ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
자기공진형 무선전력전송 시스템의 소형화를 위한 공진기 설계
The Design of Resonator for Miniaturization of Magnetic Resonance
Wireless Power Transfer System
강 석 현․정 창 원 Seok Hyon Kang․Chang Won Jung
요 약
본 논문에서는 소형 모바일 기기에 적용이 가능하도록 코일형 및 루프형 공진기의 평면화를 통해 소형화하여 자기공 진형 무선전력전송 시스템을 구축하였다. 제안된 디스크형 이중코일공진기(disk type double coil resonator)는 아크릴 기판 (acrylic substrate)의 양면에 얇은 구리 재질을 2 mm의 넓이(width)와 1 mm의 간격(pitch)으로 8번 감은 수의 나선코일패턴 을 설계하여 최외각단을 연결한 구조이다. 이 공진기는 구리 재질의 패턴 길이에 의한 유도용량과 각 양쪽 나선코일패턴 간의 아크릴 사이에 발생하는 정전용량을 이용하여 6.78 MHz에서 공진한다. 공진기에 설계된 나선코일패턴의 크기는 최외각 지름이 9 cm로 소형화 되었다. 급전 및 부하공진기로 사용되는 루프는 5 mm 굵기의 동선을 이용하여 지름 10 cm의 단일 루프로 구현하였다. 또한, 6.78 MHz에서 공진할 수 있도록 3,300 pF 커패시터(capacitor)를 직렬로 연결하였다.
디스크형 이중코일공진기의 특성을 알아보기 위해 다양한 공진기 재배열을 통해 시스템을 구성 및 측정하였으며, 소형 무선전력전송 시스템의 최대 전송효율은 35.67 %를 보였다. 제안된 공진기의 구조를 통해 더 작은 소형화 구조 설계가 가능할 것으로 기대된다.
Abstract
In this paper, we miniaturized the loop and coil in magnetic resonance wireless power transfer(MR-WPT) system for application to the small mobile device. The proposed disk type double coil resonator was designed to cause resonance at 6.87 MHz. It is composed of thin copper on both-side of acrylic substrate structured 2 mm width, 1 mm pitch and 8 turns.
The outer radius of spiral coil pattern is 9 cm. And the proposed loop was made of the copper wire 5 mm diameter of cross-section. The size of loop is 10 cm diameter. For resonance at 6.87 MHz, the capacitor with 3,300 pF was connected in series on the loop. We rearranged the resonators and organized several WPT systems which is rearranged by resonators.
The highest transfer efficiency of miniaturized WPT system was 35.67 %. This proposed design of spiral double coil will contribute to make resonator smaller for appling small and thin mobile device.
Key words: Miniaturization, Magnetic Resonance, Small Mobile Application, Wireless Power Transfer, Resonator
「이 연구는 서울과학기술대학교 교내연구과제로 수행되었음.」
서울과학기술대학교 NID융합기술대학원(Graduate School of NID Fusion Technology, Seoul National University of Science and Technology)
․Manuscript received October 22, 2015 ; Revised January 6, 2016 ; Accepted January 14, 2016. (ID No. 20151022-087)
․Corresponding Author: Chang Won Jung (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론 최근 스마트폰 보급률이 증가함에 따라, 스마트폰의 사용시간이 증가하고 있다[1]. 이렇게 스마트폰의 활용도
가 높아지면서 사용되는 배터리의 용량이 커지고 있다.
그러나 배터리의 사용시간이 짧아 이에 대한 소비자의 불만은 커지고 있다. 배터리 사용시간은 근본적인 문제가 해결되지 못한 채, 외부에서 충전하는 방식(보조배터리, 어플리케이션 등)으로 대체되고 있는 실정이다. 이에 대 해 스마트폰 제조업체간 무선전력전송 기술을 이용한 충 전 기능의 홍보 경쟁도 날로 치열해지고 있다.
