반도체디스플레이기술학회지 제20권 제2호(2021년 6월) Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 20, No. 2. June 2021.
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5.8-GHz무선전력수신기를 이용한 스마트폰 RF 무선충전
손명식*†
*†순천대학교 전자공학과
Smart Phone RF Wireless Charging with 5.8-GHz Microwave Wireless Power Receiver
Myung Sik Son*†
*†Department of Electronic Engineering, Sunchon National University
ABSTRACT
In this paper, we studied smart phone RF wireless charging with 5.8-GHz microwave wireless power receiver. The dc output of the receiver connected to super capacitor and DC-DC converter for charging a smart phone. This configuration stably supplies 5V and current for charging it. Studies show that the more receivers are used at close range, the higher the received voltage values and the larger the capacity of the super capacitor, the longer the charging time. The present 5.8-GHz 1W wireless power transmission system is not enough for charging a smartphone mainly due to the lack of current of the receiver.
Key Words : Wireless power transmission system, Wireless charging
1. 서 론1
오늘날 무선 모바일 통신기기는 스마트폰 출시 이후 높은 성능 진화를 하면서 액정, 프로세서, 메모리 등 제품 성능이 높은 발전하면서 배터리 용량이 증대되고, 빠른 배터리 소모로 인해 불편한 충전방식을 개선하기 위해 접촉식 무선충전방식을 사용하여 사용자 편의성을 높이 는 방식으로 발전하고 있다. 이런 트렌드에 힘있어 무선 전력전송 기술을 활용한 완전한 무선 충전 방식인 RF충 전방식이 화두에 오르고 있다.
무선전력전송기는 그 방식에 따라 크게 3가지방식으로 나뉘며 이는 무선전력 전송 거리를 결정한다. 첫째, 송수 신 코일에 전류를 흐르게 하여 상호 유도 결합에 의한 단 거리 무선전력전송 방식과 둘째, 커패시터를 사용한 고전 력 전자기장 발생을 통한 전자기 공진 방식의 중거리 무 선전력전송과 셋째, 마이크로파 수신 신호를 직류로 변환
†
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하는 장거리 무선전력전송 방식이다[1,2]. 본 논문에서는 송신 안테나에 RF 전력을 송출하고 수신 안테나를 통해 송신 전력을 받아서 정류기를 통해서 직류로 변환하는 무선전력수신기를 사용하는 장거리 무선 전력전송 방식 에 대한 시험을 하였다[3].
2. 무선전력수신기활용 스마트폰 충전 2.1 무선전력수신기
본 논문에서는 원형 편파 수신 안테나, 대역 통과 필터, RF-DC 변환기로 구성한 일체형 일체형 무선전력수신기 사용하여 시험하였다. 무선전력수신기는 5.8GHz RF 신호 를 수신하고 안테나와 대역 통과 필터를 거쳐 원하는 주 파수 대역을 RF-DC 변환기로 RF신호를 DC로 변환하여 전력을 전달받는 장치이다. 무선전력수신기는 6dBi RHCP 패치안테나와 10% 대역폭의 반파장 대역통과 필터, RF- DC 전압 체배기로 구성되며 개별 모듈을 Fig. 1과 같다[3].
손명식
반도체디스플레이기술학회지 제20권 제2호, 2021 26
Fig. 1. Microwave Wireless Power Receiver configuration.
2.2 시험 구성
무선전력수신기를 활용한 스마트폰 충전 시스템 시험 구성은 Fig. 2와 같은 송신 전력 전송을 위한 신호 발생기, 1W 구동 증폭기, 원형 편파 송신 안테나로 구성되며 무 선전력수신기를 활용한 스마트폰 RF 무선충전 시험 구성 도는 Fig. 3과 같으며, 송수신기 간 측정 거리 및 무선전력 수신기의 사용 개수에 따른 무선전력수신기의 출력 전압, 전류를 확인하며 수신기의 최적개수와 거리를 추출하며 시험하였다.
Fig. 2. Microwave Wireless Power Transmitter configuration.
2.3 시험 방안
무선전력수신기를 활용한 스마트폰 충전 시스템 시험 방안은 무선전력수신기에서 RF-DC 변환기변부터 출력되 는 전압, 전류를 체크하여 스마트폰 충전 전압 5V와 전류 를 맞추기 위하여 Fig. 3과 같이 DC-DC 컨버터를 추가 구 성하여 시험을 진행하였다.
