KR20130082119A - 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치 - Google Patents

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Abstract

전기적 그리고 무선 기술과 특히 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로 링 공진기들을 포함하고, 상기 링 공진기들은 메타물질 특징을 갖는 조합으로 대표되며, 상기 조합은 캐패시터들과 병렬로 연결된 스플릿 링(split-ring) 공진기들을 포함할 수 있다. 상기 스플릿 링 공진기들은 각각 전면과 후면이 교대로 트위스트되어(twisted) 연결되고, 각각의 스플릿 링 공진기는 유전체 레이어에 마운트 된 메탈 스트립으로서 동작하며, 직렬 캐패시터에 의하여 이웃하는 스플릿 링 공진기와 연결될 수 있다.

Description

무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치{SELF-RESONANT APPARATUS FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM}
아래의 실시 예들은 전기적, 무선 기술에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
무선 전파를 이용한 전력 전송 분야에서 많은 해결방안들이 제안 되었고, 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)에 의해 기본 아이디어들이 고안되었다.
"정류 안테나(rectenna)"로 알려진 장치는 무선 에너지 전송에 사용되었다. 정류 안테나(rectenna)는 마이크로웨이브(microwave) 에너지를 직류 전력으로 직접 변환하는데 사용되었다. 다른 유형의 안테나들은 RF 신호를 수신하는데 사용될 수 있다.
대부분의 무선 전력 전송 시스템(wireless power transmission)은 GHz 주파수범위에서 동작한다. 상기 방법의 단점 중의 하나는 해당 주파수 범위가 인체에 해롭다는 것이다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치는 링 공진기들을 포함하고, 상기 링 공진기들은 메타물질 특징을 갖는 조합으로 대표되며, 상기 조합은 캐패시터들과 병렬로 연결된 스플릿 링(split-ring) 공진기들을 포함하고, 상기 스플릿 링 공진기들은 각각 전면과 후면이 교대로 트위스트되어(twisted) 연결되고, 각각의 스플릿 링 공진기는 유전체 레이어에 마운트 된 메탈 스트립으로서 동작하며, 직렬 캐패시터에 의하여 이웃하는 스플릿 링 공진기와 연결될 수 있다.
상기 스플릿 링(split-ring) 공진기들은 회전하고, 상기 회전의 각도는 직렬로 표면에 마운트(surface-mounted)된 캐패시터가 상기 마운트를 위해 최적의 공간을 갖도록 선택될 수 있다.
상기 스플릿 링(split-ring) 공진기들은 원형 또는 다각형일 수 있다.
상기 유전체 레이어의 두께는 50㎛에서 1500㎛의 범위에서 값을 가질 수 있다.
상기 유전체 레이어의 유전율은 2에서 20의 범위에서 값을 가질 수 있다.
상기 스플릿 링 공진기들의 수는 적어도 두 개 이상일 수 있다.
상기 스플릿 링 공진기들의 동작 주파수 대역은 1 메가헤르츠(MHz)에서 100 메가헤르츠(MHz)일 수 있다.
상기 캐패시터들과 병렬로 커플링 된 스플릿 링(split-ring) 공진기들은 저온 동시 소성 세라믹(co-fired ceramic) 기술 또는 인쇄 회로 기판 (printed circuit board) 기술로 제조될 수 있다.
상기 캐패시터와 병렬로 연결된 상기 스플릿 링(split-ring) 공진기들 각각은 병렬 공진 LC회로 및 직렬 캐패시터로 구성된 등가 회로를 포함할 수 있다.
상기 병렬 공진 LC회로는 인덕티브 소자와 캐패시티브 소자를 포함하고, 액티브 리액턴스와 직렬로 연결될 수 있다.
상기 조합은 복수의 셀들을 포함하는 등가회로로 나타낼 수 있고, 각 셀은 병렬로 연결된 스플릿 링(split-ring) 공진기와 캐패시터에 의해 형성되는 병렬 공진 회로를 포함하고, 상기 셀들은 상기 직렬 캐패시터에 의하여 직렬로 연결될 수 있다.
