KR101096686B1 - 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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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 갖는 평판 형태의 제1 메타 물질 구조물을 포함하는 무선 에너지 송신 장치 및 무선 에너지 송신 장치와 소정 거리 이격되어 형성되는 무선 에너지 수신 장치를 포함한다. 여기서, 무선 에너지 수신 장치는 평판 형태의 음의 굴절률을 갖는 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.
현재 전력선 없이 무선으로 에너지를 전송하는 기술은 전동 칫솔, 노트북, 이동통신 단말기(예를 들어, 모바일 폰, PMP, PDA 등), MP3 플레이어, 디지털 카메라, 노트북 등의 휴대용 디지털 기기 및 유비쿼터스 센서 네트워크에 사용되는 각종 센서 기기들을 무선으로 충전하는데 사용되고 있다.
이렇게 무선으로 에너지를 전송하는 기술로는 전자기 유도 방식이 많이 이용되고 있으나, 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(130)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(10)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 향상시킬 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명의 실시예는 자계를 에너지의 매개체로 하는 무선 에너지 전송 시스템에서 에너지 전송 효율 및 전송 거리를 향상시킬 수 있는 무선 에너지 전송 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 소형화되고 슬림화된 무선 기기에 적용할 수 있는 무선 에너지 전송 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은, 자계를 발생시키는 제1 커플링 루프, 상기 제1 커플링 루프와 상호 이격되어 형성되고 음의 굴절률을 갖는 평판 형태의 제1 메타 물질 구조물을 포함하는 무선 에너지 송신 장치; 및 상기 무선 에너지 송신 장치와 일정 거리 이격되어 대응되게 형성되는 무선 에너지 수신 장치를 포함하며, 상기 무선 에너지 수신 장치는, 음의 굴절률을 갖는 평판 형태의 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, 하나 이상의 메타 물질 단위셀로 이루어지며, 상기 메타 물질 단위셀은, 평판 형태의 유전체 및 상기 유전체의 일면 및 타면에 각각 형성되는 하나 이상의 도체 구조물을 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.
또한, 평판 형태의 메타 물질 구조물을 이용함으로써 무선 에너지 전송 시스템의 부피를 줄일 수 있으며, 소형화 및 슬림화가 요구되는 무선 기기에 적용할 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 구성을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 구성을 나타낸 측면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 물질 단위셀의 구성을 나타낸 평면도.
도 5는 도 4의 메타 물질 단위셀의 등가 회로를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 메타 물질 단위셀의 구성을 나타낸 평면도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 메타 물질 단위셀의 구성을 나타낸 평면도.
도 8은 도 7의 메타 물질 단위셀에서 제1 도체 구조물 및 제2 도체 구조물의 전류 방향을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템에서 자계의 진행 방향을 나타낸 도면.
이하, 도 2 내지 도 9를 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.
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 구성을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 무선 에너지 전송 시스템은 무선 에너지 송신 장치(102) 및 무선 에너지 수신 장치(104)를 포함한다.
상기 무선 에너지 송신 장치(102)는 자계를 발생하여 상기 무선 에너지 수신 장치(104)로 전송한다. 상기 무선 에너지 송신 장치(102)는 제1 커플링 루프(110) 및 제1 메타 물질 구조물(120)을 포함한다.
상기 제1 커플링 루프(110)는 양 말단이 각각 전원을 공급하는 전원부(미도시)와 전기적으로 연결되는 와이어 및 상기 와이어에 연결되는 커패시터를 포함할 수 있지만, 여기서는 설명의 편의상 와이어만 도시하였고 커패시터는 도시하지 않았다. 상기 제1 커플링 루프(110)는 원형으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 그 이외에 타원형, 다각형(예를 들어, 삼각형, 사각형, 오각형 등), 헬리컬(Helical) 등 다양한 형상으로 형성할 수 있다.
