KR102187041B1 - 메타 물질을 이용한 무선 에너지 송수신 시스템 - Google Patents

메타 물질을 이용한 무선 에너지 송수신 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102187041B1
KR102187041B1 KR1020180138764A KR20180138764A KR102187041B1 KR 102187041 B1 KR102187041 B1 KR 102187041B1 KR 1020180138764 A KR1020180138764 A KR 1020180138764A KR 20180138764 A KR20180138764 A KR 20180138764A KR 102187041 B1 KR102187041 B1 KR 102187041B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
transmission
wireless energy
receiving
wireless
meta
Prior art date
Application number
KR1020180138764A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200055283A (ko
Inventor
유형석
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to KR1020180138764A priority Critical patent/KR102187041B1/ko
Publication of KR20200055283A publication Critical patent/KR20200055283A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102187041B1 publication Critical patent/KR102187041B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L27/00—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L27/02—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L27/12—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
    • C08L27/18—Homopolymers or copolymers or tetrafluoroethene

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 메타 물질을 이용한 무선 에너지 송수신 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 무선 에너지 송수신 시스템에 있어서, 자계를 발생시키는 무선 송신 루프 및 상기 무선 송신 루프와 상호 이격되어 형성되는 송신측 메타 물질 구조체를 포함하는 무선 에너지 송신 장치, 상기 무선 에너지 송신 장치와 소정 거리 이격되어 대응되게 형성되는 무선 에너지 수신 장치를 포함하며, 상기 무선 에너지 수신 장치는 수신측 메타 물질 구조체를 포함하고, 상기 무선 송신 루프에서 발생된 자계를 상기 송신측 메타 물질 구조체 및 상기 수신측 메타 물질 구조체를 통해 수신하는 무선 수신 루프를 포함하며, 상기 송신측 메타 물질 구조체 및 상기 수신측 메타 물질 구조체는 단일 유전체 단위셀 복수개가 반복 배열되어 형성되는 것을 일 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 단위 셀에 도체 패턴을 형성하지 않고도 무선 에너지를 송수신할 수 있어 제조가 용이하고 제조 비용을 절감할 수 있다.

Description

메타 물질을 이용한 무선 에너지 송수신 시스템{SYSTEM FOR TRANSMITTING AND RECEIVING WIRELESS ENERGY USING METAMATERIAL}
본 발명은 메타 물질을 이용한 무선 에너지 송수신 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 입방형 고주파 공진기를 기반으로 한 메타 물질 결합 무선 에너지 송수신 시스템에 관한 것이다.
무선통신기술의 발달로 이동성과 휴대성이 극대화된 단말기의 사용이 급증하고 있다. 전자 장치를 이용하기 위해서는 전력 공급이 필수적이다. 대부분의 전자 장치는 유선으로 전원을 공급받으며, 휴대용 단말의 경우 사용자가 내장된 배터리를 정기적으로 충전하여 사용한다. 유선으로 전원을 공급하는 방식은 휴대성과 이동성에 제약을 가져오므로, 이러한 문제를 해결하기 위하여 무선으로 전력을 전달하기 위한 기술이 개발되어 왔다. 또한 일부 무선 전력 전송 장치의 경우 상용화가 이루어지기도 하였다.
그러나 현재 개발된 기술들은 전송거리와 전송효율이 제한적이어서 유선 전원 공급 방식과 큰 차이가 없으며, 오히려 유선 에너지 공급 방식에 비해 안정적인 에너지 전송이 이루어지지 않아 기술 확산이 더디게 이루어지고 있는 실정이다.
