KR20200131510A - 무선 전력 전송 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
무선 전력 전송 장치 및 방법이 제공된다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 생체 외부의 보조 코일을 활용하여 송신 코일 임피던스를 매칭하고, 보조 코일을 경유하여 무선 전력 수신 장치로 전력을 송신할 수 있다.
Description
이하, 전력을 무선으로 전송하는 기술이 제공된다.
무선 전력은, 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 따라서, 무선 전력 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스(source device)와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 디바이스(target device)를 포함한다. 이때, 소스 디바이스는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 타겟 디바이스는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다.
소스 디바이스는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 타겟 디바이스는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 생체 외부에 배치된 보조 코일과 상호 결합(mutual coupling)을 형성하도록 구성되는 송신 코일; 및 상기 송신 코일에 대한 전원(power source)에 의한 전력 공급을 제어함으로써, 상기 전력을 상호 결합에 의해 상기 송신 코일로부터 상기 보조 코일을 경유하여 생체 내부에 배치된 무선 전력 수신 장치로 무선 전송(wirelessly transmit)하는 제어부를 포함하고, 상기 송신 코일 및 상기 보조 코일 간의 간격은 변경 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 송신 코일은, 상기 수신 코일에 대해 임계값 미만의 상호 결합 계수(weakly coupling coefficient)를 가지는 구조를 가질 수 있다.
상기 송신 코일은, 상기 무선 전력 수신 장치의 수신 코일의 크기보다 큰 크기를 가질 수 있다.
상기 제어부는, 사용자로부터 전력 전송 입력이 수신된 경우에 응답하여, 전원(power source)으로부터 상기 송신 코일로 상기 전력을 전달할 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 상기 무선 전력 전송 장치 및 상기 보조 코일을 연결하고, 상기 무선 전력 전송 장치 및 상기 보조 코일 간의 간격을 조정 가능한 연결부를 더 포함할 수 있다.
상기 연결부는, 무선 전력 전송 장치에 부착되는 일면을 포함하는 제1 하우징; 상기 제1 하우징에 대해 회전 가능하게 상기 제1 하우징과 연결되고, 회전에 의해 제2 하우징의 일면 및 상기 제1 하우징의 일면 간의 거리가 변경되도록 구성되는 제2 하우징을 포함하고, 상기 보조 코일은, 상기 제2 하우징의 일면에 대해 평행하게 배치될 수 있다.
상기 제2 하우징은, 상기 보조 코일을 지지하면서 상기 제2 하우징 및 상기 보조 코일 중 적어도 하나에 대해 회전 가능하게 연결되고, 회전에 의해 상기 제2 하우징의 일면 및 상기 보조 코일 간의 거리가 변경되도록 구성되는 코일 지지 부재(coil supporting member)를 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 상기 보조 코일을 포함하고, 상기 무선 전력 전송 장치로부터 미리 정한 간격만큼 이격된 상기 보조 코일을 지지하는 보조 코일 모듈을 더 포함하고, 상기 보조 코일 모듈은, 다른 크기의 보조 코일을 포함하고 다른 간격을 가지는 구조의 다른 보조 코일 모듈로 교체 가능하도록 구성될 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 상기 보조 코일 모듈의 교체 지시 및 유지 지시 중 하나를 출력하는 출력부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 보조 코일 모듈이 교체된 경우에 응답하여, 상기 교체된 보조 코일 모듈에 의해 변화된 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 도달하였는지 여부에 따라 상기 교체된 보조 코일 모듈을 교체할 지 여부를 결정할 수 있다.
상기 보조 코일은, 생체의 표면에 부착될 수 있다.
상기 보조 코일은, 다른 크기의 코일로 교체 가능하도록 구성될 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 상기 보조 코일을 포함하는 보조 코일 모듈로부터 상기 보조 코일의 전력 관련 정보를 수신하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 전력 관련 정보에 기초하여 상기 송신 코일 및 상기 보조 코일 간의 간격 변경 및 간격 유지 중 하나를 지시하는 안내 정보(guidance information)를 출력할 수 있다.
상기 통신부는, 상기 무선 전력 전송 장치가 상기 보조 코일에 대해 일방향으로 이동하는 동안, 상기 보조 코일에 대한 상기 무선 전력 전송 장치의 복수의 간격들에서 상기 보조 코일 모듈로부터 상기 전력 관련 정보를 수집하고, 상기 제어부는, 상기 보조 코일에 대한 상기 무선 전력 전송 장치의 복수의 간격들 중 최대 세기가 센싱된 간격을 상기 수집된 전력 관련 정보에 기초하여 결정할 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 상기 전력 관련 정보를 수집하기 위해 사용자에게 상기 무선 전력 전송 장치를 상기 일방향으로 이동시키라는 지시 및 상기 최대 세기가 센싱된 간격에서 상기 무선 전력 전송 장치를 홀딩(hold)하라는 지시를 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 복수의 크기들의 보조 코일들을 포함하는 보조 코일 모듈로, 상기 보조 코일들 중 하나의 보조 코일을 활성화하는 신호를 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 보조 코일 모듈에 포함된 복수의 크기들의 보조 코일들 중 한 보조 코일을, 상기 보조 코일 모듈로부터 수신된 전력 관련 정보에 기초하여 선택하고, 상기 통신부는, 상기 선택된 보조 코일을 활성화하는 신호를 전송할 수 있다.
상기 통신부는, 상기 보조 코일들을 순차적으로 활성화하는 신호들을 상기 보조 코일 모듈로 전송하고, 상기 보조 코일 모듈에 의해 센싱된 상기 보조 코일들의 각각에 대한 전력 관련 정보를 순차적으로 수신하며, 상기 제어부는, 상기 보조 코일들 중 최대 세기가 센싱된 보조 코일을 선택할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 크기들의 보조 코일들 중 미리 결정된 간격 및 상기 무선 전력 수신 장치에 포함된 수신 코일의 미리 결정된 크기에 대응하는 보조 코일을 선택할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은 생체 외부에 배치된 보조 코일에 대한 간격이 변경 가능하도록 구성된, 송신 코일이 상기 보조 코일과 상호 결합을 형성하는 단계; 상기 송신 코일에 대한 전원에 의한 전력 공급을 제어함으로써, 상기 전력을 상호 결합에 의해 상기 송신 코일로부터 상기 보조 코일을 경유하여 생체 내부에 배치된 무선 전력 수신 장치로 무선 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 보조 코일 모듈 간의 간격 변경을 설명하는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 복수의 보조 코일을 포함하는 보조 코일 모듈을 설명하는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 목표 임피던스를 충족하는 수신 코일의 크기, 보조 코일의 크기, 송신 코일 및 보조 코일 간의 간격에 따른 그래프를 설명하는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 목표 임피던스를 충족하는 조건 하에서 간격 및 전력 전송 효율 간의 관계를 설명하는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 보조 코일 모듈이 생체에 부착된 예시를 설명하는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따라 생체에 부착되는 보조 코일 모듈이 교환되는 예시를 설명하는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 보조 코일 모듈이 무선 전력 전송 장치에 결합되는 예시를 설명하는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따라 무선 전력 전송 장치에 결합된 보조 코일 모듈이 교환되는 예시를 설명하는 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 보조 코일과의 간격이 가변 가능한 연결부 구조를 설명하는 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 송신 코일 임피던스 및 출력 임피던스의 매칭을 설명하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 보조 코일 모듈 간의 간격 변경을 설명하는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 복수의 보조 코일을 포함하는 보조 코일 모듈을 설명하는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 목표 임피던스를 충족하는 수신 코일의 크기, 보조 코일의 크기, 송신 코일 및 보조 코일 간의 간격에 따른 그래프를 설명하는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 목표 임피던스를 충족하는 조건 하에서 간격 및 전력 전송 효율 간의 관계를 설명하는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 보조 코일 모듈이 생체에 부착된 예시를 설명하는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따라 생체에 부착되는 보조 코일 모듈이 교환되는 예시를 설명하는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 보조 코일 모듈이 무선 전력 전송 장치에 결합되는 예시를 설명하는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따라 무선 전력 전송 장치에 결합된 보조 코일 모듈이 교환되는 예시를 설명하는 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 보조 코일과의 간격이 가변 가능한 연결부 구조를 설명하는 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 송신 코일 임피던스 및 출력 임피던스의 매칭을 설명하는 도면이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 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 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하는 도면이다.
