KR20110092112A - 무선 에너지 전송 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 무선 에너지 전송 구조체에 관한 것으로, 상기 무선 에너지 전송 구조체는, 서로 대응되도록 이격된 제1 및 제2 도체판과 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 삽입된 유전 물질로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 전계를 발생시키는 디스크부; 및 일단이 상기 제1 도체판에 연결되고 타단이 상기 제2 도체판에 연결되며, 상기 전계에 의해 자계가 유도되도록 다수의 메타 셀이 반복 배열된 메타 구조가 형성된 링 형태의 와이어부를 포함함으로써, 크기는 소형화하면서 전송 거리와 전송 효율은 향상된다.

Description

무선 에너지 전송 구조체{wireless energy transmission structure}
본 발명은 무선 에너지 전송 구조체에 관한 것이다.
무선통신기술의 발달로 언제 어디서나 누구나 원하는 모든 정보를 주고 받을 수 있는 유비쿼터스 정보환경이 되고 있다.
하지만, 아직까지 통신정보기기들은 대부분 배터리에 의존하고 있고, 유선 전원코드에 의한 전원을 공급받아 통신정보기기의 사용이 제한을 받고 있다.
이런 문제를 해결하기 위하여 무선으로 전력을 전달하기 위한 많은 기술이 개발되고 있다.
우선, 전파(Microwave)를 이용한 전파수신형 기술, 그리고 자기장을 이용한 자기유도형 기술, 또한 자기장과 전기장의 에너지 전환에 의한 자기공명 기술 등이 대표적이다.
여기서, 전파수신형 기술은 안테나를 통해 전파를 공기 중으로 방사함으로써 먼 거리까지 전력전송이 가능하다는 장점이 있으나, 공기 중에서 소모되는 방사손실(Radiation loss)이 매우 커서 전력전송의 효율성에 한계가 있다.
또한, 자기유도형 기술은 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일에 의한 자기 에너지 결합을 이용한 기술로 높은 전력전송의 효율성을 갖는 장점이 있다.
그러나, 자기유도형 기술은 전력전송을 위해서 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일이 수 mm 정도의 짧은 거리에 인접해 있어야 한다.
또한, 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일의 코일정렬에 따라 전력전송의 효율성이 급격히 변하며, 발열량이 크다는 단점이 있다.
따라서, 최근에 자기유도형 기술과 유사하나 코일형의 인덕터(L)와 캐패시터(C)에 의한 특정 공진 주파수에 에너지가 집중되게 하여 자기에너지 형태로 전력을 송신하는 자기공명 기술이 개발되고 있다.
이러한 자기 공명 기술은 비교적 큰 전력을 수 미터까지 보낼 수 있다는 장점이 있으나, 높은 공진 특성(High Quality factor)을 요구하고 있다.
이때, 상기 자기 공명 기술을 이용하기 위한 종래 무선 에너지 전송 구조체는 두 개의 도체판과 상기 두 개의 도체판 사이에 삽입된 유전체로 이루어진 디스크부와, 상기 디스크부의 양단에 연결된 링 형태의 와이어부로 구성되는데, 높은 공진 특성을 달성하기 위해서는 상기 디스크부와 와이어부에서 발생되는 전계와 자계의 세기가 커야 한다.
