인 사 말 씀

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1 2017 년 12 월 17ZR P 100 무선 E-zone 및다차원에너지집적기술개발 Development of Wireless E-zone and Multi-Dimensional Energy Integrated Technology

2 본문서에서음영처리된부분은 ( ) 정보공개법제 9 조의비공개대상정보와저작권법및그밖의다른법령에서보호하고있는제 3 자의권리가포함된저작물로공개대상에서제외되었습니다. i

3 인사말씀 4 차산업의도래에따른원천기술및상용화기술확보를통한산업강국실현을위해 ETRI 는전파기술분야의신성장동력사업개발에최선의노력을다하고있습니다. 특히신산업의육성을통하여시장창출및고용증대효과를극대화할수있는전파응용기술에대한중요성이확대되어가고있습니다. 최근웨어러블기기및사물인터넷기술의확대, 보급과함께, 개인휴대전력과자유로운에너지사용에대한요구가커지고있습니다. 이러한요구를근원적으로해결할수있으며, 나아가미래새로운에너지서비스를구현할수있는무선전력전송에대한관심도커지고있습니다. 최근일부스마트기기에대한무선충전기술이상용화되고있으나현재의무선충전기기는 2 차원패드구조로그효용성과자유도가낮은한계를보이고있습니다. 따라서본연구에서는기존의 2 차원무선전력전송기술의한계를극복하고새로운에너지서비스를위한토대를마련할수있는 3 차원무선전력전송기술과기기간에너지전송기술을개발하고있습니다. 본연구는 2015 년부터 2017 년까지진행된것으로, 총연구기간동안고효율송수신요소기술개발, 고효율근거리무선전력전송기술개발, 안전하고효율높은 3D E-zone 시스템개발, 사물간에너지전송기반다차원에너지집적시스템개발을수행하여, 향후상용화를위한원천기술을확보하였습니다. 본연구를통해보다진보된무선전력전송의핵심, 원천기술을확보하고이를산업계에보급하면관련산업의활성화와새로운에너지서비스의기초가될것으로확신합니다. 끝으로본연구에참여한연구원들의업적을치하하며, 연구가원만히수행될수있도록협조를아끼지않으신관계자여러분께감사드립니다 년 12 월 한국전자통신연구원원장 이상훈 ii

4 제출문 본보고서는주요사업인 무선 E-zone 및다차원에너지집적 기술개발 의결과로서, 본과제에참여한아래의연구팀이작성한 것입니다 년 12 월 연구책임자 : 책임연구원조인귀 ( 한국전자통신연구원 ) 연구참여자 : 책임연구원최형도 ( 한국전자통신연구원 ) 책임연구원윤재훈 ( 한국전자통신연구원 ) 책임연구원장동원 ( 한국전자통신연구원 ) 책임연구원김병찬 ( 한국전자통신연구원 ) 책임연구원문정익 ( 한국전자통신연구원 ) 책임연구원김성민 ( 한국전자통신연구원 ) 선임연구원김상원 ( 한국전자통신연구원 ) 선임연구원전상봉 ( 한국전자통신연구원 ) 위촉연구원윤계석 ( 한국전자통신연구원 ) 위촉연구원이상한 ( 한국전자통신연구원 ) 대표김영수 ( 링크일렉트로닉스 ) 사원김상훈 ( 링크일렉트로닉스 ) iii

5 요약문 1. 제목 무선 E-zone 및다차원에너지집적기술개발 2. 연구목적및중요성 가. 연구목적 1) 사업최종목표 o 한정된서비스영역확장으로, 안전하고효율이높은 3D E-zone 및다차원에너지집적기술개발 - 3D E-zone 시스템 : m 3 의공간에서에너지전송 (DC/DC 효율 70%) - 다차원에너지집적시스템 : 기기간에너지전송을위한 high- Q 모드 (6.78 MHz, 20 cm 이하 ) 와 low-q 모드 (110 khz, 357 khz 10 mm 이하 ) 를수용하는이중모드에너지트랜스폰더 2) 연차별연구목표 o 1 차년도 : 다차원에너지집적기반기술개발 m3 3D E-zone 구현 (DC/DC 효율 50%) - 다차원에너지집적기술 (High-Q 55%, Low-Q 70%) o 2 차년도 : 다차원에너지집적구현기술개발 m3 3D E-zone 구현 (DC/DC 효율 60%) - 다차원에너지집적기술 (High-Q 60%, Low-Q 75%) o 3 차년도 : 다차원에너지집적기반기술개발 iv

6 m 3 3D E-zone 구현 (DC/DC 효율 70%) - 다차원에너지집적기술 (high-q 70%, low-q 80%) 나. 연구중요성 o 현재무선전송및충전기술은 2 차원패드구조 ( 휴대전화, 전기자동차무선충전등 ) 로전송거리와자유도가제한 - 2 차원패드구조는고정된거리에서에너지가전송되는형태로거리변화에따른시스템의효율및전송주파수가변함 - 현재수 cm 이하비접촉식에너지전송분야로응용이한정 o 현재기술은고객의흥미는유발하나실제활용에있어, 그편의성및효율측면에서고객요구를만족시키지못함 - 송신기가존재하는제한된공간에서만서비스가능 - 미래의에너지서비스는공간적제약이없는에너지이용기술이요구 o 미래 IoT(Internet of Things) 시대에기기간에너지전송으로모든기기에적용가능한새로운산업분야를생성할수있는기술임 o 새롭게대두되는웨어러블디바이스는전원공급및충전에어려움이예상되며이를극복할수있는공간적에너지서비스제공에반드시필요한기술임 o 모든분야에적용가능한새로운에너지서비스를통한창조경제실현에기여 - 신서비스창출로생활편의제공, 복지증진 - 핵심기술확산을통한신산업군조성및일자리창출가능 o 이동통신, 가전, 조선, 자동차, 로봇, 의료등모든산업에응용가능한모태기술 - 미래 IoT 시대에기기간에너지전송신서비스제공 v

7 - 웨어러블디바이스분야에적용가능한공간적에너지서비스제공 o 새로운기술서비스산업으로부각되고있는무선전력전송기술의전력효율성및거리한계가전세계적으로산업화의걸림돌로기업들의발목을잡고있어이에대한핵심원천및기반기술이국내산업을위해시급히요구됨 o 선이없는편리한미래 ICT 서비스를위해고자유도의 3 차원전파에너지전송기술 (3D E-zone) 과한정된서비스영역을확장할수있는다차원에너지전송방식등원천기술확보가필요 - 근거리에서단일모드자기장생성기술 - 자기장강도 / 분포제어기반자기장성형기술확보를통한무선에너지전송효율및거리개선 - 기기및인체보호를위한전자파환경극복기술 - 전파간섭저감을위한비복사공진코일구조기술 - 고자유도확보를위한 3D E-zone 구현기술 - 높은효율과전자파안전을확보하는전파에너지집적기술등 3. 연구내용및범위 가. 연차별연구내용 1) 1 차년도 : 다차원에너지집적구현기술개발 o 고효율송수신 / 공진모듈개발 o 소형 3D E-zone 구현기술개발 o 에너지집적구조설계 2) 2 차년도 : 다차원에너지집적구현기술개발 o 고효율송수신 / 공진모듈개발 o 소형 3D E-zone 구현기술개발 vi

8 o 에너지집적구조설계 o 에너지집적구조설계 3) 3 차년도 : 다차원에너지집적최적화기술개발 o 근거리에너지전송시제품개발 o 0.7 m 급 3D E-zone 구현 o 다차원에너지집적시스템 나. 연차별연구범위 1) 1 차년도연구범위 o 송수신 / 공진회로설계 - 자기장성형, 단일모드자기장생성연구, - 고효율송수신부모듈설계 - 저주파 High-Q 공진기구조설계 o 3D E-zone 구조설계 - 전송시스템구조설계, - 전자파인체영향분석, 극소복사기술연구 - 3D E-zone 시스템구조설계 o 에너지집적구조설계 - 전송모드및송수신모드변환연구 - 다차원에너지집적용송수신 / 코일구조설계 - 트랜스폰더구조설계, 다차원에너지집적시스템구조연구 2) 2 차년도연구범위 o 고효율송수신 / 공진모듈개발 - 자기장성형설계 - 고효율송수신부모듈개발 vii

9 - 소형 High-Q 공진기개발 o 소형 3D E-zone 구현기술개발 - 임피던스매칭기술및전송거리배가기술개발 - 간섭저감을위한극소복사구조설계 - 3D E-zone 시제품구현 ( m 3 이하 ) - 무선충전모듈패키징 o 에너지집적구조설계 - 전송모드변환구조설계 - 송수신모드변환구조설계 - 다차원에너지집적용송수신 / 코일설계 - 트랜스폰더시제품구현 - 트랜스폰더모듈패키징 2) 3 차년도연구범위 o 근거리에너지전송시제품개발 - 자기장성형구현및단일모드자기장생성구현 - 박막형 High-Q 공진기개발 - 근거리에너지전송모듈설계및시제품제작 (ETRI) o 0.7 m 급 3D E-zone 구현 - 전송거리및부하변동에따른임피던스정합기술 - 극소복사구조구현 - 3D E-zone 시제품구현 ( m3 ) - 무선충전모듈신뢰성 o 다차원에너지집적시스템개발 - 전송모드변환모듈구현 - 송수신모드변환모듈구현 viii

10 - 다차원에너지집적용송수신 / 코일개발 - 트랜스폰더시스템최적화개발 (ETRI) 4. 연구결과 가. 총년도연구결과 1) 3D E-zone 시스템개발 o 직경 9 cm 급소형 3D E-zone 시스템 (E-cup) 개발 ( 스마트폰위치와방향에관계없이 60±3% 의 DC/DC 효율확보 ) o 소형 3D E-zone 시스템전자파환경인증획득 ( 국내 KN17, 미국 FCC part18) o m 3 의공간에서에너지전송시스템개발 (70 cm 급 3 차원공간에서평균효율 70% 이상확보 ) 2) 다차원에너지집적시스템개발 o 기기간에너지전송을위한이중모드에너지집적시스템개발 ( 와전류제거기법적용, 200 khz low-q 모드 80% 이상 DC/DC 전송거리 2 cm 이하, 6.78 MHz high-q 모드 70% 이상 DC/DC 전송거리 2 cm) o 전송거리 / 부하변동대응적응형무선전력전송수신기개발 (Load Modulation 을이용한효율유지기술확보 ) 나. 연차별연구결과 1) 1 차년도연구결과 o 송수신 / 공진회로설계 W 급고효율 half-bridge 송신기설계및제작 ( 효율 90% 이상 ) ix

11 - 이중집전기술을이용한송수신공진기설계및제작 ( mm 2 의평면자유도확보 ) W 급 full-bridge 수신 / 충전기설계및제작 W 급무선충전시스템설계및제작 (DC/DC 효율 68%) - BLE(Bluetooth Low Energy) 를이용한송수신기및전력제어기능구현 o 3D E-zone 구조설계 - 3D E-zone 공진기구조설계 ( 동위상직렬급전방식 ) m 3 의 3D E-zone 프로토타입시제품설계및구현 ( 수신기위치및방향에따라인버터위상을이용한효율확보 ) o 다차원에너지집적구조설계 - 다차원에너지집적용에너지트랜스폰더구조설계 ( 송수신및 High-Q, Low-Q 의이중모드선택기능 ) - 에너지트랜스폰더용 High-Q, Low-Q 송신기설계및제작 ( 전압모드, 전류모드송신기, 90% 이상의 DC/RF 효율확보 ) - 전압모드 High-Q, Low-Q 송신기를이용한이중모드통합송신기설계및구현 (BLE 통신및이중모드선택용제어기능구현 ) - 부하및전송거리변화대응효율유지기술개발 (Load Modulation 을이용한효율유지기술확보 ) 2) 2 차년도연구결과 o 고효율송수신 / 공진모듈개발 - 자기장성형기술설계 ( 다중송신공진기자기장빔성형기술연구 ) x

12 - 100 W 급고효율수신 / 충전모듈제작 ( 가변정전류발생기술적용 ) - 2 중수신공진기활용인터리브수신구조연구 (2 개의인터리브방식수신기를이용한시스템효율증대 ) - 도어락용송수신모듈연구 (2 W 급송수신모듈개발및적용 ) o 소형 3D E-zone 구현기술개발 m 3 의소형 3D E-zone 구현기반기술개발 ( 전송거리배가기술개발및컵홀더형소형 3D E-zone 기술개발 ) - 공진기전송거리배가기술연구 ( 공진기직경대비 % 효율, MIT 기술대비 1.5 배이상의전송거리확보 ) - 3D E-zone 용송신모듈개발 (24 W 급 Full-bridge, DC/RF 효율 91% 이상 ) - 3D E-zone 용수신모듈개발 (5 W 급 Full-bridge, DC/RF 효율 92% 이상 ) - 3D E-zone 용공진기개발 ( 동위상급전, 3 차원공간전송기술 ) - 3D E-zone 용제어시스템개발 (BLE, Zigbee 다중무선충전알고리즘 ) - 소형 3D E-zone 시스템설계, 제작 ( 직경 9 cm 컵홀더형시스템, 60±3% 의 DC/DC 360 도회전 ) - 자기장전파경로제어를통한전자파차폐성능개선연구 ( 최대 80% 이상의전자파저감효과 ) - 소형 3D E-zone 시스템의국내및국제 EMI 규격만족 (EMI 저감코일적용, 국내 KN17, 미국 FCC Part18 규격만족 ) o 다차원에너지집적구조설계 - 기기간에너지전송을위한에너지트랜스폰더구조설계 xi

13 - 이중대역 half-bridge 송신기설계및제작 ( 이중대역단일소자적용전압모드송신기, 91% 이상의 DC/RF 효율 ) - 이중대역 full-bridge 수신기설계및제작 ( 이중대역단일소자적용수신기, 92% 이상의 DC/RF 효율 ) - 에너지트랜스폰더용이중대역송수신공진기구조설계및제작 ( 와전류상쇄기법이적용된 200 khz, 6.78 MHz 의이중대역단일공진기구조설계및제작 ) - 부하및전송거리변화대응효율유지기술이내장된 15 W 급고효율수신기소형화연구 (Load modulation 기법이적용된 15 W 급수신 IC 설계, 제작 ) o 다중무선충전을위한통합제어시스템설계 - 이종부하다중무선충전을위한통합제어시스템설계 - Out-of-band 를이용한최대 8 대의다중무선충전통합제어시스템설계 3) 3 차년도연구결과 o 근거리에너지전송시제품개발 - 자기장성형기술연구 ( 다중송신, 다중수진자기장빔성형기술연구 ) - 단일모드자기장생성기술연구 ( 새로운전송방식을이용하여직경대비전송거리 3 배확보기술연구 ) - 평면자유도가개선된박막형 high-q 공진기개발 ( 직경 260 mm 에서균일충전효율확보 ) W 급드론무선충전시제품개발 ( 직경 260 mm 충전영역에서 60% 이상의시스템효율확보 ) xii

14 - 체내삽입형의료용임플란트시스템용소형수신기개발 (15 mw 충전전력에서 84.7% 의최대수신기효율확보 ) W 급자동차시트용무선전력전송시스템개발 (30 cm 이동거리에서 60% 이상의시스템효율확보 ) o 0.7 m 급 3D E-zone 구현 m 의 3 차원공간균일장생성기술개발 ( 다수개의송신공진기에송신신호크기및위상조절 ) m 3 의 3D E-zone 시스템구현 ( 균일장생성기술적용, 0.7 m 급 3 차원공간에서평균 70% 이상의 DC/DC 효율확보 ) o 다차원에너지집적시스템개발 - 기기간에너지전송을위한이중모드에너지집적시스템개발 ( 와전류제거기법적용, 200 khz low-q 모드 80% 이상 DC/DC 전송거리 2 cm 이하, 6.78 MHz high-q 모드 70% 이상 DC/DC 전송거리 2 cm) 5. 연구개발결과의활용계획 가. 근거리에너지전송시스템 o 스마트기기등소형무선기기에적용 o 저주파자기공명적용 High-Q 공진기및다중급전기술개발에활용 o 공간내수신기위치, 방향에무관한공간무선충전기술개발에활용 o 100 W 급드론무선충전시스템에활용 o 자동차내각종전장부품무선전력전송시스템에활용 나. 3D E-zone 시스템 o 3 차원전파에너지전송기술분야적용 xiii

15 o 공간무선충전이가능한고자유도에너지전송기술개발에활용 o 차량내컵홀더, 북쉘브등의다양한형태의공간무선충전시스템 개발에활용 o IoT 기반다기능도어락무선충전시스템개발에활용 다. 다차원에너지집적시스템 o 이중모드를지원하는에너지전송시스템에활용 o 이중모드선택형에너지트랜스폰더시스템개발에활용 o 기기간에너지전송이가능한에너지집적시스템에활용 6. 기대성과및건의 가. 기술적기대효과 o 응용기술확장이가능한소형공진기기술확보 o 고자유도확보기술, 단일모드자기장생성기술을통한현재 2 차원 패드구조를넘어선 3 차원에너지전송기술확보 o 다차원에너지전송기술을통해한정된서비스영역확장 o 웨어러블디바이스와 IoT 디바이스등미래 ICT 핵심기술에응용가능 나. 경제적기대효과 o 2022 년세계시장규모는 예상되며, 원천기술개발을통한 시장선점으로중소기업매출증대 o 모바일뿐만아니라생활가전, 웨어러블디바이스, IoT 디바이스, 태양광, 로봇등의산업에파급효과가매우크며세계시장에서경쟁력을제고할수있을것임 o 국내안테나시장이상, 세계안테나시장수출으로 xiv

16 전망되며이에따른세계시장에서경쟁력제고를통해관련제품의 수출이증가될것으로전망됨 다. 산업적기대효과 o 방송통신기기, 가전기기, 자동차, 항공, 산업로봇등응용분야가넓은모태기술로주요산업에의파급효과가매우큼 o 국내산업체의기술요구가확대되고있어새로운시장창출이가능. o 전력효율성및거리한계극복으로산업화촉진 라. 사회적기대효과 o 무선통신기기및각종전기 전자기기의전력사용에있어공간제약극복을통해사용자의편의성이크게증대되며대중성이크게확장 o 전기에너지가이제까지유선중심에서무선으로그지평을확대하는전기가될것으로전망되어모든생활에변혁을가져올것으로기대 xv

