2016 년 12 월
16ZR1100-01-4404P100
무선 E-zone 및 다차원 에너지 집적
기술 개발
Development of Wireless E-zone and Multi-Dimensional
Energy Integrated Technology
i
인 사 말 씀
4 차 산업의 도래에 따른 원천 기술 및 상용화 기술 확보를 통한 산업강국 실현을 위해 ETRI 는 전파 기술 분야의 신성장 동력 사업 개발에 최선의 노력을 다하고 있습니다. 특히 신산업의 육성을 통하여 시장 창출 및 고용 증대 효과를 극대화할 수 있는 전파응용 기술에 대한 중요성이 확대되어 가고 있습니다. 최근 웨어러블 기기 및 사물인터넷 기술의 확대, 보급과 함께, 개인 휴대 전력과 자유로운 에너지 사용에 대한 요구가 커지고 있습니다. 이러한 요구를 근원적으로 해결할 수 있으며, 나아가 미래 새로운 에너지 서비스를 구현할 수 있는 무선전력전송에 대한 관심도 커지고 있습니다. 최근 일부 스마트 기기에 대한 무선충전 기술이 상용화 되고 있으나 현재의 무선충전 기기는 2 차원 패드 구조로 그 효용성과 자유도가 낮은 한계를 보이고 있습니다. 따라서 본 연구에서는 기존의 2 차원 무선전력전송 기술의 한계를 극복하고 새로운 에너지 서비스를 위한 토대를 마련할 수 있는 3 차원 무선전력전송 기술과 기기간 에너지 전송기술을 개발하고 있습니다. 본 연구는 2015 년부터 2017 년까지 진행되는 것으로, 연구 2 차년도인 당해 년도에는 고효율 송수신 회로 개발 및 공진기 모듈 개발, 안전하고 효율 높은 소형 3D E-zone 구현, 사물간 에너지 전송 기반 다차원 에너지 집적 구조 개발을 수행하여, 향후 상용화를 위한 원천 기술을 확보 하였습니다. 본 연구를 통해 보다 진보된 무선전력전송의 핵심, 원천 기술을 확보하고 이를 산업계에 보급하면 관련 산업의 활성화와 새로운 에너지 서비스의 기초가 될 것으로 확신합니다. 끝으로 본 연구에 참여한 연구원들의 업적을 치하하며, 연구가 원만히 수행될 수 있도록 협조를 아끼지 않으신 관계자 여러분께 감사 드립니다.2016 년 12 월
한국전자통신연구원 원장 이 상 훈
ii
제 출 문
본 보고서는 주요사업인 “무선 E-zone 및 다차원 에너지 집적
기술 개발”의 결과로서, 본 과제에 참여한 아래의 연구팀이 작성한
것입니다.
2016 년 12 월
연구책임자 : 책임연구원 조인귀(한국전자통신연구원) 연구참여자 : 책임연구원 최형도(한국전자통신연구원) 책임연구원 윤재훈(한국전자통신연구원) 책임연구원 장동원(한국전자통신연구원) 책임연구원 권종화(한국전자통신연구원) 책임연구원 김병찬(한국전자통신연구원) 책임연구원 문정익(한국전자통신연구원) 책임연구원 고광진(한국전자통신연구원) 책임연구원 이종문(한국전자통신연구원) 선임연구원 김성민(한국전자통신연구원) 선임연구원 김상원(한국전자통신연구원) 선임연구원 안덕주(한국전자통신연구원) 선임연구원 전상봉(한국전자통신연구원) 위촉연구원 김승남(한국전자통신연구원) 위촉연구원 윤계석(한국전자통신연구원) 위촉연구원 이상한(한국전자통신연구원) 상 무 김학용(㈜동양이엔피)
iii 수석연구원 이종섭(㈜동양이엔피) 수석연구원 문시영(㈜동양이엔피) 수석연구원 이진희(㈜동양이엔피) 수석연구원 신승빈(㈜동양이엔피) 책임연구원 이성귀(㈜동양이엔피) 책임연구원 천동우(㈜동양이엔피) 책임연구원 이우철(㈜동양이엔피) 책임연구원 이영섭(㈜동양이엔피) 연 구 원 백승욱(㈜동양이엔피) 연 구 원 김기휴(㈜동양이엔피) 대 표 김영수(㈜링크일렉트로닉스) 사 원 황순곤(㈜링크일렉트로닉스) 사 원 김상훈(㈜링크일렉트로닉스)
iv
요 약 문
1. 제목
무선 E-zone 및 다차원 에너지 집적 기술 개발
2. 연구 목적 및 중요성
가. 연구 목적
1) 사업 최종 목표 o 한정된 서비스 영역 확장으로, 안전하고 효율이 높은 3D E-zone 및 다차원 에너지 집적 기술 개발 - 3D E-zone 시스템 : 1.5 × 1.5 × 1.5 m3 의 공간에서 에너지 전송 (DC/DC 효율 70%) - 다차원 에너지 집적 시스템 : 기기간 에너지 전송을 위한 high-Q 모드(6.78 MHz, 20 cm 이하)와 low-high-Q 모드(110 kHz, 357 kHz 10 mm 이하)를 수용하는 이중모드 에너지 트랜스폰더 2) 당해년도 목표 o 다차원 에너지 집적 기반 기술 개발 - 0.5 × 0.5 × 0.5 m3 3D E-zone 구현 (DC/DC 효율 60%) - 다차원 에너지 집적 기술 (high-Q 60%, low-Q 75%)나. 연구 중요성
o 현재 무선전송 및 충전기술은 2 차원 패드 구조(휴대전화, 전기자동차 무선충전 등)로 전송거리와 자유도가 제한v - 2 차원 패드 구조는 고정된 거리에서 에너지가 전송되는 형태로 거리변화에 따른 시스템의 효율 및 전송 주파수가 변함 - 현재 수 cm 이하 비접촉식 에너지 전송분야로 응용이 한정 o 현재 기술은 고객의 흥미는 유발하나 실제 활용에 있어, 그 편의성 및 효율 측면에서 고객 요구를 만족시키지 못함 - 송신기가 존재하는 제한된 공간에서만 서비스 가능 - 미래의 에너지 서비스는 공간적 제약이 없는 에너지 이용 기술이 요구 o 미래 IoT(Internet of Things)시대에 기기간 에너지 전송으로 모든 기기에 적용 가능한 새로운 산업분야를 생성할 수 있는 기술임 o 새롭게 대두되는 웨어러블 디바이스는 전원공급 및 충전에 어려움이 예상되며 이를 극복할 수 있는 공간적 에너지 서비스 제공에 반드시 필요한 기술임 o 모든 분야에 적용 가능한 새로운 에너지 서비스를 통한 창조경제 실현에 기여 - 신서비스 창출로 생활 편의 제공, 복지 증진 - 핵심기술 확산을 통한 신산업군 조성 및 일자리 창출 가능 o 이동통신, 가전, 조선, 자동차, 로봇, 의료 등 모든 산업에 응용 가능한 모태기술 - 미래 IoT 시대에 기기간 에너지 전송 신서비스 제공 - 웨어러블 디바이스 분야에 적용 가능한 공간적 에너지 서비스 제공 o 새로운 기술 서비스 산업으로 부각되고 있는 무선전력전송 기술의 전력 효율성 및 거리 한계가 전 세계적으로 산업화의 걸림돌로 기업들의 발목을 잡고 있어 이에 대한 핵심원천 및 기반 기술이 국내 산업을 위해 시급히 요구됨 o 선이 없는 편리한 미래 ICT 서비스를 위해 고자유도의 3 차원
vi 전파에너지 전송기술 (3D E-zone)과 한정된 서비스 영역을 확장할 수 있는 다차원 에너지 전송 방식 등 원천기술 확보가 필요 - 근거리에서 단일모드 자기장 생성기술 - 자기장 강도/분포 제어 기반 자기장 성형 기술 확보를 통한 무선 에너지 전송 효율 및 거리 개선 - 기기 및 인체보호를 위한 전자파 환경 극복 기술 - 전파간섭 저감을 위한 비복사 공진코일 구조 기술 - 고자유도 확보를 위한 3D E-zone 구현 기술 - 높은 효율과 전자파 안전을 확보하는 전파 에너지 집적 기술 등
3. 연구내용 및 범위
가. 연구 내용
o 다차원 에너지 집적 구현 기술 개발 - 고효율 송수신/공진 모듈 개발 - 소형 3D E-zone 구현 기술 개발 - 에너지 집적 구조 설계나. 연구 범위
1) 고효율 송수신/공진 모듈 개발 o 자기장 성형 설계 o 고효율 송수신부 모듈 개발 o 소형 High-Q 공진기 개발 2) 소형 3D E-zone 구현 기술 개발 o 임피던스 매칭 기술 및 전송거리 배가 기술 개발vii o 간섭 저감을 위한 극소 복사 구조 설계 o 3D E-zone 시제품 구현(0.5×0.5×0.5 m3 이하) o 무선충전모듈 패키징 3) 에너지 집적 구조 설계 o 전송모드 변환구조 설계 o 송수신모드 변환구조 설계 o 다차원 에너지 집적용 송수신/코일 설계 o 트랜스폰더 시제품 구현 o 트랜스폰더 모듈 패키징
4. 연구 결과
가. 고효율 송수신/공진 모듈 개발
o 자기장 성형 기술 설계(다중 송신 공진기 자기장 빔성형 기술 연구) o 100 W 급 고효율 수신/충전 모듈 제작(가변 정전류 발생 기술 적용) o 2 중 수신공진기 활용 인터리브 수신구조 연구(2 개의 인터리브 방식 수신기를 이용한 시스템 효율 증대) o 도어락용 송수신 모듈 연구(2 W 급 송수신 모듈 개발 및 적용)나. 소형 3D E-zone 구현 기술 개발
o 0.5 × 0.5 × 0.5 m3 의 소형 3D E-zone 구현 기반 기술 개발(전송거리 배가 기술 개발 및 컵홀더형 소형 3D E-zone 기술 개발) o 공진기 전송거리 배가 기술 연구(공진기 직경대비 3.5 배이상@ 70% 효율, MIT 기술 대비 1.5 배 이상의 전송거리 확보) o 3D E-zone 용 송신 모듈 개발(24 W 급 Full-bridge, DC/RF 효율 91% 이상) o 3D E-zone 용 수신 모듈 개발(5 W 급 Full-bridge, DC/RF 효율 92% 이상)viii
o 3D E-zone 용 공진기 개발(동위상 급전, 3 차원 공간 전송 기술) o 3D E-zone 용 제어 시스템 개발(BLE, Zigbee 다중무선충전 알고리즘) o 소형 3D E-zone 시스템 설계, 제작(직경 9 cm 컵홀더형 시스템, 60±3%의
DC/DC 효율 @ 360 도 회전)
o 자기장 전파 경로 제어를 통한 전자파 차폐 성능 개선 연구(최대 80%이상의 전자파 저감 효과)
o 소형 3D E-zone 시스템의 국내 및 국제 EMI 규격 만족(EMI 저감코일
적용, 국내 KN17, 미국 FCC Part18 규격 만족)
다. 다차원 에너지 집적 구조 설계
o 기기간 에너지 전송을 위한 에너지 트랜스폰더 구조 설계 o 이중대역 half-bridge 송신기 설계 및 제작(이중대역 단일소자 적용 전압모드 송신기, 91%이상의 DC/RF 효율) o 이중대역 full-bridge 수신기 설계 및 제작(이중대역 단일소자 적용 수신기, 92%이상의 DC/RF 효율) o 에너지 트랜스폰더용 이중대역 송수신 공진기 구조 설계 및 제작(와전류 상쇄 기법이 적용된 200 kHz, 6.78 MHz 의 이중대역 단일 공진기 구조 설계 및 제작) o 부하 및 전송거리 변화 대응 효율 유지기술이 내장된 15 W 급 고효율 수신기 소형화 연구(Load modulation 기법이 적용된 15 W 급 수신 IC 설계, 제작)라. 다중 무선충전을 위한 통합 제어 시스템 설계
