KR102114402B1 - 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 중계 장치 - Google Patents

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유영호
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Abstract

무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 중계 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 무선으로 전력을 전송하는 소스 공진기, 전력을 무선으로 수신하는 타겟 공진기 및 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수(quality factor)를 가지고, 상호 공진을 통해 전력을 소스 공진기로부터 타겟 공진기로 중계하는 중계 공진기를 포함한다. 여기서 중계 공진기는 재질, 구조 및 사이즈 중 적어도 하나를 통해 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지도록 설계될 수 있다.

Description

무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 중계 장치{WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM AND WIRELESS POWER RELAYING DEVICE}
아래의 설명은 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
무선 전력은, 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 따라서, 무선 전력 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스(source device)와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 디바이스(target device)를 포함한다. 이때, 소스 디바이스는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 타겟 디바이스는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다.
소스 디바이스는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 타겟 디바이스는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면 무선으로 전력을 전송하는 소스 공진기, 전력을 무선으로 수신하는 타겟 공진기, 및 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수(quality factor)를 가지고, 상호 공진을 통해 전력을 소스 공진기로부터 타겟 공진기로 중계하는 중계 공진기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기는, 소스 공진기 및 타겟 공진기 중 적어도 하나와 기생결합(parasitic coupling)을 형성하는, 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기는, 소스 공진기 타겟 공진기 중 적어도 하나와 동일한 평면에 배열되어 기생결합을 형성하는, 무선 전력 전송 시스템이 제공된다..
또 다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기는, 소스 공진기 및 타겟 공진기의 재질보다 높은 품질 계수를 가지는 재질로 된, 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기는, 복수 개의 공진기로 구성되는 멀티 어레이 공진기를 포함하고, 복수 개의 공진기는, 서로 물리적으로 연결되지 않고, 상호 간에 형성되는 마그네틱 필드에 기초하여 전기적으로 연결되는 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기는, 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 큰 사이즈로 구성되어 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지는 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기는, 소스 공진기 및 타겟 공진기에 포함되는 코일보다 굵은 코일로 구성되어 높은 품질 계수를 가지는, 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기는, 소스 공진기 및 타겟 공진기에 포함되는 코일의 턴수보다 상대적으로 많은 턴수를 가지는 코일로 구성되어 높은 품질 계수를 가지는, 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기는, 자성을 띄는 물질로 둘러 쌓이도록 구성되어 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지는, 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 품질 계수는, 소스 공진기 및 타겟 공진기 중 적어도 하나의 품질 계수가 미리 정해진 임계값보다 낮은 경우, 중계 공진기가 소스 공진기 및 타겟 공진기와 미리 정한 효율 이상으로 상호 공진할 수 있는 정도의 값을 가지는 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 미리 정해진 임계값은 100인 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
일 실시예에 따르면 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지고, 소스 공진기 및 타겟 공진기와 상호 공진하는 중계 공진기를 포함하고, 소스 공진기로부터 타겟 공진기로 전력을 무선으로 전달하는, 무선 전력 중계 장치가 제공된다.
다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기의 초전도 성질을 유지시키기 위해 중계 공진기를 냉각시키는 냉각부를 더 포함하고, 중계 공진기는, 초전도체 물질로 구성되어 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지는, 무선 전력 중계 장치가 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기는, 소스 공진기 및 타겟 공진기 중 적어도 하나와 동일한 평면에 배열되어 기생결합을 형성하는 기생 공진기(parasitic resonator)를 포함하는 무선 전력 중계 장치가 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 기생 공진기는, 소스 공진기 및 타겟 공진기 중 적어도 하나의 내부 및 외부 중 적어도 하나에 배치되는 적어도 하나 이상의 공진기를 포함하는 무선 전력 중계 장치가 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기는, 재질, 구조 및 사이즈 중 적어도 하나가 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지도록 구성된, 무선 전력 중계 장치가 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기는, 복수 개의 공진기로 구성되는 멀티 어레이 공진기를 포함하고, 복수 개의 공진기는, 서로 물리적으로 연결되지 않고, 상호 간에 형성되는 마그네틱 필드에 기초하여 전기적으로 연결되는 무선 전력 중계 장치가 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기는, 자성을 띄는 물질로 둘러 쌓이도록 구성되어 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지는, 무선 전력 중계 장치가 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 품질 계수는, 소스 공진기 및 타겟 공진기 중 적어도 하나의 품질 계수가 미리 정해진 임계값보다 낮은 경우, 중계 공진기가 소스 공진기 및 타겟 공진기와 미리 정한 효율 이상으로 상호 공진할 수 있는 정도의 값을 포함하는 무선 전력 중계 장치가 제공된다.
또 다른 일 실시예에 따르면 미리 정해진 임계값은 100인 무선 전력 중계 장치가 제공된다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 피더의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 전기 자동차 충전 시스템(electric vehicle charging system)을 도시한다.
도 6 및 도 7은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 전송 장치가 탑재될 수 있는 어플리케이션들을 도시한다.
도 8은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 무선 전력 수신 장치의 구성 예를 도시한다.
도 9는 일 실시예에 따른 중계 공진기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 개괄적인 구성을 도시한다.
도 10은 일 실시예에 따라 임피던스 매칭 네트워크(Impedance matching network)와 연결된 소스 공진기 및 타겟 공진기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 개괄적인 구성을 도시한다.
도 11은 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 장치를 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따른 높은 품질 계수를 가지는 구조로 설계된 중계 공진기를 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따른 높은 품질 계수를 가지는 멀티 어레이 공진기를 포함하는 중계 공진기를 도시한다.
도 14는 일 실시예에 따른 높은 품질 계수를 가지는 재질로 설계된 중계 공진기를 도시한다.
도 15는 일 실시예에 따라 소스 공진기의 내부 및 외부에 배치되는 기생 공진기를 포함하는 중계 공진기를 도시한다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
소스(source)와 타겟(target) 간에 통신을 수행하는 방식은 인 밴드 통신 방식과 아웃 밴드 통신 방식을 포함할 수 있다. 인 밴드 통신 방식은 소스와 타겟이 전력의 전송에 이용하는 주파수와 동일한 주파수에서 통신하는 방식이고, 아웃 밴드 통신 방식은 소스와 타겟이 전력 전송에 이용되는 주파수와는 다른 별도의 주파수를 이용하여 통신하는 방식이다.
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 포함할 수 있다. 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(source)(110)는 가변 SMPS(Variable SMPS)(111), 전력 증폭기(power amplifier)(112), 매칭 네트워크(matching network)(113), Tx 제어부(Tx control logic)(114) 및 통신부(115)를 포함할 수 있다.
가변 SMPS(Variable Switching Mode Power Supply)(111)는 전력 공급기(power supply)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 스위칭하여 DC 전압을 생성할 수 있다. 가변 SMPS(Variable SMPS)(111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나 Tx 제어부(Tx control logic)(114)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
전력 검출기(power detector)(116)는 가변 SMPS(Variable SMPS)(111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 Tx 제어부(114)로 전달할 수 있다. 또한, 전력 검출기(power detector)(116)는 전력 증폭기(power amplifier)(112)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수도 있다.
전력 증폭기(112)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압을 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전력 증폭기(112)는 기준 공진 주파수 FRef를 이용하여 전력 증폭기(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 의미할 수 있다. 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 주파수일 수 있다. 또한, "트래킹 주파수"는 기 설정된 방식에 따라 조정된 공진 주파수일 수 있다.
Tx 제어부(Tx control logic)(114)는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"에 대한 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 타겟 공진기(target resonator)(133)와 소스 공진기(source resonator)(131) 사이의 미스매칭(mismatching)을 검출할 수 있다. Tx 제어부(114)는 반사파의 포락선(envelop)을 검출함으로써 미스매칭을 검출하거나, 또는 반사파의 전력량을 검출함으로써 미스매칭을 검출할 수 있다.
매칭 네트워크(matching network)(113)는 Tx 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 Tx 제어부(114)의 제어에 따라 스위치를 통해 연결될 수 있다.
Tx 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 작으면 상기 미스매칭이 검출된 것으로 결정할 수 있다.
또한, Tx 제어부(114)는 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 작으면 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, Tx 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 조정할 수 있다. Tx 제어부(114)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. Tx 제어부(114)는 전력 증폭기(power amplifier)(112)를 제어함으로써, 타겟(120)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 통신부(115)는 인-밴드 통신을 통해 타겟(120)에 다양한 데이터(140)를 전송할 수 있다. 또한, Tx 제어부(114)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 타겟(120)으로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.
