무선 충전 혹은 유도식 충전

스마트폰으로 영화를 보고, 메시지를 읽고, 친구와 소통하는 것을 비롯해서, 이제는 무선으로 데이터를 전송하는 일이 세계 어느 곳에서나 거의 일상이 되었습니다. 그런데 몇 시간 안 되어서 배터리가 바닥 나서 무선으로 즐기는 엔터테인먼트도 금방 끝나게 됩니다.

구형 스마트폰은 케이블을 사용해서 충전기에 연결해야 하지만, 대부분의 신형 스마트폰은 무선 충전을 할 수 있습니다. 전동 칫솔을 충전할 때처럼 디바이스를 적절한 충전기 위에 올려놓기만 하면 됩니다. 하지만 스마트폰 충전에는 더 많은 전력이 필요합니다. 효율적인 마이크로컨트롤러와 전력 모듈 같은 최신 반도체가 이를 가능하게 합니다. 그렇다면 무선 충전은 실제로 어떻게 작동하고, 어떤 것들을 필요로 할까요?

용어와 달리, 무선 충전이 완전히 케이블 없이 작동하는 것은 아닙니다. 충전기는 여전히 전원 케이블로 소켓에 연결되어 있습니다. 그렇지만 스마트폰을 무선으로 충전합니다. 스마트폰을 충전기 위에 올려놓기만 하면 됩니다. 충전기가 코일을 포함하고, 이 코일을 통해서 교류 전류가 흐릅니다. 이 전기가 자기장을 발생시킵니다. 스마트폰이 이 자기장 범위 안에 들어오면 충전이 이루어집니다. 기본적으로 충전에는 두 가지 방식이 있습니다. 유도식 충전과 공진식 충전입니다.

스마트폰의 리시버 부분이 코일을 포함하는 데, 이것은 유도 원리를 활용한 것입니다. 유도 방식은 인근의 금속에서 변화하는 자기장이 전기 전류를 발생시킵니다.

인덕션 쿠커가 이 원리를 적용한 것입니다. 쿡탑의 코일이 변화하는 자기장을 발생시키고, 이를 통해서 냄비 바닥으로 전기가 흐릅니다. 이렇게 해서 냄비 바닥이 뜨거워지는 것입니다.

스마트폰의 경우에는 빠르게 변화하는 전류를 적절한 회로를 사용해서 균일한 전류로 변환합니다. 이 전류가 스마트폰 배터리를 충전합니다.

공진식 충전은 무선 충전을 확장한 형태입니다. 이 방식은 충전기 코일과 디바이스 코일 사이에 하나 이상의 공진 회로를 사용합니다. 이것은 커패시터와 코일로 이루어진 전기 회로로서, 애플리케이션에 따라서 적합하게 적용될 수 있습니다.

이 방식은 유도식 충전에 비해서 다음과 같은 장점이 있습니다:

• 한꺼번에 여러 개의 디바이스를 충전할 수 있음
• 충전기 위에 디바이스를 꼭 정확하게 올려놓지 않아도 됨
• 충전기와 디바이스 사이에 거리가 길어도 가능
• 더 높은 효율로 더 많은 에너지가 배터리에 도달함

하지만 이러한 장점들만 있는 것은 아니고, 공진식 충전은 유도식 충전에 비해서 더 복잡합니다. 예를 들어, 더 많은 부품이 필요하기 때문에 비용이 높아집니다.

무선 충전을 적용할 수 있는 것은 스마트폰뿐만 아닙니다. 이 기술은 다음과 같이 점점 더 많은 디바이스에 사용되고 있습니다:

• 스마트 워치, 블루투스 헤드폰, 여타 웨어러블
• 노트북, 태블릿
• 전동 공구(무선 전동 드릴 등)
• 서비스 로봇(진공 청소기, 잔디깎이 등)
• 전동 완구, 드론

무선 충전은 다음과 같은 이점들을 제공합니다:

• 더 간단하고 편함
• 충전기가 항상 같은 자리에 있다면, 충전 케이블을 찾을 필요가 없음
• 패스트푸드점이나 커피숍 등 공공 장소에 설치되어 있는 충전기를 사용하여 집 밖에서도 스마트폰을 편리하게 충전할 수 있음
• 충전 소켓을 자주 사용하지 않으므로 마모나 파손을 줄일 수 있음
• 충전 소켓이 없어도 되므로 스마트폰 내부로 물이나 오염물질이 유입되는 위험성을 줄일 수 있음. 충전 소켓이 흔히 이러한 손상의 원인이 됨

의료 분야에서 무선 충전을 사용하면 위생과 관련해서 유용합니다. 충전 케이블을 꽂기 위한 소켓이 필요 없는 장비는 더 쉽게 소독할 수 있습니다. 또 케이블이 바닥에 어지럽게 널려 있으면 걸려 넘어지는 사고가 발생할 수도 있습니다. 특히 병원 같은 곳에서는 많은 수의 다양한 장비들을 사용하기 때문에 더 그렇습니다. 이러한 경우에 무선 충전을 사용하면 훨씬 더 유리할 것입니다.

전기차도 무선 충전을 할 수 있습니다. 다만 훨씬 더 많은 에너지를 전송해야 합니다.

다시 스마트폰으로 돌아와서, 무선 충전을 위해서는 무엇이 필요할까요? 답은 간단합니다. 바로 Qi 충전기입니다.

무선 충전을 사용하면 사용자는 더 이상 스마트폰마다 다른 충전기를 사용할 필요가 없습니다. 그렇기 때문에 업계에서 초기 단계에 여러 표준이 논의되었는데, 그 중 하나가 유도식 충전을 위한 Qi 표준입니다.

