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문제 정의
- 본 논문에서는 상기에서 언급된 문제 해결을 위해 신관은 보존형 전지와 같은 별도의 독립적인 전원공급원을 가지지 않고, 탄이 운용되는 시점에만 외부로부터 전원을 공급받아 작동될 수 있는 시스템 구현을 통해 기존 보존형 전지의 장기저장에 따른 특성 열하 문제를 원천적으로 해결하고자 하였다.
- 이러한 시스템 구현을 위해 본 논문에서는 유도코일을 이용하여 외부장치에서 탄의 신관으로 신관 작동에 필요한 전원 및 신관 작동모드를 결정할 수 있는 정보데이터 전송을 위한 유도코일을 이용한 에너지 및 데이터 전송방법에 대해 다루고자 한다.
- 유도코일을 이용한 통신에서 핵심이 되는 원리는 페레데이의 전자기유도법칙이고, 본 논문에서 응용한 1차 코일을 이용한 전기장의 변화를 통해 코어에 자기장의 변화를 일으키고, 코어의 자기장 변화는 2차 코일의 전자장 변화로 이어지는 구조에서 효율적인 에너지 전달을 위해 사용되는 코어가 본 시스템에서는 총열로서 다른 시스템에서는 코어가 전달효율을 상승시키는 매개변수 역할을 하지만, 본 시스템에서는 총열로 인해 전달효율이 감소하는 장애가 되었다. 이러한 총열에서 발생하는 손실을 보상하고자, 다른 조건에서 전달효율을 향상 시킬 수 있는 방안에 대해 추가 연구를 진행하였다.
제안 방법
- 1차 시제를 이용한 기본적인 가능성 및 제품 적용 시험을 거친 후 최적화 단계를 진행하였다. 유도코일을 이용한 통신에서 핵심이 되는 원리는 페레데이의 전자기유도법칙이고, 본 논문에서 응용한 1차 코일을 이용한 전기장의 변화를 통해 코어에 자기장의 변화를 일으키고, 코어의 자기장 변화는 2차 코일의 전자장 변화로 이어지는 구조에서 효율적인 에너지 전달을 위해 사용되는 코어가 본 시스템에서는 총열로서 다른 시스템에서는 코어가 전달효율을 상승시키는 매개변수 역할을 하지만, 본 시스템에서는 총열로 인해 전달효율이 감소하는 장애가 되었다.
- 1차 코일에서 생성되는 유도기전력을 수신하기 위해서 트랜스형태의 2차 코일과 2차 측에서 공진을 발생시킬 수 있는 저항과 커패시터로 구성된 동조회로, 그리고 +/- 형태로 교번하는 전압을 모두 수신하기 위한 다이오드를 이용한 브릿지 정류회로, 정류된 전압을 충전하고 분석하기 위한 다이오드, 저항, 커패시터로 2차 측 회로를 구성하여 시험을 진행하였다.
- 실제 제작에 있어 1차 코일의 형상은 실험의 중요한 변수이다. 1차 코일의 선경, 턴수, 그리고 선간 간격을 균일한 조건으로 유지시키기 위해 코일이 균일하게 배치 될 수 있는 보빈을 제작하여 실험을 진행하였다. Fig 6에 나타낸 바와 같이 1차 측 코일이 균일하게 배치될 수 있도록 플라스틱 형태의 봉재에 코일이 배치될 홈을 가공한 뒤 코일을 권선하여 1차 코일의 선 간격을 균일하게 유지하였고, 충분한 전류를 공급할 수 있도록 비교적 굵은 에나멜(Enamel) 선을 적용하여 송신시스템을 구성하였다.
- 2차 코일 수신효율 개선을 위해 1차 측 코일에서 유기된 유도전원을 보다 응집된 형태로 수신 가능하도록 1차 시제에서 적용한 수신코일 보다 코일의 턴 수를 증대시키는 방향으로 설계 변경을 추진하였다. 물론 2차 코일의 외형 사이즈 증대를 통한 1차 코일과의 코일 공극을 줄이는 것도 효과적인 방법이 될 수 있으나, 코일 공극 및 크기 부분은 시스템이 적용되는 무기체계에서 이미 정해져 있어 변경이 불가하다.
- 1차 코일의 선경, 턴수, 그리고 선간 간격을 균일한 조건으로 유지시키기 위해 코일이 균일하게 배치 될 수 있는 보빈을 제작하여 실험을 진행하였다. Fig 6에 나타낸 바와 같이 1차 측 코일이 균일하게 배치될 수 있도록 플라스틱 형태의 봉재에 코일이 배치될 홈을 가공한 뒤 코일을 권선하여 1차 코일의 선 간격을 균일하게 유지하였고, 충분한 전류를 공급할 수 있도록 비교적 굵은 에나멜(Enamel) 선을 적용하여 송신시스템을 구성하였다.
