포스코퓨처엠

AI는 단순히 새로운 기술을 넘어, 산업의 지형을 바꾸고

우리의 일하는 방식과 소통하는 방법도 재정의하고 있습니다.

이러한 변화의 물결 속에서, ‘정확하고 핵심적인 정보’를 얻는 능력은

그 어느 때보다 중요해졌는데요.

‘Q&AI’에서는 복잡하고 어려운 배터리, 전기차 관련 기술이나 트렌드에 대해

강력한 정보 분석과 정리 능력을 가진 AI에게 질문해

누구나 이해하기 쉽게 핵심만 짚어드리고자 합니다.

열두번째 주제로, ‘스마트폰 등에 사용되는 무선충전의 원리와

전기차 무선충전 기술’에 대해 알아보겠습니다.

⚡보이지 않는 힘이 전기를 건너 보낸다

‘무선충전’이라는 말을 들으면 뭔가 마법처럼 느껴지지만, 원리는 생각보다 단순합니다. 전선으로 직접 연결하지 않고도 ‘보이지 않는 힘의 흐름’을 통해 전기를 전달하는 것이 핵심입니다.

이 힘을 만들고 받는 부품이 바로 ‘코일’입니다. 전선을 동그랗게 여러 번 감아놓은 것인데, 충전판 안에도, 스마트폰이나 전기차 안에도 똑같이 들어있습니다. 한쪽 코일에 전기가 흐르면 자기장이 생기고, 그 자기장이 출렁이면 맞은편 코일에 다시 전기가 만들어지는 방식으로 충전이 이루어 집니다.

쉬운 예로 들자면, 선풍기 두 대를 마주 놓고 한쪽만 세게 틀면, 그 바람 때문에 맞은편 선풍기 날개도 살짝 흔들립니다. 직접 손대지 않아도 ‘바람’이라는 힘이 건너간 것이죠. 무선충전에서는 전기가 흐르면 ‘자기장’이라는 보이지 않는 힘이 생기고, 이 힘이 출렁이면서 맞은편 기기에도 전기를 만들어냅니다.

무선 충전의 두가지 방식

앞서 설명한 것과 같이 무선충전의 99%는 이 ‘코일 두 개의 대화’로 설명됩니다. 그런데 이 ‘대화’를 만드는 방식에 따라 무선충전은 크게 두 가지로 나뉩니다.

- 전자기 유도 방식

스마트폰, 무선 이어폰처럼 작은 기기들이 쓰는 방식입니다. 두 코일이 거의 맞닿을 정도로 가까워야 힘이 잘 전달됩니다. 충전판에서 위치가 살짝만 어긋나도 충전 속도가 저하되는 한계가 있어 ‘딱 붙어야 잘 통한다’는 특성이 있습니다.

- 자기공진 방식

두 코일은 같은 ‘박자(주파수)’로 미리 맞춰두면 거리가 좀 떨어져 있어도 힘이 효율적으로 전달됩니다. 즉, 두 코일간 동일 주파수로 자기장을 형성해 에너지를 고효율로 전달하는 기술입니다.

스마트폰과 전기차, 같은 원리 다른 무게

스마트폰 무선충전과 전기차 무선충전은 ‘코일 두 개가 대화한다’는 기본 원리는 같습니다. 하지만 전기차 무선충전은 스마트폰 충전기를 단순히 ‘크게 만든 것’이 아닙니다. 다루는 전기의 양이 커지고, 거리가 멀어지고, 주차 위치까지 들쑥날쑥한 상황을 모두 고려해야 하는데요.

결국, 전기차 쪽에는 다음과 같이 스마트폰에는 없던 새로운 과제들이 따라붙습니다. 

- 전기의 양

스마트폰 무선충전은 약 10W-25W 안팎이면 충분합니다. 작은 손전등을 켜는 정도의 전력입니다. 반면 전기차는 한 번에 3,700W에서 많게는 22,000W까지 전달해야 합니다. 가정용 에어컨 수십대를 동시에 돌리는 수준입니다.

즉, 전달하는 힘의 크기가 1,000배 가까이 커진다는 것은 조금만 효율이 떨어져도 손실되는 전기의 절대량과 거기서 생기는 열의 양이 함께 커진다는 뜻입니다.

- 거리

스마트폰은 충전판에 거의 맞닿아야 충전이 잘 됩니다. 두 코일 사이의 틈이 종이 한 장 두께 정도일 때 가장 효율이 높습니다. 반면 전기차는 바닥에 깔린 충전패드와 차량 밑바닥 사이에 손바닥 한 뼘 정도(약 10~25cm)의 틈이 있어도 전기를 보낼 수 있어야 합니다. 거리가 멀어질수록 자기장의 힘은 약해지기 때문에, 같은 양의 전기를 보내려면 코일과 회로 설계 자체가 훨씬 더 정교해져야 합니다.

- 위치 정확도

스마트폰은 충전판 위 정해진 자리에 정확히 올려야 충전 속도가 나옵니다. 그런데 자동차는 매번 정확히 같은 위치에 주차하기 어렵습니다. 그래서 전기차 무선충전은 차량이 앞뒤·좌우로 조금 어긋나게 주차되더라도 충전 효율이 크게 떨어지지 않도록 설계해야 합니다. 코일의 모양을 넓게 만들거나, 여러 개의 코일을 겹쳐 배치하는 식으로 ‘오차에 둔감한’ 구조를 만드는 것이 중요한 기술 과제입니다.

이러한 기술적 요구사항에도 불구하고 최근 자기공진 방식을 활용해 무선충전을 지원하는 전기차들이 시장에 출시되고 있는데요. 아직은 11kW 정도의 완속충전을 지원하는 수준이지만, 향후 기술발전에 따라 고속 무선충전, 도로주행 중 무선충전 등 다양한 기술이 등장할 것으로 기대 됩니다.