KR20140142875A - Pcb의 캐비티 공진을 이용한 무선 전력 송수신기 및 이의 제작 방법 - Google Patents

Pcb의 캐비티 공진을 이용한 무선 전력 송수신기 및 이의 제작 방법 Download PDF

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Abstract

무선 전력 송신기는 파워 기판, 그라운드 기판, 연결부를 포함한다. 파워 기판은 전력을 공급 받는다. 그라운드 기판은 접지 전압과 연결되며, 파워 기판과 대향하게 배치된다. 연결부는 파워 기판과 그라운드 기판 사이를 연결하며 내부에 유전체를 갖는다. 파워 기판과 그라운드 기판 사이의 캐비티 공진에 기초하여 전력을 무선으로 외부로 송신한다. 캐비티 공진을 이용한 무선 전력 송신기를 사용하게 되면 PCB 기판 자체의 캐비티 공진을 이용하게 되므로 기판의 크기와 모양이 정해지면 캐비티 공진 주파수는 정해지게 되므로 외부적인 요인에 의하여 공진점이 변경되는 등의 문제는 발생하지 않고 전송 효율 향상할 수 있다.

Description

PCB의 캐비티 공진을 이용한 무선 전력 송수신기 및 이의 제작 방법{WIRELESS POWER TRANSMITTER AND RECIEVER USING CAVITY RESONANCE OF PCB AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 무선 전력 전송에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 PCB의 캐비티 공진을 이용한 무선 전력 송수신기 및 이의 제작 방법에 관한 것이다.
본 발명은 교육과학기술부 및 한국연구재단의 국가연구개발사업의 일환으로 한국과학기술원이 주관기관인 과제고유번호: 2010-0029179, 연구사업명: 기초연구사업, 연구과제명: "자기장 공진기반 무선에너지 전송 기술" 및 지식경제부 및 한국산업기술평가관리원의 국가연구개발사업의 일환으로 한국과학기술원이 주관기관인 과제고유번호: KI002134, 연구사업명: 산업원천기술개발사업, 연구과제명: "웨이퍼레벨 3차원 IC 설계 및 집적기술"에 관한 것이다.
무선 전력 전송을 위한 구조에는 인덕턴스 성분으로 활용하기 위한 코일의 설계가 필수적이다. 코일은 실제 회로 설계에 있어서 많은 공간을 차지하게 된다. 코일은 무선 전력 전송을 위해 송신단과 수신단 모두에 사용되는데, 외부적 요소 즉, 송수신단에 연결되는 회로, 코일간의 거리 등에 의해 두 코일의 공진점이 변경될 수 있고 전송 효율이 감소하는 원인이 된다. 무선 전력 전송에 있어서 전송 효율을 높일 수 있는 많은 연구가 이루어지고 있으며 무선 전력 전송에서 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 여러 방법들이 시도되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 무선 전력 전송의 효율을 높일 수 있는 PCB의 캐비티 공진을 이용한 무선 전력 송신기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 무선 전력 전송의 효율을 높일 수 있는 PCB의 캐비티 공진을 이용한 무선 전력 수신기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 무선 전력 전송의 효율을 높일 수 있는 PCB의 캐비티 공진을 이용한 무선 전력 송수신 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 무선 전력 전송의 효율을 높일 수 있는 PCB의 캐비티 공진을 이용한 무선 전력 송신기 제작 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 무선 전력 전송의 효율을 높일 수 있는 PCB의 캐비티 공진을 이용한 무선 전력 수신기 제작 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 송신기는 파워 기판, 그라운드 기판, 연결부를 포함한다. 상기 파워 기판은 전력을 공급 받는다. 상기 그라운드 기판은 접지 전압과 연결되며, 상기 파워 기판과 대향하게 배치된다. 상기 연결부는 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이를 연결하며 내부에 유전체를 갖는다. 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이의 캐비티 공진에 기초하여 상기 전력을 무선으로 외부로 송신한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전력의 주파수는 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 크기에 따라 결정될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판이 직사각형인 경우, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 제1방향의 제1 변과 상기 제1 방향에 수직이며 상기 제1 변보다 작은 제2 변 중 상기 제1 방향의 제1 변 길이에만 기초하여 상기 전력의 주파수와 캐비티 공진 주파수가 일치될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 제2 변의 길이에만 기초하여 상기 전력의 주파수와 상기 캐비티 공진 주파수가 일치될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전력의 전송 효율은 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이의 간격에 따라 결정될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 유전체의 유전물질은 에프알포(FR4)일 수 있다.
