KR20100084053A - 무선 에너지 전송장치 및 무선 에너지 송수신 시스템 - Google Patents
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Abstract
무선으로 에너지를 송수신하는 기술이 개시된다. 공진을 이용하여 자기장으로 에너지를 송수신하는 시스템에 있어서 전력송수신의 효율을 높이지 위해, 무선 에너지 전송장치는, 캐패시터; 상기 캐패시터의 일측면에 접속되는 제1와이어; 및 상기 캐패시터의 다른 측면에 접속되는 제2와이어를 포함하되, 상기 제1와이어와 상기 제2와이어는 메타물질을 포함한다. 무선 에너지 전송장치는, 무선으로 에너지를 송수신하는 각종 장치 및 시스템에 이용된다.
무선, 에너지, 메타물질
Description
본 발명은 무선으로 에너지를 송수신하는 기술에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 무선 에너지 송수신시의 전송 효율, 거리, 가용 주파수 대역을 증가시키고 시스템의 크기를 소형화시키는 기술에 관한 것이다.
전력선 없이 무선으로 에너지를 전송하는 기술은 현재 전동칫솔, 노트북, 휴대폰, 소형 음향기기(MP3플레이어, CD플레이어 등)의 무선 충전 등에 이용되고 있다. 현재 무선으로 에너지를 전송하는데 있어서 전자기유도 방식이 많이 이용되고 있는데, 이 방법은 무선 에너지 전송을 위해서 에너지 공급 장치와 전자기기가 서로 거의 접촉해 있어야 하는 전송 거리 문제와 낮은 전송효율을 갖는다는 문제를 갖고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 니어필드(near field) 내에서 자기장 기반 공진 방식을 이용한 종래의 무선 에너지 전송 기술이 있는데 이 기술에 대해 알 아보기로 한다.
도 1은 자기장 기반 공진 방식을 이용하여 에너지를 전송하는 종래의 무선 에너지 송수신 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 무선 에너지 송수신 시스템은, 무선 에너지 송신장치(110)와 무선 에너지 수신장치(120)를 포함한다.
무선 에너지 송신장치(110)의 와이어(111, 112) 양단으로는 전원(VSOURCE)이 공급(feeding)된다. 와이어(111, 112)로 공급된 전원(VSOURCE)에 의하여 캐패시터(113)의 두 도체판 사이에는 전기장(E-field)이 형성된다. 그리고 와이어(111, 112) 자체의 인덕턴스에 의해 와이어(111, 112)에는 자기장(H-field)이 형성된다. 캐패시터(113)에 형성된 전기장과 와이어(111, 112)에 형성된 자기장의 주기적인 에너지 교환으로 인하여 무선 에너지 송신장치(110)와 무선 에너지 수신장치(120) 사이의 공간에는 자기장이 형성된다.
무선 에너지 송신장치(110)와 무선 에너지 수신장치(120) 사이에 형성된 자기장은 무선 에너지 수신장치(120)의 와이어(121, 122)에 자기장을 형성시키고, 무선 에너지 수신장치(120)의 캐패시터(123)에는 전기장을 형성시킨다. 즉, 무선 에너지 송신장치(110)와 마찬가지로 무선 에너지 수신장치(120)에도 전기장과 자기장이 형성된다. 그리고 무선 에너지 수신장치(120)의 와이어(121, 122)를 통하여 에너지가 필요한 곳에 에너지을 공급하게 된다.
도 1과 같은 무선 에너지 송수신 시스템에서는 무선 에너지 송신장치(110)와 무선 에너지 수신장치(120) 사이의 공간에 형성되는 자기장이 에너지를 전송하는 매개체가 되며, 자기장의 세기는 무선 에너지 송수신 시스템의 에너지 전송 효율 및 전송 거리와 직접적으로 관련된다.
따라서 자기장의 세기를 강화시켜 무선 에너지 송수신 시스템의 에너지 전송 효율과 전송 거리를 높이기 위한 기술이 요구된다.
