KR101040650B1 - 메타 물질 구조물 및 이를 이용한 무선 에너지 전송 시스템 - Google Patents

메타 물질 구조물 및 이를 이용한 무선 에너지 전송 시스템 Download PDF

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조준경
최재원
서철헌
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숭실대학교산학협력단
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Abstract

메타 물질 구조물 및 이를 이용한 무선 에너지 전송 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은, 제1 커플링 루프와 상호 이격되어 형성되고 음의 굴절률을 가지는 제1 메타 물질 구조물을 포함하는 무선 에너지 송신 장치 및 무선 에너지 송신 장치와 소정 거리 이격되어 대응되게 형성되는 무선 에너지 수신 장치를 포함한다. 여기서, 무선 에너지 수신 장치는 음의 굴절률을 가지는 제2 메타 물질 구조물 및 제2 메타 물질 구조물과 상호 이격되어 형성되고 제1 커플링 루프가 발생하는 자계를 수신하는 제2 커플링 루프를 포함한다.

Description

메타 물질 구조물 및 이를 이용한 무선 에너지 전송 시스템{META MATERIAL STRUCTURE AND SYSTEM FOR TRANSMISSION ENEGY BY WIRELESS USING THE SAME}
본 발명의 실시예들은 무선 에너지 전송 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메타 물질의 음의 굴절률을 이용한 무선 에너지 전송 시스템에 관한 것이다.
최근 많이 사용되고 있는 이동통신 단말기(예를 들어, 모바일 폰, PMP 등), MP3, 디지털 카메라, 노트북 등의 휴대용 디지털 기기들과 유비쿼터스 센서 네트워크에 사용되는 각종 센서 기기들은 사용자가 소지하고 다닐 수 있어 이동성 및 편리성에 대한 사용자의 요구를 충족시키고 있다.
또한, 이러한 기기들을 전력선 없이 무선으로 충전하는 기술이 개발되고 있는데, 무선으로 에너지를 전송하는 기술로는 현재 전자기 유도 방식이 많이 이용되고 있다.
그러나, 전자기 유도 방식은 무선 에너지 전송을 위해 에너지 공급 장치와 해당 디지털 기기가 매우 인접해 있어야 하므로 전송 거리에 한계가 있고, 전송 효율 또한 낮다는 문제가 있다. 이러한 문제의 해결을 위해 니어 필드(Near Field) 내에서 자계 기반 공진 방식을 이용한 무선 에너지 전송 기술이 개발되고 있다.
도 1은 종래의 자계 기반 공진 방식을 이용한 무선 에너지 전송 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 무선 에너지 전송 시스템은 무선 에너지 송신 장치(10) 및 무선 에너지 수신 장치(20)를 포함한다. 여기서, 상기 무선 에너지 송신 장치(10)는 전원(Source)(11), 제1-1 와이어(12), 제1-2 와이어(13), 및 제1 커패시터(14)를 포함한다.
상기 전원(11)은 상기 제1-1 와이어(12) 및 상기 제1-2 와이어(13)의 일단에 각각 연결되고, 상기 제1 커패시터(14)는 상기 상기 제1-1 와이어(12) 및 상기 제1-2 와이어(13)의 타단에 각각 연결된다.
상기 전원(11)에서 상기 제1-1 와이어(12) 및 상기 제1-2 와이어(13)로 전원이 공급되면, 상기 제1 커패시터(14)의 두 도체판 사이에 전계(E-Field)가 형성되고, 상기 제1-1 와이어(12) 및 상기 제1-2 와이어(13)에는 자체 인덕턴스에 의해 자계(H-Field)가 형성된다.
이때, 상기 제1 커패시터(14)에 형성된 전계와 상기 제1-1 와이어(12) 및 상기 제1-2 와이어(13)에 형성된 자계의 주기적인 에너지 교환으로 인해, 상기 무선 에너지 송신 장치(10) 및 상기 무선 에너지 수신 장치(20) 사이의 공간에는 별도의 자계가 형성되게 된다.