o 이종 부하 다중 무선충전을 위한 통합 제어 시스템 설계 o Out-of-band 를 이용한 최대 8 대의 다중 무선충전 통합 제어 시스템 설계ix
5. 연구개발결과의 활용 계획
가. 고효율 송수신/공진 모듈 개발
o 스마트기기 등 소형 무선기기에 적용 o 저주파 자기공명 적용 High-Q 공진기 및 다중 급전 기술 개발에 활용 o 공간내 수신기 위치, 방향에 무관한 공간 무선충전 기술 개발에 활용 o 100 W 급 무선충전 기기용 수신 충전기 개발에 활용 o IoT 기반 다기능 도어락 무선충전 시스템 개발에 활용나. 소형 3D E-zone 구현 기술 개발
o 3 차원 전파에너지 전송 기술 분야 적용 o 공간 무선충전이 가능한 고자유도 에너지 전송 기술 개발에 활용 o 차량내 컵홀더, 북쉘브 등의 다양한 형태의 공간 무선충전 시스템 개발에 활용다. 다차원 에너지 집적 구조 설계
o 이중모드를 지원하는 에너지 전송 시스템에 활용 o 이중모드 선택형 에너지 트랜스폰더 시스템 개발에 활용 o 기기간 에너지 전송이 가능한 에너지 집적 시스템에 적용6. 기대성과 및 건의
가. 기술적 기대효과
o 응용 기술 확장이 가능한 소형 공진기 기술 확보 o 고자유도 확보기술, 단일모드 자기장 생성기술을 통한 현재 2 차원 패드구조를 넘어선 3 차원 에너지 전송 기술 확보x o 다차원 에너지 전송 기술을 통해 한정된 서비스 영역 확장 o 웨어러블 디바이스와 IoT 디바이스 등 미래 ICT 핵심기술에 응용 가능
나. 경제적 기대효과
o 2021 년 세계시장 규모는 약 17 억불으로 예상되며, 원천기술 개발을 통한 시장 선점으로 중소기업 매출 증대 o 모바일 뿐만 아니라 생활 가전, 웨어러블 디바이스, IoT 디바이스, 태양광, 로봇 등의 산업에 파급효과가 매우 크며 세계 시장에서 경쟁력을 제고할 수 있을 것임 o 국내 안테나 시장 약 5,000 억/년 이상, 세계 안테나 시장 수출 약 1,000 억/년 이상으로 전망되며 이에 따른 세계 시장에서 경쟁력 제고를 통해 관련 제품의 수출이 증가될 것으로 전망됨다. 산업적 기대효과
o 방송통신기기, 가전기기, 자동차, 항공, 산업로봇 등 응용 분야가 넓은 모태 기술로 주요 산업에의 파급 효과가 매우 큼 o 국내 산업체의 기술 요구가 확대되고 있어 새로운 시장 창출이 가능. o 전력 효율성 및 거리 한계 극복으로 산업화 촉진라. 사회적 기대효과
o 무선통신기기 및 각종 전기 전자기기의 전력 사용에 있어 공간 제약 극복을 통해 사용자의 편의성이 크게 증대되며 대중성이 크게 확장 o 전기에너지가 이제까지 유선 중심에서 무선으로 그 지평을 확대하는 전기가 될 것으로 전망되어 모든 생활에 변혁을 가져올 것으로 기대xi
ABSTRACT
I. TITLE
Development of Wireless E-Zone and Multi-Dimensional Energy Integrated Technology
II. THE OBJECTIVES
A. Purpose
1) Final goal of the project
o Development of wireless E-zone and multi-dimensional energy integration technology having safety and high efficiency by expanding the limited service area
-3D E-zone system: Energy transfer within the space of 1.5×1.5 ×1.5 m3 (DC/DC efficiency: 70 %)
- Multi-dimensional energy integration system: High-Q mode (6.78 MHz, < 20 cm) for inter-device energy transfer and dual-mode energy transponder which can operate in a low-Q mode (110 kHz, 357 kHz, <10 mm)
2) Goals of this year
o Development of basic technology for the multi-dimensional energy integration - Implementation of 3D E-zone of 0.5×0.5×0.5 m3 (DC/DC efficiency:
60 %)
- Implementation of Multi-dimensional energy integration technology (high-Q 60%, low-(high-Q 75%)
xii
B. Importance
O Presently, the wireless energy transferring and charging techniques for the 2D pad structure have a limitation on transfer distance and spatial degree of freedom
- In 2D structure the energy is transferred under the condition of fixed distance so that the transfer efficiency and resonant frequency may varies
- Currently, the application is limited to non-contact energy transfer up to several cm
O The present technology causes much interest to the customers but in the respect of real application it does not satisfy the customer’s needs due to the ease of use and transfer efficiency
- It can offer the services within the limited space boundary which reaches a transmitter’s power
- Future energy service requires to overcome the space limitation
O It is the technology which can create a new industry of inter-device energy transfer for IoT era
O It is a core technology which can overcome the difficulties imposed on energy supplying and charging for upcoming new wearable device era
O It can contribute the realization of creative economy through the energy service which enables it to apply in all industry areas
- Offering a convenience in everyday life and a promotion in welfare by the creation of new kind of services
- Creation of job positions and new industry group by expanding a core technology
O It is a basic technology applicable for mobile, home appliance, shipbuilding, automobile, robot, and medical industry areas
xiii
- Offering a new service on energy transfer area in future IoT era - Offering a space energy service applicable for wearable devices
O A core and basic technologies are required for the domestic industry because the industrialization can be delayed by the limitation imposed on transfer efficiency and distance
O The basic technologies including multi energy transfer and 3D energy transfer with high space freedom will be required for future wireless ICT services
- Technique of generating a single-mode H-field in the near field
- Technique of improving the energy transfer efficiency and transfer distance by H-field deformation based on the control of H-field strength/distribution - Technique of device and human body protection from leakage field - Technique of non-radiation resonant coil design to reduce EMC - Technique of 3D E-zone with high space freedom
- Technique of energy integration with high efficiency and EMF safety
III. THE CONTENTS AND SCOPE OF THE STUDY
A. Contents
o
Development of technology for implementing multi-dimensional
energy integration
- Development of high efficiency Tx/Rx module
- Development of technology for implementing small 3D E-zone - Design of energy integration structure
B. Scope
xiv
o Design of deforming technique for magnetic field o Development of high efficiency Tx/Rx module o Development of small high-Q resonator