크기는 소형화하면서 전송 거리와 전송 효율을 향상시키기 위해 메타 물질을 이용한 무선 에너지 송수신 기술로는 한국공개특허 제10-2011-0121453호(발명의 명칭: 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치, 공개일: 2011.11.07.) 등이 개시된 바 있으나, 이러한 종래 기술은 메타 구조체를 구성하는 각 셀 내에 금속 박막 등 도체 패턴이 형성되어야 하므로 제조가 용이하지 않다. 또한 종래의 무선 에너지 송수신 시스템은 전송 거리가 약 0.02λ(λ: 파장)에 불과해 전송거리 향상이 요구된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 단위 셀에 도체 패턴을 형성하지 않고도 무선 에너지를 송수신할 수 있는 메타 물질 구조물 및 이를 이용한 무선 에너지 송수신 시스템을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한 본 발명은 종래 대비 높은 전송 거리 및 전송 효율을 갖는 무선 에너지 송수신 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 고주파 안전도를 고려한 무선 에너지 송수신 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 무선 에너지 송수신 시스템에 있어서, 자계를 발생시키는 무선 송신 루프 및 상기 무선 송신 루프와 상호 이격되어 형성되는 송신측 메타 물질 구조체를 포함하는 무선 에너지 송신 장치, 상기 무선 에너지 송신 장치와 소정 거리 이격되어 대응되게 형성되는 무선 에너지 수신 장치를 포함하며, 상기 무선 에너지 수신 장치는 수신측 메타 물질 구조체를 포함하고, 상기 무선 송신 루프에서 발생된 자계를 상기 송신측 메타 물질 구조체 및 상기 수신측 메타 물질 구조체를 통해 수신하는 무선 수신 루프를 포함하며, 상기 송신측 메타 물질 구조체 및 상기 수신측 메타 물질 구조체는 단일 유전체 단위셀 복수개가 반복 배열되어 형성되는 것을 일 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 단위 셀에 도체 패턴을 형성하지 않고도 무선 에너지를 송수신할 수 있어 제조가 용이하고 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 종래 대비 높은 전송 거리 및 전송 효율을 제공할 수 있어 안테나의 크기를 조절하는 것만으로 장거리 무선 충전이 가능하다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의하면, 고주파 안전도가 높은 무선 에너지 송수신 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 시스템의 구성을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 시스템의 특징을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 시스템에 대한 유전율 시뮬레이션 결과를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 시스템의 자기장(H) 및 전기장(E) 분포를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타 물질 수평 자기 쌍극자 결합 무선 에너지 송수신 시스템의 필드 분포를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매개 변수(parametric)가 시스템에 미치는 영향을 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 에너지 송신 장치(100)와 무선 에너지 수신 장치(200)간의 정렬 각도 불량 또는 오정렬 변위가 시스템에 미치는 영향을 도시한 도면이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용되며, 명세서 및 특허청구의 범위에 기재된 모든 조합은 임의의 방식으로 조합될 수 있다. 그리고 다른 식으로 규정하지 않는 한, 단수에 대한 언급은 하나 이상을 포함할 수 있고, 단수 표현에 대한 언급은 또한 복수 표현을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 에너지 송수신 시스템(10)은 무선 에너지 송신 장치(100) 및 무선 에너지 수신 장치(200)를 포함한다.
무선 에너지 송신 장치(100)는 무선 송신 루프(110)와 송신측 메타 물질 구조체(150)를 포함한다. 무선 송신 루프(110)는 자계를 발생시키는 것으로, 전원을 공급하는 급전부(113)와 코일(115)을 포함할 수 있다. 무선 송신 루프(110)는 코일(115)의 형태에 따라 원형, 다각형, 타원형 등 다양한 형상을 가질 수 있으며, 도면에 도시된 바와 같이 사각형의 형태를 가질 수 있다.
송신측 메타 물질 구조체(150)는 무선 송신 루프와 상호 이격되어 형성될 수 있다. 메타 물질은 자연에서 발견되지 않은 특유의 전자기 특성(음의 굴절률 및 소멸파 증폭 등)을 가지도록 설계된 인공 물질로, 공학적 구조물로 구성된다. 메타 물질의 특성은 메타 물질의 종류, 모양, 구조, 크기, 방향, 배열 등으로 인해 결정될 수 있다.
송신측 메타 물질 구조체(150)는 주기적 및/또는 반복적으로 배열된 복수개의 단일 유전체 단위셀(151)을 포함한다. 각 단일 유전체 단위셀(151)은 고유전율 세라믹을 이용하여 형성된 단일 물질의 육면체로, 도체를 포함하지 않는 것을 특징으로 한다. 세라믹(ceramics)는 무기 화합물인 비금속 고체로, 유전체(dielectric material)에 해당하는데, 단일 유전체 단위셀(151)는 고유전율을 갖는 세라믹 물질만으로 형성되는 것을 특징으로 하는바, 표면에 도체 패턴 등을 포함하지 않고 단일 물질로 이루어져 있으며, 그 형태는 육면체이다. 본 발명은 종래 기술들과는 상이하게 단위셀 표면에 도체 패턴을 형성하지 않고도 공진이 발생될 수 있도록 하므로, 제조 용이성이 현저하게 향상되는 효과가 있다. 또한 각 단위셀의 제조에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있어 무선 에너지 송수신 시스템 제조 비용을 크게 절감할 수 있다.
송신측 메타 물질 구조체(150)는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE, 이하 ‘테프론’이라 함)(153)을 더 포함할 수 있다. 테프론은 플루오린 원자와 탄소 원자로 만드는 플루오린화 탄소수지로, 약 2 F/m의 유전율을 갖는 것으로 알려져있다. 단일 유전체 단위셀(151)은 테프론(153)으로 환포 또는 접합될 수 있다.
