KR20120019219A - 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치 - Google Patents

무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치 Download PDF

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Abstract

발명은 본 발명은 자기유도 및 자기공명을 이용한 무선 전력 전송 장치에서 주변에 발생되는 전기장 및 간섭 원이 될 수 있는 복사전력을 감소시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소를 위한 장치로, 송신 루프와 송신 코일을 포함하는 송신측 에너지 전송부와, 상기 송신측 에너지 전송부와 미리 결정된 거리만큼 이격되어 대칭 형태로 구성되는 수신 코일과 수신 루프의 수신측 에너지 전송부와, 비도체로 구성되며, 상기 송신측 에너지 전송부 전체를 감싸는 제1전기장 차폐부와, 비도체로 구성되며, 상기 수신측 에너지 전송부 전체를 감싸는 제2전기장 차례부를 포함하되, 상기 제1전기장 차폐부와 제2전기장 차폐부의 내부에 물과 같이 유전율이 큰 이상인 물질을 포함한다.

Description

무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치{APPARATUS FOR REDUCING ELECTRIC FIELD AND RADIATION FIELD IN MAGNETIC RESONANT COUPLING COILS OR MAGNETIC INDUCTION DEVICE FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER}
본 발명은 자기유도 및 자기공명을 이용한 무선 전력 전송 장치에서 주변에 발생되는 전기장 및 간섭 원이 될 수 있는 복사전력을 감소시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
에너지는 일을 할 수 있는 능력 등을 나타내는 어휘로, 열, 전기, 힘 등의 물리학적인 용어이다. 현대에 이러한 에너지의 대표적인 예로 전기 에너지와 화력 에너지, 수력 에너지, 열 에너지 등 다양한 에너지가 존재한다. 이러한 에너지들 중 전기 에너지는 전류가 흐를 수 있는 도체를 통해 전송하는 것이 가장 기본적인 에너지 전력의 전달 방법이다.
전기 에너지 전달의 다른 방법으로, 전력을 발생시키기 위해 전계를 이용하는 방법이 있다. 이는 자기장과 전기장에 의해 유도되는 유도 기전력을 이용하여 1차측 코일과 2차측 코일에 의해 전력을 한 측에서 다른 한 측으로 전송하는 기술이다. 이러한 기술은 기본적으로 발전소 등에서 이용되는 방법이 가장 대표적인 방법이었다.
또 다른 방법으로 무선으로 에너지를 전송하는 방식은 일정한 전력의 신호를 무선상(air)으로 전송하는 전파 기술이 있다. 이러한 전파 기술은 무선 통신 방식에서는 널리 사용되기는 하지만, 실제로 효율적인 에너지 전송 방식은 아니다.
한편, 2007년 MIT에서 전력을 전달하는 새로운 방법이 개발되었다. MIT에서 개발된 새로운 방식에서는 무선으로 에너지를 전송하는 기술로 기존 안테나와는 다르게 2개의 동일한 주파수를 갖는 자기 공진체를 이용하여 자기장 공진을 주로 하여 상호 공명으로 무선 에너지를 전송하는 기술과 자기유도에 의한 무선 에너지 전송에 적용 가능한 기술이다. 그러면 MIT에서 개발한 전력 전송 기술에 대하여 살펴보기로 한다.
도 1은 MIT에서 발표한 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 1에 도시한 구조를 살펴보면, 송신측에 헤리컬 형태의 공진 코일(Helical coil)(101)과 송신 임피던스 정합을 위한 송신 루프(loop)(102)를 가진다. 또한 수신측에 송신측과 상응하는 형태를 가지도록 하며, 수신측에 헤리컬 구조의 공진 코일(103)과 수신 루프(104)로 구성되어 있다.
MIT에서는 도 1에 도시한 구조의 공진 코일(101)의 제작 조건을 아래와 같이 설정하였다.
헤리컬 형태의 공진 코일(101)을 구성하는 코일 자체의 반경 a = 3 mm이고, 공진 코일(101)의 직경 d = 60 cm이며, 공진 코일의 턴 수 n = 5.25로 하였고, 코일 전체 두께 즉, 헤리컬 형상을 갖는 높이 h = 20 cm이며, 공진 코일의 선 두께 직경은 6 mm이다. 또한 송신 루프(102) 및 수신 루프(104)는 헤리컬 형태의 공진 코일들(101, 103)의 직경보다 다소 작은 d1 = 50 cm로 제작하였다. 이러한 경우 두 헤리컬 형태의 공진 코일들(101, 103)간의 공진주파수는 10.0560.3 MHz이다.
또한 송신측의 송신 루프(102)와 송신 측의 공진 코일(101)간의 간격은 Ks만큼 이격되어 있으며, 수신측의 수신 코일(103)과 수신 루프(104)간은 kD만큼 이격되어 있다. 그리고 수신 루프(104)에는 전구(Light-bulb)를 달아 전력이 무선으로 전송됨을 확인할 수 있도록 하였다.
그런데, 위에서 설명한 바와 같은 공명 구조에서는 복사전력이 거의 -11dBi 정도 발생하며, 공진체 사이에 전기장이 강하게 자기장과 같이 존재하였다. 이는 인체에 매우 유해하게 되므로, 상용으로 사용하기 어렵다는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 무선 전력 송신 장치 또는 자기유도 및 자기공명 장치에서 전기장 및 복사전력을 감소시키기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
또한 본 발명에서는 무선 전력 송신 장치 또는 자기유도 및 자기공명 장치에서 간섭을 줄일 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
또한 본 발명에서는 무선 전력 송신 장치 또는 자기유도 및 자기공명 장치에서 방사되는 전기장을 감소시켜 안정성 제공하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
이를 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소를 위한 장치로, 송신 루프와 송신 코일을 포함하는 송신측 에너지 전송부와, 상기 송신측 에너지 전송부와 미리 결정된 거리만큼 이격되어 대칭 형태로 구성되는 수신 코일과 수신 루프의 수신측 에너지 전송부와, 미리 결정된 제1두께만큼의 빈 공간을 가지며, 상기 송신측 에너지 전송부 전체를 감싸는 형태의 비도체로 구성된 제1전기장 차폐부와, 미리 결정된 제2두께만큼의 빈 공간을 가지며, 상기 수신측 에너지 전송부 전체를 감싸는 형태의 비도체로 구성된 제2전기장 차폐부를 포함하되,
상기 제1전기장 차폐부와 제2전기장 차폐부의 제1두께와 제2두께의 빈 공간에는 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함한다.
또한 상기 제1전기장 차폐부 및 제2전기장 차폐부는, 육면체로 구성할 수 있다.
다른 방법으로, 상기 제1전기장 차폐부 및 제2전기장 차폐부는, 구형으로 구성할 수도 있다.
또한, 상기 송신측 에너지 전송부 및 상기 수신측 에너지 전송부 각각의 공진 코일은, 미리 결정된 선 폭과 선 두께를 갖는 도체판으로 구성되며, 원형의 스파이럴 구조로 구성할 수 있다.
다른 방법으로, 상기 송신측 에너지 전송부 및 상기 수신측 에너지 전송부 각각의 공진 코일은, 미리 결정된 선 폭과 선 두께를 갖는 도체판으로 구성되며, 사각형의 스파이럴 구조로 구성할 수도 있다.
또한 보다 바람직하게는 상기 송신측 에너지 전송부에서 상기 에너지 수신부와 180도 방향으로 후면에 상기 송신 코일 및 상기 송신 루프보다 큰 면적을 갖는 비도체로 구성된 제1전기장 차폐부를 더 포함하며, 상기 제1전기장 차폐부의 내부에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함할 수 있다.
또한 상기 수신측 에너지 전송부에서 상기 에너지 송신부와 180도 방향으로 후면에 상기 수신 코일 및 상기 송신 루프보다 큰 면적을 갖는 비도체로 구성된 제2전기장 차폐부를 포함하되, 상기 제2전기장 차폐부의 내부에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함하도록 구성할 수 있다.
또한 상기 송신측 에너지 전송부와 상기 수신측 에너지 전송부간 이격된 사이에 비도체로 구성된 제3전기장 차폐부를 더 포함하며, 상기 제3전기장 차폐부는, 내부에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함하도록 구성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 장치는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소를 위한 장치로, 송신 루프와 송신 코일을 포함하는 송신측 에너지 전송부와, 상기 송신측 에너지 전송부와 미리 결정된 거리만큼 이격되어 대칭 형태로 구성되는 수신 코일과 수신 루프의 수신측 에너지 전송부와, 상기 송신측 에너지 전송부에서 상기 에너지 수신부와 180도 방향으로 후면에 상기 송신 코일 및 상기 송신 루프보다 큰 면적을 갖는 비도체로 구성된 제1전기장 차폐부와, 상기 수신측 에너지 전송부에서 상기 에너지 송신부와 180도 방향으로 후면에 상기 수신 코일 및 상기 송신 루프보다 큰 면적을 갖는 비도체로 구성된 제2전기장 차폐부를 포함하되,
상기 제1전기장 차폐부와 제2전기장 차폐부의 내부에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함한다.
또한 상기 송신측 에너지 전송부와 상기 수신측 에너지 전송부간 이격된 사이에 비도체로 구성된 제3전기장 차폐부를 더 포함하며,
상기 제3전기장 차폐부는, 내부에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 송신측 에너지 전송부 및 상기 수신측 에너지 전송부 각각의 공진 코일은, 미리 결정된 선 폭과 선 두께를 갖는 도체판으로 구성되며, 원형의 스파이럴 구조로 구성할 수 있다.
다른 방법으로, 상기 송신측 에너지 전송부 및 상기 수신측 에너지 전송부 각각의 공진 코일은, 미리 결정된 선 폭과 선 두께를 갖는 도체판으로 구성되며, 사각형의 스파이럴 구조로 구성할 수도 있다.
