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KR101789836B1 - 누설 에너지 수집 장치 - Google Patents

누설 에너지 수집 장치 Download PDF

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KR101789836B1
KR101789836B1 KR1020120019957A KR20120019957A KR101789836B1 KR 101789836 B1 KR101789836 B1 KR 101789836B1 KR 1020120019957 A KR1020120019957 A KR 1020120019957A KR 20120019957 A KR20120019957 A KR 20120019957A KR 101789836 B1 KR101789836 B1 KR 101789836B1
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coil
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loop coil
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조인귀
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윤재훈
변우진
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 누설 에너지 수집 장치에 관한 것으로, 에너지 송신 장치의 송신부로부터 방사된 에너지가 에너지 수신 장치의 수신부로 전달되는 과정에서 누설되는 에너지를 수집하는 에너지 수집부 및 에너지 수집부에 의해 수집된 에너지를 부하에 공급하는 수집회로모듈을 포함하며, 본 발명에 따르면 무선 전력 전송 시스템의 성능에 거의 영향을 주지 않으면서 누설되는 에너지를 수집할 수 있기 때문에 전체적인 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있다.

Description

누설 에너지 수집 장치{APPARATUS FOR HARVESTING THE LEAKAGE ENERGY}
본 발명은 누설 에너지 수집 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기 공진 또는 전자기 유도 현상을 이용하는 무선 전력 전송 시스템에서 누설 에너지를 수집할 수 있는 누설 에너지 수집 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기를 동력원으로 하여 구동되는 기기들은 전력선을 통해 전력을 전달받는다. 하지만, 이러한 전력선의 사용은 기기의 이동성을 저해하거나 위치적 제약을 수반하는 문제점이 있었다.
최근 스마트폰을 비롯한 모바일 기기의 사용이 급증하면서 무선 충전 기술에 대한 수요가 증가함에 따라 무선으로 전력을 전송할 수 있는 무선 전력 전송 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
무선으로 전력을 전달하는 기술은 전기 에너지를 무선 전송이 가능한 전자기파 또는 광파로 변환하고 전계, 자계 또는 전자계를 이용하여 전력을 전달하며, 전송방식에 따라 크게 전자기 유도 방식, 자기 공진 방식, 마이크로파 방식 등으로 구분될 수 있다.
전자기 유도 방식은 두 개의 코일에 유도전류를 일으켜 에너지를 전달하는 방식이고, 자기 공진 방식은 두 매체가 같은 주파수로 공진할 경우 전자기파가 근거리 자기장을 통해 한 매체에서 다른 매체로 이동하는 감쇄파 결합현상을 이용하는 방식이며, 마이크로파 방식은 안테나를 통해 마이크로파 신호를 공기 중에 방사하여 에너지를 전달하는 방식이다.
이러한 무선 전력 전송 시스템에서는 공진체 또는 방사체로부터 방사되는 물리량이 공간을 통과하여 수신체로 전달되는 과정에서 누설되는 물리량이 필연적으로 존재하게 된다.