한편, 단일 유전체 단위셀(151)의 크기는 음의 굴절률을 갖는 주파수 영역에 따라 다르게 설정될 수 있다. 단위셀(151)의 크기와 주파수 영역과의 관계에 대한 구체적인 내용은 후술하기로 한다.
송신측 메타 물질 구조체(150)는 특정 주파수 영역에서 음의 굴절률을 가지며, 따라서 무선 송신 루프(110)가 발생시키는 자계를 집속시키는 효과가 있다. 이러한 기능을 수행하기 위하여 송신측 메타 물질 구조체(150)의 크기는 무선 송신 루프(110)보다 더 크게 형성될 수 있다. 도 1에는 송신측 메타 물질 구조체(150)에 단위셀(151)이 2×2로 배열되어 송신측 메타 물질 구조체(151)가 총 4개의 단위셀(151)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 단위셀(151)의 개수는 이에 한정되지 않으며, 무선 송신 루프(110)의 크기에 따라 달라질 수 있다.
무선 에너지 수신 장치(200)는 무선 에너지 송신 장치(100)가 전송하는 자계를 수신하며, 수신측 메타 물질 구조체(250)와 무선 수신 루프(210)를 포함한다. 무선 에너지 수신 장치(200)는 무선 에너지 송신 장치(110)와 대향되게 설치되며, 따라서 수신측 메타 물질 구조체(250)는 도 1에 도시된 바와 같이 송신측 메타 물질 구조체(150)와 마주보도록 위치한다. 무선 에너지 송신 장치(100)의 각 구성(110, 150)은 무선 에너지 수신 장치(200)의 각 구성(210, 250)과 대칭하여 형성될 수 있다.
수신측 메타 물질 구조체(250)는 무선 수신 루프(210)와 상호 이격되어 형성될 수 있다. 수신측 메타 물질 구조체(250)는 주기적 및/또는 반복적으로 배열된 복수개의 단일 유전체 단위셀(251)을 포함한다. 각 단일 유전체 단위셀(251)은 고유전율 세라믹을 이용하여 형성된 단일 물질의 육면체로, 도체를 포함하지 않는 것을 특징으로 한다. 세라믹(ceramics)는 무기 화합물인 비금속 고체로, 유전체(dielectric material)에 해당하는데, 단일 유전체 단위셀(251)는 고유전율을 갖는 세라믹 물질만으로 형성되는 것을 특징으로 하는바, 표면에 도체 패턴 등을 포함하지 않고 단일 물질로 이루어져 있으며, 그 형태는 육면체이다.
수신측 메타 물질 구조체(250)는 테프론(253)을 더 포함할 수 있으며, 단일 유전체 단위셀(251)은 테프론으로 환포 또는 접합될 수 있다. 한편, 단일 유전체 단위셀(251)의 크기는 음의 굴절률을 갖는 주파수 영역에 따라 다르게 설정될 수 있으며, 송신측 메타 물질 구조체의 단위셀(151)의 크기에 대응되는 크기로 형성될 수 있다.
수신측 메타 물질 구조체(250)는 특정 주파수 영역에서 음의 굴절률을 가지므로, 송신측 메타 물질 구조체(150)를 통과하여 방사되는 자계를 무선 수신 루프(210)에 집속시킬 수 있다. 이러한 기능을 수행하기 위하여 수신측 메타 물질 구조체(250)의 크기는 무선 수신 루프(210)보다 더 크게 형성될 수 있다. 도 1에는 수신측 메타 물질 구조체(250)에 단위셀(251)이 2×2로 배열 형성되어, 메타 물질 구조체(251)가 총 4개의 단위셀(251)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 단위셀(251)의 개수는 이에 한정되지 않으며, 무선 수신 루프(210)의 크기에 따라 달라질 수 있다.
무선 수신 루프(210)는 배터리 등의 에너지를 축적하거나 에너지를 소모하는 전자 부품에 연결될 수 있으며, 집속된 자계를 이용하여 전계가 형성되면 전계 및 자계로 인한 에너지는 무선 수신 루프(210)에 연결된 전자 부품에 전달될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 메타 물질 구조체(150, 250)는 일종의 고유전율 입방체 공진기(Cubic high Dielectric Resonators)로 이해될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타 물질 구조체(150, 250)는 무선 에너지 송수신 시스템의 효율을 향상시킬 수 있으며, 특히, 에바네센트파(evanescent waves) 결합 - 굴절률이 높은 두 매질의 경계면을 아주 얇은 굴절률이 낮은 매질을 끼고 접촉했을 때 에바네센트파를 매개로 에너지를 제1 매질에서 제2 매질로 전하는 결합- 에 있어서 메타 물질 구조체가 에너지 송수신 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 원거리에 있는 전자 장치나 이식 가능한 장치에 대한 오류 정정 범위가 커져, 원격 측정 시스템의 동작 범위에 있어서 유연성이 증대된다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타 물질 구조체(150, 250) 및 메타 물질 구조체(150, 250)를 구성하는 단일 유전체 단위셀(151)의 일 실시 예를 보다 자세하게 설명한다.
