KR20180076359A - Active meta-material structure capable of selecting charging frequency for a plurality of electric devices, and wireless power transfer system using the same - Google Patents

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KR20180076359A KR1020170181576A KR20170181576A KR20180076359A KR 20180076359 A KR20180076359 A KR 20180076359A KR 1020170181576 A KR1020170181576 A KR 1020170181576A KR 20170181576 A KR20170181576 A KR 20170181576A KR 20180076359 A KR20180076359 A KR 20180076359A
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Abstract

Disclosed is an active meta-material device capable of frequency selection in a wireless charging system and a wireless power transfer system using the same. A variable capacitor capable of varying the capacitance of the meta-material device and an adaptive capacitance control unit capable of varying the capacitance thereof are introduced. By adjusting the capacitance of the variable capacitor, the resonance frequency may be actively varied to refract an incident magnetic field in a desired direction to form a beam in a desired shape. A wireless power transfer apparatus detects the positions of a plurality of charging target electric devices by using a position sensor. Based on the detected position information, the magnetic field directional information calculated for each charging target is obtained and the capacitance of a meta-material is adaptively adjusted. The optimal directionality of the magnetic field for the charging target can be controlled. The magnetic field can be controlled to be sequentially refracted in the directions of the plurality of charging target electric devices in the time division manner. Therefore, it is possible to charge a plurality of charging targets in the optimal state, respectively.

Description

다수의 전자기기 충전을 위한 주파수 선택 가능 액티브 메타물질 장치와 이를 이용한 무선전력전송 시스템 {ACTIVE META-MATERIAL STRUCTURE CAPABLE OF SELECTING CHARGING FREQUENCY FOR A PLURALITY OF ELECTRIC DEVICES, AND WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM USING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an active meta-material device for charging a plurality of electronic devices, and a wireless power transmission system using the same. 2. Description of the Related Art [0002]

본 발명은 무선전력전송 또는 무선충전 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 자기장을 굴절시키는 메타물질 장치와 이를 이용한 무선전력전송 또는 무선충전 기술에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a wireless power transmission or wireless charging technique, and more particularly, to a meta-material device for refracting a magnetic field and a wireless power transmission or wireless charging technique using the same.

무선전력전송은 송전코일(1차측 코일)과 수전코일(2차측 코일)의 두 코일 간에 자기유도 현상 또는 자기적 공명 현상을 이용하여 전력을 무선으로 전달하는 기술이다. 두개의 코일을 이용한 종래의 무선전력전송 방식은 두 코일 간의 거리가 멀어지면 결합 계수(coupling coefficient)가 감소하여 전력전달 효율이 떨어지고 누설 자계(leakage magnetic field)가 크게 증가하는 문제가 있다. Wireless power transmission is a technology for wirelessly transmitting power between two coils of a power transmission coil (primary coil) and a power receiver coil (secondary coil) using a magnetic induction phenomenon or a magnetic resonance phenomenon. In the conventional wireless power transmission system using two coils, if the distance between the two coils is increased, the coupling coefficient is decreased and the power transmission efficiency is lowered and the leakage magnetic field is greatly increased.

이 문제를 해결하기 위한 한 가지 방안으로서, 종래의 무선전력전송 방식에 음의 굴절률을 갖는 메타물질을 이용하는 기술이 제안된 바 있다. 메타물질은 자기장의 직진성을 향상시켜 누설 자계를 감소시키는 역할을 할 수 있다. As a solution to this problem, a technique using a meta material having a negative refractive index in a conventional wireless power transmission system has been proposed. The metamaterial can improve the linearity of the magnetic field and reduce the leakage magnetic field.

종래의 무선전력전송에 적용한 메타물질은 오직 하나의 공진주파수를 가지는 동일한 메타물질 셀들을 배열하여 구성된 것이었다. 하지만 메타물질 구조체는 일단 한번 설계되면 그 설계된 구조에 따른 하나의 무선충전 주파수가 정해지게 된다. 여러 개의 서로 다른 무선충전 주파수를 가진 무선충전기기들을 충전시키기 위해서는 여러 개의 메타물질 구조체와 무선충전시스템이 필요하게 된다. 즉, 종래기술에 따른 하나의 메타물질 구조체와 무선충전시스템은 한 가지 주파수로 충전되는 전자기기만을 충전할 수 있다는 한계가 있다.The conventional meta-material applied to wireless power transmission was constructed by arranging the same meta-material cells having only one resonance frequency. Once a metamaterial structure is designed, however, one wireless charging frequency is determined according to the designed structure. Several metamaterial structures and wireless charging systems are required to charge wireless charging devices with different wireless charging frequencies. That is, the conventional metamaterial structure and the wireless charging system according to the related art have a limitation that they can only charge electronic equipment charged at one frequency.

본 발명의 일 목적은 하나의 메타물질이 무선충전기기의 주파수에 따라 그에 맞게 액티브하게 공진주파수를 가변시킬 수 있는 메타물질 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a metamaterial device in which one metamaterial can actively vary the resonant frequency according to the frequency of the wireless charging device.

본 발명의 다른 목적은 무선충전 주파수의 선택이 가능한 하나의 액티브 메타물질(active meta-material) 장치를 이용하여 다수의 전자기기를 충전할 수 있는 무선전력전송 시스템을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a wireless power transmission system capable of charging a plurality of electronic devices using an active meta-material device capable of selecting a wireless charging frequency.

본 발명의 또 다른 목적은 다수의 전자기기를 무선충전함에 있어서 각 전자기기의 위치에 맞는 메타물질의 특성 변화를 이끌어내어 자기장을 해당 전자기기에 맞추어 빔포밍 함으로써 고효율로 무선충전할 수 있는 무선전력전송 시스템을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method and apparatus for wirelessly charging a plurality of electronic apparatuses, which can lead to changes in the characteristics of meta-materials according to positions of the respective electronic apparatuses, Transmission system.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 장치는 메타물질 구조체와 적응형 캐패시턴스 제어부를 포함한다. 메타물질 구조체는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판 상에 서로 인접하면서 밀집 배치된 복수 개의 단위 메타물질 셀을 포함한다. 상기 적응형 캐패시턴스 제어부는 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 크기를 조절한다. 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각은 가변 캐패시터부와 인덕터부를 포함한다. 상기 가변 캐패시터부는 상기 적응형 캐패시턴스 제어부에 의한 제어에 의해 캐패시턴스 값이 가변될 수 있다. 상기 인덕터부는 상기 유전체 기판 상에 배치되고 상기 가변 캐패시터부에 연결되며 인덕턴스 성분을 제공할 수 있다. 이러한 구성에 의해, 상기 메타물질 장치는 상기 가변 캐패시터부의 캐패시턴스 크기를 조절하는 것에 의해 공진주파수를 액티브하게 가변시켜 입사하는 자기장을 원하는 방향으로 굴절시켜 원하는 형태로 빔포밍할 수 있다.According to an aspect of the present invention, a meta-material device includes a meta-material structure and an adaptive capacitance control unit. The meta-material structure includes a dielectric substrate and a plurality of unit meta- material cells arranged closely adjacent to each other on the dielectric substrate. The adaptive capacitance controller adjusts the capacitance of each of the plurality of unit meta-material cells. Each of the plurality of unit meta-material cells includes a variable capacitor unit and an inductor unit. The capacitance value of the variable capacitor unit may be varied by the control of the adaptive capacitance control unit. The inductor unit may be disposed on the dielectric substrate and connected to the variable capacitor unit to provide an inductance component. With this configuration, the metamaterial device can actively vary the resonance frequency by adjusting the capacitance of the variable capacitor portion, and can refract the incident magnetic field in a desired direction to form a desired shape.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 적응형 캐패시턴스 제어부는 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 값을 독립적으로 조절할 수 있는 캐패시터 스위칭 제어부를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the adaptive capacitance controller may include a capacitor switching controller that can independently adjust a capacitance value of each of the plurality of unit meta-material cells.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 적응형 캐패시턴스 제어부는 무선충전 대상 전기기기의 위치를 검출하여 검출된 위치 정보에 대응하는 제어 디지털 코드(Control Digital Code)를 상기 캐패시터 스위칭 제어부에 제공하는 위치센서(Position Sensor)를 더 포함할 수 있다. 상기 캐패시턴스 스위칭 제어기는 상기 위치센서로부터 제공받는 상기 제어 디지털 코드에 기초하여 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 크기를 조절하고, 이에 의해 메타물질 구조체에 입사하는 자기장의 진행방향이 상기 무선충전 대상 전기기기 쪽으로 굴절되게 할 수 있다.In an exemplary embodiment, the adaptive capacitance control unit may include a position sensor for detecting a position of the wireless charging object electric device and providing a control digital code corresponding to the detected position information to the capacitor switching control unit Sensor). Wherein the capacitance switching controller adjusts the capacitance magnitude of each of the plurality of unit meta-material cells based on the control digital code provided from the position sensor so that a traveling direction of a magnetic field incident on the meta- It can be bent toward the electric device.

