KR20170014857A - 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템은 차폐된 공간을 형성하는 금속 벽에 장착되며 금속 벽의 표면을 따라 흐르도록 표면파인 표면 전자기파를 발생시키는 송신부; 및 금속 벽으로 분리된 공간에 설치되어 금속 벽의 표면을 따라 전달되는 표면 전자기파를 수신하는 수신부;를 포함하여 표면장(evanescent field)을 발생시켜 무선전력 또는 데이터 전송을 함으로써, 전송효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

무선전력전송 시스템 및 통신 시스템{SYSTEM FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION AND COMMUNICATION}

본 발명은 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도파관 형태의 송신기와 수신기를 이용해 전력과 데이터가 두꺼운 금속을 통과할 수 있게 하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템에 관한 것이다.

아래의 비특허문헌[1]은 전자기 무선 전력 전송 장치가 아니고, 이 장치들은 송신과 수신을 수행할 특별한 센서들을 필요로 하며, 축성배열이 주된 관심사이다.

또한, 비특허문헌[2]는 벽체 적용을 통한 전자기파 기반 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로 두꺼운 금속 벽체를 고려하지 않아 전력과 데이터가 해당 벽체를 통과할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 비특허문헌[3]은 정확한 전자기파 기반 무선 전력 전송 장치지만, 100Hz 미만의 주파수에서 작동하므로 저속 통신에만 한정적으로 적용되는 문제점이 있으며, 무엇보다 전송 효율이 10%미만으로 그 효율이 낮다는 문제점이 있다.

또한, 일례로, 수백 구획으로 이루어진 선박의 경우 해당 구획 간에 무선 에너지 전달에 있어 전자기 간섭이 발생하기 때문에, 선박의 구획을 형성하는 두꺼운 금속 벽에 구멍을 뚫어 케이블로 에너지 또는 데이터를 전달하게 하여야 하는데, 두꺼운 금속 벽에 구멍을 뚫는 작업이 상당히 부담스럽다는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0068334호(2012. 06. 27)

[1]. Lawry, T. J., G. J. Saulnier, J. D. Ashdown, K. R. Wilt, H. A. Scarton, S. Pascarelle, and J. D. Pinezich. "Penetration-free system for transmission of data and power through solid metal barriers." IEEE Military Communications Conference, 2011, pp. 389-395. [2]. Young, S.S., Hughes, Z., Hoang, M., Isom., D.,Minh, N., Rao, S. and Chiao, J.C.:'Investigation of wireless power transfer in through-wall applications'Asia Pacific Microwave conference, 2012, pp.403-405, doi: 10.1109/APMC.2012.6421612. [3]. Graham, D.J.; Neasham, J.A.; Sharif, B.S., "Investigation of Methods for Data Communication and Power Delivery Through Metals," Industrial Electronics, IEEE Transactions on , vol.58, no.10, pp.4972,4980, Oct. 2011

상술한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명은 도파관 형태의 송신기 또는 수신기를 이용해 전력과 데이터가 두꺼운 금속을 통과할 수 있게 하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템의 제공을 목적으로 한다.

또한, 상술한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명은 도파관 형태의 송신기 또는 수신기를 이용하여 데이터 통신과 저전력 기기설치에서 50MPS의 고속 통신 전파를 보내고, 블루투스, 와이파이, 라디오 통신의 두 방법(FM, AM), 금속벽체와 다른 두께의 금속 동봉물을 통한 70% 이상 효율의 전력 전송을 가능하게 하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템의 제공을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템은 차폐된 공간을 형성하는 금속 벽에 장착되며 상기 금속 벽의 표면을 따라 흐르도록 표면파인 표면 전자기파를 발생시키는 송신부; 및 상기 금속 벽으로 분리된 공간에 설치되어 상기 금속 벽의 표면을 따라 전달되는 표면 전자기파를 수신하는 수신부;를 포함하되, 상기 송신부는 박막의 도파관으로 사각모양을 가지며, 내부에 복수의 천공된 사각모양의 사각 홀이 형성되어 그물망 형태를 가지는 상부 층; 상기 상부 층 하부에 상기 상부 층와 동일한 두께로 형성된 유전체 층인 중간 층; 및 상기 중간 층 하부에 상기 상부 층과 동일한 크기(길이, 너비, 및 두께)로 형성되어 접지기능을 하는 하부 층;을 포함하고, 상기 수신부는 하부가 개방된 원통형 구조를 가지며 구리 재질로 이루어진 덮개; 속이 빈 구리재질로 이루어져 있으며, 상기 덮개의 개방된 하부의 내측 가장자리 부분에 개재되어 정류기 기능을 하는 루프; 및 폴리스티렌(Polystyrene)으로 만들어져, 상기 덮개 내부에 수용된 유전체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템은 표면장(evanescent field)을 발생시켜 무선전력 또는 데이터 전송을 함으로써, 전송효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템은 전송효율이 우수하기 때문에 송신부와 수신부 간에 케이블 연결을 위해 선박 등을 구획 형성하는 두꺼운 금속 벽에 구멍을 뚫는 별도의 번거로운 작업을 생략할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템은 구멍을 뚫지 않아도 되기 때문에 배 선체의 내구성을 약화시키는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템의 송신부의 상세도면,
도 3은 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템의 전력 또는 데이터가 전달되는 원리가 도시된 도면,
도 4는 제2 실시예에 따른 원통형 구조의 수신부를 도시한 도면,
도 5는 원통형 구조의 수신부가 적용된 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템의 단면도, 및
도 6은 제3 실시예에 따른 나선형 구조의 수신부를 도시한 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템은 송신부(100), 및 수신부(200)를 포함한다.

