KR101419771B1 - 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents
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Abstract
부피가 매우 작으면서, 그 제작의 편의성이 우수하고 균일한 제품을 대량으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 경제성이 뛰어난 기판 형태로 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템이 개시되어 있다. 이를 위하여 전원부；송신부 기판, 상기 송신부 기판 일면에 형성된 송신부 제 1 코일 패턴, 및 상기 송신부 제 1 코일 패턴과 연결되고 상기 송신부 제 1 코일 패턴과 공진을 일으키는 송신부 제 1 캐패시터를 포함하는 송신부와 수신부 기판, 상기 수신부 기판 일면에 형성된 수신부 제 1 코일 패턴, 및 상기 수신부 제 1 코일 패턴과 연결되고 상기 수신부 제 1 코일 패턴과 공진을 일으키는 수신부 제 1 캐패시터를 포함하는 수신부를 포함하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템을 제공한다. 이에 의하면, 매우 컴팩트한 형태의 무선 전력 전송 시스템을 제공할 수 있다. 따라서 사용 장소의 한계가 없어지고, 벽면에 매설하여 벽걸이 TV 등의 전원으로 사용하거나, 산업 시설에서 각종 기계장치에 전원을 공급하는 것에 사용할 수 있는 등 그 사용범위가 획기적으로 늘어날 수 있다.
Description
본 발명은 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매우 컴팩트하고 현저히 향상된 제작공정의 용이성 및 균일성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 전송효율이 우수한 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
이미 각종 전자기기의 사용은 일반화되었을 뿐만 아니라, 각종 스마트폰, 태블릿 PC 등의 모바일 기기의 사용자가 최근 들어 하루가 다르게 증가하고 있다.
통신 분야의 경우, 선을 이용하지 않는 무선통신 기술이 이미 널리 적용되고 있다. 따라서 이러한 무선 디바이스의 사용자들은 고정된 장소가 아닌 이동하면서 다양한 장소에서 각종 모바일 기기를 사용하고 있다. 그러나 이들 장치들을 구동하기 위해서는 전원이나 배터리 등이 필수적으로 있어야 하며, 이와 같은 전력 전송은 아직까지는 대부분 유선 방식으로 이루어지고 있다.
하지만 유선방식을 이용하는 경우, 콘센트나 콘센트에 연결하기 위하여 각종 어댑터, 커넥터를 설치하거나 소지하여야 하기 때문에, 인테리어 면에서 미감을 해칠 수 있을 뿐만 아니라, 복잡한 선의 연결에 따라 작업효율이 저하될 수 있고, 심한 경우 화재 등의 위험에 노출될 수 있다. 또한, 모바일 디바이스의 배터리가 소진된 경우 적절한 커넥터가 없는 경우, 전원을 공급하지 못하여 기기를 사용할 수 없게 되는 등의 불편함이 야기될 수 있다.
예를 들어, 근래 출시되는 벽걸이 TV 등의 디스플레이 장치의 경우, 디스플레이 장치의 미려함이 복잡한 전력 공급선이나 각종 케이블 등에 의하여 반감되고 있으며, 이를 외부로 노출시키지 않기 위하여 TV 후방 등에 위치시키는 경우라도 여러 불편함이나 위험성이 발생할 수 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 무선으로 전력을 전송하는 기술들이 개발되고 있다.
무선 전력 전송에 대한 기본적인 개념이나 기초적인 형태는 테슬라(Tesla) 등에 의하여 시도되었다.
최근에는 무선 전력 전송을 원거리까지 수행하고자, 단순히 자기적인 결합(magnetic coupling) 방식이 아니라, 공진(resonance)을 이용함으로써, 보다 원거리까지 고효율로 전력을 전송하기 위한 기술들이 시도되고 있다.
도 1은 공진을 이용한 무선 전력 전송 방식을 설명하기 위한 개념도이고, 도 2는 상기 도 1의 회로를 실제 무선 전력 전송을 위하여 장치적으로 시현한 것의 사진이다.
도 1에서, A는 구동회로의 일부인 루프 와이어이고, S는 소스(송신부) 코일, D는 장치측(수신부) 코일, B는 로드(전등 : light bulb)에 연결된 와이어 루프를 나타낸다. 여기서, 송신부(S)와 수신부(D)는 전력을 전달할 수 있는 선이 없는 무선 상태이지만, 공진을 이용한 자기적 결합에 의하여 전력이 수신부 측으로 전달되고, 전등이 점등되게 된다.
도 2는 이를 실제 구현한 것으로 사진 좌측에는 송신부측 코일이 솔레노이드 형상으로 감겨있는 것이 나타나 있으며, 우측에는 수신부측 코일이 역시 솔레노이드 타입으로 감겨있는 것이 나타나 있다. 이러한 송신부와 수신부를 사용하면, 전력이 무선으로 전송되어 우측의 전등이 켜지게 된다.
