KR101395256B1 - 무선 전력 전송 장치 및 그 제작 방법 - Google Patents

무선 전력 전송 장치 및 그 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 전력 전송을 위한 장치 및 그를 위한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기공명을 이용한 무선 전력 전송을 위한 장치 및 그를 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 공진체의 공진주파수를 낮추면서 공진 크기를 줄일 수 있는 무선 전력 전송 장치 및 그 방법을 제공하며, 또한 본 발명에서는 공진체의 공진주파수를 낮추면서 공진 크기를 줄일 수 있는 무선 전력 전송 장치의 다양한 설계 및 제작 방법을 제공한다. 또한, 본 발명에서는 공진체를 구성한 경우 공진체의 공진주파수 튜닝에 관한 장치 및 방법을 제공한다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 그 제작 방법{WIRELESS ENERGY TRANSFER APPARATUS AND MAKING METHOD THEREFOR}
본 발명은 무선 전력 전송을 위한 장치 및 그를 위한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기공명을 이용한 무선 전력 전송을 위한 장치 및 그를 위한 방법에 관한 것이다.
에너지는 일을 할 수 있는 능력 등을 나타내는 어휘로, 열, 전기, 힘 등의 물리적학적인 용어이다. 현대에 이러한 에너지의 대표적인 예로 전기 에너지와 화력 에너지, 수력 에너지, 열 에너지 등 다양한 에너지가 존재한다. 이러한 에너지들 중 전기 에너지는 전류가 흐를 수 있는 도체를 통해 전송하는 것이 가장 기본적인 에너지 전력의 전달 방법이다.
전기 에너지 전달의 다른 방법으로, 전력을 발생시키기 위해 전계를 이용하는 방법이 있다. 이는 자기장과 전기장에 의해 유도되는 유도 기전력을 이용하여 1차측 코일과 2차측 코일에 의해 전력을 한 측에서 다른 한 측으로 전송하는 기술이다. 이러한 기술은 기본적으로 발전소 등에서 이용되는 방법이 가장 대표적인 방법이었다.
또 다른 방법으로 무선으로 에너지를 전송하는 방식은 일정한 전력의 신호를 무선상(air)으로 전송하는 전파 기술이 있다. 이러한 전파 기술은 무선 통신 방식에서는 널리 사용되기는 하지만, 실제로 효율적인 에너지 전송 방식은 아니다.
한편, 2007년 MIT에서 전력을 전달하는 새로운 방법이 개발되었다. 새로운 방식에서는 무선으로 에너지를 전송하는 기술로 기존 안테나와는 다르게 2개의 동일한 주파수를 갖는 자기 공진체를 이용하여 자기장 공진을 주로 하여 상호 공명으로 무선 에너지를 전송하는 기술이다. MIT에서 발표한 이 방법은 헤리칼 구조를 가지며, 공진주파수는 10MHz이며, 공진체의 구조적 헤리칼 공진체 사이즈는 직경이 600 mm, 헤리칼은 5.25 턴, 선두께 직경 6 mm, 헤리컬 전체 두께 200 mm 신호의 피딩 단일 루프는 250 mm이다.
그런데, MIT에서 개발된 위의 방식은 사이즈와 공진주파수가 실제 제품에 응용하기 위해서 적절치 못한 크기와 공진주파수를 갖는다는 문제가 있다. 즉, 전력의 무선 전송을 위한 공진체가 너무 크고, 공진주파수는 인체 영향에 가장 민감한 주파수라는 점이다. 실제 제품에서 무선 전력 전송을 하기 위해서는 공진주파수가 10 MHz 이하를 사용하는 것이 바람직하다. 하지만, 공진 구조의 크기(size)는 공진주파수의 함수이다. 즉, MIT에서 개발된 공진주파수보다 낮게 하기 위해서 즉, 공진주파수를 낮추려면, 공진 구조의 크기가 증가하게 되는 문제가 있다.
따라서 본 발명에서는 공진체의 공진주파수를 낮추면서 공진 크기를 줄일 수 있는 무선 전력 전송 장치 및 그 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 공진체의 공진주파수를 낮추면서 공진 크기를 줄일 수 있는 무선 전력 전송 장치의 다양한 설계 및 제작 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 공진체를 구성한 경우 공진체의 공진주파수 튜닝에 관한 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 무선 전력 전송 장치로서, 미리 결정된 주파수를 갖는 전류가 유입되는 송신 코일과, 전자기 유도 현상에 의해 유기되는 전류를 부하에 공급하는 수신 코일과, 상기 송신 코일과 상기 수신 코일의 사이에 위치하고, 상기 송신 코일에 흐르는 전류의 전자기가 유도되어 상기 수신 코일로 전류를 제공하며, 미리 결정된 거리만큼 상호간 이격된 송신측 및 수신측 공진 코일을 포함하며, 상기 송신측 및 수신측 공진 코일은, 스파이럴 구조를 갖으며, 둘 이상의 스파이럴 층이 헤리컬 형태가 되도록 쌓여 상호간이 연결된다.
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본 발명의 일 실시 예에 따른 방법은, 무선 전력 전송 장치를 구성하는 공진 코일 제작 방법으로, 미리 결정된 선 폭 및 선 두께를 갖는 도체판을 스파이럴 형태로 감는 과정과, 둘 이상의 스파이럴 형태의 각 층들간 맞닿는 층과 서로 감긴 방향이 반대가 되도록 헤리컬 형태로 쌓는 과정과, 상기 스파이럴 층들간에 유도된 전류에 의해 발생되는 자기장이 상호 보완되도록 도체판으로 연결하는 과정을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 튜닝 방법은, 무선 전력 전송 장치를 구성하는 공진 코일에서 공진 주파수를 튜닝하기 위한 방법으로, 미리 결정된 선 폭 및 선 두께를 갖는 도체판을 스파이럴 형태로 감되, 상기 각 스파이럴 층들간 맞닿는 층과 서로 감긴 방향이 반대가 되도록 하여 헤리컬 형태로 쌓는 스파이럴 층들과, 상기 스파이럴 층들간에 유도된 전류에 의해 발생되는 자기장이 상호 보완되도록 연결된 도체판을 포함하되, 각 스파이럴 층들 중 적어도 하나의 스파이럴 층을 한 축의 방향으로 미리 결정된 공진주파수에 대응하는 거리만큼 이동시킴으로써 튜닝할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 튜닝 방법은, 무선 전력 전송 장치를 구성하는 공진 코일에서 공진 주파수를 튜닝하기 위한 방법으로, 미리 결정된 선 폭 및 선 두께를 갖는 도체판을 스파이럴 형태로 감되, 상기 각 스파이럴 층들간 맞닿는 층과 서로 감긴 방향이 반대가 되도록 하여 헤리컬 형태로 쌓는 스파이럴 층들과, 상기 스파이럴 층들간에 유도된 전류에 의해 발생되는 자기장이 상호 보완되도록 연결된 도체판을 포함하되, 상기 도체판을 미리 결정된 공진주파수에 대응하는 선폭의 값을 갖도록 함으로써 튜닝할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 튜닝 방법은, 무선 전력 전송 장치를 구성하는 공진 코일에서 공진 주파수를 튜닝하기 위한 방법으로, 미리 결정된 선 폭 및 선 두께를 갖는 도체판을 스파이럴 형태로 감되, 상기 각 스파이럴 층들간 맞닿는 층과 서로 감긴 방향이 반대가 되도록 하여 헤리컬 형태로 쌓는 스파이럴 층들과, 상기 스파이럴 층들간에 유도된 전류에 의해 발생되는 자기장이 상호 보완되도록 연결된 도체판을 포함하며, 상기 스파이럴 층들 사이 및 상기 스파이럴 층을 구성하는 도체판 사이에 미리 결정된 유전체를 삽입하되, 상기 스파이럴 층을 구성하는 유전체가 삽입된 도체판 사이 간격이 미리 결정된 공진주파수에 대응하는 간격이 되도록 조정함으로써 튜닝할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 튜닝 장치는, 무선 전력 전송 장치를 구성하는 공진 코일에서 공진 주파수를 튜닝하기 위한 장치로, 미리 결정된 선 폭 및 선 두께를 갖는 도체판을 스파이럴 형태로 감되, 상기 각 스파이럴 층들간 맞닿는 층과 서로 감긴 방향이 반대가 되도록 하여 헤리컬 형태로 쌓는 스파이럴 층들과, 상기 스파이럴 층들간에 유도된 전류에 의해 발생되는 자기장이 상호 보완되도록 연결된 도체판과, 상기 스파이럴 층들 중 하나에 미리 결정된 공진주파수가 되는 값을 가진 캐패시터를 연결하여 튜닝할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치는 소형화를 통해 소형 기기에 적용할 수 있는 이점이 있으며, 이를 통해 비용 절감의 효과를 가진다. 또한, 기존 MIT 구조의 헤리칼 구조보다 낮은 공진주파수를 가지며, 체적을 대폭적으로 감소하여 상용화가 가능한 무선 전력 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명과 연관된 헤리칼 구조를 갖는 자기공명 장치의 자기장과 전기장의 대한 시뮬레이션을 도시한 도면,
도 2는 2007년 MIT에서 과학 잡지인 싸이언스지에 발표한 무선 전력 전송 장치의 기본 구조,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 공진 코일들을 구성하기 위한 다양한 시도에 따른 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시 예로 자기공명을 이용한 공진 장치의 입체 구성도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 스파이럴 층들을 이용한 헤리컬 구조를 가지는 공진체와 송수신 코일을 구성한 경우 측면도,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진 코일과 송신 또는 수신 코일을 상부에서 내려다본 경우의 도면,
도 7은 본 발명에 따른 공진체에서 유전체 간격에 변화를 주는 경우의 시뮬레이션 그래프,
도 8은 본 발명에 일 실시 예에 따른 스파이럴 구조를 갖는 공진 코일의 연결 방법을 설명하기 위한 도면,
도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따라 제작된 공진기의 공진주파수 튜닝 방법을 설명하기 위한 시뮬레이션 결과 그래프들,
도 10은 유전체가 전체 공진체에 삽입되어 있는 구조와 일부분이 제거된 상태에서의 공진주파수 변화에 따른 시뮬레이션 결과 그래프,
도 11은 본 발명에 따른 공진체의 구성 요소를 다양하게 변화시키면서 공진주파수의 변화를 설명하기 위한 도면,
도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 2개의 사각 스파이럴 층을 갖는 공진기 구조를 예시한 도면.
