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20 14 年 月2 碩士 學位 論文
鄭 仁 成
2 0 1 4 年 2 月 碩士學位論文
자기공명 무선전력전송 효율 증대를 위한 초전도 코일 설계
朝鮮大學校 大學院
電 氣 工 學 科
鄭 仁 成
2014 年 2 月 25 日
朝鮮大學校 大學院
電 氣 工 學 科
鄭 仁 成
자기공명 무선전력전송 효율 증대를 위한 초전도 코일 설계
Superconductor Coil Design for Efficiency Increasement of Magnetic Resonance Wireless Power Transmission
자기공명 무선전력전송 효율 증대를 위한 초전도 코일 설계
指導敎授 崔 孝 祥
이 論文을 工學 石碩學位申請 論文으로 提出함.
2013年 10月
朝鮮大學校 大學院
電 氣 工 學 科
鄭 仁 成
鄭仁成 의 碩士學位 論文을 認准함.
2013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 정 병 익 印 委 員 朝 鮮 大 學 校 敎授 최 효 상 印
목 차
ABSTRACT ···vii
Ⅰ. 서 론 ···1
Ⅱ. 연구배경 및 회로설계 ···3
A. 연구배경 ···3
1. 무선전력전송의 연구 배경 ···3
2. 무선전력전송 방법 ···5
a. 자기유도방식과 마이크로파방식 ···5
b. 자기공명방식 ···7
c. 자기공명방식의 중요사항 ···9
B. 초전도 송신코일이 적용된 무선전력전송 시스템 ···12
1. 회로설계 ···12
2. 초전도 코일 ···16
a. 초전도체 특성 ···16
b. 초전도 코일 설계 ···18
3. 공진주파수 ···21
4. Quality-factor ···23
Ⅲ. 실험 및 고찰 ···25
A. 실험설계 ···25
1. 실험회로도 및 구성 ···25
2. 실험장비 ···26
a. DC power supply ···26
b. 냉각설비 ···27
c. LCR meter ···27
d. 송·수신부 코일 ···28
B. 실험 및 고찰 ···30
1. 초전도 코일과 상전도 코일 비교 ···30
a. 송신부와 수신부의 내부 직경이 같을 경우 ···30
b. 송신부와 수신부의 내부 직경이 다를 경우 ···33
2. 송신부와 수신부의 코일재료가 다른 경우 ···38
a. 송신부와 수신부의 내부 직경이 같을 경우 ···38
b. 송신부와 수신부의 내부 직경이 다를 경우 ···41
Ⅴ. 결 론 ···46 참고문헌 ···47
List of Tables
Table 2-1 Comparison of wireless power transmission technology ···8
Table 2-2 Comparison of characteristics between a superconductor and a normal conductor ···17
Table 3-1 Specifications of DC Power supply ···26
Table 3-2 Specifications of LCR meter ···27
Table 3-3 Specifications of coils ···38
Table 3-4 Specifications of a superconductor coil and a normal conductor coil ···29
List of Figures
Fig. 1-1 Expected demand field for WPT ···2
Fig. 2-1 Usage of wires by electronic equipment ···3
Fig. 2-2 Application in real life of WPT ···4
Fig. 2-3 WPT efficiency change according to angle changes of cell phone ··· 5
Fig. 2-4 Application areas of WPT ···6
Fig. 2-5 Scene of experiment for magnetic resonance method (a) MIT (b) Intel ···7
Fig. 2-6 Human impact on the frequency ···9
Fig. 2-7 WPT market steps ···11
Fig. 2-8 Equivalent circuit of magenetic resonance method ···12
Fig. 2-9 Change magnetic resonance circuit into K-inverter circuit (a) Change into K-inverter circuit, (b) resonance, (c) K-inverter circuit ···13
Fig. 2-10 Critical surface of a superconducting element ···17
Fig. 2-11 Configuration of a spiral coil ···19
Fig. 2-12 Configuration of a helical coil ···19
Fig. 2-13 Mutual inductance according to direction of wires ···20
Fig. 2-14 The 3dB bandwidth of Q-factor ···24
Fig. 2-15 Bandwidth of Q-factor ···24
Fig. 3-1 Experimental circuit diagram and composition ···26
Fig. 3-2 DC Power supply ···26
Fig. 3-3 Cooling system for the maintenance of superconductivity ···27
Fig. 3-4 LCR meter ···27
Fig. 3-5 Manufactured coil according to size of inner radius ···28
Fig. 3-6 The same size and form (a) superconductor, (b) copper ···29
Fig. 3-7 WPT efficiency when transmitter(TX) and receiver(RX) have same size in inner radius (a) TX-15cm RX-15cm (b) TX-12cm RX-12cm (c) TX-10cm RX-10cm ···31 Fig. 3-8 WPT efficiency when transmitter(TX) and receiver(RX) have different
size in inner radius (a) TX-15cm RX-12cm (b) TX-12cm
RX-10cm ···33 Fig. 3-9 WPT efficiency when receiver has different size in inner radius
(a) TX-12cm RX-15cm (b) TX-12cm RX-10cm ···35 Fig. 3-10 WPT efficiency when receiver has different size in inner radius
(a) TX-10cm RX-15cm (b) TX-10cm RX-12cm ···37 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 ···39 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 ··· 41 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 ··· 43 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 ··· 44
ABSTRACT
Superconductor Coil Design for Efficiency Increasement of Magnetic Resonance Wireless Power Transmission
Jeong In-Sung
Advisor : Prof. Choi Hyo-Sang, Ph.D.
