무선충전 기술동향과 발전방향

Trends and Future Directions of Wireless Charging

저자
김성민, 김상원, 문정익, 조인귀 / RF프론티어연구실
권호
31권 3호 (통권 159)
논문구분
방송·전파·위성 & 스마트 미디어 기술 특집
페이지
32-41
발행일자
2016.06.01
DOI
10.22648/ETRI.2016.J.310304
초록
2008년부터 smart phone과 같은 휴대기기의 무선충전을 목표로 지속적인 발전을 거듭해온 무선충전 기술은 2015년 마침내 smart phone에 기본으로 장착되기에 이르렀으며, 특히 최근 스마트워치 등의 웨어러블 기기의 등장으로 기술발전과 다양화가 한층 더 가속화되고 있다. 최근 무선충전 기술은 기존의 2차원 패드 구조에서 벗어나 더욱 높은 자유도와 안전성을 부여하기 위한 노력을 하고 있고, 유선충전에서 적용되고 있는 고속 충전 기술을 무선충전에 적용하기 위한 기술개발을 병행하고 있다. 본고에서는 이러한 무선충전기술의 발전 동향과 표준화 동향을 소개하고, 향후 무선충전기술의 발전 방향에 대해 논하고자 한다.
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Ⅰ. 서론

오늘날까지 사회는 인간의 자유를 위한 끊임없는 노력을 계속해왔다. 특히 원거리 의사전달, 각종 정보의 자유로운 이용을 위해 무선통신분야에 대한 연구개발을 거듭하여 오늘날의 초고속 무선통신 시대를 열게 되었다. 그러나 이러한 완전 무선의 시대를 가로막는 큰 장벽의 하나가 바로 전원 문제이다. 지금까지 전원은 일부 배터리를 사용하는 기기를 제외하고는 모두 유선으로 에너지를 공급받아 사용하였으며, 배터리를 사용하는 기기 또한 유선 충전기로부터 공급받은 에너지를 사용하였다. 이러한 유선 전원으로 인해 자유로운 전기, 전자기기의 사용에 제약을 받게 되었으며 이를 해결하는 방법에 대한 요구가 커지게 되었다.

선 없이 각종 전기, 전자 기기를 충전하거나 전기에너지를 공급할 수 있는 무선전력전송(Wireless Power Trans-mission: WPT) 기술은 100여 년 전 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)에 의해 최초로 제안되었으나 필요성이 크게 대두되지 않아 극히 제한된 기기에서만 일부 응용됐다. 이렇게 제한적이었던 무선전력전송 기술은 2007년 자기공명 방식이 발표되면서 새로운 개념의 기술로 그 가치를 인정받아 오늘날까지 발전되어 왔다[1]. 특히 스마트폰의 등장과 함께 대두된 배터리 부족 현상을 근원적으로 해결할 수 있는 기술의 하나로 인식되고 있고 스마트워치와 같은 웨어러블 기기의 대중화와 함께 무선전력전송 기술에 대한 요구가 더욱 커지고 있는 실정이다.

본고에서는 이처럼 최근 큰 이슈가 되고 있으며, 사용자 요구가 점점 더 커지고 있는 무선충전 기술에 대한 시장규모 및 시장전망, 국내외 기술개발 및 표준화 동향을 살펴보고, 이를 기반으로 향후 무선충전 시장을 선도하기 위한 기술개발 방향을 제시하고자 한다. 이를 위해, 무선충전 기술의 개요와 시장 전망을 우선 제시하고, 국제 표준화 동향, 국내외 기술 개발 동향을 살펴봄으로써, 기술 개발 현황 및 앞으로의 기술 개발 방향을 제시할 수 있도록 하였다.

Ⅱ. 무선충전 기술의 개요 및 전망

1. 무선충전 기술 개요

무선충전 기술은 전기에너지를 선 없이 배터리를 충전하는 기술로, 일반적으로는 전기에너지를 전자기장으로 변환하여 전달한다. 현재의 무선충전 기술은 대부분 자기장의 유도 원리를 이용하여 송신기에서 수신기를 거쳐 배터리를 충전하는 방식이다. (그림 1)은 일반적인 무선충전 시스템의 구성도를 나타내고 있다. 일반적으로 무선충전 시스템은 220V의 상용 AC 전원을 RF 신호로 변환하는 송신기와 자기장을 이용하여 무선으로 전력을 전달하는 송수신 코일, 그리고 입력되는 RF 신호를 부하가 요구하는 전력으로 변환하는 수신기로 구성되어 있다.

