KR20110060795A - 무선 전력 트랜시버 및 무선 전력 시스템 - Google Patents

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Abstract

무선 전력 전송 시스템에서 전원 공진기와 대상 공진기 사이에 위치하여 무선 전력 전송 효율을 높이는 무선 전력 트랜시버가 개시된다. 본 발명의 일측에 따른 무선 전력 트랜시버는, 전원 공진기로부터 인바운드(inbound) 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하는 전력 수신부, 대상 공진기로 아웃바운드(outbound) 전력을 전송하는 전송 공진기를 포함하는 전력 전송부 및 상기 대상 공진기와 상기 전송 공진기의 결합 주파수를 제어하는 커플링(coupling) 제어부를 포함한다.

Description

무선 전력 트랜시버 및 무선 전력 시스템{Wireless Power Transceiver and Wireless Power System}
무선 전력 트랜시버 트랜시버 및 무선 전력 시스템이 개시된다. 보다 구체적으로 무선 전력 전송 시스템에서 전원 공진기와 대상 공진기 사이에 위치하여 무선 전력 전송 효율을 높이는 무선 전력 트랜시버 및 무선 전력 시스템이 개시된다.
IT 기술 발전과 함께 다양한 휴대용 전자제품이 출시되었고, 이들의 보급도 늘고 있다. 휴대용 전자제품의 특성 상, 해당 휴대용 전자제품의 배터리 성능이 중요한 문제로 대두되고 있다. 휴대용 전자제품뿐 아니라 생활가전제품에서 데이터를 무선으로 전송하는 기능이 제공되고 있으나, 전력(power)은 전력선(power line)을 통하여 제공 받는다.
최근 들어 무선으로 전력을 공급할 수 있는 무선 전력 전송 기술 (wireless power transmission)이 연구되고 있다. 무선 환경의 특성 상, 전원 공진기(source resonator) 및 대상 공진기(target resonator) 사이의 거리가 커질수록 전력 전송 효율은 열화된다.
본 명세서에서는 이러한 무선 전력 전송 시스템에서 활용될 수 있는 무선 전력 트랜시버(transceiver)를 제안한다.
일측에 따른 무선 전력 트랜시버는, 전원 공진기로부터 인바운드(inbound) 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하는 전력 수신부; 대상 공진기로 아웃바운드(outbound) 전력을 전송하는 전송 공진기를 포함하는 전력 전송부; 및 상기 대상 공진기와 상기 전송 공진기의 결합 주파수를 제어하는 커플링(coupling) 제어부를 포함한다.
일측에 따른 무선 전력 시스템은, 적어도 하나의 전원 공진기, 적어도 하나의 대상 공진기 및 상기 적어도 하나의 전원 공진기로부터 인바운드(inbound) 전력을 수신하고, 상기 적어도 하나의 대상 공진기로 아웃바운드(outbound) 전력을 전송하며, 상기 적어도 하나의 전송 공진기와 상기 적어도 하나의 대상 공진기의 결합 주파수를 제어하는 무선 전력 트랜시버를 포함한다.
전원 공진기와 대상 공진기 사이에 위치하여 무선 전력 전송 효율을 높일 수 있는 무선 전력 트랜시버가 제공된다.
전원 공진기와 대상 공진기 사이에서 무선 전송되는 전력을 분배할 수 있는 무선 전력 트랜시버가 제공된다.
전원 공진기의 무선 전력 전송 커버리지를 증대시키는 무선 전력 트랜시버가 제공된다.
도 1a 및 도 1b는 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버가 적용되는 무선 전력 시스템을 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버가 구비되는 위치에 따른 무선 전력 전송 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버가 구비되는 개수에 따른 무선 전력 전송 효율 및 전송 거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버의 크기에 따른 무선 전력의 전송 거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 공진기 커플링 등가회로의 일 예를 도시한 도면이다.
도 6은 무선 전력 트랜시버의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 9는 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 11은 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 12는 분산된 커패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 13은 2 차원 구조의 공진기 및 3 차원 구조의 공진기에서 사용되는 매칭기들의 예들을 나타낸 도면이다.
도 14는 도 7에 도시된 커패시터가 삽입된 전송 선로의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
이하에서, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
<무선 전력 트랜시버의 개념>
도 1a 및 도 1b는 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버가 적용되는 무선 전력 시스템을 도시한 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)는 전원 공진기(110) 및 대상 공진기(120) 사이에 위치할 수 있다. 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)는 전원 공진기(110)로부터 무선 전송된 전력을 수신하고, 상기 전력을 대상 공진기(120)로 전송할 수 있다. 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)는 전원 공진기(110)에서 대상 공진기(120)로 전송되는 전력의 전송 효율을 높일 수 있도록 전원 공진기(110)와 대상 공진기(120) 사이에서 최적화된 위치에 설치될 수 있다.
도 1a에 도시된 제1 무선 전력 트랜시버(100)는 연결된 부하(130)를 조정하여, 전원 공진기(110)로부터 전송된 무선 전력의 전송 효율 또는 전송 거리를 제어할 수 있다. 부하(130)는 유무선 커넥터(미도시)를 통해 제1 무선 전력 트랜시버(100)에 연결될 수 있다. 또한, 도 1b에 도시된 제2 무선 전력 트랜시버(150)는 부하(130)를 이용하지 않고, 전원 공진기(110)로부터 전송된 무선 전력의 전송 효율 또는 전송 거리를 제어할 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)는 아래의 다양한 방법으로 응용될 수 있다.
