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무선충전 기술동향 및 국내 기술개발 역량과 시장동향

입력 : 2017.06.15 15:02

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저전력 제품 중심의 상용화 급속히 진행 및 다양한 분야로 확산


국내 무선충전 기술의 글로벌화를 위해서는 품질개선을 위한 시험장비 기술 확보, 국제규격 품질인증에 대비한 설계기술 확보 등 경쟁력 강화가 요구된다. 나아가 차세대 유망기술인 무선충전 산업 활성화를 위해 AirFuel과 Qi 국제표준 시험인증을 지원할 수 있는 제도적 기반이 필요하다. 이를 통해 새로운 비즈니스 모델을 도출하여 차세대 무선충전 기술의 산업화를 견인할 필요가 있다.


서언


무선전력전송(WPT(Wireless Power Transfer) 이하 무선충전) 기술은 휴대전화 단말기의 무선충전기 등 저전력 제품을 중심으로 상용화가 급속히 진행되고 있으며 점차 홈 어플라이언스, 철도, 전기자동차 등 산업 전반의 다양한 분야에 확산되고 있다 1).


무선충전 산업은 5~10년 이후 시장 절정기를 맞을 것으로 예상되는바 차세대 국가 신성장 동력으로 육성하기 위해서는 빠른 시간 내에 정부차원의 체계적인 WPT를 시험연구할 수 있는 융합기술 지원이 절실한 시점이다. 특히, 빠르게 확산되어가고 있는 자기유도형 및 자기공진형 무선충전 기술의 국제표준규격인 WPC 2)와 A4WP/PMA 3)의 시험평가 및 인증 지원 등 국제화 지원을 통해 산업을 육성할 수 있는 기반이 필요하다. 이에 국제표준화된 무선충전 기술의 시험/분석/인증을 위한 장비 구축, 자기유도 및 자기공진 방식의 국제표준규격인 Qi와 AirFuel에 대한 인증서비스 사업추진 등을 통해 국내 기업의 WPT 제품 개발 및 기술경쟁력을 향상시킬 수 있는 다음과 같은 제도적 지원이 필요하다.  


- 무선충전 실증 및 성능시험 기술 지원

- 무선충전 상호운용성 시험 및 인증 기술 지원

- 국제표준 단체규격 및 인증 프로세스 교육 지원

- ‌제품성능시험 및 품질인증을 위한 테스트베드 운영 지원


자기유도방식은 표준화, 충전효율, 안전성 등 기술적인 완성도는 높은 편이나 전송거리가 짧다는 한계가 있다. 이에 따라 자기공진방식이 기술의 완성도를 높인다면 향후에는 자기공진방식이 무선충전 기술을 주도할 것으로 예상된다. 자기유도방식과 자기공진방식의 특징비교 결과를 표 1에 나타낸다.


▲ 표 1. 자기유도방식/자기공진방식 무선충전 기술의 특징 비교


이 연구에서는 자기유도 및 자기공진 방식의 국제표준 시험/인증 인프라 구축 등 국내외 무선충전 기술개발 동향, 기술개발 수준 분석 및 다양한 관점에서의 특허동향 중심의 국내 무선충전 기술개발 역량, 글로벌 무선충전기술 전체/무선충전기/충전방식별 및 용도별 시장규모 중심의 무선충전기술 시장동향에 대해 설명한다.


무선충전 기술개발 동향


1. 국내 기술개발 동향

국내 무선충전 기술은 자기유도 및 자기공진형 국제표준(Qi, AirFuel(A4WP, PMA)) 시험/인증 인프라 구축을 통해 제품의 고도화 및 고급화를 추구하고 있다. 이러한 고도의 기술개발 지원 및 연구·시험 장비 기반구축을 통해 글로벌 경쟁력을 확보해가고 있다. 국내 기업의 무선충전 제품 고도화 추이를 간단히 요약하면 다음과 같다.


- ‌LG전자와 삼성전자는 2009년부터 WPC 회원으로 활동하고 있으며, 2014년 말부터는 LG전자가 WPC Board Member의 의장이 되면서 국제표준화를 주도하고 있다.


- ‌LG이노텍, 삼성전기 등 주요 부품업체들은 2008년부터 무선충전 부품을 개발하여 국내 기업(LG전자 및 삼성전자)과 전 세계 주요 스마트폰 제조사에 공급하고 있다 4).