그러나, 종래 무선 에너지 전송 구조체에서는 전계와 자계의 세기를 크게 하기 위해선 상기 디스크부와 와이어부의 크기가 커야하므로, 실제 무선 전력 송수신 장치에 적용하는 것이 적합하지 않았다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 메타 구조를 형성함으로써 크기는 소형화하면서 전송 거리와 전송 효율은 향상시키는 무선 에너지 전송 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 에너지 전송 구조체는, 서로 대응되도록 이격된 제1 및 제2 도체판과 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 삽입된 유전 물질로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 전계를 발생시키는 디스크부; 및 일단이 상기 제1 도체판에 연결되고 타단이 상기 제2 도체판에 연결되며, 상기 전계에 의해 자계가 유도되도록 다수의 메타 셀이 반복 배열된 메타 구조가 형성된 링 형태의 와이어부를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 와이어부는, 일단이 상기 제1 도체판에 연결되고 타단이 상기 제2 도체판에 연결된 링 형태의 기판; 상기 기판의 일면에 상기 기판 외곽을 둘러싸도록 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 제1 메타 구조와, 상기 제1 메타 구조와 동일한 면에 상기 제1 메타 구조와 이격되어 형성되며 상기 기판의 내곽을 둘러싸도록 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 제2 메타 구조로 이루어진 수평형 메타 구조; 및 제1 및 제2 단자를 가지며, 상기 제1 및 제2 메타 구조 사이에 상기 제1 및 제2 메타 구조를 따라 상기 기판을 둘러싸도록 형성되며, 상기 제1 및 제2 단자를 통해 전원을 공급하거나 공급받는 전송 선로를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 기판은 단일 기판이거나 다층 기판인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 와이어부는, 일단이 상기 제1 도체판에 연결되고 타단이 상기 제2 도체판에 연결되며, 적어도 2층 이상의 유전체 기판이 적층되도록 최상위 기판과 최하위 기판을 포함하는 링 형태의 다층 기판; 상기 다층 기판 중 최상위 기판의 상면에 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 제1 메타 구조와, 상기 다층 기판 중 최하위 기판의 하면에 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 제2 메타 구조로 이루어진 수직형 메타 구조; 제1 및 제2 단자를 가지며, 상기 최상위 기판과 상기 최하위 기판 사이에 삽입되어 상기 제1 및 제2 메타 구조를 따라 상기 기판을 둘러싸도록 형성되며, 상기 제1 및 제2 단자를 통해 전원을 공급하거나 공급받는 전송 선로; 및 상기 다수의 메타 셀과 상기 전송 선로를 전기적으로 연결하기 위해 상기 다층 기판을 수직으로 관통하는 다수의 비아홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 수직형 메타 구조에서, 상기 전송 선로의 폭이 상기 제1 및 제2 메타 구조 폭과 동일하거나 큰 경우 공진 주파수에서 직렬 공진인 것을 특징으로 한다.
또한, 수직형 메타 구조에서, 상기 전송 선로의 폭이 상기 제1 및 제2 메타 구조 폭보다 작은 경우 공진 주파수에서 병렬 공진인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다수의 비아홀은, 상기 제1 메타 구조를 이루는 다수의 메타 셀과 상기 전송 선로를 전기적으로 연결하기 위해 상기 다층 기판을 수직으로 관통하는 다수의 제1 비아홀; 및 상기 제2 메타 구조를 이루는 다수의 메타 셀과 상기 전송 선로를 전기적으로 연결하기 위해 상기 다층 기판을 수직으로 관통하는 다수의 제2 비아홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고, 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 의하면, 본 발명의 무선 에너지 전송 구조체는 메타 구조를 형성함으로써 소형이면서 동일한 전력에서 전송 거리 및 전송 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 무선 에너지 전송 구조체는 전송 라인의 폭에 따른 직병렬 공진 특성을 변환하는 것이 가능하므로, 필요로 하는 공진 주파수에서 동작하는 무선 에너지 전송 구조체를 제작하는 것이 용이하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 사시도이다.
도 2는 도 1의 일부를 확대한 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 등가 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시에에 따른 무선 에너지 전송 구조체에서의 동작 주파수와 전송 거리에 따른 이득 곡선(S21)을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 전송 거리에 따른 전송 효율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 사시도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 A-A'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 등가 회로도이다.
도 9 내지 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 메타 구조 폭과 전송 선로 폭에 따른 직병렬 공진 변환 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 사시도이고, 도 2는 도 1의 일부를 확대한 부분 확대도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(100)는 소정 간격 이격된 제1 및 제2 도체판과, 상기 두 도체판 사이에 삽입된 유전 물질로 이루어진 디스크부(140)와, 상기 디스크부(140)의 양단에 연결되며 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 링 형태의 와이어부(180)로 구성된다.
