KR102040726B1 - 무선 전력 전송을 위한 공진 장치 - Google Patents

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Abstract

벌크 탄성 공진기(BAR: bulk acoustic resonator) 기반의 공진 구조는 전기적 그리고 무선 기술에 관련된 것으로, 특히 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다. 무선 전력 전송을 위한 공진 장치는 컨덕팅 루프(conducting loop) 및 하이 퀄리티 캐패시터(high quality capacitor)를 포함할 수 있다. 상기 하이 퀄리티 캐패시터는 두 메탈 전극들(electrodes) 사이에 위치한 얇은 압전 레이어를 포함하는 메타캐패시터(metacapacitor)로 구성되고, 상기 메타캐패시터는 중심 부분이 식각(etched)된 두 유전체 레이어들(dielectric layers) 사이에 위치하며, 상기 컨덕팅 루프는 상기 두 유전체 레이어들 중 하나의 상부에 위치할 수 있다.

Description

무선 전력 전송을 위한 공진 장치{RESONANT APPARATUS FOR WIRELESS POWER TRANSFER}
아래의 실시 예들은 전기적, 무선 기술에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
무선 전파를 이용한 전력 전송 분야에서 많은 해결방안들이 제안 되었고, 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)에 의해 기본 아이디어들이 고안되었다.
"정류 안테나(rectenna)"로 알려진 장치가 무선 에너지 전송에 사용될 수 있다. 정류 안테나(rectenna)는 마이크로웨이브(microwave) 에너지를 직류 전력으로 직접 변환하는데 사용될 수 있다. 다른 유형의 안테나들은 RF 신호를 수신하는데 사용될 수 있다.
무선 에너지 전송을 위한 다른 대안이 제시되었다. 이 대안은 동일한 공진 주파수를 갖는 두 개의 분리된 코일을 이용하는데, 두 개의 분리된 코일은 높은 효율로 자기 결합(magnetic coupling)과 에너지 변환(exchange)에 기반한 공진 시스템을 형성하는 반면, 다른 동작하지 않는 물체와의 상호 작용은 약하다. 상기 시스템은 MHz 주파수 범위에서 동작할 수 있고, 일상 생활에서 사용될 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송을 위한 공진 장치는 컨덕팅 루프(conducting loop); 및 하이 퀄리티 캐패시터(high quality capacitor)를 포함하고, 상기 하이 퀄리티 캐패시터는 두 메탈 전극들(electrodes) 사이에 위치한 얇은 압전 레이어를 포함하는 메타캐패시터(metacapacitor)로 구성되며, 상기 메타캐패시터는 중심 부분이 식각(etched)된 두 유전체 레이어들(dielectric layers) 사이에 위치하고, 상기 컨덕팅 루프는 상기 두 유전체 레이어들 중 하나의 상부에 위치할 수 있다.
상기 컨덕팅 루프는 폭(width)보다 두께(thickness)가 얇은 평면 컨덕터(planar conductor)로 구성될 수 있다.
상기 컨덕팅 루프는 원형으로 구성될 수 있다.
상기 유전체 레이어들은 공진하는 멤브레인(membrane)의 탄성(acoustic) 진동을 위한 자유 공간(free space)을 제공할 목적으로 중심부분이 식각(etched)될 수 있다.
상기 유전체 레이어들 중 상위(upper) 레이어의 두께는 상기 메타캐패시터의 상위(upper) 전극과 상기 컨덕팅 루프 사이에서 발생하는 기생(parasitic) 캐패시턴스(capacitance)의 영향을 최소화하도록 결정될 수 있다.
상기 유전체 레이어들 중 하위(lower) 레이어의 두께는 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 기계적(mechanical) 강도(strength)를 보장하도록 결정될 수 있다.
상기 유전체 레이어들은 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide)로 만들어질 수 있다.
상기 메타캐패시터의 상위 전극, 하위 전극 및 상기 컨덕팅 루프는 금속화된 비아(via) 홀들 또는 외부 커넥터들에 의하여 연결될 수 있다.
상기 메타캐패시터의 압전(piezoelectric) 레이어는 피에조 효과(piezo-effect)를 가지는 세라믹(ceramic)으로 만들어질 수 있다.
상기 메타캐패시터의 압전 레이어는 납 타이타네이드 지르코네이트 (plumbum titanate-zirconate) PB(ZrxTi1-x) O3(PZT)로 만들어질 수 있다.