또 다른 방법으로, 상기 송신측 에너지 전송부 및 상기 수신측 에너지 전송부 각각의 공진 코일은, 미리 결정된 선 폭과 선 두께를 갖는 도체판으로 구성되며, 원형의 코일 구조를 가질 수도 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 방법은, 송신 루프와 송신 코일을 포함하는 송신측 에너지 전송부와 상기 송신측 에너지 전송부와 미리 결정된 거리만큼 이격되어 대칭 형태로 구성되는 수신 코일과 수신 루프의 수신측 에너지 전송부로 구성되는 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소를 위한 방법으로서, 상기 송신측 에너지 전송부 전체를 감싸는 형태를 갖는 비도체의 제1전기장 차폐부의 내벽과 외벽 사이의 빈 공간에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 채워 상기 송신측 에너지 전송부의 전기장을 차폐하는 제1단계와, 상기 수신측 에너지 전송부 전체를 감싸는 형태를 갖는 비도체의 제2전기장 차폐부의 내벽과 외벽 사이의 빈 공간에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 채워 상기 송신측 에너지 전송부의 전기장을 차폐하는 제2단계를 포함한다.
또한, 상기 제1전기장 차폐부 및 제2전기장 차폐부는, 육면체로 구성할 수 있으며,
다른 방법으로, 상기 제1전기장 차폐부 및 제2전기장 차폐부는, 구형으로 구성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 방법은, 송신 루프와 송신 코일을 포함하는 송신측 에너지 전송부와 상기 송신측 에너지 전송부와 미리 결정된 거리만큼 이격되어 대칭 형태로 구성되는 수신 코일과 수신 루프의 수신측 에너지 전송부로 구성되는 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소를 위한 방법에 있어서,
상기 송신측 에너지 전송부에서 상기 에너지 수신부와 180도 방향으로 후면에 상기 송신 코일 및 상기 송신 루프보다 큰 면적을 가지며, 내부에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함하는 비도체의 제1전기장 차폐부를 배치하는 단계와,
상기 수신측 에너지 전송부에서 상기 에너지 송신부와 180도 방향으로 후면에 상기 수신 코일 및 상기 송신 루프보다 큰 면적을 가지며, 내부에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함하는 비도체로 구성된 제2전기장 차폐부를 배치하는 단계를 포함한다.
또한 상기 제1전기장 차폐부 및 제2전기장 차폐부는, 육면체로 구성하는 것이 바람직하다.
또한 상기 송신측 에너지 전송부와 상기 수신측 에너지 전송부간 이격된 사이에 육면체를 가지며, 내부에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함하는 비도체의 제3전기장 차폐부를 배치하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 무선전력전송에 있어 가장 중요한 인자인 자기 공명체 주변으로의 복사전력 및 전기장을 최소화 가능케 하는 방법을 제시함하였다. 이를 통해 실제 응용에 있어 간섭 및 인체 영향 문제를 해결하는 핵심 요소 기술을 제공하여 일반 전기, 전자 제품에 활용할 수 있는 길을 제시하였다.
특히 이러한 에너지 복사 문제와 인체 안정성, 기기간섭 등의 기초적인 문제가 해결되지 못했을 경우 무선 전력 전송 등이 적용된 응용기기를 출시할 수가 없게 된다. 각 국가마다 혹은 표준 단체에서 제시하는 간섭량과 전기장 노출 기준치를 준수하는 하는 것은 의무로 되어 있기에 이러한 복사전력 저감화 및 전기장 감소 기술은 의미가 매우 크다.
도 1은 MIT에서 발표한 무선 전력 전송 장치의 구성도,
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시한 헤리컬 구조에서 발생되는 복사전력의 시뮬레이션 결과 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 자기공명을 이용한 공진 장치의 입체 구성도를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 일 실시 예에 따른 스파이럴 구조를 갖는 공진 코일의 연결 방법을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 자기공명을 이용한 공진 장치의 입체 구성도를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 무선 전력 전송 장치에서 전기장을 차단을 위한 장치의 3차원 구성도,
도 7a 내지 도 7d는 도 6의 본 발명의 실시 예에 따라 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프,
도 8a 내지 도 8d는 도 7의 실시 예에서 자기 공진체만 존재하고, 스파이럴 층을 2층으로 구성하여 헤리컬 형태를 갖도록 한 경우의 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프,
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기장 차폐 장치의 구현 예를 도시한 도면,
도 10a 내지 도 10d는 도 9의 실시 예에 따라 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전기장 차폐 장치의 구현 예를 도시한 도면,
도 12a 내지 도 12d는 도 11의 실시 예에 따라 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프,
도 13a 내지 도 13c는 서로 다른 크기의 직육면체를 금속으로 구성한 경우 안테나 방사 이득, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프,
도 14a 내지 도 14d는 본 발명의 또 다른 실시 예로 도 11의 구성에 외부 차폐 장치들 내부에 다른 물질을 삽입한 경우의 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프,
도 15a는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 자기유도 현상에 의한 무선 전력전송용 코일 송신기 장치의 구성도,
도 15b 도 15a의 구조에 본 발명에 따른 전기장 차폐 장치를 삽입한 장치의 구성도,
도 16a 내지 도 16d는 도 15a의 구조를 갖는 경우 무선 전력전송용 코일의 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프,
도 17a 내지 도 17d는 도 15b의 구조를 갖는 경우 무선 전력전송용 코일의 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프.
이하에서 설명되는 본 발명에서는 위의 문제점들을 해결하고, 기술적 과제를 달성하기 위한 것이다. 따라서 이하의 본 발명에서는 새로운 공진 구조를 제안하며, 그 재료, 구조, 형태 제작 방법에 관해 기술하게 된다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 실시 예는 당 업계의 평균적인 지식을 갖는 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된 것이다. 도면에서 자기 공진기의 크기, 수량 또는 두께는 발명의 이해를 돕기 위해 기재하는 것일 뿐 본 발명을 한정하는 요소로 사용되어서는 안된다는 점에 유의해야 할 것이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시한 헤리컬 구조에서 발생되는 복사전력의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
먼저 도 1에 대하여 다시 한 번 살펴보기로 한다. 도 1의 구조는 공진체 주변에는 전기장과 자기장이 존재하며 자기장이 주가 되어 두 공진기 사이에서 공진기가 결합에 의해 전력이 전송되는 구조이다. 그 사이에 존재하는 전기장과 자기장은 인체에 영향을 주는 수준이며, 특히 복사되는 복사전력 또한 무시할 수 없을 정도로 존재하며, 더욱이 고전력을 전송할 경우에 심각한 간섭 문제를 유발하는 수준이다.
도 2a의 시뮬레이션 결과는 도 1과 같은 헤리컬 구조를 매우 먼 거리에서 복사 전력과 그 패턴을 측정한 그래프이다. 도 2의 시뮬레이션 결과 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 도 1의 헤리컬 구조의 복사 전력을 살펴보면, 헤리컬 구조에서 복사되는 전력이 매우 큰 값을 가짐을 알 수 있다.
도 2b는 도 1에 도시한 헤리컬 구조에서 발생되는 안테나 이득의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 2a에서 참조부호 201은 도 1에 도시한 헤리컬 구조의 무선 전력 전송 장치에서 S1 ,1의 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이며, 참조부호 202는 도 1에 도시한 헤리컬 구조의 무선 전력 전송 장치에서 S2 ,1의 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이다.
여기서 S-파라미터를 이용한 S1 ,1(201)의 그래프는 주파수 변화에 대하여 10.39 MHz에서 크게 떨어짐을 알 수 있다. 이와 같이 S1 ,1은 10.39MHz에서 공진이 발생하여 외부 즉, 송신측에서 수신측으로 최대 방사가 이루어짐을 알 수 있다.
또한 S-파라미터를 이용한 S(1,2)는 1번 포트에서 2번 포트로 전송하는 경우의 해석이다. 즉, 도 1의 장치에서 송신측에서 수신측으로의 방사 시 이득을 시뮬레이션 한 그래프이다.
이와 같은 도 2b의 시뮬레이션 결과 그래프를 이용하여 특정 전력이 외부로 복사되는 예를 살펴보기로 한다. 일 예로 1W 즉 30dBm을 전송할 경우 복사 전력이 거의 20dBm이 된다. 이는 0.1W가 공중으로 복사되는 구조이다. 따라서 100W를 전송할 경우 10W가 공중으로 복사되는 구조이다. 이와 같이 복사량이 많아지면, 실제 무선 전력 전송을 위한 장치로 구현하는 것이 불가능 하다. 또한 주변에 전기장을 측정했을 경우에도 상당히 큰 수백 V/m의 전기장이 존재하는 문제점을 갖고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 자기공명을 이용한 공진 장치의 입체 구성도를 도시한 도면이다.
도 3에 예시한 본 발명에 따른 공진체는 하나 또는 둘 이상의 스파이럴 층(302)으로 구성된다. 도 3에서는 둘 이상의 스파이럴 층들(302, 304)을 결합하여 헤리컬 형태가 되도록 구성한 경우를 도시하였다. 이하에서 본 발명의 스파이럴 층은 하나 또는 둘 이상을 가질 수 있으나, 설명의 편의를 위해 2개의 스파이럴 층을 가지는 경우만을 예로 설명하기로 한다.
먼저 본 발명에 따른 스파이럴 층에 대하여 살펴보기로 한다. 본 발명에 따른 공진체를 구성하는 요소인 스파이럴 층은 참조부호 310과 같이 내부에 일정 부분은 빈 형태를 취하도록 하고, 코일을 하나의 층이 되도록 감은 형태를 가진다. 이와 같이 코일을 하나의 층이 되도록 감은 스파이럴 구조는 선폭만큼의 두께를 가진다. 서로 다른 2개의 스파이럴 층을 원기둥 형태로 쌓으면 헤리컬 형태가 되는 것이다.
이때, 서로 다른 2개의 스파이럴 층들을 구성하는 코일을 감는 방법은 서로 반대 방향이 되도록 감는다. 즉, 첫 번째 스파이럴 층을 시계 방향으로 코일을 감은 경우 두 번째 스파이럴 층은 반시계 방향으로 코일을 감아야 한다. 이와 같이 서로 다른 방향으로 감긴 형태는 참조부호 320에서 확인할 수 있다. 즉, 참조부호 320 내의 참조부호 303을 참조하면, 두 스파이럴 구조에서 코일의 감긴 방향이 서로 반대 방향임을 알 수 있다.
또한 서로 다른 2개 이상의 스파이럴 층간은 일정 간격만큼 이격하여 각 스파이럴 층에 코일의 시작점을 도체판(303)으로 연결한다. 앞에서 설명한 바와 같이 서로 다른 2개의 스파이럴 층들을 원통형으로 쌓는 형태를 취함으로써 헤리컬 형태가 되는 것이다.
