KR101629811B1 - Wireless energy transmitting system - Google Patents

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서철헌
김형준
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숭실대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 무선 에너지 송신 장치 및 무선 에너지 전송 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은, 제로 굴절률을 갖는 평판 형태의 메타물질 구조를 포함하는 무선 에너지 송신 장치; 및 상기 무선 에너지 송신 장치와 소정의 거리를 두고 대응되게 형성되는 적어도 하나 이상의 무선 에너지 수신 장치를 포함하고, 상기 무선 에너지 수신 장치는 상기 무선 에너지 송신 장치보다 소형으로 제작된다.The present invention relates to a wireless energy transmission device and a wireless energy transmission system. In particular, a wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention includes: a wireless energy transmission apparatus including a planar meta-material structure having a zero refraction index; And at least one wireless energy receiving device formed to correspond to the wireless energy transmitting device at a predetermined distance, and the wireless energy receiving device is made smaller than the wireless energy transmitting device.

Description

무선 에너지 전송 시스템{WIRELESS ENERGY TRANSMITTING SYSTEM}[0001] WIRELESS ENERGY TRANSMITTING SYSTEM [0002]

본 발명은 무선 에너지 전송 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a wireless energy transmission system.

무선전력전송 기술은 전송 방식에 따라 크게 세 가지 분야로 분류할 수 있다.Wireless power transmission technology can be divided into three broad categories according to the transmission method.

원거리 무선전력전송 방식은 5.8GHz등의 고출력의 마이크로파를 방사하여 전달하는 방식으로써, 오랜 시간 동안 연구되어 왔으나, 인체 영향 등의 문제로 인해 상용화되지 못하였다.The long-distance wireless power transmission method has been studied for a long time by radiating and delivering a microwave of high output such as 5.8 GHz, but it has not been commercialized due to human influences.

전자기 유도 결합을 이용하는 무선전력전송 방식의 경우, 송신단의 코일에 흐르는 전류에 의해 유도되는 자기장이 수신단의 코일에 전류를 유도하게 된다. 교통카드(T-money 등), 무선 면도기, 전동 칫솔 등에서 상용화되었으나, 전송거리가 최대 수 cm 이내라는 한계가 있다.In the case of a wireless power transmission system using electromagnetic induction coupling, a magnetic field induced by a current flowing in a coil of a transmitting terminal induces a current in a coil of the receiving terminal. Transportation cards (T-money, etc.), wireless shaver, electric toothbrush, etc., but the transmission distance is limited to a maximum of several centimeters.

자기장 공진형 무선전력 전송 방식은 동일 주파수에서 공진하는 두 매체 간에 전자파가 근거리 자기장을 통해 이동하는 공진 결합(Resonance Coupling) 원리를 기초로 하고, 최근 주목을 받고 있다. 자기장 공진형 방식의 경우 공진시 큐 팩터(Q-factor) 값이 매우 커야 하는데, 부하 조건에 따른 임피던스의 변화, 주변 도체의 영향 등으로 인해 큐 팩터 값을 높게 유지할 수 없어, 아직까지 실제 상용화되지 못하고 있는 실정이다. The magnetic resonance type wireless power transmission system is based on the principle of resonance coupling in which electromagnetic waves travel through a near magnetic field between two media resonating at the same frequency, and has recently attracted attention. In the case of the magnetic resonance type method, the value of the Q factor at resonance must be very large. However, due to the change of the impedance depending on the load condition and the influence of the surrounding conductor, the queue factor value can not be kept high. It is a fact that I can not.

구체적으로, 자기장 공진형 무선전력 전송 방식은 무선 에너지 송신 장치와 무선 에너지 수신 장치 사이의 공간에 형성되는 자계가 에너지를 전송하는 매개체가 된다. 여기서, 무선 에너지 송신 장치와 무선 에너지 수신 장치 사이의 공간에 형성되는 자계는 무선 에너지 전송 시스템의 에너지 전송 효율 및 전송 거리와 직접적으로 관련된다.Specifically, in the magnetic resonance type wireless power transmission system, a magnetic field formed in a space between the wireless energy transmission apparatus and the wireless energy reception apparatus becomes a medium through which energy is transmitted. Here, the magnetic field formed in the space between the wireless energy transmission apparatus and the wireless energy reception apparatus is directly related to the energy transmission efficiency and transmission distance of the wireless energy transmission system.