(1) 전원 공진기(110)과 대상 공진기(120) 사이에 위치
도 1a 및 도 1b에 도시된 것과 같이, 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)는 전원 공진기(110)와 대상 공진기(120) 사이에 위치할 수 있고, 이 경우, 전원 공진기(110)와 대상 공진기(120) 간의 무선 전력 전송 효율이 제고될 뿐 아니라 전원 공진기(110)로부터 전송되는 무선 전력의 전송 거리가 늘어난다. 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)의 위치 및 크기는 적어도 한 개의 디바이스, 즉, 적어도 한 개의 대상 공진기(120)에게 무선 전력의 전송이 가능하도록 한다. 또한, 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)의 위치, 크기 및 개수는 무선전력의 전송량에 영향을 미친다.
통상 공진기 간의 결합 계수는 거리의 세제곱에 반비례하고, 무선 전력 전송 효율은 상기 결합 계수와 비례한다. 따라서, 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)가 위치함으로써 전원 공진기(110)에서 대상 공진기(120)로 무선 전송되는 전력의 전송 효율이 높아질 수 있다. 예를 들어, 제1 무선 전력 트랜시버(100)가 전원 공진기(110)와 대상 공진기(120) 사이에 삽입되면, 전원 공진기(110)와 제1 무선 전력 트랜시버(100)의 결합 계수와, 제1무선 전력 트랜시버(100)와 대상 공진기(120)의 결합 계수는 증가한다. 따라서, 제1 무선 전력 트랜시버(100)가 삽입되기 전보다 높은 전송 효율을 얻을 수 있다. 이 때, 제1 무선 전력 트랜시버(100)의 공진기(미도시)의 공진 주파수는 전원 공진기(110)와 대상 공진기(120)의 공진 주파수와 동일할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)가 구비되는 위치에 따른 무선 전력 전송 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)가 구비되는 위치에 따라 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)와 전원 공진기(110) 간의 거리(d1)와, 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)와 대상 공진기(120) 간의 거리(d2)는 변경된다.
도 2a의 경우, 제1 무선 전력 트랜시버(100)가 구비되는 위치는 대상 공진기(120) 또는 공진기(120)의 부하(120a), 및 부하(130)로 전송되는 무선 전력의 전송량에 영향을 미친다. 도 2b의 경우, 제2 무선 전력 트랜시버(150)가 구비되는 위치는 대상 공진기(120)로 전송되는 무선 전력의 전송량에 영향을 미친다. 따라서, 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)가 구비되는 위치를 조정하여, 결합 계수 및 무선 전력의 전송량을 조정하고, 무선 전력을 분배하여 전송할 수 있다. 예를 들어, 제1 무선 전력 트랜시버(100)와 대상 공진기(120) 간의 거리(d2)가 근접할수록 대상 공진기(120)로 전송되는 무선 전력의 전송량은 향상되며, 부하(130)로 전송되는 전송량은 낮아지도록, 제1 무선 전력 트랜시버(100)는 무선 전력을 분배할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)가 구비되는 개수에 따른 무선 전력 전송 효율 및 전송 거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1a 및 도 1b에는 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)가 하나인 경우가 도시되어 있으나, 구현에 따라 2개 이상의 무선 전력 트랜시버가 전원 공진기(110) 및 대상 공진기(120) 사이에 위치할 수 있다. 전원 공진기(110) 및 대상 공진기(120) 사이에 위치하는 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)의 개수는 무선 전력의 전송 효율에 영향을 미친다. 또한, 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)는 부하(130)의 값을 조정하여 효과적으로 전력이 분배되도록 할 수 있다.
도 3a 및 도 3b에는 각각 두 개의 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 101, 150, 151)가 전원 공진기(110) 및 대상 공진기(120) 사이에 위치한다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 두 개의 제1 무선 전력 트랜시버(100, 101)는 각각의 제1 및 제2 부하(130)에 대한 매칭 컨디션(Matching Condition)을 조절하여, 효율적으로 전력 분배를 할 수 있다. 예를 들어, 전원 공진기(110)로부터 제1 무선 전력 트랜시버(100)로 전송된 무선 전력의 전송 효율을 A%, 제1 무선 전력 트랜시버(100)로부터 다른 제1 무선 전력 트랜시버(101)로 전송된 무선 전력의 전송 효율을 B%, 제1 무선 전력 트랜시버(101)로부터 대상 공진기(120)로 전송된 무선 전력의 전송 효율을 C%라고 한 경우, A%≒B%+C%이다. 이는, 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)의 포트 임피던스(Port Impedance)가 변경되어도 거의 동일하다. 즉, 입력된 무선 전력과 소비되는 무선 전력의 관점에서, 무선 전력의 전체 전송 효율은 동일하게 A%이다.
도 3b를 참조하면, 두 개의 제2 무선 전력 트랜시버(150, 151)는 무부하 상태이다. 이러한 경우, 제2 무선 전력 트랜시버(150, 151)는 각각의 공진기에 대한 매칭 컨디션을 조절하여, 효율적으로 전력 분배를 할 수 있다. 제2 무선 전력 트랜시버(150, 151)는 각각 적어도 한 개의 공진기를 구비한다. 따라서, 제2 무선 전력 트랜시버(150, 151)가 무부하 상태인 경우에도, 개수에 따라 전송 효율 및 전력 분배는 조정될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)의 크기에 따른 무선 전력의 전송 거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)의 물리적인 크기, 즉, 면적을 증가시키는 경우, 전송 효율 및 전송 거리가 향상될 수 있다. 예를 들어, 제1 무선 전력 트랜시버(100)에 구비된 공진기의 크기가 전원 공진기(110)보다 작은 경우에도, 결합 계수는 증가하므로, 전체적인 전송 효율은 증가한다. 또한, 제1 무선 전력 트랜시버(100)에 구비된 공진기의 크기가 전원 공진기(110)보다 클수록, 무선 전력의 전송 거리 및 전송 효율은 증가한다.
