고속충전
고속충전(fast charging)은 전용 충전기를 사용해서 일반 충전기보다 훨씬 빠른 속도로 충전하는 충전 방식이다.
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개요[편집]
고속충전은 충전 표준(5W)보다 빠른 속도로 충전할 수 있는 것을 말한다. 빠른 충전 속도를 지원하는 기술에는 여러 가지가 있지만 해당 기술과 관련하여 업계에서 표준으로 인정되는 적절한 설명은 제공되지 않고 있다. 그뿐 아니라, 자사 제품이 빠른 충전 속도를 제공한다고 주장하는 제조 업체는 많지만 실제로는 표준 속도인 5W로만 충전이 가능한 경우도 있다. 충전과 관련된 기본 구성 요소는 전류, 전압 및 전력량이다. 전류는 배터리에서 휴대폰이나 기타 연결된 장치로 전송되는 전기의 양이고, 전압은 전류의 속도 및 강도이다. 그리고 전력량은 전류에 전압을 곱한 값이다. 이러한 각 구성 요소는 급수 호스의 개별 요소와 비슷하다. 전류는 호스의 폭, 전압은 수압, 그리고 전력량은 호스에서 방출되는 물의 양이라고 할 수 있겠다.[1] 유에스비 충전 전압은 버전이나 연결 기기에 상관없이 5V로 일정하며 유에스비 2.0 기준 기본 0.5W에 연결되는 기기가 필요로 하는 전류에 따라 최대 2.5W까지 조절된다. 유에스비 3.0 기준으로는 4.5W, 유에스비 gen2x2 기준 1.5A까지 최대 출력이 지원되지만, 7.5W밖에 되지 않아 고속충전이 필요한 기기에 적합하지 않다. 각종 모바일 기기들이 고성능화, 고용량화됨에 따라, 유에스비 자체 충전 성능의 부족함을 느낀 여러 애플리케이션 프로세서(AP) 제조사 혹은 완제품 제조사 등에서 각자의 충전 규격을 내세워 고속충전의 시대를 열었다. 대표적으로 퀄컴(Qualcomm)의 퀵차지(Quick Charge) 기술이 있다.[2] 이 외에 애플(Apple) 규격의 유에스비-PD(USB Power Delivery)와 삼성전자㈜(Samsung)의 AFC(Adaptive Fast Charging), 에이수스(ASUS)의 부스트 마스터(Boost Master), 중국 스마트폰 기업인 오포(Oppo)의 VOOC(Voltage Open Loop Multi-step Constant-Current Charging) 등이 있다.[3]
방법[편집]
고속충전 과정을 시작하려면 적절한 장비가 필요하다. 스마트폰, 태블릿, 노트북, 기타 장치 등에서 모두 같은 고속충전 표준을 사용해야 한다. 케이블 역시 장치와 충전기에 사용하는 고속충전 표준과 호환되어야 하는 경우도 있다. 휴대폰, 노트북 또는 기타 장치와 호환되는 고속충전 표준이 적용된 충전기와 케이블을 준비한 후 충전기 혹은 케이블의 최대 충전 속도를 잘 확인한다. 예를 들어 최대 충전 속도가 18W인 스마트폰에 27W 충전기를 사용하는 경우, 휴대폰은 18W로 충전된다.[1]
표준 기술[편집]
퀵차지[편집]
