현재까지 개발된 무선 충전기술은 크게 전자기유도 방식, 자기공명 방식, 전자기파 방식 등이 있다. 하지만 기존의 방법들은 전송거리가 짧거나 전자파 장해를 일으키는 문제를 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 논문에서는 레이저를 이용한 무선충전 기술에 대해 연구하고 이에 대한 실험결과를 보인다. 이 기술은 송신단에 전/광 변환을 위한 레이저 광원을 사용하여 빛의 형태로 에너지를 무선으로 전송하며, 수신단에는 광/전 변환을 위해 태양전지나 PD(: Photo Diode)를 이용하는 방식이다. 10m 이상의 장거리에서는 레이저 무선충전 기술의 전송효율이 가장 높을 것으로 전망되며, 장거리 무선충전에서는 레이저 무선충전 기술이 가장 효율적인 무선충전 기술이 될 것으로 판단된다. 본 논문의 실험결과에서는 100 mW Red 레이저 송신부와 PD 수신부를 이용하여 70 m의 장거리 전송거리에서 DC-to-DC 로 2.15 %의 무선전력전송 효율을 보였다.
현재까지 개발된 무선 충전기술은 크게 전자기유도 방식, 자기공명 방식, 전자기파 방식 등이 있다. 하지만 기존의 방법들은 전송거리가 짧거나 전자파 장해를 일으키는 문제를 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 논문에서는 레이저를 이용한 무선충전 기술에 대해 연구하고 이에 대한 실험결과를 보인다. 이 기술은 송신단에 전/광 변환을 위한 레이저 광원을 사용하여 빛의 형태로 에너지를 무선으로 전송하며, 수신단에는 광/전 변환을 위해 태양전지나 PD(: Photo Diode)를 이용하는 방식이다. 10m 이상의 장거리에서는 레이저 무선충전 기술의 전송효율이 가장 높을 것으로 전망되며, 장거리 무선충전에서는 레이저 무선충전 기술이 가장 효율적인 무선충전 기술이 될 것으로 판단된다. 본 논문의 실험결과에서는 100 mW Red 레이저 송신부와 PD 수신부를 이용하여 70 m의 장거리 전송거리에서 DC-to-DC 로 2.15 %의 무선전력전송 효율을 보였다.
The current wireless power charge technologies are based on induction coupling, magnetic resonant coupling, electromagnetic wave, etc. However, the current wireless power charge technologies has several disadvantages including short transfer range, electromagnetic interference, etc. In this paper, w...
The current wireless power charge technologies are based on induction coupling, magnetic resonant coupling, electromagnetic wave, etc. However, the current wireless power charge technologies has several disadvantages including short transfer range, electromagnetic interference, etc. In this paper, we investigate and demonstrate a laser wireless power charge technology. A laser source is used in the transmitter to convert from electric power to optical power and a solar cell or a photodiode is used in the receiver to convert from optical power to electric power. The laser wireless power charge technology may be the most efficient wireless power charge technology in the long distance over than 10 meters. Our experimental results show a transfer efficiency of 2.15% at the 70-m long distance with a 100 mW laser transmitter and a photodiode receiver.
The current wireless power charge technologies are based on induction coupling, magnetic resonant coupling, electromagnetic wave, etc. However, the current wireless power charge technologies has several disadvantages including short transfer range, electromagnetic interference, etc. In this paper, we investigate and demonstrate a laser wireless power charge technology. A laser source is used in the transmitter to convert from electric power to optical power and a solar cell or a photodiode is used in the receiver to convert from optical power to electric power. The laser wireless power charge technology may be the most efficient wireless power charge technology in the long distance over than 10 meters. Our experimental results show a transfer efficiency of 2.15% at the 70-m long distance with a 100 mW laser transmitter and a photodiode receiver.
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문제 정의
따라서, 본 논문에서는 장거리에서 가장 높은 전송효율을 보일 것으로 예상되는 무선 광에너지 전송방식에 대해 연구하였고, 구체적으로는 송신단에서의 광원으로 레이저를 이용하는 레이저 무선충전 기술방식에 대해 연구하였다. 본 논문에서는 장거리 무선 전력 전송을 위하여 LED를 광원으로 이용하는 방식[10]보다는 레이저 광원을 이용하는 방식이 장거리 전송에 더 적합하다고 판단하였다.
