KR102190820B1 - 무선 충전 기판 및 무선 충전 장치 - Google Patents

무선 충전 기판 및 무선 충전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 충전 기판 및 무선 충전 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 무선 충전 기판은 차폐층; 상기 차폐층의 일면에 배치되는 코일 패턴; 및 상기 코일 패턴과 동일 평면 상에서, 상기 코일 패턴의 중심부의 공간에 배치되는 자성 패턴;을 포함한다.

Description

무선 충전 기판 및 무선 충전 장치{WIRELESS CHARGING BORAD AND WIRELESS CHARGING DEVICE}
본 발명의 실시예는 무선 충전 기판 및 무선 충전 장치에 관한 것이다.
WPC(Wireless Power Conversion)는 무선 충전 기술로서 근거리에서 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 배터리를 충전하는 비접촉식 충전 기술이다.
WPC의 송신 규격은 송신부에서 수신부로 일정한 신호를 주기적으로 보내어 수신부가 송신부에 위치하여 있는지를 감지하는 방식을 사용하며, WPC는 별도의 전기적 접촉 없이 자기 결합을 통해 배터리를 충전할 수 있어 다양한 분야의 배터리 충전에 적용이 가능하다.
한편, PMA(Power Matters Alliance) 방식의 송신 규격은 전력을 송신하는 송신부에 홀 센서(Hall Sensor)를 장착하여 수신부가 송신부에 위치하는 순간 감지하므로 대기 전력의 소모가 적은 특징이 있다.
이와 같은 WPC 방식 또는 PMA 방식에서는 1차 코일에서 발생한 교류 전력 에너지에 의해 자기장이 형성되어 안테나의 코일을 관통하여 전류가 유기되고, 안테나의 인덕턴스에 의해 전압이 발생한다. 이와 같이 발생한 전압은 데이터 전송을 위한 전력으로 사용되거나 배터리의 충전에 사용된다.
그러나, PMA 방식에서는 송신부의 홀 센서에서 수신부를 감지하려면, 송신부에 수신부가 위치해 있을 때와 위치하지 않을 때 일정 가우스(gauss) 이상의 차이 또는 일정 전압 이상의 전압 차이가 발생하여야 한다.
이와 같은 전압차는 수신부의 차폐제의 두께에 가장 큰 영향을 받으며, 전압차를 일정 전압 이상 형성하기 위해서는 차폐제의 두께를 두껍게 구성해야 하므로 재료 비용이 상승할 뿐만 아니라, 차폐제의 두께로 인하여 수신부를 휴대 단말에 내장하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 코일 패턴의 중심부의 공간에 자성 패턴을 포함하는 구성을 통해, 차폐층의 두께를 보다 얇게 구성하면서도 무선 충전 효율을 보다 향상시키고자 한다.
전술한 문제를 해결하기 위한 본 실시예에 따른 무선 충전 기판은 차폐층; 상기 차폐층의 일면에 배치되는 코일 패턴; 및 상기 코일 패턴과 동일 평면 상에서, 상기 코일 패턴의 중심부의 공간에 배치되는 자성 패턴;을 포함한다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 자성 패턴의 두께는 상기 코일 패턴의 두께 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 자성 패턴은 상기 차폐층의 일면의 면적에 비교하여 2% 내지 40% 이하의 면적일 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 자성 패턴은 10 내지 100000의 비투자율로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 자성 패턴은 0.4 테슬라(T) 내지 2.5 테슬라(T)의 자속 밀도로 구성될 수 있다.
철(Fe)계 무방향성 전기 강판, 철(Fe)계 방향성 전기 강판 또는 스테인리스 강판일 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 차폐층은 1 ㎛ 내지 600 ㎛의 두께로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 차폐층은 10 내지 1000의 비투자율로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 차폐층은 철(Fe)계 자성 물질을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 충전 장치는 상기와 같이 구성되는 무선 충전 기판을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면 코일 패턴의 중심부의 공간에 자성 패턴을 포함하는 구성을 통해, 차폐층의 두께를 보다 얇게 구성하면서도 무선 충전 효율을 보다 향상시킬 수 있으며, 무선 충전 장치의 차폐층의 두께를 증가시키지 않으므로, 무선 충전 기판 또는 무선 충전 장치를 휴대 단말에 내장시키기 위한 요건을 만족시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 기판의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 기판과 무선 충전 장치의 충전 효율의 향상을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 장치의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 기판의 상면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 장치 및 무선 충전 기판을 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 장치는 송신부(200) 및 수신부(100)로 구성될 수 있다.
송신부(200) 및 수신부(100)는 각각 코일 패턴(110, 210)을 포함하며, 송신부(200)의 코일 패턴(210)에 전력이 공급되어 교류 전류가 흐르면 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 수신부(100)의 코일 패턴(110)에도 교류 전류가 유도된다.
수신부(100) 측에서는 상기 유도된 교류 전류를 이용하여 배터리(미도시)에 충전이 이루어질 수 있다.
한편, 상기 송신부(200)는 송신 패드(pad)로 구성될 수 있으며, 수신부(100)는 무선 전력 송수신 기술이 적용되는 휴대 단말, 가정용/개인용 전자제품, 운송 수단 등의 일부 구성으로 구성될 수 있으며, 무선 전력 송수신 기술이 적용되는 휴대 단말, 가정용/개인용 전자제품, 운송 수단 등은 수신부(100)만을 포함하거나, 또 달리 송신부(200)와 수신부(100)를 모두 포함하도록 설정될 수 있다.