Tx 제어부(114)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. Tx 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, Tx 제어부(114)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. Tx 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 지그비(Zigbee), 블루투스(Bluetooth) 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟(120)에 데이터(140)를 전송할 수 있다.
소스 공진기(131)는 전자기 에너지(electromagnetic energy)(130)를 타겟 공진기(133)로 전송(transferring)한다. 예를 들어, 소스 공진기(131)는 타겟 공진기(133)와의 마그네틱 커플링을 통해 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 타겟(120)으로 전달할 수 있다.
타겟(target)(120)은 매칭 네트워크(matching network)(121), 정류기(rectifier)(122), DC/DC 컨버터(DC/DC converter)(123), 통신부(124) 및 Rx 제어부(Rx control logic)(125)를 포함할 수 있다.
타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)로부터 (electromagnetic energy)(130)를 수신한다. 예를 들어, 타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스(110)로부터 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 수신할 수 있다. 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.
정류기(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 예를 들어, 정류기(122)는 타겟 공진기(133)에 수신된 교류 전압을 정류할 수 있다.
DC/DC 컨버터(123)는 정류기(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 부하(Load)에서 필요로 하는 용량에 맞게 조정할 수 있다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류기(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
전력 검출기(power detector)(127)는 DC/DC 컨버터(123)의 입력단(126)의 전압과 출력단의 전류 및 전압을 검출(detect)할 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 Tx 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)는 전송해야 할 전력을 계산할 수 있다.
통신부(124)는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, Rx 제어부(Rx control logic)(125)는 타겟 공진기(133)과 정류기(122) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류기(122)의 출력 신호를 검출하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 예를 들어, Rx 제어부(Rx control logic)(125)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, Rx 제어부(Rx control logic)(125)는 매칭 네트워크(121)를 통하여 타겟 공진기(133)의 임피던스를 조정함으로써, 소스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 간단한 예로, Rx 제어부(Rx control logic)(125)는 타겟 공진기(133)의 임피던스를 증가 시킴으로써, 소스(110)의 Tx 제어부(114)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 소스(110)의 Tx 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 배터리 유형(battery type)", "해당 타겟의 충전 방식", "해당 타겟의 로드(Load)의 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" 중 적어도 하나를 포함하는 응답 메시지를 소스(110)의 통신부(115)로 전송할 수 있다. 응답 메시지에 포함되는 정보의 종류는 구현에 따라 변경될 수 있다.
한편, 통신부(124)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(124)는 지그비(Zigbee), 블루투스(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, "정류기(122)의 입력 전압 값 및 전류 값", "정류기(122)의 출력 전압 값 및 전류 값" 또는 "DC/DC 컨버터(123)의 출력 전압 값 및 전류 값"이다.
도 1에서, Tx 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 큐-팩터(Q-factor) QS가 결정될 수 있다.
또한, Rx 제어부(Rx control logic)(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 큐-팩터(Q-factor) QS가 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 큐-팩터 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 큐-팩터 QS는 100보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
공진 방식의 무선 전력 전송에서, 공진 대역폭은 중요한 팩터(factor)이다. 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스매칭, 반사 신호 등을 모두 고려한 큐-팩터(Q-factor)를 Qt라 할 때, Qt는 수학식 1과 같이 공진 대역폭과 반비례 관계를 갖는다.
Figure 112013071673293-pat00001
수학식 1에서, f0는 중심주파수,
Figure 112013071673293-pat00002
는 대역폭,
Figure 112013071673293-pat00003
는 공진기 사이의 반사 손실, BWS는 소스 공진기(131)의 공진 대역폭, BWD는 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭을 나타낼 수 있다.
한편, 무선 전력 전송에 있어서, 무선 전력 전송의 효율 U는 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112013071673293-pat00004
여기서, K는 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 에너지 커플링에 대한 결합 계수,
Figure 112013071673293-pat00005
는 소스 공진기(131)에서의 반사계수,
Figure 112013071673293-pat00006
는 타겟 공진기(133)에서의 반사계수,
Figure 112013071673293-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 Q-factor, QD는 타겟 공진기(133)의 Q-factor, QK는 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 에너지 커플링에 대한 Q-factor일 수 있다.
상기 수학식 2를 참조하면, 큐-팩터(Q-factor)는 무선 전력 전송의 효율과 관련이 높다.
따라서, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위하여 큐-팩터(Q-factor)는 높은 값으로 설정될 수 있다. 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.
Figure 112013071673293-pat00008
소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 간의 공진 대역폭 또는 임피던스 매칭 주파수의 대역폭을 불평형(unbalance) 관계로 유지하는 경우, 결합 계수 K의 변화, 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스매칭 등에 의하여 무선 전력 전송의 효율이 감소하는 현상이 발생할 수 있다.
수학식 1 및 수학식 3에 따르면, 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 간의 공진 대역폭 또는 임피던스 매칭 주파수의 대역폭을 불평형(unbalance) 관계로 유지하면, 소스 공진기(131)의 큐-팩터와 타겟 공진기(133)의 큐-팩터는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지된다.
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 브로드캐스트할 수 있다. 소스는(110)는 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.
도 2 내지 도 4에서 "공진기"는 소스 공진기 및 타겟 공진기를 포함할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
별도의 피더를 통해 공진기가 전력을 공급받는 경우에는 피더에서 자기장이 발생하고, 공진기에서도 자기장이 발생한다.
도 2의 (a)를 참조하면, 피더(210)에서 입력 전류가 흐름에 따라 자기장(230)이 발생한다. 피더(210) 내부에서의 자기장의 방향(231)과 외부에서의 자기장의 방향(233)은 서로 반대 위상을 가질 수 있다. 피더(210)에서 발생하는 자기장(230)에 의해 공진기(220)에서 유도 전류가 발생할 수 있다. 이때 유도 전류의 방향은 입력 전류의 방향과 반대일 수 있다.
유도 전류에 의해 공진기(220)에서 자기장(240)이 발생한다. 자기장의 방향은 공진기(220)의 내부에서는 동일한 방향을 가진다. 따라서, 공진기(220)에 의해 피더(210)의 내부에서 발생하는 자기장의 방향(241)과 피더(210)의 외부에서 발생하는 자기장의 방향(243)은 동일한 위상을 가진다.
결과적으로 피더(210)에 의해서 발생하는 자기장과 공진기(220)에서 발생하는 자기장을 합성하면, 피더(210)의 내부에서는 자기장의 세기가 약화되고, 피더(210)의 외부에서는 자기장의 세기가 강화된다. 따라서, 도 2과 같은 구조의 피더(210)를 통해 공진기(220)에 전력을 공급하는 경우에, 공진기(220) 중심에서 자기장의 세기가 약하고, 외곽에서 자기장의 세기가 강하다. 공진기(220) 상에서 자기장의 분포가 균일(uniform)하지 않은 경우, 입력 임피던스가 수시로 변화하므로 임피던스 매칭을 수행하는 것이 어렵다. 또한, 자기장의 세기가 강한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘되고, 자기장의 세기가 약한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘 되지 않으므로, 평균적으로 전력 전송 효율이 감소한다.
도 2의 (b)는 소스 공진기(250)와 피더(260)가 공통의 접지를 가진 무선 전력 전송 장치의 구조를 도시한다. 소스 공진기(250)는 캐패시터(251)를 포함할 수 있다. 피더(260)는 포트(261)를 통하여, RF 신호를 입력 받을 수 있다. 피더(260)에는 RF 신호가 입력되어, 입력 전류가 생성될 수 있다. 피더(260)에 흐르는 입력 전류는 자기장을 생성하고, 상기 자기장으로부터 소스 공진기(250)에 유도 전류가 유도될 수 있다. 또한, 소스 공진기(250)를 흐르는 유도 전류로부터 자기장이 발생한다. 이때, 피더(260)에 흐르는 입력 전류의 방향과 소스 공진기(250)에 흐르는 유도 전류의 방향은 서로 반대 위상을 가진다. 따라서, 소스 공진기(250)와 피더(260) 사이의 영역에서, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(271)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(273)은 동일한 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 강화된다. 반면에, 피더(260)의 내부에서는, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(281)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(283)은 반대 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 소스 공진기(250)의 중심에서는 자기장의 세기가 약해지고, 소스 공진기(250)의 외곽에서는 자기장의 세기가 강화될 수 있다.