본 논문에서 연구한 레이저 무선충전기술의 장거리 전송을 실험해 보았다. 그림 8은 본 실험 구성의 실제 사진이다.
본 논문에서는 10 m 이상의 장거리에서 가장 효율이 높을 것으로 예상되는 레이저 무선충전 기술에 대한 실험을 수행하였다. 이를 위하여 송신단에서의 레이저의 전/광 변환효율을 측정하였고, 수신단에서 PD 및 태양전지의 광/전 변환효율을 측정하였다.
제안 방법
그림 3은 본 논문에서 구현한 레이저 무선충전 기술의 실험 구성도를 나타내었다. 레이저에 전원이 공급되고, 레이저에 공급되는 전력의 양을 측정하였다. 또한, 레이저는 Green 레이저와 Red 레이저를 사용하였고, 레이저의 출력이 무선으로 전송된 후에 수신부에 도달하게 된다.
그림 8은 본 실험 구성의 실제 사진이다. 복도의 한쪽 끝에 레이저 송신부를 장착하였고, 수신부의 거리를 늘려가면서 거리에 따른 전송 효율을 측정해 보았다. 레이저는 100 mW Red 레이저를 사용하였고, 전송거리는 1 m에서 70 m까지 늘려가면서 실험을 수행하였다.
수신부의 광/전 변환효율을 측정하기 위하여 송신단 레이저를 100 mW Red 레이저를 사용하여 124mW의 광파워를 입력한 상태에서 수신부를 태양전지와 PD 로 바꾸어가면서 실험을 진행하였다. 이를 위하여 수신부에 연결된 가변 저항값을 변화시켜 가면서 최대로 얻을 수 있는 전력을 측정해 보았다.
우선 송신부에서 전/광 에너지 변환효율을 측정하기 위하여 각 레이저의 전원을 연결하고 레이저의 광출력을 광출력 측정기를 통해 측정하였다. 세 가지 레이저에 대하여 레이저에 인가된 전압의 세기에 대해 레이저의 효율을 측정한 결과를 그림 5에 나타내었다.
본 논문에서는 10 m 이상의 장거리에서 가장 효율이 높을 것으로 예상되는 레이저 무선충전 기술에 대한 실험을 수행하였다. 이를 위하여 송신단에서의 레이저의 전/광 변환효율을 측정하였고, 수신단에서 PD 및 태양전지의 광/전 변환효율을 측정하였다. 실험결과 단거리에서 총 전송효율이 DC-to-DC로 2.
수신부의 광/전 변환효율을 측정하기 위하여 송신단 레이저를 100 mW Red 레이저를 사용하여 124mW의 광파워를 입력한 상태에서 수신부를 태양전지와 PD 로 바꾸어가면서 실험을 진행하였다. 이를 위하여 수신부에 연결된 가변 저항값을 변화시켜 가면서 최대로 얻을 수 있는 전력을 측정해 보았다. 그림 6은 수신부를 태양전지로 구현했을 때에 가변저항의 값을 변화시키면서 얻을 수 있었던 최대 전력을 나타낸다.
대상 데이터
레이저에 전원이 공급되고, 레이저에 공급되는 전력의 양을 측정하였다. 또한, 레이저는 Green 레이저와 Red 레이저를 사용하였고, 레이저의 출력이 무선으로 전송된 후에 수신부에 도달하게 된다. 수신부는 PD나 태양전지로 광에너지를 수신하게 되고, 그 출력에 가변저항을 달아 최대로 전력을 얻을 수 있는 가변 저항값으로 전력을 얻게 된다.
복도의 한쪽 끝에 레이저 송신부를 장착하였고, 수신부의 거리를 늘려가면서 거리에 따른 전송 효율을 측정해 보았다. 레이저는 100 mW Red 레이저를 사용하였고, 전송거리는 1 m에서 70 m까지 늘려가면서 실험을 수행하였다. 그림 9는 본 실험을 통해 측정된 전송거리에 따른 레이저 무선충전기술의 전송효율을 나타내었다.
