KR101453975B1

KR101453975B1 - 근접장 자기 커플링을 활용한 무배터리 장치 연동 기법

Info

Publication number: KR101453975B1
Application number: KR1020120136048A
Authority: KR
Inventors: 김준열
Original assignee: 김준열
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-11-03
Also published as: KR20140068492A

Abstract

제1 코일을 포함하는 제1 NFC 인터페이스를 포함하는 제1 장치 및 제1 NFC 인터페이스로부터 무선으로 전력을 제공받으며 제2 코일을 포함하는 제2 NFC 인터페이스를 포함하는 제2 장치를 포함하는 무선 전력전송 시스템으로서, 제1 코일과 제2 코일의 이격거리(d)가 제1 코일 및 제2 코일의 최대지름(Rmax)의 두 배 보다 작은 구역 내에서 제1 코일과 제2 코일 간의 무선 전력전송 효율(η)이 0.1보다 크도록 되어있는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송 시스템이 공개된다.

Description

근접장 자기 커플링을 활용한 무배터리 장치 연동 기법{Method for linking batteryless device using near field magnetic coupling}

본 발명은 무배터리 장치(batteryless device)와 모바일 단말기의 연동 및 이를 활용한 시스템에 관한 것이다.

스마트폰(smart phone)과 같이 개인이 소지하는 모바일 단말기의 연산성능의 비약적인 발달로 인해 모바일 단말기를 중심으로 다양한 주변자원을 활용하는 기술 및 시스템이 적극적으로 개발되고 있다. 이의 일환으로 폼팩터(form factor)가 소형 무선센서(tiny wireless sensor)들의 연구를 기반으로 한 센서 네트워크(sensor network)의 개발이나 모바일 단말기에 동글(dongle) 형태로 연동되는 부속품(accessory)의 출현 등의 움직임이 일어나고 있다. 모바일 단말기에 연동되는 부속품 형태의 장치는 폼팩터 및 가격을 고려할 때, 자체 배터리를 제거하는 것이 큰 이점임은 자명하다.

무배터리 장치는 크게 무선 전력전송기술 및 정보제공기술로 구성된다.

무선 전력전송기술은 현재 대표적으로 NFC(Near Field Communication) 기술이 상용화되어 있다. NFC는 유도결합(Inductive coupling) 방식으로 무선으로 전력을 전송하고 동시에 데이터(data)를 양방향 송수신하는 무선 인터페이스(air interface) 규격 (ISO18092, 14443A/B)이다. 일반적으로 최대 3~4cm거리에서 송신전력 200mW, 수신전력 4mW 정도의 성능을 보인다. NFC 솔루션(solution)은 현재 스마트폰에 탑재되어 있으며, 안드로이드(Android) OS의 경우 NFC의 기능을 라이브러리(library)로 제공하고 있다. NFC는 1) 리더(reader), 2) 태그(tag), 3) P-to-P의 세 가지 기능을 제공한다. 리더는 핸드폰이 태그(혹은 센서)의 데이터를 추출하기 위해 전력을 제공하고, 해당 태그(혹은 센서)의 원하는 정보를 얻는 기능이다. 태그는 외부 리더기로부터 핸드폰이 전력을 공급받고, 필요로 하는 데이터를 외부 리더기에 전송하는 기능이다. 예를 들어, 스마트폰이 휴대용 지갑(mobile wallet)의 기능을 수행할 경우 외부 결재동글로부터 전력을 수신하고, 핸드폰에 내장되어 있는 신용 및 결재정보를 제공한다. 마지막으로 P-to-P 기능은 핸드폰 간의 통신을 위해 개별 기기가 각각의 전력를 송신하여 통신을 한다. 스마트폰에 탑재되어 있는 NFC의 경우, 이 중 태그기능을 사용한 휴대용 지갑으로 주로 활용되고 있다.

정보제공 기술은 크게 무배터리 장치의 자체 메모리에 내장되어 있는 정보를 제공하는 방법과, 센서 등의 추가 하드웨어를 통해 실시간 정보를 채득하여 제공하는 방법이 있다. 일반적으로 NFC 태그 또는 RFID 태그는 매우 제한된 자체 메모리에 사용자 로그(log)등의 단순한 정보를 내장하고 있다. 예를 들어, 1~16kByte의 내장 메모리에 사용자의 신용정보를 저장하여 무배터리 신용카드에 적용된다.