상기한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 파워 기판, 그라운드 기판, 연결부를 포함한다. 상기 파워 기판은 전력을 수신한다. 상기 그라운드 기판은 접지 전압과 연결되며, 상기 파워 기판과 대향하게 배치된다. 상기 연결부는 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이를 연결하며 내부에 유전체를 갖는다. 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이의 캐비티 공진에 기초하여 상기 전력을 무선으로 수신한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판이 직사각형인 경우, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 제1방향의 제1 변과 상기 제1 방향에 수직이며 상기 제1 변보다 작은 제2 변 중 상기 제1 방향의 제1 변 길이에만 기초하여 상기 전력의 주파수와 상기 캐비티 공진 주파수가 일치되고, 상기 전력의 전송 효율은 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이의 간격에 따라 결정될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 제2 변의 길이에만 기초하여 상기 전력의 주파수와 캐비티 공진 주파수가 일치되고, 상기 전력의 전송 효율은 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이의 간격에 따라 결정될 수 있다.
상기한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템은 제1 파워 기판, 제1 그라운드 기판, 제1 연결부, 제2 파워 기판, 제2 그라운드 기판, 제2 연결부를 포함한다. 상기 제1 파워 기판은 전력을 공급 받는다. 상기 제1 그라운드 기판은 접지 전압과 연결되며, 상기 제1 파워 기판과 대향하게 배치된다. 상기 제1 연결부는 상기 제1 파워 기판과 상기 제1 그라운드 기판 사이를 연결하며 내부에 유전체를 갖는다. 상기 제2 파워 기판은 전달 전력을 수신한다. 상기 제2 그라운드 기판은 상기 접지 전압과 연결되며, 상기 제2 파워 기판과 대향하게 배치된다. 상기 제2 연결부는 상기 제2 파워 기판과 상기 제2 그라운드 기판 사이를 연결하며 내부에 유전체를 갖는다. 상기 제1파워 기판과 상기 제2 그라운드 기판 사이의 캐비티 공진에 기초하여 상기 전달 전력을 무선으로 외부에 송신하고, 상기 제2 파워 기판과 상기 제2 그라운드 기판 사이의 상기 캐비티 공진에 기초하여 상기 전달 전력을 무선으로 수신한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 및 상기 제2 파워 기판과 상기 제1 및 상기 제2 그라운드 기판이 직사각형인 경우, 상기 제1 및 상기 제2 파워 기판과 상기 제1 및 상기 제2 그라운드 기판의 제1 방향의 제1 변과 상기 제1 방향에 수직이며 상기 제1 변보다 작은 제2 변 중 제1방향의 제1 변 길이에만 기초하여 상기 전달 전력의 주파수와 캐비티 공진 주파수가 일치될 수 있다.
상기한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 송신기 제작 방법은 전송되는 전력의 주파수를 측정하는 단계, 상기 전송되는 전력의 주파수와 캐비티 공진 주파수가 일치하도록 파워 기판과 그라운드 기판의 크기를 결정하는 단계 및 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이를 연결부로 결합하는 단계를 포함한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 크기를 결정하는 단계는 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판이 직사각형인 경우, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 제1방향의 제1 변과 상기 제1 방향에 수직이며 상기 제1 변보다 작은 제2 변 중 상기 제1 방향의 제1 변 길이만을 조절하여 수행할 수 있다.