따라서, 복수 개의 디바이스에 무선 전력을 전송하면서 전송 효율을 향상시키기 위해서는 제1 및 제2 무선 전력 트랜시버(100, 150)의 개수를 증가시키는 것이 효율적이다. 또한, 무선 전력의 긴 전송 거리를 유지하면서 높은 효율로 전송하기 위해서는 제1 무선 전력 트랜시버(100)의 크기를 증가시키는 것이 효율적이다.
(2) 제1 무선 전력 트랜시버(100)의 부하 조절을 통한 전력 분배
도 1a에 도시된 부하(130)에 대한 매칭 조건을 조절하는 방법으로, 제1 무선 전력 트랜시버(100)를 통해 효율적인 전력 분배를 할 수 있다. 즉, 전원 공진기(110), 제1 무선 전력 트랜시버(100), 및 대상 공진기(120) 간의 매칭 조건을 조절하여 대상 공진기(120)가 다수 개 존재하는 환경에서 각 대상 공진기(120)와 연결된 부하(도시되지 아니함)에서 요구되는 소비 전력을 효율적으로 전달하는 것이 가능하다. 매칭 조건의 조절은 전원 공진기(110), 제1 무선 전력 트랜시버(100), 및 대상 공진기(120) 각각의 포트 임피던스 값을 조절하는 방식으로 수행될 수 있다.
임피던스의 매칭은 전원 공진기(110)와 대상 공진기(120) 간의 상호 유도계수(Mutual Inductance)에 의해 결정되며, 상호 유도계수의 값은 전원 공진기(110)와 대상 공진기(120) 사이의 거리와 두 공진기의 크기에 따라 결정된다. 적어도 하나의 공진기(미도시)를 구비하는 무선 전력 트랜시버(예를 들어, 식별번호 100 또는 150)가 전원 공진기(110)와 대상 공진기(120) 사이에 설치되는 경우, 적어도 하나의 공진기(미도시)의 추가 삽입으로 인해, 상호 유도계수의 값은 변경된다.
이로 인해, 임피던스는 변하게 되며, 제안되는 실시예는, 변하는 임피던스의 매칭을 통해 전송 효율을 증대시키고, 효율적으로 전력 분배를 구현할 수 있다. 예를 들어, 제안되는 실시예는 적어도 하나의 공진기(미도시)의 위치, 거리, 개수, 방향 및 크기 중 적어도 하나를 조정하여 상호 유도계수 및 임피던스를 조정하고, 결과적으로 전송 효율과 전력 분배를 결정할 수 있다.
도 5는 공진기 커플링(Resonance Coupling) 등가회로이며, [수학식 1]은 등가회로에서 공진기(미도시)의 삽입에 따라 변하는 임피던스를 산출하기 위한 식이다.
Figure pat00001
도 5 및 [수학식 1]을 참조하면, Zin은 임피던스, R1 및 R2는 저항, M1 및 M2는 상호 유도계수이다. 상호 유도계수는 무선 전력 트랜시버의 공진기의 개수, 위치, 크기 등의 영향을 받는다. 따라서, 제안되는 실시예는, 이러한 인자들에 따라 변하는 임피던스의 매칭을 통해 전송 효율과 전력 분배를 결정할 수 있다.
<무선 전력 트랜시버의 구성>
도 6은 제안되는 일 실시 예에 따른 무선 전력 트랜시버(600)의 구성을 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 무선 전력 트랜시버(600)는 부하(130)가 연결된 제1무선 전력 트랜시버(100)일 수 있다. 도 6을 참조하면, 무선 전력 트랜시버(600)는 전력 수신부(610), 커플링 제어부(630), 및 전력 전송부(620)를 포함하며, 부하 1이 연결되어 있다. 부하 1이 연결되어 있지 않은 경우, 무선 전력 트랜시버(600)는 제2 무선 전력 트랜시버(150)일 수 있다.
전력 수신부(610)는 전원 공진기(110)와 매칭되어 전원 공진기(110)로부터 인바운드(inbound) 전력을 수신하는 수신 공진기(611)를 포함한다.
전력 전송부(620)는 전력 수신부(610)에서 수신된 인바운드 전력을 이용하여 대상 공진기(120)로 아웃바운드(outbound) 전력을 전송하는 전송 공진기(621)를 포함한다. 전력 전송부(620)는 대상 공진기(120)로 전송되는 상기 아웃바운드 전력의 크기를 제어하는 전력 분배 회로(622) 및 상기 아웃바운드 전력의 방향성(directivity)을 제어하는 방향성 제어부(623)를 더 포함할 수 있다.
상술한 전력 수신부(610)에 포함되는 수신 공진기(611) 및 전력 전송부(620)에 포함되는 전송 공진기(621)은 기능적으로 구분한 것일 뿐, 구현에 따라 물리적으로 하나의 공진기로 구현되는 것도 가능하다. 또한, 도 6에는 수신 공진기(611) 및 전송 공진기(621)가 기능적으로 각각 하나인 것으로 예시되어 있으나, 구현에 따라 다수의 전원 공진기(110)로부터 전력을 수신하고, 다수의 대상 공진기(120)로 전력을 전송하는 둘 이상의 공진기가 포함될 수도 있다. 도 6은 기능적인 예시일 뿐, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 응용하여 다양한 변형예로 구현할 수 있음은 자명하다고 할 것이다.
