R&D연구결과보고서

(1)

보안과제( ), 일반과제(O) 11-911-01-110

방송통신기술개발사업

신전파 소재를 이용한

무선에너지전송 고효율화 기초 기술 연구

(Fundamental study of high efficiency wireless energy transfer using novel

electromagnetic materials )

2014. 3. 31.

홍익대학교 산학협력단

미 래 창 조 과 학 부

(2)

제 출 문

미래창조과학부 장관

귀하

이 보고서를 "신전파 소재를 이용한 무선에너지전송 고효율화 기초 기술 연구" 과제 의 보고서로 제출합니다.

2014. 3. 31

주관연구기관 : 홍익대학교 산학협력단 총괄 책임자 : 이정해

참여연구기관 : 서울대학교 산학협력단 참여 책임자 : 남상욱

참여연구기관 : 경희대학교 산학협력단 참여 책임자 : 이범선

참여연구기관 : 숭실대학교 산학협력단 참여 책임자 : 서철헌

참여연구기관 : 국민대학교 산학협력단 참여 책임자 : 장병준

(3)

기술개발사업 최종보고서 초록

1. 일반현황

사업명 원천기술개발사업 기술분류 전파위성-전파응용

과제명(과제번호) 신저파 소재를 이용한 무선에너지전송 고효율화 기초 기술 연구 (11-911-01-110)

주관기관

기관

(기업)명 홍익대학교 산학협력단 설립일 2004년 3월 17일

주소 서울 마포구 상수동 와우산로 94

대표자

(기관장) 박희석 연락처 02-320-1082

홈페이지 www.hongik.ac.kr Fax 02-320-1019

기술개발 현황

총괄책임자 이정해 연락처 02-320-1889

실무담당자 박병철 연락처

(e-mail)

02-322-1892 (

참여기관 서울대학교 산학협력단, 경희대학교 산학협력단 숭실대학교 산학협력단, 국민대학교 산학협력단

총사업비 (천원)

정부출연금 민간부담금

합계

현금 현물

900,000 0 0 900,000

총개발

기간 2011. 3. 01. ~ 2014. 02.28.

*********

(4)

2. 개발결과 요약

키워드 o 메타물질, 고효율 다기능 공진기, 고효율 송수신부, 스마트파 워컨트롤

핵심기술

o 고효율 다기능 공진기, 고효율 적응형 송수신부(Smart Power Control), 근접장 및 방사효과를 고려한 모델링, 메타물 질 자계 focusing 및 차폐재

최종목표

o 무선에너지전송용 고효율 공진기 연구

- 130kHz이하에서 공진기 크기 1.3*10

^-4

λ(30cm) (송수신기) - 13.56MHz에서 공진기 크기 6.8*10

^-3

λ(15cm) (송신기),

2.3 * 10

^-3

λ(5cm) (수신기)를 만족

- 상기 명시된 공진기 크기 하에 130kHz이하 또는 13.56 MHz 에서 30cm 거리 및 공진기간 전송효율 83% 이상 만족

o 근접장 및 방사 효과를 고려한 무선에너지전송 모델링 o 메타물질을 이용한 자계 focusing 및 차폐제 개발 o 적응형 고효율 송수신단 회로 연구

- 에너지전송 및 smart power control 기능 - 송신부 : 10W 출력에서 80% 이상 효율 - 수신부 : 7W 출력에서 85% 이상 효율

개발내용 및 결과

o High-Q 스파이럴 공진기

- 높은 인덕턴스 구현을 위해 스파이럴 구조 적용 및 낮은 저항값을 위해 평면형 도체 적용, Ferrite wall 적용 - 128kHz: 반경=24.9cm, 효율: 83.6%@30cm

- 13.56MHz: 송신기 반경=14.7cm, 수신기 반경=4.83cm, 효율: 50.8%@30cm

o 전방향 공진기

- 2-D 무선전력전송을 위해 3개의 Loop구조를

사용하였으며 이 Loop에 재구성 가능한 mode를 적용하기 위해 Relay 스위치를 적용하였음

- 거리 20cm, 전송효율: 평균 66.7% (59~71%@전방위각) o 근접장 및 방사효과를 고려한 무선전력전송 모델링

- Spherical mode들의 중첩을 이용하여 자유공간, 유전체가 존재하는 경우, 금속체가 존재하는 경우에 대해 field분포 예측 가능

- 방사저항을 고려하여 무선전력전송에서 정확한 효율 예측 가능

o 메타물질을 이용한 자계 focusing 및 차폐제 개발 - 유효투자율이 –1인 SRR을 이용하여 전송효율을

향상시키는 원천적인 기술

(5)

- 기존의 ferrite에 SRR패턴을 적용하여 차폐 성능 및 전송효율 향상 확인 (적용후 전송효율 30%증가@20cm) o 적응형 고효율 송수신단 회로 연구

- Smart Power Control 기술: 고효율 송수신기와 더불어 Smart Power Control 기술의 부하 감지 기술, 부하의 수신전력 안정화 기술 등을 구현

- 송신부: 13.56MHz, 효율 84.89%, 41.56dBm(14.32W) 128kHz, 효율 86.15%, 41.33dBm(13.58W) - 수신부: LF대역 85%

기술개발배경

o 무선전력전송에서 가장 중요한 설계 요소는 전송효율과 어떠한 환 경에도 대응할 수 있는 적응형 기술이며 이들을 구현하기 위한 관련 기술들을 개발하였음

핵심개발기술의 의의

- 기존의 개발된 Intel 공진기와 MIT공진기에 비해 설계된 공진기는 소형화 되었으며 전송효율 또한 Intel 공진기에 비해 높아 추후 중거리 무선전력전송에 활용 가능함 o 전방향 공진기

- 기존의 바이오메디컬용 전방향 수신기 설계 사례는 있으나 구체적인 무선전력전송용 고효율 공진기 설계 사례는 없으며 원천기술임, 추후 3-D전송으로 확장 가능함 o 근접장 및 방사효과를 고려한 무선전력전송 모델링

- Spherical mode를 이용한 무선전력전송용 모델링 방법은 없었으며 앞으로 이론적인 연구가 더 진행될 수 있는 학문적 가치가 있는 연구임

- 방사효과를 고려함으로서 정확한 효율예측이 가능함 o 메타물질을 이용한 자계 focusing 및 차폐제 개발

- 메타물질 자계 focusing 기술은 아직 구체적인 연구사례가 없는 원천기술 확보 가능한 신기술로 앞으로 추가적인 연구를 통해 구체화 가능한 기술

- 자계 차폐재 개발은 기존의 없었던 설계 방법으로 낮은 투자율 ferrite를 통해 차폐성능과 효율을 향상할 수 있는 원천적 기술

o 적응형 고효율 송수신단 회로 연구

- 개발된 Smart Power Control기술들은 기술표준인 WPC 및 A4WP 적용가능

적용분야 - 무선전력전송의 적용분야는 각종 휴대용 단말기, 가전제품, 소형 센서 등 각종 전자기기가 해당됨

(6)

3. 기술 및 경제적 성과

기술적 성과

- Intel 공진기: kr=0.048, 거리(d/λ)=0.03, 효율: 25%

- MIT 공진기: kr=0.066, 거리(d/λ)=0.03, 효율: 93%

- High-Q 공진기: kr=0.041, 거리(d/λ)=0.03, 효율: 45%

- Intel공진기와 MIT공진기에 비해 소형화, Intel공진기에 비해 전송효율 높음, 특허등록 완료 (등록번호: 10-1329042) o 적응적 임피던스 정합 장치

- 거리에 따라 임피던스를 적응적으로 정합하는 장치 - 기존 기술인 frequency tracking방법에 비해 평균 10%

전송효율 향상, 특허등록 완료 (등록번호: 10-1338690) o 시간 분할 방식을 이용한 무선전력전송 방법

- 여러개의 수신기에 시간을 할당하여 무선충전하는 원천기술 - 특허 등록 완료 (등록번호: 10-1104513)

o 본 과제를 통해 SCI논문 6편(국내외 저널 및 학술대회 35편), 특허 출원 16건(국내 15건, 해외 1건) 등록 4건의 기술적 성과를 획득하였음

경제적 성과

o 개발된 무선전력전송 기술들은 향후 우리 일상생활을 바꿀 수 있는 혁신적인 것으로 본격적인 상용화 제품들이 출시될 예정이며 일자리 창출 및 경재활성화에도 기여 할 것으로 사료됨

