KR20110035196A - 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치 - Google Patents

스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치에 관한 것으로서, 기판 및 상기 기판 상에 스파이럴 형상으로 배치되는 적어도 두 개의 제1 도전라인들과 상기 제1 도전라인들의 내부에 상기 제1 도전라인들보다 크기가 작은 스파이럴 형상으로 배치되는 적어도 두 개의 제2 도전라인들을 포함하는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하며, 큰 자기장의 형성이 가능하고, 스파이럴 안테나의 코일의 전체 면적으로부터 균일한 전기장을 얻을 수 있는 고효율의 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치를 제공할 수 있다.
무선전력전송, 전자기 유도, 안테나, 스파이럴 안테나, 코일

Description

스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치{Spiral Antenna and wireless power transmission device using spiral antenna}
본 발명은 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 큰 자기장의 형성이 가능하고, 스파이럴 안테나의 코일의 전체 면적으로부터 균일한 전기장을 얻을 수 있는 고효율의 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치에 관한 것이다.
무선으로 원하는 곳에 전기를 보낼 수 있는 무선 전력전송방식은 물리학자 Nikola Tesla에 의해 19세기 말에 처음으로 제안되었으나 100여 년 동안 유선 방식에 밀려 빛을 보지 못하다가, 최근 다양한 휴대용 디지털 무선 통신 기기 및 산업용 전자, 전기 기기의 등장으로 기존의 전력선을 이용한 전력 공급 및 충전 방식에 대한 불편함과 문제점이 제기되고 있어, 전력선을 사용하지 않고 전력을 전달할 수 있는 기술인 무선 전력전송방식에 대한 관심이 높아지고 있다.
전기적 에너지는 진폭과 주파수를 가지고 있는데 주파수가 높을수록 자유공 간 사이에 무선으로 전송 할 수 있는 전파(Radio Frequency)의 성질을 갖는다.
주파수가 높으면 전기적 에너지의 진동길이, 즉 파장이 짧기 때문에 빛과 같이 전파가 직진성을 가지게 되어 한곳으로 전기적 에너지를 모아 보낼 수가 있다.
무선전력 전송방식은 전지의 직류나 60Hz 교류 상태의 전기 에너지를 직진성을 갖는 전파로 변환해서 보내면 받는 쪽에서 다시 전파를 원래의 전기적 성질인 직류나 교류로 변환 시키는 방법이다.
대용량의 전력을 무선으로 수송할 수 있다면 안정적인 자연 에너지를 무한정 얻을 수 있게 되므로, 화석연료에 의한 지구 온난화를 방지하고 지구 재생 계획의 일환으로 검토되고 있는 대체에너지 중의 하나인 우주 태양광 발전이 가능해진다.
또한, 무선전력 전송기술을 이용하면 전깃줄을 설치하기 곤란한 로보트등 에 필요한 전기에너지를 항상 보낼 수 있으며, 인공위성에 활용할 경우 태양 전지판과 발전시스템을 없앨 수 있으며, 공중의 무인비행체나 비행선용의 구동전력으로 활용할 경우 공중에서 교통, 방범, 방재 등의 도시감시나 방송 및 통신 중계 등에 다목적용 공중 플랫폼으로 활용할 수 있다.
또한 송전선을 건설하기 어려운 낙도 등에 전력을 공급할 수 도 있고 향후 우주개발시대를 맞이하여 우주공장이나 우주빌딩 등에 전용 발전위성으로부터의 전력공급을 위한 우주 송전망 건설에도 중요한 역할을 담당할 수 있다.
따라서 이미 많은 선진국에서 무선전력전송 기술에 대해 연구개발을 진행해오고 있으며, 최근 우리나라에서도 무선 전력전송기술의 실용화 개발을 추진하고 있다.
이러한 무선 전력전송기술로는 마이크로파대의 전파를 이용한 전파 수신형 기술, 공명현상을 이용한 전자기 공명 기술, 전자기 유도현상을 이용한 기술 등이 대표적이다.
첫 번째 기술인 마이크로파대의 전파를 이용한 전파 수신형 기술은 마이크로파를 방사시켜 안테나로 수신한 후 정류시켜 전력을 얻는 방법이고, 두 번째는 같은 공진 주파수를 가지는 물질 사이에 강한 자기 공명현상이 생기는 현상을 이용하여 전력을 전달하는 방식이며, 세 번째는 근접한 코일 사이에 시변 전류를 흘려주면 시변 자기장이 생성되는데 이 시변 자기장에 의해 수신 코일에 전류가 생성되는 것을 이용한 것이다.
마이크로파의 방사를 이용한 첫 번째 방식은 무선 전력전송에서 가장 많이 쓰이는 방법이고 상대적으로 먼 거리를 전송할 수 있으나, 방사되는 전자파에 의한 인접 주파수 대역에서의 간섭과 전자파의 인체 유해성 문제 등으로 사용이 제한적이며, 자기 공명을 이용한 방식은 가장 최근에 발표된 방식으로 그 전력효율이 미비해 아직까지 상용화하기에는 어려운 단계이다.