17 ABSTRACT I. TITLE Development of Wireless E-Zone and Multi-Dimensional Energy Integrated Technology II. THE OBJECTIVES A. Purpose 1) Final goal of the project O Development of wireless E-zone and multi-dimensional energy integration technology having safety and high efficiency by expanding the limited service area -3D E-zone system: Energy transfer within the space of m 3 (DC/DC efficiency: 70 %) - Multi-dimensional energy integration system: High-Q mode (6.78 MHz, < 20 cm) for inter-device energy transfer and dual-mode energy transponder which can operate in a low-q mode (110 khz, 357 khz, <10 mm) 2) Goals by year O 1 st year: Development of basic technology for the multi-dimensional energy integration - Implementation of 3D E-zone of m 3 (DC/DC efficiency: 50 %) O 2 nd year: Development of implementation technology for the multi- xvi

18 dimensional energy integration - Implementation of 3D E-zone of m3 (DC/DC efficiency: 60 %) - Implementation of Multi-dimensional energy integration technology (high- Q 60%, low-q 75%) O 3 rd year: Development of optimization technology for the multi-dimensional energy integration - Implementation of 3D E-zone of m3 (DC/DC efficiency: 70 %) - Implementation of Multi-dimensional energy integration technology (high- Q 70%, low-q 80%) B. Importance O Presently, the wireless energy transferring and charging techniques for the 2D pad structure have a limitation on transfer distance and spatial degree of freedom - In 2D structure the energy is transferred under the condition of fixed distance so that the transfer efficiency and resonant frequency may varies - Currently, the application is limited to non-contact energy transfer up to several cm O The present technology causes much interest to the customers but in the respect of real application it does not satisfy the customer s needs due to the ease of use and transfer efficiency - It can offer the services within the limited space boundary which reaches a transmitter s power - Future energy service requires to overcome the space limitation xvii

19 O It is the technology which can create a new industry of inter-device energy transfer for IoT era O It is a core technology which can overcome the difficulties imposed on energy supplying and charging for upcoming new wearable device era O It can contribute the realization of creative economy through the energy service which enables it to apply in all industry areas - Offering a convenience in everyday life and a promotion in welfare by the creation of new kind of services - Creation of job positions and new industry group by expanding a core technology O It is a basic technology applicable for mobile, home appliance, shipbuilding, automobile, robot, and medical industry areas - Offering a new service on energy transfer area in future IoT era - Offering a space energy service applicable for wearable devices O A core and basic technologies are required for the domestic industry because the industrialization can be delayed by the limitation imposed on transfer efficiency and distance O The basic technologies including multi energy transfer and 3D energy transfer with high space freedom will be required for future wireless ICT services - Technique of generating a single-mode H-field in the near field - Technique of improving the energy transfer efficiency and transfer distance by H-field deformation based on the control of H-field strength/distribution - Technique of device and human body protection from leakage field - Technique of non-radiation resonant coil design to reduce EMC - Technique of 3D E-zone with high space freedom - Technique of energy integration with high efficiency and EMF safety xviii

20 III. THE CONTENTS AND SCOPE OF THE STUDY A. Contents by year o 1 st year: Development of basic technology for multi-dimensional energy integration - Design of high efficiency Tx/Rx module - Design of technology for implementing small 3D E-zone - Design of energy integration structure o 2 nd year: Development of technology for implementing multi-dimensional energy integration - Development of high efficiency Tx/Rx module - Development of technology for implementing small 3D E-zone - Development of energy integration structure o 3 rd year: Development of technology for optimizing multi-dimensional energy integration - Development of the prototype of wireless power transfer system in the near field - Development of technology for implementing 0.7m 3D E-zone - Development of energy integration system B. Scope by year 1) 1 st year o Design of high efficiency Tx/Rx module - Study of H-field deformation and generation a single-mode H-field - Design of high efficiency Tx/Rx module - Design of high-q resonator for low frequency xix

21 o Design of small 3D E-zone structure - Design of the structure of wireless power transfer system - Analysis of Human effects and study of minimal radiation technique - Design of the structure of 3D E-zone system o Design of energy integration structure - Study of transfer mode and Tx/Rx mode transformation - Tx/Rx Coil Design for multi-dimensional energy integration - Transponder design and structure study on the structure of multi-dimensional energy integration system 2) 2 nd year o Development of high efficiency Tx/Rx module - Design of H-field deformation - Development of high efficiency Tx/Rx module - Development of small resonator with high-q o Development of technology for implementing small 3D E-zone - Development of impedance matching technique and expanding of transfer distance - Design of the structure to reduce interference with devices - Implementation of 3D E-zone system prototype ( m3) - Packaging of wireless charging module o Design of energy integration structure - Design of the structure on transmission mode transformation - Design of the Tx/Rx mode transformation - Tx/Rx Coil Design for multi-dimensional energy integration - Implementation of transponder prototype xx

22 - Packaging of transponder module 3) 3 rd year o Development of the prototype of wireless power transfer system in the near field - Implementation of H-field deformation and generating a single-mode H-field - Development of thin resonator with high-q - Implementation of Development of small resonator with high-q o Development of technology for implementing 0.7m 3D E-zone - Development of impedance matching technique according to transfer distance and load variation - Development of the structure with minimal radiation - Implementation of 3D E-zone system prototype ( m3) - Implementation of the reliability for wireless charging module o Development of energy integration system - Implementation of transfer mode transformation - Implementation of Tx/Rx mode transformation - Development of Tx/Rx Coil for multi-dimensional energy integration - Development of the optimized transponder system (ETRI) IV. Results A. Final results 1) Development of 3D E-zone system o Development of 9 cm 3D E-zone system(e-cup ) (60±3% DC/DC efficiency regardless of the directions) xxi

23 o Satisfying KN 17 and FCC part 18 o Development of m3 E-zone system (DC/DC efficiency: 70% avg.) 2) Development of multi-dimensional energy integration system o Development of dual mode energy integration system for energy transfer between the devices (the eddy current elimination technique, more than 80% DC/DC efficiency in 2 cm for 200 khz with low-q mode, over 70% DC/DC efficiency in 2 cm for 6.78 MHz with high-q mode ) o Development of the adaptive wireless power receiver for transfer distance and load variation (maintenance efficiency technique using load modulation) B. Results by year 1) 1 st year o Design of high efficiency Tx/Rx module - Design and fabrication of 500 W high-efficiency Tx module with more than 90% efficiency - Design and fabrication of Tx/Rx resonator using dual receiving technique( m2 plane degree of freedom) - Design and fabrication of 200 W full bridge Rx/Charging model - Design and fabrication of 200 W wireless charging system (DC/DC efficiency 80%) - Implementation of Tx/Rx module with power control function using BLE(Bluetooth Low Energy) o Design of small 3D E-zone structure - Design of the resonator structure for 3D E-zone (equal-phase series feeding xxii

24 type) - Design and fabrication of m 3 3D E-zone prototype (maintenance efficiency using the phase control technique according to the position and direction of the Rx) o Design of energy integration structure - Design of the structure on energy transponder for multi-dimensional energy integration (dual mode selection for Tx/Rx, High-Q and Low-Q) - Design and fabrication of High-Q, Low-Q Rx for energy transponder (voltage mode, current mode, DC/RF efficiency more than 90%) - Design and implementation of dual mode integrated Tx using voltage mode High-Q, Low-Q Tx (implementation of BLE and mode selection function) - Development of the maintenance efficiency technique for transfer distance and load variation using load modulation 2) 2 nd year o Development of high-efficiency Tx/Rx resonant module - Design of deforming technology for magnetic field (magnetic beamforming using multi Tx resonators) - Fabrication of 100 W high-efficiency Tx/charging module - Basic study of interleave Rx structure having dual Rx resonant - Basic study of Tx/Rx module for door-lock o Development of technology for implementing small 3D E-zone - Basic study on the implementation of small 3D E-zone system ( m 3 ) - Basic study on technique of expanding the transfer distance (3.5 times of resonator % efficiency) xxiii

25 - Development of Tx module for 3D E-zone (24 W full-bridge, DC/RF efficiency > 91%) - Development of Rx module for 3D E-zone (5 W full-bridge, DC/RF efficiency > 92%) - Development of resonator for 3D E-zone (power supplying with in phase, 3D spatial transfer) - Development o of control system for 3D E-zone (BLE, Zigbee multi-wireless charging algorithm) - Design and fabrication of small 3D E-zone system (diameter: 9 cm and cupholder type system, DC/DC efficiency: rotating of 360 degree) - Improvement of magnetic field shielding performance by control the propagation route (> 80 %) - Reduction of the EMI for the small 3D E-zone system (satisfy the KN17 and FCC Part18) o Design of multi-dimensional energy integration structure - Design of transponder for energy transfer for inter- devices - Design and fabrication of dual-mode half-bridge Rx (DC/RF efficiency > 91%) - Design and fabrication of dual-mode full-bridge Tx (DC/RF efficiency > 92%) - Design and fabrication of dual-mode Tx/Rx resonator structure for energy transponder (dual-mode of 200 khz and 6.78 MHz by cancelling the eddy current) - Basic study on miniaturization of 15 W high-efficiency Rx having the function of maintaining efficiency regardless of load and transfer distance o Design of integrated control system for multi-wireless charging xxiv

26 - Design of integrated control system for multi-wireless charging considering the load with different protocols - Design of integrated control system using out-of band protocol for multiwireless charging (8 max.) 3) 3 rd year o Development of the prototype of wireless power transfer system in the near field - Study of H-field deforming technique (magnetic beamforming for multi-tx and multi-rx) - Study of the generation of a single model magnetic field (3 times of resonator diameter using new transfer method) - Development of high-q resonator with thin and enhanced degree of freedom (constant efficiency when the diameter of the resonator is 260mm) - Development of the 100 W wireless charging system for drone (more than 60% system efficiency on 260 mm charging area) - Development of small Rx module for body implantable medical type (84.7% max. efficiency at 15 mw charging power) - Development of 120 W wireless power transfer system for car seats (more than 60% system efficiency within 30cm moving distance) o Implementation of 0.7m 3D E-zone - Development of generating uniform magnetic field in 0.7m 3D zone (the magnitude and phase control for multi transmitting resonators) - Implementation of 0.7m 3D E-zone system (uniform magnetic field, more than 70 % DC/DC efficiency) o Development of multi-dimensional energy integration system xxv

27 - Development of dual mode energy integration system for energy transfer between devices (the eddy current elimination technique, more than 80% DC/DC efficiency in 2 cm for 200 khz with low-q mode, over 70% DC/DC efficiency in 2 cm for 6.78 MHz with high-q mode ) V. EXPECTED RESULT & PROPOSITION A. Wireless Power Transfer system in near field o Applicable for a small wireless devices such as smart phone, etc. o Applicable for developing a small size high-q resonator and multi-powering technique o Applicable for developing the spatial wireless-charging technology maintaining its efficiency regardless of Rx s positions and directions o Applicable for developing Rx-charger for 100 W wireless-charging devices o Applicable for developing various electric parts in car B. Development of technology for implementing 3D E-zone o Applicable for the area of 3D microwave energy transfer o Applicable for developing an energy transfer technology with high degree of freedom which can make spatial wireless-charging o Applicable for developing various spatial wireless-charging system such as cup-, book shelves, etc C. Multi-dimensional Energy Integration System o Applicable for energy transfer system supporting dual mode xxvi

28 o Applicable for developing energy transponder with dual mode selection o Applicable for energy integration system which is possible to transfer energy between devices V. Expectations and Suggestions A. Technical Effects o Secure the design technique for a small size resonator which can expand its applications o Secure 3D energy transfer technique beyond 2D pad structure by using techniques on ensuring high space freedom and generating single-mode H-field o Expanding the service area by applying the multi energy transfer technique o Secure the future technology which can be applied to the wearable and IoT device B. Economic Effects o In 2022 the worldwide market is expected to. By developing a basic technology we anticipate that we can lead market share and make small size company to increase its sales. o It can contribute to the area of home appliance, wearable devices, IoT devices, solar cell, robot as well as mobile. We will have competition with worldwide market. C. Industrial Effects o It is a base technology with wide application for broadcasting-mobile device, home appliance, automobile, aviation, and industrial robot industry. o A new market can be opened since the requirement for technology by domestic xxvii

29 companies are increasing o Related industrialization is promoted by overcoming power transfer efficiency and transfer distance D. Social Effects o It enables popularization of mobile device and electric electronic devices by overcoming the space limitation when we need power. o A great changes in everyday life are expected by changing the concept on power transfer from cable to wireless. xxviii

30 CONTENTS Chapter 1. Introduction 3 Section 1. Objectives.3 Section 2. Status of Technology Development.4 1. Status of Technology Development....4 Section 3. Contents and Scopes 7 1. Goals Contents and Scopes in this Year. 8 Section 4. Organization and Methods Organization of the Research Organization of the Research in this Year Section 5. Research Results Qualitative Research Results Excellence of research results Quantitative Research Results Chapter 2. Main Subject (Detailed Results) 41 Section 1. Development of Local Energy Transmission Technology Overview Magnetic Field Forming and Single Mode Magnetic Field Generation Thin-film Type High-Q Resonator Near-field Energy Transmission System...48 Section 2. Implementation of 3D E-zone System Overview Transmitter/Receiver for 3D E-zone D E-zone System for Cup-Holder Ensuring Reliability for Wireless Charging Module...63 Section 3. Development of Multi-Dimensional Energy Integration System Overview Technology for Changing Load and Transmission Environment 67 xxix

31 3. Development of Energy Integration System...70 Section 4. Electromagnetic Wave Reduction for WPT Overview Shielding Techniques Reduction of Human Exposure EMC Reduction Power Control for Human Exposure...83 Section 5. Control of Multi-Wireless Power Transfer Overview Multi-Wireless Power Transfer System 87 Chapter 3. Application Plans...97 Section 1. Application Plans by Sector Near-field Energy Transmission System D E-zone System Multi-dimensional Energy Integration 98 Section 2. Expected Effects Technical effects Commercial effects Industrial effects Social effects 100 Chapter 4. Conclusions Chapter 5. Research facilities and equipment status References Abbreviations xxx

32 CONTENTS OF TABLES Table Development Skill Level.6 Table Performance Index.11 Table Proportion of Task Performance (Total Year) 14 Table Task by Participating Organizations 16 Table Proportion of Task Performance (This Year) 16 Table Quantitative Research Results: Intellectual Property 22 Table Quantitative Research Results: Paper 25 Table Quantitative Research Results: Technology Transfer 29 Table Quantitative Research Results: Technical Documents 30 Table Quantitative Research Results: Prototype and Component Design 34 Table Quantitative Research Results: Technology commercialization 37 Table Quantitative Research Results: Technical Promotion and Other Achievements 37 Table Test Results of DC/DC Efficiency by the position of Rx coil 63 xxxi

33 CONTENTS OF FIGURES Figure Organization.13 Figure Methods 14 Figure Equivalent Circuit and Definition for MIMO WPT System 43 Figure Transmission Environment 43 Figure Transmission Efficiency 44 Figure Horizontal Feed.46 Figure S12 Characteristics According to Transmission Distance with 0.6 m x 0.6 m Resonator 46 Figure Modeling and Structure of Thin-film Type High-Q Resonator Figure Simulation and Calculation Results of Thin-film Type High-Q Resonator...48 Figure Total Diagrams of Drone Wireless Charging System Figure Configuration of Drone Wireless Charging System Figure System Efficiency of Drone System 50 Figure Receiver and Rx Coil for Implant System 51 Figure Operating Waveform and Efficiency Graph 51 Figure W WPT System 52 Figure Output Power and Efficiency of 120W WPT System 53 Figure Fabricated small 3D E-zone System 54 Figure PCB Layout of Developed Tx for 3D E-zone 55 Figure PCB Layout of Developed Rx for 3D E-zone 56 Figure Dual Feeding Method for small 3D E-zone System 57 xxxii

34 Figure W Tx/Rx WPT System for small 3D E-zone 58 Figure Measurement results for small 3D E-zone ((a) Output power, (b) DC/DC Efficiency 58 Figure Diagram of 3D E-zone System 59 Figure Results of Magnetic Field Uniformity Analysis 61 Figure Tx/Rx Coils of 3D E-zone System 62 Figure DC/DC Efficiency of 3D E-zone System 62 Figure Digital Door Lock Wireless Charging System 64 Figure Transmission Characteristic of Digital Door Lock Circuits 64 Figure Conceptual Diagram of Energy Transponder 66 Figure Load and Transmission Environment Change Control Technology 68 Figure Fabricated System and Efficiency 69 Figure Block Diagram of 15W Rx 69 Figure Miniaturized Rx and layout of 15 W Rx 70 Figure Developed Dual-band Resonator 71 Figure Node Voltages and Coil Currents of Developed Dual-band Resonator 71 Figure Structure of Dual-band Energy Integrated System 72 Figure Fabricated Energy Integrated System 73 Figure System Efficiency of Modes by Transfer Distances 74 Figure Concept of Propagating Route Control of Magnetic Field and Guidance of Magnetic Flux Density 76 Figure Comparison of Distribution and Strength of Magnetic Field after Applying Shielding Technique 77 Figure Setups of WPT Tx/Rx Coils and Phantom.78 Figure Comparison with ICNIRP xxxiii

35 Figure WPT System for Vehicles 80 Figure EMI Measurement Results after Modifying PCB.80 Figure EMC Measurement Result under 30 MHz.81 Figure EMC Measurement Result of 30 MHz ~1 GHz...82 Figure WPT Resonator with Metamaterial behind the Tx Coil...84 Figure Metamaterial Design Process...84 Figure Magnetic Field Distribution of Coil with Metamaterial...84 Figure Variation of Efficiency according to Magnetic Field Distribution and Distance 85 Figure WPT (Wireless Power Transfer) System...86 Figure Block Diagram of WPT 88 Figure Protocol Stack of WPT 89 Figure Development of WPT Control System...93 Figure Measurement Results of WPT System for Operating Conditions.93 Figure Measurement Environment of WPT System.94 xxxiv

