KR101869776B1 - 무선전력 전송 장치, 무선전력 수신 장치 및 무선 충전 시스템 - Google Patents

무선전력 전송 장치, 무선전력 수신 장치 및 무선 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 전송하도록 형성된 무선 전력 전송 장치에 있어서, 전류를 자기장으로 변환하도록 형성된 제1코일 및 상기 제1코일의 적어도 일부를 덮도록 형성된 제1금속부재를 포함하고, 상기 제1금속부재는 상기 무선 전력 전송 장치의 측면에 위치한 상기 무선 전력 수신 장치에 전력이 도달하도록 상기 제1코일에서 형성된 자기장의 방출 방향을 변경시키는 것을 특징으로 한다.

Description

무선전력 전송 장치, 무선전력 수신 장치 및 무선 충전 시스템{WIRELESS POWER TRANSMITOR AND WIRELESS POWER RECEIVER AND WIRELESS CHARGING SYSTEM}
본 발명은 무선으로 전력을 전송하는 무선전력 전송장치의 측면에 위치한 무선전력 수신 장치에 전력을 공급하는 방법에 관한 것이다.
전통적으로 무선 전력 수신장치들에게 유선으로 전기 에너지를 공급하는 방법 대신에, 최근에는 접촉 없이 무선으로 전기 에너지를 공급하는 방법이 사용된다. 무선으로 에너지를 수신하는 무선 전력 수신장치는 상기 수신된 무선 전력에 의하여 직접 구동되거나, 상기 수신된 무선 전력을 이용하여 배터리를 충전하고 상기 충전된 전력에 의하여 구동될 수 있다.
무선 충전 방식은 우리 생활에서 이미 자주 접하고 있다. 예를 들어, 전자기유도를 이용한 무선 충전 방식은 전동 칫솔, 무선커피포트 등에서 상용화되어 활용되고 있다.
한편, 전송 장치는 자기장을 이용하여, 무선으로 전력을 공급하기 때문에, 자기장의 밀도가 떨어지는 방향에 위치한 수신 장치에 전력을 효과적으로 제공하지 못하는 문제점이 있었다. 이에, 전송 장치는 수신 장치가 전송 장치 위에 포개어 있지 않은 경우, 수신 장치가 근방에 있더라도 효율적으로 전력을 공급하지 못하였다.
본 발명은 전송 장치의 측면에 위치한 수신 장치에 무선으로 전력을 공급하기 위한 전송 코일의 구조를 제안하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전송 장치의 측면에 위치한 수신 장치에 공급하는 전력의 효율성을 향상시키는 구조를 제안하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
무선 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 전송하도록 형성된 무선 전력 전송 장치에 있어서, 전류를 자기장으로 변환하도록 형성된 제1코일 및 상기 제1코일의 적어도 일부를 덮도록 형성된 제1금속부재를 포함하고, 상기 제1금속부재는 상기 무선 전력 전송 장치의 측면에 위치한 상기 무선 전력 수신 장치에 전력이 도달하도록 상기 제1코일에서 형성된 자기장의 방출 방향을 변경시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1금속부재는, 상기 자기장의 방출 방향을 상기 제1코일의 일면에 수직한 방향에서 상기 일면에 수평한 방향으로 변경하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1금속부재는, 상기 제1코일에서 형성된 자기장이 밀집되도록 상기 제1코일의 일면의 절반 이상을 덮도록 형성된 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1금속부재는, 상기 무선 전력 수신 장치에 전력을 전송하도록 상기 무선 전력 수신 장치가 위치한 방향에 치우쳐 배치되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1코일과 상기 제1금속부재를 둘러싸도록 내부 공간을 형성하며, 상기 자기장이 외부로 방출되지 못하도록 금속 재질로 이루어진 제2금속부재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제2금속부재는 상기 제1금속부재에 덮여진 제1코일의 일면과 마주보는 타면의 적어도 일부가 노출되도록 개구 영역을 형성하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 개구 영역에 의하여 노출된 제1코일과 중첩하여 배치된 제2코일을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제2코일은 상기 개구 영역에 의하여 외부로 노출되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제2코일은 기본 주파수의 고조파와 매칭되도록 캐패시터와 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제2코일은 기본 주파수의 고조파와 매칭되도록 일측이 상기 제2금속부재와 전기적으로 연결되며, 타측이 캐패시터와 연결된 것을 특징으로 한다.
상기 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 전송 장치에 의하면, 코일에서 방출되는 자기장의 방향을 금속 차폐제를 이용하여 코일에 수직 방향에서, 수평 방향으로 변경함으로써, 전송 장치의 측면에 위치한 수신 장치에 전력을 공급할 수 있다. 따라서, 사용자는 전송 장치와 수신 장치를 수직하게 포개어 놓지 않더라도, 무선으로 충전을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전송 장치에 의하면, 기본 주파수를 갖는 자기장을 방출하는 제1코일과 상기 기본 주파수의 고조파를 갖는 자기장을 방출하는 제2코일을 통하여, 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 전송 장치에 의하면, 금속부재를 통하여 자기장을 밀집시켜, 방출함으로써, 무선 충전의 인식 거리를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치를 개념적으로 나타낸 예시도이다.
도 2a 및 2b는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성을 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 종래의 무선 전력 전송장치를 나타낸 개념도이다.
도 4는 무선 전력 전송장치에서, 전력 공급이 가능한 영역을 설명한 개념도이다.
도 5 내지 도 6b는 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치(100)의 코일 구조를 나타낸 도면들이다.