상기 병렬 공진 회로와 상기 직렬 캐패시터의 조합에 의해 메타물질에 대해서 전형적인 임피던스의 두 공진 응답을 나타낼 수 있다.
상기 조합의 Q 팩터는 100에서 200사이의 범위에서 값을 가질 수 있다.
상기 스플릿 링 공진기의 축을 따라 마그네틱 로드(rod)를 더 포함할 수 있다.
상기 마그네틱 로드는 페라이트(ferrite)로 구성될 수 있다.
상기 캐패시터들은 높은 유전율을 갖는 상기 유전체 레이어의 내부에 내장(embedded)될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 여덟 개의 페탈(petal)로 구성된 플랫 페탈(flat petal) 공진 구조를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 싱글 스플릿 링 공진기의 구조를 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치 에서 직렬 캐패시터와 병렬 캐패시터로 구성된 싱글 스플릿 링 공진기의 등가회로를 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 공진 셀에서 입력 임피던스의 크기와 주파수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 메타물질 공진 구조를 나타낸다.
도 7은 일 실시예에 따른 멀티 레이어(multi-layer) 공진 구조를 가지는 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 등가회로를 나타낸다.
도 8은 다른 일 실시예에 따른 멀티 레이어(multi-layer) 공진 구조를 가지는 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 레이어 바이 레이어(Layer-by-layer) 디자인을 나타낸다.
도 9는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 커플링 캐패시터(coupling capacitors)를 포함하는 멀티 레이어 자가 공진 구조를 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 커플링 캐패시터(coupling capacitors)를 포함하는 멀티 레이어 자가 공진 구조의 단면도를 나타낸다.
도 11은 일 실시예에 따른 마그네틱 로드(magnetic rode)를 포함하는 메타물질 공진 구조를 나타낸다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 소스(110) 및 타겟(120)을 포함한다. 소스(110)는 무선 전력을 공급하는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 패드, 단말, TV 등 전력을 공급할 수 있는 모든 전자기기가 포함될 수 있다. 타겟(120)은 무선 전력을 공급받는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 단말, TV, 자동차, 세탁기, 라디오, 전등 등 전력을 필요로 하는 모든 전자기기가 포함될 수 있다.
소스(110)는 가변 스위칭 모드 파워 서플라이(Variable SMPS(Switching Mode Power Supply))(111), 전력 증폭기(Power Amplifier)(112), 매칭 네트워크(113), 제어부(114) 및 통신부(115)를 포함한다.
가변 스위칭 모드 파워 서플라이(Variable SMPS(Switching Mode Power Supply)) (111)는 전력 공급기(Power Supply)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 스위칭하여 DC 전압을 생성한다. 가변 스위칭 모드 파워 서플라이(Variable SMPS(Switching Mode Power Supply)) (111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나 제어부(Tx Control Logic)(114)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
전력 검출기(Power Detector)(116)는 가변 스위칭 모드 파워 서플라이(Variable SMPS(Switching Mode Power Supply)) (111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어부(114)로 전달한다. 또한, 전력 검출기(Power Detector)(116)는 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수도 있다.
전력 증폭기(Power Amplifier)(112)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압를 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)는 기준 공진 주파수 FRef를 이용하여 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)에 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 복수의 타겟 디바이스들에서 사용되는 통신용 전력 또는 충전용 전력을 생성할 수 있다.
여기서, 통신용 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 타겟 디바이스의 디바이스 로드에서 소비되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미한다. 본 명세서에 있어서, "충전"이라는 용어는 전력을 충전하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로 사용될 수 있다. 또한, "충전"이라는 용어는 전력을 소비하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로도 사용될 수 있다. 여기서, 유닛(unit) 또는 요소(element)는 예를 들어 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함한다.
한편, 본 명세서에서 "기준 공진 주파수"는 소스(110)가 기본적으로 사용하는 공진 주파수의 의미로 사용된다. 또한, "트래킹 주파수"는 기 설정된 방식에 따라 조정된 공진 주파수의 의미로 사용된다.
