KR20110121453A - 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 무선 에너지 송수신 장치에 관한 것으로, 상기 무선 에너지 송수신 장치는, 무선으로 전송할 무선 에너지를 생성하고, 생성된 무선 에너지를 자기 공명 방식에 의해 무선 송신하며, 상기 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 송신하는 무선 에너지 송신부; 및 상기 무선 에너지 송신부로부터 송신된 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 자기 공명 방식에 의해 무선 수신하는 무선 에너지 수신부를 포함함으로써, 크기는 소형화하면서 전송 거리와 전송 효율은 향상된다.

Description

제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치 {Apparatus for transmitting and receiving wireless energy using meta material structure having zero refractive index}
본 발명은 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치에 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 동작되어 사용에 제한을 받고 있다.
이런 문제를 해결하기 위하여 무선으로 전력을 전달하기 위한 많은 기술이 개발되고 있다.
이러한 기술로는, 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 송수신 루프는 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 송수신 루프에서는 전계와 자계의 세기를 크게 하기 위해선 상기 디스크부와 와이어부의 크기를 증가시켜야만 하므로, 실제 무선 에너지 송수신 장치에 적용하는 것이 적합하지 않았다.
또한, 상기 무선 에너지 송신 루프에서 발생된 무선 에너지는 방사상으로 퍼져 송신되므로, 에너지 전송 시 상기 무선 에너지 송신 루프의 옆과 뒤로 퍼지는 무선 에너지만큼의 손실이 발생된다.
따라서, 실제 무선 에너지 송수신 장치에 적용할 수 있도록 소형이면서 전송거리와 전송효율을 향상시킬 수 있는 무선 에너지 송수신 장치에 대한 요구가 대두된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 크기는 소형화하면서 전송 거리와 전송 효율은 향상시키는 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치는, 외부로부터 전원이 인가되면 무선으로 전송할 무선 에너지를 생성하고, 생성된 무선 에너지를 송신 시 방사상으로 퍼지는 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 자기 공명 방식에 의해 무선 송신하는 무선 에너지 송신부; 및 상기 무선 에너지 송신부로부터 송신된 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 자기 공명 방식에 의해 무선 수신하는 무선 에너지 수신부를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 무선 에너지 송신부는, 외부로부터 전원이 인가되면 인덕터(L)와 캐패시터(C)에 의한 공진 주파수를 사용하여 무선 에너지를 생성하고, 상기 무선 에너지를 자기 공명 방식에 의해 무선 송신하는 무선 송신 루프; 및 상기 무선 송신 경로 상에 설치되어 무선 송신 시 방사상으로 퍼지는 상기 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 송신하는 제로 굴절률을 갖는 무선 송신 메타 구조체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무선 송신 루프는, 서로 대응되도록 이격된 제1 및 제2 도체판과 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 삽입된 유전 물질로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 전계가 유도되도록 캐패시터 기능을 하는 디스크부; 및 일단이 상기 제1 도체판에 연결되고 타단이 상기 제2 도체판에 연결되며, 상기 전계에 의해 자계가 유도되도록 인덕터 기능을 하는 링 형태의 와이어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 와이어부는 전원을 연결하기 위한 제1 및 제2 단자를 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 단자를 통해 전원이 인가되면 상기 와이어부에 전류가 흘러 상기 디스크부에 전계가 발생되고, 상기 전계에 의해 상기 와이어부에 자계가 유도되어 자기 공명 방식으로 무선 에너지를 송신하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무선 송신 메타 구조체는,상기 무선 송신 루프의 지름보다 큰 지름을 갖는 기판; 상기 기판상에 분할 링 공진 패턴으로 이루어진 메타 셀이 반복 배열되어 형성된 메타 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메타 구조는, 하나 이상의 분할 링 공진기 형태의 금속 박막으로 형성되며, 대칭성을 갖도록 상기 기판의 상하면에 동일하게 반복 형성된 다수의 제1 메타 셀; 및 하나의 분할 링 공진기 형태의 금속 박막으로 형성되며, 지향성을 갖도록 상기 분할 링 공진기 형태의 금속 박막의 갭 방향이 동일하도록 상기 기판의 측면에 반복 형성된 다수의 제2 메타 셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 무선 에너지 수신부는, 상기 무선 에너지 송신부로부터 송신된 무선 에너지를 인덕터(L)와 캐패시터(C)에 의한 공진 주파수를 사용하여 자기 공명 방식에 의해 무선 수신하는 무선 수신 루프; 및 상기 무선 수신 경로 상에 설치되어 상기 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 수신하는 제로 굴절률을 갖는 무선 수신 메타 구조체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무선 수신 루프는, 서로 대응되도록 이격된 제1 및 제2 도체판과 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 삽입된 유전 물질로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 전계가 유도되도록 캐패시터 기능을 하는 디스크부; 및 일단이 상기 제1 도체판에 연결되고 타단이 상기 제2 도체판에 연결되며, 상기 전계에 의해 자계가 유도되도록 인덕터 기능을 하는 링 형태의 와이어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 와이어부는 부하 장치를 연결하기 위한 제1 및 제2 단자를 더 포함하며, 상기 무선 에너지 송신부로부터 자기 공명 방식으로 무선 에너지를 수신하면, 상기 디스크부에 전계가 유도되고, 상기 전계에 의해 상기 와이어부에 자계가 유도되며, 상기 자계에 의해 상기 와이어부에 전류가 흘러 상기 부하 장치에 상기 무선 에너지가 공급되거나 충전되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무선 수신 메타 구조체는, 상기 무선 수신 루프의 지름보다 큰 지름을 갖는 기판; 상기 기판상에 분할 링 공진 패턴으로 이루어진 메타 셀이 반복 배열되어 형성된 메타 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메타 구조는, 하나 이상의 분할 링 공진기 형태의 금속 박막으로 형성되며, 대칭성을 갖도록 상기 기판의 상하면에 동일하게 반복 형성된 다수의 제1 메타 셀; 및 하나의 분할 링 공진기 형태의 금속 박막으로 형성되며, 지향성을 갖도록 상기 분할 링 공진기 형태의 금속 박막의 갭 방향이 동일하도록 상기 기판의 측면에 반복 형성된 다수의 제2 메타 셀을 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 송수신 장치는 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용함으로써 소형이면서 동일한 전력에서 전송 거리 및 전송 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 무선 에너지 송수신 장치는 종래 구성에 대한 별도의 변경 없이 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 추가 설치하는 용이한 구성으로 높은 공진 특성을 갖도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 무선 에너지 송수신 장치의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 송신 메타 구조체의 기능을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 송수신 메타 구조체의 제1 메타 구조의 단위 메타 셀의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 송수신 메타 구조체의 제2 메타 구조의 단위 메타 셀의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치에서 동작 주파수에 따른 이득 곡선을 나타내는 시뮬레이션 그래프이다.
도 7은 도 6에서 무선 송수신 메타 구조체가 없는 종래 무선 에너지 송수신 장치에서 동작 주파수에 따른 이득 곡선을 나타내는 시뮬레이션 그래프이다.
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 바람직한 실시 예에 따른 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치의 개략적인 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 무선 에너지 송수신 장치의 상면도이다.
도 1과 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치(1000)는 무선 에너지 송신부(100) 및 무선 에너지 수신부(200)를 포함하여 구성된다.
상기 무선 에너지 송신부(100)는 외부로부터 전원(미도시)이 인가되면 무선으로 전송할 무선 에너지를 생성하고, 생성된 무선 에너지를 자기 공명 방식에 의해 무선 송신하며, 상기 무선 송신 시 방사상으로 퍼지는 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 송신한다.
상기 무선 에너지 수신부(200)는 상기 무선 에너지 송신부(100)로부터 송신된 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 자기 공명 방식에 의해 무선 수신한다.
먼저, 상기 무선 에너지 송신부(100)를 살펴보면, 상기 무선 에너지 송신부(100)는 무선 송신 루프(110)와 무선 송신 메타 구조체(120)로 구성된다.
상기 무선 송신 루프(110)는 외부로부터 전원이 인가되면 인덕터(L)와 캐패시터(C)에 의한 공진 주파수를 사용하여 무선 에너지를 생성하고, 상기 무선 에너지를 자기 공명 방식에 의해 송신한다.