하지만, 도 2의 장치의 경우, 구동 루프(drive loop)와 코일(coil)간의 간격이 필요하고, 또한, 코일 역시 솔레노이드 타입으로 비교적 긴 구간 감겨있게 된다. 따라서 매우 부피가 큰 구조이기 때문에, 기존의 유선 전력 전송방식인 콘센트처럼 벽면에 매설하기도 어렵고, 제품에 적용하기도 어렵기 때문에 실제적인 전력공급원으로서의 의미는 매우 제한되어 있다.
이러한 문제점, 즉 매우 부피가 크다는 문제점을 해결하기 위해서 긴 구간을 차지하는 솔레노이드 타입이 아니라, 나선형으로 회전하는 방식으로 코일을 설치함으로써, 부피적인 제약을 다소라도 극복하고자 하는 기술이 제안되었다.
도 3은 무선 전력 전송을 시현한 기존의 다른 장치의 시험례의 사진이다.
도 3을 참조하면, 사진 상 상단에 위치하는 전원부에서 공급되는 전력이 무선 전력 전송 방식을 통하여 전달되어 하단의 노트북을 작동시키는 것을 알 수 있다. 여기서, 상단의 환형 구조물(전원부에 인접한 구조물)은 전력을 송신하는 송신부이고, 하단의 환형 구조물(노트북에 인접한 것으로, 사진 상으로는 상단 구조물보다 작게 보이는 구조물)은 전력을 수신하는 수신부이다.
도 3의 장치에서 상기 송신부 및 수신부는 다수 회 코일을 감은 것은 도 2의 장치와 동일하지만, 코일을 솔레노이드 방식이 아니라, 부피가 최소화되도록 같은 평면상에서 점점 지름이 줄어드는 나선형으로 코일을 감은 기술이다. 이에 따라 기존 방식에서 코일이 차지하는 부분의 크기는 상당부분 감소시킬 수 있다.
그러나 이 기술 역시, 구동 루프와 코일 사이에는 간격이 필요한 문제점이 있어 부피 감소 효과가 크지 않다. 무엇보다, 같은 평면 내에서 코일을 감는 작업이 매우 번거롭기 때문에, 대량생산에 전혀 적합하지 않고, 별도의 스탠드나 고정수단을 이용하는 경우에도 코일 사이의 간격 등의 균일성, 재현성을 확보하기 어려워 신뢰할 수 있는 전력 전송 장치의 역할을 하기에는 부족한 점이 많다.
따라서, 본 발명의 목적은 부피가 매우 작으면서, 그 제작의 편의성이 우수하고 균일한 제품을 대량으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 경제성이 뛰어난 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의하면 a) 전원부; b) 송신부 기판, 상기 송신부 기판 일면에 형성된 송신부 제 1 코일 패턴, 및 상기 송신부 제 1 코일 패턴과 연결되고 상기 송신부 제 1 코일 패턴과 공진을 일으키는 송신부 제 1 캐패시터를 포함하는 송신부; 및 c) 수신부 기판, 상기 수신부 기판 일면에 형성된 수신부 제 1 코일 패턴, 및 상기 수신부 제 1 코일 패턴과 연결되고 상기 수신부 제 1 코일 패턴과 공진을 일으키는 수신부 제 1 캐패시터를 포함하는 수신부를 포함하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면, 매우 컴팩트(compact)한 형태의 무선 전력 전송 시스템을 제공할 수 있다. 따라서 사용 장소의 한계가 없어지고, 예를 들면, 벽면에 매설하여 벽걸이 TV 등의 전원으로 사용하거나, 산업 시설에서 각종 기계장치에 전원을 공급하는 것에 사용할 수 있는 등 그 사용범위가 획기적으로 늘어날 수 있다.
나아가, 최근 들어 경박단소화되어 가고 있는 각종 전자장치, 예를 들어, 노트북, 데스크탑 컴퓨터, TV를 비롯한 각종 디스프레이 장치, 모바일 디바이스, 각종 가전제품이나 산업용 전자제품에 적용되어 이들 장치를 보다 슬림화시키고, 전원공급 및 충전을 한층 더 편리하게 하는데 크게 기여할 수 있어, 전반적인 전자제품 산업의 진보에 이바지할 수 있다.
또한, 본 발명의 경우, 선 형태의 코일을 감는 것이 아니라 기판 상에 패턴을 형성하는 것이므로, 그 제작공정이 매우 간단하여 대량생산에 현저히 유리하고, 생산 비용 역시 크게 감소된다.
또한, 기판 상에 고정된 패턴을 형성하여 코일 또는 코일 및 캐패시터(capacitor) 역할을 하도록 하게 하는 것이므로, 패턴의 선폭, 패턴 간의 간격 등을 균일하게 유지할 수 있다. 따라서 기존 공정을 이용한 무선 전력 전송 방식에서는 기대하기 어려운 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있어서, 상용화에 매우 적합한 기술이다.
