KR101730139B1

KR101730139B1 - 무선 전력 전송을 위한 공진기를 구비하는 배터리 팩

Info

Publication number: KR101730139B1
Application number: KR1020090124269A
Authority: KR
Inventors: 유영호; 박은석; 권상욱; 홍영택; 김남윤
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2017-05-11
Also published as: US8957629B2; US20110140541A1; KR20110067610A

Abstract

무선 전력 전송을 위한 공진기를 구비하는 배터리 팩이 개시된다.

본 발명의 일측에 따른 배터리 팩은, 무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기; 및 상기 박막 형 공진기에 의해 생성되는 전력에 의하여 전원을 충전하는 배터리를 포함한다.

무선 전력 전송, 공진기, 배터리,

Description

무선 전력 전송을 위한 공진기를 구비하는 배터리 팩{BATTERY PACK WITH WIRELESS POWER TRANSMISSION RESONATOR}

기술분야는, 무선 전력 전송을 위한 공진기 및 이를 구비하는 배터리 팩에 관한 것이다.

최근, 무선으로 전력을 전송하는 기술들에 관한 관심이 증가하고 있다. 특히, 핸드폰, 노트북, MP3 플레이어 등 다양한 유형의 모바일 디바이스들에 무선으로 전력을 공급하는 것은 좋은 무선 전력 전송 기술들의 좋은 어플리케이션이다. 무선 전력 전송 기술들 중 하나는 RF 소자들의 공명(resonance) 특성을 이용한다.

본 명세서에서는 무선 전력 전송을 위한 공진기 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제안한다.

상기 박막형 공진기는, 박막 형태의 제1 전송 선로부와, 박막 형태의 제2 전송 선로부 및 상기 제1 전송 선로부의 특정 위치에 삽입되는 커패시터를 포함할 수 있다.

상기 제1 전송 선로부는 상기 배터리의 상단에 위치하고, 상기 제2 전송부는 상기 배터리의 하단에 위치할 수 있다.

상기 박막형 공진기는, 강 자성체를 포함할 수 있다.

상기 박막 형 공진기 및 상기 배터리 사이에, 높은 임피던스 표면(HIS, High Impedance Suffice)이 구비될 수 있다.

상기 박막 형 공진기는, 박막 형태의 제1 전송 선로부와, 상기 제1 전송 선로부의 특정 위치에 삽입되는 커패시터 및 상기 제1 전송 선로부에 전류를 공급하는 마이크로 스트립(Micro-strip) 라인을 포함할 수 있다.

상기 박막 형 공진기는, 상기 배터리에 접착되기 위한 접착층을 더 포함할 수 있다.

상기 커패시터는, 상기 박막 형 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 설계될 수 있다.

상기 커패시터는, 상기 박막 형 공진기가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 설계될 수 있다.

공진주파수가 공진기의 크기에 무관한 박막형 MNG 공진기가 제공된다.

박막형 MNG 공진기가 일체형으로 구비된 배터리 팩이 제공된다.

공진기의 특성 변화가 없고, 휴대기기와 분리하여 무선 충전할 수 있는 배터리 팩이 제공된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 관련 기술에 따른 무선 전력 전송 장치로부터 타겟 장치로 전력을 무선 전송하는 동작을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(110)는 타겟 장치(120)에게 전력을 무선 전송한다. 무선 전력 전송 장치(110)는 전원 공진기(source resonator)(111)를 포함하며, 타겟 장치(120)는 대상 공진기(target resonator)(121)를 포함한다. 무선 전력 전송 장치(110)는 휴대용 단말기에 일 모듈의 형태로 삽입되도록 구현될 수 있다.

이때, 무선 전력 전송 모듈이 타겟 장치(120) 내에 구비되어 있는 경우, 배터리를 독립적으로 무선 충전 하는 것은 불가능하다. 즉, 휴대용 장치에 무선 전 력 전송을 위한 공진기가 구비된 경우, 배터리만을 따로 분리하여 무선 충전할 수 없게 된다. 또한, 배터리와 공진기를 일체화 시키는 경우, 공진기의 특성 변화가 발생할 수 있다. 하기에서는, 배터리 자체만으로도 무선 충전이 가능하고, 특성 변화가 없는 공진기 구조 및 배터리 팩에 대하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 구조를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩은 무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기(210) 및 박막 형 공진기(210)에 의해 생성되는 전력에 의하여 전원을 충전하는 배터리(220)를 포함한다.

