KR101230515B1 - 듀얼 송신 코일을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 시스템 - Google Patents

듀얼 송신 코일을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 시스템 Download PDF

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Abstract

전원으로부터 공급받는 전력을 무선으로 수신 코일부에 전송하기 위한 제1 송신 코일부로서, 상기 전원과 전기적으로 연결되고 상기 전원으로부터 전력을 수신하는 제1 전력 코일 및 상기 제1 전력 코일과 자기적으로 연결되고 상기 제1 전력 코일에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하는 제1 송신 공진기를 구비하는 상기 제1 송신 코일부와, 상기 제1 송신 코일부와 이격되어 위치하고 제2 송신 공진기를 구비하는 제2 송신 코일부를 포함하되, 상기 제1 송신 공진기 및 상기 제2 송신 공진기는 모두 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부에 전력을 전송할 수 있도록 구성되는 무선 전력 송신 장치를 제공한다. 이러한 장치에 의하면, 자기 공명 방식으로 무선 전력을 전송함으로써, 전력 전송을 위한 송신 유닛과 수신 유닛을 밀착시키지 않으면서도 높은 전송 효율을 보장할 수 있다. 또한, 두 개의 송신 코일부의 배치를 통해 송신 유닛에 대한 수신 유닛의 거리나 각도에 따라 전송 효율이 급격히 변하지 않고 일정 수준 이상의 효율을 유지할 수 있다.

Description

듀얼 송신 코일을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 시스템 {Apparatus and System for Wireless Power Transmission Using Dual Transmitter Coils}
본 발명은 무선 전력 전송에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기 공명을 이용하여 듀얼 송신 코일(dual transmitter coils)을 포함하는 송신 유닛으로부터 수신 코일을 포함하는 수신 유닛으로 전력을 무선 전송하되, 송신 유닛에 대한 수신 유닛의 위치나 각도에 따라 전력 전송 효율이 민감하게 변하지 않고 효율적으로 전력을 전송하는 장치 및 시스템에 관한 것이다.
무선 전력 전송 기술은 전원(power source)으로부터 전력(electrical power)을 무선으로 전송하기 위한 것으로서, 유선 연결을 통해서는 전력을 전송하기 곤란하거나 불편한 경우에 유용하다. 이러한 이점으로 인해 전 세계적으로 무선 전력 전송 시장이 확대되고 있다. 특히, 휴대용 기기를 포함한 전자제품이나 임상용 또는 실험용 장치의 사용이 늘어나면서, 이들을 편리하게 충전하고자 하는 수요도 더욱 급증하고 있다.
무선으로 에너지가 전송되는 방식으로는, 송신 코일에 흐르는 전류에 의해 송신 코일 가까이에 위치하는 수신 코일에 흐르는 전류가 유도되는 전자기 유도(inductive coupling)를 이용하는 방식(예컨대, 변압기 또는 전기모터), 라디오파(예컨대, 마이크로파) 형태의 전자기 방사(electromagnetic radiation)를 이용하는 방식, 그리고 전원으로부터의 전력에 의해 형성된 비방사성 전자기장과의 공진 현상을 이용하여 에너지를 수신하도록 하는 자기 공명(magnetic resonant coupling) 방식 등이 있다.
유선 전력 전송과 달리, 전력을 송신하는 송신 유닛(transmitting unit)과 전력을 수신하는 수신 유닛(receiving unit)이 서로 접촉하지 않는 무선 전력 전송 시스템에서의 전송 효율은 실제적으로 중요한 관심사 중 하나이다. 다시 말해, 송신 유닛으로부터 전송되는 전력의 상당 부분이 수신 유닛에 도달하는지 여부가 무선 전력 전송 시스템의 유용성을 가를 수 있다.
또한, 경우에 따라 하나의 송신 유닛으로써 다수의 수신 유닛을 충전할 필요가 있다. 예를 들어, 건물의 방 또는 일정 구역에는 여러 개의 전자제품이 놓일 수 있는데, 건물의 어떤 지점(방의 벽면 등)에 배치되거나 설치되는 하나의 송신 유닛으로써 이들을 충전하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 인체 내에 이식된 신경 보철 장치가 다수인 경우, 예컨대 인공 망막을 양안에 이식한 경우, 이들에게 하나의 송신 유닛을 이용해 전력을 공급하는 것이 편리하다.
