KR101196552B1

KR101196552B1 - 무접점충전시스템용 수신부의 2차 코일

Info

Publication number: KR101196552B1
Application number: KR20120030224A
Authority: KR
Inventors: 김선섭
Original assignee: (주) 씨아이디티
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-11-01
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: JP5832693B2; US20150054457A1; EP2830191A1; CN104508944A; WO2013141620A1; EP2830191A4; JP2015512606A

Abstract

본 발명은, 송신부(10)의 1차 코일(20)에 근접시켜 상기 1차 코일(20)과의 사이에서 발생하는 전자기유도에 의해 전기적으로 연결된 배터리(50)를 충전하는 무접점충전시스템에 적용되는 수신부(30)의 2차 코일(40)에 관한 것이다. 본 발명의 2차 코일(40)은, 지지면을 형성하는 기면(41), 상기 기면(41)의 일측면에 적층 부착되고 중앙에 제1 내부공간(42a)을 두고 일측 방향으로 외측으로 다수회 권선하여 형성한 제1 코일(42), 및 상기 기면(41)의 타측면에 적층 부착되고 중앙에 제2 내부공간(43a)을 두고 상기 제1 코일(42)과 동일한 방향으로 외측으로 다수회 권선하여 형성하고 상기 제1 코일(42)에 전기적으로 연결한 제2 코일(43)을 포함하고: 상기 제2 코일(43)의 상기 제2 내부공간(43a)과 상기 제1 코일(42)의 상기 제1 내부공간(42a)은 동일 위치에 배치되지 아니하고 수평방향으로 전후좌우로 일정거리 엇갈린 위치로 확산배치되어 있으며; 상기 제2 코일(43)과 겹치지 않은 상기 제1 코일(42)의 비겹침 부분의 상기 기면(41)의 타측면에 형성되고 일측면의 상기 제1 코일(42)과 전기적으로 연결된 제1 부가패턴(44), 및 상기 제1 코일(42)과 겹치지 않은 상기 제2 코일(43)의 비겹침 부분의 상기 기면(41)의 일측면에 형성되고 타측면의 상기 제2 코일(43)과 전기적으로 연결된 제2 부가패턴(45)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

무접점충전시스템용 수신부의 2차 코일{Secondary coil of Receiver for Non-Contact Charging System }

본 발명은 무접점충전시스템에 관한 것이며, 특히 충전시의 1차 코일에 대한 2차 코일의 정위치 이탈에 따른 충전효율의 저하를 완화할 수 있는 무접점충전시스템용 수신부의 2차 코일 구조에 관한 것이다.

휴대전화기를 비롯한 각종 휴대기기의 작동에 전원을 공급하는 배터리로서는 1회용이 아닌 다회용의 충전식 배터리가 널리 사용된다.

충전식 배터리의 충전에는 전통적으로 유선(접점) 충전방식이 널리 사용되어 왔으나, 최근 무접점(무선) 충전 방식이 도입되어 사용되고 있고, 그 적용이 점차 확대되고 있다.

휴대전화기의 무접점충전에 관한 종래기술로서는, 대한민국 공고특허 제10-1995-0005819호(1995. 05. 31. 공고)의 '무선 전화기의 무접점충전시스템', 대한민국 공개특허 제10-2002-0063050호(2002. 08. 01. 공개)의 '핸드폰 무선 충전 시스템', 대한민국 공개특허 제10-2004-0019164호(2004. 03. 05. 공개)의 '무선 충전을 위한 이동통신 단말기의 배터리 및 충전기', 대한민국 공개특허 제10-2004-0107110호(2004. 12. 20. 공개)의 '이동 통신 단말기의 무선 충전 시스템 및 방법과 그를 위한 이동 통신 단말기', 대한민국 공개특허 제10-2007-0033166호(2007. 03. 26. 공개)의 '이동통신단말기 및 무선충전장치', 대한민국 등록특허 제10-0867405호(2008. 10. 31. 등록)의 'ＲＦＩＤ 리더기의 무선 주파수를 이용한 이동 통신 단말기배터리 충전 장치', 대한민국 등록실용신안 제20-0217303호(2001. 01. 08. 등록)의 '무선 충전 장치', 대한민국 등록실용신안 제20-0400534호(2005. 10. 31. 등록)의 '무선고주파전력을 충전전원으로 사용하는 휴대폰 배터리' 등이 있다.

대표적인 무접점충전시스템의 하나인 전자기유도방식은, 교류전원이 공급되는 송신기(충전기)에 설치된 1차 코일에 충전하고자 하는 배터리 측의 2차 코일을 접근시키면(올려놓으면), 1차 코일과 2차 코일 사이에 전자기유도가 일어나고, 발생한 유도기전력으로 배터리를 충전한다.

도10은 일반적인 전자기유도 방식의 무접점충전시스템의 개략도이다.

도시된 바와 같이, 무접점충전시스템(100)은, 크게 송신부(110)와 수신부(120)로 구성된다.

송신부(110)는 교류전원(111)을 공급받아 작동하는 송신회로(112)와 전자기유도를 위한 1차 코일(113)을 구비하고, 수신부(120)는 송신부(110)의 1차 코일(113)과의 사이에서 전자기유도가 발생되는 2차 코일(121)과 충전을 제어하는 충전회로(122)를 구비하며, 배터리(130)를 충전회로(122)에 연결하고 2차 코일(121)을 1차 코일(113)에 정해진 위치로 근접시키면(올려놓으면), 2차 코일에 유도된 유도전류에 의해 배터리가 충전된다.

휴대전화기에 무접점충전시스템을 적용하는 예를 보면, 수신부(2차 코일과 충전회로)가 장착된 '충전용 커버'를 휴대전화기와는 별도로 제작하고, 휴대전화기의 배터리를 커넥터나 케이블 등으로 충전용 커버에 전기적으로 연결한 상태에서, 충전용 커버를 송신부인 충전매트에 올려 배터리를 충전하는 제품이 개발되어 있다.

그러나 별도의 충전용 커버를 사용할 경우, 휴대전화기의 무접점충전을 위해 별도로 충전용 커버를 소지해야 하는 불편이 있으므로, 휴대전화기의 일부인 배터리커버(배터리 교체를 위해 휴대전화기의 후면을 개폐하는 플라스틱 합성수지 사출물의 후면커버)에 수신부(2차 코일과 충전회로, 이때 충전회로는 휴대전화기의 본체에 설치하기도 함)를 예를 들어 인몰드 사출로 매립함으로써, 별도의 충전용 커버의 소지 없이 휴대전화기 자체로 무접점충전을 실행할 수 있도록 하는 구조가 개발되었다.

전자기유도에 의해 무접점충전을 할 때, 상하 적층되는 1차 코일과 2차 코일은 그 중심이 상하로 정확히 일치될 때(양자 코일의 상하 겹친 면적이 최대일 때), 최대의 유도기전력이 발생하여 최대의 충전효율을 달성하며, 양자 코일의 겹친 면적이 감소할수록 유도기전력이 점차 감소하여 충전효율이 점점 저하되고, 결국에는 충전이 중단된다.

무접점충전의 표준을 마련하고 있는 WPC(Wireless Power Consortium)에서는, 무접점충전의 효율을 높이기 위한 대책으로서 몇 가지 방안을 제시하고 있다.

그 첫 번째 방법은, 1차 코일과 2차 코일의 중앙에 영구자석을 장착함으로써 자력에 의해 양자 코일의 위치를 정확하게 유지(양자 코일의 겹친 면적이 최대가 되게 유지)하는 방법이다.

두 번째 방법은, 송신부(1차 코일) 위에 수신부(2차 코일)를 올리면, 2차 코일의 위치를 검출하여 스텝핑 모터로 1차 코일을 2차 코일의 위치로 이동하여 2차 코일에 대한 1차 코일의 위치를 정위치 시키는 방법이다.

