KR20100128379A

KR20100128379A - 전자 장치, 무선 전력 전송장치 및 그것의 전력 전송 방법

Info

Publication number: KR20100128379A
Application number: KR1020090046747A
Authority: KR
Inventors: 김용해; 강승열; 이명래; 정태형; 이종무; 전상훈
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2010-12-08
Also published as: KR101373208B1; US8110949B2; JP2010279239A; CN101902080A; US20100301678A1

Abstract

본 발명의 무선 전력 전송장치는, 고주파의 전류가 입력되는 전원 코일, 자기 유도에 의해 상기 고주파의 전류가 유도되고 공진 주파수가 외부의 적어도 하나의 타겟 장치의 공진 주파수일 때 비방사형 전자파를 발생하는 전송 코일, 및 상기 전송 코일의 공진 주파수를 조정하기 위한 공진 주파수 조정장치를 포함한다. 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치는 공진 주파수가 동일할 때 전력이 전송되도록 구현됨으로써, 와전류에 의한 과열이 발생하지 않고 또한 디자인도 쉽게 변경할 수 있게 된다.

공진 주파수, 무선, 전력 전송

Description

전자 장치, 무선 전력 전송장치 및 그것의 전력 전송 방법{ELECTRIC DEVICE, WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE AND POWER TRANSMISSION METHOD THEREOF}

본 발명은 전자 장치, 무선 전력 전송장치 및 그것의 전력 전송 방법에 관한 것이다.

최근에 전자제품의 성능 및 수는 놀라울 만큼 많이 늘어났다. 특히 휴대용 전자 장치들은 반도체 및 디스플레이 기술의 눈부신 성장에 의해 소형화되었다. 그러나 전자 장치의 단점은 전력을 선을 통하여 공급받아야 한다는 것이다. 충전기를 사용하기도 하나, 충전용량의 한계 상 일정시간 사용 후 에는 다시금 전선을 통하여 전력을 공급받아야 한다. 이들 단점을 보안하고자 무선으로 충전하는 기술들이 많이 발전되어 왔다. RF(Radio Frequency)를 사용하거나, 자기 유도를 사용하는 경우 등이 그러한 예이다.

특히 자기 유도를 이용한 경우는 필립스에서 생산한 면도기 등에 상용화가 이루어졌다. 무선으로 전력을 공급하는 경우 물에 의한 쇼트 가능성이 없어지므로 안전하게 사용할 수 있고, 거추장스러운 선을 없앨 수 있어서 미관에도 많은 도움이 된다. 그러나 자기 유도는 작용하는 거리가 극히 작으므로 여러 가지 불편한 점 을 나타내었다. 이를 극복하고자 RF 를 사용하거나 공진형 무선 전력 전송 기술을 사용하는 것이 나타났다.

RF 를 사용하는 경우에는 전파를 한곳에 집중시켜야 하는 장치가 필요하여 미리 정해진 방향으로만 전력을 전송할 수 있다는 단점이 있다. 또한 고출력의 RF 신호의 신체에 대한 유해한 효과 등에 대해서는 향후 검토되어야만 한다.

본 발명의 목적은 전자 장치, 무선 전력 전송장치 및 그것의 전력 전송 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 이물질에 의한 과열 발생 및 디자인 자유도 문제를 해결하기 위한 무선 전력 전송장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치는, 고주파의 전류가 입력되는 전원 코일, 자기 유도에 의해 상기 고주파의 전류가 유도되고, 공진 주파수가 외부의 적어도 하나의 타겟 장치의 공진 주파수일 때 비방사형 전자파를 발생하는 전송 코일, 및 상기 전송 코일의 공진 주파수를 조정하기 위한 공진 주파수 조정장치를 포함한다.

실시 예에 있어서, 상기 공진 주파수 조정 장치는 상기 전송 코일의 간격을 조절함으로써 상기 전송 코일의 공진 주파수를 보정할 것이다.

실시 예에 있어서, 상기 공진 주파수 조정장치는 상기 전송 코일 사이의 유전체를 삽입함으로써 상기 전송 코일의 공진 주파수를 보정할 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치로부터 전력을 전송받는 전자 장치는, 공진 주파수가 상기 무선 전력 전송장치의 공진 주파수일 때 상기 무선 전력 전송장치로부터 발생되는 비방사형 전자파를 통하여 상기 전력을 전송받는 수신 코일, 자기 유도에 의하여 상기 수신 코일로부터 전력을 전송받아 상기 각각의 타 겟 장치들에 전원을 공급하는 부하 코일을 포함하되, 상기 수신 코일은 스피럴(Spiral) 구조이다.