이하에서 설명되는 본 발명에서는 상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 새로운 공진 구조를 제안하며, 그 재료, 구조, 형태 제작 방법에 관해 기술할 것이다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 실시 예는 당 업계의 평균적인 지식을 갖는 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된 것이다.
또한, 이하에서 설명되는 본 발명은 자기공명을 이용한 무선 전력 전송을 위한 공진소자 구조에 관한 것으로, 상세하게는 소형화를 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명의 공진소자는 기존의 헤리칼(Helical) 코일 구조와 함께 스파이럴(Spiral) 구조를 갖도록 조합하여 코일을 감은 두 종류의 조합형으로 소형화를 위한 구조를 가진다. 따라서 본 발명에 따른 공진체는 향후 다양한 기기에 적용하는데 필수적인 소형화를 구현할 수 있으며, 또한 공진 구조물의 공진주파수 조정(tuning) 방법을 함께 제안하여 자기 공진 장치의 제작을 용이하게 하기 위한 방법들이 설명될 것이다.
도 1은 본 발명과 연관된 헤리칼 구조를 갖는 자기공명 장치의 자기장과 전기장의 대한 시뮬레이션을 도시한 도면이다.
도 1에서 (a)의 시뮬레이션 결과는 전기장 필드의 시뮬레이션 결과이며, (b)의 시뮬레이션 결과는 자기장 필드의 시뮬레이션 결과이다. 도 1의 (a)와 (b)에 도시한 바와 같이 전기장 필드와 자기장 필드의 시뮬레이션 결과들을 살펴보면, 헤리칼 구조에서 상기 구조에서 흥미로운 특성이 있음을 알 수 있다.
위 시뮬레이션 결과에서 흥미로운 특성이란, 위상에 따른 자기공명 소자의 주변에서 필드의 세기를 관찰함으로써 알 수 있다. 즉, 전기장과 자기장간 상호 장의 크기가 교번하는 것은 확인할 수 있다. 이를 하기의 <표 1>을 이용하여 다시 설명하기로 한다.
Figure 112010047581493-pat00001
<표 1>에서 송신 쪽 코일을 송신부 공진기로 명명하며, 수신 쪽 코일을 수신부 공진기로 명명했을 때 송신부 공진기와 수신부 공진기 주변에서 전기장 및 자기장의 크기를 비교하여 기록하였다.
<표 1>에서 알 수 있는 바와 같이 송신부 공진기의 전기장이 최소일 때 수신부의 자기장이 최대가 되며, 반대로 송신부 공진기의 전기장이 최대일 때 수신부의 자기장은 최소가 된다. 또한, 공명이 완벽하게 되어 에너지 손실없이 에너지가 전달되는 경우는 송신부 공진기에서 전기장이 최대일 때 수신부 공진기에서는 자기장이 최대가 되는 특성을 갖고 있다.
또한, 1W의 전력을 전송할 경우 송수신 공진기들의 중앙에서 최대 전기장과 자기장의 크기를 확인해 보면, 송수신 공진기들의 중앙에서 전기장은 47V/m이고, 송수신 공진기들의 중앙에서 자기장은 0.817A/m로 확인되었다.
이러한 결과는 일반적인 평면파에서 보다 H 필드의 크기가 약 6-7배 정도 큰 값임을 알 수 있다. 또한, 이러한 헤리컬 형태를 갖는 기하 공진 구조를 등가회로 관점에서 보면 인덕턴스(L)와 캐패시턴스(C)의 조합으로 볼 수 있다. 따라서 헤리컬 형태를 갖는 기하 공진 구조에서 공진주파수는 인덕턴스(L)와 캐패시턴스(C)에 의해 결정이 된다.
일반적인 헤리컬 구조의 경우 인덕턴스(L) 성분이 주를 이루며, 그 코일의 직경 크기와 턴 수에 의해 결정이 된다. 단순히 살펴보아도 공진주파수를 낮추거나 공진 구조의 소형화를 위해서는 상기 인덕턴스(L) 값을 증가시키는 것이 중요하다.
뿐만 아니라, 기생으로 존재하게 되는 캐패시턴스(C) 값에 의해 최종 공진주파수가 결정되므로 캐패시턴스(C) 값을 증가시키는 구조를 찾는 것 또한 필수적이다.
그러나 일반적인 구조에서 캐패시턴스(C) 값을 증가시키면, 상대적으로 인덕턴스(L) 값은 감소하게 되며, 인덕턴스(L) 값을 증가시키게 되면, 캐패시턴스(C) 값은 감소하게 된다. 따라서 인덕턴스(L) 값과 캐패시턴스(C) 값들을 동시에 증가시키는 방법은 매우 어렵다는 문제가 있다. 따라서 최적의 인덕턴스(L) 값과 캐패시턴스(C) 값을 도출할 수 있는 구조를 찾는 것이 매우 중요한 작업이 된다.
도 2는 2007년 MIT에서 과학 잡지인 싸이언스지에 발표한 무선 전력 전송 장치의 기본 구조를 도시하였다.
도 2에 도시한 구조를 살펴보면, 송신측에 헤리컬 형태의 공진 코일(Helical coil)(201)과 송신 임피던스 정합을 위한 송신 루프(loop)(202)를 가진다. 또한, 수신측에 송신측과 상응하는 형태를 가지도록 하며, 수신측에 헤리컬 구조의 공진 코일(203)과 수신 루프(204)로 구성되어 있다.
MIT에서는 도 2에 도시한 구조의 공진 코일(201)의 제작 조건을 아래와 같이 설정하였다.
헤리컬 형태의 공진 코일(201)을 구성하는 코일 자체의 반경 a = 3 mm이고, 공진 코일(201)의 직경 d = 60 ㎝이며, 공진 코일의 턴 수 n = 5.25로 하였고, 코일 전체 두께 즉, 헤리컬 형상을 갖는 높이 h = 20 cm이다. 또한, 송신 루프(202) 및 수신 루프(204)는 헤리컬 형태의 공진 코일들(201, 203)의 직경보다 다소 작은 d1 = 50 cm로 제작하였다.
이러한 경우 두 헤리컬 형태의 공진 코일들(201, 203)간의 공진주파수는 10.0560.3 MHz이다. 또한, 송신측의 송신 루프(202)와 송신 측의 공진 코일(201)간의 간격은 "Ks"만큼 이격되어 있으며, 수신측의 수신 코일(203)과 수신 루프(204)간은 "KD"만큼 이격되어 있다. 그리고 수신 루프(204)에는 전구(Light-bulb)를 달아 전력이 무선으로 전송됨을 확인할 수 있도록 하였다.
