핸드폰 무선충전의 원리는 무엇있가요?

Question

요즘 핸드폰 유선충전도 하지만 무선 충전도 많이 하는데요. 무선 충전의 속도는 유선과 차이가 있나요? 그리고 무선 충전의 원리는 어떻게 되나요?

Answer 1

안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 무선충전은 전자기 유도 방식으로 충전이 이루어집니다. 무선충전기와 스마트 기기 모두 내부에 코일이 있는데. 무선충전기에는 전자 기장 을 발생시키기 위한 코일이, 스마트 기기에는 유도 전류를 수신하기 위한 코일이 내장되어 있습니다. 때문에 두 개의 장치를 접합시키면 코 일 사이에서 전류가 흐르며 자기장이 발생합니다. 그 자기장은 스마트 기기 코일에 유도 전류를 발생시키게 되고, 이 전류를 직류로 변환하여 내장 배터리가 충전됩니다.

현재 시중에 나와있는 대부분의 스마트 기기 무선충전기는 자기 유도방식을 사용하고 있습니다. '전자기 유도'원리를 이용한 방법인데요. 기기와 충전기를 직접 접촉시킴으로서 충전시키는 방식으로 스마트 기기와 충전기 내부의 코일이 서로 접촉이 되어야 충전이 이루어집니 다. 자기 유도방식은 전력 전송 거리가 짧아 충전기와 스마트 기기 접촉면이 정확하게 닿아야 충전이 됩니다. 위치가 틀어지면 충전이 안 되거나 효율이 낮아지며, 스마트 기기에 사용하는 액세서리나 두꺼운 케이스 등은 제거하고 충전해야 하는 불편함이 있습니다. 또한, 자기 공진방식과는 다르게 동시 충전이나, 다른 일을 하면서 충전을 하기 어렵습니다. 하지만, 자기 유도방식은 구현하는 것이 쉽고, 인체에 끼치는 영향이 거의 없기에 많은 기업들이 자기 유도방식을 사용한 무선충전기를 개 발, 상용화하고 있습니다.

접촉면이 맞닿지 않아도 충전할 수 있는 방식이 '자기 공진방식'입니다. 이 또한 코일이 사용되면서 충전기와 단말기의 코일이 같은 주파수 로 동작할 대 발생되는 자기적 공명을 이용하여 충전을 하는 방식입니다. 특정 주파수로 진동하는 자기장을 생성해 같은 주파수를 가진 전 자기기 코일에 전류를 전달하는 기술이죠. 전자기 유도와 비슷해 보이지만, 주파수를 사용하는 것에서 차이점이 있습니다. 그렇게 때문에 맞닿지 않아도 어느 정도 거리에서는 충전이 가능하며, 한 번에 여러 기기 충전도 가능합니다. 코일 설계가 자기 유도방식보다 어렵고 전자파가 많이 발생해 인체뎨 유해할 가능성이 있습니다. 때문에 일상에서 만나기까지는 시간이 좀 더 필요할 것으로 보입니다. 하지만, 단점을 극복할 수 있다면 자기 유도방식보다 훨씬 더 실용적으로 사용이 될 수 있을 것 같습니다.

출처 : 스마트제조혁신추진단 블로그 - [지식+] 무선충전기로 삶의 질향상! 어떤 원리로 충전이 될까?

Answer 2

안녕하세요. 김동준 과학전문가입니다.

무선 충전은 전자기유도라는 현상을 이용한 것입니다.

두개의 코일을 접촉없이 대면으로 설치해놓고 한쪽 코일에 전류를 흘리면 대면하고 있는 코일에도 전류가 발생합니다. 이 원리를 이용해서 충전기와 핸드폰. 양쪽에 코일을 설치하고 핸드폰을 충전기에 가까이 놓은다음 충전기에 전류를 흘리면 핸드폰의 코일에 전류가 흐르고 이 전류가 배터리를 충전시키는 원리입니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 과학전문가입니다.

무선 충전의 속도는 유선 충전에 비해 느립니다. 무선 충전은 전자기 유도 방식을 사용하여 전기를 전달하기 때문에, 유선 충전처럼 전기가 직접적으로 기기의 배터리로 흐르지 않습니다. 따라서 무선 충전은 유선 충전에 비해 효율이 낮아서 충전 속도가 느립니다.