예시적인 실시예에 있어서, 각 단위 메타물질 셀의 상기 가변 캐패시터부는 스위칭 소자와 적어도 하나의 캐패시터가 직렬 연결된 단속가능 캐패시터(Switchable Capacitor)를 복수 개 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 단속가능 캐패시터는 서로 병렬로 연결될 수 있다. 상기 캐패시턴스 스위칭 제어가 각 단위 메타물질 셀에 포함된 상기 단속가능 캐패시터의 스위칭 소자를 온/오프 제어하는 것에 의해 각 단위 메타물질 셀의 가변 캐패시터부의 캐패시턴스를 가변적으로 조절할 수 있다.In an exemplary embodiment, the variable capacitor portion of each unit meta-material cell may include a plurality of switchable capacitors connected in series with a switching element and at least one capacitor. The plurality of intermittable capacitors may be connected in parallel with each other. The capacitance switching control may variably adjust the capacitance of the variable capacitor portion of each unit meta-material cell by controlling ON / OFF of the switching elements of the intermittent capacitors included in each unit meta-material cell.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 복수 개의 단속가능 캐패시터를 포함하는 상기 가변 캐패시터부는 칩 형태로 구현되어 상기 유전체 기판 상의 각 단위 메타물질 셀 영역에 상기 인덕터부와 전기적으로 결합되는 형태로 설치될 수 있다.In an exemplary embodiment, the variable capacitor unit including the plurality of intermittable capacitors may be implemented in a chip form, and may be installed in a form that is electrically coupled to the inductor unit in each unit meta-material cell region on the dielectric substrate .

예시적인 실시예에 있어서, 상기 복수 개의 단속가능 캐패시터를 포함하는 상기 가변 캐패시터부는, 상기 적응형 캐패시턴스 제어부와 함께, 별도의 인쇄회로기판에 설치되어 상기 인덕터부와 도선을 통해 전기적으로 결합될 수 있다.In an exemplary embodiment, the variable capacitor unit including the plurality of intermittable capacitors may be installed on a separate printed circuit board together with the adaptive capacitance control unit, and may be electrically coupled to the inductor unit through a lead .

예시적인 실시예에 있어서, 상기 적응형 캐패시턴스 제어부는 상기 자기장이 시분할방식으로 서로 다른 복수의 방향으로 순차적으로 굴절되도록 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 크기를 액티브하게 제어할 수 있다.In an exemplary embodiment, the adaptive capacitance controller may actively control the capacitance of each of the plurality of unit meta-material cells so that the magnetic field is sequentially refracted in a plurality of different directions in a time-division manner.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 장치를 이용한 무선전력전송 시스템은 무선전력전송 장치와 메타물질 장치를 포함한다. 상기 무선전력전송 장치는 거치 기구와, 무선전력전송에 필요한 전류를 생성하는 급전부와, 상기 거치기구에 설치되고 상기 급전부(350)가 공급하는 전류를 흘려 자기장을 송출하는 송전코일을 포함한다. 상기 메타물질 장치는 상기 거치 기구에 설치되며 상기 자기장이 진행하는 경로 상에 위치하여 상기 자기장을 원하는 방향으로 굴절시킬 수 있다. 상기 메타물질 장치는 메타물질 구조체와 적응형 캐패시턴스 제어부를 포함한다. 상기 메타물질 구조체는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판 상에 서로 인접하면서 밀집 배치된 복수 개의 단위 메타물질 셀을 포함한다. 상기 적응형 캐패시턴스 제어부는 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 크기를 조절한다. 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각은 가변 캐패시터부와 인덕터부를 포함한다. 상기 가변 캐패시터부는 상기 적응형 캐패시턴스 제어부에 의한 제어에 의해 캐패시턴스 값이 가변될 수 있다. 상기 인덕터부는 상기 유전체 기판 상에 배치되고 상기 가변 캐패시터부에 연결되며 인덕턴스 성분을 제공한다. 이런 구성에 의해 상기 메타물질 장치는 상기 가변 캐패시터부의 캐패시턴스 값을 조절하는 것에 의해 공진주파수를 액티브하게 가변시켜 입사하는 자기장을 원하는 형태로 빔포밍할 수 있다.In order to accomplish the above objects, a wireless power transmission system using a meta-material device according to embodiments of the present invention includes a wireless power transmission device and a meta-material device. The radio power transmission apparatus includes a stationary mechanism, a power feeder for generating a current required for wireless power transmission, and a power transmission coil installed in the stationary mechanism and flowing a current supplied by the power feeder 350 to transmit a magnetic field . The meta-material device may be installed in the mounting mechanism and may be located on a path along which the magnetic field travels to refract the magnetic field in a desired direction. The meta-material device includes a meta-material structure and an adaptive capacitance control unit. The meta-material structure includes a dielectric substrate and a plurality of unit meta- material cells arranged closely adjacent to each other on the dielectric substrate. The adaptive capacitance controller adjusts the capacitance of each of the plurality of unit meta-material cells. Each of the plurality of unit meta-material cells includes a variable capacitor unit and an inductor unit. The capacitance value of the variable capacitor unit may be varied by the control of the adaptive capacitance control unit. The inductor portion is disposed on the dielectric substrate and connected to the variable capacitor portion to provide an inductance component. With this configuration, the meta-material device can actively vary the resonance frequency by adjusting the capacitance value of the variable capacitor portion, and can make the incident magnetic field beam-form in a desired shape.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 적응형 캐패시턴스 제어부는 복수 개의 무선충전대상 전기기기의 위치를 검출하고, 검출된 위치 정보에 기초하여 상기 자기장이 시분할방식으로 상기 복수 개의 충전대상 전기기기의 방향으로 순차적으로 굴절되도록 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 크기를 액티브하게 제어함으로써 상기 복수 개의 충전대상 전기기기를 한꺼번에 무선충전할 수 있다.In an exemplary embodiment, the adaptive capacitance control unit detects the positions of the plurality of wireless charging target electric devices, and based on the detected position information, the magnetic fields are sequentially applied in the direction of the plurality of charging target electric devices in a time- By electrically controlling the capacitance of each of the plurality of unit meta-material cells so as to be refracted by the plurality of unit-meta material cells.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 적응형 캐패시턴스 제어부는 캐패시터 스위칭 제어부와 위치센서를 포함할 수 있다. 상기 캐패시터 스위칭 제어부는 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 값을 독립적으로 조절할 수 있다. 상기 위치센서는 무선충전 대상 전기기기의 위치를 검출하여 검출된 위치 정보에 대응하는 제어 디지털 코드를 상기 캐패시터 스위칭 제어부에 제공할 수 있다. 상기 캐패시턴스 스위칭 제어기는 상기 위치센서로부터 제공받는 상기 제어 디지털 코드에 기초하여 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 크기를 조절하고, 이에 의해 메타물질 구조체에 입사하는 자기장의 진행방향이 상기 무선충전 대상 전기기기 쪽으로 굴절되게 할 수 있다.In an exemplary embodiment, the adaptive capacitance controller may include a capacitor switching controller and a position sensor. The capacitor switching control unit may independently adjust a capacitance value of each of the plurality of unit meta-material cells. The position sensor may detect the position of the electric appliance to be charged and provide a control digital code corresponding to the detected position information to the capacitor switching controller. Wherein the capacitance switching controller adjusts the capacitance magnitude of each of the plurality of unit meta-material cells based on the control digital code provided from the position sensor so that a traveling direction of a magnetic field incident on the meta- It can be bent toward the electric device.

