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KR20140059722A - 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기 - Google Patents

무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기 Download PDF

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KR20140059722A
KR20140059722A KR1020130128727A KR20130128727A KR20140059722A KR 20140059722 A KR20140059722 A KR 20140059722A KR 1020130128727 A KR1020130128727 A KR 1020130128727A KR 20130128727 A KR20130128727 A KR 20130128727A KR 20140059722 A KR20140059722 A KR 20140059722A
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resonator
wireless power
metal layer
power receiver
wireless
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김홍권
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는, 무선 전력 수신기에 충전 전력을 제공하는 공진기와; 상기 공진기와 기설정된 간격으로 배치된 금속층을 포함하고, 상기 공진기의 선폭은 상기 공진기와 상기 금속층 사이의 상기 기설정된 간격보다 작다.

Description

무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기{WIRELESS POWER TRANSMITTER AND WIRELESS POWER RECEIVER}
본 발명은 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기에 관한 것이다.
휴대폰 또는 PDA(Personal Digital Assistants) 등과 같은 이동 단말기는 그 특성상 재충전이 가능한 배터리로 구동되며, 이동 단말기의 사용자는 이러한 배터리를 충전하기 위해서 별도의 충전 장치를 이용하여 이동 단말기의 배터리에 전기 에너지를 공급한다. 통상적으로 충전 장치와 배터리는 접촉 단자들을 각각 구비하며, 사용자는 접촉 단자들을 서로 접촉시켜서 충전 장치와 배터리를 전기적으로 연결한다.
하지만, 이와 같은 접촉식 충전 방식은 접촉 단자가 외부에 노출되어 있으므로, 각 접촉 단자는 이물질에 의한 오염이 쉽고, 이러한 이유로 배터리 충전이 올바르게 수행되지 않을 수 있다. 또한 접촉 단자가 습기에 노출되는 경우에도 충전이 올바르게 수행되지 않는다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 근래에는 무선 충전 또는 무접점 충전 기술이 개발되어 최근 많은 전자 기기에 활용되고 있다.
이러한 무선 충전 기술에서는 전력을 무선으로 송신 및/또는 수신하며, 예를 들어 휴대폰을 별도의 충전 커넥터에 연결하지 않고, 단지 충전 패드에 올려 놓기만 하면 자동으로 배터리가 충전될 수 있도록 하는 시스템을 제공한다. 이러한 무선 충전 시스템은 무선 전동 칫솔이나 무선 전기 면도기 등으로 일반인들에게 알려져 있다. 이러한 무선 충전 기술은 전자 제품을 무선으로 충전함으로써 방수 기능을 제공할 수 있고, 유선 충전기가 필요하지 않으므로 전자 기기의 휴대성을 높일 수 있는 장점이 있으며, 다가오는 전기차 시대에도 관련 기술이 크게 발전할 것으로 전망된다.
이러한 무선 충전 기술에는 크게 코일을 이용한 전자기 유도 방식과, 공진(Resonance)을 이용하는 공진 방식과, 전기적 에너지를 마이크로파로 변환시켜 전달하는 전파 방사(RF/microwave Radiation) 방식이 있다.
현재까지는 전자기 유도를 이용한 방식이 주류를 이루고 있으나, 최근 국내외에서 마이크로파를 이용하여 수십 미터 거리에서 무선으로 전력을 전송하는 실험에 성공하고 있어, 가까운 미래에는 언제 어디서나 전선 없이 모든 전자 제품을 무선으로 충전하는 세상이 열릴 것으로 보인다.
전자기 유도에 의한 전력 전송 방법은 1차 코일과 2차 코일 간에 전력을 전송하는 방식이다. 코일 근처에서 자석을 움직이면 코일에 유도 전류가 발생하는데, 이를 이용하여 송신단에서 자기장을 발생시키고 수신단에서 자기장의 변화에 따라 전류가 유도되어 에너지를 만들어 낸다. 이러한 현상을 자기 유도 현상이라고 일컬으며 이를 이용한 전력 전송 방법은 에너지 전송 효율이 뛰어나다.
