KISTI 산업정보분석실 유영복 (Tel: 02-3299-6050 e-mail: yybokl@kisti.re.kr)

미래기술로 각광받고 있는 무선충전   
 스마트폰 보급이 대중적으로 확대됨에 따라 개인이 사용하는 전력량이 크게 증가하게 되면서 언제 어디서나 자유롭게 배터리를 충전할 수 있는 기술이 요구되었고 이에 따라 무선충전 기술에 대한 관심이 고조되고 있다.
또한 친환경 전기자동차 및 하이브리드 자동차에 대한 연구가 진행됨에 따라 전기자동차 배터리 충전의 자유도를 제공함과 동시에 단락, 단선으로부터 안전한 무선충전 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 같은 무선충전 기술은 최근 미국 정부가 선정한 100대 미래기술 가운데 1위를 차지하기도 했다.

최근 미국 라스베이거스에서 열린 세계 최대 가전 전시회 ‘2015 인터내셔널 CES’에서 다양한 무선충전 솔루션들이 선보여졌다.

대표적으로 삼성전기는 커피숍 등 매장 내에서 사용 가능한 무선충전 솔루션이 내장된 테이블을 공개하였다. 이는 디스플레이 기술과 무선통신 기술이 적용된 융복합 무선충전 시스템으로서 충전하는 동안 테이블에 내장되어 있는 디스플레이로 주문과 함께 멀티미디어 콘텐츠를 이용할 수 있다. 이 뿐만 아니라 와이파이를 통해 무선으로 매장 내 서버와 연동될 수 있기 때문에 무선충전 사용자의 취향에 따라 맞춤 정보를 제공할 수 있다는 특징이 있다.

또한 BMW는 i8 스포츠유틸리티 플러그인 하이브리드 모델에 적용 가능한 무선충전 기술을 내놓았다. 이 기술은 스마트폰에 적용된 기존 무선충전방식으로 스마트폰처럼 충전 패드 위에 자동차를 2시간 정도 세우기만 해도 완전히 충전되므로 기존 충전 시간이 오래 걸리는 충전 효율의 문제점을 대폭 개선하였다.

스마트폰을 넘어 스마트워치, 스마트글래스 등 웨어러블 기기가 많아지고 사물인터넷 시대가 도래하면서 무선충전에 대한 욕구는 더 커지게 되었다. 또한 자동차, 가전 및 의료기기 등 무선충전을 위한 인프라가 융합제품 형태로 시장을 형성하면서 우리가 예상치 못한 일상의 변화가 빨라질 전망이다.

특히 2001년 처음으로 매장에 와이파이를 설치해 와이파이 확산에 크게 기여했던 스타벅스는 무선충전 전문업체 듀라셀 파워매트와 협력해 2015년부터 샌프란시스코와 보스턴을 시작으로 미국 전체 직영점에 핫스팟을 구축하고, 총 8.000개 매장에 무선충전기 ‘파워매트 스팟(Powermat spot)’을 약 10만 개 설치할 예정이라고 발표하였다. 또 맥도날드는 영국 50개 매장에 모바일 기기를 위한 600개의 무선 충전 핫스팟을 설치한다고 밝혔다.

한편 미국 뉴욕 시는 무선 충전 전극이 설치된 맨홀 뚜껑 위에 주차만 하면 자동으로 충전되는 무선 충전기를 이미 도입하여 뉴욕 대-헤보 파워, 워싱턴 스퀘어 공원에서 무선충전 기술의 실용성과 효율성을 시험하고 있으며, 일본 도요타는 세계 최고의 무선 전원공급 기술을 보유한 미국 와이트리시티(Witricity)의 특허를 도입하여 전기자동차에 접목시키는 기술을 개발 중에 있다. 이와 같이 스마트폰과 전기자동차 중심으로 적용이 확대되는 계기를 통해 무선충전기 시장이 획기적으로 성장하고 있다. 한편 노트북, 각종 로봇, 청소기, 생체의료기기 등으로 적용 범위가 넓혀질 수 있을지에 대해 관심도 집중되고 있다.
 
