KR101246692B1 - 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 절연층과, 상기 절연층 상에 형성되는 그라운드를 구비하는, 회로기판; 상기 회로기판상에 배치되고, 오목부가 형성되는 자성체의 코어; 상기 오목부에 수용되며, 일 단은 상기 회로기판을 통해 전원을 입력받고 타 단은 상기 그라운드에 접지되도록 형성되는, 권선형 코일; 및 상기 코어와 상기 절연층 사이에 배치되고, 상기 그라운드에 접지되는 금속층을 포함하는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치를 제공한다.

Description

무선전력 통신시스템용 전력 전송장치{WIRELESS POWER TRANSMITTING DEVICE FOR WIRELESS POWER COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 무선전력 통신 시스템에 사용되는 무선전력 전송장치에 관한 것이다.

일반적으로, 이동통신단말기, PDA(Personal Digital Assistants) 등과 같은 휴대용 전자기기에는 재충전 가능한 2차 전지(Secondary Battery)가 배터리로서 장착된다. 배터리를 충전하기 위해서는, 가정용 상용 전원을 이용하여 휴대용 전자기기의 배터리에 전기 에너지를 제공하는 별도의 충전장치가 필요하다.

통상적으로, 충전장치와 배터리에는 외부에 각각 별도의 접촉 단자가 구성되어 있어서, 두 접촉 단자를 서로 접속시키는 것에 의해 충전장치와 배터리를 전기적으로 연결한다. 그러나, 이와 같이 접촉 단자가 외부에 돌출되면, 미관상 좋지 않고 접촉 단자가 외부의 이물질에 오염되어 접촉 상태가 쉽게 불량해지기도 한다. 또한, 사용자의 부주의로 배터리에 단락이 발생하거나 습기에 노출되면, 충전에너지가 쉽게 소실될 수 있다.

이러한 접촉식 충전방식의 대안으로서, 충전장치와 배터리 각각의 접촉 단자들이 서로 접촉되지 않는 방식으로 배터리가 충전되도록 전력 전달이 무선으로 이루어지는 무선전력 통신시스템이 제안되고 있다.

본 발명의 목적은, 자기장에 대한 차폐도를 높이면서도 무선전력 수신장치 측의 수신 감도를 개선할 수 있는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치는, 절연층과, 상기 절연층 상에 형성되는 그라운드를 구비하는, 회로기판; 상기 회로기판상에 배치되고, 오목부가 형성되는 자성체의 코어; 상기 오목부에 수용되며, 일 단은 상기 회로기판을 통해 전원을 입력받고 타 단은 상기 그라운드에 접지되도록 형성되는, 권선형 코일; 및 상기 코어와 상기 절연층 사이에 배치되고, 상기 그라운드에 접지되는 금속층을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 금속층은 상기 코어에 대응하는 면적을 갖도록 형성될 수 있다.

여기서, 상기 금속층은 상기 회로기판의 절연층 상에 부착 형성일 수 있다.

여기서, 상기 도전 회로는 구리를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 금속층은 상기 코어와 상기 회로기판 사이에 배치되는 금속 시트를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 금속 시트는 알루미늄을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 코어와 상기 금속층 사이에는 자성체 시트가 추가로 배치될 수 있다.

여기서, 상기 금속층은, 상기 회로기판의 절연층 상에 부착 형성되는 제1 금속층과, 상기 코어와 상기 제1 금속층 사이에 배치되는 제2 금속층을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 금속층은 구리를 포함하고, 상기 제2 금속층은 알루미늄을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 자성체 시트는 니켈-아연 합금을 포함하고, 상기 자성체의 코어는 망간-아연 합금을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 자성체 시트는, 제1 및 제2 필름; 및 상기 제1 및 제2 필름 사이에 배치되며, 상기 니켈-아연 합금 성분이 소결되어 형성되는 소결층을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 소결층은 적어도 일 방향을 따라 배열되는 그루브에 의해 복수의 영역으로 구획되도록 형성될 수 있다.

여기서, 상기 코일은, 제1 코일과, 상기 제1 코일에 일부가 중첩되게 배치되는 제2 코일을 포함하고, 상기 회로기판은, 무선전력신호의 발생을 위하여 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 중 어느 하나에 대하여 전원이 공급되도록 할 수 있다.

여기서, 상기 오목부는 상기 코어의 상기 회로기판과 마주하는 하나의 주면과 반대되는 다른 주면에 형성될 수 있다.

여기서, 상기 코어의 상기 오목부를 한정하는 측벽에는 복수의 연장홈이 형성되고, 상기 코일의 양단은 상기 복수의 연장홈을 통해 상기 코어 밖으로 연장하여 상기 회로기판에 연결되도록 형성될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치에 의하면, 코어와 회로기판의 절연층 사이에 배치되는 금속판에 의해, 코일이 무선전력신호를 발신 중에 발생하는 자기장 중 코어에 의해 차폐되지 못한 부분이 금속판에 의해 추가로 차폐될 수 있다.