제어부(114)는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"에 대한 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 타겟 공진기(133)와 소스 공진기(131) 사이의 미스매칭(mismatching)을 검출한다. 제어부(114)는 반사파의 포락선(envelop)을 검출함으로써, 미스 매칭을 검출하거나 반사파의 전력량을 검출함으로써 미스매칭을 검출할 수 있다.
매칭 네트워크(113)는 제어부(114)의 제어에 따라 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 간의 임피던스 미스매칭을 최적의 매칭으로 보상할 수 있다. 매칭 네트워크(113)는 캐패시터 또는 인덕터의 조합으로 제어부(114)의 제어에 따라 스위치를 통해 연결될 수 있다.
제어부(114)는 소스 공진기(131) 또는 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)의 출력 전압의 레벨 및 상기 반사파의 전압 레벨에 기초하여 전압정재파비(VSWR, Voltage standing wave ratio)를 계산하고, 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 커지면 상기 미스매칭이 검출된 것으로 결정할 수 있다.
또한, 제어부(114)는 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 커지면 기 설정된 N개의 트래킹 주파수 각각에 대한 전력 전송 효율을 계산하고, 상기 N개의 트래킹주파수 중 전력 전송 효율이 가장 좋은 트래킹 주파수 FBest를 결정하고, 상기 FRef를 상기 FBest로 조정할 수 있다.
또한, 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 조정할 수 있다. 제어부(114)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 제어부(114)는 는 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)를 제어함으로써, 타겟(120)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 즉, 통신부(115)는 인-밴드 통신을 통해 타겟(120)과 다양한 데이터(140)를 전송할 수 있다. 또한, 제어부(114)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 타겟(120)으로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.
제어부(114)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, 제어부(114)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. 제어부(114)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.
한편, 통신부(115)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(115)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟(120)과 데이터(140)를 전송할 수 있다.
소스 공진기(131)는 전자기(electromagnetic) 에너지(130)를 타겟 공진기(133)로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(131)는 타겟 공진기(133)와의 마그네틱 커플링을 통해 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 타겟(120)으로 전달한다.
타겟(120)은 매칭 네트워크(121), 정류부(122), DC/DC 컨버터(123), 통신부(124) 및 제어부(125)를 포함한다.
타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 즉, 타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스(110)로부터 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 수신한다. 또한, 타겟 공진기(133)는 인-밴드 통신을 통해 소스(110)로부터 다양한 데이터(140)를 수신할 수 있다.
매칭 네트워크(121)는 소스(110) 측으로 보이는 입력 임피던스와 부하(Load)측으로 보이는 출력 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 매칭 네트워크(121)는 캐패시터와 인덕터의 조합으로 구성될 수 있다.
정류부(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 즉, 정류부(122)는 타겟 공진기(133)에 수신된 교류 전압을 정류한다.
DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 Load에서 필요로 하는 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
전력 검출기(Power Detector)(127)는 DC/DC 컨버터(123)의 입력단(126)의 전압과 출력단의 전류 및 전압을 검출할 수 있다. 검출된 입력단(126)의 전압은 소스에서 전달되는 전력의 전송 효율을 계산하는데 사용될 수 있다. 검출된 출력단의 전류 및 전압은 제어부(Rx Control Logic)(125)가 부하(Load)에 전달되는 전력을 계산하는데 사용될 수 있다. 소스(110)의 제어부(114)는 Load의 필요전력과 Load에 전달되는 전력을 고려하여, 소스(110)에서 전송해야 할 전력을 결정할 수 있다.
통신부(124)를 통해 계산된 출력단의 전력이 소스(110)로 전달되면, 소스(110)전송해야 할 전력을 계산할 수 있다.
통신부(124)는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)과 정류부(122) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류부(122)의 출력 신호를 검출하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 즉, 제어부(125)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, 제어부(125)는 매칭 네트워크(121)를 통하여 타겟 공진기(133)의 임피던스를 조정함으로써, 소스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 간단한 예로, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)의 임피던스를 증가 시킴으로써, 소스(110)의 제어부(114)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 소스(110)의 제어부(114)는 이진수 "0" 또는 " 1"을 검출할 수 있다.
