1. 서 론

수중에서 표적의 탐지를 위해 사용되는 Sound Navigation And Ranging(SONAR) 시스템은 음향 신호를 송수신하여 표적을 탐지한다. SONAR 센서 시스템은 그림 1과 같이 센서에서 요구되는 출력을 생성하는 전력변환기, 전력변환기로부터 발생한 구형파 신호를 센서가 활용할 수 있는 정현파 신호로 변환하는 필터, SONAR 세선의 무효성분에 대한 특성을 감쇄시켜주며, 필요한 출력크기 증폭을 위한 매칭용 변압기, 수중 음파를 발생시키는 SONAR 센서로 구성된다. SONAR 센서 시스템의 구동을 위해서 배터리가 함께 탑재되며, 탑재된 배터리의 용량에 의해 센서의 구동 시간이 결정된다. 하지만 수중의 밀폐된 공간에서 배터리를 탑재하기 위한 공간은 한정되며 이는 시스템 구동 시간에 제약을 발생시킨다. 또한 수중 음파 탐지 시스템은 센서의 개수가 증가할수록 탐지 성능을 높일 수 있어 센서의 개수와 그 성능은 직결된다. 즉 수중 센서의 구동 시간의 증가 및 탐지 능력의 향상을 위해 SONAR 센서 시스템의 체적 감소는 필수적이다. 체적 감소를 위한 대표적인 방법으로 매칭용 변압기를 활용 무효성분을 제거함으로써 전력변환기가 부담하게 되는 전력요구량을 감소시켜 시스템을 소형화 하는 방안이 가장 대표적으로 활용되고 있지만, 이는 하나의 기본파 주파수를 기준으로 매칭 회로를 설계하기 때문에 광대역 주파수를 이용하는 센서 구동 시스템에는 적합하지 않다. 만약 체적의 감소를 위해 하나의 주파수를 기준으로 시스템을 설계한다면, 기준 주파를 제외한 다른 주파수에서 시스템을 운용하는데 있어 무효성분을 함께 공급함으로써 센서의 최소 탐지 성능을 만족시키기 어렵다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 최대 전력 소비 시점을 기준으로 설계를 실시하면 체적이 과도하게 증가되는 문제가 발생한다. 이는 배터리 공간 및 추가 센서에 대한 공간을 감소시켜 탐지 품질을 낮추고 운용시간을 감소시킨다. 이에 따라 본 논문에서는 광대역 센서의 운용에 있어 체적증가 문제를 해결하기 위한 연구의 일환으로 매칭용 변압기 소자인 Ferrite 코어를 Amorphous 코어로 변경 하여 체적감소 및 효율 운용 방안에 대한 연구를 진행하였다. 또한 이를 검증하기 위해 유사 출력을 기준으로 Amorphous와 Ferrite 코어를 제작하였으며, 실제 검증을 위해 사용되는 SONAR 운용 시스템에 적용하여 그 결과를 확인하였다.

그림. 1. SONAR 센서 시스템

Fig. 1. SONAR Sensor System

그림. 2. 구동 주파수에 따른 전력 요구

Fig. 2. Power requirement according to drive frequency

2. SONAR 센서 구동 시스템의 설계방법

2.2 LC 필터 설계

SONAR 센서는 음압을 발생 시켜 되돌아오는 음파를 통해 탐지를 실시하는 시스템으로 고조파에 의한 노이즈 성분이 탐지 성능에 영향을 줄 수 있기 때문에 고조파의 감쇄는 필수적이다. 그림 4는 고조파 감쇄를 위한 LC필터의 설계 기준을 나타내고 있다. 필터의 설계 시 매칭이 이루어진 센서 및 매칭 회로에 의해 전달함수 계산 시 고차 방정식이 이용되기 때문에 계산의 편의를 위해 그림 3의 (a)와 같이 저항만의 회로로 단순화하여 설계에 반영한다. 이때 필터의 설계는 Cutoff 주파수를 기준으로 최고차 고조파를 얼마나 감쇄시킬지를 결정하게 된다.