도 1은 공진을 이용한 무선 전력 전송 방식을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 무선 전력 전송을 시현한 기존의 일 장치의 시험례의 사진이다.
도 3은 무선 전력 전송을 시현한 기존의 다른 장치의 시험례의 사진이다.
도 4은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 일실시예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템의 일시예를 시현한 시험예의 사진이다.
도 6는 상기 도 4의 수신부의 일면을 설명하기 위한 정면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 수신부의 다른 실시예를 설명하기 위한 정면도이다.
도 8는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 등가회로이다.
도 9은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 송신부의 일 실시예를 설명하기 위한 등가회로이다.
도 10는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 송신부의 다른 실시예를 설명하기 위한 등가회로이다.
도 11은 상기 도 4의 수신부의 타면을 설명하기 위한 배면도이다.
도 2는 무선 전력 전송을 시현한 기존의 일 장치의 시험례의 사진이다.
도 3은 무선 전력 전송을 시현한 기존의 다른 장치의 시험례의 사진이다.
도 4은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 일실시예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템의 일시예를 시현한 시험예의 사진이다.
도 6는 상기 도 4의 수신부의 일면을 설명하기 위한 정면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 수신부의 다른 실시예를 설명하기 위한 정면도이다.
도 8는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 등가회로이다.
도 9은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 송신부의 일 실시예를 설명하기 위한 등가회로이다.
도 10는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 송신부의 다른 실시예를 설명하기 위한 등가회로이다.
도 11은 상기 도 4의 수신부의 타면을 설명하기 위한 배면도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 의한 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템(이하, '무선 전력 전송 시스템'약칭함)을 상세하게 설명한다.
본 발명에 의한 무선 전력 전송 시스템은 전원부, 전류에 의하여 유도된 자기장에 의하여 결과적으로 전력을 송전하는 집적화된 송신부, 및 상기 송신부에서 전파된 자기장의 의하여 유도된 전류를 수신하는 집적화된 수신부를 가진다.
여기에 송신부 및 수신부에서 전송효율 및 전송거리를 향상시키기 위하여 코일-캐패시터 간의 공진을 이용한다. 나아가, 상기 수신부를 통하여 전송된 전력을 사용하기 위한 출력부를 더 포함할 수 있다.
이하, 각 구성요소별로 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 일실시예를 설명하기 위한 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템의 일시예를 시현한 시험예의 사진이다.
먼저, 본 발명에 의한 무선 전력 전송 시스템은 전원부(100)를 포함한다.
상기 전원부(100)는 구체적으로, RF 신호발생기(110)와 상기 RF 신호발생기에서 발생하는 전류의 주파수를 증폭하여 상기 송신부(200)로 전달하는 증폭기(120)을 포함한다.
상기 증폭기(120)를 통한 증폭 과정을 거치는 것은 자기장의 주파수(Hz)가 높을수록 전류 유도가 용이해지고, 결과적으로 본 무선 전력 전송 시스템의 전송효율이 향상되기 때문이다.
그리고 본 발명에 의한 무선 전력 전송 시스템은 송신부(transmitter; 200)을 포함한다.
먼저, 상기 송신부(200)는 송신부 기판(210)을 포함한다.
본 구성요소 송신부 기판(210) 및 후술하는 수신부 기판(310)에서 '기판'이라 함은 일반적으로 기판으로 여겨지는 하드한(hard, rigid) 기판뿐만 아니라, 유연한(flexible) 기판, 필름(film), 막 형태 등을 모두 포함한다. 즉, 송신부 제 1 코일패턴(220)이나 송신부 제 2 코일패턴(225), 수신부 제 1 코일패턴(320), 수신부 제 2 코일패턴, 또한 캐패시터(230, 235, 330)의 선택적인 형태인 캐패시터 패턴이, 패턴 형태로 형성될 수 있는 베이스로서의 역할을 하는 것이면 가능하고, 유전체이면 본 발명의 기판으로 적용할 수 있다.
구체적으로 예를 들면 이러한 기판은 PCB 기판, FPCB (Flexible-PCB) 기판, 유리판, 천연 또는 합성수지판, 천연수지 또는 합성수지 필름, 수지를 이용한 각종 접착테이프, 테플론(teflon) 소재의 기판, 테플론이 코팅된 기판 등 비전도성을 가지는 소재를 사용할 수 있다.