박막 형 공진기(210)는 적층구조로 설계될 수 있다. 즉, 박막 형 공진기(210)는 박막 형태의 제1 전송 선로부(211) 및 박막 형태의 제2 전송 선로부(213)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 박막 형 공진기(210)는 박막 형태의 제1 전송 선로부(211) 및 박막 형태의 제2 전송 선로부(213) 사이에 유전층(215)을 포함할 수 있다. 이때, 유전층(340)은, 박막 형 공진기의 마그네틱 필드를 증가시키도록 설계될 수 있다. 이때, 유전층(340)은 예를 들어, 강자성체로 구성될 수 있다. 강자성체는, 무선 전력 전송 효율을 증가시키는 효과를 가져올 수 있다.

도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 다양한 구현 예들을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 배터리 팩은 제1 전송 선로부(211) 및 배터리(220)로 구 성될 수 있다. 이때, 제1 전송 선로부(211)는 박막 형 공진기로 기능할 수 있다. 도 2의 적층 구조와 구분하기 위하여, 도 3의 제1 전송 선로부(211)를 단일 layer 박막 형 공진기라 칭할 수 있다. 단일 layer 박막 형 공진기에 비하여, 도 2의 적층 구조는 도체 손실이 감소될 수 있다. 즉, 제2 전송 선로부(213)는 강한 커플링이 유도되도록, 제1 전송 선로부(211)에 적층될 수 있고, 도체 손실은 병렬적으로 감소될 수 있다.

또한, 도 4를 참조하면, 배터리 팩은 배터리(220)의 상단에 위치하는 제1 전송 선로부(211), 배터리(220)의 하단에 위치하는 제2 전송 선로부(213) 및 배터리(220)로 구성될 수 있다. 도 4와 같이 구성되는 경우, 제1 전송 선로부(211) 및 제2 전송 선로부(213)는 적층 구조의 박막 형 공진기로 기능할 수 있다. 이때, 도 4의 실시 예에서, 제2 전송 선로부(211)는 배터리 팩에 구비되지 않고, 휴대용 단말기 본체에 구비됨으로써, 휴대용 단말기와 배터리 결합 시 도 4의 실시 예와 동일한 구조로 구성될 수도 있다.

도 5는 제1 전송 선로부(211)의 구성 예를 나타낸다. 또한, 도 7은 도 5의 제1 전송 선로부(211)를 포함하는 배터리 팩의 사시도를 나타낸다.

도 5에 도시된 제1 전송 선로부(211)는 도 3에 도시된 단일 layer 박막 형 공진기일 수 있으며, 도 2의 적층 구조에도 적용될 수 있다.

제1 전송 선로부(211)는 전송선로(203) 및 커패시터(201)를 포함한다. 또한, 제1 전송 선로부(211)는 피딩부(205)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 한편, 제 2 전송 선로부(213)는 제1 전송 선로부(211)와 동일한 구조를 갖거나, 피딩부(205) 및 커패시터(201)가 없는 구조일 수 있다.

커패시터(201)는, 제1 전송 선로부(211)의 특정 위치에 삽입된다. 이때, 커패시터(201)는 제1 전송 선로부(211)의 중단에 직렬로 삽입될 수 있다. 이때, 공진기에 생성되는 전계(electric field)는 커패시터(201)에 갇히게 된다.

커패시터(201)는 집중 소자(lumped element 및 분산 소자(distributed element), 예를 들어 interdigital 커패시터나 높은 유전율을 갖는 기판을 가운데다 둔 gap 커패시터 등의 형태로 제1 전송 선로부(211)에 삽입될 수 있다. 커패시터(201)가 제1 전송 선로부(211)에 삽입됨에 따라, 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다.

여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 튜자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다. 대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 1보다 작은 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 튜자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.

이 때, 집중 소자로서 삽입된 커패시터(201)의 커패시턴스가 적절히 정해지 는 경우, 상기 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(201)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기는 박막 형 MNG 공진기로 불려질 수 있다.

상기 박막 형 MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. 박막 형 MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 박막 형 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 박막 형 MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, 박막 형 MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.

또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 제1 전송 선로부(211)에 삽입된 직렬 커패시터(201)에 집중되므로, 직렬 커패시터(201)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다.

또한, MNG 공진기는 집중 소자로의 커패시터(201)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.

피딩부(205)는 제1 전송 선로부(211)에 전류를 공급하는 마이크로 스트립(Micro-strip) 라인으로 구성될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형 공진기는 임피던스 매칭을 위한 별도의 매칭 수단이 필요 없는 구조를 갖는다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 구조를 나타낸다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 박막 형 공진기(211, 213) 및 상기 배터리 사이에 높은 임피던스 표면(HIS, High Impedance Suffice)(630)을 포함한다. 이때, 높은 임피던스 표면(630)은, 박막 형 공진기(211, 213)와 배터리(220) 사이의 마그네틱 필드에 의해 유도되는 표면 전류(surface current) 를 차단하고, 간섭(Interference)을 제거함으로써, 공진기의 특성 변화를 방지할 수 있다. 이때, 높은 임피던스 표면(630)은 배터리에 부착하기 위한, 박막 형태로 설계될 수 있다.

