KR101813367B1 - 자성체 시트 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시 형태는 복수의 자성층이 적층된 구조를 포함하는 자성체 시트에 있어서, 상기 자성층은 서로 이격된 복수의 영역으로 분리된 형태이며, 상기 복수의 영역 사이의 갭은 인접한 다른 자성층의 갭과 상기 적층 방향으로 오버랩되지 않는 자성체 시트 자성체 시트를 제공한다.

Description

자성체 시트 {Magnetic Sheet}

본 발명은 무선 충전장치, 근거리 통신, 전자결제 장치 등에 사용되는 자성체 시트에 관한 것이다.

전자기기의 소형화 및 경량화로 각종 전자기기의 중량이 가벼워짐에 따라 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 배터리를 충전하는 비접촉형, 즉, 무선 충전 방식이 주목 받고 있다.

무선충전 방식은 전자기 유도를 이용하여 충전하는 방식으로, 충전기(무선전력 전송장치)에 1차 코일(송신부 코일)을 구비하고 충전 대상(무선전력 수신장치)에 2차 코일(수신부 코일)을 구비하여, 1차 코일과 2차 코일 간의 유도결합에 의해 발생한 전류를 에너지로 변환하여 배터리를 충전하는 방식이다.

이때, 수신부 코일과 배터리 사이에 전자파 차폐, 집속 등의 목적으로 자성체 시트를 배치한다. 이러한 자성체 시트는 수신부 코일에서 발생한 자기장이 배터리로 도달하는 것을 차단해주고, 무선전력 전송장치로부터 발생되는 전자기파를 효율적으로 무선전력 수신장치로 송신하기 위한 역할을 한다.

또한, 이와 유사한 원리를 이용하여 근거리 통신이나 전자결재 장치 등이 구현되고 있다.

이러한 자성체 시트의 특성에 따라 이를 이용하는 무선 충전장치 등의 성능은 큰 영향을 받게 되는바, 본 발명의 발명자들은 자성체 시트의 포화자속밀도는 높이면서 보자력은 낮출 수 있는 방안을 연구하였다.

상술한 과제를 해결하기 위한 방법으로, 본 발명은 일 예를 통하여 우수한 특성을 갖는 자성체 시트의 신규한 구조를 제안하고자 하며, 구체적으로, 자성체 시트는 복수의 자성층이 적층된 구조를 포함하는 구조로서, 상기 자성층은 서로 이격된 복수의 영역으로 분리된 형태이며, 상기 복수의 영역 사이의 갭은 인접한 다른 자성층의 갭과 상기 적층 방향으로 오버랩되지 않는 형태이다.

또한, 본 발명은 다른 예에 따른 자성체 시트의 경우, 복수의 자성층이 적층된 구조를 포함하는 구조로서, 상기 복수의 자성층 중 적어도 하나는 서로 이격된 복수의 영역으로 분리된 형태이며, 상기 복수의 영역은 서로 폭이 다른 형태이다.

또한, 본 발명은 다른 예에 따른 자성체 시트의 경우, 복수의 자성층이 적층된 구조를 포함하는 구조로서, 상기 복수의 자성층 중 적어도 최하부에 배치된 것은 서로 이격된 복수의 영역으로 분리된 형태이며, 상기 복수의 영역 사이의 갭이 상기 자성체 시트의 중심에서 벗어난 영역에 배치된 형태이다.

본 발명의 일 실시 형태에서 제안하는 자성체 시트의 경우, 높은 포화자속밀도와 낮은 보자력을 가짐으로써 무선 충전장치 등에 활용 시 우수한 효율을 보일 수 있다.

도 1은 일반적인 무선충전 시스템의 외관 사시도이다.
도 2는 도 1의 주요 내부 구성을 분해하여 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 예에서 채용될 수 있는 자성체 시트를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3의 자성체 시트에서 자성층의 형태를 분해 사시도로 나타낸 것이다.
도 5 내지 9는 본 발명의 변형된 실시 예에 따른 자성체 시트를 나타낸 것이다.