이상에서 설명한 구성 즉, 스파이럴 층들을 쌓아 헤리컬 형태를 갖는 구조가 공진체 또는 공진 코일이 된다. 따라서 전력을 공급하기 위한 송신 루프(feeding roof)(301)가 일정 간격만큼 이격된 위치에 포함되어 있다. 송신 루프(301)는 임피던스 매칭이 이루어져야 한다. 따라서 송신 루프(301)는 루프의 반경 및 송신측 공진기를 구성하는 스파이럴 층을 헤리컬 형태로 쌓은 소자와의 거리의 함수로 입력 임피던스가 결정된다. 따라서 송신 루프(301)의 입력 임피던스는 50O hm에 매칭되도록 구성한다. 이러한 현상은 거의 트랜스포머의 특성을 갖고 있다.
상기 스파이럴 층은 앞에서 설명한 바와 같이 1개 혹은 2개 이상으로 구성할 수 있으며, 이러한 스파이럴은 기판 구조로 제작이 가능한 특성을 갖고 있다. 일반적으로 에너지 전송거리는 스파이럴 층 직경의 2배까지 가능하다.
상술한 공진체를 송신측 공진체라 가정하면, 송신측 공진체와 동일한 형태를 가지며, 일정 간격 이격되어, 수신측 공진체가 위치한다. 이를 통해 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치가 구성되는 것이다. 따라서 상기한 구조에서 급전이 이루어지는 측은 송신측 공진체가 되고, 공진주파수에 의해 전력이 유기되는 측은 수신측 공진체가 된다. 이를 예를 들어 설명하면, 왼쪽이 송신측 공진 코일(330)이라 가정하면, 오른쪽이 수신측 공진 코일(340)이 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진기의 한 측을 구성하는 요소 중 공진부분의 구조는 기본적으로 스파이럴 코일(Spiral coil) 구조에 헤리컬 구조를 결합한 구조의 특성을 갖고 있다. 이러한 구조적 특성으로 인하여 도 1에서 언급한 것과 같이 인덕턴스(L) 값과 캐패시턴스(C) 값을 동시에 증가시키는 방법을 갖고 있다.
먼저 공진주파수는 하기 <수학식 1>과 같다.
Figure pat00001
그리고 두 도체가 평행하게 배치된다면 이들 사이에서 발생되는 캐패시턴스(C) 값은 하기 <수학식 2>와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00002
<수학식 2>에서 보면 충분한 캐패시턴스(C) 값을 위해서는 분자의 값을 결정하는 유전율이 필요함을 알 수 있다. 따라서 유전체가 삽입되는 것이 유리하다는 것을 알 수 있다. 또한 유전체가 삽입되는 경우 <수학식 1>과 함께 살펴볼 때, 유전체가 삽입되면, 상대 유전율의
Figure pat00003
배 만큼 공진주파수를 낮출 수 있음을 알 수 있다.
이를 예를 들어 설명하면, 상대 유전율이 9라면 유전체를 사용하지 않아, 유전율이 1인 구조에 비해 그 공진주파수를 3배 감소시킬 수 있다. 이때 유전체는 두 금속판 사이에 존재하면 된다. 또한 <수학식 2>에서 알 수 있는 바와 같이 두 도선간의 거리는 감소하고, 도선의 두께는 증가하는 것이 유리함을 알 수 있다. 반면에 인덕턴스(L) 값을 증가시키기 위해서는 코일의 턴 수와 코일 단면적이 증가하고 도선의 감은 두께(h)가 감소하는 것이 유리하다.
또한 구조의 선택에 있어서는 같은 크기의 구조에서 헤리컬 구조 보다는 스파이럴 구조가 인덕턴스(L) 값이 큰 특성이 있다. 실 예로 도 1에서 설명한 MIT 헤리컬 구조의 경우 인터턴스(L) 값은 대략 20 uH 값을 갖는 반면 같은 직경 크기의 스파이럴 구조는 대략 40 uH 값을 갖게 되어, 소형화 및 평면화에 유리한 특성이 있어 제작상 기판 구조로 제작이 가능하다는 이점을 갖는다.
도 4는 본 발명에 일 실시 예에 따른 스파이럴 구조를 갖는 공진 코일의 연결 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에서 상단의 왼쪽 부분에 도시한 (a)에서는 공진 코일과 송신 또는 수신 코일을 도시하였다. 도 4의 (a)에 도시한 부분을 송신측 공진기라 가정하면, 송신측 공진기는 도 3에서 도시한 바와 동일한 형태를 가진다. 따라서 도 4에서 사용한 참조부호를 동일하게 사용하였다. 다만 도 3과 다른 참조부호를 사용한 부분은 각 스파이럴 층들을 구분하기 위해 302a 및 302b의 참조부호를 사용하였다는 점에서 차이를 가진다.
도 4의 상단 오른쪽 부분에 도시한 (b)에서는 공진체에서는 도 3에서 설명한 바와 같이 서로 다른 2개의 스파이럴 층의 연결 및 스파이럴 층에 유도되는 전력의 전류 방향을 도시하였다.
앞에서 설명한 바와 같이 서로 다른 2개의 스파이럴 층의 감는 방향은 서로 반대 방향이다. 송신 코일(301)에 인접한 스파이럴 층(302a)을 제1스파이럴 층이라 가정하고, 먼 방향의 스파이럴 층(302b)을 제2스파이럴 층이라 칭하여 설명하기로 한다.
도 4의 (b)에 설명한 바와 같이 제1스파이럴 층(302a)은 시계 방향으로 감겨 있음을 알 수 있다. 즉, 제1스파이럴 층(302a)은 내부 측에서 외부 측으로 감는다고 가정하면, 시계 방향으로 코일을 감은 형태가 된다. 또한 제2스파이럴 층(302b)은 내부에서 외부로 감는 경우를 가정하면, 반시계 방향으로 감겨 있음을 알 수 있다. 이와 같이 서로 다른 2개의 스파이럴 층은 감긴 방향이 서로 다른 방향으로 구성해야만 한다. 또한 제1스파이럴 층(302a)의 시작점과 제2스파이럴 층(302b)의 시작점은 도체판(303)을 이용하여 연결하였다.
위에서 설명한 바와 같이 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)을 서로 다른 방향이 되도록 한 이유를 살펴보기로 한다. 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)의 연결 시 서로 다른 방향이 되도록 한 것은 전류의 흐름이 서로 교차하여 자기력선을 감소시키는 것은 피하고 서로 상보할 수 있도록 하기 위함이다. 따라서 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)의 기판을 180도 회전하여 연결함으로써 자기력선의 감소를 회피하고, 서로 상보할 수 있도록 한 것이다.
이러한 연결은 전체적인 인덕턴스(L) 값의 증가와 공진주파수를 낮추기 위해 반드시 필요한 방법이다. 제1스파이럴 층(302a)에 유도되어 흐르는 전류를
Figure pat00004
이라 하자. 그러면 제1스파이럴 층(302a)에 유도되어 흐르는 전류는 제1스파이럴 층을 구성하는 코일에 참조부호 401과 같이 흐르게 된다.
그리고 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)을 연결하는 도체판에 흐르는 전류를
Figure pat00005
이라 하면, 제1스파이럴 층(302a)에서 제2스파이럴 층(302b)로 연결된 도체판을 따라 참조부호 402와 같이 흐르게 된다.
이후 제2스파이럴 층(302b)과 제1스파이럴 층(302a)은 서로 반대 방향으로 연결하였기 때문에 제1스파이럴 층(302a)에서 도체판(303)을 통해 흐른 전류는 동일한 방향으로
Figure pat00006
와 같이 흐르게 된다.
즉, 제1스파이럴 층(302a)에서 전류
Figure pat00007
이 반시계 방향으로 흐르게 되는 경우 도체판(303)을 통과하는 전류
Figure pat00008
을 통해 제2스파이럴 층(302b)에서 흐르는 전류
Figure pat00009
는 제1스파이럴 층(302a)와 동일하게 반시계 방향으로 흐르게 됨을 알 수 있다.
이때 제1스파이럴 층(302a)과 제2스파이럴 층(302b)이 연결되는 지점의 x축, y축 값이 동일한 위치가 되게 연결하면, 전류에 의해 발생되는 자기장이 상호 섬(보완)이 되게 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 자기공명을 이용한 공진 장치의 입체 구성도를 도시한 도면이다.
도 5에서 (a)의 도면은 사각 구조를 갖는 송신측 공진체 또는 수신측 공진체를 상부에서 본 모습을 도시한 도면이다. 즉, 참조부호 502는 미리 결정된 선폭과 선 두께를 갖는 코일이며, 참조부호 503은 송신 루프이다. 송신 루프(503) 또한 공진체와 동일하게 사각 구조를 가짐을 알 수 있다. 또한 참조부호 501은 송신측 공진체 또는 수신측 공진체의 외부 테두리 형상으로, 미리 결정된 유전율을 갖는 유전체가 공진 코일을 완전히 감싼 경우를 도시한 것이다. 이때, 유전율(
Figure pat00010
)이 10인 유전체를 사용할 수 있다. 다만 이러한 유전체는 삽입하는 것과 삽입하지 않는 것의 차이는 공진 주파수에서
Figure pat00011
의 관계만 있다. 즉 유전체를 삽입할 수도 있고 삽입하지 않을 수도 있다. 즉 상기 501은 포함될 수도 있고 포함시키지 않는 구조도 모두 가능하다.
도 5의 (a)에 도시한 사각 형태를 갖는 송신측 공진체 또는 수신측 공진체를 구성하는 코일은 앞에서 설명한 바와 같이 일정한 선폭 및 선 두께를 가지며, 그 형상만 사각 형태로 구성한 것이다. 따라서 둘 이상의 층으로 구성할 수 있으며, 둘 이상의 층으로 구성할 경우 앞에서 설명한 연결 방법과 동일하게 연결되어야 한다. 또한 원형의 공진체와 다른 모습은 내부에 일정한 크기의 빈 공간을 갖지 않는다는 점이다. 이는 도 3 및 4와 대비하면 알 수 있다.