세 번째의 자기장을 이용한 전자기 유도 방식은 거리에 대한 제약은 있으나 전자파 장애 문제가 적어 다양한 분야에서 상용화 기술이 추진되고 있다.
상기와 같이, 무선 전력전송방식에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있으나 아직 전력전송효율이 낮고, 전자파의 인체 유해성 등과 같은 밝혀지지 않은 많은 문제점을 안고 있다.
따라서, 상기 전자기 유도 방식을 사용하여 전력을 전송하기 위해서는 전력 을 효율적으로 전달할 수 있는 송수신 안테나가 필요하며, 현재 다양한 구조 및 제조 방식의 안테나가 존재한다.
도 1은 종래의 구조의 안테나들을 나타낸 단면도이다.
(a)는 사각 루프 안테나이고, (b)는 사각 에지(edge) 스파이럴 안테나로서 중심은 빈 공간이며 에지 부분만 스파이럴 형태로 도선이 형성되어 있으며, (c)는 솔레노이드 형이고, (d)는 등간격으로 도선이 형성된 사각 모양의 스파이럴 안테나이다.
특히, 상기 (d)와 같은 종래의 스파이럴 안테나는 도선의 간격을 일정하게 코일을 형성하는 것이 중요한데, 도선의 간격을 일정하게 형성하기 위해서는 제조시간이 오래 걸리는 등 여러가지 어려운 점이 많다.
도 2는 도 1에 나타낸 종래의 안테나들에 대해 안테나 중심에서 가장자리로의 거리에 따른 전력이득을 나타낸 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, (a)의 사각 루프 안테나의 경우는 전력이득이 현저히 낮으며, (d)의 등간격 스파이럴 안테나의 경우가 전력이득이 가장 높지만 코일의 가장자리로 갈수록 전력이득이 심하게 떨어져 코일 전체에 걸쳐 균일한 전력이득을 얻지 못하는 문제점이 있다.
즉 종래의 안테나들은 전력효율이 낮거나 그나마 높다 해도 코일 전체에 걸쳐 균일한 전력이득을 얻기 힘든 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 전력효율이 높은 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 제작이 용이하고 제조 비용을 낮출 수 있는 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치를 제공하는 데 있다.
그리고, 본 발명은 큰 자기장의 형성이 가능하고, 스파이럴 안테나의 코일의 전체 면적으로부터 균일한 전기장을 얻을 수 있는 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
더욱이, 본 발명은 스파이럴 안테나의 코일을 배열형태로 형성하여 넓은 면적에 걸쳐 전력공급이 가능한 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판 및 상기 기판 상에 스파이럴 형상으로 배치되는 적어도 두 개의 제1 도전라인들과 상기 제1 도전라인들의 내부에 상기 제1 도전라인들보다 크기가 작은 스파이럴 형상으로 배치되는 적어도 두 개의 제2 도전라인들을 포함하는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하 는 스파이럴 안테나를 제공한다.
여기서, 상기 코일은, 상기 제2 도전라인들보다 크기가 작은 스파이럴 형상으로 배치되는 적어도 두 개의 제3 도전라인들을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 도전라인들, 제2 도전라인들 또는 제3 도전라인들은 각각 직렬로 연결되는 것이 바람직하며, 상기 코일은 삼각형, 사각형, 육각형, 팔각형 또는 원형으로 형성될 수 있다.
그리고 상기 코일은 상기 기판 상의 한 면에 적어도 두 개 배치될 수 있고 상기 기판 상에 동일한 형태의 코일이 반복될 수 있다.
나아가 상기 코일은 상기 기판의 양면에 형성될 수 있으며, 상기 양면에 형성된 상기 코일은, 제1면에 형성된 상기 코일과 제2면에 형성된 상기 코일이 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.
게다가 상기 코일은 상기 기판의 양면에 형성될 때, 상기 스파이럴 형상의 코일은 육각형으로 형성될 수 있고, 상기 기판 상의 제1 면에 형성되는 네 개의 스파이럴 형상의 코일에 대하여 상기 기판상의 제2 면에 하나의 스파이럴 형상의 코일이 형성될 수 있으며, 상기 제2면에 형성되는 코일은 상기 제1면에 형성되는 네 개의 코일의 가운데에 배치될 수 있다.
또한, 상기 코일은 상기 기판의 양면에 형성될 때, 상기 코일은 상기 기판 상의 한 면에 적어도 두 개 배치될 수 있으며 동일한 형태의 코일이 반복될 수 있다.