예시적인 실시예에 있어서, 각 단위 메타물질 셀의 상기 가변 캐패시터부는 스위칭 소자와 적어도 하나의 캐패시터가 직렬 연결된 단속가능 캐패시터(Switchable Capacitor)(140-1)를 복수 개 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 단속가능 캐패시터는 서로 병렬로 연결될 수 있다. 상기 캐패시턴스 스위칭 제어기가 각 단위 메타물질 셀에 포함된 상기 단속가능 캐패시터의 스위칭 소자를 온/오프 제어하는 것에 의해 각 단위 메타물질 셀의 가변 캐패시터부의 캐패시턴스를 가변적으로 조절할 수 있다.In the exemplary embodiment, the variable capacitor unit of each unit meta-material cell may include a plurality of switchable capacitors 140-1 in which at least one capacitor is connected in series with a switching device. The plurality of intermittable capacitors may be connected in parallel with each other. The capacitive switching controller controls on / off the switching elements of the intermittent capacitors included in each unit meta-material cell, thereby varying the capacitance of the variable capacitors of each unit meta-material cell.

본 발명은 해당 주파수의 투자율이 캐패시턴스 값이 변함에 따라 서로 다른 값을 가지는 특성을 이용한다. 이에 따르면, 하나의 메타물질 장치를 가지고 캐패시턴스를 가변시킴으로써 다양한 공진주파수를 액티브하게 선택할 수 있다.The present invention uses a characteristic in which the permeability of the frequency has a different value as the capacitance value changes. According to this, various resonance frequencies can be actively selected by varying the capacitance with one meta-material device.

나아가, 이러한 메탈물질 장치를 채용한 무선전력전송 시스템을 이용하면 다수의 무선충전대상 전기기기를 한꺼번에 무선충전할 수 있다. 즉, 위치센서를 통하여 해당 충전 목표물의 위치를 알아낼 수 있고, 그 각도에 따른 자기장 방향성의 정보를 가지고 있다면, 메타물질인 캐패시터 어레이의 캐패시턴스를 적응적으로 조절할 수 있다. 메타물질의 캐패시턴스를 적응적으로 조절함으로써 자기장의 방향성을 조절하여, 각 충전대상 전기기기의 위치에 맞게 자기장을 빔포밍할 수 있다. 그에 따라 보다 높은 효율과 낮은 전자계를 가지는 무선충전 구현이 가능하다. Further, by using a wireless power transmission system employing such a metal material device, a plurality of wireless charging target electric devices can be wirelessly charged at the same time. That is, the position of the charging target can be determined through the position sensor, and the capacitance of the capacitor array, which is a meta-material, can be adaptively adjusted if it has information on the magnetic field direction according to the angle. It is possible to adjust the directionality of the magnetic field by adaptively adjusting the capacitance of the metamaterial and beam-form the magnetic field according to the position of each electrical device to be charged. Accordingly, it is possible to realize wireless charging with higher efficiency and lower electromagnetic field.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단위 메타물질 셀의 구조를 예시한다.
도 2는 캐패시턴스에 따른 메타물질의 투자율 곡선을 예시한다.
도 3은 투자율에 따른 자기장의 굴절 특성을 예시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 장치의 구성을 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메타물질 장치의 구성을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 장치를 이용한 무선전력전송 시스템의 구성을 도시한다.
도 7은 도 6에 도시된 무선전력전송 시스템이 무선충전대상 기기의 위치에 따라 자기장의 빔포밍을 변화시킨 상태를 도시한다.FIG. 1 illustrates a structure of a unit meta-material cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 illustrates the permeability curve of the meta-material according to the capacitance.
Fig. 3 illustrates the refraction characteristics of the magnetic field with the magnetic permeability.
FIG. 4 illustrates a configuration of a meta-material device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows a configuration of a meta-material device according to another embodiment of the present invention.
6 illustrates a configuration of a wireless power transmission system using a meta-material device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows a state in which the wireless power transmission system shown in FIG. 6 changes the beamforming of the magnetic field according to the position of the device to be wirelessly charged.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

메타물질을 이용하는 종래의 무선전력전송 시스템의 한계는 메타물질 구조가 일단 설계가 되고 나면 그 설계된 조건에 따라 자기장의 고정된 방향성을 가진다는 점이다. 자기장의 방향성은 스넬의 법칙(Snell's Law)에 따라 메타물질의 투자율에 의해서 결정된다. 메타물질은 캐패시턴스 및 인덕턴스에 의해서 공진주파수가 결정된다. 기존의 메타물질들은 캐패시턴스를 확보하기 위해 별도의 캐패시터를 설치하기 보다는 기생 캐패시턴스를 이용하였고, 인덕턴스는 유전체로 된 인쇄회로기판(PCB) 상에 트레이스 인덕터를 형성하여 확보하였다. 이와 다르게, 캐패시턴스가 고정된 캐패시터와 PCB 트레이스의 인덕턴스를 이용하기도 하였다. 두 경우 모두 캐패시턴스와 인덕턴스 크기가 고정적이므로, 단일 주파수에서만 공진 특성을 갖는다. 따라서 그 공진 주파수와 다른 주파수를 사용하는 전자기기를 무선충전할 수 없는 한계가 있었다.A limitation of the conventional radio power transmission system using a meta-material is that once the meta-material structure is designed, it has a fixed directionality of the magnetic field according to the designed conditions. The direction of the magnetic field is determined by the permeability of the meta-material according to Snell's Law. The resonance frequency of the metamaterial is determined by the capacitance and the inductance. Conventional metamaterials use parasitic capacitances rather than separate capacitors to ensure capacitance, and inductance is obtained by forming trace inductors on dielectric printed circuit boards (PCBs). Alternatively, the inductance of capacitors and PCB traces with fixed capacitance is used. In both cases, the capacitance and the inductance size are fixed, so they have resonance characteristics only at a single frequency. Therefore, there is a limit in that electronic equipment using a frequency different from the resonance frequency can not be wirelessly charged.

이런 한계를 극복하기 위하여, 본 발명은 메타물질의 캐패시턴스를 가변적인 것으로 구현한다. 이와 관련하여, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단위 메타물질 셀(100)의 구조를 예시한다.To overcome this limitation, the present invention implements the capacitance of the meta-material to be variable. In this regard, FIG. 1 illustrates a structure of a unit meta material cell 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 단위 메타물질 셀(100)은 가변 캐패시터부(140)와 인덕터부(120)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the unit meta-material cell 100 may include a variable capacitor unit 140 and an inductor unit 120.

가변 캐패시터부(140)는 후술하는 적응형 캐패시턴스 제어부(160)에 의한 제어에 의해 캐패시턴스 값이 가변될 수 있는 구성을 갖는다. 이 가변 캐패시터부(140)는 유전체 기판(110) 상에 설치될 수 있다. 이와 달리, 가변 캐패시터부(140)는 후술하는 적응형 캐패시턴스 제어부(160)와 함께 별도의 인쇄회로기판(190)에 설치될 수도 있다. The variable capacitor unit 140 has a configuration in which a capacitance value can be varied by control by an adaptive capacitance controller 160, which will be described later. The variable capacitor unit 140 may be installed on the dielectric substrate 110. Alternatively, the variable capacitor unit 140 may be provided on a separate printed circuit board 190 together with the adaptive capacitance control unit 160, which will be described later.