도 5의 (b)에 도시한 형상은 1차측 공진체와 2차측 공진체가 본 발명에 따라 무선으로 전력을 송신하기 위한 배치의 사시도이다. 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이 송신측 공진체와 수신측 공진체는 무선으로 전력 전송을 위한 소정 거리만큼 이격되어 있으며, 송신측 공진체에는 송신 루프(503)가 수신측 공진체로부터 반대 방향에 위치하고 있다. 송신측 공진체는 앞에서 설명한 바와 같이 송신측 공진체가 사각 구조를 유지하기 위한 외부 테두리(501) 및 그 내부에 사각 구조의 송신측 공진체(502)가 포함되어 있다.
송신측 공진체와 마주보는 위치에 사각 형태의 수신측 공진체(512)가 위치한다. 사각 형태의 송신측 공진체(512)의 외부 즉, 송신측 공진체로부터 먼 방향에 수신 루프(513)가 위치한다.
도 5의 (c)는 도 5의 (b)의 사시도를 측면에서 본 투시도이다. 즉, 도 5의 (b)에 모습을 옆에서 본 형태에 내부 공진체들(502, 512)을 함께 형상화한 도면이다. 도 5의 (b)에 사용된 참조부호와 도 5의 (c)에 사용된 참조부호는 이해의 편의를 돕기 위해 동일하게 두었으므로, 여기서 더 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5에서 설명한 사각 구조를 갖는 공진체들은 앞에서 설명한 원형의 스파이럴 구조를 갖는 공진체와 동일한 특성을 갖는다. 다만 도 5에 도시한 사각 형태의 스파이럴 구조가 원형의 스파이럴 형태보다 면적대비 인덕턴스(L)의 증가를 유발할 수 있는 구조이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 무선 전력 전송 장치에서 전기장을 차단을 위한 장치의 3차원 구성도이다.
먼저 도 6에서 도 5와 동일한 부분에서는 동일한 참조부호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 따라서 도 5와 동일한 부분에 대하여 상세히 설명하지 않기로 한다.
도 6에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에서는 사각의 스파이럴 구조를 갖는 무선 전력 전송 장치의 전면 및 후면에 사각의 전기장 차폐 장치를 포함하고 있다.
먼저 참조부호 601은 송신 전자기 공진체(502)의 송신 루프(503) 후미에 일정한 두께(높이)를 가지며, 송신 전자기 공진체(502)의 크기보다 일정부분 큰 송신 측 후미 차폐 장치이다. 또한 송신 전자기 공진체(502)와 수신 전자기 공진체(512) 사이에도 후미 공진체와 동일한 크기를 가지며, 송신 전자기 공진체(502)와 수신 전자기 공진체(512)의 간격보다 작은 두께(높이)를 가지는 중간 전기장 차폐 장치(602)를 포함한다. 또한 수신측의 수신 루프(513) 후미에 송신측 후미 전기장 차폐 장치(601)와 동일한 크기와 높이를 가지는 수신측 후미 차폐 장치(603)를 가진다.
이상의 각 차폐 장치들(601, 602, 603)은 모두 유전율이 낮은 물질로 구성되며, 내부는 일반적인 생수 또는 정수된 물을 채워 사용할 수 있다. 이하의 설명에서 특별한 언급이 없는 한 본 발명의 다른 실시 예에서도 차폐 장치의 내부에는 일반적인 생수 또는 정수된 물을 채운다는 점에 유의해야 한다. 즉, 이는 유전율이 낮은 물을 사용하여 차폐 장치의 효과를 높이기 위한 것이다.
또한 본 발명에서 사용하는 전기장 차폐 장치들과 그 내부 구성물은 유전율이 낮은 물질을 사용할 수도 있지만, 보다 바람직하게는 유전 손실이 높은 물질을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
높은 유전손실의 물질은 물의 경우 대략 유전손실이 0.42부터 1.3수준이며, 종이가 0.18, Neoprene compund(38% GN)가 0.27, Plexiglass가 0.165로 다양한 합성이 가능하다. 따라서 유전손실이 0.1 혹은 그 이상인 유전물질을 사용하는 것이 바람직하다.
위와 같은 관점에서 도 6에 도시한 본 발명에 따른 전기장 차폐 장치들(1101, 1102)을 구성하는 재질 또한 내부에 포함되는 물과 같이 전기장의 차폐 효과가 높은 물질을 이용하여 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어 유전손실이 높은 플라스틱 또는 목재 또는 유리 또는 도자기 또는 고무 등의 다양한 형태가 가능하다.
위와 같은 이유는 현재 개발된 자기공명을 이용한 전력전송의 경우 전기장이 아닌 주로 자기장을 이용하여 에너지가 전달되는 특성이 있기 때문이다. 따라서 이는 자기 공명이 발생될 때 필드의 분포를 보면 주로 자기장이 지배적이다. 그러나 방사 및 복사되는 에너지의 경우 전기장의 역할도 일정 존재하며 실제 자기공명 현상에서도 전기장은 존재하게 된다. 따라서 본 발명에서는 복사되는 양을 감소시키고자 할 경우 전기장을 줄이는 것이 합리적이라는 관점에서 전기장을 줄이기 위한 방법을 제시한다.
이러한 전기장의 분포는 전자파 이론에서 유전체에 지배적인 관계가 있다. 그러므로 유전체 중 유전 손실을 크게 하여 전기장을 감소시키고 복사되는 양을 저감화 할 수 있다. 즉, 본 발명에서 사용되는 유전물질은 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 유전손실 값은 대략 0.1 이상의 값을 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
그러면 이하에서 이와 같이 구성된 전기장 차폐 장치들에 의한 전자계 유도 현상을 시뮬레이션 결과를 이용하여 살펴보기로 하자.
도 7a 내지 도 7d는 도 6의 본 발명의 실시 예에 따라 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
먼저 도 7a는 본 발명의 실시 예에 따른 방사 이득을 S-파라미터로 시뮬레이션 한 그래프이다. 도 7a에서 먼저 알 수 있는 것은 무선 전력 전송 장치의 공진 주파수 변화이다. 즉, 이전 MIT 구조에서는 공진 주파수가 대략 10MHz 대역에 위치하였으나, 도 5 및 도 6의 구성을 가지도록 한 경우 공진 주파수가 1.80MHz 대역으로 낮춰졌음을 알 수 있다.
또한 참조부호 701은 도 6과 같이 전기장 차폐가 이루어진 경우의 S1 ,1의 S-파라미터로 시뮬레이션 한 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이며, 참조부호 702는 도 6의 구성을 가지는 경우 무선 전력 전송 장치에서 S2 ,1의 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이다.
여기서 S-파라미터를 이용한 S1 ,1(701)의 그래프는 주파수 변화에 대하여 1.80 MHz에서 크게 떨어짐을 알 수 있다. 이와 같이 S1 ,1은 1.80MHz에서 공진이 발생하여 외부 즉, 송신측에서 수신측으로 최대 방사가 이루어짐을 알 수 있다.
또한 S-파라미터를 이용한 S(2,1)은 1번 포트에서 2번 포트로 전송하는 경우의 전력 전송에 대한 해석 값이다. 즉, 도 6과 같이 무선 전력 전송 장치에서 전기장을 차폐한 경우 송신측에서 수신측으로의 방사 시 이득을 시뮬레이션 한 그래프이다.
도 7b의 시뮬레이션 결과는 도 6과 같이 도 5의 무선 전력 전송 장치를 본 발명에 따라 전기장 차폐한 경우 복사 전력과 그 패턴을 측정한 그래프이다. 도 7b의 시뮬레이션 결과 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 도 6과 같이 무선 전력 전송 장치에서 전기장을 차폐한 경우 방사되는 복사 전력이 앞에서 살핀 바와 도 2a의 경우보다 매우 적음을 알 수 있다.
도 7c는 본 발명에 따라 도 6과 같이 무선 전력 전송 장치에 전기장을 차폐한 경우 전계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. 도 7c에 도시한 바와 같이 전기장 차폐 장치를 이용하여 전기장을 차폐한 경우에 전기장의 방사가 현저하게 낮아짐을 알 수 있다.
도 7d는 본 발명에 따라 도 6과 같이 무선 전력 전송 장치에 전기장을 차폐한 경우 자계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. 도 7d에 도시한 바와 같이 전기장 차폐 장치를 이용하여 전기장을 차폐한 결과 자기장의 방사에는 큰 변화가 없음을 알 수 있다.
이상에서 살핀 도 7a 내지 도 7d의 결과에 따르면, 본 발명에 따른 도 6의 전기장 차폐 장치를 사용하는 경우 에너지 전달 특성을 S-파라미터로 시뮬레이션한 (S2 ,1)은 전혀 손상 없이 전기장이 세기가 급격히 감소하고 복사 전력이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 자기 공명구조에서 에너지를 전달하는 메커니즘이 온전히 자기장에 의해 결정됨을 의미하며, 특히 전기장의 감쇠를 유발하여 전체적인 복사전력을 감소시킬 수 있음을 암시하는 매우 중요한 결과이다.
또한 이상에서 살핀 도 7a 내지 도 7d의 결과를 이용하여 도 6의 구조를 이용하는 경우 복사되는 전력을 안테나 이득으로 환산하여 계산하면, -42dBi가 된다. 즉, 100W를 전송시 0.006W 수준만 복사되는 특성을 갖게 됨을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서와 같은 유전율이 낮은 물을 포함하도록 한 전기장 차폐 장치를 사용하면 복사 전력이 매우 낮아짐을 알 수 있다. 즉, 전기장 차폐 장치와 그에 포함되는 물은 전기장의 방사를 줄이는데 매우 유용하다는 것을 알 수 있다. 또한 이때 에너지 전송 특성 S(2,1)은 -0.198dB로 손실이 거의 없음을 확인할 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 도 6의 실시 예에서 자기 공진체만 존재하고, 스파이럴 층을 2층으로 구성하여 헤리컬 형태를 갖도록 한 경우의 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
먼저 도 8a는 본 발명의 실시 예에 따른 방사 이득을 S-파라미터로 시뮬레이션 한 그래프이다. 도 8a에서 먼저 알 수 있는 것은 무선 전력 전송 장치의 공진 주파수 변화이다. 즉, 이전 MIT 구조에서는 공진 주파수가 대략 10MHz 대역에 위치하였으나, 위와 같이 구성한 경우 공진 주파수가 1.7950MHz 대역으로 낮춰졌음을 알 수 있다.
또한 참조부호 801은 S1 ,1의 S-파라미터로 시뮬레이션 한 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이며, 참조부호 802는 S2 ,1의 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이다.