2)
Development of technology for implementing small 3D E-zone
o Development of source technology for 0.5 × 0.5 × 0.5 m3 small 3D E-zone (expanding of transfer distance & cup holder type small 3D E-zone implementatioin)
o Development of technology for matching of impedance matching and expanding of transfer distance
o Design of a tiny radiation structure for consideration of Human effects by EMF o Packaging of wireless charging module
3) Design of multi-dimensional energy integration structure
o Design of conversion structure for transfer mode o Design of conversion structure for Tx/Rx mode
o Design of Tx/Rx coil for multi-dimensional energy integration o Implementation of transponder prototype
o Packaging of transponder module
IV. Results
A. Development of high-efficiency Tx/Rx module
o Design of deforming technology for magnetic field o Fabrication of 100W high-efficiency Tx/charging module
xv o Basic study of Tx/Rx module for door-lock
B. Development of technology for implementing small 3D E-zone
o Basic study on technique of expanding the transfer distance (3.5 times of resonator diameter @70 % efficiency)
o Development of Tx module for 3D E-zone (24 W full-bridge, DC/RF efficiency > 91%)
o Development of Rx module for 3D E-zone (5 W full-bridge, DC/RF efficiency > 92%)
o Development of resonator for 3D E-zone (power supplying with in phase, 3D spatial transfer)
o Development o of control system for 3D E-zone (BLE, Zigbee multi-wireless charging algorithm)
o Design and fabrication of small 3D E-zone system (diameter: 9 cm and cup-holder type system, DC/DC efficiency: 60±3% @ rotating of 360 degree)
o Design and implementation of 3D E-zone prototype of 0.5 × 0.5 × 0.5 m3 (maintaining a constant efficiency using the phase of inverter regardless of Rx positions and directions)
o Improvement of magnetic field shielding performance by control the propagation route (> 80 %)
o Reduction of the EMI for the small 3D E-zone system (satisfy the KN17 and FCC Part18)
C. Design of multi-dimensional energy integration structure
o Design of transponder for energy transfer for inter- devices
xvi
o Design and fabrication of dual-mode full-bridge Tx (DC/RF efficiency > 92%) o Design and fabrication of dual-mode Tx/Rx resonator structure for energy
transponder (dual-mode of 200 kHz and 6.78 MHz by cancelling the eddy current) o Basic study on miniaturization of 15 W high-efficiency Rx having the function of
maintaining efficiency regardless of load and transfer distance
D. Design of integrated control system for multi-wireless charging
o Design of integrated control system for multi-wireless charging considering the load with different protocols
o Design of integrated control system using out-of band protocol for multi-wireless charging (8 max.)
V. EXPECTED RESULT & PROPOSITION
A. Development of high-efficiency Tx/Rx module
o Applicable for a small wireless devices such as smart phone, etc.
o Applicable for developing a small size high-Q resonator and multi-powering technique
o Applicable for developing the spatial wireless-charging technology maintaining its efficiency regardless of Rx’s positions and directions
o Applicable for developing Rx-charger for 100 W wireless-charging devices o Applicable for developing multi-functional door-lock based on IoT infrastructure
B. Development of technology for implementing small 3D E-zone
o Applicable for the area of 3D microwave energy transfer
xvii
freedom which can make spatial wireless-charging
o Applicable for developing various spatial wireless-charging system such as cup-
C. Technical Effects
o Secure the design technique for a small size resonator which can expand its applications
o Secure 3D energy transfer technique beyond 2D pad structure by using techniques on ensuring high space freedom and generating single-mode H-field
o Expanding the service area by applying the multi energy transfer technique o Secure the future technology which can be applied to the wearable and IoT device
D. Economic Effects
o In 2021 the worldwide market is expected to reach about 17 trillion won. By developing a basic technology we anticipate that we can lead market share and make small size company to increase its sales.
o It can contribute to the area of home appliance, wearable devices, IoT devices, solar cell, robot as well as mobile. We will have competition with worldwide market.
E. Industrial Effects
o It is a base technology with wide application for broadcasting-mobile device, home appliance, automobile, aviation, and industrial robot industry.
o A new market can be opened since the requirement for technology by domestic companies are increasing
o Related industrialization is promoted by overcoming power transfer efficiency and transfer distance
xviii
F. Social Effects
o It enables popularization of mobile device and electric electronic devices by overcoming the space limitation when we need power.
o A great changes in everyday life are expected by changing the concept on power transfer from cable to wireless.