상기 구조에 따른 동작을 간략히 살펴보면, 송신 루프(202)에 공진주파수를 갖는 신호원을 입력하면, 송신측 공진 코일(201)에 전류가 유기되어 거리 "K"만큼 이격된 수신측 공진 코일(203)과 송신측 공진 코일(201)간 공진이 이루어진다. 따라서 전자기 유도 현상에 의해 수신측 공진 코일(203)에 전류가 발생하게 되는 것이다. 이와 같이 수신측 공진 코일(203)에서 공진에 의해 발생된 전류는 다시 수신 루프(204)로 전기가 유도된다. 이를 통해 수신측의 수신 루프(204)에 달려 있는 부하인 전구에서 빛을 발하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 공진 코일들을 구성하기 위한 다양한 시도에 따른 예시도이다. 이하에서 설명되는 다양한 시도는 이후 설명될 본 발명의 이해를 돕기 위함임에 유의애야 한다.
또한, 이하에서는 송신측 공진 코일들을 "송신측 공진체"라는 용어와 함께 사용할 것이며, 수신측 공진 코일을 "수신측 공진체"라는 용어와 함께 사용할 것이다. 또한, 송신측과 수신측을 구분하지 않는 경우에는 "공진체" 또는 "공진 코일"이라 칭하여 설명할 것이다.
도 3에 도시한 (a) 내지 (d)의 예시는 이후 설명될 본 발명에서 제안되는 스파이럴 구조를 갖는 공진체의 구성을 예시하고 있다.
도 3에 예시한 서로 다른 4개의 예시된 구조는 단순한 동축선으로 구성된 것이 아니라 일정한 폭(w1)과 두께(t)를 갖는 판 구조를 스파이럴 구조로 감은 형태들이다. 이때, 동축판 사이에는 상대 유전율이 대략 10 정도가 되는 유전 물질을 이용하였다. 이때, 스파이럴 직경은 15 ㎝이며, 턴 수는 a 턴으로 하였고, 선폭은 w1으로 하였으며, 유전체 두께는 1mm, 도체판 두께는 3mm로 구성한 경우로 가정한다.
도 3에서 (a), (b), (c)는 서로 다른 스파이럴 층들(302, 303)이 어레이 형태로 1개의 동일한 스파이럴을 배치했을 경우 공진주파수 값의 변화를 설명하기 위한 도면이며, 도 3에서 (d)는 스택 구조로 연결한 것으로 그 배열은 상하 같은 배치를 갖는 경우의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
"스파이럴 층"은 이하에서 본 발명의 구성을 설명할 때 더 상세히 설명할 것이므로, 여기서 스파이럴 층에 대한 설명은 생략한다. 참조부호 302 및 304의 각 스파이럴 층들은 도 3의 (a), (b), (c)에서 x-y 평면과 평행하게 일렬로 배열된 어레이 구조로 배치한 형태이다. 그리고 도 3의 (a)는 각 스파이럴 구조를 갖는 코일들(302, 303)의 내부 라인들간을 연결한 형태이며, 도 3의 (b)는 각 스파이럴 구조를 갖는 코일들(302, 304)의 내부 라인과 외부 라인을 연결한 형태이고, 도 3의 (c)는 각 스파이럴 구조를 갖는 코일들(302, 304)의 외부 라인간을 연결한 형태이다. 또한, 도 3의 (a), (b), (c)에서 공진체에 급전 또는 전류 유도에 필요한 송수신 코일(301)이 함께 도시되어 있음을 알 수 있다.
다음으로, 도 3의 (d)의 형태는 동일한 형태로 감은 스파이럴 층들(302, 304)을 스택 형태로 쌓아 전체적으로 헤리컬 형태를 갖도록 한 구조이며, 헤리컬 형태이다. 여기서도 송수신 코일(301)을 함께 도시하였다.
도 3에서는 2개의 스파이럴 층을 갖는 경우의 공진주파수들을 도면에 함께 병기하였다. 즉, 도 3에서 (a), (b), (c) 및 (d)의 예시에서는 공진주파수들이 위의 조건과 같이 구성하였을 경우 각각의 형상마다 공진주파수가 서로 다르게 나타남을 알 수 있다. 도 3에 도시한 형태는 MIT에서 제시한 형태보다 낮은 공진주파수를 가짐을 알 수 있다. 그러나 도 3의 4가지 경우를 이용하여 실험을 통해 확인하여도 최적의 공진주파수를 갖기 위한 인덕턴스(L) 값 및 캐패시턴스(C) 값을 획득하기에는 모자란 부분이 있다고 할 수 있다.
그러면, 위 구조들에서 턴(turn) 수 및 선 폭에 따른 공진주파수의 변화의 시뮬레이션을 하기의 <표 2> 및 <표 3>을 통해 살펴보기로 한다.
Figure 112010047581493-pat00002
Figure 112010047581493-pat00003
먼저 <표 2>를 참조하여 턴 수에 따른 공진주파수 특성을 살펴보자. 앞에서 설명한 바와 같이 턴 수를 a로 두었고, 선폭을 w 값으로 두었으므로, <표 2>에서 a 값만 변화를 주었음을 알 수 있다. 턴 수 즉, a 값이 증가함에 따라 인덕턴스(L) 값이 증가하여 점차로 공진주파수가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그런데, 턴 수 즉, a 값이 10 이상이 되면 오히려 공진주파수가 다시 증가하기 시작하는 것을 확인할 수 있다. 이는 턴 수가 일정값 이상 증가하게 되면, 캐패시턴스(C) 값의 감소가 유발되는 것으로 예측된다. 따라서 턴 수를 계속하여 증가시키기 보다는 원하는 공진주파수가 되도록 턴 수를 적절한 값으로 설정하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
다음으로, <표 3>을 참조하여 선폭인 w 값의 변화에 따른 공진주파수의 변화를 살펴보기로 한다. <표 3>에서는 턴 수는 앞에서 살핀 바와 같이 가장 적절한 턴 수인 10으로 고정하여 선폭인 w 값의 변화를 주었다. 여기서도 일정한 두께를 가질 때까지 선폭 즉, w 값의 증가는 곧 공진주파수를 감소시킴을 확인할 수 있다. 그러나 일정한 값 이상으로 증가하는 경우 선폭의 증가 또한 공진주파수를 다시 증가시킴을 알 수 있다. 또한, 선폭의 증가로 인한 공진주파수의 그 감소폭은 크지 못한 특성을 갖는다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시 예로 자기공명을 이용한 공진 장치의 입체 구성도를 도시한 도면이다.
먼저, 도 4의 구성에 대하여 살펴보기로 한다. 또한, 도 4에서는 앞서 설명한 도 3의 참조부호와 동일한 형태로 참조부호를 사용하였음에 유의해야 한다.
도 4에 예시한 본 발명에 따른 공진체는 하나 또는 둘 이상의 스파이럴 층(302)으로 구성된다. 도 4에서는 둘 이상의 스파이럴 층들(302, 304)을 결합하여 헤리컬 형태가 되도록 구성한 경우를 도시하였다. 이하에서 본 발명의 스파이럴 층은 하나 또는 둘 이상을 가질 수 있으나, 설명의 편의를 위해 2개의 스파이럴 층을 가지는 경우만을 예로 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 스파이럴 층에 대하여 살펴보기로 한다. 본 발명에 따른 공진체를 구성하는 요소인 스파이럴 층은 참조부호 310과 같이 내부에 일정 부분은 빈 형태를 취하도록 하고, 코일을 하나의 층이 되도록 감은 형태를 가진다. 이와 같이 코일을 하나의 층이 되도록 감은 스파이럴 구조는 선폭만큼의 두께를 가진다. 서로 다른 2개의 스파이럴 층을 원기둥 형태로 쌓으면 헤리컬 형태가 되는 것이다.
이때, 서로 다른 2개의 스파이럴 층들을 구성하는 코일을 감는 방법은 서로 반대 방향이 되도록 감는다. 즉, 첫 번째 스파이럴 층을 시계 방향으로 코일을 감은 경우 두 번째 스파이럴 층은 반시계 방향으로 코일을 감아야 한다. 이와 같이 서로 다른 방향으로 감긴 형태는 참조부호 320에서 확인할 수 있다. 즉, 참조부호 320 내의 참조부호 303을 참조하면, 두 스파이럴 구조에서 코일의 감긴 방향이 서로 반대 방향임을 알 수 있다.
또한, 서로 다른 2개 이상의 스파이럴 층간은 일정 간격만큼 이격하여 각 스파이럴 층에 코일의 시작점을 도체판(303)으로 연결한다. 앞에서 설명한 바와 같이 서로 다른 2개의 스파이럴 층들을 원통형으로 쌓는 형태를 취함으로써 헤리컬 형태가 되는 것이다.
