안지수
(Ji-Su An)
1iD
소평호
(Pyung-Ho So)
1iD
신강인
(Gang-In Shin)
1iD
이병희
(Byoung-Hee Lee)
†iD
-
(Department of Electronic Engineering, Hanbat National University, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Magnetic field, Magnetic resonance, Multi transmitters, Safety evaluation, Wireless power transfer
1. 서 론
최근 무선전력전송(Wireless Power Transfer, WPT) 기술은 건물 내에 설치되는 CCTV, 조명, 센서 등 다양한 전자기기들에
전력을 공급하기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있다. 무선전력전송 기술은 전력 공급을 위한 추가적인 배선설비 문제를 해결할 수 있으며, 유선으로 전력을
공급되는 경우에 비하여 전자기기 이동의 제약 문제를 해결할 수 있다(1).
무선전력전송 기술은 자기 유도 방식, 자기 공진 방식, 마이크로파 방식으로 구분할 수 있다. 휴대용이나 가정에서 사용되는 전자기기에는 전력 전송 효율과
위치 자유도 등의 특성을 고려하여 자기 유도 방식이나 자기 공진 방식을 적용하고 있다. 자기 유도 방식은 전력 송수신 코일 사이의 자기 유도 현상을
이용하며, 상대적으로 높은 전력 전송 효율을 가지지만 전송거리가 짧고 송신부(Transmitter, Tx)와 수신부(Receiver, Rx)의 중심이
정렬되지 않으면 효율이 급격하게 감소하는 문제점을 가진다(2). 자기 공진 방식은 Tx와 Rx 코일 간 주파수를 일치시킴으로써 공진을 통해 무선으로 수 미터까지 전력을 전달할 수 있으며, 중심이 정렬되지 않은
경우에도 비교적 높은 전력 전송 효율로 전력을 전송할 수 있다(3).
자기 유도 방식 및 자기 공진 방식은 전력 전송 시 자기장이 발생된다. 자기장이 인체에 어떤 영향을 미치는가에 대한 명확한 연구결과는 아직 없지만,
극저주파(Extremely Low Frequency, ELF) 전자파가 소아암을 발생시킬 수 있다는 역학연구 결과 등으로 인하여 무선전력전송 기술을
적용하는 경우 발생 가능한 전자파의 인체 영향에 대한 불안감은 계속되고 있다(4).
세계보건기구(World Health Organization, WHO) 산하의 국제암연구소(International Agency for Research
on Cancer, IARC)에서는 2002년에 ELF 자기장을 발암물질 등급 2B(Possibly Carcinogenic to Human)로 분류하였고,
2011년 5월에 RF 전자파에 대해서도 발암물질 등급 2B로 분류하였다. 표 1은 IARC의 발암물질 등급으로 ELF 자기장은 발암 가능성은 있으나 확실하지 않은 것으로 분류되어 있다.
본 논문에서는 자기 공진 방식 무선전력전송 기술의 자기장 영향에 대한 평가를 위하여 국내·외 전자파 인체보호기준을 확인한다. 자기 공진 방식 무선전력전송
기술 중에서도 공간 자유도 및 높은 전력 이득으로 인해 연구 및 활용되고 있는 MISO(Multiple-input/Single-Output) 구조의
무선전력전송 기술에 대하여 영향 평가를 진행한다. 동일 수신 전력을 기준으로 전력 송신기가 1개인 경우(1-Tx)와 2개인 경우(2-Tx)에 대하여
전력 송신기로부터의 이격 거리에 따른 자기장의 세기를 비교하고, 국제 규격을 기준으로 자기장으로부터 안전한 범위를 확인한다.