4. 파급효과 및 기대효과

파급효과 o 복잡한 배선이 불필요하므로 산업 전반의 생산성 향상 기여 가능 o 일회용 배터리의 사용을 감소시킬 수 있는 그린에너지 기술임 기대효과 o 휴대 가전기기의 무선에너지공급은 사용자의 편의성을 향상시켜

소비증대효과를 가져올 수 있음

5. 해당기술, 제품의 시장 현황

해외시장

o 무선전력전송 시장은 2020년 어느 정도 포화상태를 이룰 것으로 예상되나 지속적인 증가추세를 보일 것으로 예상됨

구분 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 CAGR 모바일 1,111 1,353 1,648 2,009 2,449 2,985 3,640 4,438 5,410 21.9%

정보가전 53 60 70 80 92 105 120 136 153 14.2%

산업용 500 647 837 1,081 1,394 1,794 2,301 2,938 3,727 28.5%

인프라 3,236 3,384 3,521 3,678 3,862 4,081 4,346 4,674 5,086 5.8%

자동차 - 26 62 108 177 266 391 532 685 50.5%

계(백만불) 4,900 5,470 6,138 6,956 7,974 9,231 10,798 12,718 15,061 15.1%

(7)

6. 제품 사진 (기술개발 제품 관련 사진, 그림, 도면 등)

High-Q 스파이럴 공진기

전방향 공진기 시스템 의송수신기와 시스템 구성도

제작된 메타물질 focusing slab

적응형 바이어스 회로를 적용한 증폭기

Smart Power Control의 전원 ON/OFF 및 수신전력안정화 알고리즘

(8)

기술개발사업 주요 연구성과 (총 개발기간 기준)

사업명 원천기술개발사업

과제명 신전파 소재를 이용한 무선에너지전송 고효율화 기초 기술 연구

주관기관명 홍익대학교 산학협력단 설립일 2004년 3월 17일

주소 서울 마포구 상수동 와우산로 94

대표자(기관장) 박희석 연락처 02-320-1082

총괄책임자 이정해 FAX 02-320-1019

총개발기간 2011. 3. 1. ~ 2014. 2. 28.

총사업비(백만원) 900 정부출연금 900 민간부담금 0

참여기관(책임자) 서울대학교 (남상욱), 경희대학교 (이범선), 숭실대학교 (서철헌), 국민대학교 (장병준)

성과지표 세부지표 성 과 비 고

사업화 성과

매출액

개발제품 개발후 현재까지 억원

해당사항 없음 향후 3년간 매출 억원

관련제품 개발후 현재까지 억원

향후 3년간 매출 억원

시장 점유율

개발제품

개발후 현재까지 국내 : % 국외 : % 향후 3년간 매출 국내 : % 국외 : %

□ 구체적인 연구 성과

1. 지식재산권

가. 1차년도 연구 성과 (2011년)

1) 종류 : 01-특허, 02-실용신안, 03-디자인, 04-상표, 99-기타

2) 해외출원 여부 : 1-국내 출원, 2-PCT 해외 출원, 3-일반 해외 출원

나. 2차년도 연구 성과 (2012년)

1)

종 류

2)

해외 출원

국내 / 국외

출원 (등록) 국

출원 (등록) 구분

출원(등록)

번호 발명명칭 출원(등록)

기관

출원(등록) 일

01 1

국내 한국 등록

10-2012-007 3582 (10-1338690)

무선전력전송의 적응 적 임피던스 정합을

위한 방법 및 장치

홍익대학교 산학협력단

2012.07.06 (2013.12.02)

1)

종 류

2)

해외 출원

국내 / 국외

출원 (등록) 국

출원(등록)

기관

출원(등록) 일

01 1

10-2009-013 3358 (10-1094595)

페라이트 로딩을 이 용한 무선충전 시스

템

2012.07.06 (2011.12.08)

01 1

10-2011-012 3830 (10-1329042)

무선 전력 전송을 위 한 높은 큐의 영차

공진기

2012.12.10 (2013.11.14)

01 3

국외 미국 출원 13-397522

METHOD, SYSTEM AND

COMPUTER-READ ABLE RECORDING MEDIUM FOR TRANSFERRING WIRELESS POWER BY USING

ANTENNAS WITH HIGH ORDERS OF SPHERICAL

MODES

서울대학교

산학협력단 2012.02.15

01 1

국내 한국 출원 10-2012-000 7019

무선 전력 전송을 위 한 고효율 ＤＣ－Ａ

Ｃ 변환 회로

홍익대학교

산학협력단 2012.01.20

01 1

국내 한국 출원 10-2012-001 6585

무선 전력 전송을 위 한 자계 집속 테이블

홍익대학교

산학협력단 2012.02.17

(10)

다. 3차년도 연구 성과 (2013년)

01 1

국내 한국 출원 10-2012-014 2987

무선전력전송을 위한 적응형 바이어스 조 절 회로를 이용하는 고효율 전력 증폭기

홍익대학교

산학협력단 2012.12.10

01 1

국내 한국 출원 10-2013-000 8110

무선으로 전력을 전 송하는 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능

한 기록 매체

서울대학교

산학협력단 2013.01.24

01 1

국내 한국 출원 10-2013-000 8427

3차원 무선전력전송 을 위한 공진기, 공 진기 모드 선택 방법

및 시스템

홍익대학교

산학협력단 2013.01.25

01 1

국내 한국 출원 10-2013-002 0115

무선 전력 전송장치, 무선 전력 전송 송신 장치 및 그것의 데이

터 전송 방법

홍익대학교

산학협력단 2013.02.25

01 1

국내 한국 출원 10-2013-001 7273

자계집속 구조를 포 함한 휴대용 무선충

전 장치

경희대학교

산학협력단 2013.02.19

1)

종 류

2)

해외 출원

국내 / 국외

출원 (등록) 국

출원(등록)

기관

출원(등록) 일

01 1

10-2010-001 3713 (10-1104513)

시간 분할 방식을 이용한 다중 무선 전력 전송 방법 및

시스템

서울대학교 산학협력단

2010.02.16 (2012.01.03)

01 1

국내 한국 출원 10-2013-014 3012

다수의 공진기를 포함하는 무선 전력전송 시스템

홍익대학교

산학협력단 2013.11.22

01 1

국내 한국 출원 10-2013-015 9951

무선 전력전송용 공진기

홍익대학교

산학협력단 2013.12.20

01 1

국내 한국 출원 10-2013-015 9952

무선 전력전송용 공진기

홍익대학교

산학협력단 2013.12.20

(11)

2. 논문 게재/발표 실적

가. 1차년도 연구 성과 (2011년)

1)

논문

구분 학술지명 논문명 저자명 출판일 SCI

구분 01

Progress In Electromagnetic s Research

HF-band wireless power transfer system: concept, issues, and design

Byung-Jun Jang, S. Lee and H. Yoon

2012년

1월 SCI

03

Journal of Electromagnetic Engineering And Science

Analysis of Wireless Power Transfer Characteristics for Multiple Receivers by Time Sharing Technique

Jongmin Park and Sangwook Nam

2011년

9월 비SCI

03

Wireless energy transmission high-efficiency DC-AC

converter using high-gain high-efficiency two-stage class-E power amplifier

Jaewon Choi and Chulhun Seo

2011년

9월 비SCI

03

Analysis of Magnetically Coupled Wireless Power Transmission for Maximum Efficiency

Chungju Kim and Bomson Lee

2011년

9월 비SCI

03 한국전자파학회 논문지

근거리에서 효율향상을 위해 적응 주파수제어 회로를 갖는 HF-대역 무선전력전송 시스템

장병준, 원도현 2011년

11월 비SCI

03 한국전자공학회 논문지

고조파 억제 필터를 이용한 무선 전력전송 고이득 고효율 DC-AC 변환회로

황현욱, 최재원, 서철헌

2012년

2월 비SCI

06

경희대학교 레 이저 공학 연구 소

자계 결합 방식 무선 전력 전송의

이론적 분석 김충주, 이범선 2011년 비SCI

01 1

국내 한국 출원 10-2013-016 0033

무선 전력 증폭기용 적응형 바이어스

회로 및 이를 포함하는 무선 전력

전송 시스템

숭실대학교

산학협력단 2013.12.20

(12)

1)

논문

구분 논문명 저자명 학술대회명 학술대회

개최국

학술대회 발표일 04

Class-E 전력증폭기를 이용한 무 선 전력전송 고이득 고효율 DC-AC 변환회로

황 현 욱 , 최 재 원 , 서철헌

전자정보통신 학술

대회 한국 2011년

12월 9일

04 무선전력전송을 위한 High-Q 영 차공진기 설계 설계

박 병 철 , 박 재 현 , 이정해

한국전자파학회 종

합학술발표회 한국 2011년

11월 25일 1) 논문구분 : 01-국외전문학술지, 02-국외학술대회발표논문집, 03-국내전문학술지, 04-국내학술대회발표논문집,

05-국외기타논문집, 06-국내기타논문집

나. 2차년도 연구 성과 (2012년)

