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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.19 No.8 pp.73-80
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.08.073

Effect of 3D Printed Spiral Antenna Design on Inductive Coupling
Wireless Power Transmission System

Ji-Sung Kim*, Min-Kyu Park**, Ho Lee***,****,****#, Chiyen Kim******
*Graduate School, Department of Mechanical Engineering,
Kyungpook National Univ
**Division of Mechanical Engineering, Yeungnam Univ.
Col
***School of Mechanical Engineering, Kyungpook National
Univ
****Laser Application Center, Kyungpook Natinal Univ
*****Nano Photonics Application research center, Kyungpook National
Univ
******Department of Mechatronics, Korea Polytechnics
#Corresponding Author : chiykim@kopo.ac.kr, holee@knu.ac.kr Tel: +82-43-279-7498, Fax:
+82-43-279-7477
20/04/2020 21/05/2020 19/06/2020

Abstract


The 3D printing of electronics has been a major application topics in additive
manufacturing technology for a decade. In this paper, wireless power transfer
(WPT) technology for 3D electronics is studied to supply electric power to its
inner circuit. The principle of WPT is that electric power is induced at the
recipient antenna coil under an alternating magnetic field. Importantly, the
efficiency of WPT does rely on the design of the antenna coil shape. In 3D
printed electronics, a flat antenna that can be placed on the printed plane
within a layer of a 3D printed part is used, but provided a different antenna
response compared to that of a conventional PCB antenna for NFC. This paper
investigates the WPT response characteristics of a WPT antenna for 3D printed
electronics associated with changes in its design elements. The effects of
changing the antenna curvature and the gap between the wires were analyzed
through experimental tests.



3차원 프린팅을 이용한 무선전력전송의 안테나 설계 특성 규명

김 지성*, 박 민규**, 이 호***,****,****#, 김 지언******
*경북대학교 기계공학과
**영남이공대학교 기계계열
***경북대학교 기계공학부
****레이저 응용 기술센터
*****나노포토닉스 응용 연구소
******한국폴리텍대학 메카트로닉스과

초록


    National Research Foundation of Korea
    NRF-2019R1I1A3A01063433

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    필라멘트 방식(Fused filament fabrication(FFF))의 3D 프린터가 2D 인쇄 프린터 가격대까지 도달하 면서 3D 프린터 시장이 급속도로 성장하고 있고, 금속을 포함한 다양한 소재의 적층 제조기술이 개 발, 제품화되면서 산업 제조시장에서는 단순히 Prototype의 생산을 넘어 실제 제품 생산까지 확장 되고 있다[1-2]. 이러한 산업적인 성장 이외에 기술 적인 부분에서도 의료 및 전자회로, 안테나 프린 팅 등 다양한 분야에서 4차 산업혁명 시대의 포괄 적인 디지털 제조 공법으로 주목받고 있다. 본 연 구는 이러한 3D 프린팅 응용 기술 중에 3차원 전 자회로 프린팅의 응용으로서 적증 제조된 전자회 로에 전력을 무선으로 전송할 수 있도록 코일 안 테나를 적층 임베딩 하는 기법을 연구하였다.

    3차원 전자회로 프린팅 기술은 3차원 적층 제 조기술과 전자회로를 제작하는 기술 두 가지 모두 layer by layer로 제작된다는 공통점에 착안하여 이들을 공정 교차 방식으로 형상 파트와 전자회로 파트를 하나의 프린트물 안에 모두 집적하여 출력 하는 기술이다. 따라서 PCB 기판 제조에서 여러 광, 화학적 복합 공정대신 3D 프린팅에 회로 층에 서 회로 프린팅만 간헐적으로 도입하면서 간단하 면서도 향상된 조립 프로세스가 가능하였고 디지 털 인쇄 기술로 발전하게 되었다[3-4].