상기 제1 커플링 루프(110)는 상기 전원부(미도시)로부터 전원을 공급받아 상기 와이어 및 커패시터 간의 LC 공진에 의해 자계를 발생시킨다.
상기 제1 메타 물질 구조물(120)은 제1 커플링 루프(110)와 상호 이격하여 형성된다. 상기 제1 메타 물질 구조물(120)은 상기 제1 커플링 루프(110)에서 형성된 자계가 전송되는 방향 즉, 상기 제1 커플링 루프(110)의 전방에 상기 제1 커플링 루프(110)와 상호 이격하여 형성된다. 상기 제1 메타 물질 구조물(120)은 음의 굴절률을 갖는다. 따라서, 상기 제1 커플링 루프(110)에서 방사되는 자계는 상기 제1 메타 물질 구조물(120)에 의해 집속되게 된다.
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(120)은 상기 제1 커플링 루프(110)에서 방사되는 자계를 모두 수용하도록 상기 제1 커플링 루프(110)의 크기 보다 크게 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 커플링 루프(110)에서 공기 중으로 방사되는 자계의 손실을 줄일 수 있게 된다.
상기 제1 메타 물질 구조물(120)은 하나 이상의 메타 물질 단위셀(121)을 포함한다. 예를 들어, 상기 제1 메타 물질 구조물(120)은 복수 개의 메타 물질 단위셀(121)들을 주기적으로 배열한 후 접합시켜 형성할 수 있다. 여기서는, 메타 물질 단위셀(121)이 4×4로 배열된 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 메타 물질 단위셀(121)이 N×M(여기서, N,M은 정수)으로 배열될 수 있다. 상기 메타 물질 단위셀(121)에 대해서는 도 4 내지 도 8에서 자세히 설명하기로 한다.
한편, 상기 제1 커플링 루프(110)에서 방사되는 자계를 상기 무선 에너지 수신 장치(104)로 손실 없이 집속시키기 위해 상기 제1 메타 물질 구조물(120)의 음의 굴절률을 조절할 수 있다.
상기 무선 에너지 수신 장치(104)는 상기 무선 에너지 송신 장치(102)와 일정 거리 이격되어 형성되며, 상기 무선 에너지 송신 장치(102)가 전송하는 자계를 수신한다. 상기 무선 에너지 수신 장치(104)는 제2 메타 물질 구조물(150) 및 제2 커플링 루프(160)를 포함한다.
상기 제2 메타 물질 구조물(150)은 상기 제1 메타 물질 구조물(120)과 마찬가지로 음의 굴절률을 갖는다. 따라서, 상기 제2 메타 물질 구조물(150)은 상기 무선 에너지 송신 장치(102)로부터 전송되는 자계를 상기 제2 커플링 루프(160)로 집속시켜 주게 된다. 이때, 상기 제2 메타 물질 구조물(150)은 상기 무선 에너지 송신 장치(102)로부터 전송되는 자계를 손실없이 상기 제2 커플링 루프(160)로 집속시켜 주기 위해 상기 제2 커플링 루프(160)의 크기보다 크게 형성할 수 있다.
상기 제2 메타 물질 구조물(150)은 한 개의 메타 물질 단위셀로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 무선 에너지 수신 장치(104)의 크기를 소형화 할 수 있게 된다. 이때, 상기 제2 메타 물질 구조물(150)을 이루는 메타 물질 단위셀의 구성은 상기 메타 물질 단위셀(121)과 동일하며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
하지만, 상기 제2 메타 물질 구조물(150)의 구성이 한 개의 메타 물질 단위셀로 한정되는 것은 아니며, 한 개 이상의 메타 물질 단위셀로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 상기 제2 커플링 루프(160)의 크기가 한 개의 메타 물질 단위셀 보다 큰 경우, 상기 제2 메타 물질 구조물(150)은 한 개 이상의 메타 물질 단위셀로 이루어진다. 즉, 상기 제2 커플링 루프(160)의 크기에 따라 상기 제2 메타 물질 구조물(150)을 이루는 메타 물질 단위셀의 개수가 달라질 수 있다.
