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무선충전식 전기온구기는 다음 그림 1과 같이 인체의 경혈에 온구시술을 하는 온구기 유닛과 거기에 전력을 무선으로 공급하는 전원 유닛(Power unit)으로 구성된다.

Fig. 1. 
Composition of proposed wireless rechargeable electric heating moxibustion equipment

온구기 유닛의 단면은 그림 2와 같다. 경혈점에 접촉시켜 온구열을 인가하고 피부의 온도를 측정하는 온구팁(Moxa tip), 최적 시술 온도를 자동 제어하는 MCU(Micro Control Unit), 내부 전원용 Li-Poly 축전지 그리고 무선전력을 수전하는 수전 코일과 정류 및 제어 모듈로 구성이 된다. 온구시술 시에는 온구기 유닛의 온구팁을 경혈에 압착하여 가열하는데 가열온도와 시간은 MCU에 의해 최적제어 되어 보다 효과적인 온구시술이 가능하도록 한다.

Fig. 2. 
Cross section of wireless rechargeable electric heating moxibustion equipment

온구기 유닛의 전원은 내장된 Li-Poly 전지를 사용하고 그 충전 전력은 전원유닛에서 발생되는 AC 130KHz를 유도결합방식으로 수전하여 충당하게 된다.

그림 3과 같이 전원 유닛은 XMTR 보드와 송전 코일로 구성되며 이들을 수용하는 외함은 온구기 유닛를 충전할 때의 거치대 역할도 겸하며, 이 전원 유닛은 상용전원을 수전하여 정류 보드에서 DC로 변환한 후, 인버터 보드에서 130KHz의 교류로 변환되어 송전 코일에 공급한다.

Fig. 3. 
Power unit in charging time

송전 코일은 전원유닛 외함에 부착되어 있어서 충전 시, 메인 유닛을 거치대에 꽂으면 자동적으로 수전 코일 면이 송전코일 면에 정확히 위치하도록 되어 있다. 송·수전에 사용되는 코일은 평면형의 스파이더 코일이 되며 두 코일 간 전자유도결합으로 전자에너지가 전송된다.

본 온구기 시스템의 전원유닛과 온구기 유닛의 총체적 구성을 나타내는 전개도는 다음 그림 4와 같다. 통상적으로 병의원에서 사용하는 정격 온구온도는 43°이며 외부로 돌출된 온구팁만 발열하므로 발생되는 열로 인한 내부 시스템의 손상은 없다.

Fig. 4. 
Wireless rechargeable electric heating moxibustion equipment system diagram

무선충전 시스템은 전원과 부하 간의 전력전송효율이 가장 큰 문제가 된다. 본 온구기의 경우는 충전 시, 온구기 메인 유닛을 그림 3과 같이 중첩시킨다. 전원유닛의 송전코일과 온구기 메인유닛의 수전 코일의 자속은 서로 밀접히 쇄교하여 전형적인 전자유도결합이 성립하며 그 등가회로는 다음 그림 5 와 같다.

Fig. 5. 
Equivalent circuit of electromagnetic coupling system

여기서 N₁, N₂는 각각 송·수전 코일의 권선수, L₁, L₂는 누설 인덕턴스, r₁, r₂는 각각 송전회로와 수전회로의 직렬 등가 저항 그리고 R_L은 부하이다.

전자유도식 결합방식에서 효율을 좌우하는 것은 주로 송·수전 코일간의 누설자속으로 인한 누설 인덕턴스이다. 이 회로에서 전송전력을 최대로 하기 위해서는 2차 회로에 직렬 또는 병열로 콘덴서를 삽입하여 누설 인덕턴스 성분을 상쇄시킨 후, 2차 측에 환산된 등가저항을 부하저항과 같아지도록 코일의 권선비 (n = N₁/N₂)를 정해주면 된다.

콘덴서를 직렬로 삽입한 그림 6의 경우, 식 (1)의 C₂ 값에 의해 누설 인덕턴스는 상쇄되어 최대 전송효율(η_max)을 얻을 수가 있고 그 때의 부하저항 즉, 정부하(R_Lm)는 식 (3)과 같이 된다.

