KR101364992B1 - 무선 전력 전송 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
무선으로 전력을 전송할 때, 발생하는 자기장을 조정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 무선 전력 전송 장치는 소스 공진기를 통하여 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 형성하고, 상기 마그네틱 커플링을 통해 타겟 디바이스에 전력을 무선으로 전송하며, 상기 소스 공진기의 내부 중 소정영역에 위치한 자기장 분포 조정부를 통하여, 상기 마그네틱 커플링의 형성 시, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 조정한다.
Description
기술분야는 무선으로 전력을 전송할 때, 발생하는 자기장을 조정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력은, 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 따라서, 무선 전력 전송 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 전자기기와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 전자기기를 포함한다. 이때, 소스 전자기기는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 타겟 전자기기는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다.
소스 전자기기는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 타겟 전자기기는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링이 형성될 수 있다. 무선 환경의 특성 상, 소스 공진기(source resonator) 및 타겟 공진기(target resonator) 사이의 거리가 시간에 따라 변할 가능성이 높고, 양 공진기의 매칭(matching) 조건 역시 변할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 장치는 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 형성하고, 상기 마그네틱 커플링을 통해 타겟 디바이스에 전력을 무선으로 전송하는 소스 공진기 및 상기 소스 공진기의 내부 중 소정영역에 위치하고, 상기 마그네틱 커플링의 형성 시, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 조정하는 자기장 분포 조정부를 포함한다.
상기 소스 공진기는 제1 신호 도체 부분 및 제2 신호 도체 부분과, 상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분에 대응되는 제1 그라운드 도체 부분을 포함하는 제1 전송 선로, 상기 제1 신호 도체 부분과 상기 제1 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제1 도체, 상기 제2 신호 도체 부분과 상기 제1 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제2 도체 및 상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분을 흐르는 전류에 대하여 직렬로 상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분 사이에 삽입되는 적어도 하나의 제1 캐패시터를 포함할 수 있다.
상기 제1 전송 선로, 상기 제1 도체 및 상기 제2 도체는 루프 구조를 형성할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 장치는 상기 제1 전송 선로, 상기 제1 도체 및 상기 제2 도체에 의해 형성되는 루프의 내부에 위치하여, 상기 소스 공진기의 임피던스를 결정하는 매칭기를 더 포함할 수 있다.
상기 소스 공진기는 상기 소스 공진기 상에 대칭적(symmetric) 또는 비대칭적(Asymmetric)으로 위치한 복수의 타겟 디바이스, 각각에 동일한 전력량을 무선으로 전송할 수 있다.
상기 자기장 분포 조정부는 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포가 균일하게 형성되도록 상기 자기장의 분포를 조정할 수 있다.
상기 자기장 분포 조정부는 적어도 하나의 서브 공진기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 서브 공진기는 제3 신호 도체 부분 및 제4 신호 도체 부분과, 상기 제3 신호 도체 부분 및 상기 제4 신호 도체 부분에 대응되는 제2 그라운드 도체 부분을 포함하는 제2 전송 선로, 상기 제3 신호 도체 부분과 상기 제2 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제3 도체, 상기 제4 신호 도체 부분과 상기 제2 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제4 도체 및 상기 제3 신호 도체 부분 및 상기 제4 신호 도체 부분을 흐르는 전류에 대하여 직렬로 상기 제3 신호 도체 부분 및 상기 제4 신호 도체 부분 사이에 삽입되는 적어도 하나의 제2 캐패시터를 포함할 수 있다.
상기 자기장 분포 조정부는 상기 제2 캐패시터 값, 상기 제2 전송선로의 길이 및 폭에 기초하여, 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 공진 주파수를 상기 소스 공진기의 공진 주파수와 일정 값만큼 차이가 나도록 조정할 수 있다.
상기 자기장 분포 조정부는 상기 소스 공진기의 중심의 자기장의 세기와 상기 소스 공진기의 외곽의 자기장의 세기가 동일해지도록, 상기 제2 캐패시터 값을 조절하여, 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 공진 주파수를 상기 소스 공진기의 공진 주파수보다 크거나, 작게 조정할 수 있다.
상기 제2 전송 선로, 상기 제3 도체 및 상기 제4 도체는 사각(rectangular) 형태의 루프 구조를 형성할 수 있다.
상기 제2 전송 선로, 상기 제3 도체 및 상기 제4 도체는 원(circular) 형태의 루프 구조를 형성할 수 있다.
상기 제2 전송 선로, 상기 제3 도체 및 상기 제4 도체는 십자(cross) 형태의 루프 구조를 형성할 수 있다.
상기 적어도 하나의 서브 공진기는 동일평면을 기준으로 상기 소스 공진기보다 소정 높이만큼 높은 곳에 위치할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 장치는 상기 소스 공진기 및 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 소정 위치에, 일정 두께만큼, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도하도록, 적층된 차폐층을 더 포함할 수 있다.
상기 자기장 분포 조정부는 상기 소스 공진기 및 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 소정 위치에, 적층되는 차폐층의 폭을 조절하여, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도할 수 있다.
상기 자기장 분포 조정부는 상기 소스 공진기 및 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 소정 위치에, 적층되는 차폐층의 폭 및 두께를 조절하여, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간에 발생하는, 기생 캐패시터로 인한, 공진 주파수의 변화를 상쇄할 수 있다.
상기 자기장 분포 조정부는 상기 적어도 하나의 서브 공진기 내부에 위치하고, 상기 무선 전력 전송 시, 상기 적어도 하나의 서브 공진기를 보조하여, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일하게 보상하는 서브-서브 공진기를 포함할 수 있다.
상기 자기장 분포 조정부는 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도하는 적어도 하나의 코일을 포함할 수 있다.
상기 자기장 분포 조정부는 상기 적어도 하나의 코일의 길이, 폭 및 상기 적어도 하나의 코일 간의 간격에 기초하여 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도할 수 있다.
상기 적어도 하나의 코일은 상기 소스 공진기의 중앙에 위치하고, 서로 다른 사이즈의 루프 구조를 형성할 수 있다.
상기 적어도 하나의 코일은 상기 소스 공진기의 중앙에 위치하고, 스파이럴(spiral) 형태를 형성할 수 있다.
상기 자기장 분포 조정부는 상기 소스 공진기의 중앙을 중심으로 사이즈 및 높이가 다른, 루프 구조로 형성된, 복수의 차폐층을 포함하고, 상기 복수의 차폐층에 기초하여 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도할 수 있다.
