KR20140030514A - 무선전력 수신 장치 및 송신 장치, 무선전력 송수신 시스템 및 단말 - Google Patents
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Abstract
무선전력 수신 장치 및 송신 장치, 무선전력 송수신 시스템 및 단말이 개시된다.
본 발명은 소스 공진기에 커플링되어 상기 소스 공진기로부터 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하되, 상기 수신 공진기는, 평판 형상의 유전체층과, 상기 평판 형상의 유전체층 상에 패터닝되는 루프 형상의 안테나와, 상기 안테나의 내측에 마련되어 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 메타 구조체를 포함할 수 있다. 본 발명에 의하면, 무선전력 송수신 장치의 Q 팩터를 향상시켜 전기장 필드 또는 자기장 필드를 강화하고, NFC에 사용되는 13.56MHz 주파수 대역에서 80%의 무선전력 전송 효율을 확보할 수 있다. 또한 본 발명에서는, 충분한 무선전력 전송 효율을 확보하면서도 무선전력 송수신 단말의 크기를 줄일 수 있다.
본 발명은 소스 공진기에 커플링되어 상기 소스 공진기로부터 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하되, 상기 수신 공진기는, 평판 형상의 유전체층과, 상기 평판 형상의 유전체층 상에 패터닝되는 루프 형상의 안테나와, 상기 안테나의 내측에 마련되어 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 메타 구조체를 포함할 수 있다. 본 발명에 의하면, 무선전력 송수신 장치의 Q 팩터를 향상시켜 전기장 필드 또는 자기장 필드를 강화하고, NFC에 사용되는 13.56MHz 주파수 대역에서 80%의 무선전력 전송 효율을 확보할 수 있다. 또한 본 발명에서는, 충분한 무선전력 전송 효율을 확보하면서도 무선전력 송수신 단말의 크기를 줄일 수 있다.
Description
본 발명은 무선전력 송수신 기술에 관한 것으로, 특히 무선전력 송수신 효율을 높이는데 적합한 무선전력 수신 장치 및 송신 장치, 무선전력 송수신 시스템 및 단말에 관한 것이다.
무선통신 기술의 급속한 발전으로 인해 가상현실에서나 가능해 보였던 응용 분야들이 새로이 도전되고 많은 부분들이 빠르게 구현되어 현실화되어 가고 있다.
그 중에서도 가장 주목 받고 있는 부분이 USN(Ubiquitous Sensor Network)을 이용한 U-시티, 홈 네트워크를 가능하게 하기 위한 펨토(Femto) 셀 분야, 가사 도우미의 역할을 담당하는 로봇, 전시 작전 중 비상 임무를 수행하는 무인기, 미래 에너지 및 환경문제를 해결할 수 있는 우주 태양광 발전 등이다. 이러한, 응용 분야들은 각각의 분야에서 정보를 수집하고 이를 이용하여 제반 사항에 대한 인지 및 예방, 제어를 가능하게 한다.
그러나, 이러한 응용 분야에 적용되고 있는 시스템들은 무선 통신은 가능하나, 에너지 공급 및 전송 측면에서 여전히 문제점을 드러내고 있어 진정한 의미에서의 무선 통신 시스템 또는 무선 시스템이라 할 수 없고, 배터리나 연료의 수명, 무선 전송 가능한 에너지량에 극히 지배적인 문제점을 가지고 있다.
또한, 전동 칫솔, 노트북, 워크맨 등에는 전자기 유도 방식이라 일컫는 전자기파에 의한 인덕턴스 커플링(inductance coupling) 기술이 사용되고 있으나, 이러한 전자기파에 의한 인덕턴스 커플링 기술은 인덕터의 결합 계수가 높지 않을 경우 에너지 전송 효율이 급격히 나빠지는 단점이 있어 특정 위치를 이탈할 경우 무선 에너지 전송이 불가능한 문제가 있다.
이에 따라, 저전력, 전송 거리 및 전송 가능한 에너지량, 지속 운용 가능 시간 등의 문제를 해결하기 위해 전자기 유도 방식과 유사하나 인덕터와 커패시터에 의해 특정 공진 주파수에서 에너지가 집중되도록 하여 자기 에너지 형태로 전력을 송신하는 자기 공명 기술이 개발되고 있다.
이러한, 자기 공명 기술을 이용한 무선 에너지 전송 구조체는 전자기 유도 방식에 비해 비교적 큰 전력을 수 미터까지 전송할 수 있는 장점이 있으나, 높은 공진 특성(High Quality Factor)을 요구하고 있다.
한편, 메타물질(meta-material)이란 자연계에서 흔히 볼 수 없는 특수한 전자기적 성질을 나타내도록 인공적으로 합성된 물질을 통칭하는 용어이다.
대부분의 물질에서 전자파의 전파(propagation)는 (E,H,β) 벡터장의 오른손 법칙을 따른다. 여기서, E는 전계, H는 자계 및 β는 파장 벡터(wave vector)이다. 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파(그룹 속도)의 방향과 동일하고 굴절율은 양수(positive number)이다. 이러한 물질은 "우선회성"(right handed; RH)을 가지며, 대부분의 천연물질이나 인조물질 또한 RH 성향을 지닌다.
메타물질은 인조 구조이다. 메타물질에 의해 안내되는 전자기 에너지의 파장보다 훨씬 작은 구조적 평균 단위 셀 사이즈(p)로 설계될 때, 메타물질은 안내되는 전자기 에너지에 대해 균질 매체처럼 행동할 수 있다. RH 물질과는 다르게, 메타물질은 (E,H,β) 벡터장의 상대적 방향이 왼손 법칙을 따르는 신호 에너지 전파 방향과 위상 속도 방향이 반대로 되는 음(negative)의 굴절율을 나타낼 수 있다. 음의 굴절율만을 지원하는 메타물질은 "좌선회성"(left handed; LH) 메타물질이다.
많은 메타물질은 LH 메타물질과 RH 메타물질의 혼합물이고, 따라서 복합 좌우선회성(Composite Left and Right Handed; CRLH) 메타물질이다. CRLH 메타물질은 저주파수에서 LH 메타물질의 특성을 갖고 고주파수에서 RH 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 각종 CRLH 메타물질의 설계(design) 및 속성은 칼로즈(Caloz)와 이토(Itoh)의 "전자기 메타물질: 전송 선로 이론 및 마이크로파 응용", John Wiley & Sons(2006)에 개시되어 있다. CRLH 메타물질 및 안테나에서의 이들의 응용은 다츠오 이토(Tatsuo Itoh)의 "초청 논문: 메타물질의 전망", 전자학회지 제40권 제16호(2004년 8월)에 개시되어 있다.