1)

논문

구분

01

MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS

SIMPLE EFFICIENT RESONANT COUPLING WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM

OPERATING AT VARYING DISTANCE BETWEEN ANTENNAS

Jongmin Park, Sungho Lee, Youndo Tak, and Sangwook Nam

2012년

10월 SCI

03 한국전자파학회 논문지

무선 전력전송용 High-Q 스파 이럴 영차 공진기

박병철, 박재현, 이정해

2012년

3월 비SCI 03 한국전자파학회

논문지

자계 결합 무선 전력 전송에서 의 결합 계수 추출 방법

김건영, 이범선

2012년

9월 비SCI 03 한국전자파학회

논문지

E급 증폭기의 바이어스 스위칭 회로를 이용한 HF-대역 자기장 통신 시스템

손용호, 이준, 조상호, 장병준

2012년

9월 비SCI

03 전자공학회논문 지

적응형 바이어스 조절 회로를 사용한 무선에너지 전송용 고 효율 전력증폭기

황현욱, 서철헌 2012년

10월 비SCI 06 전자파기술지 근거리 무선 전력 전송 기술의

재고 장병준 2012년

3월 비SCI 06 전자파기술지 휴대용 IT 기기를 위한 WPC

무선 표준(Qi) 소개 장병준 2012년

11월 비SCI

(13)

1)

논문

개최국

학술대회 발표일

02

High Gain and High PAE Power Amplifier by Employing Adaptive Bias Control Circuit for Resonant WPT

Hyunwo ok Hwang, Seungin Yang and Chulhun Seo

2012 Asia - Pacific Microwave Conference

Taiwan 2012년 12월 6일

04

E급 증폭기의 바이어스 스위칭 회로를 이용한

HF-대역 자기장 통신 시스템 설계

손용호, 이준, 조 상호, 장 병준

2012년 춘계 마이크 로파 및 전파전파 학 술대회

한국 2012년 5월 25일

04

자계 결합 무선전력전송에서의 부하저항에 따른 결합계수의 변화

김건영, 이범선

한국전자파학회 전자 파기술 하계 학술대 회

한국 2012년 7월 26일

04

유효 자성체 삽입에 따른 자계 결합 무선전력전송 시스템의 전송 효율 변화 연구

오택규, 이범선

한국전자파학회 전자 파기술 하계 학술대 회

한국 2012년 7월 26일

04

LF-대역 무선전력전송의 전력 제어 및 통신을 위해 가변 바 이어스 회로를 갖는 E-급 증폭 기

손용호, 이준, 이 승표, 한 상규, 장 병준

2012년도 종합학술발

표회 한국 2012년

11월 30일

04

자계 focusing을 이용한 자계 결합 무선전력전송 시스템의 전송효율 변화 연구

오택규, 이범선

2012년도 종합학술발

표회 한국 2012년

11월 30일

06 HF-대역 자기장 응용을 위한 전파특성 분석

이준, 손 용호, 장 병준

전자기장의 생체영향

에 관한 워크샵 한국 2012년

9월 13일 1) 논문구분 : 01-국외전문학술지, 02-국외학술대회발표논문집, 03-국내전문학술지, 04-국내학술 대회발표논문집, 05-국외기타논문집, 06-국내기타논문집

(14)

다. 3차년도 연구 성과 (2013년)

1)

논문

구분

01

IEEE

TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND

PROPAGATION

Determination of the

Generalized Scattering Matrix of an Antenna From

Characteristic Modes

Yoon Goo Kim and Sangwook Nam

2013년

9월 SCI

01

IEEE

MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS

Mode Reconfigurable Resonators Insensitive to Alignment for Magnetic Resonance Wireless Power Transmission

Byung-Chul Park, Ju-Hui-Kim, and Jeong-Hae Lee

2014년

1월 SCI

01

IEEE

PROPAGATION

Spherical Mode-Based Analysis of Wireless Power Transfer Between Two Antennas

Yoon Goo Kim and Sangwook Nam

2014년 출판 예정

SCI

01

IEEE

PROPAGATION

Adaptive Impedance Matching of Wireless Power

Transmission using Multi-loop Feed with Single Operating Frequency

Byung-Chul Park and Jeong-Hae Lee

2014년 출판 예정

SCI

03

JOURNAL OF ELECTROMAGN ETIC

ENGINEERING AND SCIENCE

Enhancement of Wireless Power Transfer Efficiency Using Higher Order Spherical Modes

Yoon Goo Kim, Jongmin Park, and Sangwook Nam

2013년

3월 비SCI

03

JOURNAL OF ELECTROMAGN ETIC

ENGINEERING AND SCIENCE

New Analysis Method for Wireless Power Transfer System with Multiple n Resonators

Ju-Hui Kim, Byung-Chul Park, and Jeong-Hae Lee

2013년

9월 비SCI

03 한국전자파학회논 문지

E급 증폭기의 바이어스 조정을 통한 LF-대역 무선 전력 전송 시스템의 수신 전력 안정화

손용호, 한상규, 장병준

2013년

9월 비SCI

03 대한전자공학회

논문지

무선전력전송용 게이트 및 드레 인 조절 회로를 이용한 고이득 고효율 전력증폭기

이성제, 서철헌 2014년

1월 비SCI

03 한국전자파학회논 문지

주변 물질에 따른 자계결합 무 선전력전송 시스템의 전송 효율 변화 연구

오택규, 이범선 2014년

3월 비SCI

(15)

1) 논문구분 : 01-국외전문학술지, 02-국외학술대회발표논문집, 03-국내전문학술지, 04-국내학술대회발표논문집, 05-국외기타논문집, 06-국내기타논문집

1)

논문

개최국

학술대회 발표일

02

Accurate Analysis Method of Wireless Power Transfer System with Multiple Relays

Ju-Hui Kim, Byung-Chul Park, and Jeong-Hae Lee

APMC 2013 한국 2013년 11월 8일

02

Simultaneous Data and Power Transmission in Resonant Wireless Power System

Yong-Ho Son and Byung-Jun Jang

APMC 2013 한국 2013년 11월 7일

04

무선전력전송용 다중루프 급전을 이용한 적응적 임피던스 정합 방법

박병철, 김주 희, 이정해

2013년도 마이크로파 및 전파전파 합동 학술대회

한국 2013년 5월 24일

04

무선 에너지전송 시스템의 효율적인

전자파적합성(EMC) 측정 및 분석 방법

심현진, 박종 민, 남상욱

한국 2013년 5월 24일

04

송 수신 코일의 권선 수에 따른 무선전력전송시스템 효율 분석

김건영, 이범 선

한국 2013년 5월 24일

04

송신단 가변 전압조정 회로 를 이용한 공진형 무선전력 전송 시스템의 수신전력 안 정화

손용호, 장병 준

한국 2013년 5월 24일

04

최대 무선 전력 전송 효율 을 얻기 위한 중계 공진기 의 설계

김주희, 박병 철, 이정해

2013년도 한국전자 파학회 하계종합학 술대회 논문집

한국 2013년 8월 23일

04

Characteristic mode를 이용 하여 무선전력전송시스템에 서 주변 금속체의 영향 분 석

박종민, 남상 욱

한국 2013년 8월 23일

04

자계 집속을 이용한 무선전 력전송시스템에서의 Slab의 영향 분석

김건영, 이범 선

한국 2013년 8월 23일

(16)

3. 표준화 실적 해당사항 없음

4. 기술이전(기술료) 실적 해당사항 없음

5. 인증/포상 실적 등 (국내 및 국외)

번호 구분 명칭 일시 국명 수여기관명 발생차수

1 수상

우수논문상

(“무선 전력 전송용 High-Q 스파이럴 영차공진기”)

2012년

12월 13일 대한민국 한국전자파학회 2차년도

2 수상

우수논문상

(“E급 증폭기의 바이어스 스위칭 회로를 이용한 HF-대역 자기장

통신 시스템 설계”)

2012년

3 수상

우수논문상

(“자계 결합 무선 전력 전송에서의 결합 계수 추출 방법”)

2012년

4 수상

미래전파연구 아이디어 공모 및 창의설계 제작 경진대회 장려상 (“무선전력전송시스템 개발을 위한

HW/SW융합 플랫폼”)

2013년

6. 사업화 계획 및 매출실적 해당사항 없음

7. 고용 창출 해당사항 없음 8. 기타 성과 해당사항 없음 9. 변경이력 해당사항 없음

(17)

국문 요약문

① 관 리 번 호 11 – 911 – 01 - 110

② 보 고 서 명 신전파 소재를 이용한 무선에너지전송 고효율화 기초 기술 연구

③ 사 업 명 ^{방송통신연구개발사업}

④ 총 괄 책 임 자 성 명 이정해 직 위 교수

⑤ 주 관 기 관 홍익대학교 산학협력단

⑥ 연구내용 및 결과

Ⅰ. 제 목

o 신전파 소재를 이용한 무선에너지전송 고효율화 기초 기술 연구

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성

o 무선에너지전송 기술개발은 마지막 남은 전력선을 없앨 수 있는 신기술로 우리 일상생활에 편리성과 자유도를 제공할 수 있다. 뿐만 아니라 이 기술을 통해 새로 운 일자리 창출 및 경제 활성화에 기여할 수 있다.