도 7 내지 도 8은 전력 변환부에서 방출되는 자기장의 방출 방향을 나타낸 개념도들이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 이동 단말기에서, 고주파를 갖는 전력을 전송하기 위한 서로 다른 구조를 나타낸 개념도들이다.
도 10은 본 발명에 따른 무선 전력 수신장치의 전력 수신부의 코일 구조를 나타낸 개념도이다.
도 11은 앞서 설명한 구조를 갖는 무선 전력 전송장치(100)와 무선 전력 수신장치(200) 간의 무선으로 전력을 전송하는 모습을 나타낸 개념도이다.
본 명세서에 개시된 기술은 무선 전력 전송(wireless power transmission)에 적용된다. 그러나 본 명세서에 개시된 기술은 이에 한정되지 않고, 상기 기술의 기술적 사상이 적용될 수 있는 모든 전력 전송 시스템 및 방법, 무선 충전회로 및 방법, 그 외 무선으로 전송되는 전력을 이용하는 방법 및 장치에도 적용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
정의
다대일 통신 방법: 송신기 (Tx) 하나가 다수의 수신기 (Rx)와 통신하는 방법
단방향 통신: 단지 수신기가 송신기 쪽으로만 필요한 메세지를 전송하는 통신 방법
양방향 통신: 송신기는 수신기로, 수신기는 송신기로, 즉 양쪽에서 메시지 전송이 가능한 통신 방법
여기서, 송신기 및 수신기는 각각 송신장치 및 수신장치와 동일한 의미이며, 이하, 이들 용어는 혼용될 수 있다.
무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치 개념도
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치를 개념적으로 나타낸 예시도이다.
도 1을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 필요로 하는 무선으로 전력을 전달하는 전력 전달 장치일 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선으로 전력을 전달함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 배터리를 충전하는 무선 충전 장치일 수 있다.
그 밖에도, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 무선 전력 수신장치(200)에게 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기이다. 또한, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 수신된 무선 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 설명되는 무선으로 전력을 수신하는 무선 전력 수신장치는 휴대가 가능한 모든 전자 기기, 예컨대 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 출력장치 등의 입출력장치를 비롯하여, 휴대폰, 셀룰러폰, 스마트 폰(smart phone), PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player)와, 태블릿, 혹은 멀티미디어 기기 등을 포괄하는 의미로 해석되어야 한다.
상기 무선 전력 수신장치(200)는, 후술하는 바와 같이, 이동 통신 단말기(예컨대 휴대폰, 셀룰러폰, 태블릿) 또는 멀티미디어 기기일 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 무선 전력 전달 방법을 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로 상호간 무선으로 전력을 전달할 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 신호에 의한 자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 특정한 주파수의 무선 전력 신호에 의한 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Magnetic Resonance Coupling) 방식 중 하나 이상을 이용하여 전력을 전달할 수 있다.
상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 1차 코일 및 2차 코일을 이용하여 전력을 무선으로 전송하는 기술로, 자기 유도 현상에 의하여 하나의 코일에서 변화하는 자기장 통해 다른 코일 쪽에 전류가 유도됨으로써 전력이 전달되는 것을 말한다.
상기 공진 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 전송한 무선 전력 신호에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에서 공진이 발생하고, 상기 공진 현상에 의하여 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력이 전달되는 것을 말한다.
이하에서는 본 명세서에 개시된 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)에 관한 실시 예들을 구체적으로 설명한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용한다.
도 2a 및 2b는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성을 예시적으로 나타낸 블록도이다.
무선 전력 전송장치
도 2a를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 전력 전달부(Power Transmission Unit)(110)를 포함하도록 구성된다. 상기 전력 전달부(110)는 전력 변환부(Power Conversion Unit)(111) 및 전력 송신 제어부(Power Transmission Control Unit)(112)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전력 변환부(111)는 송신측 전원 공급부(190)로부터 공급된 전력을 무선 전력 신호(wireless power signal)로 변환하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전달한다. 상기 전력 변환부(111)에 의하여 전달되는 무선 전력 신호는 진동(oscillation)하는 특성을 가진 자기장(magnetic field) 또는 전자기장(electro-magnetic field)의 형태로 형성된다. 이를 위하여 상기 전력 변환부(111)는 상기 무선 전력 신호가 발생하는 코일을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전력 변환부(111)는 각 전력 전달 방식에 따라 다른 형태의 무선 전력 신호를 형성하기 위한 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전력 변환부(111)는 유도 결합 방식에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)의 2차 코일에 전류를 유도시키기 위하여 변화하는 자기장을 형성시키는 1차 코일을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 공진 결합 방식에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)에 공진 현상을 발생시키기 위하여 특정 공진 주파수를 가진 자기장을 형성시키는 코일(또는 안테나)를 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 전력 변환부(111)는 전술된 유도 결합 방식과 공진 결합 방식 중 하나 이상의 방법을 이용하여 전력을 전달할 수 있다. 상기 유도 결합 방식은 무선 전력 전송장치(100)에서 발생한 자기장을 이용하여, 무선 전력 수신장치(200)에 유도 자기장을 발생시켜, 전력을 공급하는 방식이다. 상기 공진 결합 방식은 무선 전력 전송장치(100)에서 발생한 자기장의 공진을 이용하여, 무선 전력 수신장치(200)에 전력을 공급하는 방식이다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 상기 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 인가되는 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력 전달부(110)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다. 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 공급 장치(100)를 제어하는 다른 제어부(미도시)와 통합되도록 구현될 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 신호가 도달할 수 있는 영역은 두 가지로 구분될 수 있다. 먼저, 활동 영역(active area)은 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전달하는 무선 전력 신호가 통과하는 영역을 말한다. 다음으로, 감지 영역(semi-active area)은 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 감지할 수 있는 관심 영역을 말한다. 여기서, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 활동 영역 또는 감지 영역에 배치(placement)되거나 제거(removal)되었는지 여부에 대하여 감지할 수 있다. 구체적으로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력 변환부(111)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나, 별도로 구비된 센서에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되었는지 여부를 검출할 수 있다. 예컨대, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 감지 영역에 존재하는 상기 무선 전력 수신장치(200)로 인하여 상기 무선 전력 신호가 영향을 받아, 상기 전력 변환부(111)의 상기 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력의 특성이 변화하는지 여부를 감지(모니터링)함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 검출할 수 있다. 다만, 상기 활동 영역 및 감지 영역은 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식 등의 무선 전력 전달방식에 따라 다를 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 검출한 결과에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)를 식별하는 과정을 수행하거나, 무선 전력 전송을 시작할 것인지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 신호를 형성하기 위한 상기 전력 변환부(111)의 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다. 상기 특성의 결정은 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 조건에 의하여 또는 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 조건에 의하여 이루어질 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다. 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 수신된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 변환부(111)의 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있으며, 그 밖에 상기 전력 제어 메시지를 기초로 다른 제어 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 정류된 전력량 정보, 충전 상태 정보 및 식별 정보 중 하나 이상을 포함하는 전력 제어 메시지에 따라 상기 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다.