이하, 구체적인 실시형태 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다. 나아가, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 일반적인 무선충전 시스템을 개략적으로 나타낸 외관 사시도이고, 도 2는 도 1의 주요 내부 구성을 분해하여 도시한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적인 무선충전 시스템은 전자장치무선전력 전송장치(10)와 무선전력 수신장치(20)로 구성될 수 있으며, 무선전력 수신장치(20)는 휴대폰, 노트북, 태블릿 PC 등과 같은 전자기기(30)에 포함될 수 있다.

무선전력 전송장치(10)의 내부를 보면, 기판(12) 상에 송신부 코일(11)이 형성되어 있어 무선전력 전송장치(10)로 교류전압이 인가되면 주위에 자기장이 형성된다. 이에 따라, 무선전력 수신장치(20)에 내장된 수신부 코일(21)에는 송신부 코일(11)로부터 유도된 기전력이 발생되어 배터리(22)가 충전될 수 있다.

배터리(22)는 충전과 방전이 가능한 니켈수소 전지 또는 리튬이온 전지가 될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 배터리(22)는 무선전력 수신장치(20)와는 별도로 구성되어 무선전력 수신장치(20)에 착탈이 가능한 형태로 구현될 수 있고, 또는 배터리(22)와 무선전력 수신장치(20)가 일체로 구성되는 일체형으로 구현될 수도 있다.

송신부 코일(11)과 수신부 코일(21)은 전자기적으로 결합되어 있으며, 구리 등의 금속 와이어를 권회하여 형성될 수 있다. 이 경우, 권회 형상은 원형, 타원형, 사각형, 마름모형 등이 될 수 있으며, 전체적인 크기나 권회 횟수 등은 요구되는 특성에 따라 적절하게 제어하여 설정할 수 있다.

수신부 코일(21)과 배터리(22) 사이에는 자성체 시트(100)가 배치될 수 있다. 자성체 시트(100)는 수신부 코일(21)과 배터리(22) 사이에 위치하여 자속을 집속함으로써 효율적으로 수신부 코일(21) 측에 수신될 수 있도록 한다. 이와 함께, 자성체 시트(100)는 자속 중 적어도 일부가 배터리(22)에 도달하는 것을 차단하는 기능을 한다. 이하, 자성체 시트(100)에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 예에서 채용될 수 있는 자성체 시트를 개략적으로 나타낸 단면도이며, 도 4는 도 3의 자성체 시트에서 자성층의 형태를 분해 사시도로 나타낸 것이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 자성체 시트(100)는 복수의 자성층(111, 112, 113, 114)이 적층된 구조를 포함하며, 자성층(111, 112, 113, 114)은 서로 이격된 복수의 영역으로 분리된 형태이다. 본 실시 형태에서는 자성층(111, 112, 113, 114)이 4개인 형태를 기준으로 설명하고 있지만 자성층의 개수는 원하는 기능이나 두께 등에 따라 변경될 수 있을 것이다.

무선 충전장치 등에서 전자파의 차단, 집속 등의 기능을 수행하는 자성층(111, 112, 113, 114)은 비정질 합금이나 나노 결정립 합금 등으로 이루어진 박판의 금속 리본을 사용할 수 있다. 이 경우, 비정질 합금으로는 Fe계 또는 Co계 자성 합금을 사용할 수 있다. Fe계 자성 합금은, 예를 들어, Fe-Si-B 합금을 사용할 수 있으며, Fe를 비롯한 금속의 함유량이 높을수록 포화 자속 밀도가 높아지지만, Fe 원소의 함유량이 과다할 경우 비정질을 형성하기 어려우므로 Fe의 함량은 70-90atomic%일 수 있으며, Si 및 B의 합이 10-30atomic%의 범위일 때 합금의 비정질 형성능이 가장 우수하다. 이러한 기본 조성에 부식을 방지시키기 위해 Cr, Co 등 내부식성 원소를 20 atomic% 이내로 첨가할 수도 있고, 다른 특성을 부여하도록 필요에 따라 다른 금속 원소를 소량 포함할 수 있다.

다음으로, 나노 결정립 합금의 경우, 비정질 리본 등을 열처리하여 얻어질 수 있으며, 예를 들어, Fe계 나노 결정립 자성 합금을 사용할 수 있다. Fe계 나노 결정립 합금은 Fe-Si-B-Cu-Nb 합금을 사용할 수 있다.