실시 예에 있어서, 상기 전자 장치는, 상기 공급되는 전원을 직류 전원으로 변환하는 직류 변환기를 더 포함할 것이다.

무선 전력 전송장치로부터 타켓 장치로 전력을 전송하는 무선 전력 전송 시스템의 전력 전송 방법은, 상기 무선 전력 전송장치가 교류 전원을 발생하는 단계, 상기 발생된 교류 전원을 무선 전송이 가능한 고주파 대역으로 변조하는 단계, 및 상기 무선 전력 전송 장치의 공진 주파수가 상기 타켓 장치의 공진 주파수일 때 발생되는 비방사형 전자파를 통하여 상기 변조된 전원을 전송하는 단계를 포함하되, 상기 무선 전력 전송 장치는 공진 주파수가 상기 타켓 장치의 공진 주파수와 일치하도록 조절가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치는 공진 주파수가 동일할 때 전력이 전송되도록 구현됨으로써, 와전류에 의한 과열이 발생하지 않고 또한 디자인도 쉽게 변경할 수 있게 될 것이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 무선 전력 전송장치는 무선 전력 전송장치와 타겟 장치 사이 의 공진 주파수가 동일할 때 전력이 전송되도록 구현될 것이다. 이로써, 본 발명의 무선 전력 전송장치는 종래의 그것과 비교하여 와전류에 의한 과열이 발생하지 않고, 디자인도 용이하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(10)은 전력을 공급하는 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 전송장치(100)로부터 전력을 무선으로 전송받아 사용하는 복수의 타겟 장치들(200)을 포함할 것이다. 본 발명의 무선 전력 전송장치(100)는 공진 주파수가 타겟 장치들(200)의 공진 주파수와 동일할 때 전력이 전송되도록 구현될 것이다.

도 1에 도시된 타겟 장치들은 3개이지만, 이는 단면도에 나타난 타겟 장치들의 개수일 뿐이다. 도 2에 도시된 무선 전력 전송 시스템(10)의 평면도를 참조하면, 타겟 장치들(200)은 5개이다. 한편, 본 발명의 타겟 장치들은 반드시 5개에 한정될 필요는 없다. 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템(10)은 공진 주파수가 일치할 때 무선 전력 전송장치(100)로부터 전력을 전송받기 위한 적어도 하나의 타겟 장치를 포함하면 될 것이다.

본 발명의 무선 전력 전송 시스템(10)은 비방사형 무선 에너지 전송 기술(Non-radiative wireless energy transfer technology)에 따라 전송될 것이다. 이러한 비방사형 무선 에너지 전송 기술은 종래의 전자기 유도(electromagnetic induction) 보다 먼 거리에서, 전자기 방사(electromagnetic radiation) 보다 더 높은 효율로 에너지를 전송할 수 있다. 비방사형 무선 에너지 전송 기술은 두 매체 가 같은 주파수로 공진할 경우에 전자파가 근거리 전자장을 통하여 한 매체에서 다른 매체로 이동하는 감쇄파 결합(evanescent wave coupling)에 기반을 두고 있다. 이 경우에 두 매체 사이의 공진 주파수가 동일할 때만 에너지가 전달되고, 사용되지 않는 에너지는 공기 중으로 방사되지 않고 전자장으로 재흡수된다. 이로써 다른 전자파와는 달리 주변의 다른 기계나 인체에 무해하다.

무선 전력 전송장치(100)는 타겟 장치들(200)에 무선으로 전력을 전송하기 위한 장치이다. 여기서 전달되는 전력은 특정 주파수의 전자기파일 것이다. 또한, 무선 전력 전송장치(100)는 적어도 하나 이상의 주파수를 갖는 전자기파를 전송하도록 구현될 수도 있다. 또한, 무선 전력 전송장치(100)는 불연속적으로 전력을 전달하도록 구현될 것이다. 특히, 본 발명의 무선 전력 전송장치(100)는 타겟 장치들(200)과 공진 주파수가 동일할 때 발생되는 비방사형 전자파를 통하여 전력이 전송되도록 구현될 것이다.

무선 전력 전송장치(100)는 전원 모듈(120), 전원 코일(140), 전송 코일(160), 및 공진 주파수 조정장치(180)를 포함할 것이다.