Department of Electrical Engineering, Graduate School of Chosun University
Recently, We has witnessed a soaring growth of IT such an advanced IT technology in has led to technical advancement where communication could be free from lines with wireless networks, such as mobile communication and Wi-Fi. As a result, electronic equipment, such as smart phones, smart TVs, or tablet PCs has advanced rapidly, and in education the e-book format, which was substituted for books and document files. Various effects are occuring in the fields of business including stock transactions. However, compared to the advancement of wireless communication and electronic devices, the inconvenience of the power system that delivers electrical power to these devices is increasing. Portable batteries need frequent recharging and changes, and power cables cause problems in terms of installation and mobility. To solve this issue, many have been interested in wireless power transmission(WPT) systems. continual researches on wireless power transmission systems have been made in various products such as magnetic
induction wireless recharging systems or electric toothbrush systems. But magnetic induction wireless power transmission systems could only cover a short distance and require improvement to expand its scope of applications.
To solve this problem, prof. Marin Soljacic team at MIT proposed a magnetic resonance method in 2007. The wireless power transmission system based on the magnetic resonance succeeded in turning on a 60W light bulb at a 2m distance, with 40% efficiency. Particularly, the magnetic resonance method offered a new paradigm of wireless power transmission technology by solving the biggest issue of the existing magnetic induction method and microwave method—distance, efficiency, and impact on the human body. However, the technology is still in its early stage, requiring further research on distance and efficiency.
In this paper, we designed a superconductor coil to increase the efficiency of the magnetic resonance wireless power transmission system. The existing normal conductor coil might allow optimization through the size of the coil and winding method, but it was limited in efficiency improvement. However the superconductor coil has zero resistance at the critical temperature, allowing the increase of the Q-factor. Furthermore, the size of the current density could be increased by 100 times compared to that of the existing normal conductor coil, resulting in the maximum resonance characteristics with impedance matching.
As a result, it has been shown that the implementation of the superconductor coil could improve the efficiency of the magnetic resonance wireless power transmission system more than the existing normal conductor coil.
Ⅰ. 서 론
최근 핸드폰, mp3, 노트북 등의 전자기기 사용이 급증하였을 뿐만 아니라 우리 생활에 많은 비중을 차지하게 되었다. 이러한 전자 제품들은 전원 공급을 위해 각 기기별 배터리 혹은 전선을 이용하게 된다. 하지만 전자기기가 생활화되면서 기존 의 전선은 복잡하게 얽혀있거나, 멀티탭에 문어발처럼 꼽혀있기 일쑤이며, 설치장 소의 제한과 이동의 불편함으로 문제점을 나타내고 있다. 휴대용 배터리의 경우 편리성 및 휴대성을 위한 기기의 소형화로 이용할 수 있는 배터리의 용량이 한계 에 직면했다. 그 뿐만 아니라 배터리의 잦은 교체와 충전으로 인한 수명 저하가 나타나고 있는 실정이다[1-3].
이러한 문제점들로 인해 최근 무선전력전송에 대한 관심이 급증하였다. 무선전 력전송이란 선이 없이 이루어지는 전력전송 장치로써 최근 무선 휴대폰 배터리 충 전기, 전동 칫솔 등 일부제품에서 상용화가 이루어져 있다. 이처럼 무선전력전송 기술의 현실화는 콘센트와 전원 케이블이 사라짐으로써 배터리를 갈아 끼울 필요 도 없을 것이며, 각종 기기들을 자유롭게 이동시키며 사용할 수 있기 때문에 Fig.
1-1과 같이 편리하고 쾌적한 삶이 가능해질 것으로 사료된다[4-6].
기존의 무선전력전송 방식은 크게 자기유도방식과 마이크로파방식 2가지로 분류 될 수 있다. 자기유도방식은 전송 효율이 높지만 송⋅수신 코일간의 각도 변화에 따라 전송 효율이 급격하게 변화하는 단점을 가지고 있다. 마이크로파방식은 수 GHz의 주파수를 이용하기 때문에 인체에 큰 영향을 끼쳐 상용화가 어렵기 때문에 군사적 목적으로만 사용되고 있다[7-8].
이러한 문제점을 해결하기 위해 2007년 MIT의 Marin soljacic 교수팀은 자기공 명 방식의 무선전력전송 기술을 제시하였다. 자기공명 방식의 무선전력전송은 2m 의 거리에서 60W의 전구를 켜는데 성공하였을 뿐만 아니라, 전송 효율이 약 40%
를 나타냄으로써 무선전력전송 기술에 새로운 패러다임을 제시하였다. 그 결과
Fig. 1-1 Expected demand field for WPT
Intel, Qualcomm, Witricity, ETRI, 전자부품 연구소 등 수 많은 산업체 및 연구기 관에서 연구 중에 있다. 하지만 아직 개발초기 단계의 기술이기 때문에 상용화를 위해서는 거리와 효율 개선 연구가 반드시 수반되어야 할 것으로 사료된다.
본 논문에서는 자기공명 무선전력전송 방식의 효율 증대를 위해 기존의 상전도 코일을 대신하여 초전도 코일을 설계하였다. 초전도 코일은 임계온도에서 영저항 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라 기존의 상전도 코일에 비해 100배 이상의 전류 밀도를 가지고 있기 때문에 임피던스 매칭 시 최대의 공진특성을 도출해 주파수 선택 특성 품질인 quality-factor를 안정적으로 증가시킬 수 있다.