전자기 방사는 원거리 간의 무선 전력 전송에 이용될 수 있다. 다만, 전자기파가 무방향성으로 방사되면 일부 에너지만이 전송 목표로 삼는 수신 측에 도달하고 대부분의 에너지는 주위 공간으로 허비되어 버리며, 전송 효율을 보장하기 위해서는 안테나의 방향성을 향상시켜야 하는 번거러움이 있다. 또한, 방사되는 전자기파는 진행 거리가 늘어나면서 급격히 약해지는바, 단위시간당 충분한 에너지를 전송하기 위해서는 안테나의 규모가 커야 한다.
전자기 유도 방식은 송신 코일로부터 송신 코일에 근접하여 위치한 수신 코일로 에너지를 전송할 수 있게 한다. 다만, 송신 코일과 수신 코일이 상당히 가깝게 위치할 때(예컨대, 전송 신호의 파장 미만의 거리에 위치할 때)에 실용적인 효율을 얻을 수 있다. 이식된 신경 보철 장치에 전력을 전송하고자 하는 경우, 전력을 전송하기 위한 외부 코일과 신경 보철 장치 내에 포함된 내부 코일 간의 거리는 수 mm 이내로 유지해야 하므로, 외부 코일을 신경 보철 장치에 밀착시켜 장착시킬 필요가 있다. 이런 점에서, 하나의 송신 유닛으로 여러 수신 유닛에 전력을 공급하기 어려운 면이 있다.
자기 공명을 이용하는 경우, 송신 코일과 수신 코일이 동일한 공진 주파수에 동조되도록 구성함으로써 송신 코일의 크기보다 수 배 정도의 거리에 위치한 수신 코일에도 상당량의 전력을 전송할 수 있다. 다만, 전송 효율의 관점에서 수신 코일의 위치나 자세가 대단히 민감한 요인인바, 수신 코일이 최적의 지점 내지 각도에서 약간만 벗어나더라도 전송 효율이 급격히 감소된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 인식한 것으로서, 두 개의 송신 코일부를 이용한 자기 공명 방식으로 무선 전력을 전송함으로써, 전력 전송을 위한 송신 유닛과 수신 유닛을 밀착시키지 않으면서도 높은 전송 효율을 보장하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 두 개의 송신 코일부의 배치를 통해 송신 유닛에 대한 수신 유닛의 거리나 각도에 따라 전송 효율이 급격히 변하지 않고 일정 수준 이상의 효율을 유지하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전원으로부터 공급받는 전력을 무선으로 수신 코일부에 전송하기 위한 제1 송신 코일부로서, 상기 전원과 전기적으로 연결되고 상기 전원으로부터 전력을 수신하는 제1 전력 코일 및 상기 제1 전력 코일과 자기적으로 연결되고 상기 제1 전력 코일에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하는 제1 송신 공진기를 구비하는 상기 제1 송신 코일과부와, 상기 제1 송신 코일부와 이격되어 위치하고 제2 송신 공진기를 구비하는 제2 송신 코일부를 포함하되, 상기 제1 송신 공진기 및 상기 제2 송신 공진기는 모두 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부에 전력을 전송할 수 있도록 구성되는 무선 전력 송신 장치를 제공한다.
또한, 상기 제2 송신 코일부는 상기 전원과 전기적으로 연결되고 상기 전원으로부터 전력을 수신하는 제2 전력 코일을 더 포함하되, 상기 제2 송신 공진기는 상기 제2 전력 코일과 자기적으로 연결되고 상기 제2 전력 코일에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하는 무선 전력 송신 장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 송신 공진기 및 상기 제2 송신 공진기는 권수가 1보다 크고, 상기 제1 전력 코일 및 상기 제2 전력 코일은 권수가 1인 무선 전력 송신 장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부는 상기 제1 송신 공진기와 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부로 전송되고, 상기 제2 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부는 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부로 전송되는 무선 전력 송신 장치를 제공한다.
또한, 상기 제2 송신 공진기는 상기 제1 송신 공진기의 공진 주파수에서 공진하여 상기 제1 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하고, 상기 제2 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부는 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부로 전송되는 무선 전력 송신 장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 송신 공진기와 상기 제2 송신 공진기 각각의 권선면의 중심을 통과하는 축에 대해 상기 제1 송신 공진기의 권선면과 상기 제2 송신 공진기의 권선면 중 적어도 하나는 직각에서 어긋나게 배치되는 무선 전력 송신 장치를 제공한다.
