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朝鮮大學校 大學院

電氣工學科

李 柔 炅

2 01 年6

2 月 碩 士 學 位 論 文

차 폐 소 재 에 따 른 초 전 도 공 진 코 일 의 무 선전 력전 송 특 성

李 柔 炅

2016年 2月 碩士學位論文

차폐 소재에 따른 초전도 공진

코일의 무선전력전송 특성

2016年 2月 25日

朝鮮大學校 大學院

電氣工學科

李 柔 炅

Cha r ac t e r i s t i c sofWi r e l e s sPowe rTr ans f e r us i ngt heSupe r c onduc t orRe s onanc eCoi lbyt he

Shi e l di ngMat e r i al s

차폐 소재에 따른 초전도 공진

코일의 무선전력전송 특성

指導敎授 崔 孝 祥

2015年 10月

朝鮮大學校 大學院 電氣工學科

李 柔 炅

이 論文을 工學 碩士學位申請 論文으로 提出함.

차폐소재에 따른 초전도 공진

코일의 무선전력전송 특성

李柔炅의 碩士學位論文을 認准함

2015年 11月

朝鮮大學校 大學院

委員長 朝 鮮 大 學 校 敎授 조 금 배 印 委 員 朝 鮮 大 學 校 敎授 김 용 재 印 委 員 朝 鮮 大 學 校 敎授 최 효 상 印

목 차

ABSTRACT

Ⅰ.서론

Ⅱ.이론적 고찰

A. 무선전력전송 방식별 분류

1.자기유도···3

2.자기공진 ···4

3.전자기파···4

B. 코일 설계 ·

1.Loop코일의 구조 및 해석···7

2.Helical코일의 구조 및 해석···8

3.초전도 코일···9

4.품질계수···10

Ⅲ.실험 및 해석

A. 초전도 공진 코일

B. 차폐재 적용에 따른 초전도 WPT 특성

1.단일차폐 구성 및 실험···15 a.S-parameter···15

b.Smithchart···22 c.E-field···24 2.차폐 하우징 구성 및 실험···28 a.S-parameter···28 b.Smithchart···40

Ⅳ. 결론

【 참고문헌 】

List of Figures

Fig.2-1StructureoftheelectromagneticinductionforWPT system Fig.2-2StructureofthemagneticresonanceforWPT system Fig.2-3StructureoftheelectromagneticwaveforWPT system Fig..2-4ApplicationofWPT system

Fig..2-5 Structureoftheloopcoil Fig.2-6Structureofahelicalcoil

Fig.2-7Superconductivitycriticalsurface Fig.2-8Constructionofasuperconductorcoil Fig.3-1StructureofWPT system

Fig.3-2Anelectricfielddistributioninthecoilmaterials

Fig.3-3ThesuperconductorWPT system withasingleshieldingmaterials Fig.3-4S-parametersofsuperconductingresonancecoilinaccordancewiththe

singleshieldingmaterials

Fig.3-5Smithchartaccordingtothesingleshieldingmaterials Fig.3-6Markerlocation

Fig.3-7 An electric field distribution comparison oftransmitterand receiver coilmaterials accordingtosingleshieldingmaterials

Fig.3-8 WPT system using the superconductor configured as a housing shieldmaterials

Fig.3-9 Reflection coefficient by the distance between the transmitter and receivercoilsaccordingtothehousingmaterials

Fig.3-10Transmission coefficientby thedistancebetween thetransmitterand receivercoilsinaccordancewiththehousingtypeshieldingmaterials Fig. 3-11 Smith chart by distance between the transmitter·receiving coil

accordingtothehousingtypeshieldingmaterials

List of Tables

Table2-1Comparisonof WPT technologyaccordingtotheimplementation Table3-1Transmitterandreceivercoilsspecifications

Table3-2Shieldingmaterial-specificpropertiesanduses Table3-3Materialparameteroftransmitterandreceivercoil

Table 3-4 S-parameters of superconducting resonance coilaccording to the singleshieldingmaterials

Table 3-5 An electric field distribution value oftransmitterand receivercoil materialsaccordingtosingleshieldingmaterials

ABSTRACT

Char act er i st i csofWi r el essPowerTr ansf erusi ng t he Super conduct orResonanceCoi lby t heShi el di ng

Mat er i al s

Le e ,Yu-kye ong

Advi s or :Pr of .Choi ,Hyo-Sang,Ph.D.

De pa r t me ntofEl e c t r i c a lEngi ne e r i ng, Graduate School of Chosun University

Wireless powertransmission is a new promising technology thattransmits powerwithoutwiresbyusingthefreespaceasamedium.Thewirelesspower transmission based on themagneticresonanceusestheresonancebetween the transmitterand receivercoils.Accordingly,itcan addresstheissuesincluding thedegreeoffreedom andtransmissiondistance,whicharetheproblemsofthe conventionalmethods.However,the quality factor ofthe coilmustbe kept high toimprovethetransmission efficiency ofthemagneticresonancewireless powertransmission system.A high quality factorofthecoilcan increasethe transmission efficiency even when the degree ofmagnetic coupling decreases.

Therefore,a superconductor coil was applied to improve the transmission efficiency ofthe magnetic resonance wireless powertransmission system.In the preceding study,the efficiency ofthe magnetic resonance wireless power transmission system with the superconductor resonance coil was verified.

However, the transmission efficiency of transmitter and receiver coils is

affected by theelectromagneticwaveinterferencesignalsornoisesdueto the surrounding shielding materials.Therefore,the wireless power transmission characteristics should be studied in relation to the surrounding shielding materialstoensurethereliabilityandeconomicfeasibility.

In this study,shielding materials were used fora superconductorwireless power transmission system.The shielding materials included bakelite,FRP, PVC plastic, polystyrene, iron, and aluminum. In addition, single, housing shielding materialswereused between thetransmitterandreceivercoils.Then theS-parameter,Smithchart,ande-fieldofthesuperconductorresonancecoils were comparatively analyzed.The results showed thatthe bakelite and FRP improved thewirelesspowertransmission characteristics.Itisexpected thata system oracoolingcontainerbasedontheresultsofthisstudywillbeableto ensurethe practicalwirelesspowertransmission systems with superconductor coils.