먼저, 전술한 바와 같이 단일 유전체 단위셀은 높은 유전율을 갖는 물질로 형성된다. 유전체 단위셀이 큐브 주변을 둘러싼 매질의 굴절률보다 큰 굴절율을 갖는다면, 첫 번째 특유의 공진 모드(예를 들어 최저차 모드)는 자기 쌍극자 공진일 수 있다. 메타 물질 구조체의 최저차 모드의 공진 주파수는 이론적으로 다음과 같은 수학식으로 확인 가능하다.
Figure 112018112450387-pat00001
공진 주파수를 결정하기 위해 도 2를 참조하면, HFSS 유한 요소 해석기를 사용하면, 공진주파수 f가 수직 입사각으로 계산된다. 본 발명의 일 실시 예에서, 단위셀의 측면에 두개의 PMC(Perfect Magnetic Conductor)와 PEC(Perfect Electric Conductor) 경계를 적용하여 분석하면, 정육면체 단위셀의 크기 w =15mm, 단일 유전체 단위셀 유전율
Figure 112018112450387-pat00002
=1000, 단일 유전체 단위셀을 환포하고 있는 테프론 유전율
Figure 112018112450387-pat00003
= 2.1, tanδ = 0.00001, 배열 주기 p = 19mm, 무선 송신 루프의 너비(l) = 30mm 일 때의 공진주파수는 f = 476.8로 시뮬레이션되며, 이는 이론적으로 산출한 공진 주파수 f =447.1과 매우 근사하게 도출될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서 메타 물질 구조체는 저유전체 기반(background)에서 고유전체 구성요소의 주기적인 배열로 구성될 수 있다. 단위셀의 주기성(p)는 거시 공진(macroscopic resonance) 또는 브래그 공진(Bragg resonance), 및 격자 공진(lattice resonance)을 제어할 수 있으며, 미세 공진(microscopic resonance)는 개별 단위 전지 특성에 의한 것으로 미에 공진(Mie resonance)으로 알려져있다. 이 두 공진의 조합은 음의 굴절률을 발생시키는데, 저유전체인 테프론으로 둘러싸인 고유전체 세라믹 육면체 단위셀(151, 251)의 2×2 배열로 형성된 메타 물질 구조체(150, 250)의 높이(h)=36mm, 주기(p)=19mm, 두께(t)= 19mm인 경우 시뮬레이션 결과는 도 3과 같다. (나머지 조건은 상술한 조건과 동일하다.) 도 3에서 (a)는 실효 유전율(Real effective permittivity), (b)는 무효 유전율(Imaginary effective permittivity), (c) 실효 투자율(Real effective permeability), (d) 무효 투자율(Imaginary effective permeability)의 시뮬레이션 결과이다.
S- 파라미터는 굴절률 (n)과 임피던스 (z)와 관련이 있으며, 유효 유전율 (εeff), 유효 투자율 (μeff) 및 굴절률 (n)과 같은 파라미터의 추출은 다음의 수학식에 기초하여 계산될 수 있다.
Figure 112018112450387-pat00004
Figure 112018112450387-pat00005
Figure 112018112450387-pat00006
수학식 2 내지 4에서
Figure 112018112450387-pat00007
와 t는 각각 메타 물질 슬래브(slab)의 파수(wave number)와 두께를 나타낸다. 도 3은 유효 유전율과 투자율의 실수부와 허수부를 각각 도시하고 있다. 이 매개 변수 중 하나 또는 모두의 음의 실수 부분은 에바네센트파의 증폭을 강화하며, 허수 부분은 에너지 송수신 시스템과 관련된 손실을 제어한다. 도 3의 각 도면에서 사각형 박스 내의 영역은 음의 굴절률을 나타내는 영역이다. 이 영역에서 유전율과 투자율의 실수부는 음수가 되고 허수부는 0에 가까우며, 메타 물질 구조체는 무시할 수 있는 수준의 손실량을 갖게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 시스템의 자기장(H) 및 전기장(E) 분포를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 자기장과 전기장은 메타 물질 구조체 내부의 각 단위셀에 제한적으로 분포되어 있다. 전기장은 단위셀 안에서 소용돌이 치며, 전기장에 수직인 자기장은 내부를 관통하여 메타물질 구조체에서 벗어난다. 필드 분포는 수평 자기 쌍극자(horizontal magnetic dipole, MD)로 공진하는 하이브리드 공진 모드에 대응된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타 물질 수평 자기 쌍극자 결합 무선 에너지 송수신 시스템(Metamaterials(MTM) - horizontal Magnetic Dipole(MD) Wireless Power Transfer(WPT) System, 이하 ‘MTM-MD WPT 시스템’이라 함)의 필드 분포를 나타낸 것이다. 본 발명 시스템에 대한 실험 결과 단위셀의 크기와 유전율이 동일하다는 전제 하에서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 시스템은 짧은 거리에서 모두 우수한 효율(약 90%)을 갖는다. 그러나 수평 자기 쌍극자(MD) 기반의 시스템과 자기 쿼드러플(Magnetic Quadruple, MQ) 기반의 시스템에 비해 MTM-MD WPT 시스템이 장거리에서 훨씬 더 큰 성능을 보이는 것으로 나타났다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 시스템 전송 효율 (η)의 거리 의존성은 다음 식에 따라 계산될 수 있다.
