아이폰 12부터 적용된 맥세이프(MagSafe)는 무선 충전기, 배터리팩, 카드 지갑 등을 자석을 이용해 쉽게 부착할 수 있는 혁신적인 기술이다
원래 맥북의 전원 어댑터에서 사용되던 이 기술이 6년 만에 아이폰과 액세서리로 돌아온 것이다.
이 글에서는 맥세이프의 개념, 설계 가이드, 동작 원리, 실제 제품 분해 및 측정을 통해 맥세이프를 완벽히 이해할 수 있도록 안내한다.
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목차
맥세이프란 (MagSafe) ?
맥세이프(MagSafe)는 애플(Apple)이 개발한 자석 기반의 연결 기술이다. 주로 충전기와 액세서리를 간편하게 부착하고 분리할 수 있도록 돕는 시스템이다.
처음에는 2006년에 맥북(MacBook) 노트북의 전원 어댑터로 도입되었다. 이후 아이폰(iPhone)과 다른 애플 제품에도 확장되었다.
“맥세이프”는 맥북의 ”맥“과 맥북 전원선이 본체와 안전하게 연결된다는 의미의 “세이프(Safe)” 의 결합이다.
맥세이프 구조
맥세이프 액세사리 구조는 애플에서 제공하는 “Apple 기기용 액세서리 디자인 지침” 설계 가이드에 자세히 나와있다. 케이스, 충전기, 지갑 등의 맥세이프 액세사리 개발할 때 준수해야될 가이드를 확인할 수 있고, 우리는 여기서 맥세이프에 대한 정보를 확인하는 목적으로 보면 된다.(140 페이지 “34. MagSafe Attach”)
맥세이프는 원형 자석 링과 일자 자석으로 구성되어 있다. 작은 자석들이 원형을 따라 배치가 되어 있고, 아래쪽 일자 부분은 아이폰과 액세서리가 정방향 부착을 도와주는 방향 자석이다. 원형 어레이 크기는 54mm 정도이다.
맥세이프 자석링은 여러 개의 작은 자석으로 구성되어 있다. 많게는 36개, 적게는 10개 내외이다. 갯수가 많아지면 개당 자석의 크기는 작아지고 자석링은 원형에 가까워진다. 36개 사각 자석으로 원형 링을 구성할 경우 한 개의 자석 크기는 대략 4mm 정도이며, 두께는 0.55mm로 아주 얇다.
주목해야 할 점은 한 개의 작은 자석이 N극과 S극 두 개의 극성으로만 구성된 것이 아니라는 것이다. 자석의 평면 방향으로 N극 S극으로 나누고, 0.55mm 두께 방향으로 다시 N극 S극으로 나누어져 있다는 것이다. 이것이 맥세이프 자석이 잘 결합되면서 동시에 잘 분리되게 하는 맥세이프의 핵심 구조이다.
맥세이프 케이스 분해
아래는 맥세이프 케이스 분해 사진이다. 4mm x 4mm 사각 자석 36개로 이루어진 링 형태를 확인할 수 있다. 펜으로 자석의 극성을 표시했다. 자석이 너무 작아서 인접한 자석에는 따로 극성을 표시하지 않았다. 하나의 사각 자석 전면에 N극과 S극이 있다. 후면은 전면과 반대 극성이다. 인접한 자석들의 극성도 반대이다. 극성 확인은 아래 자체 제작한 가우스 메타로 확인했다.
맥세이프 구조와 자력 테스트
맥세이프는 자석어레이로 구성이 되어 있으므로 어레이를 구성하고 있는 개별 자석의 위치와 배열, 극성, 자력 등을 평가해야 맥세이프 성능을 제대로 비교할 수 있다.
그래서 자석의 위치, 극성, 자력을 테스트 하기 위해 아래 2가지 도구를 사용했다.