바람직하게는, 상기 코일은 적어도 두 개의 층으로 형성될 수 있으며, 이 경 우 상기 코일은 하나의 층에 적어도 두 개 배치될 수 있고 이 때 동일한 형태의 코일이 반복될 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전원 공급장치와 상기 전원 공급장치로부터 공급된 전원을 통해 전자파 시변 자기장을 발생하기 위한 송신코일을 포함하는 전자파발생기 및 상기 전자파발생기로부터 발생된 전자파를 수신하기 위한 수신코일을 포함하는 전자파수신기로 구성되는 무선전력전송장치에 있어서, 상기 송신코일 또는 수신코일은, 스파이럴 형상으로 배치되는 적어도 두 개의 제1 도전라인들과 상기 제1 도전라인들의 내부에 상기 제1 도전라인들보다 크기가 작은 스파이럴 형상으로 배치되는 적어도 두 개의 제2 도전라인들을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 전자파수신기는 캐패시터로 이루어진 임피던스 매칭회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치에서는, 전자파수신부에서의 전력이득이 높은 고효율의 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 스파이럴 안테나의 코일의 도선을 등간격으로 형성할 필요가 없어 제조가 쉽고 빠르게 될 수 있으며, 인쇄회로기판에 인쇄 등의 간단한 방식으로 형성할 수 있으며 제조 비용을 낮출 수 있는 장점이 있다.
나아가서 본 발명에 따르면, 큰 자기장의 형성이 가능하고, 스파이럴 안테나의 코일의 전체 면적으로부터 균일한 전기장을 얻을 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명은 스파이럴 안테나의 코일을 배열형태로 형성하여 넓은 면적에 걸쳐 전력공급이 가능한 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치를 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이하에 기재된 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것이며, 본 발명의 실시 범위가 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 대하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 도 3은 전자기 유도를 이용한 무선 전력전송 시스템의 등가회로이다.
전자파 발생기(100)는, 전기 에너지, 즉 저주파 시변 전류를 공급하는 전원 공급소스(10)와 소스 저항(15), 송신 임피던스 매칭부(20) 및 상기 전원 공급소스(10)의 전기 에너지로부터 시변 자기장을 생성하는 저주파 시변 자기장 발생 송 신 안테나로 이루어진다.
상기 송신 안테나는 송신 코일(30)과 코일 저항(35)을 포함하는데, 여기서 상기 송신 코일(30)은 스파이럴 형상으로 제작되는 것이 바람직하다.
상기 전원 공급소스(10)로부터 공급되는220V 또는 110V의 상용교류전원을 캐패시터로 이루어진 상기 송신 임피던스 매칭부(20)를 거쳐서 원하는 전기에너지로 변환시키고, 상기 송신 코일(30)을 통해 저주파 시변 자기장을 발생한다.
전자파 수신기(200)는, 전자파 발생기(100)로부터 발생된 전자파를 수신하는 수신 안테나와 수신 임피던스 매칭부(50), 정류회로(60) 및 부하(70)로 구성되어 있다.
상기 수신 안테나는 코일 저항(45)과 수신 코일(40)을 포함하는데, 여기서 상기 수신 코일(40)은 스파이럴 형상으로 제작되는 것이 바람직하다.
상기 전자파 수신기(200)는 상기 전자파 발생기(100)로부터 발생한 저주파 시변 자기장을 수신 코일(40)을 이용하여 수신하고, 수신 코일(40)과 직렬 및 병렬로 연결된 캐패시터, 즉 캐패시터 만으로 이루어진 수신 임피던스 매칭부(50) 및 정류회로(60)를 거쳐 수신 전력을 최대화 하여 부하(70)에 공급한다.
즉, 상기 부하(70)에는 상기 전자파발생기(100)로부터의 전력이 무선으로 공급되는 것이다.
도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명에 따른 스파이럴 안테나의 코일(350)이 형성되어 있는 기판(300)의 단면도이다.
인쇄회로기판 등의 유전체 기판(300)에 도전 물질을 도포한 후, 상기 도전 물질을 사진 식각법 등과 같은 방법으로 에칭하여 스파이럴 형상의 제1 또는 제2 도전라인들을 포함한 코일(350)을 형성한다.
또는 상기 기판(300)에 도전 물질을 직접 인쇄하여 상기 제1 또는 제2 도전라인들을 포함한 코일(350)을 형성할 수 도 있다.
상기 제1 또는 제2 도전라인들은 상기 기판(300) 상에 스파이럴 형상으로 설치되는 소정의 선폭과 길이를 갖는 동박과 같은 도체이다.
도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스파이럴 안테나의 코일을 나타내는 평면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 도전라인들(400)과 제2 도전라인들(500)이 포함된 코일(350)이 스파이럴 형상으로 배치되어있으며, 상기 제1 도전라인들(400) 및 제2 도전라인들(500)은 소정의 선폭과 길이를 갖도록 형성되어 있다.
상기 제1 및 제2 도전라인들(400, 500)의 선폭 및 길이는 안테나가 적용되는 목적에 따라 다양하게 조절될 수 있다.