상기한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 수신기 제작 방법은 수신되는 전력의 주파수를 측정하는 단계, 상기 수신되는 전력의 주파수와 캐비티 공진 주파수가 일치하도록 파워 기판과 그라운드 기판의 크기를 결정하는 단계 및 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이를 연결부로 결합하는 단계를 포함한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 크기를 결정하는 단계는 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판이 직사각형인 경우, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 제1방향의 제1 변과 상기 제1 방향에 수직이며 상기 제1 변보다 작은 제2 변 중 상기 제1 방향의 제1 변 길이만을 조절하여 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 송신기를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 수신기를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 송신기 제작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 수신기 제작 방법을 나타내는 순서도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 송신기를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 송신기(10)는 파워 기판(100), 그라운드 기판(200), 연결부(300)를 포함한다. 파워 기판(100)은 전력(PWR)을 공급 받는다. 그라운드 기판(200)은 접지 전압과 연결되며, 파워 기판(100)과 대향하게 배치된다. 연결부(300)는 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200) 사이를 연결하며 내부에 유전체를 갖는다. 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200) 사이의 캐비티 공진(CR, cavity resonance)에 기초하여 전력(PWR)을 무선으로 외부로 송신한다. 캐비티 공진(CR)은 도체 벽에 감싸인 공동에 의한 전자파의 공진을 의미한다. 캐비티 공진(CR)에 있어서 캐비티 공진 주파수(CRF, cavity resonance frequency)는 공동의 모양과 크기에 따라 규정 되는데, 도전재료로 공동벽을 만들면 방사 손실(radiation loss)이 없으므로 Q는 크고 날카로운 공진 특성을 얻을 수 있다. 일반적으로 무선 전력 전송(WPT, wireless power transfer)을 위한 구조에는 필수적으로 인덕턴스 성분으로 사용하기 위한 코일의 설계가 필요하다. 코일은 실제 설계에 있어서 많은 공간을 차지하므로 회로 설계 시 코일의 부가는 공간적 부담으로 작용한다. 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 송신기(10)를 사용하게 되면 PCB기판의 캐비티 공진(CR)을 이용하여 무선 전력 전송(WPT)이 가능하게 되므로 일반적인 무선 전력 전송(WPT) 구조에서의 코일을 제거할 수 있고 회로 설계시 부가 회로를 추가할 수 있는 공간을 확보할 수 있다. 또한 코일을 이용한 일반적인 무선 전력 전송(WPT) 방식에 따르면 송수신단에 연결되는 회로, 코일간의 거리 등의 외부적인 요소에 의하여 공진점이 변경될 수 있고 무선 전력 전송(WPT)에 있어서, 전송 효율이 감소하는 원인이 된다. 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 송신기(10)를 사용하게 되면 PCB 기판 자체의 캐비티 공진(CR)을 이용하게 되므로 기판의 크기와 모양이 정해지면 캐비티 공진 주파수(CRF, cavity resonance frequency)는 정해지게 되므로 외부적인 요인에 의하여 공진점이 변경되는 등의 문제는 발생하지 않고 전송 효율 감소 원인을 제거할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 전력의 주파수(PF, power frequency)는 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 크기에 따라 결정될 수 있다. 캐비티 공진(CR)을 이용하여 무선 전력(PWR)을 전송하기 위해서는 전송 전력의 주파수(PF) 와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치하여야 전송 효율이 높아진다.
[수학식 1]
Figure pat00001

캐비티 공진 주파수(CRF)는 기판의 모양과 크기에 의하여 결정되는데 수식으로 표현하면 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. 수학식 1은 기판의 모양이 직사각형인 경우에 적용될 수 있다. C는 3*10^8의 값을 갖는 빛 속도 상수, Er은 연결부(300)에 포함되는 유전체의 비유전율(relative permittivity), m,n은 전송 가능한 파장의 길이와 관계되는 것으로 자연수를 의미한다. 수학식 1과 도 1을 참조하면, 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 제1방향의 제1 변의 길이를 a라 하고 제1 방향에 수직이며 제1 변보다 작은 제2 변의 길이를 b라고 하였을 경우, 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 제1 방향의 제1변의 길이(a)와 제2 변의 길이(b)가 길어질수록 캐비티 공진(CR)에 있어서의 캐비티 공진 주파수(CRF)는 작아지게 되어 저주파 전력(PWR)을 전송하기에 적합한 구조가 된다. 반면에 제1 변의 길이(a)와 제2 변의 길이(b)가 작아질수록 캐비티 공진 주파수(CRF)는 커지게 되어 고주파 전력(PWR)을 전송하기에 적합하다. 기판의 모양과 크기가 결정되면 무선 전송 가능한 전력의 주파수(PF)가 결정된다.