상기 송신부(100)과 상기 수신부(200)는 제어 룸과 엔진 룸, 및 펌프 룸과 같이 복수의 공간을 가진 배, 또는 컨테이너 등과 같은 차폐된 각각의 상이한 공간에 설치되어 전력 또는 데이터를 주고 받는다.

도 2를 참조하여 상기 송신부에 대해 더욱 상세히 설명한다.

참고로, 도 2는 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템의 송신부의 상세도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 송신부(100)는 상부 층(110), 중간 층(120), 및 하부 층(130)을 포함한다.

상기 상부 층(110)은 박막의 도파관으로 사각모양으로, 내부에 복수의 천공된 사각모양의 사각 홀(111)이 형성되어 그물망 형태를 가지며, 구리재질로 이루어져 있다.

이때, 상기 상부 층(110)은 구리재질에 한정되지 않고 다른 전도체(conductor) 재질로도 구성이 가능하고, 이하의 다른 구성들에 대해서도 마찬가지로 구리재질은 전도체 재질로도 구성이 가능하다.

상기 중간 층(120)은 유전체 층으로 상기 상부 층(110)과 동일한 두께를 가지며, 탄소섬유나 폴리카보네이트(PC)로 이루어져 있다.

상기 하부 층(130)은 상기 상부 층(110)과 크기(길이, 너비, 및 두께)가 동일하고, 접지기능을 한다.

상술한 바와 같이, 상부 층(110), 중간 층(120), 및 하부 층(130)으로 구성된 송신부(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 배 또는 컨테이너의 차폐된 공간의 두꺼운 금속 벽(300)에 장착되어, 20MHz~150MHz 범위의 주파수를 가진 표면 전자기파(evanescent electromagnetic wave)를 발생시킨다.

상기 송신부(100)에서 발생한 표면 전자기파는 금속 벽(300)을 타고 전파가 흘러 상기 수신부(200)가 설치된 공간으로 전달됨에 따라, 전력 또는 데이터가 전달되게 된다.

도 3을 참조하여 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템의 송신부에서 수신부로 전력 또는 데이터가 전달되는 원리를 상세히 설명한다.

참고로, 도 3은 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템의 전력 또는 데이터가 전달되는 원리가 도시된 도면이다.

먼저, 상기 금속 벽(300)은 도 3에 도시된 바와 같이, 융기된 부분을 G(grain)와 함몰된 부분 V(void)를 포함하는 BCC(body centric cuboid crystal) 구조 또는 요철 구조로 이루어져 일정한 주기(A)를 가진다.

상기 표면 전자기파와 상기 금속 벽(300)의 상호 작용으로 인해 표면파가 발생하여 상기 표면 전자기파가 상기 금속 벽(300)의 표면을 흐르게 된다.

즉, 표면 전자기파 소스(Evanescent EM wave source)인 상기 송신부(100)에서 발생한 표면 전자기파는 상기 일정한 주기(A)에 따라 형성된 융기 부(G)와 함몰 부(V)에서 전반사를 일으켜 흐르게 된다.

상기 송신부(100)가 장착된 상기 금속 벽(300)의 상술한 바와 같이 전반사를 일으켜 내주 면을 타고 흐르는 전자기파는 상기 수신부(200)가 장착된 상기 금속 벽(300)의 외주 면으로 전달되어 상기 수신부(200)가 상기 전자기파를 수신할 수 있게 된다.

