스마트폰으로 즐길 수 있는 콘텐츠 종류와 수가 늘면서 배터리에 대한 관심도 덩달아 커지고 있습니다. 특히 고사양 게임이나 동영상 시청을 즐기는 사용자라면 한 번쯤 배터리 문제로 불편을 겪어보셨을 텐데요. 스마트폰 배터리와 관련한 사용자의 관심은 용량과 성능, (충전)속도 등 세 가지에 집중되는 게 일반적입니다.

갤럭시 S7 배터리는 이 같은 사용자 의견을 충실히 반영한 제품입니다. 용량은 더 커졌고 충전 시간은 눈에 띄게 줄었습니다. 동일 용량으로 최대 효율을 낼 수 있도록 성능도 개선했죠. 오늘은 스마트폰 배터리 성능을 최고 수준까지 끌어올리기 위해 고군분투한 개발진의 얘길 들려드립니다.

▲갤럭시 S7 배터리 기능 개선의 주역들. (왼쪽부터)박철우·최승철 수석, 박선영 선임, 서영호 수석

배터리, '용량'보다 중요한 건 '밀도'

대부분의 스마트폰 사용자는 사용 중인 제품의 배터리 용량이 부족하다고 느낍니다. 이 같은 요구를 반영, 배터리 용량을 늘리는 데만 집중한다면 기술적으로 어려울 게 없습니다. 하지만 문제는 그리 간단하지 않죠. 서영호 삼성전자 무선사업부 배터리랩 수석은 "얇고 세련된 디자인을 유지하는 동시에 용량까지 늘어난 배터리를 개발해야 한다는 점이 가장 힘들었다"고 말했습니다.

▲'용량은 늘리면서 저장 공간을 유지하려면 어떻게 해야 할까?' 이 질문에 대한 서영호 수석의 대답은 ‘에너지 밀도’였습니다.

서 수석이 숙제를 풀기 위해 집중한 건 '에너지 밀도'입니다. 아름다운 디자인을 유지하면서 물리적 공간도 늘리기 위해 밀도를 높이기로 한 거죠. 결과는 성공적이었습니다. 실제로 갤럭시 S7 시리즈는 대용량 배터리(갤럭시 S7 3000mAh, 갤럭시 S7 엣지 3600mAh)를 탑재하고도 유려한 모습으로 완성될 수 있었으니까요.

▲박선영 선임은 "수백 번 충전해도 성능이 구입 초기와 비슷하게 유지될 수 있도록 배터리 성능을 검증하는 작업이 쉽지 않았다"고 말했습니다 

배터리 성능을 검증하는 절차도 만만찮았습니다. 박선영 삼성전자 무선사업부 배터리랩 선임은 "스마트폰 배터리는 수 년간 사용하는 제품인 만큼 수백 번 충전해도 동일한 성능이 나올 수 있도록 검증하는 과정에 오랜 시간이 투여된다"고 말했는데요. 무엇 하나 쉬운 게 없어 보이죠?

용량은 같다, 더 오래 쓴다… 비결은?

용량 문제만 해결한다고 끝나는 건 물론 아닙니다. 배터리 용량이 정해져 있을 때 더 오래 쓸 수 있도록 소모 전류를 최소화하는 부분도 중요하거든요. 최승철 삼성전자 무선사업부 선행요소기술그룹 수석에 의하면 스마트폰 설계에서부터 애플리케이션(이하 '앱') 적용에 이르기까지 전 과정에서 배터리 사용 최적화를 위한 협업이 필요합니다. 특히 신규 기능을 추가할 땐 개발 단계에서부터 에너지 소모를 줄이면서도 동일한 기능을 구현할 수 있도록 해결책을 다 함께 고민하는 과정이 수반돼야 합니다.

▲최승철 수석은 "스마트 매니저 앱 내 '앱 제어' 기능을 활용하면 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있다"고 귀띔했습니다

최승철 수석은 가장 쉽게 적용할 수 있는 스마트폰 배터리 효율화 '꿀팁'으로 스마트 매니저 앱을 추천했습니다. 스마트 매니저는 배터리를 포함, 스마트폰을 효율적으로 관리할 수 있도록 돕는 앱인데요. 최 수석은 "특히 사용자가 선택한 기간 이상 사용하지 않은 앱을 효율화하는 '앱 제어' 기능을 활용하면 불필요한 배터리 소모를 줄일 수 있다"고 귀띔했습니다.