제1 도전라인들(400)은 적어도 두 개의 도전라인으로 구성되고, 제2 도전라인들(500)도 적어도 두 개의 도전라인으로 구성되는데, 상기 제1 도전라인들(400)과 상기 제2 도전라인들(500)의 도전라인 수는 같을 수도 있고 다를 수도 있다.
즉, 제1 및 제2 도전라인들(400, 500)은 각각 도전라인의 수에 제약이 없으며, 각각 적어도 두 개의 도전라인들을 형성하되 안테나가 적용되는 목적에 따라서 필요한 수의 도전라인들을 형성할 수 있다.
또한 상기 기판(300) 상에 스파이럴 형상으로 배치되는 제2 도전라인들(500) 은 제1 도전라인들(400)보다 크기가 작도록 형성된다.
즉 제1 도전라인들(400)과 제2 도전라인들(500)은, 제1 도전라인들(400)과 제2 도전라인들(500) 사이에 소정의 간격을 두고 형성되는데, 이러한 간격은 본 발명에 따른 스파이럴 안테나가 적용될 제품이나 목적 등에 따라 달라질 수 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2 도전라인들(400, 500)은 각 라인들간에 소정의 간격을 두고 형성되는데, 종래의 스파이럴 안테나는 상기 제1 및 제2 도전라인들(400, 500)간의 간격을 동일하게 형성하여야 하는 어려움이 있었지만, 본 발명에서는 동 간격으로 형성할 필요가 없어 제조가 용이하고 빠른 장점이 있다.
다시 말하자면, 본 발명에서는 상기 제1 및 제2 도전라인들(400, 500)간의 간격이 같아도 되고 달라도 되는, 즉 상기 제1 및 제2 도전라인들(400, 500)간의 간격에는 구애를 받지 않는다.
상기 제1 도전라인들(400) 및 상기 제2 도전라인들(500)의 각각의 도전라인들은 직렬로 연결되는 것이 바람직하고, 상기 제1 도전라인들(400)과 상기 제2 도전라인들(500) 사이도 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1 도전라인들(400) 및 상기 제2 도전라인들(500)은, 급전 라인(700)을 통해 전달된 전기 신호가 중앙부의 제2 도전라인들(500)을 따라 외측의 제1 도전라인들(400)의 말단측으로 흐르도록 스파이럴 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 것과는 반대 방향으로, 상기 제1 도전라인들(400) 및 상기 제2 도전라인들(500)은, 최외곽의 제1 도전라인에 연결된 도선라인을 급전 라 인(700)으로 하여 급전 라인(700)을 통해 전달된 전기신호가 외측의 제1 도전라인들(400)을 따라 중앙의 제2 도전라인들(500)로 흐르도록 스파이럴 형상으로 형성될 수도 있다.
본 실시예에서는 상기 코일(350)의 형상이 사각형의 스파이럴 형상이지만, 상기 코일(350)은 삼각형, 사각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형 또는 원형 등으로 형성될 수 있다.
즉, 본 발명에서의 상기 코일(350)은 각각 소정의 간격을 두고 형성된 상기 제1 도전라인들(400) 및 제2 도전라인들(500)이 스파이럴 형태로 형성되는 이상 그 형상에는 제약이 없다.
또한, 본 실시예에 따른 코일(350)은 상기 기판(300) 상에 여러 개가 배치될 수 도 있는데, 배치의 용이성 및 균일성을 위해 기판(300) 상에 코일(350)이 여러 개가 배치될 경우는 형상을 통일시켜 동일한 형상의 코일(350)이 반복되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 여러 개의 코일(350)이 모두 삼각형이거나 사각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형 또는 원형 중의 하나의 형태로 통일되도록 배열형태로 형성한다.
이렇게 여러 개의 코일(350)을 배열형태로 배치하면 넓은 면적에 걸쳐 전력공급이 가능하게 된다.
또한, 본 실시예에서의 코일(350)은 도 3에 도시된 송신 코일(30) 또는 수신 코일(40)에 사용될 수 있으며, 송신 코일(30) 또는 수신 코일(40) 둘 중의 어느 하나 또는 둘 다에 사용될 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 제 2실시예에 대하여 설명한다. 제 2실시예에서는 제 1실시예와 구별되는 특징적인 부분만 발췌하여 설명하도록 하며, 설명의 편의를 위하여 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 부여하여 설명하도록 한다.
도 6에서, 도 5에 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.
도 6을 참조하면, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스파이럴 안테나의 코일을 나타내는 평면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 도전라인들(400)과 제2 도전라인들(500) 및 제3 도전라인들(600)이 포함된 코일(350)이 스파이럴 형상으로 배치되어있으며, 상기 제1 도전라인들(400), 제2 도전라인들(500) 및 제3 도전라인들(600)은 소정의 선폭과 길이를 갖도록 형성되어 있다.