Figure 112018112450387-pat00008
Figure 112018112450387-pat00009
수학식 5는 달성할 수 있는 최대 효율을 근사화하며, 수학식 6은 주어진 상황에서의 효율을 계산하기 위한 것이다. 완벽하게 매치된 무선 에너지 송수신 시스템의 경우 수학식 5와 6의 결과 값이 거의 동일하게 산출될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 음의 굴절률을 갖는 공진 주파수는 단위셀의유전율(
Figure 112018112450387-pat00010
) 및/또는 단위셀의 크기(w)를 증가시킴으로써 낮은 주파수로 조정 가능하다. 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매개 변수(parametric)가 시스템에 미치는 영향을 도시한 도면이다. (a)는 단위셀의 배치 주기(p)에 따른 전송 효율, (b)는 송수신 루프(110, 210)과 메타 물질 구조체(150, 250) 간의 이격 거리(s)에 따른 전송 효율, (c)는 송수신 루프의 크기(l), (d)는 배열된 단위셀(151, 251)의 개수에 따른 전송 효율을 도시한 도면이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 단위셀의 배치 주기(p)가 증가하면 시스템(10)의 공진 주파수는 더 낮은 주파수로 이동하고 각 경위의 최대 전송효율은 거의 동일하게 유지된다. 그러나 무선 에너지 전송 효율 대역폭(BW)의 감소는 주기(p) 단위로 증가할 수 있다. 송수신 루프(110, 210)과 메타 물질 구조체(150, 250) 사이의 이격 거리는 공진 주파수와 대역폭에 영향을 미칠 수 있다.
도 6의 (b)를 참조하면, 공진 주파수는 이격 거리(s)를 조절하여 조정 가능하다. 또한 송수신 루프의 크기(l)에 따라 각 거리에 대해 전송효율이 최대인 최적의 이격거리가 존재할 수 있다. 나아가 이격 거리(s)는 전송 거리(d)가 증가함에 따라 증가할 수 있고, 0.1λ 이하의 짧은 전송 거리에서 이격 거리(s)의 값은 단위셀의 크기(w)보다 작게 설정되는 것이 바람직하다.
한편, 무선 에너지 송신 장치(100) 및 수신 장치(200)의 크기를 최소화하여야 무선 에너지 송수신 장치의 활용 범위가 넓어질 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 자명하다. 특히 무선 에너지 송수신 장치의 활용이 적합한 체내 이식형 장치의 경우 크기가 매우 중요한 요소로 여겨진다. 송신 장치(100) 및 수신 장치(200)의 크기는 송수신 루프(110, 210)의 크기에 의해 결정될 수 있으므로, 이하에서는 송수신 루프의 크기를 중심으로 설명한다.
본 명세서에서는 도 1의 실시 예에 따라, 송수신 루프로 사각 코일(115)을 사용하였을 때 코일(115)의 한 변의 길이(l)을 송수신 루프의 크기로 설명한다. 도 6의 (c)를 참조하면, 송수신 루프의 크기(l)가 30mm에서 15mm로 점진적으로 감소하면 최대 효율에는 거의 변화가 없는 것으로 나타나며, 크기(l)를 줄이면 대역폭과 공진 주파수가 감소한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험에서 크기가 15mm 미만으로 감소하면 공진 특성과 효율 감소가 현저하게 나타났으며, 이는 단위셀의 크기(w)와 동일한 것이다. 즉, 송수신 루프의 크기(l)가 단위셀의 크기(w)보다 큰 경우 공진 특성과 효율 감소를 줄일 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타 물질 구조체에서 단위셀의 크기(w)는 최대의 출력을 얻기 위해 최대 이격 거리(s)와 최소 송수신 루프의 크기(l)를 결정하는 데 중요한 역할을 한다.