디스크부(140)는 자기장 기반의 LC 공진에 있어 캐패시터(C) 역할을 하는 것으로,서로 대응되도록 이격된 제1 및 제2 도체판(110, 120)과 상기 제1 및 제2 도체판(110, 120) 사이에 삽입된 유전 물질(130)로 구성되며, 전원이 인가되면 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 전계가 발생된다.
상기 제1 및 제2 도체판(110, 120)은 일반적으로 원형 또는 사각 형태이나 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 도체판(110, 120)은 동일한 반지름의 길이에서 원형보다 더 넓은 면적으로 인해 더 큰 값의 캐패시턴스를 획득할 수 있고 제작이 더 용이한 사각 형태인 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 도체판(110, 120) 사이에 삽입된 유전 물질(130)로는 공기 또는 소정의 유전률(ε)을 갖는 별도의 유전체가 사용된다.
이러한 디스크부(140)는 상기 제1 및 제2 도체판(110, 120)의 크기, 간격(D) 및 상기 유전 물질(130)의 유전율(ε)에 따라 디스크부(140)에서 발생되는 전계의 크기가 결정된다.
와이어부(180)는 자기장 기반의 LC 공진에 있어 인덕터(L) 역할을 하는 것으로, 상기 디스크부(140)의 양단에 연결된 링 형태의 또는 다층 기판(150), 상기 기판(150)에 형성된 메타 구조(160) 및 전원을 공급하거나 공급받기 위한 전송 선로(170)로 구성된다.
상기 기판(150)은 일단이 상기 제1 도체판(110)에 연결되고 타탄이 상기 제2 도체판(120)에 연결된 링 형태의 단일 또는 다층 기판이다.
상기 기판(150)에 형성된 메타 구조(160)는 하나의 메타 셀(Meta-Cell)이 반복 배열되어 다수의 메타 셀들로 이루어진 물리적 구조이다. 상기 메타 구조(160)는 상기 기판(150) 상에 소정의 금속 패턴으로 형성된다.
본 발명의 제1 실시예에서는 내부 링과 외부 링으로 형성되며 상기 내부 링의 갭(gap)과 상기 외부 링의 갭이 상반되게 위치하도록 형성된 메타 셀(도 2의 A에서 빗금친 부분)을 사용하였고, 후술될 본 발명의 제2 실시예에서는 제1 실시예에서와 반대로 음각된 부분의 형태(도 2의 A에서 흰색 부분)를 메타 셀로 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 원하는 공진 주파수에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다.
상기 전송 선로(170)는 전원을 공급하거나 공급받는 곳으로, 제1 단자(171) 및 제2 단자(172)를 가지며, 상기 메타 구조(160)를 따라 상기 기판(150)을 둘러싸도록 형성된다.
이러한 전송 선로(170)의 제1 및 제2 단자에 전원(미도시)이 연결되어 전원이 인가되면 상기 전송 선로(170)에 전류가 흐르게 된다. 상기 전송 선로(170)를 통해 상기 디스크부(140)에 전류가 인가되면 전계(electric field)가 발생되고, 상기 전계에 의해 상기 와이어부(180)의 메타 구조로부터 자계(magnetic field)가 유도된다.
이렇게 유도된 자계가 무선 에너지 송수신 장치 사이의 공간에 에너지를 전송하는 매개체가 된다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서의 상기 메타 구조(160)는 상기 기판(150)의 일면에만 형성된다.
구체적으로, 상기 메타 구조(160)는 상기 기판(150)의 일면에 상기 기판(150) 외곽을 둘러싸도록 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 제1 메타 구조(160a)와, 상기 제1 메타 구조(160a)와 동일한 면에 상기 제1 메타 구조와 이격되어 형성되며 상기 기판(150)의 내곽을 둘러싸도록 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 제2 메타 구조(160b)로 이루어진 수평형 메타 구조이다.
