KR20110131968A - 자기탄성체의 가진을 이용한 무선 충전 방법 및 충전 장치 - Google Patents
자기탄성체의 가진을 이용한 무선 충전 방법 및 충전 장치 Download PDFInfo
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Abstract
목적장비 내의 충전지를 무선으로 충전하는 방법은, 자기장 내에 자기탄성체 및 자기탄성체 주변으로 충전지와 연결된 코일을 배치하는 단계, 자기장을 이용하여 자기탄성체를 가진하는 단계, 자기탄성체의 가진을 이용하여 코일 내에 전류를 발생시키는 단계, 및 상기 발생된 전류를 이용하여 상기 충전지를 충전하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 무선 또는 비접촉 충전에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 인체와 같이 고주파 충전이 어려운 환경에서도 안전하게 무선 또는 비접촉 충전을 할 수 있는 무선 충전 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 무선(wireless) 또는 비접촉(contactless) 무선 충전 방법으로는 인덕션 커플링 충전, 비방사 무선 충전 등의 방법이 있다.
인덕션 커플링 충전 방식은 고주파 교류 전류가 흐르는 코일을 서로 인접하게 배치하고, 전원과 연결된 코일로부터 충전지와 연결된 코일로 교류 전류의 유도 현상을 이용하여 에너지를 전달하는 방식이다. 이와 관련하여 한국 등록특허 제10-853889호, 한국 등록특허 제10-896104호 등에 자세히 언급되어 있다.
하지만, 이런 인덕션 커플링 충전 방식은 인접한 거리에서 형성되기 때문에 전송 효율이 높고, 상용화 단계에서 기술의 안정성이 인정되지만, 단점으로는 적용 거리가 짧고, 코일이 놓여지는 방향에 민감하에 영향을 받는 것이 지적되기도 한다.
이와 관련하여, 비방사 무선 충전(Non-radiative Wireless Charging) 방식은 비방사 필드(Non radiative field)를 에너지 전송을 위한 매개체로 사용한 방식이며, 역시 코일을 이용하여 상기 필드 내에서 공진하도록 설계한 것을 특징으로 한다. 이러한 공진은 두 코일 사이의 상호 유도를 증가시킬 수 있으며, 상술한 유동 방식의 충전보다는 원거리에서 적용이 가능하고, 동일 공진 주파수를 갖는 기기에만 에너지가 전달된다는 장점이 있다. 하지만, 이 역시 코일이 직경 50cm 정도의 코일이 사용되어야 하기 때문에 실용화에는 어렵다는 단점이 있다.
무선 충전은 여러 분야에서 사용이 가능하다. 예를 들어, 인체에 삽입되어 특정 기능을 수행하거나 신체 조건의 변화를 측정하기 위한 장치가 개발되고 있는데, 이러한 장치에서 무선 충전을 필수적으로 선행되어야 한다. 하지만, 종래와 같이, 고주파 전류를 이용한 유도 방식은 충전과 동시에 인체에 나쁜 영향을 미칠 수가 있고, 다른 장치와도 기능적으로 충돌할 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 인체에서 70% 이상이 물로 구성되기 때문에 고주파 전류를 이용한 유도 방식의 충전은 그 효율이 급겹히 떨어질 수가 있다.
본 발명은 고주파를 이용한 전자기장을 형성하지 않아 인체는 물론 주변 다른 기기와 발생할 수 있는 상호 부작용을 예방할 수 있는 무선 충전 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 상대적으로 적용 거리를 증가시킬 수 있는 무선 충전 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 소형으로 제작이 가능하여 충전지가 장착된 목적장비의 크기를 작게 형성할 수 있으며, 인체 등에 삽입될 수 있을 정도로 소형 제작이 가능한 무선 충전 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 목적장비 내의 충전지를 무선으로 충전하는 방법은, 자기장 내에 자기탄성체 및 자기탄성체 주변으로 충전지와 연결된 코일을 배치하는 단계, 자기장을 이용하여 자기탄성체를 가진하는 단계, 자기탄성체의 가진을 이용하여 코일 내에 전류를 발생시키는 단계, 및 상기 발생된 전류를 이용하여 상기 충전지를 충전하는 단계를 포함한다.
