Analysis of WPT Characteristics by Shielding Materials

차폐 재질에 따른 무선전력전송 특성 분석

Abstract

In this paper, the shield plate was applied to the wireless power transfer (WPT) system. Then we compared transmission efficiency of WPT system between transmitter and receiver coils. The superconductor coil was applied to transmitter and receiver coils in order to increase the transmission efficiency of WPT. The superconductor coil was more effective to power transmission as its current density was higher than normal conductor coil. Efficiency of WPT between transmitter and receiver coils was changed by a quality of shielding. We used the shielding materials such as glass, iron, steels, aluminum etc. The efficiency of WPT system was depended on the shielding materials of transmitter and receiver coils. As a result, magnetic material such as aluminum, iron reduced the magnetic flux density and the efficiency of WPT. remarkably, but in non-magnetic material such as glass and plastic, the efficiency of WPT was unaffected.

1. 서 론

무선전력전송 기술은 자기 유도 방식, 자기 공진 방식, 전자기파 방식이 있다. 현재 자기유도 방식은 핸드폰 무선충전기, 전동칫솔등 상용화가 가장 많이 이루어져 있으며 전송효율이 가장 높다. 하지만 전송거리가 짧고, 코일의 각도나 위치가 틀어지면 전송효율이 감소하는 단점이 있다. 전자기파 방식은 수 Km이상의 장거리에서도 사용이 가능하지만, 수 GHz의 고주파를 사용하기 때문에 인체에 유해하다. 자기 공진 방식은 동일한 공진주파수를 갖는 송·수신 코일의 감쇄파 결합과 공명현상을 이용하기 때문에 방사신호가 없으며, 방사 저항이 매우 낮아 인체유해에 대한 문제점을 극복할 수 있다[1-2]. 하지만, 친환경 자동차, 철도 등 대전력이 필요한 경우 그에 따른 송·수신 코일의 크기가 커지기 때문에 자기 공진방식의 무선전력전송 시스템을 설계하는데 문제점이 발생한다. 본 연구팀에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 초전도 코일을 적용한 무선전력전송 시스템을 제안하였다. 자기 공진 방식의 무선전력전송 시스템에 초전도체로 구성된 송·수신 코일을 사용하였다. 상전도 코일에 비해 무선전력전송 효율이 높았다[3]. 하지만 무선전력전송 효율은 주변 금속 도체, 부도체와 같은 차폐 소재에 따라 무선전력전송에 영향을 받게 된다.

본 논문에서는 초전도 코일을 적용한 자기 공진형 무선전력전송 시스템의 신뢰성을 향상시키기 위해 시뮬레이션(HFSS)을 이용하여 유리, 플라스틱, 알루미늄, 철의 4가지 차폐 소재를 적용하였다. 이 때, 차폐 소재에 따른 초전도 코일과 상전도 코일의 H-field와 S-parameter를 비교, 분석하고자 한다.

 

2. 본 론

2.1 초전도 공진 코일의 무선전력전송 시스템

자기 공진 방식은 동일한 주파수를 갖는 송·수신 코일 사이의 공진 현상을 이용하기 때문에 송·수신 코일의 방향성, 코일의 특성 변화에 따른 영향을 받지 않고 높은 전송효율을 유지할 수 있다. 자기 공진 방식의 높은 효율을 위해서는 코일의 품질 계수인 Quality factor(Q-factor)가 높게 유지되어야 한다. Q-factor 값이 높게 유지하게 되면 자기 결합 정도가 감소하여도 전송 거리를 확보하여 효율을 증가시킬 수 있다.

식 (1)을 통하여 Q-factor 값을 높게 유지하려면 송·수신 코일의 저항이 작아야 함을 확인할 수 있다[3]. 초전도체는 기존 연구를 통해 상전도 코일에 비해 전송효율이 증가함을 입증한 바 있다. 초전도체는 저항이 낮기 때문에 Q-factor 값을 최대 107까지 구현할 수 있다[3-4].

2.2 전자기 차폐 효과

전자기 차폐는 자유공간에 매질의 특성에 따라 내부 또는 외부에서 발생한 자기장으로부터 영향을 받거나 또는 영향을 미치지 않는 것을 말한다. 매질에는 투자율, 유전율, 전기전도도, 전기저항 등의 전기적 특성이 있다.