- 이에 2차 코일을 협소한 공간에 균일하게 배치시키기 위해 실타래 형태의 보빈을 제작하였고, 보빈 내에서 균일한 턴 수를 가질 수 있도록 코일을 권선하였다. Fig. 6에 나타낸 바와 같이 제작된 송/수신 코일 조립 체와 송신 코일을 구동시키기 위한 코일 Driver 회로를 연결하고, 수신 코일 조립체로 인가되는 파형을 정류 및 분석할 수 있는 주변회로를 실험용 키트로 구성하여 실험을 진행하였다. 이러한 실험 데이터를 바탕으로 코일 조립 체들의 규격을 설정하여 실제 총열 위에 실장 되는 송신코일 조립체와 탄의 신관에 장착될 수신코일 조립체를 제작하였다.
- 또한 본 논문에서는 무선통신의 캐리어 주파수를 효율적으로 사용하여 통신 속도를 향상시키기 위해 캐리어 주파수의 듀티비 조절 방식을 이용하였다. 통상 무선통신의 캐리어 주파수 이용은 가장 고전적인 방식인 AM변조 방식과 FM변조 방식으로 대표되어 왔다.
- 본 논문에서 제안하는 캐리어 주파수의 듀티비를 조절하는 방안은 1개의 캐리어 주파수에 1개의 디지털 데이터 정보를 전송하는 방식으로, 캐리어 주파수를 사용하는 형태의 정보 전송에서는 가장 효율성이 높은 통신 방식이다. 이러한 듀티비 조절방식의 통신방식은 기존 AM변조 및 FM변조 방식의 통신방식에 비해 동일한 캐리어 주파수를 사용하더라도 가장 빨리, 그리고 가장 많은 양의 데이터 전송이 가능한 장점이 있다.
- 상기와 같은 결과를 바탕으로 캐리어 주파수는 10KHz로 고정하고, 본 실험에서 의도한 듀티비 조절을 이용한 에너지 및 데이터 통신을 위해 통신효율이 가장 높은 듀티비를 찾기 위해 추가적인 실험을 하였다. 실험 결과는 앞서 1차 코일의 구동전류 측정결과에서 볼 수 있었듯이 실제 유도기전력이 가장 많이 발생하는 부분은 디지털 형태의 신호가 High에서 Low로 변하는 역기전력이 발생하는 시점임으로, 이러한 역기전력이 가장 효율적으로 발생할 수 있는 신호의 High:Low의 듀티비가 50%:50%임을 확인 할 수 있었다.
- 에너지 형태로 전송되는 듀티비와 데이터의 1로 전송되는 듀티비가 동일함으로 시스템에서 이 부분의 구분을 위해서는 Fig. 9에서 나타낸 바와 같이 초기 전원공급을 위해 10KHz의 50% High 신호를 지속적으로 공급한 후 일정 지연시간을 가진 후 원하는 디지털 정보가 전송될 수 있도록 구성하여, 하나의 수신회로를 이용하여 전원공급 및 데이터 통신도 같이 할 수 있도록 구성하였다.
- 6에 나타낸 바와 같이 제작된 송/수신 코일 조립 체와 송신 코일을 구동시키기 위한 코일 Driver 회로를 연결하고, 수신 코일 조립체로 인가되는 파형을 정류 및 분석할 수 있는 주변회로를 실험용 키트로 구성하여 실험을 진행하였다. 이러한 실험 데이터를 바탕으로 코일 조립 체들의 규격을 설정하여 실제 총열 위에 실장 되는 송신코일 조립체와 탄의 신관에 장착될 수신코일 조립체를 제작하였다.
- 이러한 패러데이의 전자기 유도법칙에 의거 1차 측 코일에 사인파 형태의 캐리어 주파수를 실어 보냈을 때, 2차 측으로 유기되는 전압을 이용하여, 신관 작동에 필요한 전원 및 2차 코일로 유기되는 전압파형의 형태를 분석하여 유용한 디지털 정보 데이터로 활용 하고자 한다.
- 2차 측 수신코일에서도 보다 효율적으로 에너지를 수신하고, 보다 왜곡 없는 신호를 수신받기 위해서는 코일이 감겨지는 보빈의 형상, 재질과 더불어 수신코일의 턴 수, 선경 등이 중요한 관리요소로 구분될 수 있다. 이에 2차 코일을 협소한 공간에 균일하게 배치시키기 위해 실타래 형태의 보빈을 제작하였고, 보빈 내에서 균일한 턴 수를 가질 수 있도록 코일을 권선하였다. Fig.