상기 무선 에너지 송신 장치(10) 및 상기 무선 에너지 수신 장치(20) 사이의 공간에 형성된 자계는 상기 무선 에너지 수신 장치(20)의 제2 커패시터(24)에 전계를 형성시키고, 상기 무선 에너지 수신 장치(20)의 제2-1 와이어(22) 및 제2-2 와이어(23)에 자계를 형성시킨다.
상기 무선 에너지 수신 장치(20)에 형성된 전계 및 자계는 상기 제2-1 와이어(22) 및 제2-2 와이어(23)와 연결된 전자 부품(예를 들어, 배터리 등)으로 전달되게 된다.
즉, 상기 제1-1 와이어(12), 상기 제1-2 와이어(13), 및 상기 제1 커패시터(14)가 제1 커플링 루프를 형성하고, 상기 제2-1 와이어(22), 상기 제2-2 와이어(23), 및 상기 제2 커패시터(24)가 제2 커플링 루프를 형성하여, 상기 제1 커플링 루프 및 제2 커플링 루프 간에 자계를 매개체로 에너지가 송수신된다.
종래의 무선 에너지 전송 시스템은, 상기 무선 에너지 송신 장치(10)와 상기 무선 에너지 수신 장치(20) 사이의 공간에 형성되는 자계가 에너지를 전송하는 매개체가 된다. 여기서, 상기 무선 에너지 송신 장치(10)와 상기 무선 에너지 수신 장치(20) 사이의 공간에 형성되는 자계는 무선 에너지 전송 시스템의 에너지 전송 효율 및 전송 거리와 직접적으로 관련된다.
종래의 무선 에너지 전송 시스템의 경우, 상기 무선 에너지 송신 장치(10)에서 상기 무선 에너지 수신 장치(20)로 에너지가 전송될 때, 에너지 전송의 매개체가 되는 자계가 상기 무선 에너지 송신 장치(10)와 상기 무선 에너지 수신 장치(20) 사이의 공간 외부로 방사되어 손실되는 문제점이 있다.
예를 들어, 상기 에너지 전송의 매개체가 되는 자계가 상기 무선 에너지 송신 장치(10)의 후방으로 방사되거나, 상기 무선 에너지 수신 장치(20)가 수신할 수 없는 범위의 영역으로 방사되어 손실되는 문제점이 있다.
특히, 무선 에너지 전송 시스템이 고주파수 대역(예를 들어, 900 MHz)에서 동작하는 경우, 파장이 짧기 때문에 전송 거리에 제한이 있게 되고, 특정 거리를 벗어나면 전송 효율이 급격하게 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 상기 무선 에너지 송신 장치(10)와 상기 무선 에너지 수신 장치(20) 사이의 공간에 형성되는 자계의 손실을 방지하여 무선 에너지 전송 시스템의 에너지 전송 효율 및 전송 거리를 향상시키는 방안이 요구된다.
본 발명의 실시예들은 음의 굴절률을 가지는 메타 물질 구조물을 이용함으로써, 무선 에너지 송신 장치에서 방사되는 자계를 무선 에너지 수신 장치로 집속시켜준다.
