KR101239289B1 - 무선전력 전송시스템 - Google Patents

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오승주
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한양대학교 산학협력단
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    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01F10/20—Ferrites

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템은, 전력이 입력되는 송신단; 및 상기 송신단과 유선에 의해서 연결되어 있지 않으며, 상기 송신단으로부터 전력을 전달 받는 부하단;을 포함하며, 상기 부하단의 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전력을 입력 받는 상기 송신단에 의해서 상기 부하단이 자체적으로 자기 공진함에 따라 전력을 무선으로 전달할 수 있다. 이로 인해 수신부가 없더라도 단순하고 용이하게 전력을 무선으로 전달할 수 있다.

Description

무선전력 전송시스템{WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM}
본 발명은 무선전력 전송시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부하단 자체의 자기 공진을 이용하여 무선으로 전력을 전송할 수 있는 무선전력 전송시스템에 관한 것이다.
최근 가전 제품을 포함한 전자제품의 소형화와 휴대화가 급속히 진행되고 있다. 그리고, 모든 정보와 신호의 전송이 무선으로 처리되면서 기기와 연결될 선이 거의 없어지고 있다. 또한, 가전기기의 경우 전력도 무선으로 전송하려는 시도가 이루어지고 있다. 구체적으로, 전자기 유도를 이용한 무선 전력 전송은 전동 칫솔 등에 사용되고 있으나, 거리가 조금만 떨어져도 전송 효율이 너무 떨어지고 와전류에 의한 불필요하고 위험한 발열을 일으킨다는 문제가 있다.
한편, 최근 연구되고 있는 비방사형(non-radiative) 에너지 전송기술인 자기 공명형(electromagnetic resonant) 무선전력 전송방식은, 종래의 전자기 유도 방식 보다 멀리, 수 미터의 거리에서도 높은 전송효율을 얻을 수 있다. 이 기술은 두 매체가 같은 주파수로 공진할 경우에 전자파가 근거리 전자장을 통하여 한 매체에서 다른 매체로 이동하는 감쇄파 결합에 기반을 두고 있어, 두 매체 사이의 공진 주파수와 동일할 때만 에너지가 전달되고, 사용되지 않는 에너지는 전자장으로 재흡수된다. 따라서, 다른 전자파와는 달리 주변의 기계나 인체에 무해하다.
자기 공명형 무선전력 전송방식은 자기 공명기(magnetic resonator)를 이용하여 송신부에서의 전력을 무선으로 수신부에 전달시키고 수신부에서 다시 부하단으로 전력을 전달하는 방식이다.
또한, 자기 공명형 무선 전력전송 시스템은 전송부와 수신부에 전송주파수에서 공진을 일으키는 공진기가 하나씩 포함되어 있는데, 이 두 공진기의 공진 주파수가 정확히 일치해야 높은 효율의 전송이 가능하다. 실제 시스템을 구성할 경우 두 공진기의 공진 주파수가 조금씩 달라지게 되므로 이를 조정하기 위해 송신부 또는 수신부에 공진 주파수를 조정할 수 있는 가변 캐패시터를 포함하게 된다. 이 때 코일의 양단에 매우 큰 전압이 발생하기 때문에 캐패시터의 항복 전압이 매우 커야 한다. 또한, 전송 주파수에서 송신부와 수신부의 임피던스 매칭이 필수적으로 필요하여, 전송거리에 따라 전송코일과 전원코일의 거리와 수신코일과 부하코일의 거리를 적절하게 조절해 주어야 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 한국공개특허 제2011-0062841호에서는 먼 거리에 있는 복수 개의 전자기기에 무선으로 전력을 전송하기 위해서 1개 이상의 전력 중계 코일을 포함하는 무선 전력 전송 장치를 제안한 바 있다.
하지만, 종래의 자기 공명을 이용한 무선전력 전송방식은 전원공급부, 송신부, 수신부, 부하단이 모두 있어야 하기 때문에 장치의 구조가 복잡하다. 즉, 송신부 및 수신부와 부하단을 같이 사용해야 하기 때문에 장치의 구조가 복잡하고 서로 간의 간섭에 의해서 공진 주파수가 변할 수 있다. 다시 말하면, 부하단에 의해서 수신부의 공진 주파수가 변하게 되어 송신부와의 공진이 힘들거나 다시 송신부의 공진 주파수를 변환시켜야 하는 문제가 있다.