커플링 제어부(630)는 대상 공진기(120)와 전송 공진기(621)의 결합 주파수를 제어한다. 커플링 제어부(630)는 상기 결합 주파수를 제어하는 위상 고정 루프 회로(phase locked loop circuit, PLL circuit)(도시되지 아니함)를 포함할 수 있고, 위상 고정 루프 회로를 이용하여 전송 공진기(621)를 통해 대상 공진기(120)로 전송되는 무선 전력의 전송 주파수를 제어할 수 있다.
커플링 제어부(630)에서 결합 주파수를 제어하는 방법으로,
(1) 반사파의 진폭을 이용
전원 공진기(110)에서 수신 공진기(611)로 전송 신호를 전송하는 경우, 전송 신호의 일부가 반사(reflection)되어 돌아올 수 있다. 무선 전력 트랜시버(600)의 커플링 제어부(630)는 상기 반사파의 진폭을 측정하고, 상기 반사파의 진폭이 최소인 주파수를 결합 주파수로 설정하도록 제어할 수 있다. 구현에 따라, 반사파의 진폭을 측정하는 외부 단말로부터 결합 주파수에 대한 정보를 수신하여 해당 결합 주파수를 전송 주파수로 설정할 수 있고, 다른 일실시예에 따르면 커플링 제어부(630)가 상기 반사파의 진폭을 측정하여 결합 주파수를 결정하도록 구현될 수도 있다.
(2) 반사파의 위상을 이용
커플링 제어부(630)는 상기 반사파의 위상(phase)이 상기 전송 신호의 위상과 같은(in-phase) 주파수를 결합 주파수로 설정하도록 제어할 수 있다. 구현에 따라, 반사파의 위상을 측정하는 외부 단말로부터 결합 주파수에 대한 정보를 수신하여 해당 결합 주파수를 전송 주파수로 설정할 수 있고, 다른 일실시예에 따르면 커플링 제어부(630)가 상기 반사파의 위상을 측정하여 결합 주파수를 결정하도록 구현될 수도 있다.
(3) 반사파의 전력을 이용
커플링 제어부(630)는 상기 반사파의 전력(power) 측정 결과를 이용하여 상기 반사파의 전력이 최소인 주파수를 결합 주파수로 설정하도록 제어할 수 있다. 상술한 것과 같이, 구현에 따라, 반사파의 전력을 측정하는 외부 단말로부터 결합 주파수에 대한 정보를 수신하여 해당 결합 주파수를 전송 주파수로 설정할 수 있고, 다른 일실시예에 따르면 커플링 제어부(630)가 상기 반사파의 전력을 측정하여 결합 주파수를 결정하도록 구현될 수도 있다. 이 경우, 커플링 제어부(630)는 상기 반사파의 전력을 측정하는 파워 디텍터(power detector)(도시되지 아니함)를 더 포함할 수 있다.
상술한 방법을 통해 커플링 제어부(630)는 대상 공진기(120)와 전송 공진기(620) 간의 결합 주파수를 결정할 수 있고, 결정된 결합 주파수를 전송 신호의 전송 주파수로 설정하여 대상 공진기(120)로 전력을 무선 전송하도록 제어한다.
전력 전송부(620)는 전력 분배 회로(622) 및 방향성 제어부(623)를 더 포함할 수 있다. 전력 분배 회로(622)는 전송 공진기(621)를 통해 무선 전송되는 전력을 하나 이상의 대상 공진기(120)로 분배하도록 설계될 수 있다. 또한, 방향성 제어부(623)는 전송 공진기(621)를 통해 전송되는 전력의 방향성을 제어한다. 예를 들어, 방향성 제어부(623)는 전원 공진기(110)와 대상 공진기(120)를 커플링하고, 대상 공진기(120)가 위치하는 방향으로 무선 전력을 빔포밍(Beamforming)함으로써 전력 전송 효율을 높일 수 있다. 또는, 방향성 제어부(623)는 전송 공진기(621) 자체의 방향을 메카니컬적으로 제어하여, 전력의 방향성을 제어할 수 있다.
또한, 전력의 방향성은 사용자에 의해 수동으로 제어될 수 있다. 즉, 사용자는 하나의 제품으로 구현되는 무선 전력 트랜시버(600)의 위치, 기울기 등을 조정하여, 전력의 방향성을 조정할 수 있다.
또한, 무선 전력 트랜시버(600)는 연결된 부하(600a)를 이용하여, 인바운드 전력 및 아웃바운드 전력 중 적어도 하나의 전송 거리, 전송 효율을 조정할 수 있다.
무선 전력 트랜시버(600)는 전력 수신부(610)와 전력 전송부(630)를 전기적으로 이격시키는 이격부(640)를 더 포함할 수 있다. 이격부(640)는 인바운드 전력을 수신하는 수신 공진기(611)와 아웃바운드 전력을 전송하는 전송 공진기(621)를 전기적으로 이격시킴으로써, 상호 간의 간섭(interference)을 줄일 수 있다.
<무선 전력 트랜시버의 응용>
상술한 무선 전력 트랜시버는 다양한 방식으로 응용될 수 있다. 전원 공진기(110)로부터 전송되는 전력을 수신할 뿐 아니라, 다른 대상 공진기(120)로 전력을 전송할 수 있으므로, 전원 공진기(110)의 전력 전송 커버리지를 늘릴 수 있을 뿐 아니라, 무선 전력 전송 효율도 제고할 수 있다.
제안되는 일 실시 예에 따른 무선 전력 트랜시버는 벽(wall) 사이에 매설되어, 인빌딩 환경에서 다양한 장애물(obstacle)로 인해 무선 전력 전송이 어려운 문제를 해결할 수 있다. 즉, 벽 중간에 무선 전력 트랜시버가 설치되어, 전원 공진기(110)로부터 전송된 전력을 벽 너머의 다른 대상 공진기(120)로 전송하는 것이 가능하다.