본 발명의 실시예들에 의한 다른 기술적 해결 과제는 하기의 설명에 의해 이해될 수 있으며, 이는 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은, 자계를 발생시키는 제1 커플링 루프, 상기 제1 커플링 루프와 상호 이격되어 형성되는 제1 메타 물질 구조물을 포함하는 무선 에너지 송신 장치; 및 상기 무선 에너지 송신 장치와 소정 거리 이격되어 대응되게 형성되는 무선 에너지 수신 장치를 포함하며,
상기 무선 에너지 수신 장치는, 제2 메타 물질 구조물, 상기 제2 메타 물질 구조물과 상호 이격하여 형성되고 상기 제1 커플링 루프가 발생시킨 자계를 상기 제1 메타 물질 구조물 및 상기 제2 메타 물질 구조물을 통해 수신하는 제2 커플링 루프를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타 물질 구조물은, 메타 물질 단위셀이 복수개가 배열되어 형성되며, 상기 메타 물질 단위셀은 소정 형상의 유전체 및 상기 유전체의 각 표면에 형성되는 공진 구조를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 음의 굴절률을 가지는 메타 물질 구조물을 이용함으로써, 무선 에너지 송신 장치에서 방사되는 자계가 무선 에너지 송신 장치와 무선 에너지 수신 장치 사이의 공간 밖으로 방사되어 손실되는 것을 방지할 수 있다. 그로 인해, 에너지 전송 효율을 높일 수 있으며, 에너지 전송 거리를 증가시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래의 자계 기반 공진 방식을 이용한 무선 에너지 전송 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 링 공진 구조를 갖는 메타 물질 단위셀을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템에서 자계의 진행 방향을 나타낸 도면.
도 5는 종래의 무선 에너지 전송 시스템의 전송 이득을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 전송 이득을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템과 종래의 무선 에너지 전송 시스템의 전송 거리에 따른 전송 효율을 비교한 그래프.
이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 메타 물질 구조물 및 이를 이용한 무선 에너지 전송 시스템의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시예에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 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.
또한, 이하 실시되는 본 발명의 실시예는 본 발명을 이루는 기술적 구성요소를 효율적으로 설명하기 위해 각각의 시스템 기능구성에 기 구비되어 있거나, 또는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 구비되는 시스템 기능 구성은 가능한 생략하고, 본 발명을 위해 추가적으로 구비되어야 하는 기능 구성을 위주로 설명한다. 만약 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 하기에 도시하지 않고 생략된 기능 구성 중에서 종래에 기 사용되고 있는 구성요소의 기능을 용이하게 이해할 수 있을 것이며, 또한 상기와 같이 생략된 구성 요소와 본 발명을 위해 추가된 구성 요소 사이의 관계도 명백하게 이해할 수 있을 것이다.
결과적으로, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하 실시예는 진보적인 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 에너지 전송 시스템(100)은 무선 에너지 송신 장치(110) 및 무선 에너지 수신 장치(150)를 포함한다.
상기 무선 에너지 송신 장치(110)는 자계를 발생하여 상기 무선 에너지 수신 장치(150)로 전송하는 곳으로, 상기 무선 에너지 송신 장치(110)는 제1 커플링 루프(120) 및 제1 메타 물질 구조물(130)을 포함한다.
상기 제1 커플링 루프(120)는 양단이 전원을 공급하는 전원부(미도시)와 각각 전기적으로 연결되는 와이어 및 상기 와이어에 연결되는 커패시터를 포함하지만, 여기서는 설명의 편의상 와이어만 도시하였고 커패시터는 도시하지 않았다. 상기 제1 커플링 루프(120)는 원형, 타원형, 다각형(예를 들어, 삼각형, 사각형, 오각형 등), 헬리컬(Helical) 등 다양한 형상으로 형성할 수 있다.
상기 제1 커플링 루프(120)는 상기 전원부(미도시)로부터 전원을 공급받아 상기 와이어 및 커패시터 간의 LC 공진에 의해 자계를 발생시킨다.
상기 제1 메타 물질 구조물(130)은 상기 제1 커플링 루프(120)의 우측에 상기 제1 커플링 루프(120)와 상호 이격하여 형성된다. 즉, 상기 제1 메타 물질 구조물(130)은 상기 제1 커플링 루프(120)와 상기 제2 커플링 루프(160)가 마주대하여 있을 때, 상기 제2 커플링 루프(160) 방향에 위치하도록 형성한다.