종래의 무선 에너지 전송 시스템의 경우, 무선 에너지 송신 장치에서 무선 에너지 수신 장치로 에너지가 전송될 때, 에너지 전송의 매개체가 되는 자계가 무선 에너지 송신 장치와 무선 에너지 수신 장치 사이의 공간 외부로 방사되어 손실되는 문제점이 있다.In the case of a conventional wireless energy transmission system, when energy is transmitted from a wireless energy transmission apparatus to a wireless energy reception apparatus, a magnetic field as an energy transfer medium is radiated outside the space between the wireless energy transmission apparatus and the wireless energy reception apparatus, .

예를 들어, 에너지 전송의 매개체가 되는 자계가 무선 에너지 송신 장치의 후방으로 방사되거나, 무선 에너지 수신 장치가 수신할 수 없는 범위의 영역으로 방사되어 손실되는 문제점이 있다.For example, there is a problem that a magnetic field, which is an energy transfer medium, is radiated to the rear side of the wireless energy transmission device or is radiated to an area that the wireless energy reception device can not receive.

따라서, 무선 에너지 송신 장치와 무선 에너지 수신 장치 사이의 공간에 형성되는 자계의 손실을 방지하여 무선 에너지 전송 시스템의 에너지 전송 효율 및 전송 거리를 향상시킬 수 있는 방안이 요구된다. Accordingly, there is a need for a method of preventing loss of a magnetic field formed in a space between a wireless energy transmission apparatus and a wireless energy reception apparatus, thereby improving energy transmission efficiency and transmission distance of the wireless energy transmission system.

한편, 자기장 공진형 무선전력 전송 방식과 관련하여, 한국공개특허 제 2012-0026789호(발명의 명칭: 무선 전력 전송 장치, 무선 충전 장치 및 이를 이용한 무선 충전 시스템)는 자기장을 발생시켜 송신 공진기를 공진시키는 송신 회로부, 및 충전될 외부 기기와 무선 충전 자이 사이의 거리에 기초하여, 송신 공진기의 공진 여부를 제어하는 센싱 공진기를 포함함으로써, 송신기에서 불필요하게 전력이 소모되는 것을 방지한 기술에 대해 개시하고 있다.
In connection with the magnetic resonance type wireless power transmission system, Korean Unexamined Patent Publication No. 2002-0026789 (entitled: wireless power transmission device, wireless charging device and wireless charging system using the same) generates a magnetic field to resonate the transmission resonator And a sensing resonator for controlling resonance of the transmission resonator on the basis of the distance between the external charger and the wireless charger to be charged is disclosed to prevent unnecessary power consumption in the transmitter have.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일부 실시예는 무선 에너지 전송 기술의 현실화에 기여하고, 높은 에너지 전송 효율과 함께 해당 기술을 다양한 영역에서 활용 가능하도록 무선 에너지 수신 장치의 크기를 소형화시킬 수 있는 무선 에너지 송신 장치 및 무선 에너지 전송 시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a wireless energy transmission method and a wireless energy transmission method which can contribute to the realization of wireless energy transmission technology, And it is an object of the present invention to provide a wireless energy transmission device and a wireless energy transmission system capable of miniaturizing the size of the device.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
It should be understood, however, that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described technical problems, and other technical problems may exist.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은 제로 굴절률을 갖는 평판 형태의 메타물질 구조를 포함하는 무선 에너지 송신 장치; 및 상기 무선 에너지 송신 장치와 소정의 거리를 두고 대응되게 형성되는 적어도 하나 이상의 무선 에너지 수신 장치를 포함하고, 상기 무선 에너지 수신 장치는 상기 무선 에너지 송신 장치보다 소형으로 제작된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a wireless energy transmission system including: a wireless energy transmission apparatus including a planar meta-material structure having a zero refraction index; And at least one wireless energy receiving device formed to correspond to the wireless energy transmitting device at a predetermined distance, and the wireless energy receiving device is made smaller than the wireless energy transmitting device.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 송신 장치는, 자계를 발생시키는 커플링 루프; 및 상기 커플링 루프와 이격 형성되고, 제로 굴절률을 갖는 평판 형태의 메타물질 구조를 포함하고, 상기 발생된 자계는 상기 메타물질 구조를 통해 무선 에너지 수신 장치로 전달된다.
Also, a wireless energy transmission apparatus according to an embodiment of the present invention includes: a coupling loop for generating a magnetic field; And a plate-like metamaterial structure spaced apart from the coupling loop and having a zero index of refraction, the generated magnetic field being transmitted to the wireless energy receiving device through the metamaterial structure.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나인 무선 에너지 전송 시스템은 제로 굴절률을 가진 메타물질 구조를 이용하여 기존 시스템에 비하여 수신 장치의 크기를 소형화시킬 수 있고, 예를 들어 약 15cm만큼 떨어진 거리에서도 에너지 전송 효율을 일정 수준 이상으로 유지할 수 있다. The wireless energy transmission system, which is one of the tasks of the present invention, can reduce the size of the receiving apparatus by using a meta material structure having a zero refractive index, and can reduce the size of the receiving apparatus, for example, The energy transfer efficiency can be maintained at a certain level or more.