상기 제2 커플링 루프(160)는 상기 제2 메타 물질 구조물(150)과 상호 이격하여 형성된다. 상기 제2 커플링 루프(160)는 양말단이 각각 소정의 전자 부품(예를 들어, 배터리 등)(미도시)과 연결되는 와이어 및 상기 와이어에 연결되는 커패시터를 포함할 수 있지만, 여기서는 설명의 편의상 와이어만 도시하였고 커패시터는 도시하지 않았다.
상기 제2 메타 물질 구조물(150)에 의해 자계가 상기 제2 커플링 루프(160)에 집속되면, 상기 자계는 상기 와이어에 자계를 형성시키고, 상기 커패시터에 전계를 형성시킨다. 이때, 상기 제2 커플링 루프(160)에 형성된 전계 및 자계로 인한 에너지는 상기 와이어에 연결된 전자 부품(미도시)으로 전달되게 된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 무선 에너지 송신 장치(102)에서 발생시킨 자계를 매개로 상기 무선 에너지 수신 장치(104)로 에너지를 전송할 때, 음의 굴절률을 가지는 제1 메타 물질 구조물(120) 및 제2 메타 물질 구조물(150)을 이용함으로써 상기 무선 에너지 송신 장치(102)에서 상기 무선 에너지 수신 장치(104)로 방사되는 자계의 손실을 줄일 수 있게 된다.
구체적으로, 음의 굴절률을 가지는 제1 메타 물질 구조물(120) 및 제2 메타 물질 구조물(150)을 이용함으로써, 상기 무선 에너지 송신 장치(102)에서 발생시킨 자계를 상기 무선 에너지 송신 장치(102) 및 상기 무선 에너지 수신 장치(104) 사이의 공간 내부로 집속시킬 수 있다.
이 경우, 에너지의 매개체가 되는 자계가 상기 무선 에너지 수신 장치(104)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.
그러나 본 발명의 실시예에서는 상기 무선 에너지 수신 장치(104)를 소형화 함으로써, 무선 에너지 전송 시스템을 이동통신 단말기 등에 적용할 수 있게 된다. 즉, 무선 에너지 전송 시스템 중 소형화된 무선 에너지 수신 장치(104)가 이동통신 단말기에 장착되므로, 소형화가 요구되는 이동통신 단말기에도 적용이 가능하게 된다.
그리고, 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 메타 물질 단위셀의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 4를 참조하면, 메타 물질 단위셀(200)은 유전체(202) 및 도체 구조물(212)을 포함한다. 여기서, 상기 유전체(202)는 평판 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 무선 에너지 전송 시스템을 슬림한 소형 모바일 기기 등에 적용할 수 있게 된다. 그러나, 상기 유전체(202)가 평판 형태로 한정되는 것은 아니며, 그 이외의 다양한 형태로 형성할 수 있다.
상기 도체 구조물(212)은 상기 유전체(202)의 일면 및 타면에 형성된다. 즉, 평면도인 관계상 여기서는 상기 유전체(202)의 일면에만 상기 도체 구조물(212)이 형성된 것으로 도시하였지만, 상기 유전체(202)의 타면에도 상기 도체 구조물(212)이 동일하게 형성되게 된다.
상기 도체 구조물(212)은 상기 유전체(202)의 중앙에 형성되는 패치(204), 상기 유전체(202)의 가장 자리를 따라 형성되는 제1 선로(206), 상기 패치(204)와 상기 제1 선로(206)를 연결하며 형성되는 제2 선로(208), 및 상기 제2 선로(208)에 형성되는 커패시터(210)를 포함한다. 상기 유전체(202)의 가장 자리를 따라 형성되는 제1 선로(206)는 이웃하는 메타 물질 단위셀과의 커플링을 위해 형성한 것이다.