또한, 자성층(111, 112, 113, 114)은 연자성 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, Mn-Zn계, Mn-Ni계, Ba, Sr계 페라이트 물질로 형성될 수 있으며, 나아가, 이들 물질을 나노 결정 분말로 형성할 수 있다.

본 실시 형태의 경우, 도 3 및 도 4에 도시된 형태와 같이, 자성층(111, 112, 113, 114)에서 복수의 영역 사이의 갭(G)은 인접한 다른 자성층(111, 112, 113, 114)의 갭과 적층 방향(도면을 기준으로 세로 방향)으로 오버랩되지 않도록 배치되어 있다.

복수의 분리된 영역이 각각의 자성층(111, 112, 113, 114)을 구성할 경우, 자성체 시트(100)를 광폭으로 구현할 수 있으며, 또한, 원하는 형상으로 가공하기 용이해질 수 있다. 다만, 광폭 제작을 위하여 자성층(111, 112, 113, 114)을 복수의 영역으로 분리할 경우, 이들 사이에는 갭(G)이 생기고 이를 통하여 누설 자속(magnetic flux)이 발생될 수 있으며 이에 따라 자성체 시트(100)의 효율은 저하되게 된다.

이를 고려하며, 본 실시 형태에서는 복수의 영역 사이의 갭(G)은 인접한 다른 자성층(111, 112, 113, 114)의 갭과 적층 방향(도면을 기준으로 세로 방향)으로 오버랩되지 않도록 함으로써 자속의 누설을 최소화하도록 하였다. 따라서, 본 실시 형태에서 제안하는 자성체 시트(100)를 사용할 경우, 광폭으로 구현 가능하면서도 누설되는 자속의 양은 최소화할 수 있다. 이에 따라, 자성체 시트(100)의 포화자속밀도는 높아지고 보자력(Hc)은 낮아질 수 있다.

본 실시 형태에서 상술한 구조를 구현하기 위한 방법 중 하나로서, 도 3 및 도 4에 도시된 형태와 같이, 복수의 자성층(111, 112, 113, 114)은 분리된 복수의 영역의 폭이 서로 다를 수 있다. 이 경우, 본 실시 형태에서는 4개의 자성층(111, 112, 113, 114)이 모두 폭이 서로 다른 영역으로 구성된 구조를 나타내고 있지만, 자성층(111, 112, 113, 114) 중 일부에서만 서로 다른 폭을 갖는 영역으로 구성될 수도 있을 것이다.

서로 다른 폭의 시트를 이용하여 각각의 자성층(111, 112, 113, 114)을 구현함으로써 적층 방향으로 오버랩되지 않는 갭(G) 구조를 용이하게 얻을 수 있다. 이 경우, 도시된 형태와 같이, 자성층(111, 112, 113, 114)의 적층 구조의 경우, 그 중심을 기준으로 상부와 하부는 서로 반전된 형태로 구현될 수 있다. 즉, 도 3을 참조하면, 하부 2개의 자성층(111, 112)와 상부 2개의 자성층(113, 114)은 서로 반전된 형태로서, 중심을 기준으로 서로 대향하는 위치의 자성층들(111과 114, 그리고 112와 113)은 시트들의 조합이 서로 동일하며 배열하는 방식이 다르다. 이러한 배열 방식을 이용하여 상술한 갭(G) 구조를 효과적으로 구현할 수 있다.

한편, 본 실시 형태의 경우, 복수의 자성층(111, 112, 113, 114) 중 적어도 하는 갭(G)이 자성체 시트(100)의 중앙(C)으로부터 벗어난 영역에 배치되며, 이는 코일의 중심축이 중앙(C)에 위치하는 통상적인 경우를 고려한 것이다. 자속은 중앙(C)에서 가장 강한 세기를 갖기 때문에 갭(G)의 위치를 중앙(C)이 아닌 다른 영역에 배치함으로써 누설 자속에 따른 악영향을 저감할 수 있다. 이 경우, 적어도 코일부에 가장 근접하여 배치된 최하부의 자성층(111)의 갭(G)을 자성체 시트(100)의 중앙(C)에서 벗어난 영역에 배치하는 것이 바람직할 것이다. 여기서, 자성층(111, 112, 113, 114) 중 최하부라 함은 무선 충전장치 등에 자성체 시트(100)를 적용할 경우, 코일부에 가장 근접한 것을 의미한다.