(그림 1)

무선충전 시스템 구성도

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이러한 무선충전 기술은 전송하는 방식에 따라 크게 자기유도 방식과 자기공명방식으로 나누어진다. 자기유도방식은 밀착형 무선충전 방식으로 1차측 코일과 2차측 코일 사이의 전자기유도(induction) 현상을 이용하여 최대 수 cm 이내의 근접거리에서 수 W에서 수 kW의 전력을 전송할 수 있는 기술이다. 자기유도방식은 근거리에서 상대적으로 높은 전송효율을 갖는 방식으로 일반적으로는 약 70% 이상의 전송효율을 나타낸다. 자기유도방식을 이용한 5W급 스마트폰 무선충전기가 이미 상용화되었고, 최근에는 웨어러블 기기에 응용할 수 있는 소전력 무선충전기기가 개발되어 출시되고 있다. 자기공명방식은 근거리 무선충전 방식으로 1차측 코일과 2차측 코일 사이의 공명(resonance) 현상을 이용하여 수십 cm의 근거리에서 전력을 전송하는 기술이다. 자기공명방식은 자기유도방식 보다 상대적으로 먼 전송거리를 전송할 수 있고, 코일 사이의 정렬에 대해 어느 정도의 자유도를 가질 수 있으나 자기유도방식에 비해 전송효율이 약 10% 낮은 특성을 갖는다. 현재 자기공명방식을 이용한 스마트폰 무선충전기의 출시를 위해 개발이 진행되고는 있으나 아직 상용제품이 출시되지 못하고 있다.

2. 무선충전 시장전망

앞서 언급한 것과 같이 현재까지의 무선충전 시장은 스마트폰 무선충전기에 집중되어 있었다. 따라서 시장규모 및 시장성장이 기대치를 만족시키지 못하고 있었다. 그러나 최근 2차원 평면 구조를 벗어나 높은 공간상의 자유도를 갖는 무선충전 기술에 대한 연구가 진행되고 있으며, 이와 같은 기술을 기초로 무선충전 기술이 가전, 전기자동차, 산업용 기기 등 다양한 분야로의 진입을 위해 노력하고 있어, 향후 무선충전 시장은 크게 성장할 것으로 예상되고 있다.

(그림 2)

무선충전 시장전망[2]

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시장조사업체인 마켓앤마켓(Marketsandmarkets)은 2014년도 시장전망에서 세계 무선충전 시장은 2020년 170억불까지 성장할 것으로 예측하고 연평균 성장률 또한 60.5%에 달할 것으로 전망하고 있다[(그림 2) 참조]. 분야별로는 모바일기기를 포함한 가전기기 분야가 약 120억불, 전기자동차 분야가 23억불, 그리고 산업용 기기 분야가 12억불의 시장을 형성할 것으로 내다보고 있다. 또한, 지역별로는 여느 산업과는 달리 아시아 태평양 지역 시장이 전체 42.5%를 차지할 것으로 예측하였다[2].

(그림 3)

무선충전 시장 및 성장률 전망[3]

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또 다른 시장 예측기관인 TechNavio Analysis는 2014년도 예측에서 2019년도에 세계 무선충전 시장이 170억불을 초과하여 2021년도에는 500억불에 달할 것으로 예상한다[(그림 3) 참조]. 특히 2019년도의 우리나라의 세계시장 점유율이 33%까지 증가할 것으로 예측하여 무선충전 산업이 국내 산업의 한 축이 될 것으로 내다보고 있다[3].

또한, 스마트워치를 비롯한 웨어러블 기기 시장이 급격히 성장함에 따라 웨어러블 기기에 전원을 공급할 수 있는 수단인 무선충전 시장 또한 급격히 성장하고 있다. 시장조사업체인 IHS는 오는 2020년까지 웨어러블 시장은 약 400억불로 추정하고 있고 전체 웨어러블 기기 중 약 40%가 무선충전 기능을 기본탑재할 것으로 예측하고 있다. 웨어러블 기기에서 무선충전 기술이 차지하는 비중은 지난해인 2015년에는 약 1억불 정도에 머물렀지만 2016년도에는 2억불, 2020년도에는 5.7억불까지 성장해 향후 5년간 시장규모가 3배 이상 확대될 것으로 전망되고 있다. 이처럼 웨어러블 기기를 필두로 무선충전 기술은 그 적용분야를 점차 넓혀가고 있다. 향후에는 가전분야는 물론 전기자동차 분야까지 그 영역이 확대되어 시장을 형성할 전망이다[4].

