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[Design close Up] 무선 충전, 코드 제로 시대의 도래





전선 없이 기기가 작동한다는 건 10년 전까지만 해도 꿈의 기술이었다. 책상을 어지럽히는 정돈되지 않은 전선 없이도 구동을 가능케 하는 기술인 무선 충전기술이 상용화되기 시작하면서, 코드를 꼽을 필요가 없는 ‘코드 제로’의 시대가 도래하게 됐다. 삼성전자는 갤럭시S3를 시작으로 핸드폰에 무선충전기능을 탑재했으며, LG전자 역시 옵티머스G를 출시하며 무선 충전 기술을 도입한 바 있다. 이렇게 무선충전산업은 스마트폰 분야를 포함해 자동차 분야에까지 그 영향력을 확장해가고 있다.
이번 Design Close Up에서는 무선충전 시대, 무선충전 기술에 대해 알아보고 이러한 기술을 이용하여 생활을 편리하게 도와주는 제품들에는 어떠한 것들이 있는지 살펴보도록 하겠다.
※ 이미지 출처 : http://www.ikea.com/gb/en/catalog/products/20289793/







※ 이미지 출처 : http://www.microsoft.com/en/mobile/accessory/dt-900/

무선충전이란, 기존의 전선으로 전력을 전송하여 기기를 충전하는 방식 대신 대기를 통해 무선으로 전력을 전송하여 기기를 충전하는 방식을 말한다. 무선충전은 크게 전자기유도 방식, 자기공명 방식, 전자기파 방식, 이렇게 세 가지로 구분할 수 있다.
각 방식에 대해서 간단하게 살펴보면, 전자기유도 방식은 충전패드와 기기를 접촉하는 방식을 말하며, 자기공명(자기공진) 방식은 일정거리 안에서 충전패드와 접촉 없이 충전이 가능한 방식을 말한다. 전자기파 방식의 경우, 장거리의 전력 전송을 위한 연구 단계에 있는 방식으로 상용화되어 있지 않기 때문에 전자기유도 방식과 자기공명 방식을 중점적으로 소개하도록 한다.





※ 이미지 출처 : http://www.samsung.com/uk/consumer/mobile-devices/accessories/power/EP-PG920IBEGWW

전자기유도방식은 충전기 패드에 탑재된 송신부 코일에 전류를 흘려 자기장을 생성, 해당 자기장이 수신부 코일에 전달돼 전류를 형성하고 배터리를 충전하는 원리로 구동된다. 이 기술은 전류를 전송하는 송•수신부가 접촉하는 방식으로 충전효율이 90%에 달할 정도로 효율성이 높다. 하지만, 송•수신부 간 접촉거리가 1mm로 제한된다는 점에서 거리의 제약이 매우 크다.





※ 이미지 출처 : https://www.qualcomm.com/products/wipower (좌), http://www.slashgear.com/qualcomm-powermat-duracell-team-on-wireless-charging-07124674/ (우)

이에 반해, 자기공명방식은 충전패드에 탑재된 송신부와 스마트폰에 적용된 수신부 사이에 유도 전류를 발생, 전자기유도방식 대비 먼 거리에서도 충전이 가능하다는 이점이 있다. 충전효율은 1m 거리에서도 약 90%를 달성했지만, 2m 떨어졌을 때는 효율이 40% 정도로 줄어들어 원거리 제약을 뛰어넘는 기술개발이 절실한 상황이다.





※ 이미지 출처 : http://airfuel.org/

시장규모가 성장함에 따라 무선충전 업계의 표준화 경쟁이 가속화되고 있다. 세계무선충전연합의 주도 아래 ‘치(Qi)’ 표준과 전자통신회사인 에이티엔티(American Telephone & Telegraph, AT&T), 커피 체인점인 스타벅스(Starbucks) 등 미국 업체들이 주도하는 또 다른 자기유도방식의 파워매터스연합(Power Matters Alliance , PMA) 진영, 그리고 삼성과 디지털 무선통신제품 및 서비스 전문업체인 퀄컴(Qualcomm Technologies), 반도체 업체인 인텔(INTEL)이 이끄는 자기공명방식의 무선충전연맹(Alliance for Wireless Power, A4WP), 이 세 곳을 중심으로 기술 표준화 경쟁이 이루어지고 있었으나 올해 초, 파워매터스연합과 무선충전연맹이 통합을 추진하여 회원사 195개 수준의 '에어퓨얼 얼라이언스(AirFuel Alliance)'가 새로운 이름으로 출범했다. 이들은 합병 컨소시엄 출범을 통해 자기공명 방식의 기술 상용화를 가속화할 전망이다. 현재 삼성전자의 경우 세계무선충전연합과 이번에 새로이 출범한 에어퓨얼 얼라이언스의 방식을 모두 사용하고 있다.


