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KR20100055069A - 높은 큐의 영차 근접 자기장 공진기를 이용한 무선 전력 전송 장치 - Google Patents

높은 큐의 영차 근접 자기장 공진기를 이용한 무선 전력 전송 장치 Download PDF

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KR20100055069A
KR20100055069A KR1020080113986A KR20080113986A KR20100055069A KR 20100055069 A KR20100055069 A KR 20100055069A KR 1020080113986 A KR1020080113986 A KR 1020080113986A KR 20080113986 A KR20080113986 A KR 20080113986A KR 20100055069 A KR20100055069 A KR 20100055069A
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Abstract

무선으로 전력을 전송하는 장치가 개시된다. 본 발명의 일양상에 따른 무선 전력전송장치는 메타물질(metamaterial)의 특성을 갖는 높은 큐의 영차 근접 자기장 공진기(high Q near magnetic field resonator)를 포함한다. 이에 의해 이동통신 단말이나 멀티미디어 단말기 등에 무선으로 전력을 공급할 수 있는 소형 전력공급장치를 만들 수 있다. 그리고, 이때 사용되는 공진기는 DNG(Double negative) 또는 ENG(Epsilon negative) 구조를 이용한 영차(zeroth-order) 공진기이기 때문에, 작고 구조가 간단하게 구현할 수 있다.
공진기, 전력전송, 메타물질