그리고, 상기 전송 선로(170)는 제1 및 제2 단자(171, 172)를 가지며, 상기 제1 메타 구조(160a)와 상기 제2 메타 구조(160b) 사이에 상기 제1 및 제2 메타 구조(160a, 160b)를 따라 상기 기판(150)을 둘러싸도록 형성되며, 상기 제1 및 제2 단자(171, 172)를 통해 전원을 공급하거나 공급받는다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 등가 회로도이다.
도 3에서, C1은 메타 셀의 외부 링의 갭 부분의 캐패시턴스이고, L1은 메타 셀의 외부 링의 인덕턴스이다. 그리고, C2은 메타 셀의 내부 링의 갭 부분의 캐패시턴스이고, L2는 메타 셀의 내부 링의 인덕턴스이다. Cm은 메타 셀의 외부 링과 내부 링 사이의 상호(mutual) 캐패시턴스이고, Cc는 메타 셀과 전력 선로 사이의 커플링 캐패시턴스이다. Cs는 전송 선로(170)의 커패시턴스이고, Ls는 전송 선로(170)의 인덕터이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(100)는 전송 선로(170)와 전송 선로(170) 양쪽으로 배열된 제1 및 제2 메타 구조(160a, 160b)에 의해 다수의 캐패시터와 인덕턴스가 직병렬로 연결된 것처럼 작용한다.
이 때문에, 상기 디스크부(140)와 와이어부(180)의 크기를 작게 하여도 상기 메타 구조(160)에 의해 동일한 전력에서 종래 무선 에너지 전송 구조체 전계와 자계의 크기를 크게 하는 것이 가능하다.
이렇게, 상기 전계와 자계의 크기에 따라 형성된 자기장 기반의 LC 공진에 의해 에너지를 무선으로 송수신하게 된다.
도 4는 본 발명의 제1 실시에에 따른 무선 에너지 전송 구조체에서의 동작 주파수와 전송 거리에 따른 이득 곡선(S21)을 나타내는 그래프이다.
이때, 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(100)의 설계 치수는 다음과 같다.
제1 및 제2 도체판(110, 120)의 반지름(r)은 10mm이고, 상기 제1 및 제2 도체판 사이의 거리(d1)는 0.28mm이다. 상기 제1 및 제2 도체판(110, 120) 사이에 삽입된 유전체(130)의 유전율(ε1)은 9.2이다.
또한, 와이어부(180)의 지름(R)은 100mm이고, 상기 와이어부(180)에 사용된 기판(150)의 유전율(ε2)은 4.4이며, 상기 기판(150)의 두께는 2.0mm이다.
그리고, 상기 기판(150)의 일면에 형성된 제1 및 제2 메타 구조(160a, 160b)와 전송 선로(170) 사이의 간격(d2)은 0.2mm이며, 메타 셀과 메타 셀 사이의 간격(d2) 및 메타 셀의 외부 링과 내부 링 상의 간격 또한 0.2mm로 동일하게 형성되어 있다.
상술한 바와 같이 설계된 무선 에너지 전송 구조체(100)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 0.9 내지 1.5m의 전송 거리에서 약 168MHz 내지 174 MHz 사이의 주파수에서 최고 이득을 획득한 것을 알 수 있다. 따라서, 상기와 같이 설계된 무선 에너지 전송 구조체(100)는 약 168MHz 내지 174 MHz 사이의 공진 주파수를 갖는다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 전송 거리에 따른 전송 효율을 나타내는 그래프이다.
이때, 사용된 무선 에너지 전송 구조체(100)는 도 4와 동일하게 설계되며, 약 168MHz 내지 174MHz의 공진 주파수에서 1W의 전력을 상기 무선 에너지 전송 구조체(100)를 이용한 무선 에너지 송신 장치에 인가했을 때의 전송 거리에 따른 전송 효율을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 약 168MHz 내지 174MHz의 공진 주파수에서 전송 거리가 0.9m일 경우의 전송 효율(a 지점)은 약 88%이고, 1.2m일 경우의 전송 효율(b 지점)은 약 82% 이며, 1.5m일 경우의 전송 효율(c 지점)은 약 62%이다.
