KR101558358B1 - 자기 공진을 이용한 무선 에너지 전송 구조체와 이를 구비한 전송 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기전자 기기 및 전기자동차 등에 자기 공진을 이용하여 무선으로 전력을 공급하는 자기 공진을 이용한 무선 에너지 전송 구조체와 이를 구비한 전송 장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체는, 사각 링 형상을 갖는 다수개의 공진 코일로 형성되고; 상기 사각 링 공진 코일에는 하나의 개구(open)가 형성되고; 각각의 사각 링 공진 코일의 크기는 상이하여 작은 사이즈의 사각 링 공진 코일이 큰 사이즈의 사각 링 공진 코일 내에 위치하되, 상기 개구가 대향하도록 위치하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기 공진을 이용한 무선 에너지 전송 구조체와 이를 구비한 전송 장치 {WIRELESS ENERGY TRANSFER STRUCTURE USING MAGNETIC RESONANCE AND APPARATUS THEREWITH}

본 발명은 전기전자 기기 및 전기자동차 등에 자기 공진을 이용하여 무선으로 전력을 공급하는 자기 공진을 이용한 무선 에너지 전송 구조체와 이를 구비한 전송 장치에 관한 것이다.

주지하고 있는 바와 같이 2차 산업, 예를 들면 자동차 산업은 전 세계적으로 지구온난화 및 가솔린 가격 상승으로 인해 친환경 에너지 절약형 자동차 위주로 변신하고 있다. 세계 각국 정부는 그린카 기술 개발, 전기자동차의 구입지원, 탄소가스 배출에 대한 과세, 연비향상 의무화 등의 정책을 적극적으로 채택하고 있으며, 이에 따라 자동차 업체들은 친환경 자동차 개발에 경쟁적으로 투자를 하고 있다.

전기자동차를 지구온난화 방지를 향한 유효한 수단으로 보급시키기 위한 과제 중 하나가 충전 인프라 정비로, 그 해결책의 하나로서 기대되는 것이 무선 충전 시스템이다. 최근 전기자동차 배터리를 위한 무선 충전 시스템에 주로 사용되는 방법은 인덕턴스 커플링(inductive coupling)에 의한 자기 유도 방식이다. 이러한 방식의 경우 대규모 전력 충전 운용이 어려우며 매우 근접한 거리 응용에만 이용할 수 밖에 없는 제한 사항을 가지고 있다. 즉, 지금까지 개발된 인덕턴스 커플링에 의한 자기 유도 방식이 전기자동차 배터리를 위한 무선 충전 기술로 실현가능하나 수 mm내에서만 적용이 가능하며, 일정 거리 이상에서는 효율이 크게 악화되는 한계가 있다. 따라서 전기자동차 배터리를 위한 무선 충전 기술을 적용하기 위한 편리성, 이동성, 유용성 및 전자파에 의한 인체 유해성 등에서 많은 취약점을 가지고 있다.

자기 유도 방식의 거리에 대한 문제점을 해결하기 위해 자기 공진형(magnetic resonance) 방식이 연구되고 있고, 많은 업체가 자기 공진형 (시)제품을 출시하고 있다.

자기 공진형 방식의 경우 자기유도 방식에 비해 상당한 충전거리 확보가 가능하다. 도 1에 일반적인 원형 구조의 공진 코일을 사용하는 자기 공진형 무선 에너지 전송 구조체를 개념적으로 나타내 보였다.

그러나, 원형 구조의 공진 코일에서 발생하는 자기장의 방사로 인한 손실은 어쩔 수 없이 발생하며, 이는 전송 효율에 악영향을 미친다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

공개특허공보 제10-2010-0015954호(2010.02.12.) 공개특허공보 제10-2011-0014649호(2011.02.11.)