상기 자기장 분포 제어부는 MNG(Mu-negative), DNG(Double-negative) 또는 자성 유전체(magneto-dieletric)로 구성된 층을 포함하고, 상기 구성된 층에 기초하여 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 방법은 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 마그네틱 커플링을 형성하고, 상기 마그네틱 커플링을 통해 타겟 디바이스에 전력을 무선으로 전송하는 단계; 및
상기 소스 공진기의 내부 중 소정영역에 위치한 적어도 하나의 서브 공진기를 통하여, 상기 마그네틱 커플링의 형성 시, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 조정하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 서브 공진기는 제3 신호 도체 부분 및 제4 신호 도체 부분과, 상기 제3 신호 도체 부분 및 상기 제4 신호 도체 부분에 대응되는 제2 그라운드 도체 부분을 포함하는 제2 전송 선로, 상기 제3 신호 도체 부분과 상기 제2 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제3 도체, 상기 제4 신호 도체 부분과 상기 제2 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제4 도체 및 상기 제3 신호 도체 부분 및 상기 제4 신호 도체 부분을 흐르는 전류에 대하여 직렬로 상기 제3 신호 도체 부분 및 상기 제4 신호 도체 부분 사이에 삽입되는 적어도 하나의 제2 캐패시터를 포함한다.
상기 자기장의 분포를 조정하는 단계는 상기 제2 캐패시터 값, 상기 제2 전송선로의 길이 및 폭에 기초하여, 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 공진 주파수를 상기 소스 공진기의 공진 주파수와 일정 값만큼 차이가 나도록 제어할 수 있다.
상기 자기장의 분포를 조정하는 단계는 상기 소스 공진기의 중심의 자기장의 세기와 상기 소스 공진기의 외곽의 자기장의 세기가 동일해지도록, 상기 제2 캐패시터 값을 조절하여, 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 공진 주파수를 상기 소스 공진기의 공진 주파수보다 크거나, 작게 조정할 수 있다.
상기 자기장의 분포를 조정하는 단계는 상기 적어도 하나의 서브 공진기 내부에 위치하고, 상기 무선 전력 전송 시, 상기 적어도 하나의 서브 공진기를 보조하는 서브-서브 공진기를 통하여, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일하게 보상할 수 있다.
무선 전력 전송 시스템에서, 자기장 분포 조정부를 이용함으로써, 소스 공진기 위에 위치한 타겟 디바이스의 위치에 관계없이 임피던스의 변화를 적게 하여, 최적의 전송 효율을 유지할 수 있다.
또한, 소스 공진기에 차폐제를 이용함으로써, 소스 공진기 위에 위치한 타겟 디바이스의 위치에 관계없이 임피던스의 변화를 적게 하여, 타겟 디바이스가 여러 개인 경우, 전송 효율을 유지하면서, 무선 전력을 전송할 수 있다.
또한, 소스 공진기에 차폐제를 이용함으로써, 소스 공진기와 타겟 디바이스 간에 발생하는 기생 캐패시터로 인한, 소스 공진기의 공진 주파수의 불필요한 변화를 상쇄할 수 있다.
또한, 서브 공진기를 이용함으로써, 소스 공진기 위에서 위치에 관계없이 임피던스의 변화가 적으므로, 하나의 매칭기를 이용하여 무선 전력을 전송할 수 있다.
도 1은 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 거리에 따른 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 서브 공진기를 나타낸 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 자기장 분포 조정부의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 서브 공진기가 복수개 위치한 주기구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 서브 공진기와 소스 공진기의 위치 관계를 나타낸 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 소스 공진기 및 서브 공진기에 차폐제가 적층된 경우를 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 13은 공진기들의 실시 예들을 나타낸다.
도 14는 도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 서브 공진기를 나타낸 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 자기장 분포 조정부의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 서브 공진기가 복수개 위치한 주기구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 서브 공진기와 소스 공진기의 위치 관계를 나타낸 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 소스 공진기 및 서브 공진기에 차폐제가 적층된 경우를 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 13은 공진기들의 실시 예들을 나타낸다.
도 14는 도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 거리에 따른 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, (a) 및 (c)는 소스 공진기에 대하여 Line 1의 방향으로 자기장을 측정한 그래프이다. (a)는 소스 공진기와 1 센티미터 떨어진 위치에서 측정된 자기장이고, (c)는 소스 공진기와 5 센티미터 떨어진 위치에서 측정된 자기장이다.
(a)를 참조하면, 110 및 120은 소스 공진기의 바로 안쪽 부분을 나타낸다. 즉, 110 및 120은 소스 공진기의 외곽을 나타낸다. 소스 공진기의 110 및 120 위치에서 자기장의 강도가 가장 큼을 알 수 있다. 또한, 소스 공진기의 중앙에서 자기장의 강도가 가장 작음을 알 수 있다. 이때, 소스 공진기의 중앙에서 타겟 공진기와의 커플링 효율이 가장 낮다. 또한, 소스 공진기의 각 위치마다 특성 임피던스가 다르므로 공진 주파수의 편차도 커진다.
(c)를 참조하면, 150 및 160은 소스 공진기의 외곽을 나타낸다. 소스 공진기와 5 센티미터 떨어진 위치에서는 오히려 150 및 160 위치 사이의 구간에서 자기장의 분포가 균일함을 알 수 있다.
(b) 및 (d)는 소스 공진기에 대하여 Line 2의 방향으로 자기장을 측정한 그래프이다. (b)는 소스 공진기와 1 센티미터 떨어진 위치에서 측정된 자기장이고, (d)는 소스 공진기와 5센티미터 떨어진 위치에서 측정된 자기장이다.
(b)를 참조하면, 130 및 140은 소스 공진기의 바로 안쪽 부분을 나타낸다. 즉, 130 및 140은 소스 공진기의 외곽을 나타낸다. 소스 공진기의 130 및 140 위치에서 자기장의 강도가 가장 큼을 알 수 있다. 또한, 소스 공진기의 중앙에서 자기장의 강도가 가장 작음을 알 수 있다.
(d)를 참조하면, 170 및 180은 소스 공진기의 외곽을 나타낸다. 소스 공진기와 5 센티미터 떨어진 위치에서는 오히려 170 및 180 위치 사이의 구간에서 자기장의 분포가 균일함을 알 수 있다.
결과적으로, 소스 공진기와 1 센티미터 떨어진 위치에서, Line 1 및 Line 2의 어느 방향에서든, 소스 공진기의 외곽에서는 자기장의 강도가 크고, 소스 공진기의 중심에서는 자기장의 강도가 가장 작음을 알 수 있다.
본 발명은 패드 타입으로 제작된 소스 공진기와 타겟 공진기간의 거리가 2센티미터 미만인 경우에 적용될 수 있다. 본 발명은 소스 공진기의 중앙에서 자기장의 강도를 크게 하여, 소스 공진기의 외곽 및 중앙에서 자기장의 분포가 균일하도록 할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(200)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(200)는 소스 공진기(201) 및 자기장 분포 조정부(250)를 포함한다.