여기서, 특히 필름 내지 막상의 기판을 사용하는 경우, 본 시스템을 구현할 수 있는 코일 및 캐패시터가 패턴으로 형성된 테이프 형태의 송신부를 사용자가 구입하여 벽면이나 구조물 등에 부착하고 전원을 연결하면, 무선 전력 공급장치를 손쉽게 설치할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 경우, 코일을 솔레노이드 형상으로 권취하거나, 나선형 방향으로 감는 방식이 아니라, 기판 표면에 프린트(print)나 증착(deposition), 식각(etching) 등의 방식으로 패턴을 형성하는 것이고, 이에 의하여 컴팩트한 무선 전력 전송 시스템을 구현하는 것이 가장 큰 특징 중의 하나이므로, 이러한 공정에 적용할 수 있는 기판인 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 의한 무선 전력 전송 시스템은 상기 송신부 기판 일면에 형성된 송신부 제 1 코일 패턴(220)을 포함한다.
상기, 송신부 제 1 코일 패턴은 도전성 물질로 구성된다. 예를 들면, 구리, 금, 은, 동, 알루미늄, 철, 백금 등을 예시할 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 다만, 상기 송신부 기판(210)에 용이하게 패턴을 형성할 수 있는지, 공정의 경제성이 확보되는지, 전도성이 우수한 지 여부 등을 고려하여 결정할 수 있다.
상기 제 1 코일 패턴(220)은 공진코일의 역할을 하므로, 적어도 1회 이상 나선형으로 감긴 형태로 상기 송신부 기판(210) 상에 형성되어야 한다.
본 발명에서는 기존의 기술들과 달리, 공진코일에 해당되는 구성요소가 기판의 평면상에 2차원적 또는 면상으로 패턴 형태로 형성되는 것으로d, 이에 의하여 무선 전력 전송장치의 부피를 획기적으로 줄일 수 있게 된다.
그리고 본 발명에 의한 무선 전력 전송 시스템은 송신부 제 1 캐패시터(230)를 포함한다.
상기 송신부 제 1 캐패시터(230)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)과 연결되어 형성된다.
여기서 상기 송신부 제 1 캐패시터(230) 및 후술하는 송신부 제 2 캐패시터, 수신부 제 1 캐패시터(330) 및 수신부 제2 캐패시터(미도시)는 기존 형태의 별도의 캐패시터를 사용하여 기판에 부착하거나, 매설하는 방식으로 형성할 수도 있으나, 바람직하게는 상기 코일(210)과 마찬가지로 상기 기판 상에 패턴으로 형성된 형태의 캐패시터 패턴으로 형성하는 것이 좋다. 이 경우, 공정상으로 상기 제 1 코일 패턴(220)과 제 1 캐패시터(230)는 하나의 공정에서 형성되는 것이 경제성이나 패턴의 균일성 등의 측면에서 바람직하다.
또한, 제 1 캐패시터(230) 역시, 구리, 금, 은, 동, 알루미늄, 철, 백금 등의 도전성 물질로 형성될 수 있으며, 상기 송신부 기판(210)에 용이하게 패턴을 형성할 수 있는지, 공정의 경제성이 확보되는지, 전도성이 우수한 지 여부 등을 고려하여 결정할 수 있다.
상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)과 상기 제 1 캐패시터(230)는 공진조건을 충족시키도록 임피던스(impedance)을 조절하여야 하며, 이와 같이 공진 조건이 충족되는 경우, 송신부(200)에서 전자기 유도에 의하여 전송되는 전력이 비교적 적은 손실율을 가지고 보다 먼 거리의 수신부(300)까지 전송될 수 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 사진에서 우측 하단의 전원장치에서 공급된 전력이 송신부(탁자 위 두 개의 판상 구조물 중 우측 구조물)에서 수신부(탁자 위 두 개의 판산 구조물 중 좌측 구조물)로 전달되어, 결과적으로 수신부에 연결된 전등(수신부 하단에 위치)이 점등되도록 전원을 공급하는 것이 나타나 있다.
즉, 송신부와 수신부 사이에는 별도의 전력 전송선이 없음에도 불구하고, 전원부의 전력을 전등에 제공할 수 있게 되는 것이다.
상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)과 제 1 캐패시터(230)의 일 실시예들을 도면들을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 6은 상기 도 4의 송신부(200)의 일면을 설명하기 위한 정면도이다. 상기 도 6는 도 4의 'A'방향에서 본 송신부(200)의 형상이다.
상기 송신부(200)에 형성된 송신부 제 1 코일 패턴(220)은 1회 이상, 바람직하게는 복수 회 나선형으로 회전된(감긴) 형태로 패턴으로 형성되어 있다. 예를 들어, 도 5에서처럼, 상기 송신부(200)에 형성된 송신부 제 1 코일 패턴(220)은 전체적으로 사각형 형상이면서 나선형으로 적어도 1회 이상 감겨 있는 형태로 상기 송신부 기판(210) 상에 패턴으로 형성될 수 있다.
또한, 후술하는 바와 같이 송신부 기판(210)의 양면에 동일한 형태의 제 1 코일 패턴(220)과 제 2 코일 패턴(225)이 형성될 수 있은데, 이 경우, 양 패턴 간 통전을 위하여 비아(via) 등의 송신부 통전부(222)가 형성될 수 있다. 기판의 양면에 동일한 코일 패턴을 형성하는 것은 자기력선이 보다 효율적으로 수신부(300) 쪽을 전달되도록 하기 위한 것이다.