또한, 본 발명에서 제안하는 무선 에너지 송신 장치는 복수 개의 스마트 모바일 디바이스를 기종과 상관없이 동시에 무선으로 충전하는 기술을 현실화시키는 데에 활용될 수 있다.
Further, the wireless energy transmission apparatus proposed by the present invention can be utilized for realizing a technique of wirelessly charging a plurality of smart mobile devices irrespective of the model simultaneously.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템을 설명하기 위한 평면도 및 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 송신 장치의 메타물질 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 단위 셀 및 스플리트 링 공진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 도 2에 도시된 단위 셀의 앞면 및 뒷면을 도시한 도면이다.
도 4b는 도 2에 도시된 단위 셀의 측면을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템을 구현한 일 예이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템을 구현한 다른 예이다.
1 is a plan view and a perspective view illustrating a wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a meta-material structure of a wireless energy transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view for explaining a unit cell and a split ring resonator shown in FIG. 2. FIG.
4A is a view showing a front surface and a rear surface of the unit cell shown in FIG.
4B is a side view of the unit cell shown in FIG. 2. FIG.
5 is an example of a wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention.
6 is another example of implementing a wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between . Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템을 설명하기 위한 평면도 및 사시도이다. 1 is a plan view and a perspective view illustrating a wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은 무선 에너지 송신 장치(100) 및 무선 에너지 수신 장치(200)를 포함한다. The wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention includes a wireless energy transmission apparatus 100 and a wireless energy reception apparatus 200. [

무선 에너지 송신 장치(100)는 제로(zero) 굴절률을 갖는 평판 형태의 메타물질 구조(110)를 포함한다. The wireless energy transmission device 100 includes a flat metamaterial structure 110 having a zero index of refraction.

메타물질 구조(110)는 배열화된 복수 개의 단위 셀(unit cell)을 포함할 수 있고, 각각의 단위 셀은 스플리트 링 공진기(Split Ring Resonator; SRR)를 포함할 수 있다. 단위 셀은 양면(110a, 110b)에 각각 형성된 스플리트 링 공진기를 통해 실질적으로 제로(zero) 유효 투자율 값을 가질 수 있다. 단위 셀에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다. The meta-material structure 110 may include a plurality of unit cells arranged in an array, and each unit cell may include a split ring resonator (SRR). The unit cell may have a substantially zero effective permeability value through a split ring resonator formed on both surfaces 110a and 110b, respectively. A detailed description of the unit cell will be described later.

일반적으로, 메타물질은 음수를 포함하여 1보다 작은 유전율이나 투자율을 가진 물질을 의미하며, 유전율이 음인 경우 ENG (Epsilon NeGative), 투자율이 음인 경우 MNG (Mu NeGative), 투자율과 유전율이 동시에 음인 경우를 DNG(Double NeGative), NRI (Negative Refractive Index), LHM (Left Handed Material) 등으로 다양한 명칭으로 불려진다. Generally, a meta-material means a material having a permittivity or permeability smaller than 1, including a negative number. When ENG (Epsilon NeGative) is used when the permittivity is negative, MNG (Mu NeGative) is used when the permeability is negative, DNG (Double Negative), NRI (Negative Refractive Index) and LHM (Left Handed Material).