Qi는 중국어로 순환하는 생명력을 뜻합니다. 이 업계 표준은 WPC (Wireless Power Consortium)에서 제정한 것으로, WPC에는 삼성, 애플과 같은 기업들이 소속되어 있습니다. Qi 표준은 충전기와 충전하고자 하는 디바이스가 충족해야 하는 기술 요건들을 정의합니다. 예를 들어, Qi를 적용한 충전기는 Qi를 지원하는 어느 스마트폰이나 충전할 수 있으며, 구형 스마트폰은 특수한 스마트폰 커버나 스티커를 사용해서 Qi 표준을 지원하도록 업그레이드할 수 있습니다.

최근 WPC에서 발표된 최신 표준인 Qi2는 중요한 발전으로 이어집니다: 이 개선된 자기 결합 덕분에 낭비되는 전력이 줄어 열 발산은 감소하고 충전 효율과 속도는 향상됩니다. 사용 환경이 모든 면에서 개선되며, 특히 이로 인해 사용자와 디바이스가 모두 더욱 안전해집니다.

표준화를 이루면서 자동차나 가구에 유도식 충전기를 통합하는 완전히 새로운 것들이 가능하게 되었습니다. 이미 자동차 시가잭에 연결할 수 있는 충전기가 나와 있습니다. 하지만 점점 더 많은 자동차 회사들이 차량에 충전기를 통합하고 있습니다.

이케아는 유도식 충전기를 통합한 스탠드 램프와, Qi 표준을 지원하지 않는 스마트폰을 업그레이드할 수 있는 휴대전화 케이스를 판매하고 있습니다.

스마트폰을 충전기 위에 올려놓기만 하면 됩니다. 다만 디바이스를 되도록 정확한 위치에 올려놓아야 합니다. 스마트폰에 들어 있는 코일이 충전기에 들어 있는 코일 위에 놓여야만 충전 프로세스가 작동됩니다. 두 코일이 거리가 떨어지면 충전이 중단됩니다.

이것을 방지하고 휴대전화가 미끄러지지 않도록 하기 위해서 대부분의 충전기 표면은 미끄럼 방지 소재로 이루어집니다. 어떤 충전기는 스마트폰을 정확한 위치에 고정하기 위해 자석을 사용하기도 합니다.

정확한 위치에 올려놓는 것만으로는 충분하지 않습니다. 이상적으로는 스마트폰을 커버 없이 충전기와 접촉하도록 해야 합니다. 다만 대부분의 충전기는 수 밀리미터 두께의 커버가 있어도 충전을 할 수 있습니다.

어떤 충전기는 다수의 코일을 사용하는데, 그러면 스마트폰을 충전기 위에 올려놓을 때 좀더 높은 유연성이 가능합니다. 충전기에 따라서 스마트폰이나 스마트 워치 등 여러 디바이스를 동시에 충전할 수 있습니다. 하지만 이러한 충전기는 하나의 코일을 사용하는 것에 비해서 훨씬 비싸기 때문에 현재는 주로 자동차에 사용되고 있습니다.

현재까지 무선 충전은 일반적으로 유선 충전보다 느립니다. 하지만 Qi 표준의 디바이스는 5와트의 BPP(base power profile) 또는 15와트의 EPP(extended power profile), 15와트의 MPP(magnetic power profile)을 지원합니다. 대부분의 기업, 특히 스마트폰 업계를 선도하는 기업들은 유선 충전 전력 속도에 매우 가까운 최대 50 와트의 무선 충전 전력을 지원할 수 있는 독점 프로토콜을 보유하고 있습니다.

충전기에 따라서는 충전을 하는 동안에 스마트폰을 움직이는 것이 제한적일 수 있습니다. 그러면 충전을 하는 동안에 사용할 수 있는 기능이 제한됩니다. 하지만 휴대전화를 특정한 각도로 올려놓을 수 있는 충전기도 나오고 있습니다. 그러면 휴대전화를 충전하는 동안에 영화를 보는 것이 가능해집니다.

만약에 배터리 충전 상태를 확인하기 위해서 스마트폰을 충전기로부터 들어올려야 한다면 충전이 중단될 것입니다. 그렇기 때문에 많은 충전기는 LED를 사용해서 충전 상태를 알려줍니다. 그러므로 사용자가 디바이스를 움직이거나 들어올릴 필요 없이 손쉽게 충전 상태를 확인할 수 있습니다.

충전기는 차폐가 되므로 자기장 범위가 매우 제한적이며 특정한 방향을 향하도록 설계됩니다. 또한 스마트폰을 충전할 때는 자기장이 약하고, 디바이스를 충전할 때만 자기장이 발생됩니다.

금속성 이물체와 관련해서는 위험할 수 있습니다. 이 이물체가 인덕션 쿠커와 같은 원리로 충전 코일의 자기장 범위 내에 들어갔을 때 매우 뜨거워질 수 있습니다. 하지만 “스마트” 충전기가 이미 나오고 있습니다. 이러한 충전기는 스마트폰과 접촉 표면 사이에 이물체가 존재할 때 이를 감지하고 충전을 중단시킵니다.

무선으로 충전할 수 있는 디바이스의 수가 지속적으로 증가하고 있으며, 고속 충전 옵션이 늘어나면서 사용자들의 수용도도 계속 증가할 것입니다. 스마트폰을 시작으로 해서 갈수록 더 많은 디바이스에서 무선 충전이 사용될 것입니다. 헤드폰, 스마트 워치, 피트니스 트래커, 진공 청소기뿐만 아니라 맥박조정기 같은 저전력 의료 기기에서도 더 편리하고 안전하며 효율적인 충전이 가능해질 것입니다.

기술이 점점 발전함에 따라 더 높은 충전 전력은 점점 더 많은 애플리케이션에 적용되고 있습니다.

마지막 업데이트: 2023 년 8 월