이처럼 공간으로 누설되는 에너지는 무선 전력 전송 시스템에서 손실로 작용하기 때문에, 전체적인 전송 효율 및 에너지 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 특허공개공보 제2011-0117732호(2011.10.27 공개, 발명의 명칭 : 무선 에너지 전달)가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 무선 전력 전송 시스템에 거의 영향을 주지 않으면서 누설되는 에너지를 수집하여 에너지 효율을 높일 수 있도록 하는 누설 에너지 수집 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 누설 에너지 수집 장치는 에너지 송신 장치의 송신부로부터 방사된 에너지가 에너지 수신 장치의 수신부로 전달되는 과정에서 누설되는 에너지를 수집하는 에너지 수집부; 및 상기 에너지 수집부에 의해 수집된 에너지를 부하에 공급하는 수집회로모듈을 포함한다.
본 발명에서 상기 에너지 수집부는 상기 송신부 또는 수신부의 외측에 배치되며, 그 일측이 개방된 내부 루프 코일; 및 상기 내부 루프 코일의 외측에 배치되며, 그 일측이 개방된 외부 루프 코일을 포함하되, 상기 내부 루프 코일과 상기 외부 루프 코일의 개방측이 서로 연결되어 단일 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 에너지 수집부는 상기 송신부 측에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 에너지 수집부는 상기 송신부 또는 수신부의 외측에 일정거리 이격되어 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 송신부와 상기 수신부는 각각 송신코일 및 수신코일인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 무선 전력 전송 시스템의 에너지 송신 장치에서 방사된 에너지가 에너지 수신 장치로 전달되는 과정에서 누설되는 에너지를 루프 형태의 수집코일을 통해 수집할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 누설 에너지 수집 장치에 구비되는 내부 루프 코일과 외부 루프 코일의 개방측이 연결되어 단일 폐루프를 형성하기 때문에 무선 전력 전송 시스템의 성능에 거의 영향을 주지 않으면서 누설되는 에너지를 수집할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 수집한 에너지를 이용하여 소비전력이 낮은 소자나 기기를 구동시킬 수 있으므로 전체적인 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 설명하기 위한 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 설명하기 위한 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치의 에너지 수집 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 이용하는 경우 무선 전력 전송 시스템의 공진주파수의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 이용하는 경우 무선 전력 전송 시스템의 반사 손실의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 이용하는 경우 무선 전력 전송 시스템의 삽입 손실의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 이용하는 경우 무선 전력 전송 시스템에서 에너지 송신부와 에너지 수집부 간의 결합계수에 따른 손실 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 이용하는 경우 무선 전력 전송 시스템의 자계분포의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
이하에서는 본 발명에 따른 누설 에너지 수집 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 설명하기 위한 측면도이다.
또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 설명하기 위한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 설명하기 위한 정면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 에너지 송신 장치(10), 에너지 수신 장치(20) 및 누설 에너지 수집 장치(30)를 포함한다.
에너지 송신 장치(10)는 전송 대상이 되는 무선 RF 신호를 생성하고 이를 증폭하여 출력하는 송신회로모듈(13)과 송신회로모듈(13)로부터 무선 RF 신호를 전달받아 에너지 수신 장치(20)로 에너지를 방사하는 송신부(11)를 포함한다.