무선충전 기술의 방식별 세계시장 현황 
무선충전 기술은 크게 자기유도(Magnetic Induction)방식, 자기공명(Resonant Magnetic Coupling)방식 및 전자기파(Microwave)방식이 있다. 현재 상용화 되고 있는 자기유도방식은 전력 송신부 코일에서 자기장을 발생시키면 그 자기장의 영향으로 수신부 코일에서 전기가 유도되는 기술로서 1831년 마이클 패러데이가 그 원리를 규명하였고, 1800년대 후반부터 전기모터, 변압기에 채택되었으며, 현재 RFID(교통카드), 전동칫솔 등에 널리 사용되고 있다.

이 방식은 전기가 엉뚱한 곳으로 새지 않도록 자기장이 선의 역할을 대신하기 때문에 원 전력의 90% 이상을 수신 받을 수 있을 만큼 전력 손실이 매우 적다. 반면 낮은 주파수를 활용하기 때문에 전기를 송신할 수 있는 거리가 1cm 내외로 매우 짧다는 단점도 있다.

한편 자기유도방식의 기술표준화는 2008년 WPC가 제정한 Qi 진영과 2012년 미국의 듀라셀과 이스라엘의 파워매트 테크놀로지의 연합으로 발족한 PMA 진영이 있다. Qi 표준은 모든 업체들에게 기술이 공개되어 있어 스마트폰 업체들의 적극적인 참여로 현재 가장 널리 보급되어 있는 기술이다. 맥도날드에 설치된 에어차지 무선 충전 핫스팟은 Qi 표준을 채택하고 있고, 구글의 넥서스 4와 5, 그리고 2세대 넥서스 7 태블릿, 여기에 노키아 루미아 제품군의 상당수도 Qi 표준을 지원한다.

IHS에 따르면 2013년에 출하된 약 2,000만 대의 무선 충전 지원 디바이스는 거의 대부분은 Qi 표준을 내장하고 있다고 한다.

후발주자인 PMA는 인정받은 모든 기기들을 테이블 탑 위에 올려놓는 것만으로 쉽게 충전되기 때문에 가장 빠르게 성장할 것으로 기대되는 표준이다. 특히 스타벅스가 올해 매장에 설치하기로 한 무선충전 시스템이 PMA 표준을 채택하고 있다. 최근에는 그동안 문제시되었던 충전효율이 높아져서 블랙베리, HTC, LG, 삼성, ZTE 등 많은 스마트폰 업체들이 참여하고 있다.

무선충전 기술은 자기유도방식과 자기공명방식 등 2가지가 주목받으며 다양한 제품으로 활용되고 있다. 특히, 현재 삼성전자, SK텔레컴, 퀠컴 등이 중심이 되어 80여 개의 회원사가 가입되어 있는 A4WP가 자기공명방식을 주도하고 있다.

2012년 이후 주목받고 있는 자기공명방식은 송신부 코일에서 공진 주파수로 진동하는 자기장을 생성하고 동일한 공진 주파수를 가진 수신부 코일에만 전기가 집중적으로 전달되도록 한 기술로서 MIT 마린 솔랴사치 교수가 2007년에 고안하였다.

이 방식은 자기유도방식과 거의 유사한 주파수 대역을 사용하고, 전기를 2~3m까지 전달할 수 있으며, 원 전력의 60%까지 수신 받을 수 있다. 현재 삼성전자, SK텔레컴, 퀠컴 등을 중심으로 80여 개의 회원사가 가입되어 있는 A4WP가 자기공명방식을 주도하고 있다. 삼성전자는 2012년 ‘갤럭시S3’에 세계 최초로 자기공명방식 무선충전 솔루션을 탑재하였으며, 삼성전기는 미국 라스베이거스에서 열린 ‘2014 CES’에서 세계 첫 인증 제품을 공개한 바 있다.

한편, A4WP와 PMA가 각각의 무선충전 기술 표준을 통합하겠다는 계획을 발표함에 따라, 앞으로 시장을 선점하고 있는 WPC진영과의 표준 경쟁이 한층 뜨거워질 것으로 예상된다.

