무선 충전의 원리와 사례

목차

 

무선충전

 1) 무선충전의 원리

  - 자기유도 방식

패러데이의 자기 유도 법칙에 의하면 시간에 따른 자속의 변화량에 의해 기전력이 생성된다. 도선에 전류가 흐르게 되면 도선 주위로 자기장이 발생한다. 전류가 이 때 또 다른 코일을 1차 코일 위에 접근시키게 되면 전자기 유도 법칙에 따라 2차 코일에도 전류가 흐르게 된다. 즉 AC전원과 코일을 연결한 것이 충전기가 되고 2차코일과 브리지 회로, 필터 등으로 구성된 장치가 충전의 대상이 되는 형식이다.

 

충전 패드와 스마트폰에는 모두 코일이 들어가 있다. 송신부인 충전 패드에는 전자기장을 발생시키기 위한 1차 코일이, 수신부인 스마트폰은 유도전류를 수신하기 위한 2차 코일이 내장되어 있다. 충전 패드를 전원에 연결하면 코일에 전류가 흘려 자기장을 발생한다. 이 자기장이 스마트폰의 코일에 유도 전류를 발생시킨다. 이렇게 전자기 유도 현상에 의해 스마트폰의 코일에 발생한 전류로 스마트폰을 충전하는 것이다. 자기 유도 방식은 전송 거리가 짧다. 그리고 송신부와 수신부의 코일을 정확히 맞추지 않으면 충전이 잘되지 않는다. 그래서 단순히 선만 없을 뿐 충전 중에는 유선보다 더 불편하다. 하지만 자기유도 방식은 대전력 전송에 유리하고, 충전 효율이 뛰어나며, 전자파가 거의 발생하지 않아 인체에 무해하다. 코일의 공진 주파수와 전송 주파수가 달라 소형화가 가능하다. 그래서 대부분 스마트폰이 자기 유도 방식을 사용하고 있다.

 

- 자기 공명 방식

멀리 떨어져 있는 장치에도 무선으로 전력을 공급할 수 있다. 자기 공명 방식은 동일한 주파수에서만 에너지가 전달되는 원리를 이용한 방법으로 원거리 무선 전력 전송이 가능하다. 소스 코일에서 에너지를 송신 코일로 보내고 이를 수신 코일에서 받아 부하 코일에서 에너지를 사용하는 방식입니다. 서로 다른 공진 와이어 코일은 자기장으로 상호 연결된다. 특정 주파수에서 두 개의 코일에서 발생하는 자기장은 눈에 보이지 않는 도선으로 연결된다. 각 자기 공진 와이어 코일은 동일한 공진 주파수를 사용함으로써 에너지 전송 효율을 극대화한다. 자기 공진 방식은 1차 코일에 흐르는 전류에서 발생하는 자기장이 2차 코일을 통과해 유도 전류가 발생한다는 점에서는 자기 유도 방식과 비슷하다. 하지만 1차 코일과 2차 코일의 공진주파수가 같아야 하며 두 코일 간의 공진모드 에너지 결합을 통해 1차 코일에서 발생한 에너지가 2차 코일로 전달되는 방식이라는 점이 다르다. 장점은 자기유도 방식보다 충전거리가 길어 더 자유롭게 충전할 수 있다는 점이다. 충전 매트와 몇 미터 정도 거리 내에서 전력 송신 가능하며, 다수의 기기를 한꺼번에 충전할 수 있다. 단점은 거리에 따른 전력 손실이 크며, 충전 위치에 따라 효율이 크게 달라진다는 점이다. 또한, 코일 설계가 자기 유도 방식보다 어렵고, 전자파가 많이 발생해 인체 유해할 가능성이 크다. 하지만 단점을 극복할 수만 있다면 자기유도 방식보다 더 인기 있을 것은 분명하다. 그래서 많은 업체가 자기 유도방식과 자기 공진 방식 단체에 모두 가입해 연구 개발을 거듭하고 있다.

 

- 전자기파 방식 (안테나 방식)

송신부에서 전자기파를 직접 발생시켜 수신부에서 이를 수신한 후 전력으로 변환하는 방식이다. 일정 공간 안에만 있으면 충전이 되기 때문에 아주 편리하다. 또한, 수십 km의 장거리 전송까지 가능하다. 하지만 전자기파 방식은 전기장과 자기장을 동시에 발생시켜 전송 도중 에너지 손실이 크다. 그리고 전자기파가 인체에 유해하다는 문제가 있다.

 

 2) 무선충전 기술 접목 사례

• (스타벅스) 미국 샌프란시스코와 보스턴을 시작으로 스타벅스 매장 테이블에 무선충전 스폿 시설을 설치, Wireless Charging 서비스를 시작
• 도입한 무선 충전기는 파워매트 테크놀로지와P&G 산하 듀라셀이 합작으로 만든 제품 ‘파워매트 스폿(Powermat Spot)’
• 고객이 무선충전 이용을 원하면 무선충전 전용 USB를 무료로 대여
• 스타벅스는 향후 무선 충전 시스템을 미국 전체 매장에 설치할 예정이며 유럽과 아시아 매장에도 연내 시범 도입할 계획 (이케아) 테이블, 램프 등 무선충전 규격 치(Qi)를 지원하는 가구 시리즈 발표
• 가구에 + 표시를 한 충전 패드가 포함되어있어 같은 충전 규격을 지원하는 스마트폰이나 태블릿 등을 충전 가능
• 충전이 편리하고 미관상 정리된 환경을 구축하는데 용이하여 가구에 적용
• 무선충전 전기차

 

3) 무선충전 기술의 한계

• 코드프리 : 충전기 자체에는 여전히 코드와 콘센트가 필요하며, 현재 상용화된 무선충전기는 밀접한 거리에서만 충전이 가능
• 충전거리 : 인체 안전에 미치는 영향이 아직 검증되지 않아 시중 제품의 무선충전 거리는 1cm로 제한
• 충전 효율 : 전력 전송 효율이 90%로, 전력 손실이 많아 충전 효율이 떨어짐
• 충전속도 : 삼성 갤럭시 S6의 경우 유선 충전 2시간이내, 급속 충전 1시간만에 완충되지만 무선충전 시 약 3시간 소요되어 유선 충전 방식보다 속도가 느림
• 인체 유해성 : 장거리 송전 시 전자기파 발생으로 인한 인체 유해성에 대한 정보 불확실