예시적인 실시예에 있어서, 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)이 직사각형인 경우, 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 제1방향의 제1 변과 제1 방향에 수직이며 제1 변보다 작은 제2 변 중 제1 방향의 제1 변 길이(a)에만 기초하여 전력의 주파수(PF)와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 제2 변의 길이(b)에만 기초하여 전력의 주파수(PF)와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치될 수 있다. 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 형태는 다양할 수 있다. 예를 들어 기판의 형태가 직사각형인 경우 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 제1방향의 제1 변의 길이를 a라 하고 제1 방향에 수직이며 제1 변보다 작은 제2 변의 길이를 b라고 하면 수학식 1을 통해서 알 수 있듯이 제1 방향의 제1 변의 길이(a)와 제2 변의 길이(b) 모두를 조절하여 무선 전송하려는 전력의 주파수(PF)와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치될 수도 있고, 제1 방향의 제1 변의 길이(a)만 또는 제2 변의 길이(b)만을 각각 조절하여 전력의 주파수(PF)와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치 될 수 있다. 회로의 설계에 있어서 공간적인 제약이 따를 수 있고, 공간의 제약으로 인해 제1 방향의 제1변의 길이(a)만 또는 제2변의 길이(b)만을 증가할 수 밖에 없는 경우에 적용될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 전력의 전송 효율은 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200) 사이의 간격에 따라 결정될 수 있다. 무선 전력 전송(WPT)에 있어서 전송 효율은 기판간의 간격에 의하여 달라진다. 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200) 사이의 간격이 커지게 되면 전송 효율은 감소하게 되고 간격이 작아지면 전송효율은 상승하게 된다.
예시적인 실시예에 있어서, 유전체의 유전물질은 에프알포(FR4)일 수 있다. 연결부(300)는 유전물질을 포함하는 유전체로 구성되는데, 유전체로 사용되는 대표적인 유전물질로 에프알포가 있다. FR4의 비유전율은 4.3이다. 비유전율은 공기를 1로 놓았을 때 공기의 유전율에 대비한 각 유전체의 유전율을 의미한다. 유전율은 유전체 즉 부도체의 전기적인 특성을 나타내는 특성값으로서 교류 전자기파의 특성과 직접적인 관련이 있다. 외부의 전자기적 간섭이 없는 경우 유전체 내의 모멘트 성분은 자유롭게 배치되어 있다. 외부에서 전자계에 의한 교류 변화가 유전체에 전달되면 전자계의 교류 변화에 맞추어 유전체 내의 모멘트 성분은 전자계의 변화 방향에 맞추어 변함으로써 유전체 내에서도 전자기파의 진행을 가능하게 한다. 외부의 전자계의 변화에 대하여 물질 내부의 모멘트가 얼마나 민감하게 잘 반응하여 움직이는 지의 정도를 유전율로 표시할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 수신기를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 수신기(20)는 파워 기판(100), 그라운드 기판(200), 연결부(300)를 포함한다. 파워 기판(100)은 전력(PWR)을 수신한다. 그라운드 기판(200)은 접지 전압과 연결되며, 파워 기판(100)과 대향하게 배치된다. 연결부(300)는 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200) 사이를 연결하며 내부에 유전체를 갖는다. 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200) 사이의 캐비티 공진에 기초하여 전력(PWR)을 무선으로 수신한다. 무선 전력 송신기(10)와 무선 전력 수신기(20)는 모두 캐비티 공진(CR)을 이용하여 전력(PWR)을 송신하고 수신한다는 부분만 다를 뿐 무선 전력 송신기(10)와 수신기의 구조는 동일하다. 캐비티 공진(CR)에 있어서 공진 주파수는 공동의 모양과 크기에 따라 결정된다. 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 수신기(20)를 사용하게 되면 PCB기판의 캐비티 공진(CR)을 이용하여 무선 전력 수신이 가능하게 되므로 일반적인 무선 전력 수신 구조에서의 코일을 제거할 수 있다. 또한 무선 전력 수신기(20)를 사용하게 되면 PCB 기판 자체의 캐비티 공진(CR)을 이용하게 되므로 기판의 크기와 모양이 정해지면 캐비티 공진 주파수(CRF)는 정해지게 되므로 외부적인 요인에 의하여 공진점이 변경되는 등의 문제는 발생하지 않고 전송 효율을 높일 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)이 직사각형인 경우, 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 제1방향의 제1 변과 제1 방향에 수직이며 제1 변보다 작은 제2 변 중 제1 방향의 제1 변 길이(a)에만 기초하여 전력의 주파수(PF)와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치되고, 전력의 전송 효율은 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200) 사이의 간격에 따라 결정될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 제2 변의 길이(b)에만 기초하여 전력의 주파수(PF)와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치되고, 전력의 전송 효율은 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200) 사이의 간격에 따라 결정될 수 있다. 