이와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체를 무선 에너지 송수신 장치에 사용하면 전송 거리에 따라 전송 효율은 다소 떨어지나, 약 1.2m 이내에서 전송 효율이 80% 이상으로, 전송 효율이 약 60%인 종래 무선 에너지 전송 구조체에 비해 전송 거리에 따른 전송 효율이 훨씬 개선되었음을 알 수 있다.
또한, 종래 무선 에너지 전송 구조체는 약 500mm 정도인 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(100)는 그 크기가 약 100mm로 소형화가 가능하다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 사시도이고, 도 7은 도 6에 나타낸 A-A'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(200)는 소정 간격 이격된 제1 및 제2 도체판과, 상기 두 도체판 사이에 삽입된 유전 물질로 이루어진 디스크부(240)와, 상기 디스크부(240)의 양단에 연결되며 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 링 형태의 와이어부 (290)로 구성된다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(200)의 디스크부(240)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(100)의 디스크부(140)와 동일하므로, 구성요소에 대한 상세 설명은 상술한 것으로 대체하기로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 와이어부(290)는, 기판(150)의 일면에만 메타 구조(160)가 형성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 와이어부(180)와 달리, 다층 기판(250)의 양면(상하)에 메타 구조(260)가 형성된다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 와이어부(290)는 자기장 기반의 LC 공진에 있어 인덕터(L) 역할을 하는 것으로, 상기 디스크부(240)의 양단에 연결된 링 형태의 다층 기판(250), 상기 다층 기판(250)의 상하면에 형성된 메타 구조(260), 전원을 공급하거나 공급받기 위한 전송 선로(270) 및 상기 메타 구조(260)와 전송 선로를 전기적으로 연결하기 위한 다수의 비아홀(280)로 구성된다.
상기 다층 기판(250)은 일단이 상기 제1 도체판(210)에 연결되고 타단이 상기 제2 도체판(220)에 연결되며, 적어도 2층 이상의 유전체 기판이 적층되도록 최상위 기판(250a)과 최하위 기판(250b)을 포함하는 링 형태의 다층 기판이다.
이러한 상기 다층 기판(250)의 최상위 기판(250a)과 최하위 기판(250b)은 상기 메타 구조(260)가 각각 형성된다.
구체적으로, 상기 메타 구조(260)는 상기 다층 기판(250) 중 최상위 기판(250a)의 상면에 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 제1 메타 구조(260a)와, 상기 다층 기판(250) 중 최하위 기판(250b)의 하면에 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 제2 메타 구조(260b)로 이루어진 수직형 메타 구조이다.
상기 전송 선로(270)는 전원을 공급하거나 공급받는 곳으로, 제1 단자(271) 및 제2 단자(272)를 가지며, 상기 제1 기판(250a)과 상기 제2 기판(260b) 사이에 삽입되어 상기 수직형 메타 구조(260)를 따라 상기 다층 기판(250)을 둘러싸도록 형성된다.
또한, 상기 전송 선로(270)는 그 폭(W2)에 따라 직렬 공진 또는 병렬 공진으로 변환되는데, 이에 대한 설명은 도 9 내지 12를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
상기 비아홀(280)은 다수의 메타 셀과 상기 전송 선로(270)를 전기적으로 연결하기 위해 상기 다층 기판(250)을 수직으로 관통하는 다수의 비아홀(280)을 포함한다.
구체적으로, 상기 다수의 비아홀(280)은 상기 제1 메타 구조(260a)를 이루는 다수의 메타 셀과 상기 전송 선로(270)를 전기적으로 연결하기 위해 상기 다층 기판(250)을 수직으로 관통하는 다수의 제1 비아홀(280a), 및 상기 제2 메타 구조(260b)를 이루는 다수의 메타 셀과 상기 전송 선로(270)를 전기적으로 연결하기 위해 상기 다층 기판(250)을 수직으로 관통하는 다수의 제2 비아홀(280b)을 포함한다.