xix
CONTENTS
Chapter 1. Introduction……….1
Section 1. Objectives……….3
Section 2. Status of Technology Development ……….4
1. Status of Technology Development……….………...4
Section 3. Contents and Scopes………..………8
1. Goals……….……….………...8
2. Contents and Scopes in this Year……….………..8
Section 4. Organization and Methods……….……...12
1. Organization of the Research……….………...12
2. Organization of the Research in this Year……….………...14
Section 5. Research Results……….……….16
1. Qualitative Research Results...………...………16
2. Quantitative Research Results...………...………17
Chapter 2. Main Subject (Detailed Results)...………..…..27
Section 1. Development of Transmitter/Receiver and Resonant Module...……..29
1. Overview...………...29
2. Technology of Magnetic field deforming………...………….30
3. 100 W Receiver/Charging Module…...………32
4. Interleave Receiver using Dual-mode Receiving Resonant...36
5. Transmitter/Receiver and Resonant Circuit for Door-Lock...………37
Section 2. Implementation of small 3D E-zone ………...…40
1. Overview………...40
2. Expanding of Resonant Distance………41
3. Transmitter/Receiver for Small 3D E-zone………...46
4. Small 3D E-zone System for Cup-Holder………...52
Section 3. Development of Energy Integration Structure …...………54
1. Overview………...…….54
2. Energy Integration System Structure ……...……….….…….55
xx
4. Miniaturization of 15W Receiver………61 Section 4. Electromagnetic Wave Reduction for WPT………....…63 1. Overview………...63 2. Shielding Techniques………....64 3. Reduction of Human Exposure………66 4. EMC Reduction………....68 Section 5. Control of Multi-Wireless Power Transfer….………71 1. Overview………...71 2. Control of Multi-Wireless Power Transfer………72 Chapter 3. Application Plans………...79 Section 1. Application Plans by Sector………....…81 1. High Efficienct Transmitter/Receiver and Resonant Module………81 2. Small 3D E-zone………82 3. Energy Integration………82 Section 2. Expected Effects………....…84 1. Technical effects………84 2. Commercial effects………84 3. Industrial effects………84 4. Social effects………85 Chapter 4. Conclusions………...87 References……….………...95 Abbreviations……….….……….……….101
xxi
CONTENTS OF TABLES
Table 2.1.1 Calculated Results of Transfer Efficiency by the position of Rx Coil (I)……….31 Table 2.1.2 Calculated Results of Transfer Efficiency by the Position of Rx Coil (II)………32 Table 2.1.3 Calculated Results of Transfer Efficiency by the position of Rx Coil (III)……….32 Table 2.1.4 Electrical Specification of 100 W Rx/Charging Module………35
xxii
CONTENTS OF FIGURES
Figure 1.1.1 Organization……….12 Figure 1.1.2 Methods………..13 Figure 2.1.1 Arrangement Example for Rx and Tx Coils above a Cube………30 Figure 2.1.2 Block Diagram of 100 W Rx/Charging Module………..33 Figure 2.1.3 100 W Rx/Charging Module………...35 Figure 2.1.4 Simulation Results (conventional vs proposed)……….36 Figure 2.1.5 Proposed Interleave Rx………...37 Figure 2.1.6 Tx and Rx/Resonant Circuit for Digital Door-Lock………...…38 Figure 2.1.7 Transfer Characteristics of Tx and Rx/Resonant Circuit for Digital Door-Lock...38 Figure 2.2.1 3D E-zone System for Free Charging regardless of Directions of Rx……...……40 Figure 2.2.2 Equivalent Circuit of WPT using the Magnetic Coupling………..42 Figure 2.2.3 Characteristics of Coupling Coefficient of a Forward Mixed-Electromagnetic Resonator….………..45 Figure 2.2.4 Fabricated Forward Mixed-Electromagnetic Resonator………46 Figure 2.2.5 Diagram of 3D E-zone System………...47 Figure 2.2.6 PCB Layout of Developed Tx for 3D E-zone………48 Figure 2.2.7 PCB Layout of Developed Tx for 3D E-zone and Installed Rx……….49 Figure 2.2.8 Output Power and System Efficiency of Rx for 3D E-zone………...49 Figure 2.2.9 GUI for System Monitoring Control for 3D E-zone………..50 Figure 2.2.10 GUI for Setting the Tx Parameter……….50 Figure 2.2.11 Example of Dual Power-Supply Resonant for 3D E-zone………...51
xxiii
Figure 2.2.12 Phase Characteristics of Circulating Magnetic Field using Dual feeding………52 Figure 2.2.13 20W Rx/Tx System for 3D E-zone………...52 Figure 2.2.14 Waveform of Implemented Function………53 Figure 2.3.1 Structure of Conventional Dual-band Resonator………55 Figure 2.3.2 Structure of Developed Dual-band Resonator………56 Figure 2.3.3 Node Voltages and Coil Currents of Developed Dual-band Resonator…………..56 Figure 2.3.4 Fabricated Energy Integrated System……….57 Figure 2.3.5 Measurement Results of Fabricated Energy Integrated System……….58 Figure 2.3.6 Comparison of Efficiency for Energy Integrated Systems……….59 Figure 2.3.7 System Efficiency of Modes by Transfer Distances………...60 Figure 2.3.8 Block Diagram of 15W Rx……….61 Figure 2.3.9 LCD and BGR Voltages by Fluctuation of Output Voltage………62 Figure 2.3.10 Miniaturized Rx and layout of 15 W Rx………...