에너지 수신 장치(20)는 송신부(11)로부터 방사된 에너지를 수신하여 수신회로모듈(23)로 전달하는 수신부(21)와 수신부(21)로부터 에너지를 전달받아 부하에 공급하는 수신회로모듈(23)을 포함한다.
이때, 송신부(11)와 수신부(21)는 각각 전자기 유도를 통해 에너지를 전달하거나 전달받을 수 있는 송신코일(110) 및 수신코일(210)일 수 있고, 자기 공진 방식을 이용하여 에너지를 전달하거나 전달받을 수 있는 공진체(미도시)일 수도 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치(30)는 에너지 송신 장치(10)에서 방사된 에너지가 에너지 수신 장치(20)에 전달되는 과정에서 누설되는 에너지를 수집하며, 에너지 수집부(31)와 수집회로모듈(33)를 포함한다.
에너지 수집부(31)는 송신부(11)의 외측에 일정거리 이격되게 배치되어 송신부(11)에서 누설되는 에너지를 수집할 수 있다.
이때, 에너지 수집부(31)는 송신부(11)가 아닌 수신부(21)의 외측에 이격되게 배치되어 수신부(21)에서 누설되는 에너지를 수집할 수도 있고, 기타 다양한 위치에 배치되는 것도 가능하지만 에너지 수집 효율 측면에서 에너지가 방사되는 송신부(11) 측에 배치되는 것이 바람직하다.
이러한 에너지 수집부(31)는 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 송신코일(110) 또는 수신코일(210)에서 누설되는 에너지를 수집하는 루프 형태의 수집코일(310)일 수 있으며, 수집코일(310)은 도 4에 도시된 바와 같이 내부 루프 코일(311) 및 외부 루프 코일(312)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 내부 루프 코일(311)과 외부 루프 코일(312)을 포함하는 수집코일(310)은 전류가 흐를 수 있는 도체로 이루어질 수 있다.
도 4를 참조하면, 내부 루프 코일(311)은 송신코일(110)이나 수신코일(210)보다 일정거리(d)만큼 큰 직경을 가지도록 형성될 수 있고, 외부 루프 코일(312)은 내부 루프 코일(311)보다 더 큰 직경을 가지도록 형성될 수 있다.
즉, 내부 루프 코일(311)과 외부 루프 코일(312)은 송신코일(110) 또는 수신코일(210)로부터 일정거리(d)만큼 이격되어 동심원 형태로 배치될 수 있다.
이러한 내부 루프 코일(311)과 외부 루프 코일(312)은 도 4에 도시된 바아ㅗ 같이, 각각 일측이 개방될 수 있고, 내부 루프 코일(311)과 외부 루프 코일(312)의 개방측이 서로 연결되어 단일 폐루프를 형성할 수 있는데 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.
수집회로모듈(33)은 에너지 수집부(31)에서 수집한 에너지를 전달받아 소자나 기기 등의 부하에 공급한다.
에너지 수집부(31)에서 수집되는 에너지는 적은 양이기 때문에 수집회로모듈(33)은 LED(Light Emitting Diode) 램프 등과 같이 소비전력이 낮은 소자나 기기에 에너지를 공급하는 것이 바람직하며, 이러한 동작에 의해 전체적인 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치의 에너지 수집 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
한편, 전술한 바와 같이 수집코일(310)을 구성하는 내부 루프 코일(311)과 외부 루프 코일(312)은 각각 일측이 개방될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 내부 루프 코일(311)과 외부 루프 코일(312)의 각 개방측이 서로 연결되어 단일 폐루프를 형성할 수 있다.
이때, 에너지 수집량은 내부 루프 코일(311)과 외부 루프 코일(312)에 의해 형성되는 폐곡면의 면적에 비례하기 때문에 내부 루프 코일(311)과 외부 루프 코일(312)의 직경을 적절히 조절하여 원하는 만큼의 에너지를 수집할 수 있다.
이와 같이 내부 루프 코일(311)과 외부 루프 코일(312)의 개방측이 서로 연결되어 단일 폐루프를 형성하도록 구성되면, 에너지 송신 장치(10)와 에너지 수신 장치(20)를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에 거의 영향을 주지 않으면서 누설되는 에너지를 수집할 수 있게 된다.