(1)

$Slop =\dfrac{\triangle y}{\triangle x}$

Cutoff 주파수는 식 (1) 과 같이 최고차수의 고조파 발생 주파수와 최종 고조파 감쇄크기를 이용하여 슬로프의 기울기를 통해 도출 할 수 있다. 이러한 방법은 최대 전력 소비를 기준으로 설계할 경우 광대역의 모든 위치에서 시스템의 최대 출력을 가능하게 하지만 필요 이상의 출력 용량으로 인해 시스템 체적을 증가시킨다. 즉 여유 공간의 감소로 추가적인 배터리 용량과 센서 확보가 불가능하여 시스템 운용 시간 감소 및 탐지 성능의 저하를 초래하게 된다.

그림. 3. 필터 설계를 위한 센서 및 정합 회로 단순화

Fig. 3. Simplification of Sensors and Matching Circuits for Filter Design

그림. 4. 필터 설계를위한 차단 주파수 계산 방법

Fig. 4. SONAR Cutoff Frequency Calculation Method for Filter Design

3. Amorphous 코어

Amorphous 계열의 철심 소재는 물질 내부 원자들이 규칙적 배열구조를 갖추지 못한 상태를 가진다. 일반적으로 금속이 용융 시 내부 원자들은 특정 배열 구조를 갖지 않고 활성상태로 존재하며 금속의 냉각이 진행됨에 따라 일정한 결정 상태로 배열되지만 Amorphous의 경우 금속의 순간 냉각을 통하여 물질 내부의 원자들이 규칙적 배열을 형성하기 전에 냉각이 완료된다. Amorphous 계열의 합금은 기존 Ferrite 코어 대비 높은 자기 특성, 내식성, 내마모성, 고강도, 고비저항들을 보유한다⁽¹⁾,⁽²⁾. 이러한 Amorphous 코어는 그 구조적 특성으로 인해 Ferrite와 비교하여 보자력이 작기 때문에 B-H 커브를 작성하게 되면 그림 5의 (b)에 그려진 B-H 커브와 같이 면적이 좁아진다⁽³⁾,⁽⁴⁾. B-H 평면상에서 히스테리시스커브의 면적은 B와 H를 곱한 차원을 갖게 되는데, H의 단위는 A/m이고 B의 단위는 $W/m^{2}$이며, 식 (2)에서 보이는 바와 같이 Wb는 페러데이 법칙 $e=d\lambda /dt$로 V-sec에 해당하므로 $V\sec /m^{2}$과 같다. 즉 B-H커브 면적의 단위는 식 (3)과 같이 $VA\sec /m^{3}$ 이 되며 이는 다시 말해 $J/m^{3}$으로 부피당 에너지로 손실량을 나타내게 된다. 따라서 B-H 커브의 면적이 작은 Amorphous 코어는 히스테리시스 손실이 작다는 것을 알 수 있다.

Amorphous 코어는 높은 포화 자속 밀도, 높은 투자율, 낮은 보자력을 통해 손실이 줄어드는 장점이 있음에도 불구하고 Amorphous 코어는 매칭용 변압기로 활용되지 못하였다. 그림 5의 (a)의 B-H 커브를 살펴보면 그 변화가 전류의 증가에 따라 자속 밀도가 급격하게 변화함을 확인할 수 있다. 이는 변압기 제작 시 요구되는 자화 인덕턴스의 미세한 조절을 어렵게 한다. 특히 SONAR 센서의 무효분을 감소시키기 위해서 활용되는 매칭용 변압기는 정밀한 1차측 자화인덕턴스가 요구되기에 Amorphous 코어를 활용하지 못했다. 그러나 Amorphous 코어 제작 시 어닐링 시간에 따라 그 특성을 변경할 수 있으며, 그림 6의 그래프는 어닐링 작업 시간에 따라 Amorphous 코어의 B-H 커브의 기울기가 변화하는 것을 보여준다. 이와 같은 특성을 활용 한다면 센서가 요구하는 1차측 자화 인덕턴스를 자유롭게 조절할 수 있는 Amorphous 코어의 제작 및 운영이 가능하다⁽⁵⁾.