제1 및 제2 도전라인들(400, 500)은 적어도 두 개의 도전라인으로 구성되고, 제3도전라인들(600)도 적어도 두 개의 도전라인으로 구성되는데, 상기 제1 도전라인들(400), 상기 제2 도전라인들(500) 및 제3 도전라인들(600)의 각각의 도전라인 수는 같을 수도 있고 다를 수도 있다.
즉 제1 도전라인들(400), 제2 도전라인들(500) 및 제3 도전라인들(600)은 각각 도전라인의 수에 제약이 없으며, 각각 적어도 두 개의 도전라인들을 형성하되 안테나가 적용되는 목적에 따라서 필요한 수의 도전라인들을 형성할 수 있다.
또한 상기 기판(300) 상에 스파이럴 형상으로 배치되는 제2 도전라인들(500)은 제1 도전라인들(400)보다 크기가 작도록 형성되고, 제3 도전라인들(600)은 상기 제2 도전라인들(500)보다 크기가 작도록 형성된다.
즉 제1 도전라인들(400)과 제2 도전라인들(500) 및 제2 도전라인들(500)과 제3 도전라인들(600)은 각각 그 사이에 소정의 간격을 두고 형성되는데, 이러한 간격은 본 발명에 따른 스파이럴 안테나가 적용될 제품이나 목적 등에 따라 조절될 수 있다.
그리고, 상기 제1 도전라인들(400), 제2 도전라인들(500) 및 제3 도전라인들(600)은 각 도전라인들간에 소정의 간격을 두고 형성되는데, 종래의 스파이럴 안테나는 상기 제1, 제2 및 제3 도전라인들(400, 500, 600)간의 간격을 동일하게 형성하여야 하는 어려움이 있었지만, 본 발명에서는 동 간격으로 형성할 필요가 없어 제조가 용이하고 빠른 장점이 있다.
다시 말하자면, 본 발명에서는 상기 제1, 제2 및 제3도전라인들(400, 500, 600)간의 간격이 같아도 되고 달라도 되는, 즉 상기 제1, 제2 및 제3 도전라인들(400, 500, 600)간의 간격에는 구애를 받지 않는다.
상기 제1 도전라인들(400), 상기 제2 도전라인들(500) 및 제3 도전라인들(600)의 각각의 도전라인들은 직렬로 연결되는 것이 바람직하고, 상기 제1 도전라인들(400)과 상기 제2 도전라인들(500) 사이 및 상기 제2 도전라인들(500)과 상기 제3 도전라인들(600) 사이도 각각 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 도전라인들(400), 상기 제2 도전라인 들(500) 및 상기 제3 도전라인들(600)은, 급전 라인(700)을 통해 전달된 전기 신호가 중앙부의 제3 도전라인들(600)을 따라 외측의 제1 도전라인들(400)의 말단측으로 흐르도록 스파이럴 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 것과는 반대 방향으로, 상기 제1 도전라인들(400), 상기 제2 도전라인들(500) 및 제3 도전라인들(600)은, 최외곽의 제1 도전라인에 연결된 도선라인을 급전 라인(700)으로 하여 급전 라인(700)을 통해 전달된 전기신호가 외측의 제1 도전라인들(400)을 따라 중앙의 제3 도전라인들(600)로 흐르도록 스파이럴 형상으로 형성될 수도 있다.
본 실시예에서는 상기 코일(350)의 형상이 사각형의 스파이럴 형상이지만, 상기 코일(350)은 삼각형, 사각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형 또는 원형 등으로 형성될 수 있다.
즉, 본 발명에서의 상기 코일(350)은 각각 소정의 간격을 두고 형성된 상기 제1 도전라인들(400), 제2 도전라인들(500) 및 제3 도전라인들(600)이 스파이럴 형태로 형성되는 이상 그 형상에는 제약이 없다.
또한, 본 실시예에 따른 코일(350)은 상기 기판(300) 상에 여러 개가 배치될 수 도 있는데, 배치의 용이성 및 균일성을 위해 기판(300) 상에 코일(350)이 여러 개가 배치될 경우는 형상을 통일시켜 동일한 형상의 코일(350)이 반복되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 여러 개의 코일(350)이 모두 삼각형이거나 사각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형 또는 원형 중의 하나의 형태로 통일되도록 배열형태로 형성한다.
이렇게 여러 개의 코일(350)을 배열형태로 배치하면 넓은 면적에 걸쳐 전력공급이 가능하게 된다.
또한, 본 실시예에서의 코일(350)은 도 3에 도시된 송신 코일(30) 또는 수신 코일(40)에 사용될 수 있으며, 송신 코일(30) 또는 수신 코일(40) 둘 중의 하나 또는 둘 다에 사용될 수다.
그리고 송신 코일(30)에는 도 5에 도시된 제 1 실시예에 따른 코일(350)이 사용되고, 수신 코일(40)에는 본 실시예에 따른 코일(350)이 사용되거나, 그 역의 경우도 가능하다.
