KR102184049B1 - 무선전력용 안테나 및 이를 구비한 이중모드 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선전력용 안테나 및 이를 구비한 이중모드 안테나에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 무선전력용 안테나는 무선으로 전력을 송수신하거나 중계하기 위한 안테나로서, 절연시트 및 폭방향으로 서로 이격된 복수개의 패턴을 포함하는 분할패턴부를 적어도 일부의 영역에 구비하고, 상기 분할패턴부는 상기 절연시트의 상하면에 구비되는 무선전력용 코일을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

무선전력용 안테나 및 이를 구비한 이중모드 안테나 {Antenna for wireless charging and Dualmode antenna having the same}

본 발명은 무선전력용 안테나 및 이중모드 안테나에 관한 것이다.

최근 에너지-IT 융합기술에 대한 관심도가 증가하고 있다. 에너지-IT 융합기술이란 종래의 에너지 기술에 급속히 발달하고 있는 IT 기술을 융합하는 것을 말하며, 이러한 에너지-IT 융합 기술의 한 분야로서 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer, WPT) 기술이 있다. 무선 전력 전송이란 종래의 유선으로 된 전력선 대신 무선으로 전기 기기로 전원을 공급하는 기술을 말하며, 종래에 가전기기 등을 충전하기 위해서 전원 콘센트로부터 가전기기 또는 충전기기로 유선으로 된 전원 케이블을 연결하지 않고도 무선으로 충전할 수 있다는 장점 때문에 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화 또는 연구 중인 무선 전력 전송 기술에는 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 있다. 자기 유도 방식의 무선 전력 전송 기술은 두 코일 간의 자기 유도 현상을 이용하는 방식으로서, 수 mm ~ 수 cm 의 거리에서 수 W의 전력을 전송할 수 있으며, 현재는 교통카드, 무선 면도기, 전동 칫솔 등에 적용되고 있다. 한편, 자기 공명 방식의 무선 전력 전송 기술은 공진 주파수에서의 공진 결합(resonant coupling)에 의해 전력을 전송하는 방식으로서, 수 m 이내의 거리에서 수십 W의 전력을 전송할 수 있으며, 공진기의 충실도(Quality Factor)값에 의해 전송 효율이 영향을 받는다. 따라서, 무선전력전송기술에서는 상기 충실도를 향상시키기 위한 다양한 기술이 개발되고 있다. 이와 관련하여, 미국 공개공보 제2008/0157272(이하, '선행문헌 1'이라고 함), 대한민국 특허공보 제0637078호(이하, '선행문헌 2'라고 함) 및 미국 특허공보 제4392013호(이하, '선행문헌 3'이라고 함)등에 충실도를 향상시킨 인덕터 구조에 대해서 개시한다. 하지만, 선행문헌 1 및 선행문헌 2는 모두 기판의 일측에만 금속 레이어가 배치되어 안테나를 구성하는 경우에 필요로 하는 권선수를 확보하지 못할 가능성이 높다. 또한, 선행문헌 3은 단순히 세선(fine pattern film)을 제작하는 방법에 대해서만 개시한다.

한편, 최근에 출시되는 상당수의 모바일 단말에는 근거리무선통신 통신이 가능하도록 근거리무선통신 모듈이 장착되어 출시되고 있다. 근거리무선통신(Near Field Communication)는 13.56MHz 대역의 주파수를 사용하여 10cm 정도의 거리에서 데이터를 송수신하는 근접통신 기술이다. 근거리무선통신 모듈은 모바일 단말에 탑재되어 사용자 인증, 신분증, 신용카드, 모바일 티켓, 모바일 쿠폰 등의 다양한 분야에서 사용된다.

한편, 근거리무선통신 통신을 하기 위해 근거리무선통신 통신용 안테나(코일)가 필요하다. 근거리무선통신 안테나는 근거리무선통신 리더와 근거리무선통신 태그의 안테나가 각각 독립적으로 구비되며, 실제 모바일 단말 상에 구현되는 경우에는 일반적으로 근거리무선통신 리더 안테나와 태그 안테나를 적층 구조로 집적한 통합형 이중안테나 구조가 사용된다.

또한, 무선전력전송의 경우에도 별도의 무선전력전송용 안테나(코일)이 필요하다. 따라서, 모바일 단말 상에서 근거리무선통신 기능과 무선전력전송 기능을 동시에 지원하기 위해서는 각각의 기능을 위한 안테나를 함께 장착하여야 한다. 이 경우, 모바일 단말의 크기에 따른 제한으로 인해 안테나 장착 공간이 협소하고, 두 종류의 안테나로 인해 모바일 단말의 크기 및 두께가 증가하는 문제점이 있었다.

따라서, 근거리무선통신 안테나 및 무선전력전송 안테나를 모바일 단말에 함께 장착하면서도 필요한 장착 공간을 최소로 줄일 수 있는 기술의 도입이 요구되고 있는 실정이다.

이와 관련하여, 미국공개특허 제 2010-0194334호(이하, '선행문헌 4' 라고 함)이 개시된다. 선행문헌 4에는 무선전력전송 및 근거리통신을 위한 전력 회로에 관한 것으로서, 상기 전력 회로를 가지는 전자 디바이스는 무선전력 수신 안테나 및 변환회로를 가지는 백하우징을 포함하고 있다. 다만, 선행문헌 4에는 무선전력 수신 안테나가 무선전력 공급 기능 또는 근거리무선통신 기능을 위해 사용될 수 있다고 개시되어 있지만, 무선전력 공급 기능 및 근거리무선통신 기능을 동시에 수행하기 위한 구체적인 구성은 개시되어 있지 않다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 단순한 구성에 의해 충실도를 현저히 향상시킬 수 있는 무선전력용 안테나 및 이중모드 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 표피효과에 의해 도체 내부에 전류가 통하지 않는 영역의 발생을 방지하여 충실도를 향상시키고자 한다.