- ‌삼성전자는 A4WP(Alliance for Wireless Power)를 설립하고 자기공진 방식 무선충전 기술의 상용화를 추진하고 있다. 미국/유럽과 동일하게 6.78MHz 주파수를 전파응용설비 대역으로 개정, 50W 미만의 무선충전 시스템에 대한 연구개발을 추진하고 있다.


- ‌에스엘은 LG이노텍과 공동으로 기아자동차 K5에 WPC, PMA가 혼용되는 5W급 무선충전 제품을 출시하였다.


- ‌삼성전기는 세계 최초로 A4WP 표준인 Rezence 인증제품을 2014년 1월 CES에 전시한바 있다.


- ‌삼성전자는 2015년 자기유도/자기공진형 방식이 모두 지원되는 무선충전기를 개발하였으며, 갤럭시S6/노트5 제품에 최대 10W 수신이 가능한 자기유도형 무선충전 비표준 제품을 출시하였다.


- ‌크로바화이텍은 WPC로부터 Qi 인증을 받은 무선충전기에 들어가는 최대 10W급 무선충전 코일을 개발하였다.


- ‌코마테크는 2015년 무게 45g의 소형 무선충전 송신기(프리디 미니) 제품을 출시하였다.


- ‌알에프텍은 2015년 무선충전기와 보조배터리가 일체화된 제품(알포스)을 출시하였다.


- ‌그린파워는 2009년 3.3kW급 무선충전기를 개발하여 CT&T NEV eZone에 장착하고 제주도에서 실증시험을 진행한바 있다.


2. 해외 기술개발 동향

전 세계적으로 자기유도 방식의 근거리 자기결합 무선충전 기술이 스마트폰에 적용되기 시작하면서 가격하락과 함께 웨어러블 기기 및 전기자동차 등 다양한 분야에 확산되고 있다 5). 해외 기업의 무선충전 제품 고도화 추이를 간단히 요약하면 다음과 같다.


■ 미국

- ‌Motorola는 2014년 WPC 무선충전 기능을 적용한 moto360을 출시하면서 웨어러블 기기에 무선충전 기술을 적용하고 있다.


- ‌Intel은 웨어러블 기기에 무선충전 국제표준 플랫폼을 적용하고 있다.


- ‌Apple은 2015년 4월에 출시된 애플워치에 자기유도기술 기반의 ‘MagSafe Induction’기술을 적용하면서 웨어러블 기기에 무선충전 기술을 적용하고 있다.


- ‌미국의 Plugless Power는 2013년 전기자동차용 무선충전기술을 상용화하였으며, 퀄컴은 1~2년 내에 자사의 전기자동차 무선충전 기술(헤일로)을 상용화할 계획이다.


- ‌미국의 Evatran사는 전기자동차 근접 충전이 가능한 자기유도 방식의 ‘플러그리스 파워(Plugless Power)’무선충전 솔루션을 출시하였다 6).


■ 독일

- ‌독일의 볼보자동차는 2013년 10월 실제 도로에서 무선충전 테스트를 성공적으로 완료한 것을 계기로 독일운송건설도시개발부는 435만 달러를 지원하여 자기유도 방식의 전기자동차 충전기를 개발하였다.


- ‌Wampfler는 Daimler자동차의 Mercedes-Benz B-Class E-CELL Plus에 장착하여 90%의 충전효율을 달성한 것으로 평가받고 있다.


■ 일본

- ‌미쓰비시중공업 등 22개 기업과 13개 대학이 공동으로 2014년 전기자동차 등의 무선충전기술 개발을 위한 무선전력전송실용화컨소시엄을 발족하였다.


- ‌도요타는 2011년 Witricity와 제휴하여 전기차용 공진 방식 충전기술을 개발하였으며, 2014년 2월 전기자동차 접촉 무선충전 시스템을 개발하였다.


- ‌닛산은 2009년 7월에 개최된 “첨단기술설명회-시승회2009”에서 전기자동차용 정차중 비접촉 무선충전 시스템을 공개한바 있다.


- ‌글로벌 스마트폰 제조사 및 플랫폼 개발사들은 WPC 국제표준이 적용된 스마트폰을 2010~2015년 동안 약 72종을 출시하였다.