여기서, '메타 물질'이라 함은 두 가지 이상의 구조를 공간적으로 배열(Array)하거나 접합(Junction)시켜 개별 구조가 갖는 물성과는 다른 새로운 물성을 발현하는 인공 구조체를 말한다. 이러한 메타 물질을 이용하면 음의 유전율과 음의 투자율을 갖는 물질을 형성할 수 있어 음의 굴절률을 갖는 물질(Negative Index Material : NIM)을 구현할 수 있게 된다.
상기 제1 메타 물질 구조물(130)은 복수 개의 메타 물질 단위셀(131)들로 이루어지는데, 상기 제1 메타 물질 구조물(130)은 상기 복수 개의 메타 물질 단위셀(131)들을 주기적으로 배열한 후 접합시켜 형성한다. 상기 제1 메타 물질 구조물(130)은 상기 복수 개의 메타 물질 단위셀(131)의 주기적인 배열로 인해 음의 굴절률을 가지게 된다.
상기 메타 물질 단위셀(131)은 육면체 형상의 유전체(134)와 상기 유전체(134)의 각 표면에 형성되는 나선형 도체 패턴(137)을 포함한다. 여기서, 상기 유전체(134)는 육면체 형상으로 한정되는 것은 아니며, 그 이외의 다양한 형상(예를 들어, 삼각뿔, 원기둥 등)으로 형성될 수 있다.
상기 나선형 도체 패턴(137)의 감은 횟수는 상기 와이어 및 커패시터 간의 공진 주파수에 따라 달라지게 된다. 예를 들어, 상기 와이어 및 커패시터 간의 공진 주파수가 낮을 경우 상기 나선형 도체 패턴(137)의 감은 횟수는 늘어나게 되고, 상기 와이어 및 커패시터 간의 공진 주파수가 높을 경우 상기 나선형 도체 패턴(137)의 감은 횟수는 줄어들게 된다.
상기 나선형 도체 패턴(137)의 감은 횟수가 늘어날수록 상기 나선형 도체 패턴(137)의 전체 길이가 길어져 인덕턴스가 증가하고, 상기 나선형 도체 패턴(137)에서 도체 패턴 간의 갭(Gap) 면적이 증가하여 커패시턴스가 증가하므로, 공진 주파수가 낮아지게 된다.
반면에, 상기 나선형 도체 패턴(137)의 감은 횟수가 줄어들수록 상기 나선형 도체 패턴(137)의 전체 길이가 짧아져 인덕턴스가 감소하고, 상기 나선형 도체 패턴(137)에서 도체 패턴 간의 갭(Gap) 면적이 감소하여 커패시턴스가 감소하므로, 공진 주파수가 높아지게 된다.
상기 메타 물질 단위셀(131)의 크기는 상기 나선형 도체 패턴(137)의 감은 횟수, 상기 나선형 도체 패턴(137)의 도체 패턴 간의 간격, 상기 나선형 도체 패턴(137)의 폭, 상기 유전체(134)의 유전율 등에 따라 달라지게 된다.
상기 제1 메타 물질 구조물(130)은 상기 나선형 도체 패턴(137)의 길이에 의해 발생되는 인덕턴스와 상기 도체 패턴 사이의 간격에 의해 발생되는 커패시턴스의 결합으로 공진이 발생하며(즉, 제1 메타 물질 구조물은 나선형 공진 구조를 가짐), 해당 주파수 영역에서 음의 굴절률 특성을 나타낸다.
상기 제1 메타 물질 구조물(130)은 나선형 공진 구조 이외에 다른 공진 구조로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1 메타 물질 구조물(130)은 분할 링 공진 구조로 형성될 수도 있다.
상기 분할 링 공진 구조는, 도 3에 도시된 바와 같이 육면체 형상의 유전체(140)의 각 면에 소정의 부분이 개방된 링 도체 패턴(141)이 형성되고, 상기 링 도체 패턴(141)의 개방된 부분에 커패시터(144)가 연결되어 형성된다. 이 경우, 상기 링 도체 패턴(141)의 길이에 의해 발생되는 인덕턴스와 상기 커패시터(144) 간의 결합으로 공진이 발생하게 된다. 여기서는 설명의 편의상 메타 물질 단위셀만을 도시하였다.