제조업체에서 생산하고 있는 무선충전제품은 대부분 자기유도형(electromagnetic inductive coupling) 시스템이 다. 자기유도형 무선전력전송 시스템은 전송효율이 높다 는 장점이 있지만, 전송거리가 짧아 충전영역이 제한적이 다. 자기공진형 무선전력전송 시스템(Magnetic Resonance Wireless Power Transfer: MR-WPT)은 2007년 Marin So- ljacic의 팀이 성공시키면서 이와 관련한 많은 연구들이 수행되었다[2]. 자기공진형 시스템은 전송거리에 제한적인 자기유도형(inductive magnetic coupling)의 단점을 극복하 고, 전력전송거리가 증가한다는 장점이 있다.
자기공진형 무선전력전송 시스템은 일반적으로 약 0.5 m 이상의 비교적 큰 공진기를 사용하였다[3]～[5]. 이것은 시스템의 유도용량(inductance)과 상호유도용량(mutual in- ductance)이 증가함에 따라 시스템의 전송효율(transfer effi- ciency)과 전송거리(transfer distance)가 증가하기 때문이 다. 반대로 시스템의 규모가 작아질수록 유도용량의 감소 에 따라 전송효율과 전송효율은 감소한다. 그러나 규모가 클수록 제품에 적용이 어려우므로 실용적인 시스템을 위 해 소형화가 필요하다.
본 연구에서는 자기공진형 무선전력전송 시스템의 소 형화를 위해 공진기를 설계하고 제작하였다. 또한, 제안 된 공진기의 재배열을 통해 다양한 시스템을 구성하여 전송효율을 측정 및 비교하였다. 이를 통해 소형 시스템 의 특성을 확인하고, 소형화의 가능성을 확인하였다.
Ⅱ. 본 론 2-1 이론적 배경
자기공진형 무선전력전송 시스템은 송신부와 수신부 로 나눌 수 있다. 그림 1과 같이 송신부는 급전(source) 공 진기와 송신(transmitter) 공진기로 구성되어 있다. 마찬가
지로 수신부는 수신(receiver) 공진기와 부하(load) 공진기 로 구성되어 있다. 급전공진기와 부하공진기는 루프로 구 현되어 있으며, 송․수신공진기는 코일로 구현되어 있다.
시스템의 각 공진기는 동일한 공진주파수(resonant fre- quency)를 가지며, 전력을 전송하는 동작주파수를 형성한 다. 시스템을 등가회로(equivalent circuit)로 표현한 그림 1 과 같이, 공진주파수는 식 (1)에 의해 각 공진기의 L(in- ductance)과 C(capacitance) 성분에 의해 결정된다.
(1)
이때 각 공진기의 L 성분은 식 (2)에 의해 각 공진기 간 의 자기결합인 상호유도용량을 결정한다.
(i, j, resonator No.) (2)이렇게 각 공진기 사이의 자기결합(M12, M23와 M34)을 형성하여 급전공진기에서 부하공진기까지 전력을 전송 한다.
(3)
무선전력전송 시스템의 효율은 네트워크 분석기(net- work analyzer)를 통해 S21을 얻게 되며, 식 (3)으로부터 전 송효율을 얻을 수 있다.
2-2 디스크형 이중코일공진기 설계 및 구조
자기공진형 무선전력전송 시스템에서 공진기는 일정 한 공진주파수에서 자기결합(magnetic coupling)을 형성하 여 전력을 무선으로 전송한다. 이러한 역할을 수행하기 위해 공진기는 공진주파수를 형성한다. 앞서 설명한 공진 기의 공진주파수는 식 (1)에 의해 유도용량 L과 정전용량
그림 1. 자기공진형 무선전력전송 시스템의 등가회로
Fig. 1. Equivalent circuit of MR-WPT system.
(a) (b)
그림 2. 디스크형 이중코일공진기의 구조. (a) 전면부, (b) 단면
Fig. 2. The structure of disk double coil resonator. (a) the front, (b) the cross section.
C 성분으로 결정된다.
제안된 디스크형 이중코일공진기(disk type double coil resonator)는 35 μm의 얇은 구리 재질이 사용되었다. 그 림 2 및 표 1과 같이 1.25 mm 두께의 아크릴 기판의 앞면 과 뒷면에 평면형 나선코일패턴(spiral coil pattern)을 구현 하였다. 나선코일패턴은 35 μm의 에폭시로 기판에 고정 되어 있다. 나선코일패턴의 최외각 지름은 9 cm이고, 2 mm의 넓이(width)의 구리가 1 mm 간격(pitch)으로 9번 감 겨 있다. 앞면과 뒷면의 나선코일패턴은 상단에서 연결하 였다.