소스 공진기(201)는 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 형성한다. 소스 공진기(201)는 마그네틱 커플링을 통해 타겟 디바이스에 전력을 무선으로 전송한다. 이때, 소스 공진기(201)는 제1 전송선로, 제1 도체(242), 제2 도체(241), 적어도 하나의 제1 캐패시터(220) 및 매칭기(230)를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 캐패시터(220)는 제1 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(211)과 제2 신호 도체 부분(212) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제1 캐패시터(220)에 갇히게 된다. 일반적으로, 전송 선로는 상부에 적어도 하나의 도체, 하부에 적어도 하나의 도체를 포함하며, 상부에 있는 도체를 통해서는 전류가 흐르며, 하부에 있는 도체는 전기적으로 그라운드 된다(grounded). 본 명세서에서는 제1 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(211)과 제2 신호 도체 부분(212)로 나누어 부르고, 제1 전송 선로의 하부에 있는 도체를 제1 그라운드 도체 부분(213)으로 부르기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 소스 공진기(201)는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 제1 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(211) 및 제2 신호 도체 부분(212)을 포함하고, 하부에 제1 그라운드 도체 부분(213)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(211) 및 제2 신호 도체 부분(212)과 제1 그라운드 도체 부분(213)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(211) 및 제2 신호 도체 부분(212)을 통하여 흐른다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(211)의 한쪽 단은 제1 도체(242)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(220)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(212)의 한쪽 단은 제2 도체(241)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(220)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(211), 제2 신호 도체 부분(212) 및 제1 그라운드 도체 부분(213), 도체들(241, 242)은 서로 연결됨으로써, 소스 공진기(200)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
제1 캐패시터(220)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 제1캐패시터(220)는 제1 신호 도체 부분(211) 및 제2 신호 도체 부분(212) 사이에 삽입된다. 이 때, 제1 캐패시터(220)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 캐패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(220)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 소스 공진기(201)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다.
대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 제1 캐패시터(220)의 캐패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 소스 공진기(201)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 캐패시터(220)의 캐패시턴스를 적절히 조절함으로써, 소스 공진기(201)는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 소스 공진기(201)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 제1 캐패시터(220)의 캐패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 소스 공진기(201)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 소스 공진기(201)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 소스 공진기(201)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 제1 캐패시터(220)의 캐패시턴스가 정해질 수 있다.
MNG 공진기(201)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(201)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(201)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기(201)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 제1 캐패시터(220)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(201)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 제1 캐패시터(220)에 집중되므로, 제1 캐패시터(220)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기(201)는 집중 소자의 제1 캐패시터(220)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 큐-팩터는 무선 전력 전송에 있어서 저항 손실(ohmic loss)의 정도 또는 저항(resistance)에 대한 리액턴스의 비를 나타내는데, 큐-팩터가 클수록 무선 전력 전송의 효율이 큰 것으로 이해될 수 있다.
또한, MNG 공진기(201)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(230)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(230)는 MNG 공진기(201) 의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(230)에 의해 MNG 공진기(201)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터를 통하여 MNG 공진기(201)로 유입되거나 MNG 공진기(201)로부터 유출될 수 있다. 여기서, 커넥터는 제1 그라운드 도체 부분(213) 또는 매칭기(230)와 연결될 수 있다. 다만, 커넥터와 제1 그라운드 도체 부분(213) 또는 매칭기(230) 사이에는 물리적인 연결이 형성될 수도 있고, 커넥터와 제1 그라운드 도체 부분(213) 또는 매칭기(230) 사이의 물리적인 연결 없이 커플링을 통하여 전력이 전달될 수도 있다.
보다 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 매칭기(230)는 소스 공진기(201)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(230)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 소스 공진기(201)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(230)는 제1 그라운드 도체 부분(213)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체(231)를 포함할 수 있으며, 소스 공진기(201)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 2에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(230)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(230)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(230)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(230)의 도체(231)와 제1 그라운드 도체 부분(213) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(230)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 소스 공진기(201)의 임피던스는 조절될 수 있다.
매칭기(230)는 도 2에 도시된 바와 같이, 도체 부분(231)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(230)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 소스 공진기(201)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(230)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off' 상태에 있는지에 따라 소스 공진기(201)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 2에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(201)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
또한, 소스 공진기(201)는 상기 소스 공진기 상에 대칭적(symmetric) 또는 비대칭적(Asymmetric)으로 위치한 복수의 타겟 디바이스, 각각에 동일한 전력량을 무선으로 전송할 수 있다. 패드 타입으로 구성된 무선 전력 전송 장치에는 복수의 타겟 디바이스가 위치할 수 있다.
이때, 복수의 타겟 디바이스는 각각의 타겟 디바이스 간에 소스 공진기의 중앙을 기준으로, 대칭적 또는 비대칭적으로, 패드 위에 위치할 수 있다. 즉, 복수의 타겟 디바이스는 패드 상의 임의의 위치에 놓일 수 있다.
소스 공진기(201)에서 무선으로 전송되는 전력은 자기장의 세기에 영향을 받는다. 그런데, 소스 공진기(201)의 외곽 및 중앙에서 자기장의 분포는 자기장 분포 조정부(250)에 의해 균일해질 수 있다. 따라서, 복수의 타겟 디바이스가 대칭적 또는 비대칭적으로 패드 위에 위치하였는지 여부와 상관없이, 소스 공진기(201)는 각 타겟 디바이스 별로 동일한 양의 전력을 무선으로 전송할 수 있다. 즉, 소스 공진기(201)에서 소정의 시간 동안 무선으로 전송되는 전력량이 일정하다고 가정할 때, 소스 공진기(201)에서 전송된 전력은 각 타겟 디바이스 별로 동일하게 분배될 수 있다.
또한, 소스 공진기(201)는 타겟 디바이스의 위치에 따른 별도의 매칭 과정 없이, 소스 공진기(201) 상에 위치한 타겟 디바이스에 높은 효율로 무선 전력을 전송할 수 있다. 소스 공진기(201)의 외곽 및 중앙에서 자기장의 분포는 자기장 분포 조정부(250)에 의해 균일해질 수 있으므로, 타겟 디바이스의 위치에 따른 별도의 매칭 작업이 필요없다.
자기장 분포 조정부(250)는 소스 공진기(201)의 내부 중 소정영역에 위치하고, 소스 공진기(201)와 타겟 공진기 간에 마그네틱 커플링의 형성 시, 소스 공진기(201)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 조정한다.
또한, 자기장 분포 조정부(250)는 소스 공진기(201)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포가 균일하게 형성되도록 상기 자기장의 분포를 조정할 수 있다.
자기장 분포 조정부(250)는 적어도 하나의 서브 공진기를 포함할 수 있다. 즉, 자기장 분포 조정부(250)는 적어도 하나의 서브 공진기를 이용하여, 소스 공진기(201) 내부에서 발생하는 자기장의 분포가 균일하도록 자기장의 분포를 조정할 수 있다. 적어도 하나의 서브 공진기의 구성은 도 3에서 좀 더 상세하게 설명한다.
