KR102108545B1 - 무선전력 수신 디바이스 및 무선전력 전송 장치 - Google Patents

Abstract

무선전력 수신 디바이스 및 무선전력 전송 장치를 제안한다. 무선전력 수신 디바이스는 전자계를 방출하는 공진기 본체, 상기 공진기 본체 외곽의 적어도 일부를 둘러싸는 차단부 및 상기 공진기 본체와 상기 차단부 사이의 공간부를 포함할 수 있다.

Description

무선전력 수신 디바이스 및 무선전력 전송 장치 {Wireless Power receiving Device and Wireless Power transferring Apparatus}

아래의 실시예들은 무선전력전송 디바이스 및 장치에 관한 것이다.

무선전력은, 마그네틱 커플링을 통해 무선전력 송신기로부터 무선전력 수신기로 전달되는 에너지를 의미한다. 무선전력전송 디바이스 및 장치는 이러한 무선전력을 전송하고 수신하는 디바이스 및 장치이다.

예를 들어, 한국특허출원 제2007-0123750호는 하나의 무선전력전송장치에 근접되게 위치되는 다수의 무선전력수신장치가 충전되도록 구성되는 무선 전력전송 시스템을 개시한다.

일 실시예에 따른 무선전력수신 디바이스는 전자계를 방출하는 공진기 본체; 상기 공진기 본체의 외곽의 적어도 일부를 둘러싸는 차단부 및 상기 공진기 본체와 상기 차단부 사이의 공간부를 포함할 수 있다. 상기 차단부는 상기 공진기 본체의 단면 형상에 대응하는 단면 형상을 가지되, 적어도 일 측이 개방될 수 있다. 상기 차단부의 개방된 일 측은 루프 형상의 공진기 본체의 내측을 향하도록 구성될 수 있다. 상기 차단부는 적어도 일부가 금속 플레이트로 형성될 수 있다. 상기 차단부의 최외측으로부터 상기 공진기 본체를 향해 연장하는 차단부의 폭, 상기 공진기 본체와 상기 차단부 사이의 공간부 거리 또는 상기 차단부에 구비된 커패시터는 주변 매질에 따른 전송효율 변화가 최소값이 되도록 선택될 수 있다. 상기 차단부의 최외측으로부터 상기 공진기 본체를 향해 연장하는 차단부의 폭은 가변되도록 구성될 수 있다. 상기 차단부는 상기 공진기 본체로부터의 전자계 누설을 위해 개방된 슬롯을 구비할 수 있다. 상기 공진기 본체는 루프 형상이고, 전송선로 및 캐패시터를 포함할 수 있다. 상기 공간부는 FR4로 채워질 수 있다.

또는, 상기 공간부에는 상기 공진기 본체와 상기 차단부를 일정 거리로 이격시키는 지지체를 포함할 수 있고, 상기 지지체는 일 단이 상기 공진기 본체와 접하고 타 단이 상기 차단부에 접하는 스크류로 형성될 수 있다. 상기 공진기 본체, 상기 공간부 및 상기 차단부를 내부에 수용하는 홀더를 더 포함할 수 있고, 상기 홀더는 상기 차단부를 일정 거리 이격되게 수용할 수 있다.

일 실시예에 따른 무선전력수신 디바이스는, 루프 형상의 공진기 본체; 및 상기 공진기 본체 외곽을 둘러싸고 상기 공진기 본체와 주변 매질 사이에 위치하고 상기 공진기 본체로부터의 전자계 누설을 위한 슬롯을 구비하는 금속면을 포함할 수 있고, 상기 금속면은 상기 주변 매질의 변화에 의한 영향이 상기 공진기 본체에 미치는 것을 차단할 수 있다.

상기 금속면의 단면 형상은 상기 공진기 본체의 단면 형상에 대응하고, 상기 금속면은 상기 공진기 본체로부터 일정 거리 이격될 수 있다. 상기 금속면의 최외곽으로부터 상기 공진기 본체를 향해 연장하는 금속면의 폭이 형성될 수 있다.

상기 공진기 본체는 복수 개의 도체를 포함하고, 상기 복수 개의 도체는 적층되어 상기 금속면에 의해 둘러싸이도록 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 공진기 본체는, 루프 형상의 제1 도체 및 상기 제1 도체와 동일 평면 내에 배치되어 상기 제1 도체와 이격되어 외측을 둘러싸는 루프 형상의 제2 도체를 포함할 수 있고, 상기 제1 도체는 루프 내의 일 측에서 타 측으로 연결되는 하나 이상의 브랜치를 구비할 수 있다.

일 실시예에 따른 무선전력전송 장치는, 동물의 외부에 위치된 무선전력 송신기; 및 상기 동물에 이식된 무선전력 수신기를 포함할 수 있고, 상기 무선전력 수신기는 전자계를 방출하는 공진기 본체 및 상기 공진기 본체 외곽의 적어도 일부를 둘러싸고 상기 공진기 본체와 상기 동물의 조직 사이에 위치한 금속면을 포함할 수 있다.

