송신부와 수신부의 코일재료가 다른 경우

(a)

(b)

(c)

Fig. 3-11 WPT efficiency in the applications of different coil to transmitter(TX) and receiver(RX) (a) TX-15cm RX-15cm (b) TX-12cm RX-12cm (C) TX-10cm

RX-10cm

초전도 코일의 경우 임계온도 값을 유지하기 위해 액체질소를 이용하여 냉각시 켜야 한다. 이러한 냉각용기는 기기에 적용 시 크기가 커질 뿐만 아니라 액체질소 를 충진해줘야 하는 번거로움이 발생할 것으로 사료된다. 이러한 문제점을 해결하 기 위해 본 연구팀은 송신부에만 초전도 코일을 적용하여 수신부 측, 즉 일상생활 에 사용되는 기기들에 대한 자유도를 보장할 수 있도록 송신부와 수신부 측에 다 른 코일을 적용시켜 효율을 측정해 보았다. 또 그와 반대로 송신부 측에 상전도 코일을 적용하고, 수신부 측에는 초전도 코일을 적용하였을 때 효율을 측정해 보 았다.

Fig. 3-11 (a)는 내부직경 크기가 15cm일 때 송⋅수신부 측에 각각 다른 코일을 적용해 보았다. 먼저 송신부 측에 초전도 코일을 적용하고 수신부 측에 상전도 코 일을 적용하였을 경우 최대 효율은 약 64%를 나타냈다. 반대로 송신부 측에 상전

도 코일을 적용하고 수신부 측에 초전도 코일을 적용하였을 경우 최대 효율은 약 32%를 나타냈다. 이후 거리가 증가할수록 효율이 감소하는 것을 확인할 수 있었 다.

Fig. 3-11 (b)는 내부직경 크기가 12cm일 때 송⋅수신부 측에 각각 다른 코일을 적용하였다. 송⋅수신부에 각각 초전도 코일과 상전도 코일을 적용하였을 경우의 최대 효율은 약 65%를 나타냈다. 반대로 송⋅수신부에 각각 상전도 코일과 초전 도 코일을 적용하였을 경우의 최대 효율은 약 13.3%를 나타냈다.

Fig. 3-11 (c)는 내부직경 크기가 10cm일 때 송⋅수신부 측에 각각 다른 코일을 적용한 효율 그래프이다. 송⋅수신부에 각각 초전도 코일과 상전도 코일을 적용하 였을 때 최대 효율은 약 96%를 나타냈으며, 송⋅수신부에 각각 상전도 코일과 초 전도 코일을 적용하였을 때 최대 효율은 약 15.4%인 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 3-11에서 확인할 수 있듯이 초전도 코일이 송신부 측에 적용 되었을 때, 반 대인 경우보다 훨씬 높은 효율을 나타냈다. 초전도 코일의 경우 앞서 설명한 바와 같이 높은 전류밀도와 낮은 저항으로 인해 높은 전력을 송신할 수 있기 때문이다.

b. 송신부와 수신부의 내부 직경이 다를 경우

(a)

(b)

Fig. 3-12 WPT efficiency in the applications of different coil to transmitter and receiver (a) TX-15cm RX-12cm (b) TX-15cm RX-10cm

Fig. 3-12는 송신부의 내부직경 크기를 고정하고 수신부 측의 내부직경 크기를 변화시켰을 때 효율을 측정한 그래프이다. Fig. 3-8와 마찬가지로 실생활 적용 시 기기 종류에 따라 코일의 크기가 달라질 수 있기 때문에 위와 같은 실험을 진행하 였다. Fig. 3-12 (a)는 송⋅수신부에 각각 초전도 코일과 상전도 코일을 적용시켰 다. 이 때 내부직경 크기는 각각 15, 12cm이다. 송신부 측에 초전도 코일을 적용한 그래프의 최대 효율은 약 85%를 나타냈다. 반대로 송신부 측에 상전도 코일을 적 용한 그래프의 최대 효율은 약 23%가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 3-12 (b)는 송⋅수신부의 내부직경 크기가 각각 15, 10cm일 때, 초전도 코일과 상전도 코일을 적용시킨 그래프이다. 송신부에 초전도 코일을 적용한 그래프의 최대 효율 은 약 85%를 나타냈다. 하지만 송신부에 상전도 코일을 적용한 그래프에서는 최 대 효율이 약 13%로 송신부 측에 초전도 코일을 적용했을 때와 달리 약 72% 낮 은 효율을 나타냈다. 이는 송신부 측에 초전도 코일을 적용하였을 때, 낮은 저항, 높은 전류밀도로 인해 송신할 수 있는 전력량이 일반 상전도 코일보다 더 높기 때 문이다.