또한, 상기 전력 제어 메시지를 이용하는 그 밖의 다른 제어 동작으로서, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선 전력 전달과 관련된 일반적인 제어 동작을 상기 전력 제어 메시지를 기초로 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 제어 메시지를 통하여 상기 무선 전력 수신장치(200)와 관련된 청각적 또는 시각적으로 출력할 정보를 수신하거나, 기기간의 인증 등에 필요한 정보를 수신할 수도 있다.
이와 같은 상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 신호를 통하여 수신하는 방법 및 그 외의 사용자 데이터를 수신하는 방법 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 변환부(111)와 전기적으로 연결된 변복조부(Power Communications Modulation/Demodulation Unit)(113)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(113)는 상기 무선 전력 수신장치(200)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하여 상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여 사용될 수 있다.
그 밖에, 어떤 실시 예에서는 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함되어 있는 통신 수단(미도시)에 의하여 전력 제어 메시지가 포함되어 있는 사용자 데이터를 수신함으로써 전력 제어 메시지를 획득할 수도 있다.
[In-band two-way communication을 지원 하는 경우]
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 양방향 통신이 가능한 무선 전력 전송환경에서는, 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 수신장치(200)로 데이터를 전송할 수 있다. 상기 전력 송신 제어부(112)가 전송하는 데이터는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전력 제어 메시지를 보내도록 요청하는 것일 수 있다.
무선 전력 수신장치
도 2B를 참조하면, 상기 무선 전력 수신장치는(200)는 전원 공급부(290)를 포함하도록 구성된다. 상기 전원 공급부(290)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 작동에 필요한 전력을 공급한다. 상기 전원 공급부(290)는 전력 수신부(291) 및 전력 수신 제어부(292)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전달되는 전력을 수신한다.
상기 전력 수신부(291)는 무선 전력 전달 방식에 따라 상기 무선 전력 신호를 수신하기 위해 필요한 구성 요소를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 하나 이상의 무선 전력 전달 방식에 따라 전력을 수신할 수 있으며, 이 경우 상기 전력 수신부(291)는 각 방식에 따라 필요한 서로 구성 요소들을 함께 포함할 수 있다.
먼저, 상기 전력 수신부(291)는 진동하는 특성을 가진 자기장 또는 전자기장의 형태로 전달되는 무선 전력 신호를 수신하기 위한 코일을 포함하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 유도 결합 방식에 따른 구성 요소로서, 상기 전력 수신부(291)는 변화되는 자기장에 의하여 전류가 유도되는 2차 코일을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 공진 결합 방식에 따른 구성 요소로서 특정 공진 주파수를 가진 자기장에 의하여 공진 현상이 발생되는 코일 및 공진 회로를 포함할 수 있다.
다만, 상기 전력 수신부(291)가 하나 이상의 무선 전력 전달 방식에 따라 전력을 수신하는 경우, 상기 전력 수신부(291)는 하나의 코일을 이용하여 수신하도록 구현되거나, 또는 각 전력 전달 방식에 따라 다르게 형성된 코일을 이용하여 수신하도록 구현될 수 있다.
한편, 상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 신호를 직류로 변환하기 위한 정류 회로(rectifier) 및 평활 회로(regulator)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 수신된 전력 신호에 의하여 과전압 또는 과전류가 발생하지 않도록 방지하는 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전원 공급부(290)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다.
구체적으로, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 무선 전력 신호의 전달을 개시하거나 종료하도록 지시하는 것일 수 있다. 또한 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 상기 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 지시하는 것일 수 있다.
이와 갈은 상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 신호를 통하여 전송하는 방법 및 그 외의 사용자 데이터를 통하여 전송하는 방법 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 전력 수신부(291)와 전기적으로 연결된 변복조부(Power Communications Modulation/Demodulation Unit)(293)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(293)는, 전술된 상기 무선 전력 전송장치(100)의 경우와 마찬가지로, 상기 무선 전력 신호를 통하여 상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 송신장치(100)의 전력 변환부(111)를 흐르는 전류 및/또는 전압을 조절하는 수단으로 사용될 수 있다. 이하, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측과 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 각각의 변복조부(113 및 293)가 무선 전력 신호를 통한 전력 제어 메시지의 송수신을 위하여 사용되는 방법에 대하여 설명된다.
