키워드 : 자기유도무선충전, 자기공명무선충전, 무선충전 패드, 송수신 코일, WPC/PMA 표준, 정보가전, 산업용기기, 전기자동차, Qi 규격, 충전효율, 자기장통신융합기술

※ 이 원고는 필자가 2016년 5월 특허청심사관신기술교육센터에서 강의한 내용을 요약한 것으로서 무선충전(무선전력전송) 기술 및 산업에 대한 이해를 제고하는 차원에서 기고한 것임. 다음호에 이어 3회로 나누어 기고할 예정임.

자기유도 무선충전기술

개요

자기유도방식의 무선충전은 코일을 이용해서 전자기장을 만들고 이를 통해 전력을 전달하며 제1, 2차 코일간 전자기 유도결합(induction coupling) 현상을 이용한다. 반면 자기공진방식은 코일 간 자기공진방식을 이용한다.

자기유도방식의 무선충전은 1차 코일에서 생성된 자기장에 의해 2차 코일에 유도전류를 흘려보내 에너지를 공급하는 원리로 코일과 코일간에 유도전류가 흐르려면 전자기기와 충전패드가 거의 접촉돼야만 된다. 이에 수㎜ 정도만 떨어져도 유도전류가 흐르면서 충전이 되기 때문에 이 점에서 자기유도방식을 ‘무선충전’이라고 부른다.

자기유도방식은 전기를 이용해서 선풍기를 돌린다. 그리고는 그 선풍기 끝에 자석을 달아놓는다. 이것이 송신부다. 또 반대쪽 수신부에서는 자석에 매달린 소형 발전기를 가져다 놓는다.

자석끼리 연결을 통해 선풍기 모터의 회전력이 수신부의 발전기를 돌린다. 그러면 전기가 생산되는 것이다. 즉, 전력을 자력으로 바꾸어 송신하고 그 자력을 다시 전력으로 환원하는 것이다.

자기공명방식이 향후에 유망한 기술이지만 여러 기술상의 문제로 현재는 자기유도 방식이 많이 상용화돼 있다.

삼성전자의 갤럭시S6도 자기유도방식 채택하고 있어 단말기와 무선충전 패드와 접촉돼야 한다. 전자기기와 충전패드(cradle)가 실내에 이격돼 있고 크래들(cradle)까지 무선으로 교류전원을 인가할 수 있어야 진짜 무선충전(real wireless power charging)이라 할 수 있다. 이를 위해서는 송수신 코일을 확장시켜 대용량의 인체에 무해한 자기공명방식이 보급돼야 할 것이다.

자기유도 무선충전 원리

기본동작 원리는 충전패드(cradle)에 전원을 연결하면 코일에서 전자기장이 발생한다. 또 전자기 유도현상에 따라 전력수신기가 유도전류를 받아들여 배터리를 충전한다.

제1, 2차 코일간에 발생하는 자석유도현상을 이용하며 전송거리가 수㎜~수㎝ 이내(근접형)다. 현재 상용화가 완료된 상태다.

삼성전자 스마트폰 자기유도방식 무선충전의 두 진영을 살펴보자. 제1진영은 WPC(Wireless Power Consortium)로 200개가 넘는 회원사 보유하고 있다. Qi라는 표준을 제정해 체계적으로 무선충전 기술영역을 넓혀가고 있다

제2진영은 PMA(Power Matters Alliance)로 아직 설립초기 단계이며 자체표준이 없다.

두 진영 모구 자기유도방식이지만 다른 점이 있은데 충전을 위한 주파수 대역이 다르다. 후발주자이긴 하지만 PMA 주파수 대역이 충전효율이 더 좋은 편이다.

WPC는 개방적인 반면 PMA는 폐쇄적인 정책을 펴고 있어 WPC의 기술을 이용하는 무선충전 제품들이 더 많은 실정이다. 현재는 WPC의 표준규격인 Qi방식의 무선충전기가 대부분을 차지하고 있다

갤럭시S6 무선충전의 특징은 WPC와 PMA의 무선충전 기술을 동시에 이용 가능하도록 제조돼 있다는 점이다. 충전패드에 스마트폰을 고정시키는 접촉식 충전방식으로 충전중 자유로운 사용이 가능하다.

기존 비접촉식 충전기술의 한계(10㎝ 이내에서 특정 방향에서만 충전)를 극복해 충전 거리와 방향에 구애받지 않고 스마트폰이나 노트북을 무제한으로 충전할 수 있다.

자기유도 방식의 전망