마지막으로, 도 6의 (d)는 단위셀 배열(array)의 수와 전송 효율의 관계를 나타낸다. (d)를 참조하면, 3×3 단위셀 배열은 2×2 단위셀 배열과 비교하여 전송거리가 0.3λ 이상이면 전송 효율이 크게 개선되는 것으로 나타났다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 에너지 송신 장치(100)와 무선 에너지 수신 장치(200)간의 정렬 각도 불량 또는 오정렬 변위가 시스템에 미치는 영향을 도시한 도면이다. 효율적인 무선 송수신 시스템(10)은 무선 에너지 송신 장치(100)와 무선 에너지 수신 장치(200) 사이에 오정렬이 존재하더라도 전력을 전송할 수 있어야 할 것이다. 시스템(10)의 수준은 정렬 민감도에 의해 근사될 수 있다.
도 7의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에서 수신 장치(200)가 오정렬 각도(θ)만큼 잘못된 방향으로 배치된 경우의 실험 결과를 도시한 도면이며, 도 7의 (b)는 본 발명의 일 실시 예에 따라 수신 장치(200)가 오정렬 변위(M)만큼 떨어진 곳에 배치된 경우의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 7 (a)을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 시스템(10)의 최대 전송 효율은 θ=60°이상에서 50% 이상으로 유지되며, θ=90°에서는 완전히 잘못된 방향으로 전송 효율이 빠르게 감소하는 것으로 나타났다. 다만, 각각의 단위셀(251)이 θ를 따라 회전하는 경우, 유의미한 개선이 이루어지는 것으로 나타났다. 도 7에서
Figure 112018112450387-pat00011
은 송신 장치(100)와 수신 장치(200) 모두에서 단위셀(151, 251)의 오정렬로 인해 무선 송신 루프(110)와 단위셀(151), 무선 수신 루프(210)와 단위셀(251)이 이루는 각도를 의미하며(우측 상단의 그림 참조),
Figure 112018112450387-pat00012
은 수신 장치(200)에서만 오정렬이 발생하여 무선 수신 루프(210)와 단위셀(251)이 이루는 각도를 의미한다.
본 발명의 일 실시 예에서 수신 장치(200)의 단위셀(251) 일 방향이 15°회전된 경우, θ>80°에서 유의미한 전송효율 향상이 이루어지는 것으로 확인되었다. 또한 본 발명의 일 실시 예에 의하면,
Figure 112018112450387-pat00013
=15°인 경우 θ=90°일때도 35% 이상의 전송 효율이 나타나는 것으로 확인되었다. 따라서 본 발명에 의하면, 단위셀(151, 251)의 방향이 모두 오정렬된 경우에도 일정 수준 이상의 전력 전달 효율을 얻을 수 있다.
도 7의 (b)를 참조하면, 전송 거리 d =50mm에서 수신 장치(200)의 일 단부가 송신 장치(100)의 다른 단부에 대응되는 위치에서 완전히 벗어나면- 즉, 송신 장치(100)의 너비가 36mm 일 때 M이 36mm 이상일 때도 - 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 에너지 송수신 시스템은 여전히 50% 이상의 효율을 유지한다는 것이 입증되었다. 즉, 본 발명에 의하면, 무선 에너지 송수신 시스템은 오정렬(misalignments)이 발생한 경우에도 일정 수준 이상의 에너지 전송 효율을 제공하는 효과가 있다.
이하에서는, [표 1]을 참고하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 시스템(10)과 종래 기술에 의한 무선 에너지 송수신 시스템의 차이를 살펴본다.
적용 기술 공진
주파수
(MHz)		 송신장치
크기(cm²)		 수신장치
크기(cm²)		 전송거리(cm) 메타물질 구조체 크기
(cm×cm×cm)		 전송효율(%)
종래기술 1 10 π×60×60 π×60×60 200(0.06λ) - 45
종래기술 2 27 π×2.5×2.5 π×1.8×1.8 5(0.0045λ) 6.9×6.9×1.9 11.3~18.2
종래기술 3 6.78 15×15 15×15 30(0.0068λ) 18.6×18.6×0.16 0.5~1.3
종래기술 4 27.12 π×20×20 π×20×20 50(0.045λ) 58.5×58.5×2 17~47
종래기술 5 6.3 π×25×25 π×25×25 100(0.02λ) 70×70×4.5 19.9~54.3
종래기술 6 232 π×3.6×3.6 π×3.6×3.6 16(0.124λ) 3.7×3.7×0.66 50
본발명
실시 예 1		 560 3×3 3×3 10(0.19λ) 3.6×3.6×.1.9 58.5
본발명
실시 예 2		 1.7 5×5 5×5 3.6(0.2λ) 5.3×5.3×1.9 52
위 표에서, 본 발명의 실시 예 1은 메타 물질 구조체의 유전율
Figure 112018112450387-pat00014
=1000인 경우의 시뮬레이션 결과이며, 실세 예 2는 메타 물질 구조체의 유전율
Figure 112018112450387-pat00015
= 78인 경우의 실제 실험 결과를 기초로 한다. 일반적으로 높은 주파수에서 손실이 증가하고 소멸파가 더 빠르게 감소하기 때문에, 본 발명의 실시예 2에서는 3×3 배열을 사용하여 실험을 실시하였다. 또한 적절한 반사 계수(S11)을 달성하기 위하여 루프의 크기를 증가시켰다.