상기 패치(204)는 상기 유전체(202)의 중앙에 사각형 형상으로 형성될 수 있다. 그러나 상기 패치(204)의 형상이 사각형으로 한정되는 것은 아니며, 그 이외의 다양한 형상(예를 들어, 원형, 삼각형, 오각형 등)으로 형성될 수 있다. 상기 제2 선로(208)는 상기 패치(204)의 각 변에서 상기 패치(204)와 상기 제1 선로(206)를 연결하며 형성된다.
여기서, 상기 메타 물질 단위셀(200)은 상기 유전체(202) 및 상기 도체 구조물(212)을 통해 음의 굴절률을 갖게 된다. 구체적으로, 상기 커패시터(210)가 형성된 상기 제2 선로(208)에서 음의 유전율이 형성되고, 상기 유전체(202)의 일면 및 타면의 중앙에 각각 형성되는 상기 패치(204)들 사이의 결합에 의해 음의 투자율이 형성된다. 이와 같이, 상기 메타 물질 단위셀(200)은 상기 음의 유전율 및 음의 투자율을 통하여 음의 굴절률을 갖게 된다.
상기 메타 물질 단위셀(200)이 음의 굴절률을 갖는 것에 대해 도 5를 참조하여 다시 설명하면 다음과 같다. 도 5는 도 4의 메타 물질 단위셀의 등가 회로를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 메타 물질 단위셀(200)의 등가 회로는 직렬로 연결된 커패시터(CL) 및 인덕터(LR), 상기 커패시터(CL) 및 인덕터(LR)와 병렬로 연결된 커패시터(CR) 및 인덕터(LL)로 나타낼 수 있다.
여기서, 상기 커패시터(CL)는 상기 제2 선로(208) 상에 형성된 커패시터(210)를 나타내고, 상기 인덕터(LL)는 상기 유전체(202)의 중앙에 형성되는 패치(204)를 나타내며, 상기 인덕터(LR) 및 상기 커패시터(CR)는 기생 성분을 나타낸다.
한편, 상기 커패시터(CL), 인덕터(LR), 커패시터(CR) 및 인덕터(LL)에서 첨자 L은 Left-Handed 특성을 나타내고, 첨자 R은 Right-Handed 특성을 나타낸다. 즉, 상기 제2 선로(208) 상에 커패시터(210)가 Left-Handed 특성의 커패시터(CL)를 구성하고, 상기 유전체(202)의 중앙에 패치(204)가 Left-Handed 특성의 인덕터(LL)를 구성한다. 일반적으로, 어떤 물질이 음의 굴절률을 가지려면 Left-Handed 특성을 가져야 하는데, 상기 메타 물질 단위셀(200)은 상기 커패시터(210) 및 상기 패치(204)를 통해 Left-Handed 특성을 가져 음의 굴절률을 갖게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 메타 물질 단위셀의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 6을 참조하면, 메타 물질 단위셀(300)은 유전체(302) 및 도체 구조물(310)을 포함한다. 여기서, 상기 유전체(302)는 평판 형태로 형성될 수 있고, 상기 도체 구조물(310)은 상기 유전체(302)의 일면 및 타면에 형성된다.
상기 도체 구조물(310)은 상기 유전체(302)의 중앙에 형성되는 패치(304), 상기 유전체(302)의 가장 자리를 따라 형성되는 제1 선로(306), 및 상기 패치(304)와 상기 제1 선로(306)를 연결하며 형성되는 제2 선로(308)를 포함한다.
여기서, 상기 제2 선로(308)는 예를 들어, 미앤더(Meander) 구조로 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 선로(308)는 도 4의 커패시터(210)를 대체하게 된다. 이와 같이, 커패시터를 미앤더 구조의 선로로 대체하면 커패시터에서 발생하는 저항 성분을 줄여 도체 구조의 손실을 줄일 수 있고, 커패시터를 사용하지 않으므로 제작이 용이하고 비용을 줄일 수 있게 된다. 또한, 미앤더 구조의 선로를 사용함으로써 동일한 면적에서 해당 선로의 길이를 늘릴 수 있으며, 그로 인해 공진 주파수를 낮출 수 있게 된다. 그리고, 동일한 주파수에서 상기 도체 구조물(310)을 소형화 할 수 있게 된다.