그리고 세 번째 방법은, 송신부에 1차 코일을 복수로 설치하고 여기에 2차 코일을 올리면 2차 코일과 가장 인접한 1차 코일에 전류를 인가하여 양자 코일의 겹친 면적을 넓게 유지함으로써 결과적으로 1차 코일과 2차 코일 사이의 유도기전력을 높이는 방법이다.

그러나 두 번째의 '모터제어방법'과 세 번째의 '복수의 1차 코일 방법'은, 첫 번째의 '자석방법'에 비해 부품수의 증가 등으로 상대적으로 제품 가격이 상승하는 것은 물론이고, 상기 모터제어방법은 모터가 받는 부하를 줄이기 위해 1차 코일의 무게를 제한해야 하는 한계가 있고, 상기 복수의 1차 코일 방법은 1차 코일들의 어레이 구조로 인해 송신부의 크기가 과도하게 증가하는 한편 각 1차 코일들의 크기를 제한해야 하는 문제점이 있다. 이로 인하여 모터제어방법과 복수의 1차 코일 방법은 자석방법에 비해 10% 이상의 충전효율 저하가 발생하고, 따라서 현실적으로 자석방법이 가장 널리 사용되고 있다.

그러나 자력을 이용한 상기 자석방법은 상대적으로 낮은 비용으로 양자 코일의 상하 위치를 정위치로 유지할 수 있는 장점이 있긴 하지만, 이를 휴대전화기에 적용할 경우에, 자석으로 인하여 휴대전화기의 사이즈 및 중량증가를 유발할 뿐만 아니라, 적용한 자석이 휴대전화기에 내장되어 있는 자계를 이용한 장치(예, 나침반이나 자이로 센서 등)의 오동작을 유발하는 문제가 있으며, 이로 인하여 현실의 많은 제품들에서는 자석을 배제하고 설계하는 실정이다.

무접점충전시스템의 충전효율을 보완하는 또 다른 방법은, 최상의 전력전송제어를 위해 PID(Proportional Integral Differential: 비례적분미분제어)의 알고리즘을 사용하는 방식이다(WPC Spec Ver1.0.3의 5.2.3.1 Power transfer control 참조).

전력전송제어방법에 의하면, 무접점충전에 사용되는 충전주파수를 최대 205kHz와 최소 110kHz의 범위에서 가변하여 사용한다. 즉, 충전주파수로서, 1차 코일과 2차 코일이 일치하는 정위치의 조건에서는 기본적으로 205kHz 또는 이에 근접한 주파수를 사용하고, 1차 코일과 2차 코일의 겹친 면적이 감소할수록 110kHz 쪽의 점차 낮은 주파수를 사용하면서 1차 코일에 인가하는 전류를 증가시켜 전체의 무접점충전효율을 적어도 일정 효율 이상으로 유지한다.

그러나 WPC의 표준에 따라 충전주파수를 205kHz~110kHz로 가변하여 충전효율을 개선하여도, 비록 유도기전력이 발생하는 범위 내라고 하더라도 1차 코일과 2차 코일이 정위치로부터 수평 방향으로 전후좌우로 벗어나 있게 되면 예를 들어 최소의 유도기전력이 유도되는 최외곽에서는 그 효율이 최대효율 대비 20% 이상 저하되는 등 충전효율 보상에 충분하지 못한 한계를 벗어날 수 없다.

충전효율이 낮은 최외곽의 경우 2차 코일의 정류회로는 유입된 유도기전력의 저하로 인한 충전전압의 부족분을 보상하기 위하여 1차 코일에 더 많은 전압 상승을 요청하게 되고, 이런 상승된 전압은 1차 코일로부터 2차 코일이 벗어난 정도만큼 2차 코일의 한쪽으로만 유입되어 전류가 상승하므로 인하여 발열을 일으키는 원인이 된다.

무접점충전시스템의 충전효율을 개선하기 위한 종래기술로서는, 대한민국 공개특허 제10-2010-0074595호(2010. 07. 02. 공개)의 '무선 충전 시스템 및 방법', 대한민국 등록특허 제10-1063154호(2011. 09. 01. 등록)의 '무접점충전 장치', 대한민국 등록특허 제10-0819604호(2008. 03. 28. 등록)의 '충전효율의 편차가 개선된 무선 충전기', 대한민국 공개특허 제10-2009-0025876호(2009. 03. 11. 공개)의 '위치인식 무접점 전력 공급장치와 배터리 충전장치 및 이를 이용한 충전시스템', 대한민국 공개특허 제10-2009-0059507호(2009. 06. 11.)의 '충전상태 표시기능을 갖는 무접점충전장치 및 그 충전방법', 대한민국 공개특허 제10-2009-0062224호(2009. 06. 17.공개)의 '무선 충전용 메뉴 제공 기능을 갖는 이동 단말기 및 그 충전방법' 등이 있다.

본 발명의 목적은, 무접점충전시스템의 충전효율을 향상시키고자 하는 것이다.

본 발명의 목적은, 송신부의 1차 코일과 수신부의 2차 코일 사이의 전자기유도에 의해 배터리를 충전하는 무접점충전시스템에 관련하여, 1차 코일에 대한 2차 코일의 정위치 이탈에 따른 충전효율의 저하를 완화시킬 수 있는 확산배치의 수신부 2차 코일 구조 및 이를 적용한 무접점충전시스템을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 수신부에 확산배치의 2차 코일을 적용함과 아울러, 1차 코일에 대한 2차 코일의 위치에 따라 전자기유도에 사용되는 충전주파수를 가변하여 충전효율을 보완하는 방법에 관련하여, 가변되는 충전주파수로부터 충전효율을 산출하고, 산출된 충전효율을 사용자가 알 수 있는 방법으로 표시함으로써, 사용자로 하여금 더 높은 충전효율을 갖는 위치로 1차 코일에 대한 2차 코일의 위치를 조절할 수 있도록 유도하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 수신부에 확산배치의 2차 코일을 적용함과 아울러, 2차 코일이 설치된 휴대기기에서의 2차 코일의 위치를 휴대기기의 디스플레이장치에 표시하여 줌으로써, 사용자로 하여금 더 높은 충전효율을 갖는 위치로 1차 코일에 대한 2차 코일의 위치를 조절할 수 있도록 유도하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 수신부에 확산배치의 2차 코일을 적용함과 아울러, 2차 코일에 유도된 전력보다 배터리의 충전전력이 크지 않도록 배터리의 충전전류를 제한함으로써, 충전전력이 2차 코일의 유도 전력보다 크게 되는 것에 따른 충전 중단과 발열을 최소화하고자 하는 것이다.

본 발명에 따라, 무접점충전시스템에 적용하는 수신부의 2차 코일이 제공되며, 상기 수신부의 2차 코일은, 송신부의 1차 코일에 근접시켜 상기 1차 코일과의 사이에서 발생하는 전자기유도에 의해 전기적으로 연결된 배터리를 충전하는 무접점충전시스템에 적용되는 수신부의 코일이다.

본 발명에 따른 수신부의 2차 코일은, 지지면을 형성하는 기면; 상기 기면의 일측면에 적층 부착되고, 중앙에 제1 내부공간을 두고 일측 방향으로 외측으로 다수회 권선하여 형성한 제1 코일; 및 상기 기면의 타측면에 적층 부착되고, 중앙에 제2 내부공간을 두고 상기 제1 코일과 동일한 방향으로 외측으로 다수회 권선하여 형성하고, 상기 제1 코일에 전기적으로 연결한 제2 코일을 포함한다.