메타물질 구조(110)의 굴절률은 유전율 및 투자율에 의해 표현될 수 있고, 굴절 법칙인 스넬의 법칙(Snell’s law)의 적용을 받는다. 본 발명의 메타물질 구조(110)가 스플리트 링 공진기로 구현됨으로써, 메타물질 구조(110)는 0으로 근사화된 유효 투자율(실수 부분) 및 제로 굴절률을 가질 수 있다. 이처럼 제로 굴절률을 갖는 메타물질을 향하여 임의의 신호가 임의의 입사각을 가지고 입사되더라도, 해당 신호는 메타물질의 특성으로 인해 0의 반사각을 가지고 직진하게 된다. The refractive index of the meta-material structure 110 can be expressed by the permittivity and the permeability, and is subject to the Snell's law of the law of refraction. By implementing the meta-material structure 110 of the present invention with a split ring resonator, the meta-material structure 110 can have an effective permeability (real part) approximated to zero and a zero refractive index. Even if an arbitrary signal is incident on the meta-material having zero refractive index at an arbitrary incident angle, the signal goes straight with a reflection angle of 0 due to the characteristic of the meta-material.

다시 도 1을 참고하면, 무선 에너지 송신 장치(100)는 메타물질 구조(110)와 이격 형성되어 자계를 발생시키는 커플링 루프(coupling loop; 130)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상술한 메타물질 구조(110)는 커플링 루프(130)와 후술할 무선 에너지 수신 장치(200) 사이에 위치할 수 있다. Referring again to FIG. 1, the wireless energy transmission apparatus 100 may further include a coupling loop 130 spaced apart from the metamaterial structure 110 to generate a magnetic field. At this time, the above-described meta-material structure 110 may be positioned between the coupling loop 130 and a wireless energy receiving apparatus 200 to be described later.

무선 에너지 수신 장치(200)는 무선 에너지 송신 장치(100)와 소정의 거리를 두고 대응되게 형성된다. 무선 에너지 수신 장치(200)는 커플링 루프(130)에서 발생된 자계를 상술한 메타물질 구조(110)를 통해 수신할 수 있다. The wireless energy receiving apparatus 200 is formed to correspond to the wireless energy transmitting apparatus 100 at a predetermined distance. The wireless energy receiving apparatus 200 can receive the magnetic field generated in the coupling loop 130 through the meta-material structure 110 described above.

특히, 무선 에너지 수신 장치(200)는 무선 에너지 송신 장치(100)보다 소형으로 제작된다. 따라서, 무선 에너지 전송 시스템은 하나의 무선 에너지 송신 장치(100)에 대하여 적어도 하나 이상의 무선 에너지 수신 장치(200)를 포함한다. Particularly, the wireless energy receiving apparatus 200 is made smaller than the wireless energy transmitting apparatus 100. Accordingly, the wireless energy transmission system includes at least one wireless energy receiving apparatus 200 for one wireless energy transmitting apparatus 100. [

구체적으로, 무선 에너지 수신 장치(200)는 모바일 디바이스의 배터리와 연결되는 충전부(미도시)를 포함할 수 있고, 복수 개의 무선 에너지 수신 장치(200)가 메타물질 구조(110)의 평판을 일면으로 하는 가상의 직육면체 공간 내 임의의 위치에 형성될 수 있다.In more detail, the wireless energy receiving apparatus 200 may include a charging unit (not shown) connected to the battery of the mobile device, and a plurality of wireless energy receiving apparatuses 200 may transmit the flat surface of the meta- And may be formed at any position within the imaginary rectangular parallelepiped space.

예를 들어, 무선 에너지 수신 장치(200)의 크기는 무선 에너지 송신 장치(100)의 크기의 1/4 이하일 수 있고, 무선 에너지 수신 장치(200)는 소형화 제작을 위해 무선 에너지 송신 장치(100)의 메타물질 구조(110)와 같은 구조를 포함하지 않을 수 있다. 여기서, 각 장치의 크기는 서로 마주보는 면적을 나타내는 것일 수 있다. For example, the size of the wireless energy receiving apparatus 200 may be less than 1/4 of the size of the wireless energy transmitting apparatus 100, and the wireless energy receiving apparatus 200 may be a wireless energy transmitting apparatus 100, May not include the same structure as the meta-material structure 110 of FIG. Here, the size of each device may indicate the area facing each other.