Answer 4

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.

1. 인덕션충전: 인덕션 충전은 충전기와 기기 사이에 자기적인 인덕션을 발생시켜 전력을 전송하는 방식입니다. 충전기에는 전기가 흐르는 코일이 있고, 기기에는 코일이 내장되어 있습니다. 충전기의 코일을 통해 전력을 생성하고, 이를 기기의 코일을 통해 전달하여 충전하는 원리입니다.

2. 전자기파 충전: 전자기파 충전은 충전기에서 전자기파를 생성하여 기기에 내장된 안테나를 통해 수신하는 방식입니다. 충전기는 전력을 전자기파로 변환하여 방출하고, 기기의 안테나가 이를 수신하여 전력을 받아 충전합니다.

3. 공진 현상을 이용한 충전: 공진 현상을 이용한 충전은 충전기와 기기 사이에 공진 현상을 발생시켜 전력을 전송하는 방식입니다. 충전기와 기기는 특정 주파수를 공유하며, 이를 통해 공진 현상을 유도하여 전력을 전송합니다.

Answer 5

안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.

자기 공진 방식이 아니라 자기 유도 방식으로 전류를 흘려 보낸다.

자기 유도 방식은 근거리 충전 기술이다. 자기 공명 방식처럼 전류를 코일에 감아 강한 자력을 만들어낸다. 여기에 똑같은 주파수로 만든 코일을 바로 포개면 자력이 그대로 유도된다. 이를 풀어 전기로 변환하는 것이 자기 유도 방식이다.

자기 유도 방식의 무선 충전 패드를 분해한 모습. 코일이 일정한 모양으로 차곡차곡 들어 있다. <출처 (cc)pburka at Frickr.com>

이 방식은 아직 스마트폰에는 낯설지만 전동칫솔에는 꽤 오래 전부터 쓰였다. 늘 물에 노출돼 있는 칫솔에 충전 커넥터를 달면 방수 처리를 하더라도 단자가 부식되기 쉽다. 이럴 때 기기에 물이 스며들 수 없도록 일체형으로 만들고 자기유도 방식으로 전력을 보내는 방식이 적합하다.

그렇지만 자기유도 방식은 스마트폰과 충전 패드는 아주 가까이 붙어 있어야 한다. 코일과 코일 사이는 거의 정확히 맞붙어야 유도가 잘 된다. 전기를 손실 없이 전달할 수 있는 거리가 상대적으로 짧기 때문이다. 그래서 충전은 간편하지만 충전하면서 게임을 하거나 기기를 쓰는 것은 상대적으로 불편하다.

보통 스마트폰과 충전패드는 1cm 이내로 붙어야 정상적으로 충전된다. 대체로 금속 재질이 아니라면 얇은 케이스 하나 정도는 충전에 큰 영향을 끼치지 않는다. 케이스를 씌웠을 때 충전이 잘 안 되는 경우가 있다. 이때는 USB 어댑터를 확인해 볼 필요가 있다.

어댑터를 통해서 공급되는 전력이 강해야 유도 코일을 통해서 전달되는 전력도 배터리를 충전할 수 있을 만큼 강해진다. 어댑터의 전류가 1.5A 이상 출력되는 것이 좋다. 마이크로USB 케이블도 짧고 두툼할수록 충전에 유리하다.

하지만 자기 유도 방식은 구현 방식이 쉽고, 전자파로 주변에 끼치는 영향도 거의 없다. 일찌감치 협회도 생겼다. 국제무선충전표준협회(WPC, wireless power consortium)는 ‘Qi(치)’라는 표준 기술도 만들어냈다.

이 방식은 LG전자 ‘옵티머스G’를 비롯해 ‘넥서스4’, ‘넥서스5’ 등 그 이후에 나온 LG전자 제품에 적용됐다. 삼성전자도 갤럭시S4에서 뒷면 커버를 바꾸면 Qi 방식으로 무선 충전을 할 수 있도록 했다.