Ⅲ. 무선충전 표준화 동향

앞서 기술한 것과 같이 현재 대부분의 무선충전 기술은 자기유도방식과 자기공명방식을 이용하여 개발, 상용화되고 있다. 연구개발과 병행하여 국제 표준화를 위한 노력도 지속되고 있다. 무선충전 표준화는 기술분류와 유사하게 자기유도방식을 기반으로 하는 Wireless Power Consortium(WPC)와 자기공명방식과 자기유도방식을 병행하는 AirFuel Alliance로 나누어져 있다.

WPC는 유럽국가를 중심으로 무선충전에 대한 표준을 제정하기 위해 2008년에 설립되어 자기유도 방식의 무선충전 표준인 ‘Qi’ 규격을 공표하였으며, 2011년에 스마트폰 무선충전기기를 최초로 출시하였다. 현재 225개의 회원사가 가입되어 있으며 현재까지 무선충전 기기의 표준화 및 상용화를 주도하고 있다.

AirFuel Alliance는 북미지역 주도의 자기유도방식 표준 단체인 Power Matters Alliance(PMA)와 자기공명방식 무선충전 표준 단체인 Alliance for Wireless Power (A4WP)가 합병하여 탄생한 단체로 WPC가 선점하고 있는 무선충전 시장을 자기공명방식으로 확대하기 위한 노력을 하고 있다.

1. WPC 표준화 동향

(그림 4)

'Qi 1.2' 규격 개념도

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<출처>: https://www.wirelesspowerconsortium.com/blog/86/major-milestones-for-v12-resonant-specification

2008년 설립된 WPC는 2009년 8월, 5W급 무선충전 규격인 ‘Qi 1.0’을 발표하였다. 5W급 무선충전 규격인 ‘Qi 1.0’은 2015년 상반기까지 개정을 거듭하여 전송거리 5mm 미만의 거리에서 자기유도 방식으로 스마트폰을 충전할 수 있는 무선충전 시스템이 상용화될 수 있도록 하였다. 하지만 스마트폰의 사용량이 증가하고 그에 따라 배터리의 용량도 함께 증가함에 따라 고속충전에 대한 요구가 커지게 되었다. 또한, 전송거리 확장과 코일 간의 정렬에 대한 자유도 확보에 대한 기술적 제약을 극복하기 위한 노력을 반영하기 위해 2015년 2월 WPC는 스마트폰 무선충전기기에 고속충전 기능을 제공하기 위해 전송전력을 15W까지 증가시키고, 5mm 미만에 머물렀던 전송거리를 최대 45mm까지 확장시킬 수 있으며, 하나의 인버터로 다수개의 스마트폰을 동시에 충전할 수 있는 다중충전 기능을 제공할 수 있는 기술적 내용을 포함하는 ‘Qi 1.2’ 규격을 제정하겠다고 발표하였다[(그림 4) 참조]. 이 시점에서 일부 반도체 제조사들은 이미 15W급의 무선충전 수신 IC를 개발 중에 있어, 이와 같은 WPC의 정책에 발맞추고 있었다. WPC와 제조사들의 협력으로 2015년 6월 WPC는 전송전력을 15W까지 증가시킨 ‘Qi 1.2’ 규격을 발표하였다. 당초 공표하였던 내용에서 전송거리 확장과 다중충전에 대한 내용은 일부 누락되었으나, 전송전력을 15W까지 확장하여 30분 이내에 60%의 배터리를 충전할 수 있는 고속무선충전 기능을 제공함으로써 사용자의 요구사항을 반영하고 무선충전의 편의성을 크게 증가시키는 데 기여하였다. 이를 토대로 WPC는 향후 전송전력을 최대 2kW까지 확장하여 부엌 가전기기에 무선으로 전력을 공급할 수 있도록 하고, ‘tuned-resonance technology’를 도입하여 전송거리를 최대 45mm까지 확장할 예정이다. WPC는 이처럼 장기적인 계획으로 무선충전 시장을 주도하기 위해 계속 노력하고 있다[4].