본 발명은, 니어필드(near field) 내에서 자기장 기반 공진 방식을 이용해 무선으로 에너지를 공급하는 시스템의 에너지 전송 효율, 전송 거리, 가용 주파수 대역을 높이고 시스템의 크기를 소형화하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 에너지 전송장치는, 캐패시터; 상기 캐패시터의 일측면에 접속되는 제1와이어; 및 상기 캐패시터의 다른 측면에 접속되는 제2와이어를 포함하되, 상기 제1와이어와 상기 제2와이어는 메타물질을 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서의 무선 에너지 전송장치란, 무선 에너지 송신장치 또는 무선 에너지 수신장치를 의미한다.
또한, 본 발명은, 무선 에너지 송신장치와 무선 에너지 수신장치를 포함하는 무선 에너지 송수신 시스템에 있어서, 상기 무선 에너지 송신장치는 제1캐패시터; 상기 제1캐패시터의 일측면에 접속되는 제1와이어; 상기 제1캐패시터의 다른 측면 에 접속되는 제2와이어를 포함하고, 상기 무선 에너지 수신장치는 제2캐패시터; 상기 제2캐패시터의 일측면에 접속되는 제3와이어; 상기 제2캐패시터의 다른 측면에 접속되는 제4와이어를 포함하고, 상기 제1와이어와 상기 제2와이어로 에너지가 입력되고, 상기 제3와이어와 상기 제4와이어로부터 에너지가 출력되며, 상기 제1 내지 제4와이어는 메타물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명은, 메타물질을 포함하는 와이어가 캐패시터 양단에 접속된 구조를 갖는다. 따라서 자기장의 세기를 크게 증가시킬 수가 있으며, 이에 따라 무선 에너지 송수신 시스템의 에너지 전송 효율 및 거리를 증가시킨다는 장점이 있다. 또한, 가용 주파수 대역을 높이고, 시스템 크기를 소형화시킬 수 있다는 장점이 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 실현함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 무선 에너지 송수신 시스템의 일실시예 구성도이다.
도 2a와 도 2b에 도시된 바와 같이, 무선 에너지 송수신 시스템은 무선 에너지 송신장치(210)와 무선 에너지 수신장치(220)를 포함하여 구성된다.
무선 에너지 송신장치(210)는, 캐패시터(213); 캐패시터(213)의 일측면에 접속되는 와이어(211); 캐패시터(213)의 다른 측면에 접속되는 와이어(212)를 포함하되, 와이어(211, 212)는 메타물질을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 무선 에너지 수신장치(220)는, 캐패시터(223); 캐패시터(223)의 일측면에 접속되는 와이어(221); 캐패시터(223)의 다른 측면에 접속되는 와이어(222)를 포함하되, 와이어(221, 222)는 메타물질을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
무선 에너지 송신장치(210)와 무선 에너지 수신장치(220)는 기본적으로 동일하게 구성되지만, 무선 에너지 송신장치(210)는 와이어(211, 212)로 외부로부터 전원(VSOURCE)(에너지)이 입력되고, 무선 에너지 수신장치(220)는 와이어(221, 222)로부터 외부로 전원(에너지)이 출력된다는 차이점을 갖는다.
캐패시터(213, 223)는 두개의 도체 평판과 도체 평판들 사이에 형성되는 유전체를 포함하여 구성될 수 있다.
와이어(도선)(211, 212, 221, 222)는 도 2a에 도시된 바와 같이 바(bar) 형 태로 형성될 수도 있으며, 도 2b에 도시된 바와 같이 직사각형 형태로 구성될 수도 있다. 또한, 배경기술의 도 1에 도시된 바와 같이 원형으로 구성될 수도 있다. 와이어(211, 212, 221, 222)가 바 형태로 구성된 경우에는 와이어(212, 222)의 한끝은 접지(ground)되고 와이어(211, 222)의 한끝을 통해서는 전원(VSOURCE)이 공급되거나 전원을 공급하는 형태로 구성될 수 있다. 와이어(211, 212, 221, 222)를 도 2a와 같이 바 형태로 구성하는 경우에는 소형 전자기기에 무선 에너지 송수신 시스템을 적용하기가 용이해진다는 장점이 있다.