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 자기 공진형 무선 충전 시스템의 전송 효율을 향상시키기 위하여 자기장의 방향을 굴절시켜 원하는 방향으로 변경하여 자기장 집속 효과를 발생시켜 전송효율을 높이고 전송거리를 증대시킬 수 있는 자기 공진을 이용한 무선 에너지 전송 구조체를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 과제는, 전기자동차에 적용 가능하도록 메타 전자파 구조를 이용한 자기장 집속 구조, 하이큐(High-Q) 공진 구조를 갖는 자기 공진을 이용한 무선 에너지 전송 구조체를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체는, 사각 링 형상을 갖는 다수개의 공진 코일로 형성되고; 상기 사각 링 공진 코일에는 하나의 개구(open)가 형성되고; 각각의 사각 링 공진 코일의 크기는 상이하여 작은 사이즈의 사각 링 공진 코일이 큰 사이즈의 사각 링 공진 코일 내에 위치하되, 상기 개구가 대향하도록 위치할 수 있다.

상기 사각 링 공진 코일은 자기장의 굴절율을 0(zero)으로 근사화시키는 메타물질(metamaterial)로 형성될 수 있다.

상기 다수개의 사각 링 공진 코일로 형성된 판상의 공진 셀(cell)이 적어도 2개 이상 적층된 적층 공진 셀을 포함할 수 있다.

상기 판상의 공진 셀의 다수개가 사각 링 형상으로 형성된 제1 공진체, 및

상기 판상의 공진 셀의 다수개가 바둑판 형상으로 형성된 제2 공진체를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 구조체는 상기 제1 공진체와 제2 공진체가 적층된 적층 공진체를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 에너지 전송 장치는, 사각 링 형상을 갖는 다수개의 공진 코일로 형성되고; 상기 사각 링 공진 코일에는 하나의 개구(open)가 형성되고; 각각의 사각 링 공진 코일의 크기는 상이하여 작은 사이즈의 사각 링 공진 코일이 큰 사이즈의 사각 링 공진 코일 내에 위치하되, 상기 개구가 대향하도록 위치하는 구조를 갖는 구조체를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 자기 공진형 무선 충전 시스템(또는 장치)의 전송 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 자기장의 방향을 굴절시켜 원하는 방향으로 변경하여 자기장 집속 효과를 발생시켜 전송효율을 높이고 전송거리를 증대시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 원형 구조의 공진 코일을 사용하는 자기 공진형 무선 에너지 전송 구조체를 개념적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체를 형성하는 단층(single layer) 공진 셀의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체를 형성하는 2층(2-layer) 공진 셀의 구조도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 유전율, 투자율의 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체를 형성하는 제1 공진 구조체의 구조도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체를 형성하는 제2 공진 구조체의 구조도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 적용 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 자기장 변화를 도시한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 전송 효율을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체의 자기장 접속 효과를 도시한 개념도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

명세서 전체에 걸쳐서 부재번호와 함께 쓰이는 영문자 a, b, c는, 특별히 다른 설명이 없는 한, 크기 또는 순서를 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다

도 2은 본 발명의 실시예에 따른 자기 공진을 이용한 무선 에너지 전송 구조체를 도시한 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체는, 예를 들어 전기자동차에 적용 가능하도록 메타물질의 전자파 구조를 이용한 자기장 집속 구조, 하이큐(High-Q) 공진 구조를 갖는 구조체이다.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 구조체(100)는, 사각 링 형상을 갖는 다수개의 공진 코일(10a, 10b, 10c)로 형성된다. 도 2에서 공진 코일이 3개 배치된 것으로 도시하였지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 이와 다른 구성이라고 하더라도 예를 들어 3개 이상의 공진 코일이 배치된 구성도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

상기 사각 링 공진 코일(10a, 10b, 10c)에는 각각 하나의 개구(open)(10ap, 10bp, 10cp)가 형성된다. 상기 개구의 형상은 도시된 바와 같이 슬릿 형상으로 할 수 있다.

