KR20110062219A - 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents
초음파 기반 무선 전력 전송 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20110062219A KR20110062219A KR1020090118873A KR20090118873A KR20110062219A KR 20110062219 A KR20110062219 A KR 20110062219A KR 1020090118873 A KR1020090118873 A KR 1020090118873A KR 20090118873 A KR20090118873 A KR 20090118873A KR 20110062219 A KR20110062219 A KR 20110062219A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- ultrasonic
- ultrasonic wave
- transducer
- wireless power
- power
- Prior art date
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
- H02J50/15—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using ultrasonic waves
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B40/00—Technologies aiming at improving the efficiency of home appliances, e.g. induction cooking or efficient technologies for refrigerators, freezers or dish washers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
본 발명에 따른 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템은; 초음파를 발생하는 초음파 발신 트랜스듀서와, 초음파 발신 트랜스듀서에서 발생된 초음파를 수신하여 전기에너지로 변환시키는 초음파 수신 트랜스듀서와, 초음파 발신 트랜스듀서와 초음파 수신 트랜스듀서 사이에 위치한 매질층과, 매질층의 앞쪽 또는 뒤쪽에 부가되는 임피던스 매칭층을 포함한다. 본 발명에 따른 초음파 발신 트랜스듀서에 의해 발생된 초음파는 매질층을 통해서 초음파 수신 트랜스듀서로 전달되며, 임피던스 매칭층은 매질층을 통한 초음파 발신 트랜스듀서와 초음파 수신 트랜스듀서 사이의 전력 전달 효율이 최대가 되도록 임피던스를 매칭시킨다. 본 발명에 따른 임피던스 매칭층은 젤(gel)일 수 있다.
초음파, 트랜스듀서, 무선 전력 전송 시스템
Description
본 발명은 무선으로 전력(에너지)을 전송하는 전력 전송 시스템에 관한 것으로, 특히 초음파를 이용하여 전력을 전송하는 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 정보통신연구개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호:2006-S-00604, 과제명: 유비쿼터스 단말용 부품 모듈].
종래기술에 따라 무선으로 전력(에너지)을 전달하는 방식은 크게 두가지로 나눌 수 있다. 첫번째는 전자기(electromagnetic) 유도를 이용하여 전력을 전달하는 방식이며 두번째는 RF(radio frequency)를 이용하여 전력을 전송하는 방식이다.
전자기 유도를 이용하는 종래기술로, "무접점 충전 시스템" 제하의 대한민국 공개특허공보 제2009-0027312호에는 전자기 유도를 이용하여 전력를 전달하는 방식이 개시되어 있다. 도 1a를 참조하여 간단히 설명하면, 전자기 유도를 이용하는 전력 전송 시스템은 외부 전원을 이용하여 충전 전력을 발생시키는 충전 모체(충전 기)와, 충전 모체로부터 전자기 유도 현상을 통해 충전 전력을 공급받는 전력 수신 모듈(배터리)로 구성된다. 이러한 종래기술에 있어서, 충전 모체에 의해 발생되는 전자기파는 공기중에서 거리에 따라 전달 에너지가 거리제곱에 반비례하여 급격히 줄어들게 된다. 따라서, 전력 수신 모듈에 수신될 때의 신호의 감쇄를 감안하여 충전 모체에서는 큰 전력의 신호를 전송하여야 하므로 충전 모체에서 발생되는 전자기파는 인체에 유해할 수 있다는 논란이 있다. 이에 전자기 유도를 이용하는 무선 전송 시스템은 그 실용성에 있어 문제점을 가지고 있다.
