[논문]이중코일을 이용한 자기유도 무선충전 코일의 자유도 개선

최보희; 남용현; 정하봉; 이정해

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.12.907

이중코일을 이용한 자기유도 무선충전 코일의 자유도 개선
Improved Degree of Freedom of Magnetic Induction Wireless Charging Coil Using Proposed Double Coil 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.12, 2018년, pp.907 - 914

최보희 (홍익대학교 전자전기공학과) , 남용현 (홍익대학교 전자전기공학과) , 정하봉 (홍익대학교 전자전기공학과) , 이정해 (홍익대학교 전자전기공학과)

초록
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무선충전은 전선 없이 전자기기를 충전할 수 있다는 사용자의 편의적인 측면에 장점이 커 활발히 연구개발되고 널리 보급되었다. 하지만 무선충전패드에서 수신기의 중심이 어긋날 경우에 충전이 되지 않아 수신기의 중심을 잘 맞춰야 한다는 점은 사용자의 편의성이라는 무선충전의 효용성을 크게 저감시킨다. 본 논문은 이러한 무선충전의 한계를 극복하고자 수신기의 위치 자유도를 향상시키기 위한 코일 설계를 진행하였다. Tx 코일이 Rx 코일과 사이즈가 비슷할 때보다 외경 크기가 클 때 중심에서 효율은 다소 저하되었지만, 중심이 어긋날 경우의 효율이 개선되어 Rx 코일의 위치 자유도가 향상됨을 알 수 있었다. 이 때, Tx 코일에 내측 코일이 추가로 구성된 이중코일 구조를 제안하여 효율을 추가적으로 향상시킬 수 있었다. 자유도 개선 결과를 시뮬레이션과 측정을 통해 효율을 확인하였고, 경향성이 일치함을 볼 수 있었다. 측정 결과, 105~210 kHz 동작 주파수에서 송수신 코일의 전송거리 3 mm, 오정렬 15 mm일 때, 수신 코일에 전류가 1A 흐를 때 기준으로 기존 Tx 코일의 전송 효율은 37 %, 외경 크기를 키운 코일의 효율은 45 %, 내측 코일을 추가한 이중 코일은 47 %로 효율이 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Wireless charging has been actively researched and popularized owing to the potential convenience of being able to charge electronic devices without wires for users. However, the receiver on the wireless charging pad is not charged when the center of the receiver is misaligned; thus, the center of the receiver must be adjusted well. This misalignment may greatly reduce the convenience of wireless charging. To overcome this limitation of wireless charging, a coil is designed to improve the positional freedom of the receiver. The positional freedom of the Rx coil is improved when the outer diameter of Tx coil is larger than when Rx and Tx coils are almost the same size. When the Tx coil has a larger outer diameter than that of the Rx coil, the efficiency at the center is somewhat lowered, but the efficiency is improved compared to when the center is out of order. In this paper, a double coil structure having an outer and an inner coil is proposed. The double coil structure further improves the efficiency, compared with one coil with the same outer size. The simulation and measurement results demonstrated that the tendency was consistent, and it was verified that the degree of freedom of the Rx coil is improved by adding the inner coil, while the size of the outer coil was the same. The measurement shows that the transmission efficiency of the conventional Tx coil is 37 %, the larger outer diameter coil is 45 %, and double coil is 47 % when the distance of the Tx/Rx coil is 3 mm, the misalignment is 15 mm and current flowing in the Rx coil is 1 A at an operating frequency of 105 to 210 kHz.

주제어

표/그림 (8)

그림 그림 1. 코일 턴수에 따른 R값 Fig. 1. The resistance according to turns of the coil.
그림 그림 2. 스마트폰 무선충전용 코일 구조 Fig. 2. The structure of the coil for smart phone wireless charging.
표 표 1. 페라이트 사양 Table 1. Specification of ferrite.
그림 그림 3. 거리에 따른 효율 비교 Fig. 3. The efficiency according to distance.
그림 그림 4. Two coil의 구조 Fig. 4. Structure of two coil.
그림 그림 5. 시뮬레이션 효율 및 동작주파수 Fig. 5. Simulation efficiency and operating frequency.
그림 그림 6. 측정 시스템 및 회로도 Fig. 6. Measurement system and circuit.
그림 그림 7. 측정효율 및 동작주파수 Fig. 7. Measurement efficiency and operating frequency.