CRLH 메타물질은 특수 용도로 제작되는 전자기 속성을 나타내도록 구성 및 가공되어 다른 물질을 사용하는 것이 곤란하거나 비실용적이거나 불가능한 용도에 사용될 수 있다. 또한, CRLH 메타물질은 새로운 용도를 개발하고 RH 메타물질로는 가능하지 않은 신 소자를 구성하는데 사용될 수 있다.
본 출원인은 이러한 메타물질을 무선전력 전송 기술에 적용할 경우, 무선전력 전송 효율을 높일 수 있다는데 착안하였다. 비록, 메타물질을 무선전력 전송 기술에 일부 채용한 기술은 있으나, 무선전력 공진기에서의 공진특성을 높여 전기장이나 자기장의 필드를 충분히 강화시키기에는 무리가 있는 실정이다.
이에 본 발명에서는, 무선전력 송수신 장치의 Q 팩터(Q factor)를 향상시켜 전기장 필드 또는 자기장 필드를 강화, 예컨대 필드를 증폭하거나 필드를 집속할 수 있는 무선전력 송수신 기술을 제안하고자 한다.
또한 본 발명에서는, 특정 무선주파수 대역, 예컨대 NFC(Near Field Communication)에 사용되는 13.56MHz 주파수 대역에서 적어도 80%의 무선전력 전송 효율을 확보할 수 있는 무선전력 송수신 기술을 제안하고자 한다.
또한 본 발명에서는, 무선전력 송수신 단말의 사이즈 리덕션(size reduction)을 구현할 수 있는 무선전력 송수신 기술을 제안하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 소스 공진기에 커플링되어 상기 소스 공진기로부터 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하되, 상기 수신 공진기는, 평판 형상의 유전체층과, 상기 평판 형상의 유전체층 상에 패터닝되는 루프 형상의 안테나와, 상기 안테나의 내측에 마련되어 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 메타 구조체를 포함하는 무선전력 수신 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 소스 공진기에 커플링되어 상기 소스 공진기로부터 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하되, 상기 수신 공진기는, 평판 형상의 유전체층과, 상기 유전체층의 외곽에 링 형태로 마련되는 안테나와, 상기 유전체층 상에 형성되어 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 메타 구조체를 포함하는 무선전력 수신 장치를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 메타 구조체는, 상기 안테나와 물리적으로 이격되며, 상기 유전체층 상에 패터닝될 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, 적어도 하나 이상의 메타 패턴층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, 유효 유전율이 양의 값, 유효 투자율이 음의 값을 각각 가지며, 상기 메타 구조체가 흡수하는 주파수 대역이 공진 주파수와 상이한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, DHMR(Double H-shape Metamaterial Resonator) 구조를 갖는 복수의 단위셀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, 유효 유전율 및 유효 투자율이 음의 값을 가질 수 있다.
또한, 상기 유전체층은, 상기 복수의 단위셀에 각각 대응되도록 패터닝면의 배면에 형성되는 다이폴 구조를 포함할 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, Q 팩터값이 적어도 100인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 소스 공진기에 커플링되어 상기 소스 공진기로부터 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하되, 상기 수신 공진기는, 평판 형상의 제1 유전체층과, 상기 제1 유전체층 상에 패터닝되는 루프 형상의 안테나와, 상기 제1 유전체층 상에서 상기 안테나의 내측에 마련되어 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제1 메타 구조체와, 상기 제1 유전체층의 외곽에 마련되는 제2 유전체층과, 상기 제2 유전체층 상에 형성되어 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제2 메타 구조체를 포함하는 무선전력 수신 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 소스 공진기에 커플링되어 상기 소스 공진기로부터 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하되, 상기 수신 공진기는, 평판 형상의 제1 유전체층과, 상기 제1 유전체층의 외곽에 링 형태로 마련되는 안테나와, 상기 제1 유전체층 상에 형성되어 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제1 메타 구조체와, 상기 안테나의 외곽에 형성되는 제2 유전체층과, 제2 유전체층 상에 형성되어 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제2 메타 구조체를 포함하는 무선전력 수신 장치를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 제2 메타 구조체는, 상기 제1 메타 구조체와 동일한 수평면상에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제2 메타 구조체는, 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 증폭하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제2 메타 구조체는, 상기 제1 메타 구조체와 서로 직교할 수 있다.
또한, 상기 제2 메타 구조체는, 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 집속하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 메타 구조체 및 제2 메타 구조체는, 각각 적어도 하나 이상의 메타 패턴층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 메타 구조체 및 제2 메타 구조체는, 각각 유효 유전율이 양의 값, 유효 투자율이 음의 값을 각각 가지며, 상기 제1 메타 구조체 및 제2 메타 구조체가 흡수하는 주파수 대역이 공진 주파수와 상이한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 메타 구조체 및 제2 메타 구조체는, 각각 DHMR 구조를 갖는 복수의 단위셀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 메타 구조체 및 제2 메타 구조체는, 각각 유효 유전율 및 유효 투자율이 음의 값을 가질 수 있다.
또한, 상기 유전체층은, 상기 복수의 단위셀에 각각 대응되도록 패터닝면의 배면에 형성되는 다이폴 구조를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 메타 구조체 및 제2 메타 구조체는, 각각 Q 팩터값이 적어도 100인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 무선전력 수신 장치는, 상기 수신 공진기에서 수신된 전력을 정류하는 정류기와, 상기 정류기를 통해 정류된 직류전압 입력을 직류전압 출력으로 변환하는 DC-DC 컨버터와, 상기 DC-DC 컨버터에서 변환된 전력을 축전하는 축전기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선전력 수신 장치는, 상기 수신 공진기의 충전 상태 정보를 상기 소스 공진기로 전달하는 수단을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선전력 수신 장치는, 상기 수신 공진기의 충전 상태에 따라 상기 소스 공진기로부터의 전력 수신을 차단하는 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전원에 커플링되는 소스 공진기를 포함하되, 상기 소스 공진기는, 평판 형상의 유전체층과, 상기 평판 형상의 유전체층 상에 패터닝되는 루프 형상의 안테나와, 상기 안테나의 내측에 마련되어 상기 소스 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 메타 구조체를 포함하는 무선전력 송신 장치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 메타 구조체는, 상기 안테나층과 물리적으로 이격되며, 상기 유전체층 상에 상기 유전체층과 상이한 재질로 패터닝되는 적어도 하나 이상의 메타 패턴층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, 유효 유전율이 양의 값, 유효 투자율이 음의 값을 가지며, 상기 메타 구조체가 흡수하는 주파수 대역이 공진 주파수와 상이한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, DHMR 구조를 갖는 복수의 단위셀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, 유효 유전율 및 유효 투자율이 음의 값을 가질 수 있다.