    3D 전자회로 프린팅 방식에서는 전도선을 일반 적으로 전도성 잉크(conductive ink)를 도포하여 만 든다. 하지만 Roberson과 Espalin의 연구에서 조사 한 바와 같이 전도성 잉크가 고온의 신터링 (Sintering)을 하지 못하면 전기적 저항이 높고 자 체 전압강하에 의한 신호 유실 및 고전류의 경우 열에 의한 단락의 문제가 있다. 전자회로와 같이 폴리머 3D 프린팅 소재는 열가소성 소재로 열에 취약하므로 열 경화 처리를 할 수 없어 저온의 건 조 경화나 광경화만 허용되어 전기적 특성이 나쁜 문제가 있다. 그래서 고주파 회로나 고전력 회로 는 출력하기 힘들다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 선행 연구에서는 전도 금속인 구리 와이어 (solid copper wire)를 직접 임베딩 하는 기술에 관 한 연구를 수행하였다[5-8]. 본 논문에서는 3D 전자 회로 프린팅에서 좀 더 응용된 연구로서, 무선 전 력전송용 코일 안테나를 적층 제조하여 내장된 회 로에 베터리 교체나 외부 전원 커넥터 없이 무선 으로 전원 공급을 할 수 있도록 하는 3D 프린팅 무선전력 전송에 관한 기술을 연구하였다. 연구 기술을 통해 3D 전자 프린팅 출력물은 모빌리티 기능이 추가되며, 향후 모바일 디바이스나 웨어러 블 디바이스의 전원부 매립형 시스템을 직접 출력 (Direct printing)이 가능하게 될 것이다.

    본 논문의 기술을 상세히 설명하면, 종전의 3D 전자회로 프린팅 기술에서 전도선 프린팅이 신호 전달 혹은 전원 공급을 위한 전기전도 기능에 초 점을 두었으나 본 논문은 전도체 부분이 전력 유 도를 받는 기능성에 초점을 둔 연구이다. 이를 위 해 3차원 프린팅 기저부 표면에 신호선 프린팅 대 신에 전도 효율이 높은 동선을 직접 코일 패턴의 안테나 형상으로 임베딩하여 교류 전류에 유도 자 기장 안에 위치할 때 회로 안테나 코일에 유도 기 전력이 발생 되어 무선으로 전력을 전송받게 된 다.

    본 논문에서는 전력전송 안테나의 설계 형상 변경에 따라 전송효율에 미치는 영향을 규명하고 거시적으로 효율이 높은 설계에 대한 방향성을 제 시하고자 한다. 다음 2장에는 설계와 효율의 연관 성에 대해 이론적으로 고찰하고, 3장에서는 설계 변수에 따른 실험 방법을 제시하며, 4장에서는 실 험 결과와 결과 데이터 분석을 기술과 마지막 5장 에서 결론으로 마무리하였다.

    2. 연구 배경 이론

    무선전력전송은 전송 방식에 따라 Table 1과 같 이 3가지 방식으로 구분 지어지며 이중 본 연구에 서는 인체 유해성이 낮으며 전송효율이 가장 높아 최근 모바일 무선 충전에서 많이 사용되는 유도자 계결합(inductive coupling) 방식을 사용한다. 본 방 식은 근거리 전력전송 방식으로 전송효율이 가장 높지만, 전력 송・수신부 간 거리 및 안테나 코일 의 방향에 영향을 크게 받는 제한이 있다.

    안테나 코일의 적층 제조를 통해 전송효율을 높일 수 있는 연구 요소를 규명하기 위해 유도자 계결합 등가 모델인 Fig. 1을 분석하였다.

    모델에서 송 수신부 안테나는 두 회로에 포함 된 인덕터(Inductor, L1L2)가 커플링 되어 전력 이 전송되기 시작하면 이들이 서로 결속되어 L2 양단에 다음과 같은 유도 기전력이 발생한다.

    V = j w M I 1
    (1)

    이때, I1은 송신부 안테나로 흐르는 전류, w는 인가 구동 주파수, M은 두 안테나 코일 상의 상 호유도계수(mutual inductance)이다.