완전 충전까지 90분이면 거뜬!

스마트폰은 얼마나 오래 쓰는지도 중요하지만 충전에 소요되는 시간 역시 그에 못지않은 사용자의 관심사입니다. 삼성전자는 갤럭시 노트4 이후 꾸준히 급속 충전 기능을 개선해 왔는데요. 갤럭시 S7은 완전히 충전(이하 '완충')되기까지 90분, S7 엣지는 100분이면 충분합니다. 배터리 용량이 2550mAh였던 갤럭시 S6가 완충까지 85분 걸렸던 걸 생각하면 갤럭시 S7 배터리 성능이 얼마나 향상됐는지 짐작이 가시죠?

▲박철우 수석은 ”빠른 충전 못지않게 중요한 게 안전한 충전"이라고 강조했습니다

박철우 삼성전자 무선사업부 선행요소기술그룹 수석은 "빠른 충전뿐 아니라 안전한 충전도 중요하다"며 "갤럭시 S7 시리즈 배터리는 급속 충전 시 기기와 충전기 간 양방향 통신으로 충전 가능 수준을 확인, 충전기 성능 이상의 전류가 흐르지 않도록 보장한다"고 자신했습니다.

'용량을 늘리고 충전 속도는 줄이며 성능은 강화하라!' 스마트폰 배터리 개발진에게 주어진 미션은 뚜렷합니다. "사용자가 배터리 고민에서 자유롭도록 하는 게 우리의 최종 목적"이란 서영호 수석의 말에서 책임감의 무게가 느껴졌는데요. 박철우 수석은 이를 위한 방법 중 하나로 "에너지 밀도가 높은 배터리를 더 빠른 속도로 충전하기 위한 알고리즘을 개발 중"이라고 덧붙였습니다. 배터리 걱정 없이 모바일 생활을 만끽할 수 있는 그날까지 이들의 노력은 계속될 겁니다, 쭉!

스마트폰에서 배터리는 영원한 숙제입니다. 배터리 용량을 키우면 스마트폰이 뚱뚱하고 못생겨지죠. 그렇다고 용량을 너무 줄이면 사용 시간이 짧아집니다. 그 사이의 미묘한 균형점을 찾는 게 바로 배터리 개발진이 풀어야 할 숙제입니다. 게다가 갤럭시 S6 배터리엔 ‘무선충전’과 ‘고속충전’이라는 기술까지 추가됐습니다. 갤럭시 S6 배터리 개발이 얼마나 어려운 일이었을지 짐작할 수 있는 대목인데요.

갤럭시 S6 배터리 개발진들은 첫 개발 당시 두 가지 목표가 있었다고 합니다. 바로 ‘충전 시간’과 ‘사용 시간’의 혁신인데요. 갤럭시 S6는 배터리 일체형으로 만들어졌기 때문에 빠른 충전과 긴 사용 시간은 ‘필수 요소’였습니다.

무모한 도전? 무선충전에 불가능은 없다!

박철우 삼성전자 무선사업부 선행요소기술그룹 수석은 “내장형 배터리를 채택하는 것에 대해 내부적으로도 의견이 분분했다”고 말했습니다. 그런데 시장조사 결과 대부분의 사용자가 여분의 배터리를 구매하지 않는 것으로 나타났는데요. 갤럭시 스마트폰 사용자 중 단 6%만 여분의 배터리를 들고 다닌다고 응답한 것이죠.

시장조사 결과를 본 후 개발진은 ‘반신반의(半信半疑)’했던 내장형 배터리에 대한 확신을 가질 수 있었습니다. 그리고 그들은 소비자들에게 더 큰 이익을 선사하기 위해 내장형 배터리 채용과 디자인적 변화를 꾀했는데요. 무선충전 기능도 디자인 단계부터 결정된 거라고 합니다.

박세호 삼성전자 무선사업부 응용제품H/W개발그룹 수석은 “지금까지 무선충전을 계속 연구해 왔던 터라 우리 회사 플래그십 모델에 무선충전이 기본으로 탑재되는 게 굉장히 반가웠다”고 말했는데요. 하지만 “처음에 내려온 무선충전 부품의 두께 목표를 듣고 어처구니가 없었다”고 합니다.