2. AriFuel Alliance 표준화 동향

(그림 5)

Witricity의 무선충전 랩탑

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<출처>: http://geeksnewslab.com/witricity-wireless-charging-for-laptops/

자기유도 방식을 기반으로 한 WPC가 무선충전 시장을 주도하는 가운데, 자기공명 방식을 기반으로 한 A4WP의 상용화가 기술적 제약으로 인해 다소 더디게 진행되고 있었고, 북미 지역을 중심으로 한 PAM도 시장의 주도권을 WPC에 내주게 되자 두 단체는 WPC에 공동으로 대응하기 위해 2015년 1월 두 표준의 합병을 결의하게 되었다. 약 10개월 간의 준비기간을 거쳐 2015년 11월에는 AirFuel Alliance라는 새로운 표준 단체를 출범하였다. 이렇게 출범한 AirFuel Alliance는 2016년 1월, 글로벌 인증규격을 발표하면서 2016년에 출시되는 다양한 제품군으로 이를 확대할 것이라고 하였다. 특히 인증 가능한 전송전력을 수신기에 대해서는 최대 50W, 송신기에 대해서는 최대 70W까지 확대하여 고출력 충전기의 출시를 공약할 수 있게 하였다. 이러한 인증 규격은 통일된 AriFuel 브랜드로 공급되며 이를 통해 상업적 장벽을 제거하여 소비자가 언제, 어디서든 필요한 에너지를 무선으로 공급받을 수 있도록 하는 계획을 세우고 있다. 또한, AirFuel Alliance는 2017년까지 데이터 전송 보안, 조건부 충전, 사용료 징수 등과 같은 서비스 인터페이스를 개발할 계획이다[5]. 이를 위해 AirFuel Alliance는 200개에 달하는 회원사 간의 활발한 교류와 연구개발을 지속하고 있다. 특히 퀄컴, 인텔, 와이트리시티 등의 자기공명방식에 대한 개발에 집중해온 회원사들은 CES 2016에서 모바일, 랩탑 등의 다양한 제품군을 선보였다[(그림 5) 참조].

Ⅳ. 무선충전 기술개발 동향

앞서 언급한 것과 같이 현재의 무선충전 기술은 스마트폰과 같은 모바일 기기, 스마트워치 등의 웨어러블 기기 무선충전기의 상용화에 집중되고 있다. 그러나 무선충전 산업활성화와 시장확대를 위해 이러한 소전력 분야에 국한되지 않고 다양한 제품군에 적용할 수 있는 기술개발이 병행되고 있다.

1. 국내 무선충전 기술개발 동향

가. 모바일 기기

(그림 6)

무선충전 내장 스마트폰(삼성전자)

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<출처>: http://www.samsung.com/sec/consumer/accessories/mobile-accessories/battery/EP-NG930BBKGKR)

국내 무선충전 기술은 글로벌 시장을 주도하기 위해 다양한 노력을 시도하고 있다. 특히 스마트폰 무선충전의 경우, 스마트폰 제조사인 삼성전자와 LG전자를 중심으로 무선충전 기술을 빠르게 도입하고 있으며, 스마트워치 등의 웨어러블 기기에 대해서도 무선충전 기술을 도입하고 있다. 2010년도부터 개발이 시작된 스마트폰 무선충전기는 그동안 스마트폰의 커버 형태로 제작되거나 배터리를 직접 무선으로 충전할 수 있는 형태로 개발되어 왔다. 그러나 커버 교체의 불편함과 큰 두께로 인해 소비자의 외면을 받았으며 스마트폰에 내장되는 형태에 대한 요구가 커지게 되었다. 이에 발맞추어 2015년 삼성전자는 플래그쉽 스마트폰인 Galaxy S6와 Galaxy S6 엣지에 자기유도방식인 ‘Qi 1.1’ 규격과 PMA 규격을 동시에 지원하는 이중모드 무선충전 기능을 기본 탑재하여 출시하였다[(그림 6) 참조]. 그동안 삼성전자에서는 자기공명방식에 대한 무선충전 기술을 개발하여 스마트폰에 내장하고자 하였으나 기술적, 환경적 요인으로 인해 자기유도방식으로 전환하여 출시하였다. 이렇게 무선충전 기능을 탑재하여 삼성전자는 배터리 일체형 기기의 문제점을 해결하고자 하였다. 이에 더해 2015년 하반기에 출시된 Galaxy Note5와 Galaxy S6 엣지플러스에는 10W급의 고속 무선충전 기능을 탑재하여 출시하였다. 이처럼 2015년도에 삼성전자는 플래그쉽 스마트폰을 중심으로 무선충전 기능을 내장하고 고속 무선충전 기능을 적용하였다. 이를 바탕으로 2016년도에는 프리미엄 스마트폰인 Galaxy S, Galaxy Note 뿐만 아니라, 중, 저가 모델인 Galaxy A와 J 모델에 대해서도 무선충전 기능을 탑재할 예정이라 밝혔다[6]. 자기유도방식 무선충전 상용화와 함께 삼성전자는 자기공명방식의 무선충전 기술의 상용화를 위한 노력을 병행하고 있다. 특히 삼성전자는 AriFuel Alliance의 주요 회원사로, 자기유도방식과 자기공명방식이 통합된 무선충전 기술을 개발 중이다. 이미 다수의 부품 업계에서는 지난해부터 통합형 무선충전 솔루션 개발에 몰두해, 일부 업체에서는 이미 개발을 완료한 상태로 기술 도입에 큰 장애물은 사라진 상태이다.