상기 전력 변환부(111)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 상기 전력 수신부(291)에 의하여 수신된다. 이때, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)하도록 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 변복조부(293)를 제어한다. 예컨대, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)과 연결된 변복조부(293)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 상기 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 그에 따라 변하도록 변조 과정을 수행할 수 있다. 상기 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량의 변경은 상기 무선 전력 신호를 형성시키는 상기 전력 변환부(111)의 전류 및/또는 전압의 변경을 가져온다. 이 때, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 변복조부(113)는 상기 전력 변환부(111)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조(demodulation) 과정을 수행한다.
즉, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 전달하고자 하는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷(packet)을 생성하여 상기 패킷이 포함되도록 상기 무선 전력 신호를 변조하고, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)의 복조 과정 수행 결과를 기초로 상기 패킷을 디코드함으로써, 상기 패킷에 포함되어 있는 상기 전력 제어 메시지를 획득할 수 있다.
그 밖에, 어떤 실시 예들에서는 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 무선 전력 수신장치(200)에 포함되어 있는 통신 수단(미도시)에 의하여 전력 제어 메시지가 포함되어 있는 사용자 데이터를 전송함으로써 전력 제어 메시지를 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송할 수도 있다.
[In-band two-way communication을 지원 하는 경우]
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 양방향 통신이 가능한 무선 전력 전송환경에서는, 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전송되는 데이터를 수신할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전송되는 데이터는 전력 제어 메시지를 전송할 것을 요청하는 것일 수 있다.
그 밖에, 상기 전원 공급부(290)는 충전부(298) 및 배터리(299)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전원 공급부(290)로부터 동작을 위한 전원을 공급받는 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전달된 전력에 의하여 동작하거나, 또는 상기 전달된 전력을 이용하여 상기 배터리(299)를 충전한 후 상기 배터리(299)에 충전된 전력에 의하여 동작할 수 있다. 이때, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전달된 전력을 이용하여 충전을 수행하도록 상기 충전부(298)를 제어할 수 있다.
이하에서는, 도 1 내지 2b에서 설명한 구성 요소들 중 적어도 하나를 포함하는 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치에 대하여 설명한다. 도 3은 종래의 무선 전력 전송장치를 나타낸 개념도이다.
도 3을 참조하면, 종래의 무선 전력 전송장치(100)는, 내부 공간을 구비하는 본체(101), 상기 내부 공간에 위치한 코일(102) 및 상기 코일(102) 위에 중첩하는 충전 패드(103)를 포함할 수 있다.
상기 본체(101)는 코일(102)이 배치되는 내부 공간이 존재할 수 있다. 또한, 상기 본체(101)는 내부 공간에 배치된 코일(102)에서 발생하는 무선 전력 신호가 교란되지 않기 위한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 본체(101)는 플라스틱 재질, 고무 재질 등으로 이루어질 수 있다.
상기 코일(102)은 전류를 자기장으로 변환하도록 형성될 수 있다. 이러한 코일(102)는 표준 규격 또는 제품의 특성에 따라 형태가 결정될 수 있다. 예를 들어, 코일(102)은 WPC 규격에 따른 형태를 가질 수 있다. 또 다른 예로, 코일(102)은 규정된 전력을 공급할 수 있는 형태를 가질 수도 있다.
상기 충전 패드(103)는 본체(101)의 전면에 배치되며, 무선 전력 수신장치(200)가 거치될 수 있도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 충전 패드(103)는 충전 패드(103) 위에 거치된 무선 전력 수신장치(200)에 무선 전력 신호 및/또는 전력 전송 메시지를 전달하도록 코일(102) 위에 중첩하여 배치될 수 있다. 사용자는 상기 충전 패드(103) 상에 무선 전력 수신장치(200)를 거치하여, 충전을 수행할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 구성 요소들을 포함하는 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치에 있어서, 무선 전력 전송장치가 무선 전력 수신장치에 전력 공급을 가능하게 하는 충전 영역이 제한될 수 있다. 도 4는 무선 전력 전송장치에서, 전력 공급이 가능한 영역을 설명한 개념도이다.
무선 전력 전송장치(100)는 일정 영역 내에서, 무선 전력 신호가 도달할 수 있다. 보다 구체적으로, 앞서 도 2a에서 설명한 바와 같이, 무선 전력 신호가 도달할 수 있는 활동 영역(active area)(400)이 있을 수 있다. 이와 반대로, 무선 전력 신호가 도달할 수 없는 비활동 영역(non active area)이 있을 수 있다.
상기 활동 영역(400)은 본체(101)의 전면을 향하는 전면 방향에 위치하며, 충전 패드(103)와 소정 거리 이내의 영역일 수 있다. 다시 말하면, 활동 영역(300)은 코일에서 발생하는 자기장의 자속 밀도가 충전을 수행할 만큼 높은 영역일 수 있다. 따라서, 도 4와 같이, 무선 전력 수신장치(200)는 무선 전력 전송장치(100)의 충전 패드(103) 위에 거치된 경우, 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선 전력 신호를 수신할 수 있다.
상기 비활동 영역은 무선 전력 신호가 도달하지 못하는 영역으로써, 상기 활동 영역(400)을 제외한 나머지 영역을 의미한다. 다시 말하면, 이러한 비활동 영역은 코일(102)에서 발생하는 자기장의 자속 밀도가 충전을 수행할 수 없을 만큼 낮은 영역을 의미한다. 따라서, 무선 전력 수신장치(200)는 본체(101)의 전면이 아닌 측면에 위치하는 경우, 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선 전력 신호를 수신하지 못한다.
