KR20120128546A - 근거리 무선 통신 및 무선 전력 전송을 사용하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

근거리 무선 통신 및 무선 전력 전송을 위한 방법 및 장치가 제공된다. 근거리 무선 통신을 위한 공진 주파수 및 무선 전력 전송을 위한 공진 주파수가 동일한 경우, 근거리 무선 통신 수신기 및 무선 전력 전송 수신기는 동일한 공진기를 사용한다. 장치의 동작 모드에 따라, 공진기는 근거리 무선 통신 수신기 및 무선 전력 전송 수신기 중 하나와 연결된다. 장치의 동작 모드는 공진기로 도달하는 입력 전력의 크기에 따라 결정된다. 근거리 무선 통신을 위한 공진 주파수 및 무선 전력 전송을 위한 공진 주파수가 서로 상이한 경우, 2 개의 공진기들이 각각 근거리 무선 통신 및 무선 전력 전송을 위해 사용된다.

Description

근거리 무선 통신 및 무선 전력 전송을 사용하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR USEING NEAR FIELD COMMUNICATION AND WIRELESS POWER TRANSMISSION}

아래의 실시예들은 근거리 무선 통신 및 무선 전력 전송을 사용하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

근거리 무선 통신 및 무선 전력 전송을 제공하는 방법 및 장치가 개시된다.

무선 전력은, 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 무선 전력 수신 장치는 수신된 에너지를 이용하여 배터리를 충전할 수 있다. 따라서, 무선 전력 전송(Wireless Power Transmission; WPT) 및 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 디바이스를 포함한다. 이때, 소스 디바이스는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 타겟 디바이스는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다.

특히, 공진 방식의 무선 전력 전송은 소스 디바이스 및 타겟 디바이스의 위치에 있어서, 높은 자유도를 제공할 수 있다.

소스 디바이스는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 타겟 디바이스는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링이 형성될 수 있다. 소스 디바이스 및 타겟 디바이스는 제어 및 상태 정보를 송수신하기 위하여 통신할 수 있다.

스마트 폰(smart phone) 등이 보급되면서, 보다 다양하고 새로운 서비스를 제공하기 위해 모바일(mobile) 기기에 새로운 기능들이 추가될 수 있다.

근거리 무선 통신(Near Field Communication; NFC)은 초단거리 무선 통신 기술이다. NFC를 사용함으로써 대략 10cm 이내의 기기들이 상호 통신할 수 있다.

NFC는 스마트 폰의 어플리케이션(application)과 연동하여, 예컨대 전자 결재 시스템과 같은, 서비스를 제공할 수 있다. 따라서, 특히 하이-엔드(High-End) 급의 스마트 폰은 NFC 기능을 탑재할 필요가 있다.

NFC 및 무선 전력 전송 기능을 구비한 모바일 기기의 구조가 제시될 필요가 있다.

일 실시예는 NFC 수신기 및 WPT 수신기가 하나의 공진기를 배타적으로 사용하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

일 실시예는 입력 전력의 크기에 따라 공진기를 NFC 수신기 및 WPT 수신기 중 하나와 연결하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

일 실시예는 서로 상이한 공진 주파수를 사용하는 NFC 공진기 및 WPT 공진기를 사용하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

일 측에 따르면, 전력 수신 장치에 있어서, 전력을 수신하는 공진기, 상기 수신된 전력을 사용하여 무선 통신을 수행하는 근거리 무선 통신 수신기, 상기 수신된 전력을 사용하여 상기 전력 수신 장치의 동작을 위한 전압을 공급하는 무선 전력 전송 수신기 및 상기 공진기를 상기 근거리 무선 통신 수신기 및 상기 무선 전력 전송 수신기 중 하나와 연결시키는 모드 선택부를 포함하는, 전력 수신 장치가 제공된다.

상기 장치는 모바일 무선 통신 단말일 수 있다.

상기 공진기는 13.56Mhz의 공진 주파수를 가질 수 있고, 상기 공진기의 Q는 100을 초과할 수 있다.

상기 전력 수신 장치는, 상기 근거리 무선 수신기를 로우 Q 상태로 만드는 로스 매칭을 제공하는 로스 매칭 회로를 더 포함할 수 있다.

상기 근거리 무선 통신 수신기는 상기 로스 매칭 회로를 통해 상기 공진기와 연결될 수 있다.

상기 모드 선택부는 상기 장치의 동작 모드 상태를 판단하여 상기 공진기를 상기 근거리 무선 통신 수신기 및 상기 무선 전력 전송 수신기 중 하나와 연결시킬 수 있다.

상기 모드 선택부는 상기 입력 전력이 근거리 무선 통신의 최대 출력 전력보다 작은 경우 상기 공진기를 상기 근거리 무선 통신 수신기와 연결시킬 수 있고, 상기 입력이 상기 최대 출력 전력보다 큰 경우 상기 공진기를 상기 무선 전력 전송 수신기와 연결시킬 수 있다.

상기 장치는, 상기 공진기 및 상기 근거리 무선 통신 수신기를 연결 또는 분리 시키는 제1 스위치 및 상기 공진기 및 상기 무선 전력 전송 수신기를 연결 또는 분리 시키는 제2 스위치를 더 포함할 수 있다.

상기 모드 선택부는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어함으로써 상기 공진기를 상기 근거리 무선 통신 수신기 및 상기 무선 전력 전송 수신기 중 하나와 연결시킬 수 있다.

상기 제1 스위치는 PMOS 스위치일 수 있다.

상기 제2 스위치는 NMOS 스위치일 수 있다.

상기 모드 선택부는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치로 스위치 제어 신호를 출력함으로써 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어할 수 있다.

상기 스위치 제어 신호에 의해 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 하나가 ON이되고, 다른 하나는 OFF가 될 수 있다.

상기 공진기는 상기 수신된 전력을 상기 모드 선택부의 입력 전력으로서 출력할 수 있다.

상기 모드 선택부는 상기 입력 전력이 근거리 무선 통신의 최대 출력 전력보다 작은 경우 상기 제1 스위치를 ON하고, 상기 제2 스위치를 OFF하는 스위치 제어 신호를 출력할 수 있고, 상기 입력 전력이 상기 근거리 무선 통신의 최대 출력 전력보다 큰 경우 상기 제1 스위치를 OFF하고, 상기 제2 스위치를 ON하는 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다.

상기 모드 선택부는, 입력 전력을 수신하여 V_pin를 공급하는 정류기 및 커패시터, V_ref를 공급하는 로우 드롭-아웃 및 V_pin 및 V_ref를 비교하여 V_pin가 V_ref보다 클 경우 출력 단자를 통해 상기 근거리 무선 통신 수신기를 상기 공진기와 연결시키는 신호를 출력하고, V_pin가 V_ref보다 작을 경우 상기 출력 단자를 통해 상기 무선 전력 전송 수신기를 상기 공진기와 연결시키는 신호를 출력하는 비교기를 포함할 수 있다.

상기 모드 선택부는, 상기 로우 드롭-아웃 및 상기 비교기의 - 단자를 연결하고 로우 드롭-아웃으로부터 출력되는 V_dd를 근거리 무선 통신의 최대 출력 전력 기준 환산 전압인 V_ref로 변환하는 제1 분압기 및 상기 커패시터 및 상기 비교기의 + 단자를 연결하고 입력 전력의 크기를 V_pin 값으로 변환하는 제2 분압기를 더 포함할 수 있다.

상기 모드 선택부는, 상기 비교기의 상기 출력 단자 및 상기 그라운드와 연결된 저항기를 더 포함할 수 있다.

다른 일 측에 따르면, 공진기가 입력 전력을 수신하는 단계, 상기 입력 전력의 크기에 기반하여 상기 공진기를 근거리 무선 통신 수신기 및 무선 전력 전송 수신기 중 하나와 연결하는 단계, 상기 공진기가 상기 근거리 무선 통신 수신기와 연결된 경우 근거리 무선 통신 모드로 동작하는 단계 및 상기 공진기가 상기 무선 전력 전송 수신기와 연결된 경우 무선 전력 전송 수신 모드로 동작하는 단계를 포함하는, 전력 수신 장치의 동작 방법이 제공된다.

"상기 입력 전력의 크기에 기반하여 상기 공진기를 근거리 무선 통신 수신기 및 무선 전력 전송 수신기 중 하나와 연결하는 단계"는, 상기 입력 전력의 크기 및 미리 정의된 크기를 비교하는 단계, 상기 입력 전력의 크기가 상기 미리 정의된 크기보다 작을 경우 제1 스위치를 ON시키고, 제2 스위치를 OFF시키는 단계 및 상기 입력 전력의 크기가 상기 미리 정의된 크기보다 클 경우 상기 제1 스위치를 ON시키고, 상기 제2 스위치를 OFF시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 스위치는 상기 공진기 및 상기 근거리 무선 통신 수신기를 연결할 수 있다.

상기 제2 스위치는 상기 공진기 및 상기 무선 전력 전송 수신기를 연결할 수 있다.

또 다른 일 측에 따르면, 전력 수신 장치에 있어서, 제1 전력을 수신하는 근거리 무선 통신 공진기, 상기 수신된 제1 전력을 사용하여 무선 통신을 수행하는 근거리 무선 통신 수신기, 제2 전력을 수신하는 무선 전력 전송 공진기 및 상기 수신된 제2 전력을 사용하여 상기 전력 수신 장치의 동작을 위한 전압을 공급하는 무선 전력 전송 수신기 를 포함하고, 상기 근거리 무선 통신 공진기의 공진 주파수 및 상기 무선 전력 전송 공진기의 공진 주파수는 서로 상이한, 전력 수신 장치가 제공된다.