그림. 5. 자성 물질에 의한 손실 및 특성

Fig. 5. Loss and Characteristics by Magnetic Materials

그림. 6. 냉각 시간이있는 비정질 코어의 특성

Fig. 6. Characteristics of Amorphous Cores with Cooling Time

4. 실험 및 비교

비교 실험을 위하여 Amorphous 및 Ferrite 코어를 이용한 매칭용 변압기를 제작하였으며, 동일한 입력 전압 및 동일한 센서 부하를 구성하여 효율 비교 실험을 실시하였다. 전력변환기의 출력 전압과 전류의 파형을 통한 전력 분석을 위하여 출력 단에 LC 필터를 활용하였다. 이때 산술적 계산에 의해 두 코어의 동일 효율을 기준으로 코어를 제작하였으며, 제작 코어 핵심 물성은 표 1을 기반으로 실시하였다. 그 결과 Ferrite 코어를 활용한 변압기의 체적은 20300 [$mm^{3}$], Amorphous 코어를 활용한 변압기의 체적은 7840[$mm^{3}$]으로 제작되었다. Amorphous 및 Ferrite를 이용한 실험 조건은 직류 전압 150[V]를 공급하는 상황에서 전 부하를 사용하여 구동, 기본파 주파수, 스위칭 주파수, 스위칭 방식 등 제작 변압기를 제외한 모든 시험조건을 동일하게 구성하였다. 입력 측 전력은 전원을 공급하는 소스원의 입력 전압과 전류로부터 전력을 계산 했으며, 출력 전력은 센서가 인가 받는 전압과 전류로부터 전력을 계산하였다. 그림 8과 표 2는 이에 대한 결과로 그림 8의 (a)는 Ferrite 코어를 활용하였을 때의 최종 출력 전압, 전류 파형을 나타내고 있으며, (b)는 Amorphous 코어를 활용하였을 때의 최종 출력 전압, 전류 파형을 나타내고 있다.

그림. 7. 정합 변압기 제작

Fig. 7. Manufactured matching transformer

실험 결과 Ferrite 코어를 활용한 변압기를 사용한 경우 입력전력 316.16[W], 출력전력 238.7[W]로 효율은 75.5[%]를 나타내었고, Amorphous 코어를 활용한 변압기를 사용한 경우 입력전력 314.22[W], 출력전력 232.5[W]로 효율은 74[%]를 나타내었다. 두 코어의 효율 차이는 약 1.5[%]로 유사 성능을 가지고 있는 것을 확인하였다.

5. 결 론

본 논문은 수중탐지에 이용되는 광대역 SONAR 센서 시스템의 운용대역에 대한 센서의 성능을 100[%] 발휘하는 한편, 체적증가로 인한 공간의 제약을 해소 하고자 매칭용 변압기 소재의 변경을 통한 설계를 제안하였다. 임피던스 매칭을 위해 변압기에 활용된 Ferrite 코어를 Amorphous 코어로 대처해 줌으로써 동일 성능 대비 절반 이상의 체적 감소를 실현하였다.

실험 결과 Ferrite 코어를 Amorphous 코어로 대처할 경우 두 시스템의 효율은 75.5[%], 74[%]로 약 1.5[%] 차이의 유사 효율을 가짐을 확인 하였으며, 이때 두 코어의 체적은 20300[[$mm^{3}$], 7840[[$mm^{3}$]으로 약 61.4[%]의 체적 감소를 확인하였다. 즉 유사 효율 대비 60[%] 이상의 체적 감소가 이루어 졌으며 이는 Ferrite 코어를 Amorphous 코어로 변경할 경우 SONAR 센서 시스템의 체적 감소에 유의미한 영향을 줄 수 있다는 것을 확인 하였다.

그림. 8. 코어 유형에 따른 프로세서의 출력 전압/전류

Fig. 8. Output voltage/current of the processor according to the core type (red: current, yellow: voltage)