………62 Figure 2.4.1 Analysis Structure for Shielding Design and Verifying its Effect………..64 Figure 2.4.2 Concept of Propagating Route Control of Magnetic Field and Guidance of Magnetic Flus Density……….………65 Figure 2.4.3 Comparison of Distribution and Strength of Magnetic Field after Applying Shielding Technique……….65 Figure 2.4.4 Setups of WPT Tx/Rx Coils and Phantom……….66 Figure 2.4.5 Comparison with ICNIRP 2010………..67 Figure 2.4.6 SAR Distribution by Arrangement on Top and Side of Device………..67 Figure 2.4.7 Noise Propagation Route and EMC Measurement Results after Modifying PCB of SMPS………..……….68 Figure 2.4.8 Example of EMC Measurement……….69 Figure 2.4.9 EMC Measurement Result under 30 MHz……….69
xxiv
Figure 2.4.10 EMC Measurement Result of 30 MHz ~1 GHz………...70 Figure 2.5.1 Standard of Wireless Communications………...71 Figure 2.5.2 WPT System………...72 Figure 2.5.3 Block Diagram of WPT………..73 Figure 2.5.4 BLE Protocol Stack……….75 Figure 2.5.5 Development Environment of WPT Control System ………...77
xxv
목 차
제 1 장 서론……..………1 제 1 절 연구의 필요성 및 목적……..………3 제 2 절 국내⋅외 기술개발 현황 및 수준………4 1. 국내⋅외 기술 개발 현황………..………4 제 3 절 연구의 내용 및 범위………8 1. 연구개발의 목표………..………8 2. 당해년도의 연구개발 내용 및 범위………8 제 4 절 연구 추진 체계 및 방법………..………12 1. 총년도 연구개발 추진체계………12 2. 당해년도 연구개발 추진체계………14 제 5 절 연구 추진 결과………..………16 1. 정성적 연구 결과………..………16 2. 정량적 연구 결과………..……….……….…17 제 2 장 본론(연구 수행 세부 결과) ……..………27 제 1 절 송수신/공진 모듈 설계 연구…….………29 1. 개요………29 2. 자기장 성형 기술 연구………..………30 3. 100 W 급 수신/충전 모듈 연구…...………32 4. 이중 수신 공진기를 이용한 인터리브 수신기………..36 5. 디지털 도어락용 송수신/공진 회로 연구..………37 제 2 절 소형 3D E-zone 구현 기술 연구…………...….………40 1. 개요……….….….……….……40 2. 공진거리 배가 기술 연구………41 3. 소형 3D E-zone 용 송수신기 연구………46 4. 컵홀더형 소형 3D E-zone 시스템 연구………52 제 3 절 에너지 집적 구조 개발 연구……….……….……54xxvi 1. 개요……….….….……….……54 2. 에너지 집적 시스템 구조 연구…….……….……55 3. 에너지 집적 시스템 구조 제작 및 성능 검증………57 4. 15 W 급 수신기 소형화 연구………..………61 제 4 절 무선전력전송 전자파 저감 기술 연구...63 1. 개요………...……….63 2. 무선전력전송 전자파 차폐 기술 연구………64 3. 무선전력전송 인체영향 저감 기술 연구………66 4. 무선전력전송 EMC 저감 기술 연구………68 제 5 절 다중 무선전력 제어기술 연구………71 1. 개요………...71 2. 다중 무선전력 제어 기술 연구...72 제 3 장 연구결과의 활용 계획...……….………79 제 1 절 분야별 연구결과의 활용 계획...……….………81 1. 고효율 송수신/공진 모듈 개발 분야...……….………81 2. 소형 3D E-zone 구현 기술 분야...82 3. 다차원 에너지 집적 기술 분야……...82 제 2 절 연구결과의 기대 효과...84 1. 기술적 기대 효과...……….………..84 2. 경제적 기대 효과...……….………..84 3. 산업적 기대 효과...……….………..84 4. 사회적 기대 효과...……….………..85 제 4 장 결론 ……...……….………87 참고문헌…………...………95 약어표…….………..………101
xxvii
표 목 차
표 2.1.1 수신코일의 위치에 따른 전송효율 계산결과(I)...31 표 2.1.2 수신코일의 위치에 따른 전송효율 계산결과(II)...32 표 2.1.3 수신코일의 위치에 따른 전송효율 계산결과(III)...32 표 2.1.4 100W 급 수신/충전 모듈 전기적 사양...35xxviii
그 림 목 차
그림 1.1.1 연구 수행 체계 …...12 그림 1.1.2 연구개발 추진방법 ...13 그림 2.1.1 정육면체상의 송신코일들과 수신코일 배치예...30 그림 2.1.2 100W 급 수신/충전 모듈 블록도...33 그림 2.1.3 100W 급 수신/충전 모듈...35 그림 2.1.4 시뮬레이션 결과 (기존 방식 vs 제안된 방식)...36 그림 2.1.5 제안된 인터리브 수신기...37 그림 2.1.6 디지털 도어락용 송수신/공진 회로...38 그림 2.1.7 디지털 도어락용 송수신/공진 회로 전송 특성...38 그림 2.2.1 수신기 방향에 관계 없이 충전이 자유로운 3D E-zone 시스템...40 그림 2.2.2 기존 자기결합을 활용한 무선전력전송의 등가회로……...42 그림 2.2.3 순방향 전기자기혼합공진결합 공진기의 결합계수특성……...45 그림 2.2.4 제작된 순방향 전기자기혼합공진결합 공진기...46 그림 2.2.5 3D E-zone 시스템 전체 구성도………...47 그림 2.2.6 개발된 3D E-zone 용 송신기 PCB 레이아웃………...48 그림 2.2.7 개발된 3D E-zone 용 송신기 PCB 레이아웃 및 수신기 장착 모습……...49 그림 2.2.8 3D E-zone 용 수신기 출력 전력 및 시스템 효율………...49 그림 2.2.9 3D E-zone 용 시스템 모니터링 제어 GUI………….………...50 그림 2.2.10 송신기 파라메터 설정 GUI………..………...50xxix 그림 2.2.11 3D E-zone 용 이중급전 공진방식 예……….………...51 그림 2.2.12 이중급전 방식을 이용한 회전자계의 위상별 특성………...52 그림 2.2.13 3D E-zone 20W 급 송수신 시스템………...52 그림 2.2.14 기능 구현 동작 파형………...53 그림 2.3.1 기존 이중대역 공진기 구조...55 그림 2.3.2 개발된 이중대역 공진기 구조...56 그림 2.3.3 개발된 이중대역 공진기의 각 노드별 전압 및 각 코일별 전류...56 그림 2.3.4 제작된 에너지 집적 시스템………...57 그림 2.3.5 제작된 에너지 집적 시스템 측정 결과...58 그림 2.3.6 에너지 집적 시스템의 효율 비교...59 그림 2.3.7 각 모드별 전송거리에 따른 시스템 효율...60 그림 2.3.8 15 W 급 수신기 블록도………...61 그림 2.3.9 출력전압 변동에 따른 LCD 및 BGR 전압...62 그림 2.3.10 15W 급 수신기 소형화 및 15W 급 수신기 layout………...62 그림 2.4.1 차폐 설게 및 효과 검증을 위한 해석 구조...64 그림 2.4.2 자기장 전파 경로 제어 개념도 및 자속 밀도의 유도...65 그림 2.4.3 차폐 기술 적용 전/후의 자기장 분포 및 자기장 강도 변화...65 그림 2.4.4 무선전력전송 송수신 코일 및 인체 모의 팬텀 배치………...66 그림 2.4.5 ICNIRP2010 기준과의 비교…...67 그림 2.4.6 기기 상단 및 측면에서의 정렬 상태에 따른 SAR 분포...67 그림 2.4.7 SMPS 의 주요 노이즈 경로 및 PCB 개선 전/후 EMC 측정 결과...68 그림 2.4.8 EMC 측정 예시………...69
xxx 그림 2.4.9 30 MHz 이하 EMC 측정 결과………...69 그림 2.4.10 30 MHz~ 1 GHz 에서의 EMC 측정 결과...70 그림 2.5.1 무선 통신 표준………...71 그림 2.5.2 무선 전력 전송 시스템………...72 그림 2.5.3 무선전력전송시스템 구성도...73 그림 2.5.4 BLE 프로토콜 스택………...75 그림 2.5.5 무선전력전송 제어시스템 개발 환경...77