또한, 상기 유전체층은, 상기 복수의 단위셀에 각각 대응되도록 패터닝면의 배면에 형성되는 다이폴 구조를 포함할 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, Q팩터값이 100보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 무선전력 송신 장치는, 상기 전원의 직류제어전압을 변화시켜 출력 발진 주파수를 제어하는 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator, VCO)와, 상기 전압 제어 발진기를 통해 제어된 교류신호를 증폭하는 증폭기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 증폭기는, 적응형 바이어스 회로(adaptive bias circuit)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 적응형 바이어스 회로는, 수신 공진기로부터 충전 상태 정보를 수신하여 전력 충전을 차단하는 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전원에 커플링되는 소스 공진기와, 상기 소스 공진기에 커플링되어 상기 소스 공진기로부터 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하되, 상기 소스 공진기와 상기 수신 공진기 중 적어도 어느 하나는, 평판 형상의 유전체층과, 상기 평판 형상의 유전체층 상에 패터닝되는 루프 형상의 도체층과, 상기 루프 형상의 도체층의 내측에 마련되어 상기 루프 형상의 도체층에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나를 강화하는 메타 구조체를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전원의 직류제어전압을 변환 및 증폭하는 송신 회로부와, 상기 송신 회로부를 통해 상기 전원에 커플링되는 소스 공진기와, 상기 소스 공진기에 커플링되어 상기 소스 공진기로부터 전력을 수신하는 수신 공진기와, 상기 수신 공진기를 통해 수신된 전력을 정류하는 수신 회로부를 포함하되, 상기 수신 공진기와 상기 수신 공진기 중 적어도 어느 하나는, 평판 형상의 유전체층과, 상기 평판 형상의 유전체층 상에 패터닝되는 루프 형상의 도체층과, 상기 루프 형상의 도체층의 내측에 마련되어 상기 루프 형상의 도체층에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나를 강화하는 메타 구조체를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전원 또는 외부 단말의 공진기에 커플링되어 상기 외부 단말과 전력을 송수신하는 공진기를 포함하되, 상기 공진기는, 평판 형상의 유전체층과, 상기 평판 형상의 유전체층 상에 패터닝되는 루프 형상의 안테나층과, 상기 안테나층의 내측에 마련되어 상기 안테나층에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 메타 구조체를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 메타 구조체는, 상기 안테나층과 물리적으로 이격되며, 상기 유전체층 상에 패터닝될 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, 적어도 하나 이상의 메타 패턴층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, 유효 유전율이 양의 값, 유효 투자율이 음의 값을 가지며, 상기 메타 구조체가 흡수하는 주파수 대역이 공진 주파수와 상이한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, DHMR 구조를 갖는 복수의 단위셀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, 유효 유전율 및 유효 투자율이 음의 값을 가질 수 있다.
또한, 상기 유전체층은, 상기 복수의 단위셀에 각각 대응되도록 패터닝면의 배면에 형성되는 다이폴 구조를 포함할 수 있다.
또한, 상기 메타 구조체는, Q팩터값이 100 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 무선전력 송수신 단말은, 상기 전원의 직류제어전압을 변환 및 증폭하는 송신 회로부와, 상기 공진기를 통해 수신된 전력을 정류하는 수신 회로부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 송신 회로부는, 상기 전원의 직류제어전압을 변화시켜 출력 발진 주파수를 제어하는 전압 제어 발진기와, 상기 전압 제어 발진기를 통해 제어된 교류신호를 증폭하는 증폭기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 증폭기는, 적응형 바이어스 회로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신 회로부는, 상기 공진기에서 수신된 전력을 정류하는 정류기와, 상기 정류기를 통해 정류된 직류전압 입력을 직류전압 출력으로 변환하는 DC-DC 컨버터와, 상기 DC-DC 컨버터에서 변환된 전력을 축전하는 축전기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선전력 송수신 단말은, 상기 송신 회로부 또는 상기 수신 회로부를 상기 공진기와 선택적으로 스위칭하는 스위칭부와, 상기 스위칭부를 제어하는 제어 회로부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어 회로부는, 상기 수신 회로부로부터 충전 상태 정보를 수신하여 전력 충전을 차단하는 수단을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 무선전력 송수신 장치의 Q 팩터를 향상시켜 전기장 필드 또는 자기장 필드를 강화하고, NFC에 사용되는 13.56MHz 주파수 대역에서 80%의 무선전력 전송 효율을 확보할 수 있다. 또한 본 발명에서는, 충분한 무선전력 전송 효율을 확보하면서도 무선전력 송수신 단말의 크기를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 적용될 수 있는 메타 구조체(meta-structure)의 특성을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송수신 시스템에 대한 전체 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신(또는 송신) 장치에 적용되는 수신(또는 소스) 공진기의 일 실시예를 나타낸 평면도,
도 4는 도 3의 수신(또는 소스) 공진기의 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신(또는 송신) 장치에 적용되는 수신(또는 소스) 공진기의 다른 실시예를 나타낸 평면도로서, 제1 메타 구조체와 제2 메타 구조체가 동일한 수평면상에 배치되는 경우를 예시한 도면,
도 6은 도 5의 수신(또는 소스) 공진기의 단면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신(또는 송신) 장치에 적용되는 수신(또는 소스) 공진기의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도로서, 제1 메타 구조체와 제2 메타 구조체가 서로 직교하는 경우를 예시한 도면,
