[논문]자기공진형 무선전력전송 시스템의 소형화를 위한 공진기 설계

강석현; 정창원

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.2.163

자기공진형 무선전력전송 시스템의 소형화를 위한 공진기 설계
The Design of Resonator for Miniaturization of Magnetic Resonance Wireless Power Transfer System 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.2, 2016년, pp.163 - 169

강석현 (서울과학기술대학교 NID융합기술대학원) , 정창원 (서울과학기술대학교 NID융합기술대학원)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 소형 모바일 기기에 적용이 가능하도록 코일형 및 루프형 공진기의 평면화를 통해 소형화하여 자기공진형 무선전력전송 시스템을 구축하였다. 제안된 디스크형 이중코일공진기(disk type double coil resonator)는 아크릴 기판(acrylic substrate)의 양면에 얇은 구리 재질을 2 mm의 넓이(width)와 1 mm의 간격(pitch)으로 8번 감은 수의 나선코일패턴을 설계하여 최외각단을 연결한 구조이다. 이 공진기는 구리 재질의 패턴 길이에 의한 유도용량과 각 양쪽 나선코일패턴간의 아크릴 사이에 발생하는 정전용량을 이용하여 6.78 MHz에서 공진한다. 공진기에 설계된 나선코일패턴의 크기는 최외각 지름이 9 cm로 소형화 되었다. 급전 및 부하공진기로 사용되는 루프는 5 mm 굵기의 동선을 이용하여 지름 10 cm의 단일 루프로 구현하였다. 또한, 6.78 MHz에서 공진할 수 있도록 3,300 pF 커패시터(capacitor)를 직렬로 연결하였다. 디스크형 이중코일공진기의 특성을 알아보기 위해 다양한 공진기 재배열을 통해 시스템을 구성 및 측정하였으며, 소형 무선전력전송 시스템의 최대 전송효율은 35.67 %를 보였다. 제안된 공진기의 구조를 통해 더 작은 소형화 구조 설계가 가능할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we miniaturized the loop and coil in magnetic resonance wireless power transfer(MR-WPT) system for application to the small mobile device. The proposed disk type double coil resonator was designed to cause resonance at 6.87 MHz. It is composed of thin copper on both-side of acrylic substrate structured 2 mm width, 1 mm pitch and 8 turns. The outer radius of spiral coil pattern is 9 cm. And the proposed loop was made of the copper wire 5 mm diameter of cross-section. The size of loop is 10 cm diameter. For resonance at 6.87 MHz, the capacitor with 3,300 pF was connected in series on the loop. We rearranged the resonators and organized several WPT systems which is rearranged by resonators. The highest transfer efficiency of miniaturized WPT system was 35.67 %. This proposed design of spiral double coil will contribute to make resonator smaller for appling small and thin mobile device.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 디스크형 이중코일공진기의 양쪽 나선코일패턴을 연결하는 방향에 따라 전송효율에 미치는 영향을 알아보기 위해 추가 실험을 진행하였다. 그림 4와 같이 각각 나선코일패턴의 최외각단과 최내각단을 연결하여 6.
본 연구는 모바일 기기에 적용가능한 자기공진형 무선 전력전송 시스템의 소형화에 관해 연구하였다. 시스템을 구성하는 공진기가 공진주파수를 갖기 위해 나선코일패턴이 양면에 설계된 이중코일구조는 유도용량과 정전용량을 증가시켜 공진주파수를 낮춘다.
본 연구에서는 자기공진형 무선전력전송 시스템의 소형화를 위해 공진기를 설계하고 제작하였다. 또한, 제안된 공진기의 재배열을 통해 다양한 시스템을 구성하여 전송효율을 측정 및 비교하였다.
그림 9. 양쪽 나선코일패턴의 연결 방향이 전송효율에 미 치는 영향을 확인하기 위한 실험. (a) 최외각단 연 결, (b) 최내각단 연결
또한, 제안된 공진기의 재배열을 통해 다양한 시스템을 구성하여 전송효율을 측정 및 비교하였다. 이를 통해 소형 시스템의 특성을 확인하고, 소형화의 가능성을 확인하였다.