인덕턴스 성분을 제공하는 인덕터부(120)는 유전체 기판(110) 상에 설치될 수 있고, 가변 캐패시터부(140)와 전기적으로 결합될 수 있다. 인덕터부(120)는 도 1에 도시된 것처럼 일부 구간이 단절된 사각고리 모양의 도선(120-1, 120-2)을 한 개 이상 포함할 수 있다. 그 중 적어도 하나의 도선(120-1)은 가변 캐패시터부(140)와 직접 연결될 수 있다. 도 1에 도시된 인덕터부(120)의 형태는 예시적인 것으로, 인덕턴스를 제공하는 도선 구조이기만 한다면 다른 형태나 구조를 가질 수도 있다. 예컨대 인덕터부(120)는 나선형으로 감긴 도선일 수도 있다.The inductor unit 120 providing the inductance component may be installed on the dielectric substrate 110 and may be electrically coupled to the variable capacitor unit 140. The inductor unit 120 may include one or more rectangular annular conductors 120-1 and 120-2 that are partially disconnected as shown in FIG. At least one of the leads 120-1 may be directly connected to the variable capacitor unit 140. [ The shape of the inductor portion 120 shown in FIG. 1 is exemplary and may have other shapes or structures as long as it is a lead structure providing inductance. For example, the inductor unit 120 may be a spiral wound conductor.

도 2는 캐패시턴스에 따른 메타물질의 투자율 곡선을 예시한다.FIG. 2 illustrates the permeability curve of the meta-material according to the capacitance.

도 2를 참조하면, 가변되는 캐패시턴스로 인해 실제 메타물질의 투자율이 변하고 그에 따라 공진주파수가 바뀌는 것을 확인 할 수 있다. 도 2에서 캐패시턴스의 크기가 500 nF부터 100 nF까지 변함에 따라 공진주파수는 0.2 MHz부터 0.5 MHz까지 변하는 것을 보여준다. 캐패시턴스의 값을 더욱 낮추면 MHz 대역의 메타물질 공진을 이끌어 낼 수 있다. 이런 점에 착안하면, 단위 메타물질 셀의 캐패시턴스를 가변시킴으로써 보다 다양한 주파수를 가진 전자기기들을 한꺼번에 무선충전할 수 있음을 예상할 수 있다.Referring to FIG. 2, it can be seen that the permeability of the actual meta-material changes due to the variable capacitance and the resonance frequency changes accordingly. 2, the resonance frequency varies from 0.2 MHz to 0.5 MHz as the magnitude of the capacitance varies from 500 nF to 100 nF. Lowering the value of the capacitance can lead to metamaterial resonance in the MHz band. Considering this point, it can be expected that by varying the capacitance of the unit meta-material cell, electronic devices with various frequencies can be wirelessly charged at the same time.

도 3은 투자율에 따른 자기장의 굴절 특성을 예시한다. Fig. 3 illustrates the refraction characteristics of the magnetic field with the magnetic permeability.

종래에 메타물질을 이용한 무선전력전송 시스템의 한계는 메타물질이 설계가 이루어지면 그 메타물질이 유도하는 자기장의 방향성이 한 가지로 고정된다는 점이다. 자기장의 방향성은 snell의 법칙에 의해 결정된다. 이는 메타물질의 투자율에 의해서 결정됨을 의미한다. 도 3을 참조하면, 투자율에 따른 자기장의 변화하는 정도를 알 수 있다. The limitation of the conventional wireless power transmission system using metamaterial is that when the metamaterial is designed, the direction of the magnetic field induced by the metamaterial is fixed to one direction. The directionality of the magnetic field is determined by Snell's law. This means that it is determined by the permeability of the meta-material. Referring to FIG. 3, the degree of change of the magnetic field according to the magnetic permeability can be known.

도 3의 (A)는 투자율이 양수인 물질의 자기장 굴절 특성을 나타낸다. 이 물질은 자기장이 진행해가는 방향성을 그대로 유지되게 해주면서 소정 각도 굴절되게 해준다. 자기장의 꺾이는 정도는 그 물질의 투자율에 따라 다르게 나타난다. 도 3의 (B)는 투자율이 0인 물질의 자기장 굴절 특성을 나타낸다. 이 물질에 자기장에 입사되면, 그 자기장은 입사될 때의 자기장의 진행 방향과는 상관없이 그 물질의 경계면에 수직인 방향으로 진행하는 직진성을 가지게 된다. 도 3의 (C)는 투자율이 음수인 물질의 자기장 굴절 특성을 나타낸다. 이 물질에 자기장이 입사하면, 자기장은 들어온 방향의 반대 방향으로 꺾인다(마치 전반사가 일어난 것처럼). 이와 같은 물질의 투자율에 따른 자기장 진행방향의 굴절 특성을 활용하여 자기장의 방향을 컨트롤 할 수 있다. 3 (A) shows the magnetic field refraction characteristic of a material having a positive magnetic permeability. This material allows a certain angle of refraction while maintaining the directionality of the magnetic field. The degree of deflection of the magnetic field depends on the permeability of the material. FIG. 3 (B) shows the magnetic field refraction characteristic of a material having a permeability of zero. When this material is incident on a magnetic field, the magnetic field has a linearity that travels in a direction perpendicular to the interface of the material, irrespective of the direction of travel of the magnetic field at the time of incidence. FIG. 3C shows magnetic field refraction characteristics of a material having a negative magnetic permeability. When a magnetic field is incident on this material, the magnetic field is deflected in the opposite direction of the incoming direction (as if a total internal reflection occurred). The direction of the magnetic field can be controlled by utilizing the refractive characteristic of the direction of the magnetic field according to the permeability of the material.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 장치(200)의 구성을 도시한다.FIG. 4 illustrates a configuration of a meta-material device 200 according to an embodiment of the present invention.

도 1과 도 4를 참조하면, 메타물질 장치(200)는 메타물질 구조체(210)와 적응형 캐패시턴스 제어부(160)를 포함할 수 있다. 메타물질 구조체(210)는 유전체 기판(110)과, 그 유전체 기판(110) 상에 서로 인접하면서 밀집 배치된 복수 개의 단위 메타물질 셀(100)을 포함할 수 있다. 적응형 캐패시턴스 제어부(160)는 복수 개의 단위 메타물질 셀(100) 각각의 캐패시턴스 크기를 조절하는 역할을 할 수 있다. 이런 구성에 의해, 메타물질 장치(200)는 가변 캐패시터부(140)의 캐패시턴스 크기를 조절하는 것에 의해 공진주파수를 액티브하게 가변시켜 입사하는 자기장을 원하는 방향으로 굴절시켜 원하는 형태로 빔포밍할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 4, the meta-material device 200 may include a meta-material structure 210 and an adaptive capacitance controller 160. The meta-material structure 210 may include a dielectric substrate 110 and a plurality of unit meta-material cells 100 arranged closely adjacent to each other on the dielectric substrate 110. The adaptive capacitance controller 160 may control the capacitance of each of the plurality of unit meta-material cells 100. With such a configuration, the meta-material device 200 can actively vary the resonance frequency by adjusting the capacitance of the variable capacitor unit 140, and can refract the incident magnetic field in a desired direction to form a desired beam shape .