상기 메타캐패시터의 압전 레이어는 높은 전기기계적(electromechanical) 커플링 계수(coupling coefficient)와 높은 탄성 퀄리티-팩터(Q-factor) 및 낮은 유전 손실을 갖는 모노 크리스탈(mono-crystal)로 만들어질 수 있다.
상기 컨덕팅 루프 및 상기 하이 퀄리티 캐패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 구조는 얇은 필름 기술로 만들어진 평면 멀티레이어(multilayer) 구조로 구성될 수 있다.
상기 컨덕팅 루프 및 상기 하이 퀄리티 캐패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 구조는 원형 또는 다각형의 구조로 구성될 수 있다.
상기 컨덕팅 루프 및 상기 하이 퀄리티 캐패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 지름은 파장(λ)의 λ/100 보다 작을 수 있다.
상기 유전체 레이어들 각각의 두께는 시스템 동작 주파수를 초과하는 주파수에서 시어(shear) 웨이브의 탄성(acoustic) 진동이 공진하는 두께로 결정될 수 있다.
상기 메타캐패시터는 탄성 공진기로 동작하고, 상기 탄성 공진기의 동작 주파수에서의 외부 임피던스와 높은 캐패시턴스(capacitance) 값을 갖는 캐패시터의 임피던스(impedance)는 동일할 수 있다.
상기 컨덕팅(conducting) 루프의 낮은 인덕턴스와 조합하여 상기 메타캐패시터의 높은 캐패시턴스 값은 선택된 동작 주파수에서 상기 컨덕팅 루프 및 상기 하이 퀄리티 캐패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 공진 응답을 보장하도록 결정될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 메타캐패시터(metacapacitor)와 컨덕팅 루프(conducting loop)를 포함하는 구조를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 메타캐패시터(metacapacitor)와 컨덕팅 루프(conducting loop)를 포함하는 구조의 단면(cross-section)도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치에서 메타캐패시터의 등가 입력 임피던스의 주파수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치에서 컨덕팅 루프의 임피던스의 허수 부분, 메타캐패시터의 등가 입력 임피던스의 허수(imaginary) 부분과 주파수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 소스(110) 및 타겟(120)을 포함한다. 소스(110)는 무선 전력을 공급하는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 패드, 단말, TV 등 전력을 공급할 수 있는 모든 전자기기가 포함될 수 있다. 타겟(120)은 무선 전력을 공급받는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 단말, TV, 자동차, 세탁기, 라디오, 전등 등 전력을 필요로 하는 모든 전자기기가 포함될 수 있다.
소스(110)는 가변 스위칭 모드 파워 서플라이(Variable SMPS(Switching Mode Power Supply))(111), 전력 증폭기(Power Amplifier)(112), 매칭 네트워크(113), 제어부(114) 및 통신부(115)를 포함한다.
스위칭 모드 파워 서플라이(Variable SMPS(Switching Mode Power Supply))(111)는 전력 증폭기(Power Amplifier)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 스위칭하여 DC 전압을 생성한다. 가변 스위칭 모드 파워 서플라이(Variable SMPS(Switching Mode Power Supply))(111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나 제어부(Tx Control Logic)(114)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
전력 검출기(Power Detector)(116)는 스위칭 모드 파워 서플라이(Variable SMPS(Switching Mode Power Supply))(111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어부(114)로 전달한다. 또한, 전력 검출기(Power Detector)(116)는 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수도 있다.
전력 증폭기(Power Amplifier)(112)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압를 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)는 기준 공진 주파수 FRef를 이용하여 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)에 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 복수의 타겟 디바이스들에서 사용되는 통신용 전력 또는 충전용 전력을 생성할 수 있다.
여기서, 통신용 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 타겟 디바이스의 디바이스 로드에서 소비되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미한다. 본 명세서에 있어서, "충전"이라는 용어는 전력을 충전하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로 사용될 수 있다. 또한, "충전"이라는 용어는 전력을 소비하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로도 사용될 수 있다. 여기서, 유닛(unit) 또는 요소(element)는 예를 들어 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함한다.
한편, 본 명세서에서 "기준 공진 주파수"는 소스(110)가 기본적으로 사용하는 공진 주파수의 의미로 사용된다. 또한, "트래킹 주파수"는 기 설정된 방식에 따라 조정된 공진 주파수의 의미로 사용된다.