한편, 도 2 내지 도 6에 명시적으로 도시하지는 않았지만, 박막형 공진기(210), 제1 전송 선로부(211) 및 제2 전송 선로부(213)는, 배터리(220)에 접착되기 위한 접착층을 더 포함할 수 있다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩의 구조를 나타낸다. 이때, 도 8은 배터리 팩의 평면도이고, 도 9는 측면도를 나타낸다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩은, 3-D 형태의 공진기(8210), 충전 제어부(221), 배터리(220) 및 차단부(810)를 포함한다.

이때, 3-D형태의 공진기(820)는, 예를 들어, 복수의 박막형 공진기를 병렬 로 배치함으로써 구성될 수 있다. 복수의 박막형 공진기를 병렬로 배치하면, 3-D형태의 공진기(820)의 전송 효율 및 전송 거리를 증가 시킬 수 있다.

충전 제어부(221)는 일반적인 배터리 팩에 구비되는 충전회로일 수 있다.

한편, 차단부(810)는 HIS 또는 Shielding제로 구성될 수 있다. 따라서, 차단부(810)는 높은 임피던스 표면(HIS, High Impedance Suffice) 특성을 가질 수 있다. 또한, 차단부(810)는 3-D형태의 공진기(820)와 배터리(220) 사이의 마그네틱 필드에 의해 유도되는 표면 전류(surface current) 를 차단하고, 간섭(Interference)을 제거할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 5는 제1 전송 선로부의 구성 예를 나타낸다.

도 7은 도 5의 제1 전송 선로부를 포함하는 배터리 팩의 사시도를 나타낸다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩의 구조를 나타낸다.

Claims

무선 전력 전송을 위한 박막 형 공진기; 및

상기 박막 형 공진기에 의해 생성되는 전력에 의하여 전원을 충전하는 배터리를 포함하고,

상기 박막형 공진기는,

박막 형태의 제1 전송 선로부;

박막 형태의 제2 전송 선로부; 및

상기 제1 전송 선로부의 특정 위치에 삽입되는 커패시터를 포함하고,

상기 제1 전송 선로부는 상기 배터리의 상단에 위치하고, 상기 제2 전송 선로부는 상기 배터리의 하단에 위치하는,

배터리 팩.
삭제
삭제
제1항에 있어서,

상기 박막형 공진기는,

강 자성체를 포함하는, 배터리 팩.
제1항에 있어서,

상기 박막 형 공진기 및 상기 배터리 사이에, 높은 임피던스 표면(HIS, High Impedance Suffice)이 구비되는, 배터리 팩.
제1항에 있어서, 상기 박막 형 공진기는,

박막 형태의 제1 전송 선로부;

상기 제1 전송 선로부의 특정 위치에 삽입되는 커패시터; 및

상기 제1 전송 선로부에 전류를 공급하는 마이크로 스트립(Micro-strip) 라인을 포함하는, 배터리 팩.
제6항에 있어서, 상기 박막 형 공진기는,

상기 배터리에 접착되기 위한 접착층을 더 포함하는, 배터리 팩.
제6항에 있어서, 상기 커패시터는,

상기 박막 형 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 설계되는, 배터리 팩.
제6항에 있어서, 상기 커패시터는,

상기 박막 형 공진기가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 설계되는, 배 터리 팩.
무선 전력 전송을 위한 공진기; 및

상기 공진기에 의해 생성되는 전력에 의하여 전원을 충전하는 배터리; 및

상기 공진기와 상기 배터리 사이의 마그네틱 필드에 의해 유도되는 표면 전류를 차단하는 차단부를 포함하고,

상기 공진기는 박막형 공진기이고,

상기 박막형 공진기는,

박막 형태의 제1 전송 선로부;

박막 형태의 제2 전송 선로부; 및

상기 제1 전송 선로부의 특정 위치에 삽입되는 커패시터를 포함하고,

상기 제1 전송 선로부는 상기 배터리의 상단에 위치하고, 상기 제2 전송 선로부는 상기 배터리의 하단에 위치하는,

배터리 팩.
제10항에 있어서,

상기 공진기는, 박막 형태의 공진기를 병렬형태로 배치한 3-D 형태의 공진기인, 배터리 팩.
제10항에 있어서,

상기 차단부는, 높은 임피던스 표면(HIS, High Impedance Suffice) 특성을 갖는, 배터리 팩.