퀵차지(Quick Charge)는 전 세계적으로 가장 많이 보급되는 퀄컴의 규격이기 때문에 암묵적인 고속충전의 공식 구격이라고 할 수 있다. 퀵차지 1.0은 5V 2A, 최대 10W의 출력으로 기기를 충전한다. 오래 전부터 최신 기기에는 사용하지 않는 구격이지만 5V 2A는 아직도 고속충전기 또는 고속충전 보조배터리를 자처하는 저가형 제품들에 많이 적용되고 있는 스펙이다. 퀵차지 2.0은 5V 2A, 9V 1.8A, 12V 1.5A의 세 단계로 출력이 조절되며 최대 18W 출력으로 충전할 수 있다. 퀵차지 3.0은 3.6~6.5V 3A, 6.5~9V 2A, 9~12V 1.5A로 성능표에 표시되며 최대 18W로 퀵차지 2.0과 최대 출력은 동일하지만, 계단식으로 조절되는 퀵차지 2.0과 달리 출력이 선형으로 조절된다. 퀵차지 2.0보다 정밀하게 충전 전력을 조절하여 기기가 필요로 하는 전력을 공급하므로, 출력 효율이 높고 체감 성능이 빠르며 충전하는 기기의 수명에도 좋은 영향을 준다.[2] 고속충전 기술은 점차 발전을 이뤄가고 있지만, 문제는 충전 과정에서 발생하는 발열 상승과 높은 전압 및 전류에 따른 케이블 호환성이었다. 이를 해결하지 못하면 더 빠른 충전은 어려운 일이었다. 하지만 범용성까지 놓칠 수는 없기에 퀄컴은 유에스비-PD와의 호환성을 일부 포함해 성능을 높인 퀵차지 4.0을 공개한다. 하지만 퀵차지 QC 1.0~3.0과의 호환성은 사라지게 되었다. 퀵차지 4.0은 유에스비-PD 규격을 준수하면서 빠르고 안정적인 충전을 위해 개발됐다. 그러나 충전 전압과 전류를 스마트폰과 정확히 연동해 부하를 주지 않는 배터리 보호 기능과 듀얼 충전 기술을 통해 발열을 5℃ 가량 낮췄다. 스냅드래곤 835가 탑재된 기기부터 이 기능을 쓸 수 있다. 이어 얼마 되지 않아 퀄컴은 다시 퀵차지 4.0+를 공개하게 된다. 이전 기술보다 온도를 3도 낮추고 효율은 30% 높였다. 충전 속도도 15%가량 빨라진 것이 특징이다. 퀄컴의 자료에 의하면 50%까지 15분 만에, 5분가량 충전하면 5시간가량 사용 가능하다는 점을 강조하고 있다.[3] 퀵차지 5.0은 스마트폰 상에서 100W 이상의 전력을 지원하며, 5분만에 방전 상태에서 50%까지 충전할 수 있다. 또한, 퀄컴 배터리 세이버(Qualcomm Battery Saver)와 신규 퀄컴 스마트 어댑터 기능(Qualcomm Smart Identification of Adapter Capabilities)의 식별 기술이 탑재돼 있다. 이를 통해 최상의 효율성을 제공하고, 사용자가 기기의 배터리 수명을 연장할 수 있다. 퀵차지 5.0은 이전 버전 퀵차지 4에 비해 70% 이상 향상된 효율성을 자랑하며, 1세대인 퀵차지 1에 비해 10배 높은 전력 공급을 제공한다. 또한, 자동차 어댑터에서 도킹 스테이션에 이르기까지 1200개 이상의 모바일 기기, 액세서리와 제어기에 적용 가능한 고속충전 방식으로 핸드셋과 노트북 충전 생태계를 통합한다. 기존 단말기와도 호환되며, USB-PD와 타입 C 기술의 장점을 채택해 미래 안드로이드 요구사항도 충족할 예정이다. 퀵차지 5.0은 스냅드래곤 865와 865+를 비롯한 향후 선보일 프리미엄 고급 스냅드래곤 모바일 플랫폼에서 지원된다.[4] 퀵차지 5.0은 퀵차지 4.0보다 최대 4배나 빨라진 충전 속도를 지원할 뿐만 아니라 철저한 최대치의 안전 장치도 적용되어 있다. 퀵차지 5.0는 유에스비 입력 25V 과전압 보호 및 30V 이상의 외부 전원 제어 장치를 비롯해 12개의 개별 전압, 전류 및 온도 보호 기능을 탑재하고 있다. 구동 시 온도는 퀵차지 4.0 대비 10℃ 더 낮다. 퀵차지 5.0은 듀얼 / 삼중(Dual/Triple) 충전 기술, 입력 전압 조절 기능, 지능형 최적 전압 관리 4(INOV4) 기능을 적용해 전력 전송 효율을 극대화하고, 안전성은 강화하며 사용자 기기의 배터리 수명을 연장해 준다.[5]