나. 가전, 전기자동차

(그림 7)

가전기기용 무선충전 시스템

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무선충전 기술이 가장 폭넓게 적용될 수 있는 응용분야가 바로 가전 분야이다. 2010년도부터 스마트폰과 더불어 다양한 가전기기에 무선충전 기술을 적용하기 위한 연구개발이 진행됐으나 전자파에 의한 인체 및 기기간 영향, 시스템의 효율 및 안정성 문제 등의 여러 환경적인 요인에 의해 상용화가 다소 더디게 진행되고 있다. 하지만 꾸준한 연구개발을 통해 다양한 가전기기에 무선충전 기술을 적용하기 위한 노력이 계속되고 있다. LS전선은 2012년에 자기공명방식을 이용하여 200W급의 TV에 무선으로 전력을 공급하는 기술을 개발하였다[(그림 7a) 참조][7]. 2010년부터 무선충전 기술을 연구해온 한국전자통신연구원에서도 같은 해에 Light Emitted Diode(LED) 전광판에 무선으로 전력을 공급하는 기술을 개발하였고, 이를 바탕으로 2015년에는 일정한 영역에서 동일한 효율로 전기자전거를 무선충전할 수 있는 시스템을 개발하였다[(그림 7b) 참조][8]. 또한, 스마트폰 분야에서 무선충전 기술 적용이 다소 늦추어진 LG전자는 2015년 주방가전기기인 전기주전자, 믹서 등에 무선으로 전력을 공급하는 기술을 개발하였다[(그림 7c) 참조]. LG전자에서 개발한 기술은 2.4kW급의 전력을 공급하는 기술로, 가정에서 사용되는 대부분의 가전기기에 무선으로 전력을 공급할 수 있는 용량이다. 현재 LG 전자는 개발된 기술의 WPC 표준화를 진행 중이다. 또한, LG전자는 표준화 이후, 개발된 기술을 인덕션 등 실제 가전에 접목할 예정이고 TV나 냉장고와 같은 고정형 가전기기보다 옮겨 다니며 사용할 수 있는 주방 가전에 초점을 맞추고 개발할 예정이다[9].

(그림 8)

전기승용차 무선충전 시스템 개념도[12]

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무선충전 기술이 크게 보급될 수 있는 또 하나의 분야가 바로 전기자동차이다. KAIST에서는 2009년부터 도로에 매설된 급전코일과 버스에 내장된 집전코일을 이용하여 무선으로 전기버스를 충전할 수 있는 온라인 전기버스 무선충전 시스템을 개발하여 상용화를 시도하였다. 개발된 기술은 동원 OLEV를 통하여 세계 최초로 구미시에 대중교통으로 상용화되었다. 구미시는 2013년 8월 시범서비스를 시작으로 2014년부터 본격적인 서비스를 시작하였다[10]. 현재 구미시는 구미역~인동 간 운행 노선에 대해 2대의 전기버스를 운행 중이고, 앞으로 정부의 정책, 지원 등을 고려, 점진적으로 운행을 확대하여 친환경 녹색 대중교통 서비스를 제공할 계획이다[11]. 무선충전 전기버스와 더불어 최근 국내에서는 전기승용차 무선충전 기술개발에 착수하였다. 산업통상자원부와 산업기술평가관리원은 2015년부터 그린파워 컨소시엄과 6.6kW급 전기차용 무선충전 시스템 개발 사업을 추진하고 있다[(그림 8) 참조]. 컨소시엄에는 무선충전 개발 기업인 그린파워㈜, KAIST, 한국전력, 자동차부품연구원, 비에네스가 참여하고 있다. 산업부는 90% 이상의 충전효율을 갖는 전기승용차 무선충전 시스템을 개발하여 2017년부터 현대, 기아자동차에 적용할 계획을 세우고 있다[12].