상기 무선 송신 메타 구조체(120)는 제로 굴절률을 갖고 있으며, 상기 무선 송신 루프(110)로부터 무선 에너지가 송신되는 송신 경로 상에 설치되어 무선 송신 시 방사상으로 퍼지는 상기 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 송신한다.
보다 자세하게, 상기 무선 송신 루프(110)는 디스크부(111)와 상기 디스크부(111) 양단에 연결된 링 형태의 와이어부(112)로 구성된다.
상기 디스크부(111)는 자기장 기반의 LC 공진에 있어 캐패시터(C) 역할을 하는 것으로, 서로 대응되도록 이격된 제1 및 제2 도체판(111a, 111b)과 상기 제1 및 제2 도체판(111a, 111b) 사이에 삽입된 유전 물질(111c)로 구성되며, 상기 와이어부(112)에 형성된 입출력 단자를 통해 전원이 인가되면 상기 제1 및 제2 도체판(111a, 111b) 사이에 전계가 발생된다.
상기 제1 및 제2 도체판(111a, 111b)은 일반적으로 원형 또는 사각 형태이나 이에 한정되는 것은 아니다.
그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 도체판(111a, 111b)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(111a, 111b) 사이에 삽입된 유전 물질(111c)은 공기 또는 소정의 유전률(ε)을 갖는 별도의 유전체가 사용된다.
이러한 디스크부(111)는 상기 제1 및 제2 도체판(111a, 111b)의 크기, 간격 및 상기 유전 물질(111c)의 유전율(ε)에 따라 상기 디스크부(111)에서 발생되는 전계의 크기가 결정된다.
와이어부(112)는 자기장 기반의 LC 공진에 있어 인덕터(L) 역할을 하는 것으로, 상기 와이어부(112)는 일단이 상기 제1 도체판(111a)에 연결되고 타단이 상기 제2 도체판(111b)에 연결된 링 형태의 와이어로 형성된다.
이때, 상기 제1 및 제2 도체판(111a, 111b)이 연결된 와이어부(112)의 양단 사이에 상기 디스크부(111) 대신 공진 주파수를 가변 또는 보상하기 위한 캐패시터 또는 가변 캐패시터가 연결될 수도 있다.
또한, 상기 와이어부(112)는 제1 및 제2 단자(112a, 112b)를 가지며, 상기 제1 및 제2 단자(112a, 112b)를 통해 전원을 공급한다.
이러한 와이어부(112)의 제1 및 제2 단자(112a, 112b)에 전원(미도시)이 연결되어 전원이 인가되면 상기 와이어부(112)에 전류가 흐르게 된다.
상기 와이어부(112) 통해 상기 디스크부(111)에 전류가 인가되면 전계(electric field)가 발생되고, 상기 전계에 의해 상기 와이어부(112)로부터 자계(magnetic field)가 유도된다.
이렇게 유도된 자계가 무선 에너지 송수신 장치(1000) 사이의 공간에 에너지를 무선으로 전송하는 매개체가 된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 송신 메타 구조체의 기능을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 3을 참조하면, 상기 무선 송신 메타 구조체(120)는 제로 굴절률(n)을 갖는 메타 구조체로서, 상기 무선 송신 루프(110)로부터 생성된 방사상으로 퍼지는 자계 에너지가 일정한 방향(이를 테면, 수신부(200)를 향하는 방향)으로 전달되게 하는 것으로, 상기 무선 송신 루프(110)로부터 무선 에너지가 송신되는 송신 경로 상에 설치된다.
여기서, 상기 무선 송신 메타 구조체(120)가 방사상으로 퍼지는 자계 에너지(source)를 일정한 방향으로 전달되게 하려면, 상기 무선 송신 메타 구조체(120)의 굴절률(n)이 제로(zero)가 되어야 한다.
본 발명에서, '굴절률(n)이 제로'라는 것은 방사상으로 입사된 모든 자계 에너지가 입사된 면에 수직으로 굴절되는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명에 따른 무선 송신부(100)는 상기 무선 송신 메타 구조체(120)를 통해 상기 무선 송신 루프(110)에서 생성된 자계 에너지를 수신부(200)로 한 방향으로 집중된 상태로 전달할 수 있으며, 이로써 무선 에너지 전송 효율을 향상시킨다.