36 목차 제 1 장서론... 3 제 1 절연구의필요성및목적... 3 제 2 절국내 외기술개발현황및수준 국내 외기술개발현황... 4 제 3 절연구의내용및범위 연구개발의목표 연구개발내용및범위... 8 제 4 절연구추진체계및방법 총년도연구개발추진체계 당해년도연구개발추진체계 제 5 절연구추진결과 정성적연구결과 연구결과의우수성 정량적연구결과 제 2 장본론 ( 연구수행결과 ) 제 1 절근거리에너지전송기술개발 개요 자기장성형및단일모드자기장생성기술연구 박막형 High-Q 공진기개발 근거리에너지전송시스템개발 제 2 절 3D E-zone 시스템개발 개요 D E-zone 용송수신회로개발 D E-zone 시스템개발 무선충전모듈신뢰성확보 제 3 절다차원에너지집적시스템개발 xxxv

37 1. 개요 부하및전송환경변화대응기술개발 에너지집적시스템개발 제 4 절무선전력전송전자파저감기술연구 개요 무선전력전송전자파차폐기술연구 무선전력전송인체영향저감기술개발 무선전력전송 EMC 저감기술연구 인체영향고려전력제어기술구현 제 5 절다중무선전력제어기술연구 개요 다중무선전력제어시스템구현 제 3 장연구결과의활용계획 제 1 절분야별연구결과의활용계획 근거리무선전력전송시스템분야 D E-zone 시스템분야 다차원에너지집적기술분야 제 2 절연구결과의기대효과 기술적기대효과 경제적기대효과 산업적기대효과 사회적기대효과 제 4 장결론 제 5 장연구시설 장비현황 참고문헌 약어표 xxxvi

38 표목차 표 개발기술수준... 6 표 성과지표 표 과재수행분담비율 ( 총년도 ) 표 참여기관별수행업무 표 과재수행분담비율 ( 당해년도 ) 표 정량적연구결과 : 지적재산권 표 정량적연구결과 : 논문 표 정량적연구결과 : 기술이전 표 정량적연구결과 : 기술문서 표 정량적연구결과 : 시제품및부품설계 표 정량적연구결과 : 기술사업화 표 정량적연구결과 : 기술홍보 표 전송공간내수신코일위치에따른 DC/DC 전송효율측정결과 xxxvii

39 그림목차 그림 연구수행체계 그림 연구개발추진방법 그림 다중출력다중입력무선전력전송시스템등가회로및정의 그림 전송환경 ((a) 사례 1: 좋은전송환경 (b) 사례 2: 나쁜전송환경 ) 그림 전송효율 ((a) 사례 1: 좋은전송환경, (b) 사례 2: 나쁜전송환경 ) 그림 수평급전 ((a) 자유로운급전방향, (b) 자유롭게찾아가는급전 ) 그림 m 0.6 m 공진기전송거리에따른 S 12 특성 그림 박막형 High-Q 공진기구조모델링및제작형상 ((a) 박막형 High-Q 공진기모델링, (b) 박막형 High-Q 공진기제작형상 ) 그림 박막형 High-Q 공진기시뮬레이션및계산결과 (@ d=10 mm) 그림 드론무선충전시스템전체구성도 ((a) 송신기, (b) 수신기 ) 그림 드론무선충전시스템제작 그림 드론무선충전시스템시스템효율 그림 개발된임플란트시스템용수신기및수신코일 그림 측정된동작파형및효율그래프 그림 W 급무선전력전송시스템 ((a) 구성도, (b) 구현된시스템 ) 그림 W 급무선전력전송시스템의출력전력및효율 그림 스마트기기의방향에관계없이충전기가능한소형 3D E-zone 시스템. 54 그림 개발된 3D E-zone 용송신기 PCB 레이아웃 그림 개발된 3D E-zone 용수신기 PCB 레이아웃및수신기장착모습 그림 D E-zone 용이중급전공진방식예 그림 D E-Zone 20W 급송수신시스템 그림 소형 3D E-zone 측정결과 ((a) 출력전력, (b) DC/DC 효율 ) xxxviii

40 그림 D E-zone 시스템구성도 그림 D E-zone 시스템의자기장균일도해석결과 ((a)=0deg, (b)=45deg, (c)=90deg, (d)=135deg) 그림 D E-zone 시스템의송수신코일 그림 D E-zone 의중심에서수신코일방향에따른 DC/DC 효율 그림 디지털도어락무선충전시스템 그림 디지털도어락용송수신 / 공진회로전송특성 그림 에너지트랜스폰더의개념도 그림 개발된부하, 전송환경변화대응제어기술 그림 제작된시스템및효율측정결과 그림 W 급수신기블록도 그림 W 급수신기소형화 ((a) 15 W 급수신기 layout, (b) 제작된 IC) 그림 개발된이중대역공진기구조 그림 개발된이중대역공진기의각노드별전압및각코일별전류 그림 이중대역에너지집적시스템구조 ((a) 송신기, (b) 수신기 ) 그림 에너지집적시스템제작 그림 각모드별전송거리에따른시스템효율 그림 자기장전파경로제어개념도및자속밀도의유도 그림 차폐기술적용전 / 후의자기장분포및자기장강도변화 그림 무선전력전송송수신코일및인체모의팬텀배치 그림 ICNIRP2010 기준과의비교 그림 차량용무선전력전송장치 그림 무선전력전송장치의대책후 EMI 측정결과 그림 MHz 이하 EMI 측정결과 그림 MHz ~ 1 GHz 에서의 EMI 측정결과 그림 송신코일후방에메타물질이있는무선전력전송공진부 xxxix

41 그림 메타물질설계과정 그림 메타물질을이용한송신코일의자기장분포 그림 자기장분포와거리에따른전송효율변화 그림 무선전력전송시스템 그림 무선전력전송시스템구성도 그림 무선전력전송프로토콜스택 그림 무선전력전송제어시스템구현 그림 무선전력전송시스템동작상태측정 ((a) 전력전송 (140 khz), (b) 제어신호 (2.4 GHz)) 그림 무선전력전송시스템성능측정환경 xl

42 제 1 장서론 1

43 2

44 제 1 장서론 제 1 절연구의필요성및목적 무선전력전송기술은전파를활용하여정보를전송하는무선통신기술처럼, 전파를활용하여에너지를전송하는기술로서전파활성화정책과연계한국가차원의개발추진이필요하며, 전자파환경문제와매우밀접한기술로서국가적차원의체계적인기술개발이요구되며관련측정인프라및원천기술개발을통해산업선도화가필요한기술이다. 본기술은 2008년이후급부상하는분야로서 (2008년도 MIT, 2009년도 KISTI 10대기술선정 ) 선진국을비롯한다수의연구기관에서조기원천기술확보를위해연구진행중에있으며, 전기를사용하는기기전반에걸친산업파급효과및부가가치가매우높아국가적차원의체계적이고전략적인연구지원이요구된다. 현재까지국내무선전력전송관련기술의개발은현재수 mm 거리이내에서전자기기에무접점으로전력을전달할수있는자기유도방식의무선전력송수신기술에집중되고있으며, 보다먼거리를전송할수있는자기공명기술은아직상용화단계에미치지못하고있다. 특히, 현재의무선전력전송기술은스마트폰, 전기자동차등을충전하기위해 2차원패드구조로고정된거리에서에너지를전달되는형태로인해거리변화에따른효율및주파수변화가심하고, 송수신코일의정렬에대한자유도가제한되고있는실정이다. 이와같은제약조건으로인해현재기술은사용자의흥미를유발할수는있으나, 편의성과효율측면에서사용자의요구사항을충족하지못하고있다. 따라서현재의 2차원패드기술을넘어서 3차원공간전송을통해자유로운에너지서비스를가능하게하고, 미래에도래할 IoT 시대에모든기기에적용가능한기기간에너지전송기술을개발하여새로운에너지산업분야를생성하고나아가자유로운에너지서비스를가능하게할수있는핵심원천기술개발이반드시요구된다. 3

45 제 2 절국내 외기술개발현황및수준 1. 국내 외기술개발현황 가. 국내기술동향및수준 o ( 국내산업체 ) WPC 기반자기유도방식은 LG 전자가주도적으로연구개발하고있으며, A4WP 기반자기공진방식은삼성전자, 삼성전기, LS 산전등에서휴대폰적용을위한시제품제작을중심으로연구개발하고있음 o LG 전자를중심으로한 WPC 에서는자기유도기반휴대단말기의무선충전제품을 2011 년부터시장에선보인상황이며, 삼성전기에서는자기공명기반무선충전기술을휴대단말기무선충전에적용하여 CES 2014 에서시연하였음 o (LG 전자 ) 자기유도방식칩이내장된 LTE2, VU2, G 프로스마트폰을 200 만대이상공급하고있으며, 2014 년급속충전기, 주방가전제품준비 중 o ( 삼성전자 ) 자기유도방식이가능한갤럭시노트, S3, S4 를 3,000 만대 이상공급하고있으며, 급속무선충전방식을 S7 부터적용하고있음 나. 국외기술동향및수준 o ( 미국 ) 22 년웨어러블시장의차지할것으로전망되며, 아이폰 8 에무선충전적용함 4

46 애플 : 17.2 월 WPC 회원가입및 AWG, ITU-R, IEC 에서활발히 표준화활동중 o ( 중국 ) 전세계가장큰시장과가장많은기업군을형성하고있으며, WPC 와함께 2,000-3,000 군데의공공장소에무선충전인프라를설치할 예정이며, ZTE 는무선충전폰출시 o ( 일본 ) 무선충전의선구자로서 NTT 도코모, 무라타가다양한제품을 선보이고있으며, 향후 RF 빔방식무선충전기술을이용하여 전기자동차까지적용할계획을갖고있음 o ( 세계시장 ) 17 년 전체무선전력전송시장이 22 년자기유도와자기공명을포함한 달할것으로전망됨. 특히연평균 시장성장이전망되고있음 ( 2017) o 가전분야는 2017 년세계시장넘어서서본격적인산업 활성화가예상되며, 타산업분야로급속히퍼질것으로전망 다. 국내 외경쟁기관현황 o 무선전력전송을구성하는기반연구분야인송신부, 수신부, 공진부의 경우, ETRI 에서는 2010 년부터핵심원천개발기술로개발을해왔으며, 특히관련기술에대한원천성을확보하고있음 - 송신부는 F 급증폭기를활용하여 130 W 급으로 1.78 MHz 에서 85% 효율을갖는기술을확보, 수신부는보호회로및임피던스정합에유리한 Active dummy load 기법으로효율 90% 이상을확보, 공진부는공진주파수를 1.78 MHz 로낮추고 high-q 를갖는소형 5

47 공진체기술을확보하고있음 o 인체영향및전자파간섭에관한기반기술을 ETRI 에서는측정기술및 제어기술에대해기반기술을갖고있음 표 개발기술수준 구분 기술수준상대수준격차 ( 년 ) (%) 최고기술 ( 보유국 ) 판단사유및근거 WiTricity 사가시연한연구결과 송신부기술 2 90 미국 (WiTricity) (η=91%) 와 ETRI 에서개발한 F 급증폭기효율 (η=85%) 을비교분석함 WiTricity 사가시연하고홍보한연구 수신부기술 1 95 미국 (WiTricity) 결과 (η=95%) 와 ETRI 에서개발한수신기효율 (η =90%) 을비교분석함 미국 MIT 는헬리컬공진기로 10 공진부 기술 -1 (1 년우위 ) 105 미국 (MIT) MHz 에서공진기직경대비전송거리가 1.6 배, ETRI 에서개발한이중스파이럴공진기는 1.7 배임 애플사의경우, PC 주변기기를이용한 무선충전존을형성한다는개념 3 차원 전송기술 미국 (Apple) 특허가출원된상황이나이에대한구체적인연구결과가없으며, ETRI 경우관련 3D E-zone 에원천기술및 구현기술을확보하고있음 6

48 제 3 절연구의내용및범위 1. 연구개발의목표 가. 연구과제의최종목표 : o 한정된서비스영역확장으로, 안전하고효율이높은 3D E-zone 및 다차원에너지집적기술개발 나. 연구과제의최종세부목표 : o 3D E-zone 시스템 m 3 의공간에서에너지전송 (DC/DC 효율 70%) o 다차원에너지집적시스템 - 기기간에너지전송을위한 high-q 모드 (6.78 MHz, 20 cm 이하 ) 와 low- Q 모드 (110 khz, 357 khz, 10 mm 이하 ) 를수용하는이중모드에너지트랜스폰더 다. 연차별연구목표 1) 1 차년도 : 다차원에너지집적기반기술개발 o m3 3D E-zone 구현 (DC/DC 효율 50%) o 다차원에너지집적기술 (High-Q 55%, Low-Q 70%) 2) 2 차년도 : 다차원에너지집적구현기술개발 o m3 3D E-zone 구현 (DC/DC 효율 60%) o 다차원에너지집적기술 (High-Q 60%, Low-Q 75%) 3) 3 차년도 : 다차원에너지집적기반기술개발 o m3 3D E-zone 구현 (DC/DC 효율 70%) o 다차원에너지집적기술 (high-q 70%, low-q 80%) 7

49 2. 연구개발내용및범위 가. 연구개발내용 1) 1 차년도 : 다차원에너지집적구현기술개발 o 고효율송수신 / 공진모듈개발 o 소형 3D E-zone 구현기술개발 o 에너지집적구조설계 2) 2 차년도 : 다차원에너지집적구현기술개발 o 고효율송수신 / 공진모듈개발 o 소형 3D E-zone 구현기술개발 o 에너지집적구조설계 o 에너지집적구조설계 3) 3 차년도 : 다차원에너지집적최적화기술개발 o 근거리에너지전송시제품개발 o 0.7 m 급 3D E-zone 구현 o 다차원에너지집적시스템 나. 연구개발범위 1) 1 차년도연구범위 o 송수신 / 공진회로설계 - 자기장성형, 단일모드자기장생성연구, - 고효율송수신부모듈설계 - 저주파 High-Q 공진기구조설계 o 3D E-zone 구조설계 8

50 - 전송시스템구조설계, - 전자파인체영향분석, 극소복사기술연구 - 3D E-zone 시스템구조설계 o 에너지집적구조설계 - 전송모드및송수신모드변환연구 - 다차원에너지집적용송수신 / 코일구조설계 - 트랜스폰더구조설계, 다차원에너지집적시스템구조연구 2) 2 차년도연구범위 o 고효율송수신 / 공진모듈개발 - 자기장성형설계 - 고효율송수신부모듈개발 - 소형 High-Q 공진기개발 o 소형 3D E-zone 구현기술개발 - 임피던스매칭기술및전송거리배가기술개발 - 간섭저감을위한극소복사구조설계 - 3D E-zone 시제품구현 ( m 3 이하 ) - 무선충전모듈패키징 o 에너지집적구조설계 - 전송모드변환구조설계 - 송수신모드변환구조설계 - 다차원에너지집적용송수신 / 코일설계 - 트랜스폰더시제품구현 - 트랜스폰더모듈패키징 2) 3 차년도연구범위 o 근거리에너지전송시제품개발 - 자기장성형구현및단일모드자기장생성구현 9

51 - 박막형 High-Q 공진기개발 - 근거리에너지전송모듈설계및시제품제작 (ETRI) o 0.7 m 급 3D E-zone 구현 - 전송거리및부하변동에따른임피던스정합기술 - 극소복사구조구현 - 3D E-zone 시제품구현 ( m3 ) - 무선충전모듈신뢰성 o 다차원에너지집적시스템개발 - 전송모드변환모듈구현 - 송수신모드변환모듈구현 - 다차원에너지집적용송수신 / 코일개발 - 트랜스폰더시스템최적화개발 (ETRI) 다. 성과지표 1) 성과지표산출근거 o 무선 E-zone 기반기술관련시제품은미래응용분야확대예측 o 다차원에너지집적기반기술관련시제품은미래 IoT 기술에대비한시장을예측하여, High-Q 모듈과 Low-Q 모듈로구분하여설정 o 특허및 SCI 논문은특허출원시간과게재시간을고려하여출원및게재건수를산정 2) 경영성과계획서 ( 전략목표및성과목표 ) 와의연계성 o 본과제는방송미디어연구소의주요업무중의하나인전파자원개척및활용에관한전략및성과목표의내용에부합 10

52 3) 주요사업로드맵과의연계성 o 주요사업로드맵상의산업화형기술단계에해당하며향후수행예정인산업화기술들을대상으로연구목표와연구내용을정의 o 본과제는 ETRI 주요사업로드맵의기술분류체계상전파기술분야의기술숲지도포지셔닝관련성장기술로써고효율전파에너지접속및초고주파대역무선전송기술 4) 대과제연계성 o 무선에너지전송 / 집적기술은방송통신기기, 가전기기, 자동차, 항공, 산업로봇등응용분야가많아산업적파급효과가매우높은기술 o 한정된서비스영역을확장할수있도록무선전력전송기술의공간적제약성을극복함으로써모든생활에변혁을가져올수있는생활편의제공효과기대 표 성과지표 성과지표 ( 주요성능 Spec) 단위 세계최고수준 기술개발 목표치 (2016) 목표치 산출근거 검증방법 미래 m3 % 신개념구현 60 응용분야 에너지존효율 확대예측 High-Q 모듈효율 % 효율 60% 70 미래 IoT 기술대비 Low-Q 모듈효율 % 효율 75% 80 시장예측 DC/DC 효율 측정결과 제시 11

53 라. 연구목표의독창성 1) 자기장성형기반기술은기존연구가미비한실정으로원천성과기술선점가능성이매우높은 high risk-high return 기술 o 단일모드생성기술및자기장강도 / 분포제어기술을통해전송거리배가원천기술확보 o 효율개선을위한신개념송수신회로및 load balancing 기술개발 o 공간상에동일한 wave impedance 를형성하는전송원천기술확보 2) 기기간에너지전송기반다차원에너지집적기술은현재무선전력전송에서한계로느끼는근역장전송거리를확대할수있는유일한방법으로경제적파급효과가매우큼 o 현재코일의직경대비직경전송거리로는그응용분야및시장성이한계가있음 o 기기간에너지전송을위한두모드가자유로이전송하도록하는원천기술개발 o 공간한계를뛰어넘는전송알고리즘개발과신개념에너지스토리지의원천기술개발 12

54 제 4 절연구추진체계및방법 1. 총년도연구개발추진체계 가. 총년도연구개발추진체계 그림 연구수행체계 o 본연구의개발목표및연구내용은현재진행되고있는 A4WP, WPC 표준을모두반영하고있으며, 특히트랜스폰더와같은송수신이모두가능한신개념제품을개발하여향후참여기업에서국내외표준을반영하고민간표준을선도할계획임 o 한국전자파학회의미래전파연구회및대한전기학회의무선전력전송연구회를 통해국내외학계, 연구계의최신기술정보및신기술에대한요구를반영 o 국내외관련산업의에코시스템구축을위해무선전력전송진흥포럼 (KWPF) 을 활성화하고이를통해산업체의요구사항반영과국내외기술동향을정확히 파악 13