자성 패턴(115)은 수신부(100) 측에 포함되며, 상기 자성 패턴(115)이 포함됨에 따라서 송신부(200)의 홀 센서(230)에서 감지되는 전압차가 기준 전압 이상이 되도록 할 수 있다. 이때, 상기 홀 센서(230)에서 감지되는 전압차는 수신부(100)가 송신부(200) 상에 위치할 때와 위치하지 않을 때의 전압의 차이를 말한다.
상기 홀 센서(230)는 송신부(200) 측에 포함되며, 상기 송신부(200)의 차폐층(220)의 중심부로부터의 간격(w)이 1.5mm 이격될 수 있다. 이와 같이 홀 센서(230)를 차폐층(220)의 중심부와 가깝게 배치하여 송신부(200)의 중심부에서의 전압차를 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 송신부(200)는 하우징(250) 내에 차폐층(220) 및 코일 패턴(210)을 포함할 수 있다.
또한, 수신부(100)는 하우징(140)내에 수납되는 무선 충전 기판을 포함하며, 상기 무선 충전 기판은 코일 패턴(110) 및 차폐층(130)을 포함하고, 상기 코일 패턴(110)은 접착층(120)에 의해 상기 차폐층(130)에 부착될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 무선 충전 기판에는 자성 패턴(115)이 배치된다.
보다 상세하게 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이 차폐층(130)의 일면에는 코일 패턴(110)이 배치되고, 상기 자성 패턴(115)은 상기 코일 패턴(110)과 동일 평면 상에서, 상기 코일 패턴(110)의 중심부의 공간에 배치된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 자성 패턴(115)은 상기 차폐층(130)의 일면의 면적에 비교하여 2% 내지 40% 이하의 면적으로 구성될 수 있다. 상기 자성 패턴(115)이 차폐층(130)의 일면의 면적의 2% 이하의 면적으로 구성되는 경우에는 홀 센서(230)에서 감지되는 전압차가 기준 전압차인 120mV 이하로 감지되는 문제점이 발생할 수 있다.
이때, 상기 자성 패턴(115)이 차폐층(130)의 일면의 면적의 40%를 초과하는 경우에는 자성 패턴(115)이 지나치게 넓게 구성되므로 재료비 상승에 비하여 전압차의 상승이 미미하므로 비효율적이다.
또한, 상기 자성 패턴(115)의 두께는 상기 코일 패턴(110)의 두께 이하로 구성될 수 있으며, 이는 상기 자성 패턴(115)이 상기 코일 패턴(110)의 두께를 초과하는 경우에는 상기 자성 패턴(115)에 의해 상기 코일 패턴(110)이 하우징(140)으로부터 이격되어 안정성이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
한편, 상기 자성 패턴(115)은 10 내지 100000의 비투자율을 가지며, 상기 자성 패턴(115)의 비투자율은 차폐층(130)의 비투자율인 10 내지 1000 보다 크게 구성될 수 있으며, 또한 자성 패턴(115)은 0.4 테슬라(T) 내지 2.5 테슬라(T)의 자속 밀도를 갖도록 구성될 수 있다.
이와 같이 자성 패턴(115)의 비투자율을 차폐층(130)의 비투자율 보다 높게 구성하고 0.4 테슬라(T) 내지 2.5 테슬라(T)의 자속 밀도를 갖도록 함으로써 전압차를 보다 상승 시킬 수 있다.
또한, 상기 자성 패턴(115)은 포화 자화값이 높은 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 패턴(115)은 전기 강판 또는 스테인리스 강판을 사용하여 형성할 수 있다.
한편, 상기 자성 패턴(115)은 철(Fe)계 무방향성 전기 강판 또는 철(Fe)계 방향성 전기 강판으로 형성될 수 있으며, 상기 전기 강판이라 함은 철의 자화가 일어나기 쉬운 방향으로 결정배열을 조정하고 규소(Si)를 첨가해 철손의 감소를 억제한 연자성 재료를 말하며, 상기 자성 패턴(115)으로는 포화 자화값이 높은 재료인 스테인리스 강판을 사용할 수 있다.
한편, 상기 수신부(100)의 차폐층(130)은 철(Fe)계 자성 물질을 포함하고, 1 ㎛ 내지 600 ㎛의 두께로 구성될 수 있다.
상기와 같이 수신부(100)의 두께는 1 ㎛ 내지 600 ㎛로 구성함으로써 무선 충전 기판 또는 무선 충전 장치를 보다 용이하게 휴대 단말에 내장되도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 기판과 무선 충전 장치의 충전 효율의 향상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 기판과 무선 충전 장치의 충전 효율을 설명하기로 한다.
도 3의 그래프는 가로축이 자성 패턴의 폭(length)을 나타내며, 세로축이 전압차를 나타낸다.
이때, 상기 전압차라 함은 상기 홀 센서에서 감지되는 전압 값의 차이로서, 수신부가 송신부 상에 위치할 때와 위치하지 않을 때의 전압의 차이를 말한다. 즉, 상기 전압차가 클수록 충전 효율이 높음을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이 종래 기술의 홀 센서가 감지하는 전압차는 자성 패턴이 없는 경우 70 mV 미만으로 나타난다.
그러나, 본 발명의 홀 센서가 감지하는 전압차는 자성 패턴의 폭의 크기에 따라 점차로 증가함을 알 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 자성 패턴의 폭이 증가함에 따라 차폐층 상에서 차지하는 자성 패턴의 면적이 증가하여 전압차가 상승하며, 자성 패턴의 폭이 0.9 mm 이상으로 구성되면 홀 센서(230)에서 감지되는 전압차가 기준 전압인 120mV 이상이 됨을 알 수 있다.
예를 들어, 자성 패턴의 폭이 0.9 mm인 경우이거나 또는 자성 패턴이 차폐층 상에서 차지하는 면적이 2%인 경우에는 120mV의 전압차이가 발생하도록 구성될 수 있으며, 자성 패턴의 폭이 1.5 mm인 경우이거나 또는 자성 패턴이 차폐층 상에서 차지하는 면적이 8% 이상인 경우에는 200mV의 전압차이가 발생하도록 구성될 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 코일 패턴의 중심부의 공간에 자성 패턴을 포함하는 구성을 통해, 차폐층의 두께를 보다 얇게 구성하면서도 무선 충전 효율을 보다 향상시킬 수 있으며, 나아가 본 발명에 따르면 무선 충전 장치의 차폐층의 두께를 증가시키지 않으므로, 무선 충전 기판 또는 무선 충전 장치를 휴대 단말에 내장시키기 위한 요건을 만족시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 수신부
110: 코일 패턴
115: 자성 패턴
120: 접착층
130: 차폐층
140: 하우징
200: 송신부
210: 코일 패턴
220: 차폐층
230: 홀 센서