이하에서는 메타물질 구조(110)의 단위 셀과 관련하여 도 2 내지 도 4를 참고하여 구체적으로 설명하기로 한다. Hereinafter, the unit cell of the meta-material structure 110 will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4. FIG.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 송신 장치의 메타물질 구조를 설명하기 위한 도면이다. 2 is a view for explaining a meta-material structure of a wireless energy transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 평판 형태의 메타물질 구조(110)는 제로(zero) 굴절률을 가지고, 5*5 배열을 이루는 25개의 단위 셀을 포함한다. 다만, 도 2는 단위 셀의 개수나 배열 구조와 관련하여 일 예를 도시한 것일 뿐이고, 이에 제한 해석되는 것은 아님을 쉽게 알 수 있다. The planar meta-material structure 110 shown in FIG. 2 has twenty five unit cells having a zero refraction index and a 5 * 5 arrangement. It should be noted that FIG. 2 is merely an example of the number of unit cells and the arrangement of the unit cells, and it is not limited thereto.

도 3은 도 2에 도시된 단위 셀 및 스플리트 링 공진기를 설명하기 위한 도면이다. FIG. 3 is a view for explaining a unit cell and a split ring resonator shown in FIG. 2. FIG.

도 4a는 도 2에 도시된 단위 셀의 앞면 및 뒷면을 도시한 도면이고, 도 4b는 도 2에 도시된 단위 셀의 측면을 도시한 도면이다. FIG. 4A is a front view and a rear view of the unit cell shown in FIG. 2. FIG. 4B is a side view of the unit cell shown in FIG.

메타물질 구조(110) 내 각각의 단위 셀은 기판(111), 와이어(113), 커패시터(114), 및 연결부(via; 115)를 포함할 수 있다. Each unit cell in the metamaterial structure 110 may include a substrate 111, a wire 113, a capacitor 114, and a via 115.

기판(111)은 중앙 부근에 관통 홀(112)을 가진 직육면체 형태일 수 있고, 형태는 배열 구조를 이루기 위해 적절히 변형될 수 있다. The substrate 111 may be in the form of a rectangular parallelepiped having a through hole 112 in the vicinity of the center, and the shape may be appropriately modified to form an array structure.

제 1 와이어(113a)는 기판(111)의 상면에 형성될 수 있고, 스파이럴(spiral) 형태일 수 있다. 제 2 와이어(113b)는 기판(111)의 하면에 형성될 수 있고, 제 1 와이어(113a)와 대응되게 스파이럴 형태로 형성될 수 있다. 즉, 제 1 와이어(113a) 및 제 2 와이어(113b)는 실질적으로 동일한 형태일 수 있다. The first wire 113a may be formed on the upper surface of the substrate 111 and may be in a spiral form. The second wire 113b may be formed on the lower surface of the substrate 111 and may be formed in a spiral shape corresponding to the first wire 113a. That is, the first wire 113a and the second wire 113b may be substantially the same shape.

커패시터(114)는 제 1 와이어(113a) 및 제 2 와이어(113b)의 끊겨진 부분인 분절(分節)부와 연결될 수 있다. 즉, 제 1 와이어(113a) 및 제 2 와이어(113b)는 각각 일부 끊겨진 부분인 분절부를 구비하고, 커패시터(114)는 끊겨진 부분을 연결할 수 있다. The capacitor 114 may be connected to a segmented portion which is a broken portion of the first wire 113a and the second wire 113b. That is, each of the first wire 113a and the second wire 113b has a broken portion, which is a partially broken portion, and the capacitor 114 can connect the broken portion.

구체적으로, 도 4a를 참고하면, 스플리트 링 공진기는 스파이럴 형태의 와이어(113) 및 럼프된(lumped) 구성인 커패시터(114)에 의해 구현될 수 있고, 단위 셀의 앞면과 뒷면에서 실질적으로 동일하고 대응되는 연결관계를 가질 수 있다. 4a, the split ring resonator can be implemented by a capacitor 114, which is a spiral shaped wire 113 and a lumped configuration, and is substantially identical to the front and back surfaces of the unit cell And can have corresponding connection relationships.

보다 구체적으로, 스플리트 링 공진기는 각 면당 3개씩 총 6개의 커패시터를 통해 6.78MHz 주파수 대역에서 공진할 수 있다. 즉, 6.78MHz 주파수 대역에서 유효 투자율의 실수 값과 허수 값은 모두 0이고, 실수의 0 값은 제로 굴절률을 의미하고 허수의 0 값은 무손실을 의미한다.More specifically, the split ring resonator can resonate in the 6.78 MHz frequency band through a total of six capacitors, three at each side. That is, in the frequency band of 6.78 MHz, the real and imaginary values of the effective permeability are all 0, the zero value of the real number means the zero refraction index, and the zero value of the imaginary number means losslessness.