상기 제1 메타 물질 구조물(130)은 음의 굴절률로 인해 상기 제1 커플링 루프(110)가 발생하는 자계를 집속시켜 줄 수 있게 된다. 이 경우, 상기 제1 메타 물질 구조물(130)의 크기는 상기 제1 커플링 루프(110)의 크기보다 크게 형성할 수 있다.
즉, 상기 제1 커플링 루프(110)에서 공기 중으로 방사되는 자계의 손실을 방지하기 위해서는 상기 제1 메타 물질 구조물(130)의 크기가 상기 제1 커플링 루프(110)에서 방사되는 자계를 모두 수용할 수 있어야 한다. 따라서, 상기 제1 메타 물질 구조물(130)의 크기는 상기 제1 커플링 루프(110) 보다 크게 형성한다.
상기 제1 메타 물질 구조물(130)은 상기 메타 물질 단위셀(131)이 4×4로 배열되어 총 16개의 메타 물질 단위셀(131)을 포함하는 것으로 도시하였으나, 상기 제1 메타 물질 구조물(130)에서 상기 메타 물질 단위셀(131)의 개수는 이에 한정되는 것은 아니며, 앞에서 살펴본 바와 같이 상기 제1 커플링 루프(110)의 크기에 따라 달라지게 된다.
상기 무선 에너지 수신 장치(150)는 상기 무선 에너지 송신 장치(110)가 전송하는 자계를 수신하는 곳으로, 상기 무선 에너지 수신 장치(150)는 제2 메타 물질 구조물(160) 및 제2 커플링 루프(170)를 포함한다. 상기 무선 에너지 수신 장치(150)는 상기 무선 에너지 송신 장치(110)와 소정 거리 이격되며, 상기 무선 에너지 송신 장치(110)와 상호 대칭하여 형성된다.
상기 제2 메타 물질 구조물(160)은 상기 제2 커플링 루프(170)의 좌측에 상기 제2 커플링 루프(170)와 상호 이격하여 형성된다. 즉, 상기 제2 메타 물질 구조물(160)은 상기 제1 커플링 루프(120)와 상기 제2 커플링 루프(160)가 마주대하여 있을 때, 상기 제1 커플링 루프(120) 방향에 위치하도록 형성한다.
상기 제2 메타 물질 구조물(160)은 복수 개의 메타 물질 단위셀(161)들의 주기적인 배열로 이루어지며, 상기 제1 메타 물질 구조물(130)과 마찬가지로 음의 굴절률을 가진다. 상기 메타 물질 단위셀(161)은 육면체 형상의 유전체(164)와 상기 유전체(164)의 각 표면에 형성되는 나선형 도체 패턴(167)을 포함한다.
상기 제2 메타 물질 구조물(160)은 상기 나선형 도체 패턴(167)의 길이에 의해 발생되는 인덕턴스와 상기 도체 패턴 사이의 간격에 의해 발생되는 커패시턴스의 결합으로 공진이 발생하며, 해당 주파수 영역에서 음의 굴절률 특성을 나타낸다.
상기 제2 메타 물질 구조물(160)은 음의 굴절률을 가지므로 상기 제1 메타 물질 구조물(130)을 통과하여 방사되는 자계를 상기 제2 커플링 루프(170)에 집속시켜 준다. 이를 위해, 상기 제2 메타 물질 구조물(160)의 크기는 상기 제2 커플링 루프(170) 보다 커야 한다.
상기 제2 메타 물질 구조물(160)은 상기 메타 물질 단위셀(161)이 4×4로 배열되어 총 16개의 메타 물질 단위셀(161)을 포함하는 것으로 도시하였으나, 상기 제2 메타 물질 구조물(160)에서 상기 메타 물질 단위셀(161)의 개수는 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제2 커플링 루프(170)의 크기에 따라 달라지게 된다.