도 5에는 내부 루프 코일(311)과 외부 루프 코일(312)의 개방측이 서로 연결되어 단일 폐루프를 형성하는 경우 각 코일에 흐르는 전류의 방향이 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 송신코일(110)에 반시계방향으로 전류가 흐른다고 가정하면, 렌츠의 법칙에 따라 내부 루프 코일(311)에는 송신코일(110)과 반대 방향인 시계방향으로 전류가 흐르게 된다.
이때, 내부 루프 코일(311)과 외부 루프 코일(312)은 단일 폐루프로 연결되어 있기 때문에, 외부 루프 코일(312)에는 내부 루프 코일(311)과 반대 방향인 반시계방향으로 전류가 흐르게 된다.
송신코일(110)과 반대 방향으로 흐르는 전류는 송신코일(110)로부터 전력이 원활하게 전송되는 것을 방해하게 되지만, 본 발명에서는 외부 루프 코일(312)에 송신코일(110)과 같은 방향의 전류가 흐르기 때문에, 내부 루프 코일(311)에 의한 영향을 상쇄할 수 있어 송신코일(110)의 전력 전송에 거의 영향을 주지 않게 된다.
도 6에는 단일 루프 코일(313)을 이용하여 에너지를 수집하는 경우와 서로 연결되지 않은 두 개의 루프 코일(314,315)을 이용하여 에너지를 수집하는 경우에 각 코일에 흐르는 전류의 방향이 도시되어 있다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 단일 루프 코일(313)을 이용하는 경우, 단일 루프 코일(313)에는 송신코일(110)에 흐르는 전류와 반대 방향의 전류가 흐르게 되기 때문에 송신코일(110)의 전력 전송을 방해하게 된다.
또한, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 서로 연결되지 않은 두 개의 루프 코일(314,315)을 이용하는 경우, 송신코일(110)에서 발생하는 에너지의 영향이 지배적이기 때문에 서로 연결되지 않은 두 개의 루프 코일(314,315) 모두에는 송신코일(110)과 반대 방향의 전류가 흐르게 되어 송신코일(110)의 전력 전송을 방해하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 누설 에너지 수집 장치(30)에 따르면, 내부 루프 코일(311)과 외부 루프 코일(312)의 개방측이 서로 연결되어 단일 폐루프를 형성함에 따라 송신코일(110)의 전력 전송에 영향을 거의 주지 않으면서 누설되는 에너지를 수집할 수 있기 때문에 에너지 효율을 높일 수 있다.
이러한 본 발명의 효과에 대해 도 7 내지 도 11을 참조하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 이용하는 경우 무선 전력 전송 시스템의 공진주파수 변화를 설명하기 위한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 이용하는 경우 무선 전력 전송 시스템의 반사 손실의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
또한, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 이용하는 경우 무선 전력 전송 시스템의 삽입 손실의 변화를 설명하기 위한 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 이용하는 경우 무선 전력 전송 시스템의 에너지 송신부와 에너지 수집부 간의 결합계수에 따른 손실 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
마지막으로, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 에너지 수집 장치를 이용하는 경우 무선 전력 전송 시스템의 자계분포의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7 내지 도 11에는 공통적으로 세 가지 경우의 계산 시뮬레이션 값이 도시되어 있다.
각각의 도면에서 (a)는 누설 에너지 수집 장치(30)가 없는 경우를 나타내고, (b)는 도 6의 (a)와 같이 단일 루프 코일(313)을 사용하는 경우를 나타내며, (c)는 본 발명에 따른 누설 에너지 수집 장치(30)를 사용하는 경우를 나타낸다.
시뮬레이션 수행 조건은 아래의 표 1과 같다.