공진 방식은, 2005년 MIT의 마린 솔라치치(Marin Soljacic) 교수팀이 결합 모드 원리(Coupled Mode Theory)라고 칭하는 공진 방식 전력 전송 원리를 사용하여 충전 장치와 몇 미터(m)나 떨어져 있어도 전기가 무선으로 전달되는 시스템을 발표했다. MIT 마린 솔라치치 교수팀의 무선 충전 시스템은 소리 굽쇠를 울리면 옆에 있는 와인 잔도 그와 같은 진동수로 울리는 공진(resonance)이란 물리학 개념을 이용한 것이다. MIT 마린 솔라치치 교수팀은 소리를 공진시키는 대신, 전기 에너지를 담은 전자기파를 공진시켰다. 공진된 전기 에너지는 공진 주파수를 가진 기기가 존재할 경우에만 직접 전달되고 사용되지 않는 부분은 공기 중으로 퍼지는 대신 전자기장(즉, 전자기파)으로 재흡수되기 때문에 다른 전자파와는 달리 주변의 기기나 신체에는 영향을 미치지 않을 것으로 보고 있다.
종래의 무선 전력 송신기 또는 무선 전력 수신기는 그 주위에 금속 물질이 위치한 경우, 금속 물질의 접지 효과에 의해 무선 전력 송신기 또는 무선 전력 수신기 내에 포함된 공진기의 고주파 특성이 변화하거나, 공진기가 특정 주파수에서 전력을 전송하거나 수신하는 기능 또는 특성 자체를 잃어버리는 현상이 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 전자기 차폐재를 이용할 수도 있으나, 이러한 경우에 제품 단가가 상승하며, 차폐재의 고주파 특성에 의하여 공진기의 효율 저하 및 공진 주파수 변화 등의 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 예는 종래 기술과 관련된 문제점들 및/또는 단점들 중의 적어도 하나를 적어도 부분적으로 해결, 경감 또는 제거한다.
본 발명의 적어도 일 실시 예는 전자기 차폐재의 사용을 최소화하거나 사용하지 않으면서도 주변 금속 물질에 의한 특성 변화를 방지할 수 있는 무선 전력 송신기 및/또는 무선 전력 수신기를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는, 무선 전력 수신기에 충전 전력을 제공하는 공진기와; 상기 공진기와 기설정된 간격으로 배치된 금속층을 포함하고, 상기 공진기의 선폭은 상기 공진기와 상기 금속층 사이의 상기 기설정된 간격보다 작다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는, 무선 전력 송신기로부터 충전 전력을 수신하는 공진기와; 상기 공진기와 기설정된 간격으로 배치된 금속층을 포함하고, 상기 공진기의 선폭은 상기 공진기와 상기 금속층 사이의 상기 기설정된 간격보다 작다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따라, 전자기 차폐재의 사용을 최소화하거나 사용하지 않으면서도 주변 금속 물질에 의한 특성 변화(예를 들어, 전력 전송 효율의 변화, 전자기장 변화 등)를 방지할 수 있는 무선 전력 송신기 및/또는 무선 전력 수신기가 제공된다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따라, 전자기 차폐재의 사용을 최소화하거나 사용하지 않으므로 제품 단가를 최소화한 무선 전력 송신기 및/또는 무선 전력 수신기가 제공된다.
도 1은 무선 충전 시스템을 예시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기를 예시한다.
도 3은 비교 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조를 나타낸다.
도 4는 금속 물질이 공진기의 특징에 미치는 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조를 나타낸다.
도 6은 비교 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조에 대한 스미스 차트의 일 예를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조에 대한 스미스 차트의 일 예를 나타낸다.
도 8은 비교 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조에 대한 스미스 차트의 다른 예를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조에 대한 스미스 차트의 다른 예를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 한 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
도 1은 무선 충전 시스템을 예시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 무선 충전 시스템은 무선 전력 송신기(100) 및 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1, 110-2, 110-n)를 포함한다.
무선 전력 송신기(100)는 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1, 110-2, 110-n)의 각각에 무선으로 전력(1-1, 1-2, 1-n)을 송신할 수 있다. 무선 전력 송신기(100)는 미리 설정된 인증 절차를 통해 인증된 무선 전력 수신기에 대해서만 무선으로 전력(1-1, 1-2, 1-n)을 송신할 수도 있다.