상기 근거리 무선 통신 공진기는 상기 무선 전력 전송 공진기의 안쪽에 배치될 수 있다.

또 다른 일 측에 따르면, 근거리 무선 통신 공진기가 제1 전력을 수신하는 단계, 근거리 무선 통신 수신기가 상기 수신된 제1 전력을 사용하여 무선 통신을 수행하는 단계, 무선 전력 전송 공진기가 제2 전력을 수신하는 단계 및 무선 전력 전송 수신기가 상기 수신된 제2 전력을 사용하여 상기 전력 수신 장치의 동작을 위한 전압을 공급하는 단계를 포함하고, 상기 근거리 무선 통신 공진기의 공진 주파수 및 상기 무선 전력 전송 공진기의 공진 주파수는 서로 상이한, 전력 수신 장치의 동작 방법이 제공된다.

NFC 수신기 및 WPT 수신기가 하나의 공진기를 배타적으로 사용하는 장치 및 방법이 제공된다.

입력 전력의 크기에 따라 공진기를 NFC 수신기 및 WPT 수신기 중 하나와 연결하는 장치 및 방법이 제공된다.

서로 상이한 공진 주파수를 사용하는 NFC 공진기 및 WPT 공진기를 사용하는 장치 및 방법을 제공된다.

도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템을 나타낸다.
도 2 내지 도 8은 공진기들의 실시예들을 나타낸다.
도 9는 도 2에 도시된 공진기의 등가 회로를 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 NFC 수신기(transceiver)의 블록도이다.
도 11은 일 예에 따른 NFC 기능을 구비한 단말을 나타낸다.
도 12는 일 예에 따른 인밴드(inband) 통신 기능을 구비한 WPT 수신기(receiver)(1200)의 블록도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 NFC 및 WPT를 구비한 장치의 구조도이다.
도 14는 일 예에 따른 모드 선택부의 상세한 구성을 설명한다.
도 15는 일 예에 따른 NFC 모드의 동작을 보여준다.
도 16은 일 예에 따른 WPT 모드의 동작을 보여준다.
도 17은 일 실시예에 따른 NFC 및 WPT를 구비한 장치의 동작 방법의 흐름도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 NFC 및 WPT를 구비한 장치의 구조도이다.
도 19는 일 실시예에 따른 NFC 및 WPT를 구비한 장치의 구조도이다.
도 20은 일 예에 따른 서로 상이한 공진 주파수를 사용하는 NFC 공진기 및 WPT 공진기의 공진 특성을 나타내는 그래프이다.
도 21은 일 실시예에 따른 전력 수신 장치의 동작 방법의 흐름도이다.

이하에서, 본 발명의 일 실시예를, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템은 소스 디바이스(110) 및 타겟 디바이스(120)를 포함한다.

소스 디바이스(110)는 AC/DC 컨버터(111), 공진 주파수 발생부(112), 변조부(113), 전력변환부(114), 제어 및 통신부(115) 및 소스 공진기(116)을 포함한다.

타겟 디바이스(120)는 타겟 공진기(121), 정류부(122), DC/DC 컨버터(123), 스위치부(124), 충전부(125) 및 제어 및 통신부(126)를 포함한다.

AC/DC 컨버터(111)는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성한다. AC/DC 컨버터(111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나, 제어 및 통신부(115)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.

공진 주파수 발생부(112)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호를 생성한다. 이때, 공진 주파수는 스위칭 펄스 신호의 주파수와 동일하다. 공진 주파수 발생부(112)에서 출력되는 스위칭 펄스 신호는 변조부(113)를 통해 온/오프 될 수 있다.

변조부(113)는 제어 및 통신부(115)의 제어에 따라 변조 신호를 생성한다. 변조부(113)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 변조부(113)는 공진 주파수 발생부(112)의 출력 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, 변조부(113)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. 변조부(113)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.

전력변환부(114)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압를 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력변환부(114)는 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 타겟 디바이스에서 사용되는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 생성할 수 있다. "통신용 전력" 및 "충전용 전력"에 대한 구체적인 설명은 도 3의 설명 부분에서 후술된다.

제어 및 통신부(115)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 제어할 수 있다. 제어 및 통신부(115)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 변조부(113)를 제어함으로써, 타겟 디바이스(120)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 즉, 제어 및 통신부(115)는 인-밴드 통신을 통해 상기 타겟 디바이스에 다양한 메시지를 전송할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(115)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 타겟 디바이스로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.

소스 공진기(116)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(116)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링을 통해 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 타겟 디바이스(120)로 전달한다.

타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 즉, 타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스 디바이스(110)로부터 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 수신한다. 또한, 타겟 공진기(121)는 인-밴드 통신을 통해 상기 소스 디바이스로부터 다양한 메시지를 수신할 수 있다.

정류부(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 즉, 정류부(122)는 타겟 공진기(121)에 수신된 교류 전압을 정류한다.

DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 충전부(125)의 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.

스위치부(124)는 제어 및 통신부(126)의 제어에 따라 온/오프 된다. 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)는 반사파를 검출하게 된다. 즉, 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 마그네틱 커플링이 제거 될 수 있다.

충전부(125)는 배터리를 포함할 수 있다. 충전부(125)는 DC/DC 컨버터(123)로부터 출력되는 DC 전압을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.

제어 및 통신부(126)는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 제어 및 통신부(126)는 타겟 공진기(121)과 정류부(122) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류부(122)의 출력 신호를 검출하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 즉, 제어 및 통신부(126)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부는 타겟 공진기(121)의 임피던스를 조정함으로써, 소스 디바이스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부는 스위치부(124)의 온/오프를 통해 소스 디바이스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 도 있다. 간단한 예로, 제어 및 통신부(126)는 타겟 공진기(121)의 임피던스를 증가 시킴으로써, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)는 이진수 "0" 또는 "1"을 검출할 수 있다.

제어 및 통신부(126)는 바이트 스케일의 일반형 패킷을 비트 스케일로 변환한 단축형 패킷을 이용하여, 상기 소스 디바이스로부터 수신된 메시지에 대한 응답 메시지를 상기 소스 디바이스에 전송할 수 있다.

도 2 내지 도 8은 공진기들의 실시 예들을 나타낸다.

도 2은 일 실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기는 제1 신호 도체 부분(211), 제2 신호 도체 부분(212) 및 그라운드 도체 부분(213)을 포함하는 전송 선로, 커패시터(220), 매칭기(230) 및 도체들(241, 242)을 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 커패시터(220)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(211)과 제2 신호 도체 부분(212) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 커패시터(220)에 갇히게 된다. 일반적으로, 전송 선로는 상부에 적어도 하나의 도체, 하부에 적어도 하나의 도체를 포함하며, 상부에 있는 도체를 통해서는 전류가 흐르며, 하부에 있는 도체는 전기적으로 그라운드된다(grounded). 본 명세서에서는 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(211)과 제2 신호 도체 부분(212)로 나누어 부르고, 전송 선로의 하부에 있는 도체를 그라운드 도체 부분(213)으로 부르기로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기(200)는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(211) 및 제2 신호 도체 부분(212)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(213)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(211) 및 제2 신호 도체 부분(212)과 그라운드 도체 부분(213)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(211) 및 제2 신호 도체 부분(212)을 통하여 흐른다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(211)의 한쪽 단은 도체(242)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(220)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(212)의 한쪽 단은 도체(241)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(220)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(211), 제2 신호 도체 부분(212) 및 그라운드 도체 부분(213), 도체들(241, 242)은 서로 연결됨으로써, 공진기(200)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.

커패시터(220)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 커패시터(220)는 제1 신호 도체 부분(211) 및 제2 신호 도체 부분(212) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(220)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 커패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.

커패시터(220)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(200)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다. 대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.

이 때, 집중 소자로서 삽입된 커패시터(220)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기(200)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(220)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기(200)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(220)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(200)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 상기 공진기(200)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 상기 공진기(200)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(220)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.

상기 MNG 공진기(200)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(200)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(200)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기(200)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(220)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(200)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.

또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 커패시터(220)에 집중되므로, 커패시터(220)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기(200)는 집중 소자의 커패시터(220)을 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 큐-팩터는 무선 전력 전송에 있어서 저항 손실(ohmic loss)의 정도 또는 저항(resistance)에 대한 리액턴스의 비를 나타내는데, 큐-팩터가 클수록 무선 전력 전송의 효율이 큰 것으로 이해될 수 있다.

또한, MNG 공진기(200)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(230)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(230)는 MNG 공진기(200) 의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(230)에 의해 MNG 공진기(200)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(240)를 통하여 MNG 공진기(200)로 유입되거나 MNG 공진기(200)로부터 유출될 수 있다. 여기서, 커넥터(240)는 그라운드 도체 부분(213) 또는 매칭기(230)와 연결될 수 있다. 다만, 커넥터(240)와 그라운드 도체 부분(213) 또는 매칭기(230) 사이에는 물리적인 연결이 형성될 수도 있고, 커넥터(240)와 그라운드 도체 부분(213) 또는 매칭기(230) 사이의 물리적인 연결 없이 커플링을 통하여 전력이 전달될 수도 있다.

보다 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 매칭기(230)는 공진기(200)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(230)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(200)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(230)는 그라운드 도체 부분(213)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체(231)를 포함할 수 있으며, 공진기(200)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.