Ⅰ.서 론

에너지 기술과 IT 통신 기술에 대한 관심이 전 세계적으로 집중되고 있다.모바 일 전자기기,가전제품,전기차 충전 등의 성능은 지속적으로 발전하고 있다.현재 이러한 전자기기들의 보급대수가 지난해 전 세계 인구수를 넘었다[1].이처럼 많은 모바일 기기들이 일상생활 속에 자리 잡고 있으며 장소와 시간에 얽매이지 않고 필요한 자료 검색,정보 교류,물건 구입,업무,여가활동에 사용되고 있다.하지만 모바일 전자기기 및 첨단 기기 등의 사용량이 증가하면서 배터리 수명에 따른 잦 은 충전,전원 선의 길이에 따른 공간 제약의 불편함을 초래하고 있다.또한 충전 배터리의 발전 속도가 더디고,전자기기의 크기나 디자인을 고려해야하기 때문에 배터리 용량을 무제한으로 증가시키기 어렵다[2-4].이러한 문제점을 해결하기 위 해 전원 선을 직접 연결하지 않고 무선으로 전력을 전송하는 기술에 대한 관심이 집중되고 있다.무선전력전송(Wirelesspowertransfer:WPT)기술을 이용한다면 배터리 충전과 전자기기 사용이 용이할 것으로 예상된다.무선전력전송 기술은 전 선 없이 자유공간을 매질로 전력을 공급한다.전자기기를 사용할 경우 복잡하게 얽힌 전원선 대신에 무선 충전 패드,어댑터 등을 이용하여 공간 제약 없이 각종 전자기기들을 무선 충전할 수 있다.무선 전력전송 기술은 연 평균 118.4%로 시장 규모가 증가하고 있는 실정이다[5].무선전력전송 기술은 이미 자기유도 방식이 상 용화 되었다.하지만 송·수신코일의 방향이 조금이라도 틀어지면 전송효율이 감소 하는 단점이 있다.이를 해결하기 위해 자기유도 방식보다 코일의 방향성과 자유 도를 확보할 수 있는 자기공진형 무선전력전송 기술로 재편될 것으로 예상된다[6]. 자기공진형 무선전력전송 기술은 동일한 공진 주파수를 갖는 송·수신 코일을 이용 해 자기장으로 에너지를 무선전력전송 한다.자기 공진 방식의 전송효율은 송·수신 코일 자체 Quality factor(Q-factor)값에 의해 결정된다.Q-factor는 주변도체와 무 선전력전송 시스템 조건에 따른 임피던스 변동에 영향을 받는다[7].이에 자기공진 방식의 전송거리 확보와 공진특성 개선을 위해 Q-factor값을 향상시킬 수 있는 방 법이 필요하다.이러한 문제점을 해결하고자 자기 공진 방식에 초전도 코일을 적

용하였다.초전도코일은 극저온으로 냉각시켰을 때 매우 낮은 저항을 갖는다.따라 서 초전도코일은 구리코일에 비해 품질계수(Q-factor)값이 높게 유지함을 확인할 수 있었다[8].초전도 코일은 임계온도 이하로 냉각시켜야 초전도 현상을 나타내기 때문에 냉각용기 제작은 필수이다.하지만 송·수신 코일의 에너지 전송 효율은 주 변 물질로 인해 전송효율이 영향을 받게 된다.즉 매우 낮은 투자율을 갖는 금속 성분,화학물질 등으로 구성된 시스템을 설계하였을 때 자기력을 상쇄시켜 송·수신 코일의 인덕턴스가 감소하게 된다.따라서 초전도 무선전력전송 시스템을 구성하 고 있는 주변 재질에 대한 영향과 냉각용기 제작을 위해 재질 구성 요소에 따른 고려가 필요하다[9].

본 논문에서는 차폐재를 구성하여 재질별 무선전력전송 특성을 분석하였다.재 질은 bakelite,FRP,PVC plastic,polystyrene,iron,aluminum등을 이용하여 제작 하였다.HFSS(High frequency structuresimulation,ansys사)프로그램을 이용해 냉각용기 재질을 구성하였다.그 다음 무선전력전송 특성 실험결과를 비교,분석하 였다.본 연구를 통해 초전도 무선전력전송 시스템의 구성 및 냉각 용기 재질에 대한 최적의 조건을 도출하여 초전도 무선전력전송 시스템의 실용성을 확보하고자 한다.

Ⅱ.이론적 고찰

A.무선전력전송 방식별 분류

1.자기 유도

교류 전원을 인가하였을 때 1차 코일에 전류가 흐르면 자기장을 형성하였을 때 2차 코일로 전류가 유도되어 에너지를 전달하는 방식이다.그림 2-1는 자기유도 방식의 개념을 보여 준다.이는 기존의 변압기 동작 원리와 유사하다.이 방식은 주파수가 낮고,전송 효율이 90% 이상으로 매우 높다.또 코일의 소형화가 가능하 며 가격이 저렴한 전력변환 소자를 사용할 수 있는 장점이 있다.하지만 송·수신코 일의 방향이 일치하지 않으면 전송효율이 급격히 떨어진다.이 방식은 현재 스마 트폰,전자태그(RFID),전동칫솔 등에 상용화되었다.자기유도 방식은 표준화 단체 인 WPC(WirelessPowerConsortium)의 경우 111∼250kHz,PMA(PowerMatters Alliance)은 227~357kHz 대역을 이용하며 기술 표준을 통한 기술 성숙도가 높다 [10].

그림 2-1자기유도 무선전력전송 방식의 구조

Fig.2-1StructureoftheelectromagneticinductionforWPT system

2.자기 공진

동일한 공진주파수를 갖는 송·수신 코일의 공진 현상을 이용한 방식이다.2007년 MIT 교수팀이 처음 제안하였다.비방사형 무선 에너지 전력전송 기술이며 송·수 신 코일의 방향성의 자유도가 높아 기기의 위치와 관계없이 에너지 전달이 가능하 다.이 방식의 에너지 공급 원리는 소스 코일에 전원이 인가되면 자기유도 현상으 로 송신 공진코일에 자장이 형성된다.이때 수신 공진 코일 같은 크기의 주파수로 공진하여 에너지가 전달되고 된다.이 에너지는 수신 공진 코일에 전류를 유도해 부하에 전력을 공급하게 된다.그림 2-2는 자기공진형 무선전력전송 방식의 개념 을 보여준다.공진 코일에 전원을 직접 인가하지 않는 이유는 공진 코일에 직접적으 로 전원을 인가하면 이를 공진시키기 위해 공진회로가 구성되어야 한다.그렇게 되면 매우 복잡하게 회로가 설계된다.따라서 가장 간단하게 공진 코일에 전원을 인가할 수 있는 방법으로 소스 코일에 전원을 인가하여 전력을 공급하는 것이다.자기공진 방식 표준화 단체인 A4WP(Alliance ForWireless Power)를 중심으로 기술표준화가 진행 중이다[11-15].

그림 2-2자기공진 무선전력전송 방식의 구조

Fig.2-2StructureofthemagneticresonanceforWPT system

3.

전자기파

송신부에서 수 GHz의 전자기파를 공기중에 방사키면 수신부에서는 안테나와 정 류기를 조합한 렉테나(Rectenna)를 이용해 마이크로파를 수신한 후 전력으로 변환 하는 방식이다.그림 2-3은 전자기파 무선전력전송 방식 구조를 보여준다.이 방식 은 수십 km 이상 떨어진 거리에서도 수십 kW 이상의 대전력을 송신할 수 있다.