무선 전력 송신기(100)는 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1, 110-2, 110-n)와 무선 연결을 형성할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신기(100)는 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1, 110-2, 110-n)로 전자기파를 통해 무선 전력을 송신할 수 있다.
적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1, 110-2, 110-n)는 무선 전력 송신기(100)로부터 무선 전력을 수신하여 내부에 구비된 배터리의 충전을 수행할 수 있다. 또한 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1, 110-2, 110-n)는 무선 전력 전송의 요청, 무선 전력 수신에 필요한 정보, 무선 전력 수신기(110-1, 110-2, 110-n)의 상태 정보 또는 무선 전력 송신기(100)를 제어하기 위한 정보(즉, 제어 정보) 등을 포함하는 메시지(2-1, 2-2, 2-n)를 무선 전력 송신기(100)로 송신할 수 있다. 이와 마찬가지로, 무선 전력 송신기(100)는 자신의 상태 정보, 무선 전력 수신기(110-1, 110-2, 110-n)를 제어하기 위한 정보(즉, 제어 정보) 등을 포함하는 메시지를 무선 전력 수신기(110-1, 110-2, 110-n)로 송신할 수도 있다.
또한, 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1, 110-2, 110-n)각각은 충전 상태를 나타내는 메시지를 무선 전력 송신기(100)로 송신할 수 있다.
무선 전력 송신기(100)는 디스플레이와 같은 표시부를 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n) 각각으로부터 수신한 메시지에 기초하여 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n) 각각의 상태를 표시할 수 있다. 아울러, 무선 전력 송신기(100)는 각각의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)가 충전이 완료되기까지 예상되는 시간을 함께 표시할 수도 있다.
무선 전력 송신기(100)는 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n) 각각에 무선 충전 기능을 디스에이블(disabled)하도록 하는 제어 신호(또는 제어 메시지)를 송신할 수도 있다. 무선 전력 송신기(100)로부터 무선 충전 기능의 디스에이블 제어 신호를 수신한 무선 전력 수신기는 무선 충전 기능을 디스에이블할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기를 예시한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(200)는 전력 송신부(211), 제어부(212), 통신부(213), 표시부(214) 및 저장부(215)를 포함할 수 있다. 또한 무선 전력 수신기(250)는 전력 수신부(251), 제어부(252) 및 통신부(253)를 포함할 수 있다.
전력 송신부(211)는 무선 전력 송신기(200)가 요구하는 전력을 제공할 수 있으며, 무선으로 무선 전력 수신기(250)에 전력을 제공할 수 있다. 여기에서, 전력 송신부(211)는 교류 파형의 형태로 전력을 공급할 수 있으며, 직류 파형의 전력을 인버터를 이용하여 교류 파형으로 변환하여 교류 파형의 전력을 공급할 수도 있다. 전력 송신부(211)는 내장된 배터리의 형태로 구현될 수도 있으며, 또는 전력 수신 인터페이스의 형태로 구현되어 외부로부터 전력을 수신하여 다른 구성 요소에 공급하는 형태로도 구현될 수 있다. 전력 송신부(211)는 교류 파형의 전력을 제공할 수 있는 수단이라면 제한이 없다는 것은 당업자가 용이하게 이해할 것이다.
제어부(212)는 무선 전력 송신기(200)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부(212)는 저장부(215)로부터 독출한 제어에 요구되는 알고리즘, 프로그램 또는 어플리케이션을 이용하여 무선 전력 송신기(200)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부(212)는 CPU, 마이크로프로세서, 미니 컴퓨터와 같은 형태로 구현될 수 있다.
통신부(213)는 무선 전력 수신기(250)와 소정의 방식으로 통신을 수행할 수 있다.
통신부(213)는 무선 전력 수신기(250)로부터 전력 정보를 수신할 수 있다. 여기에서 전력 정보는 무선 전력 수신기(250)의 용량, 배터리 잔량, 충전 횟수, 사용량, 배터리 용량, 배터리 비율 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 통신부(213)는 무선 전력 수신기(250)의 충전 기능을 제어하는 충전 기능 제어 신호를 송신할 수 있다. 충전 기능 제어 신호는 특정 무선 전력 수신기(250)의 무선 전력 수신부(251)를 제어하여 충전 기능을 인에이블(enabled) 또는 디스에이블(disabled)하게 하는 제어 신호일 수 있다.