한편, 도 6을 참조하면, 상기 송신부 제 1 캐패시터(230)는 그 말단이 상기 송신부 기판의(210) 중심을 향하도록 형성되는 것이 바람직하다. 이는 제 1 캐패시터(230)의 양쪽에서 인접하는 두 개의 제 1 코일 패턴(220)에서 받는 영향을 최소화하기 위함이다.
예를 들어, 상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)의 형상이 사각 형상으로 회전된 형태인 경우, 상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)에서 연장된 상기 송신부 제 1 캐패시터(230)는 인접하는 양측의 송신부 제 1 코일 패턴(220)이 이루는 각의 등분각(等分角) 방향으로 연장되어 형성되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)이 도 5에서와 같이 직사각형 형태로 형성된 경우, 상기 송신부 제 1 캐패시터(230)가 이를 둘러싼 어느 한 쪽의 제 1 코일 패턴(230)의 과도한 간섭을 받지 않도록 하기 위해서는 등각 즉, θ= 45°인 각도 방향으로 연장되어 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 송신부 제 1 캐패시터(230)의 형상은 도 5에서는 직사각형 형태로 도시되었으나, 그 형태는 직사각형에 한정되지 않고, 삼각형, 사각형 등의 다각형 형태, 원형, 기타 부정형이더라도 무방하다.
한편, 상기 제 1 코일 패턴(220)의 형태는 사각형 형상으로 나선형으로 감겨 형성된 것에 한정되지 않는다.
도 7은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 송신부의 다른 실시예를 설명하기 위한 정면도이다.
도 7을 참조하면, 상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)은 그 회전된 형상이 사각형이 아닌 원 형상으로 회전된 형태인 것으로 형성할 수도 있다.
또한 별도로 도시를 하지 않았으나, 전체적인 윤곽이 기타 각종 다각형 형태, 부정형 형태 등이면서, 나선 형태로 감겨서 형성될 수 있으며, 단지 효율적으로 자기장 유도 및 공진 조건의 충족이 가능하면 제한되지 않는다.
그리고 본 발명에 의한 무선 전력 전송 시스템은 수신부(receiver; 300)을 포함한다.
형태적으로 상기 수신부(300)는 이미 상술한 송신부(200)와 기본적으로 동일하거나 유사한 구조를 가지고, 사용하는 소재 역시 동일하거나 유사하다.
상기 수신부(300)는 수신부 기판(310)을 포함한다.
상기 기판은 앞서 설명한 바와 같이, 하드한 기판, 유연한 기판, 필름, 막 형태 등을 모두 포함한다. 즉, 코일 패턴 등이 형성될 수 있는 베이스로서의 역할을 하는 것이면 가능하고, 유전체이면 본 발명의 기판으로 적용할 수 있다.
구체적으로 예를 들면 이러한 기판은 PCB 기판, FPCB (Flexible-PCB) 기판, 유리판, 천연 또는 합성수지판, 천연수지 또는 합성수지 필름, 수지를 이용한 각종 접착테이프, 테플론(teflon) 소재의 기판, 테플론이 코팅된 기판 등 비전도성을 가지는 소재를 사용할 수 있다.
특히, 플렉서블한 기판, 필름, 박막 등을 상기 기판으로 사용하는 경우, 향후 출시예정인 디스플레이부분을 접을 수 있는 플렉서브 스마트폰을 비롯한 플렉서블 디바이스, 굴곡진 면 등에도 적용할 수 있다.
또한, 특히 필름 내지 막상의 기판을 사용하는 경우, 본 시스템을 구현할 수 있는 코일 및 캐패시터가 패턴으로 형성된 테이프 형태의 수신부를 사용자가 구입하여 기존에 보유하고 있는 전자기기에 접착시켜 이로써 기존의 유선 전원공급 장치를 대체할 수도 있다.
또한, 본 발명에 의한 무선 전력 전송 시스템은 상기 수신부 기판(310) 일면에 형성된 수신부 제 1 코일 패턴(320)을 포함한다.
상기, 송신부 제 1 코일 패턴은 구리, 금, 은, 동, 알루미늄, 철, 백금 등의 도전성 물질로 구성된다. 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 수신부 기판(310)에 용이하게 패턴을 형성할 수 있는지, 공정의 경제성이 확보되는지, 전도성이 우수한 지 여부 등을 고려하여 결정할 수 있다.
상기 수신부 제 1 코일 패턴(220)은 1회 이상, 바람직하게는 복수 회 나선형으로 감긴 형태로 패턴으로 형성되어 있다. 예를 들어, 도 4에서 처럼, 상기 수신부(300)에 형성된 수신부 제 1 코일 패턴(320)은 전체적으로 사각형 형상이면서 나선형으로 적어도 1회 이상 감겨 있는 형태로 상기 수신부 기판(310) 상에 패턴으로 형성될 수 있으며, 전체적으로 원형이나 다각형 형상, 부정형 형상의 외곽 형상을 가지며 나선형으로 감겨 형성될 수도 있다.