우주태양광발전 프로젝트는 지구 위에서 움직이는 태양전지를 통해 생산한 전력을 지상에 전파 에너지로 전송하는 것이다.SHARP 프로젝트는 마이크로파 안테나 어레이로부터 고주파 형태로 방사된 에너지를 비행기의 뒷면에 장착된 렉테나에서 수신한 후,교류 전원으로 변환하여 사용하는 것이다.하지만 전자기파 방식은 전 기장과 자기장을 동시에 발생하며 에너지를 공기 중으로 방시시키는 특성이 있다.

그 결과 에너지가 방사되어 공기 중으로 사라지기 때문에 효율이 매우 낮고,인체 에 유해하다[16].그림 2-4와 같이 무선전력전송 기술은 주파수,에너지 전송 방식 에 따라 세 가지 분야로 나눌 수 있다.표 2-1은 무선전력전송 구현 방식별 특징 을 보여준다[17].

그림 2-3전자기파 무선전력전송 방식의 개념 및 구조 Fig.2-3StructureoftheelectromagneticwaveforWPT system

그림 2-4무선전력전송 적용 분야 Fig..2-4ApplicationofWPT system

표 2-1무선전력전송 구현 방식별 비교

Table2-1Comparisonof WPT technologyaccordingtotheimplementation

구분 자기 유도 자기공진 전자기기파

개념 송·수신 코일 사이의 자기유도 현상 이용

송·수신 코일간의 공진 현상 이용

전력을 마이크로파로 바꿔 전송 송·수신

구조 자기 코일 코일,공진 코일 패러볼릭,위상배열

안테나 주파수 < 수십KHz 수십 kHz

∼수 MHz 수 GHz

전송전력 수십 W ∼수kW 고출력(N/A)

전송거리 수 mm내외 ∼수m ~Km

전송효율 82%(∼mm) 90%(0.2m) 낮음

인체유해성 거의 무해 일부 유해하나,개선 가능

기술

성숙단계 상용화 개발 초기 기초연구

응용분야 휴대폰,면도기, 가전기기

가전,조명기기,EV

충전 우주태양광 발전

Player LG,삼성전자, Powermat,Qi등

Witricity, Qualcomm, Toyota,A4WP 등

NASA(JPL), JAXA(일), Lasermotive

B.코일 설계

1.Loop코일의 구조 및 해석

루프코일은 sourcecoil과 load coil이다.이는 저항(R)과 인덕턴스(L)이 존재하 게 된다.저항은 자체저항(Rs)과 복사저항(Rr1)으로 구분할 수 있다[16].루프 코일 의 인덕턴스는 식 (2.1),복사 저항은 식 (2.2),자체저항은 (2.3)과 같다.rL은 지름, DL은 직경,2tL은 도선의 두께,투자율 μ0,비투자율 μr,주파수 파장 λ,ω는 각주 파수를 나타낸다.그림 2-5는 루프코일 구조이며 저항과 인덕턴스 개념을 도식화 하였다[18].

_{ }



__







_







_{ }



^×

_^^ (2.2)

_ 



__



_× 

 (2.3)

그림 2-5루프코일의 구조

Fig..2-5 Structureoftheloopcoil

2.Hel i cal코일의 구조 및 해석

Helical코일의 저항은 앞서 설명한 loop코일과 같이 자체저항(Rs)과 복사저항 (Rr1)으로 나타낸다.그림 2-6은 helical코일의 구조를 보여 준다.도선과 도선 사 이의 간격은 P,도선의 직경은 t,코일의 지름은 D, 코일 전체의 높이는 h로 나타 내었다.

그림 2-6Helical코일의 구조 Fig.2-6Structureofahelicalcoil

Helical코일의 인덕턴스(L),커패시턴스(C),자체저항(Rs)과 복사저항(Rr1)은 식 (2.4)∼ 식 (2.7)이다.Helical코일의 전체길이는







_{  }

 

^_^

(2.4)

_{  }

cosh^{ }

⌈

_   

⌉

_

(2.5)

_



_



_

(2.6)

_



_ 







 _^







^





3.초전도 코일

1911년 Kamerlingh-Onnes는 4.2K 이하에서 수은의 전기저항이 영이 되는 것을 발견하였다.그 이후 주석(Sn)과 납(Pb)에서도 같은 현상이 일어나는 것을 발견하 였다.1913년 국제학회에서 이러한 현상을 초전도상태(Superconducting state)라고 처음 사용하였다.일반 상전도체는 임계온도 이하로 냉각시켰을 때 영 저항 되지 않는다.하지만 초전도체는 극저온으로 냉각시켰을 때 저항이 낮아지는 물질이다.

초전도 상태에서는 상전도 상태의 전자 움직임과는 다르게 전자들이 쿠퍼쌍 (Cooperpair)형태로 이동한다.쿠퍼쌍은 초전자들이 서로 응집된 형태이다.따라서 쿠퍼쌍이 움직이게 되면 불순물이나 결함으로 인한 산란이 일어나지 않아 저항이 없어지게 된다. 그림 2-7은 초전도 임계곡면이다.이는 초전도체가 초전도 상태이 거나 초전도 특성이 깨진 상전도 상태인지를 구분한다.전류밀도,온도,자장의 세 기가 임계곡면 밖으로 나가게 되면 퀜치(quench)가 발생한다.본 연구는 YBCO type의 고온 초전도체를 이용하였다.YBCO type의 고온 초전도체는 Y-Ba-Cu-O 의 화합물을 말하는 것이다.그 임계온도가 92K이다.냉각제인 액체질소의 기화점 인 77K보다 높다는 점에서 경제적이다[20]-[21].

그림 2-7초전도 임계곡면

Fig.2-7Superconductivitycriticalsurface

그림 2-8은 YBCO 고온 초전도 코일의 구성을 보여준다.초전도 코일은 0.1mm 의 얇은 도선으로 되어 있다.Copper stabilizer의 두께는 20 μm이다.Silver overlayer은 2μm,(RE)BCO – HTS는 1μm,Bufferstack는 0.2μm의 두께로 층층 이 구성되어 있다. Substrate는 50μm의 두께를 가지고 있으며 항복강도는 77K 에서 1200Mpa이다.

그림 2-8초전도 코일의 구성

Fig.2-8Constructionofasuperconductorcoil

4.품질계수

자기공진 방식의 높은 효율을 위해서는 코일의 품질 계수인 Quality factor(Q-factor)가 높게 유지되어야 한다.무선전력전송의 전달 효율을 결정하고, 송‧수신 코일에서의 에너지 저장에 대한 자체 손실 정도를 나타내는 품질계수를 Q-factor라 한다.주파수의 선택적 특성값을 나타내는 Q-factor값이 클수록 높은 공진 특성을 갖게 된다.Q-factor값을 높게 유지하게 되면 자기 결합 정도가 감소 하여도 전송 거리를 확보하여 효율을 증가시킬 수 있다.식 (2.9)와 같이 Q-factor 값을 높게 유지하려면 송·수신 코일의 저항이 낮아야 함을 확인할 수 있다 [22]

   ∆

_

 

_

 



(2.9)

초전도 코일은 저항이 낮기 때문에 높은 Q-factor값을 가질 수 있다.초전도체 는 기존 연구를 통해 상전도 코일에 비해 전송효율이 증가함을 입증한 바 있다[23].