나아가, 협소한 절연시트 상에 무선전력용 코일 패턴을 구비하는 경우에 필요한 권선수를 확보할 수 있는 무선전력용 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 하나의 안테나에 의해 무선전력의 송수신/중계와 함께 근거리무선통신이 가능한 이중모드 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 무선으로 전력을 송수신하거나 중계하기 위한 안테나로서, 절연시트 및 폭방향으로 서로 이격된 복수개의 패턴을 포함하는 분할패턴부를 적어도 일부의 영역에 구비하고, 상기 분할패턴부는 상기 절연시트의 상하면에 구비되는 무선전력용 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 무선전력용 안테나에 의해 달성된다.

여기서, 상기 무선전력용 코일은 상기 절연시트의 상면에 구비되는 제1 패턴부와, 상기 제1 패턴부와 통전되어 상기 절연시트의 하면에 구비되는 제2 패턴부를 구비할 수 있다. 한편, 상기 분할패턴부는 상기 제1 패턴부에 구비되는 제1 분할패턴부와, 상기 제1 분할패턴부와 통전되어 제2 패턴부에 구비되는 제2 분할패턴부를 포함할 수 있다.

나아가, 상기 제1 패턴부와 상기 제2 패턴부를 따라 흐르는 전류는 전류보강방향으로 흐를 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 패턴부와 상기 제2 패턴부를 따라 흐르는 전류는 서로 동일한 방향으로 흐를 수 있다.

한편, 상기 제1 분할패턴부와 상기 제2 분할패턴부를 형성하는 각각의 패턴들은 상기 절연시트를 중심으로 서로 동일한 위상으로 배치되거나, 상기 절연시트를 중심으로 서로 교차하여 배치될 수 있다. 나아가, 상기 각 패턴들은 서로 간에 동일한 간격으로 이격되어 배치되며, 서로 동일한 폭을 가질 수 있다.

한편, 상기와 같은 본 발명의 목적은 절연시트, 상기 절연시트에 구비되어 데이터를 송수신하는 근거리무선통신 코일 및 상기 절연시트에 구비되어 무선으로 전력을 송수신하며, 폭방향으로 서로 이격된 복수개의 패턴을 포함하는 분할패턴부를 적어도 일부의 영역에 구비하는 무선전력용 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 이중모드 안테나에 의해 달성된다.

여기서, 상기 분할패턴부는 상기 절연시트의 상면 및 하면에 모두 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 분할패턴부는 상기 절연시트의 상면에 구비되는 제1 분할패턴부와, 상기 제1 분할패턴부와 통전되어 상기 절연시트의 하면에 구비되는 제2 분할패턴부를 구비할 수 있다. 또한, 상기 제1 분할패턴부와 상기 제2 분할패턴부를 따라 흐르는 전류는 서로 동일한 방향으로 흐를 수 있다. 나아가, 상기 제1 분할패턴부와 상기 제2 분할패턴부는 상기 절연시트를 중심으로 서로 동일한 위상으로 배치되거나, 상기 절연시트를 중심으로 서로 교차하여 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 패턴들은 서로 간에 동일한 간격으로 이격되어 동일한 폭을 가질 수 있다.

한편, 상기와 같은 본 발명의 목적은 무선으로 전력을 송수신하거나 중계하기 위한 안테나로서, 절연시트 및 상기 절연시트에 구비되며, 폭방향으로 서로 이격된 복수개의 패턴을 포함하는 분할패턴부를 구비하는 무선전력용 코일을 구비하고, 상기 분할패턴부의 충실도(Q factor)는 단일패턴부의 충실도(Q factor)이상으로 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력용 안테나에 의해 달성된다.

여기서, 상기 분할패턴부는 상기 절연시트의 상면 및 하면에 모두 구비되어, 서로 통전되도록 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 절연시트의 상면 및 하면에 구비된 분할패턴부에 흐르는 전류는 서로 동일한 방향으로 흐를 수 있다. 또한, 상기 패턴들은 서로 간에 동일한 간격으로 이격되어 서로 동일한 폭을 가질 수 있다.

한편, 상기와 같은 본 발명의 목적은 무선으로 전력을 송수신하거나 중계하기 위한 안테나로서, 절연시트 및 상기 절연시트에 구비되며, 폭방향으로 서로 이격된 복수개의 패턴을 포함하는 분할패턴부를 구비하는 무선전력용 코일을 구비하고, 상기 분할패턴부를 이루는 각각의 패턴의 폭은 상기 각 패턴의 내부에 전류가 흐르지 않는 영역이 발생하지 않도록 결정되는 것을 특징으로 하는 무선전력용 안테나에 의해 달성된다.

예를 들어, 상기 분할패턴부를 이루는 각 패턴의 폭은 전류가 침투할 수 있는 표피두께의 두 배 이하로 결정될 수 있다. 또한, 상기 분할패턴부를 이루는 각 패턴 사이의 간격은 일정하게 결정될 수 있다.

예를 들어, 상기 분할패턴부는 3개 이상 및 8개 이하의 패턴을 구비하고, 각 패턴의 폭은 0.10mm 이상 및 0.20mm 이하, 각 패턴 사이의 거리는 0.05mm 이상 및 0.1mm 이하로 결정될 수 있다.