또한, 무선전력 전송장치의 스위칭 동작에 의해 무선전력 수신장치에서 발생하는 노이즈는, 코일과 금속층을 접지시켜 기생 캐패시터에 축전된 전하를 제거함으로써 억제할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명과 관련된 무선전력 통신 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치(100)의 조립 사시도이다.
도 3은 도 2의 무선전력 전송장치(100)를 배면에서 바라본 조립 사시도이다.
도 4는 도 2의 무선전력 전송장치(100)의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선전력 전송장치(100')의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 전송장치(100")의 종단면도이다.
도 7은 도 6의 자성체 시트(180)에 대한 분해 사시도이다.
도 8은 종래의 경우(a)와 대비한 본 실시예들의 경우(b)에 있어서 무선전력 수신장치(200)의 그라운드에서의 노이즈를 측정한 그래프들이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 무선전력 통신 시스템의 블록 구성도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 통신 시스템은, 무선전력 전송장치(100)와 무선전력 수신장치(200)를 포함한다. 전자기 유도 방식에 의해, 무선전력 전송장치(100)가 무선전력 신호를 무선전력 수신장치(200)로 전송하면, 이 전력 신호를 수신한 무선전력 수신장치(200)는 상기 무선전력 신호의 전력으로 배터리를 충전하거나, 무선전력 수신장치(200)와 연결된 전자기기에 전원을 공급하게 된다.

이하에서는, 무선전력 전송장치(100)와 무선전력 수신장치(200)의 구성에 대하여 각각 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시예인 무선전력 전송장치(100)는, 1차측 코일(110), 전송 제어부(120) 및 AC/DC 컨버터(130)를 포함한다. 여기서 1차측 코일(110)은 전력 신호를 전자기 유도 방식으로 전력 수신장치(200)의 2차측 코일(210)에 전송하기 위한 장치로서, 본 실시예에서는 2개의 코일[즉, 제1 코일(111) 및 제2 코일(112)]이 적용될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 1차측 코일(110)을 제어하는 전송 제어부(120)는, 객체 감지부(121), 중앙제어부(122), 스위칭제어부(123), 구동드라이버(124) 및 직렬 공진형 컨버터(125)를 포함할 수 있다.

객체 감지부(121)는 1차측 코일(110)의 부하변화를 감지하고, 해당 부하변화가 무선전력 수신장치(200)에 의한 것인지를 판단할 뿐만 아니라(즉 아이디 확인부로서의 기능을 가짐), 무선전력 수신장치(200)로부터 전송된 충전 상태 신호를 필터링하여 처리하는 기능을 수행한다. 예를 들어, 1차측 코일(110)을 통해 전송되는 아이디 호출 신호의 응답신호인 아이디 신호가 수신되면, 이를 필터링 하여 처리하고, 충전 중, 배터리 셀이나 충전 전압에 관한 정보를 포함하는 충전 상태 신호가 수신되면, 이를 필터링하여 처리하는 기능을 한다.

중앙 제어부(122)는 객체 감지부(121)의 판단결과를 전송받아 확인하고, 1차측 코일(110)에서 수신되는 아이디 신호를 분석하여, 1차측 코일(110)를 통해 무선전력 신호를 송출하기 위한 전력 신호를 구동 드라이버(124)로 전송하는 역할을 한다. 또한, 후술하는 1차측 코일로부터 충전 상태신호가 수신되면, 이에 기초하여 구동 드라이버(124)를 제어하여 무선전력 신호를 변경하는 기능을 한다.

스위칭제어부(123)는 직렬 공진형 컨버터(125)와 제1 코일(111) 및 제2 코일(112)의 사이에 스위치의 스위칭동작을 제어하는 것이다. 본 발명에서는, 2개의 서브 코일이 이용되고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 하나의 코일이 적용되는 경우도 포함한다. 하나의 코일이 적용되는 경우, 상기 스위칭 제어부(123)가 불필요하게 된다.

구동 드라이버(124)는 중앙 제어부(122)의 제어를 통해 직렬 공진형 컨버터(125)의 동작을 제어하는 것이다.

직렬 공진형 컨버터(125)는 구동 드라이버(124)의 제어에 의해 송출하고자 하는 전력신호를 발생하기 위한 송출 전원을 생성하여 1차측 코일(110)의 일 단부로 공급하는 것이다. 다시 말해, 중앙 제어부(122)가 요구되는 전력 값을 갖는 전력 신호의 송출을 위한 전력 제어 신호를 구동 드라이버(124)로 전송하면, 구동 드라이버(124)는 전송된 전력제어신호에 대응하여 직렬 공진형 컨버터(125)의 동작을 제어하고, 직렬 공진형 컨버터(125)는 구동 드라이버(124)의 제어에 의하여 요구되는 전력 값에 대응하는 송출 전원을 1차측 코일(110)에 인가함으로써, 요구되는 세기의 무선전력 신호가 송출되도록 하는 것이다. 1차측 코일(110)의 타 단부는 시스템 그라운드(171)에 접지되게 된다.