이상에서 설명한 구성 즉, 스파이럴 층들을 쌓아 헤리컬 형태를 갖는 구조가 공진체 또는 공진 코일이 된다. 따라서 전력을 공급하기 위한 송신 루프(feeding roof)(301)가 일정 간격만큼 이격된 위치에 포함되어 있다. 송신 루프(301)는 임피던스 매칭이 이루어져야 한다. 따라서 송신 루프(301)는 루프의 반경 및 송신측 공진기를 구성하는 스파이럴 층을 헤리컬 형태로 쌓은 소자와의 거리의 함수로 입력 임피던스가 결정된다. 따라서 송신 루프(301)의 입력 임피던스는 50O hm에 매칭되도록 구성한다. 이러한 현상은 거의 트랜스포머의 특성을 갖고 있다.
상기 스파이럴 층은 앞에서 설명한 바와 같이 1개 혹은 2개 이상으로 구성할 수 있으며, 이러한 스파이럴은 기판 구조로 제작이 가능한 특성을 갖고 있다. 일반적으로 에너지 전송거리는 스파이럴 층 직경의 2배까지 가능하다.
상술한 공진체를 송신측 공진체라 가정하면, 송신측 공진체와 동일한 형태를 가지며, 일정 간격 이격되어, 수신측 공진체가 위치한다. 이를 통해 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치가 구성되는 것이다. 따라서 상기한 구조에서 급전이 이루어지는 측은 송신측 공진체가 되고, 공진주파수에 의해 전력이 유기되는 측은 수신측 공진체가 된다. 이를 예를 들어 설명하면, 왼쪽이 송신측 공진 코일(330)이라 가정하면, 오른쪽이 수신측 공진 코일(340)이 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진기의 한 측을 구성하는 요소 중 공진부분의 구조는 기본적으로 스파이럴 코일(Spiral coil) 구조에 헤리컬 구조를 결합한 구조의 특성을 갖고 있다. 이러한 구조적 특성으로 인하여 도 1에서 언급한 것과 같이 인덕턴스(L) 값과 캐패시턴스(C) 값을 동시에 증가시키는 방법을 갖고 있다.
먼저, 공진주파수는 하기 <수학식 1>과 같다.
Figure 112010047581493-pat00004
그리고 두 도체가 평행하게 배치된다면 이들 사이에서 발생되는 캐패시턴스(C) 값은 하기 <수학식 2>와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112010047581493-pat00005
<수학식 2>에서 보면 충분한 캐패시턴스(C) 값을 위해서는 분자의 값을 결정하는 유전율이 필요함을 알 수 있다. 따라서 유전체가 삽입되는 것이 유리하다는 것을 알 수 있다. 또한, 유전체가 삽입되는 경우 <수학식 1>과 함께 살펴볼 때, 유전체가 삽입되면, 상대 유전율의
Figure 112013114987110-pat00006
배 만큼 공진주파수를 낮출 수 있음을 알 수 있다.
이를 예를 들어 설명하면, 상대 유전율이 9라면 유전체를 사용하지 않아, 유전율이 1인 구조에 비해 그 공진주파수를 3배 감소시킬 수 있다. 이때, 유전체는 두 금속판 사이에 존재하면 된다. 또한, <수학식 2>에서 알 수 있는 바와 같이 두 도선간의 거리는 감소하고, 도선의 두께는 증가하는 것이 유리함을 알 수 있다. 반면에, 인덕턴스(L) 값을 증가시키기 위해서는 코일의 턴 수와 코일 단면적이 증가하고 도선의 감은 두께(h)가 감소하는 것이 유리하다.
또한, 구조의 선택에 있어서는 같은 크기의 구조에서 헤리컬 구조 보다는 스파이럴 구조가 인덕턴스(L) 값이 큰 특성이 있다. 실 예로 도 2에서 설명한 MIT 헤리컬 구조의 경우 인터턴스(L) 값은 대략 20 uH 값을 갖는 반면 같은 직경 크기의 스파이럴 구조는 대략 40 uH 값을 갖게 되어, 소형화 및 평면화에 유리한 특성이 있어 제작상 기판 구조로 제작이 가능하다는 이점을 갖는다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 스파이럴 층들을 이용한 헤리컬 구조를 가지는 공진체와 송수신 코일을 구성한 경우 측면도이다.
도 5에 도시한 스파이럴 층들을 이용한 헤리컬 구조를 가지는 공진체는 단순히 동축선으로 구성된 것이 아니라 일정한 폭(w1)과 두께(t)를 갖는 판 구조를 갖도록 스파이럴 구조를 구성하였다는 점이다. 이때, 판 구조를 갖는 스파이럴 구조의 동축선 사이 및 스파이럴 층간 사이에는 상대 유전율이 10 정도의 유전 물질을 이용하여 그 사이를 채운다.
또한, 도 5의 좌측 하단에 표시된 시뮬레이션 결과에 대하여 간략히 설명하기로 한다.
도 5의 시뮬레이션 결과에서 Mode1과 Mode2는 공진 모드를 의미한다. 일반적으로 어떠한 구조체가 주어지면, 공진 구조에 의해 공진주파수가 결정된다. 도 5에서 Mode1과 Mode2는 이러한 공진 주파수를 의미하는 것이다. 즉, Mode 1은 처음 공진주파수를 의미하며, Mode 2는 두 번째 공진주파수를 의미한다. 도 5에 Mode1과 Mode2의 공진주파수는 각각 2.3MHz와 12.6MHZ이다. 또한, 각 공진주파수에서의 선택도(첨예도)(Q)를 함께 시뮬레이션 결과로 도시하였다.
그러면, 이하에서 본 발명에 따른 방법 중 하나인 스파이럴 층들을 이용한 헤리컬 구조를 선택하게 된 배경에 대하여 살펴보기로 한다.
먼저, 본 발명에서 스파이럴 층을 구성하는 동축선은 특정한 선폭을 가지게 되므로, 동축판이라 할 수도 있다. 그러면, 본 발명에서 코일로 사용되는 동축판의 선폭에 따른 공진주파수의 변화를 시뮬레이션한 결과를 하기 <표 4>를 참조하여 살펴보기로 한다.
w1[mm] 3 5 7 9 10 11 15 20
공진 모드[MHZ] 5.02 4.72 4.44 4.11 2.32 2.21 2.43 2.46
<표 4>에 도시한 선폭의 변화에 따라 공진주파수가 변화하는 시뮬레이션 결과를 갖는 조건은 아래와 같다.
먼저, 스파이럴 직경은 15 cm이며, 턴 수는 10턴으로 하였다. 그리고 시뮬레이션에서 코일로 사용되는 동축판의 선폭(w1)을 가변한 것이다. <표 4>의 시뮬레이션 결과에서 알 수 있는 바와 같이 선폭(w1)은 3 mm부터 11 mm까지 가변하면서 공진주파수가 낮아지는 현상을 파악하였다.
여기에서도 흥미로운 사실은 선폭이 증가함에 따라 공진주파수가 감소하다가 특정 선폭 값(w1) 이후에는 다시 증가한다는 점이다. 따라서 일정한 선폭 값까지는 공진주파수가 감소하는 형태로 선폭과 공진주파수간에 비례 관계가 성립한다는 점이다. 또한, 이러한 관계를 살펴볼 때, 2배의 선폭 증가가 공진주파수에서는 1/2배 감소를 가지게 된다.
일반적인 기판 구조에서는 2배의 선폭 증가는 공진주파수에서
Figure 112013114987110-pat00007
배 감소한다. 이는 본 발명에 따른 구조에서 선폭의 증가가 소형화에서는 상당히 유리함을 의미한다.
이를 <표 4>를 참조하여 다시 설명하기로 한다. 선폭(w1)이 3 mm에서 9 mm까지 선폭을 증가시킴에 따라 공진주파수가 감소하는 폭을 살펴보면, 선폭(w1)의 증가가 캐패시턴스(C) 값을 증가시키는 양에 비해 오히려 인덕턴스(L)의 감소가 유발되고 있음을 알 수 있다. 하지만, 특정 선폭 즉, <표 4>에 나타난 바와 같이 10 mm에서 갑자기 공진주파수가 급격하게 감소한 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진 코일과 송신 또는 수신 코일을 상부에서 내려다본 경우의 도면이다.
도 6을 참조하여 본 발명에 따른 공진 코일과 송신 또는 수신 코일이 동일한 선폭 상태에서 도체판 사이의 유전체 간격과 공진주파수간의 관계를 설명하기로 한다.
먼저, 도면에 도시한 형태를 살펴본다. 좌측에서 급전이 이루어지는 송신 루프(301)는 판 형태를 갖는 스파이럴 층(302)의 지름을 대비하기 위해 도시하였다. 송신 루프(301)의 지름(d1)은 판 형태를 갖는 스파이럴 층(302)의 지름(d)보다 작음을 확인할 수 있다.