AI 본문요약
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문제 정의

08 mm 단선 105턴이 꼬여져 있는 형태의 Litz Wire로 구성된 코일을 시뮬레이션하기 위해 그 구조를 모델링하는 것은 사실상 불가능하다. 따라서 본 논문에서는 Litz Wire를 신뢰성 있게 시뮬레이션하기 위한 방법을 제시한다.
본 논문에서는 무선충전패드의 자유도 향상을 위한 Tx 코일의 구조를 제안한다. 개선된 코일의 효율을 Ansys사의 Maxwell(저주파 해석 프로그램)을 이용하여 시뮬레이 션하였으며, 측정을 통해 이를 입증하였다.
본 논문에서는 스마트폰 무선충전패드와 같이 자기유도형 무선충전에서 수신기의 자유도 개선을 위한 Tx 코일 설계 방안을 제안한다. 또한 Litz wire의 시뮬레이션 환경 구축 방안을 제시한다.

가설 설정

하지만 코일의 중심이 어긋날 때, 효율은 저하된다. Tx 코일의 외경 크기를 크게 한다면 코일 중심이 어긋날 때보다 효율이 개선될 것이다.
실제 스마트폰의 사용 환경을 고려하여, 스마트폰의 배터리 충방전 상태에 따라 Rx 코일의 load 값이 5～50 Ω이라고 가정하고, 그에 따른 효율을 계산하였다.

제안 방법

DC Power Supply에서 입력하는 전압은 5V이며, 105～ 210 kHz의 주파수 범위에서 Load에 5V가 걸리도록 입력 주파수를 Function Generator에서 설정하여, 이 때의 효율을 측정하였다. Load의 전류는 200, 400, 600, 800, 1,000 mA으로 설정하여 측정하였는데, Load에 걸리는 전압이 5V이므로, 이는 load 값이 각각 25, 12.
지름이 더 큰 코일은 A11과 같은 사양의 Litz wire를 사용하였고, 외경 54 mm, 7턴으로 하였으며, 편의상 이름을 ‘One coil’이라고 명하였다. Maxwell 시뮬레이션을 통해 L, M, R 값을 구했으며, Rx의 C값은 183 nF로 설정하여 코일의 공진점 이 약 90 kHz이 되도록 하였다. Tx의 C 값은 400 nF로 본 논문의 코일 타입에 관계없이 고정되었으며, 공진점은 약 100 kHz이다.
Rx 코일과 외경 크기가 비슷한 Qi 규격의 A11 코일과 외경을 1 cm 더 키운 ‘One coil’ 의 시뮬레이션 효율을 비교하였다.
Solid type은 일반적인 단선(solid wire)의 시뮬레이션으로 표피면적효과와 근접효과가 나타나지만, stranded type으로 설정을 하면 이 두가지 효과가 제거되어 단면적에 균일한 전류가 흐르도록 설정된다. 따라서 직경 0.08 mm인 단선이 105턴인 Litz wire일 때, 각각의 단선의 단면적 0.005 mm²을 105배 계산하여 총 단면적이 0.53 mm²인 solid wire를 모델링하여 stranded type으로 시뮬레이션하였다. 페라이트가 있을 때와 없을 때, 코일의 턴 수에 따라 측정값과 시뮬레이션 R값을 그림 1에 그래프로 도시하였다.
본 논문에서는 스마트폰 무선충전패드와 같이 자기유도형 무선충전에서 수신기의 자유도 개선을 위한 Tx 코일 설계 방안을 제안한다. 또한 Litz wire의 시뮬레이션 환경 구축 방안을 제시한다. Rx 코일과 외경 크기가 비슷한 Qi 규격의 A11 코일과 외경을 1 cm 더 키운 ‘One coil’ 의 시뮬레이션 효율을 비교하였다.
코일의 저항을 낮추고 효율을 향상하기 위해 무선충전 코일에 Litz Wire가 주로 사용되는데, 이러한 Litz Wire를 신뢰성 있도록 시뮬레이션하기 위한 환경을 구축하였다. 또한 외측 코일과 내측 코일로 구성된 Two Coil을 제안하여 Tx 코일에 적용함으로써 Rx의 위치에 따른 자유도를 개선하였다.
본 논문에서는 Ansys사의 저주파 해석 시뮬레이터 Max- well 프로그램을 이용하여 Litz Wire의 시뮬레이션 환경을 구축하였다. Maxwell에는 전류 설정에 solid type과 stranded type 중 선택하는 기능이 있다.
본 장에서는 외경이 크기가 커졌을 때, 즉, ‘One coil’과 동일한 크기의 외경에서 좀더 전력전송 효율을 향상시킬 수 있는 코일 구조를 제안한다.
개선된 코일의 효율을 Ansys사의 Maxwell(저주파 해석 프로그램)을 이용하여 시뮬레이 션하였으며, 측정을 통해 이를 입증하였다. 코일의 저항을 낮추고 효율을 향상하기 위해 무선충전 코일에 Litz Wire가 주로 사용되는데, 이러한 Litz Wire를 신뢰성 있도록 시뮬레이션하기 위한 환경을 구축하였다. 또한 외측 코일과 내측 코일로 구성된 Two Coil을 제안하여 Tx 코일에 적용함으로써 Rx의 위치에 따른 자유도를 개선하였다.

