Qi

초기 표준화 및 경쟁

• 2008년 12월 17일: 필립스, 텍사스 인스트루먼트, 삼성전자, 노키아 등 주요 전자기기 제조사들이 모여 무선 전력 위원회(WPC)를 설립했다.
• 2010년 8월: WPC가 Qi 표준 1.0 버전을 공식 발표했다. 초기 규격은 최대 5W의 전력 전송만을 지원했다.
• 2010년대 초반 (표준화 전쟁): Qi는 초기 시장에서 PMA 및 A4WP와 같은 다른 무선 충전 표준과 경쟁했다. PMA와 A4WP는 2015년 에어퓨얼 얼라이언스로 통합되어, 자기 공진 방식(더 긴 거리 전송 가능)을 내세워 Qi의 자기 유도 방식과 경쟁했다.
• 2015년 6월: WPC가 Qi 표준 1.2 버전을 발표하며, 최대 15W의 고속 무선 충전을 지원하는 EPP(Extended Power Profile) 규격을 도입했다.

시장 지배력 확보

• 2017년 2월: 애플이 WPC에 회원사로 가입했다.
• 2017년 9월 12일: 애플이 아이폰 8, 아이폰 8 플러스 및 아이폰 X에 Qi 표준을 단독으로 채택한다고 발표했다. 이는 Qi 표준이 사실상의 업계 표준으로 자리매김하는 결정적인 계기가 되었다.
• 2018년: 경쟁 표준이던 PMA의 핵심 멤버였던 파워매트가 WPC에 합류하고 자사 기술을 Qi와 호환되도록 업데이트하겠다고 발표하면서, 사실상 무선 충전 표준화 전쟁은 Qi의 승리로 종결되었다.

Qi2로의 진화

• 2023년 1월 3일: WPC는 CES 2023에서 차세대 표준인 Qi2를 공식 발표했다. 이는 애플과의 협력을 통해 맥세이프 기술을 기반으로 한 자석 정렬 기능 MPP를 도입한 것이 특징이다.
• 2023년 말: 아이폰 15 시리즈가 Qi2 MPP를 지원하는 첫 번째 기기로 출시되었으며, 이후 안드로이드 제조사 및 액세서리 업체들도 Qi2 인증 제품을 출시하기 시작했다.

1. 자기 유도

송신부 내부의 1차 코일(송신 코일)에 교류 전류가 흐르면, 앙페르의 법칙에 따라 코일 주변에 주기적으로 변화하는 자기장(2)이 발생한다.

이 자기장 범위 안에 수신부의 2차 코일(수신 코일, 3)이 놓이면, 패러데이의 유도 법칙에 따라 2차 코일에 기전력이 발생하여 전류가 흐른다.

수신부는 이 교류 전류를 정류 회로를 통해 직류로 변환한 뒤, 전압을 조절하여 배터리(4)를 충전한다.

2. 통신 및 제어

Qi는 단순한 전력 전송을 넘어, 송신부와 수신부 간의 정교한 양방향 통신을 수행한다.

• 인증 및 식별: 수신 기기는 충전 패드에 "Ping" 신호를 받으면 자신이 유효한 Qi 인증 기기임을 알리는 신호 패킷을 보낸다.
• 전력 협상: 수신기는 자신이 필요로 하는 전력량(예: 5W 또는 15W)이나 현재 배터리 상태, 온도 등의 정보를 송신부에 전달한다.
• 통신 방식: 이 통신은 주 전력 전송 신호에 데이터를 겹쳐서 보낸다. 수신기는 부하 변조 방식을 사용해 자신의 회로 부하를 미세하게 변화시켜, 이 변화가 송신부 코일의 전류 또는 전압에 미치는 영향을 송신부가 감지하여 데이터를 읽어낸다.

3. 이물질 감지

Qi의 핵심 안전 기능 중 하나이다. 충전기와 기기 사이에 동전, 클립, 열쇠와 같은 금속 이물질이 있을 경우, 유도 전류에 의해 이물질이 매우 뜨겁게 가열되어 화재나 화상의 위험이 있다.

이를 방지하기 위해, 송신부는 전력 전송 전후로 정밀한 전력 손실 측정을 수행한다. 만약 기기가 요청한 전력보다 비정상적으로 많은 전력 손실이 감지되면(즉, 에너지가 이물질에 의해 흡수되면), 송신부는 즉시 전력 전송을 중단하고 사용자에게 경고(예: LED 점멸)를 보낸다.

전력 프로파일

Qi 표준은 여러 전력 프로파일을 정의하며, 가장 일반적인 것은 다음과 같다.

• BPP (Baseline Power Profile):

최대 5W의 전력을 지원하는 기본 표준이다. Qi 1.0 규격의 핵심이며, 대부분의 구형 또는 저가형 무선 충전 기기가 이 프로파일을 사용한다.

• EPP (Extended Power Profile):

Qi 1.2 규격부터 도입되었으며, 최대 15W의 전력을 지원하여 더 빠른 충전 속도를 제공한다. EPP로 15W 충전을 하기 위해서는 송신부와 수신부 모두 EPP 인증을 받아야 하며, 더 정교한 통신과 인증 절차를 거친다.

• 독자 규격 (Proprietary Extensions):

삼성전자의 Fast Wireless Charging (9W/10W/15W)이나 구글의 Pixel Stand (최대 23W) 등 일부 제조사는 EPP를 기반으로 하거나 BPP를 확장하여 5W 이상의 독자적인 고속 충전 프로토콜을 사용한다. 이러한 경우, 해당 제조사의 인증을 받은 전용 충전기를 사용해야만 최대 속도를 낼 수 있으며, 일반 Qi 충전기에서는 5W(BPP) 또는 15W(EPP)로 작동한다.

MPP (Magnetic Power Profile)

Qi2의 핵심은 MPP(자기 전력 프로파일)의 도입이다. 이는 애플이 아이폰 12에 도입한 맥세이프 기술을 기반으로 하며, WPC가 애플과의 협력을 통해 이를 개방형 표준으로 편입시켰다.

• 자석 기반 정렬: 충전기와 기기에 자석 링을 내장하여, 기기를 가까이 가져가면 항상 최적의 코일 위치로 찰싹 달라붙어 고정된다.
• 15W 고속 충전 보편화: MPP는 자석 정렬을 통해 항상 완벽한 효율을 보장하므로, 안정적인 15W 고속 충전을 제공한다.
• EPP 업데이트: Qi2는 자석이 없는 기존의 평면형 충전기에 대한 규격도 업데이트하여, 통신 및 효율성 표준을 강화했다.

Qi2의 이점

• 에너지 효율 향상: 완벽한 코일 정렬로 에너지 손실을 최소화하여, 발열을 줄이고 더 친환경적이다.
• 최고의 편의성: 자석으로 고정되어 충전 중 기기를 사용하기 편리하며, 정렬에 신경 쓸 필요가 없다.
• 새로운 폼팩터 지원: 자석 고정 방식을 통해 스마트폰뿐만 아니라 헤드셋, VR 기기, 카메라 등 불규칙한 형태의 기기에도 무선 충전 적용이 용이해졌다.