따라서, 종래의 무선 전력 전송장치(100)는 항상 무선 전력 수신장치(200)를 활동 영역 상에 거치시키기 위하여, 전면에 충전 패드를 구비하여야 하였다. 또한, 무선 전력 수신장치(200)의 충전 시, 충전 패드와 항상 중첩하여 있어야 하기 때문에, 충전 중일 때 충전 패드를 다른 용도로 이용하지 못하는 불편함이 있었다.
이에, 본 발명에서는 무선 전력 전송장치(100)의 전면이 아닌 측면에 위치한 무선 전력 수신장치(200)에 전력을 공급하기 위한 무선 전력 전송장치(100)의 코일 구조를 제안한다. 도 5 내지 도 6b는 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치(100)의 코일 구조를 나타낸 도면들이다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송장치(100)는 무선 전력 전송장치(100)의 측면에 위치한 무선 전력 수신장치(200)에 무선으로 전력을 전송하기 위하여, 전력 변환부를 도 5와 같이 구성할 수 있다. 도 5를 참조하면, 무선 전력 전송장치(100)의 전력 변환부(111)는 제1코일(510), 제2코일(520), 제1금속부재(530) 및 제2금속부재(540a, 540b) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1코일(510)은 전류를 자기장으로 변환할 수 있다. 이러한 자기장으로 이루어진 무선 전력 신호는, 무선 전력 전송장치(100)의 기본 주파수를 가질 수 있다. 기본 주파수는 무선 전력 전송장치(100)가 무선 전력 수신장치(200)에 전력을 공급하기 위하여 동작하는 주파수이다. 이러한 기본 주파수는 동작 주파수(operating frequency), 전력 전송 주파수(power transmission frequency), 반송 주파수(carrier frequency), 메인 주파수(main frequency)라고도 명명할 수 있다. 상기 기본 주파수는 표준 규격에 따르며, 6.78Mhz를 가질 수 있다.
상기 제1코일(510)은 직사각형으로 권선될 수 있으며, 도 5와 같이, 중공 부분(hollow portion)을 포함하는 형태를 가질 수 있다. 본 발명에서는, 직사각형으로 권선된 코일을 기준으로 설명하나, 코일의 형태는 이에 한정되지 않으며, 적절한 전력을 발생시킬 수 있다면, 원형, 정사각형, 삼각형 등 다양한 형태로 권선될 수도 있다.
상기 제1금속부재(530)는 제1코일(510)의 일면의 적어도 일부를 덮도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1금속부재(530)는 제1코일(510)의 전체 면적의 절반 이상의 면적을 덮도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1금속부재(530)는 상기 제1코일(510)과 접촉 테이프를 통하여 접촉될 수 있다.
상기 제1금속부재(530)는 제1코일(510)에서 발생하는 자기장을 외부로의 방출을 방지할 뿐만 아니라, 제1금속부재(530)가 위치한 영역에 상기 외부로 방출하지 못하는 자기장을 밀집시켜, 제1금속부재(530)가 덮인 영역 상의 자기장의 자속 밀도를 높이는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위하여, 제1금속부재(530)는 자기장의 진행을 방해하는 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 페라이트(ferrite) 재질, 폴리머(polymer) 재질, 나노 크리스탈(nano crystal) 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1금속부재(530)는 제1코일(510)에서 발생하는 자기장의 방출 방향을 변경함으로써, 무선 충전이 가능한 활동 영역을 변경할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1금속부재(530)는 제1코일(510)에서 발생한 자기장의 방출 방향을 제1코일(510)의 일면에 수직한 방향에서, 수평한 방향으로 변경함으로써, 무선 충전이 가능한 활동 영역을 본체(101)의 전면에서, 본체의 측면으로 변경할 수 있다. 따라서, 제1금속부재(530)는 측면에 위치한 무선 전력 수신장치(200)에 전력을 전송할 수 있다.
나아가, 상기 제1금속부재(530)는 제2코일(520)과 마찬가지로, 무선 전력 수신장치(200)가 배치될 쪽에 치우쳐서 위치할 수 있다. 따라서, 제1금속부재(530)는 무선 전력 수신장치(200)가 배치될 위치와 인접한 위치에 자속 밀도를 높일 수 있다. 따라서, 제1금속부재(530)는 활동 영역 상의 자속 밀도를 높일 수 있다. 이를 통하여, 제1금속부재(530)는 무선 전력 수신장치(200)에 전송하는 전력의 전력 효율 및 인식 거리를 향상시킬 수 있다.
상기 제2코일(520)은 제1코일(510)과 마찬가지로, 전류를 자기장으로 변환할 수 있다. 이때, 상기 제2코일(520)에서 발생한 자기장으로 이루어진 무선 전력 신호는 기본 주파수의 고조파(harmonic frequency)를 가질 수 있다. 고조파는 기본 주파수의 정수배의 주파수를 의미한다. 이에, 제2코일(520)는 고조파를 갖는 무선 전력 신호를 발생시킴으로써, 무선 전력 전송장치(100)가 무선 전력 수신장치(200)에 전송하는 전력의 전력량을 향상시킬 수 있다. 따라서, 제2코일(520)은 무선 전력 전송장치(100)의 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
이러한 제2코일(520)은 제1코일(510)과 중첩하도록 배치될 수 있다. 또한, 제2코일(520)은 무선 전력 수신장치(200)가 배치될 쪽에 치우쳐서 위치할 수 있다. 따라서, 제2코일(520)은 제1코일(510)에서 발생하는 자기장의 자속 밀도를 무선 전력 수신장치(200)와 가까운 위치쪽으로 높일 수 있다.