통신부(213)는 무선 전력 수신기(250)뿐만 아니라, 다른 무선 전력 송신기(미도시)로부터의 신호를 수신할 수도 있다.
제어부(212)는 통신부(213)를 통해 무선 전력 수신기(250)로부터 수신한 메시지에 기초하여 무선 전력 수신기(250)의 상태를 표시부(214)에 표시할 수 있다. 또한, 제어부(212)는 무선 전력 수신기(250)가 충전이 완료되기까지 예상되는 시간을 표시부(214)에 표시할 수도 있다.
도 3은 비교 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조를 나타낸다.
전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조(300)는 공진기(301) 및 기구 또는 기판(303)을 포함한다. 공진기(301)는 일반적인 금속 물질로 이루어지고, 기구(303)는 절연 물질(또는 유전체)로 이루어진다.
전력 송신부(300)가 금속 물질 위에 놓이거나, 금속 물질이 공진기(301) 주위에 놓일 경우, 금속 물질의 접지 효과에 의해 공진기(301)의 고주파 특성이 변화하거나, 공진기(301)가 특정 주파수(즉, 미리 설정된 공진 주파수)에서 전력을 전송하는 기능 자체를 잃어버리는 현상이 발생할 수 있다.
도 4는 금속 물질이 공진기의 특징에 미치는 영향을 설명하기 위한 도면이다.
공진기(301)의 주위에 금속 물질(303)이 위치한 경우에, 공진기(301)의 임피던스가 급격하게 감소한다. 공진기(301) 및 금속 물질(303)은 d의 간격으로 이격된다. 공진기(301)는 미리 설정된 패턴을 갖는 도전성 라인 또는 라인들로 구성되며, 각 도전성 라인은 W의 선폭을 갖는다. 이때, 선폭은 도전성 라인의 길이 방향에 수직인 단면에서 도전성 라인의 금속 물질(303)의 표면에 평행한 축 상의 폭을 말한다.
W/d≤1 또는 W/d<1인 경우에는,하기 수학식 1에 의하여 공진기(301)의 임피던스 Z0가 결정된다.
Figure pat00001
수학식 1에서, ε0는 공기의 유전율을 나타낸다.
W/d<1의 경우는 공진기(301)를 이루는 도전성 라인의 선폭 W가 서로 대면하는 공진기(301)의 하면(바닥면)과 금속 물체의 상면(또는 접지면) 사이의 간격 d보다 작은 경우로서, 간격 d 및/또는 공진기(301)의 선폭 W의 변화에 따라서 공진기(301)의 임피던스 변화가 작다. 　공진기(301)의 임피던스가 일정한 범위 내의 값으로 유지되면 공진기(301)가 금속 물질(303) 위에 배치되더라도 공진기(301)의 특성이 계속적으로 유지될 수 있다. 즉, 공진기(301)가 금속 물질(303) 위에 배치되더라도, 공진기(301)의 고주파 특성, 또는 공진기(301)가 특정 주파수에서 전력을 전송하는 기능 또는 효율이 임계 범위(설계된 효율 ± 허용 오차(예를 들어, 설계된 효율의 0~5%, 5~10%, 10~15%, 15~20% 등)) 내에서 유지될 수 있다.
W/d≥1 또는 W/d>1인 경우에는, 하기 수학식 2에 의하여 공진기(301)의 임피던스 Z0가 결정된다.
Figure pat00002
W/d≥1의 경우는 공진기(301)를 이루는 도전성 라인의 선폭 W가 서로 대면하는 공진기(301)의 하면(바닥면)과 금속 물체의 상면(또는 접지면) 사이의 간격 d보다 큰 경우로서, 간격 d가 감소하고 공진기(301)의 선폭 W가 증가하면 공진기(301)의 임피던스가 감소한다. 공진기(301)의 임피던스가 감소하면 공진기(301)의 인덕턴스 값도 감소하고, 이러한 인덕턴스 값의 감소는, 공진기(301)가 무선 전력 수신기의 공진기(즉, 수신용 공진기)와 결합(coupling)하여 전력을 전달하는 특성을 상실하게 만들 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조를 나타낸다.
