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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 유도성 충전기(Inductive charger)라고도 부르는 무선전력전송(wireless power transfer) 장치중의 하나이며 전자기 유도 원리를 이용하여 휴대용 장치들에 전력을 공급한다. 전기자동차, 전동공구, 전동치솔과 메디칼 장치를 포함한 휴대장치들에 충전이 가능하며 독(dock)과 플러그(plug)를 이용한 전기 연결이 없이 충전소(charging station)나 유도성 패드(inductive pad)의 근처에 휴대장치를 방치하는 방식으로 충전이 가능하다.
무선충전기술은 전기에너지를 전파 전력으로 변환하여 일정한 거리에 무선으로 전송하는 기술이며 전력전송방식 및 전송거리에 따라 RF방식, 자기유도방식, 자기공명방식이 있다.
무선충전기술은 100여년 전 미국의 니콜라 테슬라가 개념적인 원리를 개발하였으며 1963년에 마이크로파(300MHz~300GHz)를 이용하여 무선전력전송에 성공한 뒤 1964년 10월에 미국의 월리엄 브라운이 2.45GHz 마이크로파를 이용하여 무연료 헬리콥터에 무선전력공급을 성공하였다. 1979년 미국항공우주국(NASA)과 에너지부에서 추진하는 우주태양광발전소(Solar Power Satellight) 프로젝트에 연결되면서 본격적인 연구 개발이 활성화되었다.
2000년대에 진입한 뒤 미국, 일본, 한국, 중국을 비롯한 세계 여러 나라들에서 무선충전기술의 연구와 개발이 활발이 이루어졌으며 2005년 전후로 다양한 모바일기기의 급속한 확산과 2009년 스마트폰의 보급 등의 촉진으로 무선충전기술제품의 시장도 새롭게 창출되었다.
2008년에 무선충전기의 대기전력 손실에 관한 EuP(Energy using Product: 친환경제품 설계의무 지침) 가이드라인이 발표되었고 같은 해에 선충전컨소시업(WPC, Wireless Power Consortium)이 설립되었으며 2010년에 스마트폰, 스마트워치와 테블릿 등의 제품을 대상한 무선충전기 글로벌 표준 Qi 무선충전표준(wireless charging standard)을 발표되었다. 2012년에 무선충전얼라이언스(A4WP, Alliance for Wireless Power)와 파워 매터 얼라이언스(PMA, Power Matter Alliance)가 설립되었으며 일본에서 2009년에 광대역 무선포럼(BWF, Broadband Wireless Forum)이 설립되고 2013년에 상용화를 위한 무선통신컨소시엄(WiPoT, Wireless Power Consortium for Practical Applications)이 설립되었으며 2010년에 에너지 하베스팅 컨소시엄(EHC, Energy Harvesting Consortium)이 설립되었다. 한국에서는 2011년에 한국무선충전포럼(KWPF, Korean Wireless Power Forum)이 설립되었다. 2018년에 진입한 뒤 Qi 무선충전표준은 북조선, 러시아, 독일 등 나라의 군수장치 표준으로 적용되었다.
무선충전기에 적용하는 글로벌 표준으로는 스마트폰, 스마트워치와 테블릿 등의 제품을 대상한 Qi 무선충전표준(wireless charging standard)이 가장 보편적이며 그 다음에 PMA 표준이 있다.
미국의 글로벌 마켓 리서치와 매니지먼트 컨설팅회사 글로벌 마켓 인사이트(Global Market Insights Inc.)가 2020년 2월에 발표한 2020년-2026년 무선충전 시장 점유율과 예측 보고(Wireless Charging Market Size By Technology (Inductive, RF, Resonant), By Application (Automotive, Consumer, Industrial, Healthcare, Aerospace & Defense), Industry Analysis Report, Regional Outlook, Growth Potential, Competitive Market Share & Forecast, 2020 – 2026)에 따르면 2019년에 무선충전 시장규모는 110억 달러를 초과하였으며 2020년부터 2026년사이에 시장 년성장율은 14.5%로 유지하여 2026년에 이르면 300억 달러의 규모를 초과할 것으로 예상하였다.[1]
무선충전 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(RF 방식)
마이크로파와 같은 전자기파를 발사하여 접수기에서 접수한 뒤 정류기회로에서 직류로 변경하여 충전하는 방식이다.[2]
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.[3]
□ 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.[4]
응용분야
무선충전의 응용분야는 크게 저전력과 고전력 분야로 나뉜다.
- 저전력 응용은 주로 휴대폰, 핸드헬드 장치, 일부 컴퓨터 및 유사한 장치를 포함한 소형 컨슈머 전자기기를 지원하며 충전전력은 통상적으로 100W 이하의 수준이다.
- 고전력 응용은 충전전력 1kW 이상을 대상으로 하고 있으며 주로 전기차 충전에 적용된다. 고전력 충전은 1차 권선과 2차 권선 사이의 자기 공명 방식으로 추진되며 전력의 범위는 1kW에서 300kW 또는 그 이상이다.
장단점
□ 장점
- 보호된 연결 - 높은 빈도로 충전을 진행할 때 절연체의 고장에 따른 회로 쇼트라든지의 전기적인 리스크가 줄어 든다. 전자장치가 밀폐되어 있는 연유로 대기중의 습기나산소 등에 따라오는 부식이 없다.
- 내구성 - 물리적인 연결이 없는 구조로 연결장치가 필요없으며 빈번한 재 연결과 간헐적인 충전이 가능하다.
- 자동충전 - 충전소 또는 충전 패드 근처에 방치만 하면 되기에 자동충전이 된다.
□ 단점
저전력 무선충전에서 발생하는 단점들은 아래와 같다
- 충전속도 - 낮은 충전효율로 충전시간이 15% 길어진다.
- 원가 - 충전기와 장치에 각자 감응 코일을 추가해야 기에 원가가 올라간다.
- 편의성 - 모바일 장치를 케이블로 연결한 상황에서 이동과 사용이 가능하다. 무선충전은 충전패드나 주변에 방치해야 기에 이동이 불가하거나 충전에 영향을 받는다.
- 호환성 - 모든 휴대장치들이 서로 다른 무선충전기를 사용할 수 있는 것은 아니다.
- 효율 - 직접 연결식 충전 대비 효율이 낮다.
각주
- ↑ "Wireless Charging Market Trends - Global Statistics Report 2026", Global Market Insight, 2020-02
- ↑ Benmin Smith, "Different Types of Wireless Charging", Internet Access Guide, 2019-05-15
- ↑ "Qi (standard)", Wikipedia
- ↑ "Power Matters Alliance", Wikipedia
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