    식 (1) 에서 알 수 있듯이 전달 에너지는 두 인 덕터 사이의 결속력인 상호유도계수와 송 수신부 에 흐르는 전류로 결정된다. 첫 번째 변수인 전류 의 경우 전압이 일정할 때 저항의 크기가 작으면 전류가 크게 된다. 따라서 안테나 코일의 공진주 파수에서 교류로 발진하면 코일의 임피던스 (impedance)가 최소가 되어 전류의 최대치를 얻을 수 있다.

    f = 1 2 π L C
    (2)

    따라서 구동회로의 발진 주파수에 공진을 일으 킬 수 있는 안테나 코일을 설계해야 한다. 안테나 코일의 공진주파수는 식 (2) 와 같다.

    공진주파수의 변수인 인덕턴스와 커패시턴스는 안테나 코일의 패턴과 형상으로 결정되는 변수이 므로 본 연구에서는 구동 주파수가 공진주파수에 위치하도록 연구를 진행할 예정이다.

    다음 변수인 상호유도계수는 식 (3) 과 같다.

    M = N 2 I 1 A 2 B 1 · d S
    (3)

    이때, B 1 은 송신부 안테나 코일에 전류 I1가 흘 러 발생하는 자기력을 의미하고 d S 는 수신부에 지나가는 자속의 밀도를 의미한다. 이 또한 형상 과 공간과 관련되어 있으므로 설계 디자인 변수에 영향을 받는다.

    이처럼 유도 기전력에 영향을 주는 변수인 전 류와 상호유도계수 모두 안테나 디자인에 영향을 많이 받는 요소이므로 본 연구에서는 안테나 패턴 의 변수들이 유도자계결합 시스템에 미치는 영향 에 대해 규명하였다[10].

    본 연구에서는 도체 잉크를 사용하지 않고 전 기적 특성이 가장 좋은 구리 동선을 직접 임베딩 하여 안테나를 만든다. 하지만 구리 동선의 경우 동선의 굽힘에 의한 응력과 미세하지만, 탄성 영 향으로 조형이 쉽지 않다. 따라서 본 연구에서는 적층 표면에 동선이 들어가 벽면 사이에 고정이 되도록 하여 형상을 제조하는 방법을 사용한다. 또한, 선행 연구에서 층간 동선 사이 연결방식 (Vertical Interconnect Access)를 개발하였고 진행 연구에서는 복층에 적층된 안테나 패턴의 직렬연 결을 통한 다층구조 안테나 제조 방법을 연구하고 있다[11]. 본 논문에서는 기본 연구로서 단층의 패 턴에서 형상 설계 변수에 따른 효율을 규명한다.

    3. 실험 방법

    3.1 임베딩 캐비티 최적화

    근거리 통신에 주로 사용되는 PCB 기반의 NFC(Near field communication) 안테나의 경우 전 용 해석 프로그램이 다수 존재하며, 본 연구에서 는 NXP사의 해석 프로그램 설계 변수를 기반으 로, 해석 프로그램 결과와 실제 3D 프린팅 기법으 로 제작된 안테나와의 구동 특성을 비교하였다.