도시된 바와 같이 각각의 사각 링 공진 코일(10a, 10b, 10c)의 크기는 상이하여 작은 사이즈의 사각 링 공진 코일이 큰 사이즈의 사각 링 공진 코일 내에 위치하되, 상기 개구가 대향하도록 위치할 수 있다. 예를 들어, 공진 코일(10a)은 공진 코일(10b) 안에 배치되고, 공진 코일(10b)는 공진 코일(10c) 안에 배치된다. 그리고, 공진 코일(10a)의 개구(10ap)와 공진 코일(10c)의 개구(10cp)는, 도시한 바와 같이 공진 코일(10b)의 개구(10bp)와 대향하도록 배치된다.

상기한 본 발명의 실시예에 따른 무선 에너지 전송 구조체(100)는 자기장 기반의 공진 방식의 기본 구조에 자기장의 굴절율을 0으로 근사화시켜서 옆으로 퍼져 나가는 자기장 성분을 수신장치(미도시) 쪽으로 집속시키는 형태를 갖는 구조이다.

상기 구조체(100)의 굴절율(n)은 공식

으로부터 투자율을 0(

)으로 근사화시킴으로써 굴절율(n)을 0으로 만들어 주는 메타물질 구조를 이용하여 자기장 성분을 집속시키는 역할을 할 수 있다.

따라서, 상기 구조체(100)를 포함하여 구성되는 전송장치(미도시)로부터 메타 구조체(즉, 본 발명의 실시예의 구조체(100))로 입사되는 자기장 성분은 기존의 무선 에너지 전송장치로부터 발생되는 자기장 성분이 원형으로 방사되는 형태와 다르게 메타구조를 통해 일직선으로 무선 에너지 수신 장치로 집중되게 된다.

본 발명의 실시예의 구조체(100)는 기존의 무선 에너지 전송장치 앞에 설치될 수 있고, 이때 메타구조인 분할 사각링 구조를 이용하여 커플링 계수를 높임으로써 높은 Q(Qulity Factor)값을 얻을 수 있으며 자기장 성분을 무선 에너지 수신장치로 집중시킴으로써 에너지 전송 효율을 높일 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다수개의 사각 링 공진 코일(10a, b, c)로 형성된 판상의 공진 구조체(100), 즉 단일 공진 셀(cell)이 2개 적층된 적층 공진 구조체(200), 즉 적층 공진 셀(200)를 도시한다. 도 3은 단일 공진 셀(100)이 2개 적층된 것을 도시하고 있지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 이와 다른 구성이라고 하더라도 예를 들어 3개 이상의 단일 공진 셀이 적층된 구성도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 메타구조 단일 공진 셀(100) 또는 적층 공진 셀(200)의 주파수 대역별 유전율(ε)과 투자율(μ)의 변화를 도시한다.

도 4를 참조하면, 전술한 바와 같이 원하는 주파수 대역에서 투자율이 0인 성능을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 자기장을 메타구조의 공진 셀(100)(200)의 기준면에 대해 수직으로 굴절시킨다는 것을 보여준다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다수개의 적층 공진 셀(200)을 사각 링 또는 바둑판 형상으로 배열하여 공진체로 할 수 있다.

즉, 도 5는 다수개의 적층 공진 셀(200)이 사각 링 형태로 배열된 제1 공진체(300)를 도시하고, 도 6은 다수개의 적층 공진 셀(200)이 바둑판 형태로 배열된 제2 공진체(400)를 도시한다.

도 5 및 도 6에 도시된 제1 공진체(300)와 제2 공진체(400)는 도 7에 도시한 바와 같이 무선 에너지 전송체(전송장치)(500) 및/또는 수신체(수신장치)(미도시)를 구성할 수 있다. 부재번호 550은 무선 에너지 전송 시스템의 한 구성요소인 카퍼 루프(copper loop)이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 메타구조 기반의 공진체의 자기장 방향의 변화를 보여주는 개념도이다.