교류에 의한 전자기 차폐는 전기장 차폐와 자기장 차폐로 나눌 수 있다. 전자기장 차폐는 시변 자기장 비저항 0인 도체 겉면에 입사하면, 외부의 전기장은 도체 내부에 영향을 주지 않기 때문에 전기장 차폐가 된다. 하지만 시변 자기장이 도체 겉면에 입사 되면, 일부 자기장이 도체 쪽으로 전파되면서 수직면 방향으로 생성된 와전류는 생성된 자기장을 상쇄시켜 또 다른 자기장이 발생하게 되어 차폐효과가 나타난다. 식 (2)는 시변 자기장에 전파에 따른 도체 내에서 생성된 와전류이다. 이 와전류는 Maxwell 방정식의 페러데이 전자기 유도 법칙으로 표현 할 수 있다[5].

차폐 효과(Shielding Effectiveness :SE)에 대하여 다음과 같이 수식으로 나타낼 수 있다.

REf 는 전기장 반사, RHf 자기장 반사, RPw 평면파 반사, AE 는 와전류 손실, ADM 은 자기손실과 유전손실의 S-parameter를 나타낸다[5].

2.3 송·수신 코일의 H-field

자기장의 개념은 자기선속밀도(Magnetic flux density)와 자기장의 세기(Magnetic field strength)로 나눌 수 있다. 이는 자기선속밀도는 B, 자기장의 세기는 H로 표현할 수 있다. 진공에서는 자기선속밀도와 자기장 세기는 서로 비례하지만, 매질 안에서는 달라진다. 식 (4)는 B와 H의 관계를 나타낸 식이다. 이 때 비례상수 μ는 매질의 투자율 이다.

H-field는 송·수신 코일에서 전류가 흐를 때, 자기장 세기를 나타낸다. HFSS시뮬레이션 프로그램을 이용하여 송·수신 코일의 자계 분포 색과 수치를 통해 자기장의 세기를 나타낼 수 있다.

2.4 송·수신 코일의 S-parameter

S-parameter란 주파수 분포에 따른 입력전압에 대한 출력전압의 비를 의미하는데, 식 (5)와 같이 정의 된다.

또한, 특정 주파수 영역에서 볼 수 있는 파라미터를 나타내며, 다음 식 (6)과 같이 S-parameter는 행렬(Matrix)로 나타낼 수 있다 S11은 입력반사계수, S12는 역방향 전달 계수,

S21은 순방향 전달 계수, S22는 출력반사계수를 의미한다. 본 논문에서 S11을 분석하고 자한다. S11은 입력 반사계수로 입력에 대한 반사 정도를 나타내며, 반사계수가 낮을수록 반사량이 작아 효율적으로 무선전력전송 할 수 있다.

2.5 시뮬레이션 설계 및 구성

그림 1은 차폐 소재를 적용한 자기공진형 무선전력전송 시스템 시뮬레이션 설계도 이다. 초전도 코일과 상전도 코일을 적용하였을 경우, H-field와 S-parameter를 분석하기 위해 Ansoft HFSS(High Frequency Structure Simulator) 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 시스템을 설계하였다. 시뮬레이션을 이용하기 때문에 실제로 제작하기 어렵거나 오차, 변수 등을 개선할 수 있다. HFSS 시뮬레이션에서 확인할 수 있는 H-field는 차폐 소재를 적용하였을 때, 송·수신 코일의 자기장 세기를 분석하여 상전도 코일과 초전도 코일의 자계 분포를 비교, 분석 할 수 있다. 또한, 주파수 영역에 따른 S-parameter를 분석함으로써 실험결과를 예상할 수 있다. 송·수신 코일은 Helical type으로 설계하여 각각 초전도 코일과 상전도 코일을 적용하였다.

그림 1차페 소재를 적용한 자기공진형 WPT 시스템 설계 Fig. 1 Magnetic resonance WPT system using a shielding materials

표 1은 실험에 적용된 차폐 소재에 대한 사양을 나타내었다. 차폐 소재는 유리, 플라스틱, 철, 알루미늄으로 구성하였다. 송·수신 코일 사이의 거리는 1m이며, 송·수신 코일과 차폐 소재 사이의 거리는 50cm 이다. 또한, 송수신 코일의H-field를 균일하게 비교하기 위해 그림 1과 같이 차폐 소재를 가운데 배치하였다.