적어도 하나의 서브 공진기는 소스 공진기(201) 또는 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 형성하여 적어도 하나의 서브 공진기 내부에서 자기장을 형성할 수 있다. 상기 서브 공진기 내부에서 형성된 자기장과 소스 공진기(201) 내부에서 발생하는 자기장이 합성되어 소스 공진기(201) 내부에서 발생하는 자기장의 분포가 균일하게 조정될 수 있다.
또한, 자기장 분포 조정부(250)는 서브-서브 공진기를 포함할 수 있다. 서브-서브 공진기는 적어도 하나의 서브 공진기 내부에 위치할 수 있다. 소스 공진기(201)가 무선 전력 전송 시, 소스 공진기 내부에 위치한 적어도 하나의 서브 공진기를 보조하여, 소스 공진기(201)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일하게 보상할 수 있다. 서브-서브 공진기는 서브 공진기에 의해 조정되는 자기장의 분포를 보상하여, 소스 공진기(201) 내부에서 자기장의 분포가 좀 더 균일(uniform)해 지도록 할 수 있다.
자기장 분포 조정부(250)는 소스 공진기(201)의 내부에서 발생하는 자기장을 소스 공진기(201)의 중앙으로 유도하는 적어도 하나의 코일을 포함할 수 있다. 자기장 분포 조정부(250)는 적어도 하나의 코일을 이용하여 소스 공진기(201) 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일하게 조정할 수 있다.
자기장 분포 조정부(250)는 적어도 하나의 코일에 소스 공진기(201)에 흐르는 전류와 동일한 방향으로 전류를 흘려, 소스 공진기(201) 내부에서 발생하는 자기장과 상기 적어도 하나의 코일에서 발생하는 자기장을 합성할 수 있다. 자기장 분포 조정부(250)는 상기 합성에 기초하여 소스 공진기(201) 내부의 자기장 분포를 균일하게 조정할 수 있다.
이때, 자기장 분포 조정부(250)는 적어도 하나의 코일의 길이, 폭 및 상기 적어도 하나의 코일 간의 간격에 기초하여 소스 공진기(201)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도할 수 있다.
적어도 하나의 코일은 소스 공진기(201)의 중앙에 위치하고, 서로 다른 사이즈의 루프 구조를 형성할 수 있다. 다양한 사이즈의 코일은 소스 공진기(201)의 내부에서 발생하는 자기장을 좀 더 상세하게 조정할 수 있게 한다.
또한, 동일한 모양을 가지는 적어도 하나의 코일은 소스 공진기(201)의 내부에 임의의 위치에 위치할 수 있다. 적어도 하나의 코일은 소스 공진기(201)의 내부에서 각각 다양한 위치에 위치함으로써, 상기 코일이 위치한 영역에서, 소스 공진기(201)에서 발생하는 자기장을 조정할 수 있다.
또한, 적어도 하나의 코일은 소스 공진기(201)의 중앙에 위치하고, 스파이럴(spiral) 형태를 형성할 수 있다. 적어도 하나의 코일은 소스 공진기(201) 내부에서 발생하는 자기장을 조정하기 위해 다양한 형태로 생성될 수 있다.
자기장 분포 조정부(250)는 소스 공진기(201)의 중앙을 중심으로 사이즈 및 높이가 다른, 루프 구조로 형성된, 복수의 차폐층을 포함할 수 있다. 자기장 분포 조정부(250)는 복수의 차폐층에 기초하여 소스 공진기(201)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도할 수 있다. 소스 공진기(201)에서 발생하는 자기장의 자기선속은 복수의 차폐층에서 굴절되어 소스 공진기(201)의 중앙으로 좀 더 집중될 수 있다.
자기장 분포 조정부(250)는 MNG(Mu-negative), DNG(Double-negative) 또는 자성 유전체(magneto-dieletric)로 구성된 층을 포함할 수 있다. 자기장 분포 제어부(250)는 상기 구성된 층에 기초하여 소스 공진기에서 발생하는 자기장의 자기선속을 굴절시킴으로써, 소스 공진기(201)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도할 수 있다.
자기장 분포 조정부(250)는 소스 공진기(201) 및 적어도 하나의 서브 공진기의 소정 위치에, 적층되는 차폐층의 폭을 조절하여, 소스 공진기(201)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도할 수 있다. 차폐층의 폭에 따라 소스 공진(201)에서 발생하는 자기장의 자기선속의 굴절 정도가 달라질 수 있다. 따라서, 자기장 분포 조정부(250)는 차폐층의 폭을 조절하여, 소스 공진기(201)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일하게 할 수 있다.
타겟 디바이스는 패드 타입의 소스 공진기(201) 위에 위치할 수 있다. 이때, 소스 공진기(201)와 타겟 디바이스 간의 간격은 수 센티미터 이하이다. 따라서, 소스 공진기(201)와 타겟 디바이스 간에 기생 캐패시터가 발생할 수 있다. 기생 캐패시터로 인하여 소스 공진기(201)의 공진 주파수는 영향을 받게 된다. 자기장 분포 조정부(250)는 소스 공진기(201) 및 적어도 하나의 서브 공진기의 소정 위치에, 적층되는 차폐층의 폭 및 두께를 조절하여, 소스 공진기(201)와 타겟 공진기 간에 발생하는, 기생 캐패시터로 인한, 공진 주파수의 변화를 상쇄할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 서브 공진기(310)를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 서브 공진기(310)는 제2 전송선로, 제3 도체, 제4 도체 및 적어도 하나의 제2 캐패시터를 포함할 수 있다.
제2 캐패시터(321)는 제2 전송 선로에서 제3 신호 도체 부분(311)과 제4 신호 도체 부분(313) 사이에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제2 캐패시터(321)에 갇히게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 서브 공진기(310)는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 제2 전송 선로는 상부에 제3 신호 도체 부분(311) 및 제4 신호 도체 부분(313)을 포함하고, 하부에 제2 그라운드 도체 부분(315)을 포함한다. 제3 신호 도체 부분(311) 및 제4 신호 도체 부분(313)과 제2 그라운드 도체 부분(315)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제3 신호 도체 부분(311) 및 제4 신호 도체 부분(313)을 통하여 흐른다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 제3 신호 도체 부분(311)의 한쪽 단은 제3 도체(317)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제2 캐패시터(321)와 연결된다. 그리고, 제4 신호 도체 부분(313)의 한쪽 단은 제4 도체(319)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제3 캐패시터(321)와 연결된다. 결국, 제3 신호 도체 부분(311), 제4 신호 도체 부분(313) 및 제2 그라운드 도체 부분(315), 도체들(317, 319)은 서로 연결됨으로써, 서브 공진기(310)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함한다.
제2 전송 선로, 제3 도체(317) 및 제4 도체(319)는 사각(rectangular) 형태의 루프 구조를 형성할 수 있다. 또한, 제2 전송 선로, 제3 도체(317) 및 제4 도체(319)는 원(circular) 형태의 루프 구조를 형성할 수 있다. 또한, 제2 전송 선로, 제3 도체(317) 및 제4 도체(319)는 십자(cross) 형태의 루프 구조를 형성할 수 있다.