본 발명에 따른 수신부의 2차 코일은, 상기 제2 코일의 상기 제2 내부공간과 상기 제1 코일의 상기 제1 내부공간은 동일 위치에 배치되지 아니하고 수평방향으로 전후좌우로 일정거리 엇갈린 위치로 확산배치된다.

바람직하게, 본 발명에 따른 수신부의 2차 코일에서, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 확산배치는, 상기 제1 내부공간과 상기 제2 내부공간의 중심이 일치하는 0% 확산배치를 초과하고, 상기 제2 코일이 상기 제1 내부공간의 직경 만큼 상기 제1 코일로부터 수평방향으로 전후좌우의 벗어난 100% 확산배치 이하의 범위에서 확산배치된다.

본 발명에 따른 수신부의 2차 코일은, 상기 제2 코일과 겹치지 않은 상기 제1 코일의 비겹침 부분의 상기 기면의 타측면에 형성되고, 일측면의 상기 제1 코일과 전기적으로 연결된 제1 부가패턴; 및 상기 제1 코일과 겹치지 않은 상기 제2 코일의 비겹침 부분의 상기 기면의 일측면에 형성되어, 타측면의 상기 제2 코일과 전기적으로 연결된 제2 부가패턴; 을 더 포함한다.

삭제

본 발명에 따라 상기 수신부의 2차 코일을 포함하는 무접점충전시스템이 제공된다.

삭제

바람직하게, 본 발명이 적용되는 무접점충전시스템은, 상기 송신부 또는 상기 수신부에 설치되어, 상기 배터리의 충전효율을 표시하는 충전효율표시장치를 더 포함한다.

상기 충전효율표시장치는, 상기 송신부에 상기 수신부를 근접시켜 충전을 실행할 때, 상기 1차 코일과 상기 2차 코일 사이의 전자기유도에 사용되고 상기 충전효율에 비례적으로 가변되는 충전주파수를 검출하는 주파수검출부; 및 검출된 상기 충전주파수로부터 상기 충전효율을 산출하여 표시하는 표시부; 포함한다.

바람직하게, 본 발명이 적용되는 무접점충전시스템은, 상기 수신부 또는 상기 수신부가 설치된 휴대기기에 설치된 코일위치표시장치를 더 포함한다. 상기 코일위치표시장치는, 상기 휴대기기에서의 상기 2차 코일의 위치를 상기 휴대기기의 디스플레이장치에 표시한다.

바람직하게, 상기 코일위치표시장치에 의한 상기 휴대기기의 상기 디스플레이장치에의 상기 2차 코일의 위치표시는, 상기 휴대기기가 충전 모드로 전환되는 순간 일정시간동안 실행한다.

바람직하게, 본 발명이 적용되는 무접점충전시스템은 충전안전장치를 더 포함한다. 상기 충전안전장치는 상기 1차 코일에 의해 유도된 상기 2차 코일의 전력(P-1)을 검출하는 수신부전력검출부, 및 상기 배터리의 충전전력이 상기 수신부전력검출부에 의해 검출된 상기 2차 코일의 전력보다 크지 않도록 상기 배터리의 충전전압이 일정하게 정해진 상태에서 상기 배터리의 충전전류를 제한하는 충전전류제한부를 포함한다.

본 발명에 따른 수신부의 2차 코일 및 이를 적용한 무접점충전시스템의 효과는 아래와 같다.

첫째, 송신부의 1차 코일과 수신부의 2차 코일 사이의 전자기유도에 의해 배터리를 충전하는 무접점충전시스템에 관련하여, 수신부의 2차 코일로서 확산배치의 구조를 가진 코일을 적용함으로써, 1차 코일에 대한 2차 코일의 정위치 이탈에 의해 발생하는 충전효율의 저하를 완화시킬 수 있다.

둘째, 확산배치된 수신부의 2차 코일과 함께 가변하는 충전주파수에 기초한 충전효율표시장치를 적용하여 충전효율을 사용자가 알 수 있게 표시함으로써, 사용자로 하여금 최고의 충전효율을 갖는 최적의 위치로 1차 코일에 대한 2차 코일의 위치를 조절할 수 있게 유도하여, 무접점충전시스템의 충전효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

셋째, 확산배치된 수신부의 2차 코일과 함께 코일위치표시장치를 적용하여 2차 코일이 설치된 휴대기기의 디스플레이장치에 2차 코일의 위치를 표시함으로써, 사용자로 하여금 최고의 충전효율을 갖는 최적의 위치로 1차 코일에 대한 2차 코일의 위치를 조절할 수 있게 유도하여, 무접점충전시스템의 충전효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

넷째, 확산배치된 수신부의 2차 코일과 함께 충전안전장치를 적용하여 1차 코일에 의해 유도된 2차 코일의 유도전력보다 배터리의 충전전력이 크지 않도록 배터리의 충전전류를 제한함으로써, 충전전력이 2차 코일의 유도전력보다 크게 됨으로써 발생할 수 있는 충전중단과 발열 등의 문제점을 해소할 수 있다.

도1은 본 발명이 적용되는 무접점충전시스템의 개략도,
도2는 본 발명에 따른 예시적인 2차 코일 및 종래 2차 코일의 평면도,
도3은 본 발명에 따른 예시적인 2차 코일 및 종래 2차 코일의 단면도,
도4는 여러 가지 확산배치의 예를 보여주는 본 발명에 따른 예시적인 2차 코일의 평면도,
도5는 입력전류(충전효율)의 변화를 측정하기 위한 1차 코일에 대한 2차 코일의 위치의 변화 배치도,
도6은 본 발명에 따른 다른 예시적인 2차 코일의 평면, 분해 및 단면도,
도7은 본 발명이 적용된 무접점충전시스템을 적용한 휴대전화기의 개략도,
도8은 본 발명이 적용된 무접점충전시스템에 적용된 예시적인 충전효율표시장치의 블록도,
도9는 본 발명이 적용된 무접점충전시스템에 적용된 예시적인 충전효율표시장치의 작동 흐름도,
도10은 일반적인 유도전류방식의 무접점충전시스템의 개략도.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명을 예시적으로 설명하는 것일 뿐 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.

도1에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 무접점충전시스템(1)은, 종래에 대표적인 휴대기기(2)인 휴대전화기 등에 적용된 무접점충전시스템과 마찬가지로, 1차 코일(20)이 설치된 송신부(10: 예, 충전매트)와 2차 코일(40)이 설치된 수신부(30: 예, 휴대전화기)를 포함한다.

널리 알려진 바와 같이, 송신부(10)와 수신부(30)에는 1차 코일(20)과 2차 코일(40) 이외에 충전에 필요한 각종 회로나 페라이트 등이 설치되지만, 이런 회로 등은 본 발명과 직접적인 관련이 없으므로, 이에 관한 도시나 설명은 약술하거나 생략한다.

상기 무접점충전시스템(1)은, 종래와 마찬가지로, 송신부(10)의 1차 코일(20) 위에 수신부(30)의 2차 코일(40)을 접근시키면(올려놓으면) 1차 코일(30)과 2차 코일(40) 사이에서 유도기전력이 발생하고, 이로써 2차 코일(40)에 전기적으로 연결된 배터리(50)가 충전된다.

상기 무접점충전시스템(1)에 적용되는 본 발명에 따른 2차 코일(40)은, 루프 패턴으로 배선된 코일이 단일 평면상에 배선되어 있는 것이 아니라, 도2와 도3에 도시된 바와 같이, 평평한 기면(41)을 중심으로 기면(41)의 일측면(예, 하면)에 제1 코일(42)이 적층되어 있고, 기면(41)의 타측면(예, 상면)에 제2 코일(43)이 적층된 층-구조를 가지는 코일이다. 여기에서 기면(41)의 일측면과 타측면은 기면(41)의 양면(표면과 이면)으로서, 제1 코일(42)과 제2 코일(43)은 기면(41)의 서로 반대 면에 적층되어 있는 것이다.