Ⅱ. 연구배경 및 회로설계 A. 연구배경
1. 무선전력전송의 연구 배경
19세기 말 Nicola Tesla는 전기 전달을 위한 시스템을 연구하였다. 그 중 하나가 무 선전력전송이었으며, 1893년 국립전등 협회의 연설에서 최초로 무선 전력전송 시범을 보였다. Tesla는 5kW의 스파스 송신기를 이용하여 30피트 떨어진 가이슬러관에 주파 수 자극으로 불이 들어오는 시범을 보였다[9]. 이 시범장치는 안테나와 공중선, 접지, 인덕턴스와 전기용량을 포함한 단일 회로, 동조를 맞추기 위해 조절 가능한 인덕턴스 와 전기 용량, 송수신 장치, 전자관 검파기 등으로 이루어졌으며, 이후에 발명된 무선 통신의 기본 장비들과 모두 동일했다. 그러나 유선으로 전력전송하는 방식에 비해 효 율적이지 못했기 때문에 더 이상 기술적 발전을 이루지 못했다. 하지만 최근 Fig. 2-1 과 같이 전력기기 사용이 증가함으로써 전선을 통한 전원 공급 방식에 대한 불편함이 증가하였다.
Fig. 2-1 Usage of wires by electronic equipment
Fig. 2-2 Application in real life of WPT
특히 무선통신 기술의 핵심인 휴대용 IT기기의 경우 이동통신, 무선 LAN등을 통해 무선으로 통신이 자유롭게 이루어지고 있으나, 전원 공급은 잦은 교체 및 충전이 요구 되는 휴대용 배터리를 이용하기 때문에 이에 대한 해결책에 관심이 집중되고 있는 분 야이다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 기술로 무선전력전송이 다시금 주목받기 시 작하였다. Fig. 2-2와 같이 무선전력전송이 개발되어 수십 W 이상의 전력을 무선으로 공급하게 될 경우 그 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다[1-12].
2. 무선전력전송 방법
a. 자기유도방식과 마이크로파방식
기존의 무선전력전송 기술은 크게 자기유도방식과 마이크로파 방식 2가지 기술 로 나누어 구현되고 있다.
자기유도방식은 전력 송신부 코일에 전류를 흘려 자기장을 발생시킨다. 이때 가 까이에 있는 수신부 코일이 자기장의 영향으로 전류가 유도되는 전자기유도 원리 를 이용한 것이다. 이 원리는 이미 전기모터나 변압기에 사용되어져 왔으며, 최근 전동 칫솔, 무선 면도기, 휴대폰 충전 패드 등이 자기유도 방식으로 사용되고 있 다. 자기 유도 방식은 전력전송 효율이 90%이상으로 매우 높고, 수 kHz의 낮은 주파수 대역으로 인해 인체에 영향을 끼치지 않는다는 장점을 가지고 있다. 하지 만 전송거리가 수 mm이내일 뿐만 아니라 Fig. 2-3과 같이 송⋅수신 코일간의 각 도가 조금이라도 일치하지 않을 경우 효율이 급격히 떨어진다는 문제점을 가지고 있다.
Fig. 2-3 WPT efficiency change according to angle changes of cell phone
마이크로파 방식의 경우 원거리 전력전송이 가능한 기술이지만 수 GHz의 고주 파를 사용하기 때문에 인체에 영향을 끼치는 문제점이 있다. 그렇기 때문에 위성 에서 태양전지를 이용해 전력을 생산, 이를 지상에 전파의 형태로 전력을 전송하 는 NASA의 Sun Power Satellite(SPS)프로젝트나, 마이크로파 안테나 어레이 (microwave antenna array)로부터 비행기 후방에 장착된 rectenna (rectifying antenna)에 고주파 형태의 에너지를 방사함으로써 DC전원으로 변환시키는 캐나다 의 SHARP 프로젝트 등 군사적 용도로 이용되고 있다[1-8].
Fig. 2-4 Application areas of WPT
b. 자기공명방식
기존의 무선전력전송 방식의 문제점을 해결하기 위해 2007년 사이언스지를 통해 MIT의 Marin Soljacic 교수의 연구팀에서는 자기공명 방식을 제안하였다. 2.4m 떨 어진 곳에서 60W의 전구의 불을 켜는데 성공하였을 뿐만 아니라 40%의 효율을
보여 주목을 받았다[13-14].
자기공명 방식은 다양한 소리굽쇠 중에 하나를 진동시키면 여러 개의 소리굽쇠 중 고유진동수를 가지는 것만이 진동하는 물리적 현상을 이용한 것으로, 두 개의 송⋅수신 코일이 같은 주파수로 공진할 경우 근거리 자기장을 통해 전자파가 송신 코일에서 수신 코일로 이동하는 감쇄파 결합 현상을 이용한 것이다[6-8].
특히 송신부 코일에서 방사된 자기장이 수신부 코일로 흡수되는 과정에서 흡수 되지 못한 자기장들은 공기 중으로 방사되지 않고 다시 송신부에 흡수된다. 이러 한 특성 때문에 자기유도방식과는 달리 2m에서도 약 40%의 효율로 전송이 가능 할 뿐만 아니라 전자기파가 아닌 자기장을 이용하기 때문에 인체에 흡수되지 않고 안전하다는 장점이 있다.
이러한 자기공명 방식은 현재 Qualcomm, Intel, Witricity, ETRI, 전자부품연구 원 등 많은 산업체 및 연구기관에서 연구 중에 있으며, 방송통신 위원회 등에서는 무선전력전송 기술을 미래전파(Next-wave) 응용 서비스의 핵심분야로 선정하여 관련 기술개발, 시범사업 및 제도개선 등을 2010년부터 진행하고 있다. 또 KAIST 에서는 무선전력전송을 이용한 온라인 전기자동차(OLEV : On-Line Electric Vehicle)을 개발하여 현재 구리시에서 시범 운영을 하고 있다[15]. Table 2-1은 무 선전력전송 기술에 대한 비교이다.