국내 무선충전 기술개발 역량


1. 기술개발 수준 분석

국내에서는 주로 자기유도형 무선충전 기술이 상용화되어 스마트폰 등 모바일기기 및 디지털 가전기기 등에 확산되고 있다. 세부 기술별 선진국 대비 기술수준은 자기유도 표준화 기술 90%, 자기유도 칩 셋(chip set) 기술 50%, 자기유도 시스템 기술 90%, 자기공진 표준화 기술 90%, 자기공진 칩 셋 기술50%, 자기공진 시스템 기술 80%, 대용량 표준화기술 80%, 대용량 시스템 기술 80%로 나타났다. 국내 무선충전 기술개발 수준에 대한 분석결과를 표 2에 나타낸다.


▲ 표 2. 국내 무선충전 기술개발 수준에 대한 분석결과


2. 무선충전기술 특허동향

무선충전 기술은 충전방식, 충전시간, 충전용량, 사용시간, 전력전송거리 및 무선충전기의 휴대용이성 등이 성능을 결정하는 핵심요소이다. 이를 충족할 수 있는 수요가 모바일기기, 스마트 홈 지향의 정보가전 및 전기자동차 등에 확산되면서 관련 시장의 블루오션으로 인식되고 있다 7). 스마트폰에 무선충전 기능이 탑재되면서 보다 앞선 충전방식을 확보하기 위한 특허경쟁이 가속화되고 있다. 특히 전기자동차 보급 활성화 정책으로 인해 다양한 방식의 무선충전 기술이 개발되면서 이에 따라 특허출원도 증가하고 있는 추세이다. 2009~2013년 동안 무선충전기술 특허출원 건수는 797건으로 나타났다 8). 연도별로는 2009년 150건, 2010년 131건, 2011년 184건, 2012년 191건, 2013년 141건으로 나타났다. 충전방식별로는 자기유도방식은 2009년 102건에서 2013년에는 54건으로 감소하였으며, 자기공진방식은 2009년 48건에서 2013년에는 87건으로 증가한 것으로 나타났다[1]. 무선충전기술이 점차 자기유도방식에서 자기공진방식으로 전화되고 있음을 알 수 있다. 충전방식별/연도별 무선충전기술 특허출원 현황을 그림 1에 나타낸다.


▲ 그림 1. 충전방식별/연도별 무선충전기술 특허출원 현황


충전방식별, 연도별 특허출원건수를 보면 자기유도방식은 2009~2011년 동안 206건을 기록하였다 9). 자기공진방식은 2009∼2013년 동안 355건을 기록하였다. 이중 기업이 67%(223건)를 차지하였다. 2009년 2건에서 2013년 64건으로 큰 폭의 증가세를 기록하였다 10). 국내 양대 스마트폰 제조사인 삼성전자와 LG전자의 경우 삼성전자는 자기공진방식, LG전자는 자기유도방식을 적용하고 있다. 현재 국내 무선충전 기술의 주 적용분야인 모바일기기의 경우 자기유도방식의 무선충전기가 시판되고 있는 상황에서 자기공진방식의 무선충전 특허가 증가하고 있는 이유는 다음과 같다[2].


- ‌자기유도방식에서는 충전기와 스마트폰 간 거리가 매우 가까워야 하고, 또한 충전기와 스마트폰 간 정합성이 좋아야만 충전이 되는 단점이 있기 때문이다.


- ‌충전기 하나에 스마트폰 하나만이 충전되기 때문에 기존의 유선충전에 비해 사용자의 편리성 면에서 매우 미흡하기 때문이다.


자기공진방식의 경우 충전기와 스마트폰 간 거리에 어느 정도 자유도가 있으며, 또한 충전기 하나로 여러 개의 스마트폰을 충전할 수 있기 때문에 매우 큰 관심을 가지고 있다. 자기공진방식을 활성화시키기 위해서는 우선적으로 사용주파수가 정해져야 하고 인체유해성 및 충전효율성에 대한 검증이 필요하다. 주요 출원인은 자기유도방식의 경우 한국과학기술원이 가장 많은 특허를 출원하였으며, 자동차나 주요 전자회사들의 비중이 적은 것으로 나타났다. 자기공진방식의 경우 도요타/삼성전자/Witricity 등 주로 자동차나 모바일기기 제조사들이 주를 이룸으로써 응용성에 있어서 두 방식의 차별화가 진행되고 있음을 알 수 있다. 


