박준성
(Jun-Sung Park)
1iD
최승수
(Seung-Su Choi)
2iD
윤민호
(Min-Ho Yoon)
2iD
임성훈
(Sung-Hun Lim)
†iD
-
(Korea Electrical Safety Corporation(KESCO) & Dept. of Electrical Engineering, Soongsil
University, Korea )
-
(Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University, Korea)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Induction Motor, Starting Current, Three-Phase Reactor Type Superconducting Fault Current Limiter (SFCL), wye and delta starting operations
1. 서 론
현대 사회에서 유도전동기는 경제적인 회전기이고 넓은 분야에서 사용되고 있다. 모든 유도전동기는 유도전동기가 물리적으로 버틸 수 있는 한계 이내로 정격
전류가 있다. 정격을 넘기는 전류가 유도전동기에 인가되면 유도전동기가 견디지 못하고 망가질 수 있다. 하지만 유도전동기는 기동하기 위해 큰 전류와
토크가 필요하다[1]. 유도전동기의 기동법으로 전전압 기동을 사용하면 가장 간단하고 안정적이지만, 기계적 충격이 크고 기동 시 발생하는 과도전류의 크기가 정격의 5배
이상으로 커지는 단점이 있다. 기계적 토크 또한 과도기에 1.5배 정도 크게 나타나며 기계적 충격을 줄 수 있고 유도전동기 부품의 마모를 초래한다[2]. 유도전동기의 높은 기동전류를 감소시키는 방법으로 와이-델타 기동, 리액터 기동, soft-start 등이 존재한다. 이러한 기동법은 높은 기동전류를
줄일 방법이지만, 기동전류가 정격 전류만큼 낮아진다는 의미는 아니다. 여전히 큰 전류지만 기동하는 유도전동기나 주변 기기에 무리가 가지 않을 크기의
전류를 의미한다. 기동법 중 와이-델타 기동을 사용한 기동법은 기동 시 와이 기동으로 시작하여 정격 전압의 $\sqrt{3}$배 작아지고, 전류는
3배 줄어들게 되어 기동 토크도 3배 줄어들게 된다. 이런 특징으로 와이-델타 기동은 1000V 이하로 구동하는 유도전동기에서 사용한다[3~4]. soft-start는 phase control, extinction angle control 및 single pulse symmetrical angle
control 등 위상각을 제어하여 기동 시 기동전류의 크기를 줄이고 기동시간을 늘린 방식을 많이 사용하고 있다. 그러나 이러한 방식은 전력 변환
과정에서 고조파가 많이 침투하게 되고 리플을 발생시킨다. 기존의 soft-start 단점들을 보완하기 위해 많은 연구가 진행되었다[5].
한류기를 사용하여 유도전동기의 기동전류를 제한하는 방식에 관한 많은 연구가 진행되어왔다[6~7]. 한류기의 종류 중에 초전도체를 사용한 초전도 한류기는 평상시에는 저항이 0인 상태로 존재하고, 임계 전류를 넘으면 저항이 발생하는 초전도체의 특성을
사용한 한류기이다. 초전도 한류기의 첫 번째 장점은 외부 전원을 사용하지 않고 임계 전류를 넘으면 저항이 생기고 초전도체에 전압이 발생하여 외부의
제어 기기 없이 고장을 감지할 수 있다. 즉, 앞서 언급한 soft-start와 같은 방법은 과전류를 발생시키지 않기 위해 추가적인 전원과 회로를
연결이 필요하게 된다. 두 번째 장점으로 평소에는 저항이 0인 초전도체의 특성으로 전력 소모가 거의 없는 장점이 존재한다. 마지막으로 초전도체에 흐르는
전류가 임계 전류를 넘으면 반 사이클 이내로 반응하여 저항이 발생하고 과전류가 계통에 퍼지기 전에 전류를 제한한다. 초전도 한류기의 종류로 저항형,
트리거형, 변압기형 및 하이브리드형 등 구조에 관한 많은 연구 결과가 보고되었다[8].
본 논문에서는 변압기형 초전도 한류기의 구조를 변형하여 삼상 리액터형 초전도 한류기를 사용한 유도전동기 기동 시 기동전류 및 전압강하 특성을 분석하였다.