상기 공진기 본체는 루프 형상이고, 상기 금속면은 상기 공진기 본체의 단면 형상에 대응하는 단면 형상을 가지되, 적어도 일 측이 개방될 수 있다. 상기 금속면의 최외측으로부터 상기 공진기 본체를 향해 연장하는 금속면의 폭, 상기 금속면과 상기 공진기 본체의 이격 거리 또는 상기 금속면에 구비된 커패시터는 상기 조직의 이완과 수축 시의 전송효율 변화가 최소값이 되도록 선택될 수 있다. 상기 공진기 본체와 상기 금속면 사이의 공간은 FR4로 채워질 수 있다. 또는, 상기 공진기 본체와 상기 금속면 사이를 일정하게 이격시키는 지지체를 포함할 수 있고, 상기 지지체는 일 단이 상기 공진기 본체와 접하고 타 단이 상기 금속면에 접할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 무선전력 수신 디바이스의 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선전력 수신 디바이스의 정면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선전력 수신 디바이스의 공진기 본체의 평면도이다.
도 4는 도 1의 A-A선에 따른 무선전력 수신 디바이스의 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선전력 수신 디바이스의 공간부에 부착된 지지체를 도시한다.
도 6는 일 실시예에 따른 무선전력전송 장치를 개략적으로 도시한다.
도 7은 이완과 수축 시의 근육의 실수부와 허수부의 유전율 측정 분포도를 도시한다.
도 8은 일 실시예에 따른 무선전력 전송 장치의 차단부가 구비되지 않은 경우의 근육의 이완과 수축 시 무선전력 전송효율을 나타낸다.
도 9은 일 실시예에 따른 무선전력 전송 장치의 근육 이완 시 전력전송 효율을 나타낸다.
도 10는 일 실시예에 따른 무선전력 전송 장치의 근육 수축 시 전력전송 효율을 나타낸다.
도 11은 일 실시예에 따른 무선전력 전송 장치의 전력전송 효율의 변화량을 나타낸다.
도 12는 무선전력 전송 디바이스의 변형예를 도시한다.
도 13은 변형예에 따른 무선전력 전송 디바이스의 공진기 본체의 모습을 도시한다.
도 14는 변형예에 따른 무선전력 전송 디바이스의 공진기 본체의 브랜치의 개수에 따른 입력 임피던스의 허부수의 분포를 도시한다.
도 15은 변형예에 따른 무선전력 전송 디바이스의 전자파흡수율을 나타낸다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 일실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 일 실시예에 따른 무선전력 수신 디바이스(10)의 사시도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 무선전력 수신 디바이스(10)의 정면도이며, 도 3은 일 실시예에 따른 무선전력 수신 디바이스(10)의 공진기 본체(100)의 구성을 나타내는 평면도이고, 도 4는 도 1의 A-A선에 따른 무선전력 수신 디바이스(10)의 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선전력 수신 디바이스(10)는 전자계를 방출하는 공진기 본체(100), 상기 공진기 본체(100) 외곽의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있는 차단부(300) 및 상기 공진기 본체(100)와 상기 차단부(300) 사이의 공간부(200)를 포함할 수 있다.

특히, 도 3(a)를 참조하면, 공진기 본체(100)는 전송선로(110) 및 커패시터(120)를 포함할 수 있다.

공진기 본체(100)는 루프 형상일 수 있고, 공진기 본체(100)의 전송선로(110)가 루프 형상일 수 있으며, 단일 루프 형상, 다중 턴 루프 형상 또는 헬릭스 형상으로 형성될 수 있다. 단일 루프 형상 또는 다중 턴 루프 형상은 사각형일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 루프 형상은 원형 또는 타원형이 될 수도 있다.

도 3(b)는 도 3(a)를 더 구체적으로 표현한 도면으로, 도 3(b)를 참조하면, 공진기 본체(100)는 전송선로(110), 제1 도체(114), 제2 도체(115), 적어도 하나의 캐패시터(120)를 포함할 수 있다.

캐패시터(120)는 전송선로(110)에서 제1 신호도체 부분(111)과 제2 신호 도체 부분(112) 사이 위치에 직렬 또는 병렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 캐패시터(120)에 갇히게 된다.

도 3(b)에 도시된 바와 같이, 공진기 본체(100)는 2 차원 구조의 형태일 수 있다. 전송선로(110)는 상부에 제1 신호 도체 부분(111) 및 제2 신호 도체 부분(112)을 포함한다.

전류는 제1 신호 도체 부분(111) 및 제2 신호 도체 부분(112)을 통하여 흐른다.