피더(260)는 피더(260) 내부의 면적을 조절하여, 입력 임피던스를 결정할 수 있다. 여기서 입력 임피던스는 피더(260)에서 소스 공진기(250)를 바라볼 때, 보이는 임피던스를 의미한다. 피더(260) 내부의 면적이 커지면 입력 임피던스는 증가하고, 내부의 면적이 작아지면 입력 임피던스는 감소한다. 그런데, 입력 임피던스가 감소하는 경우에도, 소스 공진기(250) 내부의 자기장 분포는 일정하지 않으므로, 타겟 디바이스의 위치에 따라 입력 임피던스 값이 일정하지 않다. 따라서, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하다. 입력 임피던스가 증가하는 경우에는 큰 입력 임피던스를 작은 출력 임피던스에 매칭시키기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요할 수 있다.
타겟 공진기가 소스 공진기(250)와 같은 구성이고, 타겟 공진기의 피더가 피더(260)와 같은 구성인 경우에도 별도의 매칭 네트워크가 필요할 수 있다. 타겟 공진기에서 흐르는 전류의 방향과 타겟 공진기의 피더에서 흐르는 유도 전류의 방향은 서로 반대 위상을 가지기 때문이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 공진기(310)는 캐패시터(311)를 포함할 수 있다. 피더(320)는 캐패시터(311)의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 구조를 좀 더 구체적으로 표시한 도면이다. 이때, 공진기(310)는 제1 전송선로, 제1 도체(341), 제2 도체(342), 적어도 하나의 제1 캐패시터(350)를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(350)는 제1 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(331)과 제2 신호 도체 부분(332) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제1 캐패시터(350)에 갇히게 된다. 일반적으로, 전송 선로는 상부에 적어도 하나의 도체, 하부에 적어도 하나의 도체를 포함하며, 상부에 있는 도체를 통해서는 전류가 흐르며, 하부에 있는 도체는 전기적으로 그라운드 된다(grounded). 본 명세서에서는 제1 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(331)과 제2 신호 도체 부분(332)로 나누어 부르고, 제1 전송 선로의 하부에 있는 도체를 제1 그라운드 도체 부분(333)으로 부르기로 한다.
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 공진기는 2 차원 구조의 형태를 가질 수 있다. 제1 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(331) 및 제2 신호 도체 부분(332)을 포함하고, 하부에 제1 그라운드 도체 부분(333)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(331) 및 제2 신호 도체 부분(332)과 제1 그라운드 도체 부분(333)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(331) 및 제2 신호 도체 부분(332)을 통하여 흐른다.
또한, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(331)의 한쪽 단은 제1 도체(341)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(350)와 연결될 수 있다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(332)의 한쪽 단은 제2 도체(342)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(350)와 연결될 수 있다. 결국, 제1 신호 도체 부분(331), 제2 신호 도체 부분(332) 및 제1 그라운드 도체 부분(333), 도체들(341, 342)은 서로 연결됨으로써, 공진기는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다'고 함은 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
제1 캐패시터(350)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 제1 캐패시터(350)는 제1 신호 도체 부분(331) 및 제2 신호 도체 부분(332) 사이에 삽입된다. 이 때, 제1 캐패시터(350)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.
제1 캐패시터(350)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 소스 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 가질 수 있다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다.
대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 제1 캐패시터(350)의 캐패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 소스 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 캐패시터(350)의 캐패시턴스를 적절히 조절함으로써, 소스 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 소스 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 제1 캐패시터(350)의 캐패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 소스 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 소스 공진기가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 소스 공진기가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 제1 캐패시터(350)의 캐패시턴스가 정해질 수 있다.
MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 예를 들어, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 제1 캐패시터(350)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 제1 캐패시터(350)에 집중되므로, 제1 캐패시터(350)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기는 집중 소자의 제1 캐패시터(350)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 3의 (b)에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 피더(320)는 제2 전송선로, 제3 도체(371), 제4 도체(372), 제5 도체(381) 및 제6 도체(382)를 포함할 수 있다.
제2 전송 선로는 상부에 제3 신호 도체 부분(361) 및 제4 신호 도체 부분(362)을 포함하고, 하부에 제2 그라운드 도체 부분(363)을 포함할 수 있다. 제3 신호 도체 부분(361) 및 제4 신호 도체 부분(362)과 제2 그라운드 도체 부분(363)은 서로 마주보게 배치될 수 있다. 전류는 제3 신호 도체 부분(361) 및 제4 신호 도체 부분(362)을 통하여 흐른다.
또한, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 제3 신호 도체 부분(361)의 한쪽 단은 제3 도체(371)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제5 도체(381)와 연결될 수 있다. 그리고, 제4 신호 도체 부분(362)의 한쪽 단은 제4 도체(372)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제6 도체 (382)와 연결될 수 있다. 제5 도체(381)는 제1 신호 도체 부분(331)과 연결되고, 제6 도체 (382)는 제2 신호 도체 부분(332)과 연결될 수 있다. 제5 도체(381)와 제6 도체(382)는 제1 캐패시터(350)의 양단에 병렬로 연결될 수 있다. 이때, 제5 도체(381) 및 제6 도체(382)는 RF 신호를 입력 받는 입력 포트로 사용될 수 있다.
결국, 제3 신호 도체 부분(361), 제4 신호 도체 부분(362) 및 제2 그라운드 도체 부분(363), 제3 도체(371), 제4 도체(372), 제5 도체(381), 제6 도체(382) 및 공진기(310)는 서로 연결됨으로써, 공진기(310) 및 피더(320)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 가질 수 있다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함한다. 제5 도체(381) 또는 제6 도체(382)를 통하여 RF 신호가 입력되면, 입력 전류는 피더(320) 및 공진기(310)에 흐르게 되고, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장에 의하여, 공진기(310)에 유도 전류가 유도된다. 피더(320)에서 흐르는 입력 전류의 방향과 공진기(310)에서 흐르는 유도 전류의 방향이 동일하게 형성됨으로써, 공진기(310)의 중앙에서는 자기장의 세기가 강화되고, 공진기(310)의 외곽에서는 자기장의 세기가 약화된다.
공진기(310)와 피더(320) 사이 영역의 면적에 의해 입력 임피던스가 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크는 필요하지 않다. 매칭 네트워크가 사용되는 경우에도, 피더(320)의 크기를 조절함으로써, 입력 임피던스를 결정할 수 있기 때문에, 매칭 네트워크의 구조는 단순해질 수 있다. 단순한 매칭 네트워크 구조는 매칭 네트워크의 매칭 손실을 최소화한다.
제2 전송 선로, 제3 도체(371), 제4 도체(372), 제5 도체(381), 제6 도체(382) 는 공진기(310)와 동일한 구조를 형성할 수 있다. 예를 들어, 공진기(310)가 루프 구조인 경우에는 피더(320)도 루프 구조일 수 있다. 또한, 공진기(310)가 원형 구조인 경우에는 피더(320)도 원형 구조일 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 피더의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
무선 전력 전송에서 피딩은, 소스 공진기에 전력을 공급하는 것을 의미한다. 또한, 무선 전력 전송에서 피딩은, 정류기에 AC 전력을 공급하는 것을 의미할 수 있다. 도 4의 (a)는 피더에서 흐르는 입력 전류의 방향 및 소스 공진기에서 유도되는 유도 전류의 방향을 도시한다. 또한, 도 4의 (a)는 피더의 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향 및 소스 공진기의 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향을 나타낸다. 도 4의 (a)는 도 4의 공진기(410) 및 피더(420)를 좀 더 간략하게 표현한 도면이다. 도 4의 (b)는 피더와 공진기의 등가회로를 나타낸다.
도 4의 (a)를 참조하면, 피더의 제5 도체 또는 제6 도체는 입력 포트(410)로 사용될 수 있다. 입력 포트(410)는 RF 신호를 입력 받는다. RF 신호는 전력 증폭기로부터 출력될 수 있다. 전력 증폭기는 타겟 디바이스의 필요에 따라 RF 신호의 진폭을 증감시킬 수 있다. 입력 포트(410)에서 입력된 RF 신호는 피더에 흐르는 입력 전류의 형태로 표시될 수 있다. 피더를 흐르는 입력 전류는 피더의 전송선로를 따라 시계방향으로 흐른다. 그런데, 피더의 제5 도체는 공진기와 전기적으로 연결될 수 있다. 좀 더 구체적으로, 제5 도체는 공진기의 제1 신호 도체 부분과 연결될 수 있다. 따라서 입력 전류는 피더 뿐만 아니라 공진기에도 흐르게 된다. 공진기에서 입력 전류는 반시계 방향으로 흐른다. 공진기에 흐르는 입력 전류에 의하여 자기장이 발생하고, 상기 자기장에 의해 공진기에 유도 전류가 생성된다. 유도 전류는 공진기에서 시계방향으로 흐른다. 이때 유도 전류는 공진기의 캐패시터에 에너지를 전달할 수 있다. 또한, 유도 전류에 의해 자기장이 발생한다. 도 4의 (a)에서 피더 및 공진기에 흐르는 입력 전류는 실선으로 표시되고, 공진기에 흐르는 유도 전류는 점선으로 표시되었다.