통신부(124)는 "해당 타겟의 제품의 종류", "해당 타겟의 제조사 정보", "해당 타겟의 모델명", "해당 타겟의 Battery type", "해당 타겟의 충전 방식", "해당 타겟의 Load의 임피던스 값", "해당 타겟의 타겟 공진기의 특성에 대한 정보", "해당 타겟의 사용 주파수 대역에 대한 정보", "해당 타겟의 소요되는 전력량", "해당 타겟의 고유의 식별자" 및 "해당 타겟의 제품의 버전 또는 규격 정보"를 포함하는 응답 메시지를 소스(110)의 통신부(115)로 전송할 수 있다.
한편, 통신부(124)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(124)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(124)는 아웃-밴드 통신을 통해 소스(110)와 데이터(140)를 송수신 할 수 있다.
통신부(124)는 소스(110)로부터 웨이크-업 요청 메시지를 수신하고, Power Detector(127)는 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양을 검출하며, 통신부(124)는 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양에 대한 정보를 소스(110)로 전송할 수 있다. 이때, 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양에 대한 정보는, "정류부(122)의 입력 전압 값 및 전류 값", "정류부(122)의 출력 전압 값 및 전류 값" 또는 "DC/DC 컨버터(123)의 출력 전압 값 및 전류 값"이다.
도 1에서, 제어부(114)는 소스 공진기(131)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정할 수 있다. 소스 공진기(131)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)의 설정에 따라서, 소스 공진기(131)의 퀄리티-팩터(Q-factor)(QS)가 결정될 수 있다.
또한, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정할 수 있다. 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)의 설정에 따라서, 타겟 공진기(133)의 퀄리티-팩터(Q-factor)가 결정될 수 있다. 이때, 소스 공진기(131)의 공진 대역폭은 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정될 수 있다.
통신을 통해, 소스(110)와 타겟(120)은 소스 공진기(131) 및 타겟 공진기(133) 각각의 공진 대역폭에 대한 정보를 공유할 수 있다. 타겟(120)으로부터 기준값 보다 높은 전력(High Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(131)의 퀄리티-팩터(Q-factor) QS는 100 보다 큰 값으로 설정될 수 있다. 또한, 타겟(120)으로부터 기준 값 보다 낮은 전력(Low Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(131)의 퀄리티-팩터(Q-factor) QS는 100보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
공진 방식의 무선 전력 전송에서, 공진 대역폭은 중요한 factor이다. 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭, 반사 신호 등을 모두 고려한 퀄리티-팩터(Q-factor)를 Qt라 할 때, Qt는 수학식 1과 같이 공진 대역폭과 반비례 관계를 갖는다.
[수학식 1]
Figure pat00001
수학식 1에서, f0는 중심주파수,
Figure pat00002
는 대역폭,
Figure pat00003
는 공진기 사이의 반사 손실, BWS는 소스 공진기(131)의 공진 대역폭, BWD는 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭을 나타낸다.
한편, 무선 전력 전송에 있어서, 무선 전력 전송의 효율 U는 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00004
여기서, K는 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 에너지 커플링에 대한 결합 계수,
Figure pat00005
는 소스 공진기(131)에서의 반사계수,
Figure pat00006
는 타겟 공진기(133)에서의 반사계수,
Figure pat00007
는 공진 주파수, M은 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 상호 인덕턴스, RS는 소스 공진기(131)의 임피던스, RD는 타겟 공진기(133)의 임피던스, QS는 소스 공진기(131)의 퀄리티-팩터(Q-factor), QD는 타겟 공진기(133)의 퀄리티-팩터(Q-factor), QK는 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 에너지 커플링에 대한 퀄리티-팩터(Q-factor)이다.
상기 수학식 2를 참조하면, 퀄리티-팩터(Q-factor)는 무선 전력 전송의 효율과 관련이 높다.
