KR101455825B1 - 무선 전력전송용 공진기 - Google Patents

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Abstract

휴대기기 등의 무선 전력전송을 위한 공진기를 개시한다. 기판이 구비된다. 적어도 하나의 마이크로 스트립 라인은 기판 상에 형성되며, 일 측에 슬릿이 형성되어 개방 루프 형상으로 이루어진다. 마그네틱 코어는 기판 상에 형성되며, 마이크로 스트립 라인에 의해 한정된 공간 내에 배치되어, 결합 세기를 증가시킨다. 따라서, 소형이면서도 무선 전력전송 거리가 길어질 수 있고 무선 전력전송 효율이 높아질 수 있다.
무선, 전력전송, 공진기

Description

무선 전력전송용 공진기{Resonator for wireless power transmission}
본 발명은 공진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휴대기기 등의 무선 전력전송에 이용되는 무선 전력전송용 공진기에 관한 것이다.
정보기술 발전과 함께 다양한 휴대기기들이 출시되고 있으며, 이에 따라 개인이 여러 종류의 휴대기기들을 소유하는 경우가 많다. 이들 휴대기기들은 전원공급 또는 충전을 위한 인터페이스가 서로 상이할 수 있으므로, 각각의 규격에 맞는 전원공급기기나 충전기기를 모두 갖고 있어야 한다.
이러한 불편함을 해소하기 위해, 최근에는 유선을 사용하지 않고 무선으로 전력을 공급할 수 있는 무선 전력전송(wireless power transmission) 기술이 연구되고 있다. 무선 전력전송 기술이 실용화 된다면, 현재 사용되고 있는 유선 전력전송 기술을 대체하여, 언제 어디서나 보다 간편하게 휴대기기에 전원을 공급하거나 충전할 수 있다. 또한, 폐건전지를 줄일 수 있으므로, 환경오염을 방지하는데도 도움이 될 수 있다.
무선 전력전송 방법의 하나로, 순간적 웨이브 결합(evanescent wave coupling)의 전자기 공진 방식을 이용하여, 무선으로 근거리 대전력 전송이 가능하 게 하는 기술이 연구되고 있다. 그러나, 이 기술은 근접장(near field)을 이용하는 것으로, 근거리에서 전력을 전송하기 위해서는 낮은 주파수가 이용되어야 하므로, 공진기의 크기가 커져야 하는 문제를 안고 있다.
본 발명의 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소형이면서도 무선 전력전송 거리를 늘릴 수 있고 무선 전력전송 효율을 높일 수 있는 무선 전력전송용 공진기를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 전력전송용 공진기는, 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 일 측에 슬릿이 형성되어 개방 루프 형상으로 이루어진 적어도 하나의 마이크로 스트립 라인; 및 상기 기판 상에 형성되며, 상기 마이크로 스트립 라인에 의해 한정된 공간 내에 배치되어, 결합 세기를 증가시키는 마그네틱 코어;를 구비한다.
본 발명에 따르면, 마그네틱 코어에 의해 결합 세기를 증가시키고 공진 주파수를 저주파 대역으로 낮출 수 있으므로, 소형이면서 전력전송효율이 높고, 무선 전력전송 거리가 길어질 수 있다.
그리고, 본 발명에 따르면, 마이크로 스트립 라인들이 3차원적으로 배열되어, 공진 주파수를 저주파 대역으로 낮추면서도, 공진기의 설치 면적을 최소화할 수 있다. 따라서, 무선 전력전송을 필요로 하는 각종 휴대기기에 적용 가능할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력전송용 공진기에 대한 사시도이고, 도 2는 도 1에 대한 단면도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력전송용 공진기는, 무선 전력전송 장치와 휴대기기에 각각 구비되어, 공진 결합(resonance coupling)에 의한 자기장을 통해 휴대기기로 전력을 공급할 수 있게 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 무선 전력전송용 공진기(100)는 기판(110)과, 적어도 하나의 마이크로 스트립 라인(microstrip line, 120), 및 마그네틱 코어(magnetic core, 130)를 구비한다.
기판(110)은 그 윗면에 마이크로 스트립 라인(110)과 마그네틱 코어(120)가 형성되어 지지될 수 있게 한다. 기판(110)은 유전체(dielectric substance)로 형성될 수 있다. 이 경우, 동일한 공진 주파수를 기준으로 하여, 기판(110)을 형성하는 유전체의 유전율을 조절하게 되면, 기판(110)의 크기를 원하는 대로 설정할 수 있다. 예컨대, 기판(110)의 크기를 작게 하기를 원한다면, 높은 유전율을 갖는 유전체로 기판(110)을 형성할 수 있다.
마이크로 스트립 라인(120)은 전류가 흐르게 되면, 근접장이 형성될 수 있게 한다. 마이크로 스트립 라인(120)은 일 측에 슬릿 (slit, 121)이 형성되어 개방 루프 형상으로 이루어진다. 여기서, 마이크로 스트립 라인(120)은 사각형 개방 루프 형상으로 이루어질 수 있다. 그러나, 도시하진 않았지만, 마이크로 스트립 라 인(120)은 원형 개방 루프 형상으로 이루어지는 것도 가능하다. 마이크로 스트립 라인(120)은 도전성을 갖도록 도전 물질(electric substance)로 형성될 수 있다.
마그네틱 코어(130)는 기판(110) 상에 형성된다. 그리고, 마그네틱 코어(130)는 마이크로 스트립 라인(120)에 의해 한정된 공간 내에 배치된다. 여기서, 마그네틱 코어(130)는 마이크로 스트립 라인(120)과 비접촉되게 배치될 수 있다. 마그네틱 코어(130)는 전기장(electric field)을 기판(110) 내에 가두고, 자기장(magnetic field)의 세기를 증가시켜, 결합 세기를 증가시킬 수 있게 한다. 따라서, 소형이면서 전력전송효율이 높은 공진기(100)가 구현될 수 있다.