    두 경우를 비교하기 위해서 본 연구에서는 FFF(Fused Filament Fabrication) 방식의 3D Printer 를 사용하고 PLA 소재를 사용하여 구리 와이어 (None coated pure copper wire, AWG 28)를 임베딩 하는 방식으로 안테나를 제작하였다. 구리 와이어 임베딩 방식은 이전 연구에서 초음파 용접기나 카 트리지히터(Cartridge heater)을 사용하여 구리를 가 열하여 프린팅 표면에 압착하는 방식을 개발하였 으나 구리 와이어가 가열될 경우 잔열과 과도한 열전도에 의해 형상 정밀도가 떨어지는 문제가 있 어 본 연구에서는 표면에 미리 안테나 형상 Cavity를 조형하고 Cavity 안에 와이어를 수작업으 로 직접 집어넣는 방식을 사용하였다[7],[12]. FFF 방 식의 경우 베드와 노즐, 공기 중의 온도 차에 의 한 출력물의 수축이 발생할 수 있고 이는 모델링 과 출력 결과물 사이에 오차를 발생시킨다. 또한, 동선 와이어도 직경이 클수록 굽힘 응력에 의한 성형이 힘들어 형상을 고정할 수 있는 케비티 사 이 간격을 결정하여야 한다. 본 연구에서는 AWG 28의 경우 형상변형이 쉽고 코너의 급격한 꺾임이 있어도 쉽게 형상을 만들 수 있어 이를 선택하였 으며 AWG 26 이하(0.5mm급 이상 직경)의 경우 90도와 같은 급격한 변형에서는 굽힘 안쪽이 원형 으로 남아 디자인 평가에 부적합하였다. 지름이 0.3mm인 안테나용 구리 동선 와이어가 임베딩 되 기에 적합한 캐비티(Cavity) 폭을 찾기 위해서 0.3mm부터 0.9mm까지 0.1mm 간격으로 Fig. 2 와 같이 모델링을 진행하였다.

    0.3mm의 구리 와이어가 임베딩 될 최적의 폭을 찾기 위해 0.1mm의 일정한 변폭으로 0.3mm부터 0.9mm까지 모델링 된 캐비티를 출력하였고, 출력 결과 캐비티에 수축이 일어나 폭이 0.4mm인 경우 0.3mm 지름의 와이어가 유격 없이 임베딩 되는 것을 확인하였다. 또한, 안테나의 설계 변수 중 감 김수가 증가할수록 공진주파수가 감소하게 되는 데, 실험에서 사용된 함수발생기가 30MHz로 한계 가 있어 NXP사의 해석 프로그램을 기반으로 함수 발생기가 수용 가능한 주파수 내에서 최대 감김수 를 확인하였다.

    결과적으로 감김수가 15회보다 적어지면 공진 주파수가 높아지며 반대로 감김수를 늘리면 공진 주파수가 낮아지는 것을 확인하여 15회로 고정하 였다. 이 이상의 횟수로 감는 경우 안테나 간격과 파트 사이즈의 한계가 있어 15회로 결정하였다. 이러한 최적화 과정을 거처 실험을 위한 안테나 파트를 Fig. 3 과 설계 제작하였다.

    3.2 안테나 패턴 설계 변수

    실험을 위한 안테나 설계는 NFC 안테나 해석 프로그램 중 하나인 NXP사에서 사용하는 설계 변 수를 3D 프린팅할 레이어 표면에 모사하여 NFC spiral 안테나의 설계 요소를 그대로 적용하였다.

    설계 변수는 Fig. 4와 같고, 본 연구에서는 와이 어가 임베딩 되는 전체 면적의 가로(L)와 세로(W) 폭은 모두 50mm로 하였고 최적화를 진행한 와이 어 임베딩 폭과 높이(Track w, t)는 0.4mm로 고정 하였다. 또한, 와이어 간의 간격을 1mm, 감김수는 15회로 고정값으로 두었다. 본 연구 목적인 설계 변수의 변화에 따른 전송 특성을 파악하기 위해 임베딩 사이 간격과 코너 라운드 값 두 가지를 변 수로 두었으며 변화량은 Table 2와 같이 임베딩 사이 간격은 0.3mm, 코너 라운드 값은 1mm씩 증 분 시켜 실험 시편을 제작하여 거동을 확인하였 다.

    각 조건 별로 제작된 안테나의 저항은 RCL 미 터로 측정하였고 고유 주파수의 경우 실험적인 측 정 방식으로 송신부를 함수발생기 (function generation)에 연결하여 교류전원을 공급하고 교류 주파수(frequency) 값을 조절하면서 수신부 전원 양단에 유도되는 기전력을 오실로스코프로 측정하 면서, 유도 기전력이 가장 높게 나올 때의 주파수 를 찾아 측정하였다.

