충전 시스템 기술 동향〉, 《ITFIND》
• Benmin Smith, "Different Types of Wireless Charging", Internet Access Guide, 2019-05-15
• Doug Bonderud, "How Wireless Charging Technology Works (Qi vs. PMA Charging)", BizTech Magazine, 2021-03-02
• 〈무선 충전〉, 《위키백과》
• AMC world, 〈자기공진 무선충전이란!??!?〉, 《TI Story》, 2017-05-24
• 股票涨涨涨, 〈无线充电行业快速升温 产品走俏产业资本"加码"〉, 《她理财网》, 2021-05-04

같이 보기

• 충전기

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