전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조(400)는 공진기(401), 기구 또는 기판(402) 및 금속층(403)을 포함한다.
공진기(401)는 루프, 나선 등의 미리 설정된 패턴을 갖는 도전성 라인 또는 라인들로 구성되며, 각 도전성 라인은 W의 선폭을 갖는다. 이때, 선폭은 도전성 라인의 길이 방향에 수직인 단면에서 도전성 라인의 금속층(403)의 표면에 평행한 축 상의 폭을 말한다. 공진기(401)는 도전성 라인들이 그 길이 방향에 수직인 단면에서 도전성 라인의 금속층(403)의 표면에 평행한 축을 따라 일정하거나 일정하지 않은 간격들로 배치된 패턴을 가질 수 있다. 공진기(401)는 금, 은, 구리 등의 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있다. 공진기(401)는 기구(303)의 상면에 직접 적층될 수 있다. 공진기(401)의 선폭은 0보다 크고 4.0㎜ 이하일 수 있다. 동일 단면에서 도전성 라인들 간의 간격은 0보다 크고 4.0㎜ 이하일 수 있다.
기구(303)의 상면에는 공진기(401)가 형성되어 있다. 기구(303)는 인쇄회로기판(printed circuit board: PCB)일 수 있으며, 기구(303)는 FR4(FR=Flame Retardant), 폴리올레핀계, PVC계, 폴리스틸렌계, 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 폴리아미드계 등의 절연 물질(또는 유전체)로 이루어질 수 있다. 본 예와 다르게, 공진기(401) 및 금속층(403)의 사이에 공기층만이 존재하거나, 공진기(401) 및 금속층(403)의 사이에 절연층(또는 유전층) 및 공기층의 조합이 존재할 수 있다. 공진기(401)는 금속층(403)의 상면에 직접 적층될 수 있다.
금속층(403)은 기구(303)의 하면 전체 또는 일부에 적층되며, 금속층(403)은 패턴이 없는 평판 형태를 가질 수 있다. 금속층(403)은 접지와 연결되거나 연결되지 않을 수 있다. 금속층(403)은 금, 은, 구리, 알루미늄, 철, 티타늄 등의 금속 또는 이러한 금속을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 금속층(403)은 20℃에서 2.38×106 S/m 이상의 전기 전도도(σ)를 가질 수 있고, 바람직하게는 20℃에서 3.5×107 S/m 이상의 전기 전도도(σ)를 가질 수 있다. 금속층(403)은 10-7 m 이상의 두께를 가질 수 있다.
공진기(401) 및 금속층(403)의 간격 d는 0.1㎜~4.0㎜의 범위 내에 있을 수 있고, W/d<1이 조건이 만족된다. 이러한 조건에서, 공진기(401)의 임피던스 Z0는 상기 수학식 1에 의해 결정될 수 있다. 공진기(401)의 선폭 W는 간격 d보다 작다.
본 발명의 실시 예에 의한 경우, 상기 수학식 1이 적용되어 공진기(401)의 임피던스 변동이 작다. 이에 따라, 차폐재의 사용이 최소화되거나 이용되지 않을 수 있다.
도 6은 비교 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조에 대한 스미스 차트의 일 예를 나타낸다. 스미스 차트에서 오른쪽부터 시작되는 원의 직경은 실수부를 의미하고, 오른쪽 끝에서 사방으로 퍼져 나가는 모양의 곡선은 허수부를 의미한다. 스미스 차트는 공진기의 반사 계수와 공진기의 임피던스의 관계를 나타낸다.
도 6의 (a)는 공진기의 주변에 금속 물질이 없는 경우에 S 파라미터들(Scattering Parameters) 중에서 입력 복소 반사 계수(input complex reflection coefficient) 또는 공진기의 임피던스를 나타내는 S11 파라미터의 궤적(510)을 나타낸다.
도 6의 (b)는 공진기의 주변에 금속 물질이 존재하는 경우에 S11 파라미터의 궤적(520)을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 공진기의 주변에 금속 물질이 존재함에 따라 S11 파라미터 궤적이 반시계 방향으로 회전(530)하여 이동된 것을 알 수 있으며, 이는 공진기의 인덕턴스 값이 급격히 감소하는 것을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조에 대한 스미스 차트의 일 예를 나타낸다.