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 형태는 다양할 수 있다. 예를 들어 기판의 형태가 직사각형인 경우 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 제1방향의 제1 변의 길이를 a라 하고 제1 방향에 수직이며 제1 변보다 작은 제2 변의 길이를 b라고 하면, 제1 방향의 제1 변의 길이(a)만 또는 제2 변의 길이(b)만을 각각 조절하여 전력의 주파수(PF)와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치 될 수 있다. 회로의 설계에 있어서 공간적인 제약이 따를 수 있고, 공간의 제약으로 인해 제1 방향의 제1변의 길이(a)만 또는 제2변의 길이(b)만을 증가할 수 밖에 없는 경우에 적용될 수 있다. 무선 전력 전송(WPT)에 있어서 전송 효율은 기판간의 간격에 의하여 달라진다. 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200) 사이의 간격이 커지게 되면 전송 효율은 감소하게 되고 간격이 작아지면 전송 효율은 상승하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 송수신 시스템(30)은 제1 파워 기판(400), 제1 그라운드 기판(600), 제1 연결부(500), 제2 파워 기판(700), 제2 그라운드 기판(900), 제2 연결부(800)를 포함한다. 제1 파워 기판(400)은 전력(PWR)을 공급 받는다. 제1 그라운드 기판(600)은 접지 전압과 연결되며, 제1 파워 기판(400)과 대향하게 배치된다. 제1 연결부(500)는 제1 파워 기판(400)과 제1 그라운드 기판(600) 사이를 연결하며 내부에 유전체를 갖는다. 제2 파워 기판(700)은 전달 전력(PT)을 수신한다. 제2 그라운드 기판(900)은 접지 전압과 연결되며, 제2 파워 기판(700)과 대향하게 배치된다. 제2 연결부(800)는 제2 파워 기판(700)과 제2 그라운드 기판(900) 사이를 연결하며 내부에 유전체를 갖는다. 제1파워 기판과 제2 그라운드 기판(900) 사이의 캐비티 공진(CR)에 기초하여 전달 전력(PT)을 무선으로 외부에 송신하고, 제2 파워 기판(700)과 제2 그라운드 기판(900) 사이의 캐비티 공진(CR)에 기초하여 전달 전력(PT)을 무선으로 수신한다. 무선 전력 송신기(10)가 캐비티 공진(CR)을 기초하여 전달 전력(PT)을 송신하고 무선 전력 수신기(20)는 캐비티 공진(CR)에 기초하여 전달 전력(PT)을 수신한다. 무선 전력 송신기(10)와 수신기(20)의 구조는 동일하다. 캐비티 공진(CR)에 있어서 공진 주파수는 공동의 모양과 크기에 따라 결정된다. 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 수신기(20)를 사용하게 되면 PCB기판의 캐비티 공진(CR)을 이용하여 무선 전력 수신이 가능하게 되므로 일반적인 무선 전력 수신 구조에서의 코일을 제거할 수 있다. 또한 PCB 기판 자체의 캐비티 공진(CR)을 이용하게 되므로 기판의 크기와 모양이 정해지면 캐비티 공진 주파수(CRF)는 정해지게 되므로 외부적인 요인에 의하여 공진점이 변경되는 등의 문제는 발생하지 않고 전송 효율 감소 원인을 제거할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 제1 및 제2 파워 기판(400,700)과 제1 및 제2 그라운드 기판(600,900)이 직사각형인 경우, 제1 및 제2 파워 기판(400,700)과 제1 및 제2 그라운드 기판(600,900)의 제1 방향의 제1 변과 제1 방향에 수직이며 제1 변보다 작은 제2 변 중 제1방향의 제1 변 길이에만 기초하여 전달 전력의 주파수(PF)와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치될 수 있다. 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 형태는 다양할 수 있다. 예를 들어 기판의 형태가 직사각형인 경우 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 제1방향의 제1 변의 길이를 a라 하고 제1 방향에 수직이며 제1 변보다 작은 제2 변의 길이를 b라고 하면 수학식 1 통해서 알 수 있듯이 제1 방향의 제1 변의 길이(a)와 제2 변의 길이(b) 모두를 조절하여 무선 전송하려는 전력의 주파수(PF)와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치될 수도 있고, 제1 방향의 제1 변의 길이(a)만을 조절하여 전력의 주파수(PF)와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치 될 수 있다. 회로의 설계에 있어서 공간적인 제약이 따를 수 있고, 공간의 제약으로 인해 제1 방향의 제1변의 길이만을 증가할 수 밖에 없는 경우에 적용될 수 있다. 무선 전력 전송(WPT)에 있어서 전송 효율은 기판간의 간격에 의하여 달라진다. 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200) 사이의 간격이 커지게 되면 전송 효율은 감소하게 되고 간격이 작아지면 전송효율은 상승하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 송신기 제작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 송신기 제작하기 위해서 전송되는 전력의 주파수(PF)를 측정한다(단계 S1000). 