단, α=k122Q1Q2=ωM2r1r2, Q1=ωL1r1, Q2=ωL2r2 이다.

Fig. 6. 
Series resonant electromagnetic coupling

식 (2)에 의하면 α가 클수록 전송효율이 커지는데 α는 결합계수 k의 제곱에 비례함으로 이 값을 크게 할 수 있는 코일 조합을 도출하면 된다. 이 밖에도 ω를 증가시켜 Q를 높이는 방법도 있으나 ω는 주위 환경에 대한 EMC 규제와 회로구현의 난이도에서 제한을 받기 때문에 본 기에서는 130~140 KHz 범위를 선택한다.

본 온구기는 충전 시 메인유닛을 전원유닛 위에 올려놓아 충전하는 형식으로 되어있다. 따라서 두 코일 간의 전자결합을 최대화하기 위해서는 두 코일을 스파이럴 형으로 하여 코일 평면을 서로 밀착할 수 있도록 할 필요가 있다.

스파이럴 형 코일의 인덕턴스는 Neumann의 식으로부터 이론적으로 식 (4)와 같이 구해진다.

N : 권선수, d : 권선부분의 폭(cm), r : 권선부분의 평균반경(cm)

일반적으로 대면한 한 쌍의 스파이더 코일의 결합계수 k는 코일1의 내·외경 D_i1,D_o1과 코일2의 내·외경 D_i2,D_o2, 그리고 두 코일간의 간격 g에 의해 정해진다. 그런데 본 기의 경우는 수전 코일이 온구기 메인유닛의 하부에 부착하도록 되어 있기 때문에 코일의 내·외경 D_i2와 D_o2는 온구기 메인유닛 외함의 크기와 형상에 의해 일방적으로 정해진다. 따라서 권선부의 폭 d, 권선반경 r 도 자동으로 정해지니 식 (4)에 이 값을 대입하면 권선수 N₂를 구할 수가 있다. 또 권선의 굵기는 ϕ = N₂/d의 관계로 부터 구할 수가 있다.

그림 7은 이렇게 하여 구해진 수전 코일의 데이터 이며 그림 8은 시작품의 외관이다.

Fig. 7. 
Specifications of receiving coil

Fig. 8. 
Prototype receiving coil

설계한 수전 코일을 적용하여 수전부를 설계 제작하였는데 그림 9는 그 회로도이다.

Fig. 9. 
Circuit diagram of power receiver

수전 코일 L₂는 C2S와 함께 직렬 공진회로를 형성하여 최대전력을 D₈ D₉으로 구성된 정류회로에 공급하고 그 출력은 10uF의 평활 콘덴서를 거쳐서 DC 화 된 후, 칩의 IN 단자에 입력된다. 입력된 DC 전력은 칩 내부에서 정전압 제어되어 BAT 단자에서 8.2V가 출력되어 최종부하인 Li-Poly 전지를 충전한다.

이 칩은 자동충전제어회로가 부하 인 Li-Poly 전지의 단자전압과 온도 등을 항시 감지하여 항상 안정적으로 충전이 진행될 수 있도록 하는 기능을 내장하고 있다.

이 칩의 또 하나의 특징은 수전코일에 입력하는 전력이 IN 단자의 문턱전압을 초과할 정도로 강력한 경우 DHC기능이 작동하여 자동으로 6.5nF의 콘덴서를 공진회로에 병열로 삽입함으로서 입력공진 회로의 공진특성을 변조하여 입력전압을 조정함으로서 파손을 방지하는 기능도 있다. 그림 10은 시작한 수전부 PCB 보드의 외관도 이다.