본 실험에서는 레이저 광원으로 100 ㎽ Red 레이저, 50 ㎽ Red 레이저, 50 ㎽ Green 레이저등 세 가지의 레이저를 사용하여 레이저의 최대 효율을 측정해보았다. 본 실험에서 사용한 Red 레이저의 파장은 661 nm 이고, Green 레이저의 파장은 532 nm 이다. 본 실험에서 사용한 태양전지는 최대 5.
본 실험에서 사용한 Red 레이저의 파장은 661 nm 이고, Green 레이저의 파장은 532 nm 이다. 본 실험에서 사용한 태양전지는 최대 5.5 V의 전압을 출력하는 저가의 실리콘 태양전지를 사용하였다. 실험에서 사용한 PD는 5 mm 의 지름을 가지는 Vishay사의 BPV10 실리콘 PD 이다.
본 실험에서는 레이저 광원으로 100 ㎽ Red 레이저, 50 ㎽ Red 레이저, 50 ㎽ Green 레이저등 세 가지의 레이저를 사용하여 레이저의 최대 효율을 측정해보았다. 본 실험에서 사용한 Red 레이저의 파장은 661 nm 이고, Green 레이저의 파장은 532 nm 이다.
5 V의 전압을 출력하는 저가의 실리콘 태양전지를 사용하였다. 실험에서 사용한 PD는 5 mm 의 지름을 가지는 Vishay사의 BPV10 실리콘 PD 이다.
성능/효과
2.3절의 방식을 이용하여 세 가지 레이저의 경우에 대해 각각 PD 수신부의 광/전 변환효율을 구하였으며, 송신부의 전/광 변환효율과 함께 정리하면 전체 레이저 무선충전기술의 전송효율을 구할 수 있다. 이를 표 1에 나타내었다.
31 %의 전송효율을 나타내었다. 70 m의 장거리 전송에서는 2.15 %의 전송효율로 수십미터의 장거리 전송에서도 효율이 그다지 줄어들지 않음을 보였다. 지속적인 연구를 통해 향후 100 m 이상의 전송거리에서 10 %이상의 전송효율도 가능하리라 예상된다.
따라서, 본 논문에서는 장거리에서 가장 높은 전송효율을 보일 것으로 예상되는 무선 광에너지 전송방식에 대해 연구하였고, 구체적으로는 송신단에서의 광원으로 레이저를 이용하는 레이저 무선충전 기술방식에 대해 연구하였다. 본 논문에서는 장거리 무선 전력 전송을 위하여 LED를 광원으로 이용하는 방식[10]보다는 레이저 광원을 이용하는 방식이 장거리 전송에 더 적합하다고 판단하였다.
세 가지 레이저에 대하여 레이저에 인가된 전압의 세기에 대해 레이저의 효율을 측정한 결과를 그림 5에 나타내었다. 실험결과 100 mW Red 레이저의 효율이 최대 28.47%로 가장 높았고, 50 mW Red 레이저의 효율은 최대 16.95 %, 50 mW Green 레이저의 효율은 최대 5.45 %로 측정되었다. 그림 5에서 알 수 있듯이, Green 레이저보다 Red 레이저의 전/광 변환효율이 더 높고, 50 mW Red 레이저보다 100 ㎽ Red 레이저의 전/광 변환효율이 더 높다는 것을 알 수 있다.
이를 위하여 송신단에서의 레이저의 전/광 변환효율을 측정하였고, 수신단에서 PD 및 태양전지의 광/전 변환효율을 측정하였다. 실험결과 단거리에서 총 전송효율이 DC-to-DC로 2.31 %의 전송효율을 나타내었다. 70 m의 장거리 전송에서는 2.
11 %로 측정되었다. 실험결과 태양전지보다 PD의 광/전 변환효율이 더 높게 측정되었다.
31%로 측정되었다. 이러한 결과는 타 기술에 비하면 낮은 것처럼 보이지만, 향후 좀 더 개선된 소자를 사용하고 기술을 발전시키면 10 % 정도의 전송효율은 충분히 나올 수 있을 것으로 보인다. 이러한 전송효율은 10 m 이상의 장거리 전송에서는 가장 높은 전송효율로 판단된다.