※ 이미지 출처 : http://www.rezence.com/technology/technical-specification

앞서 각 무선충전 기술의 특징을 간단히 살펴본 것에서 한걸음 더 나아가, 각 진영이 내세우는 무선충전 기술의 특징을 보다 자세히 살펴보겠다. 먼저 세계무선충전연합이 주도하는 자기유도방식은 전력 손실이 적다는 장점이 있는 대신 전력을 송수신할 수 있는 거리가 1~2cm 내외로 매우 짧다는 단점이 있다. 이와 달리, 무선충전연맹의 리젠스(Rezence) 규격은 대표적인 자기공명방식으로, 1.5m 이상으로 전력 도달거리를 늘릴 수 있다는 점에서 우수하나, 효율성과 인체 안전성 등의 이유로 상용화 단계에 돌입하지 못했다. 따라서 이번 합병을 계기로 상용화 단계에 급 물살을 탈 것으로 전망되고 있다.
에어퓨얼 얼라이언스와 경쟁하고 있는 세계무선충전연합의 ‘치(Qi)’ 표준은 80종 이상의 스마트폰과 23대의 자동차를 비롯해 1억5천만 개 기기와 호환이 가능하며 LG전자, 컴퓨터 주변기기 업체 벨킨(Belkin), 반도체 업체 프리스케일(Freescale), 가전회사 하이얼(Haier), 휴대기기 제조회사인 에이치티씨(HTC), 홈퍼니싱 기업 이케아(IKEA), 컴퓨터 소프트웨어 회사인 마이크로소프트(Microsoft), 전자기기 제조업체 모토로라(Motorola), 휴대전화제조회사인 노키아(Nokia), 전자업체인 소니(Sony) 등 세계 200여개 업체를 회원사로 보유하고 있다는 점에서도 독보적이다. 적용범위도 자동차와 가구 등으로 점차 확대되고 있는 상황이다.





※ 이미지 출처 : http://www.samsung.com/global/galaxy/galaxy-note5/charging/

현재 시장에서는 세계무선충전연합(Wireless Power Consortium, WPC)이 리드하는 자기유도방식의 무선충전 기술이 대세를 이루고 있으며, 삼성전자를 비롯해 LG전자, 마이크로소프트 등이 세계무선충전연합의 자기유도방식 기술을 활용하여 이를 지원하는 제품을 시중에 출시했다. 삼성전자가 최근 출시한 '갤럭시노트5' 및 '갤럭시S6엣지 플러스'에는 9와트(W)급의 효율을 제공하는 무선충전 기술을 적용한 바 있다. 해당기술을 통해 약 120분만에 3천밀리암페어(mAh)의 배터리를 완전히 충전할 수 있다.
이하에서는 무선충전이 안정화 단계에 접어든 이후 무선충전기능을 지원하는 LG전자의 퀵서클 케이스를 시작으로 무선충전 기술이 적용된 다양한 제품들을 살펴보도록 하겠다.





※ 이미지 출처 : http://lg-smart.ru/lg-v10-poluchit-besprovodnuyu-zaryadku-i-kryshku.html

올해 LG전자에서 출시한 스마트폰 V10은 배터리 커버 CPR-120을 교체하여 무선충전 기능을 이용할 수 있도록 지원하는 해외 모델이다. 무선충전 국제표준인 ‘치(Qi)’ 인증을 획득했으며, 교체 가능한 탈착형 커버를 통해 무선충전 기능을 제공하기 때문에 소비자의 선택의 폭을 넓혔다. LG전자 관계자는 V10용 무선충전 기능 배터리 커버의 국내 출시 여부는 확정되지 않은 상태이며 해외 시장을 대상으로 배터리 커버를 준비중에 있다고 밝혔다. 지난 2012년 출시한 옵티머스 LTE2 모델에 자기유도방식 무선충전 기술을 탑재하였으나 충전 효율성이 낮아 기술의 안정적 구현에 실패했다. 이번에 출시한 무선충전 배터리 커버는 국제표준 인증을 획득했다는 점에서 상용화를 눈앞에 두고 있다는 분석이다.