(a) MIT (b) Intel
Fig. 2-5 Scene of experiment for magnetic resonance method (a) MIT (b) Intel
Table 2-1 Comparison of wireless power transmission technology
분류 전송거리 특징
마이크로파 방식
수 km
〜 수백 km ·수 GHz 주파수 사용
·고출력 전송가능
·인체영향으로 사용 어려움 원거리
자기공명 유도방식
수 m
〜 10m 내외
·수 MHz 〜 수백 MHz 주파수사용
·개발 초기단계
·고효율 송수신 코일 연구필요
·근거리 전송가능(2m미만) 근거리
자기유도 방식
수 mm내외 ·수 백 KHz 주파수 사용
·유도결합전송
·진동칫솔, 무선면도기 등 상용화
·전송거리 짧은 단점 (20〜30cm) 단거리
c. 자기공명방식의 중요사항
(1) 주파수할당
무선전력전송은 무선주파수를 사용해야 한다. 무선주파수는 전 세계적으로 통신, 방송, 항해, 측위 등의 용도로 사용되기 때문에 주파수 사용 시, 타시스템에 대한 간섭을 줄이고, 인체에 영향을 주지 않아야 한다. 그렇기 때문에 각 국가에서는 엄 격하게 규제하고 있다. 현재 무선전력전송을 위해 특별하게 할당된 주파수는 없으 며, 특정 주파수 대역을 무선전력전송 용으로 설정한 나라도 없다[15]. 또 ITU-R 보고서 초안에 포함된 국내 주파수 19〜21kHz, 59〜61kHz와 일본의 주파수 85kHz, 120kHz는 국제표준시보 및 무선항행용으로 분배된 상황이다. 이에 국제 공 통 주파수로 이용하기 위해서는 국제분배의 개정이 필요해 향후 주파수 이용을 위
한 국제적 논의 및 연구가 절실하다. 이러한 문제점 때문에 2013년 스위스 제네바 에서 열린 국제전기통신연합 전파부분(ITU-R) 전파관리분과(SG1)회의에서 한국의 제안에 따라 무선전력전송을 위한 국제 공통주파수와 기술기준 마련을 위한 표준 화 논의가 시작됐다. 이 회의에서 국내 전파응용설비(전기자동차 무선전력전송용) 로 2011년에 분배된 주파수 대역과 국내 KAIST에서 독자적으로 개발한 자기공명 형상화기술을 ITU-R 보고서 초안에 반영했다. 또한, 한국은 무선전력전송 기술 특 성, 주파수 이용방안 및 기술기준 항목을 국제권고 사항으로 제안했으며, 이를 ITU-R 무선전력전송 권고 초안에 반영시켰다. ITU-R은 2014년까지 무선전력전송 에 관한 권고 및 보고서 작업을 마무리 할 예정이며, 관련 기술을 개발하고 있는 한국, 미국, 일본 등 주요 국가들의 활발한 참여가 예상된다. 특히 주파수 할당 문 제를 논의할 때 인체영향 및 EMI/EMC 문제가 반드시 고려되어야 하기 때문에 그 동향을 주의 깊게 살펴보아야 할 것이다.
(2) 인체영향
MIT의 Marin Soljacic 교수팀이 제안한 자기공명 방식의 주파수 대역은 약 10MHz로 인체에 영향을 끼치지 않은 수준이다. 하지만 주파수 대역에 대한 인체
Fig. 2-6 Human impact on the frequency
영향 기준은 Fig. 2-6과 같이 각 국가마다 다양한 레벨을 제정하고 있기 때문에 상용화가 되기 위해서는 각 국가에서 정한 가이드라인을 벗어나지 않도록 유념해 야 한다[15].
이러한 연구는 이동통신이 보급된 이후 핵심적인 이슈로 이동통신의 주파수 대 역이 800MHz〜5GHz사이에서 다양한 연구가 진행되고 있고, 연구 방법 역시 세포 실험, 동물실험, 역학 조사 등 체계화되어 있다. 최근 RFID 기술이 도입됨에 따라 인체영향 연구가 더욱더 확장되어 활발하게 연구되고 있으므로, 고출력 무선전력 전송에 의한 인체영향 연구로도 확대할 수 있을 것이다[15].
(3) 기술적 쟁점
Fig. 2-7과 같이 무선전력전송은 기대치는 높으나 개발 초기 단계의 기술로 실 제 사용을 위해서는 많은 연구가 필요한 기술이다. 특히 2007년도에 발표된 자기 공명 방식의 경우 여러 산업체와 연구소에서 연구가 진행 중에 있지만 아직 눈에 띄는 성과를 이루지는 못했다. 현재 자기공명 방식에서의 기술적 이슈는 다음과 같이 분류할 수 있다[16].
먼저, 무선전력전송을 위한 전력소자의 개발이 필요하다. 자기공명 방식의 무선 전력전송은 수 MHz의 주파수가 사용되는데 이때 동작 가능한 스위칭 소자 등이 필요하다. 하지만 현재 대부분의 대전력 스위칭 소자의 특성은 수 MHz에서 성능 이 급격이 나빠질 뿐만 아니라 거리 증가를 위해서는 공진기의 크기가 커지는 단 점이 발생한다. 반면에 유도결합의 경우 자기공명 방식과 달리 주파수가 낮으므로 상대적으로 유리하지만 전송거리가 짧은 단점이 있으며, 수 GHz의 마이크로파에 사용되는 소자의 경우 비싼 가격의 문제점이 있다.