또한, 직렬 공진형 컨버터(125)는 구동 드라이버(124)의 제어에 의해 제1 코일(111) 및 제2 코일(112)을 통해 각각 제 1 객체 감지 신호와 제 2 객체 감지 신호를 발생하기 위한 전원을 공급하는 역할을 한다.

AC/DC 인버터(130)는 220V 또는 110V 의 교류 전원을 소정 전압의 직류 전원으로 변경하는 장치로서, 전술한 바와 같이, 상기 중앙 제어부(122)의 제어에 의해, 출력 전압 값이 변경된다.

전력신호를 수신하여 전력을 공급받는 무선전력 수신장치(200)는, 상기 송출된 전력 신호에 의해 유도전력을 생성하는 2차측 코일(210), 유도된 전력을 정류하는 정류부(220), 정류된 전력으로 충전되는 배터리셀모듈(230), 그리고, 2차측 코일(210), 정류부(220) 및 상기 배터리 셀 모듈을 제어하는 수신 제어부(240)를 포함한다.

2차측 코일(210)은 무선전력 전송장치(100)의 1차측 코일(110)로부터 전송되는 무선전력 신호를 수신하기 위한 구성요소이다.

정류부(220)는 2차측 코일(210)로부터 수신되는 무선전력을 직류 전압으로 정류하며, 충전 개시 전까지는 충전전압으로 충전 상태를 유지하게 된다.

배터리 셀 모듈(230)은 수신 제어부(240)의 제어를 받아 상기 정류부(220)로부터의 직류 전원을 통해 충전이 되는 충전 대상이 된다. 배터리 셀 모듈(230) 대신에 PMP, MP3, 핸드폰 등의 전자기기가 충전 대상이 될 수도 있다. 한편, 배터리셀모듈(230)에는 과전압 및 과전류방지회로, 온도감지회로 등의 보호회로가 포함되어 구성되며, 또한, 배터리셀의 충전상태 등의 정보를 수집 및 처리하는 충전관리모듈이 포함된다.

수신 제어부(240)는 정류부(220)에서 충전된 전원의 전류를 제어하여 배터리셀모듈(230)로 적절한 전류가 흐르도록 하는 구성요소이다.

이하에서는, 무선전력 전송장치(100)에 대하여 보다 상세하게 살펴본다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치(100)의 조립 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치(100)는, 본 도면 등을 참조하여 설명할 코어 어셈블리와, 상기 코어 어셈블리를 감싸서 외관을 형성하는 하우징을 포함한다.

여기서, 상기 코어 어셈블리는, 하나 이상의 코일(110)과, 판상형의 코어(150)와, 회로기판(170)을 포함할 수 있다.

코일(110)은 2개의 자유단을 가지며, 권선된 형태로 형성된다. 코일(110)은 또한 코어의 방식이나 구조에 맞게 하나 또는 2개 이상으로 구비될 수 있다. 본 실시예에서는 본 발명에 대한 용이한 이해를 위해 2 개의 코일(110)이 일부 중첩되게 배치된 형태를 예시하고 있으며, 하기에서는 이 배치 형태에 의거해서 설명하기로 한다. 복수의 코일 중에 인접한 코일(110)은 서로 간에 일 부분들이 중첩되도록 배치될 수 있다.

코어(150)는 판상형으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 코어(150)는 대체로 직육면체를 이루는 것으로 예시되어 있다. 구체적으로는, 직육면체 형상의 네 코너가 라운드처리된 형상을 이룬다. 코어(150)의 넓은 면, 다시 말해서 주면(柱面) 중 전면(151, 도 4)에는 코일(110)을 수용하기 위한 오목한 부분(152,153)이 형성된다. 오목한 부분(152,153)은 그를 감싸도록 돌출 형성되는 측벽(156)에 의해 한정된다. 측벽(156)에는 오목한 부분(152,153)을 외부와 연통시키는 복수의 연장홈(154a, 154b, 155a, 155b)이 형성된다. 연장홈(154a, 154b, 155a, 155b)을 통해서는 코일(110)의 양단부가 각각 외부로 연장하게 된다. 코어(150)는 자성체로 형성되어, 오목한 부분(152,153)에 수용된 코일(110)에 흐르는 전류에 의한 자계 중 전력 수신 장치(200, 도 1)를 향한 방향에서 벗어난 자계를 차폐하게 된다.

회로기판(170)은 코어(150)의 배면[전면(151, 도 4)에 반대되는 면]과 마주하도록 코어(150)의 하측에 위치하게 된다. 회로기판(170)은 코어(150)의 면적보다 큰 면적을 가져서, 회로기판(170)의 일 부분은 코어(150)를 밑에서 지지하게 된다. 회로기판(170)의 다른 부분에는 코일(110)에 대한 전원의 인가를 제어하는 회로가 내장된다. 상기 제어 회로는, 앞서 설명한 전송 제어부(120, 도 1)를 포함한다.

도 3은 도 2의 무선전력 전송장치(100)를 배면에서 바라본 조립 사시도이다.