도 8은 도 7의 수신(또는 소스) 공진기의 단면도,
도 9는 도 7의 수신(또는 소스) 공진기의 사시도,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신(또는 송신) 장치에 적용되는 수신(또는 소스) 공진기의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도로서, 안테나가 유전체층의 외곽에 링 형태로 마련된 경우를 예시한 도면,
도 11은 도 10의 수신(또는 소스) 공진기의 단면도,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신(또는 송신) 장치에 적용되는 수신(또는 소스) 공진기의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도로서, 안테나가 유전체층의 외곽에 링 형태로 마련되고 제1 메타 구조체와 제2 메타 구조체가 동일한 수평면상에 배치되는 경우를 예시한 도면,
도 13은 도 12의 수신(또는 소스) 공진기의 단면도,
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신(또는 송신) 장치에 적용되는 수신(또는 소스) 공진기의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도로서, 안테나가 유전체층의 외곽에 링 형태로 마련되고 제1 메타 구조체와 제2 메타 구조체가 서로 직교하는 경우를 예시한 도면,
도 15는 도 14의 수신(또는 소스) 공진기의 단면도,
도 16은 도 14의 수신(또는 소스) 공진기의 사시도,
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송수신 단말에 대한 전체 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송수신 시스템에 대한 전체 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신(또는 송신) 장치에 적용되는 수신(또는 소스) 공진기의 일 실시예를 나타낸 평면도,
도 4는 도 3의 수신(또는 소스) 공진기의 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신(또는 송신) 장치에 적용되는 수신(또는 소스) 공진기의 다른 실시예를 나타낸 평면도로서, 제1 메타 구조체와 제2 메타 구조체가 동일한 수평면상에 배치되는 경우를 예시한 도면,
도 6은 도 5의 수신(또는 소스) 공진기의 단면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신(또는 송신) 장치에 적용되는 수신(또는 소스) 공진기의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도로서, 제1 메타 구조체와 제2 메타 구조체가 서로 직교하는 경우를 예시한 도면,
도 8은 도 7의 수신(또는 소스) 공진기의 단면도,
도 9는 도 7의 수신(또는 소스) 공진기의 사시도,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신(또는 송신) 장치에 적용되는 수신(또는 소스) 공진기의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도로서, 안테나가 유전체층의 외곽에 링 형태로 마련된 경우를 예시한 도면,
도 11은 도 10의 수신(또는 소스) 공진기의 단면도,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신(또는 송신) 장치에 적용되는 수신(또는 소스) 공진기의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도로서, 안테나가 유전체층의 외곽에 링 형태로 마련되고 제1 메타 구조체와 제2 메타 구조체가 동일한 수평면상에 배치되는 경우를 예시한 도면,
도 13은 도 12의 수신(또는 소스) 공진기의 단면도,
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신(또는 송신) 장치에 적용되는 수신(또는 소스) 공진기의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도로서, 안테나가 유전체층의 외곽에 링 형태로 마련되고 제1 메타 구조체와 제2 메타 구조체가 서로 직교하는 경우를 예시한 도면,
도 15는 도 14의 수신(또는 소스) 공진기의 단면도,
도 16은 도 14의 수신(또는 소스) 공진기의 사시도,
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송수신 단말에 대한 전체 구성도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
실시예의 설명에 앞서, 본 발명은 메타 구조체(meta structure)를 무선전력 송수신 기술에 적용함으로써, 무선전력 송수신 장치의 Q 팩터(Q factor)를 향상시켜 전기장 필드 또는 자기장 필드를 강화하고, 특정 무선주파수 대역, 예컨대 NFC(Near Field Communication)에 사용되는 13.56MHz 주파수 대역에서 적어도 80%의 무선전력 전송 효율을 확보할 수 있으며, 무선전력 송수신 단말의 사이즈 리덕션(size reduction)을 구현하고자 한다는 것으로, 이러한 기술사상으로부터 본 발명의 목적으로 하는 바를 용이하게 달성할 수 있을 것이다.
여기서, 본 발명에 적용될 수 있는 메타 구조체에 대해 살펴보면, 도 1에 도시한 바와 같이, 자연계의 대부분의 물질은 1사 분면(1)에 존재하며, 물질의 특성을 나타내는 유효 유전율과 유효 투자율이 모두 양의 값을 가지고 있다. 1사 분면에 존재하는 물질에 전파가 입사될 경우 전파는 슈넬(Snell)의 법칙을 따라 굴절되어 진행하게 된다.
2사 분면(2)에 존재하는 물질의 경우 유효 유전율은 음의 값을 가지며, 유효 투자율의 경우 양의 값을 가질 수 있다. 이러한 물질에 입사된 전파는 진행하지 못하고 전파가 흡수 및 거리에 따라 소멸하는 특성을 가지고 있다.
3사 분면(3)에 위치하는 물질의 특성은 유효 유전율과 유효 투자율이 모두 음의 값을 가지며, 이러한 물질에 입사된 전파는 특정 주파수 대역에서 투과하는 특성을 보이나 위상 속도가 군 속도와 180도의 위상차를 가지고 진행하게 된다. 그 외의 주파수 대역에서는 흡수 되거나 거리에 따라 소멸하는 특성을 보인다.
4사 분면(4)에 위치하는 물질의 경우 유효 유전율은 양의 값을 갖지만 유효 투자율의 경우 음의 값을 가질 수 있다. 대표적인 물질로는 페라이트(ferrite) 등이 있으며, 입사된 전파는 투과하여 전파되지 못하고 흡수 되거나 거리에 따라 소멸하는 특성을 가지고 있다. 메타 구조체는 특정 주파수 대역에서 2, 3, 4 분면에 존재하는 물질의 특성을 갖도록 설계될 수 있으며, 이는 물질의 특성이 그러할 뿐 물질 자체는 아니다.
본 발명에서 제안하는 메타 구조체는 메타전파 특성을 갖도록 설계된 구조체를 의미할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송수신 시스템에 대한 전체 구성도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송수신 시스템은 크게 소스 공진기(100), 송신 회로부(110), 전원부(120) 등을 포함하는 무선전력 송신 장치(10)와, 수신 공진기(200), 수신 회로부(210), 축전기(220) 등을 포함하는 무선전력 수신 장치(20)를 포함할 수 있다.
