1. 1차년도 (2011년) 개발 내용 및 개발범위 가. 개발내용 및 범위
(1) 무선에너지전송용 소형 고효율 공진기 설계
(가) 그림 2-1은 Epsilon-negative 전송선로, Mu-negative 전송선로, CRLH 전송선로를 보여준다. 메타물질 전송선로는 일반 PCB에 제작이 용이하고 메타물질의 특성은 유지되기 때문에 많이 응용되고 있다. 이들 전송선로는 아래 그림과 같은 분산특성을 갖게 되는데
βd
가 0이 되는 지점인 ZOR mode가 존재한다. 이 ZOR mode는 무한파장을 지원하는 특성이 있어 공진 기 크기에 상관없이 독립적으로 설계가 가능하다. 따라서 공진기 소형화에 매우 유리한 장점을 가진다.그림 2-2 ENG TL, MNG TL, CRLH TL의 분산곡선
(나) 무선 에너지전송 시스템의 전송효율
h
는 식 (1)과 같이 표현이 가 능하다[1].
(1)
[1] A. Kurs, et al.,"Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances," Science, Vol. 317, No. 5834, pp. 83-86, July 2007
(a) Epsilon-negative TL (b) Mu-negative TL (c) CRLH TL 그림 2-1 메타물질 전송선로
식 (1)은
U
의 함수로 되어있다.U
와 전송효율간의 관계를 알기 위해 아래 그림과같이 그래프로 표현하였다. 그림 2-3과 같이U
의 값이 증가할수록 전송효율 또한 증가하는 모습을 관찰 할 수 있다. 즉,U
의 값이 전송효율 을 결정짓는 중요한 요소임을 알 수 있다. 이때,U
는 공진기의 Q값으로 표 현을 할 수 있는데 그것은 식(2)와 같다.그림 2-3 U에 따른 전송효율의 변화
S D
S D
U Q Q
Q
k= k =
G G
(2)식 (2)에서
Q
S D, =w
S D, / 2GS D, 이며,Q
kº w w
S D/ 2 k
이다. 따라서 고효 율의 전송을 위해Q Q
S D /Q
k >>1 을 만족하는 무전에너지전송 시스템을 디자인 하는 것이 매우 중요하다.(다) 위에서 살펴본 바와 같이 소형 고효율의 공진기를 설계하기 위해서는 Epsilon-negative ZOR mode 또는 Mu-negative ZOR mode를 사용하는 소형 의 공진기를 디자인 할 것이며,
U
>>1를 만족하는 공진기를 개발하여 고효 율의 무선에너지전송을 구현할 것이다. 1차년도에는 prototype으로서 13.56MHz에서 동작하는 거리 30cm 전송효율 50%이상의 공진시스템을 개 발할 것이다.(2) 무선 전력 전송 구조의 방사 손실 효과 분석
(가) 자기장 결합방식의 무선에너지전송의 효율적인 분석을 위하여 등가모 델을 제시하고 이를 해석함으로써 무선에너지전송의 전·자기장적인 문제 를 회로적으로 접근하여 분석해 본다. 또한 방사 효과를 고려하여 이를 분 석하고 여러 파라미터들을 추출함으로써 보다 더 정확한 해석이 가능하도
록 연구를 진행할 것이다. 그림 2-4는 자기장 결합 방식을 이용한 무선에 너지전송 시스템의 구조를 나타내는 그림이다. 아래의 그림에서 루프 A에 AC전력이 인가되는 경우 코일에 전류가 흐르게 되며 코일 내부를 중심으 로 자기장이 발생하게 된다. 이렇게 발생된 자기장은 부하가 연결된 다른
루프 B로 결합이 되고 전류가 흐르게 되면서 전력이 이동하게 된다.
(3) 방사 효과를 고려한 무선에너지전송 시스템의 모델링
(가) 그림 2-5는 방사손실을 고려한 자기장 결합 방식의 무선에너지전송의 등가모델이다.