상기 기면(41)은 제1 코일(42)과 제2 코일(43)을 부착 지지하는 층으로서, 관련 기술분야에 널리 알려진 예를 들어 박막필름이나 양면접착필름 등을 적용할 수 있다.

기면(41)의 일측면에 형성된 상기 제1 코일(42)은, 중앙에 제1 내부공간(42a)을 두고 일측 방향으로 외측으로 다수회 권선한 루프 패턴의 코일이다. 기면(41)의 타측면에 형성된 상기 제2 코일(43)도, 중앙에 제2 내부공간(43a)을 두고 제1 코일(42)과 동일한 방향으로 외측으로 다수회 권선한 루프 패턴의 코일이다.

상기 제1 코일(42)과 상기 제2 코일(43)을 동일 방향으로 권선하는 것은, 권선 방향이 반대일 경우에는 제1 코일(42)과 제2 코일(43)에서 발생하는 자기장의 크기가 상쇄되기 때문이다.

제1 코일(42)과 제2 코일(43)은 각각의 내측단을 전기적으로 연결함으로써 전체적으로 하나의 2차 코일(40)이 되며, 제1 코일(42)과 제2 코일(43)의 각각의 외측단은 충전회로에 연결하기 위한 단자접속부(42b, 43b)가 형성된다.

제1 코일(42)과 제2 코일(43)은, 제1 내부공간(42a)과 제2 내부공간(43a)이 상하로 정확하게 일치하는 상태로 적층한 것(도2의 B와 도3의 B 참조)이 아니라, 도2의 A와 도3의 A에 도시된 바와 같이, 제1 내부공간(42a)과 제2 내부공간(43a)이 수평방향으로 일정거리 엇갈린 위치로 빗나가 있는 확산배치의 구조이다.

본 발명의 2차 코일에서, 제1 코일(42)의 제1 내부공간(42a)과 제2 코일(43)의 제2 내부공간(43a)이 상하 일치되게 적층되지 아니하고 일정거리 벗어난 위치로 엇갈리게 배치한 상태를 '확산배치'라고 한다.

제1 내부공간(42a)과 제2 내부공간(43a)의 중심이 정확히 일치하는 배치(양자 코일을 상하로 정확히 일치시킨 배치)를 '0% 확산배치'라고 하고, 제2 코일(43)이 제1 내부공간(42a)의 직경(R) 만큼 제1 코일(42)로부터 전후좌우로 수평방향으로 벗어나 있는 배치를 '100% 확산배치'라고 할 때, 본 발명에 따른 2차 코일(40)에서 제1 코일(42)에 대한 제2 코일(43)의 확산배치의 범위는, 바람직하게『0%<제2 코일의 확산배치≤100%』의 범위로 한정된다. 이때, 제1 내부공간(42a)과 제2 내부공간(43a)이 원형이 아니고 사각형인 경우에 상기 직경(R)은 사각형의 짧은 쪽 변의 길이이다.

도4의 A는 제1 내부공간(42a)의 반경(R/2) 만큼 제2 코일(43)을 제1 코일(42)으로부터 벗어나게 확산한 '50% 확산배치'를, 그리고 도4의 B는 제1 내부공간(42a)의 직경(R) 만큼 제2 코일(43)을 제1 코일(42)으로부터 벗어나게 확산한 '100% 확산배치'를 각각 도식적으로 도시한 것이다. 그리고 도2의 B는 본 발명의 2차 코일(40)과 대비되는 종래의 2차 코일로서, 1차 코일(42)의 제1 내부공간과 2차 코일(43)의 제2 내부공간을 완전히 일치시킨 '0% 확산배치'이다.

본 발명자는 50% 확산배치와 100% 확산배치를 적용하여 본 발명에 따른 2차 코일(40)을 제작하는 한편, 다른 모든 조건은 동일하게 하면서 제1 코일과 제2 코일을 정확히 일치시켜 0% 확산배치를 적용한 종래의 2차 코일(대조예)을 각각 제작하였고, 이렇게 제조된 본 발명의 2차 코일(40)과 대조예의 2차 코일을, 동일한 특성의 1차 코일(20) 위에 동일한 조건으로 접근시키고(1차 코일 위에 2차 코일을 올려놓고), 배터리(50)의 충전전류를 600mA로 설정한 상태에서 1차 코일(20)의 송신부에서 소모하는 입력전류 값을 측정하였다.

이때, 1차 코일(20)에 위에 올려진 2차 코일(40)의 위치는 도5에 도시된 바와 같으며, 여기에서 도5의 A는 본 발명의 2차 코일(40)을 적용한 도면이고, 도5의 B는 대조예의 종래 2차 코일을 적용한 도면이다. 도5에서 A1과 B1은 1차 코일(42) 위에 2차 코일(43)을 정확하게 정위치한 상태(충전효율이 가장 높은 바람직한 상태)이고, A2와 B2, A3과 B3, A4와 B4 및 A5와 B5는 1차 코일(42)로부터 2차 코일(43)이 각각 우측, 후방(위쪽), 좌측 및 전방(아래쪽)으로 10mm 벗어나 이탈되어 있는 상태(충전효율이 저하되는 상태)이다.

50% 확산배치 및 100% 확산배치를 적용한 본 발명의 2차 코일(도5의 A)과 0% 확산배치를 적용한 종래의 2차 코일(도5의 B)에 대한 도5의 5개 위치에서 측정한 1차 코일(42)을 포함한 송신부에서의 입력전류 측정값은 표1과 같다.

50% 확산(본 발명)		100% 확산(본 발명)		0% 확산(대조예)
위치	입력전류(mA)	위치	입력전류(mA)	위치	입력전류(mA)
A1	220	A1	220	B1	220
A2	256	A2	250	B2	260
A3	255	A3	250	B3	260
A4	255	A4	250	B4	260
A5	255	A5	250	B5	260

표1로부터 알 수 있는 바와 같이, 1차 코일(20)에 2차 코일(40)이 정확하게 위치된 가장 바람직한 경우(A1, B1)에는, 본 발명과 대조예 모두에서 1차 코일 측의 입력전류가 220mA 로서, 최대의 충전효율을 보이는 최저값이 측정되었으며, 본 발명과 대조예 사이에 차이가 없었다.

2차 코일(40)이 1차 코일(20)로부터 10mm 거리만큼 전후좌우로 벗어나게 위치된 충전효율의 저하가 예상되는 경우(A2 내지 A5, 및 B2 내지 B5)에서는, 0% 확산배치의 대조예는 입력전류가 260mA인 반면, 본 발명에 따른 2차 코일(40)이 적용된 경우의 입력전류는 50% 확산배치의 경우 256mA과 255mA, 100% 확산배치의 경우 250mA로 측정되었다.

결국, 본 발명의 2차 코일(40)과 종래 2차 코일(대조예)을 비교하면, 2차 코일이 1차 코일 위의 정위치에 올려진 경우에는 충전효율이 상호 동일하지만, 2차 코일이 1차 코일의 정위치로부터 벗어나서 충전효율의 저하가 일어날 때에는 본 발명의 2차 코일이 종래의 2차 코일에 비해 충전효율의 저하가 감소된다는 것(동일한 충전전류 600mA를 얻는 것에 사용되는 입력전류가 상대적으로 낮다는 것)을 알 수 있고, 이로부터 본 발명의 2차 코일을 적용하면 2차 코일이 1차 코일의 정위치로부터 벗어난 상태로 충전할 때 발생하게 되는 충전효율의 저하를 의미 있게 완화시킴을 알 수 있다. 또한 이런 충전효율저하의 완화 효과는 적어도 100%까지는 확산의 정도가 커질수록 크다는 것도 알 수 있다.