도체 두께 t를 3 mm로 고정하며, 스파이럴 층을 구성하는 선폭이 모두 같은 선폭을 가진다고 가정하면, 도체판 사이의 유전체 간격은 도체판 사이 간격(r_c)에서 도체의 두께 t만큼의 차가 되며, 이를 수학식으로 표현하면, 하기 <수학식 3>과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112010047581493-pat00008
위의 <수학식 3>과 같은 관계식에 따라 유전체 간격에 변화를 주는 경우의 시뮬레이션 그래프는 도 7과 같다.
도 7의 시뮬레이션 결과에서 도체판 사이 간격(r_c)이 4 mm인 경우 그래프(701)와, 도체판 사이의 간격(r_c)이 6 mm인 경우 그래프(702)와, 도체판 사이의 간격(r_c)이 8 mm인 경우 그래프(703)와, 도체판 사이의 간격(r_c)이 10 mm인 경우 그래프(704)를 도시하였다. 도 7의 시뮬레이션 결과에서 도체판은 일정한 두께를 가지므로, 결과적으로 도체판 사이 간격(r_c)이 줄어들었다는 것은, 유전체 간격이 줄었음을 의미한다. 따라서 도 7의 시뮬레이션 결과는 도체판 사이의 유전체 간격을 좁게 할수록, 공진주파수가 낮아짐을 알 수 있다.
위와 같은 도 7의 시뮬레이션 결과는 도체판 사이의 간격(r_c)을 좁게 형성 할수록 캐패시턴스(C) 값이 증가한다는 것의 의미하며, 이를 통해 같은 주파수에서 소형화가 가능함을 알 수 있다.
또한, 도 7의 시뮬레이션 결과 그래프에서도 매우 흥미 있는 결과가 도출된다. 간격이 1/3, 1/5배로 감소함에 따라 공진주파수는 거의
Figure 112013114987110-pat00009
,
Figure 112013114987110-pat00010
배로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 간격의 감소가 캐패시턴스(C) 값의 증가를 주로 유발하고 있음을 의미한다. 그리고 여기서 약간의 오차는 간격의 감소가 소량의 인덕턴스(L) 값의 감소를 유발하는 것으로 유추할 수 있다.
도 8은 본 발명에 일 실시 예에 따른 스파이럴 구조를 갖는 공진 코일의 연결 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8에서 상단의 왼쪽 부분에 도시한 (a)에서는 공진 코일과 송신 또는 수신 코일을 도시하였다. 도 8의 (a)에 도시한 부분을 송신측 공진기라 가정하면, 송신측 공진기는 도 4에서 도시한 바와 동일한 형태를 가진다. 따라서 도 4에서 사용한 참조부호를 동일하게 사용하였다. 다만, 도 4와 다른 참조부호를 사용한 부분은 각 스파이럴 층들을 구분하기 위해 302a 및 302b의 참조부호를 사용하였다는 점에서 차이를 가진다.
도 8의 상단 오른쪽 부분에 도시한 (b)에서는 공진체에서는 도 4에서 설명한 바와 같이 서로 다른 2개의 스파이럴 층의 연결 및 스파이럴 층에 유도되는 전력의 전류 방향을 도시하였다.
앞에서 설명한 바와 같이, 서로 다른 2개의 스파이럴 층의 감는 방향은 서로 반대 방향이다. 송신 코일(301)에 인접한 스파이럴 층(302a)을 제1스파이럴 층이라 가정하고, 먼 방향의 스파이럴 층(302b)을 제2스파이럴 층이라 칭하여 설명하기로 한다.
도 8의 (b)에 설명한 바와 같이 제1스파이럴 층(302a)은 시계 방향으로 감겨 있음을 알 수 있다. 즉, 제1스파이럴 층(302a)은 내부 측에서 외부 측으로 감는다고 가정하면, 시계 방향으로 코일을 감은 형태가 된다. 또한, 제2스파이럴 층(302b)은 내부에서 외부로 감는 경우를 가정하면, 반시계 방향으로 감겨 있음을 알 수 있다. 이와 같이 서로 다른 2개의 스파이럴 층은 감긴 방향이 서로 다른 방향으로 구성해야만 한다. 또한, 제1스파이럴 층(302a)의 시작점과 제2스파이럴 층(302b)의 시작점은 도체판(303)을 이용하여 연결하였다.
위에서 설명한 바와 같이 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)을 서로 다른 방향이 되도록 한 이유를 살펴보기로 한다. 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)의 연결 시 서로 다른 방향이 되도록 한 것은 전류의 흐름이 서로 교차하여 자기력선을 감소시키는 것은 피하고 서로 상보할 수 있도록 하기 위함이다. 따라서 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)의 기판을 180도 회전하여 연결함으로써 자기력선의 감소를 회피하고, 서로 상보할 수 있도록 한 것이다.
이러한 연결은 전체적인 인덕턴스(L) 값의 증가와 공진주파수를 낮추기 위해 반드시 필요한 방법이다. 제1스파이럴 층(302a)에 유도되어 흐르는 전류를
Figure 112013114987110-pat00011
이라 하자. 그러면, 제1스파이럴 층(302a)에 유도되어 흐르는 전류는 제1스파이럴 층을 구성하는 코일에 참조부호 801과 같이 흐르게 된다.
그리고 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)을 연결하는 도체판에 흐르는 전류를
Figure 112010047581493-pat00012
이라 하면, 제1스파이럴 층(302a)에서 제2스파이럴 층(302b)로 연결된 도체판을 따라 참조부호 802와 같이 흐르게 된다.
이후, 제2스파이럴 층(302b)과 제1스파이럴 층(302a)은 서로 반대 방향으로 연결하였기 때문에 제1스파이럴 층(302a)에서 도체판(303)을 통해 흐른 전류는 동일한 방향으로
Figure 112013114987110-pat00013
와 같이 흐르게 된다.
즉, 제1스파이럴 층(302a)에서 전류
Figure 112010047581493-pat00014
이 반시계 방향으로 흐르게 되는 경우 도체판(303)을 통과하는 전류
Figure 112010047581493-pat00015
을 통해 제2스파이럴 층(302b)에서 흐르는 전류
Figure 112010047581493-pat00016
는 제1스파이럴 층(302a)와 동일하게 반시계 방향으로 흐르게 됨을 알 수 있다.
이때, 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)이 연결되는 지점의 x축, y축 값이 동일한 위치가 되게 연결하면, 전류에 의해 발생되는 자기장이 상호 섬(보완)이 되게 할 수 있다. 도 8의 (c)에 도시한 바와 같이 도체판(303)의 연결 방법이 x 축 및 y 축 값이 동일한 지점에서 연결되어야 함을 도시하였다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따라 제작된 공진기의 공진주파수 튜닝 방법을 설명하기 위한 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 9a는 본 발명에 따른 공진기에서 공진주파수 튜닝을 위한 제1실시 예의 시뮬레이션 그래프이다.
도 9a에서는 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)을 배치할 때, 제1스파이럴 층(302a)을 X축 혹은 Y축으로 이동시켜 공진주파수를 튜닝하는 경우의 시뮬레이션 결과이다.
도 9a의 시뮬레이션 결과에서 알 수 있는 바와 같이 제1스파이럴 층(302a)을 X축 혹은 Y축으로 이동하는 경우 공진주파수가 이동됨을 확인할 수 있다. 참조부호 901은 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)을 정확하게 위치시킨 경우 즉, X축 및 Y축으로 이동하지 않은 경우이다. 또한, 참조부호 902는 제1스파이럴 층(302a)을 X축 또는 Y축으로 2mm 이동한 경우이며, 참조부호 903은 제1스파이럴 층(302a)을 X축 또는 Y축으로 4mm 이동한 경우이다. 따라서 제1스파이럴 층(302a)을 X축 또는 Y축으로 이동함으로써 공진주파수를 튜닝할 수 있음을 알 수 있다.
도 9b는 본 발명에 따른 공진 코일에서 공진주파수 튜닝을 위한 제2실시 예의 시뮬레이션 그래프이다.
도 9b는 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)간을 연결하는 도체판(303)의 선폭을 조절하여 공진주파수를 튜닝한 시뮬레이션 그래프이다.
참조부호 911은 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)간을 연결하는 도체판(303)의 선폭을 10 mm로 설정한 경우의 공진주파수이다. 또한, 참조부호 912는 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)간을 연결하는 도체판(303)의 선폭을 15 mm로 설정한 경우의 공진주파수이다. 마지막으로, 참조부호 913은 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)간을 연결하는 도체판(303)의 선폭을 20 mm로 설정한 경우의 공진주파수이다. 도 9b에 도시한 바와 같이 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)을 연결하는 도체판(303)의 선폭을 조절함으로써 공진주파수가 이동됨을 확인할 수 있다. 따라서 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)간을 연결하는 도체판(303)의 선폭을 조정함으로써 공진주파수를 튜닝할 수 있음을 알 수 있다.