상기 메타 물질 단위셀(300)은 음의 굴절률을 갖는다. 구체적으로, 상기 미앤더 구조의 제2 선로(308)에서 음의 유전율이 형성되고, 상기 유전체(302)의 일면 및 타면의 중앙에 각각 형성되는 상기 패치(304)들 사이의 결합에 의해 음의 투자율이 형성된다. 이와 같이, 상기 메타 물질 단위셀(300)은 상기 음의 유전율 및 음의 투자율을 통하여 음의 굴절률을 갖게 된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 메타 물질 단위셀의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 7을 참조하면, 메타 물질 단위셀(400)은 유전체(402), 제1 도체 구조물(410), 및 제2 도체 구조물(430)을 포함한다. 여기서, 상기 유전체(402)는 평판 형태로 형성될 수 있고, 상기 제1 도체 구조물(410) 및 제2 도체 구조물(430)은 상기 유전체(402)의 일면 및 타면에 형성된다.
상기 제1 도체 구조물(410)은 상기 유전체(402)의 중앙에 형성되는 중심 패치(411), 상기 중심 패치(411)에서 좌우로 각각 일정 간격 이격하여 형성되는 제1 패치(413) 및 제2 패치(415), 및 상기 제1 패치(413)와 상기 중심 패치(411) 및 상기 중심 패치(411)와 상기 제2 패치(415)를 각각 연결하며 형성되는 제1 선로(417)를 포함한다.
그리고, 상기 제1 패치(413)의 상단 및 하단에는 제1 보조 선로(421)가 연결되어 형성되고, 상기 제2 패치(415)의 상단 및 하단에는 제2 보조 선로(424)가 연결되어 형성된다. 여기서, 상기 제1 선로(417), 상기 제1 보조 선로(421), 및 상기 제2 보조 선로(424)는 예를 들어, 미앤더 구조로 형성될 수 있다. 이 경우, 동일한 면적에서 해당 선로의 길이를 늘릴 수 있으며, 그로 인해 공진 주파수를 낮출 수 있게 된다.
여기서, 상기 제1 보조 선로(421)는 상기 메타 물질 단위셀(400)의 좌측에 이웃하는 메타 물질 단위셀과의 커플링을 위해 형성되고, 상기 제2 보조 선로(424)는 상기 메타 물질 단위셀(400)의 우측에 이웃하는 메타 물질 단위셀과의 커플링을 위해 형성된다.
상기 제2 도체 구조물(430)은 상기 유전체(402)의 중앙에 형성되는 중심 패치(411), 상기 중심 패치(411)에서 상하로 각각 일정 간격 이격하여 형성되는 제3 패치(433) 및 제4 패치(435), 및 상기 제3 패치(433)와 상기 중심 패치(411) 및 상기 중심 패치(411)와 상기 제4 패치(435)를 각각 연결하며 형성되는 제2 선로(437)를 포함한다.
그리고, 상기 제3 패치(433)의 좌단 및 우단에는 제3 보조 선로(441)가 연결되어 형성되고, 상기 제4 패치(435)의 좌단 및 우단에는 제4 보조 선로(444)가 연결되어 형성된다. 여기서, 상기 제2 선로(437), 상기 제3 보조 선로(441), 및 상기 제4 보조 선로(444)는 예를 들어, 미앤더 구조로 형성될 수 있다. 이 경우, 동일한 면적에서 해당 선로의 길이를 늘릴 수 있으며, 그로 인해 공진 주파수를 낮출 수 있게 된다.