현재 전자기파에 의한 인체 유해성으로 연구가 주춤되고 있는 전자기파방식은 송신부에서 전기를 전자기파로 바꾼 후 이를 송신하면 수신부의 여러 렉테나(정류기와 안테나를 조합한 구조로 전자기파를 전력으로 변환하는 소자)를 활용해 전자기파를 수신한 다음 이를 다시 전기로 변환하는 기술이다. 높은 주파수를 활용하기 때문에 최대 수십 킬로미터까지 전력을 송신할 수 있지만, 원 전력의 10~15% 정도만 수신 받을 수 있을 정도여서 전력 손실이 너무 크다는 단점이 있다.

2013년까지는 무선충전 제품이 기존 유선충전 제품에 비해 가격이 높아서 무선충전기의 시장 확대가 쉽지 않았다. 하지만 2014년부터 노키아와 구글이 무선충전 기능을 스마트폰에 탑재하기 시작했고, 2015년에는 애플과 삼성전자의 양대 스마트폰 업체가 차세대 스마트폰에 카메라 성능 향상과 함께 무선충전기를 번들로 탑재할 것이라는 기대감이 높아지면서 2015년을 기점으로 무선충전기 시장 규모는 급격한 성장을 보일 것으로 전망된다.

2013년까지는 유선충전 제품이 무선충전 제품보다 저렴해서 무선충전기의 시장이 크게 성장하지 못했다. 그런데 IHS의 2004년 보고서에 의하면, 2018년에는 85억 달러 규모에 이르러 5년 전보다 약 40배 성장할 것으로 보고 있다. 

특히, 세계경제포럼(WEF) 산하 유망기술 글로벌아젠다위원회가 2013년 선정한 세계 10대 유망기술에 포함된 무선충전 전기자동차가 본격적으로 선보일 예정이고, 또한 스마트폰을 제외한 각종 생활가전기기, 웨어러블 기기, 생체의료기기, 우주분야 등 산업 전반의 다양한 제품에서 무선충전 기능의 탑재 비율이 높아지고 있어 향후 무선충전기 시장을 더욱 밝게 하고 있다.

지금까지 표준기술의 자유로운 이용, 충전 효율 및 안전성 등에 있어서는 자기유도방식이 주도하고 있지만, 충전거리 문제로 용용기술의 한계가 존재하고 있어서 앞으로는 A4WP의 자기공명방식으로 시장이 재편될 것으로 전망된다. 2014년 12월 특허청에서 발표한 무선충전 기술의 국내특허출원 동향을 보더라도 자기유도방식은 2009년 102건에서 2013년 54건으로 감소한 반면, 자기공명방식은 2009년 48건에서 2013년 87건으로 증가 추세를 보이고 있는 것으로 나타났다.

지금까지 자기유도방식이 주도하고 있던 무선충전 기술은 에코시스템의 완성, 웨어러블 기기에의 적용 확산 및 전기자동차의 보급 등이 바탕이 되어 점차 자기공명방식으로 시장이 재편될 것이다.

국내의 무선충전 기술력은 많은 참여 업체들의 과감한 투자와 산∙학∙연 간의 지속적이고 유기적인 연구개발로 세계적 수준으로 평가받고 있다. 하지만 기업 간, 국가 간 경쟁이 복잡하게 얽혀있는 글로벌 시장을 선도하기 위해서는 우선 기술표준 주도권을 확보해야 하며, 지금까지 문제로 제기되고 있는 충전 효율에 대한 소비자의 불만, 유선 충전기에 비해 너무 높은 제품 가격, 전자파에 의한 인체 유해성 등의 과제들을 해결해야 한다. 

특히, 제품 차별화를 위해서 신뢰성 확보, 제품 소형화, 이종 기기 간의 융합 제품 등 고부가가치 창출에 기반한 독자적인 원천기술 확보 및 강력한 특허 실행전략 수립이 필요하다. 또 정책적 측면에서는 무선충전 관련 기술 기준을 정비하고 인증 규정을 마련함으로써 산업 활성화를 위해 적극적인 지원이 있어야 할 것이다.