무선 전력 전송 시스템(100)은 생체 외부에 위치된 무선 전력 전송 장치(110)로부터 생체 내부에 위치된 무선 전력 수신 장치(130)로 전력을 무선으로 전송할 수 있다. 무선 전력 전송 시스템(100)은 무선 전력 전송 장치(110), 보조 코일 모듈(120), 및 무선 전력 수신 장치(130)를 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(110)는 생체 외부에 위치되어 무선으로 전력을 송신하는 장치를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송 장치(110)는 스마트폰, 태블릿, 및 스마트 워치 등과 같은 휴대형 스마트 단말일 수 있다.
보조 코일 모듈(120)은 생체 외부에 위치되어, 무선 전력 전송 장치(110)로부터 수신된 전력을, 생체 내부의 무선 전력 수신 장치(130)로 중계(relay)하는 모듈을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 보조 코일 모듈(120)을 무선 전력 전송 장치(110)로부터 일정 간격만큼 이격되어 연결되거나, 생체 외부의 표면에 부착될 수 있다. 생체 외부의 표면에 부착되는 경우, 보조 코일 모듈(120)은 패치 형태로 구현될 수 있다.
무선 전력 수신 장치(130)는 생체 내부에 위치되어 무선으로 전력을 수신하는 장치를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 수신 장치(130)는 생체 내부에 삽입된 장치로서, 생체 정보(예를 들어, 생체 전위 등)를 센싱하거나 생체에 전기 신호를 인가하는 동작 등을 수행할 수 있다. 다만, 무선 전력 수신 장치(130)를 이로 한정하는 것은 아니다.
무선 전력 수신 장치(130)가 생체 내부에 깊이 삽입되거나 무선 전력 수신 장치(130)가 지나치게 작은 경우, 무선 전력 송신 장치가 추가 모듈 없이는 송신 코일 임피던스의 매칭이 어려울 수 있다. 일 실시예에 따르면 보조 코일 모듈(120)을 통해 무선 전력 전송 장치(110)의 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스로 매칭될 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송 장치(110) 및 보조 코일 모듈(120) 간의 간격이 변경되거나, 보조 코일 모듈(120) 내에 포함된 보조 코일의 크기가 변경될 수 있다. 송신 코일 임피던스 매칭의 구체적인 예시는 후술한다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
무선 전력 전송 장치(210)는 송신 코일(211), 제어부(212), 전원(213), 통신부(214), 입력부(215), 출력부(216), 및 임피던스 매칭 회로(217)를 포함할 수 있다.
송신 코일(211)은 생체(290) 외부에 배치된 보조 코일(220)과 상호 결합(mutual coupling)을 형성하도록 구성된 코일일 수 있다. 예를 들어, 송신 코일(211)에는 커패시터가 연결될 수 있고, 송신 코일(211) 및 커패시터의 공진 주파수는, 보조 코일(220)의 공진 주파수와 동일 또는 유사할 수 있다. 송신 코일(211)은 전력이 공급되는 경우에 응답하여, 보조 코일(220)과 상호 결합을 형성하고 상호 결합을 통해 전력을 보조 코일(220)로 무선으로 전달할 수 있다.
제어부(212)는 송신 코일(211)에 대한 전원(power source)(213)에 의한 전력 공급을 제어할 수 있다. 제어부(212)는 전력 공급을 제어함으로써, 전력을 상호 결합에 의해 송신 코일(211)로부터 보조 코일(220)을 경유하여 생체(290) 내부에 배치된 무선 전력 수신 장치(230)로 무선 전송(wirelessly transmit)할 수 있다. 제어부(212)는 전원(213)으로부터 송신 코일(211)로의 전력 공급을 개시하거나, 전력 공급을 중단할 수 있다. 도 2에서는 제어부(212)가 전원(213)을 제어하는 것처럼 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 제어부(212)는 전원(213) 및 송신 코일(211) 간의 전기적 연결을 제어할 수도 있다.
전원(213)은 제어부(212)의 제어에 따라 송신 코일(211)로 전력을 공급할 수 있다. 전원(213)은 예를 들어, AC 전압을 가지는 전력을 생성할 수 있다.
통신부(214)는 보조 코일 모듈과 통신할 수 있다. 예를 들어, 통신부(214)는 보조 코일 모듈로부터 보조 코일 모듈에 의해 센싱된 전력 관련 정보를 수신하거나, 보조 코일 모듈로 전력 전송과 관련된 명령을 송신할 수 있다. 통신부(214)는 저전력 통신, 예를 들어, NFC(near field communication) 및 BLE(Bluetooth low energy) 통신 등을 보조 코일 모듈과 수립하여, 정보를 송수신할 수 있다.
입력부(215)는 사용자로부터 입력을 수신할 수 있다. 입력부(215)는 사용자로부터 키 스트로크를 입력 받는 키보드, 터치 조작을 입력 받는 터치 스크린 또는 터치 패드 등을 포함할 수 있다. 또한, 입력부(215)는 사용자의 음성을 입력 받는 마이크로폰을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입력부(215)는 사용자로부터, 무선 전력 전송 장치(210)로부터 무선 전력 수신 장치(230)로 전력을 전송하라는 전력 전송 입력을 수신할 수 있다. 제어부(212)는 입력부(215)를 통해 사용자로부터 전력 전송 입력이 수신된 경우에 응답하여, 전원(213)으로부터 송신 코일(211)로 전력을 전달할 수 있다.
출력부(216)는 사용자에게 무선 전력 전송과 관련된 정보를 출력할 수 있다. 예를 들어, 출력부(216)는 사용자에게 무선 전력 전송 장치(210)의 위치를 이동시키라는 지시를 출력하거나, 무선 전력 전송 장치(210)의 위치를 유지하라는 지시를 출력할 수 있다. 출력부(216)는 시각 정보(visual information), 촉각 정보(haptic information), 및 소리 정보(acoustic information) 중 적어도 하나를 출력할 수 있다.
임피던스 매칭 회로(217)는 무선 전력 전송 장치(210)의 출력 임피던스(Rout)를 목표 임피던스로 매칭시킬 수 있다. 본 명세서에서 무선 전력 전송 장치(210)의 출력 임피던스 Rout는, 임피던스 매칭 회로(217)를 기준으로 전원(213)을 바라본 임피던스를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 목표 임피던스는 50 ohm로 설계될 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니고 장치의 설계 및 동작 등에 따라 달라질 수 있다. 임피던스 매칭 회로(217)를 기준으로 송신 코일(211)을 바라본 임피던스는 송신 코일 임피던스 Rin라고 나타낼 수 있다. 송신 코일 임피던스 Rin가 목표 임피던스와 동일 또는 유사한 값을 가지도록 매칭된 경우, 전원(213)으로부터 출력된 전력이 송신 코일(211)까지 전달될 때 발생하는 손실이 최소화될 수 있다. 송신 코일 임피던스 Rin가 목표 임피던스에 매칭되지 않은 경우에는 전원(213)으로부터 출력된 전력이 송신 코일(211)의 입력단에서 반사되지만, 송신 코일 임피던스 Rin가 목표 임피던스에 매칭된 경우에는 이러한 전력 반사가 최소화되기 때문이다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(210)의 송신 코일 임피던스 Rin는 하기 도 12에서 설명한다.