여기서, 상기 제3 보조 선로(441)는 상기 메타 물질 단위셀(400)의 상측에 이웃하는 메타 물질 단위셀과의 커플링을 위해 형성되고, 상기 제4 보조 선로(444)는 상기 메타 물질 단위셀(400)의 하측에 이웃하는 메타 물질 단위셀과의 커플링을 위해 형성된다.
한편, 상기 메타 물질 단위셀(400)은 상기 유전체(402)의 일면 및 타면에 형성되는 상기 제1 도체 구조물(410)이 수평 방향으로의 선로 쌍을 이루고, 상기 유전체(402)의 일면 및 타면에 형성되는 상기 제2 도체 구조물(430)이 수직 방향으로의 선로 쌍을 이루게 된다. 여기서, 상기 수평 방향으로의 선로 쌍과 상기 수직 방향으로의 선로 쌍 중 하나의 선로 쌍은 서로 반대의 전류 방향을 갖게 된다.
예를 들어, 도 8을 참조하면 상기 유전체(402)의 일면에서 상기 제1 도체 구조물(410)의 전류 방향이 좌에서 우를 향하고, 상기 제2 도체 구조물(430)의 전류 방향이 상에서 하를 향한다면, 상기 유전체(402)의 타면에서 상기 제1 도체 구조물(410)의 전류 방향은 상기 유전체(402)의 일면에서와 같이 좌에서 우를 향하는 반면에, 상기 제2 도체 구조물(430)의 전류 방향은 상기 유전체(402)의 일면에서와는 반대로 하에서 상을 향하게 된다.
이 경우, 서로 반대의 전류 방향을 갖는 선로 쌍(즉, 수직 방향으로의 선로 쌍)에서 자계 공진이 발생하여 음의 투자율을 갖게 되고, 서로 같은 전류 방향을 갖는 선로 쌍(즉, 수평 방향으로의 선로 쌍)에서 전계 공진이 발생하여 음의 유전율을 갖게 된다. 이와 같이, 상기 메타 물질 단위셀(400)은 상기 음의 투자율 및 상기 음의 유전율을 통해 음의 굴절률을 가지게 된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템에서 자계의 진행 방향을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 제1 커플링 루프(110)와 제1 메타 물질 구조물(120) 사이, 제1 메타 물질 구조물(120)과 제2 메타 물질 구조물(150) 사이, 및 제2 메타 물질 구조물(150)과 제2 커플링 루프(160) 사이의 공간은 우향 물질(Right Handed Material)인 공기로 이루어져 있어 양의 굴절률을 가진다. 반면에, 상기 제1 메타 물질 구조물(120) 및 상기 제2 메타 물질 구조물(150)은 음의 굴절률을 가지는 좌향 물질(Left Handed Material)로 이루어져 있다.
여기서, 상기 제1 커플링 루프(110)에서 발생하는 자계는 공기중으로 방사되어 상기 제1 메타 물질 구조물(120)에 수용된다. 상기 제1 메타 물질 구조물(120)을 상기 제1 커플링 루프(110) 보다 크게 형성하면, 상기 제1 커플링 루프(120)에서 방사되는 자계를 대부분 수용할 수 있게 된다.
상기 제1 메타 물질 구조물(120)이 음의 굴절률을 가지기 때문에 상기 제1 메타 물질 구조물(120)에 수용된 자계는 상기 제1 메타 물질 구조물(130)에 입사된 방향과 반대 방향으로 굴절되어 상기 제2 메타 물질 구조물(150)에 수용된다. 이때, 상기 제2 메타 물질 구조물(150)의 크기가 상기 제1 메타 물질 구조물(120)의 크기보다 작기 때문에, 상기 제1 메타 물질 구조물(120)의 음의 굴절률 또는 상기 제1 메타 물질 구조물(120)과 상기 제2 메타 물질 구조물(150) 간의 거리를 조절하여 상기 제1 메타 물질 구조물(120)에서 굴절되는 자계가 손실없이 상기 제2 메타 물질 구조물(150)에 수용되도록 한다.