두 번째로 무선전력전송시 전력을 전송하고자 하는 기기에 필요한 양만큼을 무 선으로 공급할 수 있는 시스템에 대한 연구가 필요하다. 전력을 공급받는 각종 기 기들의 정보를 수신하고 이를 토대로 최대전력변환 효율을 얻을 수 있도록 하는 지능형 전력제어(smart power control) 방식이 필요해 보인다.
마지막으로 자기공명 방식의 경우 높은 quality-factor값을 유지하여야 먼 거리
까지 전력전달이 가능하다. 하지만 실제 동작환경에서는 대기의 조건, 주변 환경의 조건에 따라 부하 임피던스가 가변되기 때문에 quality-factor 값을 유지할 수가 없게 된다. 본 논문에서는 초전도 코일을 적용하여 마지막 문제점인 Q-factor를 개선시키고자 한다. 초전도체는 영저항 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라 전류밀도 가 높기 때문에 기존의 상전도체보다 Q-factor 값을 높일 수 있다. 또 임계온도 유지를 위해 액체질소에 코일을 보관하기 때문에 주변 환경에 따른 임피던스 변화 도 줄일 수 있다[15].
Fig. 2-7 WPT market steps
B. 초전도 송신코일에 적용된 무선전력전송 시스템
1. 회로설계
자기공명 방식은 전원 측에서 일정 주파수의 전자기장을 형성시키고, 이 전자기 장 내에 같은 주파수로 공진되는 수신기를 위치시켜 일종의 에너지 터널을 형성하 여 전력을 전송하는 방식이다. 이때 이 주파수를 공진 주파수라고 하는데, 이 공진 주파수가 같은 기기에만 전력이 전달한다. 공진 주파수를 결정짓는 코일의 형태가 무선 전력전송 효율을 결정짓는 매우 중요한 요소로 작용하는 것이다. 아래 수식 은 자기 공명 무선전력전송 기술의 최대 효율을 얻기 위한 변수 유도 과정을 보여 준다. Fig. 2-8은 자기공명 방식의 등가회로를 나타낸 회로도이다. 등가회로를 이 용하여 K 인버터 이론을 적용시키면 Fig. 2-9와 같이 간략화시킬 수 있다.
Fig. 2-8 Equivalent circuit of magenetic resonance method
(a)
(b)
(c)
Fig. 2-9 Change magnetic resonance circuit into K-inverter circuit (a) Change into K-inverter circuit, (b) resonance, (c) K-inverter circuit
모든 코일이 소스의 동작 주파수와 공진이 되었을 때는 등가 회로가 각 코일의 저항 성분과 K인버터 부분만 남게 된다. 이를 이용하여 입출력 전압을 구해 전력 전달 효율을 구해보면 다음 식과 같다.
(2.1)
(2.2(a))
(2.2(b))
(2.3(a))
′
(2.3(b))
∈
(2.4(a))
′
(2.4(b))
K인버터 이론을 이용해서 입력 임피던스와 출력 전압을 위와 같이 구할 수 있 다. 결과적으로 자기공명 방식의 전력전달 효율식은 식(2.5)와 같이 나타낼 수 있 다.
(2.5)
식(2.5)를 이용하여 최대 효율식을 유도하기 위해 aL로 미분하여 영이 되는 값을 찾는다.
(2.6)
(2.7)
(2.8)
(2.9) 식(2.7)은 최대 효율을 가지는 aL 값을 나타내고 식(2.8)은 최대 효율일 때 입력 전력, 식(2.9)는 최대 효율일 때의 식을 나타내고 있다. 위 식을 통해 최대 효율이 되는 조건의 변수는 부하코일의 인덕턴스, 부하코일과 두 번째 공진 코일 사이의 상호 인덕턴스, 부하저항의 임피던스라는 것을 확인할 수 있다.상호 인덕턴스의 경우 두 코일 사이의 환경에 크게 영향을 받을 뿐만 아니라 코 일 사이의 거리와 상대적 크기에 의해 영향을 받고, 코일간의 임피던스 일치 상태 에 크게 영향을 받는다는 것을 위 식을 통해 확인할 수 있었다. 그렇기 때문에 코 일간의 거리, 크기, 코일의 임피던스를 고려한 코일 설계가 이루어져야 한다.
2. 초전도 코일
a. 초전도체 특성
일반적인 도체는 자유전자의 흐름을 통해 전류를 전달하는데, 이 과정에서 원자 핵의 전기적 저항이 있어 전자가 지닌 에너지의 완벽한 전달이 불가능하다. 하지 만 특정한 조건이 만족되는 경우 일부 물질은 전기저항이 영인 상태가 되는데, 이 를 초전도체라고 한다. 이때 특정한 상태는 Fig. 2-10에서 확인 할 수 있듯이 일정 한 온도, 전류, 자기장 이하를 말한다. 1911년 카멜린 온네스는 4K 이하에서 수은 의 전기저항이 영이 되는 것을 처음으로 발견하였고, 이후 많은 종류의 물질이 초 전도성을 가질 수 있음이 밝혀졌으며, 높은 온도에서도 초전도 현상이 나타날 수 있는 물질을 발견하기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다[17-19].
자기 공명 방식의 경우 코일 설계를 통해 시스템의 최적화는 가능하다. 하지만 상전도 코일의 경우 기본적인 저항값을 가지고 있을 뿐만 아니라 고주파 영역에서 임피던스 값이 커지기 때문에 Q-factor 값을 향상 시키는데 기술적인 한계가 있 다. 하지만 초전도체의 경우 극저온 상태에서 저항 값이 영이 된다. 또한, Table 2-2 에서 확인 할 수 있듯이 고자장 상태에서도 전류밀도가 높은 값을 안정적으로 유지할 수 있기 때문에 인덕턴스 값을 증가하고 안정적인 유지가 가능하기 때문에 기존의 상전도 코일보다 Q-factor 값의 향상이 가능하다[20].