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위

o 무선에너지전송용 고효율 공진기 개발

- 130kHz이하, 공진기 크기 1.3*10-4λ(30cm) (송수신기) 또는 13.56MHz, 공진 기 크기 6.8*10-3λ(15cm) (송신기), 2.3 * 10-3λ(5cm) (수신기)를 만족

- 130kHz이하 또는 13.56MHz, 거리 30cm, 전송효율 83% 이상 만족 o 전방향 공진기 개발

o 근접장 및 방사효과를 고려한 무선에너지전송 모델링 o 메타물질을 이용한 자계 focusing 및 자계 차폐재 개발 o 적응형 고효율 송수신단 회로 연구

- Smart Power Control 기능

- 송신부: 10W 출력, 80%이상 효율 - 수신부: 7W 출력, 85%이상 효율

(18)

⑥ 연구내용 및 결과

Ⅳ. 연구개발결과

- 128kHz, 공진기 반경:24.9cm, Q-factor:228, 효율:83.6% @ 30cm o 전방향 공진기

- 13.56MHz, 거리:20cm, 전방위각에서 전송효율:59~71%

o 근접장 및 방사효과를 고려한 무선전력전송 모델링

- Spherical mode들을 중첩하여 공진기 주변의 다양한 상황에 따른 E-field 및 H-field 예측 가능

- 방사효율을 고려하여 무선전력전송의 정확한 효율 예측 가능 o 메타물질을 이용한 자계 focusing 및 자계 차폐재 개발

- 유효 투자율이 –1인 SRR구조를 활용한 Slab연구를 통해 전송효율 향상 확인 - 저손실을 위한 최적의 SRR구조 연구

- 기존의 Ferrite에 SRR패턴을 적용한 자계 차폐재

- 개발된 자계차폐재는 기존의 자폐재보다 30% 전송효율 향상 (거리 20cm) o 적응형 고효율 송수신단 회로 연구

- Smart Power Control: 수신기 부하의 감지기술 및 전력 안정화 기술 - 송신부: 13.56MHz, 84.89% 효율, 41.56dBm (14.32W) 출력

128kHz, 86.15% 효율, 41.33dBm (13.58W) 출력 - 수신부: LF대역, 85% 효율

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획(활용에 대한 건의포함)

o 개발된 기술들은 중거리 전력전송을 위한 기본 연구였으며 이 연구 결과를 토 대로 본격적인 3-D 공간 무선전력전송을 위해 지속적인 연구 개발이 필요하다.

⑦ 키워드

메타물질, 고효율 다기능 공진기, 고효율 송수신부, 스마트파워컨트롤

(19)

S U M M A R Y

(영문요약문)

① Accession Number 11 - 911 - 01 - 110

② Title Fundermental study of high efficeicny wireless energy transfer using novel electromagnetic materials

③ Project Broadcasting Communications R&D Program

④ Author Name Jeong-Hae Lee Section Professor

⑤ Institute Hongik University

⑥ Abstract

In this project, the novel wireless power transmission (WPT) technologies, composed of high-Q and omnidirectional resonators, the high efficiency transmitter and receiver for the smart power control, new models for analyzing the near field and the radiation loss, and the magnetic field focusing and shielding using the metamaterials, are proposed.

The detailed results of this project are as follows:

- High-Q spiral resonator: 128kHz, radius of 24.9cm, Q-factor of 228, and WPT efficiency of 83.6% at 30cm.

- Omnidirectional resonator: 13.56MHz, WPT efficiency of 59 to 71% in the azimuthal plane at 20cm.

- Near field analysis using the spherical mode and equivalent circuit model considering the radiation resistance.

- Efficiency improvement utilizing the metamaterial field focusing and the SRR on the ferrites.

- Smart power control including the high efficiency transmitter and receiver

1) Load detection and stable power supply to the load.

2) Transmitter: 13.56MHz, DC-AC efficiency of 84.89%, output power of 41.56 dBm (14.32W).

128kHz, DC-AC efficiency of 86.15%, output power of 41.52 dBm (13.58W).

3) Receiver: LF band, AC-DC efficiency of 85%.

The results above are fundermental researches for the mid-range WPT. It is thought that based on these results, the realistic 3-D WPT can be achieved in the near future.

⑦ Key Words

Metamaterials, high-Q resonators, multi-functional resonators, high efficiency transmitter and receiver, smart power control.

(20)

목 차

제 1 장 서론 ··· 32

제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ··· 32

제 2 절 국내 외 관련 기술 및 시장의 현황 ··· 35

제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적 경제적 파급효과 ··· 40

제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ··· 42

제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ··· 42

제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발범위 ··· 45

제 3 장 결과 및 향후계획 ··· 63

제 1 절 연구개발 결과 ··· 63

1. 연차 연구개발 추진 일정 ··· 63

2. 연차 연구개발 추진 실적 - 1차년도 ··· 66

5. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과물 ··· 147

제 2 절 연구개발 추진 체계 ··· 165

제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ··· 175

제 4 절 사업비 사용현황 ··· 181

제 5 절 연구개발결과의 활용계획 ··· 184

별첨 1. 자체평가서

별첨 2. 자체보안관리진단표

(21)

표 목 차

(표 2-1) 정량적 목표 항목 ··· 43

(표 3-1) 거리에 따른 방사율과 전송효율 ··· 70

(표 3-2) 전자파장해방지기준 ··· 72

(표 3-3) Class-E 전력증폭기 성능 ··· 76

(표 3-4) W에 따라 WPT eff.가 최대가 되는 전송효율 및 공진기 반경 ··· 84

(표 3-5) 유효유전율과 유효투자율에 따른 전송효율 변화 ··· 94

(표 3-6) Ferrite 적용 전후의 전기적 파라미터 비교 ··· 109

(표 3-7) Slab을 이용한 무선전력전송 시스템 효율 ··· 129

(표 3-8) 13.56MHz 적응형 바이어스 회로의 측정 결과 ··· 137

(표 3-9) 128kHz 적응형 바이어스 회로의 측정 결과 ··· 139

(표 3-10) 무선전력전송 세계시장 전망 ··· 175

(표 3-11) 국내외 충전기 시장 전망 ··· 176

(22)

그 림 목 차

(그림 1-1) 유전율, 투자율에 따른 메타물질의 분류 ··· 32

(그림 1-2) 메타물질을 이용한 고효율 무선에너지 전송 기술 개념도 ··· 33

(그림 1-3) 무선에너지전송 국외 동향 ··· 37

(그림 1-4) 국외 자기유도 충전제품 예 ··· 38

(그림 1-5) 국내 자기유도 충전제품 예 ··· 38

(그림 1-6) MIT 에너지전송 시연 ··· 39

(그림 1-7) Qualcomm의 ezone기술 ··· 39

(그림 2-1) 메타물질 전송선로 ··· 45

(그림 2-2) ENG TL, MNG TL, CRLH TL의 분산곡선 ··· 45

(그림 2-3)

U

에 따른 전송효율의 변화 ··· 46

(그림 2-4) 무선에너지전송 시스템의 구조 ··· 47

(그림 2-5) 방사손실을 고려한 무선전력 전송 시스템의 등가모델 ··· 48

(그림 2-6) 자유공간에서의 근접장 해석방법 ··· 49

(그림 2-7) 고효율 Class-E 전력증폭기 ··· 49

(그림 2-8) 1차년도 개발목표 및 개발내용 요약 ··· 50

(그림 2-9) Focusing의 원리 ··· 52

(그림 2-10) 음의 유전율, 투자율을 구현하기 위한 구조 ··· 53

(23)