제어부(114)는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"에 대한 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 타겟 공진기(133)와 소스 공진기(131) 사이의 미스매칭(mismatching)을 검출한다. 제어부(114)는 반사파의 포락선(envelop)을 검출함으로써, 미스 매칭을 검출하거나 반사파의 전력량을 검출함으로써 미스매칭을 검출할 수 있다.
매칭 네트워크(113)는 제어부(114)의 제어에 따라 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 간의 임피던스 미스매칭을 최적의 매칭으로 보상할 수 있다. 매칭 네트워크(113)는 캐패시터 또는 인덕터의 조합으로 제어부(114)의 제어에 따라 스위치를 통해 연결될 수 있다.
제어부(114)는 소스 공진기(131) 또는 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)의 출력 전압의 레벨 및 상기 반사파의 전압 레벨에 기초하여 전압정재파비(VSWR, Voltage standing wave ratio)를 계산하고, 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 커지면 상기 미스매칭이 검출된 것으로 결정할 수 있다.
또한, 제어부(114)는 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 커지면 기 설정된 N개의 트래킹 주파수 각각에 대한 전력 전송 효율을 계산하고, 상기 N개의 트래킹주파수 중 전력 전송 효율이 가장 좋은 트래킹 주파수 FBest를 결정하고, 상기 FRef를 상기 FBest로 조정할 수 있다.
또한, 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 조정할 수 있다. 제어부(114)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 제어부(114)는 는 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)를 제어함으로써, 타겟(120)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 즉, 통신부(115)는 인-밴드 통신을 통해 타겟(120)과 다양한 데이터(140)를 전송할 수 있다. 또한, 제어부(114)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 타겟(120)으로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.
제어부(114)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, 제어부(114)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. 제어부(114)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.
한편, 통신부(115)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(115)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟(120)과 데이터(140)를 전송할 수 있다.
소스 공진기(131)는 전자기(electromagnetic) 에너지(130)를 타겟 공진기(133)로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(131)는 타겟 공진기(133)와의 마그네틱 커플링을 통해 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 타겟(120)으로 전달한다.
타겟(120)은 매칭 네트워크(121), 정류부(122), DC/DC 컨버터(123), 통신부(124) 및 제어부(125)를 포함한다.
타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 즉, 타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스(110)로부터 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 수신한다. 또한, 타겟 공진기(133)는 인-밴드 통신을 통해 소스(110)로부터 다양한 데이터(140)를 수신할 수 있다.
매칭 네트워크(121)는 소스(110) 측으로 보이는 입력 임피던스와 부하(Load)측으로 보이는 출력 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 매칭 네트워크(121)는 캐패시터와 인덕터의 조합으로 구성될 수 있다.
정류부(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 즉, 정류부(122)는 타겟 공진기(133)에 수신된 교류 전압을 정류한다.
DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 부하(Load)에서 필요로 하는 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
전력 증폭기(Power Detector)(127)는 DC/DC 컨버터(123)의 입력단(126)의 전압과 출력단의 전류 및 전압을 검출할 수 있다. 검출된 입력단(126)의 전압은 소스에서 전달되는 전력의 전송 효율을 계산하는데 사용될 수 있다. 검출된 출력단의 전류 및 전압은 제어부(Rx Control Logic)(125)가 부하(Load)에 전달되는 전력을 계산하는데 사용될 수 있다. 소스(110)의 제어부(114)는 부하(Load)의 필요전력과 부하(Load)에 전달되는 전력을 고려하여, 소스(110)에서 전송해야 할 전력을 결정할 수 있다.
통신부(124)를 통해 계산된 출력단의 전력이 소스(110)로 전달되면, 소스(110)전송해야 할 전력을 계산할 수 있다.
통신부(124)는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)과 정류부(122) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류부(122)의 출력 신호를 검출하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 즉, 제어부(125)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, 제어부(125)는 매칭 네트워크(121)를 통하여 타겟 공진기(133)의 임피던스를 조정함으로써, 소스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 간단한 예로, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)의 임피던스를 증가 시킴으로써, 소스(110)의 제어부(114)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 소스(110)의 제어부(114)는 이진수 "0" 또는 " 1"을 검출할 수 있다.