도 9c는 본 발명에 따른 공진기에서 공진주파수 튜닝을 위한 제3실시 예의 시뮬레이션 그래프이다.
도 9c는 제1스파이럴 층(302a) 또는/및 제2스파이럴 층(302b)을 구성하는 코일간의 간격을 기계적으로 줄임인 경우의 시뮬레이션 결과 그래프이다. 이는 제1스파이럴 층(302a) 또는/및 제2스파이럴 층(302b)을 구성하는 코일간에 삽입된 유전체의 간격을 기계적으로 줄임으로써, 스파이럴 층을 구성하는 코일 간의 간격 즉, 도체판 사이 간격(r_c)을 조정하여 캐패시턴스(C) 값을 조정함으로써 공진주파수를 튜닝하는 방법이다.
참조부호 921은 제1스파이럴 층(302a) 또는/및 제2스파이럴 층(302b)의 코일간의 간격을 기계적으로 줄여 도체판 사이 간격(r_c)을 4 mm로 설정한 경우의 공진주파수의 시뮬레이션 그래프이다. 또한, 참조부호 922는 제1스파이럴 층(302a) 또는/및 제2스파이럴 층(302b)의 코일간의 간격을 기계적으로 줄여 도체판 사이 간격(r_c)을 6 mm로 설정한 경우의 공진주파수의 시뮬레이션 그래프이다. 그리고 참조부호 923은 제1스파이럴 층(302a) 또는/및 제2스파이럴 층(302b)의 코일간의 간격을 기계적으로 줄여 도체판 사이 간격(r_c)을 8 mm로 설정한 경우의 공진주파수의 시뮬레이션 그래프이다. 마지막으로, 참조부호 924는 제1스파이럴 층(302a) 또는/및 제2스파이럴 층(302b)의 코일간의 간격을 기계적으로 줄여 도체판 사이 간격(r_c)을 10 mm로 설정한 경우의 공진주파수의 시뮬레이션 그래프이다. 상기 도 9c에서 m1, m2, m3, m4는 그래프에서 마크(mark) 값을 의미한다. 즉, 공진이 발생하는 주파수와 이때 삽입손실(S21)이 얼마인지 알려주는 기호이다. 그리고 상기 도 9c의 시뮬레이션에서 유전체 간격은 2개의 스파이럴 층들(302a, 302b) 모두 유전체 간격을 조정한 경우이다.
도 9d는 본 발명에 따른 공진기에서 공진주파수 튜닝을 위한 제4실시 예의 시뮬레이션 그래프이다.
도 9d는 공진체를 구성하는 스파이럴 층에 직렬로 부가적인(lumped) 캐패시터 소자를 삽입하여 공진주파수를 가변한 시뮬레이션 그래프이다. 도 9d의 시뮬레이션 결과 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 부가적인 캐패시터를 직렬 연결함으로써 공진주파수를 가변할 수 있다. 도 9d의 경우와 같이 공진주파수를 튜닝하는 것은 실제 제품의 양산에 있어 필수적인 사항이며, 송/수신 공진체의 공진주파수 일치 작업은 필연적으로 요구되는 사항이므로, 가장 손쉽게 공진주파수를 가변할 수 있는 방법이다.
참조부호 931은 부가된 캐패시터의 용량이 10 pF인 경우 공진주파수의 변화를 도시한 시뮬레이션 결과 그래프이고, 참조부호 932는 부가된 캐패시터의 용량이 30 pF인 경우 공진주파수의 변화를 도시한 시뮬레이션 결과 그래프이며, 참조부호 933은 부가된 캐패시터의 용량이 100 pF인 경우 공진주파수의 변화를 도시한 시뮬레이션 결과 그래프이고, 참조부호 934는 부가된 캐패시터의 용량이 316.227766 pF인 경우 공진주파수의 변화를 도시한 시뮬레이션 결과 그래프이며, 참조부호 935는 부가된 캐패시터의 용량이 1000 pF인 경우 공진주파수의 변화를 도시한 시뮬레이션 결과 그래프이다. 그리고 참조부호 936은 10 uF부터 1000 uF까지의 캐패시터 값이다. 이 결과에서 알 수 있는 바와 같이 캐패시터(c1) 값이 10 uF 이상부터 1000uF까지는 동일한 결과를 가진다. 이는 캐패시터(c1) 값이 10 uF 이상인 경우 동일한 특성으로 더 이상 주파수 튜닝이 되지 않음을 보여 준다.
도 10은 유전체가 전체 공진체에 삽입되어 있는 구조와 일부분이 제거된 상태에서의 공진주파수 변화에 따른 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 10에서 참조부호 1001은 스파이럴 코일을 구성하는 도체판 사이와 각 스파이럴 층간에 유전체가 삽입되어 있는 경우 공진주파수의 시뮬레이션 결과 그래프이고, 참조부호 1002는 일부분에서 스파이럴 코일을 구성하는 도체판 사이 또는/및 스파이럴 층간에 유전체를 제거한 경우의 공진주파수의 시뮬레이션 결과 그래프를 도시하고 있다.
도 10에서 알 수 있는 바와 같이 유전체의 삽입이 공진주파수를 낮추어 소형화에 도움이 됨을 알 수 있다. 이때, 가장 중요한 인자는 유전체의 tan loss 텀으로, 이 값이 최대한 적은 값을 갖도록 물질을 선정해야 한다. 여기서, tan loss 텀에 대하여 간략히 설명하기로 한다. 일반적으로 유전체는 비유전율 값과 유전 손실값으로 표현하게 된다. 이를 실제 값으로 예를 들어 설명하면, "3+j0.01"와 같은 형태로 표현할 수 있다. 여기서, 복소수 텀 중 j텀의 0.01은 손실로 작용한다. 이는 맥스웰 수식에서 j텀이 손실로 작용하기 때문이다. 즉, 상기에서 tan loss는 j 텀 값을 의미한다. 또한, 유전체 물질은 대략 0.001 이하를 유지하는 것이 중요하다. 이는 도체판 사이의 유전체 값 혹은 유전체 두께에 따라 공진주파수가 변화됨을 보여 주는 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 공진체의 구성 요소를 다양하게 변화시키면서 공진주파수의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 11에 도시한 2개의 스파이럴 구조를 연결 후 그 선폭(w1), 스파이럴 층간 간격(p), 턴 수(N) 등을 변화시킬 경우에 공진주파수가 가변되는 것을 설명하고 있다. 이하에서 설명하는 시뮬레이션 결과들은 스파이럴 층의 직경을 15 cm로 가정한 경우이다.
먼저, 참조부호 1101은 선폭(w1)이 4 mm이고, 선 두께(t)가 3 mm이고, 유전체 두께(g)가 1 mm이고, 턴 수(N)가 10회인 경우 조건을 도시하고 있다. 이때, 스파이럴 층간 간격(p)을 변화시키는 경우의 공진주파수는 참조부호 1111과 같이 변화한다. 즉, 서로 다른 2개의 스파이럴 층을 갖는 경우 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)간 간격(p)이 5 mm인 경우 공진주파수(f0)는 2.358 MHz이다. 그리고 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)간 간격(p)이 3 mm인 경우 공진주파수(f0)는 1.585 MHz이며, 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)간 간격(p)이 1 mm인 경우 공진주파수(f0)는 1.174 MHz이다. 위 결과에서 알 수 있는 바와 같이 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)간 간격(p)이 좁을수록 공진주파수(f0)를 낮출 수 있음을 알 수 있다.
다음으로, 참조부호 1102는 앞에서 설명한 참조부호 1101의 조건에서 선폭(w1)을 줄인 경우의 공진주파수(f0)에 대한 조건이다. 즉, 모든 조건을 동일하게 가져가며, 선폭(w1)을 2 mm로 줄이고, 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)간 간격(p)을 1 mm로 한 경우 공진주파수(f0)는 1.138 MHz가 된다. 여기서 알 수 있는 사실은 선폭을 좁게 하는 것이 공진주파수를 낮출 수 있는 방법임을 확인할 수 있다.
위의 2가지 조건에서 알 수 있는 것은 2개의 스파이럴 구조를 연결 할 경우 선폭(w1)은 좁고 스파이럴 간 간격(p)도 또한 좁게 설정한 1 mm에서 공진주파수(f0)가 감소함을 확인할 수 있다. 이는 앞에서 설명한 바와 같이 충분히 증가시킨 캐패시턴스(C) 값에서 인덕턴스(L) 값을 증가시키기 위해 선폭(w1)을 줄이고, 두 스파이럴 사이의 간격(p)을 줄일 경우 증가된 캐패시턴스(C) 값을 유지하면서 인덕턴스(L) 값을 충분히 증가시키는 방안이 되는 것이다.