도 2에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(230)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(230)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(230)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(230)의 도체(231)와 그라운드 도체 부분(213) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(230)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(200)의 임피던스는 조절될 수 있다.

매칭기(230)는 도 2에 도시된 바와 같이, 도체 부분(231)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(230)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(200)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(230)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(200)의 임피던스가 조절될 수 있다.

또한, 도 2에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(200)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.

도 3는 일 실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기(300)는 제1 신호 도체 부분(311), 제2 신호 도체 부분(312) 및 그라운드 도체 부분(313)을 포함하는 전송 선로 및 커패시터(320)를 포함한다. 여기서 커패시터(320)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(311)과 제2 신호 도체 부분(312) 사이에 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 커패시터(320)에 갇히게 된다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이 공진기(300)는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(311) 및 제2 신호 도체 부분(312)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(313)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(311) 및 제2 신호 도체 부분(312)과 그라운드 도체 부분(313)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(311) 및 제2 신호 도체 부분(312)을 통하여 x 방향으로 흐르며, 이러한 전류로 인해 -y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생한다. 물론, 도 9에 도시된 것과 다르게, +y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생할 수 있다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(311)의 한쪽 단은 도체(342)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(320)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(312)의 한쪽 단은 도체(341)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(320)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(311), 제2 신호 도체 부분(312) 및 그라운드 도체 부분(313), 도체들(341, 342)은 서로 연결됨으로써, 공진기(300)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 커패시터(320)는 제1 신호 도체 부분(311) 및 제2 신호 도체 부분(312) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(320)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 커패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 커패시터(320)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(300)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 집중 소자로서 삽입된 커패시터(320)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기(300)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(320)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기(300)는 특정 주파수 대역에서 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기(300)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(320)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(300)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 상기 공진기(300)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 상기 공진기(300)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(320)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.

도 9에 도시된 상기 MNG 공진기(300)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(300)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(300)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. MNG 공진기(300)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(320)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(300)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이 MNG 공진기(300)를 참조하면, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(910)에 삽입된 커패시터(320)에 집중되므로, 커패시터(320)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 특히, 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖는 MNG 공진기(300)는 자계 다이폴(magnetic dipole)과 유사한 특성들을 가지므로, 근접 필드에서는 자계가 도미넌트하며, 커패시터(320)의 삽입으로 인해 발생하는 적은 양의 전계 또한 그 커패시터(320)에 집중되므로, 근접 필드에서는 자계가 더더욱 도미넌트해진다. MNG 공진기(300)는 집중 소자의 커패시터(320)을 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 도 3에 도시된 MNG 공진기(300)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(330)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(330)는 MNG 공진기(300)의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(330)에 의해 MNG 공진기(300)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(340)를 통하여 MNG 공진기(300)로 유입되거나 MNG 공진기(300)로부터 유출된다. 여기서, 커넥터(340)는 그라운드 도체 부분(313) 또는 매칭기(330)와 연결될 수 있다.

보다 구체적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 매칭기(330)는 공진기(300)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(330)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(300)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(330)는 그라운드 도체 부분(313)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체 부분(331)을 포함할 수 있으며, 공진기(300)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.

도 9에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(330)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(330)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(330)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(330)의 도체(331)과 그라운드 도체 부분(330) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(330)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(300)의 임피던스는 조절될 수 있다. 매칭기(330)의 도체(331)과 그라운드 도체 부분(330) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 즉, 첫째, 매칭기(330)에는 여러 도체들이 포함될 수 있고, 그 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h가 조절될 수 있다. 둘째, 도체(331)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h가 조절될 수 있다. 이러한 거리 h는 컨트롤러의 제어 신호에 따라 제어될 수 있으며, 컨트롤러는 다양한 팩터들을 고려하여 제어 신호를 생성할 수 있다. 컨트롤러가 제어 신호를 생성하는 것에 대해서는 아래에서 설명한다.

매칭기(330)는 도 3에 도시된 바와 같이, 도체 부분(331)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(330)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(300)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(330)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(300)의 임피던스가 조절될 수 있다.

또한, 도 9에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(300)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.

도 4는 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 제1 신호 도체 부분(411)과 도체(442)는 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 것이 아니라 하나의 일체형으로 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제2 신호 도체 부분(412)과 도체(441) 역시 하나의 일체형으로 제작될 수 있다.

제2 신호 도체 부분(412)과 도체(441)가 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 경우, 이음매(450)로 인한 도체 손실이 있을 수 있다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 신호 도체 부분(412)과 도체(441)는 별도의 이음매 없이(seamless) 서로 연결되며, 도체(441)와 그라운드 도체 부분(413)도 별도의 이음매 없이 서로 연결될 수 있으며, 이음매로 인한 도체 손실을 줄일 수 있다. 결국, 제2 신호 도체 부분(412)과 그라운드 도체 부분(413)는 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제1 신호 도체 부분(411)과 그라운드 도체 부분(413)는 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 둘 이상의 부분(partition)들을 서로 연결하는 유형을 'bulky type'이라고 부르기도 한다.

도 5는 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 제1 신호 도체 부분(511), 제2 신호 도체 부분(512), 그라운드 도체 부분(513), 도체들(541, 542) 각각은 내부에 비어 있는 공간을 포함한다.

주어진(given) 공진 주파수에서, 유효 전류는 제1 신호 도체 부분(511), 제2 신호 도체 부분(512), 그라운드 도체 부분(513), 도체들(541, 542) 각각의 모든 부분을 통해 흐르는 것이 아니라, 일부의 부분만을 통해 흐르는 것으로 모델링될 수 있다. 즉, 주어진 공진 주파수에서, 제1 신호 도체 부분(511), 제2 신호 도체 부분(512), 그라운드 도체 부분(513), 도체들(541, 542) 두께(depth)가 각각의 skin depth보다 지나치게 두꺼운 것은 비효율적일 수 있다. 즉, 그것은 공진기(500)의 무게 또는 공진기(500)의 제작 비용을 증가시키는 원인이 될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 주어진 공진 주파수에서 제1 신호 도체 부분(511), 제2 신호 도체 부분(512), 그라운드 도체 부분(513), 도체들(541, 542) 각각의 skin depth를 기초로 제1 신호 도체 부분(511), 제2 신호 도체 부분(512), 그라운드 도체 부분(513), 도체들(541, 542) 각각의 두께를 적절히 정할 수 있다. 제1 신호 도체 부분(511), 제2 신호 도체 부분(512), 그라운드 도체 부분(513), 도체들(541, 542) 각각이 해당 skin depth보다 크면서도 적절한 두께를 갖는 경우, 공진기(500)는 가벼워질 수 있으며, 공진기(500)의 제작 비용 또한 감소될 수 있다.

예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 신호 도체 부분(512)의 두께는 d m로 정해질 수 있고, d는

를 통해서 결정될 수 있다. 여기서, f는 주파수,

는 투자율,

는 도체 상수를 나타낸다. 특히, 제1 신호 도체 부분(511), 제2 신호 도체 부분(512), 그라운드 도체 부분(513), 도체들(541, 542) 이 구리(copper)로서 5.8x10^7의 도전율(conductivity)을 갖는 경우에, 공진 주파수가 10kHz에 대해서는 skin depth가 약 0.6mm일 수 있으며, 공진 주파수가 100MHz에 대해서는 skin depth는 0.006mm일 수 있다.

도 6은 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함된 제1 신호 도체 부분(611), 제2 신호 도체 부분(612) 각각의 표면에는 parallel-sheet이 적용될 수 있다.

제1 신호 도체 부분(611), 제2 신호 도체 부분(612)은 완벽한 도체(perfect conductor)가 아니므로, 저항 성분을 가질 수 있고, 그 저항 성분으로 인해 저항 손실(ohmic loss)가 발생할 수 있다. 이러한 저항 손실은 Q 팩터를 감소시키고, 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 제1 신호 도체 부분(611), 제2 신호 도체 부분(612) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용함으로써, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다. 도 6의 부분(670)을 참조하면, parallel-sheet이 적용되는 경우, 제1 신호 도체 부분(611), 제2 신호 도체 부분(612) 각각은 복수의 도체 라인들을 포함한다. 이 도체 라인들은 병렬적으로 배치되며, 제1 신호 도체 부분(611), 제2 신호 도체 부분(612) 각각의 끝 부분에서 접지(short)된다.

제1 신호 도체 부분(611), 제2 신호 도체 부분(612) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용하는 경우, 도체 라인들이 병렬적으로 배치되므로, 도체 라인들이 갖는 저항 성분들의 합은 감소된다. 따라서, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다.

도 7은 분산된 커패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함되는 커패시터(720)는 분산된 커패시터일 수 있다. 집중 소자로서의 커패시터는 상대적으로 높은 등가 직렬 저항(Equivalent Series Resistance: ESR)을 가질 수 있다. 집중 소자로서의 커패시터가 갖는 ESR을 줄이기 위한 여러 제안들이 있지만, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 커패시터(720)를 사용함으로써, ESR을 줄일 수 있다. 참고로, ESR로 인한 손실은 Q 팩터 및 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.

분산 소자로서의 커패시터(720)는 도 13에 도시된 바와 같이, 지그 재그 구조를 가질 수 있다. 즉, 분산 소자로서의 커패시터(720)는 지그 재그 구조의 도체 라인 및 유전체로 구현될 수 있다.