제1 신호 도체 부분(111), 제2 신호 도체 부분(112) 및 도체들(114, 115)은 서로 연결됨으로써, 공진기 본체(100)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 앞서 말한 바와 같이, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다'고 함은 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.

캐패시터(120)는 전송선로(110)의 중단부에 삽입된다. 구체적으로, 캐패시터(120)는 제1 신호 도체 부분(111) 및 제2 신호 도체 부분(112) 사이에 삽입된다. 이 때, 캐패시터(120)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 캐패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.

근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 캐패시터(120)에 집중되므로, 캐패시터(120)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, 공진기는 집중 소자의 캐패시터(120)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 큐-팩터는 무선 전력 전송에 있어서 저항 손실(ohmic loss)의 정도 또는 저항(resistance)에 대한 리액턴스의 비를 나타내는데, 큐-팩터가 클수록 무선 전력 전송의 효율이 큰 것으로 이해될 수 있다.

또한, 도 3(b)에 도시되지 아니하였으나, 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.

도 4를 참조하여, 일 실시예에 따른 무선전력수신 디바이스(10)는 단일 루프 구조를 가질 수 있다. 공진기 본체(100)의 외측을 둘러싸는 차단부(300)의 단면은 공진기 본체(100)의 단면 형상에 대응하도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 공진기 본체(100)의 단면 형상이 사각형상일 경우에는, 차단부(300)의 단면 형상도 사각형상일 수 있다. 공진기 본체(100) 및 차단부(300)의 단면 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 공진기 본체(100)의 단면이 원형, 타원형 또는 사각형을 제외한 다각 형상을 가질 경우에, 차단부(300)의 단면도 이에 대응하도록 원형, 타원형 또는 사각형을 제외한 다각 형상으로 형성될 수 있다.

다만, 차단부(300)의 단면 형상이 공진기 본체(100)의 단면 형상에 대응하도록 형성되더라도, 차단부(300)의 단면 일 측은 개방되도록 형성될 수 있다. 차단부(300)의 이러한 개방된 일 측은 루프 형상의 공진기 본체(100)의 내측을 향하는 방향으로 형성될 수 있다. 이러한 개방된 일 측은 차단부(300)의 길이방향으로 형성된 슬롯 형태로 구성될 수 있으며, 이러한 개방된 측면을 통해서 공진기 본체(100)로부터의 전자계 누설이 이루어질 수 있다.

예를 들어, 도 4를 참조하여, 공진기 본체(100)가 사각 단면을 가질 경우에, 차단부(300)의 단면은 일 측이 개방된 사각 단면 형상을 가진다. 차단부(300)의 개방된 일 측은 무선전력수신 디바이스(10)의 내측을 향할 수 있다. 예를 들어, 차단부(300)는 'ㄷ'자 형상의 플레이트로 구성될 수 있으며, 'ㄷ'자의 개방된 측면은 루프 형상의 공진기 본체(100)의 내부 중심 방향을 향할 수 있다.

차단부(300)는 금속 재질로 형성될 수 있으며, 구체적으로 금속 플레이트로 형성될 수 있다. 차단부(300)의 금속면은 무선전력수신 디바이스(10)의 주변 매질의 변화에 따른 영향이 공진기 본체(100)에 미치는 것을 차단할 수 있다.

차단부(300)의 최외측으로부터 공진기 본체를 향해 연장하는 부분인 차단부의 폭(310)은 무선전력수신 디바이스(10)의 주변 매질에 따른 전송 효율 변화가 최소가 되는 길이로 형성될 수 있다.

구체적으로, 도 4를 참조하여, 차단부의 폭(310)은 공진기 본체(100)의 상부와 하부에 위치하여 차단부(300)의 최외측으로부터 무선전력수신 디바이스(10)의 내측을 향해 연장한다. 이러한 차단부의 폭(310)은 차단부(300)가 공진기 본체(100)와 이격된 거리를 고려하여 주변 매질에 따른 전송 효율 변화가 최소가 되도록 선택될 수 있다.

또한, 차단부(300)는 차단부의 폭(310)이 가변될 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 차단부의 폭(310)은 신축가능한 플레이트로 구성되어 외부 힘 또는 미세 전류에 의해 길이가 변하도록 제어될 수 있다. 또는, 다른 종류의 길이를 가지는 복수의 차단부의 폭(310)이 구비되어, 차단부(300)에 탈부착 가능하도록 구성될 수도 있다. 이러한 가변될 수 있는 차단부 폭(310)의 길이는 차단부(300)와 공진기 본체(100)의 이격 거리를 고려하여 주변 매질에 따른 전송 효율 변화가 최소가 되도록 조절될 수 있다.

또한, 차단부(300)에는 커패시터(capacitor)가 구비될 수 있으며, 이러한 커패시터는 주변 매질에 따른 전송 효율 변화가 최소가 되도록 조절될 수 있다.