이러한 무선 송신 메타 구조체(120)는 기판(121) 및 상기 기판(121)상에 분할 링 공진 패턴으로 이루어진 메타 물질 구조의 단위 셀(이하 '메타 셀'이라 칭함)(122)이 반복 배열되어 형성된 메타 구조를 포함하여 구성된다.
상기 메타 셀(122)은 그 크기, 간격 및 형태에 제한은 없으나, 상기 무선 송신 메타 구조체(120)의 굴절률(n)이 제로가 되도록 형성된다.
일반적으로, 굴절률(n)은 다음과 같이 나타낸다:
Figure pat00001
(1)
여기서, eeff는 상기 무선 송신 메타 구조체(120)의 유효 유전율이고, meff는 상기 무선 송신 메타 구조체(120)의 유효 투자율이다.
또한, 상기 유효 유전율(eeff)은 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure pat00002
(2)
여기서, Wp는 상기 무선 송신 메타 구조체(120)의 플라즈마 주파수이고, W는 상기 무선 송신 메타 구조체(120)의 공진 주파수이다.
굴절률(n)을 제로로 만들기 위해서, 식 (2)를 식(1)에 대입하면,
Figure pat00003
되어야 한다.
따라서, 본 발명의 무선 송신 메타 구조체(120)는 상기 기판(121)상에 메타 셀(122)을 반복 배열하여 형성할 시, 상기 무선 송신 메타 구조체(120)의 플라즈마 주파수(Wp)와 공진 주파수(W)가 같게 되도록 상기 메타 셀의 크기, 간격 및 형태를 조절하여 형성한다.
상기 메타 셀(122)이 반복 배열되어 형성된 메타 물질 구조에 대한 설명은 도 4와 5를 참조하여 아래에 상세히 설명하기로 한다.
또한, 상기 무선 송신 메타 구조체(120)의 지름(R)은 무선 송신 루프(110)로부터 발생된 방사상으로 퍼지는 에너지를 가능한 한 모두 수용할 수 있도록 상기 무선 송신 루프(110)의 지름(r)보다 큰 것이 바람직하다(도 2 참조).
한편, 상기 무선 에너지 수신부(200)를 살펴보면, 상기 무선 에너지 수신부(200)는 무선 수신 루프(210)와 무선 수신 메타 구조체(220)로 구성된다.
상기 무선 수신 루프(210)는 상기 무선 에너지 송신부(100)로부터 송신된 무선 에너지를 인덕터(L)와 캐패시터(C)에 의한 공진 주파수를 사용하여 자기 공명 방식에 의해 수신한다.
상기 무선 수신 메타 구조체(220)는 제로 굴절률을 가지며, 상기 송신부(100)로부터 무선 에너지가 수신되는 수신 경로 상에 설치되어 상기 무선 에너지를 한 방향으로 집중시킨다.
여기서, 상기 무선 수신 루프(210)는 상기 무선 송신 루프(110)와 동일한 구성요소로 구성되고, 상기 무선 수신 메타 구조체(220)는 상기 무선 송신 메타 구조체(120)와 동일한 구성요소로 구성되므로, 각 구성요소에 대한 상세 설명은 상술한 것으로 대체하기로 한다.
다만, 상기 무선 송신 루프(110)의 와이어부(112)에 형성된 제1 및 제2 단자(112a, 112b)에는 전원이 연결되는데 반해, 상기 무선 수신부(200)에서는 상기 무선 수신 루프(210)의 와이어부(212)에 형성된 제1 및 제2 단자(미도시)에 전력 소모 장치 또는 충전기와 같은 소정의 부하 장치(미도시)가 연결된다. 이때, 상기 부하 장치(미도시)에서는 상기 무선 송신부(100)로부터 전달된 자계 에너지(이를 테면, 무선 에너지)를 소모하거나 충전한다.