도 3에 도시되지 아니하였지만, 서브 공진기(310)의 제2 캐패시터(321)를 결정하는 컨트롤러가 존재하는 경우, 컨트롤러는 소스 공진기에서 발생하는 자기장의 분포가 균일해지도록 가변적으로 제2 캐패시터(321)의 값을 결정할 수 있다.
자기장 분포 조정부(250)는 제2 캐패시터(321)의 값, 제2 전송선로의 길이 및 폭에 기초하여, 적어도 하나의 서브 공진기(310)의 공진 주파수를 소스 공진기의 공진 주파수와 일정 값만큼 차이가 나도록 조정할 수 있다.
자기장 분포 조정부(250)는 제2 캐패시터(321) 값을 조절할 수 있다. 제2 캐패시터(321) 값이 변하면 적어도 하나의 서브 공진기(310)의 공진 주파수도 변하게 된다. 따라서, 자기장 분포 조정부(250)는 제2 캐패시터(321) 값을 조절하여, 적어도 하나의 서브 공진기(310)의 공진 주파수를 소스 공진기의 공진 주파수보다 크거나, 작게 조정할 수 있다. 자기장 분포 조정부(250)는 적어도 하나의 서브 공진기(310)의 공진 주파수를 소스 공진기의 공진 주파수보다 크거나, 작게 조정하여, 소스 공진기의 중심의 자기장의 세기와 소스 공진기의 외곽의 자기장의 세기가 동일해지도록 할 수 있다.
적어도 하나의 서브 공진기(310)의 공진 주파수와 소스 공진기의 공진 주파수가 일치하는 경우, 소스 공진기의 중앙으로 자기장이 집중된다. 따라서, 자기장 분포 조정부(250)는 적어도 하나의 서브 공진기(310)의 공진 주파수와 소스 공진기의 공진 주파수를 일정 값만큼 차이가 나도록 조정하여, 소스 공진기의 외곽과 중심의 자기장 분포를 균일하게 할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 자기장 분포 조정부의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 자기장 분포 조정부(250)는 다양한 형태의 서브 공진기(410, 420), 서브-서브 공진기(430)를 이용하여 소스 공진기 내부의 자기장을 균일하게 조정할 수 있다. 또한, 자기장 분포 조정부(250)는 동일한 형태이지만, 다양한 사이즈를 가지는 코일(440), 스파이럴(spiral) 형태의 코일(450)을 이용하여 소스 공진기 내부의 자기장을 균일하게 조정할 수 있다.
또한, 자기장 분포 조정부(250)는 차폐제의 투자율(permeability), 차폐제 고유의 손실(loss), 차폐제의 두께, 차폐제의 배열 순서 및 배열 위치를 고려한, 복수의 층(460,461,463)을 이룬 차폐제를 이용하여 소스 공진기 내부의 자기장을 균일하게 조정할 수 있다.
또한, 자기장 분포 조정부(250)는 MNG(Mu-negative), DNG(Double-negative) 또는 자성 유전체(magneto-dieletric) 등의 메타물질(meta material)로 구성된 구조를 이용하여 소스 공진기 내부의 자기장을 균일하게 조정할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 서브 공진기가 복수개 위치한 주기구조를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 소스 공진기 내부의 각각의 모서리에 서브 공진기(501, 503, 505, 507)가 위치할 수 있다. 소스 공진기 내부의 각각의 모서리에서 자기장의 강도가 가장 크다. 서브 공진기(501, 503, 505, 507)는 각 모서리 영역에 위치하여, 모서리에 집중된 자기장의 분포를 소스 공진기의 중앙으로 유도할 수 있다. 주기구조는 동일한 형태의 서브 공진기가 반복적으로 배치되는 구조를 의미한다.
서브 공진기뿐만 아니라 다양한 형태의 코일 및 차폐제, 메타 물질을 이용한 구조 등도 소스 공진기 내부의 다양한 장소에 위치하여 자기장을 중앙으로 유도할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 서브 공진기와 소스 공진기의 위치 관계를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 서브 공진기(620,650,660)는 동일평면을 기준으로 소스 공진기(610,640)보다 소정 높이(630,670)만큼 높은 곳에 위치할 수 있다.
(a)를 참조하면, 서브 공진기(620)는 동일평면을 기준으로 소스 공진기(610)보다 소정 높이(630)만큼 높은 곳에 위치할 수 있다. 서브 공진기(620)는 소스 공진기(610)의 중앙 및 소스 공진기(610)에서 발생한 자기장의 분포가 감소하는 영역에 위치할 수 있다. 서브 공진기(620)는 소스 공진기(610)보다 소정 높이(630)만큼 높은 곳에 위치하여, 소스 공진기(610)에서 발생하는 자기장을 중앙으로 유도할 수 있다. 즉, 서브 공진기(620)에서 발생한 자기장이 소스 공진기(610)에서 발생한 자기장과 합성되어, 결과적으로 소스 공진기(610)의 중심에서 자기장의 분포를 비교적 균등하게 할 수 있다.
(b)를 참조하면, 서브 공진기들(650, 660)은 동일평면을 기준으로 소스 공진기(640)보다 소정 높이(670)만큼 높은 곳에 위치할 수 있다. 이때, (a)와는 다르게, 두 개의 서브 공진기들(650, 660)이 소스 공진기(640)보다 높은 곳에 위치할 수 있다. 주기구조를 이용하여 소스 공진기(640)에서 발생하는 자기장의 분포를 균등하게 할 수 있는 것처럼, 적어도 두 개의 서브 공진기들(650, 660)도 이용할 수 있다. 다만, 서브 공진기(650)와 서브 공진기(660) 간에는 최소 간격(680)이 필요하다. 최소 간격(680)은 서브 공진기(650)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장과 서브 공진기(660)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장 간의 상쇄 정도가 약해지는 거리를 의미한다.
도 7은 일실시예에 따른 소스 공진기 및 서브 공진기에 차폐제가 적층된 경우를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 소스 공진기의 일정영역(710) 및 서브 공진기의 일정영역(720)에 차폐제가 적층되어 있다. 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 상기 차폐제를 이용하여, 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균등하게 할 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 소스 공진기(740)의 일정영역(710) 및 서브 공진기의 일정영역(720)에 적층된 차폐층의 폭을 조절하여, 소스 공진기(740)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도할 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 소스 공진기(740)의 일정영역(710) 및 서브 공진기의 일정영역(720)에 적층된 차폐층의 폭 및 두께를 조절하여, 소스 공진기(740)와 타겟 공진기 간에 발생하는, 기생 캐패시터로 인한, 공진 주파수의 변화를 상쇄할 수 있다.
차폐제(750)가 적층되는 폭은 소스 공진기(740)에서 발생하는 자기장의 자기선속의 굴절 정도를 고려하여 결정될 수 있다. 소스 공진기(740)에서 차폐제(750)는 소스 공진기의 폭에서 3/5만큼의 폭(730)으로 적층될 수 있다. 예를 들면, 소스 공진기(740)의 폭이 2.5 센티미터라면, 차폐제(750)가 적층되는 폭(730)은 1.5 센티미터 정도이다.