아울러 본 발명자는 확산배치의 정도가 100%를 초과하는 구조에 대해서도 1차 코일 측의 입력전류를 부가적으로 측정하였는바, 2차 코일이 1차 코일의 정위치를 벗어났을 경우에는, 100%를 초과하는 어느 정도 범위까지는 100% 확산배치의 경우보다 충전효율저하를 완화하는 효과가 낮아지기는 하지만 종래의 0% 확산배치의 경우보다는 효과적이었으며, 다만 정위치인 경우에는 100%를 초과한 확산배치의 경우 100% 이하의 확산배치의 모든 경우들에 비해 충전효율이 낮았다.

더불어, 확산배치가 100%를 초과하면 제1 코일(42)과 제2 코일(43)의 내측단을 전기적으로 연결하는 작업이 어려워지고 2차 코일이 차지하는 면적이 과도하게 증가하는 문제가 있으므로, 확산배치는 100%를 초과하지 않는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

2차 코일(40)의 확산배치에 따른 충전효율에 관한 효과는, 1차 코일과 2차 코일 사이에서 유도되는 유도기전력의 자기장 손실이 감소됨으로써 달성되는 것으로 보인다.

아울러 본 발명과 같이 2차 코일(40)에 확산배치를 적용할 경우에는, 송신부 위에서 수신부가 움직일 때 1차 코일과 2차 코일의 겹친 면적의 변화가 상대적으로 낮게 됨으로써 2차 코일에 유도되는 자기장의 변동이 적으므로, 충전효율의 보완을 위해 전술한 충전주파수를 가변하는 경우, 그 충전주파수의 변화량이 안정되는 효과도 있다.

이상에서는 본 발명으로서 2차 코일(40)을 확산배치구조로 형성한 경우를 설명하였는바, 1차 코일(20)에 본 발명의 2차 코일에서와 같은 확산배치를 적용할 경우와 1차 코일과 2차 코일 모두에 확산배치를 적용할 경우에도 충전효율 개선효과가 있을 것으로 예측된다.

본 발명에 따른 2차 코일(40)은, 예를 들어 0.025mm 이하 두께의 기면(41)으로서의 폴리이미드필름과 같은 베이스박막필름의 상하 양면에 0.0175mm(0.5 온스) 내지 0.070mm(2온스) 두께의 동박(또는 동도금)과 같은 전도성박막이 피복된 전도성박막필름에 대해, 목적하는 2차 코일(40)의 제1 코일(42)과 제2 코일(43)의 패턴에 맞게 상하 양면의 전도성박막을 에칭하고, 제1 코일(42)과 제2 코일(43)의 내측단에 대응하는 위치에 비아홀(H)을 형성하고, 비아홀을 통해 납땜을 하여 내측단을 전기적으로 연결함으로써 제작할 수 있다.

본 발명에 따른 2차 코일(40)은, 기면(41)의 일측면의 제1 코일(42)과 기면(41)의 타측면의 제2 코일(43)이 상하 일치되게 배치되어 있는 것이 아니라 서로에 대해 수평으로 일정거리 엇갈린 위치로 확산배치되어 있기 때문에, 제1 코일(42)과 제2 코일(43)은 기면(41)을 사이에 두고 상하 겹친(포개진) 부분과 겹치지 않은 부분이 공존하는 층-구조가 된다.

즉, 겹침 부분은 상하로 제1 코일(42), 기면(41) 및 제2 코일(43)이 모두 존재하지만, 비겹침 부분은 기면(41)과 제1 코일(42)만 존재하거나 기면(41)과 제2 코일(43)만 존재하게 된다.

본 발명에 따른 2차 코일(40)은, 도6에 도시된 바와 같이, 제2 코일(43)과 겹치지 않은 제1 코일(42)의 비겹침 부분에는, 제1 코일(42)과 전기적으로 연결한 제1 부가패턴(44)을 기면(41)의 타측면에 적층 형성할 수 있다.

마찬가지로, 제1 코일(42)과 겹치지 않은 제2 코일(43)의 비겹침 부분에는, 제2 코일(43)과 전기적으로 연결한 제2 부가패턴(45)을 기면(41)의 일측면에 적층 형성할 수 있다.

바람직하게, 제1 부가패턴(44)은 제2 코일(43)과 쇼트되지 않는 범위에서 최대한 넓은 면적에 걸쳐 형성하고, 마찬가지로 제2 부가패턴(45)도 제1 코일(42)과 쇼트되지 않는 범위에서 최대한 넓은 면적에 걸쳐 형성한다.

도6에 도시된 바와 같이, 원형의 제1 코일(42)과 원형의 제2 코일(43)을 수평방향으로 전후좌우로 일정거리 엇갈린 위치로 확산배치하되, 적어도 일부의 내부공간(42a, 43a)이 서로 중첩되는 거리만큼 확산배치를 하면, 제1 코일(42)의 비겹침 부분은 제2 내부공간(43a)의 외부에 존재하는 상대적으로 큰 대호형 제1 부가패턴(44a)과 제2 내부공간(43a)의 내부에 존재하는 상대적으로 작은 소호형 제1 부가패턴(44b)을 형성할 수 있고, 마찬가지로 제2 코일(43)의 비겹침 부분도 제1 내부공간(42a)의 외부에 존재하는 상대적으로 큰 대호형 제2 부가패턴(45a)과 제1 내부공간(42a)의 내부에 존재하는 상대적으로 작은 소호형 제2 부가패턴(45b)을 형성할 수 있다.

물론 제1 부가패턴(44)은 기면(41)의 반대편에 존재하는 해당 부분의 제1 코일(42)과 동일한 패턴으로 배선되고, 제2 부가패턴(45)은 기면(41)의 반대편에 존재하는 해당 부분의 제2 코일(43)과 동일한 패턴으로 배선된다.

이와 같은, 제1 부가패턴(44)과 제2 부가패턴(45)의 추가 형성은, 예를 들어 전술한 바와 같이 전도성박막필름의 양면 전도성박막을 에칭하여 기면(41)의 양면에 제1 코일(42)과 제2 코일(43)을 각각 형성할 때, 제1 부가패턴(44)과 제2 부가패턴(45)도 함께 에칭으로 형성한 후에 비아홀(H)을 통해 납땜함으로써, 제1 부가패턴(44)의 각각의 배선들을 기면(41)의 반대쪽에 있는 제1 코일(42)의 대응하는 각각의 배선들에 전기적으로 연결하고, 마찬가지로, 제2 부가패턴(54)의 각각의 배선들을 기면(41)의 반대 쪽에 있는 제2 코일(43)의 대응하는 각각의 배선들에 전기적으로 연결함으로써 형성할 수 있다.

제1 부가패턴(44)과 제2 부가패턴(45)은 양면 전도성박막필름의 양면 전도성박막을 에칭하여 제1 코일(42)과 제2 코일(43)을 형성할 때, 부식으로 제거되어 버리는 부분의 전도성박막에 형성되는 것이므로, 소재의 추가 투입 없이 부가할 수 있다.

본 발명의 2차 코일(40)에 제1 부가패턴(44)과 제2 부가패턴(45)을 부가하면, 비겹침 부분에만 한정적으로 적용되는 것이지만, 2차 코일(40)의 최대 두께를 증가시키지 아니하면서 제1 코일(42)과 제2 코일(43)의 두께를 부분적으로 증가시켜 보완하는 것이 되고 전체 2차 코일(40)의 저항을 감소시킴으로써, 충전효율의 개선과 발열 감소에 유용하게 된다.