본 도면을 참조하면, 코일(110) 각각의 양단은 연장홈(154a, 154b, 155a, 155b)을 통해 코어(150, 이상 도 2 참조)의 외부로 나와, 회로기판(170)을 관통하여 연장하게 된다. 구체적으로, 코일(110)의 양단은 회로기판(170)에 형성되는 관통홀(174,175)을 관통한다. 여기서, 코일(110)의 양단은 관통홀(174,175)에 인접하게, 본 도면상으로는 관통홀(174,175)을 감싸도록 형성되는, 접속부(178)들에 각각 접속된다. 이상에서, 관통홀(174,175)은 회로기판(170)의 상면[하면(172)의 반대면]에서 하면(172)으로 관통 형성되며, 접속부(178)는 하면(172)에 형성된다.

회로기판(170)의 하면(172)에는 복수의 도전 회로(179)가 형성된다. 도전 회로(179)는 회로기판(170)의 일 부분(170b)에서 다른 부분(170a)을 향해 연장하도록 형성된다. 하나의 접속부(178)는 하나의 도전 회로(179)에 연결된다. 그에 의해, 다른 부분(170a)에 형성되는 전송 제어부(120, 도 1)는 코일(110)과 전기적으로 연결되어 코일(110)을 제어하게 된다.

회로기판(170)은 대체로 직사각형 형태로 형성되어, 한 쌍의 장변(172a,172b)을 가진다. 이때, 한 쌍의 관통홀(174)은 회로기판(170)의 중심선을 기준으로 하부 영역에 놓인다. 다른 한 쌍의 관통홀(175)은 위 중심선을 기준으로 상부 영역에 놓이게 된다. 다시 말해서, 한 쌍의 관통홀(175)은 하나의 장변(172a)을 따라 배치되고, 다른 한 쌍의 관통홀(174)은 다른 장변(172b)을 따라 배치된다. 그에 의해, 접속부(178)와 연결되는 도전 회로(179)들도 서로 다른 영역에서 구분되어 형성될 수 있다.

도 4는 도 2의 무선전력 전송장치(100)의 분해 사시도이다.

본 도면을 참조하면, 코일(110)은 한 쌍의 코일들, 다시 말해서 제1 코일(111)과 제2 코일(112)로 구성될 수 있다.

제1 코일(111)과 제2 코일(112)의 형태는, 타원형으로 형성될 수 있다. 이는 제1 코일(111)과 제2 코일(112)이 중첩되는 면적을 최대화하면서도, 중첩된 제1 코일(111)과 제2 코일(112)이 차지하는 길이 방향 사이즈 역시 최대화하기 위함이다. 제1 코일(111)과 제2 코일(112)은 선택적으로 전원을 공급받아 작동하게 된다.

제1 코일(111)과 제2 코일(112)은 대체로 동일한 외형 사이즈를 가지도록 권선될 수 있다. 제1 코일(111)과 제2 코일(112)은 각각 하나의 평면을 이루도록 권선 된다. 제1 코일(111)과 제2 코일(112)이 이루는 평면들은 서로 평행하게 배치될 수 있다(도 3 참조).

제1 코일(111)과 제2 코일(112)에는 각각 중심 부분에 중공부(111',112')가 형성될 수 있다. 중공부(111',112')의 면적은 코일(111, 112)의 권선 정도에 의해 조절될 수 있다.

본 실시예에서는 제1 코일(111)의 중공부(111')가 제2 코일(112)의 중공부(112')보다 큰 경우를 보이고 있다. 제1 코일(111)의 중공부(111')가 더 크다는 것은, 제1 코일(111)의 권선수가 제2 코일(112)의 권선수보다 작다는 것을 의미한다. 이는, 제1 코일(111)의 인덕턴스에 영향을 주어서, 결과적으로 각각 다른 높이에 위치하는 제1 코일(111)과 제2 코일(112)의 공진 주파수[공진 주파수는 인덕턴스의 제곱근에 반비례하도록 인덕턴스와 연관됨]들을 서로 동일하게 하기 위함이다. 양 코일(111,112)의 공진 주파수를 동일하게 함에 의해서는, 코일들(111,112)에 대한 제어가 보다 용이해지는 이점이 있다.

코어(150)는, 앞서 설명한 바대로, 대체로 직육면체의 형태를 가진다. 코어(150)의 전면(151)에는 코일(110)을 수용하는 오목부(152,153)가 형성된다. 오목부(152,153)는 제1 깊이로 리세스되는(recessed) 제1 오목부(152)와, 제2 깊이로 리세스되는 제2 오목부(153)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 제1 코일(111)은 제1 오목부(152)에 수용되고, 제2 코일(112)은 제2 오목부(153)에 수용된다. 이때, 제1 코일(111)이 제2 코일(112)보다 하측에 위치하므로, 상기 제1 깊이는 상기 제2 깊이보다 깊게 된다.

다시 본 도면을 참조하면, 오목부(152,153)는 폐곡선형, 구체적으로는 타원형의 윤곽선을 가지도록 리세스되어 형성된다. 오목부(152,153) 전체가 큰 타원형의 윤곽을 형성한다면, 제1 오목부(152)는 큰 타원 내에 내접되는 작은 타원과 같은 윤곽을 형성하게 된다. 그에 의해, 제1 오목부(152)는 전체로서 온전한 타원 형태를 이룬다면, 제2 오목부(153)는 대체로 초승달과 같은 형태를 가지게 된다.