🔸가우스 메타
“가우스메타”란 자석의 자력과 극성(N극, S극)을 테스트하는 계측기이다. 맥세이프의 극성을 테스트하기 위해서는 가우스메타가 필요한데 가격이 10~20만원대이다. 구입하기에는 부담스러운 가격이다. 자주 사용할 계측기도 아니어서 자체 제작했다. 자력 계측 원리를 공부해 보니 자체 제작할 수 있다는 생각이 들었기 때문이다.
첫 번째 제작 버전은 범용적으로 많이 사용하는 아두이노 우노 보드와 자기장을 센싱하는 홀센서 보드를 이용해서 만들어 보았다. 위 두 부품은 저렴하게 구입할 수 있고, 소스 코드도 공개되어 있다. 일반적으로 자력의 세기는 “가우스”나 “테슬라”로 표현한다. 아래는 가우스값으로 나타내었다. 5mm 직경의 원형 자석은 약 300G(가우스)이다. 아래 디스플레이된 값은 가우스값은 아니고 가우스값을 계산하기 위한 내부값으로 보면 된다. 자기장이 없으면 512이고 512 이상이면 S극, 512보다 작으면 N극이다.
첫 번째 샘플 제작 후 블로그에 올렸는데, 시제품 제작 문의가 있어 프로토타입을 만들었다. 의뢰하신 분이 220V 가정용 전원으로 구동되었으면 좋겠다고 하셔서 전원부와 스위치가 추가되어 복잡하게 되었다.
최종 보드는 아두이노 나노 칩 기반으로 220V(AC)–>12V(DC) 변환 부품, 전자파 적합성을 고려한 부품, 전원 스위치 제어용 릴레이를 추가했다. OLED 디스플레이도 0.96인치에서 1.3인치로 변경했다. PCB 설계와 부품 선정은 EasyEDA, PCB 제작은 JLCPCB에서 했다. 소량 생산이 가능하고, 가격이 싸며, 납기가 빠르다. EasyEDA는 Cad 회사이고, JLCPCB는 PCB제작 회사인데 JLCPCB가 EasyPCB를 인수했다. 따라서 EasyEDA로 캐드 작업시 EasyEDA 부품 뿐만아니라 JLCPCB 부품 라이브러리를 사용할 수 있다. 즉 설계한 보드를 바로 제조까지 할 수 있는 장점이 있다. 또한 JLCPCB는 3D 프린팅 사업도 하고 있다. 모델링 파일을 오리면 원하는 재질로 3D 프린팅을 진행할 수 있다. 고 품질 결과물을 빠르게(7일) 합리적인 가격으로 받아 볼 수 있다.
🔸마그네틱 뷰어 필름
가우스 메타로 아이폰과 케이스의 극성과 자력을 테스트했다. 케이스의 경우 자석의 위치는 눈으로 확인할 수 있으므로 상대적으로 극성 확인이 쉽다. 하지만 아이폰에 내장된 맥세이프는 자석의 위치를 가우스 메타로만 확인하기가 쉽지 않았다. 그래서 자석의 위치와 자력의 세기를 시각적으로 확인할 수 있는 마그네틱 뷰어 필름을 병행 사용했다.
위 사진과 같이 필름 아래 진하게 보이는 부분이 자석이 위치한 곳이다. 좌측 아이폰 사진을 보면 원형 자석 어레이가 선명하게 보인다.
위쪽에는 방향 자석이 보이는데, 3개가 있는 것처럼 보인다. 하지만 한개의 직사각형 자석에 N-S-N(혹은 S-N-S)극 배열로 이루어져 있다. 우측 케이스위에 마그네틱 뷰어를 올려놓으면 원형 자석 어레이가 선명하게 보인다. 원형 자석 어레이를 구성하는 사각 자석 또한 N극, S극으로 분리되어 있다.
아이폰과 케이스 자석 위치와 극성
아이폰 맥세이프 자석 링의 위치와 극성을 정확하게 파악해보자. 먼저 마그네틱 뷰어 필름을 아이폰 뒷면에 올려서 원형 자석 어레이의 위치를 파악한다. 마그네틱 뷰어 필름에서 선명하게 보이는 부분에 가우스 메타로 자석의 극성을 확인한 후 N극의 위치에 노란색 테이프를 부착했다. 좌우상하 위치를 반복 확인해서 최종적으로 아이폰 내장 맥세이프의 자석 어레이 극성을 확인했다.
