무선충전 기술은 통신과 전력을 동시에 무선으로 전송하려 했던 100여 년 전 ‘Nikola Tesla의 꿈’을 구현하는 것이다. 이는 침체된 IT경제를 재도약시키는 데 획기적인 계기가 될 것이다. 무선충전 기술은 스마트 미디어기기의 대중화는 물론 향후 정보가전 및 전기자동차 등으로 인해 폭발적인 수요증가가 예상되는 유망 기술이다. 가정이나 사무환경 및 산업현장에서 무선충전 기술이 구현된다면 경제적 산업적 측면에서 획기적인 변화가 있을 것으로 기대된다.

무선충전 기술은 100여 년 전 미국의 Nikola Tesla에 의해 최초로 시도된 이후 2007년 MIT연구팀의 비방사 방식이 발표되면서 유망기술로 주목받고 있다. 특히 다양한 모바일기기가 빠르게 대중화되면서 관련 시장에 거대 수요를 창출하고 있다. 그러나 모바일기기, 정보가전 및 전기자동차 등 전자기기의 전력을 현재는 2차전지를 충전하여 공급하고 있는 실정이다. 가정이나 사무환경 및 산업현장에서 무선충전 기술이 구현된다면 경제적 산업적 측면에서 획기적인 변화가 있을 것으로 기대된다.
다양한 무선 네트워크를 통해 정보전송이 가능한 모바일기기 및 정보가전 등 전자기기의 전력은 유선으로 직접 공급하거나 2차전지를 충전하여 사용하고 있다. 무선충전 기술은 통신과 전력을 동시에 무선으로 전송하려 했던 100여년 전 ‘Nikola Tesla의 꿈’을 구현하는 것이다. 이는 침체된 IT경제를 재도약시키는 데 획기적인 계기가 될 것이다.
스마트폰 및 태블릿PC 등 스마트 미디어기기의 대중화로 인해 무선충전에 대한 수요가 급성장을 예고하고 있다. 2010년부터 무선충전 시장은 본격적으로 개시하여 향후 스마트폰/디지털카메라/PMP/태블릿PC 등 모바일기기, 정보가전 및 전기자동차 등 전후방 산업 분야로 확대되어 갈 것으로 전망된다.
현재 무선충전 기술은 전자기유도 및 전자기공명 방식이 주도하고 있으며, 적용 가능한 제품이 매우 제한적이다. 특히 최근에 상용화되기 시작한 전자기공명 방식은 다양한 전자기기 및 제품의 무선충전 가능성을 시사하고 있다. 이 방식은 모바일기기의 무선충전기부터 적용될 것으로 전망된다. 궁극적으로는 모든 콘센트와 전원 케이블을 대체할 것으로 기대된다.

무선충전 기술 개요                        

무선충전 기술은 전기에너지를 전자기 유도, 전자기 공명 및 전자기파 형태로 변환한 후 이를 무선으로 전송하여 전자기기의 2차전지(배터리)를 비접촉 방식으로 충전하는 것이다. 2008년에 무선충전기의 대기전력 손실에 대한 EuP 가이드라인이 발표되면서 저 전력 무선충전기 수요가 급속히 증가하고 있다.
현재 무선충전 기술 시장을 주도하고 있는 기술 중 전자기유도 방식은 이미 기술이 성숙단계에 이르러 다양한 산업 분야에 응용되고 있다. 또한 전자기공명 방식은 새로운 무선충전 방식으로 기초연구가 활발히 진행되고 있다. 전자기공명을 이용한 방식이 전자기유도에 의한 방식보다 전송효율은 매우 높은 편이며, 인체 무해성 면에서도 월등히 우수하다. 무선충전의 원리 및 충전방식별 개념을 그림 1에서 보여주고 있다.