예시적인 실시예에 따르면, 적응형 캐패시턴스 제어부(160)는 복수 개의 단위 메타물질 셀(100) 각각의 캐패시턴스 값을 독립적으로 조절할 수 있는 캐패시터 스위칭 제어부(170)를 포함할 수 있다. 또한, 적응형 캐패시턴스 제어부(160)는 무선충전 대상 전기기기(500-1, 500-2)의 위치를 검출하여 검출된 위치 정보에 대응하는 제어 디지털 코드를 캐패시터 스위칭 제어부(170)에 제공하는 위치센서(180)를 포함할 수 있다. 이런 구성에 의하면, 캐패시턴스 스위칭 제어기(170)는 위치센서(180)로부터 제공받는 제어 디지털 코드에 기초하여 복수 개의 단위 메타물질 셀(100) 각각의 캐패시턴스 크기를 조절할 수 있다. 이런 캐패시턴스 크기 조절에 의해, 단위 메타물질 셀(100)의 투자율을 변할 수 있고 그에 따라 공진주파수로 가변될 수 있다. 이러한 특성을 이용하여, 메타물질 구조체(210)에 입사하는 자기장의 진행방향을 무선충전 대상 전기기기(500-1, 500-2) 쪽으로 굴절되게 할 수 있다. According to an exemplary embodiment, the adaptive capacitance controller 160 may include a capacitor switching controller 170 that can independently adjust a capacitance value of each of the plurality of unit meta-material cells 100. The adaptive capacitance controller 160 detects the positions of the electric equipment 500-1 and 500-2 to be wirelessly charged and provides a control digital code corresponding to the detected position information to the capacitor switching controller 170 Sensor 180 may be included. According to this configuration, the capacitance switching controller 170 can adjust the capacitance magnitude of each of the plurality of unit meta material cells 100 based on the control digital code provided from the position sensor 180. By adjusting the capacitance, it is possible to change the permeability of the unit meta-material cell 100 and thereby to vary the resonance frequency. By using this characteristic, the traveling direction of the magnetic field incident on the meta-material structure 210 can be refracted toward the electric equipment 500-1 and 500-2 to be wirelessly charged.

예시적인 실시예에 따르면, 각 단위 메타물질 셀(100)의 가변 캐패시터부(140)는 단속가능 캐패시터(Switchable Capacitor)(140-1)를 복수 개 포함할 수 있다. 복수개의 단속가능 캐패시터(140-1, ..., 140-N)는 스위칭 소자(144)와 적어도 하나의 캐패시터(142)가 직렬 연결된 형태로 구성될 수 있다. 적어도 하나의 캐패시터(142)는 캐패시터 어레이 형태로 구현될 수 있다. 이 캐패시터 어레이는 집중 캐패시터(Lumped Capacitors)로 구현될 수 있다. 스위칭 소자(144)는 예컨대 트랜지스터로 구현될 수 있다. 스위칭 소자(144)용 트랜지스터는 예컨대 MOSFET 소자로 구현될 수 있다. 복수 개의 단속가능 캐패시터(140-1, ..., 140-N)는 서로 병렬로 연결될 수 있다. 캐패시턴스 스위칭 제어기(170)가 각 단위 메타물질 셀(100)에 포함된 단속가능 캐패시터(140-1)의 스위칭 소자(144)를 온/오프 제어하는 것에 의해 각 단위 메타물질 셀(100)의 가변 캐패시터부(140)의 캐패시턴스를 가변적으로 조절할 수 있다. 이에 의해, 결국 메타물질 구조체(210)에 입사하는 자기장의 진행방향을 원하는 방향으로 굴절되도록 제어할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the variable capacitor unit 140 of each unit meta-material cell 100 may include a plurality of switchable capacitors 140-1. The plurality of intermittable capacitors 140-1, ..., 140-N may be configured such that the switching device 144 and at least one capacitor 142 are connected in series. At least one capacitor 142 may be implemented in the form of a capacitor array. This capacitor array can be implemented with lumped capacitors. The switching device 144 may be implemented with, for example, a transistor. The transistor for the switching device 144 may be implemented with, for example, a MOSFET device. The plurality of intermittable capacitors 140-1, ..., 140-N may be connected in parallel with each other. The capacitance switching controller 170 turns on and off the switching elements 144 of the intermittable capacitors 140-1 included in each unit meta-material cell 100, The capacitance of the capacitor unit 140 can be variably controlled. As a result, it is possible to control the direction of the magnetic field incident on the meta-material structure 210 to be refracted in a desired direction.

예시적인 실시예에 따르면, 복수 개의 단속가능 캐패시터(140-1, ..., 140-N)를 포함하는 가변 캐패시터부(140)는 예컨대 칩 형태로 구현될 수 있다. 그 칩 형태의 가변 캐패시터부(140)는 유전체 기판(110) 상의 각 단위 메타물질 셀(100) 영역에 설치될 수 있다고, 또한 인덕터부(120)와 전기적으로 결합될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the variable capacitor unit 140 including a plurality of intermittable capacitors 140-1, ..., 140-N may be implemented in a chip form, for example. The chip type variable capacitor unit 140 may be installed in each unit metamaterial cell 100 region on the dielectric substrate 110 and may be electrically coupled to the inductor unit 120.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메타물질 장치(200-1)의 구성을 도시한다.FIG. 5 shows a configuration of a meta-material device 200-1 according to another embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 메타물질 장치(200-1)는 가변 캐패시터부(140a)의 구성에 관해서만 도 4의 메타물질 장치(200)와 다를 뿐이다. 차이점을 구체적으로 살펴보면, 복수 개의 단속가능 캐패시터(140-1, ..., 140-N)를 포함하는 가변 캐패시터부(140a)는, 적응형 캐패시턴스 제어부(160)와 함께, 별도의 인쇄회로기판(190)에 설치될 수 있다. 복수 개의 단속가능 캐패시터(140-1, ..., 140-N)는 유전체 기판(110)상에 설치된 인덕터부(120)와는 도선(195)을 통해 전기적으로 결합될 수 있다.The meta material device 200-1 shown in FIG. 5 is different from the meta material device 200 shown in FIG. 4 only in the configuration of the variable capacitor part 140a. The variable capacitor unit 140a including the plurality of intermittable capacitors 140-1 to 140-N may be connected to the other printed circuit board 140a together with the adaptive capacitance controller 160, (Not shown). The plurality of intermittable capacitors 140-1 to 140-N may be electrically coupled to the inductor unit 120 provided on the dielectric substrate 110 through a lead wire 195. [

한편, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 장치(200 또는 200-1)를 이용한 무선전력전송 시스템(400)의 구성을 도시한다. 도 7은 도 6에 도시된 무선전력전송 시스템(400)이 무선충전대상 기기(500-1, 500-2)의 위치에 따라 자기장의 빔포밍을 변화시킨 상태를 도시한다. 6 illustrates a configuration of a wireless power transmission system 400 using the meta-material device 200 or 200-1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 7 shows a state in which the wireless power transmission system 400 shown in FIG. 6 changes the beamforming of the magnetic field according to the positions of the wireless charging target devices 500-1 and 500-2.

무선전력전송 시스템(400)은 다양한 무선충전대상 전기기기의 충전주파수에 맞추어 메타물질의 공진주파수가 가변될 수 있게 제어하고, 충전대상 전기기기의 위치를 위치센서(180)를 통해 파악하여 메타물질의 캐패시턴스를 가변시켜 그에 상응하는 자기장을 형성할 수 있다. 이하에서는 이를 구체적으로 설명한다. The wireless power transmission system 400 controls the resonance frequency of the meta-material to be variable according to the charging frequency of the various electric charging object electric devices, detects the position of the electric appliance to be charged through the position sensor 180, It is possible to vary the capacitance of the magnetic field and form a corresponding magnetic field. This will be described in detail below.

도 6을 참조하면, 무선전력전송 시스템(400)은 무선전력전송 장치(300)와 메타물질 장치(200)를 포함할 수 있다. 무선전력전송 장치(300)는 거치 기구(310)와, 무선전력전송에 필요한 전류를 생성하는 급전부(350)와, 거치기구(310)에 설치되고 급전부(350)가 공급하는 전류를 흘려 자기장을 송출하는 송전코일(320)을 포함할 수 있다. 메타물질 장치(200)는 거치 기구(310)에 설치되며 자기장이 진행하는 경로 상에 위치하여 자기장을 원하는 방향으로 굴절시킬 수 있다. 도 6에는 거치 기구(310)가 책상 위에 사용하는 스탠드 타입으로 예시되어 있지만, 이는 일예에 불과하고 메타물질 장치(200 또는 200-1)를 설치하여 지지할 수 있는 것이라면 구조나 형상은 다르게 할 수 있다.Referring to FIG. 6, a wireless power transmission system 400 may include a wireless power transmission device 300 and a metamaterial device 200. The wireless power transmission apparatus 300 includes a mounting mechanism 310, a power feeder 350 for generating a current required for wireless power transmission, and a power supply unit 350 installed in the mounting mechanism 310, And a transmission coil 320 for transmitting a magnetic field. The meta-material device 200 is installed in the mounting mechanism 310 and is located on a path along which the magnetic field travels, so that the magnetic field can be refracted in a desired direction. 6 illustrates the stand type used on the desk, but the present invention is not limited thereto. The structure and the shape may be different as long as the apparatus 200 or 200-1 can support the meta- have.