Description

높은 큐의 영차 근접 자기장 공진기를 이용한 무선 전력 전송 장치 {Apparatus of wireless power transmission using high Q near magnetic field resonator}
본 발명의 일양상에 따른 기술분야는 전력 전송에 관한 것이며, 보다 상세하게는 무선으로 전력을 전송하는 장치에 관한 것이다.
정보처리, 멀티미디어 및 이동통신 등의 분야에서 사용되는 여러가지 기능의 휴대장치가 증가함에 따라, 이들 휴대장치의 전원공급이나 충전을 위한 보다 편리한 방법이 강구될 필요가 있다.
이들 휴대장치들은 전원공급을 위한 인터페이스가 서로 상이할 수 있으므로 여러종류의 휴대장치를 다수 가지고 있는 경우에는 각각의 규격에 맞는 전원공급 또는 충전 기기를 각각 가지고 있어야 한다.
이러한 불편함을 해소하기 위해 최근에는 유선을 사용하지 않고 무선으로 전력을 공급할 수 있는 무선 전력전송(wireless power transmission) 기술이 연구되고 있다. 무선 전력전송 기술이 실용화 된다면 현재 사용되고 있는 유선 충전 기술을 대체하여 언제 어디서나 보다 간편하게 휴대장치에 전원을 공급하거나 충전할 수 있을 뿐만 아니라 폐건전지를 줄일 수 있어 환경오염방지에도 일조할 수 있다 .
무선 전력전송 방법의 하나로, 순간적 웨이브 커플링(evanescent wave coupling)의 전자기 공진 방식을 이용하여 무선으로 근거리 대전력 전송에 대한 기술이 연구되고 있다. 그러나 이 기술은 근접장(near field)을 이용하는 것으로, 근거리에서 전력을 전송하기 위해서는 낮은 주파수를 이용해야 하므로 아직까지는공진기(resonator)의 크기가 매우 커진다.
아울러, 인체에 영향을 최소화하면서 전력을 전송하기 위해서는 전기장(electrical field)이 아닌 자기장(magnetic field)을 이용한 공진기가 필요하다. 가장 많이 사용되고 있는 근접 자기장 공진기(near magnetic field resonator)는 루프 공진기(loop resonator)를 사용하고 있다.
그러나, 근거리에서 전력을 효율적으로 전송하기 위해서는 주파수를 낮추어야 하는데, 이를 위해서는 루프 공진기의 크기를 크게 해야 하므로 휴대장치나 일반적인 생활가전제품에 이용하기가 어렵다.
따라서, 본 발명의 일 양상에 따라, 메타물질(metamaterial)의 특성을 갖는 높은 큐의 영차 근접 자기장 공진기(high Q near magnetic field resonator)를 이용한 무선 전력 전송 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 양상에 따른 무선 전력전송장치는 메타물질(metamaterial)의 특성을 갖는 높은 큐의 영차 근접 자기장 공진기(high Q near magnetic field resonator)를 포함한다.
이때, 영차 근접 자기장 공진기는, DNG 메타물질의 특성 또는 ENG 메타물질의 특성을 가지며, DNG 특성의 메타물질의 특성은 전송라인에 직렬 커패시터(series capacitor)와 분로 인덕터(shunt inductor)를 포함하는 공진회로로 구현될 수 있다. 그리고, ENG 특성의 메타물질의 특성은 전송라인에 분로 인덕터(shunt inductor)를 포함하는 공진회로로 구현될 수 있다.
또한, ENG 특성의 공진회로는 기판에 적어도 하나의 비아를 형성하여, 공진회로의 Q 값을 높이거나, 기판에 슬롯을 형성하여 전류의 흐름 경로를 길게 하여 인덕터를 형성할 수 있다. 그리고, 기판은 페라이트(ferrite)로 만들어져 전기장을 기판내에 가두고 자기장의 세기를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 이동통신 단말이나 멀티미디어 단말기 등에 무선으로 전력을 공급할 수 있는 소형 전력공급장치를 만들 수 있다. 그리고, 이때 사용되는 공진기는 DNG(Double negative) 또는 ENG(Epsilon negative) 구조를 이용한 영차(zeroth-order) 공진기이기 때문에, 작고 구조가 간단한 특징을 가지고 있다.
그리고, 하나 이상의 비아(via)을 이용하여 큐(Q, Quality factor) 값을 높게 할 수 있기 때문에 근접장 공진 커플링(near field resonance coupling)을 이용하여 무선 전력 전송이 가능하다.
또한, 영차(Zeroth-order) 공진모드를 이용하므로, 근접장(near field)에서 자기장(magnetic field)이 전기장(electrical field)가 훨씬 더 크게 되어, 무선으로 전력을 전송할 때 인체에 미치는 영향을 최소화 할 수 있다
아울러 메타물질 구조를 가지므로, 공진기의 공진 주파수가 주파수에 비례하지 않으며, 이에 따라 저주파에서 기존의 루프 공진기(loop resonator)보다 훨씬 작은 소형 공진기 제작도 가능하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 영차 공진기의 공진결합에 의한 무선 전력전송장치의 개념도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송장치(100)는 영차 공진기(zeroth-order resonator)를 구비한다 휴대장치(110)도 영차 공진기를 구비하고 있어 공진 커플링(resonance coupling)에 의한 자기장을 통해 전력을 공급받는다. 공급받은 전력은 휴대장치(110)의 밧데리에 충전될 수 있다.