여기서 S-파라미터를 이용한 S1 ,1(801)의 그래프는 주파수 변화에 대하여 1.7950 MHz에서 크게 떨어짐을 알 수 있다. 이와 같이 S1 ,1은 1.7950MHz에서 공진이 발생하여 외부 즉, 송신측에서 수신측으로 최대 방사가 이루어짐을 알 수 있다.
또한 S-파라미터를 이용한 S(2,1)은 1번 포트에서 2번 포트로 전송하는 경우의 전력 전송에 대한 해석 값이다.
도 8b의 시뮬레이션 결과는 자기 공진체만 존재하고, 스파이럴 층을 2층으로 구성하여 헤리컬 형태를 갖도록 한 경우의 복사 전력과 그 패턴을 측정한 그래프이다. 도 8b의 시뮬레이션 결과 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 전기장을 차폐한 경우 방사되는 복사 전력이 앞에서 살핀 바와 도 2a의 경우보다 매우 적음을 알 수 있다.
도 8c는 본 발명에 따라 자기 공진체만 존재하고, 스파이럴 층을 2층으로 구성하여 헤리컬 형태를 갖도록 한 경우에서 전기장을 차폐한 경우 전계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. 도 8c에 도시한 바와 같이 전기장 차폐 장치를 이용하여 전기장을 차폐한 경우에 전기장의 방사가 현저하게 낮아짐을 알 수 있다.
도 8d는 본 발명에 따라 자기 공진체만 존재하고, 스파이럴 층을 2층으로 구성하여 헤리컬 형태를 갖도록 하여 전기장을 차폐한 경우 자계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. 도 8d에 도시한 바와 같이 전기장 차폐 장치를 이용하여 전기장을 차폐한 결과 자기장의 방사에는 큰 변화가 없음을 알 수 있다.
이상에서 살핀 도 8a 내지 도 8d의 결과에 따르면, 전기장 차폐 장치를 사용하는 경우 에너지 전달 특성을 S-파라미터로 시뮬레이션한 (S2 ,1)은 전혀 손상 없이 전기장이 세기가 급격히 감소하고 복사 전력이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기장 차폐 장치의 구현 예를 도시한 도면이다.
먼저 도 9에서도 앞에서 설명한 도 5와 동일한 부분에서는 동일한 참조부호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 따라서 도 5와 동일한 부분에 대하여 상세히 설명하지 않기로 한다. 또한 도 9에서 외부에 구형의 전기장 차폐 장치들은 반경이 서로 다르게 구성하였다. 즉, 구형의 전기장 차폐 장치들(901, 902)은 각각 내부 구와 외부 구 사이의 반경에서 2mm의 차이(911, 912)를 가지도록 구성하였다.
이와 같은 구형의 전기장 차폐 장치들(901, 902)은 내부 구와 외부 구에서 반경의 차이가 나도록 구성한 후 내부 구와 외부 구형물 사이에 유전손실이 큰 물 혹은 다른 유전체를 삽입하는 구조를 가질 수 있다. 본 발명에서는 이해의 편의를 돕기 위해 구형의 전기장 차폐 장치에 물을 삽입한 구조를 예로 설명하기로 한다. 다만, 여기서 주의해야 할 것은 전기장 차폐 장치들(901, 902)의 내부 구와 외부 구 사이(911, 912)에 유전손실이 큰 물질을 채웠다는 점이다. 본 발명의 일 실시 예에서는 유전손실이 대략 0.1 정도 이상의 값을 갖는 물질을 채우는 것이 바람직하다.
위와 같이 구성함으로써 기본적으로 전기장은 차폐하고, 자기장은 투과할 수 있는 구조가 된다. 이를 통해 전기장 차폐 장치들(901, 902)의 내부 구형물에는 단지 자기 공진체와 피딩 루프만 존재하도록 물을 채우지 않는다. 이와 같은 구성을 통해 전기장을 차폐, 감소시켜 복사를 저감화 하는 것이다. 이하에서는 상기한 구조를 갖는 구형의 전기장 차폐 장치들(901, 902)에 대하여 각각 구형의 전기장 차폐 장치라 칭하기로 한다.
또한 도 9에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시 예에서는 사각의 스파이럴 구조를 갖는 무선 전력 전송 장치는 송신측과 수신측을 각각 구형의 전기장 차폐 장치 내에 포함되도록 구성되어 있음을 알 수 있다.
참조부호 901은 송신 전자기 공진체(502)와 송신 루프(503)를 포함하도록 형성된 구형의 송신측 전기장 차폐 장치이다. 송신측 전기장 차폐 장치(901)의 내부는 송신 전자기 공진체(502)와 송신 루프(503)간 유기되는 전자계에는 앞에서 설명한 바와 같이 영향이 미치지 않으며, 구형의 전기장 차폐 장치(901)에는 큰 구와 작은 구 사이에 생수 또는 정수된 물을 사용하여 물을 채울 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 유전율이 높은 물을 예로 들었지만, 전기장에 대한 유전손실이 높은 물이라면 물 이외의 다른 물질도 모두 포함할 수 있다.
또한 수신측에도 수신 루프(513)와 수신 전자기 공진체(512)를 포함하도록 구형으로 구성된 수신측 전기장 차폐 장치(902)를 가진다. 이때에도 수신측 전기장 차폐 장치 장치의 내부는 수신 공진체(512)와 수신 루프(513)간 유기되는 전자계에 영향이 미치지 않는다. 뿐만 아니라 앞에서 살핀 바와 같이 전기장을 차폐하기 위해 큰 구형의 구조물과 작은 구형의 구조물 사이에 생수 또는 정수된 물을 채워 사용할 수 있다.
도 9에 도시한 본 발명에 따른 전기장 차폐 장치들(1101, 1102)을 구성하는 재질은 내부에 포함되는 물과 같이 전기장의 차폐 효과가 높은 물질을 이용하여 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어 유전손실이 높은 플라스틱 또는 목재 또는 유리 또는 도자기 또는 고무 등의 다양한 형태가 가능하다. 이러한 전기장 차폐 장치들(901, 902)은 그 외부로 유기되는 전기장을 차폐하기 위한 것이다. 이와 같이 외부로 발산되는 전기장을 차폐함으로써 인체에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
그러면 이하에서 위에서 설명한 전기장 차폐 장치들(901, 902)을 갖는 무선 전력 전송 장치에서 전자계 유도 현상을 시뮬레이션 결과를 이용하여 살펴보기로 하자.
도 10a 내지 도 10d는 도 9의 실시 예에 따라 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
먼저 도 10a는 본 발명의 실시 예에 따른 방사 이득을 S-파라미터로 시뮬레이션 한 그래프이다. 도 10a에서 무선 전력 전송 장치의 공진 주파수는 1.8050MHz의 대역을 가짐을 알 수 있다.
또한 참조부호 1001은 앞에서 설명한 도 9와 같이 전기장 차폐가 이루어진 경우의 S-파라미터로 S1,1을 시뮬레이션 한 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이며, 참조부호 1002는 도 9의 구성을 갖는 무선 전력 전송 장치에서 S2 ,1의 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이다. 여기서 S-파라미터를 이용한 S1 ,1(1001)의 그래프는 주파수 변화에 대하여 1.8050 MHz에서 크게 떨어짐을 알 수 있다. 이와 같이 S1 ,1은 1.8050MHz에서 공진이 발생하여 외부 즉, 송신측에서 수신측으로 최대 방사가 이루어짐을 알 수 있다.
또한 S-파라미터를 이용한 S(2,1)은 1번 포트에서 2번 포트로 전송하는 경우의 전력 전송에 대한 해석 값이다. 즉, 도 9과 같이 무선 전력 전송 장치에서 자기장을 차폐한 경우 송신측에서 수신측으로의 방사 시 이득을 시뮬레이션 한 그래프이다.
도 10b의 시뮬레이션 결과는 도 9와 무선 전력 전송 장치를 본 발명에 따라 전기장 차폐한 경우 복사 전력과 그 패턴을 측정한 그래프이다. 도 10b의 시뮬레이션 결과 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 도 9와 같이 무선 전력 전송 장치에서 전기장을 차폐한 경우 방사되는 복사 전력이 앞에서 살핀 바와 도 2a의 경우보다 매우 적음을 알 수 있다.
도 10c는 본 발명에 따라 도 9와 같이 무선 전력 전송 장치에 전기장을 차폐한 경우 전계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. 도 10c에 도시한 바와 같이 전기장 차폐 장치를 이용하여 전기장을 차폐한 경우에 전기장의 방사가 현저하게 낮아짐을 알 수 있다.
도 10d는 본 발명에 따라 도 9와 같이 무선 전력 전송 장치에 전기장을 차폐한 경우 자계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. 도 10d에 도시한 바와 같이 전기장 차폐 장치를 이용하여 전기장을 차폐한 결과 자기장의 방사에는 큰 변화가 없음을 알 수 있다.
이상에서 살핀 도 10a 내지 도 10d의 결과에 따르면, 본 발명에 따른 도 9의 전기장 차폐 장치를 사용하는 경우 에너지 전달 특성을 S-파라미터로 시뮬레이션한 (S2 ,1)은 거의 손상 없이 전기장이 세기가 급격히 감소하고 복사 전력이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 자기 공명구조에서 에너지를 전달하는 메커니즘이 온전히 자기장에 의해 결정됨을 의미하며, 특히 전기장의 감쇠를 유발하여 전체적인 복사전력을 감소시킬 수 있음을 암시하는 매우 중요한 결과이다.
또한 이상에서 살핀 도 10a 내지 도 10d의 결과를 이용하여 도 9의 구조를 이용하는 경우 복사되는 전력을 안테나 이득으로 환산하여 계산하면, -47dBi가 된다. 즉, 100W를 전송시 0.002W 수준만 복사되는 특성을 갖게 됨을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서와 같은 유전율이 낮은 물을 포함하도록 한 전기장 차폐 장치를 사용하면 복사 전력이 매우 낮아짐을 알 수 있다. 즉, 전기장 차폐 장치와 그에 포함되는 물은 전기장의 방사를 줄이는데 매우 유용하다는 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전기장 차폐 장치의 구현 예를 도시한 도면이다.
먼저 도 11에서도 앞에서 설명한 도 5와 동일한 부분에서는 동일한 참조부호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 따라서 도 5와 동일한 부분에 대하여 상세히 설명하지 않기로 한다.