전원 모듈(120)은 교류전원을 고주파수 대역으로 변조하는 회로이다. 전원모듈(120)은 60Hz 교류 전원에서 메가 헤르즈(MHz) 대역으로 주파수를 변조하는 고주파 발생기(도시되지 않음), 및 고전원 증폭기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 또한, 전원 모듈(120)은 무선 전력 전송 시스템(10)의 임피던스 매칭이 가능하도록 매칭 회로(도시되지 않음)가 내장될 수 있다. 이러한 매칭 회로는 전력이 최대로 전송되도록 할 것이다.

전원 코일(140)은 저항에 의한 손실을 줄이기 위하여 지름이 3mm 이상인 코일을 사용할 것이다. 전원 코일(140)의 턴 수(turn number)는 1일 것이다. 도 1에 도시된 전원 코일(140)의 턴 수가 1이지만, 본 발명의 전원 코일의 턴 수가 여기에 국한될 필요는 없다.

전송 코일(160)은 저항에 의한 손실을 줄이기 위하여 지름이 3mm 이상인 코일을 사용할 것이다. 전송 코일(160)은 목표로 하는 공진 주파수에 맞도록 턴 수 및 턴 간격이 조절될 것이다. 예를 들어, 전송 코일(160)에서는 턴 수가 3~10회이고, 턴 간격이 2~10 cm 정도가 적당할 것이다. 전송 코일(160)은 자기 유도에 따라 전력 전송이 이루어지기 때문에 전원 코일(140)에 최대한 가깝게 위치하도록 구현될 것이다. 전송 코일(160)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 헤리컬(Helical) 구조로 구현될 것이다.

공진 주파수 조정장치(180)는 전송 코일(160)의 공진 주파수를 보정하기 위한 장치이다. 일반적으로 동일한 주파수의 물체가 가깝게 위치하면, 공진 주파수의 분리가 일어날 수 있다. 공진 주파수 조정장치(180)는 이러한 미세한 공진 주파수의 분리를 바로 잡기 위한 장치이다. 공진 주파수 조정장치(180)는 전송 코일(160)의 간격을 변화시키거나 혹은 전송 코일(160) 사이에 유전체를 삽입함으로써 공진 주파수를 가변할 수 있다.

도 3은 전송 코일의 간격을 변화시키는 공진 주파수 조정장치에 대한 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 공진 주파수 조정장치(180)는 공진 주파수의 보정을 위하여 수직 방향으로 움직이는 클램프를 이용함으로써 전송 코 일(160)의 간격을 조절할 것이다. 가변 커패시터(Cv)는 공진 루프를 형성하기 전송 코일(160)에 직렬로 연결될 것이다.

도 4는 전송 코일 사이에 유전체를 삽입시키는 공진 주파수 조정장치에 대한 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 공진 주파수 조정장치(180a)는 전송 코일(160)의 간격을 고정시키는 고정부(181) 및 상기 고정부(181)를 통과하여 전송 코일(160)의 사이로 삽입되는 유전체부(182)를 포함할 것이다. 공진 주파수 조정장치(180a)는 공진 주파수의 보정을 위하여 전송 코일(160) 사이에 유전체부(182)가 삽입되도록 구현될 것이다. 한편, 본 발명의 고정부(181)는 도 3에 도시된 공진 주파수 조정장치(180)와 같이 전송 코일(160)의 간격을 조절하도록 구현될 수도 있다.

타겟 장치들(200)은 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전력을 전송받는 장치들이다. 특히, 본 발명의 타겟 장치(200)는 비방사형 전파를 통해 전송되는 전력을 수신하도록 구현될 것이다. 타겟 장치들(200)에는 이동통신 단말기(Mobile Phone), 휴대용 컴퓨터(Potable Computer) 등 다양한 종류의 전자 장치(Electric Device)가 될 것이다. 한편, 이러한 전자 장치에는 비방사형 전자파를 통해 수신된 전력으로 충전되는 배터리가구비될 것이다.

타겟 장치들(200)은 무선 전력 전송장치(100)의 전송 코일(160)과 자기 유도 효과가 없도록 충분히 이격되고, 또한 공진형 무선 전력 전송 효율이 우수한 거리 내에 존재하도록 구현될 것이다. 여기서 이러한 이격 거리(d)는 일반적으로 10~30 cm 정도가 될 것이다.