다음으로, 참조부호 1103의 조건을 살펴보자. 참조부호 1103에서의 조건은 선폭(w1)을 2 mm로 두었고, 선 두께(t)를 1 mm로 두었으며, 유전체 두께(g)는 그대로 1 mm로 두었고, 스파이럴 층간 간격(p)은 1 mm로 둔 경우이다. 그런 후, 참조부호 1113의 시뮬레이션 결과와 같이 턴 수(N)를 가변하였다. 먼저, 턴 수(N)가 10회인 경우 공진주파수(f0)는 1.106 MHz이다. 그리고 턴 수(N)가 20회인 경우 공진주파수(f0)는 2.830 MHz이다. 여기서 알 수 있는 바와 같이 일정 회수 이상으로 턴 수(N)가 증가하게 되면, 인덕턴스(L)값이 증가하면서 캐패시턴스(C) 값을 감소시킴으로써 공진주파수(f0)가 다시 증가함을 확인할 수 있다.
다음으로, 스파이럴 층을 더 두는 경우에 대하여 살펴보기로 한다.
참조부호 1104는 선폭(w1)을 1 mm로 두고, 선 두께(t)를 1 mm로 두었으며, 유전체 간격(g)을 1 mm로 두고, 스파이럴 층간 간격(p)을 1 mm로 두고, 턴 수(N)를 10회로 하여 현재까지 살펴본 최적의 상태를 가정하였다.
이때, 참조부호 1114에서는 스파이럴 층들을 2개로 두는 경우와 4개의 스파이럴 층을 두는 경우의 공진주파수(f0)의 변화를 시뮬레이션 하였다. 먼저, 스파이럴 층을 도 11에 도시한 바와 같이 2개의 층으로 구성한 경우 공진주파수(f0)는 1.096 MHz가 된다. 그러나 4개의 스파이럴 층을 두는 경우 공진주파수(f0)는 656 kHz로 공진주파수(f0)가 낮아짐을 알 수 있다.
그러면, 여시서 4개의 스파이럴 층을 연결하는 방법에 대하여 간략히 살펴보기로 한다.
4개의 스파이럴 층을 갖는 경우 각 스파이럴 층간 연결은 앞에서 설명한 바와 같이 2개의 스파이럴 층을 갖는 경우의 확장한 형태가 된다. 그러면 먼저 2개의 스파이럴 층을 갖는 경우에 대하여 살펴보기로 하자.
먼저, 하나의 스파이럴 층은 앞에서 살핀 바와 같이 일정한 두께와 선폭을 갖는 코일을 미리 결정된 횟수만큼 감아서 구성한다. 이후, 2개의 스파이럴 층을 연결할 때, 각 스파이럴 층의 감는 방향은 서로 반대 방향이 되도록 코일을 감는다. 그리고 각 스파이럴 층 내부의 시작점이 되는 코일간을 도체판으로 연결하였다. 이는 앞에서 설명된 도 4, 도 5 및 도 8에서 알 수 있다.
그리고 또 하나의 스파이럴 층을 구성하는 경우 그 상부 또는 하부에 연결되는 스파이럴 층 즉, 연결하고자 하는 스파이럴 층과 직접 맞닿는 스파이럴 층을 구성하는 코일과 반대 방향으로 코일을 감아야 한다. 그리고 스파이럴 층을 감은 코일의 외부측 라인간을 연결한다. 이와 같이 연결하면 앞의 도 8에서 설명한 바와 같이 전류 방향이 동일한 방향으로 흐르게 되어 전류의 방향을 저해하지 않게 된다.
또한, 3개의 스파이럴 층을 구성한 이후 다시 연결하는 스파이럴 층은 그 상부 또는 하부에 연결되는 스파이럴 층 즉, 연결하고자 하는 스파이럴 층과 직접 맞닿는 스파이럴 층과 반대 방향으로 코일을 감는다. 이후, 새로이 구성되는 스파이럴 층과 맞닿는 스파이럴 층이 다른 스파이럴 층과 맞닿아 코일을 연결한 부분이 내부간에서 연결되었다면 즉, 도 4, 도 5 및 도 8에서 설명한 바와 같이 내부간 연결되었다면 외부의 코일 마지막 부분간을 도체판으로 연결한다. 반면에, 새로이 구성되는 스파이럴 층과 맞닿는 스파이럴 층이 다른 스파이럴 층과 맞닿아 코일을 연결한 부분이 외부간 연결되어 있다면 다시 내부간을 즉, 앞에서 설명한 도 4, 도 5 및 도 8에서 설명한 바와 같이 도체판으로 연결해야 한다.
이와 같은 방법으로 연결함으로써 앞에서 설명한 바와 같이 전류의 흐름이 유지되어 유도 기전력의 효율을 높일 수 있게 된다.
또한, 선폭을 10 mm로 하여 제작된 1개의 스파이럴 층을 갖는 경우와 선폭을 4 mm로 하고 2개의 스파이럴 층을 갖는 경우 각각의 공진주파수가 7.1 MHz와 1.174 MHz가 형성된다. 그러므로 2개 이상의 스파이럴 층을 갖는 경우가 공진주파수를 낮출 수 있는 이점이 있다. 또한, 이러한 경우 도 11의 시뮬레이션 결과에서 알 수 있는 바와 같이 선폭을 줄이고, 특히 스파이럴 간 간격을 1mm이하로 충분히 줄이면 공진주파수를 낮추는데 더욱 효과적이므로, 소형화에 더욱 유리하게 된다.
4개의 스파이럴 구조를 연결하여 최종 직경이 15 ㎝, 두께 1㎝로 656kHz 공진이 가능하다. 이때, 선폭(w1), 스파이럴 층간 간격(p), 선 두께(t), 스파이럴 내 유전체 두께(g)는 모두 1mm이며, 턴 수(N)는 10의 값을 갖는다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 2개의 사각 스파이럴 층을 갖는 공진기 구조를 예시한 도면이다.
도 12에서 (a)의 도면은 사각 구조를 갖는 송신측 공진체 또는 수신측 공진체를 상부에서 본 모습을 도시한 도면이다. 즉, 참조부호 1202는 미리 결정된 선폭과 선 두께를 갖는 코일이며, 참조부호 1203은 송신 루프이다. 송신 루프(1203) 또한 공진체와 동일하게 사각 구조를 가짐을 알 수 있다. 또한, 참조부호 1201은 송신측 공진체 또는 수신측 공진체의 외부 테두리 형상으로, 미리 결정된 유전율을 갖는 유전체가 공진 코일을 완전히 감싼 경우를 도시한 것이다. 이때, 유전율(
Figure 112013114987110-pat00017
)이 10인 유전체를 사용할 수 있다. 다만, 이러한 유전체는 삽입하는 것과 삽입하지 않는 것의 차이는 공진 주파수에서
Figure 112013114987110-pat00018
의 관계만 있다. 즉 유전체를 삽입할 수도 있고 삽입하지 않을 수도 있다. 즉, 상기 1201은 포함될 수도 있고 포함시키지 않는 구조도 모두 가능하다.
도 12의 (a)에 도시한 사각 형태를 갖는 송신측 공진체 또는 수신측 공진체를 구성하는 코일은 앞에서 설명한 바와 같이 일정한 선폭 및 선 두께를 가지며, 그 형상만 사각 형태로 구성한 것이다. 따라서 둘 이상의 층으로 구성할 수 있으며, 둘 이상의 층으로 구성할 경우 앞에서 설명한 연결 방법과 동일하게 연결되어야 한다. 또한, 원형의 공진체와 다른 모습은 내부에 일정한 크기의 빈 공간을 갖지 않는다는 점이다. 이는 도 4와 대비하면 알 수 있다.
도 12의 (b)에 도시한 형상은 1차측 공진체와 2차측 공진체가 본 발명에 따라 무선으로 전력을 송신하기 위한 배치의 사시도이다. 도 12의 (b)에 도시한 바와 같이 송신측 공진체와 수신측 공진체는 무선으로 전력 전송을 위한 소정 거리만큼 이격되어 있으며, 송신측 공진체에는 송신 루프(1203)가 수신측 공진체로부터 반대 방향에 위치하고 있다. 송신측 공진체는 앞에서 설명한 바와 같이 송신측 공진체가 사각 구조를 유지하기 위한 외부 테두리(1201) 및 그 내부에 사각 구조의 송신측 공진체(1202)가 포함되어 있다.
송신측 공진체와 마주보는 위치에 사각 형태의 수신측 공진체(1212)가 위치한다. 사각 형태의 송신측 공진체(1212)의 외부 즉, 송신측 공진체로부터 먼 방향에 수신 루프(1213)가 위치한다.