표 1. IARC의 발암물질 등급
Table 1. Classification of carcinogens by IARC
|
분류
|
Group 1
|
Group 2A
|
Group 2B
|
Group 3
|
Group 4
|
|
정의
|
발암 물질
|
발암 가능성 큼
|
발암 가능성이 있으나 확실하지 않음
|
분류되지 않음
|
발암 가능성 없음
|
|
내용
|
사람의 암 발생과 관련 되어 증명된 증거가 있음
|
사람에 대해서는 제한적인 증거가 있으나, 동물 실험에서도 암 발생과 관련된 충분한 증거가 있음
|
사람에 대해서는 제한적인 증거가 있으나, 동물 실험에서는 암 발생과 관련된 충분한 증거가 없음
|
유효한 정보에 근거하여 분류 할 수 없는 증거가 있음
|
사람에 대해서 암 발생이 되지 않는다는 증거가 있음
|
|
물질
|
107개 물질 :
술, 석면, 비소, 벤젠, 포름알데히드 전리
방사(모든경우), 담배 연기
(흡연 및 비흡연), 페인트공 (직업적 노출), 햇빛 (일사) 등
|
59개 물질 :
미용사 및 이발사
(직업적 노출), 정유
(직업적 노출), 교대 근무자
(일반적인 수면 패턴 방해) 등
|
266개 물질 : 커피, 디젤 (연료), 해양 근무, 드라이 클리닝
(직업적 노출),
소방관 (직업적 노출), 합성 수지, 방직 공장
(근로자), 자기장
(ELF), 절인 야채 등
|
508개 물질 : 아크릴산, 염소화 식수, 염색약
(개인 사용자), 형광 전기장
(ELF) 등
|
1개 물질 : 카프롤락탐 (독극물)
|
2. 본 론
2.1 국외 전자파 인체 보호 기준
국외의 전자파 인체보호기준 중 대표적인 인체보호 기준으로는 ICNIRP Guideline 1998(DC ~ 300 GHz), ICNIRP Guideline
2010(DC ~ 100 kHz), IEEE Std. C95.1(3 kHz ~ 300 GHz) 및 IEEE Std. C95.6(DC ~ 3 kHz)
등이 있다(5)-(7). 전자파의 인체 영향은 극저주파에서는 자극 작용, 고주파에서는 열 작용의 형태로 발생한다. 그리고 100 kHz ~ 10 MHz 대역에서는 자극
작용과 열 작용이 동시에 공존한다.
ICNIRP의 전자파 인체보호기준에서 전자파 노출 제한은 기본 한계치(Basic Restriction)와 노출 제한치(Reference Level)로
나누어져있다. 기본 한계치는 인체가 전자기장에 노출되었을 때 생물학적 반응이 발생하는 값을 의미하며, 노출 제한치는 기본 제한치로 사용되는 인체 내부
유도 전류 밀도, 인체 내부 전계 강도 및 흡수율(Specific Absorbtion Rate, SAR)을 직접 측정하는 것이 매우 어렵기 때문에
기본 제한치에서 유도된 환경 전자기장 세기로 실질적인 전자기장 노출 제한치를 의미한다.
그림 1은 ICNIRP에서 지정한 1998년도 전기장 인체 보호 기준이고, 그림 2는 ICNIRP에서 지정한 2010년도 전기장 인체 보호 기준이다. 그림 3은 ICNIRP에서 지정한 1998년도 자기장 인체 보호 기준이고, 그림 4는 ICNIRP에서 지정한 2010년도 자기장 인체 보호 기준이다. 1998년도 ICNIRP 기준은 300 GHz까지의 노출 제한 기준치이고, 2010년도에
개정된 ICNIRP 기준은 1 Hz ~ 100 kHz까지의 주파수에 대한 노출 제한 기준치이다. 50 Hz 주파수에서 2010년도 기준치는 200
μT로 1998년도 기준치인 100 μT에 비하여 제한 기준이 2배 완화되었다. 표 2는 각 국의 SAR 기준치를 나타낸다(8).
그림. 1. 전기장 인체보호기준 (ICNIRP Guideline 1998)
Fig. 1. Human protection standards from electric field (ICNIRP Guideline 1998)
그림. 2. 전기장 인체보호기준 (ICNIRP Guideline 2010)
Fig. 2. Human protection standards from electric field (ICNIRP Guideline 2010)
그림. 3. 자기장 인체보호기준 (ICNIRP Guideline 1998)
Fig. 3. Human protection standards from magnetic field (ICNIRP Guideline 1998)
그림. 4. 자기장 인체보호기준 (ICNIRP Guideline 2010)
Fig. 4. Human protection standards from magnetic field (ICNIRP Guideline 2010)
표 2. 각 국의 SAR 기준치
Table 2. SAR standards for each country
|
Division
|
ICNIRP
|
IEEE
|
USA
|
JAPAN
|
|
Frequency [Hz]
|
$10^{5}$~$10^{10}$
|
$10^{5}$~$3\times 10^{9}$
|