Ⅲ.실험 및 해석

본 실험에 앞서 ANSYS HFSS(High frequency structuresimulation)프로그램 을 이용하여 시뮬레이션 결과를 검토하였다.실제 시험 오류 범위를 최소화 하고 시뮬레이션 결과를 분석하여 필요한 파라미터를 첨가 및 삭제하고자 한다.

ANSYS HFSS 프로그램은 3D 전파 전기장 시뮬레이션 프로그램이다.유한 요소, 적분 방식 등을 기반으로 안테나 및 RF 소자,고주파 회로 등을 설계 및 해석할 수 있다.먼저 초전도 공진 코일을 설계한 후,재질별 특성을 확인하기 위해 차폐 재를 구성하였다.

A.초전도 공진 코일

1.초전도 공진 코일을 적용한 WPT 시스템 설계

그림 3-1과 같이 HFSS 프로그램을 이용하여 자기공진형 무선전력전송 시스템 을 설계하였고 오차,변수 등을 개선할 수 있었다.MIT 연구팀이 구현한 4코일 방 식의 Sourcecoil,resonance coil(Tx),resonancecoil(Rx),load coil로 구성하였 다.Sourcecoil의 fullportimpedance는 50Ω으로 설정하였다.1W의 전력을 인가 하였으며 송·수신 코일 사이의 거리는 2000mm이다.Sourcecoil,loadcoil은 구리 로 재질을 설정하였다.Resonance coil(Tx),resonance coil(Rx)는 초전도 코일을 적용하였다.이때 공진주파수는 9.85MHz이다.초전도 코일은 YBCO type의 고온 초전도체를 사용하였다.진공상태를 구성한 후 boundaries,mesh를 각각 설정하였 다.표 3-1은 초전도 코일을 적용한 자기공진형 무선전력전송 시스템의 설계 사양 이다.코일의 직경,코일 감은 횟수,두께,간격을 보여준다.

그림 3-1 WPT 스템 구조 Fig.3-1StructureofWPT system

표 3-1송·수신 코일의 사양

Table3-1Transmitterandreceivercoilsspecifications Source

coil

Resonance coil(Tx)

Resonance

coil(Rx) Loadcoil

Numberofturn 1 5 5 1

Diameter(mm) 250 300 300 250 Thickness(mm) 3 11 11 3

Pitch(mm) 0 50 50 0

2.초전도 코일과 구리 코일의 전계분포

그림 3-2는 초전도 코일과 구리 코일의 전계분포이다.송·수신 코일사이의 전계 분포를 확인하기 위해 임의의 위치 m1을 설정하였다.또 수신된 전계분포를 확인 하기 위해 m2지점을 maker를 이용하여 측정하였다.송·수신 코일 사이의 m1지 점에서 초전도 코일은 1.955e⁺⁰⁰¹[V/m],구리코일은 1.098e⁺⁰⁰¹[V/m]을 나타내었다.

그 다음 m2 위치에서 초전도 코일과 구리코일의 전계분포를 확인하였을 때 5.358e⁺⁰⁰¹[V/m],4.319e⁺⁰⁰⁰[V/m]을 확인하였다.약 1.7배 정도로 전계세기가 증가하 는 것을 확인하였다.같은 조건으로 시스템을 구성하였을 때 초전도 코일이 구리

코일에 비해 전류밀도가 높게 유지되기 때문에 전계분포가 증가하는 것으로 판단 된다[24].

(a)Superconductorcoil

(b)Coppercoil

그림 3-2코일 재질에 따른 전계분포

Fig.3-2Anelectricfielddistributioninthecoilmaterials

B.차폐재 적용에 따른 무선전력전송 특성

차폐재 적용에 따른 초전도 공진 코일의 무선전력전송 특성을 알아보기 위해 표 3-2와 같이 재질을 구성하였다.차폐 재질은 Aluminum,iron,silver,gold,zinc, brass,copper,ferrite,PVC plastic,bakelite,FRP,polystyrene이다.전자기기의 사용용도를 고려하여 재질을 설정하였다.단일 차폐재,양측 차폐재,하우징 형태 의 차폐재로 구성하였다.이때 S-parameter,smith chart,e-field를 측정하여 무선 전력전송 특성을 확인하였다.

표 3-2 차폐재 재질별 특성과 용도

Table3-2Shieldingmaterial-specificpropertiesanduses

Properties

Materials

Relative permittivity

Relative permeability

Bulk Conductivity [siemens/m]

Mass Density [kg/m³]

Purpose ofuse

Aluminum 1 1.000021 38000000 2689 차폐막 Iron 1 4000 11300000 7870 차폐막 Silver 1 039998 61100000 11500 접촉도금

Gold 1 0.99996 41100000 19300 접촉도금 Zinc 1 1 16700000 7140 면도금 Brass 1 1 15000000 8600 이음매 Copper 1 0.999991 58000000 8933 차폐막 Ferrite 12 1100 0.01 4600 자성체 PVC plastic 2.7 1 0 0 기기외부

Bakelite 4.8 1 1e-009 1300 기기외부

FRP 4.4 1 0 1900 기기외부

Polystyrene 2.6 1 1e-016 0 냉각용기

1.단일 차폐재 구성 및 실험

차폐 재질별 기초 특성을 확인하기 위해 그림 3-3과 같이 단일 차폐재를 송·수 신 코일 사이에 구성하였다.송·수신 코일 사이의 거리는 2m이며,차폐재는 송신 코일로부터 1m 거리에 적용하였다.차폐재는 가로 80cm,세로 80cm,두께 0.2 이다.

그림 3-3단일 차폐재를 구성한 초전도 무선전력전송 시스템

Fig.3-3ThesuperconductorWPT system withasingleshieldingmaterials

a. S-par amet er

그림 3-4는 단일 차폐별 초전도 공진 코일의 S-parameter이다.표 3-3과 같이 송·수신 코일의 재질에 대한 변수를 설정하였다.그 다음 반사계수(S11)과 투과 계 수(S21)을 측정하였다.

표 3-3송·수신 코일의 재질 변수

Table3-3Materialparameteroftransmitterandreceivercoil S-parameter Resonance coil(Tx) Resonance coil(Rx)

S11_1 Superconductor coil Superconductor coil S11_2 Superconductor coil Copper coil S11_3 Copper coil Copper coil S21_1 Superconductor coil Superconductor coil S21_2 Superconductor coil Copper coil S21_3 Copper coil Copper coil

그림 3-4는 송·수신 코일 사이에 단일 차폐재를 적용하였을 때 반사계수와 투과 계수를 나타낸다.그림 3-4(a)부터 (l)은 aluminum,iron,copper,gold,silver,zinc, brass,ferrite,FRP,bakelite,PVC plastic,polystyrene재질로 차폐재를 구성하였 다.이때,표 3-3과 같이 송·수신 코일이 모두 초전도 코일일 때,송신 코일만 초 전도 코일일 때,송·수신이 모두 구리 코일인 경우로 변수를 설정하였다.그 다음 반사계수(S11)와 투과계수(S21)를 측정하였다.그 결과 측정값은 표 3-4와 같다.