일 실시예에 따르면 송신 코일(211)은, 수신 코일(231)에 대해 임계값 미만의 상호 결합 계수(weakly coupling coefficient)를 가지는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 송신 코일(211)은, 무선 전력 수신 장치(230)의 수신 코일(231)의 크기보다 큰 크기를 가질 수 있다. 임계값은 0.1일 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
참고로, 아래 도 12에서 보다 상세히 후술하겠으나, 보조 코일(220)이 없는 경우에는 송신 코일(211) 및 수신 코일(231) 간의 약한 상호 결합으로 인하여, 송신 코일(211) 및 수신 코일(231) 만으로는 송신 코일 임피던스 Rin가 목표 임피던스에 매칭될 수 없는 경우가 발생한다. 송신 코일(211) 및 수신 코일(231) 간의 거리가 생체 활동 등에 의하여 증가되거나, 수신 코일(231)의 크기가 작은 경우 송신 코일 임피던스 Rin가 목표 임피던스에 매칭되지 못할 수 있다.
이와 달리, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(210)의 송신 코일 임피던스는 보조 코일 모듈을 통하여 목표 임피던스에 용이하게 매칭될 수 있다. 생체(290) 외부에 배치된 송신 코일(211)의 위치, 생체(290) 외부에서 보조 코일(220)의 위치, 생체(290) 내부 수신 코일(231)의 크기, 및 수신 코일(231)의 생체(290) 내부 깊이 등에 따라, 적절한 크기의 보조 코일(220)이 송신 코일(211)에 대해 적절한 간격(221)에 위치될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(210)에서 보조 코일(220)의 크기(222) 선택 및 송신 코일(211) 및 보조 코일(220) 간의 간격(221) 조정을 통해 송신 코일 임피던스 Rin가 목표 임피던스에 매칭될 수 있다. 따라서, 전원(213)으로부터 송신 코일(211)로 전달되는 출력 전력의 감소가 방지될 수 있다.
보조 코일 모듈은 하나 이상의 보조 코일(220)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 보조 코일 모듈은 생체(290)의 표면에 부착될 수 있다. 보조 코일 모듈은 유연한 소재로 구성된 패치 형태로 구현되어 인체의 피부에 부착 가능할 수 있다. 다른 예를 들어, 보조 코일 모듈은 송신 코일(211) 및 보조 코일(220) 간의 간격(221)을 유지하는 하우징을 포함할 수 있다. 이 때, 보조 코일 모듈은 다른 크기의 다른 보조 코일(220) 및 다른 간격을 가지는 다른 보조 코일 모듈로 교체 가능하도록 구성되거나, 보조 코일 모듈의 하우징이 상술한 간격(221)을 조정하도록 구성될 수 있다. 송신 코일(211) 및 보조 코일(220) 간의 간격(221)은 변경 가능하도록 구성될 수 있다.
무선 전력 수신 장치(230)는 수신 코일(231) 및 부하(load)(232)를 포함할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(230)는 수신 코일(231)을 통해 수신된 전력을 부하(232)로 전달할 수 있다.
참고로, 송신 코일(211), 보조 코일(220), 및 수신 코일(231)의 각각에는 커패시터가 연결될 수 있다. 송신 코일(211)에 커패시터가 연결된 구조를 송신 공진기, 보조 코일(220)에 커패시터가 연결된 구조를 보조 공진기, 수신 코일(231)에 커패시터가 연결된 구조를 수신 공진기라고 나타낼 수 있다. 송신 공진기, 보조 공진기, 및 수신 공진기의 공진 주파수는 서로 동일하거나 유사할 수 있다. 따라서, 송신 공진기 및 보조 공진기의 조합, 및 보조 공진기 및 수신 공진기의 조합은 상호 결합을 형성할 수 있다. 상호 결합은 상호 공진이라고도 나타낼 수 있다. 다만, 송신 공진기 및 수신 공진기는 서로에 대해 임계값 미만의 상호 결합 계수를 가질 수 있고, 송신 공진기 및 수신 공진기 간에는 약한 상호 결합이 형성될 수 있다. 도 12에서 후술하겠으나, 송신 공진기 및 보조 공진기 간의 상호 결합과 보조 공진기 및 수신 공진기 간의 상호 결합에 비해 송신 공진기 및 수신 공진기 간의 상호 결합은 충분히 작으므로 무시될 수 있다.
도 2에서 보조 코일(220)의 형태는 원형 루프로 도시되고, 보조 코일(220)의 크기(222)는 원형 루프의 직경으로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
아래에서는 무선 전력 전송 장치(210) 및 보조 코일(220) 간의 간격(221) 변경 및 보조 코일(220)의 크기(222) 변경의 예시들을 설명한다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 보조 코일 모듈 간의 간격 변경을 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따른 보조 코일 모듈(320)은 보조 코일(321)과 함께, 센서부(322) 및 통신부(323)를 더 포함할 수 있다.
보조 코일 모듈(320)의 센서부(322)는 보조 코일(321)로부터 전력 관련 정보를 센싱할 수 있다. 예를 들어, 센서부(322)는 보조 코일(321)에 걸리는 전압 세기, 보조 코일(321)에 흐르는 전류 세기, 및 보조 코일(321)로부터 방사되는 자기장 세기 등을 전력 관련 정보로서 센싱할 수 있다.
보조 코일 모듈(320)의 통신부(323)는 센싱된 전력 관련 정보를 무선 전력 전송 장치(310)로 송신할 수 있다. 예를 들어, 도 2에서 상술한 바와 같이, 보조 코일 모듈(320)의 통신부(323)는 NFC 또는 BLE 통신 등을 무선 전력 전송 장치(310)와 수립하여 정보를 송수신할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(310)의 통신부(323)는 보조 코일(321)을 포함하는 보조 코일 모듈(320)로부터 보조 코일(321)의 전력 관련 정보를 수신할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(310)의 제어부는, 전력 관련 정보에 기초하여 송신 코일 및 보조 코일(321) 간의 간격 변경 및 간격 유지 중 하나를 지시하는 안내 정보(guidance information)를 출력할 수 있다. 예를 들어, 도 3에서는 무선 전력 전송 장치(310)를 생체(390)로부터 더 먼 위치로 이동시키라고 지시하는 안내 정보를 시각 정보의 형태로 출력할 수 있다.
일 실시예에 따르면 제어부는 보조 코일 모듈(320)로부터 수신된 전력 관련 정보에 기초하여 무선 전력 전송 장치(310)의 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 매칭되었는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 무선 전력 전송 장치(310) 및 보조 코일(321) 간의 간격 및 크기가 변화하는 동안 보조 코일(321)에서 센싱되는 전력 관련 정보가 최대 전력 세기(예를 들어, 최대 전압 세기, 최대 전류 세기, 및 최대 자기장 세기 등)를 나타내는 경우 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 매칭된 것으로 결정할 수 있다. 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 매칭될 경우 송신 코일에서의 손실이 최소화되므로, 보조 코일(321)에 전달되는 전력이 최대화되기 때문이다.