- 이에 에너지 공급 영역은 10KHz의 캐리어 주파수에 듀티비 50%:50%을 적용하는 것으로 설계를 확정하였다.
- 이와 더불어 송신코일을 구동시키는 전압을 우리 주변에서 쉽게 사용할 수 있는 220V 교류전원을 전원공급원으로 하여 시스템에 적합한 직류전원을 만들어 낼 수 있는 SMPS용 직류전원과 본 논문에서 연구한 결과가 최종 적용될 무기체계에서 사용될 휴대용 Battery 적용한 비교 시험을 통해, Table 3 과 같이 변경된 1,2차 송신코일의 조건별 사용 전원의 전압에 따른 소모전류를 계측하였다.
- 통신 효율이 가장 좋은 캐리어 주파수 및 실제 사용하고자 하는 신관은 전원 커패시터 150uF의 용량에 9.0V 이상의 전압을 충전시키기 위한 시간을 찾아내기 위해 본 논문에서 제안한 송/수신 코일 및 회로를 고정한 상태에서 캐리어 주파수 및 충전시간에 따른 전원 커패시터에 충전되는 전압을 아래 Table 1 과 같이 측정하였다.
성능/효과
- Fig. 8에 나타낸바와 같이 500Hz에서 10KHz로 주파수가 증가함에 따라 커패시터에 충전되는 값은 높아지는 것을 확인할 수 있었으며, 10KHz에서 1MHz로 캐리어 주파수가 상승함에 따라 충전되는 값은 다시 감소하여 오히려 500Hz보다 더 낮은 전압이 충전되는 것을 확인할 수 있었으며, 최고전압까지 완충되는 기울기도 낮아져 포화되는 시간이 길어지는 결과를 도출 할 수 있었다.
- 둘째, 무선통신 효율에 있어서는 캐리어 주파수에 원하는 데이터를 실어 보내는 기존 AM변조방식과 FM변조방식에 비해 1개의 캐리어 주파수의 듀티비만을 조절하여 0과 1의 데이터를 보내는 방식이 가장 효율적인 데이터 통신방법임을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 캐리어 주파수의 듀티비 조절을 통해 타 무선통신 방식에 비해 짧은 시간에 더 많은 데이터 전송이 가능한 결과를 도출할 수 있었다. 이러한 가능성의 확인은 본 논문이 적용되는 시스템에서 별도의 전원 공급 장치 없이, 다른 시스템으로부터 공급되는 유도전원만을 이용한 운용이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 상기와 같은 결과를 바탕으로 캐리어 주파수는 10KHz로 고정하고, 본 실험에서 의도한 듀티비 조절을 이용한 에너지 및 데이터 통신을 위해 통신효율이 가장 높은 듀티비를 찾기 위해 추가적인 실험을 하였다. 실험 결과는 앞서 1차 코일의 구동전류 측정결과에서 볼 수 있었듯이 실제 유도기전력이 가장 많이 발생하는 부분은 디지털 형태의 신호가 High에서 Low로 변하는 역기전력이 발생하는 시점임으로, 이러한 역기전력이 가장 효율적으로 발생할 수 있는 신호의 High:Low의 듀티비가 50%:50%임을 확인 할 수 있었다.
- 1차 시제를 이용한 기본적인 가능성 및 제품 적용 시험을 거친 후 최적화 단계를 진행하였다. 유도코일을 이용한 통신에서 핵심이 되는 원리는 페레데이의 전자기유도법칙이고, 본 논문에서 응용한 1차 코일을 이용한 전기장의 변화를 통해 코어에 자기장의 변화를 일으키고, 코어의 자기장 변화는 2차 코일의 전자장 변화로 이어지는 구조에서 효율적인 에너지 전달을 위해 사용되는 코어가 본 시스템에서는 총열로서 다른 시스템에서는 코어가 전달효율을 상승시키는 매개변수 역할을 하지만, 본 시스템에서는 총열로 인해 전달효율이 감소하는 장애가 되었다. 이러한 총열에서 발생하는 손실을 보상하고자, 다른 조건에서 전달효율을 향상 시킬 수 있는 방안에 대해 추가 연구를 진행하였다.
- 물론 2차 코일의 외형 사이즈 증대를 통한 1차 코일과의 코일 공극을 줄이는 것도 효과적인 방법이 될 수 있으나, 코일 공극 및 크기 부분은 시스템이 적용되는 무기체계에서 이미 정해져 있어 변경이 불가하다. 이러한 2차 코일의 턴 수 증대를 통해 유도통신의 효율을 향상시킬 수 있었으며, Table 3 의 시험 데이터를 통해 유추할 수 있었던 0.3초 영역대역에서의 포화곡선과 Table 4 에 나타낸 바와 같이 수신코일의 턴 수가 1차 시제에 비해 약 4배 이상 많이 감긴 2차 시제에서 초기 신관 작동을 위해 필요한 에너지 전송시간을 2초에서 0.3초로 단축시킬 수 있었다.