$3\times 10^{5}$~$6\times 10^{9}$
|
$10^{5}$~$3\times 10^{9}$
|
|
Whole body average [W/kg]
|
0.08
|
0.08
|
0.08
|
0.08
|
|
Limb [W/kg]
|
4
|
4
|
4
|
4
|
|
Head [W/kg]
|
2
|
2
|
1.6
|
2
|
|
Body [W/kg]
|
2
|
2
|
1.6
|
2
|
|
Tissue mass [g]
|
10
|
10
|
1(head, body)
10 (limb)
|
10
|
표 3. 일반인에 대한 전자파강도기준
Table 3. Electromagnetic wave intensity standards about the general person
|
주파수 범위
(f)
|
전기장 강도 (V/m)
|
자기장 강도 (A/m)
|
자속밀도 (μT)
|
전력밀도 (W/m2)
|
|
1 Hz 이하
|
-
|
3.2×104
|
4×104
|
-
|
|
1 Hz ~ 8 Hz
|
10,000
|
3.2×104/f2
|
4×104/f2
|
|
8 Hz ~ 25 Hz
|
10,000
|
4,000/f
|
5,000/f
|
|
0.025 kHz ~
0.8 kHz
|
250/f
|
4/f
|
5/f
|
|
0.8 kHz ~
3 kHz
|
250/f
|
5
|
6.25
|
|
3 kHz ~
150 kHz
|
87
|
5
|
6.25
|
|
0.15 MHz ~
1 MHz
|
87
|
0.73/f
|
0.92/f
|
|
1 MHz ~
10 MHz
|
87/f1/2
|
0.73/f
|
0.92/f
|
표 4. 직업인에 대한 전자파강도기준
Table 4. Electromagnetic wave intensity standards about the professional
|
주파수 범위
(f)
|
전기장 강도 (V/m)
|
자기장 강도 (A/m)
|
자속밀도
(μT)
|
전력밀도
(W/m$^{2}$)
|
|
1 Hz 이하
|
-
|
1.63×10$^{5}$
|
2×10$^{5}$
|
-
|
|
1 Hz
~ 8 Hz
|
20,000
|
1.63×10$^{5}$/f$^{2}$
|
2×10$^{5}$/f$^{2}$
|
|
8 Hz
~ 25 Hz
|
20,000
|
2×10$^{4}$/f$^{2}$
|
2.5×10$^{4}$/f
|
|
0.025 kHz ~
0.82 kHz
|
500/f
|
20/f
|
25/f
|
|
0.82 kHz ~
65 kHz
|
610
|
24.4
|
30.7
|
|
0.065 MHz ~
1 MHz
|
610
|
1.6/f
|
2/f
|
|
1 MHz ~
10 MHz
|
610/f
|
1.6/f
|
2/f
|
2.2 국내 전자파 인체 보호 기준
전자파에 대한 국내의 인체보호기준은 ICNIRP에서 1998년에 제정한 전자파 인체보호기준을 준용하여 사용하고 있으며, 방송통신위원회 고시 제2009-27호로
고시하고 있다(10). 또한 전자파 인체보호기준은 전신 노출에 대하여 전자파 강도를 제한하고 있으며 일반인과 직업인으로 분류하여 제한하고 있다. 적용 주파수 범위는 DC
~ 300 GHz까지이다. 일반인과 직업인에 대한 기준은 표 3과 표 4에 나타내었다. 국부 전자파 노출은 전자파比흡수율(SAR)로 제한하고 있다. 표 5는 국부 노출에 대한 SAR 기준을 나타낸다. SAR의 경우 ICNIRP의 기준을 따르지 않고 미국의 FCC 기준을 사용한다. SAR 적용주파수
대역은 100 kHz ~ 10 GHz이다. 무선전력전송 시스템은 100 kHz ~ 10 MHz 대역에서 연구되고 있어, 인체 보호 기준은 자극작용의
기준이 되는 환경 전자기장세기와 열 작용의 기준이 되는 SAR을 동시에 만족시켜야 한다.
표 5. 국부노출에 대한 전자파比흡수율(SAR) 기준치
Table 5. Electromagnetic absorption rate (SAR) criteria for local exposure
|
주파수
|
구분
|
전자파흡수율 기준(W/kg)
|
|
전신
|
머리/몸통
|
사지
|
|
100 kHz ~
10 GHz
|
일반인
|
0.08
|
1.6
|
4
|
|
직업인
|
0.4
|
8
|
20
|
2.3 자기 공진 방식 무선전력전송 시스템의 송신코일 개수에 따른 자기장 평가
1-Tx와 2-Tx의 무선전력전송 시스템의 자기장 평가를 위하여 1-Tx는 그림 5와 같이, 2-Tx는 그림 6과 같이 전력 송수신 코일을 배치하였다. 그림 7은 자기장 평가를 위한 실험 구성을 나타낸다. x는 전력 수신용 코일의 외곽에서부터의 수평 이격거리이며, y는 수평 이격거리를 유지한 상태에서의 수직
이격거리를 나타낸다. 실험 조건은 표 6과 같이 전력 송수신용 공진 코일은 Litz Wire를 사용하여 제작하였으며, 동작 주파수 100 kHz에서 1-Tx와 2-Tx의 무선전력전송 시스템에서
동일하게 수신 전력을 100 W로 고정시킨 후 ELT–400를 사용하여 측정하였다.
