KR102205046B1 - 로봇청소장치용 무선충전장치 - Google Patents

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Abstract

로봇청소장치용 무선충전장치가 개시된다. 로봇청소기의 무선충전장치는 충전대에 구비되며, 하프 브릿지 LLC 공진형 컨버터로 동작하거나, 풀 브릿지 LLC 공진형 컨버터로 동작하여 외부 전원을 자기 공진 방식으로 무선 송신하는 송신 모듈 및 로봇청소기에 구비되며 상기 송신 모듈로부터 무선 송신되는 전원을 무선 수신하여 배터리에 충전시키는 수신 모듈을 포함하여, 로봇청소기의 부하 조건에 따라 동작 모드를 선택하고, 동작 주파수를 제어하여 로봇청소기의 부하 조건에 맞추어 자유로운 충전이 가능하다.

Description

로봇청소장치용 무선충전장치{AN APPARATUS OF WIRELESS CHARGING FOR ROBOT CLEANER}
본 발명은 로봇청소기용 무선충전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부 전원을 무선 전송하여 배터리를 충전시키는 로봇청소기용 무선충전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 로봇청소장치는 사용자의 조작 없이 스스로 주행 및 청소를 수행하는 장치이며, 예컨대, 공개특허공보 제 2000-0001763 호(공개일 2000.01.15)에서와 같이 내장된 프로그램에 설정된 경로를 따라 주행하면서 청소 동작을 수행하고, 주행 방향에 장애물이 위치하면 장애물을 피해 임의의 방향으로 주행하며 청소를 계속하도록 한 것이며, 배터리의 충전전원을 통해 주행 및 청소 동작을 수행할 수 있도록 한 것이다.
이때, 종래의 로봇청소장치는 배터리에 충전된 전원이 모두 방전되기 이전에 충전장치로 복귀하여, 배터리에 대한 충전이 이루어지도록 구성한 것이다.
그러나, 종래 로봇청소장치의 전원 충전방식은 충전장치에 접속단자를 구성하는 한편, 이에 대응하여 로봇청소기에도 접속단자를 구성하게 되는데, 충전장치로의 로봇청소기에 대한 수용이 불량해지거나 또는 그 수용위치를 제대로 설정하지 못하면서 접속단자의 접속이 제대로 이루어지지 못할 경우, 배터리에 대한 전원 충전에 오류가 발생하면서, 로봇청소기의 사용이 어렵게 되는 문제점이 있었다.
본 발명의 일측면은 로봇청소기의 부하 조건에 따라 동작 모드를 선택하고, 동작 주파수를 제어하여 로봇청소기의 부하 조건에 맞추어 자유로운 충전이 가능한 로봇청소장치용 무선충전장치를 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 로봇청소장치용 무선충전장치는 충전대에 구비되며, 하프 브릿지 LLC 공진형 컨버터로 동작하거나, 풀 브릿지 LLC 공진형 컨버터로 동작하여 외부 전원을 자기 공진 방식으로 무선 송신하는 송신 모듈 및 로봇청소기에 구비되며, 상기 송신 모듈로부터 무선 송신되는 전원을 무선 수신하여 배터리에 충전시키는 수신 모듈을 포함한다.
한편, 상기 송신 모듈은, 상기 외부 전원과 연결되고, 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 풀브릿지 회로를 포함하며, 하프브릿지 LLC 공진형 컨버터로 동작하게 하는 제1 동작 모드에 따라 동작하거나, 풀브릿지 LLC 공진형 컨버터로 동작하게 하는 제2 동작 모드에 따라 동작하는 스위칭부, 복수의 인덕터 및 복수의 커패시터가 마련된 회로를 포함하며, 상기 스위칭부를 구성하는 풀브릿지 회로의 각 레그 사이에 마련되는 제1 임피던스 매칭부 및 코일(Coil)로 구성되고, 상기 스위칭부를 구성하는 풀브릿지 회로의 각 레그 사이에 마련되며, 상기 수신 모듈과 공진 결합되어 상기 스위칭부로부터 입력 전압을 전달 받아 상기 수신 모듈로 무선 전송하는 송신부를 포함하고, 상기 수신 모듈은, 코일(Coil)로 구성되고, 상기 송신부와 공진 결합되어 상기 송신부로부터 송신되는 전원을 무선 수신하는 수신부, 복수의 인덕터 및 복수의 커패시터가 마련된 회로를 포함하며, 상기 수신부의 일측에 연결되는 제2 임피던스 매칭부, 복수의 다이오드가 마련된 브릿지 회로를 포함하며, 상기 제2 임피던스 매칭부의 타측에 연결되는 정류부 및 상기 정류부와 상기 배터리 사이에 마련되어 상기 송신 모듈로부터 무선 송신되는 전원을 상기 배터리로 충전시키는 레귤레이터를 포함하며, 상기 송신 모듈은, 상기 배터리를 충전시키는 출력 전압의 가변 조건이 2 배인 제1 동작 모드 또는 출력 전압의 가변 조건이 4 배인 제2 동작 모드에 따라 동작하고, 그 동작 주파수를 상기 배터리의 부하 조건에 따라 설정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 접속단자의 접속이 없어도 로봇청소기의 충전이 가능하게 하여, 접속단자 간의 접속이 제대로 이루어지지 못하거나, 접속단자에 이물질 등이 달라 붙어 통전이 되지 않아 충전이 되지 않는 등의 문제를 방지할 수 있다.