디스크형 이중코일공진기는 코일의 길이가 L 성분이 되며, 각 코일 간 간격과 아크릴 기판 사이에서 C 성분이 발생하고, 식 (1)에 의해 공진주파수가 형성된다. EM 시 뮬레이션 Tool을 사용하여 루프와 코일을 설계하였으며, 설계된 공진기는 그림 3 및 표 1과 같이 제작하였다.
공진기에 사용된 구리의 비저항(ρ), 주파수(fres.) 및 상 대투자율(μr)에 의해 식 (4)와 같이 표피깊이(skin depth) 가 결정된다.
× ×
(4)
표피깊이는 주파수가 증가함에 따라 감소하며, 표피깊 이의 단면적당 비저항의 비를 나타내는 AC 저항은 DC 저항보다 크다. 루프는 주파수가 증가함에 따라 AC 저항 이 증가하지만, 나선코일패턴은 표피깊이보다 두께가 얇
(a) (b)
(c) (d)
그림 3. 공진기의 구조. (a) 루프 설계도, (b) 제작된 루프, (c) 디스크형 이중코일공진기 설계도, (d) 제작된 디스크형 이중코일공진기
Fig. 3. The structure of resonators. (a) design of loop, (b) manufactured loop, (c) design of coil disk, (d) ma- nufactured coil disk.
표 1. 공진기의 수치(루프 및 코일)
Table 1. Dimension of resonators(loop and coil).
Resonator
Specifications Loop Disk type coil
Material Copper Copper
Thickness 5 mm 0.035 mm
Turns of coil 1 8
Resonant frequency 6.78 MHz 6.78 MHz Size(diameter) 10 cm 9 cm 아 AC 및 DC 저항 간 차이가 크지 않다.
또한, 급전공진기와 부하공진기로 사용되는 루프에서 는 L 성분이 존재하지만, 기생 C의 형성이 어렵다. 그러 므로 외부에서 커패시터를 직렬로 연결하여 시스템의 동 작주파수에서 공진할 수 있도록 설계하였다(표 2).
2-3 디스크형 이중코일공진기의 특징
표 2. 공진기의 유도용량 및 정전용량(루프 및 코일) Table 2. RLC of resonators(loop and coil).
Resonator
Specifications Loop Disk type coil
Resistance 0.01 Ω 0.7 Ω
Inductance 166.99 nH 16,765.61 nH
capacitance - 32.87 pF
Connected capacitance 3,300 pF -
디스크형 이중코일공진기의 공진주파수는 아크릴 기 판의 두께나 나선코일패턴의 감은 수 및 길이로 조정할 수 있다. 식 (1)에 의해서, 아크릴 기판의 두께가 얇아지 면 양쪽 나선코일패턴 사이의 정전용량이 증가하면서 공 진주파수는 낮아진다. 또한, 나선코일패턴의 감은 수 및 길이가 감소하면 전도성 패턴의 유도용량과 감소하는 양 쪽 나선코일패턴 사이의 정전용량이 동시에 감소하면서 공진주파수는 증가하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 디 스크형 이중코일공진기의 양쪽 패턴연결을 각각 최외각 단 및 최내각단으로 연결했을 때 전송효율에 어떠한 영 향을 주는지 비교하였다.
감은 수 8의 나선코일패턴을 0.55 mm의 아크릴 기판 양쪽에 설계하여 디스크형 이중코일공진기를 제작하였 다. 최외각 방향에서 연결했을 때 공진주파수는 4.714 MHz였으며, 최내각 방향에서 연결했을 때 공진주파수는 4.392 MHz였다. 제작된 두 디스크형 이중코일공진기는
(a) (b)
그림 4. 6.78 MHz에서 공진주파수를 가지는 아크릴 기판 0.55 mm로 제작된 디스크형 이중코일공진기. (a) 최외각단 연결 공진기, (b) 최내각단 연결 공진기 Fig. 4. Disk type resonator at 6.78 MHz with 0.55 mm
acrylic substrate. (a) connected at outer part, (b) co- nnected at inner part.