본 발명은 부하단 자체가 가지고 있는 고유 공진 주파수에 해당하는 주파수를 송신단에서 인가하는 무선전력 전송시스템을 제공한다.
본 발명은 부하단 외에 별도의 수신부가 필요 없기 때문에 전체적인 구조를 단순화할 수 있는 무선전력 전송시스템을 제공한다.
본 발명은 고유 공진 주파수를 변화시킬 수 있는 무선전력 전송시스템을 제공한다.
본 발명은 의료용 스텐트에 적용할 수 있는 무선전력 전송시스템을 제공한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템은, 전력이 입력되는 송신단; 및 상기 송신단과 유선에 의해서 연결되어 있지 않으며, 상기 송신단으로부터 전력을 전달 받는 부하단;을 포함하며, 상기 부하단의 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전력을 입력 받는 상기 송신단에 의해서 상기 부하단이 자체적으로 자기 공진함에 따라 전력을 무선으로 전달할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템은, 전력이 입력되는 송신단; 및 상기 송신단으로부터 전력을 전달 받는 부하단;을 포함하며, 상기 부하단은 상기 송신단에 입력되는 전력의 주파수와 동일한 고유 공진 주파수를 가지도록 형성되어 상기 송신단의 전력을 상기 부하단에 직접 전달할 수 있다.
상기와 같이 부하단의 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전력을 송신단에서 실어서 보냄으로써 구성함으로써, 부하단 자체의 자기 공진(self resonance)을 이용하여 부하단에 전력을 무선으로 전달할 수 있다.
상기 송신단은 공진 코일을 포함하지 않을 수 있다.
상기 부하단에 의해서 상기 송신단의 공진 주파수가 변하지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 부하단은 스프링, 솔레노이드 또는 토로이드 형태를 가질 수 있다.
상기 부하단은 스텐트 시술에 사용될 수 있으며, 상기 부하단에 침착되는 불순물을 소각시킬 수 있도록 페라이트 코어를 사용하여 고유 공진 주파수를 낮출 수 있다.
상기 부하단은 튜브 형태를 가지는 상기 페라이트 코어의 외면에 상기 스프링, 상기 솔레노이드 또는 상기 토로이드 형태 중 어느 하나를 권선하여 형성되며, 상기 페라이트 코어의 내부에는 인체에 무해한 성분으로 형성된 이너 튜브가 구비될 수 있다.
상기 부하단은 고유 공진 주파수를 조절하기 위해 페라이트 코어를 이용할 수 있다.
상기 송신단은 임피던스 매칭부를 포함할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 무선전력 전송시스템은 송신단에서 부하단으로 바로 전력이 전달될 수 있기 때문에 수신부가 필요 없으며 전체적인 구조를 단순화할 수 있다.
본 발명에 따른 무선전력 전송시스템은 송신단에서 부하단의 고유 공진 주파수와 일치하는 전력이 전달되기 때문에 전력전달의 손실을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 무선전력 전송시스템은 부하단과 수신부 사이에 서로 간섭이 발생할 여지가 없기 때문에 부하단의 고유 공진 주파수가 변하지 않으며, 안정적으로 전력을 전달할 수 있다.
본 발명에 따른 무선전력 전송시스템은 부하단 자체의 자기 공진(self resonance)을 이용하기 때문에 부하단의 형태에 제한이 적고 의료용 스텐트에도 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 무선전력 전송시스템은 페라이트 코어를 이용하여 고유 공진 주파수를 조절할 수 있고, 의료용 스텐트에 페라이트 코어를 적용하면 스텐트에 침착된 이물질을 태워 없앨 수 있기 때문에 스텐트의 사용수명을 늘일 수도 있다.
본 발명에 따른 무선전력 전송시스템은 부하단의 고유 공진 주파수를 알기만 하면 동일한 주파수를 가지는 전력을 송신단에 인가해 줌으로써 최대의 전력 전달 효율을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 유도 결합 형태로 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템의 효율을 테스트하기 위한 실험장치를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 따른 실험장치에 의한 실험 결과 데이터를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템의 변형예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템의 부하단의 일례를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템을 사용하여 무선으로 전력을 전달하는 과정을 도시한 순서도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면, 도 2는 유도 결합 형태로 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템을 개략적으로 도시한 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템의 효율을 테스트하기 위한 실험장치를 도시한 도면, 도 4는 도 3에 따른 실험장치에 의한 실험 결과 데이터를 도시한 그래프, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템의 변형예를 개략적으로 도시한 도면, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템의 부하단의 일례를 도시한 도면, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템을 사용하여 무선으로 전력을 전달하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 RF 전력이 입력되는 송신단(110) 및 송신단(110)과 유선으로 연결되어 있지 않으며, 송신단(110)으로부터 전력을 전달 받는 부하단(160)을 포함할 수 있다. 송신단(110)에서부터 부하단(160)으로 무선으로 전력(P)이 전달될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 부하단(160)에 무선으로 전력을 전달하기 위해서 송신단(110)과 자기 공진에 의해서 전력을 넘겨 받는 별도의 수신부가 필요하지 않다. 즉, 본 발명에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 별도의 수신부 또는 수신단을 거치지 않고, 송신단(110)에서 바로 부하단(160)에 전력을 전달할 수 있다.
송신단(110)에서부터 부하단(160)으로 전력을 넘겨주기 위해서 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 부하단(160)의 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전력을 입력 받는 송신단(110)에 의해서 부하단(160)이 자체적으로 자기 공진(self resonance)함에 따라 전력이 무선으로 전달될 수 있다.
다시 말하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 부하단(160)의 고유 공진 주파수 내지 자기 공진 주파수(self resonance frequency)와 동일한 주파수를 가지는 전력을 송신단(110)에 인가해 주기만 하면 부하단(160)에 전력이 무선으로 전달될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 송신단과 수신단 사이의 자기 공진을 이용하지 않으면서도 부하단에 직접 전력을 무선으로 전달할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 송신단(110)과 부하단(160) 사이에서의 자기 공진을 이용하여 무선으로 전력을 전송할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 전력이 입력되는 송신단(110) 및 송신단(110)으로부터 전력을 전달 받는 부하단(160)을 포함하며, 부하단(160)은 송신단(110)에 입력되는 전력의 주파수와 동일한 고유 공진 주파수를 가지도록 형성되어 송신단(110)의 전력을 부하단(160)에 직접 전달할 수 있다. 즉, 송신단(110)의 전력 주파수에 맞는 고유 공진 주파수 또는 자기 공진 주파수를 가지는 것을 부하단(160)으로 선정함으로써, 부하단 자체의 자기 공진을 이용하여 전력을 무선으로 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 송신단과 수신단 사이에 자기 공명에 의해서 전력을 전달하고 수신단이 받은 전력을 부하단과 수신단 사이의 자기 유도에 의해서 전달하는 과정을 거칠 필요가 없기 때문에 보다 효율적으로 전력을 전달할 수 있고 전력 손실을 줄일 수 있다. 또한, 수신단을 거친 후 부하단에 전력을 전달하는 것이 아니기 때문에 수신단 내지 수신부가 필요 없게 되어 무선전력 전송시스템(100)의 구성을 보다 단순하게 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 송신단(110)에 전달되는 RF 전력을 발생시키는 전원공급부(101)를 더 포함할 수 있다. 전원공급부(101)에서 발생한 전력이 송신단(110)에 입력되고, 부하단(160)은 송신단(110)으로부터 무선으로 전력을 전달 받을 수 있다. 이 때, 송신단(110)에 입력되는 전력은 부하단(160)의 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전력이다.
상기와 같이 부하단(160)의 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전력을 송신단(110)에서 실어서 보내도록 구성함으로써, 수신부가 없어도 부하단(160) 자체의 자기 공진(self resonance)을 이용하여 송신단(110)에서부터 부하단(160)에 전력을 무선으로 전달할 수 있다.
전원공급부(101)에서부터 부하단(160)의 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전력을 받는 송신단(110)은 공진 코일로 형성될 수도 있고 공진 코일이 아닌 형태로 형성될 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 송신단(110)과 자기 공진하면서 전력을 무선으로 전달 받는 수신단이 없기 때문에 송신단(110)이 공진 코일의 형태이어도 되고 공진 코일의 형태가 아니어도 무방하다. 즉, 본 발명에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 기존의 자기 공진기(magnetic resonator)를 이용하는 방식이 아니기 때문에 송신단(110)의 형태에 제한이 없으며, 송신단(110)은 공진 코일을 포함하지 않아도 무방하다.
또한, 본 발명에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 부하단(160)에 의해서 송신단(110)의 공진 주파수가 변하지 않는다. 송신단(110)에는 송신단의 공진 주파수와 무관하게 부하단(160)의 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전력이 인가되기 때문에 부하단(160)에 의해서 송신단(110)의 공진 주파수가 영향을 받거나 변할 가능성이 없다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)의 한 예를 개략적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 무선전력 전송시스템(100)이 유도 결합의 형태로 구성되어 있음을 알 수 있다. 송신단(110)은 전원공급부(101)에서 부하단(160)의 고유 공진 주파수(ω)와 동일한 주파수를 가지는 전력을 입력 받는다. 이를 위해서 송신단(110)은 전원공급부(101)에 연결되어 동일한 회로를 구성하는 것으로 등가화할 수 있다. 부하단(160)은 송신단(110)과 자기 유도 결합되는 회로로 등가화할 수 있다.
도 2에서 1차측에서 바라본 총 임피던스(Zin)은 다음 [수학식 1]과 같다.
Figure 112011060048644-pat00001
[수학식 1]에서 ω, L11. M, RL, 그리고
Figure 112011060048644-pat00002
는 각각 인가주파수, 1차측 인덕턴스, 상호 인덕턴스, 부하단의 저항, 그리고 부하단의 리액턴스(XC)를 나타낸다.
부하단(160)에서 흡수되는 전력(Pload)는 다음 [수학식 2]와 같다.
Figure 112011060048644-pat00003
이 때, 부하단(160)이 자기 공진 조건일 경우에 부하단(160)에 흡수되는 전력은 다음 [수학식 3]과 같다.
Figure 112011060048644-pat00004
상기 [수학식 3]에서 알 수 있듯이, 자기 공진시에 부하단(160)에 흡수되는 전력은 도선에 흐르는 전류, 인가 주파수, 상호 인덕턴스, 부하단의 저항에 의해 결정되며, 자기 공진이 아닐 때 보다 더욱 많은 전력이 전달된다.
[수학식 2]와 [수학식 3]을 비교해 보면, 자기 공진시에는 부하단(160)의 리액턴스(XC)가 0(zero)이 되기 때문에 자기 공진시에 더욱 많은 전력이 전달됨을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 부하단(160)의 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전력을 송신단(110)에 인가하여, 송신단(110)과 부하단(160) 사이에서 부하단(160)이 자체적으로 자기 공진되게 함으로써 전력을 무선으로 전달할 수 있다.
도 3 및 도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)의 효과를 실험하기 위한 실험장치 및 실험 결과를 도시한 그래프가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 부하단(160)의 자기 공진을 이용한 무선전력 전송시스템(100)의 가열 효과를 알아보기 위한 하나의 예시적인 실험장치가 도시되어 있는데, 실험장치는 RF전원을 공급하는 전원공급부(210), 전원공급부(210)에 연결된 송신단(220), 송신단(220)과 유선으로 연결되지 않고 무선 상태로 배치된 부하단(230) 및 부하단(230)의 가열 정도를 측정하기 위한 온도계(240)를 포함할 수 있다.
전원공급부(210)는 주파수를 가변할 수 있는 RF 전력을 생성하여 송신단(220)으로 전달한다. 이 때, 송신단(220)은 코일 형태로 형성되며, 전원공급부(210)에서 전달 받을 열을 부하단(230)으로 전달하는 과정에서 발생할 수 있는 열 손실을 최소화 하기 위해 코일 내부에 물을 흐르게 하였다. 부하단(230)도 코일 형태로 형성되며, 부하단(230)은 전력 전달에 의한 가열 특성을 확인하기 위하여 온도계(240)에 감긴 상태로 제공될 수 있다. 여기서, 부하단(230)의 고유 공진 주파수 내지 자기 공진 주파수는 33.78 MHz로 설정하였다.
도 4는 자기 공진 코일의 형태로 형성된 부하단(230)의 가열 특성을 보여주는 실험 결과이며, 인가된 전력은 30W 하였다. 도 4를 참조하면, 부하단이 없는 상황에서 송신단에 전력을 인가하였을 때, 시간에 따른 온도 변화는 없다(도 4의 "without spring" 참조).
한편, 부하단(230)이 있는 상황, 즉 온도계(240)에 코일(230)이 감겨 있는 상황에서는 전력이 인가되었을 때, 인가 시간에 따라서 온도계(240)의 온도가 증가하는 것이 관찰되었다. 35 MHz 정도의 주파수를 가진 전력이 인가되었을 때, 증가된 온도 범위는 16.5℃에서 25.5℃로 약 9℃ 정도의 온도 증가를 보였다. 이는 송신단(220)에서 부하단(230)으로의 유도 가열(induction heating)에 의한 것으로 온도 증가 폭이 크지 않음을 알 수 있다. 하지만, 실험에 사용된 부하단(230)의 고유 공진 주파수 내지 자기 공진 주파수와 일치하는 33.78 MHz 주파수에 해당하는 전력이 송신단(220)에 인가되었을 때, 같은 전력이 인가됨에도 불구하고 온도 변화는 16.5℃에서 61℃로 극적인 온도 증가를 보였다. 이는 부하단(230)의 자기 공진에 의해 무선으로 전력이 효과적으로 전달되었기 때문이다.
상기 실험에서 확인한 바와 같이, 부하단의 고유 공진 주파수에 해당하는 주파수를 가지는 전력을 송신단에 인가해 줌으로써 부하단에서 자기 공진이 발생하고, 이로 인해 부하단에 전력이 무선으로 전달됨을 확인할 수 있었고, 고유 공진 주파수와 다른 주파수를 가지는 전력을 송신단에 인가해 주는 경우 보다 큰 전력이 전달됨을 알 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 실험장치 및 실험 결과로부터 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)의 송신단(110)의 형태는 반드시 공진 코일에 한정되지 않음을 알 수 있다. 즉, 도 3에서 송신단(110)을 공진 코일의 형태로 적용하지 않았음에도 불구하고 부하단(160)에 전력이 무선으로 전달됨을 확인할 수 있었다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 송신단(110)에 부하단(160)의 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전력을 인가해 주기만 하면 무선으로 전력을 전달할 수 있기 때문에 송신단과 자기 공진에 의해서 전력을 전달 받고 다시 부하단으로 이 전력을 넘겨주는 수신단이 필요 없다는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 송신단(110)이 공진 코일의 형태를 가지야 한다는 제한이 없기 때문에 비교적 자유롭게 무선전력 전송시스템을 구성할 수 있다는 장점도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 송신단에 별도의 임피던스 매칭부를 형성하지 않고도 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 도 5에 도시된 바와 같이 송신단(110)이 임피던스 매칭부(190)를 포함할 수도 있다. 이와 같이, 송신단(110)이 임피던스 매칭부(190)를 포함하도록 형성함으로써, 송신단(110)과 부하단(160) 사이에서 임피던스가 다름으로 인한 반사 손실을 최소화하여 최대의 전력을 부하단(160)에 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)의 부하단(160)은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 즉, 무선전력 전송시스템(100)이 어떤 분야에 적용되는지에 따라서 다양한 형태를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 전자/통신기기, 가전기기, 그리고 나노입자 등의 전도성 물질의 가열 및 전력전달을 이용하는 의료분야 및 과학 분야 등과 같이 무선 전력 전송으로 가열 및 전력 전달이 필요한 모든 분야에 적용될 수 있다. 예를 들면, 치료를 목적으로 사람의 몸 안에 주입된 나노입자 또는 스텐트 등의 전도성 물질에 부하의 자기 공진을 이용하여 무선으로 전력을 전송하여 치료하는 기술에 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)을 적용할 수 있다. 이와 같이, 스텐트 등의 의료 분야에 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)을 적용함으로써 환자의 암세포를 치료하거나 기타 이물질을 제거하는데 도움을 줄 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)의 부하단(160)을 스텐트 기술에 적용하는 경우에, 부하단(160)은 스프링, 솔레노이드 또는 토로이드 형태를 가질 수 있다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)의 부하단(300)을 스텐트 기술에 적용할 수 있도록 솔레노이드(solenoid) 형태로 형성한 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 스텐트 시술에 사용할 수 있도록 부하단(300)을 솔레노이드(310) 형태로 형성하는 경우에 스텐트 시술 과정에서 부하단(300)에 침착되는 불순물을 소각시킬 수 있도록 페라이트 코어(320)를 사용하여 부하단(300)의 고유 공진 주파수를 낮출 수 있다. 솔레노이드(310) 형태를 가지는 부하단(300)을 이용하여 스텐트 시술을 하는 경우 부하단(160)은 매우 작은 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 작은 크기로 형성된 솔레노이드(310) 형태의 부하단(300)을 이용하여 스텐트 시술을 하게 되면 솔레노이드(310)의 권선 사이에 불술물이 침착되거나 찌꺼기 같은 이물질이 들러 붙을 수 있다. 솔레노이드(310)에 불술물이 침착되거나 이물질이 끼이게 되면 부하단(300)에서 전력을 전달 받는 효율이 저하되어 치료 효과를 떨어뜨릴 수 있다. 이 때, 솔레노이드(310) 형태의 부하단(300) 내에 튜브 형태의 페라이트 코어(320)를 설치하여 부하단(300)의 고유 공진 주파수를 조절할 수 있다. 특히, 스텐트 시술에 사용되는 부하단(300)은 크기가 작은 것이 바람직한데, 부하단(300)의 크기가 작아지면 고유 공진 주파수가 커지게 된다. 부하단(300)의 고유 공진 주파수가 커지면 전력 전달 효율이 저하될 가능성이 있기 때문에 고유 공진 주파수를 낮추거나 조절이 가능한 형태로 만드는 것이 보다 유리하다. 본 발명에서는 솔레노이드(310)를 튜브 형태의 페라이트 코어(320)의 외면에 권선하여 부하단(300)을 형성할 수 있다. 이와 같이, 튜브 형태의 페라이트 코어(320)의 외면에 솔레노이드(310)를 권선하여 부하단(300)을 형성함으로써 부하단의 고유 공진 주파수를 조절할 수 있거나 낮출 수 있다. 또한, 페라이트 코어(320)에 솔레노이드(310)를 감아서 부하단(300)을 형성함으로써 고유 공진 주파수를 낮출 수 있고 이로 인해 부하단(300)에 보다 큰 전력을 전달할 수 있으며, 부하단(300)에 보다 큰 전력이 전달됨으로써 솔레노이드(310)에 침착된 불순물이나 이물질을 태워서 제거할 수 있다. 이와 같이, 솔레노이드(310)에 침착된 불순물을 소각함으로써 스텐트 시술에 사용되는 부하단(300)의 수명을 늘일 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 페라이트 코어(320)를 부하단에 사용함으로써 고유 공진 주파수를 용이하게 조절하거나 낮출 수 있다. 튜브 형태의 페라이트 코어(320)를 스텐트 시술에 사용하는 경우에 페라이트 코어(320)가 혈액 등에 노출되면 인체에 유해할 수도 있으므로, 인체와 페라이트 코어(320)가 직접 접촉하는 것을 방지하기 위해 페라이트 코어(320)의 내부에는 인체에 무해한 성분으로 형성된 이너 튜브(330)가 구비될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 스텐트와 같은 의료 분야 뿐만 아니라 냄비, 주전자 등의 전력전달 및 가열이 필요한 가전용품 등에도 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 부하단의 고유 공진 주파수 또는 자기 공진 주파수만 알면 효과적으로 전력을 무선으로 전달할 수 있기 때문에 의료분야, 가전분야, 모바일 디바이스 분야 뿐만 아니라 전기자동차의 충전 스테이션 등에도 적용할 수 있다.
도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)을 사용하여 전력을 무선으로 전송하는 과정이 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 무선전력 전송방법은 부하단(160)의 고유 공진 주파수를 측정하는 단계(1100), 부하단(160)의 고유 공진 주파수를 낮춰야하는지 여부를 판단하는 단계(1200), 부하단(160)의 고유 공진 주파수를 낮추는 단계(1300) 및 부하단(160)의 고유 공진 주파수에 해당하는 주파수를 가지는 전력을 송신단(110)에서 부하단(160)으로 송신하는 단계(1400)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송시스템(100)을 사용하여 무선으로 전력을 전송하기 위해서는 우선 부하단(160)의 고유 공진 주파수 내지는 자기 공진 주파수를 알아야 한다. 부하단의 형태나 종류에 따라서 부하단을 제조하는 단계에서 고유 공진 주파수가 결정된 경우도 있으나, 전송시스템(100)에 적용하는 과정에서 부하단의 고유 공진 주파수를 알아내야 하는 경우도 있다. 예를 들어 부하단의 고유 공진 주파수를 알아 내는 과정은 도 3에 도시된 바와 같이 인가되는 전력의 주파수를 가변시키면서 가장 온도 변화가 큰 주파수를 찾는 방법에 의해서 부하단의 고유 공진 주파수를 측정하거나 알아낼 수 있다.
부하단(160)의 고유 공진 주파수를 측정하거나 알아낸 이후에는 고유 공진 주파수에 해당하는 주파수를 가지는 전력을 송신단(110)에 바로 인가할 수도 있으나, 그 전에 고유 공진 주파수를 조절하거나 낮춰야하는지 여부를 판단하는 과정(1200)이 필요할 수도 있다. 무선전력 전송시스템(100)을 스텐트 시술에 적용하는 경우에는 상기한 바와 같이 페라이트 코어를 사용하여 고유 공진 주파수를 낮춰야 필요도 있기 때문이다. 판단 결과에 따라서 고유 공진 주파수를 낮추거나 조절하는 과정을 수행할 수 있다(1300).
고유 공진 주파수를 낮추거나 조절한 후에는 부하단의 정해진 고유 공진 주파수 내지는 자기 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전력을 송신단(110)에 인가해 주기만 하면 부하단(160)에 무선으로 전력이 전달될 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 무선전력 전송시스템(100) 및 무선전력 전송방법은 방사(radiation)로 인한 손실 없이 전력을 전달시킬 수 있으며, 송신단 및 수신단과 부하단이 같이 있어야만 하는 기존의 자기 공명(Magnetic resonator) 방식을 이용한 무선전력 전달기술과 달리 수신단이 필요 없고 부하단의 자기 공진을 이용하여 전력을 전달하고, 송신단이 공진 코일이 아니어도 되기 때문에 단순하고 용이하게 전력을 전달할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 무선전력 전송시스템 110: 송신단
160: 부하단 190: 임피던스 매칭부
310: 솔레노이드 320: 페라이트 코어
330: 이너 튜브

Claims (9)

  1. 전원공급부;
    상기 전원공급부에서 발생한 전력이 입력되는 송신단; 및
    상기 송신단으로부터 전력을 전달 받는 부하단;을 포함하며,
    상기 부하단의 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 전력을 상기 전원공급부에서 상기 송신단에 보냄으로써 상기 부하단이 자체적으로 자기 공진함에 따라 상기 송신단에서 직접 상기 부하단으로 전력이 무선으로 전달되는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송시스템.
  2. 전원공급부;
    상기 전원공급부에서 발생한 전력이 입력되는 송신단; 및
    상기 송신단으로부터 전력을 전달 받는 부하단;을 포함하며,
    상기 부하단의 고유 공진 주파수가 상기 전원공급부에서 상기 송신단에 입력되는 전력의 주파수와 동일하도록 상기 부하단을 형성함으로써 상기 송신단과 상기 부하단 사이에서의 자기 공진을 이용하여 상기 송신단의 전력이 상기 부하단에 직접 전달되는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 송신단은 공진 코일을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부하단에 의해서 상기 송신단의 공진 주파수가 변하지 않는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부하단은 스프링, 솔레노이드 또는 토로이드 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 부하단은 스텐트 시술에 사용될 수 있으며, 상기 부하단에 침착되는 불순물을 소각시킬 수 있도록 상기 부하단에 페라이트 코어를 사용하여 고유 공진 주파수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 부하단은 튜브 형태를 가지는 상기 페라이트 코어의 외면에 상기 스프링, 상기 솔레노이드 또는 상기 토로이드 형태 중 어느 하나를 권선하여 형성되며,
    상기 페라이트 코어의 내부에는 인체에 무해한 성분으로 형성된 이너 튜브가 구비된 것을 특징으로 하는 무선전력 전송시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부하단은 고유 공진 주파수를 조절하기 위해 페라이트 코어를 이용하는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 송신단은 임피던스 매칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송시스템.
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