제안 방법

디스크형 이중코일공진기는 코일의 길이가 L 성분이 되며, 각 코일 간 간격과 아크릴 기판 사이에서 C 성분이 발생하고, 식 (1)에 의해 공진주파수가 형성된다. EM 시 뮬레이션 Tool을 사용하여 루프와 코일을 설계하였으며, 설계된 공진기는 그림 3 및 표 1과 같이 제작하였다.
9. The experiment for the effect on transfer efficiency according to the direction of connecting between two spiral coil patterns. (a) connecting at outer ends, (b) connetcing at inner ends.
또한, 급전공진기와 부하공진기로 사용되는 루프에서는 L 성분이 존재하지만, 기생 C의 형성이 어렵다. 그러므로 외부에서 커패시터를 직렬로 연결하여 시스템의 동작주파수에서 공진할 수 있도록 설계하였다(표 2).
제안된 디스크형 이중코일공진기(disk type double coil resonator)는 35 μm의 얇은 구리 재질이 사용되었다. 그림 2 및 표 1과 같이 1.25 mm 두께의 아크릴 기판의 앞면과 뒷면에 평면형 나선코일패턴(spiral coil pattern)을 구현하였다. 나선코일패턴은 35 μm의 에폭시로 기판에 고정되어 있다.
또한, 디스크형 이중코일공진기의 양쪽 나선코일패턴을 연결하는 방향에 따라 전송효율에 미치는 영향을 알아보기 위해 추가 실험을 진행하였다. 그림 4와 같이 각각 나선코일패턴의 최외각단과 최내각단을 연결하여 6.78 MHz에서 공진하도록 설계한 두 공진기를 급전루프와 부하코일 사이에 위치시켜 전송거리에 따른 전송효율을 측정 및 비교하였다. 급전루프로는 그림 3의 (b)를 사용하였고, 부하코일에는 그림 3의 (d)을 사용하였다.
본 연구에서는 자기공진형 무선전력전송 시스템의 소형화를 위해 공진기를 설계하고 제작하였다. 또한, 제안된 공진기의 재배열을 통해 다양한 시스템을 구성하여 전송효율을 측정 및 비교하였다. 이를 통해 소형 시스템의 특성을 확인하고, 소형화의 가능성을 확인하였다.
본 연구에서 제안된 소형 자기공진형 무선전력전송 시스템의 전송효율 측정을 위해 그림 5와 같이 제작된 공진기를 배열하여 시스템을 구성하였다. 이러한 배열은 전형 적인 간접급전식 시스템이며, 식 (2)와 같이 인접한 루프 및 코일 간의 자기결합을 통해 급전루프(source loop)부터부하루프(load loop)까지 전력이 전송된다.
또한, 나선코일패턴의 감은 수 및 길이가 감소하면 전도성 패턴의 유도용량과 감소하는 양쪽 나선코일패턴 사이의 정전용량이 동시에 감소하면서 공진주파수는 증가하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 디스크형 이중코일공진기의 양쪽 패턴연결을 각각 최외각단 및 최내각단으로 연결했을 때 전송효율에 어떠한 영향을 주는지 비교하였다.
전송거리는 Tx와 Rx 공진기 사이의 거리로 정하고, 측정거리는 3 cm부터 20 cm까지 정하였으며, 1 cm 간격으로 S21을 측정하였다. 임피던스 정합(impedance matching)을 위해 각 전송거리에서 각 코일로부터 루프 간의 거리를 조정하여 최대 전송효율 값을 찾아냈다.
자기공진형 무선전력전송 시스템 내에서 Tx와 Rx 공진기로 사용되는 디스크형 이중코일공진기의 성능을 확인하기 위해 Rx 공진기가 제외된 재배열 3-코일 시스템의 전송효율을 측정하였다(그림 7). 두 시스템의 전송효율 측정 후 비교한 결과, 전형적인 자기공진형 무선전력 전송 4-코일 시스템(A)의 전송효율과 비교하여 재배열 시스템(B)는 전반적으로 낮은 전송효율을 보일 뿐만 아니라, 전송거리 5 cm 이후의 거리에서는 전력전송이 거의 일어나지 않는 것을 볼 수 있다.
자기공진형 무선전력전송 시스템 내에서 디스크형 이중코일공진기의 나선코일패턴 양단의 연결 방향이 시스템의 전송효율에 미치는 영향을 확인하기 위해 그림 9와 같이 제작된 공진기를 급전루프와 부하코일과 함께 3-코일 시스템을 구성한 뒤 전송효율을 측정하여 비교하였다.
전송거리는 Tx와 Rx 공진기 사이의 거리로 정하고, 측정거리는 3 cm부터 20 cm까지 정하였으며, 1 cm 간격으로 S21을 측정하였다. 임피던스 정합(impedance matching)을 위해 각 전송거리에서 각 코일로부터 루프 간의 거리를 조정하여 최대 전송효율 값을 찾아냈다.
67 %의 전송효율을 보인다. 제안된 디스크형 이중코일공진기는 시스템 내에서 Tx와 Rx 공진기로 사용되며, 공진기 간 자기결합을 형성 하여 전력을 전송하는 역할을 실험을 통해 확인하였다. 제안된 공진기는 작고 얇아지는 모바일 기기의 트렌드와 부합하여 적용 가능성이 크며, 나선코일패턴의 설계를 바탕으로 추후 소형 및 박형 공진기 개발에 기여할 것으로 기대한다.

대상 데이터

그림 4. 6.78 MHz에서 공진주파수를 가지는 아크릴 기판 0.55 mm로 제작된 디스크형 이중코일공진기. (a) 최외각단 연결 공진기, (b) 최내각단 연결 공진기
제안된 디스크형 이중코일공진기(disk type double coil resonator)는 35 μm의 얇은 구리 재질이 사용되었다.