시뮬레이션 실험결과,송·수신 코일 모두 초전도코일을 적용하였을 때 aluminum, iron,copper,gold,silver,zinc,brass차폐재의 경우 반사계수는 약–15dB를 나타 내었다. 송신 코일에만 초전도 코일을 적용하였을 경우 약 –16dB로 송·수신 코 일이 모두 초전도 코일인 경우 보다 –1dB 상승하는 것을 확인할 수 있었다.송·

수신 코일이 구리 코일일 경우,-4dB ∼-2dB로 현저히 낮은 반사계수를 나타내었 다.Ferrite,FRP,bakelite,PVC plastic,polystyrene차폐재를 구성하였을 때 PVC plastic이 –24.48dB로 가장 낮은 반사계수를 확인할 수 있었다.그 다음 ferrite, polystyrene,FRP,Bakelite순으로 반사계수가 높았다.또한,투과계수 또한 같은 순서로 높았다.송·수신 코일의 전력이 aluminum,iron,copper,gold,silver,zinc, brass와 같은 단일 차폐 경계면에 입사되었을 때 전자파가 흡수된다.따라서 ferrite,FRP,bakelite,PVC plastic,polystyrene재질에 비해 반사계수가 높고,투 과계수는 낮은 값을 나타내었다.

(a)Aluminum

(b)Iron

(c)Copper

(d)Gold

(e)Silver

(f)Zinc

(g)Brass

(h)Ferrite

(i)FRP

(j)Bakelite

(k)PVC plastic

(l)Polystyrene

그림 3-4단일 차폐재 적용에 따른 초전도 공진 코일의 S-parameters Fig.3-4S-parametersofsuperconductingresonancecoilinaccordancewiththe

singleshieldingmaterials

표 3-4단일 차폐재 적용에 따른 초전도 공진 코일의 S-parameter측정값 Table3-4S-parametersofsuperconductingresonancecoilaccordingtothe

singleshieldingmaterials

Material Coil type Frequency S11(dB) S21(dB)

aluminum

S11_1,S11_1 9.60MHz -15.52 -20.62 S11_2,S11_2 9.84MHz -16.50 -8.66 S11_3,S11_3 9.85MHz -4.53 -4.69

iron

S11_1,S11_1 9.65MHz -15.13 -20.63 S11_2,S11_2 9.84MHz -16.29 -7.79 S11_3,S11_3 9.86MHz -4.53 -4.69

copper

S11_1,S11_1 9.60MHz -15.13 -20.63 S11_2,S11_2 9.84MHz -16.29 -7.79 S11_3,S11_3 9.85MHz -4.53 -4.69

silver

S11_1,S11_1 9.79MHz -14.62 -13.27 S11_2,S11_2 9.60MHz -16.11 -11.87 S11_3,S11_3 9.66MHz -2.87 -8.95

gold

S11_1,S11_1 9.71MHz -15.27 -15.01 S11_2,S11_2 9.84MHz -16.53 -8.65 S11_3,S11_3 9.78MHz -4.61 -4.84

zinc

S11_1,S11_1 9.60MHz -15.13 -20.66 S11_2,S11_2 9.85MHz -16.08 -7.78 S11_3,S11_3 9.86MHz -4.41 -5.07

brass

S11_1,S11_1 9.65MHz -14.74 -18.36 S11_2,S11_2 9.84MHz -16.54 -8.68 S11_3,S11_3 9.66MHz -2.87 -8.92

ferrite

S11_1,S11_1 9.63MHz -18.55 -15.28 S11_2,S11_2 9.85MHz -23.59 -4.84 S11_3,S11_3 9.79MHz -8.64 -2.20

FRP

S11_1,S11_1 9.73MHz -17.45 -11.76 S11_2,S11_2 9.80MHz -23.33 -4.97 S11_3,S11_3 9.62MHz -3.42 -6.75

bakelite

S11_1,S11_1 9.67MHz -15.80 -12.35 S11_2,S11_2 9.74MHz -19.17 -4.31 S11_3,S11_3 9.63MHz -3.22 -7.94

PVC plastic

S11_1,S11_1 9.85MHz -19.26 -7.08 S11_2,S11_2 9.85MHz -24.48 -4.73 S11_3,S11_3 9.67MHz -3.58 -6.16

polystyrene

S11_1,S11_1 9.68MHz -17.50 -12.73 S11_2,S11_2 9.85MHz -23.49 -4.73 S11_3,S11_3 9.72MHz -7.80 -2.25

b.Smi t h char t

Smith chart는 특성 임피던스를 의미한다.원의 중심점인 1에 가까울수록 임피 던스 매칭이 이루어져 전력전달이 이루어진다.그림 3-5는 차폐재를 적용하였을 때 코일 재질별 Smithchart를 보여준다.그림 3-5(a)는 송·수신 코일이 모두 초전 도 코일로 적용하였을 때 Smith chart이다.재질별로 비교해 보았을 때 모든 재질 이 원의 중심에 가까워져 단일차폐재가 존재함에도 효율적으로 에너지가 전달함을 확인할 수 있었다.초전도 코일을 적용하였을 때 그림 3-5(b)는 초전도 코일과 구 리코일로 송·수신 코일의 재질이 다른 경우이다.Aluminum,iron,copper,gold, silver,zinc,brass금속 도체의 경우 원의 중심에서 임피던스 매칭이 원활하게 이 루어짐을 확인하였다.하지만 ferrite,PVC plastic,bakelite,FRP,polystyrene재 질의 경우 원의 중심과 가까워졌지만 금속 도체들에 비해 멀어짐을 보여준다.그 림 3-5(c)는 송·수신 코일이 구리로 이루어져 있을 경우 모든 재질별로 원의 중심 에서 멀어지는 것을 확인할 수 있었다.초전도 코일을 적용하였을 때 전류 밀도가 높아 주변 재질에도 영향을 받지 않고 임피던스 매칭이 이루어지는 것을 확인하였 다.송·수신 모두 초전도 코일일 때 전송효율이 수신 코일의 자유도 확보를 위해 송신부에만 초전도 코일을 적용한다면 실용성을 증대시킬 수 있을 것으로 사료된 다.