RF를 이용하는 종래기술로, "Harvesting ambient radio frequency electromagnetic energy for powering wireless electronic device, sensors and sensor networks and applications thereof" 제하의 미국 공개특허공보 2007/0109121호에는 RF를 이용하여 전력을 전송하는 방식이 개시되어 있다. 도 1b를 참조하여 간단히 설명하면, 태그 모듈의 안테나와 센서 모듈의 안테나를 통해 RF 신호를 송수신하며, 이러한 RF 는 전파거리가 매우 길어 전자장치나 센서, 센서네트워크 등에 활용할 수 있다. 그러나, RF 에 따른 전력 밀도 자체가 너무 낮아 전력 변환 후에도 전력량이 너무 적어 실용성이 떨어진다. 이에 큰 출력의 전력장치를 이용하여 고출력 RF 를 발생시킬 수는 있지만, 이것 역시 전자기파로 인한 인체 유해성 논란에서 벗어날 수 없다.
전자기 유도나 RF 를 이용하는 종래기술과 달리 본 발명은 에너지를 효율적으로 전달할 수 있으면서 인체에 대한 유해성이 낮은 초음파를 기반으로하여 무선으로 전력을 전송하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 초음파를 발생/수신하는 초음파 트랜스듀서(transducer)를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템은; 초음파를 발생하는 초음파 발신 트랜스듀서와, 초음파 발신 트랜스듀서에서 발생된 초음파를 수신하여 전기에너지로 변환시키는 초음파 수신 트랜스듀서와, 초음파 발신 트랜스듀서와 초음파 수신 트랜스듀서 사이에 위치한 매질층과, 매질층의 앞쪽 또는 뒤쪽에 부가되는 임피던스 매칭층을 포함한다.
본 발명에 따른 초음파 발신 트랜스듀서에 의해 발생된 초음파는 매질층을 통해서 초음파 수신 트랜스듀서로 전달되며, 임피던스 매칭층은 매질층을 통한 초음파 발신 트랜스듀서와 초음파 수신 트랜스듀서 사이의 전력 전달 효율이 최대가 되도록 임피던스를 매칭시킨다. 본 발명에 따른 임피던스 매칭층은 젤(gel)일 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 발신 트랜스듀서와 초음파 수신 트랜스듀서 중 적어도 하나는 압전체를 포함하며, 압전체의 전극은 맞물림 전극(Interdigitated Electrode) 구조로 형성되거나 또는 상부 전극 및 하부 전극의 구조로 형성된다.
본 발명에 따른 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템을 이용하면, 에너지원과 에너지 소비 소자 사이의 전력선을 줄이거나 또는 전력선을 장치 할 수 없는 곳에서도 에너지를 전달할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 인체에 유해성이 적은 초음파를 사용여 전력을 전송하므로 인체나 동물의 내부에 전력 수신 장치를 삽입하고 외부에서 전력 수신 장치의 전력 전송 및 제어가 가능할 수 있다.
또한 건물의 벽이나 천정을 이용해서 원거리에 있는 전자장치에 무선으로 전력을 전송하여 건물의 전원선을 절약할 수 있다.
이하에서는 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템의 일실시예를 간략히 나타내고 있다.
본 발명에 따른 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템은 초음파 발신 트랜스듀서(201), 초음파 수신 트랜스듀서(203), 그리고 초음파 발신 트랜스듀서(201)와 초음파 수신 트랜스듀서(202) 사이에 위치하는 매질층(202)을 포함한다. 또한, 초음파 발신 트랜스듀서(201) 와 초음파 수신 트랜스듀서(203) 사이의 전달 효율이 최 대가 되도록 임피던스를 매칭시키기 위하여 매질층(202)의 앞쪽(초음파 발신 트랜스듀서 방향) 또는 뒤쪽(초음파 수신 트랜스듀서 방향)에는 임피던스 매칭층(204)이 부가될 수 있다.
초음파 발신 트랜스듀서(201)와 초음파 수신 트랜스듀서(203)는 전기 에너지를 음향 에너지로 변환하고 역으로 음향 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 소자로서, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서 제조방법은 도 3a 및 3b를 참조하여 이하에서 더욱 자세히 설명하도록 한다.