    측정 장비의 구성은 Fig. 5와 같다. 실험 조건별 로 안테나를 송신부와 수신부로 한 쌍씩 제작하여 부분별 전압을 측정하였다.

    4. 실험 결과

    4.1 해석 프로그램과 실제 출력물의 차이

    종전 PCB 기반 안테나 대비 적층을 통한 안테 나의 전기적 특성 등 성능을 비교 평가하기 위해 NXP 프로그램을 통해 해석 모델링을 진행하고, 동일한 변수로 3D Printing과 코일 임베딩을 통해 안테나를 제작하여 Fig. 5의 측정 장비로 측정하 였다. 측정 결과 Table 3과 같은 저항과 공진주파 수를 확인하였다.

    NXP사의 PCB 기반 NFC 안테나 해석 프로그램 을 사용한 경우 저항은 2.67 Ω, 공진주파수는 18.07 MHz의 결과가 나왔음에 반해 같은 모델 구 조의 안테나를 3D 출력으로 제조하였을 경우 저 항이 0.448 Ω, 공진주파수가 5.75 MHz로 저항과 공진주파수가 현저히 줄어들었다. 이는 본 연구에 서는 순도 높은 구리 동선을 안테나 코일 소재로 사용하여 구리 고유의 높은 전기 전도성 특성 때 문에 저항값의 현저한 차이가 나온 것으로 파악된 다. 공진주파수의 변화는 다양한 원인으로 우선 PCB 안테나와 비교해 LC 값이 9배 이상 증가함 에 따라 16MHz에서 5MHz로 약 3배의 감소가 된 것이다. 여러 예측 중 커패시턴스(capacitance)가 안테나 코일 사이에 프린트 기저부가 충전되어 이 들 사이에 전극 이온화 등에 따른 변화가 가장 큰 원인으로 추측한다. 또한, 설계 도면과 비교했을 때 안테나 코일의 중간 굴곡이나 형상변형 또한 L 값에 영향을 준 것으로 예상된다.

    3D Printer를 통해 제작된 안테나의 전자회로에 서 발생하는 저항값이 PCB 기반의 NFC 안테나와 비교하여 현저히 낮아지면서 회로 자체의 소모전 력이 낮아지고 이에 따라 공급되는 전체 전송전력 중 안테나의 소모전력이 줄어들면서 출력전력이 증가하는 결과를 도출하여 자연스럽게 전송효율이 향상하게 된다.

    이러한 큰 차이는 단순히 해석 프로그램에 의 존하여 결과를 예측하기 어렵다는 결론을 얻을 수 있다.

    4.2 임베딩 사이 간격 변수

    4.1에서 상용 설계 해석 프로그램과 3D 프린팅 안테나의 성능 비교를 통해 측정 결과에서 큰 차 이를 보이는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에 서는 실험적인 방법을 통해 다양한 설계 변수의 변동에 따른 전송 특성을 파악하기 위해 패턴들을 직접 출력하여 출력 조건에 따른 저항과 공진주파 수를 직접 측정하였으며, 유도 기전력 그래프를 분석하였다.

    3.2에서 설명하였듯이 NFC의 안테나 해석 프로 그램의 설계 변수를 바탕으로 Fig. 6과 같이 3D 형상을 모델링 하였으며 해당 모델을 실제 출력한 결과물은 Fig. 3과 같다.

    제작된 안테나의 실험 조건 별 저항과 공진주 파수는 Table 4와 같다.

    임베딩 사이 간격 변수로 실험 전에는 트렉 간 격이 좁아질수록 전송효율이 높아질 것으로 예상 했다. 하지만 오히려 최외각을 기준으로 간격이 좁아지면서 트렉 간격이 좁을수록 와이어 길이가 급격하게 길어져 저항값이 증가했고, 실험 결과 Fig. 7의 그래프에서 확인 할 수 있듯이 1.3mm 간 격으로 트렉 간격을 넓혔을 때 높은 유도 기전력 및 전송효율을 보이는 것을 확인하였다.

