Research on Flexible WPT Resonator & Antenna Structure for Battery-less Wearable Sensor Platform

Abstract

USN(Ubiquitous Sensor Network)을 이용한 실시간 소방, 물류관리, u-city, 홈네트워크 등 다양한 응용분야가 있습니다. 그러나 배터리 수명에는 한계가 있으며 배터리 크기도 USN 시스템의 큰 이슈 중 하나입니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 주변 환경으로부터 에너지를 획득할 수 있는 많은 에너지 하베스팅 방법이 연구되어 왔습니다. 또한, 무선으로 전력을 송수신하는 방법도 연구되고 있는데 이러한 기술을 무선 전력 전송(WPT)이라고 합니다. 유도 결합, 자기 결합, 마이크로웨이브 등을 이용하여 수 mm – 수 m까지 전력을 전송하여 원하는 기기를 충전하는데 활용하고 있습니다. 최근 웨어러블 센서 플랫폼에 전원을 공급하는 방법으로 무선 전력 전송 방식이 널리 사용되고 있습니다. 웨어러블 센서 플랫폼 특성상 대용량 배터리를 사용할 수 없고, 높은 IP 등급을 위해 충전 포트를 없애는 추세이기 때문입니다. "박막"과 "유연성" 이 두 키워드는 웨어러블 센서 플랫폼 기술에서 가장 중요하다고 할 수 있습니다. 따라서 본 연구에서는 위의 두 가지 키워드를 지향하여 무선 전력 전송을 위한 공진기 또는 안테나를 연구하였습니다. 먼저 박막 공진기에 대한 선행 연구가 진행되었습니다. 무선 전력 전송 시스템에서 고품질 팩터(Q-factor) 코일 안테나를 얻기 위해 비균등 인쇄 구조를 제안하였습니다. 공진 방식의 무선 전력 전송에서 품질 요소는 전송 효율을 결정하는 중요한 요소 중 하나입니다. 일반적으로 공진기의 크기를 크게 함으로써 품질계수를 높이지만, 본 연구에서 제시한 구조를 통해 크기를 변경하지 않고도 품질계수를 최대화할 수 있습니다. 또한 이 방식은 단점으로 지적됐던 '인쇄 안테나'의 저품질 요인을 개선할 수 있습니다. 고품질 요소를 달성하기 위한 주요 아이디어는 외경에 따라 일정하지 않은 피치와 너비를 통해 저항요소를 최소화하는 것입니다. 인쇄된 패턴의 라인 피치와 너비는 외경에 비례하여 점차 증가합니다. 이 설계 방법을 사용하여 기존 설계 안테나에 비해 Q-factor가 약 21.8 % 향상된 결과를 얻을 수 있었습니다. 또한 외경 크기가 같다면 일반적인 코일 안테나보다 성능이 월등히 우수함을 확인할 수 있었습니다. 두 번째 연구는 플렉서블 안테나의 중심 주파수 재구성에 관한 연구입니다. 플렉서블 안테나의 경우 안테나를 구부릴 때 발생하는 기생 성분으로 인해 중심 주파수가 이동합니다. 기존 연구에서는 주파수 재구성 회로를 통해 중심 주파수를 재구성하는 연구가 진행되었다. 재구성 회로를 사용하는 경우 복잡도가 증가하여 모든 시스템을 유연하게 구성하기가 어렵습니다. 따라서 본 논문에서는 주파수 재구성 회로의 도움 없이 굴곡진 표면 구조를 통해 안테나가 구부러져도 중심 주파수가 변하지 않는 플렉서블 안테나를 제안하였습니다. 안테나가 구부러질 때 발생하는 기생 성분을 연구하여 중심 주파수의 변화 원인을 규명하고 이를 해결하기 위한 구조를 제안하였습니다. 기생 성분을 계산하기 위해 플렉서블 안테나의 곡면의 수직 성분으로 나눈 근사 모델을 사용하였고 이를 통해 물결 모양의 표면을 통해 구조적으로 중심주파수를 재구성하는 구조를 제안할 수 있었습니다. 물결 모양의 표면을 구현하기 위해 게이팅 에어 갭 구조를 제안하였고, 이를 통해 안테나 이득을 1.47dBi 증가시켰습니다. 또한 전도성 천을 이용한 물결 모양의 표면 구조를 통해 주파수 편이를 약 86 %(70 MHz ~ 10 MHz) 줄이고 게인 감소를 약 86 %(4.4 dBi ~ 0.63 dBi) 개선할 수 있었습니다. 마지막으로 고품질 계수를 가진 섬유 공진기를 제조하는 새로운 방법을 연구하였습니다. 전도성 실에는 금속 실과 전도성 실의 두 가지 유형이 있습니다. 금속사는 전기적 특성 면에서 장점이 있지만 생산성과 내구성 면에서 큰 단점이 있습니다. 본 논문은 전도성 원사만을 사용하여 제조된 새로운 공진기를 제시하였습니다. 여기에 사용된 전도성 원사는 본질적으로 저항 값이 높습니다. 또한 단면 박음질 공진기는 이러한 형태의 설계 및 생산에서 중대한 제작 오류로 인해 재현성이 낮습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전도성 천을 사용한 양면 재봉 공진기를 제안하였습니다. 윗실 자수에 대한 제작 연구가 부족하여 기존의 공진기는 밑실에만 전도성 원사를 사용합니다. 그러나 본 논문에서는 밑실뿐만 아니라 윗실에도 영률이 낮은 전도성 원사를 적용하여 공진기를 제작하였습니다. 공정 오차를 줄이기 위해 도전성 천을 이용한 새로운 적층 구조를 제안하였고 이러한 구조를 통해 저항을 효과적으로 낮출 수 있어 제작오차를 크게 줄일 수 있었습니다. 이를 통해 품질 계수를 기존 자수 공진기보다 약 4배 높은 4.29까지 높였습니다.