상기 수신부 제 1 코일 패턴(320)은 공진코일의 역할을 하므로, 적어도 1회 이상 나선형으로 감긴 형태로 상기 수신부 기판(310) 상에 형성되어야 한다. 특히, 원활하고 효율적인 전력 전송을 위하여 상기 수신부 제 1 코일 패턴(320)은 상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)과 동일한 형상과 크기를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 후술하는 바와 같이 수신부 기판(310)의 양면에 동일한 형태의 제 1 코일 패턴(320)과 제 2 코일 패턴(미도시)이 형성될 수 있은데, 이 경우, 양 패턴간 통전을 위하여 비아(via) 등의 송신부 통전부(222)가 형성될 수 있다.
그리고 본 발명에 의한 무선 전력 전송 시스템은 수신부 제 1 캐패시터(330)를 포함한다.
상기 수신부 제 1 캐패시터(330)는 상술한 송신부 제 1 캐패시터(230)와 기본적으로 동일하거나 극히 유사한 구조를 가진다. 상기 수신부 캐패시터(330) 역시 기존의 캐패시터를 사용할 수도 있고, 바람직하게는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 수신부 제 1 코일 패턴(320)과 연결되어 상기 기판상에 패턴으로 형성할 수도 있다. 공정상으로 상기 제 1 코일 패턴(320)과 제 1 캐패시터(330)를 하나의 공정에서 패턴으로 형성하는 것이 경제성이나 패턴의 균일성 등의 측면에서 바람직하다.
따라서 생산 효율성이 매우 높고 장치의 균일성 및 이에 따른 신뢰성이 담보될 수 있다.
또한, 수신부 제 1 캐패시터(330) 역시, 구리, 금, 은, 동, 알루미늄, 철, 백금 등의 도전성 물질로 형성될 수 있다. 나아가, 수신부 제 1 캐패시터(330)는 그 말단이 상기 수신부 기판의(310) 중심을 향하도록 형성되는 것이 바람직하다. 이는 수신부 제 1 캐패시터(330)의 양쪽에서 인접하는 두 개의 제 1 코일 패턴(320)에서 받는 영향을 최소화하기 위함이다.
예를 들어, 상기 수신부 제 1 코일 패턴(320)의 회전된 형상이 사각 형상으로 회전된 형태인 경우, 상기 수신부 제 1 코일 패턴(320)에서 연장된 상기 수신부 제 1 캐패시터(330)는 인접하는 양측의 수신부 제 1 코일 패턴(320)이 이루는 각의 등분각 방향으로 연장되어 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 수신부 제 1 캐패시터(330)의 형상은 도 4에서는 직사각형 형태로 도시되었으나, 그 형태는 직사각형에 한정되지 않는다.
또한 도 4를 참조하면, 본 발명에 의한 무선 전력 전송 시스템은 상기 수신부 제 1 코일 패턴(320)과 상기 수신부 제 1 캐패시터(330)에 연결되어 전자기 유도에 의하여 무선 송전된 전력을 출력하는 출력부(400)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 출력부(400)는 교류전류를 직류전류로 변환하는 정류기(410) 및 상기 정류된 전류가 사용되는 로드(420)로 구성될 수 있다. 여기서 로드는 통상 전력이 소모되는 각종 가정용 전자기기, 산업용 전자기기 등을 예시할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 등가회로이다.
도 8의 등가회로에서, Ct : 송신부(transmitter)의 임피던스 매칭을 위한 캐패시턴스(capacitance), Cr : 수신부(receiver)의 임피던스 매칭을 위한 캐패시턴스, Lt : 송신부 코일의 인덕턴스(inductance), Lr : 수신부 코일의 인덕턴스, M : 송신부와 수신부 코일간의 상호 인덕턴스(mutual inductance), Rpt : 송신부의 기생저항(parasitic resistance), Rpr : 수신부의 기생저항이며, Rpt 및 Rpr은 무시할 수 있다.
여기서 상기 두 코일사이에는 마치 직렬 LC 공진기와 같은 작용이 일어난다. 따라서, 송신부의 전력이 전자기 유도를 통하여 비교적 원거리까지 적은 손실율을 가지고 수신부로 전달될 수 있다. 이 때, 송신부와 수신부의 코일은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 공유하는데, 상기 상호 인덕턴스는 기하학적 특성이나 거리와 관련이 된다.
도 9 및 10은 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 송신부의 실시예들을 설명하기 위한 등가회로이다.