표 1차폐 소재의 사양 Table 1 Specifications of materials shielding

 

3. 차폐 재질에 따른 무선전력전송 시뮬레이션 분석

3.1 초전도 코일과 상전도 코일의 H-field

그림 2와 3은 차폐 소재에 따른 초전도 코일과 상전도 코일 각각의 H-field 이다. 표 2는 초전도 코일과 상전도 코일을 적용하였을 때 차폐 소재에 따른 송신 코일, 수신 코일, 차폐 소재 주변의 최대 H-field를 분석하였다.

표 2초전도 공진 코일과 상전도 코일의 차폐 재질에 따른 무선전력전송 H-field 특성 Table 2 The H-field of an superconductor and normal conductor coil according to the shielding materials

그림 2차폐 재질에 따른 상전도 코일의 H-field (a)유리 (b)플라스틱 (c)철 (d)알루미늄 Fig. 2 H-fields of the magnetic resonance WPT system using normal conductor coils with shielding materials such as : (a)Glass (b)Plastic (c)Iron (d)Aluminum

그림 3차폐 재질에 따른 상전도 코일의 H-field (a)유리 (b)플라스틱 (c)철 (d)알루미늄 Fig. 3 H-fields of the magnetic resonance WPT system using normal conductor coils with shielding materials such as : (a)Glass (b)Plastic (c)Iron (d)Aluminum

그림 2(a)는 유리 차폐소재를 적용하였을 경우 송·수신 코일의 H-field는 각각 7.1969e-002, 1.9307e-001 인 것을 확인할 수 있었다. 또한, 유리 차폐 소재에서는 1.6379e-002를 나타내었다. 그림 2(b)는 플라스틱 차폐 소재에 대한 최대 H-field 이다. 송신 코일은 1.1788e-001, 수신 코일은 5.1795e-001, 차폐소재 주변에서는 4.3940e-002를 나타내었다. 부도체인 유리와 플라스틱 차폐소재는 상대 투자율이 높기 때문에 별다른 영향 없이 전력이 전송되었다. 하지만, 송·수신 코일에서는 도전율이 낮은 유리와 플라스틱 차폐 소재의 영향으로 자속을 감쇠시켜 자계 분포가 낮은 것으로 사료된다. 그림 2(c)는 철 차폐 소재를 적용했을 때 최대 H-field 이다. 송·수신코일과 차폐 소재의 H-field는 각각 1.9307e-001, 1.3895e+000, 1.6379e-002이다. 그림 2(d) 알루미늄 소재의 경우 송신코일은 1.9307e-001, 수신코일은 1.3895e+000, 차폐 소재 주변은 1.6379e-002이다. 철과 알루미늄 차폐 소재는 상대 투자율이 낮기 때문에 전력이 전송되지 못 하였다. 하지만 송·수신 코일의 H-field는 철과 알루미늄 차폐 소재에의 영향을 받아 H-field가 높아졌다. 이 는 도체인 철과 알루미늄은 자기장을 끌어당겨 자기력선이 원하는 공간으로 발생하여 자기차폐 함으로써 H-field에 영향을 미치게 되는 것으로 사료된다.

그림 3은 상전도 코일에 차폐 소재를 적용하였을 때 H-field 이다. 그림 3(a)는 유리 차폐 소재의 H-field 이다.

유리를 적용하였을 때, 송신 코일은 7.1969e-002, 수신코일은 7.9307e-001, 차폐 소재는 1.6379e-002를 나타내었다. 그림 3(b)는 플라스틱 차폐 소재의 H-field 나타낸다. 수신 코일과 차폐 소재의 H-field는 각각 1.1788e-001, 8.4834e-001 ,4.3940e-002 이다. 그림 3(c)는 철 차폐 소재를 적용하였을 때 H-field 이다. 송·수신 코일, 차폐 소재의 H-field는 7.1969e-002, 5.1795e-001, 1.0000e-002를 나타내었다. 그림 3(d)는 알루미늄 차폐소재에 따른 H-field 이다. 송신코일은 7.1969e-002, 수신 코일은 1.9307e-001, 차폐 소재는 1.0000e-002 이다. 상전도 코일에서도 초전도 코일과 같이 철과 알루미늄 차폐 소재를 적용하였을 때, 전력 전송이 제대로 이루어지지 않았다. 반면에, 유리와 플라스틱 차폐 소재는 별다른 영향 없이 전력전송이 됨을 확인 할 수 있었다. 이는 초전도 코일과 마찬가지로 유리와 플라스틱 차폐 소재는 상대 투자율이 높기 때문에 별다른 영향을 미치지 않은 것으로 사료된다.