무선충전기술 시장동향


1. 글로벌 무선충전기술 전체 시장규모

글로벌 무선충전 시장규모는 2015년 16억 달러에서 연평균 60% 이상의 높은 성장을 지속하여 2020년에는 170억 달러의 대규모 시장을 형성할 것으로 예상된다[3]. 글로벌 무선충전 전체 시장규모를 그림 2에 나타낸다.


▲ 그림 2. 글로벌 무선충전 전체 시장규모


특히, WPC 국제표준을 수용한 글로벌 부품업체로 부상하고 있는 LG이노텍의 수신 Rx Coil 모듈의 경우 전 세계 주요 전기자동차 제조사에 무선충전기를 공급하면서 42%의 글로벌 시장점유율 기록하고 있다[4].


2. 글로벌 무선충전기 시장규모

무선충전 기술은 모바일기기 및 홈 어플라이언스를 넘어 전기자동차 분야로 확산되고 있다. 퀄컴은 2017년 이후 전기자동차 무선충전기술(헤일로(HALO) 11)을 상용화할 예정이다. 글로벌 무선충전기(송수신기) 판매량은 2014년 5,500만 대, 2015년 1억2,000만 대에서 2024년에는 20억 대 이상이 보급될 것으로 예상된다. 시장규모는 2014년 1,500만 달러, 2015년 17억 달러에서 2025년에는 150억 달러의 대규모 시장을 형성할 것으로 예상된다[5]. 글로벌 무선충전기 시장추이를 그림 3과 그림 4에 나타낸다.


▲ 그림 3. 글로벌 무선충전기 시장추이(판매량)


▲ 그림 4. 글로벌 무선충전기 시장추이(시장규모)


현재 시장을 주도하고 있는 기업은 국내 기업들로써 삼성전기와 LG이노텍이 2013년 기준 글로벌 무선충전 수신기 시장에서 각각 40%, 42%의 시장점유율을 기록하였다. 차세대 유망 무선충전 기술로 떠오르고 있는 A4WP의 상용화도 국내기업들이 주도하고 있다 12).


3. 국가별/충전방식별/용도별 무선충전 시장추이

충전방식별 글로벌 시장규모는 자기유도방식의 경우 2015년 16억 달러에서 연평균 60.5%의 높은 성장을 지속하여 2020년에는 170억 달러(자기유도+자기공진)의 대규모 시장을 형성할 것으로 예상된다. 지역별로는 아시아/태평양 시장이 연평균 62.9%의 높은 성장을 지속하여 2017년 17억 달러(전 세계의 42.5%)의 대규모 시장을 형성할 것으로 예상된다. 국내 시장규모는 2015년 2억4,200만 달러에서 연평균 60.7%의 높은 성장을 지속하여 2020년에는 26억 달러의 대규모 시장을 형성할 것으로 예상된다[5]. 충전방식별/연도별 글로벌 시장규모 추이를 그림 5에 나타낸다.


▲ 그림 5. 충전방식별/연도별 글로벌 시장규모


2022년 기준, 무선충전기술과 관련된 디지털가전 대비 전기자동차 시장규모를 비교해보면 동아시아가 40%로 가장 크며, 유럽과 북미지역이 각각 25%, 기타지역이 10% 정도를 차지할 것으로 예상된다[5]. (그림 6 참조)


▲ 그림 6. 디지털가전 대비 전기자동차 시장규모 비교_2022


미국을 중심으로 모바일기기용 무선충전기 시장이 형성되면서 인프라 확장 등을 통해 꾸준히 시장이 성장하고 있다. 글로벌 무선충전 시장은 2015년부터 급성장하여 2021년에는 120억 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다. 향후 전기자동차 무선충전 시장으로 확대되어 2018년 전기자동차 및 디지털가전용 무선충전이 전체 시장의 약 60%를 차지할 것으로 예상된다. 또한 2020년까지 전기자동차 충전기시장은 약 21억 달러에 이를 것으로 예상된다[6][7].