뿐만 아니라, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 커패시터(720)를 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 복수 개의 집중 소자로서의 커패시터들을 병렬적으로 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 왜냐 하면, 집중 소자로서의 커패시터들 각각이 갖는 저항 성분들은 병렬 연결을 통하여 작아지기 때문에, 병렬적으로 연결된 집중 소자로서의 커패시터들의 유효 저항 또한 작아질 수 있으며, 따라서, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 예를 들어, 10pF의 커패시터 하나를 사용하는 것을 1pF의 커패시터들 10개를 사용하는 것으로 대체함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다.

도 8은 2 차원 구조의 공진기 및 3 차원 구조의 공진기에서 사용되는 매칭기들의 예들을 나타낸 도면이다.

도 8의 A는 매칭기를 포함하는 도 2에 도시된 2 차원 공진기의 일부를 나타내며, 도 8의 B는 매칭기를 포함하는 도 9에 도시된 3 차원 공진기의 일부를 나타낸다.

도 8의 A를 참조하면, 매칭기는 도체(231), 도체(232) 및 도체(233)을 포함하며, 도체(232) 및 도체(233)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(213) 및 도체(231)와 연결된다. 도체(231) 및 그라운드 도체 부분(213) 사이의 거리 h에 따라 2 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(231) 및 그라운드 도체 부분(213) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 도체(231) 및 그라운드 도체 부분(213) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있으며, 도체(231)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(231)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.

도 8의 B를 참조하면, 매칭기는 도체(331), 도체(332) 및 도체(333)을 포함하며, 도체(332) 및 도체(333)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(313) 및 도체(331)와 연결된다. 도체(331) 및 그라운드 도체 부분(313) 사이의 거리 h에 따라 3 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(331) 및 그라운드 도체 부분(313) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 2 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기와 마찬가지로, 3 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기에서도 도체(331) 및 그라운드 도체 부분(313) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 예를 들어, 도체(331)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(331)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.

도 8에 도시되지 아니하였지만, 매칭기는 능동 소자를 포함할 수 있으며, 능동 소자를 이용하여 공진기의 임피던스를 조절하는 방식은 상술한 바와 유사하다. 즉, 능동 소자를 이용하여 매칭기를 통해 흐르는 전류의 경로를 변경함으로써, 공진기의 임피던스가 조절될 수 있다.

도 9는 도 2에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 도 9에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 9의 등가 회로에서 C_L은 도 2의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 커패시터를 나타낸다.

이 때, 도 2에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는

를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수

는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.

상기 수학식 1을 참조하면, 공진기의 공진 주파수

는

에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수

와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수

와 공진기의 물리적인 사이즈가 서로 독립적이므로, 공진기의 물리적인 사이즈는 충분히 작아질 수 있다.

도 10은 일 예에 따른 NFC 수신기(Transceiver)의 블록도이다.

하기의 표 1은 상용화된 NFC의 표준의 일 예를 나타낸다.

18092(NFC)	수동(Passive)	능동(Active)
주파수 (Frequency)	13.56MHz
R에서 T로의 변조 (R to T Modulation)	100%, 8~30% 진폭 편이(Amplitude Shift Keying; ASK) 변조
R에서 T로의 코딩 (R to T Coding)	변형된 밀러(Modified Miller)
T에서 R로의 데이터 비율 (T to R Data Rate)	106kbps, 212kbps, 424kbps
부-반송파 (Sub-carrier)	847kHz
T에서 R로의 변조 (T to R Modulation)	OOK	100%, 8~30% ASK
T에서 R로의 코딩 (T to R Coding)	맨체스터(Manchester) 코딩	변형된 밀러

NFC는 리더(reader; R) 및 태그(Tag; T) 시스템을 동시에 구비할 수 있다. NFC는 13.56MHz의 반송파(Carrier) 주파수를 사용할 수 있다.

하기에서, 리더(R) 모드 동작 및 태그(T) 모드 동작에 대해 살펴본다.

도 10에서, 제1 NFC 수신기(1000) 및 제2 NFC 수신기(1090)가 도시되었다.

제1 NFC 수신기(1000)는 제1 안테나 및 매칭 회로(antenna & matching circuits)(1080)와 연결될 수 있다.

제1 NFC 수신기(1000)는 제1 안테나 및 매칭 회로(1080)로 TX를 전송할 수 있다. 제1 NFC 수신기(1000)는 제1 안테나 및 매칭 회로(1080)로부터 RX를 수신할 수 있다.

제2 NFC 수신기(1090)는 제2 안테나 및 매칭 회로(antenna & matching circuits)(1990)와 연결될 수 있다.

제2 NFC 수신기(1090)는 제2 안테나 및 매칭 회로(1095)로 TX를 전송할 수 있다. 제2 NFC 수신기(1090)는 제2 안테나 및 매칭 회로(1095)로부터 RX를 수신할 수 있다.

하기에서, 제1 NFC 수신기(1090)가 리더 모드로 동작할 경우를 설명한다.

리더 모드에서, 리더(즉, 제1 NFC 수신기(1000) 또는 제1 안테나 및 매칭 회로(1080))로부터 상대방 태그(즉, 제2 NFC 수신기(1090) 또는 제2 안테나 및 매칭 회로(1095))로 전력(power) 및 TX 데이터(data)가 동시에 전송될 수 있다.

리더는 ASK 변조기(modulator)를 이용하여 전력 및 TX 데이터를 전송할 수 있다.

그러면, 상대방 태그는 전력 및 TX 데이터를 수신하여 리더를 인식할 수 있다.

리더를 인식한 상대방 태그는 부-반송파(sub-carrier)를 가진 로드 변조(load modulation)을 이용하여 전력을 반사시킴으로써 리더에게 태그 데이터를 전송할 수 있다.

리더는 태그 데이터가 실린 신호(즉, 반사된 전력)를 수신할 수 있고, 수신된 신호를 복조함으로써 태그의 데이터를 획득할 수 있다.

하기에서, 제1 NFC 수신기(1090)가 태그 모드로 동작할 경우를 설명한다.

태그 모드에서, 상대방 리더(즉, 제2 NFC 수신기(1090) 또는 제2 안테나 및 매칭 회로(1095))는 전력 및 TX 데이터가 실린 신호를 전송할 수 있다.

태그(즉, 제1 NFC 수신기(1000) 또는 제1 안테나 및 매칭 회로(1080))는 전력 및 TX 데이터가 실린 신호를 수신할 수 있고, 수신된 신호를 정류기(rectifier)에서 정류함으로써 마이크로컨트롤러 유닛(microcontroller unit; MCU) 및 비교기(comparator) 등이 사용할 전력을 생성할 수 있다.

또한, 태그는 엔벨로프 검출기(envelope detector)를 통해 상대방 리더의 TX 데이터를 복원할 수 있고, 복원된 TX 데이터를 MCU로 전송할 수 있다.

상대방 리더를 인식한 후, MCU는 로드(load)를 변환시키는 태그 데이터를 실은 신호를 전송함으로써 로드 변조(load modulation)를 걸어서 상대방 리더에게 태그 데이터를 전송할 수 있다.

도 11은 일 예에 따른 NFC 기능을 구비한 단말을 나타낸다.

NFC는 13.56MHz의 주파수를 사용할 수 있다.

NFC 안테나(1120)는 단말(1100)의 뒷면 케이스(1110)에 내장될 수 있으며, 단말(1100)의 뒷면을 덮을 수 있다.

따라서, 일반적인 모바일 기기의 경우에 있어서, WPT를 위한 WPT 공진기를 추가적으로 삽입할 공간이 부족할 수 있다.

단말(1100)에, 예컨대 13.56MHz에서 동작하는, WPT 공진기가 삽입되면, NFC 안테나(1120) 및 WPT 공진기 간에서 발생하는 강한 커플링에 의해 NFC 안테나(1120) 및 WPT 공진기 각각의 특성이 변화할 수 있다. 따라서, NFC 안테나(1120) 및 WPT 공진기 사이에는 충분한 거리가 확보되어야 하고, NFC 안테나(1120) 및 WPT 공진기는 충분한 거리가 확보된 채 배치되어야 한다. 그러나, 일반적으로, 단말(1100)의 뒷면 케이스(1110)에는 충분한 거리를 둔 채 NFC 안테나(1120) 및 WPT 공진기를 배치할 만한 공간상의 여유가 없다.

도 12는 일 예에 따른 인밴드(inband) 통신 기능을 구비한 WPT 수신기(receiver)의 블록도이다.

WPT 수신기(1200)는 하이 Q 공진기 및 매칭 회로(high Q resonator & matching circuit)(1290)와 연결되었다.

WPT 수신기(1200)는 하이 Q 공진기(즉, 하이 Q 공진기 및 매칭 회로(high Q resonator & matching circuit)(1290))를 통해 TX 데이터를 실은 전력(즉, TX 전력)을 수신할 수 있다.

WPT 수신기(1200)는 수신된 전력을 정류기를 통해 정류할 수 있다. 전력 레귤레이터(또는, DC/DC 변환기(converter))는 정류된 전력을 수신하여 WPT 수신기(1200)의 동작에 필요한 전력(예컨대, MCU 및 비교기 등이 동작할 수 있는 전압)을 공급할 수 있다. 대부분의 전력은 배터리를 충전하기 위해 사용될 수 있다.

수신된 TX 전력의 일부 신호는 엔벨로프 검출기를 통해 복조되어 MCU에 전달될 수 있다. 태그 데이터를 실은 신호는 로드 변조를 통해 보내질 수 있다.