본 실시예에 따른 충전 방법은 자기탄성체(magnetelastic material)을 이용한 것으로서, 자기탄성체는 자왜재료(manetostrictive material)라고도 하며, 자왜 현상을 이용하는 재료를 의미할 수 있다. 자왜 현상이란 자기에 의해서 일그러지는 형상으로서, 고주파 교류로 자화(磁化)하면 신축을 되풀이하여 고주파 교번 전계가 그 재료로 된 막대기, 박막 등에 반복적인 진동을 유지시켜, 그 진동이 발생한다. 이 진동의 주파수가 자왜 재료 물체의 고유 주파수와 일치하면 큰 값의 진폭이 일어날 수 있다. 자기탄성체 혹은 자왜 재료는 자왜 공진자(共振子), 자왜 발진 회로, 압력이나 하중 등을 측정하는 자왜 스트레인 게이지(magnetostriction strain gauge) 등 여러 용도에 이용될 수 있다. 현재 사용되고 있는 자왜 재료에는 니켈, 철과 코발트 합금, 철과 알루미늄 합금, 아연 페라이트 등이 있다.
자기장 내에서 자기장의 변화에 따라 자기탄성체가 가진될 수 있으며, 이때 자기탄성체의 공진 주파수에 일치되면 코일을 통해서 최적의 전류가 발생할 수 있다. 자기장을 이용하기 때문에 본 실시예에 따른 무선 충전 방법은 유도 방식의 충전보다 원거리에서 무선 충전을 수행할 수 있으며, 자기장의 변화를 이용하기 때문에 인체와 같이 물이 대부분 차지하는 장애물이 있어도 에너지 전달 효율을 높일 수 있다. 또한, 고주파에 의한 악영향으로부터 환자나 주변 사람들을 보호할 수 있으므로, 의료장비를 위한 용도로도 용이하게 사용될 수가 있다. 무엇보다도, 비방사 무선 충전 방식보다 코일을 소형으로 형성할 수 있기 때문에 목적장비를 소형화할 수 있다.
여기서 목적장비라 함은, 충전을 통해 작동 상태를 유지하기 위한 장비로서, 원격 충전이 가능한 모든 장비를 포함할 수 있다. 예를 들어, 인체에 삽입된 의료장비가 될 수 있으며, 비접촉 충전을 위한 휴대폰이나 노트북, 기타 센서 등 그 적용분야는 다양할 수 있다.
자기탄성체는 목적장비 내에서 진동할 수 있는 구조로 제공된다. 예를 들어, 외팔보 형태로 제공될 수 있으며, 이 외에도 양단이 고정되며 중앙부에서 진동할 수 있는 구조로도 제공될 수 있다.
본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따르면, 자기장 내에서 무선으로 충전하는 장치는, 베이스, 베이스 상에 가진 가능하게 장착되는 자기탄성체 및 자기탄성체 주변으로 제공되는 코일을 포함하는 충전 모듈, 충전 모듈과 전기적으로 연결된 충전 회로부, 및 충전 모듈부로부터 전달된 전기 에너지를 충전하기 위한 충전지를 포함하며, 자기장 내에서 자기탄성체가 가진되고, 가진된 자기탄성체 및 코일 간의 공진을 이용하여 코일 내에 전류를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 무선 충전 방법 및 장치는 고주파를 이용한 전자기장을 형성하지 않아 인체는 물론 주변 다른 기기와 발생할 수 있는 상호 부작용을 예방할 수 있다.
본 발명의 무선 충전 방법 및 장치는 상대적으로 원거리에서 적용이 가능하기 때문에, 어느 정도 근접 거리에서 높은 효율로 사용될 수가 있으며, 특히 헬름홀츠 코일을 사용하는 경우 코일 사이에서의 자기장이 거의 균일하게 유지되기 때문에 무선 충전을 용이하게 수행할 수 있다.
본 발명의 무선 충전 방법 및 장치는 비방사 충전 방식과 같이 대형 사이즈의 코일을 필요로 하지 않기 때문에, 목적장비를 소형으로 제작이 가능하며 충전지가 장착된 목적장비의 크기를 작게 형성할 수 있다. 특히, 소형 기기나 인체 등에 삽입되는 장치에는 이렇게 작게 형성할 수 있는 장비를 이용함으로써 무선 충전의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 장치의 도면이다.
도 2는 도 1의 충전 장치를 이용한 일반적인 목적장치의 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 장치의 도면이다.
도 4는 도 3의 충전 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3의 충전 장치를 포함하는 목적 장비의 사용례를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 충전 장치를 이용한 일반적인 목적장치의 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 장치의 도면이다.