또한, 상기 전원으로부터의 전력을 제어하는 제어부 및 상기 전원을 구비하는 구동부를 더 포함하는 무선 전력 송신 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하나의 또는 다수의 수신 유닛 - 상기 하나의 또는 상기 다수의 각각의 수신 유닛은 무선으로 전력을 수신하기 위한 수신 코일부를 구비함 - 과, 전원으로부터 공급받는 전력을 무선으로 상기 수신 코일부에 전송하기 위한 제1 송신 코일부 및 상기 제1 송신 코일부와 이격되어 위치하는 제2 송신 코일부를 구비하는 송신 유닛을 포함하되, 상기 제1 송신 코일부는 상기 전원과 전기적으로 연결되고 상기 전원으로부터 전력을 수신하는 제1 전력 코일 및 상기 제1 전력 코일과 자기적으로 연결되고 상기 제1 전력 코일에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하는 제1 송신 공진기를 구비하고, 상기 제2 송신 코일부는 제2 송신 공진기를 구비하며, 상기 제1 송신 공진기 및 상기 제2 송신 공진기는 모두 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부에 전력을 전송할 수 있도록 구성되는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
또한, 상기 수신 코일부는 상기 제1 송신 공진기 및 상기 제2 송신 공진기와의 공진에 의해 전송되는 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
또한, 상기 수신 코일부는 상기 수신 공진기와 자기적으로 연결되고 상기 수신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하는 부하 코일을 더 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
또한, 상기 수신 공진기는 권수가 1보다 크고, 상기 부하 코일은 권수가 1인 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
또한, 상기 하나의 또는 상기 다수의 각각의 수신 유닛은 상기 부하 코일에 의해 수신된 전력이 전달되는 부하 회로를 더 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
또한, 상기 하나의 또는 상기 다수의 각각의 수신 유닛은 인체 또는 동물 내에 삽입되거나 인체 또는 동물에 장착된 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제2 송신 코일부는 상기 전원과 전기적으로 연결되고 상기 전원으로부터 전력을 수신하는 제2 전력 코일을 더 포함하되, 상기 제2 송신 공진기는 상기 제2 전력 코일과 자기적으로 연결되고 상기 제2 전력 코일에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제1 송신 공진기 및 상기 제2 송신 공진기는 권수가 1보다 크고, 상기 제1 전력 코일 및 상기 제2 전력 코일은 권수가 1인 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제1 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부는 상기 제1 송신 공진기와 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부로 전송되고, 상기 제2 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부는 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부로 전송되는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제2 송신 공진기는 상기 제1 송신 공진기의 공진 주파수에서 공진하여 상기 제1 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하고, 상기 제2 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부는 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부로 전송되는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제1 송신 공진기와 상기 제2 송신 공진기 각각의 권선면의 중심을 통과하는 축에 대해 상기 제1 송신 공진기의 권선면과 상기 제2 송신 공진기의 권선면 중 적어도 하나는 직각에서 어긋나게 배치되는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
또한, 상기 전원으로부터의 전력을 제어하는 제어부 및 상기 전원을 구비하는 구동부를 더 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
본 발명의 여러 실시예들에 따른 구체적인 사항들은 이하의 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 무선 전력 전송을 위해 두 개의 송신 코일부의 배치를 이용함으로써, 높은 전송 효율을 보장하고 송신 유닛에 대한 수신 유닛의 거리나 각도가 변하는 경우에도 일정 수준 이상의 효율을 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 송신 코일부와 수신 코일부의 배치를 도식화한 상면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신 코일부에 대한 수신 코일부의 거리 및 중심축에 대한 수신 코일부의 각도에 따른 전력 전송 효율을 나타낸 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 듀얼 송신 코일부의 배치와 중심축에 대한 수신 코일부의 각도에 따른 전송 효율의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 인공 망막을 충전하는 시스템을 간략히 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 실시예들은 단지 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(100)은 송신 유닛(110) 및 수신 유닛(120)을 포함한다.