제1 오목부(152)와 제2 오목부(153)이 만나는 부분에는 윤곽벽(152' 및 152")이 형성된다. 윤곽벽(152' 및 152")은 대체로 원호 형상을 이루지만, 제1 윤곽벽(152')에 비하여 제2 윤곽벽(152")은 더 큰 반경을 가지도록 형성된다. 이때, 제1 윤곽벽(152')과 제2 윤곽벽(152")의 반경 차이에 대응하는 영역(159')에는 제2 코일(112)의 하나의 단부(152b)가 배치된다. 이는, 상기 단부(152b)가 제2 코일(112)의 권선된 부분의 위가 아닌 아래로 지나가게 하여, 상기 단부(152b)에 의해 코어 어셈블리의 전체 두께가 증가되지 않게 한다. 여기서, 위 영역(159')은 제1 오목부(152)와 동일한 깊이로써 리세스되어 형성될 수도 있다.

오목부(152,153)의 사이즈는, 서로 일부가 중첩된 제1 코일(111)과 제2 코일(112)이 전체적으로 형성되는 조립체의 외주가 다소 타이트하게(tightly) 수용될 정도가 될 수 있다. 이에 의해, 제1 코일(111)과 제2 코일(112)은 오목부(152,153)에 수용되는 것만으로도, 전력 전송장치(100) 내에서 설정된 위치에 유지될 수 있다. 오목부(152,153)는, 그 형태상으로, 측벽(156)과 바닥(159)을 가지게 된다.

측벽(156)은 오목부(152,153)가 리세스된 깊이에 대응하는 높이를 가지게 된다. 측벽(156)은 코일(110)의 두께에 대응하는 사이즈를 가져서, 코일(110)에서 발생된 자계가 측벽(156)을 향하는 방향으로 누설되는 것을 차단 또는 완화하도록 형성될 수 있다. 측벽(156)의 내면은, 앞서 설명한 바와 같이, 타이트하게 수용되는 코일(110)의 외주와 접촉하여, 코일(110)이 일정한 위치에 안착되게 하기도 한다. 또한, 측벽(156)에는 오목한 부분(152,153)과 외부를 연통시키는 복수의 연장홈(154a, 154b, 155a, 155b)이 형성된다. 한 쌍의 연장홈(154a,154b)은 제1 코일(111)의 양 단부(111a,11b)에 대응하는 위치에 형성되고, 다른 한 쌍의 연장홈(125a,125b)은 제2 코일(112)의 양 단부(112a,112b)에 대응하는 위치에 형성된다.

오목부(152,153)의 바닥(159)에서는 서포트(157,158)가 돌출 형성될 수 있다. 서포트(157,158)는 각각 제1 코일(111)의 중공부(111')에 삽입되거나 제2 코일(112)의 중공부(112')에 삽입될 수 있는 위치에 형성된다. 그에 의해, 서포트(157,158)는 제1 코일(111)이나 제2 코일(112)가 설정된 위치에서 이탈되지 않아서, 그들 간의 배치 관계가 설정된 대로 유지될 수 있게 한다.

서포트(157,158)의 형상은 코일(110)의 중공부(111',112')의 내주면의 형상에 대응하여 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 서포트(157,158)의 외주는 곡선형인 중공부(111',112')의 내주면에 대응하여, 곡선인 구간을 가진다. 서포트(157,158)의 곡선 구간의 반대 측은 코일(110)의 외주와의 간섭을 피하기 위한 공간 확보를 위해 직선 구간으로 처리될 수 있다. 이에 의해, 서포트(157,158)는 전체적으로 반원형의 단면을 가진 채로 연장하는 돌기가 될 수 있다. 이때, 제1 중공부(111')에 삽입되는 제1 서포트(157)의 단면적은 제2 중공부(112')에 삽입되는 제2 서포트(158)의 단면적 보다 크게 될 것이다.

회로기판(170)의 상면(131)은 코어(150)의 배면[전면(151)의 반대 면]과 마주하도록 배치된다. 회로기판(170)의 장변(172a,172b, 도 3 참조)을 따라서는 연장홈(154a, 154b, 155a, 155b)에 대응하는 관통홀(174,175)이 형성된다.

이러한 구성에 의하면, 제1 코일(111)은 그의 중공부(111')가 제1 서포트(157)에 끼워진 채로 제1 오목부(152)에 놓여 진다. 이와 유사하게, 제2 코일(112)은 그의 중공부(112')가 제2 서포트(158)에 끼워진 채로 제2 오목부(153)에 놓여 진다. 그에 의해, 제1 코일(111)과 제2 코일(112)은 서로가 부분적으로 중첩된 상태를 이루게 된다.