도 10 및 도 12를 참조하여 전술된 것과 같이, NFC의 태그 동작 모드의 구조 및 인밴드 통신을 하는 WPT의 동작의 구조는 거의 대부분 유사하다. 양자 간의 차이점은 배터리의 충전 유무 및 수신된 전력의 크기뿐인 것으로 볼 수 있다. 따라서, NFC 및 WPT는 유사한 변복조 구조를 가지기 때문에, 상호 간에 충돌이 발생할 수 있으며, 동시에 사용되지 못할 수 있다.

또한, 도 11을 참조하여 전술된 것과 같이, WPT 또한 단말(1100)의 뒷면 케이스(1110)에 내장된 공진기(예컨대, 하이 Q 공진기 및 매칭 회로(1290))를 사용할 수 있다.

WPT 공진기는 고효율(즉, 하이 Q)를 유지하기 위해 단말(1100)의 뒷면 케이스(1110)의 공간을 최대한 넓게 사용할 필요가 있다. 또한, 동일한 공진 주파수를 사용하는 NFC 안테나(1120)와 커플링이 발생하지 않도록, WPT 공진기 및 NFC 안테나(1120)는 서로 간에 충분한 거리가 유지된 채 함께 배치될 필요가 있는데, 뒷면 케이스(1110) 내에는 NFC 안테나(1120) 및 WPT 공진기가 함께 배치될 공간이 부족할 수 있다.

모바일 기기와 같은 장치가 NFC 기능 및 WPT 기능을 동시에 구비하기 위해, 공진기의 삽입 공간의 문제로 인해, NFC와 동일한 공진 주파수를 갖는 13.56Mhz의 공진 주파수를 갖는 WPT 시스템이 사용될 수 있다.

이하, "공진 주파수" 및 "동작 주파수"는 동일한 의미로 사용될 수 있으며, 서로 간에 교체될 수 있다.

"NFC" 및 "인밴드 통신을 하는 WPT 시스템"은 서로 유사한 로드 변조(load modulation)을 이용한 통신 방송을 사용한다. 따라서, "NFC" 및 "인밴드 통신을 하는 WPT 시스템"이 유사한 동작 주파수(즉, 반송파 주파수)를 사용하면, 따라서, "NFC" 및 "인밴드 통신을 하는 WPT 시스템"은 동시에 사용될 수 없다. "NFC" 및 "인밴드 통신을 하는 WPT 시스템"은 후술될 모드 선택 시스템 및 스위치들을 이용함으로써 선택적으로 사용될 수 있다.

즉, WPT 공진기의 공진 주파수 및 NFC 공진기의 공진 주파수가 서로 동일한 경우, WPT 용 하이 Q 공진기가 NFC 안테나(1120)로서 공통적으로 사용될 수 있다.

모드 선택 시스템 및 스위치들을 이용함으로써 "NFC" 및 "인밴드 통신을 하는 WPT 시스템"을 선택적으로 사용하는 장치 및 방법이 하기에서 도 13 내지 도 17을 참조하여 상세히 설명된다.

한편, 모바일 기기와 같은 장치에서, WPT의 공진 주파수 및 NFC의 공진 주파수는 서로 상이할 수 있다. 예컨대, WPT의 공진 주파수는 6.78Mhz일 수 있다. 이러한 경우, 장치는 WPT를 위해, NFC 안테나(1120) 외의, 독립적인 WPT 공진기를 구비할 수 있다. 상기의 WPT를 위한 독립적인 공진기는 하이 Q WPT 공진기일 수 있다. 장치 내에서는 WPT 공진기가 우선적으로 배치될 수 있고, WPT 공진기가 우선적으로 배치된 후 장치 내의 남는 공간에 NFC 안테나(1120)가 배치될 수 있다. NFC 안테나(1120)가 배치되는 공간은 WPT 공진기의 내부 또는 외부일 수 있다.

NFC 안테나(1120) 외의, 독립적인 WPT 공진기를 사용하는 장치 및 방법이 하기에서 도 18 내지 도 21을 참조하여 상세히 설명된다.

도 13은 일 실시예에 따른 NFC 및 WPT를 구비한 장치의 구조도이다.

장치(1300)는 NFC 장치에 NFC의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 사용하는 WPT 기능이 추가된 장치일 수 있다.

장치(1300)는 공진기(1310), 모드 선택부(mode selector)(1320)(또는, 모드 선택 시스템(mode selection system)), 제1 스위치(1330), 제2 스위치(1340), 로스 매칭 회로(loss matching circuit)(1350), NFC 수신기(1360) 및 WPT 수신기(1370)를 포함할 수 있다.

장치(1300)는 모바일 장치일 수 있으며, 무선 통신 단말일 수 있다.

공진기(1310)는 장치(1300)의 케이스에 배치될 수 있다. 상기의 케이스는 장치(1300)의 뒷면 케이스일 수 있다.

공진기(1310)는 전력을 수신할 수 있다.

NFC 수신기(1360)는 수신된 전력을 사용하여 무선 통신을 수행할 수 있다.

NFC 수신기(1360)는 전술된 제1 NFC 수신기(1000) 또는 제2 NFC 수신기(1090)일 수 있다.

WPT 수신기(1370)는 수신된 전력을 사용하여 장치(1300)를 충전할 수 있다. WPT 수신기(1370)는 수신된 전력을 사용하여 장치(1300) 내의 배터리를 충전할 수 있다.

WPT 수신기(1370)은 전술된 WPT 수신기(1200)일 수 있다.

WPT 수신기(1370)가 NFC에서 사용되는 로우(low) Q 안테나를 사용할 경우, WPT 수신기(1370)의 효율은 매우 떨어질 수 있다. 따라서, 무선 충전을 위해서는, 고효율의 하이 Q 공진기가 필요하다.

WPT 수신기(1370)는 13.56MHz의 공진 주파수를 사용하는 공진 방식의 WPT 시스템일 수 있다. 즉, 공진기(1310)는 13.56MHz의 공진 주파수를 갖는 하이 Q WPT 공진기(또는, 안테나)일 수 있다. 하이 Q 공진기는 Q가 100을 초과하는 공진기를 의미할 수 있다.

WPT 수신기(1370)는 고효율의 무선 전력 전송을 위해 WPT 용의 하이 Q 공진기를 사용할 필요가 있으며, 하이 Q 공진기는 NFC 수신기(1360)의 안테나로서 WPT 수신기(1370) 및 NFC 수신기(1360)에 의해 공동으로 사용될 수 있다.

공진기(1310)는 NFC 수신기(1360) 및 WPT 수신기(1370) 간에 공유되어 사용될 수 있다. 즉, WPT 수신기(1370)가 사용하는 하이 Q WPR 공진기가 NFC의 안테나로서 공유될 수 있다.

NFC는, 13.56MHz로부터 847kHz 만큼 떨어진 주파수의 서브캐리어(subcarrier)의 신호가 잘 전달되어야 하기 때문에, 넓은 대역폭을 갖는 로우(low) Q 공진기를 요구할 수 있다.

상술된 로우 Q 공진기를 제공하기 위해서, 로스 매칭 회로(1350)가 사용될 수 있다. NFC 수신기(1370)는 로스 매칭 회로(1350)를 통해 공진기(1310)와 연결될 수 있다. 로스 매칭 회로(1350)는 저항기를 이용함으로써 로스 매칭을 제공할 수 있다. 로스 매칭 회로(1350)는 다단의 커패시터 및 인덕터 등과 같은 집중된(lumped) 소자들로 구성될 수 있고, 와이드밴드(wideband) 매칭을 제공할 수 있다.

로스 매칭 회로(1350) 및 공진기(1310)의 결합은 로우 Q가 될 수 있다. 즉, 로스 매칭 회로(1350)는 NFC 수신기(1370)를 로우 Q 상태로 만드는 로스 매칭을 제공할 수 있다. NFC 수신기(1370)은 로스 매칭 회로(135)에 의해 제공된 로스 매칭을 통해 로우 Q 상태를 만들 수 있다.

전술된 것처럼, WPT 수신기(1370) 및 NFC 수신기(1360)는 동일한 반송파 주파수 및 로드 변조(load modulation)을 이용하여, 태그 투 리더(tag to reader) 통신을 수행할 수 있다. 따라서, WPT 수신기(1370) 및 NFC 수신기(1360)가 동시에 사용되면, 충돌이 발생할 수 있다.

따라서, 장치(1300)에서, NFC 수신기(1360)에 의한 NFC 동작 및 WPT 수신기(1370)에 의한 WPT 동작은 동시에 이루어지지 못할 수 있다. 따라서, NFC 동작 및 WPT 동작이 시스템적으로 분리될 필요가 있다.

장치(1300)의 NFC 수신기(1360)가 동작하는 모드를 NFC 모드로 명명한다. 장치(1300)의 WPT 수신기(1370)가 동작하는 모드를 WPT 모드로 명명한다. 즉, 장치(1300)의 동작 모드는 NFC 모드 또는 WPT 모드일 수 있다. 장치(1300)가 NFC 모드일 때, NFC 수신기(1360)는 리더로서 동작하는 리더 동작 모드 또는 태그로서 동작하는 태그 동작 모드일 수 있다.

모드 선택부(1320)는 공진기(1310)를 NFC 수신기(1360) 및 WPT 수신기(1370) 중 하나와 연결시킬 수 있다. 모드 선택부(1320)는 공진기(1310)를 NFC 수신기(1360) 및 WPT 수신기(1370) 중 단 하나와 전기적 또는 전자적으로 연결시킬 수 있다.

즉, 공진기(1310)는 모드 선택부(1320)에 의해 NFC 수신기(1360) 및 WPT 수신기(1370) 중 하나와 연결되고, 다른 하나와는 분리된다.