전류에 의해 발생하는 자기장의 방향은 오른나사의 법칙을 통해 알 수 있다. 피더 내부에서, 피더에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(421)과 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(423)은 서로 동일하다. 따라서, 피더 내부에서 자기장의 세기가 강화된다.
또한, 피더와 공진기 사이의 영역에서, 피더에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(433)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(431)은 서로 반대 위상이다. 따라서, 피더와 공진기 사이의 영역에서, 자기장의 세기는 약화된다.
루프 형태의 공진기에서는 일반적으로 공진기의 중심에서는 자기장의 세기가 약하고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 강하다. 그런데 도 4의 (a)를 참조하면, 피더가 공진기의 캐패시터 양단에 전기적으로 연결됨으로써 공진기의 유도 전류의 방향과 피더의 입력 전류의 방향이 동일해 진다. 공진기의 유도 전류의 방향과 피더의 입력 전류의 방향이 동일하기 때문에, 피더의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피더의 외부에서는 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 루프 형태의 공진기의 중심에서는 피더로 인하여 자기장의 세기가 강화되고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다. 그러므로 공진기 내부에서는 전체적으로 자기장의 세기가 균일해질 수 있다.
한편, 소스 공진기에서 타겟 공진기로 전달되는 전력 전송의 효율은 소스 공진기에서 발생하는 자기장의 세기에 비례하므로, 소스 공진기의 중심에서 자기장의 세기가 강화됨에 따라 전력 전송 효율도 증가할 수 있다.
도 4의 (b)를 참조하면, 피더(440) 및 공진기(450)는 등가회로로 표현될 수 있다. 피더(440)에서 공진기 측을 바라볼 때 보이는 입력 임피던스 Zin은 다음의 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112013071673293-pat00009
여기서, M은 피더(440)와 공진기(450) 사이의 상호 인덕턴스를 의미하고, ω는 피더(440)와 공진기(450) 간의 공진 주파수를 의미하고, Z는 공진기(450)에서 타겟 디바이스 측을 바라볼 때 보이는 임피던스를 의미할 수 있다.
Zin은 상호 인덕턴스 M에 비례할 수 있다. 따라서, 피더(440) 및 공진기(450) 간의 상호 인덕턴스를 조절함으로써 Zin을 제어할 수 있다. 상호 인덕턴스 M은 피더(440)와 공진기(450) 사이 영역의 면적에 따라 조절될 수 있다. 피더(440)의 크기에 따라 피더(440)와 공진기(450) 사이 영역의 면적이 조절될 수 있다. Zin은 피더(440)의 크기에 따라 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 임피던스 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하지 않다.
무선 전력 수신 장치에 포함된 타겟 공진기 및 피더도 위와 같은 자기장의 분포를 가질 수 있다. 타겟 공진기는 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 무선 전력을 수신할 수 있다. 이때 수신되는 무선 전력을 통하여 타겟 공진기에서는 유도 전류가 생성될 수 있다. 타겟 공진기에서 유도 전류에 의해 발생한 자기장은 피더에 다시 유도 전류를 생성할 수 있다. 이때, 도 4의 (a)의 구조와 같이 타겟 공진기와 피더가 연결되면, 타겟 공진기에서 흐르는 전류의 방향과 피더에서 흐르는 전류의 방향은 동일해진다. 따라서, 피더의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피더와 타겟 공진기 사이의 영역에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 전기 자동차 충전 시스템(electric vehicle charging system)을 도시한다.
도 5를 참조하면, 전기 자동차 충전 시스템(500)은 소스 시스템(510), 소스 공진기(520), 타겟 공진기(530), 타겟 시스템(540) 및 전기 자동차용 배터리(550)을 포함할 수 있다.
전기 자동차 충전 시스템(500)은 도 1의 무선 전력 전송 시스템과 유사한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차 충전 시스템(500)은 소스 시스템(510) 및 소스 공진기(520)로 구성되는 소스를 포함할 수 있다. 또한, 전기 자동차 충전 시스템(500)은 타겟 공진기(530) 및 타겟 시스템(540)로 구성되는 타겟을 포함할 수 있다.
이때, 소스 시스템(510)은 도 1의 소스(110)와 같이, 가변 SMPS(Variable SMPS), 전력 증폭기(power amplifier), 매칭 네트워크, Tx 제어부 및 통신부를 포함할 수 있다. 이때, 타겟 시스템(540)은 도 1의 타겟(120)과 같이, 매칭 네트워크, 정류기, DC/DC 컨버터, 통신부 및 Rx 제어부를 포함할 수 있다.
전기 자동차용 배터리(550)는 타겟 시스템(540)에 의해 충전 될 수 있다.
전기 자동차 충전 시스템(500)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용할 수 있다.
소스 시스템(510)은 충전 차량의 종류, 배터리의 용량, 배터리의 충전 상태에 따라 전력을 생성하고, 생성된 전력을 타겟 시스템(540)으로 공급할 수 있다.
소스 시스템(510)은 소스 공진기(520) 및 타겟 공진기(530)의 정렬(alignment)를 맞추기 위한 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 소스 시스템(510)의 제어부는 소스 공진기(520)와 타겟 공진기(530)의 정렬(alignment)이 맞지 않은 경우, 타겟 시스템(540)으로 메시지를 전송하여 정렬(alignment)을 제어할 수 있다.
이때, 정렬(alignment)이 맞지 않은 경우란, 타겟 공진기(530)의 위치가 마그네틱 공진(magnetic resonance)이 최대로 일어나기 위한 위치에 있지 않은 경우일 수 있다. 예를 들어, 차량이 정확하게 정차되지 않은 경우, 소스 시스템(510)은 차량의 위치를 조정하도록 유도함으로써, 소스 공진기(520)와 타겟 공진기(530)의 정렬(alignment)이 맞도록 유도할 수 있다.
소스 시스템(510)과 타겟 시스템(540)은 통신을 통해, 차량의 식별자를 송수신할 수 있고, 각종 메시지를 주고 받을 수 있다.
도 1 내지 도 4에서 설명된 내용들은 전기 자동차 충전 시스템(500)에 적용될 수 있다. 다만, 전기 자동차 충전 시스템(500)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용하고, 전기 자동차용 배터리(550)를 충전하기 위해 수십 watt이상의 전력 전송을 수행할 수 있다.
도 6 및 도 7은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 전송 장치가 탑재될 수 있는 어플리케이션들을 도시한다.
도 6을 참조하면, 도 6의 (a)는 패드(610)와 모바일 단말(620) 간의 무선 전력 충전을 나타내고, 도 6의 (b)는 패드들(630, 640)과 보청기들(650, 660) 간의 무선 전력 충전을 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 패드(610)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(620)에 탑재될 수 있다. 이때, 패드(610)는 하나의 모바일 단말(620)을 충전할 수 있다.
일 실시예에 따른 2개의 무선 전력 전송 장치는 제1 패드(630) 및 제2 패드(640) 각각에 탑재될 수 있다. 보청기(650)는 왼쪽 귀의 보청기를 나타내고, 보청기(660)는 오른쪽 귀의 보청기를 나타낼 수 있다. 일 실시예에 따른 2개의 무선 전력 수신 장치는 보청기(650) 및 보청기(660) 각각에 탑재될 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 7의 (a)는 인체에 삽입된 전자기기(710)와 모바일 단말(720) 간의 무선 전력 충전을 나타내고, 도 7의 (b)는 보청기(730)와 모바일 단말(740) 간의 무선 전력 충전을 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(720)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 인체에 삽입된 전자기기(710)에 탑재될 수 있다. 인체에 삽입된 전자기기(710)는 모바일 단말(720)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(740)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 보청기(730)에 탑재될 수 있다. 보청기(730)는 모바일 단말(740)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다. 보청기(730)뿐만 아니라, 블루투스 이어폰과 같은 다양한 저전력 전자기기들도 모바일 단말(740)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 무선 전력 수신 장치의 구성 예를 나타낸다.