55 o 다양한응용분야를고려하여송수신 / 공진회로기술을우선적으로개발하고 이에따른핵심 IPR 확보와기술이전및상용화 (TRL7 단계 ) 추진 o 참여기업 ( 동양이엔피, 링크일렉트로닉스 ) 에서연구개발결과물에대한 상용화, 사업화연구개발을수행하여 100 억원이상의매출증대를유도함 그림 연구개발추진방법 나. 과재수행분담비율 표 과재수행분담비율 ( 총년도 ) 구분 자체수행 (A) 공동수행 (B) ( 공동연구 ) 전문가 활용 외부수행 위탁 외부 연구 용역 소계 (C) 계 (A+B+C) 과제수행 분담비율 88.08% 7.49% 0.31% 4.12% % 100% 14

56 2. 당해년도연구개발추진체계 가. 연구개발추진체계 o 본과제는원천성이높은응용분야로, ETRI 에서는원천, 기반연구를 수행하였으며산업체에서는상용화를위한모듈개발로진행하였음 o ETRI 에서는송수신 / 공진회로기술, 3D E-zone 및다차원에너지집적기술관련구조설계연구에집중하였으며, 공동연구기관인 동양이엔피와 ( 주 ) 링크일렉트로닉스에서는이를적용한상용화연구로송수신모듈에대한설계연구를수행하고, 학계에서는위탁연구를통해보다원천적인연구와분석연구를수행하였음 o 본연구의개발목표및연구내용은현재진행되고있는 A4WP, WPC 표준을 모두반영하기위한연구를수행하였으며, 특히두모드를모두전송할수 있는구조설계에집중하였음 o 공동연구기관에서는당해년도에활용할송수신모듈개발에집중하였으며, 특히상용화를염두하여소형구조로개발을진행하였음 o 전자파학회의미래전파연구회및대한전기학회의무선전력전송연구회를통해 국내외학계, 연구계의최신기술정보및신기술에대한니즈를지속적으로 반영하였음 o 국내외관련산업의에코시스템구축을위한 KWPF 를활성화하고산업체의 요구사항을지속적으로반영하고국내외기술동향을파악하고협력함 15

57 표 참여기관별수행업무 구분 주요수행업무 ETRI 송수신회로 / 공진기반, 원천기술개발 3D E-zone, 다차원에너지집적기술 개발 공동연구위탁연구 링크일렉트로닉스에너지집적모듈상용화개발 아주대학교 무선전력전송의효율유지를위한자기장생성기술연구 인천대학교 이종다중무선전력전송기초연구 한국과학기술원 유효부하유지를위한이중모드수신기소형화연구 최신기술동향 및시장정보 파악, 공유 한국전자파학회 무선전력전송의전자파차폐및 성형기술연구 나. 과재수행분담비율 표 과재수행분담비율 ( 당해년도 ) 구분 자체수행 (A) 공동수행 (B) ( 공동연구 ) 전문가 활용 외부수행 위탁 외부 연구 용역 소계 (C) 계 (A+B+C) 과제수행 분담비율 90.70% 3.00% 0.1% 6.20% 0% 6.30% 100% 16

58 제 5 절연구추진결과 1. 정성적연구결과 가. 총년도연구결과 1) 3D E-zone 시스템개발 o 직경 9 cm 급소형 3D E-zone 시스템 (E-cup) 개발 ( 스마트폰위치와방향에관계없이 60±3% 의 DC/DC 효율확보 ) o 소형 3D E-zone 시스템전자파환경인증획득 ( 국내 KN17, 미국 FCC part18) o m 3 의공간에서에너지전송시스템개발 (70 cm 급 3 차원공간에서평균효율 70% 이상확보 ) 2) 다차원에너지집적시스템개발 o 기기간에너지전송을위한이중모드에너지집적시스템개발 ( 와전류제거기법적용, 200 khz low-q 모드 80% 이상 DC/DC 전송거리 2 cm 이하, 6.78 MHz high-q 모드 70% 이상 DC/DC 전송거리 2 cm) o 전송거리 / 부하변동대응적응형무선전력전송수신기개발 (Load Modulation 을이용한효율유지기술확보 ) 나. 연차별연구결과 1) 1 차년도연구결과 o 송수신 / 공진회로설계 W 급고효율 half-bridge 송신기설계및제작 ( 효율 90% 이상 ) - 이중집전기술을이용한송수신공진기설계및제작 ( mm 2 의평면자유도확보 ) 17

59 - 200 W 급 full-bridge 수신 / 충전기설계및제작 W 급무선충전시스템설계및제작 (DC/DC 효율 68%) - BLE(Bluetooth Low Energy) 를이용한송수신기및전력제어기능구현 o 3D E-zone 구조설계 - 3D E-zone 공진기구조설계 ( 동위상직렬급전방식 ) m 3 의 3D E-zone 프로토타입시제품설계및구현 ( 수신기위치및방향에따라인버터위상을이용한효율확보 ) o 다차원에너지집적구조설계 - 다차원에너지집적용에너지트랜스폰더구조설계 ( 송수신및 High-Q, Low-Q 의이중모드선택기능 ) - 에너지트랜스폰더용 High-Q, Low-Q 송신기설계및제작 ( 전압모드, 전류모드송신기, 90% 이상의 DC/RF 효율확보 ) - 전압모드 High-Q, Low-Q 송신기를이용한이중모드통합송신기설계및구현 (BLE 통신및이중모드선택용제어기능구현 ) - 부하및전송거리변화대응효율유지기술개발 (Load Modulation 을이용한효율유지기술확보 ) 2) 2 차년도연구결과 o 고효율송수신 / 공진모듈개발 - 자기장성형기술설계 ( 다중송신공진기자기장빔성형기술연구 ) W 급고효율수신 / 충전모듈제작 ( 가변정전류발생기술적용 ) - 2 중수신공진기활용인터리브수신구조연구 (2 개의인터리브방식수신기를이용한시스템효율증대 ) 18

60 - 도어락용송수신모듈연구 (2 W 급송수신모듈개발및적용 ) o 소형 3D E-zone 구현기술개발 m 3 의소형 3D E-zone 구현기반기술개발 ( 전송거리배가기술개발및컵홀더형소형 3D E-zone 기술개발 ) - 공진기전송거리배가기술연구 ( 공진기직경대비 % 효율, MIT 기술대비 1.5 배이상의전송거리확보 ) - 3D E-zone 용송신모듈개발 (24 W 급 Full-bridge, DC/RF 효율 91% 이상 ) - 3D E-zone 용수신모듈개발 (5 W 급 Full-bridge, DC/RF 효율 92% 이상 ) - 3D E-zone 용공진기개발 ( 동위상급전, 3 차원공간전송기술 ) - 3D E-zone 용제어시스템개발 (BLE, Zigbee 다중무선충전알고리즘 ) - 소형 3D E-zone 시스템설계, 제작 ( 직경 9 cm 컵홀더형시스템, 60±3% 의 DC/DC 360 도회전 ) - 자기장전파경로제어를통한전자파차폐성능개선연구 ( 최대 80% 이상의전자파저감효과 ) - 소형 3D E-zone 시스템의국내및국제 EMI 규격만족 (EMI 저감코일적용, 국내 KN17, 미국 FCC Part18 규격만족 ) o 다차원에너지집적구조설계 - 기기간에너지전송을위한에너지트랜스폰더구조설계 - 이중대역 half-bridge 송신기설계및제작 ( 이중대역단일소자적용전압모드송신기, 91% 이상의 DC/RF 효율 ) - 이중대역 full-bridge 수신기설계및제작 ( 이중대역단일소자적용수신기, 92% 이상의 DC/RF 효율 ) 19

61 - 에너지트랜스폰더용이중대역송수신공진기구조설계및제작 ( 와전류상쇄기법이적용된 200 khz, 6.78 MHz 의이중대역단일공진기구조설계및제작 ) - 부하및전송거리변화대응효율유지기술이내장된 15 W 급고효율수신기소형화연구 (Load modulation 기법이적용된 15 W 급수신 IC 설계, 제작 ) o 다중무선충전을위한통합제어시스템설계 - 이종부하다중무선충전을위한통합제어시스템설계 - Out-of-band 를이용한최대 8 대의다중무선충전통합제어시스템설계 3) 3 차년도연구결과 o 근거리에너지전송시제품개발 - 자기장성형기술연구 ( 다중송신, 다중수진자기장빔성형기술연구 ) - 단일모드자기장생성기술연구 ( 새로운전송방식을이용하여직경대비전송거리 3 배확보기술연구 ) - 평면자유도가개선된박막형 high-q 공진기개발 ( 직경 260 mm 에서균일충전효율확보 ) W 급드론무선충전시제품개발 ( 직경 260 mm 충전영역에서 60% 이상의시스템효율확보 ) - 체내삽입형의료용임플란트시스템용소형수신기개발 (15 mw 충전전력에서 84.7% 의최대수신기효율확보 ) W 급자동차시트용무선전력전송시스템개발 (30 cm 이동거리에서 60% 이상의시스템효율확보 ) o 0.7 m 급 3D E-zone 구현 20

62 - 0.7 m 의 3 차원공간균일장생성기술개발 ( 다수개의송신공진기에송신신호크기및위상조절 ) m 3 의 3D E-zone 시스템구현 ( 균일장생성기술적용, 0.7 m 급 3 차원공간에서평균 70% 이상의 DC/DC 효율확보 ) o 다차원에너지집적시스템개발 - 기기간에너지전송을위한이중모드에너지집적시스템개발 ( 와전류제거기법적용, 200 khz low-q 모드 80% 이상 DC/DC 전송거리 2 cm 이하, 6.78 MHz high-q 모드 70% 이상 DC/DC 전송거리 2 cm) 2. 연구결과의우수성 본연구과제에서는기존무선전력전송기술인 2차원패드방식의한계를극복하여충전공간을 3차원으로확대할수있는기술에대한연구를수행하여세계최초로 360 도고자유도 3D E-zone 기술을개발하였다. 3D E-zone 기술은공간균일장생성기술을이용하여특정공간에서수신기의위치및방향에관계없이일정한전송효율을갖도록개발된기술로 3차원공간무선충전에대한원천특허를확보하였으며, 또한저주파대역에서세계최고수준의시스템효율을갖는자기공명기술을개발하는성과를이룩하였다. 특히개발된 3D E-zone 기술의상용화를앞당길수있도록본연구과제에서개발된직경 9 cm급 3D E-zone 시스템에대해국내무선전력전송전자파환경규격인 KN17 인증을획득하였으며, E-zone 시스템에적용된 ETRI 고유의전자파저감기술을이용하여공동연구기관에서총 1.4억원의기술사업화실적을이룩하였다. 에너지집적기술연구를통하여이중대역에서동작가능하며세계최고수준의시스템효율을갖는에너지집적시스템을개발하였으며, 관련기술을세계유수논문지에게재하는성과를이룩하였다. 21

63 3. 정량적연구결과 o 지적재산권 : 총 32 건 - 국제특허 10 건출원 /3 건제출, 국내특허 19 건출원 표 정량적연구결과 : 지적재산권 구분제목발명자국명 비고 ( 출원, 등록, 제출 ) 출원 3 차원무선충전장치및방법조인귀외 미국, 유럽, 중국 (3 극특허 ) 15/363818, , 출원 공간복사량저감및전송거리확장하는양전기자기결합방식을갖는무선전력전송기술 윤재훈외 미국, 유럽, 중국 (3 극특허 ) 15/79954, , 국제 에너지밀도가균일한충전영역을형성하는 2 차원원형배열구조무선충전장치및구현방법 김상원외 미국, 유럽, 중국 출원 (3 극특허 ) (PCT/KR2017/ ) 이중동위상직렬급전방식을갖는개방형이중공진코일 윤재훈외 미국 출원 (15/364443) 무선전력전송을위한다중겹침토로이드동축공진코일 윤재훈외 미국 출원 (15/365515) 수신단의 유효 부하저항 변환비율을 자동으로 제어하는 무선전력전송장치및방법 안덕주외 미국 출원 (15/240043) 무선전력전송기기의전자파저감방법 문정익외 미국 출원 (15/267622) 22

64 무선전력전송장치의전자파저감 장치및방법 전상봉외 미국 출원 (15/428283) 에너지 밀도가 균일한 충전영역을 형성하는 3 차원 무선충전장치및구현방법 김상원외 미국 출원 (15/428616) 자기장전파경로제어를통한자기장차폐구조및그방법 김병찬외 미국 출원 (15/599908) 넓은면적에대해충전위치에상관없이일정한효율유지방법 김상원외 미국 제출 무선전력전송의열문제미국, 유럽, 제출해결을위한송 / 수신코일설계조인귀외중국 (3 극특허 ) 방법 불요고조파감쇄장치 문정익외 미국 제출 이중동위상직렬급전방식을갖는개방형이중공진코일 윤재훈외 한국 출원 ( ) 무선전력전송을위한다중겹침토로이드동축공진코일 윤재훈외 한국 출원 ( ) 기기간무선에너지전송장치및무선에너지전송방법 김성민외 한국 출원 ( ) 국내 무선전력 수신장치, 그를 포함하는무선전력전송시스템 및 수신단의 유효부하저항 안덕주외 한국 변환비율을 자동으로 제어하는 방법 3 차원무선충전장치및방법 조인귀외 한국 출원 ( ) 출원 ( ) 비행체에대한무선전력전송 장치및비행체 문정익외 한국 출원 ( ) 전자파저감장치및방법문정익외한국 무선충전장치및방법김상원외한국 출원 ( ) 출원 ( ) 23

65 공간복사량저감및전송거리확장하는양전기자기결합방식을갖는무선전력전송기술 윤재훈외 한국 출원 ( ) 효율향상을위해다중수신 코일들을이용한인터리브 무선전력전송시스템 윤계석외 한국 출원 ( ) 저감코일을 이용한 무선전력전송장치의 전자파 전상봉외 한국 저감장치 자기장차폐장치 김병찬외 한국 출원 ( ) 출원 ( ) 에너지밀도가균일한충전영역을형성하는 2 차원원형배열구조무선충전장치및구현방법 김상원외 한국 출원 ( ) 무선전력전송장치및무선전력전송방법 김상원외 한국 출원 ( ) 무선전력전송의열문제해결을위한송 / 수신코일설계방법 조인귀외 한국 출원 ( ) 무선전력전송장치, 그리고무선전력수신장치. 문정익외 한국 출원 ( ) 무선전력전송수신부에서최적부하추적방법및장치 김성민외 한국 출원 ( ) 유효부하저항제어가가능한무선전력수신장치및유효부하저항제어방법 김성민외 한국 출원 ( ) 출력전압을제어하는무선전력수신장치 안덕주외 한국 출원 ( ) 24

66 o 논문 : 총 48 건 - SCI(IF 상위 5% 이내 2 건 ) 게재 3 건, 국제학술대회 22 건, 국내학술지 5 건, 국내학술대회 18 건 표 정량적연구결과 : 논문 논문제목 발표자 논문발표학회명 또는게재지 연도, 호 발행기관 ( 국명 ) 비고 Design of a patterned soft magnetic structure to reduce magnetic flux leakage of magnetic induction wireless 조인귀외 IEEE Trans. On. Electromagnetic Comp. 2017, Vol. 59 IEEE ( 미국 ) SCI power transfer systems Wireless Power Transfer with Automatic Feedback Control of Load Resistance Transformation 안덕주외 IEEE Transactions on Power Electronics 2016., vol. 31 IEEE ( 미국 ) SCI (JCR IF <5%) Wireless Power Transmitter and Receiver Supporting 200- khz and 6.78-MHz Dual-Band Operation without Magnetic 안덕주외 IEEE Transactions on Power Electronics 2017., vol.32 IEEE ( 미국 ) SCI (JCR IF <5%) Field Canceling Design of Power Control Algorithm in wireless power transmission for Drone 김상원외 PIERS 2017 EM Academy ( 미국 ) 국제학회 Modeling of stepped type circular loop transmission coil 김상원외 PIERS 2017 EM Academy ( 미국 ) 국제학회 Design of resonator for wireless charging system with expanded charging area 김상원외 PIERS 2017 EM Academy ( 미국 ) 국제학회 Inductance calculation for the curved rectangular coil 문정익외 PIERS 2017 EM Academy ( 미국 ) 국제학회 120W wireless power transfer system for the wireless seat in automobile 김성민외 PIERS 2017 EM Academy ( 미국 ) 국제학회 25

67 Comparison of charging region differences according to receiver structure in Drone wireless charging system 김상원외 ICTC 2017 한국통신학회 국제학회 EMF Analysis of Wireless Power Transfer System with dual-transmitting coils 문정익외 AP-RASC URSI ( 미국 ) 국제학회 A 100W Wireless Charging System with a Human Protection Function from EM Field Exposure 김성민외 ITEC IEEE ( 미국 ) 국제학회 Wireless Power Transfer System for External Memory Hard by using Small Magnetic Coils 조인귀외 ISAP ISAP ( 일본 ) 국제학회 Study of noise reduction from SMPS in the wireless power transmission system 전상봉외 ISAP ISAP ( 일본 ) 국제학회 A Method of Evaluating Magnetic Field Strength by Correction between Uniform and Non-uniform Field in 김병찬외 IEEE Global Electromagnetic Conference 2016 IEEE ( 미국 ) 국제학회 Near-Field Research of Shielding Structure for Reducing Leakage Magnetic Field from Low Power Wireless Charging 김종찬외 AP-RASC URSI ( 미국 ) 국제학회 Coil Evaluating Human Exposure to Electromagnetic Field Radiated by the Commercial Wireless Power Charging 강준석외 AP-RASC URSI ( 미국 ) 국제학회 Device Wireless Charging System for a Drone Using Two Small Rx Resonator Coils 김상원외 AWPT IEICE ( 일본 ) 국제학회 Simplified Inductance Analysis for 3D Wireless Charging 문정익외 AWPT IEICE ( 일본 ) 국제학회 26