본 발명은 와이어(211, 212, 221, 222)가 메타물질(mata material)을 포함하여 구성된다는 특징을 갖는다. 와이어(211, 212, 221, 222)를 메타물질로 구성하면, 와이어(211, 212, 221, 222)의 인덕턴스가 증가하고, 이에 따라 자기장의 세기를 강하게 증가시킬 수 있다. 그리고 강화된 자기장의 세기는 무선 에너지 송신장치(210)와 무선 에너지 수신장치(220) 간의 공진 Q값(quality factor)을 증가시키게 되며, 결국 에너지 전송 효율을 높이게 된다. 여기서 에너지 전송 효율을 높인다는 말은, 동일한 효율을 가지고 에너지를 전송할 수 있는 거리가 증가되거나, 동일한 거리에서 더 높은 효율을 가지고 에너지를 전송하는 것이 가능해진다는 것을 뜻한다. 그리고, 공진 Q값은 주파수 대역이 높아질수록 작아지는 특성을 갖고 있으므로, 증가된 Q값을 통하여 가용 주파수 대역을 높일 수 있다. 즉, 주파수 대역이 높아질 때 발생하는 Q값의 감소가 본 발명을 통해 얻어진 Q값의 증가로 상쇄될 수 있으므로 동일한 Q값(동일한 전송 효율과 전송 거리)의 조간하에서 가용 주파수 대역을 높일 수 있다는 것을 뜻한다. 또한, 증가된 인덕턴스로 인해 동일한 시스템 크기에서 동작 주파수가 낮아질 수 있다. 즉, 동일한 동작 주파수에서 동일한 전송 효율과 전송 거리 특성을 가지면서 시스템의 크기를 소형화시킬 수 있다는 것을 뜻한다.
무선 에너지 송수신 시스템의 전체 동작을 살펴보면, 무선 에너지 송신장치(210)의 와이어(211, 212) 양단으로는 전원(VSOURCE)이 공급된다. 와이어(211, 212)로 공급된 전원(VSOURCE)에 의하여 캐패시터(213)의 두 도체판 사이에는 전기장이 형성된다. 그리고 와이어(211, 212) 자체의 인덕턴스에 의해 와이어(211, 212)에는 자기장이 형성된다. 캐패시터(213)에 형성된 전기장과 와이어(211, 212)에 형성된 자기장의 주기적인 에너지 교환으로 인하여 무선 에너지 송신장치(210)와 무선 에너지 수신장치(220) 사이의 공간에는 자기장이 형성된다. 본 발명에서는 와이어(211, 212, 221, 222)가 메타물질을 포함하여 구성되므로, 무선 에너지 송신장치(210)와 무선 에너지 수신장치(220) 사이의 자기장이 종래보다 더 강하게 형성된다. 무선 에너지 송신장치(210)와 무선 에너지 수신장치(220) 사이에 형성된 자기장은 무선 에너지 수신장치(220)의 와이어(221, 222)에 자기장을 형성시키고, 무선 에너지 수신장치(220)의 캐패시터(223)에는 전기장을 형성시킨다. 그리고 무선 에너지 수신장치(220)의 와이어(221, 222)를 통하여 에너지을 필요로 하는 기기에 에너지를 공급하게 된다.
와이어(211, 212, 221, 222)가 메타물질을 포함하도록 구성하는 것은 와이어(211, 212, 221, 222)의 전체 또는 일부에 메타패턴(meta pattern)을 형성함으로써 가능해진다. 도 2a와 도 2b에는 와이어(211, 212, 221, 222)를 단면적인 구조로 도시하였지만, 이하의 도면에서 와이어(211, 212, 221, 222)의 상세한 구성에 대하여 알아보기로 한다.
도 3a와 도 3b는 와이어(211, 212, 221, 222)를 입체적으로 도시한 도면이다.
와이어(211, 212, 221, 222)는 도 3a에 도시된 사각기둥 또는 도 3b에 도시된 육각기둥과 같은 다각기둥 및 원기둥(도면에 미도시)의 형태로 구성될 수 있다. 기둥 표면의 전부 또는 일부에는 메타패턴이 형성되는데, 메타패턴은 양각으로 형성될 수도 있으며, 음각으로 형성될 수도 있다. 도면에는 사각 형태의 SRR(Split-Ring Resonator) 방식의 메타패턴이 형성된 것을 도시하였다.
