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문제 정의
- 본 논문에서는 자기 공명 방식을 이용한 무선 전력 전송 시스템에서 코일의 구조에 따른 효율 개선 특성을 시뮬레이션과 시제품을 제작을 통하여 검증 하였다. 제안된 공진기를 사용하여 송수전 공진 코일이 120 mm 이격되었을 때 70% 의 전송 효율을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 8 mm를 가지는 구조로 모델링하였다. 공진 코일의 지름은 24 cm, 턴수는 6, 코일 간의 pitch는 1 mm로 설정하였으며, 소스(디바이스) 코일은 3.4 mm의 굵기를 갖는 지름 24 cm의 단일 원형 루프 형태로 구현하였다. 그림 2와 같이 송, 수전부 공진 코일의 중심에서의 이격 거리를 260 mm로 설정하였다.
- 2 %와 거의 동일함을 확인할 수 있었다. 그러나 제안된 공진 코일 구조는 헬리컬과 스파이럴이 결합된 구조여서 기존의 공진 코일의 상호 인덕턴스를 구하는 식으로는 정확한 계산이 불가능하여, 시뮬레이션의 효율값을 계산된 효율값과 동일하게 설정하고, 이로부터 상호 인덕턴스를 계산하였다. 이 결과, 헬리컬 공진기에 비해 결합 계수(k)와 Q값이 증가함을 확인할 수 있었다.
- 구현된 공진 코일은 구리 재질의 리츠 와이어로 두 코일간의 커플링 계수를 높이기 위하여 상호 인덕턴스는 증가시키고, 자체 인덕턴스는 감소시켜야 한다. 상호 인덕턴스를 증가시키기 위해서 두 공진 코일간의 형태와 크기를 동일하게 설계하였다. 시뮬레이션에서는 제작에 사용된 리츠 와이어의 정확한 구현이 어렵기 때문에 공진 코일과 같은 굵기의 지름 4.
- 상호 인덕턴스를 증가시키기 위해서 두 공진 코일간의 형태와 크기를 동일하게 설계하였다. 시뮬레이션에서는 제작에 사용된 리츠 와이어의 정확한 구현이 어렵기 때문에 공진 코일과 같은 굵기의 지름 4.8 mm를 가지는 구조로 모델링하였다. 공진 코일의 지름은 24 cm, 턴수는 6, 코일 간의 pitch는 1 mm로 설정하였으며, 소스(디바이스) 코일은 3.
- 그림 4는 2-2절에서 설계된 헬리컬 공진 코일을 이용한 공진기의 효율향상을 위하여 본 논문에서 제안하는 헬리컬과 스파이럴 형태가 결합된 공진기 구조이다. 이전 헬리컬 형태의 공진 코일과 동일하게 지름은 24 cm, 헬리컬 구조의 턴수는 4, 스파이럴 구조의 턴수는 2로 설정하였으며, 소스(디바이스) 코일은 3.4 mm의 굵기를 갖는 지름 24 cm의 단일 원형 루프 형태로 구현하였다. 그림 4와 같이 송, 수전부 중심에서 이격 거리는, 2-2 헬리컬 공진 코일 간의 거리와 동일하게 260 mm로 설정하였다.
대상 데이터
- 그림 7(a)와 7(b)는 제작된 공진 코일의 평면도와 측면도이다. 공진 코일을 통하여 전력을 전송할 경우, 코일에서의 전력 손실은 주로 내부 저항에 의한 것으로 이를 최소화하기 위해 AWG(American Wire Guage) 11.5인 리츠 와이어를 사용하였다. 리츠 와이어는 동일한 직경의 단선에 비해 코일의 표면적이 크므로 공진 주파수에서 skin effect에 의한 손실을 감소시킬 수 있다.
- 그림 7(c)는 제작된 시제품이다. 공진기의 수전부 디바이스 코일에 LED 램프(LG 전자, 7.5 W)를 부하로 사용하였다. 송전부 소스 코일에 연결되어 있는 RF 제너레이터에 5～10 W의 입력 전압 을 인가하여 LED 램프의 점등을 확인하였고, 최대 50 cm까지 점등됨을 확인하였다.