여기서, 소스 공진기(100)는, 도시 생략된 전원에 커플링될 수 있으며, 평판 형상의 유전체층(102)과, 평판 형상의 유전체층 상에 패터닝되는 루프(loop) 형상의 안테나(104)와, 안테나(104)의 내측에 마련되어 소스 공진기(100)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 메타 구조체(106) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 메타 구조체(106)는 안테나(104)와 물리적으로 이격되며, 유전체층(102) 상에 패터닝되는 적어도 하나 이상의 메타 패턴층, 예컨대 DHMR(Double H-shape Metamaterial Resonator) 구조를 갖는 복수의 단위셀을 갖는 메타 패턴층을 포함할 수 있다. 또한, 메타 구조체(106)는 Q 팩터(Q factor)값이 적어도 100인 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 메타 구조체(106)는 유효 유전율(ε)이 양의 값, 유효 투자율(μ)이 음의 값을 각각 가질 수 있는데, 이 경우 메타 구조체(106)가 흡수하는 주파수 대역이 공진 주파수와 상이한 것을 특징으로 한다.
반면, 메타 구조체(106)는 유효 유전율(ε) 및 유효 투자율(μ)이 모두 음의 값을 가질 수도 있는데, 이 경우에는 유전체층(102)의 배면에 상술한 복수의 단위셀에 각각 대응되는 다이폴(dipole) 구조(도시 생략됨)가 형성될 수 있다.
송신 회로부(110)는 전원의 직류제어전압을 변화시켜 출력 발진 주파수를 제어하는 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator, VCO)와, 이러한 전압 제어 발진기를 통해 제어된 교류신호를 증폭하는 증폭기를 포함할 수 있다.
이때, 증폭기는, 예를 들어 적응형 바이어스 회로(adaptive bias circuit)를 포함할 수 있으며, 이러한 적응형 바이어스 회로는 수신 공진기(200)로부터 충전 상태 정보를 수신하여 전력 충전을 차단하는 기능을 할 수 있다.
전원부(120)는 무선전력 송신 장치(10)에 전원을 공급하는 역할을 할 수 있다.
도 2에서 소스 공진기(100) 주변의 E 방향은 전기장을 의미하며, H 방향은 자기장을, β는 파장 벡터(wave vector)를 각각 의미할 수 있다.
한편, 수신 공진기(200)는 상술한 소스 공진기(100)에 커플링되어 소스 공진기(100)로부터 전력을 수신할 수 있으며, 평판 형상의 유전체층(202)과, 평판 형상의 유전체층 상에 패터닝되는 루프 형상의 안테나(204)와, 안테나(204)의 내측에 마련되어 수신 공진기(200)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 메타 구조체(206) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 메타 구조체(206)는 안테나(204)와 물리적으로 이격되며, 유전체층(202) 상에 패터닝되는 적어도 하나 이상의 메타 패턴층, 예컨대 DHMR 구조를 갖는 복수의 단위셀을 갖는 메타 패턴층을 포함할 수 있다. 또한, 메타 구조체(206)는 Q 팩터값이 적어도 100인 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 메타 구조체(206)는 유효 유전율(ε)이 양의 값, 유효 투자율(μ)이 음의 값을 각각 가질 수 있는데, 이 경우 메타 구조체(206)가 흡수하는 주파수 대역이 공진 주파수와 상이한 것을 특징으로 한다.
반면, 메타 구조체(206)는 유효 유전율(ε) 및 유효 투자율(μ)이 모두 음의 값을 가질 수도 있는데, 이 경우에는 유전체층(202)의 배면에 상술한 복수의 단위셀에 각각 대응되는 다이폴 구조(도시 생략됨)가 형성될 수 있다.
수신 회로부(210)는 수신 공진기(200)를 통해 수신된 전력을 정류하는 정류기와, 정류기를 통해 정류된 직류전압 입력을 직류전압 출력으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.
축전기(220)는 상술한 수신 회로부(210)의 DC-DC 컨버터에서 변환된 전력을 축전하는 역할을 할 수 있다.
한편, 무선전력 수신 장치(20)는 현재 자신의 충전 상태 정보를 모니터링하고, 해당 정보를 소스 공진기(100)로 전달하도록 구현할 수 있다. 이러한 충전 상태 정보는, 예를 들면 NFC, 블루투스(bluetooth) 등의 근거리 통신 방식을 통해 전달될 수 있다.
또한, 무선전력 수신 장치(20)는 수신 공진기(200)의 충전 상태에 따라 소스 공진기(100)로부터의 전력 수신을 차단하도록 구현할 수 있다. 이를 위해서는 별도의 제어 수단이 더 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신 장치(10)와 무선전력 수신 장치(20)를 갖는 무선전력 송수신 시스템은, 메타 구조체를 소스 공진기(10) 및 수신 공진기(20)에 각각 적용함으로써, 무선전력 송수신 장치의 Q 팩터를 향상시켜 전기장 필드 또는 자기장 필드를 강화할 수 있으며, 특정 무선주파수 대역, 예컨대 NFC에 사용되는 13.56MHz 주파수 대역에서 적어도 80%의 무선전력 전송 효율을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 무선전력 송수신 시스템의 크기를 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신 장치(20)에 적용되는 수신 공진기(200)의 평면도이고, 도 4는 이러한 수신 공진기(200)의 단면도이다,
도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 유전체층(202)의 전면의 가장자리를 따라 안테나(204)가 루프 형태로 형성되며, 이러한 안테나(204)의 내측 유전체층(202)의 전면에는 다수의 메타 구조체(206)가 형성된 것을 알 수 있다.
도 3 및 도 4에서는 설명의 편의를 위해 무선전력 수신 장치(20)의 수신 공진기(200)를 예시하였으나, 무선전력 송신 장치(10)의 소스 공진기(100)에도 안테나, 메타 구조체 등이 동일하게 적용될 수 있음을 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신 장치(20)에 적용되는 수신 공진기(200)의 다른 실시예를 나타낸 평면도이고, 도 6은 도 5의 수신 공진기(200)의 단면도이다.
도 5의 실시예에 따른 수신 공진기(200)는, 평판 형상의 제1 유전체층(202)과, 제1 유전체층(202) 상에 패터닝되는 루프 형상의 안테나(204)와, 제1 유전체층(202) 상에서 안테나(204)의 내측에 마련되어 수신 공진기(200)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제1 메타 구조체(206)와, 제1 유전체층(202)의 외곽에 마련되는 제2 유전체층(202a)과, 제2 유전체층(202a) 상에 형성되어 수신 공진기(200)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제2 메타 구조체(206a)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 메타 구조체(206)와 제2 메타 구조체(206a)는 동일한 수평면상에 배치되는 것을 특징으로 하며, 이때의 제2 메타 구조체(206a)는 수신 공진기(200)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 증폭하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 5 및 도 6에서는 설명의 편의를 위해 무선전력 수신 장치(20)의 수신 공진기(200)를 예시하였으나, 무선전력 송신 장치(10)의 소스 공진기(100)에도 도 5 및 도 6과 같은 형태의 유전체층, 메타 구조체 등이 동일하게 적용될 수 있음을 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신 장치(20)에 적용되는 수신 공진기(200)의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도이고, 도 8은 도 7의 수신 공진기(200)의 단면도이며, 도 9는 도 7의 수신 공진기(200)의 사시도이다.