한편, 상기 분할패턴부는 상기 절연시트의 상면 및 하면에 모두 구비되어, 서로 통전되도록 연결될 수 있다. 또한, 상기 절연시트의 상면 및 하면에 구비된 분할패턴부에 흐르는 전류는 서로 동일한 방향으로 흐를 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 구성에 따르면, 무선전력용 안테나는 복수개의 패턴을 구비한 분할패턴부에 의해 내부에 전류가 흐르지 않는 영역을 방지하여 충실도를 현저히 향상시킬 수 있다. 나아가, 하나의 절연시트의 상면 및 하면에 무선전력용 코일을 모두 구비함으로써, 무선전력 송수신에 필요한 권선수를 충분히 확보할 수 있다.

또한, 하나의 절연시트 상에 무선전력용 코일과 근거리무선통신용 코일을 함께 구비하여 단순하고 두께가 얇은 안테나를 제공하면서도, 무선전력의 송수신/중계와 함께 근거리무선통신이 가능한 이중모드 안테나를 제공할 수 있다.

도 1은 무선전력 전송시스템의 구성을 도시한 개략도,
도 2는 일 실시예에 따른 무선전력용 안테나의 정면을 도시한 정면도,
도 3은 도 2의 배면도,
도 4는 표피효과를 설명하기 위한 개략도,
도 5는 단일패턴부의 코일의 단면을 도시한 단면도,
도 6은 도 2의 'Ⅵ' 영역을 확대한 일부확대도,
도 7 및 도 8은 분할패턴부의 각 패턴의 폭을 결정하기 위한 개략도,
도 9 및 도 10은 제1 분할패턴부와 제2 분할패턴부의 배치를 도시한 측면도,
도 11은 일 실시예에 따른 이중모드 안테나를 구비한 사용자 단말기의 구성을 도시한 블록도,
도 12는 사용자 단말기의 본체 배면도,
도 13은 사용자 단말기의 배터리 커버의 정면도,
도 14는 일 실시예에 따른 이중모드 안테나의 정면도,
도 15는 일 실시예에 따른 이중모드 안테나의 배면도이다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 살펴보기로 한다. 먼저, 무선전력 전송시스템에 대해서 살펴보고, 본 발명에 따른 무선전력용 안테나를 살펴보기로 한다.

도 1은 무선전력 전송시스템의 구성을 도시한 개략도이다.

도 1을 참조하면, 무선전력 전송시스템은 무선으로 전력을 송신하는 무선전력송신장치(송신기)(10)와 전력을 무선으로 수신하는 무선전력수신장치(수전기)(20)를 구비한다.

무선전력송신장치(10)는 외부로부터 AC 전원을 공급받아서 송전 안테나(11)를 이용하여 외부로 전자기장을 방사한다. 구체적으로, 무선전력송신장치(10)는 외부의 입력 전원으로부터 공급된 AC 전원을 AC/DC 컨버터(미도시)를 이용하여 DC 전원으로 정류하고, 이후, 무선전력전송을 위해 DC/AC 변환 회로(미도시)를 통해 고주파 AC 전원으로 재변환하여, 송전 안테나(11)를 통해 무선전력수신장치(20)로 전송한다.

무선전력수신장치(20)는 무선전력송신장치(10)로부터 전송된 전력 신호를 수전 안테나(21)를 이용하여 수신할 수 있다. 구체적으로, 무선전력송신장치(10)의 송전 안테나(11)를 흐르는 전류에 의해 송전 안테나(11)의 주변에 자기장이 생성되고, 전자기 유도에 의해 상기 자기장에 인접하게 배치된 무선전력수신장치(20)의 수전 안테나(21)에는 전압이 유도되어 전력이 전송될 수 있다. 무선전력수신장치(20)는 전송된 전력을 이용하여 단말기와 같은 부하기기(30)를 충전하거나 무선전력수신장치(20)의 구동에 필요한 구동 전력을 공급할 수 있다.

한편, 전술한 무선전력 전송시스템은 자기유도방식에 의해 무선으로 전력을 전송하는 방식을 설명하지만, 후술하는 무선전력용 안테나 및/또는 이중모드 안테나는 자기유도방식에 한정되지 않으며, 예를 들어 자기 공명 방식의 무선전력용 안테나 및/또는 이중모드 안테나에도 물론 적용이 가능하다.

이하, 도면을 참조하여 무선전력에 사용되는 무선전력용 안테나의 다양한 실시예를 살펴보기로 한다.

도 2는 일 실시예에 따른 무선전력용 안테나(100)의 정면을 도시한 정면도이며, 도 3은 도 2의 배면도이다. 이하에서 살펴보는 무선전력용 안테나(100)는 무선으로 전력을 송수신하거나 나아가 무선으로 전력을 중계할 수 있다. 즉, 무선전력용 안테나(100)는 무선전력 송신안테나, 무선전력 수신안테나 및 무선전력중계안테나의 기능을 모두 한다고 할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 무선전력용 안테나(100)는 먼저 절연시트(110)를 구비할 수 있다.

절연시트(110)는 후술하는 무선전력용 코일(120)이 장착되는 공간을 제공하며, 일반적으로 PCB(Printed Circuit Board) 또는 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)로 제작된다.

절연시트(110)의 일면에는 무선전력용 코일(120)의 양단부가 연결되는 한 쌍의 무선전력용 접속단자(112, 114)를 구비할 수 있다. 본 발명의 무선전력용 안테나(100)를 단말기와 같은 장치에 구비하는 경우에 상기 접속단자(112, 114)가 단말기의 모듈접속단자(미도시)에 연결되어 전력을 전송할 수 있다. 또는 상기 무선전력용 접속단자(112, 114)가 무선전력송신장치의 접속단자와 연결되어 상기 무선전력용 코일(120)을 통하여 무선으로 전력을 전송할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 무선전력용 안테나(100)는 절연시트(110)에 무선전력용 코일(120)의 패턴을 형성하게 된다. 예를 들어, 무선전력용 코일(120)의 일단부는 한 쌍의 무선전력용 접속단자(112, 114) 중에 어느 하나와 연결되며, 상기 절연시트(110) 상에 회전하는 루프(loop)형상의 패턴을 가지게 되며, 타단부가 다시 한 쌍의 무선전력용 접속단자(112, 114) 중에 다른 하나와 연결된다.