(그림 2-11) 자기장 lens(focusing)를 이용한 에너지전송의 예 ··· 54

(그림 2-12) 주변환경(금속체)의 존재에 따른 근접장 해석방법 ··· 54

(그림 2-14) 공진기, ferrite, copper의 배치도 및 자계분포 ··· 57

(그림 2-15) 음의 투자율을 이용한 무선전력전송 ··· 57

(그림 2-16) 일반 루프와 메타구조 루프의 비교 ··· 58

(그림 2-17) 공진주파수 연동에 따른 해결방안 개념도 ··· 59

(그림 2-18) 주변환경(유전체)의 존재에 따른 근접장 해석방법 ··· 59

(그림 2-19) 전력증폭기 공진 안테나 통합형 고효율 무선에너지전송 송신부 ··· 61

(그림 3-1) 제작된 Spiral 영차공진기 ··· 66

(그림 3-2) 측정결과 (Symmetric case) ··· 66

(그림 3-3) 다양한 WPT시스템의 효율 비교 ··· 67

(그림 3-4) 제자된 Spiral 영차공진기((Asymmetric case) ··· 67

(그림 3-5) 측정결과 (Asymmetric case) ··· 68

(그림 3-6) 자기장 결합 방식 무선 전력 전송의 등가회로 ··· 68

(그림 3-7) 정합된 루프의 구조 ··· 69

(그림 3-8) 제작된 무선 전력 전송 시스템 ··· 70

(24)

(그림 3-9) 공진기 결합 모델 ··· 71

(그림 3-10) 전자기장이 계산되는 영역 ··· 71

(그림 3-11) KN 11: ISM류 장해방지 시험방법 ··· 72

(그림 3-12) Helix 안테나의 크기와 배치 및 전자기장이 계산되는 구면 ··· 73

(그림 3-13) 이론과 모의실험으로 계산한 전기장 ··· 74

(그림 3-14) Two-stage Class-E 전력증폭기 회로도 ··· 75

(그림 3-15) 입력전압에 따른 출력전압과 전력효율 ··· 75

(그림 3-16) Two-stage Class-E 전력증폭기 측정 ··· 75

(그림 3-17) Butterworth BPF ··· 76

(그림 3-18) Butterworth BPF 특성 ··· 76

(그림 3-19) series resonator를 이용한 전력증폭기 ··· 76

(그림 3-20) Butterworth filter를 이용한 전력증폭기 ··· 76

(그림 3-21) Butterworth filter의 유무에 따른 S

22

비교 ··· 77

(그림 3-22) 주파수에 따른 출력파워와 효율 ··· 77

(그림 3-23) 제안한 이중대역 저지 필터 ··· 78

(그림 3-24) 이중대역 저지 필터 특성 ··· 78

(그림 3-25) 2-stage Class-E 전력증폭기 회로도 ··· 78

(그림 3-26) 입력에 따른 출력 전력, 전력 효율, 드레인 전류 ··· 79

(25)

(그림 3-27) R

load

와 k 가변시 Z

equivalent

graph ··· 80

(그림 3-28) 출력전력 5W 고정 시, R

Load

에 따른 V

control

& Efficiency ··· 80

(그림 3-29) 수신단의 구조 ··· 81

(그림 3-30) 1W 입력시 수신단 입사파의 크기와 출력 전력 ··· 81

(그림 3-31) DBS회로와 E급 증폭기의 연동회로 ··· 82

(그림 3-32) ASK 수신 회로도 ··· 82

(그림 3-33) 130kHz이하 Spiral 영차공진기 구조 ··· 83

(그림 3-34) W=6cm 일 때 저항과 턴수, M과 턴수, U, WPT eff.와 턴수의 관계 ··· 83

(그림 3-35) 최적화된 공진기의 거리에 따른 전송효율 ··· 84

(그림 3-36) 제작된 130kHz 이하 공진기 ··· 85

(그림 3-37) 130kHz 이하 공진기 측정 결과 ··· 85

(그림 3-38) 전방향공진기 구조, 3D view, Top view ··· 85

(그림 3-39) 공진기의 다양한 mode ··· 86

(그림 3-40) 제작된 전방향 공진기 ··· 86

(그림 3-41) 전방향 공진기 측정결과 ··· 87

(그림 3-42) 싱글루프피딩이 적용된 무선파워전송 시스템의 등가회로 ··· 87

(그림 3-43) 디자인된 5-Loop 다중루프 피딩 ··· 88

(그림 3-44) 5-Loop 피딩이 적용된 WPT 시스템 ··· 89

(26)

(그림 3-45) 제작된 멀티루프 피딩 구조 ··· 89

(그림 3-46) 측정된 반사손실 ··· 90

(그림 3-47) 측정된 전송효율 ··· 90

(그림 3-48) Ring Resonator의 구조 ··· 91

(그림 3-49) Ring Resonator의 등가회로 ··· 91

(그림 3-50) S-parameter 결과 ··· 92

(그림 3-51) 추출된 유효 투자율 ··· 93

(그림 3-52) 자기장 결합 방식 무선 전력 전송 시스템 ··· 93

(그림 3-53) 음의 굴절률을 이용한 포커싱 현상 개념도 ··· 93

(그림 3-54) 3-D 구조 Ring Resonator 단일 셀 ··· 94

(그림 3-55) 추출된 유효 투자율 ··· 94

(그림 3-56) 자계집속 무선전력전송 시스템 ··· 95

(그림 3-57) 금속판과의 간격에 따른 PTE 특성 ··· 95

(그림 3-58) 금속판의 크기에 따른 PTE 특성 ··· 96

(그림 3-59) 안테나의 특성에 따른 PTE 특성 ··· 96

(그림 3-60) loop 안테나의 배치 및 전자기장이 계산되는 구면··· 97

(그림 3-61) 이론과 모의 실험으로 계산한 전기장··· 98

(그림 3-62) Radiation efficiency에 따른 10m 구면에서의 전자장의 크기, Radiation efficiency에 따른 총 전력량··· 98

(27)

(그림 3-63) 적응형 바이어스 조절 회로 블록도 ··· 99

(그림 3-64) 포화영역에 따른 효율 변화··· 100

(그림 3-65) 바이어스 조절회로를 적용한 전력증폭기의 블록도 ··· 100

(그림 3-66) 제작한 바이어스 조절 회로와 신호 ··· 100

(그림 3-67) 적응형 바이어스 회로를 적용한 전력증폭기 ··· 101

(그림 3-68) 입력에 따른 출력 전력과 전력부가효율 ··· 101

(그림 3-69) 제작한 회로의 측정결과··· 101

(그림 3-70) 일반적인 Class-E 시뮬레이션··· 102

(그림 3-71) 제작한 회로의 측정 결과··· 102

(그림 3-72) 제작한 회로의 측정 결과··· 103

(그림 3-73) 송수신 Block diagram··· 103

(그림 3-74) 무선에너지전송의 전반적인 개념도··· 104

(그림 3-75) ADS simulation 및 측정결과··· 104

(그림 3-76) 수신단 회로도··· 105

(그림 3-77) Full Bridge rectifier 유무 전력측정··· 105

(그림 3-78) Voltage Control Circuit 회로도··· 106

(그림 3-79) Smart Power Control 전력제어 측면··· 106

(그림 3-80) Smart Power Control 순방향 AM통신 측면··· 107

(28)

(그림 3-81) USRP Board를 이용한 역방향 통신 개념도··· 107

(그림 3-82) USRP Board를 이용한 실험··· 108

(그림 3-83) 도체 근접효과의 도식화 ··· 108

(그림 3-84) 기존의 도체와 Ferrite wall이 적용된 도체 ··· 109

(그림 3-85) 기존의 스파이럴 공진기와 Ferrite wall이 적용된 스파이럴 공진기 ··· 109

(그림 3-86) Ferrite wall 적용된 공진기 ··· 110

(그림 3-87) Ferrite적용 전후 전송효율 ··· 110

(그림 3-88) PA를 이용한 효율측정 다이어그램 ··· 110

(그림 3-89) PA를 이용한 측정 효율 ··· 111

(그림 3-90) 그라운드에 의한 이미지 전류 ··· 111

(그림 3-91) 이미지 전류에 의한 효과 ··· 112

(그림 3-92) Auxiliary loop의 배치 및 구조 ··· 112

(그림 3-93) 제작된 하판의 모습 ··· 113

(그림 3-94) 제작된 공진기와 측정 환경 ··· 113

(그림 3-95) Auxiliary loop 적용 전후의 측정 결과 ··· 114

(그림 3-96) 전방향 공진기 시스템 디자인을 위한 송신기와 수신기 ··· 114

(그림 3-97) 전방향 공진기 시스템 디자인을 위한 송수신기와 시스템 구성도 ··· 115

(그림 3-98) 다수의 수신기 충전 시스템 구조 ··· 116

(29)