2. 해외 무선충전 기술개발 동향

가. 모바일 기기

(그림 9)

도시바 15W급 송신 IC[13]

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해외에서도 모바일 기기용 무선충전 시장을 선점하기 위한 경쟁이 계속되고 있다. 특히 전송전력을 15W까지 늘린 WPC의 ‘Qi 1.2’ 규격에 대응하는 기술개발에 박차를 가하고 있다. 도시바 코퍼레이션(Toshiba Corp.) 산하의 반도체 사업부에서는 2016년 1월, 15W급의 송신 IC인 ‘TC7718FTG’를 출시하였다[(그림 9) 참조]. 새롭게 출시된 송신 IC는 Micro Controller Unit(MCU)와 연결되어 ‘Qi 1.2’ 규격을 만족할 수 있는 송신 IC로 작은 공간의 전송 시스템 구현을 가능하게 했다. 새로운 ‘Qi 1.2’ 규격을 만족할 뿐만 아니라 기존의 5W급 수신 IC와도 호환 사용이 가능하여 다양한 기기에 응용할 수 있도록 개발되었다[13].

(그림 10)

트라이모드 수신 IC[13]

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‘Qi 1.2’ 규격을 만족하는 IC 개발과 함께 모바일 기기 분야의 또 하나의 트랜드는 자기유도 및 자기공명 방식을 선택하여 수신할 수 있는 다중모드 수신 IC 개발이다. 기존 스마트폰에 내장된 수신 IC는 이미 자기유도 방식의 두 가지 표준인 WPC와 PMA를 모두 만족하고 있지만 자기공명방식 표준을 동시에 만족하지는 못하였다. 미국 반도체 회사인 Integrated Device Technology (IDT)는 ‘Qi’ 규격과 AirFuel Alliance 규격을 동시에 만족하는 트라이 모드(tri-mode) 수신 IC를 2016년 3월 출시하였다[(그림 10a) 참조]. 기존의 ‘Qi’ 규격에 AirFuel Alliance 규격을 추가함으로써 더욱 자유로운 배치와 사용이 가능해졌으며, 한 대의 송신기로 여러 대의 수신기를 충전할 수 있게 되었다[14]. 이번에 출시된 수신 IC는 5W급의 수신 IC로 아직 ‘Qi 1.2’ 규격을 반영하지는 못하고 있다. 해외 반도체 업체와 더불어 국내 반도체 회사인 맵스도 스마트카드 혹은 웨어러블 기기용 2.5W급 트라이 모드 수신 IC[(그림 10b) 참조]를 국내 최초로 해외에 수출하는 실적을 이루었다[15].

삼성전자가 이중모드 무선충전 기능을 스마트폰에 내장하여 출시함으로써 시장을 주도하고 있는 상황에서 미국 스마트폰 제조사인 애플도 이르면 2017년에 무선충전 기능을 탑재할 것으로 보인다. 애플은 현재 무선충전 관련 특허를 취득했으며 새로운 무선충전 기술을 개발하고 있는 것으로 알려졌다[16]. 애플은 기존의 자기유도나 자기공명방식이 아닌 완전 무선충전 기술을 출시할 것으로 예상한다. 다만 이 방식은 전송 효율이 낮아 많은 개선이 요구되어 성공에 많은 어려움이 따를 것으로 보인다. 하지만 지금까지 애플의 아이폰 관련 소문 상당수가 실제 구현된 만큼, 이러한 완전 무선충전 방식의 적용 가능성을 완전히 배제할 수는 없을 것이다.

나. 가전, 전기자동차

(그림 11)

Qualcomm HALO 무선충전 시스템

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<출처>: http://www.zdnet.co.kr/news/news_view.asp? artice id=20150506145106

해외의 대전력 무선충전 기술은 전기자동차 무선충전 기술에 집중되고 있다. Qualcomm은 Mobile World Congress(MWC) 2016 기조연설에서 다임러와 협력하여 3년 이내에 무선충전 전기자동차를 출시할 것이라고 밝혔다[17]. 특히 Qualcomm은 6.6kW급 전기자동차 무선충전 시스템인 헤일로(HALO)를 2015년 5월 선보인 바 있다[(그림 11) 참조].

또한, Google은 무선충전이 가능한 자율주행 기술개발을 진행 중인 것으로 알려졌다. Google은 미국 전기차 무선충전 업체인 히보 파워와 모멘텀 다이내믹스와 협력하여 전기차 무선충전 기술을 개발할 계획을 세우고 있다[18]. 이러한 Google의 계획으로 무선충전 기술은 다소 미진하였던 충전 인프라 확대에 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다.

