Current wireless power transfer (WPT) systems have limited charging distance and high induced electro-magnetic field (EMF) leakage. Thus, we first proposed a thin PCB-type hybrid metamaterial slab (HMS) combining two kinds of metamaterial cell structures. The metamaterial cells in the center area of the HMS have zero relative permeability and straighten the magnetic field direction. The metamaterial cells located at the edges of the HMS have negative relative permeability and change the outgoing magnetic fields to opposite direction by magnetic boundary condition. Therefore, the magnetic field can be more confined between transmitter (Tx) and receiver (Rx) coils, enhancing the power transfer efficiency, while decreasing the EMF leakage in a WPT system. In this paper, we demonstrated that increased power transfer efficiency from 39.1% to 65.5% and reduced EMF leakage from -19.21 dBm to -26.03 dBm in 6.78 MHz WPT system. Furthermore, we proposed new analysis method for relative permeability measurement of the metamaterial using a novel cubic structure with perfect electrical conductor and perfect magnetic conductor boundary.
무선전력전송 시스템에서 효율을 올리고 누설 자기장 노이즈를 줄이기 위해 메타머터리얼의 영역 중 제로 투자율과 음의 투자율 두 가지 특성을 결합함으로써 송신코일에서 생성된 자기장을 수신코일로 좀 더 집속할 수 있는 하이브리드 메타머터리얼 구조를 제안하고 증명하였다. 또한 높은 유전율과 스파이럴 타입의 2 Layer PCB 구조를 이용하여 한 셀의 크기가 3.72 x 3.72 cm 이며 두께가 1.6 mm인 구조로 WPT 공진주파수인 6.78 MHz를 만족하였다. 추가적으로 메타머터리얼의 투자율 특성을 검증하기 위해 새로운 투자율 측정방법을 제안하고 검증하였으며, 자기장 필드분포특성을 분석하기 위한 삼차원 자기장 필드 스케너도 제안하고 특성을 검증하였다. 본 연구에서 제안된 하이브리드 메타머터리얼을 사용하면 무선전력전송 효율은 39.1%에서 65.5%로 향상되고 자기장 노이즈는 -19.21에서 -26.03 dBm으로 약 27% 감소시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안한 하이브리드 메타머터리얼을 무선전력전송 시스템에 적용한다면 충전거리를 늘이고 누설 자기장 노이즈를 동시에 줄이는데 기여할 수 있다.