무배터리 장치를 활용하여 실시간 정보를 채득 및 제공하기 위해서는 추가적으로 적절한 센서를 탑재해야 한다. 센서는 1) 전기센서, 2) 화학센서, 3) 압력센서, 및 4) 온도센서 등 종류가 다양하며 상기한 종류 이외에도 매우 다양한 종류의 센서가 존재할 수 있다. 센서는 감지한 정보를 전기신호의 세기로 전환한다. 이때 전기신호란 전압 혹은 전류의 크기가 될 수 있다. 치환된 전기신호는 ADC(Analog to Digital Converter)등의 변환장치를 사용하여 디지털 값으로 치환되고, 필요하다면 후속신호처리가 있을 수 있다. 일반적으로 센싱 감도는 유지한 채로 센서를 작게 만들고 센싱전력을 적게 만드는 것이 필요하다.

본 발명에서는 근접장 자기 커플링(near field magnetic coupling)을 사용하여 모바일 단말기가 무배터리 장치에 동작전원을 공급하고, 장치로부터 원하는(desired) 정보를 체득하는 방법을 제공하고자 한다.

상술한 유도결합의 무선 전력전송방식을 사용한 NFC 태그의 경우, 수신전력의 한계 상 매우 작은 크기의 내장 메모리의 구동 혹은 극히 제한된 형태의 단순한 센서연동이 가능하다.

본 발명은 근접 자기장의 강한 상호결합(Near field strong magnetic coupling)을 사용하여 무선전력전송의 전송효율을 기존 NFC 방식과 비교하여 월등히 향상시키고자 한다. 이와 같은 방법으로 확보된 수신전력으로 10Mbytes 이상 수준의 멀티미디어 콘텐츠(multimedia contents)를 내장하는 무배터리 장치 혹은 다양한 형태의 센서와 연동하는 무배터리 장치를 제공하고자 한다.

이미 확보된 무배터리 장치는 모바일 단말기 또는 스마트폰과 연동하여 모바일 단말기로부터 전력을 수신하고, 적절한 정보를 단말기에 제공하여 단말기는 해당 정보를 후처리(post processing) 및 DB화 하여 관리하고 사용자에게 알맞은 형태로 제공한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 관점에 따라 제공되는 무선 전력전송 시스템은, 제1 코일을 포함하는 제1 NFC 인터페이스를 포함하는 제1 장치; 및 상기 제1 NFC 인터페이스로부터 무선으로 전력을 제공받으며 제2 코일을 포함하는 제2 NFC 인터페이스를 포함하는 제2 장치를 포함한다. 이때, 상기 제1 코일의 제1 양호도(Q₁), 상기 제2 코일의 제2 양호도(Q₂), 및 상기 제1 코일과 상기 제2 코일 사이의 상호결합계수(k)는, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 이격거리(d)가 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 최대지름(Rmax)의 두 배 보다 작은 구역 내에서 상기 제1 장치와 상기 제2 장치 간의 무선 전력전송 효율(η)이 0.1보다 크도록 되어있다. 이때, 무선 전력전송 효율은 η= k²Q₁Q₂ / { 2 + k²Q₁Q₂ + 2*root(1+k²Q₁Q₂) } 으로 주어질 수 있다.

이때, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일은 각각 1-턴 코일일 수 있다.

이때, 상기 상호결합계수를 높이기 위하여 상기 제1 코일의 전력공급 방향의 반대 측에 페라이트 시트가 결합되어 있고, 상기 제2 코일의 전력수급 방향의 반대 측에 페라이트 시트가 결합되어 있을 수 있다.

이때, 상기 상호결합계수를 높이기 위하여 상기 제1 코일 또는 상기 제2 코일의 중심에 영구자석을 배치할 수 있다.

이때, 상기 제2 장치는 무배터리 센서이며, 상기 제1 장치는 상기 제2 장치의 동작전력을 제공하며 상기 제2 장치로부터 센싱된 데이터를 수신하여 처리하도록 되어 있는 단말기일 수 있다.

이때, 상기 무배터리 센서는 혈중 알코올 농도, 체온, 나트륨 농도, 니코틴 농도, 또는 자외선 지수를 측정하도록 되어 있을 수 있다.

또한 본 발명의 다른 관점에 따라 제1 코일을 포함하는 제1 NFC 인터페이스를 포함하는 제1 장치로부터 무선으로 전력을 공급받도록 되어 있는 무선 전력수급장치가 제공될 수 있다. 이때, 상기 제1 NFC 인터페이스로부터 무선으로 전력을 제공받으며 제2 코일을 포함하는 제2 NFC 인터페이스를 포함하며, 상기 제2 코일은 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 이격거리(d)가 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 최대지름(Rmax)의 두 배 보다 작은 구역 내에서 상기 제1 장치와 상기 제2 장치 간의 무선 전력전송 효율(η)이 0.1보다 크도록 구성될 수 있다.