상기 제2 커플링 루프(170)는 양단이 소정의 전자 부품(예를 들어, 배터리 등)(미도시)과 각각 연결되는 와이어 및 상기 와이어에 연결되는 커패시터를 포함하지만, 여기서는 설명의 편의상 와이어만 도시하였고 커패시터는 도시하지 않았다.
상기 제2 메타 물질 구조물(160)에 의해 자계가 상기 제2 커플링 루프(170)에 집속되면, 상기 자계는 상기 와이어에 자계를 형성시키고, 상기 커패시터에 전계를 형성시킨다. 이때, 상기 제2 커플링 루프(170)에 형성된 전계 및 자계로 인한 에너지는 상기 와이어에 연결된 전자 부품(미도시)으로 전달된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 무선 에너지 송신 장치(110)에서 발생시킨 자계를 매개로 상기 무선 에너지 수신 장치(150)로 에너지를 전송할 때, 음의 굴절률을 가지는 제1 메타 물질 구조물(130) 및 제2 메타 물질 구조물(160)을 이용함으로써 상기 무선 에너지 송신 장치(110)에서 상기 무선 에너지 수신 장치(150)로 방사되는 자계의 손실을 줄일 수 있게 된다.
구체적으로, 음의 굴절률을 가지는 제1 메타 물질 구조물(130) 및 제2 메타 물질 구조물(160)을 이용함으로써, 상기 무선 에너지 송신 장치(110)에서 발생시킨 자계를 상기 무선 에너지 송신 장치(110) 및 상기 무선 에너지 수신 장치(150) 사이의 공간 내부로 집속시킬 수 있다.
이 경우, 에너지의 매개체가 되는 자계가 상기 무선 에너지 수신 장치(150)의 수신 영역을 벗어나는 영역으로 방사되는 것을 줄일 수 있기 때문에, 에너지의 전송 효율을 향상시킬 수 있고, 에너지 전송 거리 또한 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 이동통신 단말기에 무선 에너지 전송 시스템을 적용하기 위해서는 시스템의 소형화가 필요하며, 이를 위해서는 무선 에너지 전송 시스템의 동작 주파수가 높아야 한다. 그러나, 동작 주파수를 높이면 파장이 짧아져서 전송 거리에 제한을 받게 된다.
본 발명의 실시예에서는 음의 굴절률을 가지는 메타 물질 구조물을 이용함으로써, 커플링 루프에서 발생한 자계를 집속시켜주기 때문에 동작 주파수가 높은 경우에서도 높은 에너지 전송 효율을 볼 수 있으며, 전송 거리의 한계를 극복할 수 있게 된다. 따라서, 무선 에너지 전송 시스템을 소형화하면서도 전송 효율 및 전송 거리를 향상시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템에서 자계의 진행 방향을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 제1 커플링 루프(120)와 제1 메타 물질 구조물(130) 사이, 제1 메타 물질 구조물(130)과 제2 메타 물질 구조물(160) 사이, 및 제2 메타 물질 구조물(160)과 제2 커플링 루프(170) 사이의 공간은 우향 물질(Right Handed Material)인 공기로 이루어져 있어 양의 굴절률을 가진다.
반면에, 상기 제1 메타 물질 구조물(130) 및 상기 제2 메타 물질 구조물(160)은 메타 물질 단위셀들의 주기적인 배열을 통해 음의 굴절률을 가지는 좌향 물질(Left Handed Material)로 이루어져 있다.
여기서, 상기 제1 커플링 루프(120)에서 발생하는 자계는 공기중으로 방사되어 상기 제1 메타 물질 구조물(130)에 수용된다. 상기 제1 메타 물질 구조물(130)을 상기 제1 커플링 루프(120) 보다 크게 형성하면, 상기 제1 커플링 루프(120)에서 방사되는 자계를 대부분 수용할 수 있게 된다.