따라서, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위하여 퀄리티-팩터(Q-factor)는 높은 값으로 설정된다. 이때, QS 와 QD가 각각 지나치게 높은 값으로 설정된 경우, 에너지 커플링에 대한 결합 계수 K의 변화, 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭 등에 의하여 무선 전력 전송의 효율이 감소하는 현상이 발생할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위해, 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 각각의 공진 대역폭을 지나치게 좁게(narrow) 설정하면, 외부의 작은 영향에도 임피던스 미스매칭 등이 쉽게 발생할 수 있다. 임피던스 미스매칭을 고려하면, 수학식 1은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00008

도 1에서, 소스(110)는 타겟(120)의 웨이크-업을 위한 웨이크 업 전력을 무선으로 전송하고, 무선 전력 전송 네트워크를 구성하기 위한 구성 신호(configuration signal)를 브로드캐스트하고, 상기 구성 신호(configuration signal)의 수신 감도 값을 포함하는 서치 프레임을 상기 타겟(120)으로부터 수신하고, 상기 타겟(120)의 조인을 허락하고, 무선 전력 전송 네트워크에서 상기 타겟(120)을 식별하기 위한 식별자를 상기 타겟(120)으로 전송하고, 전력 제어를 통해 충전 전력을 생성하고, 상기 충전 전력을 무선으로 상기 타겟(120)에 전송할 수 있다.
또한, 타겟(120)은 복수의 소스 디바이스들 중 적어도 하나로부터 웨이크 업 전력을 수신하고, 상기 웨이크-업 전력을 사용하여 통신 기능을 활성화하고, 상기 복수의 소스 디바이스들 각각의 무선 전력 전송 네트워크를 구성하기 위한 구성 신호를 수신하고, 상기 구성 신호의 수신 감도에 기초하여 소스(110)를 선택하고, 상기 선택된 소스(110)로부터 전력을 무선으로 수신할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 여덟 개의 페탈(petal)로 구성된 플랫 페탈(flat petal) 공진 구조를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 메타물질(metamaterial) 특징을 갖는 자가 공진 구조(self-resonant structure)는 다수의 동일한 셀(210~280)로 구성된 멀티 레이어(multi-layer) 구조를 가질 수 있다. 각각의 셀(210~280)은 스플릿 링(split-ring) 공진기(SRR)와 병렬 캐패시터로 구성될 수 있다.
각각의 셀(210~280)은 직렬 캐패시터와 직렬로 연결될 수 있다. 모든 캐패시터는 표면에 연결(surface-mounted)된 요소(element)로써 표현될 수 있다.
자가 공진 구조(self-resonant structure)는 병렬 공진 회로와 직렬 캐패시터의 조합으로 설계될 수 있다. 이때 a는 각각의 셀(210~280)의 반지름을 나타내고, b는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 반지름을 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 싱글 스플릿 링 공진기의 구조를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 스플릿 링 공진기 SRR 1(300)는 홈(310)을 갖는 원형 모양일 수 있다.
SRR 1(300)은 얇은 금속 스트립(strip)(320, 330)을 구성으로 포함할 수 있다. 예를 들어 구리로 만들어진, 금속 스트립(320, 330)은 유전체 레이어(dielectric layer)의 상부에 위치할 수 있다. 금속 스트립(320) 및 금속 스트립(330), 금속 스트립(320)과 금속 스트립(330) 사이의 스트립의 두께 b는 폭 a보다 작을 수 있다.
예를 들어, 도 3의 2r2는 SRR 1의 지름, a 는 메탈 스트립의 폭, b는 메탈 스트립의 두께를 나타낸다.
홈(310)의 모서리에서 금속 스트립(320, 330)은 진동을 위해 구비될 수 있다. 유전체 레이어(dielectric layer)의 두께는 10um에서 1500um 범위 이내의 값일 수 있다. 유전체 레이어(dielectric layer)의 유전율(dielectric permittivity)은 2에서 20 범위 이내의 값일 수 있다.