예를 들어, 무선 전력 전송 장치(310)의 통신부는, 무선 전력 전송 장치(310)가 보조 코일(321)에 대해 일방향으로 이동하는 동안, 보조 코일(321)에 대한 무선 전력 전송 장치(310)의 복수의 간격들에서 보조 코일 모듈(320)로부터 전력 관련 정보를 수집할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(310)의 제어부는, 보조 코일(321)에 대한 무선 전력 전송 장치(310)의 복수의 간격들 중 최대 세기가 센싱된 간격을 수집된 전력 관련 정보에 기초하여 결정할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(310)의 출력부는 최대 세기가 센싱된 간격을 유지하라는 지시를 출력할 수 있다. 따라서 무선 전력 전송 장치(310)는 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 매칭되는 간격에서, 보조 코일(321)을 거쳐 수신 코일(331)로 전력을 전송할 수 있다.
다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 무선 전력 전송 장치(310)가 자체적으로 송신 코일 임피던스를 측정할 수 있도록 설계된 경우, 무선 전력 전송 장치(310)는 보조 코일(321)의 전력 관련 정보 없이도, 측정된 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 매칭되는지 여부를 결정할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 복수의 보조 코일을 포함하는 보조 코일 모듈을 설명하는 도면이다.
보조 코일 모듈(420)은 복수의 보조 코일들(421)을 포함할 수 있다. 복수의 보조 코일들(421)의 각각은 서로 다른 크기로 구성될 수 있다. 보조 코일들(421)의 각각에는 가변 커패시터가 연결될 수 있다. 가변 커패시터는 전압에 의해 커패시턴스가 변화될 수 있다. 보조 코일 모듈(420)의 제어부(424)는 보조 코일들(421)의 각각에 연결된 가변 커패시터의 커패시턴스를 조정함으로써, 각 보조 코일을 활성화하거나 비활성화할 수 있다. 예를 들어, 보조 코일 모듈(420)의 제어부(424)는 복수의 보조 코일들(421) 중 한 보조 코일에 연결된 가변 커패시터를 조정함으로써 해당 보조 코일의 공진 주파수를 송신 코일의 공진 주파수에 매칭시킬 수 있다. 보조 코일 모듈(420)의 제어부(424)는, 나머지 보조 코일에 연결된 가변 커패시터를 조정함으로써 나머지 보조 코일의 공진 주파수를 송신 코일의 공진 주파수와 다르게 변경할 수 있다. 공진 주파수가 매칭되어야만 전력이 전달되므로, 공진 주파수가 매칭된 보조 코일만 활성화되고, 나머지 보조 코일은 비활성화될 수 있다. 예를 들어, 보조 코일 모듈(420)의 제어부(424)는 무선 전력 전송 장치(410)로부터의 수신되는 신호에 기초하여 보조 코일을 활성화하거나 비활성화할 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 보조 코일 모듈(420)의 제어부(424)는 자체적으로 활성화할 보조 코일을 선택할 수도 있다. 또한, 가변 커패시터 대신 스위치가 사용될 수도 있다.
센서부(422) 및 통신부(423)는 도 3에서 상술한 센서부(422) 및 통신부(423)와 유사하게 동작할 수 있다.
일 실시예에 따르면 무선 전력 전송 장치(410)의 통신부는 복수의 크기들의 보조 코일들(421)을 포함하는 보조 코일 모듈(420)로, 보조 코일들(421) 중 하나의 보조 코일을 활성화하는 신호를 전송할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(410)의 제어부는, 보조 코일 모듈(420)에 포함된 복수의 크기들의 보조 코일들(421) 중 한 보조 코일을, 보조 코일 모듈(420)로부터 수신된 전력 관련 정보에 기초하여 선택할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(410)의 통신부는, 선택된 보조 코일을 활성화하는 신호를 전송할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송 장치(410)의 통신부는, 보조 코일들(421)을 순차적으로 활성화하는 신호들을 보조 코일 모듈(420)로 전송하고, 보조 코일 모듈(420)에 의해 센싱된 보조 코일들(421)의 각각에 대한 전력 관련 정보를 순차적으로 수신할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(410)의 제어부는, 보조 코일들(421) 중 최대 세기가 센싱된 보조 코일을 선택할 수 있다. 따라서 무선 전력 전송 장치(410)는 무선 전력 전송 장치(410) 및 보조 코일 모듈(420) 간의 간격이 변화하더라도, 동적으로 보조 코일의 크기를 선택하여, 최적의 송신 코일 임피던스인 상태에서 생체(490) 내부의 수신 코일(431)로 전력을 전송할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 목표 임피던스를 충족하는 수신 코일의 크기, 보조 코일의 크기, 송신 코일 및 보조 코일 간의 간격에 따른 그래프를 설명하는 도면이다.
도 5는, 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스인 50 ohm을 만족하는 조건에서, 보조 코일 및 무선 전력 전송 장치 간의 간격 g, 보조 코일의 크기 Dm, 및 수신 코일의 크기 D2와의 관계를 도시한 그래프이다. 보조 코일 및 수신 코일 간의 거리 d=1cm로 가정될 수 있다. 도 5는 하기 도 12에서 설명되는 수학식 3에 따라 간격 g 및 보조 코일의 크기 Dm 간의 관계를 나타낸 그래프로서, 도 5에 따르면, 보조 코일의 크기 Dm는 약 1.2 cm 이상이어야 하고, 보조 코일의 크기 Dm가 1.2 cm 이하일 때는 하기 수학식 3에서 송신 코일 임피던스 Rin가 50 ohm이 되는 해(解, solution)이 존재하지 않을 수 있다. 도 5의 그래프를 충족하도록, 보조 코일의 적절한 크기 Dm 및 그에 대응하는 간격 g (예를 들어, 크기 2.6cm, 간격 2cm)을 설정함으로써, 송신 코일 임피던스 Rin은 출력 임피던스가 매칭된 목표 임피던스인 50 ohm으로 매칭될 수 있다.
실제 사용에 있어서 보조 코일 모듈이 생체의 표면에 부착되고, 무선 전력 전송 장치가 임의의 간격(예를 들어, 2cm) 정도 표면으로부터 이격되는 상황을 가정할 수 있다. 도 5에 도시된 그래프에 따르면, 간격 g=2cm에서 수신 코일의 크기 D2=2mm인 경우 Dm=1.2cm의 크기를 가지는 보조 코일이 사용될 수 있다. 간격 g=2cm에서 수신 코일의 크기 D2=5mm인 경우, Dm=2cm의 크기를 가지는 보조 코일이 사용될 수 있다. 간격 g=2cm에서 수신 코일의 크기 D2=10mm인 경우 Dm=3.4cm의 크기를 가지는 보조 코일이 사용될 수 있다. 간격 g=2cm에서 수신 코일의 크기 D2=20mm인 경우 Dm=6cm의 크기를 가지는 보조 코일이 사용될 수 있다. 따라서 사용자는 현재 생체에 삽입된 수신 코일의 크기에 따라 적절한 크기의 보조 코일을 선택하여 무선 전력 전송 장치 또는 생체의 표면에 부착하여 사용할 수 있다.