매질층(202)은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템이 이용될 수 있는 다양한 실시예에 따라 달라질 수 있다. 일실시예에서, 매질층(202)은 인체 또는 동물 등의 외부표면(예를 들면, 피부)이 될 수 있다. 이 실시예에서, 초음파 수신 트랜스듀서(203)는 인체 또는 동물 등의 내부에 위치될 수 있고 초음파 발신 트랜스듀서(201)에 의해 그 전력이 전송되고 제어될 수 있다. 또한, 내부에 위치된 초음파 수신 트랜스듀서(203)에 대한 임피던스 매칭을 위해 매질층(202)의 앞쪽, 예를 들면 피부의 외부표면에 임피던스 매칭층(204)이 부가될 수 있다. 이러한 실시예에 대한 예가 도 3a에 도시되어 있다. 또 다른 실시예에서, 매질층은 건물의 벽이나 천장이 될 수 있다. 이 실시예에서, 초음파 발신 트랜스듀서(201)는 벽이나 천장을 통해 에너지를 전달할 수 있으며 벽이나 천장의 외부에 위치된 초음파 수신 트랜스듀서(203)에 대한 임피던스 매칭을 위해 매질층(202)의 뒤쪽에 임피던스 매칭층(204)이 부가될 수 있다. 그리고 초음파 발신 트랜스듀서(201)의 주파수를 조정하여 초음파 수신 트랜스듀서(203)에서의 수신 에너지가 가장 높은 주파수를 탐색 할 수 있다. 이러한 실시예에 대한 예가 도 3b에 도시되어 있다. 초음파의 에너지가 반으로 줄때까지의 거리를 매질 별로 살펴보면, 물:300cm, 피: 15cm, 피부:1~5cm, 공기:0.08cm 이다. 이와 같이, 공기를 통과할 때 초음파의 에너지가 가장 급격하게 줄어드므로, 초음파 발신 트랜스듀서(201)와 초음파 수신 트랜스듀서(203) 사이의 공기층을 제거하기 위해 매질층(204)의 앞쪽 또는 뒤쪽에 임피던스 매칭층(204)을 부가할 수 있으며, 일실시예에서 임피던스 매칭층(204)은 젤(gel)을 이용할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템에서 이용될 수 있는 초음파 트랜스듀서(201, 203)의 제조방법에 대해 도 4a 및 4b를 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서는 압전체를 사용하게 되는데, 바람직하게는 단결정계 무기물(PMN-PT), 다결정계 무기물(PZT), 고분자 물질, 고분자와 무기물의 복합체 물질 등이 가능하다. 단결정계 무기물로는 PMN-PT, PML-PT, PZN-PT 등이 있고, 다결정계 무기물로는 PZT, ZnO 등이 있으며, 고분자 물질로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라이드와 트리플루오로에틸렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라이드와 테트라플루오로에틸렌의 공중합체, 나피온, 플레미온 고분자 또는 이들의 블랜드들을 사용한다. 고분자 무기물의 복합체 물질의 경우에는 단결정계 또는 다결정계 무기물과 고분자 물질의 혼합을 통해 제조된 필름이나 파이버 형태가 사용된다.
또한, 압전체의 전극은 압전체 두께 방향으로의 전극 구조(상부 전극, 하부 전극)를 이용하거나 압전체 표면 방향으로의 전극 구조, 예를 들면 맞물림 전극(Interdigitated Electrode) 구조로 형성될 수 있다. 압전체 표면 방향으로의 전극 구조는 두께 방향으로의 전극 구조보다 2배 이상 큰 압전상수(d33)를 사용하므로 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서에서 이용하기에 더욱 바람직하다.
도 4a에는, 압전체 표면 방향으로의 전극 구조를 갖는 초음파 트랜스듀서의 제조방법이 도시되어 있다. 먼저, Si 기판(10)위에 PMN-PT 단결정 박막(11)을 에폭시를 이용해서 접착시킨다. 그 다음, 유도결합플라즈마(ICP)를 이용해서 수십 ㎛ 두께의 단결정 박막을 PMN-PT 단결정 박막(11) 위에 형성하고 맞물림 전극(12)을 PMN-PT 단결정 박막(11) 표면상에 형성한다. 맞물림 전극(12)을 형성하는데는 Lift off 공정 기법이 이용될 수 있으며, 맞물림 전극(12)은 금 또는 백금이 될 수 있다. 마지막으로 Si 기판(10)의 후면의 패터닝된 부분을 습식 또는 건식 에칭을 이용하여 제거하고 단결정 박막(11)을 릴리스한다.