좀 더, 입체적으로 살펴보면, 차폐제(750)가 적층되는 폭(750)은 소스 공진기(740)의 폭(760) 대비, 3/5 정도이다. 또한, 차폐제(750)가 적층되는 두께(780)는 패드 타입의 소스 공진기 구조를 고려하여, 0.1 밀리미터 이상 1 밀리미터 이하의 값을 가질 수 있다.
도 8 내지 도 13은 공진기들의 실시 예들을 나타낸다. 무선 전력 전송 장치에 포함된 소스 공진기는 도 8 내지 도 13에서 설명되는 공진기의 구조로 구현될 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기(800)는 제1 신호 도체 부분(811), 제2 신호 도체 부분(812) 및 그라운드 도체 부분(813)을 포함하는 전송 선로 및 캐패시터(820)를 포함한다. 여기서 캐패시터(820)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(811)과 제2 신호 도체 부분(812) 사이에 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 캐패시터(820)에 갇히게 된다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 공진기(800)는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(813)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812)과 그라운드 도체 부분(813)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812)을 통하여 x 방향으로 흐르며, 이러한 전류로 인해 -y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생한다. 물론, 도 8에 도시된 것과 다르게, +y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생할 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(811)의 한쪽 단은 도체(842)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 캐패시터(820)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(812)의 한쪽 단은 도체(841)와 접지되며, 다른 쪽 단은 캐패시터(820)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(811), 제2 신호 도체 부분(812) 및 그라운드 도체 부분(813), 도체들(841, 842)은 서로 연결됨으로써, 공진기(800)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 캐패시터(820)는 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812) 사이에 삽입된다. 이 때, 캐패시터(820)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 캐패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 캐패시터(820)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(800)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 집중 소자로서 삽입된 캐패시터(820)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 공진기(800)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 캐패시터(820)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기(800)는 특정 주파수 대역에서 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(800)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 캐패시터(820)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(800)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 공진기(800)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 공진기(800)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 캐패시터(820)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.
도 8에 도시된 MNG 공진기(800)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(800)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(800)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. MNG 공진기(800)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 캐패시터(820)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(800)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 MNG 공진기(800)를 참조하면, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(810)에 삽입된 캐패시터(820)에 집중되므로, 캐패시터(820)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 특히, 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖는 MNG 공진기(800)는 자계 다이폴(magnetic dipole)과 유사한 특성들을 가지므로, 근접 필드에서는 자계가 도미넌트하며, 캐패시터(820)의 삽입으로 인해 발생하는 적은 양의 전계 또한 그 캐패시터(820)에 집중되므로, 근접 필드에서는 자계가 더더욱 도미넌트해진다. MNG 공진기(800)는 집중 소자의 캐패시터(820)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 MNG 공진기(800)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(830)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(830)는 MNG 공진기(800)의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(830)에 의해 MNG 공진기(800)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(840)를 통하여 MNG 공진기(800)로 유입되거나 MNG 공진기(800)로부터 유출된다. 여기서, 커넥터(840)는 그라운드 도체 부분(813) 또는 매칭기(830)와 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 매칭기(830)는 공진기(800)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(830)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(800)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(830)는 그라운드 도체 부분(813)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체 부분(831)을 포함할 수 있으며, 공진기(800)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 8에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(830)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(830)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(830)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(830)의 도체(831)과 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(830)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(800)의 임피던스는 조절될 수 있다. 매칭기(830)의 도체(831)과 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 즉, 첫째, 매칭기(830)에는 여러 도체들이 포함될 수 있고, 그 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h가 조절될 수 있다. 둘째, 도체(831)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h가 조절될 수 있다. 이러한 거리 h는 컨트롤러의 제어 신호에 따라 제어될 수 있으며, 컨트롤러는 다양한 팩터들을 고려하여 제어 신호를 생성할 수 있다.
매칭기(830)는 도 8에 도시된 바와 같이, 도체 부분(831)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(830)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(800)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(830)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off' 상태에 있는지에 따라 공진기(800)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 8에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(800)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 9는 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 9을 참조하면, 제1 신호 도체 부분(911)과 도체(942)는 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 것이 아니라 하나의 일체형으로 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제2 신호 도체 부분(912)과 도체(941) 역시 하나의 일체형으로 제작될 수 있다.
제2 신호 도체 부분(912)과 도체(941)가 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 경우, 이음매(950)로 인한 도체 손실이 있을 수 있다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 신호 도체 부분(912)과 도체(941)는 별도의 이음매 없이(seamless) 서로 연결되며, 도체(941)와 그라운드 도체 부분(913)도 별도의 이음매 없이 서로 연결될 수 있으며, 이음매로 인한 도체 손실을 줄일 수 있다. 결국, 제2 신호 도체 부분(912)과 그라운드 도체 부분(913)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제1 신호 도체 부분(911)과 그라운드 도체 부분(913)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 둘 이상의 부분(partition)들을 서로 연결하는 유형을 'bulky type'이라고 부르기도 한다.
도 10은 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 제1 신호 도체 부분(1011), 제2 신호 도체 부분(1012), 그라운드 도체 부분(1013), 도체들(1041, 1042) 각각은 내부에 비어 있는 공간을 포함한다.
주어진(given) 공진 주파수에서, 유효 전류는 제1 신호 도체 부분(1011), 제2 신호 도체 부분(1012), 그라운드 도체 부분(1013), 도체들(1041, 1042) 각각의 모든 부분을 통해 흐르는 것이 아니라, 일부의 부분만을 통해 흐르는 것으로 모델링될 수 있다. 즉, 주어진 공진 주파수에서, 제1 신호 도체 부분(1011), 제2 신호 도체 부분(1012), 그라운드 도체 부분(1013), 도체들(1041, 1042) 두께(depth)가 각각의 skin depth보다 지나치게 두꺼운 것은 비효율적일 수 있다. 즉, 그것은 공진기(1000)의 무게 또는 공진기(1000)의 제작 비용을 증가시키는 원인이 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 주어진 공진 주파수에서 제1 신호 도체 부분(1011), 제2 신호 도체 부분(1012), 그라운드 도체 부분(1013), 도체들(1041, 1042) 각각의 skin depth를 기초로 제1 신호 도체 부분(1011), 제2 신호 도체 부분(1012), 그라운드 도체 부분(1013), 도체들(1041, 1042) 각각의 두께를 적절히 정할 수 있다. 제1 신호 도체 부분(1011), 제2 신호 도체 부분(1012), 그라운드 도체 부분(1013), 도체들(1041, 1042) 각각이 해당 skin depth보다 크면서도 적절한 두께를 갖는 경우, 공진기(1000)는 가벼워질 수 있으며, 공진기(1000)의 제작 비용 또한 감소될 수 있다.