Fig. 10. 
Appearance of power receiver unit

송전코일은 전원 유닛의 거치대가 충전 시 온구 메인유닛을 고정시키는 구조로 되어야 하기 때문에 D_o1의 크기는 메인유닛의 외함 직경 크기에 약간의 구조적 여유 h를 두면 된다. 따라서 D_o1 = D_o2 + h 가 되어 일의적으로 구해진다. D_i1은 이 조건 하에서 k가 최대가 될 수 있는 크기를 선택하면 되는데 실험결과에 의하면 두 코일의 간격지수 g/D_o1 이 0.5 이하에서는 주어진 외경 하에서 내경의 크기는 k에 큰 영향을 미치지 않는다는 것이 밝혀져 있다. 따라서 송전코일의 D_i1은 기계적 여건이 허락하는 내에서 적게 할 수 있다.

D_i1과 D_o1이 정해 지면 권선부의 폭 d와 평균반경 r은 자동적으로 정해지기 때문에 역시 식 (4) 에 의해 권선수 N₁을 구할 수가 있다. 그림 11은 이렇게 하여 결정된 송전코일의 사양이고 송전코일의 외관은 그림 12와 같다.

Fig. 11. 
Specifications of transmission coil

Fig. 12. 
Prototype of transmission coil

3.2에서 설계한 송전코일을 사용하여 그림 13과 같은 LC 발진회로를 구성하였으며 그림 14와 같이 시작품을 제작하였다.

Fig. 13. 
Circuit diagram of transmission unit

Fig. 14. 
Appearance of prototype transmission part (transmission coil and oscillation board)

본 온구기는 경혈을 가열하는 히터로서 반도체의 접합부 발열현상을 이용하는 것이 특징이다. 반도체 칩의 접합부 온도는 접합부 전류를 제어함으로서 세밀하게 제어할 수가 있을 뿐 아니라 열용량이 적기 때문에 귀환 제어의 응답 시정수가 매우 짧다는 장점이 있다.

본 기에서 선정한 반도체칩은 접합부 온도가 150℃ 까지도 허용됨으로 최고시술온도가 42~46℃ 범위를 넘지 않는 온구시술에는 충분한 여유를 두고 사용할 수가 있다.

한편, 온도 센서도 종래 방식이 PTC와 같은 감온소자를 사용하는데 비해서 본 기에서는 가열 칩과 동일 패키지에 봉입되어 있는 반도체 칩을 이용한다. PN 접합의 역포화 전류는 매우 민감한 온도특성을 지니고 있고 열용량도 극히 적기 때문에 칩 내의 온도를 실시간으로 검출할 수가 있다.

본 온구기는 반도체를 온구기 팁으로 사용하여 보다 정교하고 간편한 온도제어시스템을 구현하였다. 블록도는 그림 15와 같다.

Fig. 15. 
A block diagram of a wireless rechargeable electric heating moxibustion equipment using a composite semiconductor

전기식 온구기의 가장 큰 장점은 온구시술온도와 시간을 환자에 따라 최적 제어할 수가 있다는 점이다. 본기에 내장된 MCU는 위의 두 반도체 칩을 이용하여 그림 16과 같은 온도제어 시스템을 구성함으로서 가열칩의 온도가 항상 설정치를 유지하도록 제어한다. 그림 17은 이것을 위한 제어 알고리즘이다.

Fig. 16. 
Temperature control system configuration of the wireless rechargeable electric heating moxibustion equipment

Fig. 17. 
Temperature control algorithm of the wireless rechargeable electric heating moxibustion equipment

설정온도는 온구시술의 경우, 대체로 42℃~46℃ 범위에서 기준치가 정해지는데, 이 값은 환자의 체질과 상태 등에 따라 최적 권장치를 산출하여 미리 입력해 둘 수가 있다[12].

위의 온구부를 메인 조작, 표시부와 함께 온구기의 메인 PCB 상에 그림 18, 19와 같이 구성하였다.

Fig. 18. 
Main PCB (Top, Bottom)

Fig. 19. 
Control and display board

위의 3.1, 3.3, 4.3항에서 시작한 세 부품을 조립하여 그림 20, 21과 같이 온구기 메인 유닛을 구현하였다.

Fig. 20. 
Schematic of the warmer main unit

Fig. 21. 
Main unit of warmer main unit

위 Ⅲ항에서 시작한 전원유닛과 온구기유닛에 관하여 그림 22와 같은 측정 시스템을 구성하고 이 전원유닛과 온구기 메인 유닛 사이의 무선전력 전송특성을 측정하였다.