또한, SRR 1(300)은 임의의 면의 수로 이루어진 다각형으로 구현될 수도 있다. 임의의 면의 수는 SRR 1(300)과 연결되는 캐패시터의 마운트 기술에 따라 결정될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치 에서 직렬 캐패시터와 병렬 캐패시터로 구성된 싱글 스플릿 링 공진기의 등가회로를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 다수의 동일한 셀로 구성된 자가 공진 구조(self-resonant structure)는 등가회로로 표현될 수 있다.
각 셀은 SRR 1에 연결된 병렬 캐패시터 C1(410)을 포함하는 병렬 LC회로로 표현될 수 있다. 상기 다수의 동일한 셀들은 직렬 캐패시터 C0(420)에 의해 직렬로 연결될 수 있다. 상기 구조의 등가회로는 직렬로 연결된 복수의 동일한 셀의 직렬 연결 회로로 전환될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 공진 셀에서 입력 임피던스의 크기와 주파수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 도 4의 등가회로를 고려할 때, 입력 임피던스와 주파수 간의 관계에서 두 경우의 공진이 발생할 수 있다. 두 경우의 공진으로는 주파수 f1에서 직렬 공진(일반적으로 "정류 안테나(resonance)"로 알려진)이 있고, 주파수 f2에서 병렬 공진(일반적으로 "반공진(antiresonance)"로 알려진)이 있다.
공진 주파수 f1은 일 실시예에 따른 자가 공진 장치의 최소 입력 임피던스에서의 주파수에 해당하고, 주파수 f2는 입력 임피던스의 최대값에 해당할 때의 주파수일 수 있다.
발진 시스템에서의 공진 및 반공진은 시스템의 높은 퀄리티 팩터를 제공하기 위한 메타물질 공진 구조에서 발생하는 전형적인 현상이다.
공진 주파수는 캐패시터 C0(420)와 캐패시터 C1(410) 및 도 4의 등가회로로부터 계산되는 SRR 1의 임피던스에 의해 결정될 수 있다. 에너지 전송의 최대 효율은 공진 주파수 f1에서 동작할 때, 구현될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 메타물질 공진 구조를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 메타물질의 멀티 레이어 자가 공진 구조(multi-layer self-resonant structure)는 다수의 레이어로 이루어질 수 있다. 자가 공진 구조는 유전체 레이어(dielectric substrate)(610), 스플릿 링 공진기(SRR)에 해당하는 첫 번째 금속 레이어(620), 병렬로 연결된 캐패시터(630), 직렬로 연결된 캐패시터(640)를 포함할 수 있다. 금속 레이어(620)는 캐패시터(630), 캐패시터(640)와 함께 SRR 토폴로지를 구성할 수 있다. 첫 번째 금속 레이어(620)는 병렬 캐패시터(630)에 의해 단락 된다. 각 SRR은 인접한 SRR들과 직렬 캐패시터(640)에 의해 직렬로 연결된다.
다른 레이어에 위치하는 요소들 간에는 금속 처리된 홀 및 연결 커넥터를 이용하여 연결될 수 있다.
각각 SRR의 패턴으로 커버된 유전체 레이어(dielectric layers)(610)들은 하나씩 층층이 적층되고, 이때, 적층되는 유전체 레이어는 도 6에 보인 것처럼 각각의 레이어에 대하여 특정 각도로 회전할 수 있다. 유전체 레이어는 아래에 위치한 유전체 레이어보다 특정 각도만큼 회전한 위치에서 적층될 수 있다.
두 개의 인접한(neighboring) 스플릿 링 공진기 간의 각도는 표면에 직렬로 연결된 캐패시터(640)의 배치를 위한 충분한 공간을 제공하는 한도에서 선택될 수 있다.
병렬 캐패시터(630)의 각 SRR과 직렬 캐패시터(640)는 직렬 캐패시터 (640)와 직렬로 연결된 병렬 LC회로로 이루어진 전기적 등가 회로로 표현될 수 있다.