또한 본 발명의 또 다른 관점에 따라 제2 코일을 포함하는 제2 NFC 인터페이스를 포함하는 제2 장치에게 무선으로 전력을 공급하도록 되어 있는 무선 전력공급장치가 제공될 수 있다. 이때, 상기 제2 코일에게 무선으로 전력을 공급하며 제1 코일을 포함하는 제1 NFC 인터페이스를 포함하며, 상기 제1 코일은, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 이격거리(d)가 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 최대지름(Rmax)의 두 배 보다 작은 구역 내에서 상기 제1 장치와 상기 제2 장치 간의 무선 전력전송 효율(η)이 0.1보다 크도록 구성될 수 있다.

상술한 무선 전력공급장치와 무선 전력수급장치에 있어서, 무선 전력전송 효율 η= k²Q₁Q₂ / { 2 + k²Q₁Q₂ + 2*root(1+k²Q₁Q₂) }이고, Q₁는 상기 제1 코일의 제1 양호도, Q₂는 상기 제2 코일의 제2 양호도, k는 상기 제1 코일과 상기 제2 코일 사이의 상호결합계수를 나타낼 수 있다.

본 발명을 통해 근접장 강한 자기결합을 사용하여 모바일 단말기로부터 무배터리 장치로 고효율의 에너지 전송이 가능하다. 이를 NFC 통신 채널(channel)로 활용하여 모바일 단말기가 무배터리 장치로부터 대용량의 멀티미디어 콘텐츠나 적절한 센싱 데이터를 수집할 수 있다. 또한 수집한 데이터를 적절히 가공하여 사용자가 유용한 정보를 재생산할 수 있다.

도 1은 무배터리 장치와 모바일 단말기와의 연동 방법을 나타내는 도면이다.
도 2a는 근접장 자기결합의 거리에 따른 전력의 전송효율을 나타내는 도면이다.
도 2b는 FoM과 전송효율간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2c는 두 코일의 직경이 동일할 때, 즉, Rmax = R₁ = R₂ 인 경우 이격거리별 전송효율을 나타낸다.
도 2d는 Rmax = R₁ = 2*R₂ 의 경우의 그래프이다.
도 3은 나선코일과 1-턴 코일의 예시도이다.
도 4a 및 도 4b는 페라이트 시트와 자석을 사용한 코일의 예시도이다.
도 5는 NFC를 활용하여 대용량의 메모리를 탑재한 무배터리 장치와 연동을 하는 구성의 블록 다이어그램이다.
도 6은 NFC를 활용하여 센서와의 연동을 하는 구성의 블록 다이어그램이다.
도 7은 모바일 단말기에서 사용자의 센싱요청이 왔을 때의 처리에 관한 순서도이다.
도 8은 무배터리 센서가 전력를 수신하고, 모바일 단말기와의 상호작용(interaction)을 수행하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 9는 혈중 알코올 농도측정센서를 활용한 모바일 단말기에서의 활용예의 예시이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 이하에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

도 1은 모바일 단말기와 무배터리 장치 간의 연동을 도식화한 그림이다. 도면에서와 같이 모바일 단말기(2)는 근접 자기장 강한 상호결합을 사용하여 원격의 무배터리 장치(1)에 동작전원을 공급한다. 동작전원을 수신한 무배터리 장치(1)는 모바일 단말기(2)의 명령에 따라 혹은 사전에 약속된(predetermined) 절차에 따라 적절한 정보를 가공하고 이를 모바일 단말기(2)에 전달한다. 이상의 전력전송 및 상호 간 데이터 전송은 모두 무선으로 행해진다.

도 2a는 두 코일 간 이격거리에 따른 에너지 전송효율을 나타낸다. 동일 주파수로 튜닝(tuning)된 근접한 한 쌍의 코일이 존재할 때, 두 코일 중 한 코일에 교류전원이 인가되면 자기결합에 의해 에너지가 무선으로 인접한 코일에 전달된다. 전달되는 에너지의 양은 일반적으로 두 코일의 Q(양호도, quality factor)와 결합계수(coupling coefficient) k의 함수로 결정된다. Q는 한 코일의 개별 성능을 나타내는 지표로써, Q = (코일의 저장에너지)/(코일의 소모에너지)의 식을 따른다. 즉, 코일에 에너지가 주입되었을 때 내부저항(internal resistance) 및 방사저항(radiation resistance)을 포함하는 각종 저항성분에 의해 자체 소모되는 부분과 코일 내에 저장되는 에너지의 비율이다. 코일 내에 저장되는 에너지의 일정 부분이 인접 코일로 전달되므로, Q가 클수록 자기결합이 강하게 일어남을 쉽게 예측할 수 있다. 결합계수(Coupling coefficient) k는 인접 코일 간 자기결합의 강도를 나타내는 상수로, 코일의 크기 및 모양, 코일 간 이격거리의 함수이다. 일반적으로 이격거리의 삼승에 반비례해서 k가 감소한다

일반적으로 자기결합의 성능 척도로는 코일 1과 코일 2가 근접 자기결합을 이루고 있을 때, Q와 k에 따른 FoM(Figure of Merit)을 수학식 1과 같이 제안할 수 있다.