따라서, 주변 매질에 따른 전송 효율 변화가 최소가 되도록 조절될 수 있는 파라미터에는 차단부 폭(310)의 길이, 차단부(300)와 공진기 본체(100)의 이격 거리 및 차단부(300)의 커패시터가 포함될 수 있다.

차단부(300)가 공진기 본체(100) 외곽을 둘러쌀 수 있어, 공진기 본체(100)와 차단부(300)가 이격되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 공진기 본체(100)와 차단부(300) 사이에 공간부(200)가 구비될 수 있다. 또는, 공진기 본체(100)의 외측에 차단부(300)가 바로 배치될 수도 있다. 이 경우에는, 공진기 본체(100)와 차단부(300) 사이에 별도의 구성요소가 개재되지는 않는다.

공간부(200)는 공진기 본체(100)와 차단부(300) 사이의 거리가 일정하도록 유지하는 역할을 할 수 있다. 공간부(200)에 FR4가 제공될 수 있고, 이러한 FR4는 공진기 본체(100)와 차단부(300) 사이가 일정하게 이격되도록 상기 공간부 본체(100)와 차단부(300)를 고정하는 역할을 한다. 또한, 공간부(200)에 FR4 외의 유전체 물질이 제공될 수 있음은 당연하다 할 것이다.

도 5는 일 실시예에 따른 무선전력 수신 디바이스(10)의 공간부(200) 내에 제공된 지지체(210)를 도시한다. 도 5를 참조하여, 공간부(200)에 아무런 구성요소가 제공되지 않을 수 있으며, 이 경우에는, 공진기 본체(100)와 차단부(300) 사이가 일정하게 이격되도록 하는 지지체(210)가 구비될 수 있다. 지지체(210)의 일 단은 공진기 본체(100)를 지지하고 타 단은 차단부(300)를 지지하며, 복수의 지지체(210)들이 구비되어 공진기 본체(100)와 차단부(300) 사이의 상대 위치를 안정적으로 고정할 수 있다. 예를 들어, 복수의 지지체(210)들은 공진기 본체(100)의 상면, 하면, 좌측면에 구비될 수 있다.

이러한 지지체(210)는 나사산이 형성된 스크류일 수 있다. 이 때, 차단부(300)에는 상기 스크류가 통과할 수 있는 관통공이 형성될 수 있고, 상기 관통공을 통과한 스크류의 단부는 공진기 본체(100)에 접촉하여 이를 안정적으로 지지하게 될 수 있다. 상기 스크류의 나사산은 상기 관통공에 나사결합함으로써, 차단부(300)도 스크류에 안정적으로 지지될 수 있다.

일 실시예에 따른 무선전력수신 디바이스(10)는 홀더(400)를 더 포함할 수 있고, 이러한 홀더(400)는 내부에 공진기 본체(100), 공간부(200) 및 차단부(300)를 수용할 수 있다. 홀더(400)는 FR4로 구성되어 공진기 본체(100), 공간부(200) 및 차단부(300)를 안정적으로 수용할 수 있다.

일 실시예에 따른 무선전력수신 디바이스(10)에 따르면, 차단부(300)인 외측 도체(outer conductor)가 공진기 본체(100)인 내측 도체(inner conductor)를 감싸고 있는 구조이기 때문에, 기생용량(parasitic capacitance) 성분이 차단부(300)와 공진기 본체(100) 사이에 발생한다. 생성된 기생용량에 저장된 에너지에 의하여 전력 전송에 사용되는 인덕턴스(inductance)에 저장되는 에너지가 감소되어 전송효율이 감소된다. 그러나, H-field가 코일의 내부를 향해 집중되어 주변 매질의 변화에 대하여 그 특성 변화가 심하지 않다. 그 결과, 동물(인체)의 움직임과 주변 환경 변화에 의한 효율변화를 최소화할 수 있고, 일정한 효율을 유지할 수 있다. 만약, 차단부(300)가 없다면, 개방된 형태의 H-field는 코일의 주변 환경 변화에 따라 코일이 가지는 인덕턴스 성분과 입력 임피던스(input impedance)가 변하여 주변 매질에 따른 전송 효율 변화가 심해질 것이다.

도 6은 일 실시예에 따른 무선전력전송 장치를 개략적으로 도시한다.

도 6을 참조하여, 일 실시예에 따른 무선전력전송 장치는 동물(H)에 이식된 무선전력 수신기 및 동물(H)의 외부에 위치된 무선전력 송신기를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 무선전력전송 장치는 의료분야에서 적용될 수 있으며, 무선전력 수신기와 무선전력 송신기를 통해 이식형 의료기기로의 전력 공급을 가능하게 하여, 배터리 교체를 위한 주기적인 재수술의 필요성을 감소시킬 수 있다.