도 8에서 무선 전력 전송 장치(810)는 도 6의 제1 패드(630) 및/또는 제2 패드(640) 각각에 탑재될 수 있다. 또한, 도 8에서 무선 전력 전송 장치(810)는 도 7의 모바일 단말(720) 및/또는 모바일 단말(740)에 탑재될 수 있다.
도 8에서 무선 전력 수신 장치(820)는 도 6의 보청기(650) 및/또는 보청기(660) 각각에 탑재될 수 있다.
무선 전력 전송 장치(810)는 도 1의 무선 전력 전송 장치(110)와 유사한 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송 장치(810)는 마그네틱 커플링을 이용하여 전력을 전송하기 위한 구성을 포함할 수 있다.
도 8에서 통신 및 트래킹부(811)는 무선 전력 수신 장치(820)와 통신을 수행하고, 무선 전력 전송 효율을 유지하기 위한 임피던스 제어 및 공진주파수 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신 및 트래킹부(811)는 도 1의 Tx 제어부(114) 및 통신부(115)와 유사한 기능을 수행할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(820)는 도 1의 무선 전력 수신 장치(120)와 유사한 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 수신 장치(820)는 전력을 무선으로 수신하여 배터리를 충전하기 위한 구성을 포함한다. 무선 전력 수신 장치(820)는 타겟 공진기(target resonator)(또는 Rx 공진기(Rx resonator)), 정류기(rectifier), DC/DC 컨버터(DC/DC converter), 충전기 회로(charger circuit)를 포함할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신 장치(820)는 통신 및 제어부(823)를 포함할 수 있다.
통신 및 제어부(823)는 무선 전력 전송 장치(810)와 통신을 수행하고, 과전압 및 과전류 보호를 위한 동작을 수행할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(820)는 청각기기 회로(821)를 포함할 수 있다. 청각기기 회로(821)는 배터리에 의해 충전될 수 있다. 청각기기 회로(821)는 마이크, 아날로그-디지털 변환기, 프로세서, 디지탈-아날로그 변환기 및 리시버를 포함할 수 있다. 예를 들어, 청각기기 회로(821)는 보청기와 동일한 구성을 포함할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 중계 공진기(920)를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 개괄적인 구성을 도시한다. 일 실시예에 따르면 높은 품질 계수(quality factor)를 갖는 중계 공진기(920)를 사용하여 높은 효율로 무선 전력 전송을 수행할 수 있다. 예를 들면, 무선 전력 전송 시스템은 무선으로 전력을 전송하는 무선으로 전력을 전송하는 소스 공진기(910), 전력을 무선으로 수신하는 타겟 공진기(930) 및 소스 공진기(910) 및 타겟 공진기(930)보다 높은 품질 계수를 가지고, 상호 공진을 통해 전력을 소스 공진기(910)로부터 타겟 공진기(930)로 중계하는 중계 공진기(920)를 포함할 수 있다. 여기서 품질 계수는 상술한 큐-팩터와 유사한 의미로 사용될 수 있다.
전선을 사용하지 않고 전력을 공급할 수 있는 무선 전력 전송과 관련된 기술이 제시된다. 전력전송의 무선화는 시간 및 장소와 무관하게 충전이 가능한 환경을 제공할 수 있다. 예를 들면, 별도의 전원이 없어도 장치 간 전원 공유가 가능할 수 있다.
이러한 무선전력전송은 유선 충전 시스템에 대해서 에너지를 용이하게 공급할 수 있다. 또한, 폐건전지 등으로부터 발생할 수 있는 자연 오염 및 환경 오염을 방지할 수 있다. 예를 들면, 모바일 환경에서는 작은 소스 공진기(910) 및 타겟 공진기(930)를 이용한 고효율의 원거리 충전이 요구될 수 있다. 이 경우 소스 공진기(910) 및 타겟 공진기(930) 사이에 중계 공진기(920)를 사용하여 효율적인 무선 전력 전송을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 소스 공진기(910) 및 타겟 공진기(930)가 미리 결정된 임계값(예를 들면, 임계값이 100인 경우)보다 낮은 품질 계수를 가지는 경우, 무선 전력 전송의 효율이 미리 정한 효율(예를 들면, 2미터 거리에서 60%)보다 낮을 수 있다. 예를 들면, 소스 공진기(910) 및 타겟 공진기(930)의 품질 계수가 미리 결정된 임계값보다 작은 경우, 무선 전력 전송의 효율이 낮으므로, 특정 거리 이상에서는 무선 전력 전송이 불가능할 수 있다. 중계 공진기(920)를 사용하는 경우, 중계 공진기(920)가 없는 환경보다 먼 거리에서 높은 효율로 소스 공진기(910) 및 타겟 공진기(930) 사이의 무선 전력 전송이 수행될 수 있다.
도 9에 도시된, 자기 공명(magnetic resonance) 방식의 소스 공진기(910)는 소스 코일(source coil) 과 송신 코일(transmitting coil) 로 구성되고, 타겟 공진기(930)는 부하 코일(load coil) 과 수신 코일(receiving coil)로 구성될 수 있다.
도 9a에 도시된 무선 전력 전송 시스템은 자기 공명 방식의 단일 송신 코일과 단일 수신 코일로 구성되고, 소스 공진기(910) 및 타겟 공진기(930) 사이에 높은 품질 계수를 갖는 중계 공진기(920)를 포함할 수 있다. 여기서 소스 코일과 송신 코일은 기생 캐퍼시턴스(parasitic capacitance)를 통해 서로 연결될 수 있다. 부하 코일과 수신 코일도 기생 캐퍼시턴스를 통해 서로 연결될 수 있다.
도 9b에 도시된 무선 전력 전송 시스템은 소스 공진기(910) 및 타겟 공진기(930) 사이에 높은 품질 계수를 갖는 중계 공진기(920)를 포함할 수 있다. 여기서 소스 공진기(910)는 집중 캐퍼시터(lumped capacitor)를 통해 소스와 연결될 수 있고, 타겟 공진기(930)도 집중 캐퍼시터를 통해 부하와 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면 높은 품질 계수를 갖는 중계 공진기(920)는 무선 전력 전송 시스템에 적어도 하나 이상 포함될 수 있다. 예를 들면, 도 9에 도시된 바와 같이 하나의 중계 공진기(920)가 소스 공진기(910)로부터 타겟 공진기(930)로 전력을 무선으로 중계할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따라 임피던스 매칭 네트워크(Impedance matching network)와 연결된 소스 공진기(1010) 및 타겟 공진기들(1031, 1032)을 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 개괄적인 구성을 도시한다. 여기서 소스 공진기(1010)로부터 발생되는 자기장(magnetic fields)이 중계 공진기(1020)를 거쳐서 타겟 공진기들(1031, 1032)로 전달되고, 적어도 하나 이상의 타겟 공진기들(1031, 1032)와 연결된 장치들이 자기장을 통해 무선으로 충전될 수 있다.
일 실시예에 따르면 각각의 소스 공진기(1010)들과 타겟 공진기들(1031, 1032)은 임피던스 매칭 네트워크와 연결될 수 있다. 각 소스 공진기(1010) 및 타겟 공진기들(1031, 1032)에서 최대효율로 무선으로 전력을 전송하기 위한 임피던스 매칭이 수행될 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 장치를 도시한다. 여기서, 소스 공진기(1110)와 수신 공진기 사이의 거리 d가 일정 거리 이상인 경우, 소스 공진기(1110) 및 수신 공진기의 품질 계수가 미리 정한 임계값보다 낮으면 무선 전력 전송이 불가능하거나 비효율적일 수 있다. 예를 들면, 높은 품질 계수를 가지도록 설계된 중계 공진기(1120)는 특정 공간 내의 벽면 내지 벽면 내부에 위치할 수 있다.
일 실시예에 따르면 상술한 품질 계수는, 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131) 중 적어도 하나의 품질 계수가 미리 결정된 임계값(예를 들면, 100)보다 낮은 경우, 중계 공진기(1120)가 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)와 미리 정한 효율 이상으로 상호 공진할 수 있는 정도의 값을 가질 수 있다. 여기서 미리 정한 효율은 소스 공진기(1110)와 타겟 공진기(1131) 사이가 일정 거리(예를 들면 2m) 이내인 경우, 일정 값 이상의 전력 전송 효율(예를 들면, 60%)일 수 있다.