- 1 -
- 3 -
제 1 장 서 론
제 1 절 연구의 필요성 및 목적
무선전력전송 기술은 전파를 활용하여 정보를 전송하는 무선통신 기술처럼, 전파를 활용하여 에너지를 전송하는 기술로서 전파 활성화 정책과 연계한 국가 차원의 개발 추진이 필요하며, 전자파환경 문제와 매우 밀접한 기술로서 국가적 차원의 체계적인 기술개발이 요구되며 관련 측정 인프라 및 원천기술 개발을 통해 산업 선도화가 필요한 기술이다. 본 기술은 2008년 이후 급부상하는 분야로서(2008년도 MIT, 2009년도 KISTI 10대 기술 선정) 선진국을 비롯한 다수의 연구기관에서 조기 원천기술 확보를 위해 연구 진행 중에 있으며, 전기를 사용하는 기기 전반에 걸친 산업 파급효과 및 부가가치가 매우 높아 국가적 차원의 체계적이고 전략적인 연구 지원이 요구된다. 현재까지 국내 무선전력전송관련 기술의 개발은 현재 수 mm 거리 이내에서 전자기기에 무접점으로 전력을 전달할 수 있는 자기유도 방식의 무선전력 송수신 기술에 집중되고 있으며, 보다 먼 거리를 전송할 수 있는 자기공명 기술은 아직 상용화 단계에 미치지 못하고 있다. 특히, 현재의 무선전력전송 기술은 스마트폰, 전기자동차 등을 충전하기 위해 2차원 패드 구조로 고정된 거리에서 에너지를 전달되는 형태로 인해 거리변화에 따른 효율 및 주파수 변화가 심하고, 송수신 코일의 정렬에 대한 자유도가 제한되고 있는 실정이다. 이와 같은 제약 조건으로 인해 현재 기술은 사용자의 흥미를 유발할 수는 있으나, 편의성과 효율 측면에서 사용자의 요구사항을 충족하지 못하고 있다. 따라서 현재의 2차원 패드 기술을 넘어서 3차원 공간전송을 통해 자유로운 에너지 서비스를 가능하게 하고, 미래에 도래할 IoT 시대에 모든 기기에 적용 가능한 기기간 에너지 전송 기술을 개발하여 새로운 에너지 산업 분야를 생성하고 나아가 자유로운 에너지 서비스를 가능하게 할 수 있는 핵심원천기술 개발이 반드시 요구된다.- 4 -
제 2 절 국내
⋅
외 기술개발 현황 및 수준
1. 국내
⋅
외 기술 개발 현황
가. 국내 기술동향 및 수준
o (국내산업체) WPC 기반 자기유도방식은 LG 전자가 주도적으로
연구개발하고 있으며, AirFuel Alliance(구 A4WP)기반 자기공진방식은 삼성전자, 삼성전기, LS 산전 등에서 휴대폰 적용을 위한 시제품 제작을 중심으로 연구개발하고 있음 o LG 전자를 중심으로 한 WPC 에서는 자기유도기반 휴대 단말기의 무선충전제품을 2011 년부터 시장에 선보인 상황이며, 삼성전기에서는 자기공명기반 무선충전기술을 휴대단말기 무선충전에 적용하여 CES 2014 에서 시연하였음 o (LG 전자) 자기유도방식 칩이 내장된 LTE2, VU2, G 프로 스마트폰을 200 만대 이상 공급하고 있으며, 2014 년 급속충전기, 주방가전 제품 준비 중 o (삼성전자) 자기유도방식이 가능한 갤럭시 노트, S3, S4 를 3,000 만대 이상 공급하고 있으며, 자기공진방식은 2017 년 출시 예정 ㅇ 국내 시장은 2012 년 2 만대의 시장이 형성되었으며, 2014 년 말까지 50 만대가 판매 예상
- 5 -
나. 국외 기술동향 및 수준
o 2000 년도 이후, 정류장 위주의 e-bus 및 e-vehicle 에 대한 무선충전 기술의 연구 개발이 활발히 진행되어 2010 년도 이후에는 세계적인 자동차 업체(다임러크라이슬러, 아우디, 토요타 등)에서 주행 중 충전까지 연구 개발 중 o 비표준 무선 충전 제품 (2006 년 ~ 2009 년) - 휴대폰이나 카메라 등을 충전할 수 있는 스프래드패드 (2006), 팜패드(2007), 파워매트(2009) 같은 자기유도 방식 무선 충전 제품 등장하여 기술의 가능성 보여주었으나, 제품간 상호 호환 불가 o 2010 년도 이후에는 세계 항공기 제조 3 위, 열차 제조 1 위 기업인 캐나다 봄바디어사에서 트램에 적용 가능한 무선충전 기술을 개발 중 o 무선 충전 표준 제품의 등장 (2010 년 ~ 2012 년) - 유럽업체 중심으로 2008 년 WPC 를 설립한 후, 2010.07 월 자기유도 방식의 무선충전 규격 최초 발표 및 인증 테스트를 거쳐 Qi 로고 발급 - 2011 년부터 휴대폰 제조사들이 무선 충전 기능을 제품에 탑재 - 삼성전자, 퀄컴을 중심으로 2012 년 A4WP 설립 후, 2012.11 월 자기공진 방식의 무선충전 규격 최초 발표 및 2015 년 상용화 예정 ㅇ MarketsandMarkets 는 2017 년에 40 억불, 2020 년에 170 억불에 달할 것으로 보고 있으며, 연 평균 60%의 성장세를 보일 것으로 예상 - 중국의 모바일 분야 시장은 2017 년 5 억불 시장에서 2020 년 21 억불 시장으로 증가할 것으로 예측되며, 웨어러블 디바이스- 6 - 시장은 2017 년 8 백만불 시장에서 2020 년 4 천 5 백만불 시장으로 증가할 것으로 예측되어 아시아에서 가장 큰 시장을 형성할 것으로 예상됨 - 일본의 모바일 분야 시장은 2017 년 1 억불 시장에서 2020 년 5 억불 시장으로 증가할 것으로 예측되며, 웨어러블 디바이스 시장은 2017 년 8 백만불 시장에서 2020 년 4 천 3 백만불 시장으로 증가할 것으로 예측됨 ㅇ 가전 분야는 2017 년 세계 시장 2 조원을 넘어서서 본격적인 산업 활성화가 예상되며, 타 산업분야로 급속히 퍼질 것으로 전망
다. 국내
․
외 경쟁기관 현황
o 무선전력전송을 구성하는 기반연구 분야인 송신부, 수신부, 공진부의 경우, ETRI 에서는 2010 년부터 핵심원천개발 기술로 개발을 해 왔으며, 특히 관련 기술에 대한 원천성을 확보하고 있음 - 송신부는 F 급 증폭기를 활용하여 130 W 급으로 1.78 MHz 에서 85% 효율을 갖는 기술을 확보, 수신부는 보호회로 및 임피던스 정합에 유리한 Active dummy load 기법으로 효율 90% 이상을 확보, 공진부는 공진 주파수를 1.78 MHz 로 낮추고 high-Q 를 갖는 소형 공진체 기술을 확보하고 있음o 인체영향 및 전자파 간섭에 관한 기반 기술을 ETRI 에서는 측정기술 및
- 7 - 구분 기술수준 최고기술 (보유국) 판단사유 및 근거 격차 (년) 상대수준 (%) 송신부 기술 2 90 미국 (WiTricity) WiTricity 사가 시연하고 홍보한 연구 결과(η=91%)와 ETRI 에서 개발한 F 급 증폭기 효율(η=85%)을 비교 분석함 수신부 기술 1 95 미국 (WiTricity) WiTricity 사가 시연하고 홍보한 연구 결과(η=95%)와 ETRI 에서 개발한 수신기 효율(η=90%)을 비교 분석함 공진부 기술 -1 (1 년 우위) 105 미국 (MIT) 미국 MIT 의 경우, 헬리컬 구조의 공진기로 10 ㎒에서 공진기 직경 대비 전송거리가 1.6 배, ETRI 에서 개발한 이중 스파이럴 구조의 공진기는 1.7 배로 우수한 특성임 3 차원 전송기술 0 100 미국 (Apple) 애플사의 경우, PC 주변기기를 이용한 무선충전 존을 형성한다는 개념 특허가 출원된 상황이나 이에 대한 구체적인 연구결과가 없으며, ETRI 경우 관련 3D E-zone 에 관한 기초 시험을 통한 구현특허를 출원한 상황임
- 8 -
제 3 절 연구의 내용 및 범위
1. 연구개발의 목표
가. 연구과제의 최종 목표 :
o 한정된 서비스 영역 확장으로, 안전하고 효율이 높은 3D E-zone 및 다차원 에너지 집적 기술 개발나. 연구과제의 최종 세부 목표 :
o 3D E-zone 시스템 - 1.5 × 1.5 × 1.5 m3의 공간에서 에너지 전송(DC/DC 효율 70%) o 다차원 에너지 집적 시스템 - 기기간 에너지 전송을 위한 high-Q 모드(6.78 MHz, 20 cm 이하)와 low-Q 모드(110 kHz, 357 kHz, 10 mm 이하)를 수용하는 이중모드 에너지 트랜스폰더다. 당해년의 연구목표
o 다차원 에너지 집적 구현 기술 개발 - 고효율 송수신/공진 모듈 개발 - 소형 3D E-zone 구현 - 에너지 집적 구조 개발2. 당해년도의 연구개발 내용 및 범위
가. 연구개발 목표
o 다차원 에너지 집적 구현 기술 개발- 9 - - 0.5 × 0.5 × 0.5 m3 3D E-zone 구현(DC/DC 효율 60%) - 다차원 에너지 집적기술(High-Q 60%, Low-Q 75%)
나. 연구개발 내용
o 다차원 에너지 집적 구현 기술 개발 - 고효율 송수신/공진 모듈 개발 - 소형 3D E-zone 구현 - 에너지 집적 구조 개발다. 연구개발 범위
o 고효율 송수신/공진 모듈 개발 - 자기장 성형 설계, 단일모드 자기장 생성 설계, 고효율 송수신부 모듈 개발(㈜동양이엔피, ㈜링크일렉트로닉스), 소형 High-Q 공진기 개발 o 소형 3D E-zone 구현 - 임피던스 매칭기술 및 전송거리 배가기술, 간섭 저감을 위한 극소 복사 구조 설계, 3D E-zone 시제품 구현(0.5×0.5×0.5 m3 이하), 무선충전 모듈 패키징(㈜동양이엔피) o 에너지 집적 구조 설계 - 전송모드 변환구조 설계, 송수신모드 변환구조 설계, 다차원 에너지 집적용 송수신/코일 설계, 트랜스폰더 시제품 구현, 트랜스폰더 모듈 패키징(㈜동양이엔피, ㈜링크일렉트로닉스)- 10 -