일 실시예에 따른 무선전력전송 장치의 무선전력 수신기는 전자계를 방출하는 공진기 본체 및 상기 공진기 본체의 외곽을 둘러싸는 금속면을 포함하며, 이러한 금속면은 공진기 본체와 동물의 조직 사이에 위치하여, 동물의 조직인 근육의 수축이나 이완 등에 의한 공진기 본체의 주변 환경 변화에 의한 영향이 공진기 본체에 미치는 것을 차단할 수 있는 차단부로서 역할을 할 수 있다.

무선전력 수신기는 무선전력수신 디바이스(10)로 구성될 수 있으며, 구체적으로, 무선전력 수신기는 전자계를 방출하는 공진기 본체 및 상기 공진기 본체 외곽의 적어도 일부를 둘러싸고 상기 공진기 본체와 동물의 조직 사이에 위치한 금속면을 포함할 수 있다.

상기 공진기 본체는 루프 형상이고, 상기 금속면은 상기 공진기 본체의 단면 형상에 대응하는 단면 형상을 가지되, 적어도 일 측이 개방될 수 있다.

상기 금속면의 최외측으로부터 상기 공진기 본체를 향해 연장하는 금속면의 폭 및 상기 금속면, 상기 공진기 본체의 이격 거리 및 금속면의 커패시터는 상기 조직의 이완과 수축 시의 전송효율 변화가 최소값이 되도록 선택될 수 있다.

상기 공진기 본체와 상기 금속면 사이의 공간은 FR4로 채워질 수 있으며, 또는 상기 공진기 본체와 상기 금속면 사이를 일정하게 이격시키는 지지체를 포함할 수 있다. 상기 지지체는 일 단이 상기 공진기 본체와 접하고 타 단이 상기 금속면에 접하도록 구성될 수 있다. 또한, 공간부(200)에 FR4 외의 유전체 물질이 제공될 수 있음은 당연하다 할 것이다.

무선전력 송신기에도 공진기 본체 외부를 둘러싸는 차단부인 금속면이 구비될 수 있다.

일 실시예에 따른 무선전력전송 장치의 무선전력수신 디바이스(10)가 자기공명 방식을 이용할 경우에, 이러한 자기공명 방식의 주요한 파라미터인 높은 큐-팩터를 가지는 공진기 본체의 특성상 주변 환경 변화에 민감하게 공진 주파수가 이동하게 된다. 무선전력송신 디바이스(20)와 무선전력수신 디바이스(10)의 공진주파수 미스매칭(mismatching)은 전송 효율의 감쇠를 야기할 수 있다. 무선전력전송 환경의 변화가 있는 경우, 상기 금속면은 전송환경 변화에 둔감하고 일정한 무선전력전송 효율을 유지할 수 있도록 하여, 안정적 전력 공급을 유지할 수 있다. 특히, 이식형 의료기기의 경우, 근육이 수축과 이완을 반복하며 발생하는 주기적인 환경 변화는 이식형 기기의 무선전력전송을 방해하는 요인으로 작용하는데, 차단부인 금속면이 이러한 환경 변화에 의한 영향이 공진기 본체로 미치는 것을 차단할 수 있다.

차단부인 금속면이 없는 단일 루프 공진기의 경우에는 주변 매질의 유전율 및 도전율이 변화함에 따라 공진기의 유효 유전율(effective permittivity)이 바뀌어 공진 주파수 천이 현상이 발생한다. 이러한 주파수 천이 현상은 공진(resonance) 방식 무선전력 전송의 성능을 저해하는 요인으로 작용한다. 일 실시예에 따른 무선전력전송 장치는 공진기 본체의 외측을 둘러싸는 차단부인 금속면을 구비함으로써, 차폐 효과에 의하여 공진기 코일(resonator coil)의 유효 유전율이 거의 변화하지 않게 된다. 이에 의해, 차단부인 금속면이 없는 경우에 발생하던 공진주파수 천이 현상이 최소화될 수 있으며, 이는 전송 효율 변화의 둔감으로 이어진다. 이식형 의료기기와 같은 전송 환경 변화가 많은 경우에, 일 실시예에 따른 무선전력전송 장치는 전송 효율을 일정하게 유지하는데 도움을 줄 수 있다.

도 7은 무선전력전송 장치의 차단부인 금속면이 구비되지 않은 경우의 근육의 이완과 수축 시 근육의 복소 유전율의 분포도와 근사값을 나타내고, 도 8은 일 실시예에 따른 무선전력 전송 장치의 차단부가 구비되지 않은 경우의 근육의 이완과 수축 시 무선전력 전송효율을 나타내며, 도 9는 일 실시예에 따른 무선전력전송 장치의 근육 이완 시 전력 전송 효율을 나타내며, 도 10은 일 실시예에 따른 무선전력 전송 장치의 근육 수축 시 전력전송 효율을 나타낸다. 또한, 도 11은 일 실시예에 따른 무선전력 전송 장치의 전력전송 효율의 변화량을 나타낸다.