2 구조 및 동작원리
2.1 삼상 리액터형 초전도 한류기의 구조 및 등가회로
그림 1은 실험에 사용한 삼상 리액터형 초전도 한류기의 구조도와 단상 등가회로이다. 먼저, 그림 1 (a)는 삼상 리액터형 초전도 한류기의 구조도이다. 정사각형 모양의 C-C 철심 3개를 정삼각형 구조로 구성하고 a, b, c 상의 권선을 철심 다리에
각각 결선하여 대칭을 이룰 수 있게 구성하였다. 한 개의 권선이 두 개의 철심 다리에 감겨있고 각 상의 권선이 만드는 자속의 경로는 모두 같아 평형을
이루는 구조이다. 그림 1 (b)는 삼상 리액터형 초전도 한류기의 단상 등가회로이다. 각 상의 초전도 한류기 결선에 사용된 리액터 N1과 N2 사이의 상호 인덕턴스와 철심 구조로
인해 생기는 각 상 사이에 생기는 자속 간섭은 없는 이상적인 형태로 도시하였다. N1과 N2의 권수비는 3:1이다.
그림 1. 삼상 리액터형 초전도 한류기의 구조도 및 단상 등가회로 (a) 구조도 (b) 단상 등가회로
Fig. 1. Schematic structure and single-phase equival- ent circuit of three-phase
reactor type SFCL (a) Schematic structure (b) Equivalent circuit
2.2 삼상 리액터형 초전도 한류기의 동작원리
삼상 리액터형 초전도 한류기로 들어오는 모선 전류(imain)는 철심에 감겨있는 리액터 N1(iN1)과 N2(iN2)로 분리되어 흐른다. 평상시에는
모선에서 한류기로 흐르는 전류가 모두 초전도 소자가 있는 N2 쪽으로 흐르게 되고, 고장 발생 시 초전도 소자에 흐르는 전류가 급격히 증가하여 임계
전류를 넘으면 초전도 소자에 저항이 발생하여 전류를 제한하게 된다. 또한, 리액터 N1과 N2는 같은 철심 다리에 정해진 권수비로 감겨있기 때문에
변압기의 특성도 나타난다. N1과 N2의 권수비에 따라 변압기의 특성과 같이 전류가 권수비에 반비례하게 나타난다.
이러한 특성으로 인해 그림 1 (b)에 a1 노드에서 KCL을 적용하면 모선 전류(imain)는 N1(iN1)과 N2(iN2) 전류의 합으로 나타나지만, 실제 평상시 모선 전류는 모두
초전도 소자 연결되어있는 N2(iN2)로 흐르게 되고 리액터형 한류기의 특성으로 N1과 N2의 권수비에 따라 N1에 전류가 흐르게 된다. N1과 N2의
권선 방향에 따라 N1에 유기되는 전류의 위상도 바뀐다[9~10].
평상시에 식 (2), (3)과 같이 모선 전류보다 초전도 소자에 흐르는 전류가 크기 때문에, 고장 발생으로 큰 전류가 모선에 흐르게 되면 초전도 소자에 큰 저항이 발생하면서
N1의 전류도 제한하게 되고 모선에 흐르는 전류가 줄어들게 된다. 초전도 한류기 내부 초전도 소자의 저항은 소자 양단의 전압과 전류를 사용하여 계산하였다.
본 논문에서는 이러한 삼상 리액터형 초전도 한류기의 전류 제한 동작을 유도전동기 기동 시 발생하는 큰 기동전류에 적용하여 전류를 제한하는 특성과 실험에서
측정한 전압과 전류를 이용하여 초전도 한류기와 초전도 소자의 부담을 계산하여 부담비를 분석하였다.