앞에서 언급하였듯이, 메타물질 장치(200 또는 200-1)의 적응형 캐패시턴스 제어부(160)는 복수 개의 무선충전대상 전기기기(500-1, 500-2)의 위치를 검출하고, 검출된 위치 정보에 기초하여 송전코일(320)에서 송출된 자기장이 시분할방식으로 복수 개의 충전대상 전기기기(500-1, 500-2)의 방향으로 순차적으로 굴절되도록 복수 개의 단위 메타물질 셀(100) 각각의 캐패시턴스 크기를 액티브하게 제어할 수 있다. 이렇게 함으로써, 복수 개의 충전대상 전기기기(500-1, 500-2)를 한꺼번에 무선충전할 수 있다. 여기서, 시분할방식의 충전이라 함은 복수 개의 충전대상전기기기(500-1, 500-2)에 대하여 충전시간을 다르게 할당하여 순차적으로 충전하는 방식으로 충전하는 경우를 의미한다. 그 복수 개의 충전대상 전기기기(500-1, 500-2)물은 무선전력전송 장치(300)에서 볼 때 서로 다른 방향에 위치할 수 있다. 도면에는 무선충전대상 기기(500-1, 500-2)를 두 개 도시하였지만, 더 많을 수 있다.As described above, the adaptive capacitance control unit 160 of the meta-material device 200 or 200-1 detects the positions of the plurality of wireless charging target electric devices 500-1 and 500-2, Based on the capacitance of each of the plurality of unit meta material cells 100 so that the magnetic field emitted from the power transmission coil 320 is sequentially deflected in the direction of the plurality of electric equipment 500-1 and 500-2 to be charged in a time- Can be actively controlled. By doing so, it is possible to wirelessly charge a plurality of electric equipment to be charged 500-1, 500-2 at once. Here, the time-division charging refers to a case where charging is performed in such a manner that charging times are differently allocated to a plurality of electric charging apparatuses 500-1 and 500-2 to sequentially charge the electric apparatuses 500-1 and 500-2. The plurality of electric devices 500-1 and 500-2 to be charged can be positioned in different directions when viewed from the wireless power transmission device 300. [ Although two wireless charging target devices 500-1 and 500-2 are shown in the figure, they may be more.

복수 개의 단위 메타물질 셀(100) 각각의 캐패시턴스 값을 독립적으로 조절할 수 있는 캐패시터 스위칭 제어부(170)와. 무선충전 대상 전기기기(500-1, 500-2)의 위치를 검출하여 검출된 위치 정보에 대응하는 제어 디지털 코드를 캐패시터 스위칭 제어부(170)에 제공하는 위치센서(180)를 포함한다. 따라서 캐패시턴스 스위칭 제어기(170)는 위치센서(180)로부터 제공받는 제어 디지털 코드에 기초하여 복수 개의 단위 메타물질 셀(100) 각각의 캐패시턴스 크기를 조절할 수 있다. 이에 의해 메타물질 구조체(210)에 입사하는 자기장의 진행방향이 무선충전 대상 전기기기(500-1, 500-2) 쪽으로 굴절되게 할 수 있다.A capacitor switching controller 170 that can independently adjust a capacitance value of each of the plurality of unit meta-material cells 100; And a position sensor 180 for detecting the positions of the electric equipment 500-1 and 500-2 to be wirelessly charged and providing the control digital code corresponding to the detected position information to the capacitor switching control unit 170. [ Accordingly, the capacitance switching controller 170 can adjust the capacitance of each of the plurality of unit meta material cells 100 based on the control digital code supplied from the position sensor 180. Thus, the traveling direction of the magnetic field incident on the meta-material structure 210 can be refracted toward the electric devices 500-1 and 500-2.

예시된 스탠드 타입의 거치 기구(310)의 경우, 송전코일(320)은 반사갓(340)의 후미 쪽에 설치되고, 메타물질 장치(200 또는 200-1)는 그 송전코일(320)의 앞쪽에 반사갓(340) 내부에 장착될 수 있다. 이러한 배치에 의해, 송전코일(320)에서 송출되는 자기장은 대부분 메타물질 장치(200 또는 200-1)를 지날 수 있다.The transmission coil 320 is installed on the rear side of the reflector 340 and the meta-material device 200 or 200-1 is provided on the front side of the transmission coil 320, (Not shown). With this arrangement, the magnetic field emitted from the power transmission coil 320 can pass through the metamaterial device 200 or 200-1 in most cases.

무선전력 전송장치(300)의 주변에 복수 개의 무선충전대상 전기기기(500-1, 500-2)가 위치하고 있는 경우를 고려한다. 또한, 그 복수 개의 충전 대상물에 대하여 충전시간을 다르게 할당하여 순차적으로 충전하는 방식으로 충전하는 경우를 고려한다. 그 복수 개의 충전 대상물은 무선 전력 전송부에서 볼 때 서로 다른 방향에 위치할 수 있다. 무선충전대상인 전기기기(500-1)는 무선 전송된 자기장을 통해 전력을 받아서 배터리에 충전할 수 있는 무선충전장치(비도시)를 내장하고 있다. 만약 메타물질 장치(200 또는 200-1)가 무선전력전송 장치(300)에 설치되어 있지 않은 경우에는, 도 5에서 파란색으로 표시된 자기장이 송출될 수 있다. 즉, 무선충전대상인 전기기기(500-1)에 이르는 자기장의 양이 현저히 적다. A case where a plurality of wireless charging target electric apparatuses 500-1 and 500-2 are located in the vicinity of the wireless power transmission apparatus 300 will be considered. It is also considered to charge the plurality of objects to be charged in such a manner that the charging time is assigned differently and sequentially charged. The plurality of charging objects may be located in different directions when viewed from the wireless power transmission unit. The electric device 500-1, which is a wireless charging object, has a built-in wireless charging device (not shown) that can receive electric power through a wirelessly transmitted magnetic field and charge the battery. If the meta-material device 200 or 200-1 is not installed in the wireless power transmission device 300, the magnetic field indicated by blue in FIG. 5 may be transmitted. That is, the amount of the magnetic field reaching the electric device 500-1 to be wirelessly charged is considerably small.

하지만 본 발명에 따른 메타물질 장치(200 또는 200-1)가 무선전력전송 장치(300)에 설치되어 있다. 위치센서(180)는 충전대상 전기기기(500-1, 500-2) 각각의 위치 정보를 검출하여 캐패시턴스 스위칭 제어부(190)에 제공한다. 위치센서(180)를 통하여 충전대상 전기기기(500-1, 500-2)의 위치를 알아내고, 그 각도에 따른 자기장 방향성의 정보를 가지고 있다면, 가변 캐패시터부(140)의 캐패시턴스를 적응적으로 조절할 수 있다. 즉, 캐패시턴스 스위칭 제어부(170)는 각 전기기기(500-1, 500-2)의 위치정보에 기초하여, 송신코일(320)에서 생성시킨 자기장이 각 전기기기(500-1, 500-2)의 무선전력 수신부(비도시)에 최대한 많이 쇄교하도록 그 자기장의 방향을 제어한다. 각 전기기기(500-1, 500-2)에 대한 자기장의 방향 제어는 해당 전기기기의 위치정보에 따른 단속가능 캐패시터(140-1, ..., 140-N) 어레이의 스위칭 소자(144)의 온/오프 제어를 통해 유효 캐패시턴스 값을 조절함으로써 이루어질 수 있다. 캐패시턴스 값이 변함에 따라 해당 주파수의 투자율도 변하게 된다. 메타물질의 캐패시턴스를 적응적으로 조절함으로써 자기장의 방향성을 조절하여, 보다 효과적인 무선충전을 가능하게 할 수 있다.However, the meta-material device (200 or 200-1) according to the present invention is installed in the wireless power transmission device (300). The position sensor 180 detects the position information of each of the electric equipment 500-1 and 500-2 to be charged and provides the detected information to the capacitance switching controller 190. [ If the position of the electric equipment 500-1 or 500-2 to be charged is detected through the position sensor 180 and the information of the direction of the magnetic field is obtained according to the angle, the capacitance of the variable capacitor unit 140 is adaptively Can be adjusted. That is, the capacitance switching controller 170 controls the capacitance switching controller 170 based on the position information of the electric devices 500-1 and 500-2 so that the magnetic field generated by the transmission coil 320 is transmitted to the electric devices 500-1 and 500-2, The direction of the magnetic field is controlled so as to link the wireless power receiving unit (not shown) The direction control of the magnetic field with respect to each of the electric devices 500-1 and 500-2 is controlled by the switching device 144 of the intermittent capacitors 140-1 to 140- By controlling the effective capacitance value through on / off control of the ON / As the capacitance value changes, the magnetic permeability of the corresponding frequency also changes. By adjusting the capacitance of the meta-material adaptively, it is possible to control the directionality of the magnetic field to enable more effective wireless charging.