다른 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 보조 코일 모듈이 복수의 크기들을 가지는 복수의 보조 코일들을 포함하는 구조로 구현될 수도 있다. 이 경우, 무선 전력 전송 장치의 제어부는, 복수의 크기들의 보조 코일들 중 미리 결정된 간격(예를 들어, 도 5에서 g=2cm) 및 무선 전력 수신 장치에 포함된 수신 코일의 미리 결정된 크기에 대응하는 보조 코일을 선택할 수 있다. 예를 들어, 코일들이 도 5에 도시된 그래프에 따른 관계를 가지고 간격 g=2cm인 경우, 제어부는 수신 코일의 크기 D2=2mm인 경우 Dm=1.2cm의 크기를 가지는 보조 코일을 선택할 수 있다. 제어부는 수신 코일의 크기 D2=5mm인 경우 Dm=2cm의 크기를 가지는 보조 코일, 수신 코일의 크기 D2=10mm인 경우 Dm=3.4cm의 크기를 가지는 보조 코일, 및 수신 코일의 크기 D2=20mm인 경우 Dm=6cm의 크기를 가지는 보조 코일을 선택할 수 있다. 무선 전력 전송 장치의 통신부는 선택된 보조 코일을 활성화하는 신호를 보조 코일 모듈로 전달할 수 있다. 따라서 무선 전력 전송 장치는 최적화된 송신 코일 임피던스를 구현하는 보조 코일을 즉시 활성화시켜서 생체 내부의 무선 전력 수신 장치에 대해 손실 없이 신속한 전력 전송을 구현할 수 있다.
더 나아가, 제어부는 간격 변화(510)에 응답하여 복수의 보조 코일들 중 송신 코일 임피던스를 목표 임피던스에 매칭시킬 수 있는 보조 코일을 선택할 수 있다. 예를 들어, 도 5에서 간격은 g=3cm 및 g=4cm로 변화될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 각 수신 코일의 크기들(D2=2mm, 5mm, 10mm, 20mm)에 따른 곡선과 g=3cm, 4cm인 직선이 교차하는 지점에 대응하는 크기 Dm의 보조 코일을 제어부가 선택할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 목표 임피던스를 충족하는 조건 하에서 간격 및 전력 전송 효율 간의 관계를 설명하는 도면이다.
도 6에서 가로 축은 무선 전력 전송 장치 및 보조 코일 간의 간격 g를 나타낼 수 있고, 세로 축은 전송 효율을 나타낼 수 있다. 도 5에서 설명한 바와 같이 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스인 50 ohm을 충족하도록 계산할 경우, 전송 효율 곡선이 도 6에 도시된 바와 같이 간격 g에 따라 변화될 수 있다. 최적의 전송 효율은 g=2cm에서 나타날 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 보조 코일 모듈이 생체에 부착된 예시를 설명하는 도면이다.
도 3에서 상술한 바와 같이, 무선 전력 전송 장치(710)는 출력부를 통해 전력 관련 정보에 기초하여 송신 코일 및 보조 코일 간의 간격 변경 및 간격 유지 중 하나를 지시하는 안내 정보를 출력할 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 보조 코일 모듈(720)은 생체의 표면에 부착될 수 있고, 무선 전력 전송 장치(710)는 사용자에 의해 보조 코일 모듈(720)로부터 멀어지거나 가까워지도록 이동될 수 있다. 따라서 무선 전력 전송 장치(710) 및 보조 코일 모듈(720) 간의 간격이 조정될 수 있다.
일 실시예에 따르면 출력부는 전력 관련 정보를 수집하기 위해 사용자에게 무선 전력 전송 장치(710)를 일방향으로 이동시키라는 지시 및 최대 세기가 센싱된 간격(709)에서 무선 전력 전송 장치(710)를 홀딩(hold)하라는 지시를 출력할 수 있다. 예를 들어, 출력부는 전력 관련 정보를 수집하는 동안 무선 전력 전송 장치(710)를 생체의 표면으로부터 멀어지는 방향으로 이동시키라는 지시를 시각 정보 또는 소리 정보(701)로 출력할 수 있다. 다른 예를 들어, 출력부는 무선 전력 전송 장치(710)의 현재 위치가 최대 세기가 센싱된 간격(709)인 경우 현재 위치를 유지하기 위해 무선 전력 전송 장치(710)를 홀딩하라는 지시를 시각 정보 또는 소리 정보(701)로 출력할 수 있다. 따라서, 사용자에 의해 무선 전력 전송 장치(710)가 이동되는 것만으로, 무선 전력 전송 장치(710)는 최적의 송신 코일 임피던스에서 무선 전력 수신 장치(730)로 전력을 전송할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 장치(710)는 전력 관련 정보, 예를 들어, 보조 코일의 전압, 전류, 및 자기장의 세기가 최대 세기인 경우에 응답하여, 최대 세기를 나타낸 크기 및 간격을 가지는 보조 코일을 활성화할 수 있다. 따라서 무선 전력 전송 장치(710)는 송신 코일 임피던스 매칭이 이루어진 후에, 보조 코일을 경유하여 무선 전력 수신 장치(730)로 전력을 전송할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따라 생체에 부착되는 보조 코일 모듈이 교환되는 예시를 설명하는 도면이다.
보조 코일은, 다른 크기의 코일로 교체 가능할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 개인별 체내 삽입된 무선 전력 수신 장치(830)의 깊이, 무선 전력 전송 장치(810)의 위치 및 보조 코일 모듈(820)과의 간격 변화를 고려하여, 복수의 보조 코일들(821, 822, 823) 중 보조 코일의 크기를 선택할 수 있다. 사용자는 선택된 크기를 가지는 보조 코일 모듈(820)을 포함하는 보조 코일 모듈(820)을 생체의 표면에 부착할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(810)는 보조 코일 모듈(820)에 의해 센싱되는 전력 관련 정보를 출력부를 통해 출력할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송 장치(810)는 출력부를 통해 보조 코일의 전압, 전류, 및 자기장의 세기를 출력할 수 있다. 따라서 사용자는 전송 상태를 직접 확인할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 보조 코일 모듈이 무선 전력 전송 장치에 결합되는 예시를 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따르면 보조 코일 모듈은 무선 전력 전송 장치(910)(예를 들어, 스마트폰)에 결합 가능한 구조로 구현될 수 있다. 보조 코일 모듈은 무선 전력 전송 장치(910)에 대해 부착 및 탈착 가능하게(attachable and detachable) 구성될 수 있다. 따라서 보조 코일 모듈은 무선 전력 전송 장치(910)에 대해 교체 가능하게 구성될 수 있다.
무선 전력 전송 장치(910)는 보조 코일 모듈이 무선 전력 전송 장치(910)의 적어도 일면에 부착되었는지 여부를 검출할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(910)는 임의의 한 보조 코일 모듈이 부착되었다가 탈착되고, 다시 다른 보조 코일 모듈이 부착된 경우, 보조 코일 모듈이 교체된 것으로 판단할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(910)의 제어부는, 보조 코일 모듈이 교체된 경우에 응답하여, 교체된 보조 코일 모듈에 의해 변화된 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 도달하였는지 여부에 따라 교체된 보조 코일 모듈을 교체할 지 여부를 결정할 수 있다. 제어부는 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 도달한 경우에 응답하여, 교체된 보조 코일 모듈을 유지하기로 결정할 수 있다. 제어부는 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 도달하지 못한 경우에 응답하여, 현재 부착된 보조 코일 모듈을 교체하기로 결정할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(910)의 출력부는 보조 코일 모듈의 교체 지시 및 유지 지시 중 하나를 출력할 수 있다.