모드 선택부(1320)는 장치(1300)의 동작 모드 상태인지를 판단하여(즉, 장치(1300)가 어떤 동작 모드 상태인지를 판단하여) 공진기(1310)를 NFC 수신기(1360) 및 WPT 수신기(1370) 중 하나와 연결시킬 수 있다.

제1 스위치(1330)는 공진기(1310) 및 NFC 수신기(1360)를 연결 또는 분리시킬 수 있다. 제1 스위치(1330)는 로스 매칭 회로(1350)를 통해 NFC 수신기(1360)와 연결될 수 있다. 즉, 제1 스위치(1330), 로스 매칭 회로(1350) 및 NFC 수신기(1360)는 전기적 또는 전자적으로 연결될 수 있다.

제2 스위치(1340)는 공진기(1310) 및 WPT 수신기(1370)를 연결 또는 분리시킬 수 있다.

모드 선택부(1320)는 제1 스위치(1330) 및 제2 스위치(1340)를 제어함으로써 공진기(1310)를 NFC 수신기(1360) 및 WPT 수신기(1370) 중 하나와 연결시킬 수 있다.

제1 스위치(1330) 및 제2 스위치(1340)는 공진기(1310)를 NFC 수신기(1360) 및 WPT 수신기(1370) 중 하나와 선택적으로 연결시킬 수 있다. 제1 스위치(1330) 및 제2 스위치(1340)는 모드 선택 스위치로 명명될 수 있다. 제1 스위치(1330) 및 제2 스위치(1340)는 단일한 단극 쌍투 스위치(Single Pole Double Throw; SPDT) 스위치로 대체될 수 있다. 제1 스위치(1330) 및 제2 스위치(1340)는, 장치(1300)의 모드가 WPT 모드일 때 NFC 수신기(1360)로 큰 입력 전력이 전달되는 것을 차단하기 때문에, 보호 회로의 역할을 할 수 있다.

모드 선택부(1320)는 제1 스위치(1330) 및 제2 스위치(1340)로 스위치 제어 신호를 출력함으로써 제1 스위치(1330) 및 제2 스위치(1340)를 제어할 수 있다. 스위치 제어 신호는 스위치 입력 신호일 수 있다. V_con은 스위치 입력 신호를 나타낼 수 있다.

상기의 스위치 제어 신호는 전기적 또는 전자적 신호일 수 있다. 스위치 제어 신호는 0V 또는 3.3V의 신호일 수 있다. 스위치 제어 신호가 0V인 상태를 초기 상태로 명명할 수 있다. 또한, 스위치 제어 신호가 3.3V인 상태를 특정 조건이 충족되는 상태로 명명할 수 있다.

제1 스위치(1330)는 PMOS 스위치일 수 있다. 제2 스위치(1340)는 NMOS 스위치일 수 있다.

제1 스위치(1330)는 초기 상태(예컨대, 스위치 제어 신호가 3.3V일 때)에서, 공진기(1310)가 NFC 수신기(1360) 쪽으로 도통되게 할 수 있다.

제2 스위치(1340)는 특정 조건이 충족되는 상태(예컨대, 스위치 제어 신호가 3.3V일 때)에서, 공진기(1310)가 WPT 수신기(1370) 쪽으로 도통되게 할 수 있다.

스위치 제어 신호에 의해, 제1 스위치(1330) 및 제2 스위치(1340)는 하나가 ON이되고, 다른 하나는 OFF가 되도록 동작한다. 따라서, 공진기(1310)는 NFC 수신기(1360) 및 WPT 수신기(1370)로 동시에 도통되지 않는다.

모드 선택부(1320)는 공진기(1310)에 의해 수신된 전력의 레벨을 측정할 수 있고, 측정된 전력의 레벨에 기반하여 스위치 제어 신호를 결정할 수 있다.

공진기(1310)는 수신된 전력을 모드 선택부(1320)로 출력할 수 있다. 공진기(1310)로부터 출력된 전력을 입력 전력으로 명명할 수 있다. P_in은 입력 전력을 나타낼 수 있다.

모드 선택부(1320)는 NFC의 최대 출력 전력을 기준으로 스위치 제어 신호를 결정할 수 있다.

즉, 모드 선택부(1320)는 모드 선택부(1320)로 입력되는 입력 전력이 NFC의 최대 출력 전력보다 작은 경우에는 제1 스위치를 ON하고, 제2 스위치를 OFF하는 스위치 제어 신호(예컨대, 0V의 스위치 제어 신호)를 출력함으로써 NFC 수신기(1360)를 공진기(1310)와 도통시킬 수 있고, 입력 전력 이 NFC의 최대 출력 전력보다 큰 경우에는 제1 스위치를 OFF하고, 제2 스위치를 ON하는 스위치 제어 신호(예컨대, 3.3.V의 스위치 제어 신호)를 출력함으로써 WPT 수신기(1370)를 공진기(1310)와 도통시킬 수 있다.

NFC의 최대 출력 전원은 1W일 수 있다.

모바일 장치의 충전을 위해서는 약 2~3W의 전력이 사용된다. 따라서, 입력 전력이 1W 보다 클 경우, 입력 전력은 WPT 수신기(1370)가 배터리를 충전하기 위해 사용될 수 있다.

NFC 수신기(1360)가 리더 동작 모드에 있는 경우, 공진기(1310)를 통해 전력이 입력되지 않는다. 따라서, 모드 선택부(1320)로 입력되는 입력 전력 P_in이 없기 때문에, 모드 선택부(1320)로부터 초기 상태와 같은 0V의 스위치 제어 신호가 출력되고, 장치(1300)에 대해서, NFC 모드가 자동으로 선택된다.

장치(1300)는 기본적인 상태에서는 NFC 모드로 동작할 수 있으며, 들어오는 입력 전력이 클 경우 WPT 모드로 전환할 수 있다. 즉, 장치(1300)는 기본적으로 NFC의 리더 모드 또는 태그 모드로 동작할 수 있고, 입력 전력이 들어올 경우에만 WPT 모드로 전환될 수 있다.

상기의 전환에 의해, 장치(1300)는 NFC 수신기(1360) 등을 큰 입력 전력으로부터 보호할 수 있고, 별다른 사용자의 조작 없이 NFC 리더 모드를 제공할 수 있다.

도 14는 일 예에 따른 모드 선택부의 상세한 구성을 설명한다.

모드 선택부(1320)는 정류기(1410), 커패시터(1420), 로우 드롭-아웃(Low Drop-Out; LDO)(1430), 제1 분압기(voltage divider)(1440), 제2 분압기(1450), 비교기(1460) 및 제5 저항기(1470)를 포함할 수 있다.

정류기(1410)의 일 단은 입력 전력을 수신할 수 있다.

정류기(1410)의 다른 일 단은 커패시터(1420)와 연결될 수 있다.

커패시터(1420)의 일 단은 정류기(1410) 및 LDO(1430)와 연결될 수 있다.

커패시터(1420)의 다른 일 단은 그라운드와 연결될 수 있다.

즉, 전력 검출기(power dector) 또는 반파 정류기의 구조와 같이, 커패시터(1420)는 정류기(1410)와 션트(shunt)로 구성될 수 있다.

정류기(1410) 및 커패시터(1420)는 전력 검출기(power detector)를 구성할 수 있다. 전력 검출기는 입력 전력이 1W 보다 큰지 또는 작은지를 판단하기 위해 입력 전력의 레벨을 측정할 수 있다. 여기서, 1W는 NFC의 최대 출력 전원을 의미할 수 있다. 즉, 본 예에서 1W는 NFC의 최대 출력 전원을 의미하기 위해 사용될 수 있다.

LDO(1430)는 전력 검출기로부터 입력 전력을 제공받고, 비교기로 전원(V_dd) 및 V_ref를 공급할 수 있다. V_ref는 1W를 기준으로 한 환산 전압이다.

LOD(1430)는 +3.3V를 공급할 수 있다.

제2 분압기(1450)는 입력 전력의 크기를 적정한 V_pin 값으로 변환할 수 있다.

제2 분압기(1450)는 비교기(1460)의 + 단자 및 커패시터(1420)를 연결할 수 있다. 또한, 제2 분압기(1450)는 정류기(1410)과 연결될 수 있으며, LDO(1430)와 연결될 수 있다.

제2 분압기(1450)는 제3 저항기(1452) 및 제4 저항기(1454)를 포함할 수 있다.

제3 저항기(1452)의 일 단은 비교기(1460)의 + 단자 및 제4 저항기(1454)와 연결될 수 있다.

제3 저항기(1452)의 다른 일 단은 커패시터(1420)와 연결될 수 있다. 또한, 제3 저항기(1452)의 다른 일 단은 정류기(1410) 및 LDO(1430)와 연결될 수 있다.

제4 저항기(1454)의 일 단은 비교기(1460)의 + 단자 및 제3 저항기(1452)와 연결될 수 있다.

제4 저항기(1454)의 다른 일 단은 그라운드(ground)와 연결될 수 있다.

제1 분압기(1440)는 LDO로부터 출력되는 V_dd를 1W 기준 환산 전압인 V_ref로 변환할 수 있다.

제1 분압기(1440)는 비교기(1460)의 - 단자 및 LDO(1430)을 연결할 수 있다.

제1 분압기(1440)는 제1 저항기(1442) 및 제2 저항기(1444)를 포함할 수 있다.

제1 저항기(1442)의 일 단은 비교기(1460)의 - 단자 및 제2 저항기(1444)와 연결될 수 있다.

제1 저항기(1442)의 다른 일 단은 LDO(1430)와 연결될 수 있다.