송신 유닛(110)은 수신 유닛(120)에 무선으로 전력을 전송하기 위한 듀얼 송신 코일부(dual transmitter coil unit)(130)와 듀얼 송신 코일부(130)에 전원을 공급하고 이를 구동하는 구동부(140)를 포함한다. 구동부(140)는 전원(141)(예를 들어, 2.5MHz의 동작 주파수를 갖는 클래스 E 앰프)을 포함하고, 비록 도시되지는 않았으나 전원(141)으로부터의 전력을 제어하여 듀얼 송신 코일부(130)에 의해 생성되는 자기장을 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
수신 유닛(120)은 송신 유닛(110)으로부터 무선으로 전송되는 전력을 수신하기 위한 수신 코일부(121)를 포함하며, 수신 코일부(121)에 의해 듀얼 송신 코일부(130)로부터 수신된 전력은 수신 유닛(120)에 포함된 부하 회로(128)에 전달된다. 또한, 도 1의 무선 전력 전송 시스템(100)은 하나의 수신 유닛(120)을 포함하는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 다수의 수신 유닛이 무선 전력 전송 시스템(100)에 포함될 수 있다.
듀얼 송신 코일부(130)는 두 개의 송신 코일부, 즉 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132)로 구성된다. 일 실시예에서, 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132)는 일정한 간격을 두고 이격되며, 이 간격에 따라 전원(141)으로부터 공급되는 전력에 의해 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부 사이에 생성되는 자기장의 특성이 달라진다. 예컨대, 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부 사이의 특정 지점에서 자기장의 균일성을 소정의 수준으로 확보할 수 있을 정도로 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132)를 이격시킬 수 있다. 이와 같은 듀얼 송신 코일부(130)는 실시예에 따라서는 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil) 또는 이와 유사한 형태의 코일일 수 있다.
나아가, 전술한 바와 같이 구동부(140)를 통해 전원(141)으로부터 전력이 듀얼 송신 코일부(130)에 전달되는바, 제1 송신 코일부(131) 및 제2 송신 코일부(132) 모두 전원(141)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 달리, 제1 송신 코일부(131) 또는 제2 송신 코일부(132) 중 어느 하나만이 전원(141)과 전기적으로 연결되도록 송신 유닛(110)이 구성될 수도 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 적어도 제1 송신 코일부(131)는 전원(141)에 연결되어 있다고 가정한다.
계속해서 도 1을 참조하면, 제1 송신 코일부(131)는 제1 전력 코일(133)과 제1 송신 공진기(134)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 전력 코일(133)은 전원(141)과 전기적으로 연결되며, 제1 송신 공진기(134)는 제1 전력 코일(133)과 접촉되지 않도록 배치된다. 제1 전력 코일(133)은 권선 수가 1인 루프(loop)일 수 있고, 제1 송신 공진기(134)는 나선형의 멀티 턴(multi-turn) 코일일 수 있다. 그러나, 제1 전력 코일(133)과 제1 송신 공진기(134)의 권선 수가 반드시 위와 같이 한정되어야만 하는 것은 아니다. 또한, 제1 송신 공진기(134)는 하나의 층에 하나의 코일이 존재하는 구성일 수도 있고, 하나의 층에 다수의 코일(예컨대, 다수의 멀티 턴 코일)이 존재하는 구성일 수도 있으며, 여러 코일이 다수의 층 구조로 구성될 수도 있다.
마찬가지로, 제2 송신 코일부(132)는 전원(141)과 전기적으로 연결된 제2 전력 코일(135) 및 제2 전력 코일(135)과 접촉되지 않도록 배치된 제2 송신 공진기(136)를 포함할 수 있다. 여기서, 제2 전력 코일(135)과 제2 송신 공진기(136)는 각각 싱글 턴(single-turn) 루프 및 멀티 턴 코일일 수 있다. 그러나, 제2 전력 코일(135)과 제2 송신 공진기(136)의 권선 수가 반드시 위와 같이 한정되어야만 하는 것은 아니다. 또한, 제2 송신 공진기(136)도 제1 송신 공진기(134)와 마찬가지로 소정의 개수의 층에 소정의 개수의 코일이 존재하도록 구성될 수 있다. 다만, 일 실시예에서, 제1 송신 코일부(131)만 전원(141)에 전기적으로 연결하고자 하는 경우에는 제2 송신 코일부(132)에 제2 전력 코일(135)이 포함되지 않을 수도 있다.
한편, 수신 코일부(121)는 서로 접촉되지 않도록 배치된 부하 코일(123) 및 수신 공진기(124)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 수신 공진기(124)는 멀티 턴 코일일 수 있고, 부하 코일(123)은 싱글 턴 루프일 수 있다. 또한, 수신 공진기(124)도 송신 공진기(134, 136)와 마찬가지로 소정의 개수의 층에 소정의 개수의 코일이 존재하도록 구성될 수 있다. 그러나, 부하 코일(123)과 수신 공진기(124)의 권선 수가 반드시 위와 같이 한정되어야만 하는 것은 아니다
일 실시예에 따르면, 무선 전력 전송 시스템(100)에서 송신 유닛(110)으로부터 수신 유닛(120)으로 전력이 전송되는 과정은 개략적으로 다음과 같다.