도 11에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시 예에서는 사각의 스파이럴 구조를 갖는 무선 전력 전송 장치는 송신측과 수신측을 각각 사각형의 전기장 차폐 장치들(1101, 1102) 내에 포함되도록 구성되어 있음을 알 수 있다. 또한 상기 도 11에서도 전기장 차폐 장치들(1101, 1102)은 각각 내부 육면체와 외부 육면체 사이에 일정한 간극을 둘 수 있으며, 앞에서 설명한 바와 같이 2mm일 수도 있고 그 이상 또는 그 이하가 될 수도 있다. 이에 대한 가장 적절한 값은 실험을 통해 도출하는 것이 바람직하며 본 발명의 실시 예에서는 2mm의 경우를 가정하기로 한다. 내부와 외부의 육면체 사이에는 앞에서 살핀 바와 같이 생수 또는 정수된 물을 채원 넣을 수 있다. 이 외에도 유전손실이 큰 물질이라면 불 이외의 다른 물질을 채울 수도 있다.
상기와 같이 구성하는 이유는 앞에서 살핀 바와 같이 전기장은 차폐하고, 자기장은 투과하도록 함으로써 무선 전력 전송은 가능하지만, 인체에 유해하며, 다른 장비에 영향이 있는 자기장은 차단하기 위함이다.
참조부호 1101은 송신 전자기 공진체(502)와 송신 루프(503)를 포함하도록 형성된 사각형의 송신측 전기장 차폐 장치이다. 송신측 전기장 차폐 장치의 내부는 송신 전자기 공진체(502)와 송신 루프(503)간 유기되는 전자계에 영향이 미치지 않는 범위 내에서 즉, 상기 내부 직육면체와 외부의 직육면체 사이에 생수 또는 정수된 물을 사용하여 물을 채울 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 유전율이 낮은 물을 예로 들었지만, 전기장에 대한 유전율이 낮은 물질이라면 물 이외의 다른 물질도 모두 포함할 수 있다.
또한 수신측에도 수신 루프(513)와 수신 전자기 공진체(512)를 포함하도록 사각형으로 구성된 수신측 전기장 차폐 장치(1102)를 가진다. 이때에도 수신측 전기장 차폐 장치 장치의 내부는 수신 공진체(512)와 수신 루프(513)간 유기되는 전자계에 영향이 미치지 않는 범위 내에서 즉, 상기 내부 직육면체와 외부의 직육면체 사이에 생수 또는 정수된 물을 채워 사용할 수 있다.
도 11에 도시한 본 발명에 따른 전기장 차폐 장치들(1101, 1102)을 구성하는 재질은 내부에 포함되는 물과 같이 전기장의 차폐 효과가 높은 물질을 이용하여 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어 유전손실이 높은 플라스틱 또는 목재 또는 유리 또는 도자기 또는 고무 등의 다양한 형태가 가능하다. 이러한 전기장 차폐 장치들(1101, 1102)은 그 외부로 유기되는 전기장을 차폐하기 위한 것이다. 이와 같이 외부로 발산되는 전기장을 차폐함으로써 인체에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
그러면 이하에서 위에서 설명한 전기장 차폐 장치들(1101, 1102)을 갖는 무선 전력 전송 장치에서 전자계 유도 현상을 시뮬레이션 결과를 이용하여 살펴보기로 하자.
도 12a 내지 도 12d는 도 11의 실시 예에 따라 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
먼저 도 12a는 도 11의 실시 예에 따른 방사 이득을 S-파라미터로 시뮬레이션 한 그래프이다. 도 12a에서 무선 전력 전송 장치의 공진 주파수는 1.8100MHz의 대역을 가짐을 알 수 있다.
또한 참조부호 1201은 앞에서 설명한 도 11과 같이 전기장 차폐가 이루어진 경우의 S-파라미터로 S1,1을 시뮬레이션 한 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이며, 참조부호 1202는 도 11의 구성을 갖는 무선 전력 전송 장치에서 S2 ,1의 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이다. 여기서 S-파라미터를 이용한 S1 ,1(1201)의 그래프는 주파수 변화에 대하여 1.8100 MHz에서 크게 떨어짐을 알 수 있다. 이와 같이 S1 ,1은 1.8100MHz에서 공진이 발생하여 외부 즉, 송신측에서 수신측으로 최대 방사가 이루어짐을 알 수 있다.
또한 S-파라미터를 이용한 S(2,1)은 1번 포트에서 2번 포트로 전송하는 경우의 전력 전송에 대한 해석 값이다. 즉, 도 11과 같이 무선 전력 전송 장치에서 전기장을 차폐한 경우 송신측에서 수신측으로의 방사 시 이득을 시뮬레이션 한 그래프이다.
도 12b의 시뮬레이션 결과는 도 11의 무선 전력 전송 장치를 본 발명에 따라 전기장 차폐한 경우 복사 전력과 그 패턴을 측정한 그래프이다. 도 12b의 시뮬레이션 결과 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 도 11과 같이 무선 전력 전송 장치에서 자기장을 차폐한 경우 방사되는 복사 전력이 앞에서 살핀 바와 도 2a의 경우보다 매우 적음을 알 수 있다.
도 12c는 본 발명에 따라 도 11과 같이 무선 전력 전송 장치에 전기장을 차폐한 경우 전계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. 도 12c에 도시한 바와 같이 전기장 차폐 장치를 이용하여 전기장을 차폐한 경우에 전기장의 방사가 현저하게 낮아짐을 알 수 있다.
도 12d는 본 발명에 따라 도 9와 같이 무선 전력 전송 장치에 전기장을 차폐한 경우 자계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. 도 12d에 도시한 바와 같이 전기장 차폐 장치를 이용하여 전기장을 차폐한 결과 자기장의 방사에는 큰 변화가 없음을 알 수 있다.
이상에서 살핀 도 12a 내지 도 12d의 결과에 따르면, 본 발명에 따른 도 9의 전기장 차폐 장치를 사용하는 경우 에너지 전달 특성을 S-파라미터로 시뮬레이션한 (S2 ,1)은 거의 손상 없이 전기장이 세기가 급격히 감소하고 복사 전력이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 자기 공명구조에서 에너지를 전달하는 메커니즘이 온전히 자기장에 의해 결정됨을 의미하며, 특히 전기장의 감쇠를 유발하여 전체적인 복사전력을 감소시킬 수 있음을 암시하는 매우 중요한 결과이다.
도 13a 내지 도 13c는 서로 다른 크기의 직육면체를 금속으로 구성한 경우 안테나 방사 이득, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 13a 내지 도 13c의 경우에는 앞에서 살핀 바와 같이 본 발명에 따른 유전물질을 채울 수도 있고, 채우지 않을 수도 있다. 만일 본 발명에 따른 유전물질을 채운 경우라도 전기장 차폐 장치를 금속으로 구성한 경우라면, 동일한 효과를 가지게 된다.
먼저 도 13a를 참조하면, 공진 주파수를 의미하는 S-파라미터의 S(1,1)의 그래프(1301)는 1.8050MHz로 앞에서 설명한 바와 동일한 형태로 나타남을 알 수 있다. 다만, 그 이득 값이 거의 없다는 것을 알 수 있다. 또한 S-파라미터를 이용한 S(2,1)의 그래프(1302) 즉, 1번 포트에서 2번 포트로 전송하는 경우의 전력 전송에 대한 해석 값에서도 전력의 전달이 전혀 이루어지지 않고 있음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따라 전기장 차폐를 하고자 하는 경우 금속을 사용하는 경우에는 기본적으로 무선 전력 전송이 이루어지지 않음을 알 수 있다.
도 13b는 서로 다른 크기의 직육면체를 금속으로 구성한 경우 전계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프로, 도면에서 알 수 있는 바와 같이 외부와 차폐를 하고자 하는 금속체의 차폐 장치를 거의 통과할 수 없음을 알 수 있다. 결과적으로 무선 전력 전송이 일어나지 않음을 확인할 수 있다.
도 13b는 서로 다른 크기의 직육면체를 금속으로 구성한 경우 자기장 필드를 시뮬레이션 한 그래프이다. 도 13b에서도 앞에서 설명한 바와 같이 자기장이 거의 금속의 차폐 장치를 벗어나지 못하고 있음을 확인할 수 있다. 결과적으로 전기장 차폐를 위한 차폐 장치는 금속으로 구현할 수 없음을 의미한다.
도 14a 내지 도 14d는 본 발명의 또 다른 실시 예로 도 11의 구성에 외부 전기장 차폐 장치들 내부에 다른 물질을 삽입한 경우의 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
먼저 도 14a 내지 도 14d의 시뮬레이션에서는 사용된 유전체의 조건을 살펴보기로 하자.
<조건>
1. 비유전율은 5이다.
2. Loss tan 값이 높은 0.1의 갖는다.
3. 위 값들을 갖는 실제의 물질을 이용한 것이 아닌 가상의 유전체이다.
4. 위의 조건을 갖는 물질을 앞의 도 9에서 설명한 바와 같이 사각형의 외부 전기장 차폐 장치들(1101, 1102)에 포함한 경우를 가정한다.
본 발명에서는 전기장 차폐 장치의 형태가 원형 구조 및 사각 구조 모두 가능함을 보인 것이며, 도 9와 도 10은 구형, 도 11은 사각형의 전기장 차폐 장치들을 설명하기 위한 것이다. 또한 채워지는 유전물질은 앞에 기재한 도면에서는 물을 이용한 것이다. 또한 도 14a 내지 도 14d는 사각형 구조물에 유전손실이 큰 물질을 이용한 것이다.
이와 같이 유전손실이 큰 물질을 이용하는 것은 앞에서 살핀 바와 같이 전기장은 차폐하고, 자기장은 투과하기 위한 유전물질을 사용하기 위함이다. 본 발명의 실시 예에서 유전물질의 유전손실은 대략 0.1 이상의 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 결과들로부터 사각 구조에서 앞에서 살핀 바와 같이 동일한 효과를 얻을 수 있다면, 구형 구조에도 유전손실이 큰 유전체를 삽입하는 경우도 사각의 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있음을 예측할 수 있다.