(a)Superconductorcoil((Tx)-superconductorcoil(Rx)

(b)Superconductorcoil((Tx)-coppercoil(Rx)

(c)Coppercoil((Tx)-coppercoil(Rx) 그림 3-5단일차폐재 구성에 따른 Smithchart

Fig.3-5Smithchartaccordingtothesingleshieldingmaterials

c.E-f i el d

그림 3-6과 같이 m1,m2,m3,m4위치에 marker를 설정한 후 전계분포를 확인 하였다.그림 3-7은 단일 차폐재를 이용하였을 때 전계분포이다.Aluminum,iron, copper,gold,silver,zinc,brass,ferrite,FRP,bakelite,PVC plastic,polystyrene 재질을 구성하였다.송·수신 코일의 재질에 대한 변수를 적용하였다.그 다음 단일 차폐재를 적용하였을 때 m2,m3에서 전계세기가 감소하였다.표 3-5는 단일 차폐 재를 적용하였을 때 전계분포 측정값이다.그림 3-7(a)는 송·수신 코일이 초전도 코일 일 때 차폐 재질별 전계분포를 보여준다.m1의 위치에서 e-field를 측정하였 을 때 PVC plastic,bakelite,FRP,polystyrene가 다른 재질에 비해 전계세기가 높 았다,그 다음 금,은,구리,알루미늄,철,brass,zinc,ferrite순으로 낮음을 확인 하였다.m2,m3위치에서는 모든 재질의 전계세기가 감소하였다.m4위치에서는 전계세기가 m2,m3에 비해 증가함을 확인하였다.그림 3-7(b)는 송신 코일에만 초 전도 코일을 적용하였을 때 전계분포를 보여준다.송·수신 코일의 재질이 다름에도 불구하고 송·수신 코일이 모두 초전도 코일일 때와 거의 비슷한 측정결과를 나타 내었다.그림 3-7(c)는 송·수신에 구리 코일을 적용하였을 때 전계분포이다.앞서 실험한 전계분포에 비해 전계세기가 낮은 값을 나타냄을 확인하였다.

그림 3-6때 Marker위치 Fig.3-6Markerlocation

m1 m2 m3 m4 0.01832

0.04979

E le ct ric fi el d[ V /m ]

Marker

(a)Superconductorcoil((Tx)-superconductorcoil(Rx)

m1 m2 m3 m4

0.01832 0.04979 0.13534

E le ct ri c fie ld [V /m ]

Marker

(b)Superconductorcoil((Tx)-coppercoil(Rx)

m1 m2 m3 m4 0.01832

0.04979 0.13534

E le ct ri c fie ld [V /m ]

Marker

(c)Coppercoil((Tx)-coppercoil(Rx)

그림 3-7단일 차폐재 적용에 따른 송·수신 코일 재질별 전계분포 비교 Fig.3-7Anelectricfielddistributioncomparisonoftransmitterandreceiver

coilmaterials accordingtosingleshieldingmaterials

Coiltype Materials Maker

m1 m2 m3 m4

Superconductor coil((Tx)- Superconductor

coil(Rx)

Aluminum 4.734 0.6477 0.1365 0.4356 Iron 4.373 0.6491 0.1354 0.4471 Silver 5.595 0.6040 0.1250 0.8297 Gold 5.215 0.8523 0.1707 0.5864 Zinc 4.724 0.6477 0.1365 0.4356 Brass 4.824 0.6253 0.1393 0.4232 Copper 4.722 0.6471 0.1354 0.4429 Ferrite 4.679 0.8281 0.2723 0.4777 PVC plastic 6.688 0.6995 0.2801 0.8447 Bakelite 6.107 0.6557 0.2592 0.7253 FRP 6.711 0.7141 0.2677 0.8470 Polystyrene 6.686 0.4880 0.2381 0.4829

Superconductor coil((Tx) -Copper coil(Rx)

Aluminum 4.723 0.6490 0.1411 0.4100 Iron 4.736 0.6504 0.1401 0.4116 Silver 5.227 0.6693 0.1466 0.6132 Gold 5.620 0.6703 0.1417 0.4371 Zinc 4.723 0.6490 0.1411 0.4001 Brass 4.758 0.6266 0.1439 0.3884 Copper 4.721 0.6484 0.1401 0.4073 Ferrite 4.678 0.8298 0.2234 0.4073 PVC plastic 6.078 0.6418 0.2765 0.649

Bakelite 5.516 0.6069 0.2605 0.5475 FRP 4.948 0.5473 0.2394 0.4808 Polystyrene 4.685 0.4903 0.2429 0.4427

Copper coil((Tx)- Coppercoil(Rx)

Aluminum 4.21 0.5786 0.1229 0.3894 Iron 4.222 0.58 0.1218 0.4007 Silver 5.571 0.6616 0.1793 0.6437 Gold 5.721 0.6484 0.1401 0.4074 Zinc 4.21 0.5786 0.1229 0.3894 Brass 5.688 0.5484 0.1571 0.5629 Copper 4.208 0.5781 0.1219 0.3967 Ferrite 5.306 0.6540 0.1846 0.5543 PVC plastic 5..840 0.5103 0.2329 0.5347 Bakelite 6.763 0.7459 0.3510 0.8097 FRP 5.927 0.6584 0.3065 0.7219 Polystyrene 4.185 0.4374 0.2142 0.4289

표 3-5 단일 차폐재 적용에 따른 송·수신 코일 재질별 전계분포 측정치 Table3-5Anelectricfielddistributionvalueoftransmitterandreceivercoil

materialsaccordingtosingleshieldingmaterials

2.차폐재 하우징 구성 및 실험

그림 3-8은 초전도 코일의 차폐재를 하우징 형태로 구성하였다.가로 850mm, 세로 850mm,높이 750mm초전도 코일을 담글 수 있는 냉각용기의 형태로 설계 하였다.수신 코일의 자유도를 확보하기 위해 송신 코일만 초전도 코일을 적용하 였다.

그림 3-8 차폐 하우징 형태로 구성한 초전도 무선전력전송 시스템 Fig.3-8 WPT system usingthesuperconductorconfiguredasahousing

shieldmaterials

앞선 실험에서 재질로 설정하였던 ferrite,Zinc,brass는 하우징으로 구성이 용이 하지 않으며 용도 및 내구성 문제로 이번 실험에서는 삭제하였다.하우징 형태의 차폐재는 aluminum, iron, copper, gold, silver, bakelite, FRP, PVC plastic, polystyrene로 구성하였다.그 다음 반사계수(S11),투과계수(S21),Smith chart를 측 정하였다.

a.송· 수신 코일 사이 거리별 초전도 공진 코일의 S-par amet er

그림 3-9는 하우징 형태로 송신코일에 차폐재를 구성하였을 때 송·수신 코일 사 이 거리별 S-parameter(S11)이다.하우징이란 시스템을 둘러싸고 있는 상자형 부분 을 의미한다.송·수신 코일 사이의 거리는 800 mm에서부터 2000 mm까지 200 mm씩 증가하여 측정하였다.차폐 하우징의 크기를 고려하여 800mm부터 측정하

였다.반사계수가 낮을수록,투과계수가 높을수록 무선전력전송 효율이 증가하게 된다.그림 3-9 (a)는 알루미늄을 이용하여 하우징 하였을 때 반사계수를 보여준 다.송·수신 코일 사이의 거리가 800 mm일 때 반사계수는-7.93 dB로 높은 값을 나타내었다.1800 mm 일때는 –15.04 dB로 낮은 반사계수를 확인할 수 있었다.

