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KR101378550B1 - 무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기 - Google Patents

무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기 Download PDF

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Abstract

무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기를 개시한다.
본 발명의 일측에 따른 무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기는, 박막 형태의 제1 전송 선로부와, 박막 형태의 제2 전송 선로부 및 상기 제1 전송 선로부의 특정 위치에 삽입되는 커패시터를 포함한다.
무선 전력 전송, 공진기, 박막 형 공진기,

Description

무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기{THIN FILM TYPE RESONTOR IN WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM}
기술분야는, 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로서, 무선전력 전송을 위한 박막형 공진기에 관한 것이다.
최근, 무선으로 전력을 전송하는 기술들에 관한 관심이 증가하고 있다. 특히, 핸드폰, 노트북, MP3 플레이어 등 다양한 유형의 모바일 디바이스들에 무선으로 전력을 공급하는 것은 좋은 무선 전력 전송 기술들의 좋은 어플리케이션이다. 무선 전력 전송 기술들 중 하나는 RF 소자들의 공명(resonance) 특성을 이용한다.
공명 특성을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 전력을 공급하는 소스와 전력을 공급받는 데스티네이션(destination)을 포함할 수 있다. 이 때, 데스티네이션이 모바일 디바이스인 경우, 소스와 데스티네이션은 서로 가까이 위치한다. 따라서, 공명기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에서, 공명기는 짧은 전력 전송 거리를 가질 필요가 있다. 이 때, 공명기는 짧은 전력 전송 거리를 제공하기 위하여 일반적으로 큰 폼 팩터(Form Factor)를 갖는다.
다만, 큰 폼 팩터를 갖는 무선 전력 전송을 위한 공명기의 물리적인 사이즈는 상대적으로 커질 수 있으며, 전력 전송 효율은 상대적으로 낮을 수 있다. 특히, 무선 전력 전송을 위한 일반적인 공명기에서, 공진 주파수는 공진기의 물리적인 사이즈에 의존한다. 이러한 것은 무선 전력 전송을 위한 공진기의 사이즈를 줄이는 데에 장애가 될 수 있다.
따라서, 무선 전력 전송을 위한 공명기를 상대적으로 작은 사이즈로 제작하고, 효율을 높일 필요가 있다.
본 발명의 일측에 따른 무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기는, 박막 형태의 제1 전송 선로부와, 박막 형태의 제2 전송 선로부 및 상기 제1 전송 선로부의 특정 위치에 삽입되는 커패시터를 포함한다.
상기 커패시터는, 상기 박막 형 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 설계될 수 있다.
상기 커패시터는, 상기 박막 형 공진기가 대상 주파수에서 zero 투자율 또는 음의 투자율을 갖도록 설계될 수 있다.
상기 제1 전송 선로부 및 상기 제2 전송 선로부는 적층 구조를 형성하도록 설계될 수 있다.
상기 제1 전송 선로부 및 상기 제2 전송 선로부의 적층 구조는 강 자성체 또는 해당 주파수에서 투자율이 높은 magneto-dielectric structure를 포함할 수 있다.
무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기는, 상기 제1 전송 선로부에 전류를 공급하는 마이크로 스트립(Micro-strip) 라인을 더 포함할 수 있다.
무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기는, 상기 박막 형 공진기를 피 접착체에 접착하기 위한 접착층을 더 포함할 수 있다.
공진주파수가 공진기의 크기에 무관한 박막형 MNG 공진기가 제공된다.
별도의 임피던스 매칭회로가 필요 없는 박막형 공진기가 제공된다.
휴대 및 소형화가 용이하고, 도체 손실을 최소화 할 수 있으며, 전송효율을 증가시킬 수 있는 박막형 공진기가 제공된다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 관련기술에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1은 공명 특성을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 소스(110) 및 데스티네이션(120)을 포함한다. 여기서, 소스(110)는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공명기 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공명기, 또는 메타 구조(meta-structured) 공명기를 이용하여 데스티네이션(120)으로 전력을 공급한다고 가정한다.
헬릭스(helix) 코일 구조의 공명기 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공명기와 같이 루프 코일 구조의 공명기의 물리적인 사이즈는 원하는 공진 주파수에 의존한다.
예를 들어, 원하는 공진 주파수가 10Mhz인 경우, 헬릭스 코일 구조의 공명기의 직경은 0.6m이고, 스파이럴 코일 구조의 공명기의 직경 역시 0.6m 이다. 이 때, 원하는 공진 주파수가 감소함에 따라 헬릭스 코일 구조의 공명기 및 스파이럴 코일 구조의 공명기의 직경은 증가해야 한다.
공진 주파수가 변함에 따라 공명기의 물리적인 사이즈가 변하는 것은 좋지 않다. 극단적인 예를 들어, 공진 주파수가 매우 낮은 경우, 공명기의 사이즈는 매우 클 수 있으며, 이러한 것은 실용적이지 않을 수 있다. 따라서, 공진 주파수에 대해 독립적인 사이즈를 갖는 무선 전력 전송을 위한 공진기를 설계할 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기는, 전송선로부(210) 및 커패시터(220)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기는, 피딩부(230)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전송선로부(210)는 박막 형태를 가지며, 강한 자계 커플링(magnetic field coupling)을 위하여 적층 구조로 배치될 수 있다. 적층 구조로 배치되는 구성은, 도 3을 통하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 3을 참조하면, 전송선로부(210)는 박막 형태의 제1 전송 선로부(211) 및 박막 형태의 제2 전송 선로부(213)를 포함할 수 있다.
커패시터(220)는, 제1 전송 선로부(211)의 특정 위치에 삽입된다. 이때, 커패시터(220)는 제1 전송 선로부(211)의 어떠한 곳이라도 직렬로 삽입될 수 있다. 이때, 공진기에 생성되는 전계(electric field)는 커패시터(220)에 갇히게 된다.
커패시터(220)는 집중 소자(lumped element 및 분산 소자(distributed element), 예를 들어 인터디지털(interdigital) 커패시터나 높은 유전율을 갖는 기판을 가운데다 둔 갭(gap) 커패시터 등의 형태로 제1 전송 선로부(211)에 삽입될 수 있다. 커패시터(220)가 제1 전송 선로부(211)에 삽입됨에 따라, 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다.
여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다. 대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 라이트핸디드 물질(Right Handed Material; RHM)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 1보다 작은 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 튜자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negatvive) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 커패시터(220)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(220)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 영(zero) 또는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기는 박막 형 MNG(Mu Negative) 공진기로 불려질 수 있다.
상기 박막 형 MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. 박막 형 MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 박막 형 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 박막 형 MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, 박막 형 MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 제1 전송 선로부(211)에 삽입된 직렬 커패시터(220)에 집중되므로, 직렬 커패시터(220)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다.
또한, MNG 공진기는 집중 소자로의 커패시터(220)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.
피딩부(230)는 제1 전송 선로부(211)에 전류를 공급하는 마이크로 스트립(Micro-strip) 라인으로 구성될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형 공진기는 임피던스 매칭을 위한 별도의 매칭 수단이 필요 없는 구조를 갖는다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형 공진기의 측면도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형 공진기는, 더 강한 자계 커플링(magnetic couping)을 유도 하기 위하여 적층 구조로 배치될 수 있다. 즉, 제2 전송 선로부(213)는 강한 커플링이 유도되도록, 제1 전송 선로부(211)에 적층될 수 있다. 이때, 제2 전송 선로부(213)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 전송 선로부(211)와 완전히 동일한 구조를 가질 필요는 없다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형 공진기는, 제1 전송 선로부(211)와 제2 전송 선로부(213) 사이에 유전층(dielectric material layer)(340)을 포함하여 구성될 수 있다. 유전층(340)은, 박막 형 공진기의 마그네틱 필드를 증가시키도록 설계될 수 있다. 이때, 유전층(340)은 예를 들어, 강자성체 또는 자기유전구조(magneto-dielectric structure)로 구성될 수 있다. 강자성체 또는 자기유전구조(magneto-dielectric structure)는, 무선 전력 전송 효율을 증가시키는 효과를 가져올 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 박막형 공진기는 도 5 또는 도 6에 도시된 바와 같이, 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형 공진기의 다양한 구현 예들을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형 공진기는, 제1 전송 선로부(211), 제2 전송 선로부(213), 유전층(340) 및 접착층(550)을 포함한다. 접착층(550)은, 박막 형 공진기를 피 접착체에 접착하기 위한 재질로 구현될 수 있다. 이에 따라, 박막형 공진기는 휴대용 기기들의 커버에 부착될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형 공진기는, 제1 전송 선로부(211), 제2 전송 선로부(213) 및 기판층(660)을 포함한다. 기판층(660)은 휴대용 기기에 구비되는 PCB 기판일 수 있다. 도 6에 도시된 구현 예에 따라서, 본 발명은 휴대용 기기에 내장될 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 박막 형 공진기의 적층 구조가 2개인 경우를 예를 들어 설명하였으나, 적층 구조는 3개 이상일 수 있다. 적층 구조가 3개 이상인 경우, 공진기의 두께는 증가하지만, 자계(magnetic field)의 커플링(coupling)이 더 증가하여 전송효율이 증가 된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 관련기술에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형 공진기의 측면도를 나타낸다.
도 4는 제2 전송 선로부의 정면도를 나타낸다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형 공진기의 다양한 구현 예들을 나타낸다.