도 7을 참조하여, 인체의 움직임(근육의 수축과 이완)에 따른 인체 조직의 복소 유전율을 측정하였으며, 이 때, 일 실시예에 따른 무선전력전송 장치는 제공되지 않으며, 측정 오차를 줄이기 위하여 팔은 높이 조절이 가능한 받침대 위에서 근육의 이완과 수축 시 복소 유전율을 측정하였다. 측정된 복소 유전율은 측정시 발생하는 오차를 최소화하기 위하여 여러 번 측정한 결과를 평균 근사화하였다.

도 7(a)는 이완 시 근육의 실수부의 유전율 측정 분포도이고, 도 7(b)는 이완 시 근육의 허수부의 유전율 측정 분포도이며, 도 7(c)는 수축 시 근육의 실수부의 유전율 측정 분포도이고, 도 7(d)는 수축 시 근육의 허수부의 유전율 측정 분포도이다.

근육의 수축과 이완 시 측정한 복소 유전율의 분포도와 측정된 결과로부터 추출해 낸 근사값을 나타내었다. 아래 표 1, 2에서와 같이, 근육의 복소 유전율이 주파수에 따라 변하는 분산 특성을 표현하기 위해 복소수 커브 피팅법을 이용하여 2차 복소 분수 함수식으로 표현하였다.

　

근육 이완 시	근육 수축 시
A0=1.330707560214231e-18	A0 = 2.131048533249984e+02
A1 = -3.541531152087684e-08	A1 = -1.751036537796149e-07
A2 = 7.203565706797705e-17	A2 = -3.019519110410122e-17
B1 =-9.472942850597761e-10	B1 =-3.253736049134561e-09
B2 = 1.330707560214231e-18	B2 =-3.259343061864698e-19

도 7(a) 내지 7(d)에 도시된 바와 같이, 근육의 수축과 이완에 따라 유전율이 변화함을 알 수 있으며, 이러한 주변 매질의 유전율의 변화는 공진기의 유효 유전율을 변화시켜 공진 주파수 천이 현상을 일으키는 요인으로 작용한다.

도 8을 참고하여, 일 실시예에 따른 무선전력전송 장치가 아닌 차단부인 금속면이 없는 무선전력전송 장치에 의할 경우의 시뮬레이션 결과를 살펴보면, 근육 이완 시 전송 효율이 약 85%로 나타났다. 하지만 근육이 수축되어 주변환경이 변화 되었을 때 그 효율이 약 22%로 63%이상 감소되는 결과를 볼 수 있다.

도 9에는 일 실시예에 따른 무선전력전송 장치에 의해 근육이 이완되었을 때 최적화된 전송 효율을 나타나 있으며, 공진기 본체와 차단부와의 간격(이격 거리; gap)과 차단부의 폭의 변화에 따른 최적화된 전송 효율이 50~62%로 변화하는 것을 나타낸다.

도 10에는 일 실시예에 따른 무선전력전송 장치에 의해 근육이 수축되었을 때 전력 전송 효율이 나타나 있으며, 근육 수축 시에는 전송 효율이 23~52%로 감소되었음을 나타낸다.

도 11로부터, 일 실시예에 따른 무선전력전송 장치에 의한 전력 전송 효율의 변화범위가 약 7.8~12% 정도임을 알 수 있다. 차단부인 금속면이 없는 무선전력전송 장치에 의할 경우에는 전력 전송 효율 변화범위가 약 22~85%임을 고려할 때, 일 실시예에 따른 무선전력전송 장치의 차단부의 구조에 의하면, 이식형 무선전력 전송 시 근육의 움직임에 의한 환경 변화에도 전송 효율을 유지하는데 상당한 효과가 있음을 알 수 있다.

도 12는 변형예에 따른 무선전력 전송 디바이스를 도시한다. 변형예에 따른 무선전력 전송 디바이스의 공진기 본체는 제1 도체(110)와 제2 도체(120)를 포함할 수 있다. 제1 도체(110)와 제2 도체(120)는 루프 형상의 구조로 형성될 수 있으며, 제1 도체(110)와 제2 도체(120)는 동일 평면 내에 배치되고 제2 도체(120)가 제1 도체(110)의 외측을 둘러싸는 SRR(분리형 링 공진기; split ring resonator) 구조로 형성될 수 있다. 이러한 제1 도체(110)와 제2 도체(120)를 차단부(300)가 둘러싸고 있다. 이 때, 차단부(300)의 단면 형상은 제1 도체(110)와 제2 도체(120)의 단면 형상에 대응되도록 형성될 수 있으며, 차단부(300)의 단면 일 측은 제1 도체(100)와 제2 도체(120)의 내측을 향하는 방향으로 개방될 수 있다. 이러한 제1 도체(110)와 제2 도체(120)로 인해서 작은 공간에서 높은 큐-팩터를 갖는 공진기를 설계할 수 있다.