각 병렬 회로는 능동 저항과 직렬로 연결된 인덕턴스 및 능동 저항과 직렬로 연결된 캐패시터로 구성될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 멀티 레이어(multi-layer) 공진 구조를 가지는 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 등가회로를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 자가 공진 구조(self-resonant structure)의 전체 등가 회로는 다수의 동일한 셀로 구성된다. 각 셀은 SRR 및 SRR과 연결된 병렬 캐패시터(710)를 포함하는 병렬 LC회로로 이루어질 수 있다. 여기서 SRR은 싱글 턴(single-turn)의 인덕터로 표현될 수 있다. 다수의 셀들은 직렬 캐패시터(720)에 의해 직렬로 연결될 수 있다. 상기 구조의 등가회로는 직렬로 연결된 몇 개의 동일한 셀의 직렬 연결 회로로 전환될 수 있다.
다수의 SRR 간의 직렬 연결은 높은 인덕턴스를 제공하고, 높은 부하 임피던스 값을 가정할 수 있다. 모든 인덕터들은 상호 인덕턴스에 의해 결합될 수 있다. 이러한 결합으로 인하여, 자가 공진 구조의 Q값 (Q-factor)이 증가하게 된다.
도 8은 다른 일 실시예에 따른 멀티 레이어(multi-layer) 공진 구조를 가지는 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 레이어 바이 레이어(Layer-by-layer) 디자인을 나타낸다.
도 8을 참조하면, 1,2,…, N개의 멀티 레이어(multi-layer) 공진 구조에서 레이어들(810)을 구성하는 싱글 레이어 SRR의 도면은 도 6를 참조할 수 있다.
도 9는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 커플링 캐패시터(coupling capacitors)를 포함하는 멀티 레이어 자가 공진 구조를 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 커플링 캐패시터(coupling capacitors)를 포함하는 멀티 레이어 자가 공진 구조의 단면도를 나타낸다.
도 9와 10을 참조하면, 멀티 레이어 자가 공진 구조(multi-layer self-resonant structure) 집합의 회로는 작은 사이즈(< λ/100, λ은 파장)와 높은 퀄리티 팩터(Q- 150 to 200)를 보장할 수 있다.
상기 멀티 레이어 자가 공진 구조는 1에서 100MHz의 주파수 영역에서 동작할 수 있다.
많은 수의 레이어 사용은 멀티 레이어 자가 공진 구조의 입력 임피던스를 증가시키고 그 결과 부하 레지스턴스 값을 증가시킬 수 있다.
SRR(910)을 통해 더 균일한 자속 얻기 위해서 마그네틱 로드(magnetic rode)(ferrite core)는 SRR(910)의 공통 축을 따라 삽입될 수 있다.
멀티 레이어 자가 공진 구조는 SRR(910)은 금속 레이어(metal layer)(911), 유전체 레이어(dielectric layer)(912), 비아 연결부(via interconnection)(913), 직렬 표면 연결 캐패시터 C0(surface mounted capacitor C0)(914), 병렬 표면 연결 캐패시터 C1(surface mounted capacitor C1)(915)로 이루어질 수 있다.
각각의 셀들(910, 920, 930)은 동일한 구조로 이루어질 수 있고, 각각에 대하여 정확한 각도에서 회전될 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 마그네틱 로드(magnetic rode)를 포함하는 메타물질 공진 구조를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 마그네틱 로드(rod)를 포함하는 메타물질 자가 공진 구조(metamaterial self-resonant structure)에서, SRR의 전도(conducting) 레이어에서 균일한 전류 분포를 갖고, SRR 내부에서 더 균일한 마그네틱 필드를 가질수록 퀄리티 팩터가 증가할 수 있다.
SRR 구조에 마그네틱 로드(rod)(1110)가 삽입되면, SRR의 유효 면적이 증가하고, 전력 전송 시스템의 송수신 코일 사이의 유효 결합 계수가 커지게 된다.
제안된 자가 공진 구조(self-resonant structure)는 저온 동시 소성 세라믹(co-fired ceramic) 기술 또는 인쇄 회로 기판 (printed circuit board) 기술로 제작될 수 있다. 두 기술은 표면 마운팅(surface mounting) 기술의 사용에 적합하다. 제안된 구조는 또한 표면에 마운트 된(surface mounted) 캐패시터 없이 구현될 수 있다.