성능/효과

자기공진형 무선전력전송 시스템 내에서 Tx와 Rx 공진기로 사용되는 디스크형 이중코일공진기의 성능을 확인하기 위해 Rx 공진기가 제외된 재배열 3-코일 시스템의 전송효율을 측정하였다(그림 7). 두 시스템의 전송효율 측정 후 비교한 결과, 전형적인 자기공진형 무선전력 전송 4-코일 시스템(A)의 전송효율과 비교하여 재배열 시스템(B)는 전반적으로 낮은 전송효율을 보일 뿐만 아니라, 전송거리 5 cm 이후의 거리에서는 전력전송이 거의 일어나지 않는 것을 볼 수 있다. 그 이유는 식 (2)에서 Tx 공진기와 부하루프 사이의 자기결합(M₂₃)이 낮기 때문이다.
본 연구에서 소형화 된 자기공진형 무선전력전송 시스템은 공진주파수 6.78 MHz에서 동작한다(그림 6
03 %였으며, 전송거리 5 cm까지 급격히 감소하는 경향을 보였다(그림 8). 이를 통해 디스크형 이중코일공진기는 루프와 코일 간의 자기결합은 물론, 원거리에서 자기결합을 형성하는 기능을 확인하였다.
시스템을 구성하는 공진기가 공진주파수를 갖기 위해 나선코일패턴이 양면에 설계된 이중코일구조는 유도용량과 정전용량을 증가시켜 공진주파수를 낮춘다. 제안된 소형 무선전력전송 시스템의 공진주파수는 6.78 MHz이며, 전형적인 4-코일 시스템을 기준으로 최대 35.67 %의 전송효율을 보인다. 제안된 디스크형 이중코일공진기는 시스템 내에서 Tx와 Rx 공진기로 사용되며, 공진기 간 자기결합을 형성 하여 전력을 전송하는 역할을 실험을 통해 확인하였다.
측정결과, 공진기의 나선코일패턴을 최내각단보다 최외각단에서 연결했을 때, 전송거리 10 cm 이하에서 상대 적으로 높은 전송효율을 보였다(그림 10). 그러므로 나선 코일패턴의 연결 방향이 시스템의 전송효율에 영향을 미친다.

후속연구

제안된 디스크형 이중코일공진기는 시스템 내에서 Tx와 Rx 공진기로 사용되며, 공진기 간 자기결합을 형성 하여 전력을 전송하는 역할을 실험을 통해 확인하였다. 제안된 공진기는 작고 얇아지는 모바일 기기의 트렌드와 부합하여 적용 가능성이 크며, 나선코일패턴의 설계를 바탕으로 추후 소형 및 박형 공진기 개발에 기여할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기공진형 시스템의 장점은 무엇인가?	자기공진형 시스템은 전송거리에 제한적인 자기유도형(inductive magnetic coupling)의 단점을 극복하고, 전력전송거리가 증가한다는 장점이 있다. 자기공진형 무선전력전송 시스템은 일반적으로 약 0.
	자기공진형 무선전력전송 시스템에서 비교적 큰 공진기를 사용하는 이유는 무엇인가?	5 m 이상의 비교적 큰 공진기를 사용하였다[3]～[5]. 이것은 시스템의 유도용량(inductance)과 상호유도용량(mutual in- ductance)이 증가함에 따라 시스템의 전송효율(transfer effi- ciency)과 전송거리(transfer distance)가 증가하기 때문이다. 반대로 시스템의 규모가 작아질수록 유도용량의 감소에 따라 전송효율과 전송효율은 감소한다.
	자기유도형 무선전력전송 시스템의 단점은 무엇인가?	제조업체에서 생산하고 있는 무선충전제품은 대부분 자기유도형(electromagnetic inductive coupling) 시스템이다. 자기유도형 무선전력전송 시스템은 전송효율이 높다는 장점이 있지만, 전송거리가 짧아 충전영역이 제한적이다. 자기공진형 무선전력전송 시스템(Magnetic Resonance Wireless Power Transfer: MR-WPT)은 2007년 Marin Soljacic의 팀이 성공시키면서 이와 관련한 많은 연구들이 수행되었다[2].

참고문헌 (5)

Y. Huang, J. Wang, T. Sun, X. Xie, G. Li, Y. Gu, and Z. Wang, "An efficiency-enhanced wireless power transfer system with segmented transmitting coils for endoscopic capsule", in Circuits and Systems(ISCAS), 2013 IEEE International Symposium on, pp. 2279-2282, May 2013.
A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljaucic, "Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances", Science, vol. 317, no. 83, pp. 83-86, May 2007.

상세보기
T. P. Duong, J. Lee, "Experimental results of high-efficiency resonant coupling wireless power transfer using a variable coupling method", Microwave and Wireless Components Letters, IEEE, vol. 21, no. 8, pp. 442-444, Jul. 2011.

상세보기
J. Kim, W. Choi, and J. Jeong, "Loop switching technique for wireless power transfer using magnetic resonance coupling", Progress in Electromagnetics Research, vol. 138, pp. 197-209, Mar. 2013.

상세보기
A. P. Sample, D. A. Meyer, and J. R. Smith, "Analysis, experimental results, and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer", Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 58, no. 2, pp. 544-554, Jan. 2011.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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