2.3 모의회로 구성 및 모의방법
그림 2는 삼상 리액터형 초전도 한류기를 사용한 유도전동기 기동 시 기동전류 제한 실험 모의를 위한 계통도와 유도전동기 결선 회로도이다. 그림 2의 (a)를 보면, 유도전동기는 선로 Z1과 Z2 사이에 연계되었고, Z2의 뒤쪽으로 40Ω의 저항 부하가 연결되어있다. 유도전동기의 기동법에 따라
그림 2의 (b)는 유도전동기의 고정차 2차 측을 와이로 결선하여 기동하는 방법의 회로도이고, 그림 2의 (c)는 고정자 1차 측과 2차 측을 델타 결선하여 기동하는 방법의 회로도이다. 모의실험을 위해 투입한 전원 전압의 크기는 160V, 60Hz이고,
SW1을 닫아서 전원을 인가하였다. 전원 인가 2초 후에 SW2를 닫아 유도전동기를 계통에 투입하여 기동하였다. 실험에 사용한 SW는 모두 전자 접촉기(MC;
magnetic contactor)를 사용하였고, 시퀀스를 사전에 세팅하고 정해진 시간에 맞춰 시퀀스가 동작하도록 구현하였다. 실험에 사용한 시퀀스도는
그림 3과 같다. 첫 번째 트리거를 0초에 발생시키고 SW1이 닫히면서 전원이 인가된다. 2초 뒤에 두 번째 트리거가 발생하면 SW2가 닫히면서 유도전동기가
기동하기 시작한다. 실험 데이터를 측정하기 위한 장비로 오실로스코프를 이용하여 전류와 전압을 측정하였고, 전류 프로브와 전압 프로브를 사용하였다.
그림 2. 삼상 리액터형 초전도 한류기의 모의실험 계통도 및 유도전동기 기동 법 (a) 모의실험 계통도 (b) 유도전동기 와이(Wye)
기동 (c) 유도전 동기 델타(Delta) 기동
Fig. 2. Experimental test circuit of three-phase reactor type SFCL and driving
types of induction motor (a) Experimental test circuit (b) Delta driving
type of induction motor (c) Wye driving type of induction motor
그림 3. 삼상 리액터형 초전도 한류기의 실험 시퀀스도
Fig. 3. Sequence diagram of test circuit of three-phase reactor type SFCL
표 1은 삼상 리액터형 초전도 한류기의 실험 설계 사양이다. 실험에 사용한 전압은 160[V]이고 부하 사이 선로에 Z1과 Z2를 투입하여 선로 임피던스를
모의하였다. 실험에서 유도전동기와 순수 저항 부하 2종류를 사용하였는데, 유도전동기의 용량은 3.7 [kW]이고, 저항 부하의 크기는 30 [Ω]이다.
실험에 사용된 초전도 소자의 종류는 YBCO를 사용하였고 얇은 박막(Thin Film)의 형태의 모듈을 사용하였다. 초전도 소자의 임계 전류는 약
27 [A]이고, 임계 온도는 87 [K]이다.
표 1 삼상 리액터형 초전도 한류기의 실험 설계 사양
Table 1 Experimental parameters of three-phase reac- tor type SFCL
|
설계 사양
|
값
|
단위
|
|
전원전압
|
160
|
V
|
|
Z1
|
0.111+j0.745
|
Ω
|
|
Z2
|
0.129+j0.746
|
Ω
|
|
Rload
|
40
|
Ω
|
|
유도전동기 용량
|
3.7
|
kW
|
|
리액터 사양
|
|
N1, N2 층수
|
30, 10
|
Turns
|
|
초전도 소자 사양
|
|
형태
|
Thin Film
|
-
|
|
초전도체 종류
|
YBCO
|
-
|
|
임계 온도
|
87
|
K
|
|
임계 전류
|
27
|
A
|
3 결과 및 분석
본 장에서는 유도전동기의 델타(Δ) 기동과 와이(Y) 기동에 따른 기동 시 차이점에 대해서 분석하였다. 그림 4와 그림 5는 유도전동기 델타 기동 시 모선과 유도전동기의 전압 및 전류의 파형이다. 그림 4 (a)를 보면 유도전동기 기동 시 발생하는 큰 기동전류로 인해 모선 전류도 증가하지만, 삼상 리액터형 초전도 한류기를 적용하면 기동전류의 크기는 제한되는
것을 확인하였다. 그림 4 (b)를 보면 삼상 리액터형 초전도 한류기를 사용하여 모선 전류의 크기가 줄어들기 때문에 유도기 입력 전류의 크기 또한 제한되었다. 유도전동기 델타 기동
시에는 평상시보다 1.5배 정도의 토크가 필요하지만, 입력 전류와 전압이 작아져 유도전동기의 토크가 줄어들기 때문에 유도전동기의 회전속도가 동기속도까지
도달하는 시간이 0.76초에서 5.05초로 약 4.29초 지연되었다.