그림 8과 그림 9는 IEC/EN 62233 기준 인체 전자파 노출량을 측정한 그래프이다. 그림 8은 x가 10 cm일 때, y축 거리에 따른 인체 전자파 노출량 측정결과이다. x가 10 cm인 경우, 인체 전자파 노출량이 강하여 1-Tx 무선전력전송
시스템에서 y가 50 cm인 경우에만 규제 기준을 만족하였다. 그림 9는 x가 20 cm일 때, y축 거리에 따른 인체 전자파 노출량 측정결과이다. x가 20cm인 경우, 1-Tx 무선전력전송 시스템은 조건에 관계없이
규제 기준을 만족하였으나 2-Tx 무선전력전송 시스템은 y가 10 ~ 20 cm 구간에서 Tx2 코일의 영향으로 규제 기준을 초과하였다.
그림 10과 그림 11은 ICNIRP 1998 기준 인체 전자파 노출량을 측정한 그래프이다. 그림 10은 x가 10 cm일 때, y축 거리에 따른 인체 전자파 노출량 측정결과이다. 1-Tx무선전력전송 시스템에서는 y가 10 cm 이하인 경우, 2-Tx무선전력전송
시스템에서는 y가 10 ~ 20 cm 경우에만 규제 기준을 초과하였다. 그림 11은 x가 20 cm일 때, y축 방향의 거리에 따른 인체 전자파 노출량이다. x가 20 cm일 때, y축 방향의 거리에 따른 인체 전
그림. 5. 1-Tx 배치 구조
Fig. 5. Arrangement of 1-Tx structure
그림. 6. 2-Txs 배치 구조
Fig. 6. Arrangement of 2-Txs structure
그림. 7. 실험 구성
Fig. 7. Experiment configuration
자파 노출량은 1-Tx 무선전력전송 시스템과 2-Tx 무선전력전송 시스템 모두 규제 기준을 만족하였다.
자기장 노출량은 일반인 기준 3 kHz ~ 150 kHz에서 6.25 μT까지를 인체보호기준치로 보고 있다. 그림 12는 x가 10 cm일 때, y축 방향의 거리에 따른 자기장 세기 측정 결과로 y가 30 cm 이하인 조건에서 1-Tx 무선전력전송 시스템과 2-Tx
무선전력전송 시스템 모두 규제 기준을 초과하였다. 그림 13은 x가 20 cm일 때, y축 방향의 거리에 따른 자기장 세기 측정 결과로 1-Tx 무선전력전송 시스템과 2-Tx 무선전력전송 시스템 모두 규제
기준을 만족하였다.
표 6. 각 실험소자 재원
Table 6. Experimental parameters
|
Wire
|
Resonator Diameter
(2R)
|
Operating
Frequency
|
Inductor
($L_{Tx},\:L_{Rx}$)
|
Capacitor
($C_{Tx},\: C_{Rx}$)
|
|
Litz Wire
(∅=0.1 mm
* 100 strands)
|
185 mm
|
100 kHz
|
158 μH
|
16 nF
|
그림. 8. x가 10 cm일 때, y축 거리에 따른 IEC/EN 62233 기준 인체 전자파 노출량
Fig. 8. x = 10 cm, Expose amount of electromagnetic waves to the human body based
on IEC/EN 62233 according to y-axis distance
그림. 9. x가 20 cm일 때, y축 거리에 따른 IEC/EN 62233 기준 인체 전자파 노출량
Fig. 9. x = 20 cm, Expose amount of electromagnetic waves to the human body based
on IEC/EN 62233 according to y-axis distance
그림. 10. x가 10 cm일 때, y축 거리에 따른 ICNIRP 1998 기준 인체 전자파 노출량
Fig. 10. x = 10 cm, Expose amount of electromagnetic waves to the human body based
on ICNIRP 1998 according to y-axis distance
그림. 11. x가 20 cm일 때, y축 거리에 따른 ICNIRP 1998 기준 인체 전자파 노출량
Fig. 11. x = 20 cm, Expose amount of electromagnetic waves to the human body based
on ICNIRP 1998 according to y-axis distance
그림. 12. x가 10 cm일 때, y축 거리에 따른 자기장 세기
Fig. 12. x = 10 cm, Magnetic field strength according to the y-axis distance.
그림. 13. x가 20 cm일 때, y축 거리에 따른 자기장 세기
Fig. 13. x = 20 cm, Magnetic field strength according to the y-axis distance.