한편, 자성층(111, 112, 113, 114) 사이에는 접착제(120)가 개재되어 구조적 안정성을 향상시킬 수 있으며, 접착제(120)는 당 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 접착 물질, 예컨대, 공지된 수지 조성물을 사용할 수 있으며, 인접한 자성층(111, 112, 113, 114)을 물리적으로 결합시키거나 자성층(111, 112, 113, 114)과 화학 결합을 형성하는 물질 등을 사용할 수 있다. 다만, 접착제(120)는 본 실시 형태에서 반드시 필요한 구성 요소는 아니라 할 것이며, 경우에 따라 제외될 수도 있다.

도 5 내지 9는 본 발명의 변형된 실시 예에 따른 자성체 시트를 나타낸 것이다.

우선, 도 5의 실시 형태의 경우, 앞선 실시 형태에서 자성층의 갭들이 모두 동일한 방향으로 방위를 갖는 것과 달리, 복수의 자성층(111, 112, 113`, 114)에 의한 적층 구조에서 일부의 자성층(113`)은 갭의 방위가 다른 자성층(111, 112, 114)과 다른 형태이다. 다음으로, 도 6의 실시 형태의 경우, 복수의 자성층(111, 112, 113``, 114)에 의한 적층 구조에서 일부의 자성층(113`)은 복수의 영역으로 분할되지 아니한 형태이다. 즉, 앞선 실시 형태와 같이 적층 구조 전체를 분할된 시트로 구현할 수도 있지만, 본 실시 형태와 같이 일부에는 갭이 없는 비분할 시트(113``)를 사용하여 누설 자속을 줄이고 전자파의 차폐 및 집속 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

다음으로, 도 7의 실시 형태는 자성층(111, 112, 113, 114)의 갭에 이종의 물질이 충진된 형태이다. 이러한 충진부(130)는 자성 물질이 충진된 형태일 수 있으며, 이러한 구조로부터 누설 자속을 줄이고 전자파의 차폐 및 집속 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 충진부(130)는 접착 물질이 충진된 형태일 수도 있으며, 이에 따라 자성체 시트(100)의 구조적 안정성을 높일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시 형태에서는 자성층의 표면에 크랙부를 형성하여 와전류에 의한 손실을 줄이도록 하였으며, 도 8 및 도 9를 참조하여 이를 설명한다. 우선, 도 8에 도시된 형태와 같이, 복수의 자성층 중 적어도 하나(114`)는 복수 개의 쇄편으로 파쇄된 크랙부(140)를 포함한다. 이러한 크랙부(140)는 일 예로서 돌출부가 형성된 롤러를 자성층(114`)에 적용하여 형성될 수 있으며, 전기 저항이 높아 와전류의 발생을 저감할 수 있다. 이 경우, 자성체 시트의 특성을 용이하게 제어하기 위한 측면에서 크랙부(140)는 일정한 간격으로 배열될 수 있으며, 다만, 본 발명이 이러한 형태로만 한정될 필요는 없을 것이다. 또한, 도 8의 예에서는 하나의 자성층(114`)만을 예로 들었지만 크랙부(140)는 적층 구조 중 다른 자성층에도 적용될 수 있을 것이다.

크랙부(140)의 배열 형태는 도 9에 도시된 형태와 같이, 변형될 수 있으며, 구체적으로, 크랙부(140)는 갭(G)으로부터 자성층(114``)의 폭방향, 즉, 도면을 기준으로 좌우 방향으로 멀어질수록 간격이 좁아지는 형태로 배열될 수 있다. 이러한 배열 형태는 전기 저항이 가장 높은 갭(G) 주변에 크랙부(140)를 적게 배치하고 갭(G)으로부터 멀어질수록 크랙부(140)를 많이 배치한 것으로 이해될 수 있으며, 이에 의하여 자성층(114``) 전체적으로 전기 저항 등의 전기적 특성이 균일해질 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