통신부(124)는 "해당 타겟의 제품의 종류", "해당 타겟의 제조사 정보", "해당 타겟의 모델명", "해당 타겟의 Battery type", "해당 타겟의 충전 방식", "해당 타겟의 Load의 임피던스 값", "해당 타겟의 타겟 공진기의 특성에 대한 정보", "해당 타겟의 사용 주파수 대역에 대한 정보", "해당 타겟의 소요되는 전력량", "해당 타겟의 고유의 식별자" 및 "해당 타겟의 제품의 버전 또는 규격 정보"를 포함하는 응답 메시지를 소스(110)의 통신부(115)로 전송할 수 있다.
한편, 통신부(124)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(124)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(124)는 아웃-밴드 통신을 통해 소스(110)와 데이터(140)를 송수신 할 수 있다.
통신부(124)는 소스(110)로부터 웨이크-업 요청 메시지를 수신하고, 전력 검출기(Power Detector)(127)는 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양을 검출하며, 통신부(124)는 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양에 대한 정보를 소스(110)로 전송할 수 있다. 이때, 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양에 대한 정보는, "정류부(122)의 입력 전압 값 및 전류 값", "정류부(122)의 출력 전압 값 및 전류 값" 또는 "DC/DC 컨버터(123)의 출력 전압 값 및 전류 값"이다.
도 1에서, 제어부(114)는 소스 공진기(131)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정할 수 있다. 소스 공진기(131)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)의 설정에 따라서, 소스 공진기(131)의 퀄리티-팩터(Q-factor)(QS)가 결정될 수 있다.
또한, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정할 수 있다. 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)의 설정에 따라서, 타겟 공진기(133)의 퀄리티-팩터(Q-factor)가 결정될 수 있다. 이때, 소스 공진기(131)의 공진 대역폭은 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정될 수 있다.
통신을 통해, 소스(110)와 타겟(120)은 소스 공진기(131) 및 타겟 공진기(133) 각각의 공진 대역폭에 대한 정보를 공유할 수 있다. 타겟(120)으로부터 기준값 보다 높은 전력(High Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(131)의 퀄리티-팩터(Q-factor) QS는 100 보다 큰 값으로 설정될 수 있다. 또한, 타겟(120)으로부터 기준 값 보다 낮은 전력(Low Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(131)의 퀄리티-팩터(Q-factor) QS는 100보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
공진 방식의 무선 전력 전송에서, 공진 대역폭은 중요한 factor이다. 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭, 반사 신호 등을 모두 고려한 퀄리티-팩터(Q-factor)를 Qt라 할 때, Qt는 수학식 1과 같이 공진 대역폭과 반비례 관계를 갖는다.
[수학식 1]
Figure 112013002659246-pat00001
수학식 1에서, f0는 중심주파수,
Figure 112013002659246-pat00002
는 대역폭,
Figure 112013002659246-pat00003
는 공진기 사이의 반사 손실, BWS는 소스 공진기(131)의 공진 대역폭, BWD는 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭을 나타낸다.
한편, 무선 전력 전송에 있어서, 무선 전력 전송의 효율 U는 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112013002659246-pat00004
여기서, K는 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 에너지 커플링에 대한 결합 계수,
Figure 112013002659246-pat00005
는 소스 공진기(131)에서의 반사계수,
Figure 112013002659246-pat00006
는 타겟 공진기(133)에서의 반사계수,
Figure 112013002659246-pat00007
는 공진 주파수, M은 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 상호 인덕턴스, RS는 소스 공진기(131)의 임피던스, RD는 타겟 공진기(133)의 임피던스, QS는 소스 공진기(131)의 퀄리티-팩터(Q-factor), QD는 타겟 공진기(133)의 퀄리티-팩터(Q-factor), QK는 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 에너지 커플링에 대한 퀄리티-팩터(Q-factor)이다.
상기 수학식 2를 참조하면, 퀄리티-팩터(Q-factor)는 무선 전력 전송의 효율과 관련이 높다.