그림 4. 유도전동기 델타(Δ) 기동 시 전압 및 전류 파형 (a) 모선 전압 및 전 류 (b) 유도전동기 전압 및 전류
Fig. 4. Voltage and current waveforms when delta(Δ) starting of induction motor
(a) Voltage and current of main bus (b) Voltage and current of Induction motor
그림 5. 유도전동기 델타(Δ) 기동 직후 전압 및 전류 파형 (a) 모선 전압 및 전류 (b) 유도전동기 전압 및 전류
Fig. 5. Voltage and current waveforms right after delta(Δ) starting of induction
motor (a) Voltage and current of main bus (b) Voltage and current of induction
motor
그림 5에서는 그림 4에서 기동 직후 파형을 확대한 그래프이다. 그림 5 (a)에서 삼상 리액터형 초전도 한류기를 적용했을 때 모선 전류는 기동 직후 모든 상의 전류가 반주기 내로 50% 이상 제한되는 것을 확인할 수 있다.
그림 5 (b)에서도 삼상 리액터형 초전도 한류기를 적용했을 때 유도전동기 입력 전류도 반주기 안으로 제한되었다. 하지만 삼상 리액터형 초전도 한류기의 적용으로
전류가 제한되면 삼상 리액터형 초전도 한류기의 임피던스가 발생하면서 전력 부담이 생기고 전압강하가 발생하여서 입력 전압이 감소하였다.
그림 6. 유도전동기 와이(Y) 기동 시 전압 및 전류 파형 (a) 모선 전압 및 전 류 (b) 유도전동기 전압 및 전류
Fig. 6. Voltage and current waveforms when wye(Y) starting of induction motor
(a) Voltage and current of main bus (b) Voltage and current of Induction motor
그림 6과 그림 7은 유도전동기 와이 기동 시 모선과 유도전동기의 전압 및 전류의 파형이다. 그림 6 (a)를 보면 유도전동기 기동 시 발생하는 큰 기동전류로 인해 모선 전류도 증가하지만, 델타 기동과 마찬가지로 삼상 리액터형 초전도 한류기를 적용하면 기동전류의
크기는 제한되는 것을 확인하였다. 그림 6 (b)를 보면 삼상 리액터형 초전도 한류기를 사용하여 모선 전류의 크기가 줄어들기 때문에 유도기 입력 전류의 크기 또한 제한되었다. 델타 기동과 다르게
와이 기동에서는 기동 시 유도전동기 입력 전압이 크게 줄어들지 않아 토크가 크게 줄어들지 않았다. 그로 인해 유도전동기의 회전속도가 동기속도까지 도달하는
시간이 0.73초에서 2.94초로 약 2.19초 지연되어 델타 기동과 비교하면 약 2초 빠르게 정상상태에 도달하였다.
그림 7. 유도전동기 와이(Y) 기동 직후 전압 및 전류 파형 (a) 모선 전압 및 전류 (b) 유도전동기 전압 및 전류
Fig. 7. Voltage and current waveforms right after wye(Y) starting of induction motor
(a) Voltage and current of main bus (b) Voltage and current of Induction motor
그림 7에서는 그림 6에서 기동 직후 파형을 확대한 그래프이다. 그림 7 (a)에서 삼상 리액터형 초전도 한류기를 적용했을 때 모선 전류는 기동 직후 삼상 리액터형 초전도 한류기의 A상만 작동하여 전류를 제한하지만, 삼상 리액터형
초전도 한류기의 C상은 기동하고 약 9주기 후에 작동하였고 B상은 작동하지 않았다. 이에 따라 그림 5 (b)에서 기동 시에는 삼상 리액터형 초전도 한류기가 모든 상에서 동작하지 않아 유도전동기 입력 전류의 불평형이 발생하였다.
그림 8과 그림 9는 유도전동기 델타 기동 시 삼상 리액터형 초전도 한류기와 한류기 내부 초전도 소자의 전압, 저항 및 부담 파형이다. 그림 8 (a)에서 삼상 리액터형 초전도 한류기의 전체 저항은 평상시 약 1Ω으로 나타나지만, 기동 직후 초전도 소자에서 저항 발생으로 삼상 리액터형 초전도 한류기의
전체 저항도 증가하였다. 그림 8 (b)에서는 기동 시 삼상 리액터형 초전도 한류기가 부담하는 전력이 2kW 이상 소모하고, 그 중 초전도 소자가 약 84%를 부담하였다.