이때, Q₁은 코일 1의 Q, Q₂는 코일 2의 Q를 뜻한다. FoM이 1보다 큰 영역을 강한 결합구역(strongly coupled region)이라 하고, FoM이 1보다 작은 영역을 약한 결합구역(weakly coupled region)이라 한다. 결합계수(Coupling coefficient) k는 거리의 삼승에 반비례하므로 이격거리가 늘어날수록 전송효율은 6승에 반비례하여 감소한다. 그러나 각 코일의 Q가 충분히 크다면, 일정 값(threshold)의 이격거리 내에서는 전송효율이 거의 일정하게 유지된다. 이 영역이 위에서 설명한 FoM이 1보다 큰 강한 결합구역이다. 결합계수 k는 거리에 따라 감소하지만, 두 코일의 Q가 이를 보상해 주기 때문에 전송효율의 감소가 일어나지 않는다. 이 영역을 넘어선 거리에서는 더 이상 Q가 거리에 따른 결합계수 k의 감소를 보상해 주지 못하여, 거리의 6승에 반비례하여 전송효율이 급감하는 약한 결합구역이 나타난다. 이와 같이, 근접장 자기결합에 의한 전력전송은 높은 전송효율을 보장하기 위해 강한 결합구역 내에 두 코일을 위치해야 한다. 이를 위해선 높은 Q의 확보 또는 높은 결합계수 k를 확보해야 한다.

ISO14443A/B 표준으로 대표되는 13.56MHz 대역의 ISM 밴드(band)를 사용하는 RFID 혹은 NFC는 유도결합 방식을 사용하며, 주로 스마트카드에 사용된다. 리더와 태그 간의 이격거리는 약 3~4cm 이고, 일반적으로 약 200~300mW의 전력을 리더에서 전송하여 약 4~5mW의 전력이 태그에 전달되어 태그의 동작에 활용된다. 이와 같은 전송효율(2%)은 자기결합 측면에 있어, 약한 결합영역에 있음을 쉽게 예측할 수 있다. 실제로 RFID 태그의 Q는 약 10~13 수준이고, 3~4cm 이격거리에서의 결합계수 k는 0.05 이하 수준이다.

송신안테나에서 수신부하까지의 전송효율과 FoM의 관계식은 수학식 2와 같다.

이때, η는 전송효율, t는 FoM의 제곱으로, 다시 말해서, k²Q₁Q₂이다. t>>1인 경우 수학식 2는 수학식 3으로 근사되고, 1로 수렴함을 알 수 잇다.

t<<1인 경우 1차 테일러 익스팬션(first order Taylor expansion)에 의해 수학식 2는 수학식 4로 근사되고, t에 비례함을 알 수 있다. 이는 FoM의 제곱에 비례하는 것으로서, Q가 일정할 때에 k의 제곱, 다시 말해 거리의 육승에 반비례하는 것이다. 이때가 상술한 약한 결합구역에 해당한다.

t=1의 경우 η=1/(3+2*root(2))=0.1716이며, 따라서 강한 결합이 일어나는 아래쪽 바운드(lower bound)의 전송효율은 0.1716이다(본 명세서에서 root(x)는 x의 제곱근을 나타냄).

도 2b는 FoM과 전송효율간의 관계를 나타내는 그래프로, FoM이 1보다 작은 경우, FoM의 제곱에 비례해서 전송효율이 증가하고, FoM이 1인 경우 0.1716, FoM이 1보다 큰 경우 1에 수렴하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 결합계수 k와 두 코일의 이격거리 d 사이에는 수학식 5의 관계가 성립한다.

이때, k_n(d)는 단일 축 중심에 놓인 평행 도체 루프의 이격거리 d에서의 결합계수이고, R1, R2는 각각 Tx, Rx 코일의 직경(지름), Rmax = max{R1, R2}이다. 실제 결합계수 k(d)는 코일의 모양과 페라이트 시트, 영구자석의 추가에 의해 위의 식에서 도출한 표준 형태의 결합계수에 상수를 곱한 형태로 수학식 6과 같이 근사할 수 있다.

이 때, α는 코일의 모양 및 추가 장치에 의해 부가되는 상수항이다. 위의 식 k(d)와 FoM과의 관계 (FoM=k(d)*root(Q₁Q₂)) 및 상술한 FoM과 전송효율 η과의 관계에 의해 이격거리 d와 전송효율 간의 관계를 구할 수 있다..