그런데, 일반적으로 무선전력용 안테나(100)가 휴대용 단말기 등에 사용되는 경우에 절연시트(110)의 크기는 매우 작으므로, 무선전력용 코일(120)의 패턴이 형성되는 면적도 협소하게 된다. 따라서, 무선전력용 코일(120)의 패턴을 절연시트(110)의 상면에 구비하는 경우에 무선전력 송신 및/또는 수신에 필요한 권선수를 확보하지 못할 수 있다. 여기서, 무선전력용 코일의 권선수는 코일의 임피던스를 결정하게 되며, 적절한 임피던스에 의해 무선전력 송신 및/또는 수신에 맞는 주파수 영역을 커버할 수 있게 된다. 결국, 코일의 적절한 권선수를 확보하는 것은 무선전력 송신 및/또는 수신에 맞는 주파수 영역을 커버할 수 있는 것을 의미한다. 따라서, 절연시트(110)의 상면에만 무선전력용 코일(120)을 구비하는 경우에 필요한 권선수를 확보하지 못하게 되면 무선전력 송신 및/또는 수신의 주파수 영역을 커버할 수 없는 것을 의미하므로 추가적인 권선이 필요하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 실시예에 따른 무선전력용 안테나(100)는 무선전력용 코일(120)의 패턴을 절연시트(110)의 상면 및 하면에 모두 구비할 수 있다. 즉, 절연시트(110)의 상면 및 하면에 무선전력용 코일(120)의 패턴을 모두 구비하여 무선전력 송수신 및/또는 중계에 필요한 권선수를 충분히 확보할 수 있게 된다.

예를 들어, 무선전력용 코일(120)은 절연시트(110)의 상면에 형성된 제1 패턴부(130)와 절연시트(110)의 하면에 형성된 제2 패턴부(140)를 구비할 수 있다. 제1 패턴부(130)는 일단부가 접속단자(112)와 연결되며, 접속단자(112)에서 연장되어 절연시트(110)의 상면에서 내부를 향해 수렴하는 루프 형상을 가질 수 있다. 절연시트(110)의 상면에서 제1 패턴부(130)의 타단부는 패턴을 형성하는 루프의 내부에서 절연시트(110)를 관통하는 통전부(145)를 통해 하면의 제2 패턴부(140)에 연결된다. 상기 통전부(145)는 예를 들어 비아 홀(via hole) 등으로 구성될 수 있다.

제2 패턴부(140)는 일단부가 절연시트(110)의 하면에서 상기 통전부(145)에 연결되며, 통전부(145)에서 연장되어 루프의 내부에서 외부를 향해 패턴이 형성된다. 한편, 제2 패턴부(140)의 타단부는 비아 홀(150) 등을 통해 다시 절연시트(110)의 상면의 연장패턴부(160)와 연결되어 접속단자(114)와 연결된다.

한편, 절연시트(110)의 상면에 형성된 제1 패턴부(130)와 하면에 형성된 제2 패턴부(140)는 전면에서 봤을 때 동일한 방향으로 회전하며 루프를 형성할 수 있다. 즉, 무선전력용 코일(120)을 따라 전류가 흐르는 경우에 제1 패턴부(130)와 제2 패턴부(140)에 서로 동일한 방향으로 전류가 흐를 수 있다. 이와 같이, 절연시트(110)를 사이에 두고 양면에 구비된 무선전력용 코일(120)의 제1 패턴부(130)와 제2 패턴부(140)에 서로 동일한 방향으로 전류가 흐르게 되면 제1 패턴부(130)를 흐르는 전류와 제2 패턴부(140)를 흐르는 전류가 서로 보강되어 무선으로 전력을 전송하는 경우에 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 코일과 같은 도체를 따라 전류가 흐르는 경우에 전류는 도체의 단면적 전체를 통해 흐르는 것이 아니라, 단면적 중에 일부 표면을 따라 흐르게 되며 이를 소위 '표피효과 (skin effect)'라 정의하게 된다. 표피효과는 금속과 같은 도체에 고주파 전류를 인가하는 경우에 전류가 도체의 표면 부근만을 흐르는 현상을 말한다. 표피효과가 발생하는 이유는 도체를 따라 흐르는 전류의 방향이 급속히 변화하기 때문에 도체 내부에 유도기전력이 발생하여, 도체의 중심부에 전류가 흐르기 어렵게 하기 때문이다

예를 들어, 도 4와 같이 하나의 심선, 예를 들어 단일패턴부를 가지는 코일을 통해 전류를 통전시키게 되면, 표피효과에 의해 소정의 두께(δ)를 가지는 코일 표면의 전류가 흐르는 영역(A)을 따라 전류가 흐르게 되며, 코일 내부에는 전류가 흐르지 않는 영역(B)이 발생하게 된다. 여기서, 전류가 도체 내부로 침투하여 전류가 흐를 수 있는 표피두께는 하기 [수학식 1]로 표현된다.

상기 [수학식 1]에서, δ는 전류가 침투하여 전류가 흐를 수 있는 표피두께, f는 주파수, μ는 진공에서의 투자율(permeability), ρ는 도체의 저항율(resistivity)을 의미한다. 이러한 표피효과는 코일을 따라 흐르는 전류의 양을 제한하게 되어 무선으로 전력을 송신 및 수신하는 경우에 그 효율을 현저하게 떨어뜨리게 되어, '충실도 (Q factor)' 를 상당히 낮추게 된다. 따라서, 도 5와 같이 단일 심선, 즉 단일패턴부로 이루어진 코일(40)의 내부를 따라 전류가 흐르게 되면 상기 [수학식 1]에 따라 결정된 표피두께(δ) 만큼의 영역(A)을 따라 전류가 흐르게 되며 내부에 전류가 흐르지 않는 영역(B)이 형성된다.