전송되는 전력의 주파수(PF)와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치하도록 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 크기를 결정한다(단계 S1100). 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200) 사이를 연결부(300)로 결합한다(단계 S1200). 무선 전력 송신기(10)를 제작하기 위하여 전송하고자 하는 전력의 주파수(PF)를 알아야 한다. 전송 전력의 주파수(PF)가 특정되면 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 크기를 조절하여 무선 전송 전력의 주파수(PF)와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 크기를 결정하는 단계는 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)이 직사각형인 경우, 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 제1방향의 제1 변과 제1 방향에 수직이며 제1 변보다 작은 제2 변 중 제1 방향의 제1 변 길이만을 조절하여 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 수신기 제작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 무선 전력 수신기 제작하기 위해서 수신되는 전력의 주파수(PF)를 측정한다(단계 S2000). 수신되는 전력의 주파수(PF)와 캐비티 공진 주파수(CRF)가 일치하도록 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 크기를 결정한다(단계 S2100). 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200) 사이를 연결부(300)로 결합한다(단계 S2200).
예시적인 실시예에 있어서, 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 크기를 결정하는 단계는 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)이 직사각형인 경우, 파워 기판(100)과 그라운드 기판(200)의 제1방향의 제1 변과 제1 방향에 수직이며 제1 변보다 작은 제2 변 중 제1 방향의 제1 변 길이만을 조절하여 수행할 수 있다. 캐비티 공진(CR)은 도체 벽에 감싸인 공동에 의한 전자파의 공진을 의미한다. 캐비티 공진(CR)에 있어서 공진 주파수는 공동의 모양과 크기에 따라 규정 되는데, 도전재료로 공동벽을 만들면 방사 손실(radiation loss)이 없으므로 Q는 크고 날카로운 공진 특성을 얻을 수 있다. 일반적으로 무선 전력 전송(WPT)을 위한 구조에는 필수적으로 인덕턴스 성분으로 사용하기 위한 코일의 설계가 필요하다. 코일은 실제 설계에 있어서 많은 공간을 차지하므로 회로 설계에 있어서 코일의 부가는 공간적 부담으로 작용한다. 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 송수신기를 사용하게 되면 PCB기판의 캐비티 공진(CR)을 이용하여 무선 전력 송수신이 가능하게 되므로 일반적인 무선 전력 송수신 구조에서의 코일을 제거할 수 있다. 또한 코일을 이용한 일반적인 무선 전력 전송(WPT) 방식에 따르면 송수신단에 연결되는 회로, 코일간의 거리 등의 외부적인 요소에 의하여 공진점이 변경될 수 있고 무선 전력 전송(WPT)에 있어서, 전송 효율이 감소하는 원인이 된다. 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 송수신기를 사용하게 되면 PCB 기판 자체의 캐비티 공진(CR)을 이용하게 되므로 기판의 크기와 모양이 정해지면 캐비티 공진 주파수(CRF)는 정해지게 되므로 외부적인 요인에 의하여 공진점이 변경되는 등의 문제는 발생하지 않고 전송 효율 감소 원인을 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 PCB의 캐비티 공진을 이용한 무선 전력 송수신기 및 이의 제작 방법은 무선 전력 전송에 있어서 전송 효율을 향상함으로써 전력 전송이 요구되는 다양한 무선 전력 송수신 시스템에 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 전력을 공급 받는 파워 기판;
    접지 전압과 연결되며, 상기 파워 기판과 대향하게 배치되는 그라운드 기판; 및
    상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이를 연결하며 내부에 유전체를 갖는 연결부를 포함하고,
    상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이의 캐비티 공진에 기초하여 상기 전력을 무선으로 외부로 송신하는 무선 전력 송신기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전력의 주파수는 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판이 직사각형인 경우, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 제1방향의 제1 변과 상기 제1 방향에 수직이며 상기 제1 변보다 작은 제2 변 중 상기 제1 방향의 제1 변 길이에만 기초하여 상기 전력의 주파수와 캐비티 공진 주파수가 일치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 변의 길이에만 기초하여 상기 전력의 주파수와 상기 캐비티 공진 주파수가 일치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전력의 전송 효율은 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이의 간격에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 유전체의 유전물질은 에프알포(FR4)인 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  7. 전력을 수신하는 파워 기판;