도 2c는 두 코일의 직경이 동일할 때, 즉, Rmax = R₁ = R₂ 인 경우 이격거리별 전송효율을 나타낸다. X축은 이격거리로, Rmax로 표준화(normalized)되어 있다. 즉, X축이 1인 지점은 이격거리 d = Rmax, X축의 2인 지점은 이격거리 d = 2Rmax이다. c=α*root(Q₁Q₂)로 표준형태의 코일에 k를 높이기 위한 추가 설정(α)과 코일의 자체 에너지보유효율(Q)에 의해 FoM의 선형 증가분을 나타낸다. c=10의 선(line)(13)은 종래의 NFC 또는 RFID의 성능이다. 본 발명에서 제안하는 강한 자기결합을 형성하는 방법을 사용하여 c를 증가시킬 수 있으며, c=30 및 c=100에 해당하는 선(12, 11)은 이와 같이 방법으로 향상된 성능을 나타낸다. 도 2c에서 FoM = 1의 점선(dotted line)(14)은 FoM =1 (전송효율 0.1716 = -7.6548dB)인 지점을 나타낸다. 이보다 위의 영역은 강한 결합, 이보다 낮은 부분은 약한 결합을 나타낸다.

도 2d는 Rmax = R₁ = 2*R₂ 의 경우의 그래프이다. 그래프에서 알 수 있듯이, 전반적으로 전송효율이 동일 구경의 코일의 경우에 비해서 나빠짐을 알 수 있다. 대칭 및 비대칭(Rmax < 2Rmin)의 코일 구조에서 모두, 강한 결합을 유도하는 본 발명의 방법을 사용하여, c의 값을 늘림 (c>30)으로써, 양단 코일의 최대 직경의 2배 이하의 이격 거리에서 1/10 (-10dB) 이상의 전송 효율을 달성할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 각각 나선형 코일(spiral coil)과 1-회전(turn) 코일의 예시도이다. 근접 자기장 내에서 강한 결합을 유도하기 위해선 코일의 Q를 향상시키는 것이 중요하다. 도 3a의 나선형 코일의 구조는 현재 NFC 혹은 RFID에서 사용하고 있는 안테나 구조이고, 도 3b는 Q를 향상시키기 위해 본 발명에서 제안하는 코일의 구조이다. 도 3a는 도선의 두께가 얇은 4 회전의 코일로 큰 인덕턴스를 갖는다. 한편 도 3b는 도선의 두께가 두꺼운 1 회전 코일로 도 3a에 비교하여 상대적으로 작은 인덕턴스를 갖는다.

나선형 코일의 인덕턴스는 수학식 7로 근사될 수 있다.

여기서 r은 코일의 평균 반지름, N은 회전수, d는 코일의 외경에서 내경까지의 거리로 거리의 단위는 인치(inch)이다. 위 식에서 알 수 있듯이 코일의 인덕턴스는 회전수의 제곱에 비례해서 늘어난다. NFC의 동작 주파수는 13.56MHz의 ISM 밴드이다. 일반적으로 코일의 공진 주파수를 동작 주파수에 튜닝한다. 코일의 공진 주파수는 아래의 수학식 8을 따른다.

위의 식에서, f_c= 13.56MHz이고, L은 나선형 코일 구조에 의해 결정된다. 따라서 주파수 튜닝을 위한 추가 캐패시터의 용량도 결정된다. 예를 들어, 반경 2cm인 원형 코일의 인덕턴스 L은 회전수 N이 1과 4일 때, 각각 133nH, 2.13uH이다. 이때 공진 주파수 튜닝을 위한 캐패시터의 용량은 각각 1.04nF, 64.67pF이다. 이때 회전수 1과 4의 경우는 각각 도 3b와 도 3a에 대응한다.

도 3a와 도 3b의 코일의 경우에 각각 FoM을 계산하여 전송효율을 비교해보면 다음과 같다. 결합계수 K는 양 코일 간의 단면적의 곱에 비례하기 때문에 도 3a와 도 3b의 경우에 동일한 값을 갖는다. 반지름이 2cm이고 이격거리가 4cm인 두 코일 간의 결합계수 k는 약 0.0213이다. 코일의 Q는 다음의 수학식 9로 계산된다.

위 식에서 R, L, C는 각각 코일의 저항, 인덕턴스, 캐패시턴스이다. 코일의 저항은 전선(wire)의 저항을 구하는 다음의 수학식 10에서 유도할 수 있다.

위 식에서 ρ는 저항률, l은 도선의 길이, A는 도선의 단면적이다. 도 3a의 NFC 안테나의 경우 일반적으로 10~13의 Q를 갖는다. 여기서 Q = 10이라고 가정한다. 도 3b의 안테나의 경우, 내부 저항 R은 도 3a 대비 약 1/160이다. 도선의 길이가 1/4이고, 도선의 단면적이 40배라고 가정했을 경우이다. 이때의 Q = 100 이다. 저항이 1/160이고, 인덕턴스가 1/16, 캐패시턴스가 16배이기 때문이다. 이상과 같이 FoM을 도 3a와 도 3b의 경우에 계산해 보면, 각각 0.213, 2.13이 나온다. 도 3a와 같은 기존 NFC 안테나의 경우 FoM이 1 보다 작아서 약한 상호결합을 하고 있지만, 도 3b와 같은 본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 안테나의 구조의 경우 FoM이 1보다 커서 강한 상호결합을 하는 것을 알 수 있다.