아래 사진은 실제 아이폰 내부의 맥세이프 자석과 충전 코일이다. 맥세이프 자석 원형 어레이는 한쪽이 열려있고, 전체 자석의 수량은 18개이다. 케이스는 36개인데 내부에는 18개가 있다. 대신 1개의 사이즈 가로(원주) 방향으로 크기가 두 배인 직사각형 형태이다. 가우스 메타로 측정한 결과 원형의 내부는 S극, 외부는 N극이다.
맥세이프 케이스는 육안으로 자석의 위치 확인이 가능하므로 가우스 메타로 바로 극성과 자력 세기를 확인하면 된다.
맥세이프 아이폰과 케이스 결합과 분리
그러면 아이폰과 케이스가 어떻게 정확한 위치에 결합되고 쉽게 분리되는지 알아보자. 정확한 위치에 결합되어야 충전에 문제가 없고, 쉽게 분리되어야 사용에 불편함이 없다. 특히 차량 맥세이프 충전기의 경우, 차량 운전 중 아이폰이 분리되지 않게 강한 자력으로 결합이 되어야 하고, 분리는 쉽게 되어야 운전자의 주의가 분산되지 않아 안전 운행을 할 수 있다. 커피가 따뜻하기도 하면서 차갑기도 해야 되는 것이다. 이것을 가능하게 하는 것은 맥세이프 자석의 절묘한 결합과 분리 방식에 있다. 한 개의 자석에 상하좌우 방향으로 다른 극성을 가지도록 만들어졌기 때문이다. 상하 방향의 서로 다른 극성은 강한 인력을 만들고, 좌우 방향의 다른 극성은 아이폰에서 액세서리를 조금만 밀어주면 같은 극성이 마주 보는 구조가 되어 척력이 작용해서 잘 분리되게 만든다.
같은 극성은 서로 밀어내고, 반대 극성은 서로 당기는 원리를 우리는 초등학교 때 이미 배웠다. 맥세이프를 이해하기 위한 기본 이론을 모두 배웠다는 의미다. 복잡한 이론이 아니다. 우리도 이러한 기막힌 발명품을 만들 수 있다. 우리의 생활 속에서 발생하는 어떤 문제도 호기심, 관찰력, 기본 원리 공부, 해결을 위한 실행력이 있으면 해낼 수 있다고 생각한다.
맥세이프 모델링 및 결합 예시
이제 아이폰이 맥세이프 액세서리와 어떻게 결합되는지 예를 들어 보겠다. 그림은 36개 자석으로 구성된 맥세이프를 설계 가이드와 분해한 내용을 바탕으로 3D로 모델링한 것이다. 이해를 돕기 위해 N극은 빨간색, S극은 파란색으로 표시했다. 실제 자석은 극성에 따라 색상이 다르지 않다
그림 18 확대된 그림을 보면, 하나의 작은 사각형 자석은 극성 기준으로 4개 영역으로 나누어져 있다. 윗면 상하로 N극과 S극으로 나뉘어져 있고, 아랫면은 상하로 S극과 N극으로 나뉘어져 있다. 실제로는 절반 영역 전체가 자성을 띠지 않는다. 설계 도면에 보면 약 1mm 정도가 자성을 띤다. 자석의 크기가 4mm x 4mm 정도이니 자성을 띠는 영역은 상하 1mm, 중간 2mm 영역은 비자성 상태라 보면 된다.
그림 19는 아이폰과 맥세이프 액세서리(케이스, 충전기)가 결합되었을 때의 상황이다. 아이폰 내부 자석의 형태는 직사각형이고 수량은 18개인데 편의상 둘 다 36개로 표현했다. 원형 평면 기준 같은 극성으로 배치되어 있다. 그렇지만 두 어레이가 마주 보는 면의 극성은 반대이다. 아이폰의 극성이 N극이면 케이스의 극성은 S극이다.