3. 결 론
본 논문은 자기 공진 방식의 무선전력전송 기술을 전자기기에 적용하기 위하여 국내외 전자파 인체보호기준에 대해 조사하였고 전력 송신기의 개수에 따른
무선전력전송 시스템의 자기장 영향 평가를 진행하였다. 수신 전력을 100 W로 고정하고, 전력 송신기의 개수를 1개와 2개인 경우의 x축 방향과 y축
방향의 이격거리에 따른 IEC/EN 62233와 ICNIRP 1998 기준 자기장 노출 정도를 확인하였다. 전력 송신기의 개수가 1개이며 x가 10
cm인 경우에는 y축으로 50 cm 이상 이격시켜야 규제 기준을 만족하였다. 전력 송신기의 개수가 1개이며 x가 20 cm인 경우에는 y축으로 10
cm 이상 이격시키면 규제 기준을 만족하였다. 전력 송신기의 개수가 2개이며 x가 10 cm인 경우에는 y축으로 50 cm를 초과하여 이격시켜야 규제
기준을 만족하였으며, x가 20 cm인 경우에는 y축으로 30 cm 이상 이격시키면 규제 기준을 만족하였다. 그러므로 100 W급 이하의 무선전력전송
시스템을 적용하는 경우, 전력 수신 코일을 기준으로 10 cm의 수평 이격거리를 확보할 수 있다면 수평 이격거리가 50 cm 이상이 되도록 시스템을
구성하여야 한다. 또한 20 cm의 수평 이격거리를 확보할 수 있는 경우에는 수평 이격거리가 30 cm 이상이 되도록 시스템을 구성하여야 인체 영향과
관련한 규제 기준을 만족할 수 있다.
Acknowledgements
This research was supported by the research fund of Hanbat National University.
References
Y. Wang, J. Song, L. Lin, X. Wu, W. Zhang, 2017, Research on magnetic coupling resonance
wireless power transfer system with variable coil structure, 2017 IEEE PELS Workshop
on Emerging Technologies: Wireless Power Transfer (WoW), pp. 1-6
A. Sharma, D. Kathuria, 2018, Performance Analysis of a Wireless Power Transfer System
based on Inductive Coupling, 2018 International Conference on Computing, power and
communication technologies (gucon), pp. 55-59
A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. Joannopoulos, P. Fisher, M. Soljǎciíc, 2007, Wireless
power transfer via strongly coupled magnetic resonances, science, Vol. 317, No. 5834,
pp. 83
Wertheimer Nancy, Leeper ED, 1979, Electrical wiring configurations and childhood
cancer, Am. J. Epidemiol, Vol. 109, No. 3, pp. 273-284
ICNIRP, 1998, Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic,
and Electromagnetic Fields (up to 300 GHz)., Health Physics, Vol. 74, No. 4, pp. 494-522
ICNIRP, 2010, Guidelines for Limiting Exposure to Time- Varying Electric, Magnetic
Fields (1 Hz to 100 kHz), Health Physics, Vol. 99, No. 6, pp. 818-836
IEEE Std C95.1, 1999, IEEE standard for safety levels with respect to human exposure
to radio frequency electromagnetic fields, 3 kHz to 300 GHz
IEEE C95.6, 2002, IEEE Standard for safety levels with respect to human exposure
to electromagnetic fields, 0-3 kHz
저자소개
received his B.S. and M.S. degrees in electronics engineering from Hanbat National
University, Daejeon, Korea, in 2020 and 2022, respectively.
He has been with KRISO, Daejeon, Korea, since 2022.
His current research interests include wave and wind power control.
received his B.S. and M.S. degrees in electronics engineering from Hanbat National
University, Daejeon, Korea, in 2016 and 2019, respectively.
He is presently working toward his Ph.D. degree at Hanbat National University.
His current research interests include the design of power converters, energy harvesting
and WPT systems.
received his B.S. degrees in electronics engineering from Hanbat National University,
Daejeon, Korea, in 2018 and 2020, respectively.
He is presently working toward his M.S. degree at Hanbat National University.
His current research interests include induction heating system.
received his B.S., M.S., and Ph.D. degrees from the Korea Advanced Institute of Science
and Technology (KAIST), Daejeon, Korea, in 2005, 2008, and 2012, respectively.
He served as a senior researcher at Samsung Electronics, Suwon, Korea, from 2012 to
2015.
He has been working in the Department of Electronic Engineering, Hanbat National University,
Daejeon, Korea, since 2015 where he is presently an associate professor.
He serves as an associate editor of the Journal of Power Electronics, Seoul, Korea.
His current research interests include the design of power converters, WPT systems,
hybrid power systems for mobility, and energy management systems.