상기 제2 메타 물질 구조물(150) 또한 음의 굴절률을 가지기 때문에 상기 제2 메타 물질 구조물(150)에 수용된 자계는 상기 제2 메타 물질 구조물(150)에 입사된 방향과 반대 방향으로 굴절되어 상기 제2 커플링 루프(160)로 집속되게 된다. 이때, 상기 제2 커플링 루프(160)의 크기를 상기 제2 메타 물질 구조물(150) 보다 작게 하면 상기 제2 메타 물질 구조물(150)에서 굴절되는 자계를 대부분 수용할 수 있게 된다.
이와 같이, 음의 유전율을 갖는 제1 메타 물질 구조물(120) 및 제2 메타 물질 구조물(150)로 인해, 제1 커플링 루프(110)에서 방사되는 자계가 제2 커플링 루프(160)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 루프에서 발생하는 자계를 무선 에너지 송신 장치와 무선 에너지 수신 장치 사이의 공간 내부로 집속하여 전달할 수 있기 때문에 에너지 전송 거리도 증가시킬 수 있다.
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.
102 : 무선 에너지 송신 장치 104 : 무선 에너지 수신 장치
110 : 제1 커플링 루프 120 : 제1 메타 물질 구조물
121 : 메타 물질 단위셀 150 : 제2 메타 물질 구조물
160 : 제2 커플링 루프 200, 300, 400 : 메타 물질 단위셀
202, 302, 402 : 유전체 204, 304 : 패치
206, 306 : 제1 선로 208, 308 : 제2 선로
210 : 커패시터 212, 310 : 도체 구조물
410 : 제1 도체 구조물 411 : 중심 패치
413 : 제1 패치 415 : 제2 패치
417 : 제1 선로 421 : 제1 보조 선로
424 : 제2 보조 선로 430 : 제2 도체 구조물
433 : 제3 패치 435 : 제4 패치
437 : 제2 선로 441 : 제1 보조 선로
444 : 제4 보조 선로

Claims (16)

  1. 자계를 발생시키는 제1 커플링 루프, 상기 제1 커플링 루프와 상호 이격되어 형성되고 음의 굴절률을 갖는 평판 형태의 제1 메타 물질 구조물을 포함하는 무선 에너지 송신 장치; 및
    상기 무선 에너지 송신 장치와 일정 거리 이격되어 대응되게 형성되는 무선 에너지 수신 장치를 포함하며,
    상기 무선 에너지 수신 장치는, 음의 굴절률을 갖는 평판 형태의 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 적어도 하나의 메타 물질 단위셀로 이루어지는, 무선 에너지 전송 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메타 물질 단위셀은,
    평판 형태의 유전체; 및
    상기 유전체의 일면 및 타면에 각각 형성되는 도체 구조물을 포함하는, 무선 에너지 전송 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 도체 구조물은,
    상기 유전체의 중앙에 형성되는 패치;
    상기 유전체의 가장 자리를 따라 형성되는 제1 선로;
    상기 패치와 상기 제1 선로를 연결하며 형성되고 상호 이격된 복수 개의 제2 선로; 및
    상기 복수 개의 제2 선로 상에 형성되는 커패시터를 포함하는, 무선 에너지 전송 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 도체 구조물은,
    상기 유전체의 중앙에 형성되는 패치;
    상기 유전체의 가장 자리를 따라 형성되는 제1 선로; 및
    상기 패치와 상기 제1 선로를 연결하며 형성되고 상호 이격된 복수 개의 제2 선로를 포함하며,
    상기 복수 개의 제2 선로는 미앤더 구조로 형성되는, 무선 에너지 전송 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 메타 물질 단위셀은,
    평판 형태의 유전체; 및
    상기 유전체의 일면 및 타면에 각각 형성되는 제1 도체 구조물 및 제2 도체 구조물을 포함하며,
    상기 제1 도체 구조물 및 상기 제2 도체 구조물은 서로 수직하게 형성되는, 무선 에너지 전송 시스템.