제2 저항기(1444)의 일 단은 비교기(1460)의 - 단자 및 제1 저항기(1442)와 연결될 수 있다.

제2 저항기(14454)의 다른 일 단은 그라운드(ground)와 연결될 수 있다.

비교기(1460)는 입력 전력이 1W 보다 큰지 또는 작은지를 비교하여 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다.

비교기(1460)는 + 단자를 통해 입력되는 V_pin을 - 단자를 통해 입력되는 V_ref와 비교하여, V_pin이 V_ref보다 클 때는(즉, 1W보다 큰 입력 전력이 수신될 때) 출력 단자를 통해 공진기(1310)를 NFC 수신기(1330)와 연결시키는 3.3V의 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다. 또한, 비교기(1460)는 V_pin이 V_ref보다 작은 때는(즉, 1W보다 작은 입력 전력이 수신될 때) 출력 단자를 통해 공진기(1310)를 WPT 수신기(1370)와 연결시키는 0V의 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다.

비교기(1460)는 전원이 없는 경우(즉, 입력 전력이 없는 경우) 0V의 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다. 즉, 장치(1300)가 NFC 리더 동작 모드일 때, 비교기(1460)는 0V의 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다.

제5 저항기(1470)는 입력 전력이 없을 때(즉, 장치(1300)가 NFC 리더 동작 모드일 때) 0V의 스위치 제어 신호를 출력하기 위한 그라운드(ground) 접지 역할을 할 수 있다.

제5 저항기(1470)는 수 킬로 옴(kΩ)의 저항 값을 가질 수 있다.

제5 저항기(1470)의 일 단은 비교기(1460)의 출력 단자와 연결될 수 있다.

제5 저항기(1470)의 다른 일 단은 그라운드(ground)와 연결될 수 있다.

전술된 것처럼, 모드 선택부(1320)는 추가적인 MCU 등과 같은 디지털(digital) 구성요소(component)을 사용하지 않은 채, 아날로그(analog)적으로 간단하게 구성될 수 있다.

도 15는 일 예에 따른 NFC 모드의 동작을 보여준다.

NFC의 태그 동작 모드에서는(즉, 장치(1300)가 NFC 태그 동작 모드일 때), 공진기(1310)를 통해 들어오는 입력 전력의 크기는 1W 보다 작다. 따라서, 모드 선택부(1320)에서는 0V의 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다.

0V의 스위치 전력 신호에 의해, 제1 스위치(1330)만 도통될 수 있고, 제2 스위치(1340)는 꺼질 수 있다.

따라서, 0V의 스위치 전력 신호에 의해, NFC 수신기(1360)만 공진기(1310) 도통될 수 있으며, WPT 수신기(1370)는 공진기(1310)로부터 끊어질 수 있다.

여기서, 1W는 NFC의 최대 출력 전원을 의미할 수 있다.

NFC의 리더 동작 모드에서는(즉, 장치(1300)가 NFC 리더 동작 모드일 때), 공진기(1310)를 통해 들어오는 입력 전력이 없다. 따라서, 모드 선택부(1320)에는 전원이 공급되지 않는다. 이 때, 비교기(1460)의 출력 단자에 연결된 제5 저항기(1470)에 의해서, 비교기(1460)에 의해 출력되는 신호는 0V를 유지할 수 있다. 따라서, 0V의 스위치 전력 신호에 의해, NFC 수신기(1360)만 공진기(1310)와 도통될 수 있으며, WPT 수신기(1370)는 공진기(1310)로부터 끊어질 수 있다.

도 16은 일 예에 따른 WPT 모드의 동작을 보여준다.

장치(1300)가 WPT 동작 모드일 때는, 공진기(1310)를 통해 들어오는 입력 전력의 크기는 1W 보다 크다. 따라서, 모드 선택부(1320)에서는 3.3V의 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다.

3,3V의 스위치 전력 신호에 의해, 제2 스위치(1340)만 도통될 수 있고, 제1 스위치(1330) 는 꺼질 수 있다.따라서, 3.3V의 스위치 전력 신호에 의해, WPT 수신기(1370)만 공진기(1310)와 도통될 수 있으며, NFC 수신기(1360)는 공진기(1310)로부터 끊어질 수 있다.

도 17은 일 실시예에 따른 장치의 동작 방법의 흐름도이다.

단계(1710)에서, 예컨대 공진기(1310)에 의해, 입력 전력이 수신된다.

단계들(1720 내지 1740)에서, 입력 전력의 크기에 기반하여, 예컨대 모드 선택부(1320)에 의해 공진기(1310)가 NFC 수신기(1360) 및 WPT 수신기(1370) 중 하나와 연결된다.

단계(1720)에서, 예컨대 모드 선택부(1320)에 의해, 입력 전력의 크기 및 미리 정의된 크기가 비교된다.

미리 정의된 크기는 NFC의 최대 출력 전력의 크기일 수 있다. 구체적으로, 미리 정의된 크기는 1W일 수 있다.

입력 전력의 크기가 미리 정의된 크기보다 작을 경우, 단계(1730)가 수행된다.

입력 전력의 크기가 미리 정의된 크기보다 큰 경우, 단계(1740)가 수행된다.

단계(1730)에서, 예컨대 모드 선택부(1320)에 의해, 제1 스위치(1330)가 ON되고, 제2 스위치(1340)가 OFF된다.

단계(1740)에서, 예컨대 모드 선택부(1320)에 의해, 제1 스위치(1330)가 OFF되고, 제2 스위치(1340)가 ON된다.

단계(1750)에서, 장치(1300)는 NFC 모드로 동작한다.

단계(1760)에서, 장치(1300)는 WPT 모드로 동작한다.

앞서 도 1 내지 도 16을 참조하여 설명된 일 실시예에 따른 기술적 내용들이 본 실시예에도 그대로 적용될 수 있다. 따라서 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.

도 18은 일 실시예에 따른 NFC 및 WPT를 구비한 장치의 구조도이다.

장치(1800)는 WPT 공진기(1810) 및 NFC 공진기(1820)를 포함할 수 있다.

장치(1800)가 사용하는 WPT의 공진 주파수는 NFC의 공진 주파수와 상이할 수 있다. 예컨대, WPT 공진기(1810)는 6.78Mhz의 공진 주파수를 사용하는 하이 Q WPT 공진기일 수 있다. NFC 공진기(1820)는 13.56Mhz의 공진 주파수를 사용하는 로우 Q NFC 공진기일 수 있다. WPT 공진기(1810)는 NFC 공진기(1820)의 공진 주파수를 제외한 임의의 산업-과학-의료(Industrial, Scientific and Medical; ISM) 밴드 공진 주파수를 사용할 수 있다.

하이 Q를 요구하는 WPT 공진기(1810)가 장치(1800) 내에 우선적으로 넓은 공간을 차지하면서 배치될 수 있다. WPT 공진기(1810)가 배치된 후, 장치(1800) 내의 빈 공간 내에 로우 Q를 갖는 NFC 공진기(1820)가 배치될 수 있다. 상기의 빈 공간은 WPT 공진기(1810)의 위, 아래 또는 안쪽일 수 있다. 도 18에서, NFC 공진기(1820)는 WPT 공진기(1810)의 안쪽에 배치되었다.

도 19는 일 실시예에 따른 NFC 및 WPT를 구비한 장치의 구조도이다.

장치(1800)의 내부 공간 내에서, NFC 공진기(1820)는 WPT 공진기(1810)의 위에 배치되었다.

장치(1800)는 도 13을 참조하여 전술된 NFC 수신기(1360) 및 WPT 수신기(1370)를 더 포함할 수 있다. WPT 공진기(1810)는 WPT 수신기(1370)와 연결될 수 있다. NFC 공진기(1820)는 NFC 수신기(1360)와 연결될 수 있다. WPT 수신기(1370) 및 NFC 수신기(1360)는 각각 독립적으로 사용될 수 있다.

도 18 및 도 19를 참조하여 전술된 것과 같이, NFC 공진기(1820)의 동작 주파수 및 WPT 공진기(1810)의 동작 주파수가 서로 상이한 경우, NFC 공진기(1820) 및 WPT 공진기(1810)를 각각 장치(1800) 내에 배치함으로써, NFC 시스템 및 WPT 시스템이 각각 독립적으로 동작할 수 있다. 여기서, NFC 시스템은 NFC 공진기(1820) 및 NFC 수신기(1360)를 포함할 수 있다. WPT 시스템은 WPT 공진기(1810)는 WPT 수신기(1370)를 포함할 수 있다.

도 20은 일 예에 따른 서로 상이한 공진 주파수를 사용하는 NFC 공진기 및 WPT 공진기의 공진 특성을 나타내는 그래프이다.

그래프의 x 축은 주파수(MHz)를 나타내고, y 축은 S11(dB)를 나타낸다. S11은 S11 주파수 반응을 나타낼 수 있다. 도 20에서, WPT 공진기(1810)의 공진 특성(2010) 및 NFC 공진기(1820)의 공진 특성(2020)이 각각 도시되었다.

2 개의 공진기들이 각각 공진기의 코일(coil)의 인덕턴스(inductance; L) 성분 및 집중된(lumped) 커패시턴스(capacitance) 성분을 사용하여 공진을 일으킬 경우, 각각 상이한 공진 주파수를 사용하는 2 개의 공진기들 간에는, 상기의 2 개의 공진기들이 서로 근접하더라도, 커플링이 발생하지 않는다.