이렇게 자석의 극성이 반대로 배치되어 있어 아이폰과 케이스의 자력이 상쇄되지 않고 강한 인력이 작용하는 구조가 만들어진다. 케이스에 맥세이프 충전기가 부착될 때도 아이폰과 케이스의 자석이 인력이 작용한다. 중간에 케이스가 있지만, 케이스 또한 아이폰과 맥세이프와 인력이 작용하는 구조라서 충전기와 아이폰은 강하게 결합된다.
아래 경우는 아이폰 – 케이스 – 충전기가 결합되는 구조이다. 서로 마주보는 자석의 극성이 반대가 되면서 인력이 작용하도록 배치가 된다.
맥세이프 액세서리 선택 팁
맥세이프 목적은 아이폰과 액세서리를 안정적으로 결합되게 하는 것이다. 또한 쉽게 분리되어 편리와 안전을 고려한 설계이다.
그런데 사용상 주의해야될 부분이 있다. 정품 사용이 최선이겠지만 부담되는 가격으로 인해 대 부분 호환 제품을 사용하게된다.
이 호환 제품들 중에는 “Apple 기기용 액세서리 디자인 지침” 설계 가이드를 따르는 제품을 선택해야된다.
그렇지 않을 경우 아이폰과 액세서리가 최적으로 결합되지 않을 수 있다. 예를 들어, 자석의 자력이 약하거나 자석의 수량이 부족해서 액세서리와 결합력이 부족한 경우가 있다. 나는 아이폰 12부터 맥세이프 제품을 계속 사용해왔으며, 정품 케이스부터 알리, 다이소의 다양한 호환 케이스를 많이 사용해 보았다. 일반적으로 투명 케이스와 같이 단순한 제품은 자력이 나쁘지 않았다(다x소 제품 제외). 반면, 불투명, 칼라, 텍스처 질감이 있는 케이스들은 대체로 자력이 약했다.
일부 호환 케이스의 경우 단가를 낮추기 위해 자석 링 아래 방향 자석을 삭제한 경우도 있었다.
흰색 테이프가 부착되어 있어 외관상 방향 자석이 있는 것처럼 보였다.
이 경우 아이폰 액세서리가 특정 방향으로 고정이 되지 않고 회전을 할 수 있다.
맥세이프를 지원하지 않는 휴대폰(아이폰 12 이전, 갤럭시 시리즈)도 맥세이프 케이스를 쉽게 구할 수 있다. 기본적으로 휴대폰 내부에 자석이 없어서 케이스 자석으로만 결합력이 약해 충전 문제가 발생할 수 있다. 일부 액세서리는 서비스로 금속 링을 제공한다. 금속 링 한쪽을 폰에 부착하고 반대편에 맥세이프 액세서리가 액세서리 자석의 힘으로 부착된다. 이 경우 맥세이프 액세서리가 정확한 위치에 부착되지 않아 충전 불량이 발생할 수 있다. 또한 액세서리 분리 시 금속 링 전체가 맥세이프 액세서리에 부착되어 있어 분리가 힘들 수 있다. 추천하지 않는다.
그림22) 무상으로 제공되는 금속 링
결론
맥세이프는 자석의 힘으로 충전기와 아이폰이 정확하게 정렬되게 한다.
반면 쉽게 분리될 수 있어 편리하고, 안전하다.
맥세이프 설계 가이드, 분해, 극성 측정을 통해 구조를 이해했다.
결합 시 자석 극성은 N극(아이폰) – S극(케이스 안쪽), N극(케이스 바깥쪽) – S극(충전기)이다.
케이스가 없는 경우 자석의 극성은 N극(아이폰) – S극(충전기)이다.
액세서리 분리 시 약간만 밀어주면 같은 극성이 마주 보게 되어 척력이 작용해 잘 분리되게 한다.
호환 제품 중 일부는 자력이 부족한 경우가 있다.
맥세이프 지원 폰이 아닌 경우 맥세이프 액세서리 사용을 추천하지 않는다.