이하, 도 7내지 도 8을 참조하여 본 발명의 제 3실시예에 대하여 설명한다. 제 3실시예에서는 제 1및 제2 실시예와 구별되는 특징적인 부분만 발췌하여 설명하도록 하며, 설명의 편의를 위하여 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 부여하여 설명하도록 한다.
도 7내지 도 8에서, 도 5및 도 6에 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따라 스파이럴 안테나의 코일이 기판의 양면에 형성되어 있음을 나타내는 평면도이고, 도 8은 도 7에 도시된 스파이럴 안테나의 코일이 형성된 기판의 단면도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 도 5에 도시된 제1 실시예에 따른 스파이럴 안테나의 코일(350)이 기판(300)의 양면에 형성되어 있다.
본 실시예에서는 상기 기판(300)의 양면에 제1 실시예에 따른 코일(350)이 형성된 경우를 도시하였지만, 제2 실시예에 따른 코일(350)이 상기 기판(300)의 양면에 형성될 수도 있다.
또한, 상기 기판의 상면(310)에는 제1 실시예에 따른 코일(350)이 형성되고, 상기 기판의 하면(320)에는 제2 실시예에 따른 코일(350)이 형성되거나, 그 역의 경우도 가능하다.
그리고 상기 기판의 상면(310)에 형성된 스파이럴 형상의 코일(350)은 상기 기판의 하면(320)에 형성된 스파이럴 형상의 코일(350)과 직렬로 연결된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 기판의 상면(310)에 형성된 상기 제1 도전라인들(400) 및 상기 제2 도전라인들(500)은, 최외곽의 제1 도전라인에 연결된 도선라인을 급전 라인(700)으로 하여 급전 라인(700)을 통해 전달된 전기신호가 외측의 제1 도전라인들(400)을 따라 중앙의 제2 도전라인들(500)로 흐르며, 상기 기판의 하면(320)에 형성된 제2 도전라인들(500)로 직렬 연결되어 상기 기판의 하면(320)의 제 1 도전라인들(400)의 말단측으로 흐르도록 스파이럴 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 것과는 반대로, 상기 기판의 하면(320)에 형성된 상기 제1 도전라인들(400) 및 상기 제2 도전라인들(500)은, 최외곽의 제1 도전라인에 연결된 도선라인을 급전 라인(700)으로 하여 급전 라인(700)을 통해 전달된 전기신호가 외측의 제1 도전라인들(400)을 따라 중앙의 제2 도전라인들(500)로 흐르며, 상기 기판의 상면(310)에 형성된 제2 도전라인들(500)로 직렬 연결되어 상기 기판의 상면(310)의 제 1 도전라인들(400)의 말단측으로 흐르도록 스파이럴 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 코일(350)은 상기 기판의 상면(310) 또는 하면(320) 상에 여러 개가 배치될 수 도 있는데, 배치의 용이성 및 균일성을 위해 상기 기판의 상면(310) 또는 하면(320) 상에 코일(350)이 여러 개가 배치될 경우는 형상을 통일시켜 동일한 형상의 코일(350)이 반복되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 여러 개의 코일(350)이 모두 삼각형이거나 사각형, 육각형, 팔각형 또는 원형 중의 하나의 형태로 통일되도록 배열형태로 형성한다.
이렇게 여러 개의 코일(350)을 배열형태로 배치하면 넓은 면적에 걸쳐 전력공급이 가능하게 된다.
도 9내지 도 10을 참조하면, 도 9는 육각형 스파이럴 코일(350)이 기판(300)의 양면에 배치된 실시예에 따른 평면도이고, 도 10은 도 9에 도시된 코일(350)이 형성된 기판(300)의 단면도 이다.
본 실시예에서 제1 도전라인들(400) 및 제2 도전라인들(500)을 가지는 육각형 스파이럴 코일(350)이 상기 기판의 상면(310)에 배치되는데, 상기 기판의 상면(310)에 배치되는 4개의 육각형 스파이럴 코일(350)에 대하여 상기 기판의 하면(320)에 하나의 육각형 스파이럴 코일(350)이 형성되며, 상기 기판의 하면(320)에 형성되는 코일(350)은 상기 기판의 상면(310)에 형성되는 4개의 코일(350)의 가운데에 배치된다.
상기 기판의 하면(320)에 형성되는 코일(350)이 상기 기판의 상면(310)에 형성되는 4개의 코일(350)의 가운데에 배치되는 이유는, 상기 4개의 육각형 스파이럴 코일(350)이 만나는 중심부분에 도전라인이 없는 부분을 보상해 주기 위함이다.
도 9에는 상기 기판의 상면(310)에 4개의 육각형 스파이럴 코일(350)과 상기 기판의 하면(320)에 하나의 육각형 스파이럴 코일(350)만을 도시하였으나, 상기와 같은 기판(300)의 상, 하면(310, 320) 대응 구조로 더 많은 육각형 스파이럴 코일(350)이 배열형태로 배치될 수도 있다.