일반적인 무선 전력 전송장치는 자기 유도 기술에 따라 구현되었다. 일반적인 무선 전력 전송장치에서 전력은 무선 전력 전송장치 안에 있는 모듈에 의해 프라이머리 코일(Primary coil)에 공급된다. 프라이머리 코일과 세컨더리 코일(Secondary coil)은 자기 유도에 의해 전력을 전송하게 된다. 세컨더리 코일에 공급된 전원은 디바이스들을 구동하는데 사용된다. 그러나 자기 유도를 이용한 무선 전력 전달은 거리가 매우 가까워야만 전송 효율이 높다. 일반적으로 전달거리는 1mm 정도이다. 따라서 일반적인 무선 전력 전송장치에서는 무선 전력 전송장치와 타겟 장치를 최대한 밀접시켜야만 했다.

또한, 자기 유도는 전기를 통하는 물질이면 효과가 나타나고, 특히 자성체 물질에서는 그 효과가 크게 나타난다. 따라서, 일반적인 무선 전력 전송장치에서 이물질이 소스 코일 위에 떨어질 경우 와전류에 의한 열이 발생하게 된다. 이로 인하여, 무선 전력 전송장치가 망가지는 경우게 발생된다. 또한, 일반적인 무선 전력 전송장치는 무선 전력 전송장치와 타겟 장치들이 밀접한 거리를 유지해야 함으로써 장치를 디자인하는데 어려움이 발생한다.

반면에 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템(10)은 공진 주파수를 이용하여 무선 전력 전송장치와 타겟 장치 사이에 전력 전송 동작이 수행되도록 구현된다. 그 결과로써, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템(10)은 자기 유도를 이용하여 전력을 전송하는 종래의 그것과 비교하여 무선 전력 전송장치에 이물질이 떨어지더라도 와전류가 발생되지 않을 것이다. 그 결과로써 과열이 발생되지 않을 것이다. 또한 본 발명의 무선 전력 전송 시스템(10)은 공진 주파수를 이용하여 전력 전송 동작을 수행하기 때문에 무선 전력 전송장치와 타겟 장치 간의 거리를 조절할 수 있게 된다. 그 결과로써, 본 발명의 무선 전력 시스템(10)은 장치에 대한 디자인 자유도가 증가될 것이다.

도 5A는 본 발명의 실시 예에 따른 타겟 장치를 보여주는 도면이다. 도 5A를 참조하면, 타겟 장치(200)는 수신 코일(212), 부하 코일(214), 및 직류변환기(216)를 포함할 것이다.

수신 코일(212)은 공진 주파수가 동일할 때 무선 전력 전송장치(100)의 전송 코일(160)로부터 전력을 전송받을 것이다. 수신 코일(212)은 도 2에 도시된 바와 같이 스피럴(Spiral) 구조로 사용할 것이다. 이는 타겟 장치(200)가 휴대하고 다닐 정도로 얇고 가벼워야 하기 때문이다. 일반적으로 헤리컬 구조보다 스피럴 구조의 코일이 상대적으로 차지하는 부피가 작다.

수신 코일(212)은 초음파를 이용하여 순간적으로 녹인 PC 기판(211)에 지름이 0.05~0.20 mm 내외의 얇은 코일을 삽입함으로써 구현될 것이다. 여기서 기판(211)은 반드시 PC 기판을 이용할 필요는 없다. 기판(211)은 열적 특성이 우수한 FRB 기판을 사용할 수도 있을 것이다. 타겟 장치(200)는 크기가 작기 때문에 수신 코일(212)의 턴 수는 40회 정도까지 해야 할 것이다.

본 발명의 수신 코일(212)이 반드시 초음파를 이용하여 구현될 필요는 없을 것이다. 수신 코일(212)은 도 5B에 도시된 바와 같이 구리(copper) 도금을 이용하여 구현될 수도 있을 것이다.

부하 코일(214)은 수신 코일(212)과 자기 유도로 전력을 전송하기 때문에 인 접하게 연결될 것이다. 부하 코일(214)은 저항을 줄이기 위하여 지름 3 mm 내 외의 1 턴짜리 코일이 사용될 것이다. 부하 코일(214)은 타겟 장치(200)에 실제적인 전원을 공급하게 될 것이다.

직류 변환기(216)는 부하 코일(214)에 의해 전송되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환시키는 회로이다. 이러한 직류 변환기(216)는 타겟 장치(200)에 포함될 수도 있고, 포함되지 않을 수도 있을 것이다.