There are various application areas using USN (Ubiquitous Sensor Network) such as real-time fire protection, logistics management, u-city and home network. However, the battery life has a limit and the size of battery is also bottleneck of the USN systems. To solve these problems, many energy harvesting methods that can acquire energy from the surrounding environment have been researched. In addition, a method of wirelessly transmitting and receiving power is being studied. It is called wireless power transmission (WPT). There are some methods using the induction coupling, magnetic coupling, microwave etc... Recently, a wireless power transmission method has been widely used as a method of supplying power to a wearable sensor platform. This is because, due to the nature of the wearable sensor platform, large-capacity batteries cannot be used, and the trend is to eliminate charging ports for high IP ratings. "Thin film" and "flexible" These two keywords can be said to be the most important in wearable sensor platform technology. Therefore, in this study, a resonator or antenna for wireless power transmission was studied aiming at the above two keywords. First of all, previous research on thin-film resonators was conducted. An unequal printed structure is proposed to obtain high quality factor (Q-factor) coil antenna in wireless power transmission system. In the resonance method wireless power transmission, the quality factor is one of the important factors that determine the transmission efficiency. Generally, the quality factor is increased by increasing the size of the resonator, but through the structure presented in this paper, the quality factor can be maximized without changing the size. In addition, this method can improve the low-quality factor of the "printed antenna", which was pointed out as a disadvantage. The main idea to achieve high quality factor is a pitch and width that is not constant along the width. The line pitch and width of the printed pattern are gradually increased in proportion with outer diameter. By using this design method, the Q-factor is increased about 21.8% in comparison with conventionally designed antenna. In addition, it can be confirmed that the antenna performance is substantially superior to that of a typical coil antenna if the size conditions are the same. Second research is a study on the center frequency reconfiguration of a flexible antenna. In the case of a flexible antenna, the center frequency shifts due to parasitic components generated when the antenna is bent. In previous studies, research has been conducted to reconfigurate the center frequency through a reconfiguration circuit. When using a reconfiguration circuit, it is difficult to flexibly configure all systems due to increased complexity. Therefore, in this paper, we propose a flexible antenna that does not change the center frequency even when the antenna is bent through a wavy surface structure without the aid of a frequency reconfiguration circuit. By studying the parasitic component that occurs when the antenna is bent, the cause of the change in the center frequency is identified and a structure to solve it is proposed. In order to calculate the parasitic component, an approximate model divided by the vertical component of the bending surface of the flexible antenna was used. In this paper, a gating air-gap structure was proposed to realize a wavy surface, and through this, the antenna gain was increased by 1.47 dBi. In addition, through the wavy surface structure using E-textile, it was possible to reduce the frequency shift by about 86% (70 MHz to 10 MHz) and improve the gain reduction by about 86% (4.4 dBi to 0.63 dBi). This allows the frequency to be reconfigured in real time without additional circuitry. Last research presents a new method by which to manufacture a fiber resonator with a high-quality factor. There are two types of conductive threads: metal yarns and conductive yarns. Metal yarns have advantages in terms of electrical properties, but they have great disadvantages in terms of productivity and durability. This paper presents a novel resonator manufactured using only conductive yarns. The conductive yarns used here have a high resistance value inherently. In addition, the single-sided sewn resonator has low reproducibility, due to major fabrication errors in the design and production of this type. In order to address these issues, a double-sided sewn resonator with conductive cloth is proposed. Because of the lack of fabrication studies in embroidering the upper thread, conventional resonators use a conductive yarn only for the lower thread. However, in this paper, a resonator is manufactured by applying a conductive yarn with a low Youngs modulus to the upper thread as well as the lower one. In order to mitigate the process error, a novel stacking structure is proposed using conductive cloth. Through this structure, it was possible to lower the resistance effectively, greatly reducing the fabrication errors. Finally, the quality factor is increased up to 4.29 that is approximately 4 times higher than that of the previous embroidered resonators.