아울러, 무선 전력 전송 장치(910)의 제어부는 보조 코일 모듈로부터 센싱된 전력 관련 정보(예를 들어, 전압 세기, 전류 세기, 및 자기장 세기 등)에 기초하여, 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 도달하였는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송 장치(910)의 제어부는 보조 코일 모듈에서 센싱된 전력 관련 정보가 해당 보조 코일 모듈에 대해 지정된 목표 전력 정보에 도달한 경우, 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 도달한 것으로 결정할 수 있다. 전력 관련 정보로서 전압 세기를 예로 들면, 무선 전력 전송 장치(910)는 보조 코일 모듈에서 센싱된 보조 코일의 전압 세기가 목표 전압에 도달한 경우, 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 도달한 것으로 결정할 수 있다. 목표 전력 정보는 개별 보조 코일 모듈에 대해 지정될 수 있다. 아래 도 10에서 후술하겠으나, 보조 코일 모듈은 다양한 크기의 보조 코일 및 다양한 간격을 가질 수 있다.
다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 무선 전력 전송 장치(910)는 복수의 보조 코일 모듈들의 각각을 순차적으로 선택하고, 사용자에게 선택된 보조 코일 모듈을 순차적으로 장착하라고 지시할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(910)는 각 보조 코일 모듈이 장착될 때마다 전력 관련 정보를 수집할 수 있고, 수집된 전력 관련 정보에 기초하여 최대 세기의 전력 관련 정보를 나타낸 보조 코일 모듈을 결정할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(910)는 사용자에게 최대 세기의 전력 관련 정보가 센싱된 보조 코일 모듈을 장착하라고 지시할 수 있다.
도 9에 도시된 예시에서, 제1 보조 코일 모듈(921)이 무선 전력 전송 장치(910)에 장착되었을 때, 무선 전력 전송 장치(910)는 제1 보조 코일 모듈(921)로부터 수신된 전력 관련 정보에 기초하여 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 도달하지 못한 것으로 결정할 수 있다. 따라서 무선 전력 전송 장치(910)는 출력부를 통해 교체 지시를 디스플레이할 수 있다. 이후, 사용자는 무선 전력 전송 장치(910)로부터 제1 보조 코일 모듈(921)을 탈착하고, 제2 보조 코일 모듈(922)을 부착할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(910)는 제2 보조 코일 모듈(922)로부터 수신된 전력 관련 정보에 기초하여 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 도달한 것으로 결정할 수 있다. 따라서 무선 전력 전송 장치(910)는 출력부는 통해 유지 지시를 디스플레이할 수 있다.
사용자는 무선 전력 전송 장치(910)의 출력부는 통해 적절한 간격 및 크기의 보조 코일 모듈이 장착된 것을 직관적으로 인식할 수 있고, 이후 임피던스가 매칭되었으므로 무선 전력 전송 장치(910)는 무선 전력 수신 장치(930)에 대해 최소화된 손실로 전력을 전송할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따라 무선 전력 전송 장치에 결합된 보조 코일 모듈이 교환되는 예시를 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따르면 보조 코일 모듈(1020)은 보조 코일을 포함하고, 무선 전력 전송 장치(1010)로부터 미리 정한 간격만큼 이격된 보조 코일을 지지할 수 있다. 이러한 보조 코일 모듈(1020)은 무선 전력 전송 장치(1010)에 대해 부착 및 탈착 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 보조 코일 모듈(1020)은, 다른 크기의 보조 코일을 포함하고 다른 간격을 가지는 구조의 다른 보조 코일 모듈로 교체 가능하도록 구성될 수 있다.
도 10에 도시된 보조 코일 모듈들(1021, 1022, 1023, 1024, 1025, 1026)은 다양한 크기 및 다양한 간격을 가질 수 있다. 제1 보조 코일 모듈(1021), 제2 보조 코일 모듈(1022), 및 제3 보조 코일 모듈(1023)은 서로 동일한 보조 코일의 크기를 가지나, 무선 전력 전송 장치(1010)로부터 이격되는 간격이 서로 다를 수 있다. 제4 보조 코일 모듈(1024), 제5 보조 코일 모듈(1025), 및 제6 보조 코일 모듈(1026)은 서로 동일한 보조 코일의 크기를 가지나, 무선 전력 전송 장치(1010)로부터 이격되는 간격이 서로 다를 수 있다. 제1 보조 코일 모듈(1021), 제2 보조 코일 모듈(1022), 및 제3 보조 코일 모듈(1023)은 제4 보조 코일 모듈(1024), 제5 보조 코일 모듈(1025), 및 제6 보조 코일 모듈(1026)에 포함된 보조 코일과 다른 크기의 보조 코일을 포함할 수 있다.
따라서, 사용자가 다양한 크기 및 다양한 간격의 보조 코일 모듈들 중 적절한 보조 코일 모듈(1020)을 선택하여 무선 전력 전송 장치(1010)에 장착함으로써, 무선 전력 전송 장치(1010)는 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 매칭된 상태에서 무선 전력 전송을 수행할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 보조 코일과의 간격이 가변 가능한 연결부 구조를 설명하는 도면이다.
도 9 및 도 10에서 상술한 바와 같이 무선 전력 전송 장치(1110)에 부착되는 보조 코일 모듈(1120)은 연결부를 포함할 수 있다. 연결부는 무선 전력 전송 장치(1110) 및 보조 코일(1121)을 연결하고, 무선 전력 전송 장치(1110) 및 보조 코일(1121) 간의 간격을 조정 가능하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면 연결부는, 서로에 대해 이동 가능하도록 구성되는 제1 하우징(1122) 및 제2 하우징(1123)을 포함할 수 있다. 제1 하우징(1122)은 무선 전력 전송 장치(1110)에 부착되는 일면을 포함할 수 있다. 제2 하우징(1123)은 제1 하우징(1122)에 대해 회전 가능하게 제1 하우징(1122)과 연결되고, 회전에 의해 제2 하우징(1123)의 일면 및 제1 하우징(1122)의 일면 간의 거리가 변경되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 하우징(1122)의 내주면에 나사홈이 형성되고, 제2 하우징(1123)의 외주면에 나사산이 형성될 수 있다. 제1 하우징(1122)의 내주면에 형성된 나사홈 및 제2 하우징(1123)의 외주면에 형성된 나사산은 서로 체결 가능하면서 제1 하우징(1122) 및 제2 하우징(1123) 중 적어도 하나가 회전될 시 두 하우징 간의 간격이 변하도록 구성될 수 있다. 보조 코일(1121)은, 제2 하우징(1123)의 일면에 대해 평행하게 배치될 수 있다. 따라서, 보조 코일(1121)은 무선 전력 전송 장치(1110) 내에 배치된 송신 코일(1111)과 평행하게 배치될 수 있다. 참고로, 제1 하우징(1122) 및 제2 하우징(1123)에 형성되는 나사산 및 나사홈의 형성은 예시적인 것으로서, 서로 반대로 형성되거나, 다른 체결 구조가 적용될 수도 있다.
또한, 제2 하우징(1123)은, 코일 지지 부재(1124)(coil supporting member)를 더 포함할 수 있다. 코일 지지 부재(1124)는 보조 코일(1121)을 지지할 수 있다. 또한, 코일 지지 부재(1124)는 제2 하우징(1123) 및 보조 코일(1121) 중 적어도 하나에 대해 회전 가능하게 연결되고, 회전에 의해 제2 하우징(1123)의 일면 및 보조 코일(1121) 간의 거리가 변경되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 코일 지지 부재(1124)는 외주면에 나사산이 형성된 원기둥 형태로 형성될 수 있고, 코일 지지 부재(1124)의 회전에 의해 보조 코일(1121)이 제2 하우징(1123)의 일면으로부터 멀어지거나 가까워질 수 있다.