따라서, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위하여 퀄리티-팩터(Q-factor)는 높은 값으로 설정된다. 이때, QS 와 QD가 각각 지나치게 높은 값으로 설정된 경우, 에너지 커플링에 대한 결합 계수 K의 변화, 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭 등에 의하여 무선 전력 전송의 효율이 감소하는 현상이 발생할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위해, 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 각각의 공진 대역폭을 지나치게 좁게(narrow) 설정하면, 외부의 작은 영향에도 임피던스 미스매칭 등이 쉽게 발생할 수 있다. 임피던스 미스매칭을 고려하면, 수학식 1은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112013002659246-pat00008

도 1에서, 소스(110)는 타겟(120)의 웨이크-업을 위한 웨이크 업 전력을 무선으로 전송하고, 무선 전력 전송 네트워크를 구성하기 위한 구성 신호(configuration signal)를 브로드캐스트하고, 상기 구성 신호(configuration signal)의 수신 감도 값을 포함하는 서치 프레임을 상기 타겟(120)으로부터 수신하고, 상기 타겟(120)의 조인을 허락하고, 무선 전력 전송 네트워크에서 상기 타겟(120)을 식별하기 위한 식별자를 상기 타겟(120)으로 전송하고, 전력 제어를 통해 충전 전력을 생성하고, 상기 충전 전력을 무선으로 상기 타겟(120)에 전송할 수 있다.
또한, 타겟(120)은 복수의 소스 디바이스들 중 적어도 하나로부터 웨이크 업 전력을 수신하고, 상기 웨이크-업 전력을 사용하여 통신 기능을 활성화하고, 상기 복수의 소스 디바이스들 각각의 무선 전력 전송 네트워크를 구성하기 위한 구성 신호를 수신하고, 상기 구성 신호의 수신 감도에 기초하여 소스(110)를 선택하고, 상기 선택된 소스(110)로부터 전력을 무선으로 수신할 수 있다.
무선 전력 전송을 위한 공진 장치는 소형이고, 예를 들면, 1-100MHz의 주파수 범위에서 동작하는 동안 높은 퀄리티-팩터(Q-factor) (high Q)를 갖는다. 위와 같은 기술적 결과는 컨덕팅 루프(conducting loop)와 하이 퀄리티 캐패시터(high quality capacitor)로 구성된 공진 구조에 의하여 달성될 수 있다.
하이 퀄리티 캐패시터(high quality capacitor)는 두 메탈 전극들(electrodes) 사이에 위치한 얇은 압전 레이어를 포함하는 메타캐패시터(metacapacitor)로써 동작할 수 있다. 여기에서, 메타캐패시터(metacapacitor)는 두 유전체 레이어들(dielectric layers) 사이에 위치할 수 있다. 또한, 각 유전체 레이어는 중심부분이 식각(etched)되고, 컨덕팅 루프는 두 유전체 레이어들 중 상위 유전체 레이어의 상부에 고정될 수 있다.
컨덕팅 루프는 폭(width)보다 두께(thickness)가 얇은 평면 컨덕터(planar conductor)로서 동작할 수 있다.
유전체(dielectric) 레이어는 공진기 멤브레인(membrane)의 탄성(acoustic) 진동(vibration)에 대한 자유 공간을 제공하기 위해 중심부분이 식각(etched)될 수 있다.
유전체 레이어들 중 상위(upper) 레이어의 두께는 메타캐패시터의 상위(upper) 전극과 컨덕팅 루프 사이에서 발생하는 기생(parasitic) 캐패시턴스(capacitance)의 영향을 최소화할 수 있는 두께로 결정될 수 있다. 유전체 레이어들 중 하위(lower) 레이어의 두께는 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 기계적(mechanical) 강도(strength)를 보장하도록 결정될 수 있다.
유전체(dielectric) 레이어는 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide)를 구성물질로 하여 만들어질 수 있다.
메타캐패시터의 상위 전극, 하위 전극 및 상기 컨덕팅 루프는 금속화된 비아(via) 홀들 또는 외부 커넥터들에 의하여 연결될 수 있다.
메타캐패시터의 압전(piezoelectric) 레이어는 피에조 효과(piezo-effect)를 가지는 세라믹(ceramic)으로 만들어질 수 있다.
메타캐패시터의 압전 레이어는 높은 전기기계적(electromechanical) 커플링 계수(coupling coefficient)와 높은 탄성 퀄리티-팩터(Q-factor) 및 낮은 유전 손실을 갖는 모노 크리스탈(mono-crystal)로 만들어질 수 있다.