68 Measurement of electromagnetic radiated field for resonance wireless power transmission system 전상봉외 PIERS EM Academy ( 미국 ) 국제학회 Study of near field for WPT system 전상봉외 ISAP ISAP ( 일본 ) 국제학회 Design of 60W Charging Circuit for Wireless Charging System Using Magnetic Resonance Method 김성민외 PIERS EM Academy ( 미국 ) 국제학회 Shielding for Reduction of Magnetic Field Strength from Docent Robot Being Charged by Wireless Power Transfer 김병찬외 IEEE Global Electromagnetic Conference 2015 IEEE ( 미국 ) 국제학회 Technology Near-field analysis in wireless power transfer using magnetic dipole 문정익외 PIER EM Academy ( 미국 ) 국제학회 Simplified near-magnetic field of the resonators in wireless power transfer 문정익외 ISAP ISAP ( 일본 ) 국제학회 Size Reduction of Magnetic Resonance Coils for Wide Wireless Power Transfer Applications 조인귀외 PIER EM Academy ( 미국 ) 국제학회 스마트무선충전기술 문정익외 전자통신동향분석 2017 ETRI ( 한국 ) 국내학술지 4 차산업혁명 enabler 무선전력전송기술동향 김상원 외 주간기술동향 2017 IITP 국내 학술지 무선충전기술동향과 발전방향 김성민 외 전자통신동향분석 2016 ETRI ( 한국 ) 국내 학술지 미래에대응하기위한국내무선전력전송산업정책제언 윤재훈 한국전자파학회논문지 권 8 호 한국전자파학회 ( 한국 ) 국내학술지 자기공명을이용한중전력 문정익 Telecommunications SK 텔레콤 국내 무선전력전송시스템 외 Review 권, 4 호 ( 한국 ) 학술지 27

69 근역장을이용한무선전력전송기술고찰 조인귀외 한국전자파학회하계학술대회 2017 한국전자파학회 ( 한국 ) 국내학회 무선충전용이중결로수신기모듈설계및제작 김상원외 한국전자파학회하계학술대회 2017 한국전자파학회 ( 한국 ) 국내학회 무선통신을이용한무선전력전송시스템제어관련기술연구 장동원외 한국통신학회하계종합학술대회 2017 한국통신학회 ( 한국 ) 국내학회 무선전력전송시스템에서최적의송신코일선정방법 김상원외 한국전자파학회하계종합학술대회 2016 한국전자파학회 ( 한국 ) 국내학회 상용 자기유도방식 무선전력전송 시스템의 인체영향분석 강준석외 한국전자파학회하계종합학술대회 2017 한국전자파학회 ( 한국 ) 국내학회 무선전력전송시스템에서공진기곡률에의한인덕턴스분석 김승남외 대한전기학회하계학술대회 2016 대한전기학회 ( 한국 ) 국내학회 무선전력전송모듈의전자파저감연구 전상봉외 대한전기학회하계학술대회 2016 대한전기학회 ( 한국 ) 국내학회 무선전력전송시스템기술분석 제어 장동원외 한국통신학회하계학술대회 2016 한국통신학회 ( 한국 ) 국내학회 무선통신을이용한원격제어기술구현 장동원외 한국정보통신학회추계학술대회 2016 한국정보통신학회 ( 한국 ) 국내학회 불루투스 스마트 통신을 이용한 센싱 구현 방법 연구 장동원외 한국통신학회추계학술대회 2016 한국통신학회 ( 한국 ) 국내학회 BLE 통신프로토콜을이용한스마트시스템제어방법연구 장동원외 한국통신학회추계학술대회 2015 한국통신학회 ( 한국 ) 국내학회 무선전력전송시스템기술비교연구 제어 장동원외 한국정보통신학회추계학술대회 2015 한국정보통신학회 ( 한국 ) 국내학회 무선전력전송에서자계다이폴을이용한공진체근역장해석 전상봉외 대한전기학회하계학술대회 2015 대한전기학회 ( 한국 ) 국내학회 28

70 무선전력전송시스템에근역장잡음분석연구 대한 전상봉외 대한전기학회하계학술대회 2015 대한전기학회 ( 한국 ) 국내학회 자기공명무선전력전송용 100W 급수신기설계및제작 김성민외 한국전자파학회하계학술대회 2015 한국전자파학회 ( 한국 ) 국내학회 상용무선충전코일에 사용된페라이트의구조변화에따른코일의 조인귀외 한국전자파학회종합학술대회 2015 한국전자파학회 ( 한국 ) 국내학회 자기장의변화 무선충전장치의페라이트구조변화에따른전자파인체영향분석 조인귀외 한국전자파학회종합학술대회 2015 한국전자파학회 ( 한국 ) 국내학회 무선전력전송의 효율 향상을 위한 주파수, 로드저항, 그리고 수신부 안덕주외 한국전자파학회하계학술대회 2015 한국전자파학회 ( 한국 ) 국내학회 dc-dc 컨버터 o 기술이전 : 2 건 - 이전금액 : 2.5 억원 표 정량적연구결과 : 기술이전 이술이전명업체명금액 ( 억원 ) 날짜 고자유도무선전력전송기술 120W 무선전력전송시스템기술 동양이엔피 DSC 동탄

71 o 기술문서 : 총 62 건 표 정량적연구결과 : 기술문서 문서제목제출자제출일비고 다차원에너지집적수신블록요구규격서안덕주 D E-zone 수신블록요구규격서안덕주 다차원에너지집적송신블록요구규격서안덕주 무선 E-zone 및다차원에너지집적기술개발사업프로세스무선 E-zone 및다차원에너지집적기술개발형상관리계획서무선 E-zone 및다차원에너지집적기술사용자요구사항분석서무선 E-zone 및다차원에너지집적기술사용자요구사항정의서 김성민 김성민 김성민 김성민 이중모드통합제어서브시스템요구규격서장동원 통신블록요구규격서장동원 프로세서블록요구규격서장동원 무선전력전송시스템제어프로토콜 -A4WP v.1.3 장동원 무선 E-zone 및다차원에너지집적기술사용자 요구사항분석서 김성민 D E-zone 전송공간확장을위한상위설계서윤재훈

72 극소복사이중집전공진기설계연구문정익 극소복사이중집전공진기삽입손실특성문정익 통합제어시스템구현을위한 WPC 통신인터페이스분석통합제어시스템구현을위한 A4WP 통신인터페이스분석무선전력전송시스템의공진코일의배열과다중탭을갖는평판형스파이럴공진기기술분석에너지트랜스폰더용전압모드 High--Q 전력증폭기설계및제작에너지트랜스폰더용전압모드 High--Q 송신기설계및제작 김현호 김현호 김승남 김국현 김국현 W 급무선충전시스템설계서김성민 W 급송신기시험결과서김성민 W 급무선충전시스템시험결과서김성민 무선전력전송을위한단일고차모드생성기술분석서문정익 통합프로토콜규격초안김성민 드론무선충전영역확장을위한공진기설계방법문정익 [ 명품 TM] 3D E Zone 조성을위한동위상급전방식등가회로 [ 명품 TM] 수신단의유효부하저항변환비율을자동으로제어하는무선전력전송 윤재훈 안덕주

73 무선전력전송시스템의공진코일의배열과다중탭을 갖는평판형스파이럴공진기기술분석 김승남 [ 명품 TTM] 이중모드에너지트랜스폰더구조설계김성민 W 급무선충전시스템요구사항서김성민 W 급송신기요구사항서김성민 W 급송신기설계서김성민 무선전력전송시스템전력전송요구사항분석장동원 무선전력전송시스템통신신호프로토콜분석장동원 무선전력전송시스템제어프로토콜분석장동원 전송거리확장을위한공진코일개발전략분석서윤재훈 환경변화에서바라본무선전력전송산업분석윤재훈 소형 3D E-zone 용공진기설계서문정익 소형 3D E-zone 용제어기설계서김성민 소형 3D E-zone 송수신모듈설계서김상원 소형 3D E-zone 시스템설계서김상원 다중무선충전제어모듈설계서장동원 다중무선충전제어절차서장동원 D E-zone 등가회로분석및다중공진설계기술윤재훈

74 최소 Q 관점에서최대전력전송거리확보아이디어윤재훈 고자유도무선전력전송기술요구사항정의서김성민 고자유도무선전력전송기술시험절차결과서김성민 배가전송거리무선전력전송공진기설계기술윤재훈 원통형송신코일을위한인덕턴스분석문정익 저주파대역자기장차폐방안김병찬 저감코일을이용한무선전력전송장치의전자파저감전상봉 무선전력전송시스템의전자파저감연구전상봉 무선전력전송기기에대한인체노출량평가방안김병찬 다중입력다중출력무선전력전송분석및활용방안윤재훈 Maagg MIIMO 기술분석및활용방안및수평방향 배가기술 윤재훈 소형안테나를활용한비복사배가전송기술연구윤재훈 W 급무선전력전송시스템기술요구사항정의서김성민 W 급무선전력전송시스템기술시험절차결과서김성민 근거리에너지전송시스템시험절차및결과서김상원 m 급 3D E-zone 시험절차및결과서문정익 에너지집적시스템시험절차및결과서김성민

75 o 시제품및부품설계 : 총 18 건 - Hardware 시제품 11 건, System 시제품 5 건, 부품설계 2 건 표 정량적연구결과 : 시제품및부품설계 년차구분명칭주요내용비고 - 이중집전기술을이용한 300kHz 200W 급 대역자기공명무선충전시스템 H/W 무선충전 시스템 - 500W 급고효율송신기, 200W 급고효율수신 / 충전기 - DC/DC 시스템효율 68% - Book-selves 형 3 차원공간상의 1차년도 H/W H/W 3D E-zone 시스템부하 / 전송거 리대응송수신시스템 무선충전영역구현가능성확인 - 수신기가임의의위치및방향을 향해있을때도전력전송가능 - DC/DC 효율평균 50% 이상 - 거리 및 부하 변동 하에서 수신부의 유효부하저항을 최적 값으로 자동 변환하는 제어 시스템 - 10cm 먼거리에서 DC/DC 효율 15-52% 에서 46-62% 로증가 - BLE 통신 (2.4GHz) 을이용한 송신제어모듈과 수신제어모듈 SYS 통합시스템 제어 접속가능 (1 :8, Tx: Rx) - BLE 통신 (2.4GHz) 을이용한프로토콜분석기로송수신 메시지분석환경구축 2차년도 H/W 100 W 급고효율수신 / 충전모듈 W 급드론무선충전시스템용수신충전모듈개발 - 가변정전류충전방식을적용한자동충전제어및시스템효율유지기능구현 34

76 2 중수신기를 - 2 중수신공진기를이용한인터리브수신기구조개발 - 2 중수신기의선택적사용으로 H/W 이용한인터리브 부하변화에관계없이시스템효율증대효과구현 khz, 5 W 급 2 중인터리브 수신기 수신기제작 - 2 W 급디지털도어락 도어락 무선충전용송수신회로제작 H/W 무선충전송수신회로 - 최대 5 cm 의전송거리확보 - 개발기술의새로운응용분야확보를위한디지털도어락적용 - 전송거리확장을위한배가기술 전송거리 구현성능확인 H/W 배가기술공진기 - 3 배의폭전송거리이내에서 RF 전력전송효율 70% 이상확보가가능함을확인 - 직경 9 cm 의컵홀더구조의 3D SYS 소형 3D E- zone 시스템 E-zone 시스템구현 - 2 대의스마트폰동시충전및전력제어가능 - 시스템효율 60 ± 360 o 회전 - BLE 통신 (2.4GHz) 을이용한 무선전력 송신제어모듈과 수신제어모듈 SYS 전송시스템 제어 접속가능 (1 :8, Tx: Rx) - 제어모듈에구현된 S/W 에의해전력전송상태를모니터링, 제어 khz, 6.78 MHz 이중대역 H/W 이중대역송수신 / 공진 송수신 / 공진모듈개발 - 와전류상쇄기법을적용한이중대역시스템효율개선제안 L200k,RX L6.78M,RX Rx Board 모듈 - 단일소자를이용한이중대역송수신회로제작 Tx Board L200k,TX L6.78M,TX 35

77 - 140 khz 대역 15 W 급 full-bridge 부품 15 W 급수신 수신기 IC 제작 - 부하, 전송거리변화대응효율 설계 IC 유지기법적용 - 9 V, 1.5 A 의출력 SYS 60 W 급드론무선충전 khz 대역 100 W 급드론무선충전시스템 - 무선충전평명자유도확장 시스템 - 1 시간 30 분충전시간 (54 W) 부품 의료용임플란트 MHz 대역임플란트수신기 - 저전압배터리충전용 IC 제작 설계 무선전력 - 최대효율 84.7% 수신 IC 3 차 H/W 자동차시트무선전력전송 khz, 송신 300 W, 수신 120 W - 30 cm 수평이동환경전력전송 - 30 cm 이동에서도 60% 이상효율 년도 0.7 m 급 3D m 3 영역의공간 H/W E-zone 시스템 에너지전송시스템 - 평균효율 70% khz 이중 모드 khz, 6.78 MHz 이중대역 H/W 다차원에너지시스템 집적 에너지집적시스템 - Low-Q 80% DC/DC 효율 - High-Q 70% DC/DC 효율 SYS 다중 무선전력전송 제어시스템 - BLE 를이용한다중 무선전력전송통합제어시스템 - AirFuel 호환제어시스템 36

78 o 기술사업화실적 : 기술사업화 1 건, 1.4 억원매출 - 자동차내스마트폰무선충전기기전자파저감기술 표 정량적연구결과 : 기술사업화 사업화기술업체명매출액 ( 억원 ) 비고 자동차내무선충전 기기전자파저감 기술 동양이엔피 ~2016 o 기타실적 : 기술홍보총 7 건 - 전시회 ( 국제 2 건, 국내 2 건, 기술평가및포상 3 건 ) 표 정량적연구결과 : 기술홍보 구분명칭일시및장소 확산 기술명 비고 전시회 CES ~01.08 미국, 라스베가스 E-Cup 기술 전시회 ITU ~09.28 부산, 벡스코 E-Cup 기술 전시회 무선전력전송진흥포럼출범식및컨퍼런스 리츠칼튼호텔 드론 무선충전 시스템 37

79 전시회 월드 IT 쇼 (WIS2016) ~ 코엑스 드론 무선충전 시스템 기술평가 삼성전자우수 신기술선정 삼성전자 상생협력아카데미 3D E-zone 구현기술 포상 국가연구과제 우수성과부문 ( 장관상 ) 미래창조과학부 3D E-zone 구현기술 25 회 포상 다산기술상수상 한국경제신문사 3D E-zone 구현기술 ( 공공부문상 ) 38

80 제 2 장본론 ( 연구수행세부결과 ) 39

81 40

82 제 2 장본론 ( 연구수행결과 ) 제 1 절근거리에너지전송기술개발 1. 개요 본절에서는근거리에너지전송기술과관련하여기존의송수신코일의정렬에효율변화가민감한무선충전기술의충전영역확장을위한자기장성형기술, 단일모드자기장생성기술, 박막형 High-Q 공진기설계기술과근거리에너지전송기술관련시제품에대해서서술한다. 자기장성형기술은 MIT 공대에서제시된 Multispot 방식의전송기술에대한면밀분석을통하여송신코일과수신코일이여러개있는환경에서전체수신코일에최대의전력을전송할수있는송신코일의전압값을계산하는시뮬레이션을구현하였다단일모드자기장생성기술은균일영역다중급전방식을통해보다넓은급전영역을확보하여자유로운무선충전환경을구현하기위한수평급전배가기술에대한연구를진행하였다. 박막형 High-Q 공진기설계기술은기존의헬리컬코일의구조를변경하여코일평면상에균일한자기장을생성하여보다넓은충전영역을확보하는공진기설계기술을제시하였다. 또한제안된기술은이중헬리컬및계단형구조를도입하여기존의코일경계에서만자기장의세기가집중되는현상을완화하여코일경계와중심부의자기장의세기의편차를줄여코일전체면적에서균일한충전효율을유지할수있으며, 단일송신전압사용으로전력제어가필요없기때문에시스템설계에용이한장점이있다. 근거리에너지전송시제품은드론, 임플란트, 자동차시트에각각근거리에너지전송용무선충전기술을적용하여송수신코일의정열에유연한시제품을 41

83 각각구현하였다. 드론무선충전시스템의경우박막형 High-Q 공진기구조를적용하여송신코일면적에비해매우작은수신코일을사용하여, 송신코일의평면상에임의의지점에수신코일이위치하여도무선충전이가능하다. 임플란트시스템의경우, 전류모두수신기구조를채택하고다중공진동작을통해작은 k 12 에서도전력을효율적으로전송할수있으며, 전압모드와달리정확한전압조절기없이도배터리를직접충전할수있다. 자동차시트용무선충전시스템은일부차량의 3열과같이시트의이동범위가넓거나접히는형태의시트에적용하여선의꼬임, 단선등의문제점을해결하고전동이동, 열선등을위한전력을무선으로제공하여기존유선전동, 열선시트의단점을해소하였다. 2. 자기장성형및단일모드자기장생성기술연구 가. 자기장성형기술연구 본연구에서는 MIT에서개발된 Multispot 방식의전송방식에대한면밀한분석을위해송신코일과수신코일이여러개있는환경에서전체수신코일에최대의전력을전송할수있는송신코일의전압값을계산하는시뮬레이션환경을구축하였다. 시뮬레이션결과, 수신코일의개수가증가함에따라전체수신효율이증가함을확인하였으며송신코일의전압값을조절하여수신코일의전력을제어할수있음을확인할수가있었다. 보다심층적인 Multispot 방식의전송방식에대한분석을위해임의의상황에따른최적의송신코일전압계산, 수신코일과통신의필요성확인, 수신코일효율제어, 수신코일전력제어, 그리고수신코일이한개일때와충전거리비교결과분석을실시하였다. 42

84 그림 다중출력다중입력무선전력전송시스템등가회로및정의 다중출력다중입력구조인다수개의송신부와수신부로이루어지는경우 등가회로는그림 과같이나타낼수가있다. 그림 을바탕으로그림 의두가지전송환경에대해전송특성을분석하였다. (a) (b) 그림 전송환경 ((a) 사례 1: 좋은전송환경 (b) 사례 2: 나쁜전송환경 ) 43