영차 공진기(zeroth-order resonator)는 일반적으로 원거리장(far-field)을 이용한 안테나 용도로 많이 연구되고 있다. 그러나 원래 영차 공진기는 평판구조(planar structure)이고 높은 큐(Q)값을 가지며 전송효율이 낮아, 오히려 근접장(near field)을 활용한 응용분야에 더 적합한 특징을 가지고 있다. 그러나 근접장을 활용한 적절한 응용분야가 없어 지금까지는 원거리장(far-field)을 이용한 안테나 분야의 활용이 활발하게 연구되고 있는 실정이다.
영차 공진기(zeroth-order resonator)는, 자기장(magnetic field)이 전기장(electrical field) 보다 우세한 근접장(near field) 공진기(resonator)로의 활용이 가능하다. 이러한 특성을 활용하여 본 발명의 일실시예에서는 작고 높은 Q 값을 갖는 근접 자기장(near magnetic field) 공진기를 제공한다.
공진 결합(Resonance coupling) 방식의 무선 전력전송은 근접장(near field)을 이용한다. 그리고, 다음 수학식 1과 같이 Q가 높을수록 에너지 전송효율이 높다. 여기서 K는 공진결합의 결합세기, Γ 는 1/Q를 의미한다.
전송효율 η = K / Γ
전술한, 수학식 1에서와 같이 Q 값이 상대적으로 높고, 공진 주파수가 주파수와 상관없는 영차 공진기(zeroth-order resonator)를 이용하면, 소형이면서 전력전송효율이 높은 공진기를 구현할 수 있다.
또한, 영차 공진기는 공진 주파수에서의 필드(field)의 형태가 마그네틱 다이폴(magnetic dipole) 형태를 가지므로, 근접장에서는 자기장(magnetic field)이 전기장(electrical field) 보다 우세(dominant)하다. 따라서, 인체에 무해한 자기 장 커플링(magnetic field coupling)을 통해 전력을 전송할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 전송선로를 이용한 메타물질의 특성을 구현한 등가회로의 일예를 도시한 도면이다.
보다 상세하게는 도 2a 및 도 2b는 전송선로(Transmission Line, TL)를 이용하여 DNG(Double negative) 특성 또는 ENG(Epsilon negative) 특성을 갖는 등가회로이다. 메타물질은 유전율과 투자율의 부호에 따라 유전율과 투자율이 모두 허수인 DNG(Double negative)와, 투자율은 양수이고 유전율만 허수인 ENG(epsilon negative) 및 유전율 양수이고 투자율만 허수인 MNG(mu negative)로 분류된다.
도 2a를 참조하면, 분로 커패시터(shunt capacitor) CR (210)과 직렬 인덕터(series inductor) LR (220)은 일반적인 전송선로에서의 소자이고(Right handed TL), 직렬 커패시터(series capacitor) CL (230)과 분로 인덕터(shunt inductor) LL (240)을 추가하여 DNG 특성을 가지는 전송선로를 만들 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 2b를 참조하면, 분로 커패시터(shunt capacitor) CR (210)과 직렬 인덕터(series inductor) LR (220)에 분로 인덕터(shunt inductor) LL (240)만을 추가하여 ENG 특성을 가지는 전송선로를 만들 수 있음을 알 수 있다.
도 3은 DNG 전송선로, ENG 전송선로의 분산곡선(dispersion curve)을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, DNG 전송선로 및 ENG 전송선로 모두 영차(zeroth-order), 즉 n=0 에서 공진모드를 가짐을 알 수 있다. 그리고, ENG 전송선로 공진기가 DNG 전송선로 공진기보다 영차 공진시 낮은 주파수에서 공진함을 알 수 있다. 따라서, ENG 전송선로 구조가 DNG 전송선로 구조보다 작은 공진기를 만들 수 있는 장점을 가지고 있다.
도 4는 영차 공진모드에서 전기장(electric field)과 자기장(magnetic field)의 분포를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 영차 공진모드에서 전기장(410)은 기판(substrate)과 상판(top plate) 사이에만 존재하고, 자기장은 마치 마그네틱 다이폴(magnetic dipole)과 같이 공진기 주변을 돌고 있는 것을 알 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기는 자기장을 사용하므로 자기장은 외부로 발산되고, 인체에 유해한 전기장은 기판내에 갖히도록 하는 것이 좋은데, 도 4를 참조하면 본 발명의 일실시예에 따라 공진기를 구현하면 전기장이 기판내에 갖히게 됨을 알 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 ENG 구조의 공진기의 구현예를 도시한 도면이다.