그림 2-5 방사손실을 고려한 무선전력 전송 시스템의 등가모델
그림 2-5의 V1은 한쪽 루프에 인가되는 전압이며 RL은 다른 루프의 부하저 항이다. 그리고 R1과 R2는 각각 루프의 손실 저항이며 Rr1과 Rr2는 방사저 항이다. L1과 L2는 루프의 인덕턴스이며 C1과 C2는 각각 루프의 공진을 위 한 커패시턴스이다. 그리고 M(M=
k
: 결합계수)은 상호 인덕턴스이 며 I1과 I2는 각각 루프에 흐르는 전류이다. 만약 두 루프가 같고 PEC로 이 루어진 루프일 경우 R1 =R2 = 0, Rr1 = Rr2 =Rr, L1 = L2=L, C1 = C2이 되며 M=k
L이 된다. 이 경우 입력 전력과 방사저항 Rr에서 소비되는 전력의 비,은 방사손실율이고 입력 전력과 부하 RL로 전송되는 비, 는 전송율(효 그림 2-4 무선에너지전송 시스템의 구조
율)이며 이는 다음식과 같다.
coupling을 addition theorem을 이용하여 표현하고 이를 통하여 자유공간에 서 근접장을 이용한 두 공진기 사이의 에너지전송 특성을 이론적으로 분석 한다.
그림 2-6 자유공간에서의 근접장 해석방법
(5) 근접장의 정확한 측정 방법 연구 및 해석 결과의 비교 검토
(가) 이론적인 분석결과를 검증하기 위해서는 실제상황에서 공진기 근처의 근접장을 측정할 수 있는 방법이 필요하다. 이를 위해서 근접장을 측정할 수 있는 probe 형태에 관하여 분석하고 근접장을 측정할 때 발생하는 perturbation을 최소화하는 방법에 관한 연구를 진행한다. 그리고 이를 이 용하여 측정을 토대로 이론적인 해석 결과를 검증한다.
(6) 무선에너지전송시스템의 EMC 시험방안조사 및 해석
(가) 기존에 알려져 있는 EMC 시험방안에 대해 조사한다. 그리고 이를 무 선에너지전송시스템에 적용 및 모의실험 등을 통해 해석한다.
(7) 기존 송신단 구조의 연구 동향 수집 및 사례 분석
그림 2-7 고효율 Class-E 전력증폭기
(가) 13.56MHz 대역에서의 Full-Bridge, Half-Bridge 및 Class-E 등의 기존 송신단 구조의 논문 및 특허 등을 조사하여 DC-AC 변환 효율 개선을 위한 방안 도출을 위하여 활용한다.
(8) 공진부의 임피던스 변화에 둔감한 정합 회로의 사례 연구 및 구조 개발
(가) 무선에너지전송 송신단은 공진부와 연결이 되기 때문에 송신단의 최종 단을 구성하는 전력증폭기의 출력 임피던스와 공진부의 입력 임피던스가 동일해야 최적의 전송 효율을 얻을 수 있고, 그러므로 공진부의 임피던스 변화에 둔감한 정합 회로 사례 조사한다.
(9) Full-Bridge, Half-Bridge 및 Class-E를 비롯한 기존 무선에너지전송 고효율 송신단 구조 분석 및 이를 통한 본 과제와의 적합성 연구 분석
(가) 기존 송신단 구조의 활용을 위하여 사전 조사된 내용을 바탕으로 본 과제에 적용 가능한지에 대한 적합성 판단한다.
(10) 무선에너지전송 시스템에 적합한 1차 고효율 송신단 구조 제안 및 설계 (가) 기존 송신단 구조 중 본 무선에너지전송 시스템에 적합한 1차적인 고
효율 송신단 구조를 제안하고, 송신단을 구성하는 요소 중 가장 중요한 부 분인 전력증폭기를 고효율 특성을 갖는 스위칭-모드 전력증폭기인 출력 단 에 연결된 병렬 커패시터의 충방전을 이용한 Class-E 전력증폭기 설계한다.
(11) 기존 수신단 구조의 연구 동향 수집 및 사례 분석
(가) 13.56MHz 대역에서의 Full-Bridge, Half-Bridge, Doubler 등의 기존 수 신단 구조의 논문 및 특허 등을 조사하여 AC-DC 변환 효율 개선을 위한 방안 도출을 위하여 활용한다.