도 4는 도 3의 충전 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3의 충전 장치를 포함하는 목적 장비의 사용례를 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 장치의 도면이며, 도 2는 도 1의 충전 장치를 이용한 일반적인 목적장치의 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 목적 장비는 충전모듈(100), 충전회로(210), 충전지(220) 및 기능부(10)를 포함할 수 있다. 목적 장비에서 기능부(10)는 목적 장비의 기본적인 기능을 수행하기 위한 모듈로서, 목적 장비가 센서인 경우 센싱 모듈이 될 수 있으며, 액츄에이터인 경우 엑츄에이팅 모듈이 될 수가 있다. 또한, 목적 장비가 휴대폰인 경우, 기능부는 휴대폰에서 전원공급부를 제외한 휴대폰의 기능을 수행하기 위한 장치가 될 수 있다.
충전장치(200)는 충전모듈(100), 충전회로(210) 및 충전지(220)를 포함하며, 충전모듈(100)은 베이스(110), 자기탄성체(120) 및 코일(130)을 포함한다. 구체적으로, 자기장 내에서 베이스(110) 상의 자기탄성체(120)는 가진 운동을 하며, 자기탄성체(120)의 가진 운동에 의해 코일(130) 내에서 전류가 발생할 수 있다.
이렇게 충전모듈(100)에 의해서 생성된 전류는 교류로서 충전회로(210) 등을 통해 정류 또는 직류변화될 수 있으며, 여기서 생성된 전기에너지는 충전지(220)에 저장될 수 있다. 목적 장비에서 충전회로(210)를 통해 직접 기능부(10)로 전력이 공급될 수도 있다.
기능부(10)는 충전장치(200)에서 발생하는 현상이나 조건들을 센싱할 수 있으며, 충전장치(200) 내의 충전진행상황이나 변화를 감지하여 외부의 장치로 이를 리포팅할 수 있다. 무선 송수신 모듈(20)를 이용한 상호 리포팅을 통해서 외부의 자기장 발생장치에 세팅이 변경될 수 있으며, 이러한 세팅 변경을 통해서 자기탄성체(120) 및 코일(130)이 상호 최적의 상태에서 공진하도록 파라미터를 미세하게 제어할 수가 있다.
자기탄성체(120)는 자화가 용이한 재료를 포함할 수 있으며, 이를 위해 니켈, 철과 코발트 합금, 철과 알루미늄 합금, 아연 페라이트 등의 재료가 사용될 수가 있다. 자기탄성체(120)는 자기장(F) 내에서 자기장의 변화에 따라 가진될 수 있으며, 이때 자기탄성체의 공진 주파수에 일치되면 코일을 통해서 최적의 전류가 발생할 수 있다. 목적 장비 내에서의 가진 운동을 위해, 자기 탄성체(120)는 베이스(110)에 외팔보 형태로 고정될 수 있으며, 다르게는 외팔보 형태가 아닌 다른 형태라도 진동 운동이 가능한 상태로 베이스(110)에 고정 또는 결합될 수 있다.
본 실시예에 따른 무선 충전 방법은 자기장을 이용하기 때문에 유도 방식의 충전보다 원거리에서 무선 충전을 수행할 수 있으며, 자기장의 변화를 이용하기 때문에 인체와 같이 물이 대부분 차지하는 장애물이 있어도 에너지 전달 효율을 높일 수 있다. 또한, 고주파에 의한 악영향으로부터 환자나 주변 사람들을 보호할 수 있으므로, 의료장비를 위한 용도로도 용이하게 사용될 수가 있다. 또한, 비방사(Non radiative) 무선 충전 방식보다 코일을 소형으로 형성할 수 있기 때문에 목적장비를 소형화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 장치의 도면이며, 도 4는 도 3의 충전 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 3의 충전 장치를 포함하는 목적 장비의 사용례를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 충전모듈(300)은 베이스(310), 금속 기판(315), 자기탄성체(320), 코일 허브(335) 및 코일(330)을 포함한다. 구체적으로, 자기장 내에서 베이스(310)의 일측에 구리로 이루어진 금속 기판(315)이 외팔보 형태로 제공되며, 금속 기판(315)의 표면으로 박막의 자기탄성체(320)가 본딩된다. 자기탄성체(320)는 외팔보 형태의 금속 기판(315) 상에서 가진 운동을 할 수 있으며, 도시된 바와 같이 자기탄성체(320) 다른 물리적 구조와 일체를 이루며 가진 운동을 할 수가 있다.
금속 기판(315) 및 자기탄성체(320)의 주변으로 절연 물질로 형성된 코일 허브(335)가 제공되며, 코일 허브(335)의 주변으로 코일(330)이 권취된다. 코일 허브(335) 내에 위치한 상태에서 자기장 변화에 의한 자기탄성체(320)의 진동 운동이 발생할 수 있다. 또한, 이러한 자기탄성체(320)의 상대적인 운동에 의해서 코일(330)에는 전류가 발생할 수 있다.