Ⅴ. 무선충전 기술전망

지금까지 무선충전 기술의 표준화 동향과 그에 따른 국내외 기술개발 동향을 살펴보았다. 지금까지 살펴본 표준화 동향과 기술개발 동향을 보면 현재까지의 무선충전 기술개발은 크게 두 가지 방향으로 진행되고 있다. 첫 번째는 스마트폰, 웨어러블 기기를 포함하는 모바일 기기에 대한 무선충전 기술개발이고 두 번째는 전기자동차에 대한 무선충전 기술개발이다.

모바일 기기 분야의 경우, 현재 관련 제조사들은 다양한 형태의 모바일 기기용 무선충전 시스템을 개발하고 있으며, 특히 효용성이 매우 높을 것으로 예상되는 차량내부용 무선충전기 개발에 집중하고 있다. 이러한 경향으로 최근 국내 완성차 업체인 현대, 기아자동차는 맥스크루즈와 K5에 스마트폰 무선충전 시스템을 장착하기에 이르렀다. 국내 업체뿐만 아니라 토요타, GM 등의 글로벌 완성차 업체도 차량내 무선충전 시스템을 도입하고 있다. 이러한 차량 내부의 무선충전 시스템 확산은 관련 산업 활성화에 매우 큰 도움이 될 것으로 예상된다.

전기자동차 무선충전 시스템 개발은 Qualcomm, Google 등의 글로벌 업체를 중심으로 이루어지고 있다. Qualcomm은 전기자동차 무선충전 시스템인 HALO를 보급하여 시장을 주도하고 있고, Google은 자율주행차에 무선충전 기술을 적용할 예정에 있다. 국내의 주요 자동차 제조사는 아직 전기자동차를 출시하지 않는 단계이므로 무선충전에 대한 요구도 크지 않다. 다만 미래의 산업 주도를 위해 산업자원통상부 주관으로 2017년까지 전기자동차 무선충전 기술을 개발할 예정에 있다. 전기자동차 무선충전의 경우, 전기자동차의 전면적 보급이 미루어지면서 다소 진행이 더딘 경향이 있으나, 전기자동차에 대한 수요와 개발이 날로 더해지고 있으므로 가까운 미래에 전기자동차 무선충전에 대한 요구도 커질 것으로 예상된다. 따라서 미래의 산업주도 및 선행기술 확보를 위해서는 전기자동차 무선충전 기술개발도 병행되어야 할 것으로 예상된다.

국제 표준에서는 주로 모바일 기기에 대한 무선충전 기술을 표준화하여 시장을 선점하고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 자기유도방식인 WPC에서는 전송전력을 최대 15W까지 높여 사용시간 보다 상대적으로 긴 스마트폰의 충전시간을 단축시켜 무선충전의 효용성을 높이는 방향으로 진화되고 있다. 자기공명방식인 A4WP와 자기유도방식인 PMA는 단체 간의 합병을 통해 새로운 통합 규격인 AirFuel Alliance를 출범하여 자기유도, 자기공명 방식을 아우르는 통합 솔루션을 제공함으로써 관련 시장을 점유하기 위한 노력을 진행하고 있다.

Ⅵ. 결론

본고에서는 무선충전 기술의 국내외 기술개발 동향과 표준화 동향을 살펴보았다. 앞서 기술한 것과 같이 무선충전 기술의 보급 및 확산을 위해 다양한 기술개발과 표준화가 활발히 진행되고 있다.

현재까지는 무선충전 기술은 하나의 송신기로 하나의 수신기를 충전하는 1:1 충전과 2차원 평면상에서 전력을 공급하는 방식이 개발되어 상용화되었다. 이와 같은 구조의 무선충전 기술의 개발 및 보급으로 사용자들은 선 없이 무선을 전력을 공급받을 수 있는 편의성과 송신기가 존재하는 일정한 평면에서만 전력을 공급받을 수 있는 기술적 한계를 동시에 접하고 있다. 따라서 미래 무선충전 산업의 활성화와 관련 시장의 성장을 위해서는 현재 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 개념의 무선충전 기술이 연구개발되어야 한다. 이러한 새로운 개념의 무선충전 기술은 3차원 공간에서 수신기의 위치 및 방향에 관계없이 전력을 공급받을 수 있는 공간 무선충전 기술과 하나의 송신기로 서로 다른 전력을 소모하는 다수개의 수신기를 동시에 충전할 수 있는 다중충전 기술을 포함할 것으로 예상된다. 이러한 새로운 개념의 무선충전 기술을 기반으로 향후 무선충전 기술은 사용자가 요구하는 전력을 언제, 어디서나 쉽게 공급받을 수 있는 에너지 서비스로 발전되어야 할 것이다.