표 3. 그림 4의 (a), (b)의 수치 비교
Table 3. The comparison between (a) and (b) in Fig. 4.
Resonator
Specifications Fig. 4(a) Fig. 4(b) Outer diameter 9 cm 8.4 cm Inner diameter 3.9 cm 4.4 cm
Number of turns 6.4 5.75
Resonant frequency 6.78 MHz 6.78 MHz 그림 4와 같이 감은 수 및 길이를 조정하여 공진주파수 6.78 MHz에 맞췄으며, 수치비교는 표 3과 같다.
Ⅲ. 실험방법
본 연구에서 제안된 소형 자기공진형 무선전력전송 시 스템의 전송효율 측정을 위해 그림 5와 같이 제작된 공진 기를 배열하여 시스템을 구성하였다. 이러한 배열은 전형 적인 간접급전식 시스템이며, 식 (2)와 같이 인접한 루프 및 코일 간의 자기결합을 통해 급전루프(source loop)부터 부하루프(load loop)까지 전력이 전송된다. 측정장비는 네 트워크 분석기(VNA: Vector Network Analyzer)를 사용하 였으며, S21을 측정하였다. 측정된 값은 식 (3)을 이용하여 백분율로 계산하여 전송거리-전송효율 그래프로 나타내 었다.
전송거리는 Tx와 Rx 공진기 사이의 거리로 정하고, 측 정거리는 3 cm부터 20 cm까지 정하였으며, 1 cm 간격으 로 S21을 측정하였다. 임피던스 정합(impedance matching)
그림 5. 소형 자기공진형 무선전력전송 시스템
Fig. 5. The miniaturized magnetic resonance wireless power transfer system.
을 위해 각 전송거리에서 각 코일로부터 루프 간의 거리 를 조정하여 최대 전송효율 값을 찾아냈다.
또한, 디스크형 이중코일공진기의 양쪽 나선코일패턴 을 연결하는 방향에 따라 전송효율에 미치는 영향을 알 아보기 위해 추가 실험을 진행하였다. 그림 4와 같이 각 각 나선코일패턴의 최외각단과 최내각단을 연결하여 6.78 MHz에서 공진하도록 설계한 두 공진기를 급전루프 와 부하코일 사이에 위치시켜 전송거리에 따른 전송효율 을 측정 및 비교하였다. 급전루프로는 그림 3의 (b)를 사 용하였고, 부하코일에는 그림 3의 (d)을 사용하였다.
Ⅳ. 결과 및 분석
4-1 소형 무선전력전송 시스템의 전송효율 분석
(a)
(b)
그림 6. 소형 자기공진형 무선전력전송 시스템의 측정
결과. (a) 전송거리에 따른 공진주파수 변화, (b) 전송거리에 따른 전송효율
Fig. 6. The measurement results of the minimized WPT systems. (a) Resonant frequency according to the transfer distance, (b) The transfer efficiency accor- ding to the transfer distance.
본 연구에서 소형화 된 자기공진형 무선전력전송 시스 템은 공진주파수 6.78 MHz에서 동작한다(그림 6(a)). 공 진주파수는 전송거리 13 cm 이후에 6.78 MHz로 수렴하 지만, 13 cm 부터는 자기장의 과결합(over coupling)에 의 해 공진주파수 이동이 발생한다[5]. 공진주파수의 이동은 전송거리가 짧을수록 그 변화량이 크며, 최대 0.66 MHz 가 이동하는 것을 알 수 있다. 측정된 시스템의 최대 전송 효율은 35.67 %이며, 전송거리가 증가할수록 전송효율이 감소하는 경향을 보인다(그림 6(b)).