도 4b에는, 압전체 두께 방향으로의 전극 구조를 갖는 초음파 트랜스듀서의 제조방법이 도시되어 있다. 먼저, Si 기판(20)위에 PMN-PT 단결정 박막(21)을 에폭시를 이용해서 접착시킨다. 그 다음 ICP 를 이용해서 상부 전극(22)을 PMN-PT 단결정 박막(21)상에 형성한다. Deep RIE(reactive ion etching)으로 Si 기판(20)의 후면의 패터닝된 부분을 제거한다. 마지막으로, ICP 를 이용하여 Si 기판(10)의 후면의 패터닝된 부분상에 PMN-PT 박막을 구성하고 하부 전극(23)을 형성한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서는 d33 mode의 값을 활 용하기 위해서 맞물림 전극 구조로 제작되거나 또는 d31 mode의 값을 활용하기 위해서 상부/하부 전극 구조로 제작될 수도 있다.
전술한 실시예들은 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 기술한것이며 이러한 실시예들로 본 발명을 제한하려는 의도가 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 의도 및 범위에 포함되는 다양한 변경, 변화가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a는 종래기술에 따라 전자기 유도를 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 시스템을 개략적으로 나타내고 있다.
도 1b는 종래기술에 따라 RF를 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 시스템을 개략적으로 나타내고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템의 일실시예를 나타내고 있다.
도 3b는 본 발명에 따른 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템의 다른 실시예를 나타내고 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템에서 사용되는 초음파 트랜스듀서의 제조방법에 대해 나타내고 있다.
도 4b는 본 발명에 따른 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템에서 사용되는 초음파 트랜스듀서의 다른 제조방법에 대해 나타내고 있다.
Claims (1)
- 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템에 있어서,초음파를 발생하는 초음파 발신 트랜스듀서와,상기 초음파 발신 트랜스듀서에서 발생된 초음파를 수신하여 전기에너지로 변환시키는 초음파 수신 트랜스듀서와,상기 초음파 발신 트랜스듀서와 상기 초음파 수신 트랜스듀서 사이에 위치한 매질층과,상기 매질층에 부가되어 상기 매질층을 통한 상기 초음파 발신 트랜스듀서와 상기 초음파 수신 트랜스듀서 사이의 전력 전달 효율이 최대가 되도록 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090118873A KR20110062219A (ko) | 2009-12-03 | 2009-12-03 | 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090118873A KR20110062219A (ko) | 2009-12-03 | 2009-12-03 | 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20110062219A true KR20110062219A (ko) | 2011-06-10 |
Family
ID=44396437
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020090118873A KR20110062219A (ko) | 2009-12-03 | 2009-12-03 | 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20110062219A (ko) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104242482A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-12-24 | 苏州市职业大学 | 一种超声波无线输电系统 |
| KR20150001387A (ko) * | 2013-06-27 | 2015-01-06 | 한국전자통신연구원 | 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치 |
| US9240688B2 (en) | 2012-04-16 | 2016-01-19 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Ultrasonic wireless power transmitter and receiver apparatuses, and method for wireless charging thereof |
| WO2015190858A3 (ko) * | 2014-06-13 | 2016-01-28 | 박성훈 | 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템 및 초음파 무선 전력충전 방법 |
| CN109888935A (zh) * | 2019-03-11 | 2019-06-14 | 南华大学 | 一种电网隔离取电方法及电路 |
| KR102620483B1 (ko) * | 2022-12-27 | 2024-01-04 | 주식회사 에너지마이닝 | 매칭 레이어를 이용한 금속 패키지가 적용된 초음파 마찰전기 발전소자 및 이를 구비한 신경 자극 전자약 |
-
2009
- 2009-12-03 KR KR1020090118873A patent/KR20110062219A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9240688B2 (en) | 2012-04-16 | 2016-01-19 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Ultrasonic wireless power transmitter and receiver apparatuses, and method for wireless charging thereof |