표 1은 종래의 NFC 안테나와 본 발명의 일 실시예 따른 안테나의 구조의 비교를 정리한 것이다. 여기서 두 안테나는 반지름 2cm의 원형 구조이고, 이격거리는 4cm이다. 표 1과 같이 본 발명에 따른 구조에서 Q값이 비약적 향상되며, 강한 상호결합이 가능한 것을 확인할 수 있다.

Antenna type	L	C	R	k	Q	FoM	커플링
NFC	2.13uH	64.67pF	18.14Ω	0.0213	10	0.213	약함
본 발명	133nH	1.04nF	115mΩ	0.0213	100	2.13	강함

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 결합계수 k를 향상시키기 위한 방법을 보여준다. 도 4a는 양 코일(41, 44)의 뒤에 페라이트 시트(Ferrite sheet)(42)를 부착하여, 자기장의 방향을 마주보는 코일(41, 44) 쪽으로 향하게 유도한다. 페라이트 시트(42)가 반대 방향으로 형성되는 자기장을 차폐하여, 한 쪽으로만 자기장이 유도되는 효과를 얻는다. 이를 통해 두 코일(41, 44) 간의 상호결합계수를 높일 수 있다. 도 4b는 코일(41, 44)의 중앙에 영구자석(43)을 부착하여, 코일(41, 44) 간 결합계수를 높인다. 영구자석(43)에서 발생하는 자기장 성분이 코일(41, 44) 간의 결합력에 부가하여 전체적으로 결합계수를 높여준다.

도 5는 NFC를 무선 인터페이스로 활용하여 대용량 메모리를 내장한 무배터리 장치와 모바일 단말기 간의 상호 동작에 있어서 각 기기의 블록 선도이다. 왼쪽의 모바일 단말기(2)는 사용자의 요구에 의해 제2 NFC 인터페이스(62)와 제1 NFC 인터페이스(61)를 통하여 무배터리 장치(1)의 메모리에서 필요로 하는 정보를 제공받는다. 이때, 대용량 메모리를 구동하기 위해서 강한 자기결합을 사용하여 높은 전송효율을 통해 무선 전력전송을 한다. 대용량 메모리는 10Mbyte이상의 용량을 제공하여, MP3 노래 한 곡 혹은 책 한 권 분량의 텍스트(text) 정보 혹은 10초 분량의 동영상 정보 등 멀티미디어 콘텐츠를 담을 수 있다. 이와 같은 정보의 저장으로, 디지털 싱글 앨범, E-book 혹은 영화 홍보 등에 두루 사용될 수 있다.

도 6은 NFC를 무선 인터페이스로 활용한 모바일 단말기와 무배터리 센서와의 연결에서의 각각 기기의 블록 선도이다. 왼쪽이 모바일 단말기(2)이고 오른쪽이 무배터리 센서(1)이다. 모바일 단말기(2)의 무선 인터페이스로 NFC로 활용하고 NFC의 동작은 내부 프로세서 혹은 OS가 관장한다. 상위 어플리케이션 혹은 다른 작업(task)으로부터 제2 NFC 인터페이스(62)를 사용한 센싱요청이 발생할 시, 내부 프로세서 혹은 OS는 제2 NFC 인터페이스(62)를 통해 무선으로 전력을 전송하고, 해당 센서(1)로부터 센싱 데이터를 수신한다. 수신한 데이터는 내부 프로세서 혹은 상위 어플리케이션에 의해 적절히 가공되고, 내부 메모리 혹은 DB에 저장될 수 있다. 이때에도 무배터리 센서(1)에 충분한 구동전력을 무선으로 전송하기 위하여 강한 자기결합을 사용한다.

무배터리 센서(1)는 제1 NFC 인터페이스(61), 전력제어부, 디지털 프로세싱부 그리고 센서로 구성된다. 제1 NFC 인터페이스(61)는 모바일 단말기(2)와의 통신 및 전력 수신을 담당한다. 전력제어부는 수신한 전력을 작동(operating)에 적절한 직류(DC)로 치환한다. 디지털 프로세싱부은 센싱한 데이터를 디지털 정보로 바꾸고, NFC 인터페이스로 전달한다. 마지막으로 센서는 정보를 센싱한다.