우선, 송신 유닛(110) 측에서 전원(141)으로부터 제1 전력 코일(133)에 AC 전력이 공급되면, 제1 전력 코일(133) 주위에 자기장이 생성된다. 이로 인해 개방 상태인 제1 공진기(134)가 제1 전력 코일(133)과 자기적으로 연결되어 에너지를 저장하게 된다. 여기서, 제1 송신 공진기(134)가 위 자기장에 의해 충분히 여기될 정도로 제1 전력 코일(133)과 제1 송신 공진기(134)는 근접하여 배치되어 있다. 한편, 제2 전력 코일(135)도 전원(141)과 전기적으로 연결된 경우라면, 제2 전력 코일(135)에 공급된 전력은 위와 마찬가지로 제2 전력 코일(135) 가까이에 위치한 제2 송신 공진기(136)를 여기시켜 에너지를 저장하도록 한다. 이때, 제1 송신 공진기(134)와 제2 송신 공진기(136)의 공진 주파수는 동일하도록 설정될 수 있다.
다음으로, 제1 송신 공진기(134)로 전송된 전력은 제1 송신 공진기와 동일한 공진 주파수로 동조된 수신 공진기(124)로 공진에 의해 전달된다. 전원(141)에 제2 전력 코일(135)이 연결된 경우에는 제2 송신 공진기(136)에 전송된 전력도 마찬가지로 수신 공진기(124)에 의해 흡수될 수 있다. 전원(141)에 제2 전력 코일(135)이 연결되지 않은 경우에는 제2 송신 공진기(136)는 일종의 수동 소자(passive element)로서 제1 송신 공진기(134)에 따른 공진 주파수에서 공진하여 전력을 수신하고 이는 다시 그 주파수에 동조된 수신 공진기(124)로 전달될 수 있다. (송신 코일부(131, 132)와 수신 코일부(121)에 대한 공진 주파수는 커패시터를 이용하여 실질적으로 동일하게 튜닝할 수 있다.)
수신 공진기(124)가 수신한 전력은 수신 공진기(124)와 자기적으로 연결된 부하 코일(123)로 전송되고, 이는 결국 부하 코일(123)을 통해 수신 유닛(120)에 포함된 부하 회로(128)(예컨대, 정류 회로)에 공급된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 송신 코일부와 수신 코일부의 배치를 도식화한 상면도이다. 여기서, 중심축(200)은 점선으로 도시된 제1 송신 코일부(131)의 제1 송신 공진기(134)의 권선면과 점선으로 도시된 제2 송신 코일부(132)의 제2 송신 공진기의 권선면(전원에 의해 각 송신 공진기를 통과하는 자속이 생성되면, 생성된 자속의 대부분이 그 권선면을 통과하게 됨)의 중심을 통과하는 축으로 가정된 것이다. 도 2를 참조하면, 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132)는 각각 중심축(200)에 대해 제1 송신 공진기(134)의 권선면과 제2 송신 공진기(136)의 권선면이 점선으로 도시된 바와 같이 직각으로 놓이게 배치될 수도 있고, 실선으로 도시된 바와 같이 일정한 각도로 직각에서 벗어나게 배치될 수도 있다. (즉, 제1 송신 공진기(134)과 제2 송신 공진기(136)의 권선면은 서로 평행할 수도 있고 서로 엇갈리게 될 수도 있다.) 이러한 배치를 위해, 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132) 간의 상대적인 각도 내지 각각의 뒤틀림의 정도가 바뀌면 두 송신 코일부(131, 132) 근방에 형성되는 자기장도 달라지며, 수신 코일부(121)에서의 전송 효율도 그에 따라 달라질 수 있다. 수신 코일부(121)의 수신 공진기(124)의 권선면 역시 그 법선이 중심축(200) 상에 있을 수도 있고 중심축(200)과 일치하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 수신 코일부(121)가 포함된 수신 유닛(120)이 이동체에 장착된 경우에는 중심축과 임의의 각도(210)로 수신 코일부(121)가 놓일 수 있다. 한편, 수신 코일부(121)와 듀얼 송신 코일부(130)와의 거리도 임의의 값이 될 수 있다. 도 2에서는 수신 코일부(121)가 제1 송신 코일부(131)로부터 R만큼, 제2 송신 코일부(132)로부터 D-R만큼 떨어진 거리에 위치한 것으로 도시되어 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신 코일부에 대한 수신 코일부의 거리 및 중심축에 대한 수신 코일부의 각도에 따른 전력 전송 효율을 나타낸 그래프이다.