| KR20150001387A (ko) * | 2013-06-27 | 2015-01-06 | 한국전자통신연구원 | 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치 |
| WO2015190858A3 (ko) * | 2014-06-13 | 2016-01-28 | 박성훈 | 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템 및 초음파 무선 전력충전 방법 |
| US10250077B2 (en) | 2014-06-13 | 2019-04-02 | Seong Hoon Park | System for transmitting ultrasonic short-range wireless power and method of charging ultrasonic wireless power |
| US10554079B2 (en) | 2014-06-13 | 2020-02-04 | Seong Hoon Park | System for transmitting ultrasonic short-range wireless power and method of charging ultrasonic wireless power |
| US10951070B2 (en) | 2014-06-13 | 2021-03-16 | Seong Hoon Park | System for transmitting ultrasonic short-range wireless power and method of charging ultrasonic wireless power |
| CN104242482A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-12-24 | 苏州市职业大学 | 一种超声波无线输电系统 |
| CN109888935A (zh) * | 2019-03-11 | 2019-06-14 | 南华大学 | 一种电网隔离取电方法及电路 |
| CN109888935B (zh) * | 2019-03-11 | 2023-10-24 | 南华大学 | 一种电网隔离取电方法及电路 |
| KR102620483B1 (ko) * | 2022-12-27 | 2024-01-04 | 주식회사 에너지마이닝 | 매칭 레이어를 이용한 금속 패키지가 적용된 초음파 마찰전기 발전소자 및 이를 구비한 신경 자극 전자약 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20110062219A (ko) | 초음파 기반 무선 전력 전송 시스템 | |
| KR102056491B1 (ko) | 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템 및 초음파 무선 전력충전 방법. | |
| CN106198724B (zh) | 一种多稳态超声检测传感器 | |
| SI et al. | Acoustic energy harvesting using piezoelectric generator for low frequency sound waves energy conversion | |
| CN102670242B (zh) | 一种超声聚焦换能器 | |
| CN103646643B (zh) | 一种采用pvdf压电薄膜的弯张换能器 | |
| CN202662279U (zh) | 一种高频水声发射换能器 | |
| CN108493330B (zh) | 声学超构材料、声波振动能量收集器和电子设备 | |
| CN101364632B (zh) | 一种应用于超声换能器和传感器的压电元件及其制造方法 | |
| CN105702243B (zh) | 一种双壳串联iv型弯张换能器 | |
| CN108435523B (zh) | 水滴型弯张换能器 | |
| CN111816755A (zh) | 一种基于AlN的压电MEMS水听器及其制备方法 | |
| Siddiqui et al. | Ultrasonic power transfer in biomedical implants using flexible transducer | |
| Zhao et al. | Design of ultrasonic transducer structure for underwater wireless power transfer system | |
| CN109990814B (zh) | 一种基于悬空结构的压电微机械超声传感器 | |
| CN103414987A (zh) | Pvdf/压电陶瓷收发换能器 | |
| Roes et al. | The effect of reflections on the performance of an acoustic energy transfer system | |
| US20200128333A1 (en) | Diagonal resonance sound and ultrasonic transducer | |
| CN114864806A (zh) | 具有短波导结构的超声换能器及制造方法、超声检测装置 | |
| Kural | Wireless energy supply to aircraft structural health monitoring nodes using ultrasonic lamb waves | |
| CN208116116U (zh) | 一种具有v形弹簧的微机电压电超声波换能器 | |
| Pandiyan et al. | Understanding far field ultrasonic power transmission for automobile sensor networks in free space | |
| CN203337613U (zh) | 利用超声波的氢气传感器 | |
| Su et al. | A Curve-Structured Flexible Pmut with Enhanced Acoustic Sensitivity | |
| Lee et al. | A study of implantable power haversting transducers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| WITN | Withdrawal due to no request for examination |