그림 3-9(b)는 철 차폐재로 하우징 하였을 때 S-parameter이다.800mm에서 2000 mm의 거리별로 반사계수(S11)를 확인해보았을 때 높은 값을 나타내었다.송·수신 코일 사이의 거리가 증가하더라도 –3dB에서 –4dB로 거의 변화 없이 높은 반 사계수를 확인하였다.그림 3-9(c)Silver로 하우징 하였을 때 반사계수를 보여준 다.80 0mm에서 –7.35 dB인 가장 높은 반사계수를 확인하였다.그 이후 1100 mm에서 점차 반사 계수 값이 증가하였다.또한,2000mm에서 가장 반사계수(S11) 가 낮았다.그림 3-9(d)는 gold로 하우징을 구성하였을 때 반사계수(S11)를 보여준 다.1400 mm와 2000mm에서 –16.13dB,-16.05 dB로 가장 낮은 반사계수(S11) 값을 확인하였다.800mm에서 –6.87dB로 반사계수가 가장 높았다.그림 3-9(e) 는 구리재질로 하우징 하였을 때 반사계수를 나타낸다.800mm에서 거리가 증가 할수록 반사계수가 낮아짐을 확인하였다.1800mm에서 반사계수가 –15.58dB로 가장 낮은 값을 확인할 수 있었다.그림 3-9(f)는 bakelite재질을 이용하여 차폐 하우징 하였을 때 S-parameter(S11)이다.송·수신 코일 사이의 거리가 1200mm일 때 반사계수는 –23.60dB로 낮아 전송효율이 가장 높았다.하지만 1200mm이상 부터는 1200mm일 때 반사계수에 비해 높은 값을 나타내어 전송효율이 감소됨을 확인하였다. 그림 3-9(g)는 FRP를 사용하여 하우징 형태로 구성하였을 때 반사 계수를 보여준다.2000mm일 때 –41.53dB로 재질 중에서 가장 낮은 반사계수를 확인할 수 있었다.또한,거리가 증가할수록 전송효율이 향상되었다.그림 3-9(h) 는 PVC plastic으로 구성하였을 때 반사계수이다.송·수신 코일 사이의 거리가 1600mm일 때 반사계수는–25.78dB로 거리별로 비교해 보았을 때 낮은 반사계 수를 나타내었다.1600mm이상의 거리에서는 전송효율이 점차 떨어짐을 확인하였 다.그림 3-9(i)는 polystyrene로 송신 코일을 하우징 하였을 때 반사계수를 보여준 다.반사계수는 1400 mm에서–22.43dB를 나타낸다.1400 mm이상의 거리에서는 점차 반사계수가 높아 전송효율이 감소하였다. Bakelite, FRP, PVC Plastic,

polystyrene재질로 하우징 하였을 경우 전파투과성이 높기 때문에 에너지가 원활 하게 전달된다.하지만 알루미늄,철,은,금,구리와 같은 도체의 경우 자기력선을 흡수하여 손실이 bakelite,FRP,PVC Plastic,polystyrene발생하여 비해 전송효율 이 감소하는 것으로 사료된다.

(a)Aluminum

(b)Iron

(c)Silver

(d)Gold

(e)Copper

(f)Bakelite

(g)FRP

(h)PVC Plastic

(i)Polystyrene

그림 3-9하우징 차폐 재질에 따른 송·수신 코일 사이의 거리별 반사계수 Fig.3-9Reflectioncoefficientbythedistancebetweenthetransmitterand

receivercoilsaccordingtothehousingmaterials

그림 3-10은 송신 코일에 하우징 형태로 재질을 구성하였을 때 S-parameter(S21)을 보여준다.실험 조건은 반사계수와 마찬가지로 설정하였다.그 림 3-10(a)는 알루미늄으로 송신 코일을 하우징형태로 구성하였을 때 반사계수를 보여준다.송·수신 코일 사이의 거리가 800mm 일 때 –7.93dB로 높은 투과계수 를 확인할 수 있었다.하지만 800mm이상의 거리에서는 점차 투과계수가 낮아져 –30.70dB까지 떨어져 전송효율이 거리가 증가할수록 감소하였다.그림 3-10(b)는 철을 이용하여 하우징 하였을 때 반사계수를 나타낸다.800 mm에서 2000mm까 지 거리가 증가할수록 투과계수는 –13.86dB에서 –28.96d B까지 낮아짐을 확인 하였다.그림 3-10(c)는 은 재질을 이용하여 하우징 하였을 때 반사계수이다.송·

수신 코일 사이의 거리가 800mm일 때 투과계수는–7.21dB이다.은으로 구성한 것 중 가장 높은 투과계수를 나타내었다.반면 송·수신 코일 사이의 거리가 800 mm이상일 때 반사계수는 점차 낮아져 2000mm에서–30.72dB까지 떨어져 낮은

투과계수를 확인하였다.그림 3-10(d)은 금으로 하우징을 구성하였을 때 반사계수 이다.송·수신 코일 사이의 거리가 800mm일 때 –7.45dB를 나타내었다.또 반사 계수는 계속 낮아져 2000m에서는 30.65dB를 나타내었다.그림 3-10(e)는 구리로 하우징 재질을 구성하였을 때 반사계수를 보여준다.800 mm에서 반사계수는 – 8.08dB를 나타내었다.다른 재질들에 비해 800mm에서 약 –1dB 정도 반사계 수가 낮았다.2000mm에서 반사계수를 측정하였을 때 –31.16 dB를 나타내었다.

그림 3-10(f)는 하우징 형태의 PVC plastic재질로 구성하였을 때 반사계수를 나 타낸다.800mm에서 투과계수는–4.71dB,1100mm에서는 –5.33dB,-1200mm 에서는 –6.17dB,1400mm –7.34dB를 확인하였다.1400mm까지 반사계수가 높 은 값을 나타내었지만 그 이상의 거리에서는 투과계수가 낮아졌다.2000mm에서 최대 –31.86 dB로 투과계수가 낮아짐을 확인하였다.그림 3-10(g)는 bakelite를 이용하여 하우징을 구성하였을 때 반사계수를 보여준다.bakelite에서는 800mm에 서 1200mm까지–4.68dB,-5.71dB,-8.62dB로 비교적 투과계수가 높았다.하지 만 1400 mm부터는 투과계수가 –14.95 dB에서 –31.86 dB까지 낮아졌다.그림 3-10(h)는 하우징 재질을 FRP로 적용하였다.이때 반사계수를 확인하였다.송·수 신 코일 사이의 거리가 800mm일 때 –5.41dB를 나타내었다.1100mm거리에서 는 –6.44dB,1200mm는 –8.86dB이다.1400mm이상의 거리에서는 투과계수가 점차 낮아져 2000 mm에서–19.18 dB를 확인하였다.그림 3-10(i)는 polystyrene 재질을 이용하여 하우징 형태로 구성하였다.그 다음 반사계수를 확인하였다.투과 계수는 800mm에서 –4.42dB,1100mm에서 –4.99dB 로 높은 투과계수를 나타 낸다.다른 재질과는 다르게 송·수신 코일 사이의 거리가 800mm에서 1100mm로 증가하였음에도 투과계수가 높게 유지되었다.그 이후 거리가 증가할수록 투과계 수는 낮아져 2000mm에서 –17.27dB를 확인하였다.Bakelite,FRP,PVC plastic, polystyrene재질은 aluminum,iron,copper,gold,silver재질과 비교하였을 때는 훨씬 높은 투과계수를 확인할 수 있었다.