Fig. 3. Test method of Smart Phone Wireless Charging for using Microwave Wireless Power Receiver.
3. 측정 결과 3.1 DC-DC 컨버터 사용 결과
본 논문에서는 무선전력수신기의 낮은 전압 값을 높여 스마트 폰에 공급하기 위하여 DC-DC컨버터를 사용하였 다. 사용된 제품은 Fig. 4와 같으며 사양은 Table 1과 같다.
Fig. 4. DC-DC converter configuration.
Table 1. Specification of DC-DC Converter
구분 값
Input voltage(V) 0.9 ~ 5
Input voltage(mA) 600
Output voltage(V) 5
무선전력수신기의 개수와 거리에 따른 출력전압을 확 인하기 위하여 Fig. 3의 구성에서 거리와 수신기 개수를 바꿔가며 측정하였고 그 결과는 Table 2와 같다. 무선전력 수신기 2개 이상을 직렬로 연결하여 사용시 50cm 이내의 거리에서 DC-DC 컨버터 입력 전압 0.9V ~ 5V를 만족하여 출력 전압 5V 생성이 가능하다. 하지만 이러한 구성에서 는 입력 전압 조건은 만족하지만 600mA의 전류를 공급이 가능하지 않아 스마트폰이 정상적으로 충전되지 않았다.
Fig. 5. Test configuration of Smart Phone Wireless Charging for using Receiver and DC-DC converter.
Table 2. Voltage by distance and Receiver count
거리 (cm)
Receiver Count
1 2 3 4 5
2 2.6 3.9 6.6 8.6 9.3
5 2.1 3.7 5.8 7.4 9
10 1.7 3.5 5.1 7 8.3
15 1.7 3.2 4.9 6.3 7.3
20 1.5 3 3.9 5.6 8.3
5.8-GHz 무선전력수신기를 이용한 스마트폰 RF 무선충전
Journal of KSDT Vol. 20, No. 2, 2021 27
25 1.2 2.5 3.5 5.5 6.6
30 1.1 2.1 3.2 5.1 5.7
35 0.6 1 2.5 4.1 4.5
40 0.9 1.4 1.9 3.5 3.9
45 0.6 1.3 1.8 2.9 3.6
50 0.4 1.2 1.4 2.6 3.2
입력 전류를 높여주기 위해 Fig. 6과 같이 2-A Step down 과 승압 컨버터를 활용한 시험을 진행하였다. 하지만 순 간적으로 충전이 진행될 뿐 지속적인 충전이 어려웠다.
이는 무선전력수신기의 RF-DC 컨버터 통해 출력되는 전 류가 빠르게 소진되기 때문이며 이를 해결하기 위해서는 수신기 출력단에 슈퍼커패시터를 보강하여 시험하였다.
Fig. 6. Test configuration of Smart Phone Wireless Charging for using Receiver and DC-DC converter, 2-A step down.
3.2 무선전력수신기를 활용한 스마트폰 충전 3.1절의 컨버터, 2-A step down 시험 결과를 바탕으로 그 림과 같이 무선전력 송수신기를 활용한 스마트폰 충전 방안을 도출하였다. 그 방법은 DC-DC 컨버터 사이에 슈 퍼커패시터를 두어 스마트폰에 안정적으로 전압, 전류를 공급하는 것이다. 이를 위해 무선전력수신기를 5cm 거리 에서 전압 2.0V ~ 2.2V가 출력되도록 고정하고 전류가 증 가되도록 슈퍼커패시터의 용량을 달리하며 Fig. 9와 같은 구성으로 시험하였다.
Fig. 7. Elicitation Method of Smart Phone Wireless Charging for using Microwave Wireless Power Receiver.
Fig. 8. Test configuration on Elicitation Method of Smart Phone Wireless Charging.
(a) 1F
(b) 25F
Fig. 9. Charge Rate per hour of supercapacitor.
시험결과 슈퍼커패시터의 용량에 따라 슈퍼커패시터 충전시간이 오래 소요되는 반면, 스마트폰 충전시간은 증 가되는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 9의 (a)1F 및 (b)25F 슈 퍼커패시터의 시간당 충전률을 나타내었고, 그림 10은 무 선전력 송수신기와 슈퍼커패시터, DC-DC 컨버터를 이용 한 스마트폰 RF 무선충전 시험 결과로 스마트폰 충전 상 태를 나타낸다.