도 7의 실시예에 따른 수신 공진기(200)는, 평판 형상의 제1 유전체층(202)과, 제1 유전체층(202) 상에 패터닝되는 루프 형상의 안테나(204)와, 제1 유전체층(202) 상에서 안테나(204)의 내측에 마련되어 수신 공진기(200)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제1 메타 구조체(206)와, 제1 유전체층(202)의 외곽에 수직되게 마련되는 제2 유전체층(202b)과, 제2 유전체층(202b) 상에 형성되어 수신 공진기(200)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제2 메타 구조체(206b)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 메타 구조체(206)와 제2 메타 구조체(206b)는 서로 직교하는 것을 특징으로 하며, 이때의 제2 메타 구조체(206b)는 수신 공진기(200)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 집속하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 7 내지 도 9에서는 설명의 편의를 위해 무선전력 수신 장치(20)의 수신 공진기(200)를 예시하였으나, 무선전력 송신 장치(10)의 소스 공진기(100)에도 도 7 내지 도 9와 같은 형태의 유전체층, 메타 구조체 등이 동일하게 적용될 수 있음을 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신 장치(20)에 적용되는 수신 공진기(200)의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도이고, 도 11은 도 10의 수신 공진기(200)의 단면도이다.
도 10의 실시예는, 안테나(204')가 유전체층(202)의 외곽에 링(ring) 형태로 마련된 경우를 예시한 것이다.
도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 유전체층(202)의 외곽에 안테나(204 )가 링 형태로 형성되며, 나머지 메타 구조체(206)는 도 3의 실시예와 동일하게 유전체층(202)의 전면에 형성된 것을 알 수 있다.
도 10 및 도 11에서는 설명의 편의를 위해 무선전력 수신 장치(20)의 수신 공진기(200)를 예시하였으나, 무선전력 송신 장치(10)의 소스 공진기(100)에도 도 10 및 도 11과 같은 링 형태의 안테나, 메타 구조체 등이 동일하게 적용될 수 있음을 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
이와 같이 안테나(204')를 링 형태로 구현하는 경우에는, 유전체층(202) 상에 안테나를 형성하기 위한 공간을 확보할 필요가 없다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신 장치(20)에 적용되는 수신 공진기(200)의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도이고, 도 13은 도 12의 수신 공진기(200)의 단면도이다.
도 12 및 도 13에 도시한 바와 같이, 수신 공진기(200)는, 평판 형상의 제1 유전체층(202)과, 제1 유전체층(202)의 외곽에 링 형태로 마련되는 안테나(204 )와, 제1 유전체층(202) 상에 형성되어 수신 공진기(200)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제1 메타 구조체(206)와, 링 형태의 안테나(204')의 외곽에 형성되는 제2 유전체층(202a)과, 제2 유전체층(202a) 상에 형성되어 수신 공진기(200)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제2 메타 구조체(206a)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 메타 구조체(206)와 제2 메타 구조체(206a)는 동일한 수평면상에 배치되는 것을 특징으로 하며, 이때의 제2 메타 구조체(206a)는 수신 공진기(200)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 증폭하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 12 및 도 13에서는 설명의 편의를 위해 무선전력 수신 장치(20)의 수신 공진기(200)를 예시하였으나, 무선전력 송신 장치(10)의 소스 공진기(100)에도 도 12 및 도 13과 같은 형태의 유전체층, 메타 구조체 등이 동일하게 적용될 수 있음을 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신 장치(20)에 적용되는 수신 공진기(200)의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도이고, 도 15는 도 14의 수신 공진기(200)의 단면도이며, 도 16은 도 14의 수신 공진기(200)의 사시도이다.
도 14의 실시예에 따른 수신 공진기(200)는, 평판 형상의 제1 유전체층(202)과, 제1 유전체층(202)의 외곽에 형성되는 링 형태의 안테나(204')와, 제1 유전체층(202) 상에 형성되어 수신 공진기(200)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제1 메타 구조체(206)와, 링 형태의 안테나(204')의 외곽에 수직되게 마련되는 제2 유전체층(202b)과, 제2 유전체층(202b) 상에 형성되어 수신 공진기(200)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제2 메타 구조체(206b)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 메타 구조체(206)와 제2 메타 구조체(206b)는 서로 직교하는 것을 특징으로 하며, 이때의 제2 메타 구조체(206b)는 수신 공진기(200)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 집속하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 14 내지 도 16에서는 설명의 편의를 위해 무선전력 수신 장치(20)의 수신 공진기(200)를 예시하였으나, 무선전력 송신 장치(10)의 소스 공진기(100)에도 도 14 내지 도 16과 같은 형태의 유전체층, 메타 구조체 등이 동일하게 적용될 수 있음을 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송수신 단말에 대한 전체 구성도로서, 송수신 공진기(300), 전원부(308), 송신 회로부(310), 수신 회로부(312), 축전기(314), 스위칭부(316), 제어 회로부(318) 등을 포함할 수 있다.
도 17의 실시예에 따른 무선전력 송수신 단말은 임의의 단말, 예를 들어 스마트폰(smart-phone) 내에 무선전력을 송신하는 기능과 무선전력을 수신하는 기능을 동시에 포함시키고, 이들 기능을 택일적으로 수행하도록 한 것을 특징으로 한다.