본 발명의 제1 실시예에서와 마찬가지로, 상기 전송 선로(270)의 제1 및 제2 단자(271, 272)에 전원(미도시)이 연결되어 전원이 인가되면 상기 전송 선로(270)에 전류가 흐르게 된다. 상기 전송 선로(270)를 통해 상기 디스크부(240)에 전류가 인가되면 전계(electric field)가 발생되고, 상기 전계에 의해 상기 와이어부(290)의 메타 구조(260)로부터 자계(magnetic field)가 유도된다.
이렇게 유도된 자계가 무선 에너지 송수신 장치 사이의 공간에 에너지를 전송하는 매개체가 된다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 등가 회로도이다.
도 8에서, Lse는 직렬 인덕턴스이고, Lsh는 병렬 인덕턴스이며, Csh는 병렬 캐패시턴스이다. 그리고, LSRR은 메타 셀에 의한 인덕턴스이고, CSRR은 메타 셀에 의한 캐패시턴스이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(200)는 전송 선로(270)와 다층 기판(250)의 상하면에 배열된 제1 및 제2 메타 구조(260a, 260b)에 의해 다수의 캐패시터와 인덕턴스가 직병렬로 연결된 것처럼 작용한다.
이 때문에, 상기 디스크부(240)와 와이어부(290)의 크기를 작게 하여도 상기 메타 구조(260)에 의해 동일한 전력에서 종래 무선 에너지 전송 구조체 전계와 자계의 크기를 크게 하는 것이 가능하다.
이렇게, 상기 전계와 자계의 크기에 따라 형성된 자기장 기반의 LC 공진에 의해 에너지를 무선으로 송수신하게 된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(200)는 메타 구조 폭(W1)의 변화없이 전송 선로 폭(W2)을 변화시켜 직병렬 공진 특성을 변화시킬 수 있다.
도 9 내지 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 메타 구조 폭과 전송 선로 폭에 따른 직병렬 공진 변환 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 12에 사용된 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(200)의 설계 치수는 다음과 같다.
제1 및 제2 도체판(210, 220)의 반지름(r)은 20mm이고, 상기 제1 및 제2 도체판 사이의 거리(d1)는 0.28mm이다. 상기 제1 및 제2 도체판(210, 220) 사이에 삽입된 유전체(230)의 유전율(ε1)은 9.2이다.
또한, 와이어부(290)의 지름(R)은 100mm이고, 상기 와이어부(290)에 사용된 다층 기판(250)의 유전율(ε2)은 4.4이며, 상기 다층 기판(250)의 두께는 2.0mm이다.
그리고, 상기 메타 구조(260)를 형성하는 메타 셀과 메타 셀 사이의 간격(d2) 및 메타 셀의 외부 링과 내부 링 상의 간격 또한 0.2mm로 동일하게 형성되어 있다.
상술한 바와 같이 설계된 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(200)는 도 9에 도시된 것처럼 전송 선로 폭(W2)과 메타 구조 폭(W1)이 동일한 경우(W2 = W1), 도 10에 도시된 바와 같은 주파수에 따른 이득 곡선을 얻을 수 있다.
도 10의 이득 곡선은 공진 주파수(약 250MHz 내지 300MHz)에서 이득 곡선이 최고인 직렬 공진 특성 그래프이다.
도시하지 않았으나, 상기 전송 선로 폭(W2)이 상기 메타 구조 폭(W1)보다 큰 경우(W2 > W1)에도 도 10과 유사한 직렬 공진 특성 그래프가 나타난다.
또한, 도 11에 도시된 것처럼, 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(200)의 전송 선로 폭(W2)이 메타 구조 폭(W1)보다 작은 경우(W2 < W1), 도 12에 도시된 바와 같은 주파수에 따른 이득 곡선을 얻을 수 있다.
도 11의 이득 곡선은 공진 주파수(약 250MHz 내지 300MHz)에서 이득 곡선이 최저인 병렬 공진 특성 그래프이다.
도 9 내지 10에 상술한 바와 같이, 직병렬 공진 변환을 통해 원하는 대역의 공진 주파수를 획득하도록 상기 전송 선로 폭(W2)을 조절하여 설계하는 것이 가능하다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(100, 200)를 무선 에너지 송수신 장치에 적용하면, 메타 구조(160, 260)에 의한 캐패시턴스와 인덕턴스로 인해 전송 거리와 전송 효율이 크게 향상되고, 구조체의 크기에 파장이 영향을 받지 않으므로 크기를 소형화하는 것이 가능해진다.