Magnetic flux Density(H)
Current Density(J)
Temperature(T)
HC
JC
TC
Superconducting State
Normal State
Fig. 2-10 Critical surface of a superconducting element
Table 2-2 Comparison of characteristics between a superconductor and a normal conductor
초전도체 상전도체
Mid-frequency
⇒ Large stored energy.
High frequency
⇒ low stored energy Large Q
⇒ High efficiency Qse 〜 1011
Low Q
⇒ reduced efficiency Qne 〜 104
b. 초전도 코일 설계
(1) Spiral type
자기공명 방식에 있어서 코일 설계는 인덕턴스를 결정하기 때문에 매우 중요한 요소이다. 코일의 대표적인 권선 방법으로는 spiral type과 helical type이 있다.
Fig. 2-11은 spiral type의 코일 권선 방법을 나타낸다. 식(2.17)과 같이 코일의 내부반경, 코일을 감은 횟수, 코일의 두께, 코일과 코일 사이의 거리를 구하여 A값 을 구할 수 있다. 그리고 A값과 함께 코일의 내부반경, 코일과 코일 사이의 거리 를 이용하여 spiral 코일의 인덕턴스를 구할 수 있다.
Fig. 2-11 Configuration of a spiral coil
(2.17)
(2.18)
(2) Helical type
Fig. 2-12는 helical type의 코일 권선 방법을 나타낸다. 코일의 반경, 코일의 길 이, 코일의 감은 횟수를 이용하여 식(2.19)를 통해 인덕턴스를 구할 수 있으며, 식 (2.20)을 통해 코일의 커패시턴스 값을 구할 수 있다.
본 논문에서는 기존의 MIT팀에서 제시했던 helical type과는 달리 spiral type을 선택했다. helical type의 경우 좁은 주파수 대역에서 적당한 입력 임피던스를 갖는 간단한 구조이나 코일의 길이가 길어질수록 장치가 더욱더 커지는 단점이 발생한 다. 하지만 Spiral type의 경우 장치의 소형화가 가능할 뿐만 아니라 Fig. 2-13과 같이 도선방향이 같을 경우 상호 인덕턴스 증가로 L값을 더욱 더 증가시킬 수 있 기 때문이다.
Fig. 2-12 Configuration of a helical coil
(2.19)
cosh
(2.20)
Fig. 2-13 Mutual inductance according to direction of wires
3. 공진주파수
자기공명 방식은 주파수로 진동하는 송신코일의 자기장이 동일한 주파수로 설계 된 수신 코일에 전력이 전송되도록 하는 방식으로써 공진 주파수를 가진 코일이 반드시 존재해야만 전력이 전달된다.
공진 주파수란 위상차를 제거하여 가장 큰 전력을 낼 수 있도록 하는 주파수이 다. 컨덕터는 전압을 전류에 비해 90° 뒤지게 하고 인덕터는 전압에 비해 전류가 90° 뒤지게 하는 성질이 있다. 이를 저항과 같이 연결하여 쓰면 각 차이에 의해 위 상의 차가 나타나게 된다. 이 때 위상차를 조절할 수 없기 때문에 각 임피던스를 최소화하여 나타낼 수 있도록 하는데 이 주파수를 공진주파수라고 한다.
전기에서 사용되는 수동(passive) 소자에는 저항(R), 인덕턴스(L), 커패시턴스(C) 가 있으며, 직류와 교류에 대하여 저항소자는 동일한 작용을 하지만, L과 C는 각 기 다른 특성을 가지고 동작한다. 이들 소자가 교류 흐름에 대항하는 저항 크기를 리액턴스(X)라고 하며 식(2.10), (2.11)과 같이 표현 할 수 있다.
(2.10)
(2.11)
L과 C에 전압을 인가하면, 크기가 영이 되는 시점(t, 시간)이 흐르는 전류와 전 압에서 일치하지 않는다. 이를 전압과 전류의 위상차라고하며, 수학적으로 표현한 것을 임피던스(Impedance, Z)라고 한다. 이 때 회로가 가지는 복소임피던스 값은 식(2.12)와 같다. 식(2.12)에서 허수 임피던스가 영이 되어 없어지는 주파수가 공진 주파수이다.
(2.12)
(2.13)
식(2.13)을 이용하여 다시 공진 주파수를 구하면 다음과 같이 구할 수 있다.
(2.14)
식(2.14)에서 확인할 수 있듯이 공진 주파수를 결정하는데 있어 L과 C값은 매우 중요하다. 특히 L값의 경우 길이를 가지는 모든 선로에서 발생하기 때문에 코일의 설계가 L값을 결정하는 중요한 요소인 것을 확인할 수 있다.
4. Quality-factor
a. Inductor quality-factor
자기공명 무선 전력전송 기술은 코일에 전기장이나 자기장을 걸어주게 되면 주 위에 자기장이나 전기가 흐르는 원리를 이용한 것이다. 이때 코일에 저장된 에너 지는 코일 자체의 저항에 의해 시간이 흐르면서 소멸되는데 이때 발생되는 손실 정도를 규정한 것이 Quality-factor(Q-factor)이다. 그렇기 때문에 Q-factor 값을 개선시켜 코일에 저장된 에너지 소멸 값을 낮추면 무선전력전송의 효율을 향상시 킬 수 있다.