표 3초전도 공진 코일과 상전도 코일의 차폐 재질에 따른 무선전력전송 S-parameter 특성 Table 3 S-parameter of superconductor and normal conductor coils according to the shielding materials

3.2 초전도 코일과 상전도 코일의 S-parameter

그림 4는 초전도 코일을 적용하였을 때 각각 차폐 소재에 따른 S-parameter이다. 그림 4(a)는 유리, (b)플라스틱, (c)철, (e)알루미늄 차폐 소재를 적용하였을 때 S11 값이다. 각각 S11 값은 –18.7944dB, –24.8996dB, –21.1066dB, –28.3665dB를 나타냈다.

그림 4차폐 재질에 따른 초전도 코일의 S-parameter (a)유리 (b)플라스틱 (c)철 (d)알루미늄 Fig. 4 S-parameter of the magnetic resonance WPT system using superconductor coils with shielding materials such as : (a)Glass (b) Plastic (c) Iron (d) Aluminum

그림 5는 상전도 코일을 적용하였을 때, 각각 차폐 소재에 따른 S-parameter를 나타낸다. 초전도 코일의 경우와 같은 조건으로 그림 5(a), (b), (c), (d) 각각 유리, 플라스틱, 철, 알루미늄 차폐 소재를 적용하여 S11을 확인하였다. S11은 (a), (b), (c), (d) 각각 –8.1977dB, -11.2107dB, -6.9898dB, -3.9978dB 값을 나타내었다.

그림 5차폐 재질에 따른 상전도 코일의 S-parameter (a)유리 (b)플라스틱 (c)철 (d)알루미늄 Fig. 5 S-parameter of the magnetic resonance WPT system using normal conductor coils with shielding materials such as : (a)Glass (b) Plastic (d) Iron (d)Aluminum

그림 4와 5의 S-parameter 비교 결과, 상전도 코일의 경우 알루미늄과 철에서 가장 높은 반사계수를 확인할 수 있었다. 반대로 유리와 플라스틱에서는 낮은 반사계수를 나타냈다. 또, 초전도 코일의 경우 상전도 코일보다 반사계수가 낮음을 확인 할 수 있었다. 특히 알루미늄 차폐소재의 S11값이 가장 낮았으며, 그 다음 플라스틱 차폐소재의 S11값이 낮았다. 반사계수가 가장 낮은 알루미늄은 다른 차폐 소재와 달리 도전율이 높다. 때문에 반사계수가 낮아 전송효율을 향상 시킬 수 있었다.

 

4. 결 론

무선전력전송이 실생활에 이용하게 된다면 여러 가지 물질에 대한 영향을 받는다. 그렇기 때문에 본 논문에서는 초전도 코일을 적용한 무선전력전송에 차폐 소재를 적용하여 H-field와 S-parameter의 S11을 분석하였다. 비교 실험을 위해 상전도 코일에 차폐소재를 적용하여, 동일한 실험을 진행 하였다. 차폐 소재는 일상생활에서 흔히 사용되는 유리, 플라스틱, 철, 알루미늄으로 구성하였다.

분석결과, 초전도 코일을 적용하였을 때, 상전도 코일보다 더 높은 H-field를 확인할 수 있었다. 또한 초전도 코일을 적용 시켰을 때, 상전도 코일보다 낮은 반사계수(S11)를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

이는 차폐 소재의 유·무와 상관없이 초전도 코일이 상전도 코일 보다 낮은 저항으로 인해 높은 효율을 갖기 때문이다. 또한, 부도체인 유리와 플라스틱의 경우 자장은 통과시키지만 자기 차폐 효과로 인해 낮은 H-field를 확인할 수 있었다. 하지만 철과 알루미늄 차폐 소재의 경우, 자장을 통과시키기 못하였다. 하지만 높은 도전율을 갖기 때문에 송수신 코일의 자계의 세기를 증가시켜 무선전력전송 효율에 영향을 미치게 됨을 확인할 수 있었다.

초전도 코일을 적용한 무선전력전송 시스템의 경우 초전도 코일은 냉각용기에 대한 고려가 필요하다 이에 알루미늄, 플라스틱과 같은 냉각용기를 제작하여 적용 한다면 무선전력전송 효율을 증가시킬 수 있을 것으로 사료된다.