(12) 공진부의 임피던스 변화에 둔감한 정합 회로의 사례 연구 및 구조 개발 (가) 무선에너지전송 수신단 역시 송신단과 마찬가지로 공진부와 연결이 되
기 때문에 공진부의 입력 임피던스와 임피던스 정합을 이루어여 최적의 전 송 효율을 얻을 수 있고, 그러므로 공진부의 임피던스 변화에 둔감한 정합 회로 사례 조사한다.
(13) Full-Bridge, Half-Bridge, Doubler를 비롯한 기존 무선에너지전송 고효율 수신단 구조 분석 및 이를 통한 본 과제와의 적합성 연구 분석
(가) 기존 수신단 구조의 활용을 위하여 사전 조사된 내용을 바탕으로 본 과제에 적용 가능한지에 대한 적합성 판단한다.
(14) 무선에너지전송 시스템에 적합한 1차 고효율 수신단 구조 제안 및 설계 (가) 기존 수신단 구조 중 본 무선에너지전송 시스템에 적합한 1차적인 고
효율 수신단 구조를 제안하고, 수신단을 구성하는 요소 중 가장 중요한 부
분인 Rectifier를 공진형으로 설계하여 효율을 극대화한다.
2. 2차년도 (2012년) 개발 내용 및 개발범위 가. 개발내용 및 범위
(1) 130kHz이하에서 동작하는 소형 고효율 공진기 개발
(가) 13.56MHz의 공진기 설계와 달리 130kHz이하에서의 공진기 설계는 공 진주파수의 하락으로 인해 High-Q 특성을 유지하기 어렵다. 공진기의 Q가 낮아지면 그만큼 전송효율의 하락으로 이어지기 때문에 130kHz이하에서의 공진기 설계는 어떻게 하여 High-Q 특성을 유지할지가 중요한 설계 파라 미터이다. 공진기의 Q는 RLC직렬회로로 등가가 가능하므로 다음의 식과 같이 표현한다.
(7)
식(7)과 같이 공진기의 Q를 향상시키기 위해서는 공진기의 인덕턴스(L)을 향상시키거나 공진기의 전체 저항(R)을 감소시키면 가능하다. 여기서 공진 기의 전체 저항(R)은 설계할 공진기 크기가 파장에 비해 매우 작으므로 ohmic loss가 대부분이다. 공진기의 인덕턴스(L)의 증가는 공진기의 전기적 길이를 길게 하거나 공진기 wire에 자성체를 코팅하는 방법으로 가능하다.
공진기 저항(R)의 감소는 공진기에 사용하는 wire의 구조가 여러 다발로 그림 2-8 1차년도 개발목표 및 개발내용 요약
묶여있는 구조를 사용하면 병렬저항효과로 인해 가능하다. 실제로 인덕턴 스(L)증가와 공진기 전체저항(R)을 감소할 수 있는 방법을 모의실험 및 제 작 측정을 통해 연구하여, 130kHz이하에서 동작하는 30cm거리 65% 이상의 전송효율 공진기를 개발할 것이다. 그리고 1차년도에 개발한 13.56MHz에서 동작하는 공진기와 비교 평가하여 80%의 고효율 무선에너지전송 시스템에 적합한 공진구조를 모색한다.
(2) 무선에너지전송용 자계 조절 가능한 전방향성 공진기 개발
(가) 현재까지 선보인 무선에너지전송 시스템은 자기장 방향에 맞추어 공진 기를 배치해야만 원활한 무선에너지전송이 가능하다는 치명적인 단점을 가 진다. 이 단점을 극복하기 위해서 적어도 수신기는 전방향에서도 에너지 수신이 가능해야만 한다. 무선에너지전송용 자계 조절 가능한 전방향성 공 진기를 개발하기 위해 먼저 개발된 전방향성 원형편파 안테나의 메카니즘 을 분석하고 이를 적용하기 위해 근접장에서의 전방향 특성을 가지기 위한 방법을 연구하고 개발할 것이다.
(3) 음의 굴절률을 이용한 자계 focusing 연구
(가) 자기장 결합방식의 무선에너지전송의 전송 효율을 높이기 위해 메타
(가) 자기장 결합방식의 무선에너지전송의 전송 효율을 높이기 위해 메타