여기서 중계 공진기(1120)의 품질 계수가 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)의 품질 계수 중 적어도 하나보다 낮은 경우, 중계 공진기(1120)를 거치는 무선 전력 전송의 효율이 열화될 수 있다. 예를 들면, 소스 공진기(1110)가 200, 타겟 공진기(1131)가 100, 중계 공진기(1120)가 100의 품질 계수를 가지는 경우, 소스 공진기(1110) 및 중계 공진기(1120) 사이의 전송효율은 90% 정도, 중계 공진기(1120) 및 소스 공진기(1110) 사이의 전송 효율은 70%정도로 나타낼 수 있다. 이 경우, 전체 무선 전력 전송 시스템의 전송 효율은 60% 정도로 열화될 수 있다. 이를테면, 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)의 품질 계수가 미리 정해진 임계값(예를 들면, 100)보다 작은 경우에는 무선 전력 전송의 효율이 현저히 낮아질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 중계 공진기(1120)의 품질 계수가 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)의 품질 계수보다 높은 경우(예를 들면, 중계 공진기(1120)의 품질 계수가 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)의 품질 계수의 2배 이상인 경우), 중계 공진기(1120)를 거치는 무선 전력 전송의 효율이 개선될 수 있다. 예를 들면, 소스 공진기(1110)가 100, 타겟 공진기(1131)가 100, 중계 공진기(1120)가 200의 품질 계수를 가지는 경우, 소스 공진기(1110) 및 중계 공진기(1120), 중계 공진기(1120) 및 타겟 공진기(1131) 사이의 전송 효율은 90%정도로 나타낼 수 있다. 이 경우, 전체 무선 전력전송 시스템의 전송 효율은 80%정도가 될 수 있다. 이를테면, 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)의 품질 계수가 미리 정해진 임계값(예를 들면, 100)보다 작은 경우라도 무선 전력 전송의 효율이 유지되거나 향상될 수 있다.
구체적으로는 중계 공진기(1120)의 품질 계수가 충분히 높은 경우, 소스 공진기(1110), 중계 공진기(1120) 및 타겟 공진기(1131) 사이의 전송 효율이 전체적으로 증가할 수 있다. 일 실시예에 따르면 중계 공진기(1120)가 높은 품질 계수를 가지도록 설계됨으로써, 무선 전력 전송 시스템의 전송 효율이 개선되고, 무선 전력 전송 시스템은 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131) 사이의 거리가 비교적 먼 경우에도 효율적으로 무선 전력 전송을 수행할 수 있다.
또한, 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)의 품질 계수가 낮은 경우에도 품질 계수가 높은 중계 공진기(1120)를 통해 효율적으로 무선 전력 전송을 수행할 수 있다. 예를 들면, 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)가 전기자동차, 보청기 등과 같은 실제 어플리케이션에 실장되는 경우, 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)의 품질 계수가 현저히 감소될 수 있다(예를 들면, 품질 계수가 50이하로 낮아질 수 있다). 이러한 경우에도 일 실시예에 따른 중계 공진기(1120)는 소스 공진기(1110)와 타겟 공진기(1131) 사이에서 높은 효율로 전력을 중계할 수 있다.
상술한 바와 같이 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)의 품질 계수 및 공진기 사이의 거리가 직접적인 무선 전력 전송에 적합하지 못한 경우에, 중계 공진기(1120)를 포함하는 무선 전력 중계 장치가 전력을 중계할 수 있다. 예를 들면, 중계 공진기(1120)의 품질 계수가 높을 수록 더 먼 거리에 위치하거나 낮은 품질 계수를 갖는 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1132)에 대해 좋은 전송 효율을 나타낼 수 있다.
여기서, 소스 역할을 하는 소스 공진기(1110)와 무선 전력 전송의 대상이 되는 타겟 공진기(1131)는 공간 상에 3차원적으로 위치할 수 있다. 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)는 2차원적으로 위치할 수도 있다. 또한, 중계 공진기(1120)는 각각 단일 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)에 대해 전력을 중계할 수 있고, 도 11에 도시된 바와 같이 복수의 소스 공진기(1110)들, 복수의 타겟 공진기들(1131, 1132)에 대해서도 전력을 중계할 수 있다. 예를 들면, 상술한 도 10에 도시된 바와 같이 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기들(1131, 1132)은 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면 상호 공진을 통해 전력을 소스 공진기(1110)로부터 타겟 공진기(1131)로 중계하는 중계 공진기(1120)는, 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)보다 상대적으로 높은 품질 계수를 가지면 상술한 바와 같이 전송 효율이 향상될 수 있다. 여기서, 중계 공진기(1120)는 공진기의 재질, 구조 및 사이즈 중 적어도 하나가 소스 공진기(1110) 및 타겟 공진기(1131)보다 높은 품질 계수를 가지도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 중계 공진기(1120)는 구조 중에서 전도체로 된 코일의 사이즈 증대, 굵기 증대 및 턴수 증가를 통해 품질 계수를 높일 수 있다.
구체적으로 중계 공진기(1120)는 하기 도 12 내지 도 15와 같이 구성될 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 높은 품질 계수를 가지는 구조로 설계된 중계 공진기(1220)를 도시한다. 도 12a에 도시된 중계 공진기(1220)는 단일 코일과 캐퍼시터가 조합된 구조일 수 있다. 도 12b에 도시된 중계 공진기(1220)는 멀티 코일로 이루어진 구조일 수 있다. 도 12c에 도시된 중계 공진기(1220)는 멀티 코일과 캐퍼시터가 조합된 구조일 수 있다. 예를 들면 멀티 코일은 스파이럴 형태로 적어도 2이상의 턴수를 가질 수 있다.
여기서 중계 공진기(1220)는 소스 공진기 및 타겟 공진기에 포함되는 코일의 턴수보다 상대적으로 많은 턴수를 가지는 코일로 구성되어 높은 품질 계수를 가질 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 높은 품질 계수를 가지는 멀티 어레이 공진기를 포함하는 중계 공진기(1320)를 도시한다. 상술한 도 12에 도시된 바와 같은 단일 코일 및 멀티 코일은 도 13에 도시된 바와 같이 멀티 어레이 형태로 구성될 수 있다. 예를 들면, 중계 공진기(1320)는 도 12a에 도시된 단일 코일이 동일 평면 상에 멀티 어레이 형태로 배치된 공진기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면 중계 공진기(1320)는 복수 개의 공진기로 구성되는 멀티 어레이 공진기를 포함할 수 있다. 여기서 복수 개의 공진기는, 서로 물리적으로 연결되지 않고, 상호 간에 형성되는 마그네틱 필드(magnetic field)에 기초하여 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들면, 복수 개의 공진기는 동일한 방향의 전기장을 나타내도록 마그네틱 필드가 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 중계 공진기(1320)에 포함된 복수 개의 공진기는 소스 공진기 및 타겟 공진기 사이에 단일 혹은 여러 어레이 형태로 나열될 수 있다. 여기서 어레이 형태는 동일 축 및 다른 축 상에 나열된 형태를 포함할 수 있다. 나열된 복수 개의 공진기는 상술한 바와 같이 서로 마그네틱 필드로 연결될 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 높은 품질 계수를 가지는 재질로 설계된 중계 공진기(1420)를 도시한다. 중계 공진기(1420)는 소스 공진기 및 타겟 공진기의 재질보다 높은 품질 계수를 가지는 재질로 설계될 수 있다. 일 실시예에 따르면 중계 공진기(1420)는 특정 전도체 재질에 의해 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 얻을 수 있다.
여기서, 중계 공진기(1420)에 사용되는 재질은 소스 공진기 및 타겟 공진기에 사용된 재질보다 상대적으로 저손실 특성 및 고도전율 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 중계 공진기(1420)의 전도체 재질은 금, 은, 구리, 알루미늄, 그래핀(graphene) 및 상술한 성분이 혼합된 재질을 포함할 수 있다. 또한, 중계 공진기(1420)의 재질로 초전도체(super-conductor)도 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면 중계 공진기(1420)의 전도체에 사용되는 저손실 재질은 소스 공진기 및 타겟 공진기에서 사용된 재질보다 저항(resistance)이 낮은 재질 또는 전도성(conductivity)이 높은 재질일 수 있다. 예를 들면, 중계 공진기(1420)는 이러한 저손실 재질을 이용하여 상술한 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같은 구조로 구성될 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면 중계 공진기(1420)는, 초전도체 물질로 구성되어 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가질 수 있다. 예를 들면, 중계 공진기(1420)의 코일은 초전도 선(superconducting wire)으로 구성될 수 있다. 이 경우 중계 공진기(1420)는 도 14에 도시된 바와 같이 중계 공진기(1420)의 초전도 성질을 유지시키기 위해 중계 공진기(1420)를 냉각시키는 냉각부(1421)를 더 포함할 수 있다.