이상에서 설명한 도시된 구체예의 2차 코일(40)은 가장 일반적인 형태인 원형의 루프인 경우를 예시하였지만, 원형이 아닌 사각형 등 다른 루프 패턴의 형상으로 형성하는 것도 특히 제한되지 아니한다.

본 발명이 적용된 무접점충전시스템(1)에는 본 발명자가 제안한 대한민국 특허출원 제10-2011-0116100호의 '충전효율표시장치를 구비한 무접점충전시스템'을 함께 적용함으로써 충전효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

도1, 도7 및 도8을 참조하여 구체적으로 설명하면, 본 발명이 적용된 무접점충전시스템(1)은, 송신부(10, 예: 충전패드) 또는 수신부(30: 예, 휴대전화기)에 설치되어서 배터리(50)의 충전효율을 표시하는 충전효율표시장치(60)를 더 포함한다.

상기 충전효율표시장치(60)는, 주파수검출부(61)와 표시부(62)를 포함한다. 주파수검출부(61)는 1차 코일(20)에 2차 코일(40)을 근접시켜 충전을 실행할 때, 1차 코일(20)에 대한 2차 코일(40)의 위치에 따라 가변되는 전자기유도에 사용되는 충전주파수를 검출하고, 표시부(62)는 검출된 상기 충전주파수로부터 산출된 충전효율을 사용자가 알 수 있는 방식으로 표시한다.

앞서 언급한 바와 같이, WPC의 표준 중에 하나는 1차 코일(20)에 대한 2차 코일(40)의 위치에 따라 저하되는 충전효율을 보안하는 방법으로 충전주파수를 높게는 205kHz에서부터 낮게는 110kHz의 범위에서 자동으로 가변하는 방법을 규정하고 있다.

이에 의하면 1차 코일과 2차 코일이 정위치에 근접할수록 더 높은 충전주파수(예, 최대 205 kHz)를 사용하고 정위치로부터 벗어날수록 더 낮은 충전주파수(예, 최소 110 kHz)로 변경시키면서 사용하므로, 결과적으로 전자기유도에 사용되는 충전주파수는 충전효율과 비례의 상관관계를 가지게 되며, 본 발명에 적용되는 충전효율표시장치(60)는 충전효율과 비례적인 관계에 있는 전자기유도에 사용된 충전주파수를 검출하여 이를 충전효율로 산출하여 표시한다.

충전주파수와 충전효율 및 충전전류의 상관관계는 아래 표2와 같이 예시할 수 있으며, 표2를 보면 충전주파수와 충전효율은 비례의 상관관계가 있음을 알 수 있다.

번호	검출된 충전주파수	충전효율	충전 전류
1	200kHz 이상	75 %	600mA 이상
2	180 kHz	70 %	500mA 이상
3	160 kHz	65 %	400mA 이상
4	140 kHz	60 %	300mA 이하
5	120 kHz	55 %	경고
6	100 kHz 이하	50 %	충전 중지

충전효율표시장치(60)는 도1과 같이 송신부(10)에 설치할 수도 있고, 도7 및 도8과 같이 수신부(30)에 설치할 수도 있다.

도7과 도8은 충전효율표시장치(60)를 휴대전화기(2), 즉 수신부(30)에 설치한 예를 도시한 것으로서, 도시된 바와 같이, 발진부(63)에 의해 2차 코일(40)로부터 발진되는 충전주파수를 충전주파수검출부(61)가 검출하고, 검출된 충전주파수는 증폭부(64)에 의해 적정 레벨로 증폭한 후에, 변환부(65)에 의해 디지털신호로 변환하고, 변환된 디지털신호는 연산부(66)에서 검출된 충전주파수에 대응하는 충전효율로 환산하고, 환산된 충전효율은 LCD나 LED와 같은 상기 표시부(62)에 사용자가 식별 할 수 있는 방식으로 표시한다.

충전효율표시장치(60)를 휴대전화기와 같은 수신부(30) 측에 설치할 경우에는 이를 충전회로와 함께 휴대전화기 본체에 설치하고, 이때 표시부(62)는 휴대전화기의 본래의 용도로 사용되는 디스플레이장치(3: LCD 등)를 활용하는 것이 바람직할 수 있다.

표시부(62)에 표시되는 충전효율은, 예를 들어 1단계 내지 5단계와 같은 단계나 퍼센트를 숫자로 표시할 수도 있고, 막대그래프나 색상 등으로 표시할 수 있는 등, 사용자가 충전효율을 용이하게 인식할 수 있는 방법이라면 특히 제한되지 아니한다.

사용자는 표시부(62)에 표시된 충전효율을 보고 송신부(10) 상에서의 수신부(30)의 위치를 이동시켜 충전효율이 더 높게 표시되는 위치로 수신부(30)를 위치시킴으로써 더 높은 충전효율로 배터리를 충전할 수 있다.

충전효율표시장치(60)에서의 충전효율의 산출은, 송신부(10)와 수신부(30)에서 전압이나 전류를 검출하여 산출하는 것이 아니라, 무접점충전에 사용되고 있는 충전주파수를 검출하여 산출하는 것이므로, 송신부(10)와 수신부(30) 중 어느 한쪽에서 독립적으로 충전주파수를 검출하여 바로 충전효율을 산출할 수 있으며, 따라서 송신부와 수신부가 검출한 데이터를 상호 송수신할 필요가 없게 되므로, 결과적으로 충전효율의 산출을 위해 검출된 데이터의 전송을 위한 통신수단이 필요 없다.

휴대전화기과 같은 휴대기기에서 충전의 안전을 위해 충전전류나 충전전압을 변화시켜도 충전주파수로부터는 변동성 없이 매우 정확하고 간편하게 충전효율을 산출할 수 있고 이를 표시할 수 있다.

본 발명이 적용된 무접점충전시스템(1)에 사용된 충전효율표시장치(60)의 작동을 도9의 흐름도를 통해 예시적으로 설명한다.

배터리의 충전은 그 잔량에 따라 충전 전류를 제어하는 것이 일반적인 바, 통상적으로 충전 과정은 유선이든 무선이든 Trickle Charge Mode(수 mA 이내), Pre-Charge Mode(수십 mA 이내), Fast Charge Mode(수백 mA) 및 End of Charge(충전종료)의 단계로 진행된다.

송신부(10: 충전패드)에 수신부(30: 휴대전화기)를 올려두면(거치하면), 우선 Trickle Charge Mode로 무접점충전이 개시되고(S10), 해당 거치 위치에서의 충전주파수를 검출하여 충전효율을 산출 및 표시한다(S20).

사용자는 표시부(62)에 표시된 충전효율을 보고 충전효율이 원하는 정도에 이르지 않는 경우 충전패드에 대한 휴대전화기의 거치 위치를 변경하여 보다 높은 충전효율을 나타내는 위치로 휴대전화기의 위치를 이동할 수 있고, 이런 위치이동이 있으면 충전주파수가 변화되게 되는 바, 본 발명이 적용된 무접점충전시스템(1)은 정해진 시간 내에 충전주파수의 변화가 있는지 판단하고(S21), 충전주파수의 변화가 있으면(YES, 즉 사용자가 휴대전화기의 거치 위치를 이동시켰으면) 변화된 충전주파수로부터 산출된 충전효율을 다시 표시하는 과정(S20)을 반복하도록 할 수 있으며, 이런 반복 과정을 통해 사용자는 자발적으로 보다 높은 충전효율을 보이는 위치를 찾아 충전패드에 휴대전화기를 거치시킬 수 있다.

S20 및 S21 과정이 종료되거나 해당 과정이 진행되지 않을 경우(즉, 충전주파수의 변화 없이 일정 시간이 경과하면), 최종 산출된 충전효율이 정하여진 한계효율(예, 65%)을 초과하는지 판단한다(S30).