또한, 메타 셀의 크기와 위치를 변화시키지 않고 전송 라인의 폭을 조절함으로써 공진 주파수에서의 직병렬 공진 변환이 가능하고, 제작이 용이하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200: 무선 에너지 전송 구조체 110, 210: 제1 도체판
120, 220: 제2 도체판 130, 230: 유전 물질
140, 240: 디스크부 150, 250: 기판
160, 260: 메타 구조 170, 270: 전송 선로
180, 290: 와이어부 280: 비아홀

Claims (8)

  1. 서로 대응되도록 이격된 제1 및 제2 도체판과 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 삽입된 유전 물질로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 전계를 발생시키는 디스크부; 및
    일단이 상기 제1 도체판에 연결되고 타단이 상기 제2 도체판에 연결되며, 상기 전계에 의해 자계가 유도되도록 다수의 메타 셀이 반복 배열된 메타 구조가 형성된 링 형태의 와이어부를 포함하는 무선 에너지 전송 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 와이어부는,
    일단이 상기 제1 도체판에 연결되고 타단이 상기 제2 도체판에 연결된 링 형태의 기판;
    상기 기판의 일면에 상기 기판 외곽을 둘러싸도록 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 제1 메타 구조와, 상기 제1 메타 구조와 동일한 면에 상기 제1 메타 구조와 이격되어 형성되며 상기 기판의 내곽을 둘러싸도록 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 제2 메타 구조로 이루어진 수평형 메타 구조; 및
    제1 및 제2 단자를 가지며, 상기 제1 및 제2 메타 구조 사이에 상기 제1 및 제2 메타 구조를 따라 상기 기판을 둘러싸도록 형성되며, 상기 제1 및 제2 단자를 통해 전원을 공급하거나 공급받는 전송 선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송 구조체.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 기판은 단일 기판인 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송 구조체.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 기판은 다층 기판인 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송 구조체.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 와이어부는,
    일단이 상기 제1 도체판에 연결되고 타단이 상기 제2 도체판에 연결되며, 적어도 2층 이상의 유전체 기판이 적층되도록 최상위 기판과 최하위 기판을 포함하는 링 형태의 다층 기판;
    상기 다층 기판 중 최상위 기판의 상면에 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 제1 메타 구조와, 상기 다층 기판 중 최하위 기판의 하면에 다수의 메타 셀이 반복되게 형성된 제2 메타 구조로 이루어진 수직형 메타 구조;
    제1 및 제2 단자를 가지며, 상기 최상위 기판과 상기 최하위 기판 사이에 삽입되어 상기 제1 및 제2 메타 구조를 따라 상기 기판을 둘러싸도록 형성되며, 상기 제1 및 제2 단자를 통해 전원을 공급하거나 공급받는 전송 선로;
    상기 다수의 메타 셀과 상기 전송 선로를 전기적으로 연결하기 위해 상기 다층기판을 수직으로 관통하는 다수의 비아홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송 구조체.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 전송 선로의 폭이 상기 제1 및 제2 메타 구조 폭과 동일하거나 큰 경우 공진 주파수에서 직렬 공진인 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송 구조체.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 전송 선로의 폭이 상기 제1 및 제2 메타 구조 폭보다 작은 경우 공진 주파수에서 병렬 공진인 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송 구조체.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 다수의 비아홀은,
    상기 제1 메타 구조를 이루는 다수의 메타 셀과 상기 전송 선로를 전기적으로 연결하기 위해 상기 다층 기판을 수직으로 관통하는 다수의 제1 비아홀; 및
    상기 제2 메타 구조를 이루는 다수의 메타 셀과 상기 전송 선로를 전기적으로 연결하기 위해 상기 다층 기판을 수직으로 관통하는 다수의 제2 비아홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송 구조체.
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