(그림 3-99) 수신기들의 전력전송효율의 합과 차 ··· 117

(그림 3-100) 시스템 동작 과정 ··· 117

(그림 3-101) 스위치 상태에 따른 수신기 등가회로 ··· 117

(그림 3-102) 전력전송효율 비교 ··· 118

(그림 3-103) 모의실험 환경 ··· 123

(그림 3-104) 안테나 중심 사이의 거리에 따른 최대 전력 전송 효율 ··· 124

(그림 3-105) 전자기장 계산 모의실험 상황 ··· 125

(그림 3-106) 전기장 Z성분 ··· 125

(그림 3-107) Conventional coil structure, Current flow of conventional coil··· 127

(그림 3-108) Antiparall coil structure, Current flow of antiparall coil··· 127

(그림 3-109) conventional coil 과 antiparall coil의 거리에 따른 효율 비교··· 127

(그림 3-110) conventional coil 과 antiparall coil의 거리에 따른 radiation 비교··· 128

(그림 3-111) conventional coil 과 antiparall coil의 거리에 따른 최대 자기장 크기 비교 128

(그림 3-112) Slab을 포함하는 무선전력전송 시스템 구조도 ··· 128

(그림 3-113) 제작된 Slab을 이용한 측정 ··· 128

(그림 3-114) Slab을 포함하는 무선전력전송 시스템의 등가회로 ··· 129

(그림 3-115) Slab의 손실에 따른 전송 효율 ··· 131

(그림 3-116) 메타물질이 삽입되었을 경우 Slab의 두께에 따른 전송 효율 변화 ··· 132

(30)

(그림 3-117) Ring Resonator의 단일 셀 구조와 링의 단면 구조 ··· 133

(그림 3-118) 유효 투자율의 이론값과 EM 시뮬레이션 추출값 비교 ··· 134

(그림 3-119) 음의 투자율 대역폭 이론값과 EM 시뮬레이션값 비교 ··· 135

(그림 3-120) 외부 신호를 이용한 적응형 바이어스와 입력변화를 이용한 적응형 바이어 스··· 135

(그림 3-122) 적응형 바이어스 회로를 적용한 전력증폭기··· 137

(그림 3-124) 적응형 바이어스 조절 회로 블록도 ··· 138

(그림 3-126) 적응형 바이어스 회로를 적용한 전력증폭기··· 139

(그림 3-128) Overall System Architecture··· 140

(그림 3-129) Circuit Diagram of Wireless Power Transfer System··· 141

(그림 3-130) Coil Voltage Sensor 및 Supply Current Sensor의 회로도 ··· 141

(그림 3-131) MATLAB/Simulink 및 DAQ ··· 142

(그림 3-132) 수신단 회로도··· 142

(그림 3-133) Full Bridge rectifier 유무 전력측정··· 143

(그림 3-134) 가변전압조정회로를 갖는 무선전력전송 시스템 ··· 143

(31)

(그림 3-135) MATLAB/Simulink Block Diagram ··· 144

(그림 3-136) 수신전력안정화를 위한 연동실험 결과 ··· 144

(그림 3-137) 전원 OFF 및 전원 ON ··· 145

(그림 3-138) 부하의 변화와 금속 감지 시 송신단 전압과 전류센서 측정결과 ··· 145

(그림 3-139) 수신전력안정화 시뮬레이션 ··· 146

(그림 3-140) 전원 ON/OFF 및 수신전력안정화 알고리즘 ··· 146

(그림 3-141) 수신전력안정화 실제 구현 ··· 146

(32)

제 1 장 서론

제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성

1. 메타물질을 이용한 고효율 무선에너지전송기술

가. 메타물질 (metamaterials) 이란 인위적인 가공을 통하여 자연에 존재하지 않 는 유전율과 투자율을 갖는 물질로서 그림 1-1과 같이 유전율과 투자율의 부 호에 따라 double positive(DPS), epsilon negative(ENG), mu negative(MNG), double negative(DNG) material로 분류된다. 이 중에서도 유전율과 투자율이 동시에 음의 값을 갖는 물질을 left-handed material (LHM) 이라고 하며 LHM 에서의 전자기파는 negative phase velocity, reverse Snell's law, reverse Doppler effect 등의 기존 전자기파의 성질과 반대되는 특성을 갖는다. 특히,

메타물질의 특징 중의 하나인 음의 굴절률 특성을 통하여 자기장의 진행 방 향을 기존의 양의 굴절률 특성 갖는 물질과 반대인 한 점으로 집속시킴으로 써 방사 손실을 크게 줄여 무선 에너지 전송 효율을 개선시키고, 전송 가능 한 거리 증대가 가능하다. 또한 유효 유전율이나 투자율이 0이 되는 공진 주 파수를 이용하면 이론적으로 파장에 상관없이 공진기의 설계가 가능하므로 방사방법을 사용하지 않는 무선에너지 전송의 소형화에 매우 유리한 장점을 가진다. 또한, High-Q 특성을 가지도록 공진기 설계기술을 접목시켜 신전파 소재를 이용한 무선에너지전송 고효율화 기초기술을 연구하고자 한다.

나. 그림 1-2는 메타물질을 이용한 고효율 무선에너지 전송 기술 개념도를 보여 준다. 무선에너지전송은 DC의 에너지를 AC의 에너지로 바꾼 후에 공진기와

그림 1-1 유전율, 투자율에 따른 메타물질의 분류

(33)

공진기 사이에 자기공명을 이용하여 에너지를 전송하게 된다. 이렇게 전송된 에너지는 AC이기 때문에 다시 정류기를 통하여 우리가 실제로 쓸 수 있는 DC의 에너지로 변환이 되어야 비로소 에너지 전송과정이 끝난다. 따라서 무 선에너지전송 시스템은 크게 두 개의 부분으로 나눌 수 있다. 공진을 일으켜 실제로 무선으로 에너지를 전송시키는 역할을 하는 공진부와 DC를 AC로 혹 은 AC를 DC로 바꾸는 송수신 회로부로 나눌 수 있다.

다. 메타물질을 이용한 고효율 무선에너지전송기술은 다음과 같은 차별화 기술 로 구성되어 있다.

(1) 메타기반의 고효율 소형 공진기 및 다기능 소형 공진기: 신 전파소재인 메타기반의 고효율 소형 공진기는 전체 시스템의 전송효율을 결정짓는 가장 중요한 핵심 요소로 메타물질의 특성을 이용하여 소형화와 High-Q 공진특성 을 얻을 수 있다. 또한 다기능 소형 공진기를 이용하여 전방향에서도 사용자 의 불편 없이 에너지를 수신할 수 있는 기술을 확보하도록 한다.

(2) 근접장 및 방사를 고려한 해석, 모델링: 무선에너지 전송은 어떤 공간에 서 자기장을 이용하여 에너지를 전송하므로 공진기와 공진기 사이의 공간에 서의 근접장 해석은 필수이다. 이 공간이 자유공간일 때, 금속이 있을 때, 어 떤 유전체가 있을 때의 경우에 대해 해석 및 모델링을 통하여 무선에너지 전 송에 미치는 영향을 미리 예상하고 대비할 수 있는 solution을 제공할 것이

그림 1-2 메타물질을 이용한 고효율 무선에너지 전송 기술 개념도

(34)

다. 또한 무선에너지 전송을 모델링 할 경우에 공진기가 가지는 방사손실을 고려한 모델링을 통하여 좀 더 정확한 전송효율 및 예측이 가능할 것이다.

(3) 메타물질을 이용한 자계 focusing: 일반적으로 무선에너지 전송을 할 때, 자기장 강도의 세기는 거리가 멀어질수록 약해진다. 그러나 메타물질의 음의 굴절율을 이용하면 자기장 강도를 한 점에서 가장 세도록 모을 수 있다. 이 러한 자계 focusing 기술을 이용하여 좀 더 먼 거리 에서도 고효율의 무선에 너지전송이 가능하도록 할 것이다.

(4) 자계 차폐제: 무선에너지 전송을 자기장을 이용하기 때문에 기존의 ferrite을 이용한 차폐로는 완전한 차폐가 어렵다. 그리고 사용주파수가 130kHz이하 및 13.56MHz이기 때문에 차폐가 더욱 어렵게 된다. 이를 해결하 기 위해 기존의 차폐방법을 연구하고 SRR이나 Thin wire등과 같은 신전파소 재들을 응용하고 융합하여 기존의 방법보다 개선된 차폐제를 개발하고자 한 다.