특허에 등록된 유도성 결합 방식을 이용한 무선 충전기는 명칭에서 알 수 있듯이 2차 코일을 포함하는 충전식 내장 배터리가 구비된 휴대 장치를 충전하는 유도성 결합 방식이 사용되었다.
한쪽 면에 터치 패드가 제공된 하우징과 그 내부의 1차 코일 및 터치 패드가 설치된 면과 평행한 평면상에서 1차 코일을 수평 이동시키는 구동 장치로 구성되어 있다. 터치 패드에 휴대장치를 놓으면, 터치 패드가 휴대 장치의 위치를 감지하여 구동 장치를 구동시킴으로써, 1차 코일을 2차 코일에 대면하는 위치로 이동시킨다. 터치 패드 상에 어떠한 형태의 휴대장치가 놓여지든, 1차 코일을 휴대장치의 내장 배터리의 2차 코일에 정렬할 수 있기 때문에 충전 시 전력 효율을 향상시키고 충전이 진행되는 과정에 휴대장치의 위치가 변경되더라도 터치 패드 상에서의 위치 이동일 경우 1차 코일의 위치를 다시 정렬할 수 있다는 장점을 가지고 있다.





※ 이미지 출처 : http://www.microsoft.com/en-us/mobile/accessory/dt-903/

마이크로소프트가 최신 윈도폰 8.1 운영체제 기반으로 업계를 이끌어나갈 스마트폰으로 노키아 루미아 830, 루미아 735, 루미아 730 듀얼 심을 발표했다. 추가로 루미아 스마트폰의 액세서리 라인 상품인 2세대 스마트 무선 충전 플레이트 DT-903를 발표하는데, DT-903은 새로운 알림 사항이나 부재중 전화, 메시지가 도착할 경우, LED의 불빛으로 특이사항을 전달한다는 점이 특징이다. 노키아 무선충전 패드는 ‘치(Qi)’ 방식의 무선충전을 지원하며 블루투스를 통해 연결하거나 NFC 페어링을 지원한다. USB를 통해 간편하게 충전할 수 있으며, 두께는 0.5인치 이하로 얇다. 루미아 830과 루미아 930, 두 제품에 한정되어 사용할 수 있다.





※ 이미지 출처 : https://news.starbucks.com/news/wireless-charging-comes-to-starbucks-uk

2015년 초, 스타벅스 영국은 매장에서 핸드폰 배터리를 충전할 수 있는 ‘무선 충전 스테이션’ 서비스를 선보였다. 초록색 동그란 링을 핸드폰에 장착한 후, 핸드폰을 무선 충전 기술이 내장되어있는 테이블과 카운터의 충전 스팟에 올려두면 충전되는 시스템이다. 무선충전 전문업체 파워매트(Powermat)에서 제공하는 기술로 내장기술을 테이블 또는 카운터에 배치하여 동그란 링으로 휴대전화를 충전하는 무선 솔루션이다. 현재 아이폰 OS, 안드로이드, 윈도우 폰에서 작동한다.


※ 이미지 출처 : https://www.powermat.com/ (좌), http://www.starbucks.com/coffeehouse/store-design/wireless-charging (우)

파워매트의 최고 솔루션 책임자 카를로(Carlo Chiarello)는 유도 코일을 통해 "무선 충전 스테이션은 벽에 연결된 것처럼 빠르게 장치를 충전할 것"이라고 설명했다. 휴대폰뿐만 아니라 태블릿의 다양한 어댑터를 사용할 수 있도록 광범위한 서비스를 준비하고 있으며 아직 국내에서는 제공되지 않는 서비스이다. 스타벅스는 파워매트와 함께 미국, 아시아 지역의 스타벅스 매장에 무선충전 핫스팟을 만들기로 결정했으며, 미국 샌프란시스코와 보스턴을 시작으로 8000여 개의 매장에 10만 대의 핫스팟을 구축할 예정이다. 이는 사용자 만족도를 향상시킬 수 있다는 점에서 호응을 얻고 있다. 국내에서도 하루빨리 파워매트의 무선 충전 스테이션 서비스를 만나볼 날을 기대해본다.





※ 이미지 출처 : http://media.gm.com/media/us/en/gm/news.detail.html/content/Pages/news/us/en/2015/jul/0702-smartphone-cooling.html

파워매트는 스타벅스와 같은 세계 최대 카페 체인뿐만 아니라, 자동차 분야에서도 영향력을 행사하고 있다. 미국의 자동차 제조업체 제너럴모터스(General Motors)는 지난 7월 향후 출시되는 신차 모델에 파워매트의 충전패드를 탑재하기로 결정했다고 발표했다. 이렇듯 제너럴 모터스, 도요타(TOYOTA), 크라이슬러(Chrysler), 아우디(Audi) 등 많은 자동차 업체들이 차량용 무선 충전기 개발을 지속하고 있으며 하반기 국내에서 출시한 기아자동차 K5에는 기본사항으로 스마트폰 무선충전시스템이 장착된다. 이와 관련하여 현대자동차와 기아자동차가 출원한 차량용 무선전력 전송기 특허에 대해서 살펴보도록 한다.