공통조건
송신코일(110)
직경 60cm, 5.5 turns

수신코일(210)
직경 60cm, 5.5 turns

송신코일(110)과 수신코일(210)간 거리
90cm (중심-중심)


(b)
수집코일(310)
직경 129cm, 1 turn

송신코일(110)과 수집코일(310)간 거리
34.5cm(최외각-최외각, 수직축 기준)


(c)
수집코일(310)
내부직경 109cm, 외부직경 129cm
1 turn

송신코일(110)과 수집코일(310)간 거리
24.5cm(최외각-최외각, 수직축 기준)
도 7을 참조하면, 단일 루프 코일(313)을 이용하는 (b)의 경우 10.70[MHz]에서 공진이 발생하여 10.55[MHz]에서 공진이 발생하는 (a)에 비해 공진 주파수가 크게 변화하였으나 본 발명에 따른 (c)의 경우에는 (a)와 공진 주파수 측면에서 거의 차이가 없음을 확인할 수 있다.
마찬가지로, 도 8과 도 9를 참조하면 단일 루프 코일을 이용하는 (b)와 달리 본 발명에 따른 (c)의 경우, (a)와 반사 손실 및 삽입 손실 측면에서 거의 차이가 없음을 확인할 수 있다.
또한, 도 10에는 송신코일(110)과 수집코일(310) 간의 결합계수에 따른 손실이 도시되어 있는데, 이값이 '0'에 가까워질수록 송신코일(110)과 수집코일(310) 간의 결합계수가 높아서 원래 전송하려는 수신코일(210)보다 수집코일(310)로 더 많은 에너지가 전달되게 된다.
하지만, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 (c)의 경우 결합계수에 따른 손실이 대략 -20[dB] 정도이고, 이는 1/100 정도의 값에 해당하기 때문에 송신코일(110)의 전력 송신에 거의 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다.
마지막으로, 도 11에는 전력 전송이 최대가 되는 경우 무선 전력 전송 시스템의 자계분포가 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 단일 루프 코일(313)을 사용하는 (b)의 경우 자계와 루프 코일 간의 강한 결합이 발생하여 송신코일(110) 근방의 자계 분포가 일그러짐을 확인할 수 있고, 수신코일(210)에 에너지가 제대로 전달되지 않고 있음을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명에 따른 (c)의 경우, 누설 에너지 수집 장치(30)가 없는 (a)와 거의 동일한 자계 분포를 그대로 유지하고 있으며, 이를 통해 본 발명에 따른 누설 에너지 수집 장치(30)가 무선 전력 전송 시스템에 거의 영향을 주지 않음을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 누설 에너지 수집 장치(30)에 따르면, 무선 전력 전송 시스템의 에너지 송신 장치(10)에서 방사된 에너지가 에너지 수신 장치(20)로 전달되는 과정에서 누설되는 에너지를 루프 형태의 수집코일(310)을 통해 수집할 수 있다.
또한, 본 발명은 누설 에너지 수집 장치(30)에 구비되는 내부 루프 코일(311)과 외부 루프 코일(312)의 개방측이 서로 연결되어 단일 폐루프를 형성함에 따라 무선 전력 전송 시스템의 성능에 거의 영향을 주지 않으면서 누설되는 에너지를 수집할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 수집한 에너지를 이용하여 소비전력이 낮은 소자나 기기를 구동시킬 수 있으므로 전체적인 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 에너지를 수집하는 수집코일(310)이 송신코일(110) 측에 배치되는 경우에 대해 주로 설명하였으나, 수집코일(310)이 배치되는 위치는 이에 한정되지 아니하며, 수집코일(310)이 수신코일(210) 측에 배치되는 것도 가능하다 할 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10 : 에너지 송신 장치
11 : 송신부 110 : 송신코일
13 : 송신회로모듈
20 : 에너지 수신 장치
21 : 수신부 210 : 수신코일
23 : 수신회로모듈
30 : 누설 에너지 수집 장치
31 : 에너지 수집부 310 : 수집코일
311 : 내부 루프 코일 312 : 외부 루프 코일
33 : 수집회로모듈

Claims (5)

  1. 에너지 송신 장치의 송신부로부터 방사된 에너지가 에너지 수신 장치의 수신부로 전달되는 과정에서 누설되는 에너지를 수집하는 에너지 수집부; 및
    상기 에너지 수집부는
    상기 송신부 또는 수신부의 외측에 배치되며, 그 일측이 개방된 내부 루프 코일; 및
    상기 내부 루프 코일의 외측에 배치되며, 그 일측이 개방된 외부 루프 코일을 포함하되,
    상기 내부 루프 코일과 상기 외부 루프 코일의 개방측이 서로 연결되어 단일 폐루프를 형성하는 것을 특징으로하며,
    상기 에너지 수집부에 의해 수집된 에너지를 부하에 공급하는 수집회로모듈을 포함하는 누설 에너지 수집 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지 수집부는 상기 송신부 측에 위치하는 것을 특징으로 하는 누설 에너지 수집 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지 수집부는 상기 송신부 또는 수신부의 외측에 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 누설 에너지 수집 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 송신부와 상기 수신부는 각각 송신코일 및 수신코일인 것을 특징으로 하는 누설 에너지 수집 장치.
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