즉, 상기 무선 수신부(200)에서 상기 무선 송신부(100)로부터 전송된 자계 에너지를 수신하기 위해는, 상기 무선 에너지 송신부(100)에서 무선 에너지를 송신하는 과정과 반대로, 상기 무선 수신 메타 구조체(220)가 자계 에너지를 수신하고, 그 후 상기 자계에 의해 상기 무선 수신 루프(210)에 전류가 흐르게 됨으로써 상기 부하 장치에 전력을 공급하거나 충전할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 송수신 메타 구조체에 형성된 메타 셀의 일례를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 송수신 메타 구조체에 형성된 또 다른 메타 셀의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 무선 송수신 메타 구조체(120, 220)의 기판(121, 221)의 상하면에 형성된 메타 셀(이하 '제1 메타 셀'이라 칭함)(122a, 122b 또는 222a, 222b)은 동일한 모양과 크기의 분할 링 공진기 형태의 금속 박막(SRR) 두 개가 각각의 갭(gap; D1) 부분이 서로 마주보는 형태로 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 송수신 메타 구조체(120, 220)는 여기에 사용된 기판(121, 221)의 상면 및 하면 전체에 이러한 상기 제1 메타 셀(122a, 122b 또는 222a, 222b)이 반복되게 형성되고, 송신측과 수신측이 대칭성을 갖도록 상기 기판(121, 221)의 상면 및 하면에 동일하게 형성된다.
도 5를 참조하면, 상기 무선 송수신 메타 구조체(120, 220)의 기판(121, 221)의 측면에 형성된 메타 셀(이하 '제2 메타 셀'이라 칭함)(122c 또는 222c)은 하나의 분할 링 공진기(SRR) 형태의 금속 박막으로 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 송수신 메타 구조체(120, 220)는 상기 기판(121, 221)의 측면 전체에 이러한 상기 제2 메타 셀(122c 또는 222c)이 반복되게 형성된다. 상기 제2 메타 셀(122c 또는 222c) 크기는 상기 기판(121, 221)의 두께에 비례한다.
이때, 상기 제2 메타 셀(122c 또는 222c)의 갭(D2)은 전송 방향에 있어 지향성을 갖도록 모두 동일한 방향을 향하도록 형성되는 것이 바람직하다.
이처럼, 상기 갭(D2)의 방향은 무선 에너지의 전송 방향에 있어서 지향성을 갖게 하는데, 이를 테면, 상기 갭(D2)의 방향이 수신측으로 향할 경우, 송신측에서 수신측으로 상기 무선 에너지를 집중된 상태로 전송할 수 있게 한다.
한편, 도 4와 5를 참조하여 상기 제1 메타 셀 및 상기 제2 메타 셀을 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태의 제1 및 제2 메타 셀로 형성될 수 있음은 물론이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 장치에서 동작 주파수에 따른 이득 곡선을 나타내는 시뮬레이션 그래프이고, 도 7은 도 6에서 무선 송수신 메타 구조체가 없는 종래 무선 에너지 송수신 장치에서 동작 주파수에 따른 이득 곡선을 나타내는 시뮬레이션 그래프이다.
도 6의 시뮬레이션에 사용된 무선 송수신 루프(110, 210)와 무선 송수신 메타 구조체(120, 220)는 동일한 크기와 구조로 설계되며, 이러한 무선 에너지 송신부(100)와 무선 에너지 수신부(200) 사이의 거리, 즉 전송거리는 대략 500㎜이다.
보다 자세하게, 상기 무선 송수신 루프(110, 210)의 지름(r)은 330mm이다. 그리고, 상기 무선 송수신 메타 구조체(120, 220)에 사용된 기판(121, 221)은 가로 및 세로 길이(R)가 434㎜이고, 두께(T)가 30㎜인 정사각형 기판이며, 상기 기판(121, 221)의 유전율(ε)은 2.2이다.
또한, 상기 기판(121, 221)의 상면과 하면에 형성된 제1 메타 셀(122a, 122b 또는 222a, 222b)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 가로 및 세로 길이(A1)가 70㎜인 정사각형의 분할 링 공진기 형태의 금속 박막(SRR) 두 개가 각각의 갭(D1) 부분이 서로 마주보도록 형성된다.
이때, 상기 두 개의 분할 링 공진기 형태의 금속 박막(SRR)의 간격(d)은 2㎜이고, 상기 분할 링 공진기 형태의 금속 박막(SRR)의 폭(W1)은 8㎜이며, 상기 갭(D1)은 5㎜이다.