10: 무선전력 전송장치
11: 송신부 코일
20: 무선전력 수신장치
21: 수신부 코일
22: 배터리
30: 전자기기
100: 자성체 시트
111, 112, 113, 113`, 114, 114`, 114``: 자성층
120: 접착제
130: 충진부
140: 크랙부

Claims (16)

1. 복수의 자성층이 적층된 구조를 포함하는 자성체 시트에 있어서,
   상기 자성층은 서로 이격된 복수의 영역으로 분리된 형태이며, 상기 복수의 영역 사이의 갭은 인접한 다른 자성층의 갭과 상기 적층 방향으로 오버랩되지 않으며,
   상기 복수의 자성층 중 적어도 하는 상기 복수의 영역 사이의 갭이 상기 자성체 시트의 중앙으로부터 벗어난 영역에 배치된 자성체 시트.
   
2. 복수의 자성층이 적층된 구조를 포함하는 자성체 시트에 있어서,
   상기 자성층은 서로 이격된 복수의 영역으로 분리된 형태이며, 상기 복수의 영역 사이의 갭은 인접한 다른 자성층의 갭과 상기 적층 방향으로 오버랩되지 않으며,
   상기 복수의 자성층 중 적어도 하나는 상기 복수의 영역의 폭이 서로 다른 것을 특징으로 하는 자성체 시트.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 자성층 중 최하부에 배치된 것은 상기 복수의 영역 사이의 갭이 상기 자성체 시트의 중앙에서 벗어난 영역에 배치된 것을 특징으로 하는 자성체 시트.
   
5. 복수의 자성층이 적층된 구조를 포함하는 자성체 시트에 있어서,
   상기 자성층은 서로 이격된 복수의 영역으로 분리된 형태이며, 상기 복수의 영역 사이의 갭은 인접한 다른 자성층의 갭과 상기 적층 방향으로 오버랩되지 않으며,
   상기 적층 구조는 복수의 영역으로 분할되지 아니한 자성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자성체 시트.
   
6. 복수의 자성층이 적층된 구조를 포함하는 자성체 시트에 있어서,
   상기 자성층은 서로 이격된 복수의 영역으로 분리된 형태이며, 상기 복수의 영역 사이의 갭은 인접한 다른 자성층의 갭과 상기 적층 방향으로 오버랩되지 않으며,
   상기 갭에는 자성 물질이 충진된 충진부가 형성된 것을 특징으로 하는 자성체 시트.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 갭에는 접착 물질이 충진된 충진부가 형성된 것을 특징으로 하는 자성체 시트.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 자성층은 복수 개의 쇄편으로 파쇄된 크랙부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성체 시트.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 크랙부는 일정한 간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 자성체 시트.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 크랙부는 상기 갭으로부터 상기 자성층의 폭방향으로 멀어질수록 간격이 좁아지는 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 자성체 시트.
    
11. 복수의 자성층이 적층된 구조를 포함하는 자성체 시트에 있어서,
    상기 복수의 자성층 중 적어도 하나는 서로 이격된 복수의 영역으로 분리된 형태이며, 상기 복수의 영역은 서로 폭이 다른 자성체 시트.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 자성층 중 적어도 하는 상기 복수의 영역 사이의 갭이 상기 자성체 시트의 중앙에서 벗어난 영역에 배치된 것을 특징으로 하는 자성체 시트.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 자성층 중 최하부에 배치된 것은 상기 복수의 영역 사이의 갭이 상기 자성체 시트의 중앙에서 벗어난 영역에 배치된 것을 특징으로 하는 자성체 시트.
    
14. 제11항에 있어서,
    상기 적층 구조의 중심을 기준으로 상기 적층 구조의 하부는 상기 적층 구조의 상부를 반전한 형태인 자성체 시트.
    
15. 복수의 자성층이 적층된 구조를 포함하는 자성체 시트에 있어서,
    상기 복수의 자성층 중 적어도 최하부에 배치된 것은 서로 이격된 복수의 영역으로 분리된 형태이며, 상기 복수의 영역 사이의 갭이 상기 자성체 시트의 중심에서 벗어난 영역에 배치된 자성체 시트.
    
16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 자성층 중 적어도 하나는 상기 복수의 영역의 폭이 서로 다른 것을 특징으로 하는 자성체 시트.

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