이와 같은 기술개발과 더불어 무선충전 기술의 보급에 따라 발생할 수 있는 여러 가지 환경적 문제에 대한 해결방안도 함께 연구되어야 한다. 특히 전자파에 의한 인체 및 인접 기기의 안전성 확보가 향후 큰 이슈가 될 것으로 보인다. 현재 관련 업계 및 학계, 연구계에서는 이러한 전자파 안전성을 확보하기 위한 여러 가지 연구개발을 수행하고는 있으나 가시적인 성과가 나타나지는 않고 있다. 저주파 대역에서의 정확한 인체 영향 및 간섭 측정 기준 및 측정 방법은 무선충전 기술의 보급이 진행됨에 따라 반드시 선행되어야 한다. 향후 이러한 문제점을 해소하고 무선충전 기술의 활성화를 위해서는 정부의 과감한 투자, 산-학-연의 유기적인 협력체계 등이 반드시 요구된다.

약어 정리

A4WP

Alliance for Wireless Power

CES

Consumer Electronic Show

IDT

Integrated Device Technology

LED

Light Emitted Diode

MCU

Micro Controller Unit

MWC

Mobile World Congr

PMA

Power Matters Alliance

WPC

Wireless Power Consortium

WPT

Wireless Power Transmission

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A. Kures et al., “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonance,” SCIENCE, vol. 317, no. 83, 2007.

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MarketsandMarkets, “Wireless Power Transmission Market - Forecast and Analy-sis(2013-2020),” 2014.

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Technavio, “Global Wireless Chargers Market 2015-2019,” 2014.

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아시아경제, “무선충전 시장 고속성장…향후 5년간 3배↑,” 2014.

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아이뉴스24, “보조 배터리도 무선충전이 대세,” 2016. 2. 6.

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세계일보, “LS전선, 무선 전력 전송 TV 작동 성공,” 2012. 1. 26.

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한겨레, “구미 가면 무선충전 시내버스 타보세요,” 2013. 8. 6.

[11] 

구미일보, “차세대 대중교통 수단의 선두주자 구미시, 무선충전 전기버스 확대 운행,” 2016. 3. 27.

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전자신문, “쏘울 전기차 무선으로 충전한다,” 2015. 5. 3.

[13] 

해럴드경제, “도시바, 15W 무선 전력 전송기 IC 출시,” 2016. 1. 19.

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전자과학, “자기 공명 및 유도 무선 전력 표준 지원하는 트라이 모드(Tri Mode) 수신기 제품군 출시,” 2016. 3. 28.

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전자신문, “[미래기업포커스]맵스, 자기공명 무선충전 칩 잇따라 수출,” 2016. 3. 7.

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Bloomberg Technology, “Apple Developing Wireless-Charging iPhone for as Soon as 2017,” 29th, Jan. 2016.

[17] 

ZDNet Korea, “퀄컴 사장, 전기차 무선충전 시대, 3년내 현실화,” 2016. 2. 24.

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ZDNet Korea, “AI·무선충전 날개 단 구글 자율주행차,” 2016. 2. 10.

(그림 1)

무선충전 시스템 구성도

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(그림 2)

무선충전 시장전망[2]

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(그림 3)

무선충전 시장 및 성장률 전망[3]

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(그림 4)

'Qi 1.2' 규격 개념도

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<출처>: https://www.wirelesspowerconsortium.com/blog/86/major-milestones-for-v12-resonant-specification

(그림 5)

Witricity의 무선충전 랩탑

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<출처>: http://geeksnewslab.com/witricity-wireless-charging-for-laptops/

(그림 6)

무선충전 내장 스마트폰(삼성전자)

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<출처>: http://www.samsung.com/sec/consumer/accessories/mobile-accessories/battery/EP-NG930BBKGKR)

(그림 7)

가전기기용 무선충전 시스템

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(그림 8)

전기승용차 무선충전 시스템 개념도[12]

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(그림 9)

도시바 15W급 송신 IC[13]

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(그림 10)

트라이모드 수신 IC[13]

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(그림 11)

Qualcomm HALO 무선충전 시스템

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<출처>: http://www.zdnet.co.kr/news/news_view.asp? artice id=20150506145106

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