    접지 전압과 연결되며, 상기 파워 기판과 대향하게 배치되는 그라운드 기판; 및
    상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이를 연결하며 내부에 유전체를 갖는 연결부를 포함하고,
    상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이의 캐비티 공진에 기초하여 상기 전력을 무선으로 수신하는 무선 전력 수신기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판이 직사각형인 경우, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 제1방향의 제1 변과 상기 제1 방향에 수직이며 상기 제1 변보다 작은 제2 변 중 상기 제1 방향의 제1 변 길이에만 기초하여 상기 전력의 주파수와 상기 캐비티 공진 주파수가 일치되고,
    상기 전력의 전송 효율은 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이의 간격에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 변의 길이에만 기초하여 상기 전력의 주파수와 캐비티 공진 주파수가 일치되고,
    상기 전력의 전송 효율은 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이의 간격에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  10. 전력을 공급 받는 제1 파워 기판;
    접지 전압과 연결되며, 상기 제1 파워 기판과 대향하게 배치되는 제1 그라운드 기판;
    상기 제1 파워 기판과 상기 제1 그라운드 기판 사이를 연결하며 내부에 유전체를 갖는 제1 연결부;
    전달 전력을 수신하는 제2 파워 기판;
    상기 접지 전압과 연결되며, 상기 제2 파워 기판과 대향하게 배치되는 제2 그라운드 기판; 및
    상기 제2 파워 기판과 상기 제2 그라운드 기판 사이를 연결하며 내부에 유전체를 갖는 제2 연결부를 포함하고,
    상기 제1파워 기판과 상기 제2 그라운드 기판 사이의 캐비티 공진에 기초하여 상기 전달 전력을 무선으로 외부에 송신하고,
    상기 제2 파워 기판과 상기 제2 그라운드 기판 사이의 상기 캐비티 공진에 기초하여 상기 전달 전력을 무선으로 수신하는 무선 전력 송수신 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 및 상기 제2 파워 기판과 상기 제1 및 상기 제2 그라운드 기판이 직사각형인 경우, 상기 제1 및 상기 제2 파워 기판과 상기 제1 및 상기 제2 그라운드 기판의 제1 방향의 제1 변과 상기 제1 방향에 수직이며 상기 제1 변보다 작은 제2 변 중 제1방향의 제1 변 길이에만 기초하여 상기 전달 전력의 주파수와 캐비티 공진 주파수가 일치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신 시스템.
  12. 전송되는 전력의 주파수를 측정하는 단계;
    상기 전송되는 전력의 주파수와 캐비티 공진 주파수가 일치하도록 파워 기판과 그라운드 기판의 크기를 결정하는 단계; 및
    상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이를 연결부로 결합하는 단계를 포함하는 무선 전력 송신기 제작 방법.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 크기를 결정하는 단계는,
    상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판이 직사각형인 경우, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 제1방향의 제1 변과 상기 제1 방향에 수직이며 상기 제1 변보다 작은 제2 변 중 상기 제1 방향의 제1 변 길이만을 조절하여 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 제작 방법.
  14. 수신되는 전력의 주파수를 측정하는 단계;
    상기 수신되는 전력의 주파수와 캐비티 공진 주파수가 일치하도록 파워 기판과 그라운드 기판의 크기를 결정하는 단계; 및
    상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판 사이를 연결부로 결합하는 단계를 포함하는 무선 전력 수신기 제작 방법.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 크기를 결정하는 단계는,
    상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판이 직사각형인 경우, 상기 파워 기판과 상기 그라운드 기판의 제1방향의 제1 변과 상기 제1 방향에 수직이며 상기 제1 변보다 작은 제2 변 중 상기 제1 방향의 제1 변 길이만을 조절하여 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기 제작 방법.
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