본 실시예에서는 상기 코일(350)이 상기 기판의 상면(310) 및 하면(320)에 형성, 즉 이층 구조로 형성되는 것에 관하여 언급하였지만, 상기 코일(350)은 유전체를 사이에 두고 이층 이상의 여러 층으로도 형성 가능하다.
이때, 하나의 층에 상기 다양한 형상의 코일(350)이 하나 또는 그 이상 배열형으로 배치될 수도 있으며, 여러 개의 코일(350)이 배열형으로 배치될 경우 동일한 형태의 코일(350)이 반복되어 형성되는 것이 바람직하다.
도 11은 본 발명의 제1실시예(proposed 2-tabs(single sided)로 표시) 및 제 3 실시예(porposed 2-tabs(double sided)로 표시)에 따른 스파이럴 안테나와 동일한 크기로 제작된 종래의 등 간격 스파이럴 안테나(conventional spiral로 표시)의 코일(350) 중심에서 가장자리로의 거리에 따른 전력이득을 나타낸 그래프이다.
상기 그래프를 살펴보면, 본 발명에 따른 스파이럴 안테나(제1 실시예 및 제3 실시예)의 경우가 더 큰 자기장을 형성하고 있음을 알 수 있으며, 특히 스파이럴 안테나의 가장자리로 갈수록 종래의 등 간격 스파이럴 안테나의 이득 감소가 현저함을 관찰할 수 있다.
즉 본 발명에 따른 스파이럴 안테나의 경우 안테나의 중심에서 가장자리로 갈수록 이득의 변화가 크지 않으므로 스파이럴 안테나의 코일(350)의 전체 면적에 걸쳐 균일한 자기장이 형성된다는 것을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 제1실시예(proposed 2-tabs(single sided)로 표시) 및 제 3 실시예(porposed 2-tabs(double sided)로 표시)에 따른 스파이럴 안테나와 동일한 크기로 제작된 종래의 등 간격 스파이럴 안테나(conventional spiral로 표시)를 전자파수신부에 형성하여 안테나의 거리에 따른 수신 전력을 나타낸 그래프이다.
상기 그래프를 살펴보면, 본 발명에 따른 안테나(제1 실시예 및 제3 실시예)의 경우가 전체적으로 더 큰 수신전력(대략 3dB 이상 수신 전력이 높음)을 나타내고 있으며, 특히 안테나의 거리가 멀어질수록 본 발명에 따른 안테나와 종래의 안테나의 수신전력의 차이가 커짐을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 제1실시예(proposed 2-tabs(single sided pattern)로 표시) 및 상기 제1 실시예에 따른 코일(350)이 배열형태로 여러 개 배치된 스파이럴 안테나와 제 3 실시예(porposed 2-tabs(double sided)로 표시)에 따른 스파이럴 안테나와 동일한 크기로 제작된 종래의 등 간격 스파이럴 안테나(conventional spiral로 표시)를 전자파수신부에 형성하여 안테나의 높이에 따른 수신 전력을 나 타낸 그래프이다.
전파 발생기의 송신 안테나도 동일한 안테나를 사용하였으며, 송신 안테나의 중심에서 높이를 조절해 가며, 수신되는 전력을 비교한 것이다.
상기 그래프를 살펴보면, 본 발명에 따른 안테나(제1 실시예 및 제3 실시예)의 경우가 종래의 안테나에 비하여 수신전력이 현저히 크다는 것을 알 수 있으며, 특히 안테나의 높이가 높아질수록 본 발명에 따른 안테나와 종래의 안테나의 수신전력의 차이가 커짐을 알 수 있다.
특히, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 안테나의 경우 종래의 안테나에 비하여 수신전력이 최대 5dB이상 우수함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치는, 특히 수백 kHz 이하의 저주파수 대역에서의 자기 유도를 이용한 무선전력전송에 사용 가능하다.
본 발명에 따른 무선전력전송 장치는 저주파 수동형 RFID 안테나, 무선 휴대폰 충전, 무접점 LED 조명장치, 무접점 LCD 백라이트, CCFL램프 등 다양한 제품 및 다양한 분야에 적용 가능할 것이다.
예를 들어, 무선 전력공급판 위에서 노트북, 모니터, 휴대폰, MP3등이 저절로 충전이 된다거나 노트북에 무선 인터넷과 더불어 무선 전력공급을 통해 전원 연결 케이블 없이 어디서나 사용 가능하게 할 수 있는 등 적용 분야의 다양한 확장이 가능할 것이다.