도 13은 변형예에서의 공진기 본체의 구조들을 나타낸다. 도 13(a)는 도 12에 따른 제1 도체(101)와 제2 도체(102)를 포함하는 공진기 본체 구조를 도시하며, 이 경우의 제1 도체(101)는 하나의 브랜치 개수를 구비한다.

도 13(b)는 제1 도체(101)가 추가 브랜치(1012)를 더 구비하여 2개의 브랜치를 가지는 공진기 본체를 나타내고, 도 13(c)는 제1 도체(101)가 추가 브랜치들(1012, 1014)를 더 구비하여 3개의 브랜치를 가지는 공진기 본체를 나타낸다. 추가적인 브랜치(1012, 1014)들이 제1 도체(101)의 루프 내의 일 측에서 타 측으로 연결되어, 공진기 본체는 nested-SRR 구조로 형성될 수 있다.

도 14는 변형예의 공진기 본체에서 브랜치의 개수가 증가함에 따라 공진기 본체의 입력 임피던스의 허수부가 주파수에 따라 어떻게 분포하는지를 나타낸다. 도 14의 그래프에서 입력 임피던스의 허수부가 크게 증가함은 공진기 본체의 큐-팩터(Q-factor)가 증가함을 나타낸다. 체내에 삽입되는 이식형 기기의 특성상 이식 가능 공간이 제약됨에 따라 작은 크기에서 높은 큐-팩터를 가지는 공진기 본체를 설계하는 것이 중요한데, 공진기 본체를 nested ?RR 구조로 형성함으로써 높은 큐-팩터를 얻을 수 있다. 도 14를 참고하여, 브랜치의 개수가 증가할수록 높은 큐-팩터를 가짐을 확인할 수 있고, 그 상승폭은 브랜치가 4개일 때 브랜치가 1개인 공진기 본체의 큐-팩터 80.8 대비 약 20% 향상된 103.4임을 알 수 있다.

도 15는 변형예에 따른 무선전력 전송 디바이스와 차단부를 구비하지 않은 스파이럴(spiral) 공진기의 SAR(전자파흡수율)값을 나타낸 도면이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 변형예에 따른 무선전력 전송 디바이스의 SAR값은 차단부를 구비하지 않은 스파이럴 공진기의 SAR값의 약 1/4로 감소됨을 알 수 있다.

일 실시예에 따른 무선전력전송 장치에 따르면, 주변 매질의 영향을 받지 않는 공진기를 설계할 수 있으며, 이를 이용하여 전송 환경이 급격히 변화하는 경우에도 안정적으로 전력을 무선으로 전송할 수 있다. 이로 인해, 무선전력 전송에서의 급격한 환경 변화에 따른 전력전송 효율 감소를 예방할 수 있다. 예를 들어 페이스메이커(pacemaker) 무선 전력 전송 시, 대흉근 수축과 이완으로 발생하는 전송 환경의 변화에 대한 전송 효율의 변화를 예방할 수 있고, 캡슐형 내시경과 같은 인체 내부 이동형 의료 장비의 경우에는 장비의 위치에 따른 무선 전력 전송 환경의 변화에 대한 전송 효율 변화를 예방할 수 있으며, 무선전력 전송 시 온도 변화 감소를 위하여 냉각용 용액을 사용하는 경우에는 유체의 움직임에 의한 무선전력 전송 환경 변화에 대한 전송 효율 변화를 예방할 수 있다.

이상과 같이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 기술적 원리에 대한 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.

10 : 무선전력수신 디바이스
100 : 공진기 본체
200 : 공간부
300 : 차단부
400 : 홀더

Claims (21)