85 (a) (b) 그림 전송효율 ((a) 사례 1: 좋은전송환경, (b) 사례 2: 나쁜전송환경 ) 그림 2.1.2(a) 과같은전송환경에서송신코일과수신코일이이루는각도에따른전송효율을계산해보면그림 2.1.3(a) 와같은결과를얻을수가있다. 또한그림 2.1.2(b) 와같은높이에놓이는경우전송효율을계산해보면송신기와수신기를그림처럼송신기위에서회전에따라그림 2.1.3(b) 와같은결과를얻을수가있다. 결과에나타난것과같이전송특성은공진기의위치와각도에민감하다는것을알수가있다. 이외에도수신기와통신없이최적의송신기에유기되는전압에대한계산분석이이루어졌으며, 고유벡터의비중조절을통한수신부의전력제어가능성등에대한분석을실시하였다. 분석한결과송신코일과수신코일의배치나각도에따라서상호인덕턴스가달라지게된다. 상호인덕턴스가좋은송신코일에전력을많이분배하고좋지않은코일에조금분배 44

86 하면전체적으로수신코일에더많은전력을보낼수있음을알수가있었다. 수신코일의개수가많을수록송신코일에서나오는자기장을더많이받을수있기때문에전체효율이증가한다. 충전을위해수신코일들의전력을일정수준으로높여야하는데이미계산된송신코일전압값을실수배함으로써수신코일에걸리는전력을제어할수있는것으로보인다. 나. 단일모드자기장생성기술연구 일반적으로휴대폰이나자동차에서사용하는급전방식은수직급전방식으로공진기를포개서급전하는방식을사용하고있다. 이는루프공진기를포개서루프의면적을통과하는자기장의쇄교를최대화를통해에너지를최대로전송하는기술이다. 이러한경우휴대폰이나자동차와같이평면적인공간이많이확보되는기기에유리한반면, 전송방향에있어서자율도가적고면과면이일치하는방향으로놓여야전송효율이높아일반적인 2차원공간이나혹은 3차원공간의급전방식에적용하는경우, 송신공진기의수가급증하는문제점을유발하게된다. 그림 2.1.4와같이수평급전의경우급전방향이자유롭기때문에 360도어떠한방향에서접근하여도충전이가능하며한개의송신공진기를통해다수개의수신기급전이가능한장점을갖는다. 그림 2.1.4(a) 처럼자유로운급전방향은 360도사방에다수개의수신기가접근하여도충전이가능한기술구현또한가능하다. 그림 2.1.4(b) 와같이자유롭게찾아다니는무선충전시스템구현도쉽게가능하다. 45

87 (a) (b) 그림 수평급전 ((a) 자유로운급전방향, (b) 자유롭게찾아가는급전 ) 그림 2.1.5는본연구에서제안되는새로운전송방식을이용한전송특성을나타내고있다. 전송특성분석을위해사용된송수신공진기의크기는 0.6 m 0.6 m이고전송거리에따른전송효율을분석하였다. 그림 2.1.5에나타난것과같이본연구에서제안된전송방식에서는공진기직경대비 3배거리에서약 75% 이상의전송효율이확보됨을볼수가있다. 그림 m 0.6 m 공진기전송거리에따른 S 12 특성 46

88 3. 박막형 High-Q 공진기개발 본연구에서는근거리충전가능면적을확장할수있는박막형 High- Q 공진기에대한연구를진행하였다. 자동이착륙이가능한드론의경우 GPS와비젼센서기술의발전으로착륙오차범위가점점더줄어들고있다. 그러나드론의응용분야의특성상실내보다는실외환경에서바람과같은기후영향으로 5 cm 이상의착륙오차범위가일반적이다. 기존의무선충전기술은코일의정렬에따른효율변화가매우심하기때문에자동이착륙이가능한드론의경우에적용이힘들었다. 따라서드론의착륙오차범위를극복할수있는박막형 High-Q 공진기구조를그림 2.1.6과같이제안하였다. (a) (b) 그림 박막형 High-Q 공진기구조모델링및제작형상 ((a) 박막형 High-Q 공진기모델링, (b) 박막형 High-Q 공진기제작형상 ) 제안된공진기는코일경계부근에서집중되는자기장을분산시켜코일지름내에서균일한자기장을형성시켰다. 그림 2.1.7은제안된공진기를이용한평면자유도에대한시뮬레이션결과이다. 제안된박막형 High-Q 공진기의성능비교를위하여동일크기의헬리컬코일을시뮬레이션에포함하였다. 47

89 그림 박막형 High-Q 공진기시뮬레이션및계산결과 d=10 mm) 시뮬레이션및이론에따른계산결과기존단일헬리컬코일의경우코일경계부근에만자기장이집중되어수신코일이코일경계부근에위치할경우지나치게높은전압이유기되어충전회로나정류회로에손상을줄위함이크며, 코일중심부에서는지나치게낮은자기장세기로인해충전전압이부족하게된다. 그러나제안된공진기는중심부와코일경계까지에서의자기장세기의편차가적고, 특히코일중심부에서도자기장의세기가무선충전이가능한크기가유지될수있다. 따라서송신코일의반경에비해서수신코일의반경이매우작은드론충전의경우에균일한자기장이생성되는송신공진기구조는시스템설계를매우유연하게할수있다. 4. 근거리에너지전송시스템개발 가. 드론무선충전시스템 본연구에서는평면상에서의충전면적확장을위해박막형 high-q 공진기를 사용하여드론의착륙오차에따른송수신코일의정렬에유연한드론무선충전 48

90 시스템에대한설계및제작을수행하였다. 본연구에서개발된드론의전체 시스템구성도는그림 과같다. (a) (b) 그림 드론무선충전시스템전체구성도 ((a) 송신기, (b) 수신기 ) 그림 2.1.9는제작된드론무선충전시스템의전체형상이다. 송신부는송신공진기, 공진캐패시터, 고효율인버터, 드라이버 IC, 140 khz 클럭발생부로구성되며, 특히송신공진기는넓은충전면적확보를위하여앞에서개발된박막형 high-q 공진기를사용하였다. 수신부는수신공진기, 공진캐패시터, 고효율정류기, 충전기로구성된다. 수신공진기는 3-layer 구조의헬리컬형태로제작되었다. 수신공진기는드론의바닥면에설치되었으며, 회로는드론의배터리위에장착되었다. 충전영역이확장된박막형 High-Q 공진기의사용으로충전스테이션내에드론이착륙하면, 착륙위치에상관없이무선충전이가능하다. 드론배면에장착된수신코일의발열을줄이기위하여충전스테이션중심부에서공기가유출되어방열효과를배가시켰다. 드론무선충전시스템의배터리완충시간은약 1시간 30분이소요된다. 수신부의충전전력은 54 W로유선충전의경우와동일하도록개발하였다. 49

91 그림 드론무선충전시스템제작 그림 은제작된드론무선충전시스템의충전영역 (y-축방향 ) 에대한충전전압과효율의측정결과와성능을비교하기위한헬리컬코일을이용한효율측정결과를나타내고있다. 기존구조는코일지름경계면과코일중심부에서의효율편차가크게나타난다. 그러나개발된무선충전시스템은코일경계와중심부에서의충전전압의편차가완화되어코일의지름내에서 60% 이상의충전효율유지가가능하다. 그림 드론무선충전시스템시스템효율 50

92 나. 임플란트무선전력전송시스템연구 무선전력전송은의료용임플란트시스템에서배터리를충전할수있는매력적인방법중하나라고할수있다. 본연구에서는저전압배터리를고효율로충전하면서전류모드수신기의출력전압을효과적으로증가시키는전압-증가기법을개발하였다. 그림 개발된임플란트시스템용수신기및수신코일 본연구에서제작된수신기는출력전압이 1 ~ 1.2 V 및 6.78 MHz의공진주파수를가진조건에서동작하며, 180 nm CMOS 공정으로설계되었다. 그림 은개발된임플란트시스템용수신기와수신코일을보여준다. 출력전압이 1.1 V에서측정된동작파형및효율그래프는그림 에나타내었다. 그림 에나타난것과같이최대 84.7% 의수신기효율을달성하였다. 그림 측정된동작파형및효율그래프 51

93 다. 120 W 급자동차시트무선전력전송시스템개발 본연구에서는무선전력전송기술응용분야중가장크게대두되고있는자동차분야에적용하기위한연구로무선전력전송기술을이용하여전동, 열선시트에무선으로전력을공급하여기존유선시트의단점을해소할수있는방법을개발하였다. 그림 은본연구에서개발된 120 W급시스템을나타내고있다. 개발된시스템은시트가최대 30 cm 거리를수평이동하여도원활하게전력이공급되도록하기위해세개의수신공진기와세개의정류기를이용하여시스템을구성하였다. 또한별도의제어없이최대수신전력을갖는수신공진기가자동으로선택되어최적의무선전력전송이이루어지도록구성하였다. Heating, moving, and Tilting Receiver Receiving Resonators 2 cm Transmitter Transmitting Resonator (a) ( (b) 그림 W 급무선전력전송시스템 ((a) 구성도, (b) 구현된시스템 ) 52

94 그림 는 120 W급무선전력전송시스템의수신기위치에따른출력전력및효율변화에대한측정결과를나타내고있다. 개발된시스템은수신공진기의위치에관계없이약 120 W의출력전력과 60% 이상의 DC/DC 효율을나타내고있다. 또한 30 cm의이동거리전체에서효율변화가 4% 미만으로균일한효율을나타내었다. 그림 W 급무선전력전송시스템의출력전력및효율 본연구에서는새로운응용분야에대한연구를통하여개발기술의다양성을높이고새로운적용분야발굴의기초로삼고자새로운응용분야발굴을위한연구로 120 W급무선전력전송시스템을개발하였다. 이렇게본연구에서개발된시스템을실제환경에적용함으로써개발된시스템의상용화가능성을더욱높일수있을것으로예상된다. 53

95 제 2 절 3D E-zone 시스템개발 1. 개요 본연구에서는공진거리배가기술과전송공간내에균일한자기장을형성기술을이용하여 3차원에너지존 (E-zone) 시스템을구현하는원천연구를수행하였다. 개발한기술의수준과성능을보여주기위해그림 2.1.1과같이 9cm급의소형 E-zone은스마트폰무선충전이가능한시제품들을선보이고다양한홍보를통하여일반인들뿐아니라관련전문가들에게큰호응을얻었다. 또한무선에너지전송공간의크기를 70 cm급으로확장한 3D E-zone 시스템을구현하여큰공간내의임의의위치에서도일정이상의효율을유지할수있는무지향무선에너지전송기술을보였다. 무선전력전송기술의신뢰성확보를위해공동연구기관과함께카메라모듈등다양한기능이추가된고성능무선충전도어락시스템을개발하여배터리가없는경우에도제품의오작동이없이성능을유지할수있도록하였다. 개발한무선에너지기술과시스템을사용하여에너지전송과충전의자유도를한층높여향후스마트기기를포함한다양한분야에서응용될것으로전망한다. 그림 스마트기기의방향에관계없이충전기가능한소형 3D E-zone 시스템 54

96 2. 3D E-zone 용송수신회로개발 가. 3D E-zone 용송신기 개발된 3D E-zone용송신기는그림 2.2.2와같다. 단일전원을사용하며입력전원은 RF 초크인덕터를통해 DC 전류로인가된다. DC 전류는 140 khz full-bridge 인버터를통해 AC 전류로변환된다. 변환된 AC 입력전류는 square wave 모양을띄게되는데이것이필터및공진코일을통과하며 pure sinewave 로바뀌게된다. 개발된소형 3D E-zone용송신기 PCB 사이즈는 77 mm 72 mm 로제작되었다. ZigBee 모듈이장착되어수신부의전류, 전압값을실시간으로전송받아클럭 duty 제어혹은인버터의바이어스제어를통해전력제어를수행한다. 그림 개발된 3D E-zone 용송신기 PCB 레이아웃 55

97 나. 3D E-zone 용수신기 개발된 3D E-zone용수신기는그림 2.2.3과같이 140 khz 대역에서동작가능하도록설계되었으며 full-bridge 다이오드정류기를사용하였다. 휴대폰에안정적인전원을공급하기위하여효율이우수한벅-컨버터를추가하였으며수신기에내장된 ZigBee IC를통해서송신부로수신되고있는전압과전류를무선으로전송한다. 수신기는 50 mm 28 mm로제작하였으며 PCB 두께를최소화할수있도록제작되었다. 그림 개발된 3D E-zone 용수신기 PCB 레이아웃및수신기장착모습 다. 3D E-zone 용이중급전공진기 3차원의전력전송공간내에일정한자기에너지밀도를형성하기위해다음그림 2.2.4와같이복수개의송신코일을이용하여공간내균일장형성이필요하다. 균일장은전송영역내에서동시에에너지밀도를균일하게형성할수없지만, 전송주파수의한주기동안전달되는에너지밀도는동일하게된다. 또한, 송신기와수신기간의정렬이어긋나는경우에도수신코일을통과하는자속의감소가적어전송효율이급격히저감되는현상을줄어들어수신기의공간자유도를한층높일수있어유리하다. 그림 2.2.5와같이다수의송신코일에 56

98 다양한조건의에너지를입력하여균일장을형성할수있으며, 전송영역의형상에 따라서송신코일의위치와형상을조절하여 E-zone 을구현할수있다. 송신코일 #1 송신코일 #2 송신회로 그림 D E-zone 용이중급전공진방식예 3. 3D E-zone 시스템개발 가. 9 cm 급소형 3D E-zone 시스템개발 본연구에서는고효율송수신회로와공진기를설계, 제작하여, 3D E-Zone 공간의동적환경에서수신기방향에관계없이일정한효율로무선전력전송이가능한시스템을구성하여그성능을확인하였다. 또한제품상용화목표로 3D E- zone 공간에서송수신기의제어는 BLE 통신으로구현하였으며, AirFuel규격을적용하여 20 W급송수신기의무선충전동작을제어하였다. 구현된 20 W급송수신기시스템은상품화적용가능성을확인하기위하여, 제작된송수신기를이용하여휴대전화기무선충전을하였다. 구현된 20 W급무선충전시스템은 4.4 V, 3500 mah의리튬이온배터리를내장한휴대전화기를무선으로동시에 2대까지충전하는시스템이다. 57

99 그림 D E-Zone 20W 급송수신시스템 3D E-zone 시스템의기능구현은 AirFuel 표준통신규격서 (BSS 1.3) 을기준으로 구현하였다. 3D E-zone 무선충전시스템의기능구현은송신기제어흐름과 수신기제어흐름에따라소프트웨어를설계및구현하였다. (a) (b) 그림 소형 3D E-zone 측정결과 ((a) 출력전력, (b) DC/DC 효율 ) 개발된소형 3D E-zone 시스템의 DC/DC 효율측정결과가그림 2.2.6에나타나있다. 그림에서검은색으로나타난측정결과는기존방식에의한측정결과이고붉은색으로나타난측정결과는개발된 3D E-zone 시스템의측정결과이다. 그림에나타난것과같이기존방식의무선전력전송시스템은수신기의회전방향에따라출력전력및 DC/DC 효율편차가극심하게나타나고있다. 그러나개발된소형 3D E-zone 시스템은수신기의회전에관계없이충분한전력이출력되고있으며효율편차도매우작게나타나고있다. 이와같이개발된 3D E- 58

100 zone 시스템은수신기의위치및방향에관계없이충분한출력전력과일정한 시스템효율을나타내고있다. 나. 70 cm 급 3D E-zone 시스템개발 본연구에서는 0.7 m급 3차원공간에서무선전력전송이가능한시제품을구현하였다. 4개의송신코일과 1개의수신코일을사용하여그림 2.2.7과같이시스템을구성하였으며각각의송신코일은한변이 70 cm인정사각형이고, 송신회로와연결되어 131 khz의교류를공급받는다. 또한, 전력전송공간내의균일한자기장이형성되도록코일별로서로다른위상의에너지를공급받도록되었다. 시스템의 DC/DC효율은전원공급기의 DC부터수신회로를거쳐부하에입력되는 DC까지정의되어성능을측정하기위해크기가 30cm인수신코일을사용하였다. 3차원공간내에서방향별균일장을확인하기위해공간의중심 ( 원점 ) 에서수신코일을 z축에대해일정각도로회전하고주요지점에서효율을측정하고정리하였다. 송신코일 2 송신코일 1 수신코일 Z X 송신코일 3 Y 송신코일 4 수신회로 ( 정합, 정류 ) 전원공급기 송신회로 부하 그림 D E-zone 시스템구성도 그림 은 E-zone 시스템에서전송공간내에균일한자기장이형성되는 59

101 결과를예상하기위해시뮬레이터를사용하여 xy면 (z=0) 에대해해석한결과를보여주고있다. 송신코일에입력되는전력의위상변화에따라서자기장이최대인위치가이동함을알수있으며이러한현상으로전송공간내에균일장을형성할수있다. 그림에서와같이전송공간의중심으로접근할수록송신코일에서거리가멀어지므로자기장의세기가낮아짐을알수있다. 따라서, 공간의중심에서자기장의세기와균일도가 3차원공간의 DC/DC 효율을검증하는데중요한측정지점이라할수있겠다. 60

102 (a) (b) (c) (d) 그림 D E-zone 시스템의자기장균일도해석결과 ((a)=0deg, (b)=45deg, (c)=90deg, (d)=135deg) 61

103 그림 는 3D E-zone 을구현한시제품을보여주고있다. 앞서설명과같이 시스템이구성되어있으며, 수신코일이전송공간내임의의위치로이동이 가능하도록별도의기구물이제작되었다. 그림 D E-zone 시스템의송수신코일 그림 은전송공간의중심에서수신코일을 z 축에대해회전하여얻은 DC/DC 효율의측정결과를보여주고있다. 그림에서와같이방향에관계없이평균 균일하게 70% 이상, 평균 72% 의효율을얻을수있었다. 그림 D E-zone 의중심에서수신코일방향에따른 DC/DC 효율 62

104 표 은수신코일이 x, y, z 축을따라이동한위치에서측정한 DC/DC 효율을 보여주고있다. 수신코일이중심에서벗어나송신코일에근접할수록효율은 증가하며목표효율 70% 는만족함을알수있다. 표 전송공간내수신코일위치에따른 DC/DC 전송효율측정결과 X(cm) Y(cm) Z(cm) 효율 (%) 무선충전모듈신뢰성확보 본연구에서는국내에서보편적으로사용되고있는디지털도어락에무선전력전송기술을적용하여전류소모에따른건전지방전의문제점을해소하고정보화시대에따른고기능성제품의개발에장애가되는소비전류에따른건전지조기방전을없애고스마트폰과통신할수있는 Bluetooth 기술을접목하여디지털도어락의성능을획기적으로높이기위한연구를수행하였다. 또한설치조건에따른수신부의급격한전압변동을일정하게하기위해수신부종단에 5 V, 1 A Switching Regulator를삽입하여디지털도어락의소비전력약 3 ~ 4 W 정도의 63