도 17에 도시한 바와 같이, 송수신 공진기(300)는 전원 또는 외부 단말의 공진기(도시 생략됨)에 커플링되어 외부 단말과 전력을 송수신하는 역할을 하며, 평판 형상의 유전체층(302)과, 평판 형상의 유전체층(302) 상에 패터닝되는 루프 형상의 안테나(304)와, 안테나(304)의 내측에 마련되어 송수신 공진기(300)에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 메타 구조체(306) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 메타 구조체(306)는 안테나(304)와 물리적으로 이격되며, 유전체층(302) 상에 패터닝되는 적어도 하나 이상의 메타 패턴층, 예컨대 DHMR 구조를 갖는 복수의 단위셀을 갖는 메타 패턴층을 포함할 수 있다. 또한, 메타 구조체(306)는 Q 팩터값이 적어도 100인 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 메타 구조체(306)는 유효 유전율(ε)이 양의 값, 유효 투자율(μ)이 음의 값을 각각 가질 수 있는데, 이 경우 메타 구조체(306)가 흡수하는 주파수 대역이 공진 주파수와 상이한 것을 특징으로 한다.
반면, 메타 구조체(106)는 유효 유전율(ε) 및 유효 투자율(μ)이 모두 음의 값을 가질 수도 있는데, 이 경우에는 유전체층(302)의 배면에 상술한 복수의 단위셀에 각각 대응되는 다이폴 구조(도시 생략됨)가 형성될 수 있다.
전원부(308)는 무선전력 송수신 단말에 전원을 공급하는 역할을 할 수 있다.
송신 회로부(310)는 전원부(308)의 직류제어전압을 변화시켜 출력 발진 주파수를 제어하는 전압 제어 발진기와, 이러한 전압 제어 발진기를 통해 제어된 교류신호를 증폭하는 증폭기를 포함할 수 있다.
이때, 증폭기는, 예를 들어 적응형 바이어스 회로를 포함할 수 있으며, 이러한 적응형 바이어스 회로는 송수신 공진기(300)로부터 충전 상태 정보를 수신하여 전력 충전을 차단하는 기능을 할 수 있다.
수신 회로부(312)는 송수신 공진기(300)를 통해 수신된 전력을 정류하는 정류기와, 정류기를 통해 정류된 직류전압 입력을 직류전압 출력으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.
축전기(314)는 상술한 수신 회로부(312)의 DC-DC 컨버터에서 변환된 전력을 축전하는 역할을 할 수 있다.
스위칭부(316)는 후술하는 제어 회로부(318)의 제어에 의해 송수신 공진기(300) 사이에서 송신 회로부(310)와 수신 회로부(312)를 선택적으로 스위칭하는 역할을 할 수 있다.
즉, 스위칭부(316)는 무선전력 송수신 단말이 송신 모드일 경우에 송신 회로부(310)로 스위칭되어 무선전력 송수신 단말이 전력을 무선 송신할 수 있게 하고, 무선전력 송수신 단말이 수신 모드일 경우에 수신 회로부(312)로 스위칭되어 무선전력 송수신 단말이 전력을 무선 수신할 수 있게 구현할 수 있다. 이러한 스위칭 모드의 구현은 사용자 인터페이스에 의해 무선전력 송수신 단말이 조작될 수 있으며, 송신 전력을 위한 신호 또는 수신 전력을 위한 신호가 무선전력 송수신 단말에 인가될 때 자동으로 모드 변경이 되도록 구현될 수 있음을 주지할 필요가 있다.
제어 회로부(318)는 상술한 스위칭부(316)의 스위칭 동작을 제어하는 역할을 할 수 있다.
또한, 제어 회로부(318)는 수신 회로부(312)로부터 충전 상태 정보를 수신하여 전력 충전을 차단하는 역할을 할 수 있다. 즉, 제어 회로부(318)는 수신 회로부(312)의 충전 상태 정보를 모니터링하고, 해당 정보를 수신 회로부(312)의 충전 상태에 따라 전력 충전을 차단하도록 구현할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 메타 구조체를 무선전력 송수신 기술에 적용함으로써, 무선전력 송수신 장치의 Q 팩터를 향상시켜 전기장 필드 또는 자기장 필드를 강화하고, 특정 무선주파수 대역, 예컨대 NFC에 사용되는 13.56MHz 주파수 대역에서 적어도 80%의 무선전력 전송 효율을 확보할 수 있으며, 무선전력 송수신 단말의 사이즈 리덕션을 구현한 것이다.
10: 무선전력 송신 장치
100: 소스 공진기
102, 202, 302: 유전체층
104, 204, 304: 안테나
106, 206, 306: 메타 구조체
110: 송신 회로부
120: 전원부
20: 무선전력 수신 장치
200: 수신 공진기
210: 수신 회로부
220: 충전기
300: 송수신 공진기
308: 전원부
310: 송신 회로부
312: 수신 회로부
314: 충전기
318: 제어 회로부
100: 소스 공진기
102, 202, 302: 유전체층
104, 204, 304: 안테나
106, 206, 306: 메타 구조체
110: 송신 회로부
120: 전원부
20: 무선전력 수신 장치
200: 수신 공진기
210: 수신 회로부
220: 충전기
300: 송수신 공진기
308: 전원부
310: 송신 회로부
312: 수신 회로부
314: 충전기
318: 제어 회로부
Claims (31)
- 소스 공진기에 커플링되어 상기 소스 공진기로부터 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하되,
상기 수신 공진기는,
평판 형상의 유전체층과,
상기 유전체층 상에 루프 형상으로 패터닝되거나, 상기 유전체층의 외곽에 링 형태로 마련되는 안테나와,
상기 안테나의 내측에서 물리적으로 이격되도록 상기 유전체층 상에 형성되어 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 메타 구조체를 포함하는
무선전력 수신 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 메타 구조체는, 적어도 하나 이상의 메타 패턴층을 포함하는
무선전력 수신 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 메타 구조체는, 유효 유전율이 양의 값, 유효 투자율이 음의 값을 각각 가지며, 상기 메타 구조체가 흡수하는 주파수 대역이 공진 주파수와 상이한 것을 특징으로 하는
무선전력 수신 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 메타 구조체는, DHMR(Double H-shape Metamaterial Resonator) 구조를 갖는 복수의 단위셀을 포함하는
무선전력 수신 장치.
- 제 4 항에 있어서,
상기 메타 구조체는, 유효 유전율 및 유효 투자율이 음의 값을 갖는
무선전력 수신 장치.
- 제 5 항에 있어서,
상기 유전체층은, 상기 복수의 단위셀에 각각 대응되도록 패터닝면의 배면에 형성되는 다이폴 구조를 포함하는
무선전력 수신 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 메타 구조체는, Q 팩터값이 적어도 100인 것을 특징으로 하는
무선전력 수신 장치.