무선충전 부품을 개발할 때 개발진에겐 “부품의 두께를 350㎛ 내로 구현하라”는 미션이 주어졌습니다. 박세호 수석은 “무선 충전 부품의 두께를 350㎛ 이내로 구현하는 것도 매우 어려운 일이었는데 개발 도중 배터리 용량을 더 늘기 위해 두께를 더 얇게(310㎛) 만들라는 미션이 내려왔다”고 말했는데요. 개발진은 ‘우리에게 내일은 없다’는 마음으로 조금 더 먼 미래에 사용하기 위해 꽁꽁 숨겨뒀던 소재를 사용할 수밖에 없었다고 합니다.

박세호 수석의 설명에 따르면 무선충전 코일은 플랙서블 PCB 패턴과 자기 차폐제 2단계로 이뤄져 있습니다. 무선충전 부품을 만들 땐 자기 차폐제가 핵심인데 통상적인 소재로는 그 두께를 달성하기 불가능했다는 것이죠. 그래서 개발진은 성질이 다른 두 소재를 붙여 복합적인 성능을 내도록 했다고 합니다. 이와 더불어 서로 다른 주파수 대역의 두 가지 표준(WPC·PMA)을 모두 충족시키기 위해 각각의 소재를 사용하면서도 무선충전 부품을 ‘최대한 얇게’를 구현했는데요.

갤럭시 S6에 적용된 무선충전은 전자기장을 발생시켜 전자가 유도현상에 의해 배터리를 충전하는 ‘자기유도방식’입니다. 무선충전을 위해선 전자기장을 발생시키는 트랜스미터(무선충전 패드)와 전자기장을 유도전류로 바꿔주는 리시버(무선충전 커버)가 필요한데요.

이전에 출시된 갤럭시 S4와 S5는 무선충전을 위해 배터리 커버 방식으로 리시버를 제공했지만, 갤럭시 S6는 처음으로 스마트폰 자체에 리시버를 내장시켰습니다.

스타벅스 매장마다 무선충전 패드… “확산은 시간 문제”

개발진은 무선충전이 아직 활성화되지 않았다는 우려에 “확산은 시간 문제”라고 대답했습니다. 우리가 널리 사용하고 있는 와이파이(Wi-Fi) 기술이 급속도로 확산된 데엔 몇몇 기업들의 역할이 주효했는데요. 세계적인 커피 체인 ‘스타벅스’는 매장에서 무료로 와이파이 서비스를 제공했고 주요 스마트폰 제조사와 관련 업체들은 와이파이를 이용한 서비스를 적극적으로 출시해 와이파이 기술을 급속도로 확산시켰죠.

최근 스타벅스는 모든 매장에 무선충전 패드를 비치하기 시작했습니다. 이 말은 무선충전 기술도 점차 확산되기 시작했단 말인데요. 삼성전자가 무선충전을 기본으로 한 플래그십 모델을 출시한 이상 무선충전 기술도 곧 보편화될 것이란 전망입니다.

인터뷰 중 박세호 수석은 무선충전 기술의 현주소를 보여주는 재미있는 일화를 공개하기도 했습니다. 미국으로 출장 간 실무자가 스타벅스 매장을 방문했는데 대부분의 매장에서 무선충전 패드를 발견할 수 있었다고 하는데요. 박세호 수석에 의하면 실무자가 우아하게 커피를 마시며 무선충전을 하니 주변 사람들이 부러운 눈초리로 쳐다봤다고 하네요.

 
갤럭시 S6의 무선충전 속도는 배터리 커버 형식으로 지원하던 갤럭시 S5보다 25~30% 정도 빨라졌다고 합니다. 앞으로 무선충전 속도가 점점 더 빨라지면 유선 고속충전의 속도를 따라잡을 수 있을 것 같은데요. 박세호 수석은 “유선충전 개발진도 혁신을 위해 노력하고 있기 때문에 빠른 시간에 따라잡기는 힘들 것 같다”면서도 계속 충전 시간을 줄여나가겠다고 대답했습니다.

한편, 갤럭시 S6엔 무선충전 말고도 또 하나의 ‘히어로’가 있습니다. 바로 급속충전입니다. 삼성전자의 급속충전은 AFC(Adaptive Fast Charging)란 고유 기술입니다. 이는 충전기(TA)가 단말기와 통신해 AFC 기술이 지원되는 기기로 인식하면 9V의 높은 전압으로 전기를 쏘는 기술인데요. 무조건 전기를 빠르게, 많이 넣는다고 해서 스마트폰이 빨리 충전되는 건 아닙니다. 이를 잘 받아들여서 배터리 셀에 차곡차곡 전력을 저장하는 기술도 중요한데요.