먼저 도 14a는 위와 같은 조건에 따른 방사 이득을 S-파라미터로 시뮬레이션 한 그래프이다. 도 14a에서 무선 전력 전송 장치의 공진 주파수는 1.8350MHz의 대역을 가짐을 알 수 있다.
또한 참조부호 1401은 앞에서 설명한 도 9와 같이 전기장 차폐가 이루어지며, 내부에 물질은 위와 같은 조건에서의 S-파라미터로 S1 ,1을 시뮬레이션 한 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이며, 참조부호 1202는 도 9의 구성을 갖는 무선 전력 전송 장치에서 내부 물질은 위와 같은 조건인 경우 S-파라미터로 S2 ,1의 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이다. 여기서 S-파라미터를 이용한 S1 ,1(1201)의 그래프는 주파수 변화에 대하여 1.8350 MHz에서 크게 떨어짐을 알 수 있다. 이와 같이 S1 ,1은 1.8350MHz에서 공진이 발생하여 외부 즉, 송신측에서 수신측으로 최대 방사가 이루어짐을 알 수 있다.
또한 S-파라미터를 이용한 S(2,1)은 1번 포트에서 2번 포트로 전송하는 경우의 전력 전송에 대한 해석 값이다. 즉, 도 9와 같은 방법으로 무선 전력 전송 장치에서 자기장을 차폐하고, 전기장 차폐 장치의 내부 물질은 위 조건에 따른 물질로 채운 경우 송신측에서 수신측으로의 방사 시 이득을 시뮬레이션 한 그래프이다.
도 14b의 시뮬레이션 결과는 도 9의 무선 전력 전송 장치를 본 발명에 따라 전기장 차폐하고, 내부 물질은 위 조건에 따른 경우 복사 전력과 그 패턴을 측정한 그래프이다. 도 14b의 시뮬레이션 결과 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 도 9의 무선 전력 전송 장치에서 전기장 차폐 장치에 위 조건에 따른 물질을 채워 자기장을 차폐한 경우 방사되는 복사 전력이 앞에서 살핀 바와 도 2a의 경우보다 매우 적음을 알 수 있다.
도 14c는 본 발명에 따라 도 11의 무선 전력 전송 장치에 위와 같은 조건의 물질을 채워 전기장을 차폐한 경우 전계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. 도 12c에 도시한 바와 같이 전기장 차폐 장치를 이용하여 전기장을 차폐한 경우에 전기장의 분포가 현저하게 낮아짐을 알 수 있다.
도 14d는 본 발명에 따라 도 11의 무선 전력 전송 장치에 위와 같은 조건의 물질을 채워 전기장을 차폐한 경우 자계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. 도 14d에 도시한 바와 같이 전기장 차폐 장치를 이용하여 전기장을 차폐한 결과 자기장의 분포에는 큰 변화가 없음을 알 수 있다.
이상에서 살핀 도 14a 내지 도 14d의 결과에 따르면, 본 발명에 따른 도 11의 전기장 차폐 장치를 사용하며, 위 조건의 물질을 채우는 경우 에너지 전달 특성을 S-파라미터로 시뮬레이션한 (S2 ,1)은 거의 손상 없이 전기장이 세기가 급격히 감소하고 복사 전력이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 자기 공명구조에서 에너지를 전달하는 메커니즘이 온전히 자기장에 의해 결정됨을 의미하며, 특히 전기장의 감쇠를 유발하여 전체적인 복사전력을 감소시킬 수 있음을 암시하는 매우 중요한 결과이다.
이때 복사 이득은 -42dBi로 100W 전송 시 복사되는 전력은 0.006W로 거의 무시할 수 있다. 이는 유전율이 높은 물 뿐만 아니라 유전율이 낮아도 유전손실 값이 크면 동일한 특성을 갖는 것을 의미한다. 물은 하나의 예이며, 물의 경우 유전율이 높고, 유전손실 또한 높은 물질이다.
이와 같이 유전손실이 높은 물질을 사용하는 이유는 앞에서 살핀 바와 같이 전기장은 차폐하고, 자기장은 투과할 수 있도록 함으로써 무선 전력 전송이 가능하도록 하기 위함이다. 본 발명의 실시 예에서 사용된 낮은 유전율의 경우 유전율은 낮으나 유전손실은 여전히 큰 경우를 의미한다. 또한 본 발명의 실시 예에서 사용하는 유전손실 값은 대략 0.1 이상의 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 전기장을 줄이기 위해 유전손실이 큰 것이 중요함을 알 수 있다. 반면에 유전손실이 작은 경우는 효과가 별로 없는 특징이 있음을 확인하였다.
도 15a는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 자기유도 현상에 의한 무선 전력전송용 코일 송신기 장치의 구성도이다. 도 15a에서도 앞에서와 동일한 부분은 동일한 참조부호를 사용하였음에 유의하자.
먼저 송신 루프(503)는 사각 구조를 가지고 있는 앞에서 설명한 송신 전력이 입력되는 코일이다. 또한 본 발명의 실시 예에 따른 송신 공진체(1510)는 입력 정합을 위한 송신 공진체로, 입력 신호의 정합을 위한 임피던스 값을 가진다. 그리고 수신 자기 유도 루프(1511)는 자기 유도 현상에 의해 자기장을 수집하기 위한 수신루프이다.
상기 도 15a에서는 자기유도의 경우에도 이러한 방사, 복사 문제를 해결할 수 있는지를 시뮬레이션을 통해 알아보기 위한 도면이다. 시뮬레이션을 위해 송신부의 송신 루프(503)와 공진 코일(1510)은 필드를 공간상에 임피던스가 매칭되게 유도하기 위한 구조이다. 참조부호 1511은 수신 루프로 루프의 원 내부로 통과하는 자기장의 크기에 비례하여 전기를 수집하는 형상을 도시하였다.
도 15b는 도 15a의 구조에 본 발명에 따른 전기장 차폐 장치를 삽입한 장치의 구성도이다.
도 15b에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 전기장 차폐 장치들(1520, 1521)을 각각 송신 루프(503)의 후면부와 수신 자기 유도 루프(1511)의 후면부에 배치한다. 또한 각 전기장 차폐 장치들(1520, 1521)의 내부에는 앞에서 설명한 바와 같이 물을 삽입할 수 있다. 또한 유전율이 높은 물질 이외에 유전율이 낮아도 유전손실 값이 큰 물질을 전기장 차폐 장치에 삽입함으로써 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.
도 16a 내지 도 16d는 도 15a의 구조를 갖는 경우 무선 전력전송용 코일의 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
먼저 도 16a는 도 15a의 구조를 갖는 무선 전력 전송용 코일의 방사 이득을 S-파라미터로 시뮬레이션 한 그래프이다. 도 16a에서 무선 전력 전송 장치의 공진 주파수는 1.8200MHz의 대역을 가짐을 알 수 있다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서 도 16a 내지 도 16d는 자기유도에 의한 무선전력 전송의 경우 앞에서 설명하였던 전기장 차폐 장치의 조형물 삽입으로 복사 문제를 해결할 수 있는지를 확인하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
또한 참조부호 1601은 앞에서 설명한 도 15a에 도시한 바와 같은 무선 전력 전송용 코일의 S1 ,1을 시뮬레이션 한 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이며, 참조부호 1602는 도 15a의 구성을 갖는 무선 전력 전송용 코일의 S-파라미터로 S2 ,1의 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이다. 여기서 S-파라미터를 이용한 S1 ,1(1601)의 그래프는 주파수 변화에 대하여 1.8200 MHz에서 크게 떨어짐을 알 수 있다. 이와 같이 S1 ,1은 1.8200MHz에서 공진이 발생하여 외부 즉, 송신측에서 수신측으로 최대 방사가 이루어짐을 알 수 있다. 즉, 도 16a의 그래프에서는 1.820MHz 대역에서 자기유도가 원활히 동작하는가와 그 구조 및 복사이득을 살펴본 것이다. 또한 도 16a에서 알 수 있는 바와 같이 복사 이득은 -24.7dBi임을 알 수 있다.
또한 S-파라미터를 이용한 S(2,1)은 1번 포트에서 2번 포트로 전송하는 경우의 전력 전송에 대한 해석 값이다. 즉, 도 15a와 같이 구성된 무선 전력 전송용 코일에서 송신측에서 수신측으로의 방사 시 이득을 시뮬레이션 한 그래프이다.
도 16b의 시뮬레이션 결과는 도 15a의 무선 전력 전송용 코일의 복사 전력과 그 패턴을 측정한 그래프이다. 도 16b의 시뮬레이션 결과 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 도 15a의 무선 전력 전송용 코일에 아무런 차폐 장치를 하지 않은 경우 방사되는 복사 전력이 앞에서 살핀 바와 도 2a의 경우와 유사함을 알 수 있다.
도 16c는 본 발명에 따라 도 15a의 무선 전력 전송용 코일에서 전계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이며, 도 16d는 본 발명에 따라 도 15a의 무선 전력 전송용 코일의 자계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. 도 16c 및 도 16d에 도시한 바와 같이 전기장 차폐 장치를 이용하지 않은 경우에는 전계 및 자계 특성이 크게 분포됨을 알 수 있다.
도 17a 내지 도 17d는 도 15b의 구조를 갖는 경우 무선 전력전송용 코일의 안테나 방사 이득, 복사 전력 패턴, 전계 필드 및 자계 필드의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
먼저 도 17a는 도 15b의 구조를 갖는 무선 전력 전송용 코일을 가지며, 전기장 차폐 장치들(1520, 1521)을 포함하는 경우의 방사 이득을 S-파라미터로 시뮬레이션 한 그래프이다. 이때, 전기장 차폐 장치들(1520, 1521)에 포함되는 유전체는 아래 조건을 갖는다.
<조건>
1. 비유전율이 5이다.
2. Loss tan 값이 높은 0.1이다.
3. 실제 물질이 아닌 위의 조건을 갖는 가상의 물질을 채운 경우이다.
도 17a에서 무선 전력 전송 장치의 공진 주파수는 1.8MHz의 대역을 가짐을 알 수 있다.