대상 데이터

내측 코일의 공진주파수는 약 220 kHz이다. 외측 코일은 송신회로에 연결되어 있으므로, 본 논문 2장에 기재하였다시피 400 nF의 공진커패시터를 갖는다.

이론/모형

본 논문에서는 무선충전패드의 자유도 향상을 위한 Tx 코일의 구조를 제안한다. 개선된 코일의 효율을 Ansys사의 Maxwell(저주파 해석 프로그램)을 이용하여 시뮬레이 션하였으며, 측정을 통해 이를 입증하였다. 코일의 저항을 낮추고 효율을 향상하기 위해 무선충전 코일에 Litz Wire가 주로 사용되는데, 이러한 Litz Wire를 신뢰성 있도록 시뮬레이션하기 위한 환경을 구축하였다.

성능/효과

‘Two coil’은 0～15 mm에서 ‘One coil’보다도 효율이 높게 측정되어 본 논문에서 제안하는 내측 코일을 포함하는 구조가 수신기의 자유도 향상과 효율 향상에 기여한다는 것을 입증하였다.
Rx가 Tx의 중심에 위치할 때는 송수신 외경 크기가 비슷한 A11 코일이 효율이 좋지만, 중심에서 벗어났을 때는 A11는 효율이 급격히 저하되는 반면, 외경이 큰 ‘One coil’은 소폭으로 떨어져 수신기의 자유도가 개선됨을 알 수 있었다.
페라이트가 있을 때와 없을 때, 코일의 턴 수에 따라 측정값과 시뮬레이션 R값을 그림 1에 그래프로 도시하였다. Solid type으로 시뮬레이션할 때는 R값이 측정값과 차이가 크게 나지만, stranded type으로 시뮬레이션 결과 측정값과 잘 일치하여 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있었다. Litz wire가 표피면적효과와 근접효과가 나타나지 않기 때문에, 페라이트 유무와 직류 저항(R_DC) 값이 크게 차이가 나지 않고 비슷한 것을 알 수 있다.
Ⅱ장과 Ⅲ장의 시뮬레이션 결과와 마찬가지로, Rx가 중심에 위치할 때, 즉, 0 mm와 5 mm에서는 A11의 효율이 가장 좋지만, 15 mm에서는 ‘One coil’과 ‘Two coil’의 효율이 A11보다 높게 측정되어 수신기의 위치 자유도가 개선됨을 알 수 있다.
Ⅱ장의 결과와 마찬가지로, Rx 코일이 중심에 있을 때(0 mm)는 Rx 코일과 외경 크기가 비슷한 A11 코일의 효율이 가장 좋지만, 15 mm 옆으로 이 동하여 위치하였을 때는 외경의 크기가 큰 ‘One coil’과 ‘Two coil’의 효율이 더 좋았다.
또한 본 논문에서 제안하는 ‘Two coil’은 ‘One coil’에 내측 코일이 추가된 구조인데, 중심으로부터 0 mm～15 mm 측면 이동한 경우에 모두 ‘One coil’ 보다 효율이 향상되어 동일한 외경 크기에서도 내측 코일을 추가함으로써 효율 및 수신기의 위치자유도가 향상됨을 알 수 있다.
또한 본 논문에서 제안하는 ‘Two coil’은 ‘One coil’에 내측 코일이 추가된 구조인데, 중심으로부터 0 mm～15 mm 측면 이동한 경우에 모두 ‘One coil’ 보다 효율이 향상되어 동일한 외경 크기에서도 내측 코일을 추가함으로써 효율 및 수신기의 위치자유도가 향상됨을 알 수 있다. 또한 측정을 통해 이를 입증하였고, 시뮬레이션 결과와 경향성이 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다.
앞 장에서 Tx 코일의 외경의 크기가 Rx 코일보다 클 때, 중심에서의 효율은 다소 저하되지만 측면으로 이동하였을 때 효율은 개선되어 Rx 코일의 자유도가 향상됨을 알 수 있었다. 본 장에서는 외경이 크기가 커졌을 때, 즉, ‘One coil’과 동일한 크기의 외경에서 좀더 전력전송 효율을 향상시킬 수 있는 코일 구조를 제안한다.