박철우 수석은 “가장 빠르게 충전되는 배터리가 꼭 최고의 에너지 밀도를 가진 배터리는 아니다”라며 “둘 사이의 균형을 잘 맞춰야 한다”고 말했습니다. 또 그는 “배터리 기술을 개발하는 건 물리의 법칙을 거스르는 작업이나 마찬가지”라는 말도 덧붙였는데요. 급속충전에 무선충전까지 더해졌으니 갤럭시 S6 배터리 개발이 얼마나 어려웠을까요? 그래서인지 두 수석은 입을 모아 “배터리야말로 종합예술”이라고 말했습니다.

빨리 충전하고, 편하게 충전하는 것으로 배터리 개발이 끝나는 게 아닙니다. 한정된 배터리로 사용 시간을 최대한 늘려야 하는, 어쩌면 더 중요한 작업이 남아있습니다.

10분 충전, 4시간 사용의 비밀은?

갤럭시 S6는 10분 충전에 4시간을 사용할 수 있는 급속충전 기술을 중요한 특징으로 내세웠습니다. 4시간의 기준은 무엇이었을까요? 박철우 수석은 “4시간이란 기준은 메시지 등의 알림을 40차례 받고, 가벼운 애플리케이션(이하 ‘앱’)을 20분 사용하고, 통화를 60분 정도 하고, MP3를 30분 재생하고 나머지는 대기 상태로 있는… 말 그대로 평균적인 사용자가 쓸 경우를 가정해서 계산한 시간”이라고 답했습니다. 그는 “동영상만 재생할 경우엔 10분 충전에 2시간을 사용할 수 있다”고 말했는데요. 기존 스마트폰과 비교해 효율성을 크게 높인 셈이죠.

 
또 박철우 수석은 “사용자가 느낄 수 있는 배터리의 요소는 두 가지인데 그게 바로 사용 시간과 충전 시간”이라며 “사용자에겐 ‘충전 시간이 얼마나 짧아지느냐’보다 ‘사용 시간이 얼마나 길어지느냐’가 더 크게 다가온다”고 말했습니다. 따라서 전력을 효율적으로 사용하는 게 중요한데요.

현재 삼성전자는 소비자들의 스마트폰 사용 습관을 분석해 배터리를 효율화시키는 기술을 개발하고 있습니다. 또 삼성전자는 배터리를 실시간으로 모니터링하는 신기술을 갤럭시 S6에 처음 적용했는데요.

박철우 수석은 “14나노 애플리케이션 프로세서(AP)가 큰 공을 세웠다”며 “그 덕에 전력 사용을 30%나 줄일 수 있었다”고 말했습니다. 또 CP(Communication Processor)의 효율성도 높아졌는데요. 소프트웨어로 모뎀을 쓰지 않을 때는 전력을 아예 사용하지 않도록 만든 점도 효율성을 높일 수 있었던 이유죠. 쿼드HD 디스플레이도 전력 사용을 줄이는 데 크게 기여했습니다.

두 사람은 갤럭시 S6 배터리의 정신을 ‘개방성’으로 정의합니다. 무선충전의 두 가지 표준을 다 사용할 수 있도록 한 점, 급속충전도 다른 회사의 충전기를 지원할 수 있도록 한 점 등이 개방성을 지향하는 갤럭시 정신과 맞닿아 있다는 말인데요.

무선충전과 급속충전을 각각 맡고 있는 두 사람이 생각하는 스마트폰 배터리의 미래 모습은 어떨까요? 놀랍게도 두 사람은 같은 대답이 내놨습니다. “궁극적으로는 배터리가 아예 없어지는 것이 목표가 되지 않겠느냐”는 겁니다. 예를 들어 태양광이나 형광등의 빛, 체온 등 여러 가지 방법으로 깨알처럼 에너지를 모아서 계속 사용할 수 있는 스마트폰이 나오면 충전도, 배터리도 없어지지 않겠느냐는 건데요. 두 사람은 “자기가 맡은 일이 없어지게 만드는 것이 진정한 엔지니어”라는 말도 덧붙였습니다. 하지만 한참 동안은 계속 배터리도, 충전도 필요할 텐데요. 그때까지 삼성전자 개발진들의 무한 도전은 계속될 것 같습니다.

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