연결부(115)는, 도 4b를 참고하면, 기판(111)의 상면에 형성된 제 1 와이어(113a)와 기판(111)의 하면에 형성된 제 2 와이어(113b)를 서로 연결할 수 있다. Referring to FIG. 4B, the connection unit 115 can connect the first wire 113a formed on the upper surface of the substrate 111 and the second wire 113b formed on the lower surface of the substrate 111 to each other.

지금까지 설명한 것처럼 본 발명에서 제안되는 무선 에너지 전송 시스템은 제로 굴절률을 가진 메타물질 구조를 이용하여 기존 시스템에 비하여 수신 장치의 크기를 소형화시킬 수 있고, 예를 들어, 약 15cm만큼 떨어진 거리에서도 에너지 전송 효율을 일정 수준 이상으로 유지할 수 있다. As described above, the wireless energy transmission system proposed in the present invention can reduce the size of the receiving apparatus by using the meta material structure having the zero refraction index, compared with the existing system. For example, even when the distance is about 15 cm, The efficiency can be maintained above a certain level.

한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템을 구현한 일 예이다. Meanwhile, FIG. 5 illustrates an example of a wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention.

무선 에너지 송신 장치(100)는 자계를 발생시키는 커플링 루프와, 그 커플링 루프와 이격 형성되고, 제로 굴절률을 갖는 평판 형태의 메타물질 구조를 포함한다. 무선 에너지 송신 장치(100) 내 커플링 루프에 의해 발생된 자계는 복수 개의 단위 셀을 가진 메타물질 구조를 통해 무선 에너지 수신 장치(200)로 전달된다.The wireless energy transmission device 100 includes a coupling loop for generating a magnetic field, and a metamaterial structure of a flat plate shape spaced apart from the coupling loop and having a zero index of refraction. The magnetic field generated by the coupling loop in the wireless energy transmission apparatus 100 is transmitted to the wireless energy receiving apparatus 200 through the metamaterial structure having a plurality of unit cells.

도 5를 참고하면, 무선 에너지 송신 장치(100)는 140mm×210mm 로 제작되어 하단에 배치되고, 무선 에너지 수신 장치(200)는 50mm×70mm 로 제작되어 상단에 배치되어 있다. 서로 3mm의 간격을 두고 있는 커플링 루프와 메타물질 구조를 포함하는 무선 에너지 송신 장치(100)와, 무선 에너지 수신 장치(200) 간의 거리(h)는 가변적으로 조절될 수 있다. 무선 에너지 수신 장치(200)는 스마트 모바일 디바이스(예를 들어, 스마트 폰 및 태블릿 PC를 포함하는 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치, 스마트 안경, 스마트 워치 등)의 배터리 크기와 유사하거나 동일하게 제작될 수 있다. Referring to FIG. 5, the wireless energy transmission device 100 is manufactured at a size of 140 mm × 210 mm, and the wireless energy receiving device 200 is manufactured at a size of 50 mm × 70 mm. The distance h between the wireless energy transmitting apparatus 100 including the coupling loop and the metamaterial structure spaced 3 mm from each other and the wireless energy receiving apparatus 200 can be variably controlled. The wireless energy receiving device 200 is similar to the battery size of a smart mobile device (e.g., any type of handheld based wireless communication device including smartphones and tablet PCs, smart glasses, smart watches, etc.) Or made identically.

위와 같은 구현 예에서 무선 에너지 송신 장치(100)와 무선 에너지 수신 장치(200) 간의 거리(h)를 10cm에서 15cm까지 조절하였으나, 50% 이상의 고효율을 가지고 무선 에너지 전송이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 무선으로 에너지를 전송하는 거리가 멀어진다 할지라도, 제로 굴절률 특성으로 인하여 효율 감소가 미미하다. Although the distance h between the wireless energy transmission apparatus 100 and the wireless energy reception apparatus 200 is adjusted from 10 cm to 15 cm in the above embodiment, it can be confirmed that wireless energy transmission is possible with a high efficiency of 50% or more. That is, even if the distance for transmitting energy is remote, the reduction in efficiency is negligible due to the characteristic of zero refractive index.

이처럼 무선 에너지 수신 장치의 소형화가 가능하고 일정 거리만큼 떨어진 상태에서 고효율을 유지하며 무선 에너지를 전송할 수 있으므로, 본 발명은 스마트 모바일 디바이스를 무선으로 충전하는 기술을 현실화시키는 데에 활용될 수 있다. As described above, since the wireless energy receiving apparatus can be downsized and the wireless energy can be transmitted while maintaining high efficiency while being separated by a certain distance, the present invention can be utilized for realizing a technology for wirelessly charging a smart mobile device.