도 12의 (c)는 도 12의 (b)의 사시도를 측면에서 본 투시도이다. 즉, 도 12(b)의 모습을 옆에서 본 형태에 내부 공진체들(1202, 1212)을 함께 형상화한 도면이다. 도 12의 (b)에 사용된 참조부호와 도 12의 (c)에 사용된 참조부호는 이해의 편의를 돕기 위해 동일하게 두었으므로, 여기서 더 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 12에서 설명한 사각 구조를 갖는 공진체들은 앞에서 설명한 원형의 스파이럴 구조를 갖는 공진체와 동일한 특성을 갖는다. 다만, 도 12에 도시한 사각 형태의 스파이럴 구조가 원형의 스파이럴 형태보다 면적대비 인덕턴스(L)의 증가를 유발할 수 있는 구조이다. 즉, 실제 사각구조의 한 변의 길이가 도 11에서 직경과 같은 15 cm로 하고, 나머지 선폭 및 스파이럴 층간 간격을 동일하게 하며, 사각 형태의 스파이럴 층을 2개의 층으로 구성하는 경우 공진주파수는 576 kHz로 감소한다. 또한, 사각의 스파이럴 층을 4층으로 구성하는 경우에는 공진주파수가 356 kHz로 감소하게 되며, 사각의 스파이럴 층을 8층으로 구성하는 경우 공진주파수가 255 kHz까지 감소하게 된다.
이상에서 살핀 바와 같은 본 발명은 다양한 변형이 가능하다. 또한, 이상에서 설명한 본 발명은 단지 본 발명의 설명을 돕기 위해 특정한 형상으로써 설명한 것이므로, 이에 국한되어 본 발명이 이해되어서는 안됨에 유의해야 한다.
202, 301 : 송신 루프
201 : 송신측 공진 코일
203 : 수신측 공진 코일
204 : 수신 루프
302, 304 : 스파이럴 층 구조의 공진 코일
303 : 스파이럴 층간을 연결하는 도체판
320 : 무선 전력 전송을 위한 공진기
330 : 송신측 공진체 및 송신 코일
340 : 수신측 공진체 및 수신 코일
801 : 제1스파이럴 층에 유기된 전류 방향
802 : 스파이럴 층간을 연결하는 도체판에 흐르는 전류 방향
803 : 제2스파이럴 층에 유기된 전류방향
1201, 1211 : 사각 스파이럴 층을 감싼 유전체
1202 : 송신측 사각 스파이럴 층
1203 : 사각의 송신 코일
1212 : 수신측 사각 스파이럴 층
1213 : 사각의 수신 코일

Claims (17)

  1. 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    미리 결정된 주파수를 갖는 전류가 유입되는 송신 코일과,
    전자기 유도 현상에 의해 유기되는 전류를 부하에 공급하는 수신 코일과,
    상기 송신 코일과 상기 수신 코일의 사이에 위치하고, 상기 송신 코일에 흐르는 전류의 전자기가 유도되어 상기 수신 코일로 전류를 제공하며, 미리 결정된 거리만큼 상호간 이격된 송신측 및 수신측 공진 코일을 포함하며,
    상기 송신측 및 수신측 공진 코일은,
    스파이럴 구조를 갖으며, 둘 이상의 스파이럴 층이 헤리컬 형태가 되도록 쌓여 상호간이 연결된, 무선 전력 전송 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 송신측 및 수신측 공진 코일은,
    미리 결정된 선 폭과 선 두께를 갖는 도체판으로 이루어지고, 원형의 스파이럴 구조를 가지는, 무선 전력 전송 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 송신측 및 수신측 공진 코일은,
    미리 결정된 선 폭과 선 두께를 갖는 도체판으로 이루어지고, 사각형의 스파이럴 구조를 가지는, 무선 전력 전송 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 도체판 사이에 미리 결정된 유전체가 삽입된, 무선 전력 전송 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 송신측 및 수신측 공진 코일은,
    상기 둘 이상의 스파이럴 층간에 미리 결정된 유전체가 삽입된, 무선 전력 전송 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 둘 이상의 스파이럴 층은,
    맞닿는 스파이럴 층의 회전 방향(감긴 방향)과 반대 방향으로 회전하는(감는), 무선 전력 전송 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 둘 이상의 스파이럴 층간의 연결은,
    유도된 전류의 흐름이 각 스파이럴 층에서 흐를 때 동일한 방향으로 흐르도록 연결된, 무선 전력 전송 장치.
  9. 무선 전력 전송 장치에 포함된 공진 코일을 제작하는 방법에 있어서,
    미리 결정된 선 폭 및 선 두께를 갖는 도체판을 스파이럴 형태로 감는 과정과,
    둘 이상의 스파이럴 형태의 각 층들간 맞닿는 층과 서로 감긴 방향이 반대가 되도록 헤리컬 형태로 쌓는 과정과,
    상기 스파이럴 층들간에 유도된 전류에 의해 발생되는 자기장이 상호 보완되도록 도체판으로 연결하는 과정
    을 포함하는 무선 전력 전송 장치의 공진 코일 제작 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 스파이럴 형태는,
    사각 형태인, 무선 전력 전송 장치의 공진 코일 제작 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 스파이럴 형태는,
    원형인, 무선 전력 전송 장치의 공진 코일 제작 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 스파이럴 층을 이루는 도체판 사이에 미리 결정된 유전체를 삽입하는, 무선 전력 전송 장치의 공진 코일 제작 방법.
  13. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 서로 다른 스파이럴 층들 사이에 미리 결정된 유전체를 삽입하는, 무선 전력 전송 장치의 공진 코일 제작 방법.
  14. 무선 전력 전송 장치에 포함된 공진 코일에서 공진 주파수를 튜닝하기 위한 방법에 있어서,
    미리 결정된 선 폭 및 선 두께를 갖는 도체판을 스파이럴 형태로 감되, 각 스파이럴 층들간 맞닿는 층과 서로 감긴 방향이 반대가 되도록 하여 헤리컬 형태로 쌓는 스파이럴 층들과,
    상기 스파이럴 층들간에 유도된 전류에 의해 발생되는 자기장이 상호 보완되도록 연결된 도체판을 포함하되,
    각 스파이럴 층들 중 적어도 하나의 스파이럴 층을 한 축의 방향으로 미리 결정된 공진주파수에 대응하는 거리만큼 이동시키는, 공진 코일에서 공진 주파수를 튜닝하기 위한 방법.
  15. 무선 전력 전송 장치에 포함된 공진 코일에서 공진 주파수를 튜닝하기 위한 방법에 있어서,
    미리 결정된 선 폭 및 선 두께를 갖는 도체판을 스파이럴 형태로 감되, 각 스파이럴 층들간 맞닿는 층과 서로 감긴 방향이 반대가 되도록 하여 헤리컬 형태로 쌓는 스파이럴 층들과,
    상기 스파이럴 층들간에 유도된 전류에 의해 발생되는 자기장이 상호 보완되도록 연결된 도체판을 포함하되,
    상기 도체판을 미리 결정된 공진주파수에 대응하는 선폭의 값을 갖도록 하는, 공진 코일에서 공진 주파수를 튜닝하기 위한 방법.
  16. 무선 전력 전송 장치에 포함된 공진 코일에서 공진 주파수를 튜닝하기 위한 방법에 있어서,
    미리 결정된 선 폭 및 선 두께를 갖는 도체판을 스파이럴 형태로 감되, 각 스파이럴 층들간 맞닿는 층과 서로 감긴 방향이 반대가 되도록 하여 헤리컬 형태로 쌓는 스파이럴 층들과,
    상기 스파이럴 층들간에 유도된 전류에 의해 발생되는 자기장이 상호 보완되도록 연결된 도체판을 포함하며,
    상기 스파이럴 층들 사이 및 상기 스파이럴 층을 구성하는 도체판 사이에 미리 결정된 유전체를 삽입하되,
    상기 스파이럴 층을 구성하는 유전체가 삽입된 도체판 사이 간격이 미리 결정된 공진주파수에 대응하는 간격이 되도록 조정하는, 공진 코일에서 공진 주파수를 튜닝하기 위한 방법.
  17. 무선 전력 전송 장치에 포함된 공진 코일에서 공진 주파수를 튜닝하기 위한 장치에 있어서,
    미리 결정된 선 폭 및 선 두께를 갖는 도체판을 스파이럴 형태로 감되, 각 스파이럴 층들간 맞닿는 층과 서로 감긴 방향이 반대가 되도록 하여 헤리컬 형태로 쌓는 스파이럴 층들과,
    상기 스파이럴 층들간에 유도된 전류에 의해 발생되는 자기장이 상호 보완되도록 연결된 도체판과,
    상기 스파이럴 층들 중 하나에 미리 결정된 공진주파수가 되는 값을 가진 캐패시터를 연결하는, 공진 코일에서 공진 주파수를 튜닝하기 위한 장치.
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