도 9를 참조하면, 상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)과 상기 송신부 제 1 캐패시터(230)가 직렬연결된 것이고, 도 10은 참조하면, 상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)과 상기 송신부 제 1 캐패시터(230)가 병렬연결된 것을 등가회로로 표현한 것이다.
상기 도 4 및 그에 대한 설명은 주로 도 9와 같이, 직렬연결인 경우를 중심으로 설명을 하였으나, 도 10과 같이 병렬 연결된 등가회로에 근거하여 구현된 시스템에서도 동일한 시스템 원리가 적용될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 송신부 기판(210)의 일면뿐만 아니라, 그 배면(타면)에도 동일한 코일 패턴 및 캐패시터를 형성할 수 있다.
이를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 11은 상기 도 4의 수신부의 타면을 설명하기 위한 배면도이다. 여기서, '타면'이라 함은 상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)이 형성된 면을 '일면'이라고 정한 경우, 그 반대쪽 면을 의미한다.
본 실시예에서는 상기 송신부 기판(210)의 타면에 형성된 송신부 제 2 코일 패턴(225), 상기 송신부 기판(210)의 타면에 형성된 송신부 제 2 캐패시터(235)을 추가적으로 더 형성할 수 있다.
이때, 상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)과 상기 송신부 제 2 코일 패턴(225)은 서로 동일한 형상을 가지는 것이 바람직하고, 각각 상기 송신부 기판(210) 일면과 타면의 대응되는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
마찬가지로, 상기 송신부 제 1 캐패시터(230)과 상기 송신부 제 2 캐패시터(235)가 동일한 형상을 가지고, 각각 상기 송신부 기판(210)의 일면과 타면의 대응되는 위치에 위치하거나 패턴으로 형성되는 것이 좋다.
이 때, 상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)과 상기 송신부 제 2 코일 패턴(225)은 전기적으로 연결되어야 하므로 송신부 통전부(222)를 더 포함하여야 한다. 상기 송신부 통전부(222) 도전을 가능하게 하는 수단이면 제한이 없다. 따라서 가는 전선이나 도전사 등으로 구현될 수 있으나, 상기 송신부 제 1 코일 패턴과 상기 송신부 제 2 코일 패턴을 전기적으로 연결하도록 상기 송신부 기판을 관통하여 형성되는 비아로 구현하는 것이 바람직하다.
이와 같이 송신부 기판(210)의 양면에 패턴을 형성하면, 기판 두께만큼 이격된 두 개의 코일이 마치 매우 근접한 솔레노이드 형상으로 감겨 있는 효과를 낼 수 있다. 따라서 보다 원거리까지 효율적으로 전력을 전송할 수 있게 된다.
따라서 상기 송신부 기판(210)의 두께를 증가시키는 경우(두꺼운 두께의 기판을 사용하는 경우), 상기 송신부 제 1 코일 패턴(220)과 상기 송신부 제 2 코일 패턴(225)의 이격간격이 커짐으로써, 전송효율이 향상될 수 있다. 같은 맥락에서 이와 패턴이 형성된 다수대의 기판을 연속적으로 설치하고, 각 패턴이 통전되도록 상술한 가는 전선, 도전사, 또는 비아를 형성하면 보다 높은 효과를 기대할 수 있다.
이와 같은 방식은 수신부(300)에도 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 상기 수신부 기판(310)의 타면에 형성된 수신부 제 2 코일 패턴(미도시), 상기 수신부 기판의 타면에 형성된 수신부 제 2 캐패시터(미도시) 및 상기 수신부 제 1 코일 패턴(320)과 상기 수신부 제 2 코일 패턴(미도시)을 전기적으로 연결하는 통전부(322)를 더 포함할 수 있다. 이 때 역시 상기 통전부가 상기 수신부 제 1 코일 패턴과 상기 수신부 제 2 코일 패턴을 전기적으로 연결하도록 상기 수신부 기판(310)을 관통하여 형성되는 수신부 비아(322) 등으로 구성될 수 있다.