종래기술 1 내지 6은 기존 연구들에 개시된 실험 결과에 따른 것이다. 각 실험은 서로 다른 조건 하에서 이루어진 바, 음의 굴절률을 나타내는 주파수 영역이 상이하므로, 전송 거리를 객관적으로 비교하기 위하여 전송 거리를 파장(λ)을 이용하여 괄호 내에 표기하였다. 표 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 시스템의 전송 거리가 종래 기술 대비 매우 우수한 것을 확인할 수 있다. 종래기술 1 내지 5의 경우, 파장(λ) 대비 전송거리가 최대 0.02λ로, 매우 낮은 수준이며, 종래 기술 6의 경우에도, 0.124λ에 불과하다. 그러나 본 발명에 의하면 높은 공진주파수 영역에서도 전송거리가 0.2λ로 높게 나타나며, 이는 종래기술 1, 3~5의 송수신장치와 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 장치의 크기를 고려하면 더욱 우수한 효과를 나타내는 것임을 알 수 있다. 본 발명의 무선 에너지 송수신 장치의 크기를 증가시키면 전송 거리는 더욱 커지므로, 본 발명에 의하면 무선 에너지 송수신 장치의 장점을 극대화할 수 있으며, 특히 본 발명의 무선 에너지 송수신 장치는 메타 물질 구조체 내에 도체를 포함하지 않으므로, 인체에 무해하다는 장점이 있다.
뿐만 아니라 본 발명은 루프와 메타 물질 구조체 간 이격 거리를 통해 SAR(Specific Absorption Rate)을 감소시키고, 시스템 효율성을 최적화할 수 있다.
본 명세서에서 생략된 일부 실시 예는 그 실시 주체가 동일한 경우 동일하게 적용 가능하다. 또한, 전술한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
10: 무선 에너지 송수신 시스템
100: 무선 에너지 송신 장치
110: 무선 송신 루프
113: 급전부
115: 송신 코일
150: 송신측 메타 물질 구조체
151, 251: 단일 유전체 단위셀
153, 253: 테프론
200: 무선 에너지 수신 장치
210: 무선 송신 루프
250: 송신측 메타 물질 구조체

Claims (7)

  1. 자계를 발생시키는 무선 송신 루프 및 상기 무선 송신 루프와 상호 이격되어 형성되는 송신측 메타 물질 구조체를 포함하는 무선 에너지 송신 장치;
    상기 무선 에너지 송신 장치와 소정 거리 이격되어 대응되게 형성되는 무선 에너지 수신 장치를 포함하며,
    상기 무선 에너지 수신 장치는 수신측 메타 물질 구조체를 포함하고, 상기 무선 송신 루프에서 발생된 자계를 상기 송신측 메타 물질 구조체 및 상기 수신측 메타 물질 구조체를 통해 수신하는 무선 수신 루프를 포함하며,
    상기 송신측 메타 물질 구조체 및 상기 수신측 메타 물질 구조체는 단일 유전체 단위셀 복수개가 반복 배열되어 형성되고,
    상기 단일 유전체 단위셀은 고유전율 세라믹으로 형성된 단일 물질 육면체로, 도체 패턴을 포함하지 않는 것을 특징으로 하 는 무선 에너지 송수신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단일 유전체 단위셀은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 환포되는 무선 에너지 송수신 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송신측 메타 물질 구조체 및 상기 수신측 메타 물질 구조체는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 더 포함하는 무선 에너지 송수신 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단일 유전체 단위셀의 크기는 음의 굴절률을 갖는 주파수 영역에 따라 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 송수신 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무선 에너지 송신 장치와 상기 무선 에너지 수신 장치 사이의 전송 거리(d)가 상기 무선 에너지 송수신 시스템의 공진 주파수에 의해 결정되는 파장의 기 설정된 배수 이하이면, 상기 무선 송신 루프와 상기 송신측 메타 물질 구조체 사이의 이격 거리 및 상기 무선 수신 루프와 상기 수신측 메타 물질 구조체 사이의 이격 거리는 상기 단일 유전체 단위셀의 한 변의 길이 보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 송수신 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 송신 루프 및 상기 수신 루프는 정사각 코일의 형태로 형성되며,
    상기 단일 유전체 단위셀은 정육면체의 형태로 형성되고,
    상기 정사각 코일의 한 변의 길이는 상기 단일 유전체 단위셀의 한 변의 길이 보다 큰 것을 특징으로 하는 무선 에너지 송수신 시스템.