제1 코일(111)의 양 단부(111a,111b)는 각각 연장홈(154a, 154b)을 통해서 코어(150) 밖으로 연장하여 관통홀(174)로 삽입되어, 관통홀(174)을 감싸는 접속부(178, 도 3)에 접속된다. 이때, 제1 코일(111)의 일 단부(111a)는 제1 코일(111)의 나머지 권선된 부분 위로 연장하나, 제1 오목부(152)의 깊이가 제1 오목부(153)보다 깊은 관계로 코어 어셈블리의 전체 두께를 증가시키지 않는다. 다른 단부(111b)는 코일의 권선된 부분의 가장자리에서 수평적으로 연장홈(154b)으로 연장한다.

제2 코일(112)의 양 단부(112a,112b)는 각각 연장홈(155a, 155b)을 통해서 코어(150) 밖으로 연장하여 관통홀(175)에 삽입되어, 관통홀(175)을 감싸는 접속부(178)에 접속된다. 이때, 제2 코일(112)의 일 단부(112a)는 코일의 권선된 부분의 가장자리에서 수평적으로 연장홈(125a)으로 연장한다. 또한, 다른 단부(112b)는 코일의 권선된 부분과 중첩되어 연장하나, 제1 오목부(152)와 같은 깊이를 가지도록 리세스된 영역(159')을 통해 연장하여 연장홈(155b)을 통해 밖으로 빠져나가므로, 코어 어셈블리의 전체 두께를 증가시키지는 않는다.

이상과 같이, 코일(110)이 오목한 부분(152,153)에 놓여 지고, 그들의 단부들(111a, 111b, 112a, 112b)도 연장홈(154a, 154b, 155a, 155b)을 통해서 측벽(156) 방향으로 연장되므로, 코일(110)에서 발생한 자속의 누설을 최소화할 수 있게 된다.

나아가, 코어(150)에서 발생한 자속의 누설을 추가로 낮추기 위하여, 코어(150)와 회로기판(170)의 절연층(173, 도 6) 사이에는 금속층(192)이 설치될 수 있다. 또한, 당업자의 실시환경이나 설계 옵션에 따라 금속층(150)과 코어(150) 사이에는 절연막층(미도시)이 더 형성될 수도 있다.

금속층(192)은 자기장에 대해 반발하거나 흡수함으로써, 코어(150)에서 회로기판(170)을 향한 방향으로의 자속의 누설을 줄이게 된다. 금속층(192)은, 회로기판(170)의 절연층(173,도 6)에 부착된 것일 수 있다. 이 경우, 금속층(192)이 도전 회로(170a')의 형성을 위한 공정과 함께 형성될 수 있어서, 공정의 단순화 면에서 바람직하다. 또한, 금속층(192)은 도전 회로(170a')와 같은 재료, 예를 들어 구리로서 형성되어도 가능하므로, 더욱 공정의 단순화가 가능해진다. 구체적으로, 절연층(173)에 구리 시트를 부착시킨 상태에서, 도전 회로(170a')와 금속층(192)을 제외한 부분을 식각 공정을 통해 제거함으로써, 도전 회로(170a')와 금속층(192)을 함께 형성할 수 있는 것이다. 그러나, 이상의 내용은, 금속층(192)이 알루미늄과 같은 구리 외의 금속으로 형성될 수 있음을 제한하는 것은 아니다.

금속층(192)은 코어(150)의 면적에 대응하는 면적을 가지는 것이 누설 자속의 차단을 위해 효과적일 것이다. 본 실시예에서는 금속층(192)의 면적이 코어(150)와 동일한 경우를 예시하고 있다.

금속층(192)의 추가로 자속 누설에 대한 차단 효과는 상승되나, 커먼 모드(Common Mode)에서 1차측 코일(110)과 무선전력 수신장치(200)의 코일(210, 도 1) 간에 제1 기생 캐패시터(Capacitor)가 생기게 되고, 코어(150)와 상기 금속층 사이에 제2 기생 캐패시터가 생기게 된다. 이러한 기생 캐패시터들은, 무선전력 전송장치(100)에서 전류를 교번시켜 사인파를 발생시킬 때 발생하는 스위칭 노이즈가 무선전력 수신장치(200)에 영향을 미치게 된다. 그에 의해 무선전력 수신장치(200)의 그라운드는 오실레이션(Ocillation)이 발생하게 되고, 이 커먼 모드 전압에 의한 결합 노이즈는 전기장을 발생시켜 수신장치(200)의 수신 감도에 영향을 미치게 된다.

이를 해결하기 위하여, 회로기판(170)의 전면에 시스템 그라운드(171)를 설치한다. 그라운드(171)는 도전 회로(170a')의 일 부분일 수 있다. 이 그라운드(171)에는 코일(110)이 접지되고, 금속층(192)이 또한 접지된다. 금속층(192)은 접지부(171a)에 의해 일 점에서 그라운드(171)에 접지될 수 있다. 그라운드(171) 및 접지부(171a)는 단일 공정에 의해 도전 회로(170a') 및 금속층(192)과 함께 형성될 수 있다.

이와 같은 그라운드(171)를 이용한 접지를 통하여, 상기 제1 및 제2 기생 캐패시터들에 축전된 전하가 그라운드로 이동하게 되므로, 상기 기생 캐패시터들이 제거된다.