또한, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템을 구현한 다른 예이다. 6 is another example of implementing a wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention.

무선 에너지 송신 장치(100)는 제로 굴절률을 갖는 평판 형태의 메타물질 구조를 포함하고, 복수 개의 무선 에너지 수신 장치(200a, 200b, 200c)는 무선 에너지 송신 장치(100)와 소정의 거리를 두고 대응되게 형성된다. The wireless energy transmission apparatus 100 includes a planar meta-material structure having a zero refraction index, and the plurality of wireless energy receiving apparatuses 200a, 200b, and 200c correspond to the wireless energy transmission apparatus 100 at a predetermined distance .

도 6을 참고하면, 무선 에너지 수신 장치(200a, 200b, 200c)는 무선 에너지 송신 장치(100)보다 소형으로 제작되기 때문에, 무선 에너지 송신 장치(100) 내 메타물질 구조의 평판을 일면으로 하는 가상의 직육면체 공간 내 임의의 위치에 다양하게 배치되어 형성될 수 있다. 6, since the wireless energy receiving apparatuses 200a, 200b, and 200c are manufactured to be smaller than the wireless energy transmitting apparatus 100, the virtual energy transmitting apparatuses 200a, 200b, May be formed at various positions in a rectangular parallelepipedal space.

이처럼 본 발명은 복수 개의 스마트 모바일 디바이스를 기종과 상관없이 동시에 무선으로 충전하는 기술을 현실화시키는 데에 활용될 수 있다. As described above, the present invention can be utilized for realizing a technique of wirelessly charging a plurality of smart mobile devices irrespective of the model.

덧붙여, 본 발명은 상기 구현 예처럼 스마트 모바일 디바이스에 대한 무선 충전으로 한정되는 것은 아니고, 다양한 영역에서 활용될 수 있다. In addition, the present invention is not limited to wireless charging for a smart mobile device as in the above embodiment, and can be utilized in various areas.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

100: 무선 에너지 송신 장치 110: 메타물질 구조
130: 커플링 루프 200: 무선 에너지 수신 장치
100: wireless energy transmission device 110: meta-material structure
130: Coupling loop 200: Wireless energy receiver

Claims (12)