도 7은 모바일 단말기에서 사용자의 센싱요청이 왔을 때의 처리에 관한 순서도이다. 센싱요청이 상위로부터 도달했는지를 판단(S11)하고 도달하였다면, 먼저 주변에 해당 센서가 존재하는지 여부를 판별한다. 이를 위해 NFC 인터페이스로 ID 요청 메시지(request message)를 전송(S12)한다. 만약 주변에 해당 센서가 존재한다면, 이에 대한 응답을 수신할 수 있다. 따라서 모바일 단말기는 ID가 수신되었는지를 판단한다(S13). 응답을 수신한 모바일 단말기는 NFC 인터페이스로 데이터 센싱요청(data sensing request) 명령을 전송한다(S15). 센싱를 마친 센서는 해당 센싱 데이터를 전송할 수 있다. 따라서 모바일 단말기는 센서로부터 데이터를 수신하였는지를 확인한다(S15). 데이터를 수신한 모바일 단말기는 적절한 후처리를 수행한다(S16).

도 8은 무배터리 센서가 전력을 수신하고, 모바일 단말기와의 상호작용을 수행하는 순서도이다. 일정 수준 이상의 전력수신을 통해 센서는 슬립모드(sleep mode)에서 동작모드(operating mode)로 동작 천이가 된다. 만약 일정 수준 이상의 전력을 수신하지 못할 경우 동작에 필요한 최소의 에너지조차 없는 상태이므로 센서는 제 기능을 하지 못한다. 따라서 최소전력조건은 센싱을 하기 위한 가장 중요한 필요조건이다. 본 발명의 일 실시예에서는 강한 자기결합을 사용하여 최소전력조건을 만족하는 무선 전력전송이 가능하도록 한다. 무배터리 센서는 단계(S21)에서 전력이 수신되었는지를 판단한다. 모바일 단말기로부터 동작하기 위한 충분한 전력을 수신할 경우 ID 요청이 수신되었는지를 판단한다(S22). ID 요청이 수신되면 무배터리 센서는 자신의 ID를 송신한다(S23). 이후에 모바일 단말기로부터 센싱 요청이 수신되었는지를 판단한다(S24). 센싱요청 명령의 수신에 따라 데이터 센싱하고(S25), 그 후 모바일 단말기에 해당 정보를 송신한다(S26).

도 9는 상기의 모바일 단말기 및 무배터리 센서 솔루션을 활용한 혈중 알코올 농도 측정 어플리케이션의 예시이다. 도 9는 모바일 단말기의 화면을 모사하고 있다. 화면의 상단에는 현재 측정된 혈중 알코올 농도를 표시한다. 우측 상단의 빨간색 버튼을 터치할 경우, 모바일 단말기 내부에서, NFC 인터페이스를 통해 근처에 존재하는 혈중 알코올 농도측정 무배터리 센서와의 통신을 통해 사용자의 혈중 알콜 농도를 측정한다. 이때 해당 사용자는 센서에 숨을 깊게 내뱉어 센싱에 적극 협조한다. 측정된 혈중 알코올 농도는 모바일 단말기 내부에 자동으로 저장되고 또한 동시에 화면 상단 박스에 출력된다. 이와 같은 방법으로 현재 사용자의 혈중 알코올 농도를 간단히 측정할 수 있다. 저장된 데이터를 활용하면 화면 하단과 같이 사용자의 음주기록를 작성할 수 있다.

도 9에서는 혈중 알코올 농도측정센서의 구체적 예를 들었지만 이외에도 체온 센서, 나트륨 농도측정센서, 니코틴 측정 센서 등 그 활용 범위는 무궁무진한다. 예를 들어 체온 센서의 경우 영유아의 이마 혹은 겨드랑이에 매우 작은 크기의 붕대 타입(bandage type)의 무배터리 온도 센서를 부착한다. 필요에 따라 모바일 단말기로 탭앤센싱(Tap-and-sensing)을 방식으로 해당 영유아의 체온을 손쉽게 잴 수 있다. 또한 체온의 변화를 모바일 단말기의 어플리케이션의 적절한 활용을 통해 저장 및 분석할 수 있다.

이상 본 발명이 양호한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 특허청구범위의 각 청구항의 내용은 본 명세서를 통해 이해할 수 있는 범위 내에서 인용관계가 없는 다른 청구항에 결합될 수 있다.