  7. 삭제
KR1020180138764A 2018-11-13 2018-11-13 메타 물질을 이용한 무선 에너지 송수신 시스템 KR102187041B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180138764A KR102187041B1 (ko) 2018-11-13 2018-11-13 메타 물질을 이용한 무선 에너지 송수신 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180138764A KR102187041B1 (ko) 2018-11-13 2018-11-13 메타 물질을 이용한 무선 에너지 송수신 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200055283A KR20200055283A (ko) 2020-05-21
KR102187041B1 true KR102187041B1 (ko) 2020-12-04

Family

ID=70910375

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180138764A KR102187041B1 (ko) 2018-11-13 2018-11-13 메타 물질을 이용한 무선 에너지 송수신 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102187041B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113472093B (zh) * 2021-08-10 2023-10-10 大连海事大学 一种基于双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012175522A (ja) * 2011-02-23 2012-09-10 Handotai Rikougaku Kenkyu Center:Kk メタマテリアル
US20150380824A1 (en) * 2013-01-31 2015-12-31 University Of Saskatchewan Meta-material resonator antennas

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101119260B1 (ko) * 2010-04-30 2012-03-16 숭실대학교산학협력단 음의 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012175522A (ja) * 2011-02-23 2012-09-10 Handotai Rikougaku Kenkyu Center:Kk メタマテリアル
US20150380824A1 (en) * 2013-01-31 2015-12-31 University Of Saskatchewan Meta-material resonator antennas

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200055283A (ko) 2020-05-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9543640B2 (en) Pseudo-conductor antennas
Li et al. X-band phase-gradient metasurface for high-gain lens antenna application
Park et al. Mu-zero resonance antenna
Cai et al. Compact microstrip antenna with enhanced bandwidth by loading magneto-electro-dielectric planar waveguided metamaterials
US9916925B2 (en) Wireless power receiver and transfer, wireless power transceiver system, and wireless power transceiver mobile device
US8847846B1 (en) Magnetic pseudo-conductor spiral antennas
Mukherjee et al. Hemispherical dielectric resonator antenna based on apollonian gasket of circles—a fractal approach
US20100045554A1 (en) Metamaterial Antennas for Wideband Operations
Lee et al. Tunable metamaterial slab for efficiency improvement in misaligned wireless power transfer
Poveda-García et al. Coupling substrate-integrated waveguides to increase the gain bandwidth of leaky-wave antennas
Wang et al. End-fire surface wave antenna with metasurface coating
Kang et al. Mushroom meta‐material based substrate integrated waveguide cavity backed slot antenna with broadband and reduced back radiation
Derafshi et al. A new high aperture efficiency transmitarray antenna based on Huygens metasurfaces
Kamada et al. Metamaterial lens antenna using dielectric resonators for wide angle beam scanning
KR102187041B1 (ko) 메타 물질을 이용한 무선 에너지 송수신 시스템
Ortiz et al. Gain improvement of dual band antenna based on complementary rectangular split-ring resonator
US9680225B2 (en) Wireless power receiver and transfer, wireless power transceiver system, and wireless power transceiver mobile device
Ueda et al. Anisotropic 3-D composite right/left-handed metamaterial structures using dielectric resonators and conductive mesh plates
US10170945B2 (en) Yagi antenna shaped wireless power transmission apparatus
Vandenbosch Explicit relation between volume and lower bound for Q for small dipole topologies
Shaw et al. Efficiency enhancement of wireless power transfer system using MNZ metamaterials
Li et al. A novel design of microstrip patch antenna array with modified-I-shaped electromagnetic metamaterials applied in microwave wireless power transmission
Negri et al. Wireless radiative near-field links through wideband Bessel-beam launchers
Tan et al. A performance comparison of a Ku-band conical horn with an inserted cone-sphere with horns with an integrated dielectric lens and metamaterial loading [Antenna Designer's Notebook]
Shuai et al. Beam‐steering transmitarray with active frequency selective surface for wireless power transmission

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant