본 논문에서는 저주파 대역자기유도방식 상용 무선충전기기에 대해 특정 노출 조건을 고려하여 인체영향을 평가하였다. 상용 무선충전기기는 WPC(Wireless Power Consortium)에서 제안하는 Qi 규격 중 A10 모델을 대상으로 했으며, 155 kHz의 공진 주파수에서 5 W의 출력으로 동작한다. 송 수신기가 완벽히 정렬된 상태에서, 기기로부터 방사되는 누설 자기장은 기기의 측면에서 최대 $257.58{\mu}T$로 ICNIRP 2010 기준인 $27{\mu}T$보다 7.4배 초과하는 세기를 보였다. SAR(Specific AbsorptionRate)는 젖은 피부의 전기적 상수를 적용한 균질 인체팬텀을 이용해 평가하였으며, 마찬가지로 기기의 측면에서 대략 $134.47{\mu}W/kg$으로 최댓값을 보였지만, 10 g 평균 SAR 국제 기준인 4 W/kg에 상당히 못 미치는 수준이었다. 오정렬 상태를 고려한 노출 조건에서 SAR는 대략 $199.43{\mu}W/kg$으로 일반적 노출 조건보다 대략 48 % 이상 증가했고, 이를 통해 무선전력전송 시스템의 인체영향을 평가할 때 오정렬 상태 또한 중요하게 고려할 필요가 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 저주파 대역 자기유도방식 상용 무선충전기기에 대해 특정 노출 조건을 고려하여 인체영향을 평가하였다. 상용 무선충전기기는 WPC(Wireless Power Consortium)에서 제안하는 Qi 규격 중 A10 모델을 대상으로 했으며, 155 kHz의 공진 주파수에서 5 W의 출력으로 동작한다. 송 수신기가 완벽히 정렬된 상태에서, 기기로부터 방사되는 누설 자기장은 기기의 측면에서 최대 $257.58{\mu}T$로 ICNIRP 2010 기준인 $27{\mu}T$보다 7.4배 초과하는 세기를 보였다. SAR(Specific Absorption Rate)는 젖은 피부의 전기적 상수를 적용한 균질 인체팬텀을 이용해 평가하였으며, 마찬가지로 기기의 측면에서 대략 $134.47{\mu}W/kg$으로 최댓값을 보였지만, 10 g 평균 SAR 국제 기준인 4 W/kg에 상당히 못 미치는 수준이었다. 오정렬 상태를 고려한 노출 조건에서 SAR는 대략 $199.43{\mu}W/kg$으로 일반적 노출 조건보다 대략 48 % 이상 증가했고, 이를 통해 무선전력전송 시스템의 인체영향을 평가할 때 오정렬 상태 또한 중요하게 고려할 필요가 있음을 확인하였다.
In this paper, we consider particular exposure scenarios to evaluate human effects for inductive commercial wireless charging device operating at low frequency. The coil used in this study is the A10 model in Qi standard proposed by WPC(Wireless Power Consortium), and input power is 5 W to the opera...
In this paper, we consider particular exposure scenarios to evaluate human effects for inductive commercial wireless charging device operating at low frequency. The coil used in this study is the A10 model in Qi standard proposed by WPC(Wireless Power Consortium), and input power is 5 W to the operating frequency of 155 kHz. In perfectly aligned condition, the max leakage magnetic field is $257.58{\mu}T$ which is obtained at the side of the device, and it is exceeded about 7.4 times of the ICNIRP 1998 reference level. The SAR is evaluated with homogeneous phantom which has electric constants of wet skin. The max value of the SAR is $134.47{\mu}W/kg$ which is obtained at the side of the device also, and it is much lower than the international guidelines. Especially, it showed higher SAR values in case of misalignment condition, so we will need to consider the misalignment condition importantly when we evaluate human effects for wireless power transfer system.
In this paper, we consider particular exposure scenarios to evaluate human effects for inductive commercial wireless charging device operating at low frequency. The coil used in this study is the A10 model in Qi standard proposed by WPC(Wireless Power Consortium), and input power is 5 W to the operating frequency of 155 kHz. In perfectly aligned condition, the max leakage magnetic field is $257.58{\mu}T$ which is obtained at the side of the device, and it is exceeded about 7.4 times of the ICNIRP 1998 reference level. The SAR is evaluated with homogeneous phantom which has electric constants of wet skin. The max value of the SAR is $134.47{\mu}W/kg$ which is obtained at the side of the device also, and it is much lower than the international guidelines. Especially, it showed higher SAR values in case of misalignment condition, so we will need to consider the misalignment condition importantly when we evaluate human effects for wireless power transfer system.
본 논문에서는 5 W 출력, 155 kHz 공진 주파수에서 동작하는 상용 무선충전기기의 인체영향 평가에 대한 연구를 수행했다. 연구 결과, 인체노출 기준레벨인 자기장 세기는 ICNIRP 1998 기준과 비교해 최대 7.
제안 방법
A10 규격의 상용 무선충전기기가 동작하고 있는 상태에서, 전자파 인체노출 기본한계인 SAR를 계산하기 위해 균질 인체팬텀을 설계하였다. 균질 인체팬텀은 상용 무선충전기기 근처에 손이 위치한 상황을 고려하기 위해 너비 100 mm, 높이 200 mm, 두께 50 mm의 크기로 설계하였고, 그림 3 및 그림 4와 같이 최악의 노출 조건을 고려하기 위해 기기의 상단과 측면으로부터 각각 1 mm 떨어진 지점에 위치시켰다.
여러 노출을 고려하기 위해 인체노출 평가 요소 중 기준레벨(reference level)인 자기장 세기와 기본한계(basic restriction)인 SAR에 대해 인체영향을 평가하였으며, 특히 SAR는 무선충전기기의 상단과 측면 가까이 손이 놓인 경우를 고려하였다. 그리고 무선충전기기의 송신부와 수신부가 오정렬인 상태로 동작하는 경우의 인체 유해성 경향을 추가적으로 분석하였고, 이를 통해 무선충전기기의 실제 사용 환경에서 최악의 노출 조건을 도출하였다.
따라서 본 논문에서는 저주파 대역에서 동작하는 소출력 상용 무선충전기기에 대해 여러 노출 조건에서 인체영향을 평가하였다. 여러 노출을 고려하기 위해 인체노출 평가 요소 중 기준레벨(reference level)인 자기장 세기와 기본한계(basic restriction)인 SAR에 대해 인체영향을 평가하였으며, 특히 SAR는 무선충전기기의 상단과 측면 가까이 손이 놓인 경우를 고려하였다. 그리고 무선충전기기의 송신부와 수신부가 오정렬인 상태로 동작하는 경우의 인체 유해성 경향을 추가적으로 분석하였고, 이를 통해 무선충전기기의 실제 사용 환경에서 최악의 노출 조건을 도출하였다.
대상 데이터
A10 규격의 상용 무선충전기기가 동작하고 있는 상태에서, 전자파 인체노출 기본한계인 SAR를 계산하기 위해 균질 인체팬텀을 설계하였다. 균질 인체팬텀은 상용 무선충전기기 근처에 손이 위치한 상황을 고려하기 위해 너비 100 mm, 높이 200 mm, 두께 50 mm의 크기로 설계하였고, 그림 3 및 그림 4와 같이 최악의 노출 조건을 고려하기 위해 기기의 상단과 측면으로부터 각각 1 mm 떨어진 지점에 위치시켰다. 이때 균질 인체팬텀 적용할 인체 조직 역시 최악의 노출 조건을 고려하기 위해 물에 젖은 상태의 피부(wet-skin)를 택했으며, 인체 조직 전기적 상수의 국제 기준으로 사용되는 Gabriel의 연구를 참고하여 각각 유전율 1,1057, 도전율 0.
그림 2는 규격에 명시되어 있는 설계 요소들을 바탕으로 설계한 시뮬레이션 모델과 A10 코일의 실제 모델을 나타낸 것이다. 실제 모델과 설계 모델의 공진 주파수 및 전력전송효율을 확인하기 위해 수신부 코일을 송신부 코일과 완벽히 정렬된 상태로 송신부 코일의 중심으로부터 상단 4 mm 떨어진 곳에 위치시켰으며, 4 mm 이격 거리는 기기의 인터페이스 표면을 고려한 수치이다. 이 때 설계 모델은 155 kHz에서 81.
. 이때 계산 영역의 크기는 해석 주파수 대역이 저주파 대역임을 고려하여 5,000 × 5,000 × 5,000 mm3 부피의 정육면체로 설정하였으며, 특히 자기유도방식 무선전력 전송기기의 전자기장은 근거리장으로 형성되기 때문에, 기기에 인접한 영역 및 균질 인체팬텀의 메쉬 설정을 더 세밀하게 하여 근거리장 계산 결과의 신뢰성을 높였다. 또한 계산 결과의 정확성을 검증하기 위해 HFSS의 설계 모델에서 방사되는 자기장의 계산 값과 실제 모델의 측정값을 직접 비교하여, 설계한 모델이 실제 모델과 같은 방사 특성을 보임을 검증하였다.
데이터처리
이때 계산 영역의 크기는 해석 주파수 대역이 저주파 대역임을 고려하여 5,000 × 5,000 × 5,000 mm3 부피의 정육면체로 설정하였으며, 특히 자기유도방식 무선전력 전송기기의 전자기장은 근거리장으로 형성되기 때문에, 기기에 인접한 영역 및 균질 인체팬텀의 메쉬 설정을 더 세밀하게 하여 근거리장 계산 결과의 신뢰성을 높였다. 또한 계산 결과의 정확성을 검증하기 위해 HFSS의 설계 모델에서 방사되는 자기장의 계산 값과 실제 모델의 측정값을 직접 비교하여, 설계한 모델이 실제 모델과 같은 방사 특성을 보임을 검증하였다. 이때 자기장 측정 프로브는 Aaronia 사의 PBS-H4 모델, A10 코일은 Wurth Electronic 사의 모델을 사용하였고, 해당 프로브를 포함한 측정 환경을 그림 5에 나타내었다.
이론/모형
본 연구에서 평가 대상으로 한 상용 무선전력전송 시스템의 송신부와 수신부 코일 구조는 WPC에서 제안하는 규격을 참고하였다[10]. WPC는 Qi 규격을 통해 자기유도방식 무선전력전송 송신부 코일 구조를 A1에서 A16까지 규격화하여 제안하고 있는데, 이 중 본 연구에서 고려한 규격은 단일 코일 구조를 갖는 A10 모델이며, 코일 밑바닥에 자기장 차폐를 위한 고투자율 페라이트 판이 위치한다.
균질 인체팬텀은 상용 무선충전기기 근처에 손이 위치한 상황을 고려하기 위해 너비 100 mm, 높이 200 mm, 두께 50 mm의 크기로 설계하였고, 그림 3 및 그림 4와 같이 최악의 노출 조건을 고려하기 위해 기기의 상단과 측면으로부터 각각 1 mm 떨어진 지점에 위치시켰다. 이때 균질 인체팬텀 적용할 인체 조직 역시 최악의 노출 조건을 고려하기 위해 물에 젖은 상태의 피부(wet-skin)를 택했으며, 인체 조직 전기적 상수의 국제 기준으로 사용되는 Gabriel의 연구를 참고하여 각각 유전율 1,1057, 도전율 0.096377 S/m을 적용하였다[11],[12].
성능/효과
4 배 수준의 세기를 보였으나, 기기로부터 대략 16 mm 떨어진 지점 이후로는 기준에 만족하는 것으로 보아, 아주 근접한 범위가 아닌 이상 인체영향은 미미할 것으로 보인다. 반면, SAR는 기기에 최대한 근접하고, 물에 젖은 상태의 피부를 고려한 최악의 노출 조건에도 10 g 평균 SAR 국제 기준인 4 W/kg에 훨씬 못 미치는 수준을 보였으며, 상단보다는 측면에서, 오정렬 정도가 심해질수록 더 높은 SAR가 얻어지는 경향을 보임을 확인하였다.
본 논문에서는 5 W 출력, 155 kHz 공진 주파수에서 동작하는 상용 무선충전기기의 인체영향 평가에 대한 연구를 수행했다. 연구 결과, 인체노출 기준레벨인 자기장 세기는 ICNIRP 1998 기준과 비교해 최대 7.4 배 수준의 세기를 보였으나, 기기로부터 대략 16 mm 떨어진 지점 이후로는 기준에 만족하는 것으로 보아, 아주 근접한 범위가 아닌 이상 인체영향은 미미할 것으로 보인다. 반면, SAR는 기기에 최대한 근접하고, 물에 젖은 상태의 피부를 고려한 최악의 노출 조건에도 10 g 평균 SAR 국제 기준인 4 W/kg에 훨씬 못 미치는 수준을 보였으며, 상단보다는 측면에서, 오정렬 정도가 심해질수록 더 높은 SAR가 얻어지는 경향을 보임을 확인하였다.
후속연구
이러한 결과가 5 W 출력의 상용 무선충전기기에서 얻어진 것을 고려할 때, 향후 무선전력전송 기술이 적용될 전기자동차, 경전철 등 인체영향이 더 클 것으로 예상되는 kW급 출력의 무선전력전송 시스템에서는 더욱더 여러 가지 노출 조건에 대한 충분한 논의가 있어야 할 것이다. 또한 무선전력전송이 할당된 kHz 또는 MHz 대역에서는 RF 대역에서만큼 전자파로 인한 열적 영향, 즉 SAR 수준이 미미하므로, 저주파 대역에서의 또 다른 인체노출 기본한계인 유도 전류밀도 또는 유도 전기장에 대해 향후 다양한 노출 조건을 통한 추가적인 연구가 진행되어야 할 필요가 있다.
이러한 결과가 5 W 출력의 상용 무선충전기기에서 얻어진 것을 고려할 때, 향후 무선전력전송 기술이 적용될 전기자동차, 경전철 등 인체영향이 더 클 것으로 예상되는 kW급 출력의 무선전력전송 시스템에서는 더욱더 여러 가지 노출 조건에 대한 충분한 논의가 있어야 할 것이다. 또한 무선전력전송이 할당된 kHz 또는 MHz 대역에서는 RF 대역에서만큼 전자파로 인한 열적 영향, 즉 SAR 수준이 미미하므로, 저주파 대역에서의 또 다른 인체노출 기본한계인 유도 전류밀도 또는 유도 전기장에 대해 향후 다양한 노출 조건을 통한 추가적인 연구가 진행되어야 할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자기유도방식과 자기공진방식의 기본 원리는?
무선전력전송은 자기유도, 자기공진, 마이크로파 방식 등 여러 방식으로 연구되어 왔으며, 현재 자기유도방식과 자기공진방식이 집중적으로 연구되고 있다. 보편적으로 자기유도방식과 자기공진방식은 각각 전자기유도에 의한 전력전송과 두 코일 간 강한 자기결합을 통한 전력전송을 기본 원리로 한다고 알려져 있다[1],[2].
무선전력전송이란 무엇인가?
는 무선전력전송 기술이 주목받았다. 무선전력전송(wireless power transfer)이란 전력을 전달함에 있어서 전선을 사용하지 않고 무선으로 전력을 전달하는 방식을 통칭하는 기술을 의미한다. 무선전력전송은 자기유도, 자기공진, 마이크로파 방식 등 여러 방식으로 연구되어 왔으며, 현재 자기유도방식과 자기공진방식이 집중적으로 연구되고 있다.
저주파 대역의 소출력 무선충전기를 기반 무선전력전송 기술이 급속도로 보급됨에 따라 부각되는 문제는?
특히 저주파 대역의 소출력 무선충전기를 기반으로 무선전력전송 기술이 급속도로 보급되고 있다. 그리고 이에 따라 직접적인 전력 전송이 이루어지는 무선충전기기의 방사 전자파 유해성 문제 역시 부각되고 있다.
참고문헌 (13)
김진욱, 손현창, 정승호, 김승균, 김관호, 박영진, "전자기 유도 방식 무선 전력 전송을 위한 다중 탭을 갖 는 평판형 스파이럴 안테나", 한국전자파학회논문지, 20(8), pp. 753-760, 2009년 8월.
김성민, 김상원, 문정익, 조인귀, "무선전력전송 기술 동향과 발전방향", 전자통신동향분석, 31(3), pp. 32- 41, 2016년 6월.
ICNIRP, "Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300 GHz)", Health Physics, vol. 74, no. 4, pp. 492-522, 1998.
ICNIRP, "Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields(1 Hz to 100 kHz)", Health Physics, vol. 99, no. 6, pp. 818-836, 2010.
IEEE Std C95.1, IEEE standard for safety levels with respect to human exposure to radio frequency electromagnetic fields, 3 kHz to 300 GHz, 2005.
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S. Gabriel, R. W. Lau, and C. Gabriel, "The dielectric properties of biological tissues: II. Measurement in the frequency range 10 Hz to 20 GHz", Phys. Med. Biol., vol. 41, no. 11, pp. 2251-2269, 1996.
S. Gabriel, R. W. Lau, and C. Gabriel, "The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues", Phys. Med. Biol., vol. 41, no. 11, pp. 2271-2293, 1996.
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