도 7의 (a)는 공진기의 주변에 금속 물질이 없는 경우에 S11 파라미터의 궤적(540)을 나타낸다.
도 7의 (b)는 공진기의 주변에 금속 물질이 존재하는 경우에 S11 파라미터의 궤적(550)을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 공진기의 주변에 금속 물질이 존재하여도 S11 파라미터 궤적의 이동이 없다는 것을 알 수 있으며, 이는 공진기의 임피던스 변화가 없다는 것을 나타낸다.
도 8은 비교 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조에 대한 스미스 차트의 다른 예를 나타낸다.
도 8은 공진기의 주변에 금속 물질이 없는 경우에 S11 파라미터의 궤적(610)과, S 파라미터들 중에서 출력 복소 반사 계수(output complex reflection coefficient) 또는 공진기의 출력 임피던스를 나타내는 S22 파라미터의 궤적(620)을 나타낸다.
본 예에서, 공진기의 주변에 금속 물질이 존재하는 경우에 S11 파라미터와 S22 파라미터의 측정이 불가능하였다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조에 대한 스미스 차트의 다른 예를 나타낸다.
도 9의 (a)는 공진기의 주변에 금속 물질이 없는 경우에 S11 파라미터 궤적(630) 및 S22 파라미터 궤적(640)을 나타낸다.
도 9의 (b)는 공진기의 주변에 금속 물질이 존재하는 경우에 S11 파라미터 궤적(650) 및 S22 파라미터 궤적(660)을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 공진기의 주변에 금속 물질이 존재하여도 S11 파라미터 궤적 및 S22 파라미터 궤적의 이동이 거의 없다는 것을 알 수 있으며, 이는 공진기의 임피던스 변화가 거의 없다는 것을 나타낸다. 또한, S 파라미터들 중에서 순방향 복소 전달 계수(forward complex transmission coefficient)를 나타내는 S21 파라미터의 차이(ΔS21)는 -0.03㏈로서 극히 작은 변화를 나타내었다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조를 나타낸다. 본 실시 예의 공진 구조(700)는 도 5에 도시된 공진 구조(400)에서 금속층을 별도의 기판에 형성한 점에서만 차이가 있으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조(700)는 공진기(701), 기구(702), 보조 기판(704) 및 금속층(703)을 포함한다.
공진기(701)는 루프, 나선 등의 미리 설정된 패턴을 갖는 도전성 라인 또는 라인들로 구성되며, 각 도전성 라인은 W의 선폭을 갖는다.
기구(702)의 상면에는 공진기(701)가 형성되어 있다.
금속층(703)은 보조 기판(704)의 상면에 형성되며, 기구(702) 및 금속층(703)은 서로 이격되어 있다. 즉 기구(702) 및 금속층(703)의 사이에 공기층이 존재한다. 공진기(401) 및 금속층(403)의 간격 d는 10-7 m 이상, 바람직하게는 0.1㎜~4.0㎜의 범위 내에 있고, W/d<1이 조건이 만족된다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조를 나타낸다. 본 실시 예의 공진 구조(800)는 도 5에 도시된 공진 구조(400)에서 금속층을 별도의 기판에 형성하고 전체적인 배치를 달리한 점에서만 차이가 있으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
전력 송신부 또는 전력 수신부의 공진 구조(800)는 공진기(801), 기구(802), 보조 기판(804) 및 금속층(803)을 포함한다.
공진기(801)는 루프, 나선 등의 미리 설정된 패턴을 갖는 도전성 라인 또는 라인들로 구성되며, 각 도전성 라인은 W의 선폭을 갖는다.
기구(802)의 상면에는 공진기(801)가 형성되어 있다.