공진자기유도에 의한 무선충전 방식이 개선될 경우 사용자에게 보급될 제품의 형태는 크게 두 가지이다. 한 가지는 패드형 무선 전력전송 베이스 스테이션과 탈부착형 충전기기를 만들어서 사용하는 방법이다. 다른 한 가지는 건물의 천정이나 가구 등에 베이스 스테이션을 내장하는 방법이다. 특히 이 방법은 가정이나 사무 환경에서 모바일기기의 무선충전, 차량에서 휴대전화/PDA/내비게이션 등의 무선충전, 지하철 같은 공공장소에서의 무선충전을 효과적으로 실행할 수 있을 것으로 기대된다.
주파수 공진과 비방사형 전자기장을 이용하여 형성된 전자기 공진 영역 속에서 전자기기가 충전되고, 미사용 에너지는 재흡수 되도록 하는 방식이다. 따라서 충전효율, 전력전송 거리 및 인체 무해성 정보(SAR, EMI, WPC, ICNRP 기준 등) 등이 충전 품질을 결정하는 주 요소이다.
스마트폰/디지털카메라/PMP/태블릿PC 등 다종다양한 모바일기기의 보급이 빠르게 증가하면서 무선충전기 수요 역시 급성장을 예고하고 있다. 2010년부터 무선충전기 시장은 본격적으로 개시하여 향후 전후방 산업 분야로 확대될 것으로 전망된다.
국내 무선충전 인프라를 조기에 구축하기 위해서는 다음과 같은 원천기술(특허권 등)의 확보가 시급한 상황이다.

▶ 송수신 커플링 위치기술
▶ 무선전력 전송코일의 소형화기술
▶ 기기전력 사용 및 충전량 조절기술
▶ 다양한 기기의 공진조건 및 전력배분 기술
▶ 무선전력 전송의 플럭스 누출방지 기술
▶ 간섭 및 열 발생에 의한 부품의 도전성 방지(shielding)
    기술 등

기술경쟁력 분석                            

무선충전 방식별 특징 분석   
현재까지 상용화된 무선충전 방식은 전자기유도 방식 및 전자기공명 방식이 있으며, 아직 상용화되지 못한 전자기파 방식이 있다. 각 충전방식별 특징을 요약하면 다음과 같다(표 1 참조).



전자기유도 방식은 125㎑ 및 135㎑의 반송주파수를 이용하여 수 ㎜~수㎝의 전자기기에 전력을 전송할 수 있다. 현재는 수십W급 무선충전 기술이 상용화 단계에 있다. 전자기공명 방식은 10MHz 이내의 반송주파수를 이용하여 수m 내외의 전자기기에 전력을 전송할 수 있다. 현재는 수십 W급 무선충전 기술이 상용화 단계에 있다. 전자기파 방식은 안테나를 통해 수㎓의 반송주파수를 이용하여 10m 이상의 전자기기에 전력을 전송할 수 있으나 인체에 유해한 결정적인 단점이 있어 상용화되지 못하고 있다.

무선충전 방식별 적용분야 및 업체 현황               
가. 무선충전 방식별 적용분야    
상용화된 무선충전 방식별 적용분야는 다음과 같다. 전자기파 방식은 인체 유해성으로 인해 아직 상용화되지 못하고 있으나, 추후 우주개발 등의 분야에 적용할 수 있을 것으로 예상된다(그림 2 참조). 아직 상용화되지 못한 전자기파 방식은 10m 이상의 먼 거리에서 100㎽ 이하의 저출력을 필요로 하는 분야에 적용할 수 있을 것으로 예상된다.



▶ 전자기유도 방식 : 1㎝ 이하의 짧은 거리에서 10W급의 고출력을 필요로 하는 분야에 적용할 수 있다(교통카드 등).
▶ 전자기공명 방식 : 가장 많은 수요가 예상되는 분야로서 1m 정도의 거리에서 100㎽~10W급의 중간출력을 필요로 하는 분야에 적용할 수 있다(모바일기기 및 정보가전 등).

나. 무선충전 방식별 업체 현황 
국내외 기술 시장을 주도하고 있는 각 충전방식별 주요 업체들을 요약하면 다음과 같다.
▶ 전자기유도 방식 : 글로벌 업체로는 Fulton Innovation(http://fultoninnovation.com/), Texas Instrument(http://www.ti.com/), Powermat(http://powermat.com/) 및 등이 있으며, 국내 업체로는 LS전선(http://www.lscable.co.kr/), 와이즈파워(http://www.wisepower.co.kr/), 한림포스텍(http://www.hanrim.com/com/), 더파워(www.thepower.kr) 및 Duracell(http://duracell.dothome.co.kr/) 등이 있다.
▶ 전자기공명 방식 : 글로벌 업체로는 WiTricity(www.witricity.com/), WiPower(www.wi-power.com), Qualcomm(www.qualcomm.com), Intel(www.intel.com/), Fujitsu(www.fujitsu.com) 및 Haier(www.haier.com/) 등이 있으며, 국내 업체로는 LS전선, 한국전자통신연구원, 전자부품연구원, 메타테크놀로지 등이 있다.
이 외에도 수m~10m 거리에서 수십㎒~수㎓의 반송파로 수십㎽의 직진성 전력을 방사하여 RFID 태그에 이용된 사례도 있다.