또한, 상기 제2코일(520)는 제1금속부재(530)가 배치된 일면과 마주보는 타면에 배치될 수 있다. 즉, 도 5와 같이, 제1코일(510)을 기준으로, 제2코일(520)과 제1금속부재(530)가 서로 반대면에 배치될 수 있다.
한편, 본 발명은 제2코일(520)이 필수적인 구성 요소는 아니고, 전력 효율 향상을 위한 구성 요소로써 생략 가능할 수도 있다.
상기 제2금속부재(540)는 상기 제1코일(510), 제2코일(520) 및 제1금속부재(530)를 감싸도록 형성될 수 있다. 도 5에서는, 편의상 상기 제2금속부재(540)의 일면을 540a, 타면을 540b로 분리하여 도시하였으나, 두 면은 일체로 형성된 면으로 이해되어야 할 것이다.
상기 제2금속부재(540)는 제1금속부재(530)와 유사하게, 제1코일(510)에서 발생한 자기장 및 제2코일(520)에서 발생한 자기장이 외부로 방출되는 것을 방지하는 것과 함께, 상기 방출이 방지된 자기장을 밀집시킬 수 있다. 이를 위하여, 제2금속부재(540)는 자기장의 방출을 방지하는 금속 재질, 예를 들어, 페라이트 재질, 폴리머 재질, 나노 크리스탈 재질 등으로 이루어질 수 있다.
상기 제2금속부재(540)의 적어도 일면은 제2코일(530)이 노출되도록 개구 영역을 형성할 수 있다. 상기 개구 영역은 제2금속부재(540)에서 밀집된 자기장이 방출되는 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치(100)는 개구 영역을 통하여 자속 밀도가 높은 자기장을 방출할 수 있다. 또한, 상기 개구 영역은 제2코일(530)이 노출될 수 있는 위치에 형성되기 때문에, 제2코일(530)과 마찬가지로, 무선 전력 수신장치(200)가 배치될 위치와 인접한 위치에 형성될 수 있다.
상기 개구 영역의 크기는, 제1코일(510)의 크기에 비례할 수 있다. 예를 들어, 제1코일(510)의 크기가 커지면, 개구 영역의 크기도 함께 커지도록 제2금속부재(540)를 설계할 수 있다.
한편, 본 발명은 제2금속부재(540)가 필수적인 구성 요소는 아니며, 필요에 따라 생략될 수도 있다.
도 6a는 상기 도 5의 전력 변환부의 일면을 바라본 도면이고, 도 6b는 상기 도 5의 전력 변환부의 타면을 바라본 도면이다.
도 6a과 같이, 전력 변환부(111)의 일면(540b)은, 전체가 제2금속부재(540b)로 감싸질 수 있다. 상기 제2금속부재(540b)의 내부에는, 제1금속부재(530), 제1코일(510) 및 제2코일(520)이 순차적으로 배치될 수 있다.
또한, 도 6b와 같이, 전력 변환부(111)의 타면(540a)은 개구 영역을 포함할 수 있다. 상기 개구 영역에는, 제2코일(520)이 노출될 수 있다.
이상에서는, 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치(100)의 전력 변환부(111)의 구성 요소들 및 구조에 대하여 설명하였다. 이를 통하여, 본 발명은 전력 변환부(111)에서 발생하는 무선 전력 신호를 무선 전력 전송장치(100)의 측면에 위치한 무선 전력 수신장치(200)에 전송할 수 있다. 따라서, 본 발명은 무선 전력 전송장치(100)가 무선 전력 수신장치(200)를 거치하기 위하여 필요한 영역을 확보하지 않아도 되는 이점을 가질 수 있다.
이하에서는, 도 5 내지 도 6b에서 설명한 전력 변환부에서 발생한 자기장의 방출 방향에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 7 내지 도 8은 전력 변환부에서 방출되는 자기장의 방출 방향을 나타낸 개념도들이다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송장치(100)의 전력 변환부(111)는 충전 패드(103)의 위쪽으로 자기장을 방출하는 것이 아니라, 충전 패드의 측면으로 자기장을 방출할 수 있다.
우선, 제1코일(510)에서 방출되는 자기장의 방출 방향이 변경되는 모습을 설명한다.
제1코일(510)에서 방출되는 자기장은 제1코일(510)이 제1금속부재(530)와 중첩됨에 따라, 방출 방향이 변경될 수 있다. 즉, 도 7을 참조하면, 제1코일(510)과 제1금속부재(530)이 중첩되지 않은 영역에서 방출되는 자기장은 제1코일(510)에 수직한 방향인 제1방향(710)으로 방출될 수 있다. 이와 달리, 도 7과 같이, 제1코일(510)과 제1금속부재(530)가 중첩된 영역에서 방출되는 자기장은 제1코일(510)에 수직한 제1방향(710)이 아닌 제1코일(510)에 수평한 제2방향(720)으로 방출될 수 있다. 즉, 제1금속부재(530)에 의하여, 제1방향으로 방출되는 자기장의 방출 방향이 제2방향으로 변경될 수 있다. 따라서, 본원 발명은 무선 전력 전송장치(100)의 전면이 아닌, 측면에 위치한 무선 전력 수신장치(200)에 전력을 전송할 수 있다. 또한, 자기장의 방출 방향이 전면이 아닌 측면으로 변경됨에 따라, 무선 전력 전송장치(100)의 활동 영역 또한 전면에서 측면으로 변경될 수 있다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 상기 제2방향으로 방출되는 자기장은 제2금속부재(540)을 통과하여, 제2금속부재(540)의 개구 영역에서, 외부로 방출될 수 있다. 즉, 도 8의 화살표(800)를 따라, 자기장이 외부로 방출될 수 있다. 이에, 본 발명은 개구 영역에서 밀집된 자기장이 방출되기 때문에, 자속 밀도가 높은 자기장이 방출되고, 이로 인하여, 자기장을 측면으로 전송할 뿐만 아니라, 자기장을 통하여 전달하는 전력의 전력 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 밀집된 자기장이 방출되기 때문에, 자기장으로 이루어진 무선 전력 신호를 멀리 방출할 수 있어, 인식 거리도 향상시킬 수 있다.