본 실시예에서는 상기와 같은 표피효과에 의해 충실도(Q)가 떨어지는 것을 방지하기 위하여 무선전력용 코일(120)의 적어도 일부 영역에 분할패턴부(200, 도 6 참조)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 무선전력용 코일(120)은 전술한 무선전력용 접속단자(112, 114)와 하나의 심선으로 연결되고, 상기 무선전력용 접속단자(112, 114)에서 소정거리 이격되어 분할패턴부(200)를 구비할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않으며 상기 분할패턴부(200)가 전술한 무선전력용 접속단자(112, 114)와 직접 연결되는 것도 물론 가능하다.

여기서, 분할패턴부(200)는 폭방향으로 서로 이격된 복수개의 패턴(220)을 포함한다. 도 6은 분할패턴부(200)의 형상을 도시하기 위한 도 2의 'Ⅵ' 영역의 일부 확대도이다.

도 6을 참조하면, 분할패턴부(200)는 코일의 패턴을 이루는 하나의 심선이 복수개의 가닥으로 폭 방향으로 분리되어 각각의 패턴(220a ~ 220f)을 형성하게 된다. 이 경우, 각 패턴(220a ~ 220f)들은 서로 간에 동일한 간격으로 이격되어 배치될 수 있으며, 또한, 서로 동일한 폭을 가질 수 있다.

예를 들어, 도 6에서는 6개의 패턴(220a ~ 220f)이 하나의 심선에서 분리된 패턴으로 정의될 수 있다. 이와 같이, 하나의 심선으로 이루어진 단일패턴부 대신에 복수개의 패턴을 포함하는 분할패턴부를 구비하게 되면 도체 내부의 전류가 흐르지 않는 영역을 줄일 수 있다.

한편, 복수개의 패턴을 구비한 분할패턴부(200)에서 각 패턴의 폭은 상기 각 패턴을 이루는 도체의 내부에 전류가 흐르지 않는 영역이 발생하지 않도록 결정될 수 있다. 이하, 도면을 참조하여 각 패턴의 폭을 결정하는 방법에 대해서 알아본다.

도 7 및 도 8은 각 패턴의 폭을 달리하는 경우에 내부에 전류가 침투할 수 있는 두께를 도시한다. 도 7 및 도 8의 패턴을 도 5와 비교해보면, 도 7 및 도 8의 패턴은 높이에 비하여 폭이 더 크게 구성된다. 이와 같이, 높이가 폭에 비하여 작은 경우에 표피효과는 도체의 폭방향을 따라 양 측부에 발생하게 된다. 즉, 전류가 침투하여 전류가 흐르는 영역은 도체의 양 측부에서 내부를 향하여 형성된다. 따라서, 도체의 높이에 비하여 폭이 더 넓은 경우에는 도체의 폭을 표피두께에 따라 결정하여 전류가 흐르지 않는 영역을 방지할 수 있다. 이하, 자세히 살펴본다.

도 7과 같이 각 패턴의 폭(W)을 전류가 침투할 수 있는 표피두께(δ)의 두 배 이상으로 결정하게 되면 내부에 전류가 흐르지 않는 영역(B)이 발생하게 된다. 하지만, 도 8과 같이 각 패턴의 폭(W)을 전류가 침투할 수 있는 표피두께(δ)의 두 배 이하로 결정하게 되면 내부에 전류가 흐르지 않는 영역(B)이 발생하지 않게 된다. 결국, 본 실시예에서 각 패턴의 폭(W)은 내부에 표피효과에 의해 전류가 흐르지 않는 영역이 발생하지 않도록 결정되며, 예를 들어, 각 패턴의 폭(W)은 표피두께의 두 배 이하로 결정될 수 있다. 이러한 각 패턴의 폭은 하기 [수학식 2]로 표현될 수 있다.

예를 들어, 본 출원인의 실험에 따르면 분할패턴부는 3개 내지 8개의 패턴을 구비할 수 있으며, 각 패턴의 폭은 대략 0.10mm 내지 0.20mm, 각 패턴 사이의 거리는 대략 0.05mm 내지 0.1mm로 결정될 수 있다. 여기서, 분할패턴부가 2개 이하의 패턴을 가지게 되면 종래의 단일패턴부와 차이가 없게 되며, 반대로 분할패턴부가 9개 이상의 패턴들을 가지게 되면 DC 저항성분이 증가하게 되어 오히려 무선 전력의 효율이 떨어지게 된다.

한편, 도체의 충실도(Q factor)는 하기 [수학식 3]과 같이 정의된다.

여기서, ω는 주파수, L은 도체의 인덕턴스, R은 도체의 저항을 의미한다. 본 출원인의 실험에 따르면, 단일패턴부를 가지는 코일과 본 발명에 따른 분할패턴부를 가지는 코일의 저항, 인덕턴스 및 충실도를 비교해보면 하기 [표1]과 같다.