이때, 상기 송신부(100)에서 송신되는 에너지를 수신하기 위해 상기 표면 전자기파를 수신하는 상기 수신부(200)는 상부 층(110), 중간 층(120), 및 하부 층(130)를 포함하는 상기 송신기(100)와 동일한 구조로 이루어져 있다.

제2 실시예로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 수신부(200)는 상기 송신부(100)에서 송신되는 전력 또는 데이터를 수신하기 위해 원통형 구조로 이루어질 수 도 있다.

참고로, 도 4는 제2 실시예에 따른 원통형 구조의 수신부를 도시한 도면이다.

즉, 원통형의 상기 수신부(200)는 덮개(210), 루프(220) 및 유전체(230)를 포함하며, 주파수의 혼신을 제거하기 위한 웨이브 트랩이라고도 한다.

상기 덮개(210)는 하부가 개방된 원통형의 구조를 가지며, 구리 재질로 이루어져 있다.

상기 루프(220)는 상기 덮개(210)의 개방된 하부의 내측 가장자리 부분에 위치하고, 속이 빈 구리재질로 이루어져 있으며, 전파를 정류하는 정류기의 기능을 가진다.

상기 유전체(230)는 폴리스티렌(Polystyrene)으로 만들어져, 상기 덮개(210) 내부에 수용된다.

한편, 상기 유전체(230)는 폴리스티렌에 한정되지 않고 다른 유전 물질로도 사용이 가능하다.

상술한 바와 같은 원통형 구조의 수신부가 적용된 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템은 도 5에 도시된 바와 같다.

제3 실시예로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 수신부(200)는 LED/부하(통신장비)로 이어지는 나선형(Spiral) 코일일 수 있는데, 상기 나선형 코일은 접지하기 용이한 지면을 얻기 어려운 곳에서 전기적 접지 없이 사용할 수 있는 10~15cm 길이의 카운터 포이즈 와이어(counter poise wire)인 것이 바람직하다.

참고로, 도 6은 제3 실시예에 따른 나선형 구조의 수신부를 도시한 도면이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 송신부
110 : 상부 층
111 : 사각 홀
120 : 중간 층
130 : 하부 층
200 : 수신부
210 : 덮개
220 : 루프
230 : 유전체
300 : 금속 벽

Claims (7)

1. 차폐된 공간을 형성하는 금속 벽(300)에 장착되며 상기 금속 벽(300)의 표면을 따라 흐르도록 표면파인 표면 전자기파를 발생시키는 송신부(100); 및
   상기 금속 벽(300)으로 분리된 공간에 설치되어 상기 금속 벽(300)의 표면을 따라 전달되는 표면 전자기파를 수신하는 수신부(200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 송신부(100)는
   박막의 도파관으로 사각모양을 가지며, 내부에 복수의 천공된 사각모양의 사각 홀(111)이 형성되어 그물망 형태를 가지는 상부 층(110);
   상기 상부 층(110) 하부에 상기 상부 층(110)와 동일한 두께로 형성된 유전체 층인 중간 층(120); 및
   상기 중간 층(120) 하부에 상기 상부 층(110)과 동일한 크기(길이, 너비, 및 두께)로 형성되어 접지기능을 하는 하부 층(130);을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 송신부(100)에서 발생한 표면 전자기파는 일정한 주기(A)에 따라 상기 금속 벽(300)에 형성된 융기 부(G)와 함몰 부(V)에서 전반사를 일으켜 표면을 흘러 상기 수신부(200)로 전달되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 수신부(200)는
   상기 송신부(100)와 동일한 구성으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템.
   
5. 제 2항 또는 제 4항에 있어서,
   상기 상부 층(110)은
   구리재질로 이루어지고, 상기 중가 층(120)은 탄소섬유 또는 폴리카보네이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템.
   
6. 제 2항에 있어서,
   상기 수신부(200)는
   하부가 개방된 원통형 구조를 가지며 구리 재질로 이루어진 덮개(210);
   속이 빈 구리재질로 이루어져 있으며, 상기 덮개(210)의 개방된 하부의 내측 가장자리 부분에 개재되어 정류기 기능을 하는 루프(220); 및
   폴리스티렌(Polystyrene)으로 만들어져, 상기 덮개(210) 내부에 수용된 유전체(230);를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템.
   
7. 제 2항에 있어서,
   상기 수신부(200)는
   접지가 불가능한 곳에서 전기적 접지가 필요없는 카운터 포이즈 와이어(counter poise wire) 10~15cm가 나선형으로 감긴 나선형 코일인 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템.
   

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