유에스비 PD[편집]
유에스비 PD(USB Power Delivery)는 유에스비 타입-C를 이용하여 최대 100W까지 전력 공급이 가능한 고속충전 기술이다. 2.0과 3.0 규격이 사용되고 있으며, 충전 성능은 5V 3A(15W), 9V 3A(27W), 15V 3A(45W), 20V 5A(100W) 네 가지로 구분된다. 유에스비 PD 충전을 위해서는 이를 지원하는 C to C 케이블이 필요하다. 케이블도 허용 전압과 전류 값이 다르기 때문에 사용하려는 충전기 및 충전 기기에 맞는 케이블을 구매해야 한다.[2] 과거 유에스비-C 규격 단자를 채용해 여러모로 화제가 되었던 애플 맥북에 이 기술이 적용된 바 있다. 이 외에 구글(Google) 넥서스(NEXUS) 5X와 6P, 픽셀(Pixel) 등에서 유에스비-PD를 채용했다.[3] 유에스비(Universal Serial Bus)에서 정한 표준 충전 기술은 유에스비-PD다. 본래 유에스비는 스마트폰이 없던 시절인 1994년에 데이터 전송을 위해 컴팩(Compaq), 디지털 이큅먼트 코퍼레이션(DEC), 아이비엠(IBM), 인텔(Intel), 엔에프씨(NFC), 노텔(nortel) 등 7개사가 모여 공동 개발한 범용 인터페이스 규격이다. 유에스비 단자를 통한 전력 공급 기술이 2007년부터 발표되었고, 2012년에 이르러 유에스비 PD라는 용어가 처음으로 등장했다. 유에스비 PD의 독특함 양방향 충전에서 찾을 수 있다. 오로지 플러그에서 제품으로 전력을 공급하는 일반 충전기와 달리 유에스비 PD는 필요에 따라 반대로도 할 수 있다. 최근 출시된 노트북이 외장배터리처럼 활용될 수 있는 것도 이 기술에 따른 것이다. 다수 기기를 연결해 동시에 전력을 공급할 수도 있는데, 이때 똑같은 전력을 공급하는 게 아니라 각 기기가 필요한 전력만 공급하는 최적화된 전력 관리가 가능하다. 기본적으로 기기별 정격전력만 공급하되, 특정 애플리케이션의 전력 소모가 크면 더 많은 전력을 해당 기기에 공급하는 식이다. 유에스비가 표준 규격인 만큼 유에스비 PD 역시 범용으로 활용할 수 있다. 예를 들어 스마트폰, 태블릿, 노트북, 외장배터리, 웨어러블 등 다수 스마트 기기를 들고 다니는 경우라면 전용 충전기를 여럿 들고 다니기보다 범용 유에스비 PD 충전기 하나를 들고 다니는 편이 훨씬 편리하다. 공간을 많이 차지하는 노트북 전원 어댑터보다 훨씬 작으면서도 비용 면에서 합리적이다.[6]
전기자동차[편집]
단 6분 만에 전기자동차를 90% 충전할 수 있는 고속충전 기술이 공개됐다. 이는 전 세계적으로 전기차 시장의 빠른 확대 추세 속에서 느린 충전 속도와 낮은 출력이 걸림돌로 지적돼 온 가운데 업계 큰 반향을 불러 일으킬 수 있을 것으로 보인다. 포항공과대학교 신소재공학과 강병우 교수는 성균관대학교 에너지학과 윤원섭 교수팀과 함께 더 빨리 충전되고 오래 유지되는 전기차 전지 소재를 개발했다. 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 '에너지와 환경과학'(Energy & Environmental Science)에 실렸다. 지금까지는 2차전지의 빠른 충전 및 방전을 위해 전극 물질 입자 크기를 줄이는 방법이 이용됐다. 그러나 입자 크기를 줄이면 2차전지 부피 에너지 밀도가 줄어드는 단점이 있었다. 