메타캐패시터의 압전 레이어는 납 타이타네이드 지르코네이트 (plumbum titanate-zirconate) PB(ZrxTi1-x) O3(PZT)를 구성물질로 하여 만들어질 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치는 필름(film) 기술에 부합하는 평면(planar) 멀티레이어(multilayer) 구조를 가질 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치는 원형 또는 임의의 수의 면을 갖는 다각형모양일 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 지름은 파장(λ)의 λ/100보다 작을 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치는 1-100MHz 주파수 범위에서 동작하도록 설계될 수 있다.
압전 레이어의 두께는 특정 주파수에서 시어(shear) 웨이브의 탄성(acoustic) 진동이 공진하는 두께로 결정될 수 있다. 상기 특정 주파수는 시스템의 동작 주파수보다 높을 주파수 일수 있다.
일 실시예에 따른 메타캐패시터는 탄성 공진기로서 동작하고, 상기 탄성 공진기의 동작 주파수에서의 외부 임피던스와 높은 캐패시턴스(capacitance) 값을 갖는 캐패시터의 임피던스(impedance)는 서로 동일한 값을 가질 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 컨덕팅(conducting) 루프의 낮은 인덕턴스와 조합하여 메타캐패시터의 높은 캐패시턴스 값은 선택된 동작 주파수에서 상기 컨덕팅 루프 및 상기 하이 퀄리티 캐패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 공진 응답을 보장하도록 결정될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 메타캐패시터(metacapacitor)와 컨덕팅 루프(conducting loop)를 포함하는 구조를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 메타캐패시터에 기반한 공진 구조는 싱글 레이어인 컨덕팅 루프(210)와 레이어들(240, 250, 260)로 구성된 멀티레이어의 메타캐패시터를 포함하는 평면 멀티레이어 구조를 가질 수 있다.
메타캐패시터는 동작 주파수에서 벌크 탄성 공진기(BAR: bulk acoustic resonator)로써 동작할 수 있다. 벌크 탄성 공진기의 외부 임피던스(external impedance)는 높은 값의 캐패시턴스를 가지는 캐패시터의 임피던스와 동일할 수 있다.
메타캐패시터는 상위 전극(250), 하위 전극(260) 및 상위 전극(250)과 하위 전극(260)의 사이에 위치한 압전(piezoelectric) 물질로 구성된 압전 레이어(240)를 구성으로 포함할 수 있다. 상위 전극(250) 및 하위 전극(260)은 금속 물질로 형성될 수 있다. 상위 전극(250) 및 하위 전극(260)은 압전 레이어(240)의 상부 및 하부를 커버(cover)하는 얇은 메탈 필름으로 구성될 수도 있다.
압전 레이어(240)는 압전(piezoelectric) 효과를 갖는 높은 퀄리티의 세라믹을 구성 물질로 하여 만들어질 수 있다. 또는 압전 레이어(240)는 낮은 유전체(dielectric) 손실 팩터, 높은 탄성 퀄리티-팩터(Q-factor) 및 높은 전기기계적(electromechanic) 결합 계수를 갖는 리드 지르코네이트 타이타네이트 삼산화 납(Lead Zirconate Titanate Pb(ZrxTi1-x) O3(PZT))과 같은 모노 크리스탈(mono-crystal) 물질로 만들어질 수 있다.
컨덕팅 루프(210)는 폭보다 두께가 얇은 평면 컨덕터로 구성될 수 있다. 컨덕팅 루프(210)는 메타캐패시터의 상위 전극(250)의 상부에 위치할 수 있고, 컨덕팅 루브(210)와 상위 전극(250) 사이에 유전체(dielectric) 레이어들(220, 230) 중 상위 레이어(220)가 위치할 수 있다.
상위 레이어(220)의 두께는 디바이스의 효율면에서 메타캐패시터의 상기 전극(250)과 컨덕팅 루프(210) 사이의 기생 캐패시턴스의 영향을 최소화할 수 있는 두께로 선택될 수 있다.
메타캐패시터는 하위 레이어(230)의 상부에 마운트(mount) 될 수 있다. 하위 레이어(230)는 실리콘 물질을 구성 물질로 하여 만들어질 수 있다. 하위 레이어(230)의 두께는 구조의 기계적 강도(mechanical strength)를 고려하여 결정될 수 있다.
컨덕팅 루프(210)는 금속 처리된 비아(via) 홀들(270, 280)에 의하여 메타캐패시터의 하위 전극(260) 및 상위 전극(250)과 연결될 수 있다.