(2.15)
식(2.15)에서 확인할 수 있듯이 Q-factor 값을 개선하기 위해서는 코일의 R값이 낮고, L값이 높아야하는 관계에 있다. 기존의 상전도 코일의 경우 온도가 내려감에 따라 전기 저항이 어느 정도 감소하지만 영값을 나타내지는 않는다. 하지만 초전 도체는 임계 온도 이하에서 저항이 영이 되는 물질이기 때문에 초전도체를 이용한 코일 설계 시 Q-factor를 증가시킬 수 있다.
b. Circuit quality-factor
공진 회로에서의 Q-factor는 주파수 선택 특성 품질을 의미한다. Fig. 2-14와 같 이 공진 주파수 점에서 양쪽으로 3dB, 즉 반으로 감쇄되는 지점의 주파수간 차이 를 3dB 대역폭이라고 한다. 이와 같이 공진 주파수를 3dB 대역폭으로 나눈 것을 Circuit Quality-factor라고 하며, 식(2.16)을 통해 구할 수 있다. 이 Circuit Q-factor의 특징은 Fig. 2-15와 같이 대역폭과 관련된 개념으로써, Q-factor 값이 낮을수록 주파수 대역이 넓다는 것을 의미하고 Q-factor 값이 높을수록 주파수 대 역이 협대역이 된다는 것을 의미한다.
sec
(2.16)
Circuit q-factor는 특정 주파수의 선택 특성을 말하는 것이기 때문에 대체로 Q-factor 값이 높아야하는 경우가 많지만, 반대로 Q-factor 값이 낮아야하는 경우 도 있기 때문에 특성에 맞는 Q-factor 값을 구현해 내는 것이 좋다. 저장되는 에 너지와 손실되는 에너지의 비에 주파수 개념을 적용한 수식이기 때문에 inductor q-factor와 같은 개념이라고도 볼 수 있다.
Fig. 2-14 The 3dB bandwidth of Q-factor
Fig. 2-15 Bandwidth of Q-factor
Ⅲ. 실험 및 고찰
A. 실험 설계
1. 실험회로도 및 구성
Fig. 3-1은 초전도 코일을 적용한 자기공명 방식의 간이 등가회로이다. Fig.
3-2의 power supply를 통해 인가된 전압과 전류는 각각 15V, 2A이다. 코일 설계 는 초전도체의 경우 bending이 될 경우 초전도체의 특성을 잃어버리기 때문에 Fig. 3-5와 같이 Spiral type으로 제작하였다. 또 무선전력전송의 실생활 적용 시, 각 기기별 코일의 크기가 다를 수 있기 때문에 내부직경에 변화를 가하여 제작하 였으며, 여러가지 방법으로 실험을 실시하였다. 또 비교데이터를 위해 Fig. 3-6과 같이 초전도체와 같은 크기, 모양의 구리를 제작하여 상전도 코일을 제작하였으며, Fig. 3-3은 초전도체의 임계온도 유지를 위해 질소를 보관할 수 있는 냉각용기이 다. Table 3-4는 Fig. 3-4의 LCR meter를 이용하여 초전도체와 상전도체의 저항, 인덕턴스를 측정한 값이다. 초전도 코일의 저항과 인덕턴스 값이 상전도체보다 좀 더 높은 것으로 나타났다. 또한 이 값을 이용하여 식(2.15)를 통해 Q-factor의 값 을 구할 수 있었다. 하지만 초전도체의 경우 영저항을 나타내지 못하고 약간의 저 항이 나타났다. 그 이유는 초전도체의 경우 임계온도 유지를 위해 질소에 보관해 야 하는데, 회로의 경우 상전도에서 보관하기 때문에 회로와 초전도체간 연결이 불가피하다. 이 때 사용되는 전류 연장선의 접합점에서 발생되는 접합 저항으로 인하여 초전도체의 손실이 발생한 것으로 사료된다.
Fig. 3-1 Experimental circuit diagram and composition
2. 실험장비
a. DC power supply
Table 3-1 Specifications of DC Power supply Input Voltage 0-30V
Input Current 5A
OVP 과전압 방지
b. 냉각설비
Fig. 3-3 Cooling system for the maintenance of superconductivity
c. LCR meter
Fig. 3-4 LCR meter
Table 3-2 Specifications of LCR meter LCR Meter
테스트 주파수 100Hz~100kHz
Vrms 20mV~1Vrms
고속 측정 25 ms
d. 송·수신부 코일
Fig. 3-5 Manufactured coil according to size of inner radius
Table 3-3 Specifications of coils
코일 내부 직경 크기 (cm) 공진 주파수
15
63.1kHz 12
10
(a)
(b)
Fig. 3-6 The same size and form (a) superconductor, (b) copper
Table 3-4 Specifications of a superconductor coil and a normal conductor coil
초전도 코일 상전도 코일
폭(mm) 12 12
저항 (Ω) 0.2 0.4
인덕턴스 (μH) 61.4 53.6
Q-factor 1.2x102 5.3x10
B. 실험 및 고찰
1. 초전도 코일과 상전도 코일의 비교
a. 송신부와 수신부의 내부 직경이 같을 경우
(a)
(b)
(c)
Fig. 3-7 WPT efficiency when transmitter(TX) and receiver(RX) have same size in inner radius (a) TX-15cm RX-15cm (b) TX-12cm RX-12cm (c)
TX-10cm RX-10cm
Fig. 3-7은 송⋅수신부의 내부직경 크기가 같을 경우 각각 초전도 코일과 상전 도 코일을 적용하여 WPT 효율을 측정한 그래프이다.