Claims (7)

  1. 무선 전력 전송을 위한 공진기에 있어서,
    박막 형태의 제1 전송 선로부;
    박막 형태이고, 상기 제1 전송 선로부와 전기적으로 연결되어 있는 제2 전송 선로부; 및
    상기 제1 전송 선로부의 양단 사이에 전기적으로 직렬로 연결되는 커패시터를 포함하고,
    상기 제1 전송 선로부 및 상기 제2 전송 선로부는 전기적으로 병렬 연결된,
    무선 전력 전송을 위한 박막 형(Thin Film Type) 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터는 갭(gap) 커패시터의 형태로 상기 제1 전송 선로부의 상기 양단 사이에 삽입되는,
    무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터는, 상기 박막 형 공진기가 공진 주파수에서 영(zero) 또는 음의 투자율을 갖도록 설계되는,
    무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전송 선로부 및 상기 제2 전송 선로부는 적층 구조를 형성하도록 설계되는, 무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전송 선로부 및 상기 제2 전송 선로부의 적층 구조는 상기 제1 전송 선로부 및 상기 제2 전송 선로부 사이의 유전층(dielectric material layer)을 더 포함하고,
    상기 유전층은 강 자성체 또는 자기유전구조(magneto-dielectric structure)를 포함하는,
    무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전송 선로부에 전류를 공급하는 피딩(feeding)부를 더 포함하고,
    상기 피딩부는 마이크로 스트립(Micro-strip) 라인을 포함하는,
    무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 박막 형 공진기를 피 접착체에 접착하기 위한 접착층을 더 포함하는, 무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기.
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