105 기능은구현가능토록무선전력송신부, 수신부와공진기를설계, 제작하였다. 디지털도어락용송수신 / 공진회로는 130 khz 대역에서약 5 cm 이내의거리에서전력을무선으로공급할수있도록구성하였으며이를위해 10 W급 Full-bridge 송신기, 5 W full-bridge 수신기및스파이럴형태의송수신공진기를설계, 제작하였다. 구현된송, 수신기및공진기의적용가능성을확인하기위하여현재양산중인디지털도어락제품에설치하여번호키제어, 잠금장치제어, Bluetooth 통신등디지털도어락의일반동작과고기능성을시험하였다. 그림 은본연구에서개발된디지털도어락무선충전시스템을나타내고있다. 디지털도어락 도어락카메라 5W 급수신기 도어락무선충전 10W 급송신기 그림 디지털도어락무선충전시스템 그림 디지털도어락용송수신 / 공진회로전송특성 64

106 제작된송수신기및공진기의성능검증을위해전송거리에따른출력전압의변화를측정한결과를그림 에나타내었다. 디지털도어락의동작전압인 6 V를기준으로할경우, 제작된회로는최대 5 cm까지사용이가능한것으로측정되었다. 본연구에서개발된디지털도어락무선충전시스템은상용화를위한제품개발을완료한상태이며, 현재상품출시를위한인증을준비하고있는단계이다. 이와같이본연구에서는상용화연구를통해연구결과를활용한새로운신상품출시와새로운응용분야발굴이가능하도록하였다. 65

107 제 3 절다차원에너지집적시스템개발 1. 개요 본연구에서는다양한기기간에너지전송을가능하게하는이중대역에너지집적시스템개발을목표로하고있다. 에너지트랜스폰더는기기간에너지전송을위해각종전기전자기기에내장되어내장된기기의전원및배터리상태에따라주변기기로무선에너지를전달하거나주변기기로부터에너지를전달받을수있는무선전력송수신장치이다. 그림 2.3.1은에너지트랜스폰더의기본개념을나타내고있다. 그림에나타난것과같이에너지트랜스폰더를이용하여기기간에너지전송을가능하게하여스마트기기혹은웨어러블기기의전원부족을해결할수있으며, 새로운에너지서비스가가능하다. 그림 에너지트랜스폰더의개념도 이러한에너지집적시스템개발을위해본연구에서는에너지트랜스폰더의 핵심기술중하나인전송거리변화및부하변동에대응하여효율을일정하게 유지할수있는기술인결합계수 / 부하변동적응형무선충전방식을설계, 66

108 구현하였다. 또한하나의송수신기를이용하여이중대역에서동시에동작이가능한무선전력전송시스템을개발하였다. 개발된시스템의핵심은이중주파수동작을위한이중대역공진기에서발생할수있는각대역의코일에흐르는와전류를제한하여이중대역동작에서도에너지전송효율이떨어지는않는것이다. 개발된시스템구조는 6.78 MHz 대역공진기의공진주파수조정을위한 capacitor 값을조절하여 6.78 MHz 대역전류의크기와위상이특정한값이되도록한다는데에포인트가있다. 또한 200 khz 대역공진기에유기되는전압의위상을반전시켜와전류를흐르지않게하는방식이다. 이러한 6.78 MHz 대역의동작과관계없이 200 khz 대역작동모드는이중대역동작에의해크게영향받지않으므로별도의테크닉이필요없도록개발하였다. 2. 부하및전송환경변화대응기술개발 기기간에너지전송을위한에너지집적시스템은다양한대역의기기에에너지를전달하여야하므로대응하여야하는전송거리및부하의변화가기존시스템에비해크다. 특히기존무선전력전송기술은대부분정해진전송거리및부하저항값에최적으로동작되며거리및부하저항이변하면전송효율이저하된다는문제점을노출하고있다. 이문제를해결하기위하여정류기출력에전력변환기를장착하여수신기에서바라보는부하저항의값을변화시키는방법이일부연구자들에의해제안되어왔다. 이제전력변환기의 duty ratio를조절하여변환된부하저항이원하는최적유효부하저항에일치되어야한다는과제가남게된다. 이과제를해결하기위하여본연구에서는피드백제어에의해부하저항변환비율을자동으로조절하는시스템을개발하였다. 그림 2.3.2는전력변환기의최적 duty ratio를자동으로찾는피드백제어시스템이다. 부하변동제어부는수신부의출력전류와전압을검출한다. 먼저출력전압을검출하여전압이 9 V 보다낮으면 duty ratio를높이고높으면낮추는 67

109 방법으로출력전압이 9 V 가되도록한다. 동시에출력전류를검출하여그값을 duty ratio 값과더해준다. 더해준값을통신채널을통해송신부로보내준다. 송신부에서는이값에비례하여송신코일의전류를제어한다. 제어된송신코일의전류에의하여수신부의 duty ratio는새로운값으로자동으로제어된다. 이러한방법으로실제부하저항이최적부하저항으로변조되는것이다. 부하저항이매우커진경우검출되는전류가줄어들어송신코일전류가줄어들고따라서 duty ration가증가하여부하저항을원래대로작게유지하여준다. 송신부 수신부 Tx coil current Power converter LTX and Inverter 2. ITX LRX CRX 6. Reflected resistance Efficiency increased Power converter 4. Duty 5. RL,eff Power converter RL Current sense 1. IL, RL Efficiency degradation 3. VL 7. VL recovered Requested Tx coil current information 부하변동제어부 High Isen-EAout High Tx current Duty control EAout Integration and compensation Vref Wireless data reception Data transmit Determine required Tx coil current Isen-EAout - + Difference amp Isen 그림 개발된부하, 전송환경변화대응제어기술 그림 2.3.3은제작된시스템및효율측정결과를보여준다. 그림 2.3.3에나타난것과같이, 5.5 cm의가까운거리의경우제안된방법을사용할때효율이약간떨어지지만, 거리가조금만멀어져도제안된방법에서효율이크게좋아진다. 매우가까운거리에서는전력변환기를동작시킬필요가없고전력변환기를비활성화시킬수있다면가까운거리에서의효율저하는막을수있다. 개발된부하, 전송환경변화대응기술은부하전류가작은영역의경우, 효율저하를최소화할수있는장점이있다. 68

110 그림 제작된시스템및효율측정결과 본연구에서는개발된부하변동및전송거리대응효율유지기술의상용화연구의일환으로모바일기기무선충전에적용하기위한수신기소형화연구를수행하였다. 송수신기의공진주파수는 140 khz로자기공명방식을이용하여전력을전송하였고, 수신기는최대 15 W를출력에공급할수있도록하였다. VRECT. TX Driver CTX RTX LTX k LRX RRX CRX VRX_L VRX_R Active Rectifier CRECT. RSEN RL + - RD1 RD2 VC_SEN Gate Driving Signal Zero-Current Sensing Signal Gate Driving Signal CLDO VDD LDO BGR Control Block 그림 W 급수신기블록도 그림 2.3.4는설계된수신기의전체 block diagram으로서, 기존에 discrete 소자로구성된 duty 제어스위치들을제거하고, 정류기스위치 M N1 과 M N2 가정류기동작뿐만아니라 duty 제어스위치역할을함께담당함으로써비용및 PCB상에서차지하던면적을줄였다. 69

111 그림 2.3.5는 15 W급수신기 IC 회로전체의 layout과제작된 IC의내부를나타내고있다. 그림 2.3.5에나타난것과같이설계된모든기능블록을하나의 IC에내장하여통합수신 IC로설계하였다. IC 제작을위해 0.35 um BCD(Bipolar CMOS DMOS) 공정을이용하였다. 이와같이설계, 제작된수신 IC의기능및성능을검증하고제작된수신 IC를전체시스템에적용함으로써수신기소형화를통한연구결과의상용화가능성을더욱높일수있을것으로예상된다. (a) (b) 그림 W 급수신기소형화 ((a) 15 W 급수신기 layout, (b) 제작된 IC) 3. 에너지집적시스템개발 그림 2.3.6은본연구에서개발된이중대역에너지전송시스템의구조를나타낸다. 그림에나타난것과같이, 본연구에서는이중대역동작을위한 matching block에대한설계가공진기간결합에의한와전류를방지하는핵심기술이다. 본연구에서는두공진기간의결합계수를음수로만들고 matching block에추가적인인덕턴스를사용하여공진기간결합에의한와전류를상쇄시키도록설계하였다. 70

112 그림 개발된이중대역공진기구조 그림 2.3.7은개발된구조로이중대역공진기를구성한경우의각코일에흐르는전류와각노드의전압을나타내고있다. 그림에나타난것과같이 6.78 MHz 모드에서유기되는전압과전류파형. Vedy 전압이 Vnode 전압과거의같은크기로 in-phase로유도된다. 따라서 200 khz 인덕터양단으로유기되는전압이거의 0이다. 그에따라 200 khz 코일의와전류도 0이된다., V 그림 개발된이중대역공진기의각노드별전압및각코일별전류 71

113 설계된에너지집적시스템의성능을검증하기위해에너지집적시스템을제작하고성능을검증하였다. 개발된시스템의 low-q 대역은 200 khz이고 high-q 대역은 6.78 MHz이다. 이는현재상용화가진행되고있거나상용화예정에있는무선충전시스템이사용하고있는주파수대역이다. 전체시스템의소형화및효율성을높이기위해하나의송신기및수신기가두대역에서선택적으로동작할수있도록각대역별로별도의회로를구성하지않고하나의송신기및수신기로구성하였다. 송신기는네개의 MOSFET를사용한 full-bridge 인버터로되어있고 200 khz 오실레이터와 6.78 MHz 오실레이터두개가내장되어있으며점퍼연결에따라 MOSFET 구동주파수가결정되는구조로제작하였다. 수신기는설계된이중대역공진기와정합회로, 정류기, 그리고부하저항으로구성하였다. 그림 2.3.8은에너지집적시스템의구성을나타내고있다. L match C 6.78M L 6.78M L 200k C 200k L 6.78M BUK9K52-60 C 6.78M L match L 200k LM5113 LM5113 LTC6990 (200kHz) C 200k RL 12V 2A 74AC00SC 74AC00SC SG-210STF (6.78MHz) mbrs340 (a) (b) 그림 이중대역에너지집적시스템구조 ((a) 송신기, (b) 수신기 ) 그림 2.3.9는제작된이중대역에너지집적시스템을나타내고있다. 제작된에너지집적시스템의장점은 6.78 MHz 와 200 khz 코일사이의간격이매우작아서내부의 200 khz 코일의직경을최대화가능하다는것이다. 이것은 200 khz 모드에서의커플링을크게하여효율을증대시킬수있다. 또하나의장점은 72

114 Lmatch 인덕터로작은 air-core 인덕터가사용가능하다는것이다. 이것은기존의 LC 필터를이용한이중모드송신기가매우크고무거운페라이트코어를사용했던것과는대조적이다. 부하저항으로는최대 25 W급의시멘트저항을사용하였다. 출력전력은 12 V, 2 A 로최대 24 W의출력이나온다. 부하저항으로이용된시멘트저항의값을변경해가며전압은유지한채부하전류를바꾸어가며시스템의성능을측정하였다. 그림 에너지집적시스템제작 제작된에너지집적시스템의적용가능성을확인하기위해전송거리별각대역의효율을측정하였다. 측정결과는그림 에나타나있다. 그림 에나타난것과같이가까운거리에서는 200 khz 의 low-q 모드를사용했을때시스템효율이높고거리에서는 6.78 MH의 high-q 모드를사용할때시스템효율이좋게나온다. 특히, 거리 2 cm 이하에서 low-q 모드의 DC/DC 효율은 80% 이상으로측정되었고, 전송거리 2 cm 에서 high-q 모드의 DC/DC 효율은 70% 이상으로측정되었다. 이러한측정결과는본연구과제의최종목표를만족하는효율로개발된에너지집적시스템의높은효용성을나타내고있다. 이와같은결과를바탕으로전송거리가약 2 cm이하로작은경우에는저주파대역인 73

115 low-q 모드로동작하고전송거리가 2 cm 이상으로높은경우에는고주파대역인 high-q 모드로동작하게되면전송받는수신기에관계없이원활한에너지전송이 가능하게된다. 그림 각모드별전송거리에따른시스템효율 본연구에서는기기간에너지전송이가능한에너지집적시스템을설계, 제작하였다. 제작된시스템은기존이중대역시스템의문제점인와전류에의한시스템효율저하를최소화하여이중대역에서원활한에너지전송이이루어질수있도록구성하였고, 거리에따라동작주파수를선택하여시스템효율을최적화할수있는방법을추출하였다. 본연구에서개발된에너지집적시스템을이용하면이중대역에서효율저하없이다양한무선전력전송기기에에너지를전송할수있다. 또한본연구에서개발된송신기와수신기를장착하여하나의시스템으로무선에너지송신과수신을선택적으로수행할수있도록개발되었다. 이렇게개발된에너지집적시스템은향후상용화를통해다양한기기간에너지전송을가능하게하여보다쉽고편리하게무선에너지를공급할수있도록할수있을것으로예상된다. 74

116 제 4 절무선전력전송전자파저감기술연구 1. 개요 무선을이용하여전력을전송하는무선전력전송기기는모바일분야에서는상용화가이루어졌으며, 자동차응용, 스마트기기, 노트북, 의료센서등의다양한산업분야에서는상용화를위한노력이진행되고있다. 무선전력전송은자기장을이용하여전력을전송하는기술로, 근역장에서강한자기장이형성되어전자파인체노출문제와전자파적합성문제를야기시킨다. 최근에는, 이를줄이기위해여러가지차폐기술들이소개되었고, 이러한차폐기술은전자파가존재하는환경에서외부로의전달을막고이를통해전자파환경에서의커플링을줄이는데효과적인방법이다. 전자파를차폐하는주요메커니즘은흡수 (absorption), 반사 (reflection), 다중반사 (multi-reflection) 에의한방법이다. 흡수는차폐재가갖는표피효과 (skin effect) 를이용하여매질이갖는손실에의한열로바꾸는것이고, 반사는매질사이의경계면에서임피던스미스매칭 (mis-matching) 을이용하여차폐영역으로들어오지못하게막는방법이다. 마지막으로다중반사의경우표피두께이상의차폐재를사용하여차폐재내에서다중반사및흡수에의해에너지를점차소멸시켜버리는방법이다. 전자파환경에서의전자파를줄이기위해차폐도효과적인방법이지만, 원천적으로전자파잡음을발생시키는원인을해결하고줄이는것또한중요한문제이다. 이러한측면에서보면, 일반적으로, 무선전력전송기기에서전자파잡음의원천인송신회로에서 SMPS에서발생되는고조파신호를줄이는것이매우중요하다. 75

117 2. 무선전력전송전자파차폐기술연구 무선전력전송기기에적용이가능한전자파차폐방법은크게 1) Passive shield, 2) Active shield, 3) Reactive shield 로구분한다. Passive shield 방법에는전도성도체시트를이용하는 conductive shield 및자기장형태를조작하는 magnetic shield가있다. Active shield는자체전원을가진공진회로형태로서소스로부터복사되는전자기장과반대의위상을갖는역자기장을형성시켜소스전자기장을상쇄하는기법이다. 하지만전원구현에따른비용과크기때문에전원없이소스자기장으로부터발생되는역기전력을이용하는 Reactive shield 방법이최근에개발되었다. 본연구에서는본과제에서개발된컵 (cup) 형태를갖는 3D구조에대해자기장전파경로제어를통한차폐의효과에대한연구를수행하였다. 상기구조에대해자기장전파경로를유도하여차폐효과를높이기위해그림 2.4.1과같은개념을적용하였다. 그림 2.4.1에서외곽을둘러싸는차폐재에의해자기장이유도되어차폐재내부를통해전파되게되며, 일부차폐재를빠져나간자기장의경우에도일부는차폐재의방향으로자속밀도가집중이되어다시컵내부로들어오게된다. 이로인해차폐재로인한원래의목적인차폐의목적뿐아니라송신기로부터수신기로향하는자속밀도를증가시켜줌으로써전송효율에도긍정적인효과를볼수있다. 그림 자기장전파경로제어개념도및자속밀도의유도 76

118 차폐대상인주변 20 cm 떨어진지점에서바닥으로부터 1.0 m 까지의높이변화 따른자기장강도의변화및크기를분석한결과 3D 구조에적용된차폐재에의한 효과는최대 80% 정도였다. 그림 차폐기술적용전 / 후의자기장분포및자기장강도변화 3. 무선전력전송인체영향저감기술개발 무선전력전송기기는수십 khz에서수십 MHz까지의다양한주파수대역을사용하며이들기기에서복사되는전자파에대한인체의노출형태는전신과국부노출의경우가모두생기게된다. 따라서인체보호기준측면에서볼때무선전력전송기기에대한인체노출량평가를다룰때에는기본한계값 ( 체내전기장, 전자파비흡수율, 유도전류밀도 ) 뿐만아니라기준레벨 ( 전자기장강도등 ) 모두를다루어야한다. 현재우리나라가채택하고있는인체영향기준은국제비전리복사위원회 (ICNIRP, International Committee on Non-Ionizing Radiation Protection) 에서 1998년도에제정한기준을따르고있다. 현재무선전력전송용코일로많이쓰이고있는 WPC A10 코일에의한전자파인체영향분석을수행한결과전자파비흡수율은상당히낮은수치이나 ( 기준의약 1/25,000) 자기장강도의경우기준값을초과하는경향을보였다. 77