메타물질 장치(200 또는 200-1)의 적응형 캐패시턴스 제어부(160)는 복수 개의 무선충전대상 전기기기(500-1, 500-2)의 위치를 검출하고, 검출된 위치 정보에 기초하여 송전코일(322)에서 나온 자기장이 시분할방식으로 복수 개의 충전대상 전기기기(500-1, 500-2)의 방향으로 순차적으로 굴절되도록 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀(100) 각각의 캐패시턴스 크기를 액티브하게 제어한다. 이에 의해, 복수 개의 충전대상 전기기기(500-1, 500-2)를 한꺼번에 무선충전할 수 있다. The adaptive capacitance control unit 160 of the meta-material device 200 or 200-1 detects the positions of the plurality of wireless charging target electric devices 500-1 and 500-2, The capacitance of each of the plurality of unit meta-material cells 100 is actively controlled so that the magnetic field generated by the plurality of unit-meta-material cells 322 is sequentially refracted in the direction of the plurality of electrical apparatuses 500-1 and 500-2 in a time- do. Thereby, it is possible to wirelessly charge the plurality of electric equipment to be charged 500-1, 500-2 at once.

이와 같은 무선전력전송 시스템(400)에 의하면, 가변 캐패시턴스를 제공할 수 있는 가변 캐패시터부(140)와 무선충전대상물의 위치를 알아내는 위치센서(190)를 적용하여 자기장의 진행방향을 무선충전 대상물로 향하게 조절함으로써 전기기기의 무선충전 가능 범위를 효과적으로 늘릴 수 있다.According to such a wireless power transmission system 400, the variable capacitor unit 140, which can provide variable capacitance, and the position sensor 190, which detects the position of the wireless charging object, The wireless rechargeable range of the electric device can be effectively increased.

본 발명은 무선전력전송 또는 무선충전에 이용될 수 있다. 구체적으로, 다수의 무선충전대상물을 한꺼번에 무선충전하는 용도로 활용될 수 있다.The present invention can be used for wireless power transmission or wireless charging. Specifically, the present invention can be utilized for wirelessly charging a plurality of wirelessly charged objects at once.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.

100: 메타물질 셀 110: 유전체 기판
120: 인덕터부 140: 가변 캐패시터부
140-1: 단속가능 캐패시터 142: 캐패시터
144: 스위칭 소자 160: 적응형 캐패시턴스 제어부
170: 캐패시터 스위칭 제어부 180: 위치 센서
200: 메타물질 장치 210: 메타물질 구조체
300: 무선전력전송 장치 310: 거치 기구
320: 송전코일 350: 급전부
500-1, 500-2: 무선충전 대상 전기기기100: meta-material cell 110: dielectric substrate
120: inductor unit 140: variable capacitor unit
140-1: intermittent capacitors 142: capacitors
144: switching element 160: adaptive capacitance control unit
170: capacitor switching control unit 180: position sensor
200: metamaterial device 210: metamaterial structure
300: wireless power transmission device 310: mounting device
320: power transmission coil 350:
500-1, 500-2: Electric equipment to be charged wirelessly

Claims (11)