한편, 상기 기판(121, 221)의 측면에 형성된 제2 메타 셀(122c 또는 222c)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 가로 및 세로 길이(A2)가 24㎜인 정사각형의 분할 링 공진기 형태의 금속 박막(SRR)으로 형성된다.
이때, 이웃하는 분할 링 공진기 형태의 금속 박막(SRR)의 간격 또한 제1 메타 셀(122a, 122b 또는 222a, 222b)에서와 동일하게 2㎜이고, 상기 분할 링 공진기 형태의 금속 박막(SRR)의 폭(W2)은 4㎜이며, 상기 갭(D2)은 4㎜이다.
이렇게 설계된 무선 송수신 메타 구조체(120, 220)를 이용하면, 도 6에 도시된 동작주파수에 따른 이득 곡선을 나타내는 시뮬레이션 그래프를 획득할 수 있다.
도 6을 참조하면, P지점에서 최대 이득을 획득하는 것을 알 수 있다. 이는 P 지점에서의 동작 주파수가 상기 무선 에너지 송수신 장치(1000)의 공진 주파수임을 의미한다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 장치(1000)는 대략 500㎜의 전송 거리에서, 상기 무선 에너지 송수신 장치(1000)의 공진 주파수가 약 13.56MHz 이며, 이때의 최대 이득은 -2.1dB임을 알 수 있다.
상기 공진 주파수에서 상기 무선 에너지 송신부(100)와 무선 에너지 수신부(200) 사이의 전송 효율은 하기 식(3)에 의해 계산된다:
전송 효율(%)=(수신 전계 세기 ⅹ 수신 자계 세기)/(송신 전계 세기 ⅹ 송신 자계 세기) ⅹ100 (3)
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 에너지 송신부(100)에 상기 공진 주파수 13.56MHz에서 1W의 전력을 인가했을 때, 대략 500㎜의 전송 거리에서의 전송 효율을 상기 식(3)을 이용하여 계산하면 약 62% 정도가 된다.
마찬가지로, 제로 굴절률을 갖는 무선 송수신 메타 구조체(120, 220)를 구비하지 않은 종래 무선 송수신 장치의 무선 에너지 송신부에 주파수 13.56 MHz에서 1W의 전력을 인가했을 때, 대략 500㎜의 전송거리에서의 전송 효율을 상기 식(3)을 이용하여 계산하면 약 17%가 된다(도 7 참조).
이처럼, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제로 굴절률을 갖는 무선 에너지 송수신 장치(100)는, 대략 500㎜의 전송거리에서 제로 굴절률을 갖는 무선 송수신 메타 구조체(120, 220)를 구비하지 않은 종래 무선 송수신 장치가 대략 500㎜의 전송거리에서 약 17%의 전송효율을 갖는 것에 비해, 동일한 전송거리에서 전송효율이 상당히 개선되었음을 알 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 에너지 송수신 장치(1000)는 무선 송수신 경로 상에 각각 제로 굴절률을 갖는 무선 송수신 메타 구조체(120, 220)을 설치함으로써, 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 전달하여 전송거리와 전송효율을 향상시키는 것이 가능해진다.
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.