이상에서는, 제1코일(510)에서 발생한 자기장의 방출 방향에 대하여 설명하였다. 이를 통하여, 본 발명은 자속 밀도가 높은 자기장을 원하는 방향으로 방출하게 함으로써, 무선 전력 전송장치(100)의 측면에 위치한 무선 전력 수신장치(200)에 전력을 공급할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치에서, 고주파를 갖는 전력을 전송하기 위한 코일 구조를 설명한다. 도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 이동 단말기에서, 고주파를 갖는 전력을 전송하기 위한 서로 다른 구조를 나타낸 개념도들이다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송장치(100)는 전력 효율 및 인식 거리를 향상시키기 위하여, 무선 충전 시, 기본 주파수의 정수배의 고조파를 가지는 전력을 무선 전력 수신장치(200)에 전달할 수 있다.
이를 위하여, 전력 변환부(111)는 제1코일(510) 및 제1금속부재 뿐만 아니라, 고조파의 자기장을 발생시킬 수 있는 제2코일(520)을 더 포함할 수 있다.
상기 제2코일(520)은 무선 전력 수신장치(200)의 고조파에 주파수 매칭을 위한 특정 인덕턴스 값을 가질 수 있다. 또한, 상기 제2코일(520)은 도 9a와 같이, 중공 부분을 가지는 직사각형으로 권선될 수 있다. 다만, 제2코일(520)의 형태는 이에 한정되는 것은 아니며, 특정 인덕턴스 값을 가진다면, 다양한 형태로도 변형될 수 있다.
상기 제2코일(520)은 상기 제2코일(520)에서 발생한 자기장이 방출되도록 제2금속부재(540)의 개구 영역에 위치할 수 있다. 따라서, 제2코일(520)에서 발생한 자기장은 제2금속부재(540)에 의하여, 외부로 방출될 수 있다.
한편, 상기 제2코일(520)은 제2금속부재(540)와 전기적으로 연결되거나, 연결되지 않을 수 있다. 예를 들어, 도 9a와 같이, 제2코일(520)은 제2금속부재(540)와 연결되지 않을 수 있다. 이 경우, 무선 전력 전송장치(100)는 제2코일(520)의 인덕턴스에 근거하여, 무선 전력 수신장치(200)와 주파수를 매칭할 수 있다.
또 다른 예로, 도 9b와 같이, 제2코일(520)은 제2금속부재(540)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 무선 전력 전송장치(100)는 제2코일(520)의 인덕턴스와 제2금속부재(540)의 인덕턴스가 합성된 합성 인덕턴스에 근거하여, 무선 전력 수신장치(200)와 주파수를 매칭할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송장치(100)는 제2금속부재(540)를 부수적인 인덕턴스로 활용함으로써, 저항을 높이지 않으며, 인덕턴스 값만을 높일 수 있다. 따라서, 무선 전력 전송장치(100)는 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 전력 변환부(111)는 무선 전력 수신장치(200)의 고조파에 주파수 매칭을 위하여, 특정 캐패시턴스(capacitance)를 갖는 캐패시터(capacitor)를 더 포함할 수 있다. 상기 캐패시터는 상기 제2코일(520)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 9a와 같이, 캐패시터(910)는 제2코일(520)의 양 끝단에 전기적으로 연결되거나, 도 9b와 같이, 제2코일(520)과 제2금속부재(540) 사이에 전기적으로 연결될 수도 있다.
이상에서는 주파수 매칭을 통하여, 고조파를 갖는 무선 전력 신호를 무선 전력 수신장치에 전송하는 방법을 설명하였다. 이를 통하여, 무선 전력 전송장치(100)는 전력 효율 및 인식 거리를 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 무선 전력 수신장치의 전력 수신부(291)의 구성을 설명한다. 도 10은 본 발명에 따른 무선 전력 수신장치의 전력 수신부의 코일 구조를 나타낸 개념도이다.
도 10에 따르면, 본 발명에 따른 무선 전력 수신장치(200)의 전력 수신부(291)는 무선 전력 전송장치(100)로부터 전력을 수신하기 위하여, 제1코일(1010), 제2코일(1020) 및 금속부재(1030) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1코일(1010)은 무선 전력 전송장치(100)의 제1코일(510)에서 발생한 무선 전력 신호를 수신하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 제1코일(510)은 무선 전력 수신장치(200)의 기본 주파수를 갖는 자기장을 수신할 수 있다.
또한, 상기 제1코일(1010)은 직사각형으로 권선되어, 중공 영역을 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1코일(1010)의 형태는 이에 한정되는 것이 아니라, 중공 영역을 가지는 다양한 형태, 예를 들어, 도넛 형태, 삼각형 등으로도 권선될 수 있다. 이러한, 제1코일(1010)의 형태는 설계자의 설계에 의하여 용이하게 변경될 수 있다.
상기 제2코일(1020)은 상기 제1코일(510)의 일면에 중첩되어 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2코일(1020)은 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 발생한 고조파를 갖는 자기장을 수신하도록 형성될 수 있다.