따라서 사용자는 코일 지지 부재(1124)의 회전 또는 제1 하우징(1122) 및 제2 하우징(1123)의 회전을 통해 무선 전력 전송 장치(1110) 및 무선 전력 수신 장치(1130)에 대한 보조 코일(1121)의 위치를 자유롭게 변경할 수 있다. 사용자에 의해 송신 코일 임피던스가 매칭될 수 있는 위치에 보조 코일(1121)이 위치되면, 무선 전력 전송 장치(1110)는 최소화된 손실로 무선 전력 수신 장치(1130)에 대해 전력을 전송할 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 송신 코일 임피던스 및 출력 임피던스의 매칭을 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(1200)은 생체 내부에 삽입되어 생체정보센싱 또는 치료를 위한 생체자극을 제공하기 위한 초소형 및 초전력 전자 장치(예를 들어, 무선 전력 수신 장치)로 전력을 제공할 수 있다. 무선 전력 수신 장치는 베터리로 동작하면서 베터리의 충전을 위하여 또는 베터리 없이 동작하기 위해서 생체 외부의 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신할 수 있다.
다만, 보조 코일 없이 송신 코일로부터 수신 코일로 바로 전력을 상호 공진을 통해 전달할 경우, 송신 코일 임피던스(Rin')이 출력 임피던스에 매칭되지 않는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 임피던스 부정합(mismatching)에 의해, 전원으로부터 송신 코일로 전달된 전력이 반사됨으로써, 출력 전력이 감소될 수 있다.
예를 들어, 도 12에서 보조 코일이 없는 경우의 송신 코일 임피던스(Rin')는 아래 수학식 1과 같이 모델링될 수 있다.
[수학식 1]
상술한 수학식 1에서 R1 및 L1은 각각 송신 코일의 저항 및 인덕턴스를 나타낼 수 있다. R'2 및 L'2는 각각 수신 코일의 저항 및 인덕턴스를 나타낼 수 있고, R'L은 수신 부하의 저항을 나타낼 수 있다. w0는 송신 코일 및 수신 코일의 공진 각속도로서, 
로도 표현될 수 있고, f0는 공진 주파수를 나타낼 수 있다. k12는 송신 코일 및 수신 코일 간의 상호 결합 계수(coupling coefficient)를 나타낼 수 있다. 상호 결합 계수는 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
상술한 수학식 2에서, Di는 i번째 코일의 크기, Dj는 j번째 코일의 크기를 나타낼 수 있고, r은 두 코일 간의 간격을 나타낼 수 있다. 참고로, 도 12에서 송신 코일 및 수신 코일 간의 간격 r는 거리 d로 표현될 수 있다. 따라서, 상술한 k12는 송신 코일의 크기 D1, 수신 코일의 크기 D2, 및 송신 코일 및 수신 코일 간의 거리 d에 의해 결정될 수 있다.
일반적으로 무선 전력 전송 장치가 스마트폰으로 구현될 경우, 스마트폰은 공기 중에서 2 cm 내지 3 cm 간격에서 4 cm 내지 5 cm 크기의 NFC 태그에 전력을 공급하도록 설계될 수 있다. 예시적으로, L1=L2=1.6μH, 두 코일의 퀄리티 팩터 Q1=Q2=30, R1=R'2=w0L1/Q1, w0=2ð13.56MHz, R'L=R'2, k12=0.15일 수 있다. 이 경우 송신 코일 임피던스는 50 ohm으로 계산될 수 있다. 따라서, 무선 전력 전송 장치의 임피던스 매칭 회로는, 출력 임피던스를 목표 임피던스인 50 ohm으로 매칭하도록 구현될 수 있다. 따라서, 무선 전력 전송 장치의 출력 임피던스는 목표 임피던스인 50 ohm에 정합된 것을 가정할 수 있다.
다만, NFC 태그 장치와 달리, 무선 전력 수신 장치는, 예를 들어, 생체 내부 1cm 깊이에 삽입되어, 크기 7mm의 수신 코일로 구성될 수 있다. 또한, L'2=40nH, k12=0.036일 수 있다. 상술한 수학식 1에 따라, 수신 코일의 크기 D2와 간격 d가 바뀌면 k12, L'2, R'2, 및 R'L 값 등이 달라지므로, 송신 코일 임피던스 Rin'의 값도 달라지게 된다. 따라서, 보조 코일이 없는 경우의 송신 코일 임피던스 Rin'는 7 ohm으로 감소하므로, 무선 전력 전송 장치의 출력 임피던스 50 ohm과 부정합(mismatching)되고, 전력 반사로 인해 전력이 송신 코일로 전달되지 않을 수 있다.
추가적인 임피던스 매칭 회로로서 송신 코일 임피던스를 가변하여 정합시킬 수 있는 가변 매칭회로(예를 들어, 버랙터(Varactor)나 스위치 등의 가변소자를 이용하는 회로)를 도입하게 될 경우, 가변 매칭회로가 커버할 수 있는 수신코일의 크기, 거리 범위가 한정되고, 가변 매칭회로의 제작 복잡도 및 비용이 증가한다.
이와 달리, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(1200)에서는, 도 1 내지 도 11에서 상술한 바와 같이 생체 외부의 송신 코일 및 생체 내부의 수신 코일 사이에, 생체 외부의 보조 코일을 배치함으로써, 송신 코일 임피던스를 목표 임피던스에 매칭시킬 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(1200)은 복잡한 추가적인 가변 매칭회로 없이도, 송신 코일 임피던스를 목표 임피던스에 매칭시킬 수 있다. 예를 들어, 보조 코일이 배치된 무선 전력 전송 시스템(1200)에서 일 실시예에 따른 송신 코일 임피던스(Rin)는 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
상술한 수학식 3에서 k1m은 송신 코일 및 보조 코일 간의 상호 결합 계수, Lm은 보조 코일의 인덕턴스, Rm은 보조 코일의 저항, km2는 보조 코일 및 수신 코일 간의 상호 결합 계수를 나타낼 수 있다. 나머지 변수는 수학식 1에서 상술한 바와 동일할 수 있다. 일 실시예에 따른 송신 코일 임피던스 Rin은 수학식 1에서 언급된 변수에 더하여, 상술한 수학식 3에 나타난 바와 같이 보조 코일의 인덕턴스 Lm, 보조 코일의 저항Rm, 및 보조 코일과 다른 코일과의 결합계수들 k1m, k2m에 의해서도 결정될 수 있다. 참고로, 보조 코일의 인덕턴스 Lm, 및 보조 코일의 저항 Rm은 보조 코일의 크기 Dm에 의해 결정될 수 있다. 또한, 보조 코일과 다른 코일 간 결합 계수들 k1m, k2m은 보조 코일의 크기 Dm, 송신 코일과의 간격 g, 수신 코일과의 거리 d에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 보조 코일의 크기 Dm 및 송신 코일과의 간격 g을 조절함으로써, 송신 코일 임피던스 Rin가 원하는 목표 임피던스로 매칭될 수 있다. 상술한 수학식 3에서, 송신 코일 및 수신 코일 간의 상호 결합 계수 k12는 약한 상호 결합으로 인하여, k12<<k1m 및 k12<<km2이므로, 생략될 수 있다. 예를 들어, 송신 코일 및 수신 코일 간의 상호 결합 계수 k12는 0.1 미만일 수 있다.