도 3a에 도시된 바로부터, 듀얼 송신 코일부(130)를 포함한 무선 전력 전송 시스템(100)의 전송 효율은 수신 코일부(121)의 위치, 예컨대 제1 송신 코일부(131)와 수신 코일부(121)의 거리가 변하더라도 하나의 송신 코일부만을 채택한 시스템에 비해 더 높게 유지되며 그 변화량도 급격하지 않다는 점을 알 수 있다.
또한, 도 3b에 나타난 바와 같이, 중심축에 대한 수신 코일부(121)의 각도(210)가 변하더라도 듀얼 송신 코일부(130)를 포함한 무선 전력 전송 시스템(100)이 하나의 송신 코일부만을 이용한 시스템보다 더 효율적이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 듀얼 송신 코일부의 배치와 중심축에 대한 수신 코일부의 각도에 따른 전송 효율의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 4a는 앞서 설명한 바와 같이 무선 전력 전송 시스템(100)의 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132)를 나란히 배치한 경우(가령, 제1 송신 공진기(134)과 제2 송신 공진기(136)의 권선면이 서로 평행한 경우), 수신 코일부(121)의 각도(210)에 따라 수신 코일부(121)의 수신 공진기(124)의 권선면을 통과하는 자속(flux)을 도시한다. 도 4b는 앞서 설명한 바와 같이 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132)가 상대적으로 소정의 각도로 엇갈리게 배치한 경우(가령, 제1 송신 공진기(134)과 제2 송신 공진기(136)의 권선면이 서로 엇갈리게 된 경우), 수신 코일부(121)의 각도(210)에 대해 수신 코일부(121)의 수신 공진기(124)의 권선면을 통과하는 자속을 나타낸다. 도 4a와 도 4b를 비교하면, 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132)가 엇갈리도록 배치된 경우, 수신 코일부(121)의 각도(210)가 60도 이상이더라도 일정 수준 이상의 자속이 수신 코일부(121)의 수신 공진기(124)의 권선면을 통과한다는 점을 알 수 있다. 다른 측면에서 보면, 수신 코일부(121)의 각도(210)에 대하여, 각도(210) 중 적어도 일부 범위에서 자속의 변화가 심하지 않다. 이와 같이, 무선 전력 전송 시스템(100)은 수신 코일부(121)의 각도(210)에 민감하게 전송 효율이 변화하지 않는 전력 전송이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(100)은 다양한 비접촉 충전 시스템을 구성하는 데 이용될 수 있다.
예컨대, 인공망막, 심뇌자극기, 또는 인공달팽이관 등 인체 내에 이식되는 신경 보철 장치는 자극 신호를 생성하는 전자 모듈을 포함하는데, 이러한 전자 모듈에 전력을 공급하는 데 유선 전송 방식은 현실적으로 곤란하고 배터리로 구동시키는 방식은 배터리를 빈번히 교환하여야 하는 불편함이 있다. 이와 대비되어, 신경 보철 장치에 수신 유닛(120)을 포함시키고 인체 외부에 송신 유닛(110)을 착용하도록 한다면, 듀얼 송신 코일부(130)로부터 수신 코일부(121)로의 무선 전력 전송을 통해 신경 보철 장치 내의 전자 모듈과 같은 부하 회로(128)에 전력이 공급될 수 있다. (한편, 인체 내부에 삽입되는 수신 유닛(120)은 생체에 무해하고 밀봉하기 용이한 액정 폴리머(Liquid Crystal Polymer, LCP)로 패키징될 수 있다.) 더욱이, 무선 전력 전송 시스템(100)이 자기 공명을 이용한다는 점을 고려할 때, 전자기 유도 방식처럼 송신 유닛(110)과 수신 유닛(120)을 밀접시켜야 할 필요가 없게 된다. 따라서, 도 5를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(100)은 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132) 중 하나가 그 내부 또는 표면에 배치된 목걸이 및 다른 하나가 그 내부 또는 표면에 배치된 모자 또는 헤어밴드를 착용하고, 이로써 인공 망막 내의 수신 코일부(121)를 충전하는 형태가 될 수 있다. 이러한 무선 전력 전송 시스템(100)은 전술한 특징으로 인해 안정적인 전력 공급이 가능하다. 여기서, 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132) 모두에 전원(141)을 연결하는 대신 어느 한쪽에만 전원(141)을 연결하는 형태를 취할 수 있으며, 이 때에도 하나의 송신 코일부만을 이용하는 것보다는 높은 전송 효율을 얻을 수 있다.