상기 제2코일(1020)의 인덕턴스는, 무선 전력 전송장치(100)의 제2코일(520) 및 제2금속부재의 인덕턴스의 합성 인덕턴스 값에 의하여 결정될 수 있다. 즉, 제2코일(1020)은 무선 전력 전송장치(100)와 주파수 매칭되는 인덕턴스 값을 가질 수 있다.
상기 금속부재(1030)은 상기 제1코일(510)의 일면과 마주보는 타면에 배치될 수 있다. 또한, 상기 금속부재(1030)는 무선 전력 전송장치(100)가 배치될 위치와 인접한 위치에 치우치게 배치될 수 있다. 따라서, 무선 전력 수신장치(200)는 무선 전력 전송장치(100)와 인접한 위치에서 수신되는 자기장을 밀집시킬 수 있다.
상기 금속부재(1030)는 제1코일(510)에서 수신한 자기장이 외부로 방출되지 못하도록 자기장을 밀집시킬 수 있다. 이를 위하여, 상기 금속부재(1030)는 상기 제1코일(510)의 적어도 절반 이상의 면적을 덮도록 형성될 수 있다.
이상에서는, 본 발명에 따른 무선 전력 수신장치(200)의 전력 수신부의 구성 요소 및 구조에 대하여 설명하였다.
도 11은 앞서 설명한 구조를 갖는 무선 전력 전송장치(100)와 무선 전력 수신장치(200) 간의 무선으로 전력을 전송하는 모습을 나타낸 개념도이다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 변환부(111)의 구조를 포함한 전자 기기로써, 노트북, 스마트폰 등이 될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 종래와 달리 무선 전력 수신장치(200)를 거치하기 위한 충전 패드를 포함하지 않을 수 있다. 이에, 무선 전력 전송장치(100)는 기존의 전자 기기에 전력 변환부(111)에 포함된 코일만을 삽입하여, 무선으로 전력이 전송되도록 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 11과 같이, 노트북의 일 영역에 전력 변환부(111)의 코일을 삽입하여, 무선 전력 전송장치(100)로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무선 전력 수신장치(200)는 상기 전력 수신부(291)를 구비하여, 무선 전력 전송장치(100)의 측면에서 전력을 수신할 수 있다. 즉, 무선 전력 수신장치(200)는 무선 전력 전송장치(100)와 인접한 측면에 위치할 수 있다. 이를 통하여, 본 발명은 무선 전력 전송장치(100)의 충전 패드를 별도로 구비하지 않아도 무선 충전을 가능하게 할 수 있는 구조를 제안한다.
상기 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 전송 장치에 의하면, 코일에서 방출되는 자기장의 방향을 금속 차폐제를 이용하여 코일에 수직 방향에서, 수평 방향으로 변경함으로써, 전송 장치의 측면에 위치한 수신 장치에 전력을 공급할 수 있다. 따라서, 사용자는 전송 장치와 수신 장치를 수직하게 포개어 놓지 않더라도, 무선으로 충전을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전송 장치에 의하면, 기본 주파수를 갖는 자기장을 방출하는 제1코일과 상기 기본 주파수의 고조파를 갖는 자기장을 방출하는 제2코일을 통하여, 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 전송 장치에 의하면, 금속부재를 통하여 자기장을 밀집시켜, 방출함으로써, 무선 충전의 인식 거리를 향상시킬 수 있다.
이상 개시된 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치의 구성은 무선 충전기에만 적용 가능한 경우를 제외하면, 도킹 스테이션(docking station), 단말기 크래들 장치(cradle device), 기타 전자 장치 등과 같은 장치에도 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 범위는 본 명세서에 개시된 실시 예들로 한정되지 아니하고, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.

Claims (10)

  1. 무선 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 전송하도록 형성된 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    전류를 자기장으로 변환하며, 기본 주파수에서 공명하도록 자기장을 형성하는 제1코일;
    전류를 자기장으로 변환하며, 상기 기본 주파수의 고조파에서 공명하도록 자기장을 형성하는 제2코일 ;
    상기 제1코일의 적어도 일부를 덮도록 형성된 제1금속부재 ; 및
    상기 제1코일과 상기 제1금속부재를 둘러싸도록 내부 공간을 형성하며, 상기 자기장이 외부로 방출되지 못하도록 금속 재질로 이루어진 제2금속부재를 포함하고,
    상기 제1금속부재는
    상기 무선 전력 전송 장치의 측면에 위치한 상기 무선 전력 수신 장치에 전력이 도달하도록 상기 제1코일에서 형성된 자기장의 방출 방향을 변경시키고,
    상기 제2금속부재는,
    상기 무선 전력 수신 장치에 전송되는 자기장의 자속 밀도가 증가하도록 상기 자기장의 방출 방향이 향하는 위치에, 상기 제1금속부재에 덮여진 제1코일의 일면과 마주보는 타면의 적어도 일부가 노출되도록 개구 영역을 형성하며,
    상기 제2코일은, 상기 자속 밀도가 증가된 자기장이 상기 무선 전력 수신 장치에 전송되도록 상기 개구 영역에 의하여 노출된 제1코일의 적어도 일부와 중첩하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1금속부재는,
    상기 제1코일에서 형성된 자기장이 밀집되도록 상기 제1코일의 일면의 절반 이상을 덮도록 형성된 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1금속부재는,
    상기 무선 전력 수신 장치에 전력을 전송하도록 상기 무선 전력 수신 장치가 위치한 방향에 치우쳐 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2코일은
    상기 개구 영역에 의하여 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2코일은
    기본 주파수의 고조파와 매칭되도록 캐패시터와 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2코일은
    기본 주파수의 고조파와 매칭되도록 일측이 상기 제2금속부재와 전기적으로 연결되며, 타측이 캐패시터와 연결된 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
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