도 8을 참조하면, 자기장의 벡터의 방향은 전송 루프를 중심으로 회전하지만, 메타기반 공진체 기준면에 대해 수직으로 방사되는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 공진 구조체(100)(200)는 메타물질 구조 기반의 높은 Q공진 및 자기장 성분을 집속시키는 고효율 무선 에너지 전송 구조체로서, 전원 공급이 요구되는 가전제품, 무선통신기기, 전기자동차 등의 다양한 응용분야에 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 공진 구조체를 송수신 장치에 각각 적용하여 전송 장치에서 에너지를 인가하고 수신장치(미도시)에서 전송된 에너지의 크기를 분석하는 것을 통하여 동작 특성을 분석한 예를 도 9에 나타내 보였다. 즉, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공진 구조체의 동작 주파수와 전송거리 400mm에서의 이득 곡선을 보여준다.

도 9와 관련하여 동작 주파수인 13.56Mhz에 따른 이득 곡선을 통하여 공진 주파수를 찾고, 해당 공진 주파수에서 전송거리인 400mm에서의 전송 효율을 계산하였다.

계산 결과, 400mm의 전송 거리에서 13.56Mhz의 공진 주파수에서 -0.419dB의 값을 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다. 이로써, 본 발명의 실시예에 따르면, 400mm의 전송 거리에서 90.8%의 매우 높은 전송효율을 나타냄을 알 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 공진 구조체가 적용된 장치가 400mm 전송거리에서 자기장을 집속하는 효과를 보이는 예시도이다.

이로써, 본 발명의 실시예에 따르면, 자기 공진형 무선 충전 시스템의 전송 효율을 향상시키기 위하여 자기장의 방향을 굴절시켜 원하는 방향으로 변경하여 자기장 집속 효과를 발생시켜 전송효율을 높이고 전송거리를 증대시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 공진 코일
100: 단일 공진 구조체(또는 셀)
200: 적층 공진 구조체(또는 셀)
300, 400: 공진체
500: 전송체(전송장치)

Claims (6)

1. 무선으로 에너지를 전송하기 위한 구조체로서,
   사각 링 형상을 갖는 다수개의 사각 링 공진 코일로 형성되고;
   상기 각각의 사각 링 공진 코일에는 하나의 개구(open)가 형성되고;
   각각의 사각 링 공진 코일의 크기는 상이하여 작은 사이즈의 사각 링 공진 코일이 큰 사이즈의 사각 링 공진 코일 내에 위치하되, 적어도 두 개의 개구가 대향하도록 위치하며,
   상기 다수개의 사각 링 공진 코일로 형성된 판상의 공진 셀(cell)이 적어도 2개 이상 적층된 적층 공진 셀을 포함하고,
   상기 판상의 공진 셀의 다수개가 사각 링 형상으로 형성된 제1 공진체, 및
   상기 판상의 공진 셀의 다수개가 바둑판 형상으로 형성된 제2 공진체를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송 구조체.
   
2. 제1항에서,
   상기 사각 링 공진 코일은 자기장의 굴절율을 0(zero)으로 근사화시키는 메타물질 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송 구조체.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제2항에서,
   상기 제1 공진체와 제2 공진체가 적층된 적층 공진체를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송 구조체.
   
6. 사각 링 형상을 갖는 다수개의 사각 링 공진 코일로 형성되고; 상기 각각의 사각 링 공진 코일에는 하나의 개구(open)가 형성되고; 각각의 사각 링 공진 코일의 크기는 상이하여 작은 사이즈의 사각 링 공진 코일이 큰 사이즈의 사각 링 공진 코일 내에 위치하되, 적어도 두 개의 개구가 대향하도록 위치하는 구조를 갖는 구조체를 포함하며,
   상기 구조체는, 상기 다수개의 사각 링 공진 코일로 형성된 판상의 공진 셀(cell)이 적어도 2개 이상 적층된 적층 공진 셀을 포함하고,
   상기 판상의 공진 셀의 다수개가 사각 링 형상으로 형성된 제1 공진체, 및
   상기 판상의 공진 셀의 다수개가 바둑판 형상으로 형성된 제2 공진체를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 전송 장치.

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