차량용 무선전력전송기는 충전대상기기의 무접점 충전 시 내부에 설치된 1차 코일의 위치를 충전대상기기에 내장된 2차 코일의 위치와 정확히 매칭되도록 정렬 및 고정해줄 수 있는 기구를 구비하여 외부의 충격 등에서도 높은 효율로 전력을 전송할 수 있도록 하고 있다. 하우징 및 그 내부에 다양한 방향으로 이동될 수 있게 수납되는 송신 코일 유닛과 위치고정기구로 구성된다. 충전대상기기와 코일의 위치와 일치하도록 정렬, 고정하는 기능을 하는 고정기구를 구비한 점이 특징이다.





※ 이미지 출처 : http://www.dupont.ca/en/products-and-services/construction-materials/surface-design-materials/brands/corian-solid-surfaces/uses-and-applications/wireless-charging.html

미국의 종합화학회사인 듀폰(Dupont)의 건축산업소재사업부는 파워매터스연합과의 제휴를 통해 건축 내외장재인 듀폰 코레안(DuPont™ Corian)에 스마트폰과 태블릿 무선충전 솔루션(Wireless Solution)을 통합시킬 수 있는 발판을 마련했다. 듀폰 코레안은 화강암과 유사한 합성소재로서 주방 테이블과 빌딩의 외부 벽면, 병원 또는 실험실 등에서 널리 사용되고 있다. 때문에 파워매터스연합의 무선충전 기술을 탑재할 경우 스마트한 무선전원 기술의 상용화가 실현될 것으로 예측되고 있다.





※ 이미지 출처 : http://glowdeck.com/

미국의 스타트업 파워라이트앤사운드 컴퍼니(Power Light and Sound Company)가 출시한 글로우덱(Glowdeck)은 스마트폰을 무선충전할 수 있을 뿐만 아니라, 근거리 무선통신을 이용한 스피커와 LED 조명까지 갖추고 있다. 선택적으로 USB 포트를 이용해 충전할 수도 있으며 블루투스를 이용해 음악을 감상할 수 있고 LED 조명은 56가지 색상을 지원하며 스마트폰으로 자유롭게 조절할 수 있다. 미국의 크라우드 펀딩 사이트인 킥스타터를 통해 투자자를 모집한 결과 목표 금액인 3만달러를 크게 상회한 20만 9669달러를 모금하며 많은 사람들의 호응을 받으며 펀딩에 성공했다. 지금 선 주문을 받고 있다.





※ 이미지 출처 : http://www.microsoft.com/en-us/mobile/accessory/bh-220w/

노키아에서 출시한 무접점 충전 블루투스 헤드셋 노키아 루나(BH-220W)는 경량의 유선형 디자인으로 홀더와 이어폰으로 구성된 헤드셋으로 블랙, 화이트, 푸시아, 그린, 엘로우, 블루의 다섯 가지 색상에서 선택할 수 있다. 무선 충전기에 헤드셋을 배치하여 충전할 수 있으며 헤드셋을 누르면, 충전이 시작되고 완충된 후에는 자동으로 헤드셋이 튀어나도록 설계됐다.





※ 이미지 출처 : http://news.samsung.com/global/samsung-electronics-unveils-worlds-first-wireless-mobile-charging-monitor

모니터 SE370 시리즈는 지난 7월 삼성전자가 출시한 스마트폰 무선 충전기능을 내장한 모니터이다. 삼성전자의 스마트폰 무선충전 모니터 SE370 시리즈는 24인치, 27인치 모니터로 구성했으며, 자기유도방식 무선충전 표준인 ‘치(Qi)’ 방식을 적용하여 디바이스를 충전한다. 모니터의 빈 공간을 무선 충전 패드로 활용했다는 점이 특징이며, 모니터가 대기상태일 때도 충전할 수 있다. 삼성전자의 갤럭시S6, 갤럭시S6 엣지 등의 디바이스는 바로 호환되며 모니터 스탠드에 무선 충전용 코일을 심어, 전기로 코일이 자성을 띄게 만든 후, 디바이스로 흘려 보내 다시 전기로 바꾸는 방식으로 구동된다. 에너지 형태를 전환하여 무선으로 전송하기 때문에 전력 손실을 피할 수는 없으나, 최근 충전 효율이 높아져 유선 충전 방식과 속도차이를 줄여가고 있다.