- 소스 공진기에 커플링되어 상기 소스 공진기로부터 전력을 수신하는 수신 공진기를 포함하되,
상기 수신 공진기는,
평판 형상의 제1 유전체층과,
상기 제1 유전체층 상에 루프 형상으로 패터닝되거나, 상기 제1 유전체층의 외곽에 링 형태로 마련되는 안테나와,
상기 제1 유전체층 상에서 상기 안테나의 내측에 형성되어 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제1 메타 구조체와,
상기 제1 유전체층의 외곽에 마련되는 제2 유전체층과,
상기 제2 유전체층 상에 형성되어 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 제2 메타 구조체를 포함하는
무선전력 수신 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제2 메타 구조체는, 상기 제1 메타 구조체와 동일한 수평면상에 배치되는
무선전력 수신 장치.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제2 메타 구조체는, 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 증폭하는 것을 특징으로 하는
무선전력 수신 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제2 메타 구조체는, 상기 제1 메타 구조체와 서로 직교하는
무선전력 수신 장치.
- 제 11 항에 있어서,
상기 제2 메타 구조체는, 상기 수신 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 집속하는 것을 특징으로 하는
무선전력 수신 장치.
- 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 무선전력 수신 장치는,
상기 수신 공진기에서 수신된 전력을 정류하는 정류기와,
상기 정류기를 통해 정류된 직류전압 입력을 직류전압 출력으로 변환하는 DC-DC 컨버터와,
상기 DC-DC 컨버터에서 변환된 전력을 축전하는 축전기를 더 포함하는
무선전력 수신 장치.
- 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 무선전력 수신 장치는,
상기 수신 공진기의 충전 상태 정보를 상기 소스 공진기로 전달하는 수단을 더 포함하는
무선전력 수신 장치. - 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 무선전력 수신 장치는,
상기 수신 공진기의 충전 상태에 따라 상기 소스 공진기로부터의 전력 수신을 차단하는 수단을 더 포함하는
무선전력 수신 장치.
- 전원에 커플링되는 소스 공진기를 포함하되,
상기 소스 공진기는,
평판 형상의 유전체층과,
상기 평판 형상의 유전체층 상에 패터닝되는 루프 형상의 안테나와,
상기 안테나의 내측에 마련되어 상기 소스 공진기에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 메타 구조체를 포함하는
무선전력 송신 장치.
- 제 16 에 있어서,
상기 무선전력 송신 장치는,
상기 전원의 직류제어전압을 변화시켜 출력 발진 주파수를 제어하는 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator, VCO)와,
상기 전압 제어 발진기를 통해 제어된 교류신호를 증폭하는 증폭기를 더 포함하는
무선전력 송신 장치.
- 제 17 항에 있어서,
상기 증폭기는, 적응형 바이어스 회로(adaptive bias circuit)를 포함하는
무선전력 송신 장치.
- 제 18 항에 있어서,
상기 적응형 바이어스 회로는, 수신 공진기로부터 충전 상태 정보를 수신하여 전력 충전을 차단하는 수단을 더 포함하는
무선전력 송신 장치.
- 전원 또는 외부 단말의 공진기에 커플링되어 상기 외부 단말과 전력을 송수신하는 공진기를 포함하되,
상기 공진기는,
평판 형상의 유전체층과,
상기 평판 형상의 유전체층 상에 패터닝되는 루프 형상의 안테나층과,
상기 안테나층의 내측에 마련되어 상기 안테나층에 형성되는 전기장 및 자기장 중 적어도 어느 하나의 필드를 강화하는 메타 구조체를 포함하는
무선전력 송수신 단말.
- 제 20 항에 있어서,
상기 메타 구조체는, 상기 안테나층과 물리적으로 이격되며, 상기 유전체층 상에 패터닝되는
무선전력 송수신 단말.
- 제 20 항에 있어서,
상기 메타 구조체는, 적어도 하나 이상의 메타 패턴층을 포함하는
무선전력 송수신 단말.
- 제 20 항에 있어서,
상기 메타 구조체는, 유효 유전율이 양의 값, 유효 투자율이 음의 값을 가지며, 상기 메타 구조체가 흡수하는 주파수 대역이 공진 주파수와 상이한 것을 특징으로 하는
무선전력 송수신 단말.
- 제 20 항에 있어서,
상기 메타 구조체는, DHMR 구조를 갖는 복수의 단위셀을 포함하는
무선전력 송수신 단말.
- 제 24 항에 있어서,
상기 메타 구조체는, 유효 유전율 및 유효 투자율이 음의 값을 갖는
무선전력 송수신 단말.
- 제 25 항에 있어서,
상기 유전체층은, 상기 복수의 단위셀에 각각 대응되도록 패터닝면의 배면에 형성되는 다이폴 구조를 포함하는
무선전력 송수신 단말.
- 제 20 항에 있어서,
상기 메타 구조체는, Q팩터값이 100 이상인 것을 특징으로 하는
무선전력 송수신 단말.
- 제 20 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 무선전력 송수신 단말은,
상기 전원의 직류제어전압을 변환 및 증폭하는 송신 회로부와,
상기 공진기를 통해 수신된 전력을 정류하는 수신 회로부와,
상기 송신 회로부 또는 상기 수신 회로부를 상기 공진기에 선택적으로 스위칭시키는 스위칭부와,
상기 스위칭부를 제어하며, 상기 수신 회로부로부터 충전 상태 정보를 수신하여 전력 충전을 차단하는 제어 회로부를 더 포함하는
무선전력 송수신 단말.
- 제 28 항에 있어서,
상기 송신 회로부는,
상기 전원의 직류제어전압을 변화시켜 출력 발진 주파수를 제어하는 전압 제어 발진기와,
상기 전압 제어 발진기를 통해 제어된 교류신호를 증폭하는 증폭기를 포함하는
무선전력 송수신 단말.
- 제 29 항에 있어서,
상기 증폭기는, 적응형 바이어스 회로를 포함하는
무선전력 송수신 단말.
- 제 28 항에 있어서,
상기 수신 회로부는,
상기 공진기에서 수신된 전력을 정류하는 정류기와,
상기 정류기를 통해 정류된 직류전압 입력을 직류전압 출력으로 변환하는 DC-DC 컨버터와,
상기 DC-DC 컨버터에서 변환된 전력을 축전하는 축전기를 포함하는
무선전력 송수신 단말.
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|---|---|---|---|
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