시장동향 분석   
     
무선충전기 시장추이       
무선충전기 글로벌 시장규모를 보면 매출액은 2009년 35억 달러에서 2018년에는 52억 달러의 대규모 시장형성이 예상된다. 출하량은 2010년 360만대에서 2014년에는 연평균 133.4%의 고성장을 지속하여 2억3,490만대(2010년 대비 65배, 매출액 규모 약 43억 달러)를 기록할 것으로 예상된다. 특히 2012년 초 공진자기유도 기반의 신기술 개발로 인해 생성될 총 시장규모는 2013년 20억 달러에서 2018년에는 50억 달러에 이를 것으로 예상된다. 글로벌 무선충전기 시장규모 추이를 표 2에서 보이고 있다.

전 방위 기술 시장추이  
무선충전 기술의 전 방위 기술인 자기장통신 융합시스템(하드웨어/소프트웨어/서비스) 관련 글로벌 시장규모를 보면 매출액은 2007년 404억 달러에서 2016년에는 3,288억 달러의 대규모 시장형성이 예상된다. 국내시장 규모는 2007년 2조원에서 2016년에는 32조원의 대규모 시장을 형성할 것으로 예상된다. 자기장 통신 융합기술의 국내외 시장규모 추이를 표 3에 나타낸다.

표준화 동향     

전자기유도 방식 표준화 동향                     
전자기유도 방식은 WPC(Wireless Power Consortium)를 중심으로 손전등, 전동칫솔, 휴대용 안마기, 보온 슬리퍼 및 LED 캔들 등 다양한 상용제품에 대한 충전기 사업화를 가시화하고 있다. WPC는 2008년 12월 발족된 민간표준화기구로서 2010년 9월 기준 Convenient Power, Fulton, National Semiconductor, Olympus, Nokia, Philps, Research In Motion, Sang Fei, Sanyo 및 Texas Instruments 등 10개의 정회원 기업과 48개의 준회원 기업이 등록되어 있다. 한국은 삼성전자, 와이즈파워, LG전자, LS전선 및 한림포스텍 등 5개사가 가입되어 있다.
WPC는 2010년 9월 Qi-1.0 표준을 발표했다. ‘치(Qi)’는 ‘기(氣)’의 중국식 발음에서 따온 것으로 이 마크는 WPC표준을 따르는 무선충전기와 호환성을 보장하는 의미이다. Qi마크를 획득한 충전장치는 제품 간 비 호환성으로 인한 시장분할 위험을 줄일 수 있으며, 이를 통해 무선충전 시장규모가 연간 10만대에서 1억대로 확대될 수 있을 것으로 WPC측은 기대하고 있다. Qi마크를 통해 휴대전화 제조업체들은 무선 전력 수신기를 통합하고, 반도체 업체는 해당 기능을 자사 칩셋(chip-set)에 통합하는 표준화를 진행하고 있다. 이에 인프라 공급사는 가정/사무실/전기자동차/호텔/정보가전 등에 무선충전 시스템을 구축할 수 있는 기반을 마련하였다.
전자기유도 방식의 국내표준은 삼성전자/LG전자/코잇/한림포스텍/와이즈파워 등이 주도하고 있으며, 삼성전자 및 LG전자 등의 주도로 WPC 무선충전기 인터페이스 표준규격 1.0버전을 발표한 바 있다.

전자기공명 방식 표준화 동향                      
전자기공명 방식은 2007년 미국 MIT의 M.Soljacic 교수가 Witricity 프로젝트를 통해 자기유도 방식에서 송수신 코일 간에 공진을 발생시키면 급격히 효율이 증가한다는 원리에 기반하여 개발한 기술로서 퀄컴, 인텔 및 소니 등에서 상용화에 주력하고 있다.
Witricity 프로젝트에서는 60W 전구에 2m 거리에서 전력전송을 시연한 바 있다. 퀄컴은 20cm 거리에서 2개의 휴대전화를 동시에 충전할 수 있는 충전 베이스 스테이션 제품을 개발하였다.
전자기공명 방식의 국내표준은 2009년부터 KT/인텔/KETI/LG전자/LG텔레콤/팬택/퀄컴/삼성전자/SK텔레콤/삼성전기/LS전선/LG이노텍/한림포스텍/Mobilab/KEC 등 15개 기업들이 무선에너지 전송 운영위원회를 설립하여 기술 표준화에 주력하고 있다(표 4 참조).