※ 이미지 출처 : http://www.ikea.com/gb/en/catalog/categories/departments/wireless_charging/30613/ (좌),
http://www.ikea.com/gb/en/catalog/categories/departments/wireless_charging/30611/ (우)

스웨덴의 대표적인 가구회사인 이케아가 세계 최대 규모의 이동통신 산업전시회인 '2015 바르셀로나 모바일 월드 콩그레스(Mobile World Congress)’에서 발표한 스마트홈은 무선충전 기능을 탑재한 가구와 조명, 패드 등으로 구성되어 있다.


※ 이미지 출처 : http://www.ikea-download.de/15_7_HomeSmart/s1.php (좌),
http://www.ikea.com/ms/en_US/pressroom/press_materials/USA_PR_Wireless_charging.pdf (우)

플러스(+) 기호가 그려진 평평한 부분에 ‘치(Qi)’ 방식의 무선 충전을 지원하고 있기 때문에 스마트폰을 올려두면 충전된다. 소비자가 직접 조립에 참여하는 DIY 가구 업체답게 직접 가구에 설치 가능한 원형 충전 패드와 전용드릴도 함께 판매한다.





※ 이미지 출처 : http://www.ikea.com/gb/en/catalog/products/90291877/

지금까지 무선충전 기술이 적용된 다양한 제품에 대해서 살펴보았다. 무선충전에 대한 이슈가 오래 전부터 지속되어왔음에도 불구하고 무선충전이 상용화되지 못한 이유는 무선충전 규격이 명확하게 확립되지 않았기 때문이다. 또한, 유선 충전에 비해 충전 효율이 떨어지고, 가격이 비싸다는 점도 상용화를 방해하는 장애물로 작용했다. 하지만 지금은 기술의 발전으로 무선 충전기술이 점진적으로 향상되고 있으며 규격에 관해서는 세계무선충전연합 표준 규격 ‘치(Qi)’ 인증이 시작되면서 확립돼가고 있는 단계에 있다.


※ 이미지 출처 : http://www.ikea.com/gb/en/catalog/products/90291877/

세계무선충전연합과 에어퓨얼 얼라이언스 모두 올해 안으로 무접점 충전방식 규격을 확정할 예정이다. 개발 경쟁이 일어나면서 가격 역시 유선충전기를 대체할만한 수준으로 떨어지며 빠른 속도로 보급형 수순을 밟고 있다. 물론, 아직 해결되지 않은 문제점도 현존한다. 전송용 충전기 내부 코일(안테나)과 스마트 기기 내 수신부 코일이 정확하게 맞닿지 않으면 효율이 크게 떨어지고, 정확한 위치에 기기를 놓더라도 유선 충전에 비해서는 효율이 50~60%에 불과해, 유선충전에 비해서 크게 떨어지는 무선 충전의 효율성의 해결문제는 여전히 현재진행형이다.





※ 이미지 출처 : http://www.ikea.com/gb/en/catalog/products/20289793/

글로벌 시장조사업체 IHS 테크놀로지(IHS Technology)는 PC와 스마트폰, 주변기기에 이르기까지 무선 충전이 향후 IT 시장의 트렌드로 자리 잡을 것으로 전망했고 미국의 시장조사 전문기관인 네비건트 리서치(Navigant Research) 또한 글로벌 무선 전력 수익은 2024년에 17억 9천만달러에 도달할 것으로 예상했다. 이렇게 무선 충전의 시장확대가 예상되나 여전히 충전 표준끼리의 호환성은 갖춰지지 않고 있는 일련의 상황은 무선 충전 기술 발전에 걸림돌이 되고 있다. 유선충전에 상응할 정도의 무선충전기술의 충전효율을 높이려는 기술 연구 또한 지속해야 할 것이나 그에 앞서 필요한 것은 각 기술간 호환이 가능하도록 표준화를 이루는 것이라고 보인다. 하루빨리 세계무선충전연합과 에어퓨얼 얼라이언스간의 무접점 충전방식 규격이 확정되어 단일화된 표준 규격으로 무선 충전 기술이 접목된 다양한 제품들이 출시되기를 기대해본다.

글 / 디자인맵 편집부

 

 

원문 주소: http://www.designmap.or.kr/ipf/IpTrFrD.jsp?p=522&x=2

 

 

 

 

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#특허청 #무선충전 #디자인맵

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