태양전지와 PD의 광/전 변환효율을 측정한 결과로 태양전지의 변환효율은 가변저항이 33 Ω일 때에 2.88 ㎽의 전력을 얻어 2.32 %의 변환효율이 측정되었고, PD의 경우에는 가변저항이 7.5 kΩ일 때에 10.05 ㎽의 전력을 얻을 수 있어서 변환효율이 8.11 %로 측정되었다. 실험결과 태양전지보다 PD의 광/전 변환효율이 더 높게 측정되었다.
후속연구
그림 10에서 알 수 있듯이 전송거리가 커질수록 지수적으로 레이저 빔의 크기가 커지는 것을 알 수 있다. 따라서, 수백 m의 장거리 전송에는 레이저 빔의 퍼짐이 작은 레이저를 사용하고, 수신부에 렌즈나 집광장치를 사용하여 전송손실을 줄이는 기술이 필요할 것으로 판단된다.
15 %의 전송효율로 수십미터의 장거리 전송에서도 효율이 그다지 줄어들지 않음을 보였다. 지속적인 연구를 통해 향후 100 m 이상의 전송거리에서 10 %이상의 전송효율도 가능하리라 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선 광에너지 전송 방식은 무엇인가?
반면에 본 논문에서 연구하는 무선 광에너지 전송 방식은 송신단에서 레이저나 LED를 이용하여 전기에너지를 광 에너지로 변환시키고, 이를 빛의 형태로 목표물까지 무선으로 전송시킨 후에 수신단에서는 태양전지나 PD(: Photo Diode) 등을 이용하여 전기에너지의 형태로 변환시키는 기술을 말한다. 이러한 무선 광에너지 전송기술의 구성요소를 그림 1에 나타내었다.
장거리 무선전송에 있어서 전송효율을 높이는 방법은?
그림 10에서 알 수 있듯이 전송거리가 커질수록 지수적으로 레이저 빔의 크기가 커지는 것을 알 수 있다. 따라서, 수백 m의 장거리 전송에는 레이저 빔의 퍼짐이 작은 레이저를 사용하고, 수신부에 렌즈나 집광장치를 사용하여 전송손실을 줄이는 기술이 필요할 것으로 판단된다.
무선 광에너지 전송기술의 특징은 무엇인가?
한편, 무선 광에너지 송신단의 마지막 부분에는 빛을 원하는 방향을 보내기 위한 추가적인 광학장치가 필요할 수 있으며, 이를 위해서는 렌즈, 거울, SLM(: Spatial Light Modulator) 등이 사용될 수 있다[6-7]. 이러한 무선 광에너지 전송기술의 가장 큰 특징은 다른 무선 충전기술에 비해 전송거리가 길고, 목표물 이외의 방향으로 에너지가 전달되지 않기 때문에 원하는 목표물에만 정확하게 타겟팅(targeting)이 가능한 장점을 가지고 있다. 만약에 이러한 에너지 전송방식을 무선이 아니라 광섬유를 이용하여 유선으로 전송하면 유선 광에너지 전송기술이 된다[8-9].
참고문헌 (10)
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E. Falkenstein, M. Roberg, and Z. Popovic, "Low-Power wireless power delivery," IEEE Trans. Microw. Theory and Tech., vol. 60, no. 7, July 2012, pp. 2277-2286.
T. Shan and C. Lhen, "A primary side control method for wireless energy transmission system," IEEE Trans. Circuits and Systems-I: Regular Papers, vol. 59, no. 8, Aug. 2012, pp. 1805-1814.
H. Shin, "Status and expectation of wireless charging technology," The Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, vol. 28, no. 3, May 2014, pp. 49-56.
S. Kim and S. Kim, "Wireless visible light communication technology using optical beamforming," Optical Engineering, vol. 52, no. 10, Oct. 2013, Paper no. 106101.
S. Kim and H. Lee, "Visible light communication based on space-division multiple access optical beamforming," Chinese Optics Letters, vol. 12, no. 12, Dec. 2014, Paper no. 120601.
S. Kim, "Analysis of optical energy delivery through multi-core optical fibers," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 7, no. 5, Oct. 2012, pp. 1079-1085.
S. Kim, "Possibility of optical energy transmission through optical fibers," Far East J. of Electronics and Communications, vol. 5, no. 2, Dec. 2010, pp. 105-112.
S. Kim and S. Kim, "Wireless optical energy transmission using optical beamforming," Optical Engineering, vol. 52, no. 4, Apr. 2013, Paper no. 043205.
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