1. 메타물질을 이용한 고효율 무선에너지전송기술
가. 메타물질 (metamaterials) 이란 인위적인 가공을 통하여 자연에 존재하지 않 는 유전율과 투자율을 갖는 물질로서 그림 1-1과 같이 유전율과 투자율의 부 호에 따라 double positive(DPS), epsilon negative(ENG), mu negative(MNG), double negative(DNG) material로 분류된다. 이 중에서도 유전율과 투자율이 동시에 음의 값을 갖는 물질을 left-handed material (LHM) 이라고 하며 LHM 에서의 전자기파는 negative phase velocity, reverse Snell's law, reverse Doppler effect 등의 기존 전자기파의 성질과 반대되는 특성을 갖는다. 특히,
메타물질의 특징 중의 하나인 음의 굴절률 특성을 통하여 자기장의 진행 방 향을 기존의 양의 굴절률 특성 갖는 물질과 반대인 한 점으로 집속시킴으로 써 방사 손실을 크게 줄여 무선 에너지 전송 효율을 개선시키고, 전송 가능 한 거리 증대가 가능하다. 또한 유효 유전율이나 투자율이 0이 되는 공진 주 파수를 이용하면 이론적으로 파장에 상관없이 공진기의 설계가 가능하므로 방사방법을 사용하지 않는 무선에너지 전송의 소형화에 매우 유리한 장점을 가진다. 또한, High-Q 특성을 가지도록 공진기 설계기술을 접목시켜 신전파 소재를 이용한 무선에너지전송 고효율화 기초기술을 연구하고자 한다.
나. 그림 1-2는 메타물질을 이용한 고효율 무선에너지 전송 기술 개념도를 보여 준다. 무선에너지전송은 DC의 에너지를 AC의 에너지로 바꾼 후에 공진기와
그림 1-1 유전율, 투자율에 따른 메타물질의 분류
공진기 사이에 자기공명을 이용하여 에너지를 전송하게 된다. 이렇게 전송된 에너지는 AC이기 때문에 다시 정류기를 통하여 우리가 실제로 쓸 수 있는 DC의 에너지로 변환이 되어야 비로소 에너지 전송과정이 끝난다. 따라서 무 선에너지전송 시스템은 크게 두 개의 부분으로 나눌 수 있다. 공진을 일으켜 실제로 무선으로 에너지를 전송시키는 역할을 하는 공진부와 DC를 AC로 혹 은 AC를 DC로 바꾸는 송수신 회로부로 나눌 수 있다.
다. 메타물질을 이용한 고효율 무선에너지전송기술은 다음과 같은 차별화 기술 로 구성되어 있다.
(1) 메타기반의 고효율 소형 공진기 및 다기능 소형 공진기: 신 전파소재인 메타기반의 고효율 소형 공진기는 전체 시스템의 전송효율을 결정짓는 가장 중요한 핵심 요소로 메타물질의 특성을 이용하여 소형화와 High-Q 공진특성 을 얻을 수 있다. 또한 다기능 소형 공진기를 이용하여 전방향에서도 사용자 의 불편 없이 에너지를 수신할 수 있는 기술을 확보하도록 한다.
(2) 근접장 및 방사를 고려한 해석, 모델링: 무선에너지 전송은 어떤 공간에 서 자기장을 이용하여 에너지를 전송하므로 공진기와 공진기 사이의 공간에 서의 근접장 해석은 필수이다. 이 공간이 자유공간일 때, 금속이 있을 때, 어 떤 유전체가 있을 때의 경우에 대해 해석 및 모델링을 통하여 무선에너지 전 송에 미치는 영향을 미리 예상하고 대비할 수 있는 solution을 제공할 것이
그림 1-2 메타물질을 이용한 고효율 무선에너지 전송 기술 개념도
다. 또한 무선에너지 전송을 모델링 할 경우에 공진기가 가지는 방사손실을 고려한 모델링을 통하여 좀 더 정확한 전송효율 및 예측이 가능할 것이다.
(3) 메타물질을 이용한 자계 focusing: 일반적으로 무선에너지 전송을 할 때, 자기장 강도의 세기는 거리가 멀어질수록 약해진다. 그러나 메타물질의 음의 굴절율을 이용하면 자기장 강도를 한 점에서 가장 세도록 모을 수 있다. 이 러한 자계 focusing 기술을 이용하여 좀 더 먼 거리 에서도 고효율의 무선에 너지전송이 가능하도록 할 것이다.
(4) 자계 차폐제: 무선에너지 전송을 자기장을 이용하기 때문에 기존의 ferrite을 이용한 차폐로는 완전한 차폐가 어렵다. 그리고 사용주파수가 130kHz이하 및 13.56MHz이기 때문에 차폐가 더욱 어렵게 된다. 이를 해결하 기 위해 기존의 차폐방법을 연구하고 SRR이나 Thin wire등과 같은 신전파소 재들을 응용하고 융합하여 기존의 방법보다 개선된 차폐제를 개발하고자 한 다.
(5) Smart Power Control: 기존 WPC표준을 기반으로 하는 수백 kHz 대역 송 수신단 분석을 통해 기존 표준을 준수하면서도 효율 특성이 우수한 송수신단 을 설계한다. 현재까지 13.56MHz 대역에서의 연구내용은 단순히 에너지전송 에만 한정되어 왔으며 Smart Power Control 기능에 대한 연구가 없었다. 본 연구를 통해 수신부에서 송신부로의 LSK(Load Shift Keying) 통신기법을 연구 하고, Smart Power Control 기능을 구현한다.
(6) 고효율 적응형 송신부: 송신부의 고효율 Class-E 전력증폭기, 고효율 전력 증폭기, 고효율 적응형 바이어스 조절 전력증폭기 최적화 및 성능평가와 추 가 개선안 도출한다. 또한 송신단 회로와 공진부의 통합을 통한 전체 시스템 의 특성 향상 기술 연구하며 송신부의 출력 단 정합 회로의 일부분으로 공진 부를 사용한 전력증폭기 공진 안테나 통합형 고효율 무선에너지전송 송신부 설계/구현 및 성능평가한다. 무선에너지전송 환경에 적응하기 위한 광대역 특 성을 갖는 고효울 구동 증폭단 구현 및 최적화한다.
(7) 신전파 소재인 메타물질 기반의 고효율 소형 공진기 및 다기능 공진기 디 자인 기술, 음의 굴절율 특성을 이용한 자기장 집속 기술, 자기장을 차폐하기 위한 차폐기술, 근접장 및 방사효과 분석 모델링 기술들을 이용하여 메타물 질 고효율 공진 시스템의 기초연구를 수행할 것이다.
(8) 최종적으로 공진기 통합형 고효율 송수신부 및 Smart Power Control 기술 을 이용하여 무선에너지전송에 적합한 최적의 송수신 회로 시스템을 위한 기 초연구를 수행할 것이다.