또한, 다양한 가전 제품(appliance)의 일측에 설치되어, 다수의 대상 공진기(120)로 전력을 무선 전송할 수 있을 뿐 아니라, 각 대상 공진기(120)의 소요 전력에 따라 효율적으로 전력을 분배하여 전송할 수 있다.
이하에서는 도 7 내지 도 14를 참조하여, 제안되는 실시 예에 따른 공진기의 구조를 설명한다. 상술한 전원 공진기(110), 대상 공진기(120), 수신 공진기(611) 및 전송 공진기(621)들은 도 7 내지 도 14에 도시된 공진기 중 하나일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기는 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312) 및 그라운드 도체 부분(1313)을 포함하는 전송 선로, 커패시터(1320), 매칭기(1330) 및 도체들(1341, 1342)을 포함한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 커패시터(1320)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(1311)과 제2 신호 도체 부분(1312) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 커패시터(1320)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 그라운드된다(grounded). 본 명세서에서는 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(1311)과 제2 신호 도체 부분(1312)로 나누어 부르고, 전송 선로의 하부에 있는 도체를 그라운드 도체 부분(1313)으로 부르기로 한다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(1300)는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(1311) 및 제2 신호 도체 부분(1312)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(1313)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(1311) 및 제2 신호 도체 부분(1312)과 그라운드 도체 부분(1313)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(1311) 및 제2 신호 도체 부분(1312)을 통하여 흐른다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(1311)의 한쪽 단은 도체(1342)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(1320)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(1312)의 한쪽 단은 도체(1341)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(1320)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312) 및 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342)은 서로 연결됨으로써, 공진기(1300)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
커패시터(1320)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 커패시터(1320)는 제1 신호 도체 부분(1311) 및 제2 신호 도체 부분(1312) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(1320)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 커패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
커패시터(1320)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(1300)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 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 자연계에서 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 커패시터(1320)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기(1300)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(1320)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(1300)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(1320)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(1300)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 상기 공진기(1300)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 상기 공진기(1300)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(1320)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.
상기 MNG 공진기(1300)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(1300)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(1300)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기(1300)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(1320)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(1300)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 커패시터(1320)에 집중되므로, 커패시터(1320)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기(1300)는 집중 소자의 커패시터(1320)을 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, MNG 공진기(1300)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(1330)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(1330)는 MNG 공진기(1300)의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(1330)에 의해 MNG 공진기(1300)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(1340)를 통하여 MNG 공진기(1300)로 유입되거나 MNG 공진기(1300)로부터 유출될 수 있다. 여기서, 커넥터(1340)는 그라운드 도체 부분(1313) 또는 매칭기(1330)와 연결될 수 있다. 다만, 커넥터(1340)와 그라운드 도체 부분(1313) 또는 매칭기(1330) 사이에는 물리적인 연결이 형성될 수도 있고, 커넥터(1340)와 그라운드 도체 부분(1313) 또는 매칭기(1330) 사이의 물리적인 연결 없이 커플링을 통하여 전력이 전달될 수도 있다.
보다 구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 매칭기(1330)는 공진기(1300)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(1330)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(1300)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(1330)는 그라운드 도체 부분(1313)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체(1331)를 포함할 수 있으며, 공진기(1300)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 7에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(1330)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(1330)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(1330)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(1330)의 도체(1331)와 그라운드 도체 부분(1313) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(1330)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(1300)의 임피던스는 조절될 수 있다. 컨트롤러는 다양한 팩터들을 고려하여 제어 신호를 생성할 수 있으며, 이에 대해서는 아래에서 설명한다.
매칭기(1330)는 도 7에 도시된 바와 같이, 도체 부분(1331)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(1330)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(1300)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(1330)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(1300)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 7에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(1300)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기(1300)는 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312) 및 그라운드 도체 부분(1313)을 포함하는 전송 선로 및 커패시터(1320)를 포함한다. 여기서 커패시터(1320)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(1311)과 제2 신호 도체 부분(1312) 사이에 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 커패시터(1320)에 갇히게 된다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 공진기(1300)는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(1311) 및 제2 신호 도체 부분(1312)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(1313)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(1311) 및 제2 신호 도체 부분(1312)과 그라운드 도체 부분(1313)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(1311) 및 제2 신호 도체 부분(1312)을 통하여 x 방향으로 흐르며, 이러한 전류로 인해 -y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생한다. 물론, 도 8에 도시된 것과 다르게, +y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생할 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(1311)의 한쪽 단은 도체(1342)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(1320)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(1312)의 한쪽 단은 도체(1341)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(1320)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312) 및 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342)은 서로 연결됨으로써, 공진기(1300)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 커패시터(1320)는 제1 신호 도체 부분(1311) 및 제2 신호 도체 부분(1312) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(1320)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 커패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 커패시터(1320)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(1300)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 집중 소자로서 삽입된 커패시터(1320)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기(1300)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(1320)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기(1300)는 특정 주파수 대역에서 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(1300)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(1320)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(1300)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 상기 공진기(1300)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 상기 공진기(1300)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(1320)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.