이러한 결과로, 금속층(192)에 의해 자속 누설을 차단하면서도, 그로 인하여 수신장치(200) 측의 수신 감도가 영향받을 가능성을 낮출 수 있게 된다.

다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선전력 전송장치(100')에 대해 살펴본다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선전력 전송장치(100')의 분해 사시도이다.

본 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 무선전력 전송장치(100')는 앞선 실시예의 무선전력 전송장치(100)와 대체로 유사하나, 앞서의 금속층(192)과 다른 형태의 금속층으로서, 회로기판(170)과 별도로 금속 시트(191)가 마련되는 점이 상이하다.

그에 의해, 회로기판(170)에 그라운드(171)는 구비되나, 앞선 실시예의 금속층(192, 도 4)은 없고, 그 자리는 절연층으로 남아있게 된다.

금속 시트(191)는 회로기판(170)의 도전 회로와 별도로 구비됨에 따라, 상기 도전 회로와 다른 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 도전 회로는 구리를 포함한다면, 금속 시트(191)는 알루미늄을 포함할 수 있다. 알루미늄은 자계에 대한 반발하는 특성이 있으므로, 구리를 상기 금속층으로 사용하는 경우보다 투자율이 낮은 코어(150)를 사용할 수 있는 이점이 있다. 그러나, 이러한 내용이 금속 시트(191)가 구리로서도 형성될 수 있다는 점을 제한하지는 않는다.

다시 본 도면을 참조하면, 금속 시트(191)에는 접지부(191a)가 형성되고, 이 접지부(191a)가 그라운드(171)에 연결됨으로써, 금속 시트(191)가 그라운드(171)에 접지된다. 이러한 접지로 인하여, 앞선 실시예에서와 같이, 기생 캐패시터들이 제거된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 전송장치(100")에 대해 살펴본다. 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 전송장치(100")의 종단면도이다.

본 도면을 참조하면, 본 무선전력 전송장치(100")는 코일(110)과, 코어(150)와, 회로기판(170), 금속층(191 및 192)에 더하여, 자성체 시트(180)를 포함할 수 있다. 금속층(191, 192)은 상술한 실시예에서처럼 둘 중 하나만 선택적으로 형성해도 상관없다.

본 예에서 금속층(191 및 192)은 제1 금속층(191)과 제2 금속층(192)을 포함한다. 제1 금속층(191)은 도 5를 참조하여 설명한 금속 시트이고, 제2 금속층(192)은 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 회로기판(170)의 절연층(173)에 부착 형성되어 회로기판의 일부로 볼 수도 있다. 제2 금속층(192)은 그라운드(171)에 접지된다. 이러한 접지에 의해, 자성체 시트(180)[및 코어(150)]과 금속층(191 및 192) 사이의 기생 캐패시터가 제거될 수 있다. 여기서, 제1 금속층(191)과 제2 금속층(192)은 도전성 테잎이나 접착제 등에 의해 서로 부착되거나 압착 등에 의해 형성될 수 있으며, 코어(150)와 자성체 시트(180) 또한 여러 가지 방식에 의해 서로 붙어 있도록 형성할 수 있다. 자성체 시트(180)와 제1 금속층(191)도 도전성 테잎이나 접착제 등 여러 방식에 의해 부착 형성될 수 있다. 이처럼 각 층들이 별도로 각각 제조되어 접착 수단에 의해 조립되어 코어 어셈블리를 형성할 수도 있으나, 코어(150), 자성체 시트(180), 제1 금속층(191), 및 제2 금속층(192)이 일련의 제조 공정을 통해 일체형으로 형성된 코어 어셈블리가 될 수도 있다. 어떠한 제조 방식이든지 상술한 구조를 갖는 코어 어셈블리에서는, 그 층들 각각 사이에는 또 다른 기생 캐패시터가 생기지 않는다는 것이다.

여기서, 자성체 시트(180)는 코어(150)의 투자율을 보상하여 무선전력 전송장치(100")의 효율을 높이기 위한 것이다. 이는, 자성체 시트(180)를 도입함으로써, 앞선 실시예들의 경우보다 투자율이 낮은 코어(150)를 사용할 수 있게 되는 등 코어(150)에 대한 선택의 폭이 넓어지게 됨을 의미한다.

자성체 시트(180)의 구조에 대해서는 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7은 도 6의 자성체 시트(180)에 대한 분해 사시도이다.

본 도면을 참조하면, 자성체 시트(180)는 제1 및 제2 필름들(181 및 182)과, 그들 사이에 배치되는 소결층(183)을 포함할 수 있다. 필름들(181 및 182)은 폴리에틸렌(PE) 등과 같은 수지 재질로 형성될 수 있다. 소결층(183)은 자성체가 소결되어 층을 이루고 있는 것으로서, 자성체로는 니켈-아연 합금이 이용될 수 있다. 니켈-아연 합금은 코어(150)에 사용되는 망간-아연 합금보다 얇게 가공 가능하면서도 투자율이 높은 이점이 있다.