이렇게 충전모듈(300)에 의해서 생성된 전류는 교류로서 충전회로 등을 통해 정류 또는 직류변화될 수 있으며, 여기서 생성된 전기에너지는 충전지에 저장될 수 있다.
자기탄성체(320)는 비정질 합금 리본(amorphous alloy ribbon)으로서 메트글라스(metglas)가 사용될 수 있으며, 구리 기판(315) 본딩되어 기판과 함께 가진 운동을 할 수가 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 충전모듈(300)을 포함하는 목적 장비는 헬름홀츠 코일(30) 사이에 위치할 수가 있다. 헬름홀츠 코일(30)은 2개의 동일한 원형 자기 코일로서, 목적 장비를 포함할 수 있는 영역의 양측에 대칭적으로 제공될 수 있다. 헬름홀츠 코일(30)은 코일의 반경과 동일한 거리만큼 이격되도록 배치될 수 있다. 두 코일(30)의 중심 사이 및 그 주변은 거의 균일한 자기장 분포를 형성할 수 있으며, 헬름홀츠 코일(30)에 의해서 목적 장비는 약간의 틀어짐이나 위치 변위가 있어도 양호한 정도의 충전을 수행할 수가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100：충전 모듈 110：베이스
120：자기 탄성체 130：코일
200：충전 장치 210：충전회로
220：충전지
120：자기 탄성체 130：코일
200：충전 장치 210：충전회로
220：충전지
Claims (10)
- 목적장비 내의 충전지를 무선으로 충전하는 방법에 있어서,
자기장 내에 자기탄성체 및 상기 자기탄성체 주변으로 상기 충전지와 연결된 코일을 배치하는 단계;
상기 자기장을 이용하여 상기 자기탄성체를 가진하는 단계:
상기 자기탄성체의 가진을 이용하여 상기 코일 내에 전류를 발생시키는 단계; 및
상기 발생된 전류를 이용하여 상기 충전지를 충전하는 단계;
를 포함하는 무선 충전 방법. - 제1항에 있어서,
상기 자기탄성체는 상기 목정장비 내에서 일부가 고정되어 가진이 가능한 상태로 제공되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 방법. - 제2항에 있어서,
상기 자기 탄성체는 상기 목적장비 내에서 외팔보 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 방법. - 제2항에 있어서,
상기 자기탄성체는 상기 목적장비에 가진 가능한 형태로 고정된 금속 기판 상에 적층되는 것을 것을 특징으로 하는 무선 충전 방법. - 제1항에 있어서,
상기 자기탄성체는 니켈, 철과 코발트 합금, 철과 알루미늄 합금, 아연 페라이트 중 적어도 하나를 이용하여 제공되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 방법. - 제1항에 있어서,
상기 자기탄성체 및 상기 코일은 헬름홀츠 코일에 의해서 형성되는 자기장 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 방법. - 자기장 내에서 무선으로 충전하는 장치에 있어서,
베이스, 상기 베이스 상에 가진 가능하게 장착되는 자기탄성체 및 상기 자기탄성체 주변으로 제공되는 코일을 포함하는 충전 모듈;
상기 충전 모듈과 전기적으로 연결된 충전 회로부; 및
상기 충전 모듈부로부터 전달된 전기 에너지를 충전하기 위한 충전지;를 포함하며,
상기 자기장 내에서 상기 자기탄성체가 가진되고, 가진된 상기 자기탄성체 및 상기 코일 간의 공진을 이용하여 상기 코일 내에 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 무선 충전 장치. - 제7항에 있어서,
상기 자기탄성체는 상기 베이스에 외팔보 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 장치. - 제7항에 있어서,
상기 자기탄성체는 상기 베이스에 가진 가능한 형태로 고정된 금속 기판 상에 적층되는 것을 것을 특징으로 하는 무선 충전 장치. - 제7항에 있어서,
상기 자기탄성체는 니켈, 철과 코발트 합금, 철과 알루미늄 합금, 아연 페라이트 중 적어도 하나를 이용하여 제공되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 장치.
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| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101298028B1 (ko) * | 2012-09-28 | 2013-08-26 | 가톨릭대학교 산학협력단 | Ｐｃｂ 에너지 하베스터 및 그 제조 방법과 이를 이용한 에너지 하베스터 모듈 |
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|---|---|---|---|---|
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2010
- 2010-06-01 KR KR1020100051714A patent/KR101198072B1/ko not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101298028B1 (ko) * | 2012-09-28 | 2013-08-26 | 가톨릭대학교 산학협력단 | Ｐｃｂ 에너지 하베스터 및 그 제조 방법과 이를 이용한 에너지 하베스터 모듈 |
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