아울러, 로봇청소기의 부하 조건에 따라 동작 모드를 선택하고, 동작 주파수를 제어하여 로봇청소기의 부하 조건에 맞는 전원 공급이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 로봇청소장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇청소장치용 무선충전장치에 포함되는 송신 모듈의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇청소장치용 무선충전장치에 포함되는 수신 모듈의 회로도이다.
도 4는 도 2에 도시된 송신 모듈의 제1 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 송신 모듈의 제2 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 송신 모듈에서의 동작 주파수 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 로봇청소장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 로봇청소장치는 로봇청소기(10) 및 충전대(20)를 포함할 수 있다.
로봇청소기(10)는 정해진 프로그램에 따라 자율 주행하여 바닥면의 각종 이물질을 흡입할 수 있다.
로봇청소기(10)는 자체적으로 구비되는 배터리에 의해 동작하며, 배터리의 방전량이 커질 경우에는 정해진 프로그램에 따라 충전대(20)로 수용되어 배터리를 충전할 수 있다.
여기에서, 본 발명에 따른 로봇청소장치는 로봇청소기(10)의 무선 충전이 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 충전대(20)에는 송신 모듈(30)이 구비되고, 로봇청소기(10)에슨 수신 모듈(40)이 구비될 수 있다.
송신 모듈(30)은 외부 전원을 자기 공진 방식으로 무선 송신할 수 있으며, 수신 모듈(40)은 송신 모듈(30)로부터 무선 송신되는 전원을 무선 수신하여 배터리에 충전시킬 수 있다. 이러한 송신 모듈(30) 및 수신 모듈(40)에 대한 구체적인 설명은 도 2 이하를 참조하여 후술한다.
본 발명에 따른 로봇청소장치는 로봇청소기(10) 및 충전대(20)에 각각 마련되는 접속단자의 접속이 없어도 충전이 가능하므로, 접속단자 간의 접속이 제대로 이루어지지 못하거나, 접속단자에 이물질 등이 달라 붙어 통전이 되지 않아 충전이 되지 않는 등의 문제를 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 로봇청소장치는 바닥면의 각종 이물질을 흡입하고, 이를 로봇청소기(10)에 탑재된 먼지통에 저장하는데, 이에 주기적으로 먼지통을 배출시켜줘야한다.
본 발명에 따른 로봇청소장치는 통신 기능이 구비되어, 사용자의 이동 단말로 먼지통 비움 알림을 송신할 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 로봇청소장치는 미리 설정되는 주기마다 사용자의 이동 단말로 먼지통 비움 알림을 송신할 수 있다. 또는, 본 발명에 따른 로봇청소장치는 먼지통에 구비되는 센서를 통해 먼지통의 현재 상태를 확인하고, 먼지통의 비움이 필요한 것으로 판단되는 경우, 사용자의 이동 단말로 먼지통 비움 알림을 송신할 수 있다. 또는, 본 발명에 따른 로봇청소장치는 가족 구성원 각각의 이동 단말을 가족 단위로 묶어 관리하며, 가족 구성원이 동일한 횟수로 먼지통을 비울 수 있도록 가족 구성원 각각의 이동 단말로 먼지통 비움 알림을 송신할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 로봇청소기(10) 및 충전대(20)는, 폴리프로필렌 수지 100 중량부에 대하여, 고밀도 폴리에틸렌 수지(HDPE) 110 ~ 130 중량부, 탈크(Talc) 170 ~ 190 중량부, 게르마늄 분말 1 ~ 10 중량부, 유리섬유 강화 플라스틱 15 ~ 25 중량부, 아교 2 ~ 7 중량부, 코르크 분말 5 ~ 10 중량부, 자당(C12H22O11) 분말 1 ~ 4 중량부, 배반 2 ~ 5 중량부 및 보헤마이트(Boehmite, AlO(OH)) 3 ~ 8 중량부를 포함하며 1.02 ~ 1.10의 비중을 갖는 플라스틱 조성물로 제작되며, 전면에 보호 시트가 부착된다.