라. 당해년의 성과지표
o 성과지표 산출 근거 - 무선 E-zone 기반기술 관련 시제품은 미래 응용분야 확대 예측 - 다차원 에너지 집적 기반기술 관련 시제품은 미래 IoT 기술에 대비한 시장을 예측하여, High-Q 모듈과 Low-Q 모듈로 구분하여 설정 - 특허 및 SCI 논문은 특허 출원 시간과 게재시간을 고려하여 출원 및 게재 건수를 산정 o 경영성과계획서(전략목표 및 성과목표)와의 연계성 - 본 과제는 방송미디어연구소의 주요 업무 중의 하나인 전파자원 개척 및 활용에 관한 전략 및 성과 목표의 내용에 부합 o 주요사업 로드맵과의 연계성 - 주요사업 로드맵 상의 산업화형 기술 단계에 해당하며 향후 수행 예정인 산업화 기술들을 대상으로 연구목표와 연구내용을 정의 - 본 과제는 ETRI 주요사업 로드맵의 기술분류체계 상 전파기술 분야의 기술숲지도 포지셔닝 관련 성장기술로써 고효율 전파에너지 접속 및 초고주파 대역 무선전송 기술 o 대과제 연계성 - 무선에너지 전송/집적 기술은 방송통신기기, 가전기기, 자동차, 항공, 산업로봇 등 응용분야가 많아 산업적 파급효과가 매우 높은 기술 - 한정된 서비스 영역을 확장할 수 있도록 무선전력전송 기술의 공간적 제약성을 극복함으로써 모든 생활에 변혁을 가져올 수 있는 생활편의 제공 효과 기대- 11 - 성과지표 (주요성능 Spec) 단위 세계최고수준 기술개발 목표치(2016) 목표치 산출근거 검증방법 0.5×0.5×0.5 m3 에너지 존 효율 % 신개념 구현 60 미래 응용분야 확대 예측 DC/DC효율 측정결과 제시 High-Q 모듈 효율 % 효율 57% 60 미래 IoT 기술 대비 시장 예측 Low-Q 모듈 효율 % 효율 75% 75
마. 당해년의 연구목표의 독창성
o 자기장 성형기반 기술은 기존 연구가 미비한 실정으로 원천성과 기술선점 가능성이 매우 높은 high risk-high return 기술
- 단일모드 생성기술 및 자기장 강도/분포 제어기술을 통해 전송거리 배가 원천기술 확보 - 효율개선을 위한 신개념 송수신 회로 및 load balancing 기술 개발 - 공간상에 동일한 wave impedance 를 형성하는 전송원천기술 확보 o 기기간 에너지 전송기반 다차원 에너지 집적 기술은 현재 무선전력전송에서 한계로 느끼는 근역장 전송거리를 확대할 수 있는 유일한 방법으로 경제적 파급효과가 매우 큼 - 현재 코일의 직경대비 직경 전송거리로는 그 응용분야 및 시장성이 한계가 있음 - 기기간 에너지 전송을 위한 두 모드가 자유로이 전송하도록 하는 원천기술 개발 - 공간 한계를 뛰어 넘는 전송 알고리즘 개발과 신개념 에너지 스토리지의 원천기술 개발
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제 4 절 연구 추진 체계 및 방법
1. 총년도 연구개발 추진체계
가. 연구개발 추진체계
그림 1.1.1 연구 수행 체계 o 본 연구의 개발목표 및 연구내용은 현재 진행되고 있는 A4WP, WPC 표준을 모두 반영하고 있으며, 특히 트랜스폰더와 같은 송수신이 모두 가능한 신개념 제품을 개발하여 향후 참여기업에서 국내외 표준을 반영하고 민간 표준을 선도할 계획임 o 한국전자파학회의 미래전파연구회 및 대한전기학회의 무선전력전송연구회를 통해 국내외 학계, 연구계의 최신 기술 정보 및 신기술에 대한 요구를 반영 o 국내외 관련 산업의 에코시스템 구축을 위해 무선전력전송진흥포럼(KWPF)을 활성화하고 이를 통해 산업체의 요구 사항 반영과 국내외 기술동향을 정확히 파악- 13 - o 다양한 응용분야를 고려하여 송수신/공진 회로기술을 우선적으로 개발하고 이에 따른 핵심 IPR 확보와 기술이전 및 상용화(TRL7 단계) 추진 o 참여기업(㈜동양이엔피, ㈜링크일렉트로닉스)에서 연구개발 결과물에 대한 상용화, 사업화 연구개발을 수행하여 100 억원 이상의 매출증대를 유도함 그림 1.1.2 연구개발 추진방법
나. 과재수행 분담 비율
구분 자체수행 (A) 공동수행(B) (공동연구) 외부수행 계 (A+B+C) 전문가 활용 위탁 연구 외부 용역 소계 (C) 과제수행 분담비율 88.08% 7.49% 0.31% 4.12% - 4.43% 100%- 14 -
2. 당해년도 연구개발 추진체계
가. 연구개발 추진체계
o 본 과제는 원천성이 높은 응용분야로, ETRI 에서는 원천, 기반연구를 수행하였으며 산업체에서는 상용화를 위한 모듈 개발로 진행하였음 o ETRI 에서는 송수신/공진 회로기술, 3D E-zone 및 다차원 에너지 집적 기술관련 구조 설계 연구에 집중하였으며, 공동연구기관인 ㈜동양이엔피와 (주)링크일렉트로닉스에서는 이를 적용한 상용화 연구로 송수신 모듈에 대한 설계연구를 수행하고, 학계에서는 위탁연구를 통해 보다 원천적인 연구와 분석연구를 수행하였음 o 본 연구의 개발목표 및 연구내용은 현재 진행되고 있는 AirFuel Alliance, WPC 표준을 모두 반영하기 위한 연구를 수행하였으며, 특히 두 모드를 모두 전송할 수 있는 구조 설계에 집중하였음 o 공동연구기관에서는 당해년도에 활용할 송수신 모듈 개발에 집중하였으며, 특히 상용화를 염두하여 소형 구조로 개발을 진행하였음 o 전자파학회의 미래전파연구회 및 대한전기학회의 무선전력전송연구회를 통해 국내외 학계, 연구계의 최신 기술 정보 및 신기술에 대한 니즈를 지속적으로 반영하였음 o 국내외 관련 산업의 에코시스템 구축을 위한 KWPF 를 활성화하고 산업체의 요구 사항을 지속적으로 반영하고 국내외 기술동향을 파악하고 협력함- 15 - 구분 주요 수행업무 ETRI 송수신회로/공진 기반, 원천기술 개발 3D E-zone, 다차원 에너지 집적기술 개발 최신기술동향 및 시장정보 파악, 공유 공동 연구 ㈜동양이엔피 3D E-zone용 송수신 모듈 상용화 개발 ㈜링크일렉트로닉스 에너지 집적 모듈 상용화 개발 위탁 연구 위탁연구 1 무선전력전송의 자기장 제어 연구 위탁연구 2 무선전력전송 시스템의 방사 저감 코일구조 연구 위탁연구 3 이중모드 무선전력전송 기초연구 위탁연구 4 무선전력전송 수신IC 연구
나. 과재수행 분담 비율
구분 자체수행 (A) 공동수행(B) (공동연구) 외부수행 계 (A+B+C) 전문가 활용 위탁 연구 외부 용역 소계 (C) 과제수행 분담비율 83.40% 10.21% 0.52% 5.87% - 6.39% 100%- 16 -
제 5 절 연구 추진 결과
1. 정성적 연구 결과
가. 고효율 송수신/공진 모듈 개발
o 다중 공진기를 이용한 자기장 성형 설계 o 가변 정전류 발생 기술이 적용된 100 W 급 고효율 수신/충전 모듈 개발(시제품) o 2 중 수신공진기를 활용한 인터리브 수신 구조 개발 o 2 W 급 도어락 무선충전용 송수신 모듈 개발(시제품)나. 소형 3D E-zone 구현 기술 개발
o 0.5 × 0.5 × 0.5 m3 의 3D E-zone 구현 기반 기술 개발(전송거리 배가 기술 개발 및 컵홀더형 소형 3D E-zone 개발) o 직경대비 3.5 배 이상에서 70% 효율을 갖는 공진 거리 배가 기술 개발(MIT 기술 대비 1.5 배 이상의 전송거리 확보) o 직경 9 cm 급의 컵홀더형 소형 3D E-zone 시스템 개발(시제품) - DC/RF 효율 91%이상의 24 W 급 full-bridge 송신 모듈 개발 - DC/RF 효율 92%이상의 5 W 급 full-bridge 수신 모듈 개발- BLE 및 Zigbee 를 이용한 다중 무선충전 3D E-zone 제어 시스템 개발 - 스마트 기기 360 도 회전시에 시스템 효율 60±3%로 유지
o 자기장 전파 경로 제어를 통한 최대 80%이상의 전자파 차폐 성능 확보 o 저감코일을 적용한 컵홀더형 소형 3D E-zone 시스템에 대한 국내 KN17,
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다. 다차원 에너지 집적 구조 설계
o 기기간 에너지 전송을 위한 이중대역 에너지 트랜스폰더 구조 설계 o 200 kHz, 6.78 MHz 의 이중대역 에너지 트랜스폰더 송수신/공진 모듈 개발(시제품) - 단일소자를 이용한 이중대역 효율 85%이상의 half-bridge 송신기 개발 - 단일소자를 이용한 이중대역 효율 90%이상의 full-bridge 수신기 개발 - 와전류 상쇄 기법을 활용한 이중대역 단일 공진기 개발 o 부하 및 전송거리 대응 효율 유지기술이 내장된 15 W 급 고효율 수신기 IC 개발(부품설계)라. 다중 무선충전을 위한 통합 제어 시스템 설계
○ 이종 부하 다중 무선충전을 위한 통합 제어 시스템 설계 - 2.4 GHz 대역 BLE 를 이용한 이종 부하 동시 충전 제어 시스템 설계2. 정량적 연구 결과
o 지적재산권: 총 17 건 - 국제특허 5 건 출원/3 건 제출, 국내특허 8 건 출원/1 건 제출 구분 제 목 발명자 국명 비고 (출원,등록,제출) 국제 조인귀 외 미국, 유럽, 중국 출원 (3 극 특허) 윤재훈 외 미국 출원 윤재훈 외 미국 출원- 18 - 안덕주 외 미국 출원 문정익 외 미국 출원 윤재훈 외 미국 제출 전상봉 외 미국 제출 김상원 외 미국 제출 국내 윤재훈 외 한국 출원 윤재훈 외 한국 출원 김성민 외 한국 출원 안덕주 외 미국 출원 문정익 외 한국 출원 윤재훈 외 한국 출원 윤계석 외 한국 출원 전상봉 외 한국 출원 김병찬 외 한국 제출