도 6은 공진 주파수와 수신 코일의 턴 수의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 수신 코일의 턴 수가 증가할수록 공진 주파수는 작아진다. 또한, 수신 코일의 지름이 클수록 공진 주파수는 작아진다. 예를 들어, 지름이 106 mm인 코일이 가장 작은 공진 주파수를 갖고, 지름이 92 mm인 코일이 중간 공진 주파수를 갖고, 지름이 84 mm인 코일이 가장 낮은 공진 주파수를 갖는다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 방법을 보여주는 흐름도이다. 도 1 내지 도 7을 참조하면, 무선 전력 전송 방법은 다음과 같다.

무선 전력 전송장치(100)는 교류 전원을 발생할 것이다(S110). 이때 발생된 교류 전원은 고주파 발생기에 의하여 무선으로 전송되기 위한 고주파 대역으로 변조될 것이다(S120). 무선 전력 전송장치(100)와 무선 전력 전송장치(100) 위에 놓여진 타겟 장치의 공진 주파수가 동일할 때 비방사형 전자파가 발생되고, 발생된 비방사형 전자파를 통하여 변조된 전원이 타겟 장치로 전송될 것이다(S130). 이때, 공진 주파수 조정장치(180/180a)는 전송 코일(160)의 공진 주파수가 타겟 장치의 공진 주파수와 동일하도록 조정 동작을 수행할 것이다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허 청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템에 대한 개념을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 도 1에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 평면도이다.

도 3은 전송 코일의 간격을 변화시키는 공진 주파수 조정장치에 대한 실시 예를 보여주는 도면이다.

도 4는 전송 코일 사이에 유전체를 삽입시키는 공진 주파수 조정장치에 대한 실시 예를 보여주는 도면이다.

도 5A는 본 발명에 따른 타겟 장치의 제 1 실시 예를 보여주는 도면이다.

도 5B은 본 발명에 따른 타겟 장치의 제 2 실시 예를 보여주는 도면이다.

도 6은 공진 주파수와 수신 코일의 턴 수의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 방법을 보여주는 흐름도이다

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 무선 전력 전송장치 100: 무선 전력 전송장치

200: 타겟 장치 120: 전원 모듈

140: 전원 코일 160: 전송 코일

180, 180a: 공진 주파수 조정장치 212: 수신 코일

214: 부하 코일 216: 직류변환기

211: 기판

Claims

고주파의 전류가 입력되는 전원 코일;

자기 유도에 의해 상기 고주파의 전류가 유도되고, 공진 주파수가 외부의 적어도 하나의 타겟 장치의 공진 주파수일 때 비방사형 전자파를 발생하는 전송 코일; 및

상기 전송 코일의 공진 주파수를 조정하기 위한 공진 주파수 조정장치를 포함하는 무선 전력 전송장치.
제 1 항에 있어서,

상기 공진 주파수 조정 장치는 상기 전송 코일의 간격을 조절함으로써 상기 전송 코일의 공진 주파수를 보정하는 무선 전력 전송장치.
제 1 항에 있어서,

상기 공진 주파수 조정장치는 상기 전송 코일 사이의 유전체를 삽입함으로써 상기 전송 코일의 공진 주파수를 보정하는 무선 전력 전송장치.
무선 전력 전송장치로부터 전력을 전송받는 전자 장치에 있어서:

공진 주파수가 상기 무선 전력 전송장치의 공진 주파수일 때 상기 무선 전력 전송장치로부터 발생되는 비방사형 전자파를 통하여 상기 전력을 전송받는 수신 코 일;

자기 유도에 의하여 상기 수신 코일로부터 전력을 전송받아 상기 각각의 타겟 장치들에 전원을 공급하는 부하 코일을 포함하되,

상기 수신 코일은 스피럴(Spiral) 구조인 전자 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 전자 장치는, 상기 공급되는 전원을 직류 전원으로 변환하는 직류 변환기를 더 포함하는 전자 장치.
무선 전력 전송장치로부터 타겟 장치로 전력을 전송하는 전력 전송 방법에 있어서:

상기 무선 전력 전송장치가 교류 전원을 발생하는 단계;

상기 발생된 교류 전원을 무선 전송이 가능한 고주파 대역으로 변조하는 단계; 및

상기 무선 전력 전송 장치의 공진 주파수가 상기 타켓 장치의 공진 주파수일 때 발생되는 비방사형 전자파를 통하여 상기 변조된 전원을 전송하는 단계를 포함하되,

상기 무선 전력 전송 장치는 공진 주파수가 상기 타켓 장치의 공진 주파수와 일치하도록 조절가능한 전력 전송 방법.