상위 레이어(220) 및 하위 레이어(230)는 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide)를 구성 물질로 하여 만들어질 수 있다.
메타캐패시터의 상부에 위치한 상위 레이어(220)의 중심부분, 메타캐패시터의 하부에 위치한 하위 레이어(230)의 중심부분은 식각(etch)될 수 있다. 상기 중심부분은 자유 탄성 경계 상태, 즉 멤브레인(membrane)의 탄성(acoustic) 진동을 위한 자유 공간(free space)을 제공할 목적으로 식각될 수 있다.
여기서, 메타캐패시터는 상위 전극(250)과 하위 전극(260) 사이에서 발생하는 높은 퀄리티-팩터(Q-factor)의 벌크 탄성파(bulk acoustic wave)의 시어(shear) 웨이브 공진을 제공할 수 있다.
메타캐패시터의 탄성 공진은 요구되는 동작 주파수를 초과하는 주파수 범위에서 발생될 수 있다.
동작 주파수에서 메타캐패시터의 등가 입력 임피던스는 높은 캐패시턴스를 갖는 캐패시터에 대응하는 캐패시터 특성을 나타낼 수 있다.
컨덕팅 루프(210)의 작은 인덕턴스와 조합된 메타캐패시터의 높은 캐패시턴스는 MHz 주파수 범위 안의 미리 조정된(preset) 주파수에서 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 공진 반응을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 사이즈는 동작 주파수의 파장(λ)의 λ/100보다 작을 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치는 1-100MHZ의 주파수 범위에서 동작할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 메타캐패시터(metacapacitor)와 컨덕팅 루프(conducting loop)를 포함하는 구조의 단면(cross-section)도이다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 공진 장치는 싱글 레이어인 컨덕팅 루프(310), 레이어들(340, 350, 360)로 구성된 멀티레이어의 메타캐패시터, 유전체 물질로 구성된 상위 레이어(320) 및 하위 레이어(330)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치는 컨덕팅 루프(310), 상위 레이어(320) 및 하위 레이어(330)의 중심 부분이 식각된 구조를 가질 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치에서 메타캐패시터의 등가 입력 임피던스의 주파수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4을 참조하면, 압전 레이어의 두께는 시스템의 동작 주파수(410) 보다 높은 특정 주파수(420)에서 시어(shear) 웨이브 진동(oscillation)의 공진을 제공하도록 결정될 수 있다.
동작 주파수(410)보다 높은 특정 주파수에서(420) 메타캐패시터의 임피던스는 높은 캐패시턴스를 갖는 캐패시터에 대응하는 캐패시티브(capacitive) 특성을 가질 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진 장치에서 컨덕팅 루프의 임피던스의 허수 부분(510), 메타캐패시터의 등가 입력 임피던스의 허수(imaginary) 부분(520)과 주파수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 컨덕팅 루프의 작은 인덕턴스와 조합된 메타캐패시터의 높은 캐패시턴스는 미리 조정된 동작 주파수에서 제안된 공진 구조의 공진 반응을 제공할 수 있다. 동작주파수는 컨덕팅 루프와 메타 캐패시터에 기반한 공진 구조의 입력 임피던스의 제로(reactive) 리액티브 부분에 대응할 수 있다. 제안된 공진 구조는 필름 기술을 기반으로 구현될 수 있다.
제안된 공진 구조는 원형 또는 임의의 수의 면을 갖는 다각형의 형태로 구현될 수 있다. 제안된 공진 구조는 소형 장치를 포함한 다양한 전자 디바이스를 위한 휴대용 무선 충전기에 사용될 수 있다. 예를 들면, 모바일 폰을 위한 충전기에 제안된 공진 구조가 사용될 수 있다. 의학분야에서는 제안된 공진 구조가 심장 박동기, 심박기(pacemakers) 또는 소형 장치를 포함한 다른 전자 디바이스에 사용될 수 있다.
제안된 공진 구조는 소형이고, 1-100MHz의 주파수 범위에서 동작하는 동안 높은 퀄리티-팩터(Q-factor) (high Q)를 가질 수 있다.
일 측면에 따른 공진 구조의 특징은 높은 노미널 밸류(nominal value)를 갖는 캐패시터 모드로 사용되는 벌크 탄성(bulk acoustic) 공진기에 의해 나타내어진다. 위와 같은 벌크 탄성 공진기는 메타캐패시터(metacapacitor)로 불리울 수 있다.