무선 에너지 전송 시스템에 있어서,
자계를 발생시키는 커플링 루프; 및 상기 커플링 루프와 이격 형성되고 제로 굴절률을 갖는 평판 형태의 메타물질 구조를 포함하는 무선 에너지 송신 장치; 및
상기 무선 에너지 송신 장치와 소정의 거리를 두고 대응되게 형성되는 적어도 하나 이상의 무선 에너지 수신 장치를 포함하고,
상기 무선 에너지 수신 장치는 상기 무선 에너지 송신 장치보다 소형으로 제작되며,
상기 메타물질 구조는 배열화된 복수 개의 단위 셀을 포함하고, 상기 단위 셀은 스플리트 링 공진기를 포함하고,
상기 단위 셀은,
중앙에 홀을 가진 기판;
상기 기판의 상면에 형성된 스파이럴 형태의 제 1 와이어;
상기 기판의 하면에 상기 제 1 와이어와 대응되게 형성된 제 2 와이어;
상기 제 1 와이어 및 상기 제 2 와이어 각각에 형성된 끊겨진 부분인 분절(分節)부와 연결되는 커패시터; 및
상기 제 1 와이어와 상기 제 2 와이어를 서로 연결하는 연결부를 포함하며,
상기 커패시터는 6.78MHz 대역에서 제로 유효 투자율 값을 갖도록 상기 기판의 상면 및 하면 각각에 3개씩 형성되고,
상기 복수 개의 단위 셀은 상기 각 와이어의 마주하는 양 단이 동일한 방향을 바라보도록 배치되며, 상기 각 단위 셀의 와이어의 양 단 영역은 모두 동일한 방향에 배치되도록 형성되고,
상기 커플링 루프는 상기 메타물질 구조의 면적과 대응하는 면적으로 형성되는 무선 에너지 전송 시스템.
In a wireless energy transmission system,
A coupling loop for generating a magnetic field; And a radio energy transmission device comprising a metamaterial structure in a plate form spaced apart from the coupling loop and having a zero index of refraction; And
And at least one wireless energy receiving device formed to correspond to the wireless energy transmitting device at a predetermined distance,
The wireless energy receiving apparatus is made smaller than the wireless energy transmitting apparatus,
Wherein the meta-material structure includes a plurality of unit cells arranged in a row, the unit cell includes a split ring resonator,
The unit cell includes:
A substrate having a hole in the center;
A first wire in a spiral shape formed on an upper surface of the substrate;
A second wire formed on the bottom surface of the substrate so as to correspond to the first wire;
A capacitor connected to the segmented portion, which is a broken portion formed on each of the first wire and the second wire; And
And a connecting portion connecting the first wire and the second wire to each other,
The capacitors are formed in three on each of the upper and lower surfaces of the substrate to have a zero effective permeability value in a 6.78 MHz band,
Wherein the plurality of unit cells are arranged so that opposite ends of the wires face each other in the same direction, and both end regions of the wires of the unit cells are formed to be arranged in the same direction,
Wherein the coupling loop is formed with an area corresponding to the area of the meta-material structure.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 무선 에너지 수신 장치는 모바일 디바이스의 배터리와 연결되는 충전부를 포함하는 무선 에너지 전송 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the wireless energy receiving device includes a charger connected to a battery of the mobile device.
제 1 항에 있어서,
상기 무선 에너지 수신 장치는 상기 메타물질 구조의 평판을 일면으로 하는 가상의 직육면체 공간 내 임의의 위치에 형성되는 무선 에너지 전송 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the wireless energy receiving apparatus is formed at an arbitrary position in a virtual rectangular parallelepiped having a flat plate having the meta-material structure as one face.
무선 에너지 송신 장치에 있어서,
자계를 발생시키는 커플링 루프; 및
상기 커플링 루프와 이격 형성되고, 제로 굴절률을 갖는 평판 형태의 메타물질 구조를 포함하고,
상기 발생된 자계는 상기 메타물질 구조를 통해 무선 에너지 수신 장치로 전달되며, 상기 메타물질 구조는 배열화된 복수 개의 단위 셀을 포함하고, 상기 단위 셀은 스플리트 링 공진기를 포함하고,
상기 단위 셀은,
중앙에 홀을 가진 기판;
상기 기판의 상면에 형성된 스파이럴 형태의 제 1 와이어;
상기 기판의 하면에 상기 제 1 와이어와 대응되게 형성된 제 2 와이어;
상기 제 1 와이어 및 상기 제 2 와이어 각각에 형성된 끊겨진 부분인 분절(分節)부와 연결되는 커패시터; 및
상기 제 1 와이어와 상기 제 2 와이어를 서로 연결하는 연결부를 포함하며,
상기 커패시터는 6.78MHz 대역에서 제로 유효 투자율 값을 갖도록 상기 기판의 상면 및 하면 각각에 3개씩 형성되고,
상기 복수 개의 단위 셀은 상기 각 와이어의 일 단이 동일한 방향을 바라보도록 배치되며, 상기 각 단위 셀의 와이어의 양 단 영역은 모두 동일한 방향에 배치되도록 형성되고,
상기 커플링 루프는 상기 메타물질 구조의 면적과 대응하는 면적으로 형성되는 무선 에너지 송신 장치.
A wireless energy transmission apparatus comprising:
A coupling loop for generating a magnetic field; And
A metatubular structure spaced apart from the coupling loop and having a flat refractive index of zero,
Wherein the generated magnetic field is transmitted to the wireless energy receiving apparatus through the meta-material structure, the meta-material structure includes a plurality of unit cells arranged, and the unit cell includes a split ring resonator,
The unit cell includes:
A substrate having a hole in the center;
A first wire in a spiral shape formed on an upper surface of the substrate;
A second wire formed on the bottom surface of the substrate so as to correspond to the first wire;
A capacitor connected to the segmented portion, which is a broken portion formed on each of the first wire and the second wire; And
And a connecting portion connecting the first wire and the second wire to each other,
The capacitors are formed in three on each of the upper and lower surfaces of the substrate to have a zero effective permeability value in a 6.78 MHz band,
Wherein the plurality of unit cells are arranged so that one end of each of the wires faces in the same direction, and both end regions of the wires of each unit cell are formed to be arranged in the same direction,
Wherein the coupling loop is formed with an area corresponding to an area of the meta-material structure.
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