즉, 서로 상이한 공진 주파수를 사용하는 2 개의 공진기들이 근접하게 배치되어도, 2 개의 공진기들 각각에서 거의 주파수 변화가 발생하지 않는다. 따라서, WPT 공진기(1810) 및 NFC 공진기(1820)는 각각 도 20의 그래프와 같은 공진 특성을 보일 수 있다.

도 21은 일 실시예에 따른 전력 수신 장치의 동작 방법의 흐름도이다.

단계(2110)에서, NFC 공진기(1820)는 제1 전력을 수신할 수 있다.

단계(2120)에서, NFC 수신기(1360)는 수신된 제1 전력을 사용하여 무선 통신을 수행할 수 있다.

단계(2130)에서, WPT 공진기(1810)는 제2 전력을 수신할 수 있다.

단계(2140)에서, WPT 수신기(1370)는 수신된 제2 전력을 사용하여 장치(1800)의 동작을 위한 전압을 공급할 수 있다.

NFC 공진기(1820)의 공진 주파수 및 WPT 공진기(1810)의 공진 주파수는 서로 상이할 수 있다. 장치(1800)의 내부에서, NFC 공진기(1820)는 WPT 공진기(1810)의 안쪽에 배치될 수 있다.

앞서 도 1 내지 도 20를 참조하여 설명된 기술적 내용들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다. 입력 전력은 제1 전력 및 제2 전력 중 하나 이상을 의미할 수 있다.

도 1 내지 도 21을 참조하여 설명된 본 실시예들 및 예들은, NFC 기능을 구비한 장치에 WPT 시스템을 추가하기 위해 사용될 수 있으며, 아웃밴드(outband) 통신을 수행하는 WPT 시스템에도 적용될 수 있다. 말하자면, 아웃밴드 통신을 수행하는 WPT 시스템 또한 전술된 모드 선택 스위치를 이용함으로써 WPT 공진기(1310)를 사용할 수 있다.

일 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1300: 장치
1310: 공진기
1320: 모드 선택부
1330: 제1 스위치
1340: 제2 스위치
1350: 로스 매칭 회로
1360: NFC 수신기
1370: WPT 수신기

Claims (18)

1. 전력 수신 장치에 있어서,
   전력을 수신하는 공진기;
   상기 수신된 전력을 사용하여 무선 통신을 수행하는 근거리 무선 통신 수신기;
   상기 수신된 전력을 사용하여 상기 전력 수신 장치의 동작을 위한 전압을 공급하는 무선 전력 전송 수신기; 및
   상기 공진기를 상기 근거리 무선 통신 수신기 및 상기 무선 전력 전송 수신기 중 하나와 연결시키는 모드 선택부
   를 포함하는, 전력 수신 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공진기는 13.56Mhz의 공진 주파수를 갖고, 상기 공진기의 Q는 100을 초과하는, 전력 수신 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 근거리 무신 수신기를 로우 Q 상태로 만드는 로스 매칭을 제공하는 로스 매칭 회로
   를 더 포함하고,
   상기 근거리 무선 통신 수신기는 상기 로스 매칭 회로를 통해 상기 공진기와 연결되는, 전력 수신 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 모드 선택부는 상기 장치의 동작 모드 상태를 판단하여 상기 공진기를 상기 근거리 무선 통신 수신기 및 상기 무선 전력 전송 수신기 중 하나와 연결시키는, 전력 수신 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 모드 선택부는 상기 입력 전력이 근거리 무선 통신의 최대 출력 전력보다 작은 경우 상기 공진기를 상기 근거리 무선 통신 수신기와 연결시키고, 상기 입력이 상기 최대 출력 전력보다 큰 경우 상기 공진기를 상기 무선 전력 전송 수신기와 연결시키는, 전력 수신 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 공진기 및 상기 근거리 무선 통신 수신기를 연결 또는 분리 시키는 제1 스위치; 및
   상기 공진기 및 상기 무선 전력 전송 수신기를 연결 또는 분리 시키는 제2 스위치
   를 더 포함하고, 상기 모드 선택부는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어함으로써 상기 공진기를 상기 근거리 무선 통신 수신기 및 상기 무선 전력 전송 수신기 중 하나와 연결시키는, 전력 수신 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 모드 선택부는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치로 스위치 제어 신호를 출력함으로써 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하고, 상기 스위치 제어 신호에 의해 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 하나가 ON이되고, 다른 하나는 OFF가 되는, 전력 수신 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 공진기는 상기 수신된 전력을 상기 모드 선택부의 입력 전력으로서 출력하고,
   상기 모드 선택부는 상기 입력 전력이 근거리 무선 통신의 최대 출력 전력보다 작은 경우 상기 제1 스위치를 ON하고, 상기 제2 스위치를 OFF하는 스위치 제어 신호를 출력하고, 상기 입력 전력이 상기 근거리 무선 통신의 최대 출력 전력보다 큰 경우 상기 제1 스위치를 OFF하고, 상기 제2 스위치를 ON하는 스위치 제어 신호를 출력하는, 전력 수신 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 모드 선택부는,
   입력 전력을 수신하여 V_pin를 공급하는 정류기 및 커패시터;
   V_ref를 공급하는 로우 드롭-아웃; 및
   V_pin 및 V_ref를 비교하여 V_pin가 V_ref보다 클 경우 출력 단자를 통해 상기 근거리 무선 통신 수신기를 상기 공진기와 연결시키는 신호를 출력하고, V_pin가 V_ref보다 작을 경우 상기 출력 단자를 통해 상기 무선 전력 전송 수신기를 상기 공진기와 연결시키는 신호를 출력하는 비교기
   를 포함하는, 전력 수신 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 모드 선택부는,
    상기 로우 드롭-아웃 및 상기 비교기의 - 단자를 연결하고 로우 드롭-아웃으로부터 출력되는 V_dd를 근거리 무선 통신의 최대 출력 전력 기준 환산 전압인 V_ref로 변환하는 제1 분압기; 및
    상기 커패시터 및 상기 비교기의 + 단자를 연결하고 입력 전력의 크기를 V_pin 값으로 변환하는 제2 분압기
    를 더 포함하는, 전력 수신 장치.
11. 제9항에 있어서,
    상기 모드 선택부는,
    상기 비교기의 상기 출력 단자 및 상기 그라운드와 연결된 저항기
    을 더 포함하는, 전력 수신 장치.
12. 공진기가 입력 전력을 수신하는 단계;
    상기 입력 전력의 크기에 기반하여 상기 공진기를 근거리 무선 통신 수신기 및 무선 전력 전송 수신기 중 하나와 연결하는 단계;
    상기 공진기가 상기 근거리 무선 통신 수신기와 연결된 경우 근거리 무선 통신 모드로 동작하는 단계; 및
    상기 공진기가 상기 무선 전력 전송 수신기와 연결된 경우 무선 전력 전송 수신 모드로 동작하는 단계
    를 포함하는, 전력 수신 장치의 동작 방법.
13. 제12항에 있어서,
    "상기 입력 전력의 크기에 기반하여 상기 공진기를 근거리 무선 통신 수신기 및 무선 전력 전송 수신기 중 하나와 연결하는 단계"는,
    상기 입력 전력의 크기 및 미리 정의된 크기를 비교하는 단계;
    상기 입력 전력의 크기가 상기 미리 정의된 크기보다 작을 경우 제1 스위치를 ON시키고, 제2 스위치를 OFF시키는 단계; 및
    상기 입력 전력의 크기가 상기 미리 정의된 크기보다 클 경우 상기 제1 스위치를 ON시키고, 상기 제2 스위치를 OFF시키는 단계
    를 포함하고, 상기 제1 스위치는 상기 공진기 및 상기 근거리 무선 통신 수신기를 연결하고, 상기 제2 스위치는 상기 공진기 및 상기 무선 전력 전송 수신기를 연결하는, 전력 수신 장치의 동작 방법.
14. 제12항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
15. 전력 수신 장치에 있어서,
    제1 전력을 수신하는 근거리 무선 통신 공진기;
    상기 수신된 제1 전력을 사용하여 무선 통신을 수행하는 근거리 무선 통신 수신기;
    제2 전력을 수신하는 무선 전력 전송 공진기; 및
    상기 수신된 제2 전력을 사용하여 상기 전력 수신 장치의 동작을 위한 전압을 공급하는 무선 전력 전송 수신기
    를 포함하고,
    상기 근거리 무선 통신 공진기의 공진 주파수 및 상기 무선 전력 전송 공진기의 공진 주파수는 서로 상이한, 전력 수신 장치.
16. 제15항에 있어서,
    상기 근거리 무선 통신 공진기는 상기 무선 전력 전송 공진기의 안쪽에 배치된, 전력 수신 장치.
17. 근거리 무선 통신 공진기가 제1 전력을 수신하는 단계;
    근거리 무선 통신 수신기가 상기 수신된 제1 전력을 사용하여 무선 통신을 수행하는 단계;
    무선 전력 전송 공진기가 제2 전력을 수신하는 단계; 및
    무선 전력 전송 수신기가 상기 수신된 제2 전력을 사용하여 상기 전력 수신 장치의 동작을 위한 전압을 공급하는 단계
    를 포함하고,
    상기 근거리 무선 통신 공진기의 공진 주파수 및 상기 무선 전력 전송 공진기의 공진 주파수는 서로 상이한, 전력 수신 장치의 동작 방법.
18. 제15항에 있어서,
    상기 근거리 무선 통신 공진기는 상기 무선 전력 전송 공진기의 안쪽에 배치된, 전력 수신 장치의 동작 방법.

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