그림 9는 그림 9에서 기동 직후 파형을 확대한 그래프이다. 그림 9 (a)에서 기동 전에는 초전도 소자에 걸리는 전압이 0이지만, 기동 직후 기동전류로 인해 초전도 소자에 저항이 발생한 것을 전압을 통해 알 수 있다. 기동
시 발생하는 삼상 리액터형 초전도 한류기의 전체 저항은 약 5Ω이고, 초전도 소자의 저항은 약 1.7Ω으로 측정되었다.
그림 8. 유도전동기 델타(Δ) 기동 시 삼상 리액터형 초전도 한류기 전압, 저항 및 부담 파형 (a) 삼상 리액터형 초전도 한류기와 초전도 소자의
전압 및 저항 (b) 삼상 리액터형 초전도 한류기와 초전도 소자의 부담 및 부담비
Fig. 8. Waveforms of voltage, resistance and power burden of three-phase reactor type
SFCL when delta(Δ) starting of induction motor (a) Voltage and resistance of three-phase
reactor type SFCL and SC (b) Power burden and ratio of three-phase reactor type SFCL
and SC
그림 9. 유도전동기 델타(Δ) 기동 직후 삼상 리액터형 초전도 한류기 전압, 저항 파형 및 부담 (a) 삼상 리액터형 초전도 한류기와 초전도 소자의
전압 및 저항 (b) 삼상 리액터형 초전도 한류기와 초전도 소자의 부담 및 부담비
Fig. 9. Waveforms of voltage, resistance and power burden of three-phase reactor type
SFCL right after delta(Δ) starting of induction motor (a) Voltage and resistance of
three-phase reactor type SFCL and SC (b) Power burden and ratio of three-phase reactor
type SFCL and SC
그림 10과 그림 11은 유도전동기 와이 기동 시 삼상 리액터형 초전도 한류기와 한류기 내부 초전도 소자의 전압 및 저항 파형이다. 그림 10 (a)에서 델타 기동과 다르게 기동 직후 A상의 초전도 소자에서 저항이 발생하고 약 9주기 이후 C상 에서도 초전도 소자의 저항이 발생하지만, B상의 초전도
소자에서는 저항이 발생하지 않았다. 이로 인해 삼상 리액터형 초전도 한류기의 저항 크기가 A, B, C 상에서 불 평형이 발생하였다. 그림 10 (b)에서는 기동 시 삼상 리액터형 초전도 한류기가 부담하는 전력이 약 1kW 정도 소모하고, 그 중 초전도 소자가 약 80%를 부담하였다. 델타 기동과는
다르게 유도전동기 전류의 크기가 와이 기동일 때가 $1/\sqrt{3}$배이기 때문에 전력 소모량이 적은 것을 알 수 있다.
그림 10. 유도전동기 와이(Y) 기동 시 삼상 리액터형 초전도 한류기 전압, 저항 파형 및 부담 (a) 삼상 리액터형 초전도 한류기와 초전도 소자의
전압 및 저항 (b) 삼상 리액터형 초전도 한류기와 초전도 소자의 부담 및 부담비
Fig. 10. Waveforms of voltage, resistance and power burden of three-phase reactor
type SFCL when wye(Y) starting of induction motor (a) Voltage and resistance of three-phase
reactor type SFCL and SC (b) Power burden and ratio of three-phase reactor type SFCL
and SC
그림 11. 유도전동기 와이(Y) 기동 직후 삼상 리액터형 초전도 한류기 전압, 저항 파형 및 부담 (a) 삼상 리액터형 초전도 한류기와 초전도 소자의
전압 및 저항 (b) 삼상 리액터형 초전도 한류기와 초전도 소자의 부담 및 부담비
Fig. 11. Waveforms of votlage, resistance and power burden of three-phase reactor
type SFCL right after wye(Y) starting of induction motor (a) Voltage and resistance
of SFCL and SC (b) Power burden and ratio of SFCL and SC
그림 11은 그림 10에서 기동 직후 파형을 확대한 그래프이다. 그림 10 (a)에서 B상 초전도 소자의 전압과 저항이 0이기에 삼상 리액터형 초전도 한류기의 B상은 동작하지 않음을 알 수 있다. A상과 C상에 대해서도 A상은
초전도 소자가 기동 직후 임계 전류를 넘어 초전도 소자에 전압이 측정되었고 약 1.7Ω의 저항이 발생하였다. C상은 약 9주기 이후 초전도 소자에
전압이 측정되었고, 약 1.7Ω의 저항이 발생하였다.