- 19 - o 논문: 총 19 건 - SCI 급(IF 상위 20%이내) 게재 1 건/제출 1 건, 국제학술대회 9 건, 국내학술지 1 건, 국내학술대회 7 건 논문제목 발표자 논문발표학회명 또는 게재지 연도, 호 발행기관 (국명) 비고 Wireless Power Transfer
with Automatic Feedback Control of Load Resistance Transformation 안덕주 외 IEEE Transactions on Power Electronics 2016., vol. 31 IEEE (미국) SCI (IF 20%이 내) Wireless Power Transmitter and Receiver Supporting 200-kHz and 6.78-MHz Dual-Band Operation 안덕주 외 IEEE Transactions on Power Electronics 제출 (게재 확정) IEEE (미국) SCI (IF 20%이 내) EMF Analysis of Wireless Power Transfer System with dual-transmitting coils 문정익 외 AP-RASC 2016 2016 URSI (미국) 국제학 술대회 A 100W Wireless Charging System with a Human Protection Function from EM Field Exposure 김성민 외 ITEC2016 2016 IEEE (미국) 국제학 술대회
Wireless Power Transfer System for External Memory Hard by using Small Magnetic Coils
조인귀 외 ISAP2016 2016 ISAP (일본) 국제학 술대회
Study of noise reduction from SMPS in the wireless power transmission system 전상봉 외 ISAP2016 2016 ISAP (일본) 국제학 술대회
- 20 - A Method of Evaluating
Magnetic Field Strength by Correction between Uniform and Non-uniform Field in Near-Field 김병찬 외 IEEE Global Electromagnetic Conference 2016 IEEE (미국) 국제학 술대회 Research of Shielding Structure for Reducing Leakage Magnetic Field from Low Power Wireless Charging Coil
김종찬 외 AP-RASC 2016 2016 URSI (미국) 국제학 술대회 Evaluating Human Exposure to Electromagnetic Field Radiated by the Commercial Wireless Power Charging Device
강준석 외 AP-RASC 2016 2016 URSI (미국) 국제학 술대회 Wireless Charging System for a Drone Using Two Small Rx Resonator Coils 김상원 외 AWPT2016 2016 IEICE (일본) 국제학 술대회 Simplifed Inductance Analysis for 3D Wireless Charging 문정익 외 AWPT2016 2016 IEICE (일본) 국제학 술대회 무선충전 기술 동향과 발전 방향 김성민 외 전자통신동향분석 2016 ETRI(한국) 국내학 술지 무선전력전송 시스템에서 최적의 송신코일 선정방법 김상원 외 한국전자파학회 하계종합학술대회 2016 한국전자파학 회 (한국) 국내학 술대회 WPC Qi-A10 코일 근거리장 분석 및 연자성체를 이용한 누설자기장 저감 연구 문정익 외 한국전자파학회 하계종합학술대회 2016 한국전자파학 회 (한국) 국내학 술대회
- 21 - 무선전력전송 시스템에서 공진기 곡률에 의한 인덕턴스 분석 김승남 외 대한전기학회 하계학술대회 2016 대한전기학회 (한국) 국내학 술대회 무선전력전송모듈의 전자파 저감 연구 전상봉 외 대한전기학회 하계학술대회 2016 대한전기학회 (한국) 국내학 술대회 무선전력전송시스템 제어 기술 분석 장동원 외 한국통신학회 하계학술대회 2016 한국통신학회 (한국) 국내학 술대회 무선통신을 이용한 원격 제어 기술 구현 장동원 외 한국정보통신학회 추계학술대회 2016 한국정보통신 학회 (한국) 국내학 술대회 불루투스 스마트 통신을 이용한 센싱 구현 방법 연구 장동원 외 한국통신학회 추계학술대회 2016 한국통신학회 (한국) 국내학 술대회 o 기술이전: 1 건 - 이전금액: 2.0 억원 이술이전명 업체명 금액(억원) 날짜 고자유도 무선전력전송 기술 ㈜동양이엔피 2.0 2016.3
- 22 - o 기술문서 : 총 12 건 문 서 제 목 제출자 제출일 비고 고자유도 무선전력전송기술 요구사항 정의서 김성민 16.02.05 고자유도 무선전력전송기술 시험 절차 결과서 김성민 16.02.05 최소 Q 관점에서 최대 전력전송거리 확보 아이디어 윤재훈 16.08.31 3D E zone 등가회로 분석 및 다중공진 설계기술 윤재훈 16.09.09 무선전력전송기기에 대한 인체 노출량 평가 방안 김병찬 16.12.09 무선전력전송시스템의 전자파 저감 연구 전상봉 16.12.12 저감코일을 이용한 무선전력전송장치의 전자파 저감 전상봉 16.12.12 저주파 대역 자기장 차폐 방안 김병찬 16.12.12 다중 무선충전 제어모듈 설계서 장동원 16.12.22 다중 무선전력 제어 절차서 장동원 16.12.22 소형 3D E-zone 용 송수신기 설계서 김상원 16.12.22 소형 3D E-zone 용 제어기 설계서 김성민 16.12.22 소형 3D E-zone 용 공진기 설계서 문정익 16.12.22
- 23 - o 시제품 및 부품설계: 총 8 건 - Hardware 시제품 5 건, System 시제품 2 건, 부품설계 1 건 구 분 명 칭 주 요 내 용 비 고 H/W 100 W 급 고효율 수신/충전 모듈 - 100 W 급 드론 무선충전 시스템용 수신 충전 모듈 개발 - 가변 정전류 충전방식을 적용한 자동 충전 제어 및 시스템 효율 유지 기능 구현 H/W 2 중 수신기를 이용한 인터리브 수신기 - 2 중 수신 공진기를 이용한 인터리브 수신기 구조 개발 - 2 중 수신기의 선택적 사용으로 부하변화에 관계없이 시스템 효율 증대 효과 구현 - 140 kHz, 5 W 급 2 중 인터리브 수신기 제작 H/W 도어락 무선충전 송수신 회로 - 2 W 급 디지털 도어락 무선충전용 송수신 회로 제작 - 최대 5 cm 의 전송거리 확보 - 개발 기술의 새로운 응용분야 확보를 위한 디지털 도어락 적용 H/W 전송거리 배가기술 공진기 - 전송거리 확장을 위한 배가기술 구현 성능 확인 - 양방향의 전기자기를 동시에 혼합한 결합공진을 활용하여 결합도를 높임 - 3 배의 폭 전송거리 이내에서 RF 전력전송효율 70% 이상 확보가 가능함을 확인
- 24 - SYS 소형 3D E-zone 시스템 - 직경 9 cm 의 컵홀더 구조의 3D E-zone 시스템 구현 - BLE, Zigbee 를 이용한 전력제어 기능 구현 - 2 대의 스마트폰 동시 충전 및 전력제어 가능 - 시스템 효율 60 ± 3% @ 360o 회전 SYS 무선전력 전송 제어 시스템 - BLE 통신(2.4GHz)을 이용한 송신제어모듈과 수신제어모듈 접속 가능(1 :8 , Tx: Rx) - ADC 인터페이스를 통해서 무선전력전송 모듈의 상태를 센싱 - 제어 모듈에 구현된 S/W(제어 알고리즘)에 의해 전력 전송 상태를 모니터링하고 제어 - (ON/OFF, 출력 레벨 제어 등) H/W 이중대역 송수신/ 공진 모듈 - 200 kHz, 6.78 MHz 이중대역 송수신/공진 모듈 개발 - 와전류 상쇄 기법을 적용한 이중대역 시스템 효율 개선 제안 - 단일 소자를 이용한 이중대역 송수신 회로 제작 부품 설계 15 W 급 수신 IC - 140 kHz 대역 15 W 급 full-bridge 수신기 IC 제작 - 부하, 전송거리 변화 대응 효율 유지 기법 적용 - 9 V, 1.5 A 의 출력
- 25 - o 기타 실적: 기술홍보 총 4 건 - 국내전시회 전시 2 건, 기술평가 및 포상 2 건 구분 명칭 일시 및 장소 확산 기술명 비 고 전시회 무선전력전송 진흥포럼 출범식 및 컨퍼런스 03.17 리츠칼튼호텔 드론 무선충전 시스템 전시회 월드 IT 쇼 (WIS2016) 05.17 ~ 05.20 코엑스 드론 무선충전 시스템 기술평가 삼성전자우수 신기술 선정 10.17 삼성전자 상생협력아카데미 3D E-zone 구현 기술 포상 25 회 다산기술상 수상 (공공부문상) 12.07 한국경제신문사 3D E-zone 구현 기술
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제 2 장 본 론
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