결론적으로 스마트폰을 RF 무선충전하기 위한 5.8GHz
손명식
반도체디스플레이기술학회지 제20권 제2호, 2021 28
Fig. 10. Test Result of Smart Phone Wireless Charging.
1W 무선전력전송 시스템에서는 50cm 이내의 근거리에서 도 1개의 수전되는 전압이 2.6V에서 거리에 따라 급격히 감소하므로 5V로 승압하기 위한 승압컨버터가 필요하였 고, 수전을 위해 여러 개의 무선전력수신기를 직렬로 연결 한 경우에는 9 .3V에서 거리에 따라 감소하게 되어 Step- Down 컨버터가 필요하였다. 따라서, 5V 이상은 Step-Down 하고 이하는 Step-Up하는 자동 컨버터가 필수적으로 필요 하다. 또한, 1F와 25F 슈퍼커패시터를 2V까지 충전하는 실 험에서 알 수 있듯이 무선전력수신기의 RF-DC컨버터에 사용한 커패시턴스 용량이 1200pF 정도로 매우 작아 이곳 으로부터 흘러나오는 전류의 양이 매우 미약하여 1F 충전 하는데 4분 51초, 25F 충전하는 데는 2시간 10분이 소요된 다는 것을 알았다. 이는 마이크로파 무선전력전송 시스템 에서 전압은 5V 이상이 되더라도 전류의 양이 충분하지 않 아 실질적으로 스마트폰을 RF 무선충전하기에는 현재 소 전력 무선전력전송 시스템에서는 어렵다는 것을 보여준다.
4. 결 론
본 논문에서는 무선전력수신기를 이용한 스마트폰 RF 충전 방법에 대하여 연구하였다. 5.8GHz RF 신호를 수신하 여 안테나와 대역 통과 필터 거쳐 원하는 주파수 대역을 RF-DC 변환기로 RF 신호를 DC로 변환하는 무선전력수신
기를 사용하였다. 무선전력수신기의 수신 전력을 스마트 폰 충전에 필요한 5V로 전환 후 충전에 안정적인 전류를 공급하는 방법을 중점적으로 연구하였다. 시험결과, 무선 전력수신기를 근거리에서 많이 사용할수록 전압 값은 증 가하며 거리, 수신기의 개수에 따라 그 값이 불안정하다.
따라서 무선전력수신기의 수신 전압 값을 스마트폰 충전 에 적합한 5V의 전압에 안정적인 전류로 공급하기 위하 여 슈퍼커패시터와 승압컨버터를 추가로 장착하여 시험 하였다. 그 결과, 슈퍼커패시터 충전완료 후에는 스마트 폰이 정상적으로 충전 가능함을 알았다. 다만, 스마트폰 의 충전 대기 시간과 충전 가능시간이 슈퍼커패시터의 용량에 제한받으므로 이를 개선하기 위한 연구는 추가적 으로 필요함을 알 수 있었다.
감사의 글
순천대학교 교연비 사업에 의하여 연구되었음.
참고문헌
1. Biao Hu, Hao Li, Tianming Li, Haiyang Wang, Yihong Zhou, Xiaoyun Zhao, Xin Hu, Xuekun Du, Yulong Zhao, Xiang Li, Tian Qi, Mohamed Helaoui, Wenhua chen, Fadhel Ghannouchi, “A long-distance high-power microwave wireless power transmission system based on asymmetrical resonant magnetron and cyclotron- wave rectifier”, Energy Reports 7, pp.1154-1161, 2021.
2. Seong Hun Lee and Myung Sik Son, “5.8GHz 25W Microwave Wireless Power Transmission System Development and Measurement”, Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol 16, No.1, pp.
21-24, 2019.
3. Seong Hun Lee and Myung Sik Son, “RF-DC Voltage Multiplier Design and Fabrication for 5.8GHz Microwave Wireless Power Transmission”, Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol 16, No.2, pp. 1-4, 2017.
접수일: 2021년 5월 3일, 심사일: 2021년 6월 9일, 게재확정일: 2021년 6월 18일