결언


모바일기기에 3D게임, 영화 등 많은 전력을 필요로 하는 콘텐츠들이 탑재되기 시작하면서 대용량 배터리 수요가 급속히 증가하고 있다. 무선충전 송신기는 주로 단독으로 사용되어 충전기능이 있는 제품과 함께 사용하고 있으나, 2016년 이후부터는 자동차 및 가구 등에 설치가 증가되면서 자동차 안이나 집안에서도 무선충전을 할 수 있게 되었다. 이처럼 누구나 어디에서나 자유로이 무선충전을 할 수 있는 인프라가 빠르게 구축될 것으로 예상된다. 국내 무선충전 산업은 정부차원의 기술 및 인프라 지원이 부족하여 완제품 중소업체들은 WPC/PMA/A4WP 등 신규 국제표준을 적용한 제품개발에 많은 어려움을 겪고 있다. 


아울러 대만과 중국의 저가공세로 인해 글로벌 시장진입에도 난관을 겪고 있는 상황이다. 국내 무선충전 기술의 글로벌화를 위해서는 품질개선을 위한 시험장비 기술 확보, 국제규격 품질인증에 대비한 설계기술 확보 등 경쟁력 강화가 요구된다. 나아가 차세대 유망기술인 무선충전 산업 활성화를 위해 AirFuel과 Qi 국제표준 시험인증을 지원할 수 있는 제도적 기반이 필요하다. 이를 통해 새로운 비즈니스 모델을 도출하여 차세대 무선충전 기술의 산업화를 견인할 필요가 있다. 


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1) ‌가장 큰 시장이 형성되고 있는 다양한 모바일기기에서부터 IoT기기, 웨어러블 기기, 디지털 가전, 전기자동차, 산업용/의료용 기기 등에 활용이 확대될 전망이다. 비접촉식 분야에서는 휴대폰/카메라/전동치솔 충전 등이 상용화되어 있다.


2) WPC(Wireless Power Consortium) : 자기유도 방식의 ‘Qi’ 규격 사용


3) ‌A4WP(Alliance for Wireless Power), PMA(Power Matters Alliance) : 자기공진 방식 ‘리젠스(Rezence)’를 표준으로 제정하였으며, 2015년 11월에 AirFuel로 통합되었음


4) ‌삼성 갤럭시S6 전략모델에 WPC&PMA Dual 수신부를 기본 내장하면서 세계적으로 무선충전 인프라가 확산되고 있다.


5) ‌2013년 세계경제포럼에서는 지속가능한 성장을 주도할 10대 유망기술로 무선충전 기술을 활용한 온라인 전기자동차(On-line electric vehicle)를 선정한바 있다.


6) ‌초기에는 배터리충전 시 약 20%의 에너지손실이 발생하였으나, 2011년 이후 시판 시에는 90% 이상의 에너지효율성을 보인 것으로 평가받고 있다.


7) ‌스마트폰과 전기자동차의 보급 확산으로 보다 편리한 배터리 충전 수요가 늘어나면서 일정한 거리에서 자유롭게 이동하면서 충전이 가능한 무선충전 기술개발이 활발함


8) ‌2013년 이후부터는 3G 이동통신과 스마트폰의 급속한 대중화와 아울러 디지털 가전기기, 웨어러블 기기, IoT 기기, 산업용 기기 및 전기자동차 등 매우 다양한 무선충전 기술 관련 특허출원이 혼용되어 있어 용도별 특허출원건수를 정확히 파악하기 어려움이 있음


9) ‌이 중 100건을 KAIST가 출원하였는데 이는 온라인전기자동차(OLEV) 프로젝트를 통해 자기유도방식 관련 기술을 다수 확보했기 때문인 것으로 판단됨


10) ‌이는 기업들이 A4WP 표준규격 제정에 적극 참여하면서 먼 거리에서 자유롭게 무선충전이 가능한 상용화제품 출시를 위한 활발한 연구개발 때문인 것으로 판단됨


11) ‌차량이 충전판 위에 올라서면 자동으로 무선충전이 되는 방식으로 퀄컴의 자체 헤일로 스마트폰 앱을 통해 충전과정을 볼 수 있으며, 3~4시간이면 완충전이 가능하다.


12) ‌맵스는 A4WP용 수신 칩을 미국산 웨어러블 기기와 모바일기기에 최초로 상용화하였다. 아울러 웨어러블 기기용 수신 칩 외에 송신용 컨트롤러 칩, WPC·A4WP 동시지원 수신 칩 등도 출시하고 있다.


 

박세환 Ph.D.  한국과학기술정보연구원 ReSEAT프로그램 전문연구위원

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