유전체 물질의 경우 상대적으로 높은 유전율 εr 을 갖고, 요구되는 캐패시터 값은 substrate 안에 캐패시터의 집적으로 나타내어진 내부 레이어의 캐패시턴스에 의해 획득을 수 있다.
제안된 공진 구조는 소형 장치를 포함한 다양한 전자 디바이스를 위한 휴대용 무선 충전기에 사용될 수 있다. 예를 들면, 모바일 폰을 위한 충전기에 제안된 공진 구조가 사용될 수 있다. 의학분야에서는 제안된 공진 구조가 심장 박동기, 심박기(pacemakers) 또는 소형 장치를 포함한 다른 전자 디바이스에 사용될 수 있다.
제안된 자가 공진기는 소형 장치에서 높은 인덕턴스 값을 구성할 수 있는 개선된 공진 구조를 제공할 수 있다. 또한, 공진 구조의 유도 요소들의 위치 사이에 어디에서든 상호 인덕턴스가 발생할 수 있고, 상기 구조의 전체 인덕턴스는 그에 상응하여 증가할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (16)

  1. 링 공진기들을 포함하고,
    상기 링 공진기들은 메타물질 특징을 갖는 조합으로 대표되며, 상기 조합은 캐패시터들과 병렬로 연결된 스플릿 링(split-ring) 공진기들을 포함하고, 상기 스플릿 링 공진기들은 각각 전면과 후면이 교대로 트위스트되어(twisted) 연결되고, 각각의 스플릿 링 공진기는 유전체 레이어에 마운트 된 메탈 스트립으로서 동작하며, 직렬 캐패시터에 의하여 이웃하는 스플릿 링 공진기와 연결되는
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스플릿 링(split-ring) 공진기들은 회전하고, 상기 회전의 각도는 직렬로 표면에 마운트(surface-mounted)된 캐패시터가 상기 마운트를 위해 최적의 공간을 갖도록 선택되는
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스플릿 링(split-ring) 공진기들은 원형 또는 다각형인
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 레이어의 두께는 50마이크로미터(um)에서 1500마이크로미터(um)의 범위에서 값을 갖는
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 레이어의 유전율은
    2에서 20의 범위에서 값을 갖는
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스플릿 링 공진기들의 수는 적어도 두 개 이상인
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스플릿 링 공진기들의 동작 주파수 대역은 1 메가헤르츠(MHz)에서 100 메가헤르츠(MHz)인
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 캐패시터들과 병렬로 연결된 스플릿 링(split-ring) 공진기들은 저온 동시 소성 세라믹(co-fired ceramic) 기술 또는 인쇄 회로 기판 (printed circuit board) 기술로 제조되는
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 캐패시터와 병렬로 연결된 상기 스플릿 링(split-ring) 공진기들 각각은 병렬 공진 LC회로 및 직렬 캐패시터로 구성된 등가 회로를 포함하는
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 병렬 공진 LC회로는 인덕티브 소자와 캐패시티브 소자를 포함하고, 액티브 리액턴스와 직렬로 연결되는
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 조합은 복수의 셀들을 포함하는 등가회로로 나타낼 수 있고,
    각 셀은 병렬로 연결된 스플릿 링(split-ring) 공진기와 캐패시터에 의해 형성되는 병렬 공진 회로를 포함하고,
    상기 셀들은 상기 직렬 캐패시터에 의하여 직렬로 연결되는
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 병렬 공진 회로와 상기 직렬 캐패시터의 조합에 의해 메타물질에 대해서 전형적인 임피던스의 두 공진 응답을 나타내는
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 조합의 Q 팩터는 100에서 200사이의 범위에서 값을 갖는
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 스플릿 링 공진기의 축을 따라 마그네틱 로드(rod)
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 마그네틱 로드는 페라이트(ferrite)로 구성된
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 캐패시터들은 높은 유전율을 갖는 상기 유전체 레이어의 내부에 내장된(embedded)
    무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
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