메타캐패시터(metacapacitor)의 동작 원칙은 3D 탄성파 및 전자기파와 같은 자연적 물리현상과는 다른 웨이브 프로세스들 사이의 상호작용에 기반한다.
자연적 현상과는 다른, 인위적으로 발생된 프로세스들의 상호작용은 "메타물질 현상(metamaterial phenomenon)"으로 분류될 수 있다.
일 측면에 따른 공진 구조는 랜(LAN), 무선랜(WLAN), 블루투스(Bluetooth) 등와 같은 정보 전송 시스템과 연결되는 반도체 집적회로에서 사용될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. 컨덕팅 루프(conducting loop); 및
    하이 퀄리티 캐패시터(high quality capacitor)를 포함하고,
    상기 하이 퀄리티 캐패시터는 두 메탈 전극들(electrodes) 사이에 위치한 얇은 압전 레이어를 포함하는 메타캐패시터(metacapacitor)로 구성되며,
    상기 메타캐패시터는, 탄성(acoustic) 진동을 위한 자유 공간(free space)을 제공하도록 중심 부분이 식각(etched)된 두 유전체 레이어들(dielectric layers) 사이에 위치하고,
    상기 컨덕팅 루프는 상기 두 유전체 레이어들 중 하나의 상부에 위치하는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨덕팅 루프는 폭(width)보다 두께(thickness)가 얇은 평면 컨덕터(planar conductor)로 구성되는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컨덕팅 루프는 원형으로 구성되는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 레이어들은
    공진하는 멤브레인(membrane)의 탄성(acoustic) 진동을 위한 자유 공간(free space)을 제공할 목적으로 중심부분이 식각(etched)된
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 레이어들 중 상위(upper) 레이어의 두께는 상기 메타캐패시터의 상위(upper) 전극과 상기 컨덕팅 루프 사이에서 발생하는 기생(parasitic) 캐패시턴스(capacitance)의 영향을 최소화하도록 결정되는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 레이어들 중 하위(lower) 레이어의 두께는 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 기계적(mechanical) 강도(strength)를 보장하도록 결정되는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 레이어들은
    실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide)로 만들어지는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 메타캐패시터의 상위 전극, 하위 전극 및 상기 컨덕팅 루프는 금속화된 비아(via) 홀들 또는 외부 커넥터들에 의하여 연결되는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 메타캐패시터의 압전(piezoelectric) 레이어는 피에조 효과(piezo-effect)를 가지는 세라믹(ceramic)으로 만들어지는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 메타캐패시터의 압전 레이어는 납 타이타네이드 지르코네이트 (plumbum titanate-zirconate) PB(ZrxTi1-x) O3(PZT)로 만들어지는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 메타캐패시터의 압전 레이어는 높은 전기기계적(electromechanical) 커플링 계수(coupling coefficient)와 높은 탄성 퀄리티-팩터(Q-factor) 및 낮은 유전 손실을 갖는 모노 크리스탈(mono-crystal)로 만들어지는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 컨덕팅 루프 및 상기 하이 퀄리티 캐패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 구조는
    얇은 필름 기술로 만들어진 평면 멀티레이어(multilayer) 구조로 구성되는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 컨덕팅 루프 및 상기 하이 퀄리티 캐패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 구조는
    원형 또는 다각형의 구조로 구성되는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 컨덕팅 루프 및 상기 하이 퀄리티 캐패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 지름은 파장(λ)의 λ/100 보다 작은
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 레이어들 각각의 두께는 시스템 동작 주파수를 초과하는 주파수에서 시어(shear) 웨이브의 탄성(acoustic) 진동이 공진하는 두께로 결정되는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 메타캐패시터는 탄성 공진기로 동작하고, 상기 탄성 공진기의 동작 주파수에서의 외부 임피던스와 높은 캐패시턴스(capacitance) 값을 갖는 캐패시터의 임피던스(impedance)는 동일한
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 컨덕팅(conducting) 루프의 낮은 인덕턴스와 조합하여 상기 메타캐패시터의 높은 캐패시턴스 값은 선택된 동작 주파수에서 상기 컨덕팅 루프 및 상기 하이 퀄리티 캐패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진 장치의 공진 응답을 보장하도록 결정되는
    무선 전력 전송을 위한 공진 장치.
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