4. 결 론
삼상 리액터형 초전도 한류기를 유도전동기 기동 시 기동법에 따라 비교해보았다. 삼상 리액터형 초전도 한류기를 선로 인입단에 적용하여 유도전동기를 기동했을
때를 비교하였다. 삼상 리액터형 초전도 한류기를 적용하여 델타 기동하였을 때 기동시간은 0.76초에서 5.05초로 4.29초 지연되었고, 와이 기동하였을
때 기동 간은 0.73초에서 2.94초로 2.19초 지연되었다. 삼상 리액터형 초전도 한류기를 사용하지 않았을 때 기동법에 따른 기동시간은 유의미한
차이를 보이지 않았지만, 삼상 리액터형 초전도 한류기를 적용했을 때는 델타 기동과 비교하면 와이 기동에서 훨씬 빠르게 기동시간이 짧다는 것을 확인하였다.
유도전동기 와이 기동과 델타 기동의 가장 큰 차이점은 유도전동기에 흐르는 전류의 크기가 델타 기동에서 $\sqrt{3}$배 크게 흐르기 때문에 기동
시 델타 기동에서 큰 기동전류가 나타나고, 이러한 차이점을 중점으로 삼상 리액터형 초전도 한류기를 적용한 후 유도전동기 기동 시 삼상 리액터형 초전도
한류기의 전력 부담이 와이 기동에서 훨씬 작게 나타남을 확인하였다. 본 논문의 실험에서 사용한 유도전동기의 두 기동법 모두 삼상 리액터형 초전도 한류기를
사용했을 때 기동 전에는 삼상 리액터형 초전도 한류기가 소모하는 전력이 거의 0에 가까워 평상시에는 동작하지 않는다. 기동 직후 큰 전류가 발생하기
시작하면서 삼상 리액터형 초전도 한류기로 전류를 제한하는 모습을 보아 평상시에는 전력 부담이 거의 0에 가까워 외부의 전원 없이 유도전동기의 큰 기동전류를
제한하는 것을 확인하였다. 이후 유도전동기의 회전속도가 정상상태에 이르면, 삼상 리액터형 초전도 한류기의 전력 부담이 다시 0으로 돌아가는 것을 확인하였다.
이러한 삼상 리액터형 초전도 한류기의 특징은 기존의 외부 전원 및 제어 회로를 사용하는 다른 soft-start에 비해 간단한 구성이 가능하다.
본 논문에서 진행한 모의 결과를 바탕으로 더 높은 전압에서 사용하는 유도전동기 기동 시 두 기동법에 대해 모든 상의 한류기가 동작한 경우의 추가 연구가
필요하다.
Acknowledgements
This work was supported by project for Collabo R&D between Industry, University,
and Research Institute funded by Korea
Ministry of SMEs and Startups in 2023 (RS-2023-00226455) and Korea Institute for
Advancement of Technology (KIAT) grant funded by Korea Government (MOTIE) (P0017033,
The Competency Development Program for Industry Specialist)
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저자소개
He received a B.S. degree from the Yeungnam Univ., Korea in 1997 and M.S. degree
from the Hanyang Univ., Korea in 2008. Currently, he is a General Manager in Korea
Electrical Safety Corporation (KESCO).
He received B.S. degree from Soongsil Univ., Korea in 2023. Currently, he is a combined
Master’s-Doctoral course student in the Dept. of Electrical Engineering at Soongsil
Univ., Korea.
He received B.S. degree from Soongsil Univ., Korea in 2023. Currently, he is a combined
Master’s-Doctoral course student in the Dept. of Electrical Engineering at Soongsil
Univ., Korea.
He received B.S., M.S., Ph.D. degrees from Chonbuk National Univ., Korea in 1996,
1998, and 2003, respectively. Currently, he is a professor in the Dept. of Electrical
Engineering at Soongsil Univ., Korea.