	R (mohm)	L (uH)	Q
단일패턴부	610	6.20	6.23
복합패턴부	739	8.30	7.07

즉, 단일패턴부를 가지는 코일의 저항 및 인덕턱스에 비해 복합패턴부를 가지는 코일의 저항 및 인덕턴스 성분이 모두 증가하였지만, 상기 [수학식 3]에 의해 충실도를 계산해보면 복합패턴부의 충실도가 6.23에서 7.07로 대략 14%정도 증가하였음을 알 수 있다. 또한, 이러한 충실도 상승에 의해 무선으로 전력을 전송하는 경우에 효율이 대략 5% 내지 10% 정도 상승하였음을 발견하였다.결국, 본 발명에 따른 무선전력용 안테나(100)에서 분할패턴부의 형상, 예를 들어, 각 패턴의 폭 및 간격은 단일패턴부에 비해 충실도가 높아지도록 결정될 수 있다.

한편, 전술한 분할패턴부는 절연시트(110)의 상면에 구비되는 제1 패턴부(130)에 형성되는 제1 분할패턴부(220, 도 9 참조)와 절연시트(110)의 하면에 구비되는 제2 패턴부(140)에 형성되는 제2 분할패턴부(220', 도 9 참조)를 구비할 수 있다. 즉, 무선전력용 코일(120)이 절연시트(110)의 상면 및 하면에 구비되는 경우에 분할패턴부도 역시 절연시트(110)의 상면 및 하면에 모두 형성될 수 있다. 이 경우, 분할패턴부를 이루는 각 패턴을 따라 전류가 동일한 방향으로 흐르게 되어 전류가 보강되는 점과 제1 분할패턴부와 제2 분할패턴부가 통전부에 의해 연결되는 구성은 전술한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.

한편, 도 9 및 도 10은 절연시트(110)의 상면 및 하면에 각각 분할패턴부를 구비하는 경우의 다양한 실시예를 도시한다.

도 9를 참조하면, 절연시트(110)의 상면에 구비된 제1 분할패턴부(220)와 절연시트(110)의 하면에 구비된 제2 분할패턴부(220')는 서로 동일한 위상으로 배치될 수 있다. 즉, 제1 분할패턴부(220)의 각 패턴들은 제2 분할패턴부(220')의 각 패턴들과 절연시트(110)를 사이에 두고 동일한 위치에 배치된다.

한편, 도 10을 참조하면, 절연시트(110)의 상면에 구비된 제1 분할패턴부(220)와 절연시트(110)의 하면에 구비된 제2 분할패턴부(220')는 서로 교차하여 배치될 수 있다. 즉, 제1 분할패턴부(220)의 각 패턴들은 제2 분할패턴부(220')의 각 패턴들과 절연시트(110)를 사이에 두고 서로 엇갈려서 교차하여 배치된다.

한편, 최근에 출시되는 상당수의 단말기와 같은 모바일 장치는 무선충전기능과 함께 근거리무선통신(NFC:Near Field Communication)이 가능하도록 NFC 모듈이 장착되어 출시되고 있다. 근거리무선통신은 예를 들어 13.56MHz 대역의 주파수를 사용하여 대략 10cm 정도의 근거리에서 데이터를 송수신하는 근접통신 기술이다. 근거리무선통신 모듈은 모바일 단말기에 탑재되어 사용자 인증, 신분증, 신용카드, 모바일 티켓, 모바일 쿠폰 등의 다양한 분야에서 사용될 수 있다.

그런데, 근거리무선통신을 하기 위해서는 근거리무선통신용 안테나(코일)가 필요하다. 근거리무선통신 안테나는 근거리무선통신 리더와 근거리무선통신 태그의 안테나가 각각 독립적으로 구비되며, 실제 모바일 단말기 상에 구현되는 경우에는 일반적으로 근거리무선통신 리더 안테나와 태그 안테나를 적층 구조로 집적한 통합형 이중안테나 구조가 사용된다.

따라서, 모바일 단말기 상에서 근거리무선통신 기능과 무선전력전송 기능을 동시에 지원하기 위해서는 각각의 기능을 위한 안테나를 함께 장착하여야 한다. 이 경우, 모바일 단말기의 크기에 따른 제한으로 인해 안테나 장착 공간이 협소하고, 두 종류의 안테나로 인해 모바일 단말기의 크기 및 두께가 증가하는 문제점이 있었다. 이하에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 근거리무선통신 코일과 무선전력용 코일을 함께 구비하는 이중모드 안테나에 대해서 살펴보기로 한다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중모드 안테나(500)를 구비한 사용자 단말기의 구성을 도시한 블록도이다.

도 11을 참조하면, 사용자 단말기는 근거리무선통신 통신을 처리하는 근거리무선통신모듈(300) 및 무선전력전송 기능을 수행하는 무선전력전송모듈(400)을 포함한다. 또한, 사용자 단말기는 근거리무선통신모듈(300)과 전기적으로 연결되는 근거리무선통신 코일(510) 및 무선전력전송모듈(400)과 전기적으로 연결되는 무선전력용 코일(530)을 포함하는 이중모드 안테나(500)를 포함한다.

이중모드 안테나(500)는 근거리무선통신 코일(510)과 무선전력용 코일(530)이 일정한 간격으로 이격된 이중 루프 형상으로 구현될 수 있다. 이중모드 안테나(500)는 절연시트 상에 근거리무선통신 코일(510) 및 무선전력용 코일(530)의 패턴이 형성된 구조일 수 있다. 이때, 근거리무선통신 코일(510)과 무선전력용 코일(530)은 전기적으로 분리되며, 또한, 근거리무선통신 코일(510)과 무선전력용 코일(530)에 의해 형성되는 이중 루프 형상에서 근거리무선통신 코일(510)과 무선전력용 코일(530) 간의 간격을 조절하여 코일의 임피던스 매칭을 조절할 수 있다.

구체적으로, 근거리무선통신모듈(300)은 근거리무선통신 코일(510)을 제어하여 사용자 단말기 상에서 근거리무선통신 통신을 수행한다. 예를 들어, 근거리무선통신모듈(300)은 근거리무선통신 임피던스 매칭부(310), 근거리무선통신 트랜시버(370) 및 근거리무선통신 제어부(320)를 포함할 수 있다.