전자기장 노출/방사/측정 표준화 동향                   
EMF(Electro-Magnetic Field : 전자기장) 표준은 무선충전기의 방사 및 노출한계 즉, 충전기의 전자기장에 인체가 노출되는 최대허용 수준에 대한 표준이다. 이는 ICNIRP(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) 및 IEEE/ICES(The Institute of Electrical and Electronic Engineers/International Committee on Electromagnetic Safety) 등에서 개발되어 왔다. 방사표준은 공학적으로 전자기장 간섭 최소화 및 기기효율의 최적화를 기반으로 IEEE의 IEC(The International Electrotechnical Commission) 및 ECES(The European Committee for Electro-technical Standardization) 등에서 개발되어 왔다.
EMF 측정표준은 방사와 노출표준이 적합한지를 확인하는 표준으로서 모바일기기의 SAR값 측정과 같이 제품이나 장치에 대한 측정방법이다. IEEE C95.1.005에 의한 제어상황 하의 최대 허용 노출한계(MPE)는 6분간이며, 비 제어상황 하의 최대 허용 노출한계(MPE)는 30분간이다(표 5 참조).

국내외 기술개발 동향   

핵심 이슈            
스마트 미디어기기의 급속한 대중화로 인해 무선충전에 대한 수요가 확대되면서 현재까지 다양한 무선충전 기술이 개발되었지만 일부 전자기 방식을 제외하고는 아직까지 본격 상용화되
지 못하고 있다. 무선 네트워크에 연결된 다종다양한 모바일기기 및 정보가전의 전원은 기기에 내장된 2차전지에 전력을 충전하여 이용하고 있는 실정이다.
무선충전 기술의 핵심 이슈는 충전방식, 충전시간, 충전용량, 사용시간, 전력전송 거리 및 무선충전기의 휴대성 등을 들 수 있다. 무선충전 수요는 다종다양한 모바일기기, 스마트 홈 지향의 정보가전, 차세대 친환경 자동차로 부각되고 있는 전기자동차, 의료 분야의 생체조직에 이식된 보조기기 및 생체인식 시스템 등의 분야로 확산되면서 관련 시장의 블루오션을 창출하고 있다.

가. 글로벌 기술개발 이슈 및 동향       
무선충전 산업의 핵심 이슈는 대 전력을 먼 거리에 인체에 무해하게 전송함으로써 충전효율을 높이는 것이다. 최근 충전 베이스 스테이션과 무선충전기 간에 자기장 공진에 의한 충전방식이 개발되고 있다. 현재는 1m 거리에서 5W의 전력 충전 시70%의 충전효율을 나타내고 있어 아직은 다양한 모바일기기 및 정보가전에 적용하기에는 어려운 상황이다.
무선충전 관련 글로벌 기술은 모바일기기, 정보가전, 전기자동차, 의료기기(의료용 임플란트 기기 등) 및 군용전자기기 등 다양한 분야에서 상용화되고 있다. 주요 사례를 요약하면 다음과 같다.
▶ 2007년 미국 MIT의 Marin Soljacic 교수팀이 제안한 비방사(non-radiated) 방식의 대전력 무선 충전 기술이 발표되면서 유망기술로 대두되었다. 이는 10MHz의 반송파를 이용하여 2m 거리에서 60W의 대전력을 전송하는 것이다.
▶ 2007년 6월 MIT의 Andre Kurs 교수팀은 자기공명 현상을 이용하여 2m 거리에서 60W 전력을 최대 40%까지 무선 전송하는 데 성공하였다. 이 기술은 코일에 전기장을 걸면 주위에 자기장이 발생하고, 반대로 코일 주변에 자기장을 걸면 코일에 전기가 흐르는 원리를 이용한 것이다.
▶ 2008년 8월부터 미국의 WiTricity社(자기공명 분야의 글로벌 기술개발 주요 기업)는 Marin Soljacic 주도의 MIT 프로젝트를 기반으로 Intel과 공동으로 전기자동차의 무선충전을 목표로 프로젝트를 진행하였다. 이 기술은 MIT에서 2008년 10대 기술로 선정되어 지속적인 연구가 진행되고 있으며, Intel은 ‘Wireless Resonant Energy Link(WREL)’라는 이름으로 개발하고 있다.
▶ 전기자동차 무선충전 프로젝트는 신기술인 공명 결합(Resonant coupling) 현상을 이용하여 충전 대상물이 동일한 주파수로 공명을 일으킬 때만 서로 에너지를 교환하게 함으로써 인체에 거의 무해한 것으로 알려져 업계에 주목받고 있다. 2011년 말에는 노트북/넷북/태블릿PC/휴대전화 등에 적용 가능한 제품을 출시하였다.