Fig. 22. 
Measurement system of power transmission characteristic

5.1.1 최종 전력 전송 효율 특성

온구기유닛의 전지충전단자에 정합등가저항 R_L을 접속하여 그 단자전압 V_DCout와 I_DCout을 측정하고 그 때의 송전 유닛의 DC 전원입력전력, 즉, I_DCin, V_DCin 을 측정하여 식 (5) 로부터 구하였다.

ηT=VDCout⋅IDCoutVDCin⋅IDCin

(5)

그림 23은 이 값을 두 코일간의 간격 g 를 변수로 하여 그 때의 수전코일의 단자전압V_iRX와 최대효율 η_T 간의 관계를 도시한 것이다.

Fig. 23. 
Changes I_DCout in receiving coil voltage V_iRx and maximum transfer efficiency η_T and charging current according to the gap g between coils

여기서 간격 g가 0.6mm에서 최대효율 45% 에 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 이 효율은 메인 유닛내의 모든 손실을 포함한 것임으로 이 수준의 소형 시스템에서는 극히 우수한 효율이라 할 수가 있다. 간격이 0.6 mm 이하에서 효율이 낮은 것은 입력전압이 LTC4120의 문턱치를 초과하였기 때문에 DHC가 작동하여 공진회로를 detuning 시킨 결과이다.

5.1.3 중심축 편차의 특성

대면하고 있는 송전코일과 수전코일의 중심축이 서로 벗어나면 k의 저하로 당연히 수전전력이 저하한다. 그림 24와 그림 25는 두 코일의 중심축의 상대편이율 l/l₀을 각 각 0.5와 0.8이 되도록 편이 시킨 상태에서 η_T와 I_DCout 특성을 측정한 것이다. 여기서 l는 그림 26에서와 같이 편이된 수전코일의 중심점의 위치이고 l₀는 수전코일의 외경이 송전코일의 외경에 닿을 정도로 편이한 경우의 중심점의 위치이다.

Fig. 24. 
Characteristics in l/l₀ =0.5

Fig. 25. 
Characteristics = 0.8

Fig. 26. 
Explanatory diagram of l/l₀

두 코일의 상대적 수평위치 편차가 커지면 효율은 떨어지지만 I_DCout는 200mA에서 5% 내외의 변화에 그치고 있어서 충전기능에는 이상이 없다는 것을 알 수가 있다. 이것은 LTC4120의 DHC기능과 출력 레귤레이터 기능이 작동하고 있는 것으로 보인다.

시작한 온구부의 온도제어특성을 측정하기 위하여 먼저 온구팁 끝에 디지털 온도계(DM6804A+)의 센서를 부착한 후, 전원 스위치를 t₀ 에서 on 하여 경과시간 t에 대한 온구팁 표면의 온도변화 T를 측정하였다. 그림 27은 그 결과를 도시한 것이다.

Fig. 27. 
Temperature characteristics of the wireless rechargeable electric heating moxibustion equipment

이 그래프에서 보면 t₀에 on 되어 28℃로부터 정격온구온도인 43°C 까지 도달하는데 소요되는 시간은 약 180sec로서 재래의 전기온구기에 비해서 월등히 빠르다. 이것은 본 기의 온구 팁이 반도체 칩으로 되어 있어서 열용량이 대단히 적은데 기인한다. 그 후에는 off 되는 t₂까지 MCU의 귀환제어 루틴에 의해 43℃(±0.5℃)를 유지한다. t₂에서 off 된 후 체온까지 하강하는데 소요되는 냉각시간은 약 180sec가 된다. 이 냉각시간은 재래의 쑥뜸시술에 있어서 소진한 쑥이 자연 냉각하여 경혈점의 온도가 체온으로 돌아오는 시간에 비하면 훨씬 짧다. 그러나 임상에 있어서 이 냉각시간이 보다 길어야 할 필요가 생기면 MCU의 제어 알고리즘을 조정함으로서 필요량만큼 연장시킬 수가 있다.