사용자의 조작 또는 사용자 단말기 상의 어플의 동작에 의해 근거리무선통신 기능이 요청되면, 사용자 단말기의 제어부(490)는 근거리무선통신모듈(300)을 동작시켜서 근거리무선통신 기능을 활성화시킨다. 이어, 근거리무선통신 임피던스 매칭부(310)는 근거리무선통신 코일(510)과 근거리무선통신 트랜시버(370) 사이에 설치되어, 근거리무선통신 코일(510)와 근거리무선통신 트랜시버(370) 사이의 임피던스를 정합시킬 수 있다. 근거리무선통신 트랜시버(370)는 베이스밴드 처리부와 통신규약 처리회로, 레지스터 파일, UART 직렬 인터페이스 등을 포함할 수 있다. 상기의 근거리무선통신 트랜시버(370)의 각 구성 요소들에 대해서는 공지된 기술에 상응하는 바, 본 명세서 상에서는 설명을 생략하기로 한다. 근거리무선통신 제어부(320)는 근거리무선통신 트랜시버(370)와 연결되어 근거리무선통신 트랜시버(370)의 전체적인 동작을 제어한다. 또한, 근거리무선통신 제어부(320)는 별도의 통신 인터페이스를 통해 외부의 호스트와 통신을 수행할 수 있다.

한편, 무선전력전송모듈(400)은 무선전력전송(W/C) 임피던스 매칭부(410), 정류부(470) 및 충전부(420)를 포함할 수 있다.

무선전력전송 임피던스 매칭부(410)는 무선전력용 코일(530)과 정류부(470) 사이에 배치되어 무선전력용 코일(530)과 정류부(470) 사이의 임피던스를 정합시킬 수 있다. 정류부(470)는 무선전력용 코일(530)을 통해 입력되는 전력 신호를 반파 정류 형태로 정류하여 DC 전력으로 정류한다. 정류부(470)에 의해 정류된 DC 신호는 미도시된 필터링부에 의해 고주파 노이즈 성분이 제거될 수 있으며, 이후 충전부(420) 또는 장치 구동을 위해 필요한 전압으로 변환될 수 있다. 충전부(420)는 필요한 전압으로 변환된 전력을 이용하여 외부의 부하 기기 또는 내부의 배터리를 충전한다.

도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중모드 안테나가 사용자 단말기에 장착되는 경우를 설명하기 위해 사용자 단말기 본체의 후면도 및 후면 커버를 도시한 도면이다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 이중모드 안테나(500)는 사용자 단말기의 배터리 커버(1300)에 장착될 수 있다. 이중모드 안테나(500)는 사용자 단말기의 본체(1000)와 대면하는 배터리 커버(1300)의 내측면에 부착되거나 배터리 커버(1300)의 내부에 일체로서 결합되도록 형성될 수 있다. 이때, 배터리 커버(1300)의 내부에 일체로서 결합 형성되는 경우에는 이중모드 안테나(500)의 근거리무선통신용 접속단자(1510) 및 무선전력용 접속단자(1412)가 배터리 커버(1300)의 내측면을 통해 외부로 노출되도록 해당 부위에 개구부가 형성될 수 있다. 이때, 근거리무선통신용 접속단자(1510)는 두 개의 단자가 한 쌍을 이루도록 구성되며, 무선전력용 접속단자(1412)도 마찬가지로 두 개의 단자가 한 쌍을 이루도록 구성될 수 있다.

사용자 단말기의 본체 후면에는 이중모드 안테나(500)의 근거리무선통신용 접속단자(1510) 및 무선전력용 접속단자(1412)에 대향되는 위치에 근거리무선통신 모듈접속단자(1100) 및 무선전력용 모듈접속단자(1200)가 각각 형성될 수 있다. 따라서, 배터리 커버(1300)를 사용자 단말기 본체(1000)에 결합하면 근거리무선통신용 접속단자(1510)와 무선전력용 접속단자(1412)는 각각 근거리무선통신 모듈접속단자(1100)와 무선전력용 모듈접속단자(1200)에 접촉하여 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 근거리무선통신 모듈접속단자(1100) 또는 무선전력용 모듈접속단자(1200)는 C-클립 형상으로 형성되어 탄성에 의해 근거리무선통신용 접속단자(1510) 또는 무선전력용 접속단자(1412)와 접속 상태를 유지시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중모드 안테나에 대해서 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 14는 이중모드 안테나(500)의 정면을 도시한 정면도이며, 도 15는 이중모드 안테나(500)의 배면을 도시한 배면도이다.

도 14 및 도 15를 참조하면, 이중모드 안테나(500)는 절연시트(110)와, 절연시트(110)에 구비되어 데이터를 송수신하는 근거리무선통신 코일(510) 및 절연시트(110)에 구비되어 무선으로 전력을 송수신하며, 폭방향으로 서로 이격된 복수개의 패턴을 포함하는 분할패턴부를 적어도 일부의 영역에 구비하는 무선전력용 코일(530)을 구비할 수 있다.

절연시트(110) 및 무선전력용 코일(530)에 대해서는 전술한 실시예들과 설명이 매우 유사하므로 이하에서는 차이점을 중심으로 살펴보기로 한다.

절연시트(110)의 일면에는 근거리무선통신 코일(510)의 양단부가 연결되는 한 쌍의 근거리무선통신용 접속단자(1510)를 구비할 수 있다. 근거리무선통신용 접속단자(1510)는 근거리무선통신 코일(510)에 연결되어 근거리무선통신 모듈접속단자(1100)를 통해 입력된 신호를 외부로 전송하거나 또는 외부로부터 수신된 근거리무선통신 신호를 근거리무선통신모듈(300)로 전달할 수 있다.