나. 국내 기술개발 추이          
무선 충전 관련 국내 기술력은 아직은 초기 개발단계에 있으며, 주요 기술개발 사례를 요약하면 다음과 같다.
▶ 한국전자통신연구원은 2008년부터 IT융합을 위한 무선 충전 기술개발에 착수였으며, LS전선은 2009년 말 자기공명 무선 충전 기술사업화 계획을 밝힌바 있다.
▶ 한국전자통신연구원은 미국 WiTricity의 무선충전 프로젝트의 기술적 파급효과 등을 고려하여 기술개발에 착수하였다. 이를 위해 다양한 코일 구조에서 실험을 수행하여 기초적인 결과들을 확보한 상태이며, 정력 수신부 코일의 소형화에 중점을 두고 개발하고 있다.
▶ 듀라셀은 2009년 8월 모바일기기를 좀 더 오래, 좀 더 간편하게 충전할 수 있는 솔루션이 포함된 스마트 파워 제품을 개발하였다. 이는 기기를 크래들(cradle)에 올려놓기만 하면 자동으로 충전이 되는 마이그리드(myGrid)라는 제품이다. 이 제품은 다수의 모바일기기를 한꺼번에 충전할 수 있는 방식으로 어댑터를 포함하여 79.99달러에 판매하고 있다(그림 3 참조).



▶ 전자부품연구원은 삼성전자/LG전자/LG텔레콤/팬택/KT/SK텔레콤/인텔/퀄컴 등과 ‘무선충전 스페셜 인터레스트 그룹’을 형성하고 공동연구를 통해 2009년 10월 국내 최초로 박막/소형의 무선 충전기를 이용하여 50㎝ 떨어진 전자기기에 0.6W의 전력을 전송하는데 성공하였다. 이는 공진자기유도 기술에 기반을 두고 있으며, 송/수신 안테나가 서로 공진을 일으키게 함으로써 에너지 손실이 거의 없는 고효율의 전력 전송을 가능하다는 평가를 받고 있다.
▶ 국민대학교 연구팀은 2010년 7월 USN 응용 서비스의 신뢰성 확보 및 다양한 산업 분야 적용을 위해 ‘원격 에너지 공급체인 기반 획득/충전 기술’이라는 연구를 진행하고 있다. 이는 다양한 산업분야에 적용 가능성이 큰 것으로 평가되고 있어 세계 주요 국가의 전략 사업으로 추진되고 있다(그림 4 참조).

결 론       

2005년경부터 다종 다양한 모바일기기의 급속한 확산과 2008년 미국 MIT의 무선충전 기술 10대 미래 유망 신기술 선정 등으로 인해 무선충전 기술이 확산되면서 관련 시장에 블루오션으로 부각되고 있다. 무선충전 시장은 전기자동차 충전 인프라가 완료될 것으로 예상되는 초기 시장 개화기인 2010~2015년까지는 지속적으로 높은 성장률을 기록할 것으로 예상된다. 이후 2020년까지 중.장기 시장은 가정 및 사무환경의 스마트화를 위한 정보가전 등이 시장을 주도할 것으로 예상된다.
무선충전 기술의 기반 기술인 자기장통신 융합기술은 모바일기기 무선충전 및 스마트 배터리 무선충전, Built-in형 가정용 및 사무용 무선충전, PDA/네비게이션/블랙박스 등 차량용 인포테인먼트 기기 무선충전, 공공장소 옥외형 원거리 무선충전, 디지털 카메라/MP3 플레이어/전자시계 등 멀티미디어 기기의 무선 충전, 의료용 임플란트 기기 무선충전 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있어 세계시장 선점을 위한 원천기술 개발이 시급한 상황이다.