1. 전자계를 방출하는 공진기 본체;
   상기 공진기 본체 외곽의 적어도 일부를 둘러싸는 차단부; 및
   상기 공진기 본체와 상기 차단부 사이의 공간부
   를 포함하고,
   상기 공간부에는 상기 공진기 본체와 상기 차단부를 일정 거리로 이격시키는 지지체를 포함하고, 상기 지지체는 일 단이 상기 공진기 본체와 접하고 타 단이 상기 차단부에 접하며, 나사산이 형성된 스크류인,
   무선전력수신 디바이스.
2. 제1항에 있어서,
   상기 차단부는 상기 공진기 본체의 단면 형상에 대응하는 단면 형상을 가지되, 적어도 일 측이 개방된, 무선전력수신 디바이스.
3. 제2항에 있어서,
   상기 차단부의 개방된 일 측은 루프 형상의 공진기 본체의 내측을 향하는, 무선전력수신 디바이스.
4. 제2항에 있어서,
   상기 차단부는 적어도 일부가 금속 플레이트로 형성되는, 무선전력수신 디바이스.
5. 제2항에 있어서,
   상기 차단부의 최외측으로부터 상기 공진기 본체를 향해 연장하는 차단부의 폭, 상기 공진기 본체와 상기 차단부 사이의 공간부 거리 또는 상기 차단부에 구비된 커패시터는 주변 매질에 따른 전송효율 변화가 최소값이 되도록 선택된, 무선전력수신 디바이스.
6. 제2항에 있어서,
   상기 차단부의 최외측으로부터 상기 공진기 본체를 향해 연장하는 차단부의 폭은 가변될 수 있는, 무선전력수신 디바이스.
7. 제1항에 있어서,
   상기 차단부는 상기 공진기 본체로부터의 전자계 누설을 위해 개방된 슬롯을 구비하는, 무선전력수신 디바이스.
8. 제1항에 있어서,
   상기 공진기 본체는 루프 형상이고,
   전송선로 및 캐패시터를 포함하는, 무선전력수신 디바이스.
9. 제1항에 있어서,
   상기 공간부는 FR4로 채워지는, 무선전력수신 디바이스.
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,
    상기 공진기 본체, 상기 공간부 및 상기 차단부를 내부에 수용하는 홀더를 더 포함하고, 상기 홀더는 상기 차단부를 일정 거리 이격되게 수용하는, 무선전력수신 디바이스.
12. 루프 형상의 공진기 본체;
    상기 공진기 본체 외곽을 둘러싸고, 상기 공진기 본체와 주변 매질 사이에 위치하고, 상기 공진기 본체로부터의 전자계 누설을 위한 슬롯을 구비하는, 금속면; 및
    상기 공진기 본체와 상기 금속면 사이의 공간부
    를 포함하고,
    상기 금속면은 상기 주변 매질의 변화에 의한 영향이 상기 공진기 본체에 미치는 것을 차단하며,
    상기 공간부에는 상기 공진기 본체와 상기 금속면을 일정 거리로 이격시키는 지지체를 포함하고, 상기 지지체는 일 단이 상기 공진기 본체와 접하고 타 단이 상기 금속면에 접하며, 나사산이 형성된 스크류인,
    무선전력수신 디바이스.
13. 제12항에 있어서,
    상기 금속면의 단면 형상은 상기 공진기 본체의 단면 형상에 대응하고, 상기 금속면은 상기 공진기 본체로부터 일정 거리 이격된, 무선전력수신 디바이스.
14. 제13항에 있어서,
    상기 금속면의 최외곽으로부터 상기 공진기 본체를 향해 연장하는 금속면의 폭이 형성된, 무선전력수신 디바이스.
15. 제12항에 있어서,
    상기 공진기 본체는,
    루프 형상의 제1 도체; 및
    상기 제1 도체와 동일 평면 내에 배치되어 상기 제1 도체와 이격되어 외측을 둘러싸는, 루프 형상의 제2 도체;
    를 포함하는, 무선전력 수신 디바이스.
16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 도체는 루프 내의 일 측에서 타 측으로 연결되는 추가적인 브랜치를 구비하는, 무선전력 수신 디바이스.
17. 동물의 외부에 위치된 무선전력 송신기; 및
    상기 동물에 이식된 무선전력 수신기
    를 포함하고,
    상기 무선전력 수신기는,
    전자계를 방출하는 공진기 본체;
    상기 공진기 본체 외곽의 적어도 일부를 둘러싸고, 상기 공진기 본체와 상기 동물의 조직 사이에 위치한 금속면; 및
    상기 공진기 본체와 상기 금속면 사이의 공간부
    을 포함하고,
    상기 공간부에는 상기 공진기 본체와 상기 금속면을 일정 거리로 이격시키는 지지체를 포함하고, 상기 지지체는 일 단이 상기 공진기 본체와 접하고 타 단이 상기 금속면에 접하며, 나사산이 형성된 스크류인,
    무선전력전송 장치.
18. 제17항에 있어서,
    상기 공진기 본체는 루프 형상이고, 상기 금속면은 상기 공진기 본체의 단면 형상에 대응하는 단면 형상을 가지되, 적어도 일 측이 개방되어 있는, 무선전력전송 장치.
19. 제17항에 있어서,
    상기 금속면의 최외측으로부터 상기 공진기 본체를 향해 연장하는 금속면의 폭 및 상기 금속면과 상기 공진기 본체의 이격 거리 또는 상기 금속면에 구비된 커패시터는 상기 조직의 이완과 수축 시의 전송효율 변화가 최소값이 되도록 선택되는, 무선전력전송 장치.
20. 제17항에 있어서,
    상기 공진기 본체와 상기 금속면 사이의 공간은 FR4로 채워지는, 무선전력전송 장치.
    
    
21. 삭제

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