그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 제1 장치(무배터리 장치)
2: 제2 장치(모바일 단말기)
41: 제1 코일
44: 제2 코일
61: 제1 NFC 인터페이스
62: 제2 NFC 인터페이스

Claims

제1 코일을 포함하는 제1 NFC 인터페이스를 포함하는 제1 장치; 및 상기 제1 NFC 인터페이스로부터 무선으로 전력을 제공받으며 제2 코일을 포함하는 제2 NFC 인터페이스를 포함하는 제2 장치를 포함하는 무선 전력전송 시스템으로서,
상기 제1 코일의 제1 양호도(Q₁), 상기 제2 코일의 제2 양호도(Q₂), 및 상기 제1 코일과 상기 제2 코일 사이의 상호결합계수(k)는, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 이격거리(d)가 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 최대지름(Rmax)의 두 배 보다 작은 구역 내에서 상기 제1 장치와 상기 제2 장치 간의 무선 전력전송 효율(η)이 0.1보다 크도록 되어있는 것을 특징으로 하는,
무선 전력전송 시스템.
단, 무선 전력전송 효율 η= k²Q₁Q₂ / { 2 + k²Q₁Q₂ + 2*root(1+k²Q₁Q₂) }.
제1항에 있어서, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일은 각각 1-턴 코일인 것을 특징으로 하는, 무선 전력전송 시스템.
제1항에 있어서, 상기 상호결합계수를 높이기 위하여 상기 제1 코일의 전력공급 방향의 반대 측에 페라이트 시트가 결합되어 있고, 상기 제2 코일의 전력수급 방향의 반대 측에 페라이트 시트가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 무선 전력전송 시스템.
제1항에 있어서, 상기 상호결합계수를 높이기 위하여 상기 제1 코일 또는 상기 제2 코일의 중심에 영구자석을 배치한 것으로 특징으로 하는, 무선 전력전송 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제2 장치는 무배터리 센서이며, 상기 제1 장치는 상기 제2 장치의 동작전력을 제공하며 상기 제2 장치로부터 센싱된 데이터를 수신하여 처리하도록 되어 있는 단말기인 것을 특징으로 하는, 무선 전력전송 시스템.
제5항에 있어서, 상기 무배터리 센서는 혈중 알코올 농도, 체온, 나트륨 농도, 니코틴 농도, 또는 자외선 지수를 측정하도록 되어 있는, 무선 전력전송 시스템.
제1 코일을 포함하는 제1 NFC 인터페이스를 포함하는 제1 장치로부터 무선으로 전력을 공급받도록 되어 있는 무선 전력수급장치로서,
상기 제1 NFC 인터페이스로부터 무선으로 전력을 제공받으며 제2 코일을 포함하는 제2 NFC 인터페이스를 포함하며,
상기 제2 코일은 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 이격거리(d)가 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 최대지름(Rmax)의 두 배 보다 작은 구역 내에서 상기 제1 장치와 상기 무선 전력수급장치 간의 무선 전력전송 효율(η)이 0.1보다 크도록 구성된 것을 특징으로 하는,
무선 전력수급장치.
단, 무선 전력전송 효율 η= k²Q₁Q₂ / { 2 + k²Q₁Q₂ + 2*root(1+k²Q₁Q₂) },
Q₁: 상기 제1 코일의 제1 양호도,
Q₂: 상기 제2 코일의 제2 양호도,
k: 상기 제1 코일과 상기 제2 코일 사이의 상호결합계수.
제7항에 있어서, 상기 제2 코일은 1-턴 코일인 것을 특징으로 하는, 무선 전력수급장치.
제7항에 있어서, 상기 상호결합계수를 높이기 위하여 상기 제2 코일의 전력수신 방향의 반대 측에 페라이트 시트가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 무선 전력수급장치.
제7항에 있어서, 상기 상호결합계수를 높이기 위하여 상기 제2 코일의 중심에 영구자석을 배치한 것으로 특징으로 하는, 무선 전력수급장치.
제2 코일을 포함하는 제2 NFC 인터페이스를 포함하는 제2 장치에게 무선으로 전력을 공급하도록 되어 있는 무선 전력공급장치로서,
상기 제2 코일에게 무선으로 전력을 공급하며 제1 코일을 포함하는 제1 NFC 인터페이스를 포함하며,
상기 제1 코일은, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 이격거리(d)가 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 최대지름(Rmax)의 두 배 보다 작은 구역 내에서 상기 무선 전력공급장치와 상기 제2 장치 간의 무선 전력전송 효율(η)이 0.1보다 크도록 구성된 것을 특징으로 하는,
무선 전력공급장치.
단, 무선 전력전송 효율 η= k²Q₁Q₂ / { 2 + k²Q₁Q₂ + 2*root(1+k²Q₁Q₂) },
Q₁: 상기 제1 코일의 제1 양호도,
Q₂: 상기 제2 코일의 제2 양호도,
k: 상기 제1 코일과 상기 제2 코일 사이의 상호결합계수.
제11항에 있어서, 상기 제1 코일은 1-턴 코일인 것을 특징으로 하는, 무선 전력공급장치.
제11항에 있어서, 상기 상호결합계수를 높이기 위하여 상기 제2 코일의 전력수신 방향의 반대 측에 페라이트 시트가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 무선 전력공급장치.
제11항에 있어서, 상기 상호결합계수를 높이기 위하여 상기 제2 코일의 중심에 영구자석을 배치한 것으로 특징으로 하는, 무선 전력공급장치.