예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 신호 도체 부분(1012)의 두께는 d mm로 정해질 수 있고, d는 
를 통해서 결정될 수 있다. 여기서, f는 주파수, 
는 투자율, 
는 도체 상수를 나타낸다. 특히, 제1 신호 도체 부분(1011), 제2 신호 도체 부분(1012), 그라운드 도체 부분(1013), 도체들(1041, 1042) 이 구리(copper)로서 5.8x10^7의 도전율(conductivity)을 갖는 경우에, 공진 주파수가 10kHz에 대해서는 skin depth가 약 0.6mm일 수 있으며, 공진 주파수가 100MHz에 대해서는 skin depth는 0.006mm일 수 있다.
도 11은 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함된 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112) 각각의 표면에는 parallel-sheet이 적용될 수 있다.
제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112)은 완벽한 도체(perfect conductor)가 아니므로, 저항 성분을 가질 수 있고, 그 저항 성분으로 인해 저항 손실(ohmic loss)가 발생할 수 있다. 이러한 저항 손실은 Q 팩터를 감소시키고, 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용함으로써, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다. 도 11의 부분(1170)을 참조하면, parallel-sheet이 적용되는 경우, 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112) 각각은 복수의 도체 라인들을 포함한다. 이 도체 라인들은 병렬적으로 배치되며, 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112) 각각의 끝 부분에서 접지(short)된다.
제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용하는 경우, 도체 라인들이 병렬적으로 배치되므로, 도체 라인들이 갖는 저항 성분들의 합은 감소된다. 따라서, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다.
도 12는 분산된 캐패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함되는 캐패시터(1220)는 분산된 캐패시터일 수 있다. 집중 소자로서의 캐패시터는 상대적으로 높은 등가 직렬 저항(Equivalent Series Resistance: ESR)을 가질 수 있다. 집중 소자로서의 캐패시터가 갖는 ESR을 줄이기 위한 여러 제안들이 있지만, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 캐패시터(1220)를 사용함으로써, ESR을 줄일 수 있다. 참고로, ESR로 인한 손실은 Q 팩터 및 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
분산 소자로서의 캐패시터(1220)는 도 12에 도시된 바와 같이, 지그 재그 구조를 가질 수 있다. 즉, 분산 소자로서의 캐패시터(1220)는 지그 재그 구조의 도체 라인 및 유전체로 구현될 수 있다.
뿐만 아니라, 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 캐패시터(1220)를 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 복수 개의 집중 소자로서의 캐패시터들을 병렬적으로 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 왜냐 하면, 집중 소자로서의 캐패시터들 각각이 갖는 저항 성분들은 병렬 연결을 통하여 작아지기 때문에, 병렬적으로 연결된 집중 소자로서의 캐패시터들의 유효 저항 또한 작아질 수 있으며, 따라서, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 예를 들어, 10pF의 캐패시터 하나를 사용하는 것을 1pF의 캐패시터들 10개를 사용하는 것으로 대체함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다.
도 13은 2 차원 구조의 공진기 및 3 차원 구조의 공진기에서 사용되는 매칭기들의 예들을 나타낸 도면이다.
도 13의 A는 매칭기를 포함하는 도 2에 도시된 2 차원 공진기의 일부를 나타내며, 도 13의 B는 매칭기를 포함하는 도 8에 도시된 3 차원 공진기의 일부를 나타낸다.
도 13의 A를 참조하면, 매칭기는 도체(231), 도체(232) 및 도체(233)을 포함하며, 도체(232) 및 도체(233)는 전송 선로의 제1 그라운드 도체 부분(213) 및 도체(231)와 연결된다. 도체(231) 및 제1 그라운드 도체 부분(213) 사이의 거리 h에 따라 2 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(231) 및 제1 그라운드 도체 부분(213) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 도체(231) 및 제1 그라운드 도체 부분(213) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있으며, 도체(231)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(231)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.
도 13의 B를 참조하면, 매칭기는 도체(831), 도체(832) 및 도체(833)을 포함하며, 도체(832) 및 도체(833)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(813) 및 도체(831)와 연결된다. 도체(831) 및 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h에 따라 3 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(831) 및 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 2 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기와 마찬가지로, 3 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기에서도 도체(831) 및 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 예를 들어, 도체(831)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(831)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.
도 13에 도시되지 아니하였지만, 매칭기는 능동 소자를 포함할 수 있으며, 능동 소자를 이용하여 공진기의 임피던스를 조절하는 방식은 상술한 바와 유사하다. 즉, 능동 소자를 이용하여 매칭기를 통해 흐르는 전류의 경로를 변경함으로써, 공진기의 임피던스는 조절될 수 있다.
도 14는 도 2에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 도 14에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 14의 등가 회로에서 CL은 도 2의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 캐패시터를 나타낸다.
이 때, 도 2에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는 
를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수 
는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.
[수학식 1]
상기 수학식 1을 참조하면, 공진기의 공진 주파수 
는 
에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수 
와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수 
와 공진기의 물리적인 사이즈가 서로 독립적이므로, 공진기의 물리적인 사이즈는 충분히 작아질 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (27)
- 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 형성하고, 상기 마그네틱 커플링을 통해 타겟 디바이스에 전력을 무선으로 전송하는 소스 공진기; 및
상기 소스 공진기의 내부 중 소정영역에 위치하고, 상기 마그네틱 커플링의 형성 시, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 조정하는 자기장 분포 조정부
를 포함하고,
상기 자기장 분포 조정부는
상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포가 균일하게 형성되도록 상기 자기장의 분포를 조정하는
무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 소스 공진기는
제1 신호 도체 부분 및 제2 신호 도체 부분과, 상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분에 대응되는 제1 그라운드 도체 부분을 포함하는 제1 전송 선로;