(5) Smart Power Control: 기존 WPC표준을 기반으로 하는 수백 kHz 대역 송 수신단 분석을 통해 기존 표준을 준수하면서도 효율 특성이 우수한 송수신단 을 설계한다. 현재까지 13.56MHz 대역에서의 연구내용은 단순히 에너지전송 에만 한정되어 왔으며 Smart Power Control 기능에 대한 연구가 없었다. 본 연구를 통해 수신부에서 송신부로의 LSK(Load Shift Keying) 통신기법을 연구 하고, Smart Power Control 기능을 구현한다.

(6) 고효율 적응형 송신부: 송신부의 고효율 Class-E 전력증폭기, 고효율 전력 증폭기, 고효율 적응형 바이어스 조절 전력증폭기 최적화 및 성능평가와 추 가 개선안 도출한다. 또한 송신단 회로와 공진부의 통합을 통한 전체 시스템 의 특성 향상 기술 연구하며 송신부의 출력 단 정합 회로의 일부분으로 공진 부를 사용한 전력증폭기 공진 안테나 통합형 고효율 무선에너지전송 송신부 설계/구현 및 성능평가한다. 무선에너지전송 환경에 적응하기 위한 광대역 특 성을 갖는 고효울 구동 증폭단 구현 및 최적화한다.

(7) 신전파 소재인 메타물질 기반의 고효율 소형 공진기 및 다기능 공진기 디 자인 기술, 음의 굴절율 특성을 이용한 자기장 집속 기술, 자기장을 차폐하기 위한 차폐기술, 근접장 및 방사효과 분석 모델링 기술들을 이용하여 메타물 질 고효율 공진 시스템의 기초연구를 수행할 것이다.

(8) 최종적으로 공진기 통합형 고효율 송수신부 및 Smart Power Control 기술 을 이용하여 무선에너지전송에 적합한 최적의 송수신 회로 시스템을 위한 기 초연구를 수행할 것이다.

(35)

제 2 절 국내‧외 관련 기술 및 시장의 현황

1. 국내 기술 동향 및 수준

가. RFID에서 사용하는 Back-scattered 방식은 상용화되어 제품이 출시되어 있으 나, 공진조건과 전력레벨이 다른 무선에너지전송에 적용된 사례는 없음 나. 무선에너지전송 기술은 국내 ETRI, KETI, 전기연구원 등에서 다양한 국책과

제를 진행 중.

(1) KAIST에서는 20kHz 스위칭 기술을 이용한 온라인전기차(On-Line Electric Vehicle : OLEV) 기술을 개발 중

(2) ETRI에서는 100W 이하의 무선에너지전송기술을 2010년부터 장기과제로 진행하고 있음

다. 방송통신위원회에서는 무선에너지전송기술을 향후 미래전파(Next Wave)의 핵심기술로 선정하여 기술개발, 인력양성, 표준화 지원 정책을 펼치고 있음 (1) 2010년 말에는 KAIST OLEV를 위해 20kHz와 60kHz 대역에서 무선에너지

전송을 사용할 수 있도록 기술기준을 제정하였음

라. 무선에너지전송용 적응형 고효율 송수신단 회로는 연구개발 초기 단계

(1) 현재 국내 연구단계는 무선에너지전송의 효율을 높이기 위한 Feasibility 연구가 대부분이며 Smart power control 기능 등은 연구결과가 미진함

(2) 자기유도방식의 충전기를 개발하는 회사에서 WPC 규격을 바탕으로 한 칩을 구매하여 응용제품을 개발하려는 시도가 2011년부터 진행되고 있음 마. 홍익대학교 전파연구실은 투자율이 0인 High-Q 공진기를 이용하여 핸드폰

충전에 유리한 패드 형태의 충전시스템 연구 및 기업과의 산학을 통해 지속 적인 기술 축적을 하고 있음

바. 무선에너지전송용 공진부 통합 적응형 고효율 송수신단 회로는 숭실대, 국민 대 등에서 2009년부터 연구를 진행하여 관련 기술을 축적하고 있으며 서울 대 에서는 무선에너지 전송용 공진기를 소형 안테나로 모델링하여 전송효율 에 관한 이론적 모델을 제시한바 있고, 경희대에서도 메타구조루프 공진기를 제안한 바 있음

2. 국외 기술 동향 및 수준

가. 모토로라, 필립스, 인텔 : Out-band 전자기파로 배터리 상태 및 충전 여부

(36)

전송

나. SplashPower, Powercast : 무접점형 플랫폼 패드 다. Qualcomm, Witricity, Intel : 공진 자기 유도 방식

라. 미국의 와이드차지(WildCharge, Inc.) : 요구 전력이 다른 다양한 제품을 동시 에 충전할 수 있는 와일드차저 패드를 개발하고 시판 계획 중

마. 풀톤 이노베이션(Fulton Innovation, LLC.)은 다양한 제품에 통합할 수 있는

“eCoupled"라는 무선에너지전송기술 발표

바. 풀톤의 eCoupled 기술을 적용하여 고급 자동차 부품 제조 업체, 비스테온 (Visteon Corp.)이 선보일 자동차 컵홀더 적용

사. 일본의 동경대 그룹의 대면적 전력전달시트(Large area power transmission sheet)

아. Qualcomm-eZone : 자기공명방식무선에너지전송, 13.56 MHz 주파수 사용, 전 송거리 20 ~ 30 cm, 현재 두 개 기기 동시 무선에너지전송 가능, 이물질 (열 쇠 등)에 의한 무선에너지전송 영향 없음

자. Intel-WREL : 자기공명방식, 전송 거리 70 ~ 80 cm에서 60 W 전력 전송, 약 70 ~ 80 % 효율

차. Witricity : 자기공명방식, 10 MHz 대역 사용, 2 m 거리에서 60 W 전력 전 송, 약 40 % 효율, 무선에너지전송 효율성/방향성 문제 개선 필요

카. Haier / Witricity : 자기공명유도 방식 적용, 20 ~ 30 cm 거리에서의 TV 충 전, 코일(안테나)의 크기 축소 등의 구현 이슈 존재

타. Sony : 자기공명유도 방식 적용, 50 cm에서 최대 60 W 전기 에너지 전송, 전송 효율 약 80 %, 리피터를 사용하여 전송거리 80 cm로 확장

파. iPhone wild charge : 스마트폰 액세사리 형태(iPhone, BlackBerry 등), 충전기 와 충전 커버로 구성, 접촉형 유선 충전 형태

하. Palm Pre touch stone : Palm Pre 스마트폰 액세사리 형태, 무선 충전기와 충전 커버로 구성, 무접점 부착 형태

갸. 무선에너지전송기술은 기술 도입기로 아래와 같이 외국 선진 기관에서 다양 한 연구를 진행 중에 있다.

(37)

(1) 100~200kHz 대역을 사용하는 WPC에서 2010년 말 표준화를 마무리함에 따라, TI 등에서 관련 chip이 출시되고 있다.

(2) 자기공명방식의 경우 원천기술 개발 단계로 표준화 논의는 없으나, Qualcomm 등에서 관련 특허출원을 확대하는 등 기술개발에 박차를 가하고 있으며, 송신부와 수신부의 통신 기능 부여 등의 방안에서 원천기술을 확보 하려고 노력하고 있다.

그림 1-3 무선에너지전송 국외 동향 3. 국내․외 기관․기업 현황

가. WPC가 표준화됨에 따라 자기유도 방식 기반의 무선에너지전송 기술은 휴대 폰, 노트북 등에 활발히 적용되고 있다.

(1) Palm Pre는 자기유도방식으로 Touchstone 충전대를 개발하였으며 Sprint 에서 2009년 6월 출시하였다.

(2) Fulton Innovation은 eCoupled라는 무선충전매트 플랫폼을 개발하였다.

(3) 미국 Powermat사는 2009년 하반기에 휴대기기용 자기유도 충전제품을 출 시하였으며, 충전 패드안에 4개의 1차코일을 설치하여 최대 4개의 전자기기 들을 동시에 충전할 수 있도록 하였다.

(4) WiPower사는 2010년 8월 Qualcomm에서 인수하였으며, 휴대폰 충전을 위 한 패드형 제품을 출시하고 있다.

(38)

(a) Palm Pre(미)

(b) Powemat(미)

(c)WiPower(미)

그림 1-4 국외 자기유도 충전제품 예

나. 국내에서는 LS전선 (2007년), 한림포스텍(2009년) 등에서 자기유도를 이용한 무선충전제품을 출시하고 있다.