소결층(183)에는 적어도 일 방향을 따라 배열되는 그루브(185)가 형성될 수 있다. 그루브(185)에 의해서, 소결층(183)은 복수의 영역으로 구획된다. 본 실시예에서, 그루브(185)는 대체로 격자 패턴을 형성하도록 배열되어 있다. 그루브(185)는 소결체에 칼집을 낸 후에 소결층(183)이 소결됨에 따라 형성될 수 있다.

그루브(185)에 의해 자성체 시트(180)는 일정 범위 내에서 소결층(183)이 손상되지 않은 채로 휘어질 수 있게 된다. 또한, 그루브(185)는 공극을 늘려서 자성체 시트(180)의 전류 흡수력을 높일 수 있고, 자성체 시트(180)의 투자율을 적정한 수준으로 낮출 수 있게 한다.

마지막으로, 이상의 실시예들에 따른 무선전력 전송장치(100,100',100")에 의한 무선전력 수신장치(200)에서의 노이즈 개선 효과에 대해 살펴본다. 도 8은 종래의 경우(a)와 대비한 본 실시예들의 경우(b)에 있어서 무선전력 수신장치(200)의 그라운드에서의 노이즈를 측정한 그래프들이다.

본 도면을 참조하면, 종래의 경우(a)에 무선전력 수신장치(200)의 그라운드에서는 ±3 Vpp의 리플(Ripple)이 있다면, 본 실시예들의 경우(b)에는 그 값이 ±1 Vpp가 된다. 그에 의해, 본 실시예들에 따른 무선전력 전송장치(100,100',100")를 사용하게 되면, 누설 자속에 대한 차폐 효과를 높이면서도 무선전력 수신장치(200)의 커먼 모드에서의 노이즈 레벨을 종래 대비하여 1/3으로 줄일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 무선전력 수신장치(200)에서의 수신감도의 개선이 기대된다. 또한, 이로 인하여 무선전력 수신장치(200)의 전원 단의 노이즈가 제거되면서 배터리 등 대상체에 대한 충전 전압의 노이즈 특성도 개선되어, 무선전력 수신장치(200)에서의 열 발생도 함께 줄어들게 될 것이다.

상기와 같은 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

100,100',100": 무선전력 전송장치 110: 1차측 코일
150: 코어 152,153: 오목부
170: 회로기판 171: 그라운드
180: 자성체 시트 191: 금속시트/제1 금속층
192: 금속층/제2 금속층

Claims (16)

1. 절연층과, 상기 절연층 상에 형성되는 그라운드를 구비하는, 회로기판;
   상기 회로기판상에 배치되고, 오목부가 형성되는 자성체의 코어;
   상기 오목부에 수용되며, 일 단은 상기 회로기판을 통해 전원을 입력받고 타 단은 상기 그라운드에 접지되도록 형성되는, 권선형 코일; 및
   상기 코어와 상기 절연층 사이에 배치되고, 상기 그라운드에 접지되는 금속층을 포함하는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 금속층은 상기 코어에 대응하는 면적을 갖도록 형성되는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 금속층은 상기 회로기판의 절연층 상에 부착 형성되는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 금속층은 구리를 포함하는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 금속층은 상기 코어와 상기 회로기판 사이에 배치되는 금속 시트인, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 금속 시트는 알루미늄을 포함하는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 코어와 상기 금속층 사이에 배치되는 자성체 시트를 더 포함하는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 금속층은, 상기 회로기판의 절연층 상에 부착 형성되는 제1 금속층과, 상기 코어와 상기 제1 금속층 사이에 배치되는 제2 금속층을 포함하는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 금속층은 구리를 포함하고, 상기 제2 금속층은 알루미늄을 포함하는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 자성체 시트는 니켈-아연 합금을 포함하는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 자성체의 코어는 망간-아연 합금을 포함하는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
    
12. 제10항에 있어서,
    상기 자성체 시트는,
    제1 및 제2 필름; 및
    상기 제1 및 제2 필름 사이에 배치되며, 상기 니켈-아연 합금 성분이 소결되어 형성되는 소결층을 포함하는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 소결층은 적어도 일 방향을 따라 배열되는 그루브에 의해 복수의 영역으로 구획되도록 형성되는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
    
14. 제1항에 있어서,
    상기 코일은, 제1 코일과, 상기 제1 코일에 일부가 중첩되게 배치되는 제2 코일을 포함하고,
    상기 회로기판은, 무선전력신호의 발생을 위하여 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 중 어느 하나에 대하여 전원이 공급되도록 하는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
    
15. 제1항에 있어서,
    상기 오목부는 상기 코어의 상기 회로기판과 마주하는 하나의 주면과 반대되는 다른 주면에 형성되는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.
    
16. 제1항에 있어서,
    상기 코어의 상기 오목부를 한정하는 측벽에는 복수의 연장홈이 형성되고,
    상기 코일의 양단은 상기 복수의 연장홈을 통해 상기 코어 밖으로 연장하여 상기 회로기판에 연결되도록 형성되는, 무선전력 통신시스템용 전력 전송장치.

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