연구팀은 입자 크기를 줄이지 않고도 충방전 상변이 과정에 중간상을 형성시키면 에너지 밀도의 손실 없이도 빠른 충·방전과 고출력이 가능하다는 사실을 밝혀냈다. 뿐만 아니라 오래가는 2차전지의 개발 가능성도 확인했다. 상변이 과정은 전극 물질 중 상전이 물질에서 일어나는 현상으로 충방전 시 리튬이 삽입 및 탈리되면서 물질 기존 상이 새로운 상으로 변하는 과정을 가리킨다. 연구팀이 개발한 합성법을 이용하면 입자 안에 있는 두 상의 부피 변화를 줄이는 완충 역할의 중간상을 유도할 수 있다. 이를 통해 전극 내 수많은 입자들이 균일한 전기 화학 반응을 일으켜 충방전 속도를 획기적으로 증가시킬 수 있다는 게 연구팀의 설명이다. 연구팀이 합성한 2차전지 전극은 6분 만에 90%까지 충전되는 것으로 확인됐다.[7]
오해와 진실[편집]
간혹 고속충전기 사용이 배터리에 악영향을 주지 않을까 우려하는 사람들이 있다. 하지만 고속충전기 사용이 휴대폰 배터리에 장기적인 악영향을 주진 않는다. 일반적인 휴대폰 충전기는 5W나 10W 정도의 출력을 갖는다. 고속충전기는 8배 이상까지 출력을 늘릴 수 있다. 아이폰 11 프로와 프로맥스는 18W 고속충전기를 제공하고, 갤럭시노트10과 노트10 플러스는 25W 고속충전기를 제공한다. 삼성전자는 45W 고속충전기를 별도로 판매할 계획이기도 하다. 고속 충전은 2단계로 이뤄진다. 첫 단계는 처음 10분, 15분 혹은 30분 동안 50~70%까지 전력을 충전한다. 첫 단계 중 배터리는 수명에 악영향을 받지 않고 빠르게 전기를 충전할 수 있다. 삼성전자는 45W 충전기 사용시 방전 상태에서 70% 충전까지 30분 걸린다고 설명한다. 애플은 아이폰11프로를 50% 충전하는데 고속충전기로 30분 걸린다고 한다. 두 번째 단계에서 휴대폰은 충전 속도를 늦춘다. 70~80% 충전된 이후 충전 속도를 줄이거나 배터리를 손상시킬 수 있는 충전 절차를 관리한다. 아이픽스잇(iFixit)의 엔지니어는 배터리를 스펀지로 비유한다. 완전히 마른 스펀지는 처음 물에 닿을 때 빠르게 수분을 흡수한다. 배터리 고속 충전 단계도 이와 같다. 스펀지는 시간이 흐를수록 적은 물을 흡수한다. 흡수되지 못한 물은 물방울로 스펀지 표면에 맺힌다. 배터리의 경우 충전되지 못한 잔여 전력이 나쁜 영향을 줄 수 있다. 그러나 휴대폰의 배터리 관리 시스템이 단계별로 충전 속도를 조절하기 때문에 그 충격은 최소화된다. 완충을 앞둔 휴대폰이 100%에 이르기까지 마지막 단계에서 10분 이상 걸리는 것은 이것으로 설명된다.[8]
전망[편집]
유에스비 PD 충전기는 일반 노트북 충전어댑터보다는 훨씬 작지만 기존 스마트폰 충전기보다 큰 것도 사실이다. 갤럭시 노트 10 플러스의 45W 충전기를 못생기고 투박하다 느끼는 이가 있는 것도 어찌 보면 당연하다. 문제는 기기에 탑재될 배터리가 커질수록 이를 충전해야 하는 충전기도 출력을 늘려야 하고, 따라서 그만큼 커져야 한다는 데 있다. 이에 업계는 5G 시대 필수 소재로 일컫는 질화갈륨(GaN)에 주목하고 있다. 질화칼륨은 오래 전부터 반도체 소재로 쓰였던 물질이다. 최근 고속충전 기술을 개발하는 분야에서는 질화칼륨의 높은 전력증폭 성능에 주목하고 제품 소형화에 활용하고 있다. 기존 충전기는 트랜지스터에 실리콘을 써 왔지만 이보다 효율이 높은 질화갈륨을 적용하면 제품 크기뿐만 아니라 발열까지 효과적으로 줄일 수 있다. 