초전도체 물질은 전기적 저항이 0이여서, 품질 계수가 높게 나타날 수 있다. 품질 계수가 높은 경우, 중계 공진기(1420)의 무선 전력 전송 효율이 높아지고, 중계 공진기(1420)가 소스 공진기 및 타겟 공진기와의 상호 공진을 통하여 전력을 전송할 수 있는 거리가 길어질 수 있다.
초전도체 물질로는 고온 초전도체 또는 상온 초전도체가 사용될 수 있다.
중계 공진기(1420)가 고온 초전도체 물질로 구성되는 경우, 초전도 성질을 유지하기 위해서는 절대온도 77K에 근사하게 온도가 유지되어야 할 수 있다. 중계 공진기(1420)는 냉각부(1421)에 의해 절대온도 77K에 근사한 온도를 유지할 수 있다.
중계 공진기(1420)가 상온 초전도체 물질로 구성되는 경우에는 상온에서도 초전도 성질이 유지될 수 있으므로, 중계 공진기(1420)는 냉각부(1421) 없이도 높은 품질 계수를 가질 수 있다.
고온 초전도체(Hot Temperature Superconductor; HTS)는 완전 전도성으로 전압 강하가 발생하지 않으며, 완전 반자성으로 외부 자기장의 침투가 억제되어 외부 자기장의 영향을 받지 않을 수 있다. 또한, 고온 초전도체는 자기장을 발생시키지 않을 수 있다.
고온 초전도체의 냉각을 위해 냉각부(1421)에는 냉매가 저장된 컨테이너가 배치될 수 있다. 냉매로서는 액체질소, 액체네온 등과 같은 극저온 냉각제가 사용될 수 있다. 컨테이너에는 액체질소 저장탱크, 가열된 냉매를 냉각시키기 위한 냉각수단 등이 포함될 수 있다.
이 경우, 냉각수단은 저장탱크에서 증발된 냉각제의 재응축에 이용될 수 있다. 냉각수단은 통상 폐쇄 회로를 포함하며, 상술한 폐쇄 회로 내에서 작동 매체, 예컨대 헬륨 가스가 컴프레서에서 압축되고 냉각 유닛에서 다시 팽창되며, 그로 인해 냉각력이 저장탱크 내에 존재하는 냉각제로 공급될 수 있다. 냉각수단은 예를 들면, 기포드-맥마흔(Gifford McMahon) 원리, 맥동관(pulse tube) 원리, 또는 스털링(Stirling) 원리에 따라 동작할 수 있다.
컨테이너에서는 인렛 라인의 압력을 아웃렛 라인의 압력보다 높게 하여 압력이 낮아지면 팽창 후 온도가 더욱 떨어지는 줄-톰슨 효과를 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 컨테이너의 유지보수 시 액체질소는 별도의 액체질소 탱크로 교체하여 컨테이너의 수리를 용이하게 할 수 있다.
고온 초전도체는 전기 저항이 0인 특성을 가지며, 이로 인해 무손실 송전이 가능하여 전압 강하가 발생하지 않을 수 있다,
"2세대 초전도체(second generation superconductor)"로 지칭되는 코팅 전도체들(coated conductors)은 전형적으로 긴 길이를 가지며, 그 길이는 예로써 공진기의 제조시에 요구되는 정도에 따라 결정될 수 있다.
코팅 전도체들은 고온 초전도체 층(HTS 층: high temperature superconductor layer)을 구비한 멀티층 구조가 적용되는 기판, 및 기판과 고온 초전도체 층 사이의 적어도 하나의 버퍼층으로 구성될 수 있다. 적어도 하나의 버퍼층은 큰 저항을 갖는 세라믹 재질로 제조될 수 있다. 적어도 하나의 버퍼층은 사용되는 물질들의 상이한 여러 물성들을 보상하도록 작용할 수 있다. 예를 들면, 고온 초전도체 층을 향해 분산될 수 있는 기판의 구성 요소들에 의해 고온 초전도체 층이 오염되는 것을 방지하기 위해, 적어도 하나의 버퍼층이 제공될 수 있다.
고온 초전도체 물질로는 세라믹 옥사이드 고온 초전도체 물질 또는 MgB2 가 사용될 수도 있다. 세라믹 옥사이드 고온 초전도체 물질은 비스무스-기반(bismuth-based), 탈륨-기반(thallium-based), 이트륨-기반(yttrium-based), 그리고 수은-기반의(mercury-based) 세라믹 옥사이드 초전도체들로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
전형적인 예들은 Bi-Ae-Cu-Oy, (Bi, Pb)-Ae-Cu-Oy, Re-Ae-Cu-Oy, (Tl, Pb)-Ae-Cu-O 또는 Hg-Ae-Cu-Oy 기반의 세라믹 옥사이드 고온 초전도체들을 포함할 수 있다. 상술한 화학 공식들 각각에서, y는 특정 초전도체 물질에 적합한 범위에서의 상대적인 산소 함량을 나타내며, Ae는 적어도 하나의 알칼리 토양 원소(alkaline earth element), 예를 들면, Ba, Ca 및/또는 Sr을 의미하며, Re는 적어도 하나의 희토 원소(rare earth element), 예를 들면 Y 또는 원소들 Y, La, Lu, Sc, Ce, Nd, Yb의 둘 이상의 조합을 의미할 수 있다.
대안적으로, 초전도체 물질들의 전구체들(precursors)이 사용될 수 있다. 전구체들은 초전도체 물질과 동일한 명칭의 조성을 총괄적으로 포함하는 산화물(옥사이드)들의 혼합물들이며 가열시 초전도체 물질을 형성할 수 있다.
또한, 세라믹 산화물 고온 초전도체들은 BSCCO-2212, BSCCO-2223라는 표기로 공지된 것들 및 YBCO-123, YBCO-211라는 표기로 공지된 것들이 있으며, 이때 2212 및 2223이라는 숫자 조합은 원소 Bi, Sr, Ca 및 Cu에 대한 화학량 비율들(stoichiometric ratio)을 나타내며 여기서 Bi 부분은 Pb에 의해 치환 가능하며, 123 및 211이라는 숫자 조합은 원소 Y, Ba 및 Cu에 대한 화학량 비율들을 나타낼 수 있다.
또한, 세라믹 옥사이드 초전도체 물질은 ReBaCuOy 공식의 희토 바륨 커프레이트(rare earth barium cuprate) 유형의 초전도체일 수 있으며 여기서 Re 및 y는 상술한 바와 같이 정의될 수 있다.
상온 초전도체는 상온에서 초전도체로 동작하는 물질을 의미하는데, 흑연 가로에 고농도의 전자를 추가로 주입하는 방법으로 생성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상온 초전도체는 수십 마이크로미터의 길이 및 수십 나노미터의 두께의 흑연 가루를 증류수에 혼합하여 섭씨 100도에서 건조시킴으로써, 흑연 조각과 이웃하는 흑연 조각 사이가 고농도의 전자에 의해 채워지고, 그 결과 생성될 수 있다.
일 실시예에 따르면 중계 공진기(1420)는 상술한 도 12 내지 도 14에 제시된 재질 및 구조 외에 공진기 주변에 마그네틱 물질을 이용하여 품질 계수를 높일 수 있다. 구체적으로 중계 공진기(1420)는 자성을 띄는 물질로 둘러 쌓이도록 구성되어 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가질 수 있다. 예를 들면, 자성을 띄는 물질인, 페라이트 쉬트(ferrite sheet)가 차폐재로써 중계 공진기(1420) 주변에 코팅될 수 있다. 중계 공진기(1420)가 벽과 같은 고체 성분에 실장(implement)되는 경우, 중계 공진기(1420)가 실장 환경(implementing environment)과 결합(coupling)되어 전송 효율이 낮아질 수 있으나, 일 실시예에 따르면 상술한 마그네틱 물질이 실장 환경과의 결합을 차폐(shield)할 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따라 소스 공진기(1510)의 내부 및 외부에 배치되는 기생 공진기(1520)를 포함하는 중계 공진기를 도시한다. 여기서 중계 공진기는, 소스 공진기(1510) 및 타겟 공진기 중 적어도 하나와 기생결합(parasitic coupling)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 중계 공진기는, 소스 공진기(1510) 타겟 공진기 중 적어도 하나와 동일한 평면에 배열되어 기생결합을 형성하는, 기생 공진기(parasitic resonator)(1520)를 포함할 수 있다. 기생 공진기(1520)는 캐퍼시턴스 용량 등과 같은 특성이 가변될 수 있는 가변 캐퍼시터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면 중계 공진기는 소스 공진기(1510) 및 타겟 공진기 중 적어도 하나와 같은 축 상에 기생 공진기(1520)로 구성될 수 있다. 여기서 기생 공진기(1520)는, 소스 공진기(1510) 및 타겟 공진기 중 적어도 하나의 내부 및 외부 중 적어도 하나에 배치되는 적어도 하나 이상의 공진기를 포함할 수 있다.