119 현재무선전력전송시스템인체영향평가에대한기준은아직모호한상태이다. 전자기장세기측정에대해서는 IEC 62233을따르자는추세지만국제기준으로인정되지않고있는상태이며, 2015년부터 IEC TC106 Working Group 9에서무선전력전송시스템의인체영향평가방법및측정기준을논의하고있는상태이다. 본연구에서는무선충전기기의실제사용환경을고려하여송 / 수신코일의오정렬상태에서인체노출시나리오를설정하고, 최대 SAR 변화추이를확인하였다. Qi-A10 코일의상용무선충전기기가충전모드로동작시, 기기주변에손이위치하는경우를가정하였으며, 설계한균질모의인체를통해기기로부터전자파인체노출기본한계인 SAR를분석하였다. 그림 무선전력전송송수신코일및인체모의팬텀배치 실험결과기기의측면에서자기장세기는기기에가장근접한경우에최대 ut, 기기상단에서는최대 ut가얻어졌으며, 국제기준과의비를그림 2.4.4에나타내었다. 자기장세기는기기의측면의경우대략 16 mm, 상단은 19 mm 이후지점부터기준을만족하였고, 그림 2.4.4에거리에따른자기장세기를나타내었다. 이러한결과를통해기기의상단보다측면에서방사자기장에의한인체영향이큼을확인하였다. 코일상단에서의최대 10 g 평균 SAR은 uw/kg으로, 완벽히정렬을이루었을때상단의결과대비약 55% 더높은수치를보였다. 측면에서는 uw/kg으로본연구에서평가한다양한노출시나리오중에서가장큰수치를보였으며, 완벽히정렬을이룬상태보다대략 48% 더높은수치를보여송수신회로의정렬이큰영향을미침을확인하였다. 78

120 그림 ICNIRP2010 기준과의비교 4. 무선전력전송 EMC 저감기술연구 가. 차량용무선전력전송기기 EMC 저감기술개발 본연구에서는차량에내장되는 Qi 규격의스마트폰무선충전기기에대한 EMC 저감기술을개발하였다. 최근자동차회사에서는차량용무선충전장치를장착하여차량을출시하고자노력중에있다. 차량용으로제품을사용하기위해서는자동차회사에서요구하는 EMC 규격을만족하여야하며, 최근에는요구하는 EMC 규격을점점더강화되고있다. 그림 2.4.5는현재개발중인 무선전력전송장치를보여준다. 검은색케이스 안에송신회로및송신코일이 내장되고있고, 위에보이는흰색은수신코일및수신회로이다. 측정에사용된부하는 700 ma를사용하고있다. 이와같이상용화되고있는무선충전장치의송수신주변에는강한전자기장이형성된다. 이처럼강한전자기장은다른전자기기나전자시스템에영향을주어오동작을발생시킨다. 79

121 그림 차량용무선전력전송장치 그림 무선전력전송장치의대책후 EMI 측정결과 이와같이무선전력전송장치에의해발생하는전자파영향을줄이기위해 EMC 저감방법을적용하였다. 본연구에서적용된 EMC 저감방법은송신코일의외곽을둘러싼제 3의코일을구성하여구형파의고조파성분들을저감하는방법이다. 이때제 3의코일의인덕턴스값과코일양단의캐패시터값에따라서저감하게되는주파수영역은달라질수있다. 그림 2.4.6은개발된 EMC 대책을고려한 PCB 설계와고조파저감을위한코일설계기술을적용하여보여주는결과이다. 측정결과그림에서보는붉은색 80

122 선은최대치측정시제한값이고, 분홍색은평균치측정시제한값이다. 대책전에는 송신주파수의고조파성분들이규정치를초과하는것을볼수있고, 저감대책 기술적용후동일대역에서모두만족하다는것을알수있다. 나. 3D E-zone 용 EMC 저감기술개발 본과제에서개발된 3D E-zone 시스템의상용화가능성을높이기위한기술의일환으로개발된 9 cm급 E-cup에 EMC 저감기술을적용하였다. 현재국내에서무선전력전송의제품에대한 EMC 인증을받기위해서는 KN17 규격을만족하여야한다. KN17에서 EMC 측정은 30 MHz 이하에서는 3 m 거리에서측정이이루어지며, 제품과루프면이수평 / 수직일때측정이이루어지며또한제품을 Z 축으로변경하여루프면과수평 / 수직일때측정하도록되어있다. 본연구에서는이러한개발된고조파저감코일을적용하여 E-cup에대한 EMC 저감기술을개발하였다. 그림 MHz 이하 EMI 측정결과 81

123 그림 2.4.7은 EMC 저감기술이적용된 E-cup의 30 MHz 이하에서의 EMC 측정결과를나타낸다. 그림에서보는바와같이본연구에서개발된 EMI 저감기술을적용하여 KN17 규격치를모두만족하고있음을알수있다. 또한, 그림 2.4.8은 30 MHz~1 GHz 에서의 EMI 측정결과를나타낸다. 높은주파수대역에서의결과에서도 KN 17 규격을모두만족하고있음을알수있다. 그림 MHz ~ 1 GHz 에서의 EMI 측정결과 본연구에서는무선전력전송기기에의한인체및주변기기의전자파영향을분석하고이를저감할수있는기술을개발하였다. 본연구에서는이미상용화된자동차용스마트폰무선충전장치와본과제에서개발된 9 cm급 E-cup에대해개발된전자파저감기술을적용하여국내무선전력전송전자파규격인 KN17을만족하였다. 이러한결과를바탕으로개발기술에대한상용화가능성을높이는효과를얻었고, 향후개발기술의조기상용화를위한기초를마련하였다. 82

124 5. 인체영향고려전력제어기술구현 무선전력전송기술은통신보다높은수준의에너지를전송하므로인체보호는가장우선시되어야하는사항이다. 이러한점에서무선전력전송시스템의주변으로전달되는자기장의세기를낮추는기술들이다양하게개발되었다. 앞서본사업에서는차폐코일을이용하여송신코일과회로에서발생하는고조파를효과적으로제거하는기술을개발하고시스템에적용한바가있다. 이번연구에서는메타물질을이용하여송수신코일에영향을최소로하고외부로전달되는자기장의세기를줄여서인체를보호하는기술을구현하였다. 일반적으로메타물질 (meta-material) 은알려진바와같이특정주파수에대하여유효유전율과투자율조정이가능한임의의구조를가지고있어전자기장의 방향을제어할수있다고알려져있다. 이러한이유로무선전력전송시스템에서 전송거리가멀어짐에따라급격히감소하는결합계수특성에메타물질을적용하여누설되는자기장을집속시킴으로써전송거리및효율등의성능개선이가능하였다. 그러나대부분의선행연구에서는메타물질을송수신코일중간에배치함으로써시스템구성에서실용성이낮은단점이있었다. 본연구에서는코일후방에메타물질을배치하여자기장차폐를위한연구결과를보여주고자한다. 그림 2.4.9는송수신코일이 20 ~ 30 cm 이격된상태에서송신코일의후방에메타물질을배치한해석모델을나타낸다. 송수신코일의공진주파수는약 6.6 ~ 6.8 MHz대역이며, 전송효율은약 40% 이다. 또한, 메타물질의설계는그림 과같은과정을통하여이루어지며먼저원하는공진주파수가설정되면시스템환경을고려하여최대 Q(quality factor) 를얻기위해최적의크기와턴수를반복적인계산을통하여추출하게되고단일구조가확장된후주기구조로확장하게된다. 83

125 그림 송신코일후방에메타물질이있는무선전력전송공진부 그림 메타물질설계과정 그림 은메타물질을송신코일의후방에설치한모델의자기장 해석결과를보여주고있다. 그림 메타물질을이용한송신코일의자기장분포 84

126 그림에서와메타물질의유무에따른후방자기장의세기가차이가있음을알 수있다. 그러나, 메타물질이송신코일에근접할수록전송효율성능열화가 발생하므로적절한배치가필요하다. 그림 자기장분포와거리에따른전송효율변화 그림 는메타물질을송신에서 15 cm 후방에위치하고그림 2.4.9에표시한위치에서측정한자기장의분포를보여주고있다. 전반적으로메타물질이없는경우에서자기장의세기가감소하나, 코일의중심에서는송수신코일의거리에따라자기장이감소하지않는특성을보여주고있다. 따라서, 메타물질을사용한자기장제어기술은시스템의환경과인체가시스템에접근하는범위를고려하여설계할필요가있겠다. 85

127 제 5 절다중무선전력제어기술연구 1. 개요 본연구에서는 140 khz의무선으로전력을전송하는시스템을 BLE 프로토콜을이용해서제어할수있는 out-of-band 전송모드변환모듈을구현하였다. 현재많이사용되는자기유도방식무선전력전송시스템은패드에접촉되어야하므로지정된위치에서벗어나면전송효율이급속히저하되어응용에매우제한적이다. 이를보완할수있는기술이자기공명을이용하는것이며무선통신기술을활용한 out-of-band 제어방식을사용해야한다. Out-of-band 제어방식을사용하기위해서는응용서비스프로토콜을코딩해서칩에구현해야한다. 전력수신모듈의브리지정류기에서검출된신호는 ADC 인터페이스를통해서수신제어모듈로전송되고이신호는표준에따라구현된프로토콜알고리즘에의해처리되어 BLE 통신으로송신제어모듈로전송된다. 송신제어모듈에서는수신된신호를표준에적합하게구현된알고리즘에의해처리한후 DAC나 PWM과같은인터페이스를통해서전력송신모듈로전송되며이신호에의해서전력송신모듈의출력을 ON/OFF하거나레벨크기를제어한다. 그림 무선전력전송시스템 86

128 BLE는다른무선통신방식에비해서전송데이터량이적은센서제어신호를신뢰성있게저전력으로처리할수있으며동시에여러센서들과통신할수있는구조의프로토콜이므로의료, 가전, 로봇등생활과밀착된응용에서도널리활용되고있다. 2. 다중무선전력제어시스템구현 무선전력전송시스템은전력송신모듈과전력수신모듈을각각송신제어모듈과수신제어모듈이제어하도록설계 ( 그림 2.5.1참조 ) 하였다. 무선전력전송시스템은전력송신모듈과송신제어모듈로구성된송신기 ( 송신블럭 ) 와전력수신모듈과수신제어모듈로구성된수신기 ( 수신블럭 ) 로구성된다. 그러므로송신기는수신기로코일을통해서전력을전송하고최적의상태로전력전송상태를유지하기위해서 BLE통신으로신호를송수신하면서시스템을제어한다. 무선전력전송시스템은수신기의정류전압, 전류등을이용할수있으며과열되거나과전류, 과전압등에의해시스템이파손되는것을사전에방지하기위해서이러한위험요인을계속해서감시해야한다. 이러한추가적인기능을제공하도록국제적인표준 (IEC 63028(A4WP) 등 ) 에서는규정하고있다. 여러기능들을제어모듈에구현하기위해서는마이크로컨트롤러를이용해야한다. 최근모든산업분야에서임베디드구현이확대되고있으므로마이크로컨트롤로도응용분야별로매우다양하므로무선전력전송에서응용할수있는마이크로컨트롤러를선택하는것이중요하다. 최근에는마이크로컨트롤러와 BLE통신기능에한개의칩에구현된 SOC(System On a Chip) 가여러반도체업체에서생산되고있으므로이를이용해서무선전력전송을위한저전력임베디드제어시스템을구현하였다. 87

129 그림 무선전력전송시스템구성도 가. 무선전력전송임베디드제어시스템소프트웨어구현 무선전력전송시스템에서제어의목적은과전압, 과전류, 과열등으로부터수신기를보호하고접속된수신기가적절히충전되도록관리하며최적의조건에서충전될수있도록송신전력레벨을관리해야한다. 이러한다양한기능을효율적으로제어하기위해서제어신호를송수신하는모듈에응용프로토콜을구현해야한다. 송신제어모듈은수신기 ( 수신블럭 ) 가충전영역에있는지비콘을이용해서탐지하고수신기가탐지되면전력송신모듈이전력을송신하도록제어하고전력전송중에일정간격으로제어수신모듈로부터수신기의현재전압, 전류, 온도등에대한데이터를수신해서모니터링하고과전압, 과전류, 과열등인경우에전력송신을차단하거나레벨을조정한다. 또한충전이완료되면전력전송을중지시킨다. 현재국제적으로표준화된시나리오는 IEC 63028(A4WP) 뿐이다. 일반적으로블루투스통신프로토콜은칩에내장되어있으며 A4WP 표준인서비스프로파일은 C 언어등으로코딩해서컴파일한후칩에내장된메모리에로딩한다. 제어는데이터가작고비동기통신을통해서이루어지기때문에저속, 저전력칩을사용하며 OS(Operation System) 는사용하지않는다. 88

130 1) Bluetooth Protocol 사양 Bluetooth SIG에서제정한 Bluetooth 4.0 single mode 표준은아래와같은프로토콜스택으로구성되었다. 일반적으로통신 SOC(System On Chip) 제조사에의해펌웨어 (Firmware) 로제공된다. 그림 무선전력전송프로토콜스택 Physical Layer - 2.4GHz ISM 대역에서주파수호핑방식에의해 GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying) 변조된신호를 1Mbps 의속도로패킷송수신역할수행 LL(Link Layer) - RF 상태제어 (Advertiser, Scanner, Initiator) 를수행 HCI(Host Controller Interface) - Host 영역과 Controller 영역의인터페이스역할을한다. 1 개의칩으로구성된경우소프트웨어 API 로제공되며별도의 Controller 가제공되는경우에는 UART, SPI(Serial Peripheral Interface), USB 등이됨 L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol) - 상위계층으로데이터서비스 (encapsulation) 를제공하고, 패킷분배와재조합의역할 89

131 GAP(Generic Access Profile) - 장치간의 Pairing 과 Bonding(Linker) 사용을통해장치간인터페이스역할을하며기기 discovery 및접속관련서비스를처리 SM(Security Manager) - 다른기기와 AES-128 엔진을사용해서안전한접속및데이터교환을위한인증및보안을할수있도록함 ATT(Attribute Protocol) - Peripheral( 주변장치 ) 의서비스사용 (Attribute 데이터제공 ) 을도움 GATT(Generic Attribute profile) - ATT 영역에서읽어들인서비스의기능 ( 응용, 프로파일 ) 을수행 2) 전력전송응용프로토콜 (A4WP 프로토콜 ) 작성 ( 그림 참조 ) PTU( 송신제어모듈 ) 및 PRU( 수신제어모듈 ) 응용프로그램의소스코드는 C 언어로작성하고아래와같이기능별로모듈화시켰다. 이프로토콜은상태머신을초기화한후동작하고 UART 디버그인터페이스를통해서상태를확인할수있도록구현하였다. 상태머신 (State Machine) - PTU 와 PRU 는하나의공통상태머신코어모듈을사용 - 상태머신의각상태는기능을별도의파일로작성 - 상태머신은 A4WP 프로파일 API 핸들러를통해 A4WP 이벤트에의해실행 프로파일 API : 상태머신과관련된기능을나타냄 - 센서 : HAL(Hardware Abstraction Layer) 에서센서판독값을처리 - 서비스 : A4WP 서비스를구현 90

132 - 테스트멀티플렉서 : 동작을테스트하기위해 HAL 에서쓰고읽는값을무시할수있음 - 연결관리자 : PTU 에서 PRU 의연결및등록을처리 - 레지스트리 : PTU 에등록된모든 PRU 의데이터베이스보유정보 하드웨어추상화계층 (HAL) - 센서정보를수집하며특정인터페이스를통한하드웨어제어기능구현 - 이계층은무선전력전송모듈 HW( 송신출력등 ) 에맞게사용자가정의 나. 무선전력전송임베디드제어시스템하드웨어구현 전력수신모듈의상태센싱신호는 ADC(Analog to Digital Converter) 를통해서수신제어모듈로전달된다. 수신제어모듈의 MCU에구현된 ADC를통해서입력된데이터는블루투스패킷으로변환되고 2.4GHz무선으로전송되어송신제어모듈에입력된다. 송신제어모듈은수신된패킷을분석하고구현된알고리즘에따라전력송신모듈을제어한다. 송신제어모듈은데이터분석결과가반영된신호를 DAC(Digital to Analog Converter), PWM(Pulse Width Modulation) 등출력인터페이스를통해서전력송신모듈의출력전압, 전류등을제어해서최적의무선전력전송상태를유지시킨다. 구현된무선전력전송제어시스템은 UART를통해서연결된 PC에서디버깅프로그램을이용해서동작상태를확인한다. 무선전력전송모듈은자기공명을이용해서전력을전송하기때문에코일을이용한다. 그러므로코일인덕턴스및주파수변동, 결합상태등은시스템의성능에영향을주기때문에이값에따른프로토콜의여러파라미터값의범위및타이밍을조정해야한다. 본연구에서구현한시스템은현재상용화된 MCU 개발키트 (Nordic) 를활용했다. 설계한무선전력전송시스템의기능 S/W 및 H/W 를구현하고추가적으로기능을확장하기위해서는 MCU용량, 지원인터페이스등을고려해야한다. 또한다중코일처리, IoT 를확장하기위한게이트웨이기능이 91

133 지원되는지확인해야한다. 1) 제어시스템보드사양 2.4 GHz 트랜시버 dbm sensitivity in Bluetooth low energy mode kbps, 1 Mbps, 2 Mbps supported data rates ARM Cortex -M0 32 bit 프로세서 μa/mhz (flash memory) / 150 μa/mhz (RAM) BLE PHY/MAC 계층및프로토콜탑재 ( 펌웨어 ) 메모리 kb embedded flash program memory / 32 kb RAM 이상 Supply voltage range 1. 8 V to 3.6 V 2) 인터페이스구현 ADC 인터페이스 - 8/9/10 bit ADC - 8 configurable channels - ADC H/W 모듈 PWM 인터페이스 - PWM 라이브러리에의한구현 (Bit-banging 방법 ) - PWM 드라이버에의한구현 (PWM H/W 모듈 ) 다. 무선전력전송임베디드제어시스템구현 구현된전력전송모듈과제어모듈을통합해서전력전송이제대로되고있는지확인해야한다. 시스템이설계한대로정상적으로동작하는지스펙트럼분석기, 오실로스코프등을이용해서측정을행하고얻은값이설계값에맞는지확인한다. 92

134 그림 무선전력전송제어시스템구현 스펙트럼분석기는송신기와수신기간에 BLE 통신에의해서제어신호가제대로송수신되는지확인하고오실로스코프는송신기의전력송신모듈코일양단전압과수신기의전력수신모듈정류전압을측정하기위해사용된다. 또한무선전력전송제어가 A4WP 및블루투스표준에적합하게동작하는지프로토콜분석기를사용해서확인한다. 그림 2.5.5(a) 와그림 2.5.5(b) 는정상적으로동작하고있는무선전력전송시스템의전력전송송수신상태와제어모듈의통신프로토콜동작을나타낸다. 그림 무선전력전송시스템동작상태측정 ((a) 전력전송 (140 khz), (b) 제어 신호 (2.4 GHz)) 93