Fig. 3-13 (a)는 송⋅수신부의 내부직경 크기가 각각 12, 15cm이다. 이 때 송⋅

수신부 측에 각각 초전도 코일과 상전도 코일을 적용시켰고, 반대로 송⋅수신부 측에 각각 상전도 코일과 초전도 코일을 적용하여 효율을 측정하였다. 송신부에 초전도 코일을 적용하였을 때 최대 효율은 약 85%를 나타냈다. 이 후 거리가 증 가함에 따라 효율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 반대의 경우인 송신부 측에 상전도 코일을 적용하였을 때 최대 효율은 약 29%를 나타냈다. 송신부 측에 초전 도 코일을 적용하였을 때보다 약 56% 감소하였다. Fig. 3-13 (b)는 송⋅수신부의 내부직경 크기가 각각 12, 10cm일 때, 각각 초전도코일과 상전도 코일을 적용한 효율 측정 그래프이다. 송신부 측에 초전도 코일을 적용하였을 때 최대 효율은 약 85%를 나타냈다. 반대로 송신부 측에 상전도 코일을 적용하였을 때 최대 효율은 12%로, 초전도 코일을 적용하였을 때보다 73%까지 감소한 것을 확인 할 수 있었 다. 이 후 거리가 증가함에 따라 효율은 감소하였다.

(a)

(b)

Fig. 3-13 WPT efficiency in the applications of different coil to transmitter and receiver (a) TX-12cm RX-15cm (b) TX-12cm RX-10cm

(a)

(b)

Fig. 3-14 WPT efficiency in the applications of different coil to transmitter and receiver (a) TX-10cm RX-15cm (b) TX-10cm RX-12cm

Fig. 3-14은 내부직경 크기가 다른 송⋅수신부에 각각 초전도 코일과 상전도 코 일을 적용했을 때 WPT효율을 측정한 그래프이다.

Fig. 3-14 (a)는 송⋅수신부의 내부직경 크기가 각각 10, 15cm 일 때 초전도 코 일과 상전도 코일을 적용하였다. 송신부측에 초전도 코일을 적용하였을 때의 최대 효율은 56%를 나타냈으며, 송신부측에 상전도 코일을 적용하였을 때의 최대 효율 은 약 22%를 나타냈다. 이후 거리가 증가할수록 효율은 감소하였다. Fig. 4-10과 비교하였을 때, 송⋅수신부의 내부 직경 크기 차이가 커짐으로써 최대 효율이 약 29% 정도 감소한 것을 확인 할 수 있었다. 이는 내부 직경 크기가 서로 달라지면 서 임피던스 매칭이 제대로 이루어지지 못했기 때문이다.

Fig. 3-14 (b)는 송⋅수신 부의 내부직경 크기가 각각 10, 12cm 일 때의 효율 측정 그래프이다. 송신부측에 초전도 코일을 적용하였을 때 최대 효율은 약 56%

를 나타냈다. 반대로 송신부측에 상전도 코일을 적용하였을 때 최대효율은 약 6%

를 나타냈다.

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 자기공명 무선전력전송의 효율 증대를 위해 초전도 코일을 제안 하였다. 초전도체는 일반 상전도체보다 낮은 저항과 높은 전류밀도를 가지고 있기 때문에 주파수 선택 특성인 Q-factor를 증가시킬 수 있다. 본 연구팀에서는 초전 도체의 특성을 고려하여 spiral type의 코일을 설계하였다. 또 똑같은 크기와 모양 의 상전도 코일을 설계하여 무선전력전송 효율을 비교하였다. 그 결과 송⋅수신부 에 초전도 코일을 적용한 것과 상전도 코일을 적용했을 때 효율은 최대 50%의 차 이를 보였다.

하지만 초전도체의 경우 액체질소를 사용해야하기 때문에 냉각용기 사용이 불가 피하다. 이 경우 실생활에 적용할 경우, 기기의 크기가 커질 뿐만 아니라 액체질소 를 충진해야하는 번거로움이 발생하게 된다. 이 때문에 송신부 측에는 초전도 코 일을 적용시키고, 수신부 측에는 상전도 코일을 적용시킴으로써 기기의 크기와 자 유도를 고려하였다. 또 기기별 코일의 크기가 다르기 때문에 송⋅수신부의 내부 직경 크기 변화에 따른 효율 측정 실험을 병행하였다. 그 결과 송신부 측에 초전 도 코일을 적용시켰을 경우, 상전도 코일을 적용시켰을 때보다 높은 효율을 나타 내는 것을 확인할 수 있었다. 이는 초전도 코일이 송신부 측에 적용되었을 때, 높 은 전력을 송신할 수 있기 때문이다.

자기공명 무선전력전송은 무선전력전송의 새로운 패러다임을 제시한 유망한 기 술이다. 본 연구팀에서 제시한 초전도 코일을 무선전력전송에 접목하였을 경우, 효 율 증대가 가능하기 때문에 지속적인 연구가 이루어진다면 실생활에도 충분히 접 목시킬 수 있을 것으로 사료된다.

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