산출된 충전효율이 한계효율을 초과하지 않으면(NO), 예를 들어 표시수단(62, 또는 3)을 통해 경고를 하고(S41), 사용자로 하여금 송신부(10)에 대한 수신부(30)의 거치 위치를 이동(S42)하도록 유도하며, 경고 후 정해진 시간 경과 후에 다시 충전주파수를 스캐닝(검출)하여 다시 검출한 충전주파수가 직전의 충전주파수와 차이가 있는지(변화되었는지) 판단한다(S43).

정해진 시간 후에 충전주파수가 변화되었으면(YES), 변화된 충전주파수로부터 충전효율을 산출 및 표시하며(S44), 이때 표시부(62) 등을 통해 충전효율이 높은 위치를 안내할 수도 있다(S44). 충전주파수 교정 기능이 탑재되어 있고 무접점충전을 개시한 후에 사용자가 교정 모드를 선택한 경우(도시 생략)의 위치 안내는 최소값 및 최대값의 충전주파수를 나타내는 위치로의 이동을 안내하여 충전주파수를 교정한다.

이후, 단계 S44에서 검출된 충전주파수로부터 산출된 충전효율이 한계효율을 초과하는지를 다시 판단하고(S30), 한계효율에 이르지 못한 경우(NO)에는 다시 단계 S41 내지 S44를 반복 실행한다.

충전효율이 정해진 값에 이르지 않음에도 불구하고 사용자가 충전패드에서 휴대전화기의 거치 위치를 변경하고 있지 아니하는 경우 사용자로 하여금 보다 높은 충전효율을 나타내는 위치로 휴대전화기의 위치를 이동할 수 있도록 알려 주는 것(경고하는 것)이 바람직한바, 단계 S41 내지 단계 S44는 경고를 통해 사용자로 하여금 보다 높은 충전효율을 보이는 위치를 찾아 충전패드에 휴대전화기를 거치시키도록 유도하는 과정이다.

단계 S30에서 한계효율을 초과한 경우(YES)에는, 배터리의 충전이 완료되었는지 판단하고(S50), 완료 되었으면 충전을 종료한다(S60). 이때 배터리의 충전이 완료되지 않았으면(NO), 충전전류를 Pre-Charge Mode(수십 mA 이내) 또는 Fast Charge Mode(수백 mA)로 변경하고(S71), 다시 충전주파수를 검출하여 충전효율을 산출 및 표시한다(S72). 그리고 다시 검출된 충전주파수로부터 산출된 충전효율이 한계효율을 초과하는지 판단하고(S30), 충전이 완료될 때까지 S41 내지 S44 및 S71 및 S72 과정을 반복한다.

단계 S43에서 정해진 시간 내에 충전주파수의 변화가 없으면(NO), 충전전류를 제한된 전류(예, 300mA; 충전효율 50%)로 설정하여 충전을 진행하고(S80), 단계 S50으로 돌아가 배터리의 충전이 완료되었는지를 판단한다.

도9에는, 단계 S20과 단계 S21에 따른 사용자에 의한 자발적 위치이동과, 단계 S41 내지 단계 S44에 따른 경고를 통한 위치이동이 모두 적용되어 있지만, 양자 중에 어느 한 과정만을 적용하여도 그 목적을 달성할 수 있음은 당연하다.

전술한 바와 같이, 무접점충전에서는 1차 코일 위에 2차 코일을 정위치에 위치시켜야 충전효율을 최대화할 수 있는 바, 본 발명이 적용된 무접점충전시스템(1)에는, 예를 들어 휴대전화기 또는 휴대전화기의 배터리커버와 같은 휴대기기(2)의 수신부(30)에 설치되어 시각적으로 보이지 않는 2차 코일(40)의 위치를 시각적으로 표시하여주는 코일위치표시장치(70)를 설치할 수 있으며, 이런 코일위치표시장치(70)는 수신부(30) 또는 수신부(30)가 설치된 휴대기기(2)에 설치할 수 있다.

구체적으로 송신부(10)인 충전패드의 표면에는 1차 코일(20)의 위치를 확인할 수 있는 표식(수신부를 접근시켜야 하는 위치의 표식)이 있는 것이 일반적이지만, 휴대기기(2)의 수신부(30)의 2차 코일(40)은 예를 들어 플라스틱 재질의 배터리커버에 인몰드 매립되어 있거나 배터리커버의 내측면에 부착되어 있기 때문에, 사용자가 휴대전화기(수신부)를 송신부(10)에 근접시켜 무접점충전을 할 때, 수신부의 2차 코일의 위치를 시각적으로 확인할 수 없으며, 그럼에도 불구하고 충전패드와는 달리 휴대전화기는 그 케이스 등에 2차 코일의 위치를 나타내는 표식을 하는 것은 디자인이 손상되어 현실적으로 적용하기 어렵다.

스마트폰으로 대표되는 휴대기기(2)인 휴대전화기에는 그 본질적인 기능을 실현하기 위해 LCD와 같은 디스플레이장치(3)를 구비하고 있고, 또한 최근의 휴대전화기는 출력화면의 크기를 가능한 한 크게 하기 위해 휴대전화기의 거의 전면에 걸쳐 디스플레이장치(3)를 장착하고 있는 바, 상기 코일위치표시장치(70)는 상기 디스플레이장치(3)를 이용하여 2차 코일의 위치를 시각적으로 보여주는 것이다.

즉, 휴대전화기(2)의 디스플레이장치(3)에 2차 코일의 중심점이나 전체의 윤곽을 표시하여 줌으로써, 사용자가 수신부(30)인 휴대전화기(3)를 송신부(10)인 충전패드에 올려 충전을 시도할 때, 디스플레이장치(3)에 표시된 2차 코일(40)의 표시를 보고 보다 정확한 위치로 휴대전화기를 충전패드 위에 올려놓을 수 있다.

디스플레이장치(3)에의 2차 코일(40)의 위치표시는, 휴대전화기를 출시할 때 기본적으로 탑재되는 프로그램에 의해 실현할 수도 있고, 사후적으로 코일위치표시를 프로그램 한 어플리케이션을 휴대전화기에 설치함으로써 탑재할 수 있으며, 코일위치표시장치(70)의 기동은 사용자가 해당 메뉴를 선택하여 수동적으로 실행하는 것도 배제되지 않지만, 휴대전화기(수신부)를 충전패드(송신부)에 올림으로써 휴대전화기가 충전모드로 전환 될 때 코일위치표시장치(70)가 기동하여 충전을 개시한 후 몇초 동안(예, 10초)만 디스플레이장치(3)에 2차 코일(40)의 위치를 자동적으로 출력하는 방법이 바람직하다.

휴대전화기(2)의 디스플레이장치(3)의 크기가 2차 코일(40)의 실제 위치를 표시할 수 있을 만큼 충분히 크지 아니하거나, 디스플레이장치(3)의 위치가 2차 코일(40)와 다른 경우에는, 디스플레이장치(3)에 2차 코일(40)의 실제 위치를 표시할 수 없으므로, 디스플레이장치(3)에 해당 휴대전화기(2)의 전체 윤곽을 표시함과 아울러 그 표시된 휴대전화기(2)의 윤곽 내에 2차 코일(40)의 상대적인 위치를 표시할 수 있으며, 이로써 사용자가 휴대전화기의 어느 위치에 2차 코일이 위치하는지를 확인할 수 있고, 이를 근거로 휴대전화기를 충전패드의 적절한 위치에 올려놓을 수 있도록 할 수 있다.