    트렉 간격이 1.3mm인 경우 편향에 대한 영향력 역시 적었는데 이는 PCB 기반의 안테나와는 다르 게 와이어 코일 전체적으로 유도 자기장이 발생하 기 때문으로 예상된다.

    4.3 코너 라운드 변수

    트렉의 간격 이외에도 안테나 코일의 패턴 곡 률 또한 중요한 설계 변수가 된다. RFID용 NFC 안테나 설계에서는 코너의 반경이 패턴 모서리의 형태와 도선 폭으로 결정된다. 하지만 본 연구에 서는 케비티에 와이어를 넣어 형상을 만드는 방식 을 사용하기 때문에 라운드 변수는 케비티 패턴의 모서리 부분 반경을 통해 결정한다. 제작된 안테 나의 실험 조건 별 저항과 공진주파수는 Table 5 와 같다.

    코너의 라운드 변수에 따라 R 값이 증가할수록 RF 에너지 쏠림이 예상되었으나 Fig. 8의 그래프 에서 확인 할 수 있듯이 R이 증가하면서 원형 형 태의 코일 특징과 유사하게 그래프가 좀 더 완만 한 형상을 보이면서 편향성에 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.

    송신부와 수신부의 간격을 조정한 경우, R 값 이 커질수록 간격에 따른 전송효율 저하가 급속도 로 진행되어 R3의 조건에서는 2mm 지점부터 유 도 기전력이 급격히 줄어들기 시작하는 것을 확인 할 수 있었다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 Additive manufacturing을 통해 안 테나를 제작할 경우, 안테나의 설계 변수에 따라 유도자계결합 무선전력전송 시스템의 전송효율이 어떻게 달라지는지에 대해 검토하였으며 다음과 같 은 결론을 얻었다.

    1. 안테나 제작을 위한 설계 시 임베딩 사이 간격 과 코너의 라운드 값을 변수로 두는 것을 제안 하였으며 실험 조건은 Table 2와 같다.

    2. 상하 거리 조건에서 임베딩 간격 변수의 경우 거리가 넓은 수록 더 안정적으로 유지되었으며 코너 라운드의 경우는 R 값이 커질수록 전송효 율이 떨어지는 경향을 보였다.

    3. 편향 조건의 경우, 임베딩 간격이 넓을수록 편차 가 적었고 코너 라운드의 경우는 R 값이 커질수 록 전송효율이 높아지는 경향을 보였다.

    4. 이를 통해 임베딩 간격 조건은 송∙수신부 높이 에, 코너 라운드 값은 편향에 더 영향을 주는 것 을 확인하다.

    후 기

    “이 논문은 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업 임(NRF-2019R1I1A3A01063433)”

    Figure

    KSMPE-19-8-73_F1.gif
    Equivalent circuit model of inductive coupled wireless power transfer system.
    KSMPE-19-8-73_F2.gif
    Modelling for wire embedded optimization.
    KSMPE-19-8-73_F3.gif
    An antenna with embedded at width of 0.4mm after optimization. (Wire diameter 0.3mm)
    KSMPE-19-8-73_F4.gif
    Design variables of spiral antenna analysis program of NXP
    KSMPE-19-8-73_F5.gif
    Antenna electrical characteristic measurement and experimental equipment
    KSMPE-19-8-73_F6.gif
    3D modeling based on NFC design variables [mm]
    KSMPE-19-8-73_F7.gif
    Graph of Induction Electromotive Forces according to track interval variables (1W Input)
    KSMPE-19-8-73_F8.gif
    Graph of Induction Electromotive Forces according to track interval variables (1W Input)

    Table

    Comparison of different wireless power technologies[9] (Jang et al, 2012)
    Experimental condition
    Difference in electrical characteristics between Analysis Program and Real 3D Printer product
    Resistance and Resonance Frequency for each Embedded distance condition
    Resistance and Resonance Frequency for each Corner round condition

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