도 12에 도시된 예시에서, 송신 코일 및 보조 코일 간의 상호 결합 계수 k1m=0.15, 보조 코일 및 수신 코일 간의 상호 결합 계수 km2=0.06일 수 있고, 도 1 내지 도 11에서 상술한 바와 같이 보조 코일의 크기 Dm 및 간격 g가 조절됨으로써, 송신 코일 임피던스 Rin'이 목표 임피던스인 50 ohm으로 매칭될 수 있다. 따라서, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 보조 코일을 이용함으로써, 상술한 수학식 3에 따라 추가되는 보조 코일의 인덕턴스 Lm, 보조 코일의 저항Rm, 및 보조 코일과 다른 코일과의 결합계수들 k1m, k2m의 변수를 조정하여 최적의 송신 코일 임피던스 Rin를 달성할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 무선 전력 전송 시스템
110: 무선 전력 전송 장치
120: 보조 코일 모듈
130: 무선 전력 수신 장치
110: 무선 전력 전송 장치
120: 보조 코일 모듈
130: 무선 전력 수신 장치
Claims (20)
- 생체 외부에 배치된 보조 코일과 상호 결합(mutual coupling)을 형성하도록 구성되는 송신 코일; 및
상기 송신 코일에 대한 전원(power source)에 의한 전력 공급을 제어함으로써, 상기 전력을 상호 결합에 의해 상기 송신 코일로부터 상기 보조 코일을 경유하여 생체 내부에 배치된 무선 전력 수신 장치로 무선 전송(wirelessly transmit)하는 제어부
를 포함하고,
상기 송신 코일 및 상기 보조 코일 간의 간격은 변경 가능한,
무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 송신 코일은,
상기 수신 코일에 대해 임계값 미만의 상호 결합 계수(weakly coupling coefficient)를 가지는 구조를 가지는,
무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 송신 코일은,
상기 무선 전력 수신 장치의 수신 코일의 크기보다 큰 크기를 가지는,
무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
사용자로부터 전력 전송 입력이 수신된 경우에 응답하여, 전원(power source)으로부터 상기 송신 코일로 상기 전력을 전달하는,
무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 장치 및 상기 보조 코일을 연결하고, 상기 무선 전력 전송 장치 및 상기 보조 코일 간의 간격을 조정 가능한 연결부
를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치. - 제5항에 있어서,
상기 연결부는,
무선 전력 전송 장치에 부착되는 일면을 포함하는 제1 하우징;
상기 제1 하우징에 대해 회전 가능하게 상기 제1 하우징과 연결되고, 회전에 의해 제2 하우징의 일면 및 상기 제1 하우징의 일면 간의 거리가 변경되도록 구성되는 제2 하우징
을 포함하고,
상기 보조 코일은,
상기 제2 하우징의 일면에 대해 평행하게 배치되는,
무선 전력 전송 장치. - 제6항에 있어서,
상기 제2 하우징은,
상기 보조 코일을 지지하면서 상기 제2 하우징 및 상기 보조 코일 중 적어도 하나에 대해 회전 가능하게 연결되고, 회전에 의해 상기 제2 하우징의 일면 및 상기 보조 코일 간의 거리가 변경되도록 구성되는 코일 지지 부재(coil supporting member)
를 포함하는 무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 보조 코일을 포함하고, 상기 무선 전력 전송 장치로부터 미리 정한 간격만큼 이격된 상기 보조 코일을 지지하는 보조 코일 모듈
을 더 포함하고,
상기 보조 코일 모듈은,
다른 크기의 보조 코일을 포함하고 다른 간격을 가지는 구조의 다른 보조 코일 모듈로 교체 가능한,
무선 전력 전송 장치. - 제8항에 있어서,
상기 보조 코일 모듈의 교체 지시 및 유지 지시 중 하나를 출력하는 출력부
를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 보조 코일 모듈이 교체된 경우에 응답하여, 상기 교체된 보조 코일 모듈에 의해 변화된 송신 코일 임피던스가 목표 임피던스에 도달하였는지 여부에 따라 상기 교체된 보조 코일 모듈을 교체할 지 여부를 결정하는,
무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 보조 코일은,
생체의 표면에 부착되는,
무선 전력 전송 장치. - 제10항에 있어서,
상기 보조 코일은,
다른 크기의 코일로 교체 가능한,
무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 보조 코일을 포함하는 보조 코일 모듈로부터 상기 보조 코일의 전력 관련 정보를 수신하는 통신부
를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치. - 제12항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전력 관련 정보에 기초하여 상기 송신 코일 및 상기 보조 코일 간의 간격 변경 및 간격 유지 중 하나를 지시하는 안내 정보(guidance information)를 출력하는,
무선 전력 전송 장치. - 제12항에 있어서,
상기 통신부는,
상기 무선 전력 전송 장치가 상기 보조 코일에 대해 일방향으로 이동하는 동안, 상기 보조 코일에 대한 상기 무선 전력 전송 장치의 복수의 간격들에서 상기 보조 코일 모듈로부터 상기 전력 관련 정보를 수집하고,
상기 제어부는,
상기 보조 코일에 대한 상기 무선 전력 전송 장치의 복수의 간격들 중 최대 세기가 센싱된 간격을 상기 수집된 전력 관련 정보에 기초하여 결정하는,
무선 전력 전송 장치. - 제14항에 있어서,
상기 전력 관련 정보를 수집하기 위해 사용자에게 상기 무선 전력 전송 장치를 상기 일방향으로 이동시키라는 지시 및 상기 최대 세기가 센싱된 간격에서 상기 무선 전력 전송 장치를 홀딩(hold)하라는 지시를 출력하는 출력부
를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
복수의 크기들의 보조 코일들을 포함하는 보조 코일 모듈로, 상기 보조 코일들 중 하나의 보조 코일을 활성화하는 신호를 전송하는 통신부
를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치. - 제16항에 있어서,
상기 제어부는,
보조 코일 모듈에 포함된 복수의 크기들의 보조 코일들 중 한 보조 코일을, 상기 보조 코일 모듈로부터 수신된 전력 관련 정보에 기초하여 선택하고,
상기 통신부는,
상기 선택된 보조 코일을 활성화하는 신호를 전송하는,
무선 전력 전송 장치. - 제16항에 있어서,
상기 통신부는,
상기 보조 코일들을 순차적으로 활성화하는 신호들을 상기 보조 코일 모듈로 전송하고, 상기 보조 코일 모듈에 의해 센싱된 상기 보조 코일들의 각각에 대한 전력 관련 정보를 순차적으로 수신하며,
상기 제어부는,
상기 보조 코일들 중 최대 세기가 센싱된 보조 코일을 선택하는,
무선 전력 전송 장치. - 제16항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 복수의 크기들의 보조 코일들 중 미리 결정된 간격 및 상기 무선 전력 수신 장치에 포함된 수신 코일의 미리 결정된 크기에 대응하는 보조 코일을 선택하는,
무선 전력 전송 장치. - 생체 외부에 배치된 보조 코일에 대한 간격이 변경 가능하도록 구성된, 송신 코일이 상기 보조 코일과 상호 결합을 형성하는 단계; 및
상기 송신 코일에 대한 전원에 의한 전력 공급을 제어함으로써, 상기 전력을 상호 결합에 의해 상기 송신 코일로부터 상기 보조 코일을 경유하여 생체 내부에 배치된 무선 전력 수신 장치로 무선 전송하는 단계
를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
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