상술하면, 자기장의 세기는 상대 투과율(relative permeability)에 비례한다. 마그네틱 코어(130)가 없고 공기만 있는 경우는 상대 투과율이 1의 값에 가깝지만, 마그네틱 코어(130)가 있게 되면, 상대 투과율이 100의 값보다 훨씬 크게 된다. 따라서, 마그네틱 코어(130)가 있게 되면, 자기장의 세기가 증가할 수 있으므로, 결합 세기가 증가할 수 있다.
그리고, 다음 수학식 1과 같이 공진 결합의 결합 세기가 높을수록 에너지 전송효율이 높다. 여기서, K는 공진 결합의 결합 세기를 의미하고, Γ는 1/Q를 의미하며, Q는 공진의 예민도를 의미한다.
전송효율 η = K / Γ
상기 수학식 1에어서와 같이, 마그네틱 코어(130)에 의해 결합 세기가 증가하게 되면, 전력전송효율이 높은 공진기가 구현될 수 있다. 그리고, 무선 전력전 송 거리가 길어질 수 있다.
또한, 마그네틱 코어(130)에 의해, 공진 주파수가 저주파로 이동하는 폭이 크게 되므로, 동일한 공진 주파수를 기준으로 공진기(100)를 설계할 때, 공진기(100)의 크기를 줄일 수 있게 된다. 따라서, 소형 공진기(100)가 구현될 수 있다.
상기 마그네틱 코어(130)는 페라이트(ferrite) 마그네틱 코어일 수 있다. 이 경우, 페라이트의 특성에 따라 전기장은 더욱 기판(110) 내에 갇히게 되고, 자기장의 세기가 증가되어, 전술한 효과가 더욱 높아질 수 있다.
한편, 상기 마이크로 스트립 라인(120)은 복수 개로 구비될 수 있다. 그리고, 마이크로 스트립 라인(120)들은 기판(110) 상에 동축 상으로 적층되되, 서로 이격되게 적층되어, 3차원적으로 배열됨이 바람직하다. 이는 공진 주파수를 저주파 대역으로 낮출 수 있으면서도, 공진기(100)의 설치 면적을 최소화할 수 있도록 하기 위함이다.
즉, 마이크로 스트립 라인(120)의 개수가 증가할수록, 공진 주파수가 저주파 대역으로 낮아질 수 있다. 여기서, 마이크로 스트립 라인(120)들이 2차원적으로 배열되면, 마이크로 스트립 라인(120)의 개수가 증가한 만큼 기판(110)의 면적이 증가하게 된다.
반면, 마이크로 스트립 라인(120)들이 3차원적으로 배열되면, 마이크로 스트립 라인(120)의 개수가 증가하더라도 기판(110)의 면적은 변화가 없게 된다. 따라서, 공진 주파수가 저주파 대역으로 낮아지면서도, 공진기(100)의 설치 면적이 최 소화될 수 있는 것이다.
전술한 것처럼, 공진 주파수가 저주파 대역으로 설정될 수 있으면, 근접장을 이용해서 근거리 전력전송을 하는데 유리해질 수 있다. 한편, 마이크로 스트립 라인(120)은 원하는 주파수 대역에 맞도록, 개수뿐 아니라 크기도 설정될 수 있다.
상기 마이크로 스트립 라인(120)들 간의 간격(space)은 원하는 결합 세기에 맞게 설정될 수 있다. 마이크로 스트립 라인(120)들 간의 간격이 좁아질수록 결합 세기는 증가할 수 있다. 따라서, 마이크로 스트립 라인(120)들 간의 간격을 좁게 할수록, 근거리 전력전송을 하는데 유리하다 할 것이다.
본 실시예의 마이크로 스트립 라인(120)들은 적층 구조를 가지므로, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정에 의해 제조하기에 적합한 구조라 할 수 있다. 그러므로, 마이크로 스트립 라인(120)들 간의 간격을 최대한 좁힐 수 있어, 결합 세기를 증가시키는데 유리할 수 있다.
마이크로 스트립 라인(120)들은 다수의 칼럼(140)들에 의해 이격된 상태로 지지가 될 수 있다. 따라서, 마이크로 스트립 라인(120)들은 칼럼(140)들에 의해 서로 간의 간격이 유지될 수 있는 것이다. 칼럼(140)들은 마이크로 스트립 라인(120)이 사각형 개방 루프 형상으로 이루어진 경우라면, 4변 중 적어도 3변에 각각 적어도 하나씩 위치하여, 마이크로 스트립 라인(120)들 사이가 안정되게 지지되는 것이 바람직하다.
그리고, 마이크로 스트립 라인(120)이 도전 물질로 형성된 경우, 칼럼(140)들은 유전체로 이루어지거나, 도전 물질로 형성될 수 있다. 칼럼(140)들이 도전 물질로 형성된다면, 마이크로 스트립 라인(120)들은 도통된 구조로 이루어질 수 있게 된다.
다른 예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로 스트립 라인(120)들은 지지층(240)에 의해 이격된 상태로 지지가 될 수 있다. 따라서, 마이크로 스트립 라인(120)들은 지지층(240)에 의해 서로 간의 간격이 유지될 수 있는 것이다. 지지층(240)은 마이크로 스트립 라인(120)이 사각형 개방 루프 형상으로 이루어진 경우라면, 이에 상응하여 사각형 루프 형상으로 이루어질 수 있다.
여기서, 지지층(240)은 마이크로 스트립 라인(120)의 폭과 동일한 폭을 가질 수 있다. 그러나, 지지층(240)은 마이크로 스트립 라인(120)들 사이를 지지하는 범주에서 마이크로 스트립 라인(120)의 폭보다 좁은 폭을 갖는 것도 가능하므로, 전술한 바에 반드시 한정되지는 않는다. 상기 지지층(240)은 유전체로 형성될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력전송용 공진기에 대한 사시도.
도 2는 도 1에 대한 단면도.
도 3은 도 2에 있어서, 마이크로 스트립 라인들이 지지층에 의해 지지된 예를 도시한 단면도.
〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉
110..기판 120..마이크로 스트립 라인
130..마그네틱 코어 140..칼럼
240..지지층