회로적으로 도 5a는 도 2b의 회로에 대응된다. 즉, DNG 구조에서 필요한 직렬 커패시터(series capacitor)가 없는 것과 회로적으로 등가이다. 또한, 높은 Q을 갖는 공진기를 만들기 위해 분로 인덕터(shunt L) 역할을 하는 비아(via)(511, 512, 513)를 하나 이상 형성할 수 있음을 알 수 있다. 이때 비아(via)(511, 512, 513)를 하나 이상 사용하므로 높은 Q을 얻을 수 있다.
영차 ENG 공진기, DNG 공진기에서 Q 값은 다음 수학식 2에 따라 계산될 수 있다. 여기서 ω0는 공진 주파수(radian 값으로 표현됨)이다.
Q= R/(ω0LL)
Q 값은 총 에너지 손실 합에 대한 커패시터나 인덕터같은 리액티브 소자에 축적된 에너지의 비이다. 이상적인 공진회로는 인덕터와 커패시터로 구성되어서 한소자로부터 다음 소자로 전류를 교환함으로써 에너지를 축적한다.
수학식 2를 참조하면, Q 값을 높이기 위해 분로 인덕터 LL값을 작게 하여야 하므로, 이를 위해 본 발명의 일실시예에서는 하나 이상의 비아(via)를 사용할 수 있다. 일예로 도 5a에서는 3개의 비아(511, 512, 513)를 사용하여 1개의 비아를 사용하는 경우보다 Q 값을 3배로 크게 하였다. 그러나 비아의 갯수는 한정될 필요는 없다.
한편, 도 5b에 도시한 바와 같이, 기판(510)에 전류의 흐름 경로를 길게 하는 슬롯(slot)(520)을 형성하여 결과적으로 분로 인덕터 LL의 역할을 하도록 할 수도 있다. 이 때, 슬롯의 길이 등은 원하는 Q 값에 따라 달리 형성될 수 있으며 기판트(510)의 형태에도 제한이 없다. 또한, 기판은 페라이트(ferrite)로 만들수 있는데, 페라이트의 특성에 따라 전기장은 더 기판내에 갖히게 되고, 자기장의 세기(strength)는 증가된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 ENG 높은 큐의 영차 공진기(ENG high Q zeroth-order resonator) 등가회로를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 3개의 분로 인덕터(shunt inductor) LL(611, 612, 613)을 병렬로 사용하는 것은, 회로적으로 이들 3개의 분로 인덕터와 등가값을 갖는 1/3LL(620)을 병렬로 연결하는 것과 동일함을 알 수 있다.
이제까지 본 발명의 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 영차 공진기의 공진결합에 의한 무선 전력전송장치의 개념도,
도 2a 및 도 2b는 전송선로를 이용한 메타물질의 특성을 구현한 등가회로의 일예를 도시한 도면,
도 3은 DNG 전송선로, ENG 전송선로의 분산곡선(dispersion curve)을 도시한 도면,
도 4는 영차 공진모드에서 전기장(electric field)과 자기장(magnetic field)의 분포를 도시한 도면,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 ENG 구조의 공진기의 구현예를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 ENG 높은 큐의 영차 공진기(ENG high Q zeroth-order resonator) 등가회로를 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
100 : 무선 전력전송장치 110 : 휴대장치
210 : 분로 커패시터 220 : 직렬 인덕터
230 : 직렬 커패시터 240 : 분로 인덕터
410 : 전기장 420 : 자기장
510 : 기판 511 : 비아

Claims (7)

  1. 메타물질(metamaterial)의 특성을 갖는 높은 큐의 영차 근접 자기장 공진기(high Q near magnetic field resonator)를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 영차 근접 자기장 공진기는
    DNG 메타물질의 특성 또는 ENG 메타물질의 특성을 갖는 무선 전력 전송 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 DNG 특성의 메타물질의 특성은 전송라인에 직렬 커패시터(series capacitor)와 분로 인덕터(shunt inductor)를 포함하는 공진회로로 구현되는 무선 전력 전송 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 ENG 특성의 메타물질의 특성은 전송라인에 분로 인덕터(shunt inductor)를 포함하는 공진회로로 구현되는 무선 전력 전송 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 ENG 특성의 공진회로는 기판에 적어도 하나의 비아를 형성하여, 상기 공진회로의 Q 값을 높이는 무선 전력 전송 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 ENG 특성의 공진회로는 기판에 슬롯을 형성하여 전류의 흐름 경로를 길게 하여 인덕터를 형성하는 무선 전력 전송 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 기판은 페라이트(ferrite)로 만들어져 전기장을 기판내에 가두고 자기장의 세기를 증가시키는 무선 전력 전송 장치.
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