도 8에 도시된 상기 MNG 공진기(1300)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(1300)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(1300)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. MNG 공진기(1300)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(1320)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(1300)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 MNG 공진기(1300)를 참조하면, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(210)에 삽입된 커패시터(1320)에 집중되므로, 커패시터(1320)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 특히, 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖는 MNG 공진기(1300)는 자계 다이폴(magnetic dipole)과 유사한 특성들을 가지므로, 근접 필드에서는 자계가 도미넌트하며, 커패시터(1320)의 삽입으로 인해 발생하는 적은 양의 전계 또한 그 커패시터(1320)에 집중되므로, 근접 필드에서는 자계가 더더욱 도미넌트해진다. MNG 공진기(1300)는 집중 소자의 커패시터(1320)을 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 MNG 공진기(1300)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(1330)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(1330)는 MNG 공진기(1300)의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(1330)에 의해 MNG 공진기(1300)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(1340)를 통하여 MNG 공진기(1300)로 유입되거나 MNG 공진기(1300)로부터 유출된다. 여기서, 커넥터(1340)는 그라운드 도체 부분(1313) 또는 매칭기(1330)와 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 매칭기(1330)는 공진기(1300)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(1330)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(1300)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(1330)는 그라운드 도체 부분(1313)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체 부분(1331)을 포함할 수 있으며, 공진기(1300)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 8에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(1330)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(1330)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(1330)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(1330)의 도체(1331)과 그라운드 도체 부분(1330) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(1330)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(1300)의 임피던스는 조절될 수 있다. 매칭기(1330)의 도체(1331)과 그라운드 도체 부분(1330) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 즉, 첫째, 매칭기(1330)에는 여러 도체들이 포함될 수 있고, 그 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h가 조절될 수 있다. 둘째, 도체(1331)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h가 조절될 수 있다. 이러한 거리 h는 컨트롤러의 제어 신호에 따라 제어될 수 있으며, 컨트롤러는 다양한 팩터들을 고려하여 제어 신호를 생성할 수 있다. 컨트롤러가 제어 신호를 생성하는 것에 대해서는 아래에서 설명한다.
매칭기(1330)는 도 8에 도시된 바와 같이, 도체 부분(1331)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(1330)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(1300)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(1330)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(1300)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 8에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(1300)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 9는 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 제1 신호 도체 부분(1311)과 도체(1342)는 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 것이 아니라 일체형으로 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제2 신호 도체 부분(1312)과 도체(1341) 역시 일체형으로 제작될 수 있다.
제2 신호 도체 부분(1312)과 도체(1341)가 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 경우, 이음매(1350)로 인한 도체 손실이 있을 수 있다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 신호 도체 부분(1312)과 도체(1341)는 별도의 이음매 없이(seamless) 서로 연결되며, 도체(1341)와 그라운드 도체 부분(1313)도 별도의 이음매 없이 서로 연결될 수 있으며, 이음매로 인한 도체 손실을 줄일 수 있다. 결국, 제2 신호 도체 부분(1312)과 그라운드 도체 부분(1313)는 별도의 이음매 없이 일체형으로서 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제1 신호 도체 부분(1311)과 그라운드 도체 부분(1313)는 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 별도의 이음매 없이 일체형으로 둘 이상의 부분(partition)들을 서로 연결하는 유형을 'bulky type'이라고 부르기도 한다.
도 10은 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각은 내부에 비어 있는 공간을 포함한다.
주어진(given) 공진 주파수에서, 유효 전류는 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각의 모든 부분을 통해 흐르는 것이 아니라, 일부의 부분만을 통해 흐르는 것으로 모델링될 수 있다. 즉, 주어진 공진 주파수에서, 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 두께(depth)가 각각의 skin depth보다 지나치게 두꺼운 것은 비효율적일 수 있다. 즉, 그것은 공진기(1300)의 무게 또는 공진기(1300)의 제작 비용을 증가시키는 원인이 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 주어진 공진 주파수에서 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각의 skin depth를 기초로 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각의 두께를 적절히 정할 수 있다. 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각이 해당 skin depth보다 크면서도 적절한 두께를 갖는 경우, 공진기(1300)는 가벼워질 수 있으며, 공진기(1300)의 제작 비용 또한 감소될 수 있다.
예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 신호 도체 부분(1312)의 두께는 d m로 정해질 수 있고, d는
Figure pat00002
를 통해서 결정될 수 있다. 여기서, f는 주파수,
Figure pat00003
는 투자율,
Figure pat00004
는 도체 상수를 나타낸다. 특히, 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342)이 구리(copper)로서 5.8x10^7의 도전율(conductivity)을 갖는 경우에, 공진 주파수가 10kHz에 대해서는 skin depth가 약 0.6mm일 수 있으며, 공진 주파수가 100MHz에 대해서는 skin depth는 0.006mm일 수 있다.
도 11은 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함된 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312) 각각의 표면에는 parallel-sheet이 적용될 수 있다.
제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312)은 완벽한 도체(perfect conductor)가 아니므로, 저항 성분을 가질 수 있고, 그 저항 성분으로 인해 저항 손실(ohmic loss)가 발생할 수 있다. 이러한 저항 손실은 Q 팩터를 감소시키고, 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용함으로써, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다. 도 11의 부분(270)을 참조하면, parallel-sheet이 적용되는 경우, 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312) 각각은 복수의 도체 라인들을 포함한다. 이 도체 라인들은 병렬적으로 배치되며, 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312) 각각의 끝 부분에서 접지(short)된다.
제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용하는 경우, 도체 라인들이 병렬적으로 배치되므로, 도체 라인들이 갖는 저항 성분들의 합은 감소된다. 따라서, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다.