상기 제1 메타 물질 구조물(130)이 음의 굴절률을 가지기 때문에 상기 제1 메타 물질 구조물(130)에 수용된 자계는 상기 제1 메타 물질 구조물(130) 내에서 상기 제1 메타 물질 구조물(130)에 입사된 방향과 반대 방향으로 굴절하여 진행하게 된다.
그리고, 상기 자계는 상기 제1 메타 물질 구조물(130)의 표면에서 공기 중으로 방사될 때, 상기 제1 메타 물질 구조물(130) 내에서 진행하던 방향과 반대의 방향으로 굴절되어 상기 제2 메타 물질 구조물(160)에 수용된다.
상기 제2 메타 물질 구조물(160) 또한 음의 굴절률을 가지기 때문에 상기 제2 메타 물질 구조물(160)에 수용된 자계는 상기 제2 메타 물질 구조물(160) 내에서 상기 제2 메타 물질 구조물(160)에 입사된 방향과 반대 방향으로 굴절하여 진행하게 된다.
상기 제2 메타 물질 구조물(160)의 표면에서 방사되는 자계는 상기 제2 메타 물질 구조물(160) 내에서 진행하던 방향과 반대의 방향으로 굴절되어 방사되기 때문에 상기 제2 커플링 루프(170)로 집속되게 된다.
이와 같이 음의 유전율을 갖는 제1 메타 물질 구조물(130) 및 제2 메타 물질 구조물(160)로 인해, 상기 제1 커플링 루프(120)에서 방사되는 자계가 상기 제2 커플링 루프(170)로 전송되는 과정에서 외부(즉, 무선 에너지 송신 장치와 무선 에너지 수신 장치 사이의 공간 밖의 영역)로 방사되어 손실되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이 경우, 에너지의 매개체가 되는 자계의 손실을 방지하여 에너지 전송 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 제1 커플링 루프(120)에서 발생하는 자계를 무선 에너지 송신 장치(110)와 무선 에너지 수신 장치(150) 사이의 공간 내부로 집속하여 전달할 수 있기 때문에 에너지 전송 거리도 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 높은 동작 주파수(예를 들어, 900 MHz)를 사용한다 하더라도 소정 거리 내에서 높은 에너지 전송 효율을 갖기 때문에, 무선 에너지 전송 시스템의 소형화가 요구되는 이동통신 단말기 등에도 효과적으로 적용될 수 있다.
도 5는 종래의 무선 에너지 전송 시스템의 전송 이득을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 전송 이득을 나타낸 그래프이다. 여기서, 무선 에너지 송신 장치와 무선 에너지 수신 장치의 거리(즉, 전송 거리)는 0.5m로 하였다.
도 5를 참조하면, 종래의 무선 에너지 전송 시스템은 공진 주파수 900 MHz 대역에서 전송 이득이 - 2.7 dB 인 것을 알 수 있다. 반면에, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은 공진 주파수 900 MHz 대역에서 전송 이득이 - 1.0 dB 인 것을 알 수 있다.
표 1은 종래의 무선 에너지 전송 시스템의 특성과 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 특성을 비교한 표이다.
동작 특성
 결 과
종래 기술 본 발명
공진 주파수(MHz) 900 900
인가 전력(W) 1 1
전송 거리(m) 0.5 0.5
전송 이득(dB) - 2.7 - 1.0
전송 효율(%) 53.7 79.4
표 1을 참조하면, 종래의 무선 에너지 전송 시스템은 공진 주파수 900 MHz 대역에서 전송 이득이 - 2.7 dB 로 전송 효율이 53.7%인데 반하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은 공진 주파수 900 MHz 대역에서 전송 이득이 - 1.0 dB 로 전송 효율이 79.4%인 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템에 의하면, 전송 효율이 종래기술보다 25.7% 향상되는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템과 종래의 무선 에너지 전송 시스템의 전송 거리에 따른 전송 효율을 비교한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 종래의 무선 에너지 전송 시스템은 전송 거리 0.5m, 0.7m, 0.9m, 1.1m, 1.3m, 1.5m에서 전송 효율이 각각 54%, 48%, 43%, 35%, 25%, 10%인 것을 알 수 있다.