휴대전화기의 유선충전시스템은 유선충전기(어댑터)를 사용하고, 유선충전기는 그 충전용량이 실질적으로 항상 일정하기 때문에 휴대전화기는 배터리의 충전 전류를 특정 값으로 결정하여 고정하여도 문제가 없다.

그러나 무접점충전은 송신부(10)의 1차 코일(20)과 수신부(30)의 2차 코일(40)의 전자기유도에 의해 유도되는 2차 코일(40)의 유도전력이 고정적인 것이 아니라 환경(예, 1차 코일의 성능, 1차 코일에 대한 2차 코일의 위치 등)에 따라 가변되는 특성이 있으며, 따라서 배터리(50)의 충전전력을 2차 코일의 유도전력에 종속시킬 필요가 있다.

그러나 종래의 무접점충전시스템의 경우 이런 2차 코일의 유도전력 가변성을 고려하지 않고 배터리를 일정한 충전전압(예, TC는 4.2V, TA는 5.0V)과 일정한 충전전류(예, 700mA ~ 1A)로 충전하도록 그 충전전력을 특정하고 있는 경우가 많다.

즉, 종래의 무접점충전시스템은 배터리를 충전하기 위해 2차 코일로부터 안정적인 전력을 공급 받아야 하지만, 가변적인 2차 코일의 유도전력이 배터리의 충전전력보다 낮은 상황이 발생하면, 수신부가 불안한 작동을 반복하게 되고, 이로 인하여 발열과 제품 손상을 유발할 수 있다.

이와 같은 배경 하에서, 바람직하게 본 발명이 적용된 무접점충전시스템(1)은, 충전안전장치(80)를 더 포함할 수 있다.

충전안전장치(80)는 송신부(10)의 1차 코일(20)에 의해 수신부(30)의 2차 코일(40)에 유도된 전력(P-1)을 검출하는 수신부전력검출부(81), 및 상기 배터리(50)의 충전전력(P-2)이 상기 수신부전력검출부(81)에 의해 검출된 전력(P-1)보다 크지 않게 상기 배터리(50)의 충전전류(I-2)를 제한하는 충전전류제한부(82)를 포함한다.

이를 위해 배터리(50) 또는 배터리가 장착되는 휴대전화기와 같은 휴대기기(2)에는 2차 코일(40)에 유도된 전류(I-1)와 전압(V-1)을 검출하기 위한 전류검출부(81a)와 전압검출부(81b)로 구성된 수신부전력검출부(81)를 설치하여, 전류검출부(81a)로부터의 전류(I-1)와 전압검출부(81b)로부터의 전압(V-1)의 곱으로 2차 코일(40)에 유도된 전력(P-1)을 산출하고, 충전전류제한부(82)는 산출된 2차 코일(40)의 전력(P-1)과 정하여진(상수인) 배터리(50)의 충전전압(V-2)의 관계에서 2차 코일의 전력(P-1)이 배터리의 충전전력(P-2)보다 작지 않도록 배터리의 충전전류(I-2)를 제한하며, 이를 식으로 표현하면 아래의 식1 내지 식3과 같다.

식1 : 2차 코일의 전류(I-1)*2차 코일의 전압(V-1) = 2차 코일의 전력(P-1)

식2 : 배터리의 충전전류(I-2)*배터리의 충전전압(V-2) = 배터리의 충전전력(P-2)

식3 : 2차 코일의 전력(P-1)>배터리의 충전전력(P-2)

위 식에서 2차 코일의 전력(P-1)은 수신부전력검출부(81)로부터 산출되고, 배터리의 충전전압(V-2)은 그 충전회로에 의해 정하여진 상수의 값이므로, 식3의 관계가 성립할 수 있도록 충전전류제한부(82)가 배터리의 충전전류(I-2)를 제한할 수 있다.

결국, 충전전류가 높게 설정된 종래의 무접점충전시스템의 경우에는 1차 코일에 대한 2차 코일의 위치가 정위치로부터 과도하게 이탈하여 2차 코일에 상대적으로 낮은 전력이 유도됨으로써 충전전력이 2차 코일의 유도전력 보다 커지게 되면 발열이 일어나고 충전이 중단되지만, 상기 충전안전장치(80)에 의하면, 가변적인 2차 코일(40)에 유도된 전력의 변화에 맞게 배터리의 충전전류를 제한(제어)할 수 있으므로, 발열의 위험을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 중단 없이 충전을 실행할 수 있으므로, 무접점충전이 가능한 범위를 확장시킬 수 있다.

설명되지 않은, 도7에서 도면부호 4 내지 8은, 예를 들어 휴대전화기(2)의 일반적인 구성요소들로서, 휴대전화기를 전체적으로 제어하는 CPU(4), 이동통신과 인터넷, 근거리무선통신 등 각종 통신을 실행하는 통신부(5), 음향을 입출력하는 오디오부(6), 각종 데이터를 저장하는 저장부(7) 및 각종 데이터나 작동을 입력하는 입력부(8)를 도식적으로 나타낸 것이다.

1: 본 발명이 적용된 무접점충전시스템
2: 휴대기기(휴대전화기, 휴대전화기의 배터리커버)
3. 디스플레이장치
10: 송신부
20: 1차 코일
30: 수신부
40: 2차 코일
41: 기면
42: 제1 코일
42a: 제1 내부공간
43: 제2 코일
43a: 제2 내부공간
60: 충전효율표시장치
61: 주파수검출부
62: 표시부
70: 코일위치표시장치
80: 충전안전장치
81: 수신부전력검출부
82: 충전전류제한부

Claims

송신부(10)의 1차 코일(20)에 근접시켜 상기 1차 코일(20)과의 사이에서 발생하는 전자기유도에 의해 전기적으로 연결된 배터리(50)를 충전하는 무접점충전시스템에 적용되는 수신부(30)의 2차 코일(40)에 있어서,
지지면을 형성하는 기면(41), 상기 기면(41)의 일측면에 적층 부착되고 중앙에 제1 내부공간(42a)을 두고 일측 방향으로 외측으로 다수회 권선하여 형성한 제1 코일(42), 및 상기 기면(41)의 타측면에 적층 부착되고 중앙에 제2 내부공간(43a)을 두고 상기 제1 코일(42)과 동일한 방향으로 외측으로 다수회 권선하여 형성하고 상기 제1 코일(42)에 전기적으로 연결한 제2 코일(43)을 포함하고:
상기 제2 코일(43)의 상기 제2 내부공간(43a)과 상기 제1 코일(42)의 상기 제1 내부공간(42a)은 동일 위치에 배치되지 아니하고 수평방향으로 전후좌우로 일정거리 엇갈린 위치로 확산배치되어 있으며;
상기 제2 코일(43)과 겹치지 않은 상기 제1 코일(42)의 비겹침 부분의 상기 기면(41)의 타측면에 형성되고 일측면의 상기 제1 코일(42)과 전기적으로 연결된 제1 부가패턴(44), 및 상기 제1 코일(42)과 겹치지 않은 상기 제2 코일(43)의 비겹침 부분의 상기 기면(41)의 일측면에 형성되고 타측면의 상기 제2 코일(43)과 전기적으로 연결된 제2 부가패턴(45)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무접점충전시스템용 수신부의 2차 코일.
제1항에 있어서,
상기 제1 코일(42)과 상기 제2 코일(43)의 확산배치는, 상기 제1 내부공간(42a)과 상기 제2 내부공간(43a)의 중심이 일치하는 0% 확산배치를 초과하고, 상기 제2 코일(43)이 상기 제1 내부공간(42a)의 직경(R) 만큼 상기 제1 코일(42)로부터 수평방향으로 전후좌우의 벗어난 100% 확산배치 이하의 범위에서 확산배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 무접점충전시스템용 수신부의 2차 코일.
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