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인체 삽입형 자기 공진 무선전력전송 수신기 설계 및 성능 분석
Design and Performance Analysis of Magnetic Resonant Wireless Power Transfer Receiver for Implant Medical Device 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.935 - 941  

김성재 (건국대학교 전자정보통신공학과) ,  구현철 (건국대학교 전자정보통신공학과)

초록
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본 논문에서는 소형의 인체 삽입형 의료기기에 자기 공진기법 무선전력전송을 적용하는 경우, 적합한 시스템 구성을 제안하고 성능을 검증하였다. 제안하는 수정된 직렬-병렬 구성은 전력 수신부의 전력 수신 코일과 커패시터를 병렬로 연결한 공진기에 직렬로 연결되는 인덕터를 추가하여 구현하며, 낮은 인덕턴스를 가진 전력 수신 코일을 이용하는 경우 직렬 공진기를 이용하는 경우에 비해 높은 효율을 달성할 수 있다. 회로분석을 통해 해당 구성의 유효성 및 동작조건을 이론적으로 검증하고, 돼지 지방 및 근육 생체 블록에 무선전력전송 수신코일을 삽입한 환경에서 무선전력전송을 진행하여 전력 전송 효율 및 생체 블록의 온도 변화를 측정 비교하였다. 생체 블록에 2.5~10 mm 깊이로 삽입 시 제안한 구성이 일반적인 직렬-직렬 구성보다 평균 17.79 % 개선된 효율을 보이며, 공기 중에서 32 dBm 전력 송신 시 직렬-직렬 수신 코일은 평균 $0.75^{\circ}C/s$, 제안한 구성의 수신 코일은 평균 $0.18^{\circ}C/s$의 온도 변화를 보여 제안한 구성이 인체 삽입형 무선전력전송 시스템 구성에 보다 적합함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we propose a suitable magnetic resonant wireless power transfer(WPT) system topology for size-limited implant medical devices(IMDs). The proposed modified series-parallel topology(mSPT) can be implemented by adding an inductor in series to the parallel-connected Rx coil and a capacito...

주제어

#Wireless Power Transfer   #Magnetic Resonance   #Implant Medical Device  

표/그림 (7)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 일반적인 WPT 시스템에서 사용하는 직렬-직렬 구성(series-series topology: SST)[3]은 전력 수신 코일의 인덕턴스가 작은 경우 PTE가 감소하므로, 해당 시스템에서도 높은 PTE를 보이는 시스템 구성에 관한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 전력 수신 코일의 크기가 제한되는 해당 WPT 시스템에 적합한 구성으로 수정된 직렬-병렬 구성(modified series-parallel topology: mSPT)을 제안하고, 그 유효성을 회로분석과 실험을 통해 검증하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자기 공진형 무선전력전송 기술이란? 자기 공진형 무선전력전송(wireless power transfer: WPT)기술은 2008년 처음 시연된 이후[1], 종래 기술인 자기 유도형 기술보다 더 먼 거리에서 높은 전력 전송 효율(power transfer efficiency: PTE)으로 WPT가 가능하다는 점에서 최근 활발히 연구되고 있으며, WPT 기술의 적용 가능한 분야를 확장하고 있다. 특히 인체 유해성이 RF형 WPT 기술에 비해 낮아 인체 삽입형 의료기기에 가장 적합한 WPT 기술로 주목받고 있다[2].
인체 삽입형 의료기기의 WPT 시스템 구성의 이점은 무엇인가? 본 논문에서는 인체 삽입형 의료기기의 WPT 시스템 구성으로 mSPT를 제안하였다. 해당 구성은 전력 수신 코일의 인덕턴스가 낮은 경우 더 높은 PTE를 보이므로 전력 수신부의 크기가 제한되는 인체 삽입형 의료기기 대상의 WPT 시스템 구성에 적합하다. 특히 높은 밀도의 코일을 이용하는 SST와 비교하였을 때, PTE뿐 아니라 생체 접촉으로 인한 코일의 SRF 문제, 발열 문제에서 이점을 가지는 것으로 확인되었다. 본 연구는 초소형 디바이스를 위한 WPT 시스템, 특히 생체 및 인체 삽입을 위한 WPT 시스템 구현 시 효과적으로 활용될 수 있다.
인체 삽입형 의료기기의 제한점은 무엇인가? 그러나 인체 삽입형 의료기기는 시스템의 크기가 제한되며, 전력 수신 코일의 크기 또한 제한된다. 일반적인 WPT 시스템에서 사용하는 직렬-직렬 구성(series-series topology: SST)[3]은 전력 수신 코일의 인덕턴스가 작은 경우 PTE가 감소하므로, 해당 시스템에서도 높은 PTE를 보이는 시스템 구성에 관한 연구가 필요하다.
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참고문헌 (7)

  1. 10.1126/science.1143254 A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljačić, “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances,” Science, vol. 317, no. 5834, pp. 83-86, Jul. 2007. 10.1126/science.1143254, 17556549 

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  2. 10.1109/RBME.2017.2683520 K. Agarwal, R. Jegadeesan, Y. Guo, and N. V. Thakor, “Wireless power transfer strategies for implantable bioelectronics,” IEEE Reviews in Biomedical Engineering, vol. 10, pp. 136-161, 2017. 10.1109/RBME.2017.2683520, 28328511 

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  3. 10.3390/en10070894 C. Jiang, K. T. Chau, C. Liu, and C. H. Lee, “An overview of resonant circuits for wireless power transfer,” Energies, vol. 10, no. 7, p. 894, Jun. 2017. 10.3390/en10070894 

    상세보기 crossref

  4. R. G. Medhurst, “HF resistance and self-capacitance of single-layer solenoids,” Wireless Engineer, vol. 24, pp. 35-43, Feb. 1947. 

  5. 고낙영, 이본영, 송성규, 박우진, 서석태, 변영재, “페라이트를 이용한 자기장 무선전력전송 안테나,” 전자공학회논문지, 54(7), pp. 1037-1041, 2017년 7월. 

  6. 10.5515/KJKIEES.2017.28.1.61 김종찬, 이승우, 강병남, 홍익표, 조인귀, 김남, “WPT 시스템의 누설자계 감소를 위한 전자파 차폐구조 개선,” 한국전자파학회논문지, 28(1), pp. 61-68, 2017년 1월. 10.5515/KJKIEES.2017.28.1.61 

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  7. 10.1088/0031-9155/32/8/001 R. Pethig, D. B. Kell, “The passive electrical properties of biological systems: Their significance in physiology, biophysics and biotechnology,” Physics in Medicine & Biology, vol. 32, no. 8, pp. 933-970, 1987. 10.1088/0031-9155/32/8/001, 3306721 

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