도 4 내지 도 6은 와이어(211, 212, 221, 222)의 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 와이어(211, 212, 221, 222)가 도체기둥(401); 및 도체기둥(401) 표면에 형성되는 메타패턴(402)을 포함하여 구성된 경우를 도시한다.
도체기둥(401) 표면에 형성되는 메타패턴(402)은 양각 또는 음각으로 형성될 수 있다. 또한, 메타패턴(402)을 양각 또는 음각으로 형성하는 경우 메타패턴(402) 사이의 빈 공간을 유전체로 채우는 것도 가능하다.
도 5는 와이어(211, 212, 221, 222)가 유전체 기둥(501); 유전체 기둥(501)을 감싸는 도체(502); 및 도체(502) 표면에 형성되는 메타패턴을 포함하는 경우를 도시한다.
도체(502) 표면에 형성되는 메타패턴은 양각 또는 음각으로 형성될 수 있다. 또한, 메타패턴 사이의 빈 공간을 유전체로 채우는 것도 가능하다. 와이어(211, 212, 221, 222)를 이와 같이 구성하는 경우에는, 전류가 유전체(501) 부분으로는 흐르지 못하고 도체(502)를 따라서만 흐르게 되므로 도체(502)표면에 형성된 메타패턴에 의한 효과가 더욱 극대화될 수 있다. 특히, 도체(502)를 얇게 형성할수록 이러한 효과는 더욱 극대화될 것이다. 게다가 고주파수로 갈수록 전류는 물질의 표면을 따라서만 흐르려는 성질을 가지므로, 도 5와 같은 구조는 고주파수의 동작에 더욱 유리하다.
도 6은 와이어(211, 212, 221, 222)가 도체기둥(601); 도체기둥(601)을 감싸는 유전체(602); 및 유전체(602) 표면에 도체(603)로 형성되는 메타패턴을 포함하여 구성되는 경우를 도시한다.
기판의 상단에 마이크로 스트립 선로가 형성되고 기판의 하단 접지면에 메타패턴이 패터닝되는 경우를 CSRR(Complementary Split-Ring Resonator) 메타패턴이라고 하는데, 도 6은 바로 이러한 CSRR 방식의 메타패턴이 형성되는 것과 동일한 효과를 가진다. 도체기둥(601)이 마이크로 스트립 선로에 대응되고, 유전체(602)는 기판에 대응되고, 도체(603)로 형성되는 메타패턴은 기판의 접지면에 대응되기 때문이다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
특히, 와이어를 메타물질로 구현하기 위해 와이어에 메타패턴을 형성하는 방법에는 본 명세서의 도면에 도시된 실시예 이외에 수많은 실시예가 가능함은 당연하다.
도 1은 자기장 기반 공진을 이용하여 에너지를 전송하는 종래의 무선 에너지 송수신 시스템의 구성도.
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 무선 에너지 송수신 시스템의 일실시예 구성도.
도 3a와 도 3b는 와이어(211, 212, 221, 222)를 입체적으로 도시한 도면.
도 4 내지 도 6은 와이어(211, 212, 221, 222)의 단면을 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
210: 무선 에너지 송신장치 220: 무선 에너지 수신장치
211, 212, 221, 222: 와이어 213, 223: 캐패시터
Claims (18)
- 캐패시터;상기 캐패시터의 일측면에 접속되는 제1와이어; 및상기 캐패시터의 다른 측면에 접속되는 제2와이어를 포함하되,상기 제1와이어와 상기 제2와이어는 메타물질을 포함하는무선 에너지 전송장치.
- 제 1항에 있어서,상기 캐패시터는,두개의 도체 평판; 및상기 도체 평판들 사이에 형성되는 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송장치.
- 제 1항에 있어서,상기 제1와이어와 상기 제2와이어는,그 표면에 메타패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송장치.
- 제 1항에 있어서,상기 제1와이어와 상기 제2와이어 각각은,도체 기둥; 및상기 도체 기둥 표면에 형성되는 메타패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송장치.
- 제 4항에 있어서,상기 메타패턴은,양각 또는 음각으로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송장치.
- 제 4항에 있어서,상기 도체 기둥은,다각형의 기둥 또는 원기둥인 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송장치.