- 4 mm의 굵기를 갖는 지름 24 cm의 단일 원형 루프 형태로 구현하였다. 그림 2와 같이 송, 수전부 공진 코일의 중심에서의 이격 거리를 260 mm로 설정하였다. 공진기를 설계하기 위하여 3차원 고주파 구조 해석 툴인 Ansys의 HFSS[6]를 사용하여 전자장 해석을 하였다.
- 리츠 와이어는 동일한 직경의 단선에 비해 코일의 표면적이 크므로 공진 주파수에서 skin effect에 의한 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 선의 형태가 유연하여 헬리컬과 스파이럴 형태로 제작이 용이하며, 제작된 시제품은 리츠 와이어를 지지할 수 있는 원통형 아크릴을 사용하였다. 그림 7(c)는 제작된 시제품이다.
이론/모형
- 그림 2와 같이 송, 수전부 공진 코일의 중심에서의 이격 거리를 260 mm로 설정하였다. 공진기를 설계하기 위하여 3차원 고주파 구조 해석 툴인 Ansys의 HFSS[6]를 사용하여 전자장 해석을 하였다.
성능/효과
- Ansys Q3D Extractor[8]를 사용하여 송수전부 코일의 인덕턴스 값과 저항값을 추출하여 표 1의 파라미터 값들을 식 (4-4)에 대입하여 계산한 결과, 표 1에 계산된 효율 71.6 %를 얻었다. 이 값은 시뮬레이션에 의해 구해진 효율 71.
- 두 공진 코일의 커플링 계수가 주파수 분열(frequency slitting)이 시작되는 지점의 값보다 증가할 때 over coupled(두 개의 주파수가 공진 주파수를 중심으로 양쪽 방향으로 갈라지는 형태) 모드와 거리가 늘어남에 따라서 커플링 계수가 약해져 전송 효율이 감소하는 under coupled 모드, 하나의 공진 주파수에서 최대 효율을 가지는 critically coupled 모드로 구분된다. 공진기 제작 시 코일의 감는 오차와 기생 성분 값, 외부 환경 등에 의해 시뮬레이션 결과가 측정 결과보다 높은 효율을 나타냈다.
- 13 dB이다. 그림 3의 결과와 비교하면 제안된 공진기의 전송 효율과 반사 계수가 기존의 헬리컬 공진기에 비해 0.3 dB 향상됨을 확인할 수 있었다.
- 제안된 공진기를 사용하여 송수전 공진 코일이 120 mm 이격되었을 때 70% 의 전송 효율을 얻을 수 있었다. 기존의 공진기보다 헬리컬과 스파이럴 형태가 결합된 공진 코일을 사용하여 약 13 %의 전송 효율 개선과 33 % 정도의 크기 감소가 가능하였다. 향후 정확한 시뮬레이션과 측정 결과를 얻기 위해 효율에 영향을 미치는 파라미터의 분석과 연구가 필요하다.
- 또한, 제안된 공진기에서 좀 더 넓은 대역폭 특성을 얻었으며, 입출력 반사 계수(S11, S22)는 —10 dB 이하의 값을 나타냈다.
- 따라서 면적의 제한이 있는 스마트폰 등의 이동 통신기기와 노트북, 타블렛 PC의 경우 전송 효율을 향상 시키는 일은 매우 중요하다. 본 논문에서는 기존에 발표된 자기 공명 방식의 헬리컬 공진 코일 구조에 커플링이 가장 많이 발생하는 송, 수신 안테나 종단에 스파이럴 구조를 추가하여 기존의 헬리컬 공진기 보다 강한 자기 커플링을 발생시켰고, 정전 용량이 증가하여 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있었다.
- 송 수전 코일 종단에서 120 mm 이격되었을 때 제안된 공진기의 투과 계수(S21)는 —1.54 dB(70 %), 헬리컬 구조 공진기의 투과 계수(S21)는 —2.1 dB(62 %)의 측정 결과를 얻었다.
- 5 W)를 부하로 사용하였다. 송전부 소스 코일에 연결되어 있는 RF 제너레이터에 5～10 W의 입력 전압 을 인가하여 LED 램프의 점등을 확인하였고, 최대 50 cm까지 점등됨을 확인하였다.
- 그림 6은 자기 공명으로 인한 무선 전력 전송을 자기장의 크기를 통하여 나타냈다. 송전부 코일에 전력이 여기되고, 강한 자기 공진 커플링으로 동일한 공진 주파수에서 수전부 코일에 자계가 형성되어 전력이 전달됨을 확인할 수 있었다.
- 또한, 제안된 공진기에서 좀 더 넓은 대역폭 특성을 얻었으며, 입출력 반사 계수(S11, S22)는 —10 dB 이하의 값을 나타냈다. 시뮬레이션 결과로 얻어진 전송 효율(71.2 %, 76.3 %)과 비교하면 다소 낮은 전송 효율이 측정되었지만, 제작을 통한 효율증가를 확인할 수 있었다. 시뮬레이션상의 리츠 와이어를 이용한 공진 코일 설계의 부정확성과 제작상의 오차, 제작한 코일 내부 저항의 증가로 측정 결과가 시뮬레이션 결과보다 낮은 효율을 나타냈다고 사료된다.
- 3 %)과 비교하면 다소 낮은 전송 효율이 측정되었지만, 제작을 통한 효율증가를 확인할 수 있었다. 시뮬레이션상의 리츠 와이어를 이용한 공진 코일 설계의 부정확성과 제작상의 오차, 제작한 코일 내부 저항의 증가로 측정 결과가 시뮬레이션 결과보다 낮은 효율을 나타냈다고 사료된다.
- 그러나 제안된 공진 코일 구조는 헬리컬과 스파이럴이 결합된 구조여서 기존의 공진 코일의 상호 인덕턴스를 구하는 식으로는 정확한 계산이 불가능하여, 시뮬레이션의 효율값을 계산된 효율값과 동일하게 설정하고, 이로부터 상호 인덕턴스를 계산하였다. 이 결과, 헬리컬 공진기에 비해 결합 계수(k)와 Q값이 증가함을 확인할 수 있었다. 여기서 LS, LD는 송, 수전 공진 코일의 인덕턴스이며, k는 커플링계수, M은 상호 인덕턴스, Γ은 감쇠율을 나타낸다.
- 본 논문에서는 자기 공명 방식을 이용한 무선 전력 전송 시스템에서 코일의 구조에 따른 효율 개선 특성을 시뮬레이션과 시제품을 제작을 통하여 검증 하였다. 제안된 공진기를 사용하여 송수전 공진 코일이 120 mm 이격되었을 때 70% 의 전송 효율을 얻을 수 있었다. 기존의 공진기보다 헬리컬과 스파이럴 형태가 결합된 공진 코일을 사용하여 약 13 %의 전송 효율 개선과 33 % 정도의 크기 감소가 가능하였다.
후속연구
- 향후 정확한 시뮬레이션과 측정 결과를 얻기 위해 효율에 영향을 미치는 파라미터의 분석과 연구가 필요하다. 자기 공명 방식을 이용한 무선 전력 전송 연구는 휴대기기용 무선 충전뿐만 아니라 고출력용 전자 제품 및 차량의 무선 전원 공급 및 로봇, 의료 분야 등에 다양하게 적용될 것으로 기대된다.
- 기존의 공진기보다 헬리컬과 스파이럴 형태가 결합된 공진 코일을 사용하여 약 13 %의 전송 효율 개선과 33 % 정도의 크기 감소가 가능하였다. 향후 정확한 시뮬레이션과 측정 결과를 얻기 위해 효율에 영향을 미치는 파라미터의 분석과 연구가 필요하다. 자기 공명 방식을 이용한 무선 전력 전송 연구는 휴대기기용 무선 충전뿐만 아니라 고출력용 전자 제품 및 차량의 무선 전원 공급 및 로봇, 의료 분야 등에 다양하게 적용될 것으로 기대된다.
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