이를 실제 적용하는 경우, 송신부(200)는 전력을 공급하는 역할을 하고 부피가 컴팩트하므로, 벽면에 매설하고, 수신부(300)는 벽걸이 티브이, 노트북, 각종 산업용 기기 등 각종 전자기기에 내장하면, 해당 상기 송신부(200)가 매설된 벽면 근처에서 상기 수신부(300)가 내장된 전자기기를 사용하면 전선을 사용하지 않으면서도 자연스럽게 장치의 충전이나 전원공급이 가능해 질 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 전원부 110 : 신호발생기
120 : 증폭기 200 : 전력송신부
210 : 송신부 기판 220 : 송신부 제 1 코일 패턴
222 : 송신부 통전부 225 : 송신부 제 2 코일 패턴
230 : 송신부 제 1 캐패시터 235 : 송신부 제 2 캐패시터
300 : 전력수신부 310 : 수신부 기판
320 : 수신부 제 1 코일 패턴 322 : 수신부 비아
330 : 수신부 제 1 캐패시터 400 : 출력부
410 : 정류기 420 : 로드
120 : 증폭기 200 : 전력송신부
210 : 송신부 기판 220 : 송신부 제 1 코일 패턴
222 : 송신부 통전부 225 : 송신부 제 2 코일 패턴
230 : 송신부 제 1 캐패시터 235 : 송신부 제 2 캐패시터
300 : 전력수신부 310 : 수신부 기판
320 : 수신부 제 1 코일 패턴 322 : 수신부 비아
330 : 수신부 제 1 캐패시터 400 : 출력부
410 : 정류기 420 : 로드
Claims (19)
- a) 전원부;
b) 송신부 기판,
상기 송신부 기판 일면에 형성된 송신부 제 1 코일 패턴, 및
상기 송신부 제 1 코일 패턴과 연결되고 상기 송신부 제 1 코일 패턴과 공진을 일으키는 송신부 제 1 캐패시터를 포함하는 송신부; 및
c) 수신부 기판,
상기 수신부 기판 일면에 형성된 수신부 제 1 코일 패턴, 및
상기 수신부 제 1 코일 패턴과 연결되고 상기 수신부 제 1 코일 패턴과 공진을 일으키는 수신부 제 1 캐패시터를 포함하는 수신부를 포함하며,
상기 전원부가
RF 신호발생기; 및
상기 RF 신호를 증폭하여 상기 송신부로 전달하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 송신부에서 유도된 자기장의 자기력선이 상기 수신부에 전류발생을 유도하여 무선으로 상기 송신부에서 상기 수신부로 전력 전송이 이루어지는 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 송신부 기판 및 상기 수신부 기판이 비전도성 기판인 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 송신부 기판 및 상기 수신부 기판이 판상 또는 필름상이고, 유전체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 코일 패턴이 1 회 이상 나선형으로 회전된 형상으로 형성된 패턴인 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 송신부 제 1 코일 패턴의 회전된 형상이 사각 형상으로 회전된 형태인 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 송신부 제 1 캐패시터가 상기 송신부 기판 일면에 형성된 캐패시터 패턴인 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 제 8 항에 있어서, 상기 캐패시터 패턴이 다각형, 원형 또는 부정형 형태인 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 송신부 제 1 캐패시터의 말단이 상기 송신부 기판의 중심을 향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 송신부 제 1 코일 패턴의 회전된 형상이 사각 형상으로 회전된 형태인 경우,
상기 송신부 제 1 코일 패턴에서 연장된 상기 송신부 제 1 캐패시터는 인접하는 양측의 송신부 제 1 코일 패턴이 이루는 각의 등분각 방향으로 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템. - 제 1 항에 있어서, 상기 송신부 제 1 코일 패턴과 상기 송신부 제 1 캐패시터가 직렬연결된 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 송신부 제 1 코일 패턴과 상기 송신부 제 1 캐패시터가 병렬연결된 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 송신부 기판의 타면에 형성된 송신부 제 2 코일 패턴;
상기 송신부 기판의 타면에 형성된 송신부 제 2 캐패시터; 및
상기 송신부 제 1 코일 패턴과 상기 송신부 제 2 코일 패턴을 전기적으로 연결하는 통전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템. - 제 14 항에 있어서, 상기 송신부 제 1 코일 패턴과 상기 송신부 제 2 코일 패턴이 동일한 형상을 가지고, 각각 상기 송신부 기판 일면과 타면의 대응되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 제 14 항에 있어서, 상기 송신부 제 1 캐패시터와 상기 송신부 제 2 캐패시터가 동일한 형상을 가지고, 각각 상기 송신부 기판의 일면과 타면의 대응되는 위치에 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 제 14 항에 있어서, 상기 송신부 기판의 두께를 증가시켜 상기 송신부 제 1 코일 패턴과 상기 송신부 제 2 코일 패턴의 형성간격을 넓힘으로써, 전송효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 수신부 제 1 코일 패턴과 상기 수신부 제 1 캐패시터에 연결되어 전자기 유도에 의하여 무선 송전된 전력을 출력하는 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템. - 제 18 항에 있어서, 상기 출력부는
교류전류를 직류전류로 변환하는 정류기; 및
상기 정류된 전류가 사용되는 로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120030293A KR101419771B1 (ko) | 2012-03-26 | 2012-03-26 | 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120030293A KR101419771B1 (ko) | 2012-03-26 | 2012-03-26 | 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템 |
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Family Applications (1)
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| KR1020120030293A KR101419771B1 (ko) | 2012-03-26 | 2012-03-26 | 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템 |
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|---|---|---|---|---|
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Citations (4)
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| KR100476920B1 (ko) | 1996-12-30 | 2005-05-16 | 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. | 기판상에집적화된코일을포함하는장치 |
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2012
- 2012-03-26 KR KR1020120030293A patent/KR101419771B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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