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되며, 일 측에 슬릿(slit)이 형성되어 개방 루프 형상으로 이루어진 적어도 하나의 마이크로 스트립 라인; 및
    상기 기판 상에 형성되며, 상기 마이크로 스트립 라인에 의해 한정된 공간 내에 배치되어, 결합(coupling) 세기를 증가시키는 마그네틱 코어(magnetic core);
    를 구비하는 무선 전력전송용 공진기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 스트립 라인은 복수 개로 구비되며, 이들은 상기 기판 상에 동축 상으로 적층되되, 서로 이격되게 적층된 것을 특징으로 하는 무선 전력전송용 공진기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 마이크로 스트립 라인들은 그 사이에 배치된 다수의 칼럼들에 의해 지지가 되어, 서로 간의 간격(space)이 유지되는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송용 공진기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 기판은 유전체로 형성되고, 상기 마이크로 스트립 라인들은 도전 물질로 형성되며;
    상기 칼럼들은 유전체와 도전 물질 중 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 무선 전력전송용 공진기.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 마이크로 스트립 라인들은 그 사이에 형성된 지지층에 의해 지지가 되어, 서로 간의 간격이 유지되는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송용 공진기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 기판은 유전체로 형성되고, 상기 마이크로 스트립 라인들은 도전 물질로 형성되며;
    상기 지지층은 유전체로 형성된 것을 특징으로 하는 무선 전력전송용 공진기.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 마이크로 스트립 라인들은 원하는 주파수 대역에 맞게 크기와 개수가 설정된 것을 특징으로 하는 무선 전력전송용 공진기.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 마이크로 스트립 라인들 간의 간격은 원하는 결합 세기에 맞게 설정된 것을 특징으로 하는 무선 전력전송용 공진기.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 스트립 라인은 사각형 개방 루프 형상과 원형 개방 루프 형상 중 선택된 어느 하나의 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 무선 전력전송용 공진기.
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