Fig. 3-7 (a)는 송⋅수신부의 내부직경 크기가 각각 15cm일 때 초전도 코일과 상전도 코일의 효율을 측정하였다. 초전도 코일을 송⋅수신부 모두 적용시켰을 때 최대 효율은 약 84%를 나타냈고, 송⋅수신부 모두 상전도 코일일 때 최대 효율은 약 69%를 나타냈다. 이후 거리가 증가할수록 효율이 감소하였지만, 초전도체가 일 반 상전도 코일보다 전송 효율이 최대 15%까지 증가한 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 3-7 (b)는 송⋅수신부 내부직경 크기가 12cm일 때 효율 측정 그래프이다.
송⋅수신부 모두 초전도체를 적용하였을 때 최대 효율은 약 90%를 나타냈고, 상 전도체일 경우 약 52.5%의 최대효율을 나타냈다.
Fig. 3-7 (c)는 송⋅수신부 내부직경이 10cm일 때의 효율 측정 그래프이다. 송
⋅수신부 모두 초전도체를 적용하였을 때 최대 효율은 약 59%를 나타냈고, 송⋅
수신부 모두 상전도체일 때의 최대효율은 19%인 것을 확인할 수 있었다. Fig. 3-7 을 통해 내부직경이 같은 크기의 송⋅수신부에 초전도체를 적용하였을 때 일반 상 전도체일 때보다 효율이 높았다.
b. 송신부와 수신부의 내부 직경이 다를 경우
(a)
(b)
Fig. 3-8 WPT efficiency when transmitter and receiver have different size in inner radius (a) TX-15cm RX-12cm (b) TX-12cm RX-10cm
Fig. 3-8은 송⋅수신부 측에 초전도체 코일을 적용했을 때와, 상전도 코일을 적 용했을 때의 효율 그래프이다. 이때 송신부의 내부직경 크기는 15cm이고 수신부의 내부직경 크기를 12cm와 10cm로 변형시켜 효율을 측정하였다. 실생활 적용 시 기 기에 따른 코일의 크기의 변화가 불가피하기 때문이다.
Fig. 3-8 (a)는 송신부와 수신부의 내부직경 크기가 각각 15, 12cm일 때의 효율 측정 그래프이다. 송⋅수신부 측 모두 초전도 코일을 적용하였을 때 최대 효율은 69%이며, 모두 상전도 코일을 적용하였을 때 최대 효율은 50%이다. 이후 거리가 증가함에 따라 효율은 감소하였고, 10cm 이후의 효율은 초전도 코일과 상전도 코 일 모두 비슷한 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 3-8 (b)는 송신부와 수신부의 내부 직경 크기가 각각 15, 10cm일 때의 효 율 측정 그래프이다. 송⋅수신부 측 모두 초전도 코일일 경우 최대 효율은 73%이 다. 송⋅수신부 측 모두 상전도 코일을 적용하였을 경우 효율이 급격하게 떨어지 는 것을 확인할 수 있었다. 이는 내부직경이 변화하면서 공진 주파수 선택특성이 급격하게 줄어들었기 때문이다.
(a)
(b)
Fig. 3-9 WPT efficiency when receiver has different size in inner radius (a) TX-12cm RX-15cm (b) TX-12cm RX-10cm
Fig. 3-9은 Fig. 3-8과 마찬가지로 송신부의 내부직경 크기를 12cm로 고정하였 을 때, 수신부 측의 내부직경 크기를 각각 15, 10cm로 변화시켜 효율을 측정하였 다. Fig. 3-9 (a)는 송신부측 내부직경이 12cm 일 때, 수신부 측의 내부직경 코기 가 15cm일 경우의 효율 측정 그래프이다. 송⋅수신부 모두 초전도 코일을 적용 하 였을 때 최대 효율은 약 74%이고, 상전도 코일을 적용하였을 때 최대 효율은 약 23%를 나타냈다. Fig. 3-9 (b)는 수시부측 내부직경 크기가 10cm일 때 효율 측정 그래프이다. 송⋅수신부 모두 초전도 코일일 경우 최대 효율은 약 90%를 나타냈 다. 반대로 상전도 코일을 적용시켰을 경우 최대 효율은 약 4.34%인 것을 확인할 수 있었다. Fig. 3-9에서 확인할 수 있듯이 송⋅수신부의 코일의 내부직경 크기가 서로 달라질 경우, 공진 주파수 선택 특성이 나빠지면서 효율이 급격하게 감소하 였다. 하지만 초전도체의 경우 상전도체와 비교 시 거리가 짧을 때 높은 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 3-10은 Fig. 3-8와 같이 송⋅수신부의 내부직경 크기를 달리하여 효율을 측정하였다. Fig. 3-10 (a)는 송⋅수신부의 내부직경 크기가 각각 10, 15cm일 때 효율 측정 그래프이다. 송⋅수신부 양쪽 모두 초전도체를 적용하였을 경우 최대 효율은 약 44%를 나타냈으며, 상전도체를 적용하였을 경우의 최대 효율은 약 5%
인 것을 확인할 수 있었다. Fig. 3-10 (b)는 송⋅수신부의 내부 직경 크기가 각각 10, 12cm일 때 효율 측정 그래프로써 초전도체를 적용하였을 경우 최대 효율은 약 59%를 나타냈고, 상전도체를 적용하였을 경우 최대 효율은 약 19%를 나타냈다.
송신부 측의 내부직경 크기가 수신부 측의 내부직경 크기보다 작을 경우 효율이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
(a)
(b)
Fig. 3-10 WPT efficiency when receiver has different size in inner radius (a) TX-10cm RX-15cm (b) TX-10cm RX-12cm
2. 송신부와 수신부의 코일재료가 다른 경우 a. 송신부와 수신부의 내부 직경이 같을 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.
참 고 문 헌
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