도 12는 분산된 커패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함되는 커패시터(1320)는 분산된 커패시터일 수 있다. 집중 소자로서의 커패시터는 상대적으로 높은 등가 직렬 저항(Equivalent Series Resistance: ESR)을 가질 수 있다. 집중 소자로서의 커패시터가 갖는 ESR을 줄이기 위한 여러 제안들이 있지만, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 커패시터(1320)를 사용함으로써, ESR을 줄일 수 있다. 참고로, ESR로 인한 손실은 Q 팩터 및 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
분산 소자로서의 커패시터(1320)는 도 12에 도시된 바와 같이, 지그 재그 구조를 가질 수 있다. 즉, 분산 소자로서의 커패시터(1320)는 지그 재그 구조의 도체 라인 및 유전체로 구현될 수 있다.
뿐만 아니라, 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 커패시터(1320)를 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 복수 개의 집중 소자로서의 커패시터들을 병렬적으로 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 왜냐 하면, 집중 소자로서의 커패시터들 각각이 갖는 저항 성분들은 병렬 연결을 통하여 작아지기 때문에, 병렬적으로 연결된 집중 소자로서의 커패시터들의 유효 저항 또한 작아질 수 있으며, 따라서, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 예를 들어, 10pF의 커패시터 하나를 사용하는 것을 1pF의 커패시터들 10개를 사용하는 것으로 대체함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다.
도 13은 2 차원 구조의 공진기 및 3 차원 구조의 공진기에서 사용되는 매칭기들의 예들을 나타낸 도면이다.
도 13의 A는 매칭기를 포함하는 도 7에 도시된 2 차원 공진기의 일부를 나타내며, 도 13의 B는 매칭기를 포함하는 도 8에 도시된 3 차원 공진기의 일부를 나타낸다.
도 13의 A를 참조하면, 매칭기는 도체(1331), 도체(1332) 및 도체(1333)을 포함하며, 도체(1332) 및 도체(1333)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(1313) 및 도체(1331)와 연결된다. 도체(1331) 및 그라운드 도체 부분(1313) 사이의 거리 h에 따라 2 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(1331) 및 그라운드 도체 부분(1313) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 도체(1331) 및 그라운드 도체 부분(1313) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있으며, 도체(1331)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(1331)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.
도 13의 B를 참조하면, 매칭기는 도체(1331), 도체(1332) 및 도체(1333)을 포함하며, 도체(1332) 및 도체(1333)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(1313) 및 도체(1331)와 연결된다. 도체(1331) 및 그라운드 도체 부분(1313) 사이의 거리 h에 따라 3 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(1331) 및 그라운드 도체 부분(1313) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 2 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기와 마찬가지로, 3 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기에서도 도체(1331) 및 그라운드 도체 부분(1313) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 예를 들어, 도체(1331)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(1331)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.
도 13에 도시되지 아니하였지만, 매칭기는 능동 소자를 포함할 수 있으며, 능동 소자를 이용하여 공진기의 임피던스를 조절하는 방식은 상술한 바와 유사하다. 즉, 능동 소자를 이용하여 매칭기를 통해 흐르는 전류의 경로를 변경함으로써, 공진기의 임피던스가 조절될 수 있다.
도 14는 도 7에 도시된 커패시터가 삽입된 전송 선로의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 커패시터가 삽입된 전송 선로는 도 14에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 14의 등가 회로에서 CL은 도 2의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 커패시터를 나타낸다.
이 때, 도 7에 커패시터가 삽입된 전송 선로는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는
Figure pat00005
를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수
Figure pat00006
는 하기 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.
Figure pat00007
상기 [수학식 2]를 참조하면, 공진기의 공진 주파수
Figure pat00008
는
Figure pat00009
에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수
Figure pat00010
와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수
Figure pat00011
와 공진기의 물리적인 사이즈가 서로 독립적이므로, 공진기의 물리적인 사이즈는 충분히 작아질 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.
100: 제1무선 전력 트랜시버 150: 제2무선 전력 트랜시버
110: 전원 공진기 120: 대상 공진기
120a, 130: 부하

Claims (29)

  1. 전원 공진기로부터 인바운드(inbound) 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하는 전력 수신부;
    대상 공진기로 아웃바운드(outbound) 전력을 전송하는 전송 공진기를 포함하는 전력 전송부; 및
    상기 대상 공진기와 상기 전송 공진기의 결합 주파수를 제어하는 커플링(coupling) 제어부
    를 포함하는 무선 전력 트랜시버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 수신부와 상기 전력 전송부를 전기적으로 이격시키는 이격부를 더 포함하는 무선 전력 트랜시버.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 커플링 제어부는,
    상기 전송 공진기로부터 상기 대상 공진기로 전송되는 전송 신호의 반사파의 진폭이 최소인 주파수를 상기 결합 주파수로 설정하도록 제어하는 무선 전력 트랜시버.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 커플링 제어부는,
    상기 전송 공진기로부터 상기 대상 공진기로 전송되는 전송 신호의 반사파의 위상과 상기 전송 신호의 위상이 같은 주파수를 상기 결합 주파수로 설정하도록 제어하는 무선 전력 트랜시버.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 커플링 제어부는,