다른 예로서, 전자 디바이스를 피실험 개체(예컨대, 동물)에 삽입 내지 이식한 후 실험용 케이지 내에서 피실험 개체를 관찰하는 실험을 행하는 경우, 피실험 개체 내부의 전자 디바이스를 충전하기 위해 실험용 케이지의 대향하는 양 측면에 대하여 각각 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132)가 그 위에 또는 그 내부에 배치되는 방식으로 송신 유닛(130)이 구성될 수 있다. 전자 디바이스가 수신 유닛(120)을 포함한다면, 앞서 예시한 충전 시스템과 마찬가지로 전자 디바이스를 효율적으로 충전할 수 있다. 특히, 피실험 개체 당 하나의 외부 전력 전송 모듈을 장착시킬 필요가 없으므로, 하나의 외부 모듈로 다수의 개체에 전력을 공급할 수 있다. 또한, 피실험 개체가 임의로 위치로 이동하거나 임의의 자세를 취하더라도 일정 수준 이상의 전력을 안정적으로 공급할 수 있다. 더욱이, 피실험 개체 내부의 디바이스에 전력을 전송하기 위한 외부 모듈을 피실험 개체에 밀착시킬 필요가 없으므로, 피실험 개체의 움직임으로 인한 외부 모듈의 고장을 방지할 수 있다.
또 다른 예로서, 일반적인 전자 제품(휴대용 기기, 가전 제품 등)을 충전하기 위해, 책꽂이 형태로 된 장치의 마주보는 양 측면에 대하여 각각 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132)를 그 위에 또는 그 내부에 배치하거나 마주보는 벽과 벽에 대하여 각 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132)를 그 위에 또는 그 내부에 배치하여 송신 유닛(130)을 구성할 수 있다. 수신 유닛(120)을 포함하는 전자 제품이 제1 송신 코일부(131)와 제2 송신 코일부(132) 주위에 생성된 자기장 내에 놓이면 전력을 공급받을 수 있고, 전송 효율도 그 위치나 자세에 따라 큰 차이가 나는 것도 아니므로 편리하게 전자 제품을 충전할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 다양한 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것으로 이해해서는 안 된다.
100: 무선 전력 전송 시스템
110: 송신 유닛
120: 수신 유닛
121: 수신 코일부
123: 부하 코일
124: 수신 공진기
128: 부하 회로
130: 듀얼 송신 코일부
131: 제1 송신 코일부
132: 제2 송신 코일부
133: 제1 전력 코일
134: 제1 송신 공진기
135: 제2 전력 코일
136: 제2 송신 공진기
140: 구동부
141: 전원
200: 중심축
210: 각도 (Θ)

Claims (19)

  1. 전원으로부터 공급받는 전력을 무선으로 수신 코일부에 전송하기 위한 제1 송신 코일부로서, 상기 전원과 전기적으로 연결되고 상기 전원으로부터 전력을 수신하는 제1 전력 코일 및 상기 제1 전력 코일과 자기적으로 연결되고 상기 제1 전력 코일에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하는 제1 송신 공진기를 구비하는 상기 제1 송신 코일부와,
    상기 제1 송신 코일부와 이격되어 위치하고 제2 송신 공진기를 구비하는 제2 송신 코일부를 포함하되,
    상기 제1 송신 공진기 및 상기 제2 송신 공진기는 모두 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부에 전력을 전송할 수 있도록 구성되며,
    상기 제1 송신 공진기와 상기 제2 송신 공진기 각각의 권선면의 중심을 통과하는 축에 대해 상기 제1 송신 공진기의 권선면과 상기 제2 송신 공진기의 권선면 중 적어도 하나는 직각에서 어긋나게 배치되는
    무선 전력 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 송신 코일부는 상기 전원과 전기적으로 연결되고 상기 전원으로부터 전력을 수신하는 제2 전력 코일을 더 포함하되, 상기 제2 송신 공진기는 상기 제2 전력 코일과 자기적으로 연결되고 상기 제2 전력 코일에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하는
    무선 전력 송신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 송신 공진기 및 상기 제2 송신 공진기는 권수가 1보다 크고, 상기 제1 전력 코일 및 상기 제2 전력 코일은 권수가 1인
    무선 전력 송신 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부는 상기 제1 송신 공진기와 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부로 전송되고, 상기 제2 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부는 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부로 전송되는
    무선 전력 송신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 송신 공진기는 상기 제1 송신 공진기의 공진 주파수에서 공진하여 상기 제1 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하고, 상기 제2 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부는 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부로 전송되는
    무선 전력 송신 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전원으로부터의 전력을 제어하는 제어부 및 상기 전원을 구비하는 구동부를 더 포함하는
    무선 전력 송신 장치.
  8. 무선 전력 전송 시스템에 있어서,
    하나의 또는 다수의 수신 유닛 - 상기 하나의 또는 상기 다수의 각각의 수신 유닛은 무선으로 전력을 수신하기 위한 수신 코일부를 구비함 - 과,
    전원으로부터 공급받는 전력을 무선으로 상기 수신 코일부에 전송하기 위한 제1 송신 코일부 및 상기 제1 송신 코일부와 이격되어 위치하는 제2 송신 코일부를 구비하는 송신 유닛을 포함하되,
    상기 제1 송신 코일부는 상기 전원과 전기적으로 연결되고 상기 전원으로부터 전력을 수신하는 제1 전력 코일 및 상기 제1 전력 코일과 자기적으로 연결되고 상기 제1 전력 코일에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하는 제1 송신 공진기를 구비하고,
    상기 제2 송신 코일부는 제2 송신 공진기를 구비하며,
    상기 제1 송신 공진기 및 상기 제2 송신 공진기는 모두 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부에 전력을 전송할 수 있도록 구성되고,
    상기 제1 송신 공진기와 상기 제2 송신 공진기 각각의 권선면의 중심을 통과하는 축에 대해 상기 제1 송신 공진기의 권선면과 상기 제2 송신 공진기의 권선면 중 적어도 하나는 직각에서 어긋나게 배치되는
    무선 전력 전송 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수신 코일부는 상기 제1 송신 공진기 및 상기 제2 송신 공진기와의 공진에 의해 전송되는 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하는
    무선 전력 전송 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수신 코일부는 상기 수신 공진기와 자기적으로 연결되고 상기 수신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하는 부하 코일을 더 포함하는
    무선 전력 전송 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수신 공진기는 권수가 1보다 크고, 상기 부하 코일은 권수가 1인
    무선 전력 전송 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 하나의 또는 상기 다수의 각각의 수신 유닛은 상기 부하 코일에 의해 수신된 전력이 전달되는 부하 회로를 더 포함하는
    무선 전력 전송 시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 하나의 또는 상기 다수의 각각의 수신 유닛은 인체 또는 동물 내에 삽입되거나 인체 또는 동물에 장착된
    무선 전력 전송 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제2 송신 코일부는 상기 전원과 전기적으로 연결되고 상기 전원으로부터 전력을 수신하는 제2 전력 코일을 더 포함하되, 상기 제2 송신 공진기는 상기 제2 전력 코일과 자기적으로 연결되고 상기 제2 전력 코일에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하는
    무선 전력 전송 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 송신 공진기 및 상기 제2 송신 공진기는 권수가 1보다 크고, 상기 제1 전력 코일 및 상기 제2 전력 코일은 권수가 1인
    무선 전력 전송 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부는 상기 제1 송신 공진기와 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부로 전송되고, 상기 제2 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부는 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부로 전송되는
    무선 전력 전송 시스템.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 제2 송신 공진기는 상기 제1 송신 공진기의 공진 주파수에서 공진하여 상기 제1 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하고, 상기 제2 송신 공진기에 의해 수신된 전력 중 적어도 일부는 상기 수신 코일부와의 공진에 의해 상기 수신 코일부로 전송되는
    무선 전력 전송 시스템.
  18. 삭제
  19. 제8항에 있어서,
    상기 전원으로부터의 전력을 제어하는 제어부 및 상기 전원을 구비하는 구동부를 더 포함하는
    무선 전력 전송 시스템.
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