근거리무선통신 코일(510)은 절연시트(110)의 상면 또는 하면에 형성될 수 있으며, 루프의 직경을 최대화하고 루프를 이루는 권선들의 횟수 및 권선간 커패시턴스를 감소시키기 위하여 절연시트(110)의 외측을 따라서 가능한 넓게 형성될 수 있다. 근거리무선통신 코일(510)의 일단은 근거리무선통신용 접속단자(1510) 중 하나에 연결되며, 근거리무선통신 코일(510)은 패턴이 내부로 회전하며 루프를 형성하며, 루프의 내부에서 근거리무선통신 코일(510)의 일단은 비아(1530)를 통해 루프 외부의 근거리무선통신용 접속단자(1510) 중 하나에 연결된다. 이때, 절연시트(110)의 하면에는 비아(1530) 사이를 연결하는 연결패턴(1520)을 구비할 수 있다.

한편, 무선전력용 코일(530)은 근거리무선통신 코일(510)이 형성하는 루프의 내측에 형성될 수 있다. 이 경우, 무선전력용 코일(530)의 루프 직경은 근거리무선통신 코일(510)에 비해 상대적으로 작으며, 따라서, 필요한 권선 수를 확보하기 위하여 무선전력용 코일(530)은 전술한 바와 같이 절연시트(110)의 상면 및 하면에 적층 구조로 형성될 수 있다.

이 경우, 무선전력용 코일(530)의 패턴은 근거리무선통신 코일(510)로 인해 전술한 실시예와 차이점을 가지게 된다. 즉, 본 실시예에서 무선전력용 코일(530)은 무선전력용 접속단자(1412)의 어느 하나와 연결되어 연장되는 제1 연장패턴(1440)을 구비한다. 제1 연장패턴(1440)은 근거리무선통신 코일(510)과의 분리를 위해 비아(1430) 등을 통해 하면의 제2 연장패턴(1450)과 연결된다. 제2 연장패턴(1450)은 소정거리 연장되어 다시 비아(1432) 등을 통해 상면의 제1 패턴부(1422)와 연결된다. 제1 패턴부(1422)가 내부로 수렴하는 루프 형상을 이루며, 통전부(1460)를 통하여 하면의 제2 패턴부(1424)와 연결되는 구성 및 제1 패턴부(1422)와 제2 패턴부(1424)가 분할패턴부를 구비하는 구성에 대해서는 전술한 실시예의 설명과 유사하므로 반복적인 설명은 생략한다.

한편, 절연시트(110)의 하면의 제2 패턴부(1424)는 무선전력용 접속단자(1412)를 향해 연장되어 근거리무선통신 코일(510)을 지나 비아(1470)를 통해 상면의 제3 연장패턴(1480)과 연결되어 무선전력용 접속단자(1412)의 하나와 연결된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

100...무선전력용 안테나 110...절연시트
120, 530...무선전력용 코일 112, 114, 1412...무선전력용 접속단자
300...근거리무선통신모듈 500...이중모드 안테나
510...근거리무선통신 코일 1510...근거리무선통신용 접속단자
1100...근거리무선통신 모듈접속단자
1200...무선전력용 모듈접속단자

Claims (9)

1. PCB(Printed Circuit Board) 또는 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)로 제작되는 절연시트;
   상기 절연시트의 일면에 형성되는 루프 형상의 근거리무선통신 코일 패턴; 및 상기 근거리무선통신 코일 패턴과 전기적으로 분리되어 상기 루프 형상의 근거리무선통신 코일 패턴 내측에 형성되는 무선전력용 코일 패턴을 포함하고,
   상기 근거리무선통신 코일 패턴의 양단에 각각 전기적으로 연결되고, 근거리무선통신 모듈접속단자에 접촉하여 전기적으로 연결되는 한 쌍의 근거리무선통신용 접속단자 및 상기 무선전력용 코일 패턴의 양단에 각각 전기적으로 연결되고, 무선전력용 모듈접속단자에 접촉하여 전기적으로 연결되는 한 쌍의 무선전력용 접속단자를 포함하며,
   상기 무선전력용 코일 패턴은 상기 절연시트의 양면에 각각 서로 대응되는 위치에 형성되고, 상기 양면에 각각 형성된 무선전력용 코일 패턴은 서로 동일한 방향으로 전류가 흐르는 루프를 형성하도록 비아를 통해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이중모드 안테나.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 한 쌍의 근거리무선통신용 접속단자 중 어느 하나가 비아를 통해 근거리무선통신 코일의 일단에 전기적으로 연결되고,
   상기 한 쌍의 무선전력용 접속단자와 상기 무선전력용 코일 패턴을 전기적으로 연결시키는 한 쌍의 연장패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중모드 안테나.
5. 제4항에 있어서,
   상기 한 쌍의 연장패턴은 상기 근거리무선통신 코일 패턴과 중첩되지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 이중모드 안테나.
6. 제5항에 있어서,
   상기 한 쌍의 연장패턴은 상기 근거리무선통신 코일 패턴과 상기 절연시트의 서로 다른 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 이중모드 안테나.
7. 제6항에 있어서,
   상기 비아는 상기 절연시트를 관통하는 두 개의 비아와 상기 두 개의 비아를 전기적으로 연결시키는 연결패턴을 구비하는 것을 특징으로 하는 이중모드 안테나.
8. 제7항에 있어서,
   상기 근거리무선통신용 접속단자 및 상기 무선전력용 접속단자는 각각 외부의 근거리무선통신 모듈 및 무선전력전송 모듈에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이중모드 안테나.
9. 제1항, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항의 이중모드 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 사용자 단말.

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