Claims (10)

  1. 차폐층;
    상기 차폐층의 일면에 배치되는 코일 패턴; 및
    상기 코일 패턴과 동일 평면 상에서, 상기 코일 패턴의 중심부의 공간에 배치되는 자성 패턴;
    을 포함하며
    상기 코일 패턴과 상기 자성 패턴은 상기 차폐층 일면에서 동일 평면상에 배치되며, 상기 코일 패턴이 상기 자성 패턴의 측면 둘레를 완전히 감싸도록 형성되는 무선 충전 기판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 자성 패턴의 두께는,
    상기 코일 패턴의 두께 이하인 무선 충전 기판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 자성 패턴은,
    상기 차폐층의 일면의 면적에 비교하여 2% 내지 40% 이하의 면적인 무선 충전 기판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 자성 패턴은,
    10 내지 100000의 비투자율인 무선 충전 기판.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 자성 패턴은,
    0.4 테슬라(T) 내지 2.5 테슬라(T)의 자속 밀도인 무선 충전 기판.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 자성 패턴은,
    철(Fe)계 무방향성 전기 강판, 철(Fe)계 방향성 전기 강판 또는 스테인리스 강판인 무선 충전 기판.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 차폐층은,
    1 ㎛ 내지 600 ㎛의 두께인 무선 충전 기판.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 차폐층은,
    10 내지 1000의 비투자율인 무선 충전 기판.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 차폐층은,
    철(Fe)계 자성 물질을 포함하는 무선 충전 기판.
  10. 청구항 1 내지 9 중에서 어느 한 항의 무선 충전 기판을 포함하는 무선 충전 장치.
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