(a)Aluminum

(b)Iron

(c)Silver

(d)Gold

(e)Copper

(f)PVC plastic

(g)Bakelite

(h)FRP

(i)Polystyrene

그림 3-10하우징 차폐 재질에 따른 송·수신 코일 사이의 거리별 투과계수 Fig.3-10Transmissioncoefficientbythedistancebetweenthetransmitterand

receivercoilsinaccordancewiththehousingtypeshieldingmaterials

b.송· 수신 코일 사이 거리별 초전도 공진 코일의 Smi t h char t

그림 3-11은 송신 코일에 하우징의 차폐재를 구성하였을 때 Smith chart이다.

800 mm에서 2000 mm까지 측정하였을 때 측정하였다.그림 3-12(a)는 하우징를 알루미늄으로 구성하였을 때 결과값이다.거리를 늘려보았을 때 어떤 거리에서도 원의 중심과 가깝지 않아 임피던스 매칭이 제대로 이루어지지 않은 것으로 보인 다.그림 3-11(b)는 철으로 하우징를 구성하였을 때 Smith chart이다.알루미늄에 비해 임피던스 매칭이 떨어지며 원의 중심점과 거의 근접하지 않음을 확인할 수 있었다.그림 3-11(c)는 은을 이용하여 하우징 형태로 구성하였을 때 Smith chart 이다. 송·수신 코일이 800 mm 거리일 때 거의 에너지가 전달되지 않았다.

1000mm에서도 원의 중심에서 멀어지는 것을 확인하였다.그림 3-11(d)는 금으로 하우징을 구성하였을 때 smith chart를 나타낸다.은과 마찬가지로 1000mm이상의

거리에서는 원의 중심 1의 절반정도의 값을 나타냄을 확인하였다.그림 3-11(e)는 구리를 이용하여 하우징을 구성하였을 때 smith chart이다.은,금과 마찬가지로 1000mm이상의 거리에서는 800mm 거리에 비해 원의 중심과 가까웠지만 다른 재 질들에 비해 에너지 전달이 낮음을 확인하였다.그림 3-11(f)는 PVC plastic로 하 우징를 구성하여 송신 코일에 적용하였을 때 Smithchart를 보여준다.1600mm에 서 2000 mm까지 거리가 증가할수록 원의 중심점에 가까워지면서 임피던스 매칭 이 원활하게 이루어짐을 확인할 수 있었다.그림 3-11(g)는 bakelite를 이용하여 하우징를 구성하였다.이때 Smith chart를 측정하였다.bakelite에 경우 1800mm 에서 임피던스 매칭이 이루어져 에너지가 전달됨을 확인할 수 있었다. 그림 3-11(h)는 FRP를 이용하여 하우징를 구성하였을 때 smithchart를 보여준다.1400 mm이상부터 거리에 증가할수록 원의 중심에 가까워짐을 확인하였다.그림 3-11(i) 는 polystyrene 로 재질을 설정하여 하우징를 구성하였을 때 smith chart이다.

1600mm에서 원의 중심인 1에 가까워지고 있음을 확인하였다.

(a)Aluminum

(b)Iron

(c)Silver

(d)Gold

(e)Copper

(f)PVC plastic

(g)Bakelite

(h)FRP

(i)Polystyrene

그림 3-11 하우징 차폐 재질에 따른 송·수신 코일 사이의 거리별 Smithchart Fig.3-11Smithchartbydistancebetweenthetransmitter·receivingcoil

accordingtothehousingtypeshieldingmaterials

Ⅴ.결 론

자기공진 방식의 무선전력전송은 송·수신 코일의 공진현상을 이용해 에너지를 전달한다.이 기술은 전력을 공급받는 기기의 위치와 관계없이 무선전력전송이 가 능하다.하지만 전송효율 향상을 위해서는 높은 Q-factor값을 유지해야 한다.본 연구는 자기공진 방식의 무선전력전송 시스템의 전송효율을 개선하기 위해 초전도 코일을 적용하였다.초전도 코일이 일반 상전도 코일에 비해 높은 Q-factor값을 유지하여 전송효율이 향상됨을 확인하였다.초전도 코일은 극저온으로 냉각시켜야 하기 때문에 그에 따른 시스템 구성요소 및 냉각용기 재질에 대한 연구가 필요하다.

본 논문에서는 초전도 무선전력전송 시스템의 신뢰성 향상을 위해 재질별 특성 연구를 수행하였다.이를 위해 송·수신 코일 사이에 단일 차폐재 설치하거나,송신 코일을 하우징 형태로 차폐재를 구성하는 방법으로 진행하였다. 차폐재질은 aluminum,iron,copper,gold,silver,bakelite,FRP,PVC plastic,polystyrene를 이용하였다.차폐 재질을 적용하였을 때 초전도 공진 코일의 무선전력전송 특성을 알아보기 위해 S-parameter,Smithchart,E-field등을 비교,분석하였다.실험 결 과,aluminum,iron,copper,gold,silver,zinc,brass재질로 구성하였을 경우 반사 계수가 높고,투과계수가 낮아 에너지 전달이 제대로 이루어지지 않았다.또한,임 피던스 매칭결과를 확인해 보았을 때 원의 중심점과 멀어지는 것을 확인하였다.

Ferrite 하우징 형태로 구성하였을 때는 송신전력을 차단시켜 제대로 된 결과를 확인할 수 없었다. PVC plastic, bakelite, FRP, polystyrene 재질의 경우 aluminum,iron,copper,gold,silver,zinc,brass에 비해 전송효율이 증가함을 확 인하였다.그 중 bakelite,FRP 재질로 단일차폐,하우징 형태로 구성하였을 때 효 율적인 시스템 구현이 실현됨을 확인하였다.Bakelite,FRP는 전기절연성이 우수하 다.또한,보냉성 및 내구성이 우수하며 유지보수가 용이하다는 장점이 있다.이러 한 장점이 있는 bakelite,FRP 재질을 이용하여 냉각 용기를 제작한다면 초전도 무 선전력전송 시스템의 실용성 증대와 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 사료된다.