금속층(803)은 보조 기판(804)의 하면에 형성되며, 공진기(801) 및 금속층(803)은 서로 이격되어 있다. 즉 공진기(801) 및 금속층(803)의 사이에 공기층이 존재한다. 공진기(801) 및 금속층(803)의 간격 d는 10-7 m 이상, 바람직하게는 0.1㎜~4.0㎜의 범위 내에 있고, W/d<1이 조건이 만족된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시 예에 따른 공진 구조를 갖는 무선 전력 송신기 및/또는 무선 전력 수신기는 금속층과 일정 간격을 두고 특정 임피던스에 매칭된 높은 인덕턴스의 공진기를 포함하므로, 금속판 등과 같은 금속 물질이 주변에 있어도 금속 물질에 의한 임피던스 변화가 없어 공진기의 전력 전달 특성이 유지된다. 이러한 공진기는 높은 인덕턴스 값을 가지며, 특정 주파수에서 공진할 수 있도록 조정될 수 있다. 공진기의 특성 조정함에 있어서 공진기에 연결된 캐패시터 등의 소자를 이용할 수 있다. 예를 들어, 공진기에 연결된 캐패시터의 캐패시턴스 값 조절, 기타 다른 임피던스 조절 소자들의 특성 값들을 조절 등을 통해 무선 충전 시스템에서 요구되는 공진기의 임피던스를 설정하거나 시스템 요구에 부합하도록 공진기의 임피던스를 최적화할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 누구든지 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범주 내에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다. 따라서 본 발명은 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는다면 다양한 변형 실시가 가능할 것이며, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
200: 무선 전력 송신기, 211: 전력 송신부, 212: 제어부, 213: 통신부, 214: 표시부, 215: 저장부, 250; 무선 전력 수신기, 251: 전력 수신부, 252: 제어부, 253: 통신부

Claims (16)

  1. 무선 전력 송신기에 있어서,
    무선 전력 수신기에 충전 전력을 제공하는 공진기와;
    상기 공진기와 기설정된 간격으로 배치된 금속층을 포함하고,
    상기 공진기의 선폭은 상기 공진기와 상기 금속층 사이의 상기 기설정된 간격보다 작은, 무선 전력 송신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진기의 선폭은 0보다 크고 4.0㎜ 이하이며,
    상기 공진기의 도전성 라인들 간의 간격은 0보다 크고 4.0㎜ 이하인, 무선 전력 송신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공진기가 상면에 형성된 기구를 더 포함하며,
    상기 기구는 유전체로 이루어진, 무선 전력 송신기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공진기 및 상기 금속층의 사이에 공기층이 위치한, 무선 전력 송신기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 금, 은, 구리, 알루미늄, 철, 티타늄, 또는 이들 중 어느 하나를 포함하는 금속 또는 합금으로 이루어진, 무선 전력 송신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 20℃에서 2.38×106 S/m 이상의 전기 전도도를 갖는, 무선 전력 송신기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속층은 20℃에서 3.5×107 S/m 이상의 전기 전도도를 갖는, 무선 전력 송신기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공진기 및 상기 금속층의 간격은 0.1㎜~4.0㎜의 범위 내에 있는, 무선 전력 송신기.
  9. 무선 전력 수신기에 있어서,
    무선 전력 송신기로부터 충전 전력을 수신하는 공진기와;
    상기 공진기와 기설정된 간격으로 배치된 금속층을 포함하고,
    상기 공진기의 선폭은 상기 공진기와 상기 금속층 사이의 상기 기설정된 간격보다 작은, 무선 전력 수신기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공진기의 선폭은 0보다 크고 4.0㎜ 이하이며,
    상기 공진기의 도전성 라인들 간의 간격은 0보다 크고 4.0㎜ 이하인, 무선 전력 수신기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 공진기가 상면에 형성된 기구를 더 포함하며,
    상기 기구는 유전체로 이루어진, 무선 전력 수신기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 공진기 및 상기 금속층의 사이에 공기층이 위치한, 무선 전력 수신기.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 금속층은 금, 은, 구리, 알루미늄, 철, 티타늄, 또는 이들 중 어느 하나를 포함하는 금속 또는 합금으로 이루어진, 무선 전력 수신기.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 금속층은 20℃에서 2.38×106 S/m 이상의 전기 전도도를 갖는, 무선 전력 수신기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 금속층은 20℃에서 3.5×107 S/m 이상의 전기 전도도를 갖는, 무선 전력 수신기.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 공진기 및 상기 금속층의 간격은 0.1㎜~4.0㎜의 범위 내에 있는, 무선 전력 수신기.
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