1000: 무선 송수신 장치
100: 무선 에너지 송신부 200: 무선 에너지 수신부
110: 무선 송신 루프 210: 무선 수신 루프
111, 211: 디스크부 112, 212: 와이어부
120: 무선 송신 메타 구조체 220: 무선 수신 메타 구조체
121, 221: 기판
122a, 122b, 222a, 222b: 제1 메타 구조의 단위 메타 셀
122c, 222c: 제2 메타 구조의 단위 메타 셀

Claims (11)

  1. 외부로부터 전원이 인가되면 무선으로 전송할 무선 에너지를 생성하고, 생성된 무선 에너지를 송신 시 방사상으로 퍼지는 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 자기 공명 방식에 의해 무선 송신하는 무선 에너지 송신부; 및
    상기 무선 에너지 송신부로부터 송신된 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 자기 공명 방식에 의해 무선 수신하는 무선 에너지 수신부를 포함하는 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 무선 에너지 송신부는,
    외부로부터 전원이 인가되면 인덕터(L)와 캐패시터(C)에 의한 공진 주파수를 사용하여 무선 에너지를 생성하고, 상기 무선 에너지를 자기 공명 방식에 의해 무선 송신하는 무선 송신 루프; 및
    상기 무선 송신 경로 상에 설치되어 무선 송신 시 방사상으로 퍼지는 상기 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 송신하는 제로 굴절률을 갖는 무선 송신 메타 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 무선 송신 루프는,
    서로 대응되도록 이격된 제1 및 제2 도체판과 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 삽입된 유전 물질로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 전계가 유도되도록 캐패시터 기능을 하는 디스크부; 및
    일단이 상기 제1 도체판에 연결되고 타단이 상기 제2 도체판에 연결되며, 상기 전계에 의해 자계가 유도되도록 인덕터 기능을 하는 링 형태의 와이어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 와이어부는 전원을 연결하기 위한 제1 및 제2 단자를 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 단자를 통해 전원이 인가되면 상기 와이어부에 전류가 흘러 상기 디스크부에 전계가 발생되고, 상기 전계에 의해 상기 와이어부에 자계가 유도되어 자기 공명 방식으로 무선 에너지를 송신하는 것을 특징으로 하는 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 무선 송신 메타 구조체는,상기 무선 송신 루프의 지름보다 큰 지름을 갖는 기판;
    상기 기판상에 분할 링 공진 패턴으로 이루어진 메타 셀이 반복 배열되어 형성된 메타 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 메타 구조는,
    하나 이상의 분할 링 공진기 형태의 금속 박막으로 형성되며, 대칭성을 갖도록 상기 기판의 상하면에 동일하게 반복 형성된 다수의 제1 메타 셀; 및
    하나의 분할 링 공진기 형태의 금속 박막으로 형성되며, 지향성을 갖도록 상기 분할 링 공진기 형태의 금속 박막의 갭 방향이 동일하도록 상기 기판의 측면에 반복 형성된 다수의 제2 메타 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 무선 에너지 수신부는,
    상기 무선 에너지 송신부로부터 송신된 무선 에너지를 인덕터(L)와 캐패시터(C)에 의한 공진 주파수를 사용하여 자기 공명 방식에 의해 무선 수신하는 무선 수신 루프; 및
    상기 무선 수신 경로 상에 설치되어 상기 무선 에너지를 한 방향으로 집중된 상태로 수신하는 제로 굴절률을 갖는 무선 수신 메타 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 무선 수신 루프는,
    서로 대응되도록 이격된 제1 및 제2 도체판과 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 삽입된 유전 물질로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 도체판 사이에 전계가 유도되도록 캐패시터 기능을 하는 디스크부; 및
    일단이 상기 제1 도체판에 연결되고 타단이 상기 제2 도체판에 연결되며, 상기 전계에 의해 자계가 유도되도록 인덕터 기능을 하는 링 형태의 와이어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 와이어부는 부하 장치를 연결하기 위한 제1 및 제2 단자를 더 포함하며, 상기 무선 에너지 송신부로부터 자기 공명 방식으로 무선 에너지를 수신하면, 상기 디스크부에 전계가 유도되고, 상기 전계에 의해 상기 와이어부에 자계가 유도되며, 상기 자계에 의해 상기 와이어부에 전류가 흘러 상기 부하 장치에 상기 무선 에너지가 공급되거나 충전되는 것을 특징으로 하는 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 무선 수신 메타 구조체는,
    상기 무선 수신 루프의 지름보다 큰 지름을 갖는 기판;
    상기 기판상에 분할 링 공진 패턴으로 이루어진 메타 셀이 반복 배열되어 형성된 메타 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 메타 구조는,
    하나 이상의 분할 링 공진기 형태의 금속 박막으로 형성되며, 대칭성을 갖도록 상기 기판의 상하면에 동일하게 반복 형성된 다수의 제1 메타 셀; 및
    하나의 분할 링 공진기 형태의 금속 박막으로 형성되며, 지향성을 갖도록 상기 분할 링 공진기 형태의 금속 박막의 갭 방향이 동일하도록 상기 기판의 측면에 반복 형성된 다수의 제2 메타 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 제로 굴절률을 갖는 메타 구조체를 이용한 무선 에너지 송수신 장치.
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