반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은 전송 거리 0.5m, 0.7m, 0.9m, 1.1m, 1.3m, 1.5m에서 전송 효율이 각각 79%, 76%, 73%, 69%, 65%, 55%인 것을 알 수 있다.
여기서, 동일한 전송 거리에서 전송 효율의 차를 살펴보면, 전송 거리 0.5m, 0.7m, 0.9m, 1.1m, 1.3m, 1.5m에서 전송 효율의 차가 각각 25%, 28%, 38%, 44%, 40%, 45%인 것을 알 수 있다. 즉, 동일한 전송 거리에서 전송 효율이 최소 25%에서 최대 45%까지 차이가 남을 알 수 있다.
특히, 종래의 무선 에너지 전송 시스템은 전송 거리가 멀어질수록 전송 효율의 감소 폭이 커지는데 반하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은 전송 거리가 멀어질수록 전송 효율의 감소 폭이 작음을 확인할 수 있다. 따라서, 전송 거리를 증가시킨다 하여도 소정 수준 이상의 전송 효율을 나타낼 수 있게 된다.
이는 음의 굴절률을 가지는 메타 물질 구조물의 공진으로 인해 공진 Q 특성이 강화되었고, 무선 에너지 송신 장치에서 방사되는 자계가 무선 에너지 수신 장치로 집속되어 전송되었기 때문이다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110 : 무선 에너지 송신 장치 120 : 제1 커플링 루프
130 : 제1 메타 물질 구조물 131, 161 : 메타 물질 단위셀
134, 164 : 유전체 137, 167 : 나선형 도체 패턴
150 : 무선 에너지 수신 장치 170 : 제2 커플링 루프

Claims (11)

  1. 자계를 발생시키는 제1 커플링 루프, 상기 제1 커플링 루프와 상호 이격되어 형성되는 제1 메타 물질 구조물을 포함하는 무선 에너지 송신 장치; 및
    상기 무선 에너지 송신 장치와 소정 거리 이격되어 대응되게 형성되는 무선 에너지 수신 장치를 포함하며,
    상기 무선 에너지 수신 장치는, 제2 메타 물질 구조물, 상기 제2 메타 물질 구조물과 상호 이격하여 형성되고 상기 제1 커플링 루프가 발생시킨 자계를 상기 제1 메타 물질 구조물 및 상기 제2 메타 물질 구조물을 통해 수신하는 제2 커플링 루프를 포함하는 무선 에너지 전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 메타 물질 구조물 및 상기 제2 메타 물질 구조물은,
    음의 굴절률을 갖는, 무선 에너지 전송 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 메타 물질 구조물 및 상기 제2 메타 물질 구조물은,
    메타 물질 단위셀이 복수개가 배열되어 형성되는, 무선 에너지 전송 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 메타 물질 단위셀은,
    소정 형상의 유전체; 및
    상기 유전체의 각 표면에 형성되는 나선형 도체 패턴을 포함하는, 무선 에너지 전송 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 메타 물질 단위셀은,
    소정 형상의 유전체;
    상기 유전체의 각 표면에 형성되고 소정 부분이 개방된 링 도체 패턴; 및
    상기 링 도체 패턴의 개방된 부분에 연결되는 커패시터를 포함하는, 무선 에너지 전송 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 유전체는,
    육면체, 삼각뿔, 원기둥 중 어느 하나의 형상으로 이루어지는, 무선 에너지 전송 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 메타 물질 구조물 및 상기 제2 메타 물질 구조물은,
    각각 상기 제1 커플링 루프 및 상기 제2 커플링 루프 보다 크게 형성되는, 무선 에너지 전송 시스템.
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