- 본 연구에서는 캐리어 주파수의 듀티비 조절을 통해 타 무선통신 방식에 비해 짧은 시간에 더 많은 데이터 전송이 가능한 결과를 도출할 수 있었다. 이러한 가능성의 확인은 본 논문이 적용되는 시스템에서 별도의 전원 공급 장치 없이, 다른 시스템으로부터 공급되는 유도전원만을 이용한 운용이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 12 에서와 같이 계측하였다. 이러한 포화 시간 측정을 통해 실제 응용에서 최적의 시간을 통해 가장 효율적인 통신효율을 구현해 낼 수 있는 중요한 변수를 도출할 수 있었다.
- 첫째, 유도코일을 이용한 통신에 있어 캐리어 주파수를 10KHz로 설정하는 것이, 시스템 마다 다소 차이를 보일 수 있으나, 본 시스템에서는 가장 효율적인 임피던스 매칭을 보였고, 이에 따라 에너지 전달 효율도 높았으며, 수신되는 파형의 분석이 용이한 결과를 도출할 수 있었다.
- 하지만 10KHz 대역의 캐리어 주파수 적용 시 가장 빠른 속도로 전원 커패시터가 충전되었고, 충전된 전압 역시 가장 높은 결과를 얻을 수 있었다. 캐리어 주파수 선정 이후 가장 적절한 충전시간을 도출하기 위해 추가적인 시험을 진행한 결과 충전 시간을 길게 할수록 충전되는 전압은 높아지지만, 전 주파수 영역에서 충전전압의 포화현상을 확인할 수 있었다. 이에 가장 충전효율이 좋았던 10KHz의 캐리어 주파수에서도 커패시터에 충전되는 전압의 RC 타우가 98%에 이르는 시간인 2초까지를 충전시간으로 한정하는 것이 시스템을 보다 효율적으로 구동시킬 수 있는 최적의 조건으로 설정하였다.
- 하지만 10KHz 대역의 캐리어 주파수 적용 시 가장 빠른 속도로 전원 커패시터가 충전되었고, 충전된 전압 역시 가장 높은 결과를 얻을 수 있었다. 캐리어 주파수 선정 이후 가장 적절한 충전시간을 도출하기 위해 추가적인 시험을 진행한 결과 충전 시간을 길게 할수록 충전되는 전압은 높아지지만, 전 주파수 영역에서 충전전압의 포화현상을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 본 논문에서 다루고자 하는 분야는 군수무기 중 공중 폭발탄의 전원공급 및 데이터 전송방법에 관한 것으로 탄의 신관이 별도의 전원공급원을 가지지 않고도 운용이 가능하다면 이는 획기적인 탄의 신관을 개발할 수 있는 원동력이 될 것이다. 기존 전자부품을 장착한 신관의 전원공급원은 납전지 혹은 보존형 리튬전지를 적용하는 방식으로 이들 전지는 다른 전원공급원이나 다른 종류의 전지에 비해 소형이긴 하지만 신관 전체에서는 가장 큰 부피를 차지하는 부품 중 하나이고, 이들 전지를 필요한 시점에 활성화 시켜야 함으로 별도의 활성화 장치가 부가적으로 요구된다.
- 셋째, 본 연구에서 확보된 유도코일을 이용한 통신기술은 대부분의 시간을 저장 상태에서 유지되어지고, 짧은 시간만 운용되는 신관 전자부의 전원 공급 장치로는 가장 효율적인 방안으로 향후 전자신관 기술경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
- 이 두 가지 대표적인 변조방식의 공통점은 캐리어 주파수에 필요한 정보를 합성하는 방식으로 필요한 정보 데이터에 비해 더 많은 캐리어 주파수가 요구된다. 하지만 본 논문에서 적용 하고자 하는 듀티비(Duty Ratio) 조절방식은 캐리어 주파수의 듀티비 만을 조절하여 0과 1의 디지털 데이터 정보를 통신하는 방식으로, 이러한 듀티비 조절방식은 1개의 캐리어 주파수에 1개의 데이터 정보를 실어 보낼 수 있음으로 인해 기존 진폭 변조방식 및 주파수 변조방식에 비해 짧은 시간에 더 많은 데이터 통신이 가능함으로 고속 데이터 통신이 가능하며, 이는 유도코일을 이용한 통신방식이 다른 무선통신방식들에 비해 떨어지는 통신 속도 문제를 보완할 수 있는 대안으로 제시될 수 있을 것이다.
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