이 때, ‘Two coil’의 효율은 0 mm과 15 mm에서 모두 ‘One coil’보다 향상되어 ‘Two coil’이 ‘One coil’과 외경 크기가 동일한 조건에서도 전력 전송 효율을 더욱 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선충전의 문제점은 무엇인가?	무선충전은 전선 없이 전자기기를 충전할 수 있다는 사용자의 편의적인 측면에 장점이 커 활발히 연구개발되고 널리 보급되었다. 하지만 무선충전패드에서 수신기의 중심이 어긋날 경우에 충전이 되지 않아 수신기의 중심을 잘 맞춰야 한다는 점은 사용자의 편의성이라는 무선충전의 효용성을 크게 저감시킨다. 본 논문은 이러한 무선충전의 한계를 극복하고자 수신기의 위치 자유도를 향상시키기 위한 코일 설계를 진행하였다.
	수신기의 위치 자유도를 향상하여 측정하였을 때, 측정 결과는 어떠한가?	자유도 개선 결과를 시뮬레이션과 측정을 통해 효율을 확인하였고, 경향성이 일치함을 볼 수 있었다. 측정 결과, 105~210 kHz 동작 주파수에서 송수신 코일의 전송거리 3 mm, 오정렬 15 mm일 때, 수신 코일에 전류가 1A 흐를 때 기준으로 기존 Tx 코일의 전송 효율은 37 %, 외경 크기를 키운 코일의 효율은 45 %, 내측 코일을 추가한 이중 코일은 47 %로 효율이 향상되었다.
	무선충전의 특징은 무엇인가?	이러한 무선충전은 사용자에게 전선이 없이 전자기기를 충전할 수 있는 편의성을 제공한다. 하지만 자기유도형 무선충전은 전송거리가 약 3 mm로 짧고, 수신기기의 위치 자유도가 제한된다.

참고문헌 (8)

S. Y. Hui, "Planar wireless charging technology for portable electronic products and Qi," in Proceedings of the IEEE, Jun. 2013, vol. 101, no. 6, pp. 1290-1301.

상세보기
박남숙, 한택수, "차량용 휴대폰 거치 겸용 컵홀더 및 이를 이용한 무선 전력 공급 방법," Korea Patent 10-1665247-0000, 2016년 10월.
강준석, 이승우, 홍익표, 조인귀, 김남, "상용 자기유도 방식 무선전력전송 시스템의 인체영향 분석," 한국전자파학회논문지, 28(5), pp. 382-390, 2017년 5월.
Wirelesspower. Available: https://www.wirelesspowercons ortium.com.
Airfuel. Available: https://www.airfuel.org.
B. H. Choi, B. C. Park, and J. H. Lee, "Near-field beamforming loop array for selective wireless power transfer," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 25, no. 11, pp. 748-750, Nov. 2015.

상세보기
Y. C. Kim, B. H. Choi, and J. H. Lee, "Comparative study on the power transfer efficiency of magnetic re- sonance and radio frequency wireless power transmission," Journal of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 16, no. 4, pp. 232-234, Oct. 2016.

원문보기 상세보기
B. H. Choi, J. H. Lee, "Design of asymmetrical relay resonators for maximum efficiency of wireless power transfer," International Journal of Antennas and Propa- gation, vol. 2016, p. 8247476, Mar. 2016.

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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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