예를 들면, 도 15a에 도시된 바와 같이 기생 공진기(1520)는 소스 공진기(1510) 또는 타겟 공진기의 내부의 동일한 평면에 배치되는 적어도 하나 이상의 공진기를 포함할 수 있다. 이러한 기생 공진기(1520)는, 동일한 평면 상의 소스 공진기(1510) 또는 타겟 공진기와 기생 결합을 형성할 수 있으며, 소스 공진기(1510) 및 타겟 공진기에 비해 품질 계수가 더 높을 수 있다.
다른 예를 들면, 도 15b에 도시된 바와 같이 기생 공진기(1520)는 소스 공진기(1510) 또는 타겟 공진기의 외부의 동일한 평면에 배치되는 적어도 하나 이상의 공진기를 포함할 수 있다. 도 15b에 도시된 가장 안쪽의 공진기는 소스 공진기(1510) 또는 타겟 공진기일 수 있다. 여기서, 기생 공진기(1520)는 소스 공진기(1510) 및 타겟 공진기보다 품질 계수가 더 높을 수 있다.
또한, 기생 공진기(1520)의 재질은 도 14에서 상술한 바와 같이 소스 공진기(1510) 및 타겟 공진기에서 사용한 재질보다 저손실이거나 고도전율을 가지는 재질일 수 있다. 또한, 기생 공진기(1520)는 도 12 및 도 13에서 상술한 바와 같이 소스 공진기(1510) 및 타겟 공진기에 비해 높은 품질 계수를 갖는 구조로 설계될 수 있다. 예를 들면, 상대적으로 높은 품질 계수를 갖는 구조는 소스 공진기(1510) 및 타겟 공진기보다 큰 사이즈를 가지는 구조, 상술한 공진기들보다 많은 턴수를 가지는 구조 및 상술한 공진기들보다 굵은 코일을 가지는 구조 등을 포함할 수 있다.
또 다른 예를 들면, 기생 공진기(1520)는 동일 평면 상의 소스 공진기(1510) 및 타겟 공진기의 내부 및 외부에 배치되는 적어도 둘 이상의 공진기를 포함할 수 있다. 예를 들면, 소스 공진기(1510) 및 타겟 공진기의 내부에 적어도 하나 이상의 공진기, 소스 공진기(1510) 및 타겟 공진기의 외부에 적어도 하나 이상의 공진기가 배치될 수 있다. 여기서 각 공진기를 포함하는 기생 공진기(1520)는 소스 공진기(1510) 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면 무선 전력 전송 시스템에서 중계 공진기의 재질 및 구조가 저손실, 높은 품질 계수를 가지도록 설계함으로써, 원거리에 대해서도 고효율 무선 전력 전송이 가능해질 수 있다.
일 실시예에 따르면 근거리 공진형 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 소스 공진기와 타겟 공진기 사이 또는 동일한 평면 상에 위치한, 높은 품질 계수를 갖는 중계 공진기를 이용하여 고효율 전력전달이 가능해질 수 있다.
일 실시예에 따르면 높은 품질 계수를 갖는 중계 공진기를 사용함으로써, 동일 거리에서 소스 공진기 및 타겟 공진기의 사이즈를 작게 하여도, 중계 공진기의 품질 계수가 낮은 경우에 비해 효율이 유지되거나 향상될 수 있다. 또한, 소스 공진기 및 타겟 공진기의 중심축이 이루는 각도(align angle)가 벌어져도, 무선 전력 전송의 효율이 유지되거나 향상될 수 있다.
일 실시예에 따르면 높은 품질 계수를 갖는 중계 공진기는 소스 공진기와 타겟 공진기의 사이즈가 작은 경우 및 공진기 사이의 거리가 원거리인 경우에 적용될 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 중계 공진기는 무선충전용 가전제품 및 IT 제품에 사용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 무선으로 전력을 전송하는 소스 공진기;
    상기 전력을 무선으로 수신하는 타겟 공진기; 및
    상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기보다 높은 품질 계수(quality factor)를 가지고, 상호 공진을 통해 상기 전력을 상기 소스 공진기로부터 상기 타겟 공진기로 중계하는 중계 공진기
    를 포함하는
    무선 전력 전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중계 공진기는,
    상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기 중 적어도 하나와 기생결합(parasitic coupling)을 형성하는,
    무선 전력 전송 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중계 공진기는,
    상기 소스 공진기 상기 타겟 공진기 중 적어도 하나와 동일한 평면에 배열되어 기생결합을 형성하는,
    무선 전력 전송 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중계 공진기는,
    상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기의 재질보다 높은 품질 계수를 가지는 재질로 된,
    무선 전력 전송 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중계 공진기는,
    복수 개의 공진기로 구성되는 멀티 어레이 공진기
    를 포함하고,
    상기 복수 개의 공진기는,
    서로 물리적으로 연결되지 않고, 상호 간에 형성되는 마그네틱 필드에 기초하여 전기적으로 연결되는 무선 전력 전송 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중계 공진기는,
    상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기보다 큰 사이즈로 구성되어 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지는
    무선 전력 전송 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중계 공진기는,
    상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기에 포함되는 코일보다 굵은 코일로 구성되어 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지는,
    무선 전력 전송 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 중계 공진기는,
    상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기에 포함되는 코일의 턴수보다 상대적으로 많은 턴수를 가지는 코일로 구성되어 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지는,
    무선 전력 전송 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 중계 공진기는,
    자성을 띄는 물질로 둘러 쌓이도록 구성되어 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지는,
    무선 전력 전송 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 품질 계수는,
    상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기 중 적어도 하나의 품질 계수가 미리 정해진 임계값보다 낮은 경우, 상기 중계 공진기가 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기와 미리 정한 효율 이상으로 상호 공진할 수 있는 정도의 값
    을 가지는 무선 전력 전송 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 미리 정해진 임계값은 100인
    무선 전력 전송 시스템.
  12. 소스 공진기 및 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지고, 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기와 상호 공진하는 중계 공진기
    를 포함하고,
    상기 소스 공진기로부터 상기 타겟 공진기로 전력을 무선으로 전달하는,
    무선 전력 중계 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 중계 공진기의 초전도 성질을 유지시키기 위해 상기 중계 공진기를 냉각시키는 냉각부
    를 더 포함하고,
    상기 중계 공진기는,
    초전도체 물질로 구성되어 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지는,
    무선 전력 중계 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 중계 공진기는,
    상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기 중 적어도 하나와 동일한 평면에 배열되어 기생결합을 형성하는 기생 공진기(parasitic resonator)
    를 포함하는 무선 전력 중계 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기생 공진기는,
    상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기 중 적어도 하나의 내부 및 외부 중 적어도 하나에 배치되는 적어도 하나 이상의 공진기
    를 포함하는 무선 전력 중계 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 중계 공진기는,
    재질, 구조 및 사이즈 중 적어도 하나가 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지도록 구성된,
    무선 전력 중계 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 중계 공진기는,
    복수 개의 공진기로 구성되는 멀티 어레이 공진기
    를 포함하고,
    상기 복수 개의 공진기는,
    서로 물리적으로 연결되지 않고, 상호 간에 형성되는 마그네틱 필드에 기초하여 전기적으로 연결되는 무선 전력 중계 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 중계 공진기는,
    자성을 띄는 물질로 둘러 쌓이도록 구성되어 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기보다 높은 품질 계수를 가지는,
    무선 전력 중계 장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 품질 계수는,
    상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기 중 적어도 하나의 품질 계수가 미리 정해진 임계값보다 낮은 경우, 상기 중계 공진기가 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기와 미리 정한 효율 이상으로 상호 공진할 수 있는 정도의 값
    을 포함하는 무선 전력 중계 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 미리 정해진 임계값은 100인
    무선 전력 중계 장치.
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