  7. 하나 이상의 메타 물질 단위셀로 이루어지고,
    상기 메타 물질 단위셀은, 평판 형태의 유전체 및 상기 유전체의 일면 및 타면에 각각 형성되는 하나 이상의 도체 구조물을 포함하며,
    상기 도체 구조물은,
    상기 유전체의 중앙에 형성되는 패치;
    상기 유전체의 가장 자리를 따라 형성되는 제1 선로;
    상기 패치와 상기 제1 선로를 연결하며 형성되고 상호 이격된 복수 개의 제2 선로; 및
    상기 복수 개의 제2 선로 상에 형성되는 커패시터를 포함하는, 메타 물질 구조물.
  8. 삭제
  9. 하나 이상의 메타 물질 단위셀로 이루어지고,
    상기 메타 물질 단위셀은, 평판 형태의 유전체 및 상기 유전체의 일면 및 타면에 각각 형성되는 하나 이상의 도체 구조물을 포함하며,
    상기 도체 구조물은,
    상기 유전체의 중앙에 형성되는 패치;
    상기 유전체의 가장 자리를 따라 형성되는 제1 선로; 및
    상기 패치와 상기 제1 선로를 연결하며 형성되고 상호 이격된 복수 개의 제2 선로를 포함하며,
    상기 복수 개의 제2 선로는 미앤더 구조로 형성되는, 메타 물질 구조물.
  10. 하나 이상의 메타 물질 단위셀로 이루어지고,
    상기 메타 물질 단위셀은, 평판 형태의 유전체 및 상기 유전체의 일면 및 타면에 각각 형성되는 하나 이상의 도체 구조물을 포함하며,
    상기 도체 구조물은,
    상기 유전체의 일면 및 타면에 각각 형성되는 제1 도체 구조물;
    상기 유전체의 일면 및 타면에 각각 상기 제1 도체 구조물과 서로 수직하게 형성되는 제2 도체 구조물을 포함하는, 메타 물질 구조물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 도체 구조물은,
    상기 유전체의 중앙에 형성되는 중심 패치;
    상기 중심 패치에서 좌우로 각각 일정 간격 이격하여 형성되는 제1 패치 및 제2 패치; 및
    상기 제1 패치와 상기 중심 패치 및 상기 중심 패치와 상기 제2 패치를 각각 연결하며 형성되는 제1 선로를 포함하는, 메타 물질 구조물.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 도체 구조물은,
    상기 제1 패치의 상단 및 하단에 연결되어 형성되는 제1 보조 선로; 및
    상기 제2 패치의 상단 및 하단에 연결되어 형성되는 제2 보조 선로를 더 포함하는, 메타 물질 구조물.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 선로, 상기 제1 보조 선로, 및 상기 제2 보조 선로는,
    미앤더 구조인, 메타 물질 구조물.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제2 도체 구조물은,
    상기 유전체의 중앙에 형성되는 중심 패치;
    상기 중심 패치에서 상하로 각각 일정 간격 이격하여 형성되는 제3 패치 및 제4 패치; 및
    상기 제3 패치와 상기 중심 패치 및 상기 중심 패치와 상기 제4 패치를 각각 연결하며 형성되는 제2 선로를 포함하는, 메타 물질 구조물.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 도체 구조물은,
    상기 제3 패치의 좌단 및 우단에 연결되어 형성되는 제3 보조 선로; 및
    상기 제4 패치의 좌단 및 우단에 연결되어 형성되는 제4 보조 선로를 더 포함하는, 메타 물질 구조물.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 선로, 상기 제3 보조 선로, 및 상기 제4 보조 선로는,
    미앤더 구조인, 메타 물질 구조물.




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