Study of Nano-structure Coupling Micro-ScaleAntenna for Signal and Power Transmission using Magnetic Induction to an Implanted Device in the Human Body
나노기술을 활용한 인체삽입형 무선 임플란트 자기장 무선전력 송수신 시스템 연구
- 주제(키워드) Magnetic Induction , Magnetic core , Nano wire , 자기장 , 자심 , 나노 와이어
- 발행기관 DGIST
- 논문지도교수 장재은
- 논문지도교수 Jae Eun Jang
- 공동논문지도교수 홍정일
- 공동논문지도교수 Jung-Il Hong
- 발행년도 2014
- 학위수여년월 2014. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 대학원 정보통신융합공학전공
- 원문페이지 49
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/dgist/000002262535
- 본문언어 영어
초록/요약
Currently, communication systems using radio frequency (RF) are the mainstream of functional devices. In the case of wireless communication devices such as mobile phones, tablet PCs, and medical devices, they can transmit an electrical signal from one device to another without a wire connection. However, this tech-nology is not suitable for the power transmission due to limitations such as low power efficiency and noise caused by interference from outside objects. Furthermore, the path loss is more severe when RF technology is applied to power transmission between an implanted human sensory system and external interfaces to transfer power, since 80 % of the human body is composed of water molecules. To overcome these limita-tions, this study focuses on magnetic induction (MI) system, which uses magnetic coupling of a pair of coils to transmit signals and power between devices. For magnetic fields, the path loss of water or other liquid media is smaller than that of RF waves. So far, most research results related with magnetic induction system have shown power transmission using macro-size coil structures. However, medical implant devices have the limit of the physical dimensions which requires the coil structure as small as possible. Unfortunately, a mi-cro-size antenna can have poor transmittance efficiency due to its size effect. Therefore, micro-size antennas with advanced structures should be investigated to overcome these challenges. This paper describes the coil designs and the characteristics of power transmission between a transmitter (Tx) and a receiver (Rx). To en-hance the magnetic inductance, a three dimensional magnetic core consisted of ZnO nano wires coated by a nickel (Ni) layer is added to the center of antenna structure. ZnO nano wires easily supply a large effective surface area with a vertical structural effect to the magnetic core structure, which induces a higher magnetic inductance with a ferro-magnetic material Ni. The magnetic induction coil with the magnetic core shows a high inductance value, a low reflection power and a strong power transmission.
more초록/요약
본 연구는 기존의 RF 방식이 아닌 자기장을 이용한 무선전력 송수신 및 통신 시스템개발을 다루고 있다. 일반적으로 통신 시스템에 사용되는 방식은 Radio Frequency (RF)를 주로 사용하였다. 하지만 RF 방식은 낮은 전력전송효율, 경로손실, 외부로부터 오는 잡음등과 같은 한계점으로 인하여 무선전력송수신 시스템에는 적합하지 않다. 또한 인체내부에 삽입되어 동작되는 인체삽입형 무선 임플란트에 RF 방식은 유해성을 가진다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 본 연구에서는 자기유도를 활용한 무선전력송수신 방법을 제시하였다. 송신단과 수신단 사이에 자기 커플링을 활용하여 전력을 무선으로 전달할 수 있다. 자기장을 이용한 무선전력송수신 방법은 RF 방식에 비하여 인체에 무해하다는 장점을 가진다. 인체삽입형 무선 임플란트 시스템은 밀리미터 단위의 작은 사이즈를 가진다. 이에 맞추어 밀리미터 단위의 송수신 시스템 자기장 안테나 개발이 필요하였다. 공간의 소모성을 줄이기 위하여 평평한 나선 형태의 자기장 안테나를 다양한 턴 수, 외부직경을 가지도록 포토리소그라피, 리프트 오프 공정을 사용하여 제작하였다. 또한 보다 높은 전송 효율을 얻기 위하여 Zno nano wire를 활용하여 Magnetic Core 라는 자심을 안테나의 중심에 적용시켰다. 자심은 높은 투자율을 가지는 니켈을 ZnO nano wire 겉면에 스퍼터링 기술을 활용하여 덮었다. 자심 구조체는 외부로 손실되는 자기장영역을 안테나의 중심으로 집중하게 만드는 역할을 한다. 자심 구조체를 적용한 마이크로사이즈 자기장 안테나의 인덕턴스값을 자심 구조체를 적용하지 않은 마이크로사이즈 자기장 안테나와 비교하였다. 자심 구조체를 적용한 자기장 안테나의 경우의 인덕턴스 값이 자심 구조체를 적용하지 않은 경우보다 높은 값을 가졌다. 무선 전력송수신 효율을 파악하기 위하여 공기중과 인체와 유사한 수중에서 실험하였다. 공기중과 수중에서 자기장을 이용한 무선전력송수신 효율은 비슷하였으며, 자심 구조체를 적용한 마이크로사이즈 자기장 안테나가 높은 무선전력송수신 효율을 보였다. 본 연구는 차세대 인체삽입형 무선 임플란트 기술에 핵심부분이 될 무선전력송수신을 실험하여 앞으로의 방향을 제시해주었다는 점에 대해서 의의를 가진다.
more목차
Ⅰ. INTRODUCTION 1--
1.1 Motivation 1--
1.2 History of power transmission 2--
1.3 Background principles of wireless power transmission 5--
1.3.1 Radio frequency (RF) system 5--
1.3.2 Magnetic Induction (MI) system 6--
1.3.3 Magnetic Resonance (MR) system 7--
1.4 Theory of magnetic field 9--
1.5 Antenna structure for power transmission 10--
1.5.1 Coil design 10--
1.5.2 Magnetic core (MC) structure 13--
Ⅱ. EXPERIMENT DETAILS 16--
2.1 Fabrication of the basic coil 16--
2.2 Designing magnetic core (MC) structure 19--
2.3 Experiment condition 20--
Ⅲ. RESULTS AND DISCUSSION 22--
3.1 Results of micro size antennas for the magnetic induction (MI) 22--
3.2 Electrical characteristics of basic coils 25--
3.2.1 Theoretical values of an inductance 25--
3.2.2 Measurement values of resistances and inductances 27--
3.2.3 Measurement values of a self-resonant frequency 29--
3.3 Electrical characteristics of magnetic core (MC) coils 32--
3.4 Power transmission 37--
3.4.1 In the air 37--
3.4.2 In the water 38--
3.4.3 The effect of matching a resonant frequency and impedance 39--
3.4.4 The effect of the power transmission over changing frequencies 41--
3.4.5 Matching a resonant frequency at Rx 42--
IV. CONCLUSION 44