또한 참조부호 1701은 앞에서 설명한 도 15b에 도시한 바와 같은 무선 전력 전송용 코일에 전기장 차폐 장치들(1520, 1521)을 포함한 경우의 S1 ,1을 시뮬레이션 한 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이며, 참조부호 1702는 도 15b의 구성을 갖는 무선 전력 전송용 코일의 S-파라미터로 S2 ,1의 주파수 응답 특성을 도시한 그래프이다. 여기서 S-파라미터를 이용한 S1 ,1(1701)의 그래프는 주파수 변화에 대하여 1.8 MHz에서 크게 떨어짐을 알 수 있다. 이와 같이 S1 ,1은 1.8MHz에서 공진이 발생하여 외부 즉, 송신측에서 수신측으로 최대 방사가 이루어짐을 알 수 있다. 또한 도 17a에서 알 수 있는 바와 같이 복사 이득은 -42.2dBi임을 알 수 있다. 즉, 앞에서 설명한 도 16a와 대비할 때, 복사량이 상당히 감소하였음을 알 수 있다.
또한 S-파라미터를 이용한 S(2,1)은 1번 포트에서 2번 포트로 전송하는 경우의 전력 전송에 대한 해석 값이다. 즉, 도 15a와 같이 구성된 무선 전력 전송용 코일에서 송신측에서 수신측으로의 방사 시 이득을 시뮬레이션 한 그래프이다.
도 17b의 시뮬레이션 결과는 도 15b의 무선 전력 전송용 코일의 복사 전력과 그 패턴을 측정한 그래프이다. 도 17b의 시뮬레이션 결과 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 도 16a와 같이 무선 전력 전송용 코일에 아무런 차폐 장치를 하지 않은 경우와 대비할 때, 에너지 전달 특성의 변화가 없음을 확인할 수 있다.
도 17c는 본 발명에 따라 도 15b의 무선 전력 전송용 코일에서 전계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이며, 도 17d는 본 발명에 따라 도 17b의 무선 전력 전송용 코일의 자계 필드를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. 도 17c 및 도 17d에 도시한 바와 같이 전기장 차폐 장치들(1520, 1521)을 사용하는 경우 전기장이 유전체에서 감소함을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전기장 차폐 장치를 포함하며, 전기장 차폐 장치에 유전율이 높은 물질을 삽입하거나, 또는 유전율이 낮아도 유전손실 값이 큰 물질을 삽입함으로써 복사 이득을 줄여 효과적인 EMI 대책을 마련할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 앞에서 살핀 바와 같이 전기장은 차폐하고, 자기장은 투과할 수 있도록 함으로써 무선 전력 전송은 가능하도록 하기 위한 것이다.
101, 1510 : 송신측 공진 코일
102, 301, 503 : 송신 루프
103 : 수신측 공진 코일
104 : 수신 루프
201, 202, 701, 702, 801, 802, 1001, 1002, 1201, 1202, 1301, 1302, 1401, 1402, 1601, 1602, 1701, 1702 : S-파라미터의 입출력 시뮬레이션 결과 그래프
302, 304 : 스파이럴 층 구조의 공진 코일
303 : 스파이럴 층간을 연결하는 도체판
320 : 무선 전력 전송을 위한 공진기
330 : 송신측 공진체 및 송신 코일
340 : 수신측 공진체 및 수신 코일
401, 402, 403 : 스파이럴 층에서 전류 방향
501, 511 : 사각 스파이럴 층을 감싼 유전체
502 : 송신측 사각 스파이럴 층
503 : 사각의 송신 코일
512 : 수신측 사각 스파이럴 층
513 : 사각의 수신 코일
601, 602, 603, 901, 902, 1101, 1102, 1520, 1521 : 전기장 차폐 장치
1511 : 수신 자기 유도 루프

Claims (20)

  1. 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소를 위한 장치에 있어서,
    송신 루프와 송신 코일을 포함하는 송신측 에너지 전송부와,
    상기 송신측 에너지 전송부와 미리 결정된 거리만큼 이격되어 대칭 형태로 구성되는 수신 코일과 수신 루프의 수신측 에너지 전송부와,
    미리 결정된 제1두께만큼의 빈 공간을 가지며, 상기 송신측 에너지 전송부 전체를 감싸는 형태의 비도체로 구성된 제1전기장 차폐부와,
    미리 결정된 제2두께만큼의 빈 공간을 가지며, 상기 수신측 에너지 전송부 전체를 감싸는 형태의 비도체로 구성된 제2전기장 차폐부를 포함하되,
    상기 제1전기장 차폐부와 제2전기장 차폐부의 제1두께와 제2두께의 빈 공간에는 전기장을 차폐하기 위한 유전물질을 포함하는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전기장 차폐부 및 제2전기장 차폐부는, 육면체로 구성되는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전기장 차폐부 및 제2전기장 차폐부는, 구형으로 구성되는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신측 에너지 전송부 및 상기 수신측 에너지 전송부 각각의 공진 코일은, 미리 결정된 선 폭과 선 두께를 갖는 도체판으로 구성되며, 원형의 스파이럴 구조로 구성되는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신측 에너지 전송부 및 상기 수신측 에너지 전송부 각각의 공진 코일은, 미리 결정된 선 폭과 선 두께를 갖는 도체판으로 구성되며, 사각형의 스파이럴 구조로 구성되는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신측 에너지 전송부 및 상기 수신측 에너지 전송부 각각의 공진 코일은, 미리 결정된 선 폭과 선 두께를 갖는 도체판으로 구성되며, 원형의 코일 구조를 갖는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신측 에너지 전송부에서 상기 에너지 수신부와 180도 방향으로 후면에 상기 송신 코일 및 상기 송신 루프보다 큰 면적을 갖는 비도체로 구성된 제1전기장 차폐부를 더 포함하며,
    상기 제1전기장 차폐부의 내부에 유전손실이 0.1 혹은 그 이상인 유전물질을 포함하는 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신측 에너지 전송부에서 상기 에너지 송신부와 180도 방향으로 후면에 상기 수신 코일 및 상기 송신 루프보다 큰 면적을 갖는 비도체로 구성된 제2전기장 차폐부를 포함하되,
    상기 제2전기장 차폐부의 내부에 유전손실이 0.1 혹은 그 이상인 유전물질을 포함하는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신측 에너지 전송부와 상기 수신측 에너지 전송부간 이격된 사이에 비도체로 구성된 제3전기장 차폐부를 더 포함하며,
    상기 제3전기장 차폐부는, 내부에 유전손실이 0.1 혹은 그 이상인 유전물질을 포함하는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  10. 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소를 위한 장치에 있어서,
    송신 루프와 송신 코일을 포함하는 송신측 에너지 전송부와,
    상기 송신측 에너지 전송부와 미리 결정된 거리만큼 이격되어 대칭 형태로 구성되는 수신 코일과 수신 루프의 수신측 에너지 전송부와,
    상기 송신측 에너지 전송부에서 상기 에너지 수신부와 180도 방향으로 후면에 상기 송신 코일 및 상기 송신 루프보다 큰 면적을 갖는 비도체로 구성된 제1전기장 차폐부와,
    상기 수신측 에너지 전송부에서 상기 에너지 송신부와 180도 방향으로 후면에 상기 수신 코일 및 상기 송신 루프보다 큰 면적을 갖는 비도체로 구성된 제2전기장 차폐부를 포함하되,
    상기 제1전기장 차폐부와 제2전기장 차폐부의 내부에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함하는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 송신측 에너지 전송부와 상기 수신측 에너지 전송부간 이격된 사이에 비도체로 구성된 제3전기장 차폐부를 더 포함하며,
    상기 제3전기장 차폐부는, 내부에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함하는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 송신측 에너지 전송부 및 상기 수신측 에너지 전송부 각각의 공진 코일은, 미리 결정된 선 폭과 선 두께를 갖는 도체판으로 구성되며, 원형의 스파이럴 구조로 구성되는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 송신측 에너지 전송부 및 상기 수신측 에너지 전송부 각각의 공진 코일은, 미리 결정된 선 폭과 선 두께를 갖는 도체판으로 구성되며, 사각형의 스파이럴 구조로 구성되는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 송신측 에너지 전송부 및 상기 수신측 에너지 전송부 각각의 공진 코일은, 미리 결정된 선 폭과 선 두께를 갖는 도체판으로 구성되며, 원형의 코일 구조를 갖는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  15. 송신 루프와 송신 코일을 포함하는 송신측 에너지 전송부와 상기 송신측 에너지 전송부와 미리 결정된 거리만큼 이격되어 대칭 형태로 구성되는 수신 코일과 수신 루프의 수신측 에너지 전송부로 구성되는 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소를 위한 방법에 있어서,
    상기 송신측 에너지 전송부 전체를 감싸는 형태를 갖는 비도체의 제1전기장 차폐부의 내벽과 외벽 사이의 빈 공간에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 채워 상기 송신측 에너지 전송부의 전기장을 차폐하는 제1단계와,
    상기 수신측 에너지 전송부 전체를 감싸는 형태를 갖는 비도체의 제2전기장 차폐부의 내벽과 외벽 사이의 빈 공간에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 채워 상기 송신측 에너지 전송부의 전기장을 차폐하는 제2단계를 포함하는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1전기장 차폐부 및 제2전기장 차폐부는, 육면체로 구성되는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1전기장 차폐부 및 제2전기장 차폐부는, 구형으로 구성되는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치.
  18. 송신 루프와 송신 코일을 포함하는 송신측 에너지 전송부와 상기 송신측 에너지 전송부와 미리 결정된 거리만큼 이격되어 대칭 형태로 구성되는 수신 코일과 수신 루프의 수신측 에너지 전송부로 구성되는 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소를 위한 방법에 있어서,
    상기 송신측 에너지 전송부에서 상기 에너지 수신부와 180도 방향으로 후면에 상기 송신 코일 및 상기 송신 루프보다 큰 면적을 가지며, 내부에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함하는 비도체의 제1전기장 차폐부를 배치하는 단계와,
    상기 수신측 에너지 전송부에서 상기 에너지 송신부와 180도 방향으로 후면에 상기 수신 코일 및 상기 송신 루프보다 큰 면적을 가지며, 내부에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함하는 비도체로 구성된 제2전기장 차폐부를 배치하는 단계를 포함하는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1전기장 차폐부 및 제2전기장 차폐부는, 육면체로 구성하는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 송신측 에너지 전송부와 상기 수신측 에너지 전송부간 이격된 사이에 육면체를 가지며, 내부에 자기장은 차폐하고, 전기장은 투과하는 유전물질을 포함하는 비도체의 제3전기장 차폐부를 배치하는 단계를 더 포함하는, 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 방법.
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