유전체 기판과, 상기 유전체 기판 상에 서로 인접하면서 밀집 배치된 복수 개의 단위 메타물질 셀을 포함하는 메타물질 구조체; 및
상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 크기를 조절하기 위한 적응형 캐패시턴스 제어부를 포함하며,
상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각은,
상기 적응형 캐패시턴스 제어부에 의한 제어에 의해 캐패시턴스 값이 가변될 수 있는 가변 캐패시터부; 및
상기 유전체 기판 상에 설치되고 상기 가변 캐패시터부와 전기적으로 결합되며 인덕턴스 성분을 제공하는 인덕터부를 포함하며,
상기 가변 캐패시터부의 캐패시턴스 크기를 조절하는 것에 의해 공진주파수를 액티브하게 가변시켜 입사하는 자기장을 원하는 방향으로 굴절시켜 원하는 형태로 빔포밍할 수 있는 것을 특징으로 하는 메타물질 장치.A meta-material structure including a dielectric substrate, and a plurality of unit meta-material cells arranged closely adjacent to each other on the dielectric substrate; And
And an adaptive capacitance controller for adjusting a capacitance of each of the plurality of unit meta-material cells,
Wherein each of the plurality of unit meta-
A variable capacitor unit capable of varying a capacitance value by control by the adaptive capacitance control unit; And
And an inductor unit provided on the dielectric substrate and electrically coupled to the variable capacitor unit and providing an inductance component,
Wherein the resonance frequency is actively varied by adjusting a capacitance of the variable capacitor unit to refract an incident magnetic field in a desired direction to form a beam shape in a desired shape. 제1항에 있어서, 상기 적응형 캐패시턴스 제어부는 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 값을 독립적으로 조절할 수 있는 캐패시터 스위칭 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타물질 장치.The meta-material device according to claim 1, wherein the adaptive capacitance controller comprises a capacitor switching controller capable of independently adjusting a capacitance value of each of the plurality of unit meta-material cells. 제2항에 있어서, 상기 적응형 캐패시턴스 제어부는 무선충전 대상 전기기기의 위치를 검출하여 검출된 위치 정보에 대응하는 제어 디지털 코드를 상기 캐패시터 스위칭 제어부에 제공하는 위치센서를 더 포함하고,
상기 캐패시턴스 스위칭 제어기는 상기 위치센서로부터 제공받는 상기 제어 디지털 코드에 기초하여 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 크기를 조절하고, 이에 의해 메타물질 구조체에 입사하는 자기장의 진행방향이 상기 무선충전 대상 전기기기 쪽으로 굴절되게 하는 것을 특징으로 하는 메타물질 장치.3. The apparatus of claim 2, wherein the adaptive capacitance controller further comprises a position sensor for detecting a position of the wireless charging object electric device and providing a control digital code corresponding to the detected position information to the capacitor switching controller,
Wherein the capacitance switching controller adjusts the capacitance magnitude of each of the plurality of unit meta-material cells based on the control digital code provided from the position sensor so that a traveling direction of a magnetic field incident on the meta- To refract towards the electrical device. 제2항에 있어서, 각 단위 메타물질 셀의 상기 가변 캐패시터부는 스위칭 소자와 적어도 하나의 캐패시터가 직렬 연결된 단속가능 캐패시터(Switchable Capacitor)를 복수 개 포함하며, 상기 복수 개의 단속가능 캐패시터는 서로 병렬로 연결되며,
상기 캐패시턴스 스위칭 제어기가 각 단위 메타물질 셀에 포함된 상기 단속가능 캐패시터의 스위칭 소자를 온/오프 제어하는 것에 의해 각 단위 메타물질 셀의 가변 캐패시터부의 캐패시턴스를 가변적으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 메타물질 장치.The apparatus according to claim 2, wherein the variable capacitor portion of each unit meta-material cell includes a plurality of switchable capacitors connected in series with a switching element and at least one capacitor, and the plurality of intermittable capacitors are connected in parallel And,
Wherein the capacitive switching controller is capable of variably controlling a capacitance of a variable capacitor portion of each unit meta-material cell by controlling ON / OFF of a switching element of the intermittent capacitor included in each unit meta-material cell. Device. 제4항에 있어서, 상기 복수 개의 단속가능 캐패시터를 포함하는 상기 가변 캐패시터부는 칩 형태로 구현되어 상기 유전체 기판 상의 각 단위 메타물질 셀 영역에 상기 인덕터부와 전기적으로 결합되는 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 메타물질 장치.The variable capacitor unit according to claim 4, wherein the variable capacitor unit including the plurality of intermittable capacitors is implemented in a chip form and is installed in a form that is electrically coupled to the inductor unit in each unit meta material cell region on the dielectric substrate Lt; / RTI > 제4항에 있어서, 상기 복수 개의 단속가능 캐패시터를 포함하는 상기 가변 캐패시터부는, 상기 적응형 캐패시턴스 제어부와 함께, 별도의 인쇄회로기판에 설치되어 상기 인덕터부와 도선을 통해 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 메타물질 장치.The variable capacitor unit according to claim 4, wherein the variable capacitor unit including the plurality of intermittable capacitors is mounted on a separate printed circuit board together with the adaptive capacitance control unit and is electrically coupled to the inductor unit via a conductive line Lt; / RTI > 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적응형 캐패시턴스 제어부는 상기 자기장이 시분할방식으로 서로 다른 복수의 방향으로 순차적으로 굴절되도록 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 크기를 액티브하게 제어하는 것을 특징으로 하는 메타물질 장치.The apparatus as claimed in claim 1 or 2, wherein the adaptive capacitance controller controls the capacitance of each of the plurality of unit meta-material cells to be actively controlled so that the magnetic field is sequentially refracted in a plurality of different directions in a time- Lt; / RTI > 거치 기구와, 무선전력전송에 필요한 전류를 생성하는 급전부와, 상기 거치기구에 설치되고 상기 급전부가 공급하는 전류를 흘려 자기장을 송출하는 송전코일을 포함하는 무선전력전송 장치; 및
상기 거치 기구에 설치되며 상기 자기장이 진행하는 경로 상에 위치하여 상기 자기장을 원하는 방향으로 굴절시키기 위한 메타물질 장치를 구비하며,
상기 메타물질 장치는,
유전체 기판과, 상기 유전체 기판 상에 서로 인접하면서 밀집 배치된 복수 개의 단위 메타물질 셀을 포함하는 메타물질 구조체; 및
상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 크기를 조절하기 위한 적응형 캐패시턴스 제어부를 포함하며,
상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각은,
상기 적응형 캐패시턴스 제어부에 의한 제어에 의해 캐패시턴스 값이 가변될 수 있는 가변 캐패시터부; 및
상기 유전체 기판 상에 배치되고 상기 가변 캐패시터부에 연결되며 인덕턴스 성분을 제공하는 인덕터부를 포함하며,
상기 메타물질 장치는 상기 가변 캐패시터부의 캐패시턴스 값을 조절하는 것에 의해 공진주파수를 액티브하게 가변시켜 입사하는 자기장을 원하는 형태로 빔포밍할 수 있는 것을 특징으로 하는 메타물질 장치를 이용한 무선전력전송 시스템.A radio power transmission device including a stationary mechanism, a power feeder for generating a current required for wireless power transmission, and a power transmission coil installed in the stationary mechanism and flowing a current supplied by the power supply unit to transmit a magnetic field; And
And a meta-material device installed in the mounting mechanism and located on a path along which the magnetic field travels to refract the magnetic field in a desired direction,
The meta-
A meta-material structure including a dielectric substrate, and a plurality of unit meta-material cells arranged closely adjacent to each other on the dielectric substrate; And
And an adaptive capacitance controller for adjusting a capacitance of each of the plurality of unit meta-material cells,
Wherein each of the plurality of unit meta-
A variable capacitor unit capable of varying a capacitance value by control by the adaptive capacitance control unit; And
And an inductor unit disposed on the dielectric substrate and connected to the variable capacitor unit and providing an inductance component,
Wherein the metamaterial device is capable of actively varying a resonance frequency by adjusting a capacitance value of the variable capacitor section to be capable of beam-forming an incident magnetic field in a desired form. 제8항에 있어서, 상기 적응형 캐패시턴스 제어부는 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 값을 독립적으로 조절할 수 있는 캐패시터 스위칭 제어부; 및 무선충전 대상 전기기기의 위치를 검출하여 검출된 위치 정보에 대응하는 제어 디지털 코드를 상기 캐패시터 스위칭 제어부에 제공하는 위치센서를 포함하며,
상기 캐패시턴스 스위칭 제어기는 상기 위치센서로부터 제공받는 상기 제어 디지털 코드에 기초하여 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 크기를 조절하고, 이에 의해 메타물질 구조체에 입사하는 자기장의 진행방향이 상기 무선충전 대상 전기기기 쪽으로 굴절되게 하는 것을 특징으로 하는 메타물질 장치를 이용한 무선전력전송 시스템.The apparatus of claim 8, wherein the adaptive capacitance controller comprises: a capacitor switching controller capable of independently adjusting a capacitance value of each of the plurality of unit meta-material cells; And a position sensor for detecting a position of the electric appliance to be charged and providing a control digital code corresponding to the detected position information to the capacitor switching controller,
Wherein the capacitance switching controller adjusts the capacitance magnitude of each of the plurality of unit meta-material cells based on the control digital code provided from the position sensor so that a traveling direction of a magnetic field incident on the meta- Wherein the meta-material is refracted toward the electrical device. 제8항에 있어서, 상기 적응형 캐패시턴스 제어부는 복수 개의 무선충전대상 전기기기의 위치를 검출하고, 검출된 위치 정보에 기초하여 상기 자기장이 시분할방식으로 상기 복수 개의 충전대상 전기기기의 방향으로 순차적으로 굴절되도록 상기 복수 개의 단위 메타물질 셀 각각의 캐패시턴스 크기를 액티브하게 제어함으로써, 상기 복수 개의 충전대상 전기기기를 한꺼번에 무선충전할 수 있는 것을 특징으로 하는 메타물질 장치를 이용한 무선전력전송 시스템.9. The apparatus according to claim 8, wherein the adaptive capacitance control unit detects the positions of the plurality of wireless charging object electric devices, and based on the detected position information, the magnetic fields are sequentially Wherein the capacitance of each of the plurality of unit meta-material cells is actively controlled so as to be refracted so that the plurality of electric equipment to be charged can be charged at once. 제10항에 있어서, 각 단위 메타물질 셀의 상기 가변 캐패시터부는 스위칭 소자와 적어도 하나의 캐패시터가 직렬 연결된 단속가능 캐패시터(Switchable Capacitor)를 복수 개 포함하며, 상기 복수 개의 단속가능 캐패시터는 서로 병렬로 연결되며,
상기 캐패시턴스 스위칭 제어기가 각 단위 메타물질 셀에 포함된 상기 단속가능 캐패시터의 스위칭 소자를 온/오프 제어하는 것에 의해 각 단위 메타물질 셀의 가변 캐패시터부의 캐패시턴스를 가변적으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 메타물질 장치를 이용한 무선전력전송 시스템.11. The method of claim 10, wherein the variable capacitor portion of each unit meta-material cell includes a plurality of switchable capacitors connected in series with a switching element and at least one capacitor, and the plurality of intermittable capacitors are connected in parallel And,
Wherein the capacitive switching controller is capable of variably controlling a capacitance of a variable capacitor portion of each unit meta-material cell by controlling ON / OFF of a switching element of the intermittent capacitor included in each unit meta-material cell. Wireless Power Transmission System Using Device.
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