- 제 1항에 있어서,상기 제1와이어와 상기 제2와이어 각각은,유전체 기둥;상기 유전체 기둥을 감싸는 도체; 및상기 도체 표면에 형성되는 메타패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송장치.
- 제 1항에 있어서,상기 제1와이어와 상기 제2와이어 각각은,도체 기둥;상기 도체 기둥을 감싸는 유전체; 및상기 유전체 표면에 도체로 형성되는 메타패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송장치.
- 제 1항에 있어서,상기 무선 에너지 전송장치는,무선 에너지 송신장치이며, 상기 제1와이어와 상기 제2와이어로 에너지가 입력되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송장치.
- 제 1항에 있어서,상기 무선 에너지 전송장치는,무선 에너지 수신장치이며, 상기 제1와이어와 상기 제2와이어로부터 에너지가 출력되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송장치.
- 무선 에너지 송신장치와 무선 에너지 수신장치를 포함하는 무선 에너지 송수신 시스템에 있어서,상기 무선 에너지 송신장치는제1캐패시터; 상기 제1캐패시터의 일측면에 접속되는 제1와이어; 상기 제1캐패시터의 다른 측면에 접속되는 제2와이어를 포함하고,상기 무선 에너지 수신장치는제2캐패시터; 상기 제2캐패시터의 일측면에 접속되는 제3와이어; 상기 제2캐패시터의 다른 측면에 접속되는 제4와이어를 포함하고,상기 제1와이어와 상기 제2와이어로 에너지가 입력되고, 상기 제3와이어와 상기 제4와이어로부터 에너지가 출력되며, 상기 제1 내지 제4와이어는 메타물질을 포함하는무선 에너지 송수신 시스템.
- 제 11항에 있어서,상기 제1캐패시터와 상기 제2캐패시터 각각은,두개의 도체 평판; 및상기 도체 평판들 사이에 형성되는 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 송수신 시스템.
- 제 11항에 있어서,상기 제1 내지 제4와이어는,그 표면에 메타패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 송수신 시스템.
- 제 11항에 있어서,상기 제1 내지 제4와이어 각각은,도체 기둥; 및상기 도체 기둥 표면에 형성되는 메타패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 송수신 시스템.
- 제 14항에 있어서,상기 메타패턴은,양각 또는 음각으로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 송수신 시스템.
- 제 14항에 있어서,상기 도체 기둥은,다각형의 기둥 또는 원기둥인 것을 특징으로 하는 무선 에너지 송수신 시스템.
- 제 11항에 있어서,상기 제1 내지 제4와이어 각각은,유전체 기둥;상기 유전체 기둥을 감싸는 도체; 및상기 도체 표면에 형성되는 메타패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 송수신 시스템.
- 제 11항에 있어서,상기 제1 내지 제4와이어 각각은,도체 기둥;상기 도체 기둥을 감싸는 유전체; 및상기 유전체 표면에 도체로 형성되는 메타패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 송수신 시스템.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020090003458A KR101042212B1 (ko) | 2009-01-15 | 2009-01-15 | 무선 에너지 전송장치 및 무선 에너지 송수신 시스템 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020090003458A KR101042212B1 (ko) | 2009-01-15 | 2009-01-15 | 무선 에너지 전송장치 및 무선 에너지 송수신 시스템 |
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| KR101042212B1 KR101042212B1 (ko) | 2011-06-20 |
Family
ID=42643592
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020090003458A KR101042212B1 (ko) | 2009-01-15 | 2009-01-15 | 무선 에너지 전송장치 및 무선 에너지 송수신 시스템 |
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|---|---|---|---|---|
| KR101419771B1 (ko) * | 2012-03-26 | 2014-07-17 | 경기대학교 산학협력단 | 집적화된 송·수신부를 가지는 고효율 무선 전력 전송 시스템 |
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|---|---|---|---|---|
| US20040081414A1 (en) | 2002-10-28 | 2004-04-29 | Barker Delmar L. | Type of optical/RF transmission fiber constructed from left handed materials (LHM) with air core capable of high power transmission |
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-
2009
- 2009-01-15 KR KR1020090003458A patent/KR101042212B1/ko active IP Right Grant
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Publication date |
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| KR101042212B1 (ko) | 2011-06-20 |
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