상기 제1 신호 도체 부분과 상기 제1 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제1 도체;
상기 제2 신호 도체 부분과 상기 제1 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제2 도체; 및
상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분을 흐르는 전류에 대하여 직렬로 상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분 사이에 삽입되는 적어도 하나의 제1 캐패시터
를 포함하는 무선 전력 전송 장치. - 제2항에 있어서,
상기 제1 전송 선로, 상기 제1 도체 및 상기 제2 도체는 루프 구조를 형성하는
무선 전력 전송 장치. - 제2항에 있어서,
상기 제1 전송 선로, 상기 제1 도체 및 상기 제2 도체에 의해 형성되는 루프의 내부에 위치하여, 상기 소스 공진기의 임피던스를 결정하는 매칭기
를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 소스 공진기는
상기 소스 공진기 상에 대칭적(symmetric) 또는 비대칭적(Asymmetric)으로 위치한 복수의 타겟 디바이스, 각각에 동일한 전력량을 무선으로 전송하는
무선 전력 전송 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 자기장 분포 조정부는 적어도 하나의 서브 공진기를 포함하고,
상기 적어도 하나의 서브 공진기는
제3 신호 도체 부분 및 제4 신호 도체 부분과, 상기 제3 신호 도체 부분 및 상기 제4 신호 도체 부분에 대응되는 제2 그라운드 도체 부분을 포함하는 제2 전송 선로;
상기 제3 신호 도체 부분과 상기 제2 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제3 도체;
상기 제4 신호 도체 부분과 상기 제2 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제4 도체; 및
상기 제3 신호 도체 부분 및 상기 제4 신호 도체 부분을 흐르는 전류에 대하여 직렬로 상기 제3 신호 도체 부분 및 상기 제4 신호 도체 부분 사이에 삽입되는 적어도 하나의 제2 캐패시터
를 포함하는 무선 전력 전송 장치. - 제7항에 있어서,
상기 자기장 분포 조정부는
상기 제2 캐패시터 값, 상기 제2 전송선로의 길이 및 폭에 기초하여, 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 공진 주파수를 상기 소스 공진기의 공진 주파수와 일정 값만큼 차이가 나도록 조정하는
무선 전력 전송 장치. - 제7항에 있어서,
상기 자기장 분포 조정부는
상기 소스 공진기의 중심의 자기장의 세기와 상기 소스 공진기의 외곽의 자기장의 세기가 동일해지도록, 상기 제2 캐패시터 값을 조절하여, 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 공진 주파수를 상기 소스 공진기의 공진 주파수보다 크거나, 작게 조정하는
무선 전력 전송 장치. - 제7항에 있어서,
상기 제2 전송 선로, 상기 제3 도체 및 상기 제4 도체는 사각(rectangular) 형태의 루프 구조를 형성하는
무선 전력 전송 장치. - 제7항에 있어서,
상기 제2 전송 선로, 상기 제3 도체 및 상기 제4 도체는 원(circular) 형태의 루프 구조를 형성하는
무선 전력 전송 장치. - 제7항에 있어서,
상기 제2 전송 선로, 상기 제3 도체 및 상기 제4 도체는 십자(cross) 형태의 루프 구조를 형성하는
무선 전력 전송 장치. - 제7항에 있어서,
상기 적어도 하나의 서브 공진기는
동일평면을 기준으로 상기 소스 공진기보다 소정 높이만큼 높은 곳에 위치한
무선 전력 전송 장치. - 제7항에 있어서,
상기 소스 공진기 및 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 소정 위치에, 일정 두께만큼, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도하도록, 적층된 차폐층
을 더 포함하는 무선 전력 전송 장치. - 제7항에 있어서,
상기 자기장 분포 조정부는
상기 소스 공진기 및 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 소정 위치에, 적층되는 차폐층의 폭을 조절하여, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도하는
무선 전력 전송 장치. - 제7항에 있어서,
상기 자기장 분포 조정부는
상기 소스 공진기 및 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 소정 위치에, 적층되는 차폐층의 폭 및 두께를 조절하여, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간에 발생하는, 기생 캐패시터로 인한, 공진 주파수의 변화를 상쇄하는
무선 전력 전송 장치. - 제7항에 있어서,
상기 자기장 분포 조정부는
상기 적어도 하나의 서브 공진기 내부에 위치하고, 상기 무선 전력 전송 시, 상기 적어도 하나의 서브 공진기를 보조하여, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일하게 보상하는 서브-서브 공진기
를 포함하는 무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 자기장 분포 조정부는
상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도하는 적어도 하나의 코일
을 포함하는 무선 전력 전송 장치. - 제18항에 있어서,
상기 자기장 분포 조정부는
상기 적어도 하나의 코일의 길이, 폭 및 상기 적어도 하나의 코일 간의 간격에 기초하여, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도하는
무선 전력 전송 장치. - 제18항에 있어서,
상기 적어도 하나의 코일은
상기 소스 공진기의 중앙에 위치하고, 서로 다른 사이즈의 루프 구조를 형성하는
무선 전력 전송 장치. - 제18항에 있어서,
상기 적어도 하나의 코일은
상기 소스 공진기의 중앙에 위치하고, 스파이럴(spiral) 형태를 형성하는
무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 자기장 분포 조정부는
상기 소스 공진기의 중앙을 중심으로 사이즈 및 높이가 다른, 루프 구조로 형성된, 복수의 차폐층을 포함하고, 상기 복수의 차폐층에 기초하여, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도하는
무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 자기장 분포 조정부는
MNG(Mu-negative), DNG(Double-negative) 또는 자성 유전체(magneto-dieletric)로 구성된 층을 포함하고, 상기 구성된 층에 기초하여, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도하는
무선 전력 전송 장치. - 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 마그네틱 커플링을 형성하고, 상기 마그네틱 커플링을 통해 타겟 디바이스에 전력을 무선으로 전송하는 단계; 및
상기 소스 공진기의 내부 중 소정영역에 위치한 적어도 하나의 서브 공진기를 통하여, 상기 마그네틱 커플링의 형성 시, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 조정하는 단계를 포함하고,
상기 적어도 하나의 서브 공진기는
제3 신호 도체 부분 및 제4 신호 도체 부분과, 상기 제3 신호 도체 부분 및 상기 제4 신호 도체 부분에 대응되는 제2 그라운드 도체 부분을 포함하는 제2 전송 선로;
상기 제3 신호 도체 부분과 상기 제2 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제3 도체;
상기 제4 신호 도체 부분과 상기 제2 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제4 도체; 및
상기 제3 신호 도체 부분 및 상기 제4 신호 도체 부분을 흐르는 전류에 대하여 직렬로 상기 제3 신호 도체 부분 및 상기 제4 신호 도체 부분 사이에 삽입되는 적어도 하나의 제2 캐패시터
를 포함하는 무선 전력 전송 방법. - 제24항에 있어서,
상기 자기장의 분포를 조정하는 단계는
상기 제2 캐패시터 값, 상기 제2 전송선로의 길이 및 폭에 기초하여, 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 공진 주파수를 상기 소스 공진기의 공진 주파수와 일정 값만큼 차이가 나도록 제어하는
무선 전력 전송 방법. - 제24항에 있어서,
상기 자기장의 분포를 조정하는 단계는
상기 소스 공진기의 중심의 자기장의 세기와 상기 소스 공진기의 외곽의 자기장의 세기가 동일해지도록, 상기 제2 캐패시터 값을 조절하여, 상기 적어도 하나의 서브 공진기의 공진 주파수를 상기 소스 공진기의 공진 주파수보다 크거나, 작게 조정하는
무선 전력 전송 방법. - 제24항에 있어서,
상기 자기장의 분포를 조정하는 단계는
상기 적어도 하나의 서브 공진기 내부에 위치하고, 상기 무선 전력 전송 시, 상기 적어도 하나의 서브 공진기를 보조하는 서브-서브 공진기를 통하여, 상기 소스 공진기의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일하게 보상하는 단계
를 포함하는 균일한 분포의 자기장을 생성하는 무선 전력 전송 방법.
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