    상기 전송 공진기로부터 상기 대상 공진기로 전송되는 전송 신호의 반사파의 파워가 최소인 주파수를 상기 결합 주파수로 설정하도록 제어하는 무선 전력 트랜시버.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 커플링 제어부는 반사파의 파워를 측정하는 파워 디텍터를 포함하는 무선 전력 트랜시버.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전력 전송부는 상기 아웃바운드 전력의 크기를 제어하는 전력 분배 회로를 더 포함하는 무선 전력 트랜시버.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전력 전송부는 상기 아웃바운드 전력의 방향성을 제어하는 방향성 제어부를 더 포함하는 무선 전력 트랜시버.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 커플링 제어부는 상기 결합 주파수를 제어하는 위상 고정 루프 회로를 포함하는 무선 전력 트랜시버.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 인바운드 전력 및 상기 아웃바운드 전력의 전송 거리를 조정하는 부하
    를 더 포함하는 무선 전력 트랜시버.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공진기, 상기 대상 공진기, 상기 수신 공진기 및 상기 전송 공진기 중 적어도 하나는,
    제1 신호 도체 부분 및 제2 신호 도체 부분과, 상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분에 대응되는 그라운드 도체 부분을 포함하는 전송 선로;
    상기 제1 신호 도체 부분과 상기 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제1 도체;
    상기 제2 신호 도체 부분과 상기 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제2 도체; 및
    상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분을 흐르는 전류에 대하여 직렬로 상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분 사이에 삽입되는 적어도 하나의 커패시터
    를 포함하는 무선 전력 트랜시버.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전송 선로, 상기 제1 도체 및 상기 제2 도체는 루프 구조를 형성하는 무선 전력 트랜시버.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전송 선로, 상기 제1 도체 및 상기 제2 도체는 사각(rectangular) 형태의 루프 구조를 형성하는 무선 전력 트랜시버.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전송 선로, 상기 제1 도체 및 상기 제2 도체에 의해 형성되는 루프의 내부에 위치하여, 상기 무선 전력 공진기의 임피던스를 결정하는 매칭기
    를 더 포함하는 무선 전력 트랜시버.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 매칭기는 사각(rectangular) 형태인 무선 전력 트랜시버.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 매칭기는
    컨트롤러에 의해 제공되는 제어 신호에 따라 상기 무선 전력 공진기의 임피던스를 조절할 수 있도록 상기 매칭기의 물리적 형태를 변경하는 무선 전력 트랜시버.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 컨트롤러는
    상기 무선 전력 공진기로부터 전력을 수신하거나, 상기 무선 전력 공진기로 전력을 전송하는 상대(opposite) 공진기의 상태를 기초로 상기 제어 신호를 생성하는 무선 전력 트랜시버.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 컨트롤러는
    상기 무선 전력 공진기 및 무선 전력 수신 장치의 무선 전력 공진기 사이의 거리, 상기 무선 전력 공진기로부터 상기 무선 전력 수신 장치의 무선 전력 공진기로 전송되는 파동(wave)의 반사 계수, 상기 무선 전력 공진기 및 상기 무선 전력 수신 장치의 무선 전력 공진기 사이의 전력 전송 이득 또는 상기 무선 전력 공진기 및 상기 무선 전력 수신 장치의 무선 전력 공진기 사이의 커플링 효율 중 적어도 하나에 따라 상기 제어 신호를 생성하는 무선 전력 트랜시버.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 매칭기는
    상기 그라운드 도체 부분으로부터 소정의 거리만큼 떨어진 임피던스 매칭을 위한 도체
    를 포함하고,
    상기 공진기의 임피던스는
    상기 그라운드 도체 부분과 상기 임피던스 매칭을 위한 도체 사이의 거리에 따라 조절되는 무선 전력 트랜시버.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 매칭기는
    컨트롤러에 의해 제공되는 제어 신호에 따라 상기 공진기의 임피던스를 조절하는 적어도 하나의 능동 소자
    를 포함하는 무선 전력 트랜시버.
  21. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 커패시터는
    집중 소자(lumped element)로서 상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분 사이에 삽입되는 무선 전력 트랜시버.
  22. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 커패시터는
    분산 소자(distributed element)로서 지그재그 구조를 갖는 무선 전력 트랜시버.
  23. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 커패시터의 커패시턴스는
    상기 무선 전력 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 상기 무선 전력 공진기가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 상기 무선 전력 공진기가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 중 적어도 하나의 전제 아래에서 정해지는 무선 전력 트랜시버.
  24. 제11항에 있어서,
    상기 제1 신호 도체 부분의 표면 또는 상기 제2 신호 도체 부분의 표면은
    복수의 도체 라인들을 병렬적으로 포함하고, 상기 복수의 도체 라인들 각각의 한쪽 단은 접지되는 무선 전력 트랜시버.
  25. 제11항에 있어서,
    상기 제1 신호 도체 부분과 상기 그라운드 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분과 상기 그라운드 도체 부분은 별도의 이음매 없이(seamless) 서로 연결되는 무선 전력 트랜시버.
  26. 제11항에 있어서,
    상기 제1 신호 도체 부분, 상기 제2 신호 도체 부분 또는 상기 그라운드 도체 부분 중 적어도 하나의 내부는 비어 있는 무선 전력 트랜시버.
  27. 제11항에 있어서,
    상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분과 상기 그라운드 도체 부분 사이의 공간을 관통하는 마그네틱 코어
    를 더 포함하는 무선 전력 트랜시버.
  28. 제11항에 있어서,
    상기 무선 전력 공진기가 적어도 두 개의 전송 선로들을 포함하는 경우,
    상기 적어도 둘의 전송 선로들은 직렬, 병렬 또는 나선 형태로 연결되고,
    상기 적어도 둘의 전송 선로들 각각에 포함되는 제1 신호 도체 부분과 제2 신호 도체 부분 사이에는 적어도 하나의 커패시터가 삽입되는 무선 전력 트랜시버.
  29. 적어도 하나의 전원 공진기;
    적어도 하나의 대상 공진기; 및
    상기 적어도 하나의 전원 공진기로부터 인바운드(inbound) 전력을 수신하고, 상기 적어도 하나의 대상 공진기로 아웃바운드(outbound) 전력을 전송하며, 상기 적어도 하나의 전송 공진기와 상기 적어도 하나의 대상 공진기의 결합 주파수를 제어하는 무선 전력 트랜시버
    를 포함하는, 무선 전력 시스템.
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