이미 해외에서는 질화갈륨 충전기를 2018년부터 선보였다. 국내는 유에스비 PD 도입에는 적극적이지만 질화갈륨에 대한 연구는 대체로 신중한 편이다. 2019년 기준 질화갈륨 충전기를 국내 기업이 출시한 사례는 확인되지 않았다. 안전성을 충분히 검토한 후 2020년부터 본격적인 양산에 들어갈 예정이다. 업계 관계자들은 이 시기를 기점으로 질화갈륨 충전기의 가격도 내려갈 것으로 보고 있다. ㈜아트뮤코리아(Artmu Korea)는 2020년 양산을 목표로 질화갈륨 소재 충전기 출시를 검토하고 있다. 기존 유에스비 PD 충전기 라인업은 대폭 늘리고 차량용 충전기도 연내 출시할 계획이다. ㈜슈피겐코리아(Spigen Korea) 역시 유에스비 PD 지원 제품을 케이블에서 충전기와 보조배터리까지 확장하고 2020년부터 질화칼륨 충전기를 선보인다. 코마테크㈜(Koma-tech)는 질화갈륨 충전기 개발과 안전성 검증이 거의 막바지에 이르렀다.[6]
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 〈고속충전〉, 《벨킨》
- ↑ 2.0 2.1 2.2 SuperRich, 〈고속 충전 규격 용어 정리 - QC 2.0 3.0 ( 차지), AFC, SFC, USB PD, PPS 등. 충전기 / 보조 배터리 선택 요령〉, 《티스토리》, 2020-05-31
- ↑ 3.0 3.1 3.2 강형석 기자, 〈'스마트폰 충전' 어디까지 왔니? - 1부 충전의 역사와 고속충전의 원리〉, 《다나와》, 2021-03-11
- ↑ 배유미 기자, 〈퀄컴, 5분만에 50% 충전하는 퀵차지 5 공개〉, 《테크노월드》, 2020-07-28
- ↑ 퀄컴 코리아, 〈세계에서 가장 빠른 상업용 충전 솔루션, 퀄컴 퀵차지 5 (Quick Charge 5)〉, 《네이버 블로그》, 2020-07-28
- ↑ 6.0 6.1 김광회 넥스트데일리 기자, 〈(테크리포트) 30분이면 하루 충분... 속도 내는 '고속충전 기술'〉, 《전자신문》, 2019-10-01
- ↑ 신현아 기자, 〈전기차 고속충전 기술 나왔다…6분 만에 90% 충전〉, 《한국경제》, 2020-10-19
- ↑ 김우용 기자, 〈고속충전 쓰면 휴대폰 배터리에 벌어지는 일〉, 《지디넷코리아》, 2019-12-26
참고자료[편집]
- 〈고속충전〉, 《벨킨》
- 김광회 넥스트데일리 기자, 〈(테크리포트) 30분이면 하루 충분... 속도 내는 '고속충전 기술'〉, 《전자신문》, 2019-10-01
- 김우용 기자, 〈고속충전 쓰면 휴대폰 배터리에 벌어지는 일〉, 《지디넷코리아》, 2019-12-26
- SuperRich, 〈고속 충전 규격 용어 정리 - QC 2.0 3.0 ( 차지), AFC, SFC, USB PD, PPS 등. 충전기 / 보조 배터리 선택 요령〉, 《티스토리》, 2020-05-31
- 배유미 기자, 〈퀄컴, 5분만에 50% 충전하는 퀵차지 5 공개〉, 《테크노월드》, 2020-07-28
- 퀄컴 코리아, 〈세계에서 가장 빠른 상업용 충전 솔루션, 퀄컴 퀵차지 5 (Quick Charge 5)〉, 《네이버 블로그》, 2020-07-28
- 신현아 기자, 〈전기차 고속충전 기술 나왔다…6분 만에 90% 충전〉, 《한국경제》, 2020-10-19
- 강형석 기자, 〈'스마트폰 충전' 어디까지 왔니? - 1부 충전의 역사와 고속충전의 원리〉, 《다나와》, 2021-03-11
같이 보기[편집]