자기공진형 무선전력전송 시스템 내에서 Tx와 Rx 공 진기로 사용되는 디스크형 이중코일공진기의 성능을 확 인하기 위해 Rx 공진기가 제외된 재배열 3-코일 시스템 의 전송효율을 측정하였다(그림 7). 두 시스템의 전송효 율 측정 후 비교한 결과, 전형적인 자기공진형 무선전력 전송 4-코일 시스템(A)의 전송효율과 비교하여 재배열 시 스템(B)는 전반적으로 낮은 전송효율을 보일 뿐만 아니 라, 전송거리 5 cm 이후의 거리에서는 전력전송이 거의 일어나지 않는 것을 볼 수 있다. 그 이유는 식 (2)에서 Tx 공진기와 부하루프 사이의 자기결합(M23)이 낮기 때문이 다. (B)의 최고 효율은 17.03 %였으며, 전송거리 5 cm까지 급
그림 7. 디스크형 이중코일공진기의 기능 실험. (a) 제안 된 공진기가 포함된 4-코일 시스템, (b) 제안된 공진기가 제거된 3-코일 시스템
Fig. 7. The measurement of (a) the conventional system (b) the WPT system without Rx disk type double coil resonator.
그림 8. 기본 배열 시스템과 수신 디스크형 공진기가 없 는 시스템의 전송효율 비교
Fig. 8. The comparison of transfer efficiencies between the conventional type and the WPT system without Rx coil.
격히 감소하는 경향을 보였다(그림 8). 이를 통해 디스크 형 이중코일공진기는 루프와 코일 간의 자기결합은 물론, 원거리에서 자기결합을 형성하는 기능을 확인하였다.
4-2 디스크형 이중코일공진기의 기능 분석
자기공진형 무선전력전송 시스템 내에서 디스크형 이 중코일공진기의 나선코일패턴 양단의 연결 방향이 시스 템의 전송효율에 미치는 영향을 확인하기 위해 그림 9와 같이 제작된 공진기를 급전루프와 부하코일과 함께 3-코 일 시스템을 구성한 뒤 전송효율을 측정하여 비교하였다.
측정결과, 공진기의 나선코일패턴을 최내각단보다 최 외각단에서 연결했을 때, 전송거리 10 cm 이하에서 상대 적으로 높은 전송효율을 보였다(그림 10). 그러므로 나선 코일패턴의 연결 방향이 시스템의 전송효율에 영향을 미 친다. 이는 나선코일패턴을 최외각단에서 연결했을 때 전 도성 패턴의 전류 흐름에 따른 자기장의 형성을 축방향 으로 집중해주는 정도가 상대적으로 크기 때문이다. 부하 코일에 최내각단의 연결이 공진기의 소형화에 유리한 구 조이나 전송효율 측면에서는 최외각단의 연결이 더 우수 하다는 것을 보여준다.
Ⅴ. 결 론
그림 9. 양쪽 나선코일패턴의 연결 방향이 전송효율에 미
치는 영향을 확인하기 위한 실험. (a) 최외각단 연 결, (b) 최내각단 연결
Fig. 9. The experiment for the effect on transfer efficiency according to the direction of connecting between two spiral coil patterns. (a) connecting at outer ends, (b) connetcing at inner ends.
그림 10. 양쪽 나선코일패턴의 연결 방향에 따른 전송효
율. (a) 최외각단 연결, (b) 최내각단 연결 Fig. 10. The transfer efficiencies according to the direction
of connecting between two end of spiral coil pa- ttern. (a) connetcing at outer ends, (b) connecting at inner ends.
본 연구는 모바일 기기에 적용가능한 자기공진형 무선 전력전송 시스템의 소형화에 관해 연구하였다. 시스템을 구성하는 공진기가 공진주파수를 갖기 위해 나선코일패
턴이 양면에 설계된 이중코일구조는 유도용량과 정전용 량을 증가시켜 공진주파수를 낮춘다. 제안된 소형 무선전 력전송 시스템의 공진주파수는 6.78 MHz이며, 전형적인 4-코일 시스템을 기준으로 최대 35.67 %의 전송효율을 보 인다. 제안된 디스크형 이중코일공진기는 시스템 내에서 Tx와 Rx 공진기로 사용되며, 공진기 간 자기결합을 형성 하여 전력을 전송하는 역할을 실험을 통해 확인하였다.
제안된 공진기는 작고 얇아지는 모바일 기기의 트렌드와 부합하여 적용 가능성이 크며, 나선코일패턴의 설계를 바 탕으로 추후 소형 및 박형 공진기 개발에 기여할 것으로 기대한다.
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교수
[주 관심분야] Antenna, RF, EMI/EMC, RF-MEMS, Sensor 등