또한, 본 발명에 따른 스파이럴 안테나는 무선 전력전송 이외에 RFID 등에 적용되어 무선 데이터의 전송도 가능할 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 구조의 안테나들을 나타낸 단면도이고,
도 2는 도 1에 나타낸 종래의 안테나들에 대해 안테나 중심에서 가장자리로의 거리에 따른 전력이득을 나타낸 그래프이며,
도 3은 전자기 유도를 이용한 무선 전력전송 시스템의 등가회로이며,
도 4는 본 발명에 따른 스파이럴 안테나의 코일(350)이 형성되어 있는 기판(300)의 단면도이며,
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스파이럴 안테나의 코일을 나타내는 평면도이며,
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스파이럴 안테나의 코일을 나타내는 평면도이며,
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따라 스파이럴 안테나의 코일이 기판의 양면에 형성되어 있음을 나타내는 평면도이며,
도 8은 도 7에 도시된 스파이럴 안테나의 코일이 형성된 기판의 단면도이며,
도 9는 육각형 스파이럴 코일이 기판의 양면에 배치된 실시예에 따른 평면도이고,
도 10은 도 9에 도시된 육각형 스파이럴 코일이 형성된 기판의 단면도이며,
도 11은 본 발명의 제1실시예(proposed 2-tabs(single sided)로 표시) 및 제 3 실시예(porposed 2-tabs(double sided)로 표시)에 따른 스파이럴 안테나와 동일한 크기로 제작된 종래의 등 간격 스파이럴 안테나(conventional spiral로 표시)의 코일 중심에서 가장자리로의 거리에 따른 전력이득을 나타낸 그래프이고,
도 12는 본 발명의 제1실시예(proposed 2-tabs(single sided)로 표시) 및 제 3 실시예(porposed 2-tabs(double sided)로 표시)에 따른 스파이럴 안테나와 동일한 크기로 제작된 종래의 등 간격 스파이럴 안테나(conventional spiral로 표시)를 전자파수신부에 형성하여 안테나의 거리에 따른 수신 전력을 나타낸 그래프이며,
도 13은 본 발명의 제1실시예(proposed 2-tabs(single sided pattern)로 표시) 및 상기 제1 실시예에 따른 코일(350)이 배열형태로 여러 개 배치된 스파이럴 안테나와 제 3 실시예(porposed 2-tabs(double sided)로 표시)에 따른 스파이럴 안테나와 동일한 크기로 제작된 종래의 등 간격 스파이럴 안테나(conventional spiral로 표시)를 전자파수신부에 형성하여 안테나의 높이에 따른 수신 전력을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 전원 공급소스, 20: 송신 임피던스 매칭부
30: 송신코일, 40: 수신코일
50: 수신 임피던스 매칭부, 70: 부하
100: 전자파발생기, 200: 전자파수신기
300: 기판, 350: 코일
400: 제1 도전라인들, 500: 제2 도전라인들
600: 제3 도전라인들, 700: 급전라인

Claims (16)

  1. 기판; 및
    상기 기판 상에 스파이럴 형상으로 배치되는 적어도 두 개의 제1 도전라인들;과 상기 제1 도전라인들의 내부에 상기 제1 도전라인들보다 크기가 작은 스파이럴 형상으로 배치되는 적어도 두 개의 제2 도전라인들;을 포함하는 코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전라인들 또는 제2 도전라인들은 각각 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코일은 다각형 또는 원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코일은 상기 기판 상의 한 면에 적어도 두 개 배치되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 코일은, 상기 기판 상에 동일한 형태의 코일이 반복되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코일은 상기 기판의 양면에 형성되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 양면에 형성된 상기 코일은, 제1면에 형성된 상기 코일과 제2면에 형성된 상기 코일이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 코일은 상기 기판 상의 한 면에 적어도 두 개 배치되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 스파이럴 형상의 코일은 육각형으로 형성되고, 상기 기판 상의 제1 면에 형성되는 네 개의 스파이럴 형상의 코일에 대하여 상기 기판상의 제2 면에 하나의 스파이럴 형상의 코일이 형성되며, 상기 제2면에 형성되는 코일은 상기 제1면에 형성되는 네 개의 코일의 가운데에 배치되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 코일은 동일한 형태의 코일이 반복되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 코일은 적어도 두 개의 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 코일은 하나의 층에 적어도 두 개 배치되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 코일은 동일한 형태의 코일이 반복되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나.
  14. 전원 공급소스;와 상기 전원 공급소스로부터 공급된 전원을 통해 전자파 시변 자기장을 발생하기 위한 송신코일;을 포함하는 전자파발생기; 및
    상기 전자파발생기로부터 발생된 전자파를 수신하기 위한 수신코일;을 포함하는 전자파수신기로 구성되는 무선전력전송장치에 있어서,
    상기 송신코일 또는 수신코일은, 스파이럴 형상으로 배치되는 적어도 두 개의 제1 도전라인들;과 상기 제1 도전라인들의 내부에 상기 제1 도전라인들보다 크기가 작은 스파이럴 형상으로 배치되는 적어도 두 개의 제2 도전라인들을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전자파발생기는 캐패시터 만으로 이루어진 임피던스 매칭회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 전자파수신기는 캐패시터 만으로 이루어진 임피던스 매칭회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스파이럴 안테나를 이용한 무선전력전송장치.
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