(a) LS전선

(b)한림포스텍

그림 1-5 국내 자기유도 충전제품 예

다. 2007년 MIT의 Marin Soljacic 교수팀은 30cm의 반지름을 갖는 송수신 공진 코일을 이용하여 2m 거리에서 약 40%의 에너지전송 효율을 갖는 시스템을

(39)

개발하여 60W에너지전송 시연을 보였다.

(1) 미국 Witricity는 MIT 대학에서 기술이전 및 spinoff를 통하여 설립되었으 며, TV, 노트북 등에 사용되는 무선에너지전송기술을 연구하고 있다.

그림 1-6 MIT 에너지전송 시연

라. Intel은 WREL(Wireless Resonant Energy Link) 시스템을 발표하였으며, 약 70cm 거리에서 80%의 효율을 가지는 시스템을 시연하였다.

마. Qualcomm은 13.56MHz 주파수를 이용하여 다수의 충전기들을 충전하는 시스 템을 시연하였다.

그림 1-7 Qualcomm의 ezone기술

(40)

제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적 경제적 파급효과

1. 개발 대상 기술의 중요성

가. 최근 에너지 기술의 중요성이 대두되고 있어, 에너지 관련 연구개발이 국가 적으로 2009년부터 활발히 진행되고 있으며, 그 중 무선에너지전송이 핵심기 술로 대두하고 있다.

나. 메타물질 구조를 이용한 무선에너지전송시스템의 개발은 모든 전자기기에 응용 및 적용이 가능하므로 특히, 국가적인 원천 기술 확보를 할 수 있다는 점에서 매우 중요하다. 또한, 메타물질을 이용한 무선에너지 전송 관련 기초 이론의 정립이 필요시 된다.

다. 무선에너지전송용 고효율 공진시스템 설계 기술은 실제로 무선에너지전송의 전송효율에 직접적으로 관여하고 그것을 통하여 실질적으로 무선에너지전송 이 이루어지므로 매우 중요한 기술이다.

(1) 메타물질을 이용한 고효율 공진기는 소형화를 할 수 있다는 장점을 가지 는 핵심 기술이다. 또한 전방향 공진기는 전방향에서도 에너지를 공급받을 수 있으므로 지재권 확보에도 유리한 기술이다.

(2) 근접장 및 방사손실을 고려한 모델링을 통해 좀 더 실질적인 무선에너지 전송 모델링이 가능하므로 이 또한 전송효율을 극대화 시키는데 매우 중요하 다.

(3) 메타물질을 이용한 자계 focusing 기술은 무선에너지전송에 부가적으로 전송효율을 향상 시킬 수 있는 기술이다.

(4) 자계 차폐기술은 간섭문제 등을 해결하기 위해서 필요한 기술이다.

라. 무선에너지전송용 공진부 통합 적응형 고효율 송수신단 회로는 무선에너지 전송의 상용화에 필수적인 핵심기술이다.

(1) 무선에너지전송의 상용화를 위해 노력하는 다수의 기업들은 송수신단의 구조를 표준화하기 위해 WPC(Wireless Power Consortium) 등에서 표준화 추 진 중이거나 핵심특허를 출원 중에 있다.

(2) 본 연구에서 개발하는 메타물질을 이용한 무선에너지전송의 상용화를 위 해서는 메타물질 공진부에 최적인 송수신단 회로를 통합하여 최종 시스템을 구현하는 것이 중요하다.

(41)

2. 개발 대상 기술의 파급효과 가. 기술적 측면

(1) 무선에너지전송용 고효율 공진기 개발은 에너지전송효율 증대기술, 통신 기술 등의 핵심기술을 확보 할 수 있으므로, 이것은 전 세계적으로 이슈화되 는 핵심기술의 선점 및 지적재산권 확보 측면에서 매우 중요하다.

(2) 낙도, 무인등대 등에 원격 무인전력 공급 기술/유비쿼터스 기술의 핵심인 무선 센서의 소전력 공급 기술/전기자동차, 전철 등의 전기 충전 및 공급 기 술 등 미래 산업의 핵심기술이 되리라 사료된다.

(3) 적응형 고효율 송수신단 회로의 개발과 통합연구 없이는 개발된 메타물질 을 이용한 공진기를 활용한 무선에너지전송을 상용화하기 어렵다.

(4) 메타물질 기반의 고효율 공진부 와 고효율 송수신 통합회로로 구성된 신 전파 소재의 고효율 무선에너지 전송 시스템의 개발은 앞으로 일반 가정 및 사무실 등의 전력이 공급되는 모든 가전제품 및 기기 등에 응용될 수 있는 핵심 기술이다.

나. 경제적․산업적 측면

(1) 복잡한 배선이 필요 없기 때문에 장비의 이동성이 향상되므로 산업전반의 생산성 향상에 기여할 수 있다.

(2) 가전제품의 에너지 공급 시스템으로 적용할시 건물 안밖에 복잡하게 설치 해야했던 전선 및 전원 공급용 콘센트를 줄일 수 있으므로 건축비 저감 효과 및 외관 향상 효과가 있을 것으로 기대된다.

(3) 휴대 가전기기의 무선에너지공급은 사용자의 편의성과 자유도를 향상시키 므로 휴대 가전기기의 소비증대효과를 가져올 수도 있을 것으로 사료된다.

다. 사회적 측면

(1) 휴대 단말기기 및 무선 통신 기기에 대한 이용량 증가로 인해 배터리 사 용량이 기하급수적으로 증가하고 있는 시점에서 볼 때, 무선에너지전송기술 의 개발은 이와 같은 환경오염 등의 사회적 문제 해결에 기여, 그린 에너지 를 추구 할 수 있다.

(42)

제 2 장 기술개발 내용 및 방법

제 1 절 최종 목표 및 평가 방법

1. 최종목표

가. 메타물질을 이용한 무선에너지전송용 고효율 공진기 연구 (1) 130kHz이하에서 공진기 크기 1.3*10

^-4

λ (송수신기)

(2) 13.56MHz에서 공진기 크기 6.8*10

^-3

λ (송신기), 2.3*10

^-3

λ (수신기)를 만족 (3) 상기 명시된 공진기 크기 하에 130kHz이하 또는 13.56MHz에서 30cm 거

리 및 공진기간 전송효율 80% 이상을 만족

나. 근접장 및 방사 효과를 고려한 무선에너지전송 모델링 및 분석 다. 메타물질을 이용한 자계 focusing 및 차폐제 개발

라. 무선에너지전송용 공진부 통합 적응형 고효율 송수신단 회로 연구 (1) 에너지전송 및 Smart Power Control 기능

(2) 송신부 : 10W 출력에서 80% 이상 효율 (3) 수신부 : 7W 출력에서 85% 이상 효율 보장

(43)

2. 개발기술의 평가방법 및 평가항목 표 2-1 정량적 목표 항목

평가항목 (주요성능

Spec

¹⁾

)

단 위

전체항목 에서 차지하는

비중

²⁾

(%)

세계최고 수준 보유국/

보유기업 ( / )

연구개발 전 국내수준

개발 목표치

평가방법

³⁾

성능수준 성능수준 1차 년도

2차 년도

3차 년도

1.논문 SCI

편

0 1 1

논문 게재 학진 여부

등재 5 4 3

2.특허 국 내

출원 건

5 3 3

특허 출원 여부

등록 0 0 2

국 제

출원 0 0 0

등록 0 0 0

3.전송 전력 W 10 8 2 5 6.5 8.3 성능측정

4.전송 거리 cm 20 30 20 30 성능측정

5.전송 효율 % 20 80 50

50 (13.56

MHz)

65 (130kHz

이하)

83 성능측정

6.파장 대비 공진기 크기(반경)

λ

10 - -

130kHz이하:

1.3*10

^-4

(송수신기) 13.56MHz:

6.8*10

^-3

(송신기),2.3*10

^-3

(수신기)

크기측정

7.DC-AC

변환효율 % 15 80 60 60 70 80 성능측정

8.출력 전력 W 5 10 10 10 10 10 성능측정

9.수신부 효율 % 10 85 50 60 70 85 성능측정

10.Smart Power control기능

포 함 여 부

10 포함 포함 연구 개선

연구 적용 기능포함

여부

가. 논문: 총 14편 중 최소 2편은 SCI급 논문지에 게재, 그 외 나머지는 국내외 학술대회 또는 학진등재 논문지에 게재

나. 특허: 총 11건의 출원된 특허(국내) 중 최소 2건은 사업 종료 시까지 등록 다. 전송전력: Power meter를 이용하여 수신공진기에 수신된 파워를 측정