일 실시예에서, 로봇청소기(10) 및 충전대(20)는, 표면에 폴리프로필렌 수지 100 중량부에 대하여, 고밀도 폴리에틸렌 수지(HDPE) 110 ~ 130 중량부, 탈크(Talc) 170 ~ 190 중량부, 게르마늄 분말 1 ~ 10 중량부, 유리섬유 강화 플라스틱 15 ~ 25 중량부, 아교 2 ~ 7 중량부, 코르크 분말 5 ~ 10 중량부, 자당(C12H22O11) 분말 1 ~ 4 중량부, 배반 2 ~ 5 중량부 및 보헤마이트(Boehmite, AlO(OH)) 3 ~ 8 중량부를 포함하며 1.02 ~ 1.10의 비중을 갖는 플라스틱 조성물로 제작될 수 있다.
여기서, 로봇청소기(10) 및 충전대(20)는, 기계적 물성 및 비틀림 현상을 개선시키고, 신체의 신진 대사를 촉진시키는 원적외선을 방사할 수 있도록 폴리프로필렌 수지 100 중량부에 대하여, 고밀도 폴리에틸렌 수지(HDPE) 110 ~ 130 중량부, 탈크(Talc) 170 ~ 190 중량부, 게르마늄 분말 1 ~ 10 중량부, 유리섬유 강화 플라스틱 15 ~ 25 중량부, 아교 2 ~ 7 중량부, 코르크 분말 5 ~ 10 중량부, 자당(C12H22O11) 분말 1 ~ 4 중량부, 배반 2 ~ 5 중량부 및 보헤마이트(Boehmite, AlO(OH)) 3 ~ 8 중량부를 포함하며 1.02 ~ 1.10의 비중을 갖는 플라스틱 조성물로 제작된다.
본 발명의 로봇청소기(10) 및 충전대(20)를 제작하기 위한 플라스틱 조성물은, 폴리프로필렌 수지, 고밀도 폴리에틸렌 수지(HDPE), 탈크 및 게르마늄 분말을 포함할 수 있다.
상술한 플라스틱 조성물에 의할 경우, 내열성, 내구성 등의 기계적 물성을 향상시킬 수 있고, 비틀림 현상을 개선할 수 있으며, 원적외선을 방사함으로써 신진 대사 촉진 및 제조된 플라스틱 용기에 보관된 식품의 저장 안정성을 향상시킬 수 있는 플라스틱 시트(제품)를 제조할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
폴리프로필렌(polypropylene) 수지는, 성능 대비 가격이 저렴하고, 식품이나 화장품 등의 내용물과의 접촉에도 위해성이 없는 환경친화적인 소재로 알려져 있는 것으로서, 프로필렌을 중합하여 얻는 열가소성 수지이고, 내약품성, 기계적 성질, 열적 성질이 우수하다.
폴리프로필렌은, 프로필렌 단독(호모) 중합체, 랜덤 공중합체 및 블록 공중합체 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있으나, 기계적 물성의 향상을 위하여 호모 중합체와 랜덤 공중합체를 3 : 2의 중량비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 수지는, 에틸렌을 중합하여 제조하는 합성수지로서, 높은 유동성과 강성, 내충격성, 전기절연성, 성형성, 내한성이 뛰어나다.
고밀도 폴리에틸렌 수지는, 전술한 폴리프로필렌 수지와 혼합하여 플라스틱 시트 또는 제품 제조 시 인장력을 강화하여 성형성을 개선할 수 있는 효과를 가질 수 있으며, 공지의 다양한 제품을 사용할 수 있다.
탈크는, 플라스틱 조성물의 강도, 내열성 등의 기계적 물성을 향상시키는 것으로서, 폴리프로필렌 수지 등과의 혼합성을 위하여 150 ~ 200 메시(mesh)의 입자 크기를 갖는 탈크 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 탈크는, 다른 충전재 성분과 혼합하여 사용하는 것도 가능하고, 바람직하게는, 돌로마이트 분말과 1 : 1의 중량비로 혼합하여 사용하여 플라스틱 조성물의 내구성 향상에 기여할 수도 있다.
게르마늄은, 은백색의 준금속으로, 인체에 유익한 원적외선과 음이온 등을 다량 방사하여 신진 대사를 촉진하는 효과를 가진다.
또한, 게르마늄은, 반도체적 성질로 인해 피부에 접촉하면 게르마늄 이온(외곽전자)이 체내에 들어가 생명력을 높이는 작용을 하며, 체내에 들어가면 각종 유해물질과 함께 20 ~ 30시간 안에 몸 밖으로 배출되므로 중독이나 부작용이 전혀 없다.
특히, 무기게르마늄의 입자가 사람의 피부와 접하게 되면 외곽전자의 침투압 활동으로 피부조직 속으로 반도체 성질이 들어간다. 피하조직 속의 모세혈관까지 침투한 게르마늄은 혈관벽을 통해서 혈관 속에 있는 전자를 이동시키며, 혈액정화작용을 하여 혈액을 정상화시키고, 과잉 전자 흐름을 방전시켜 통증을 면하게 한다는 사실이 밝혀졌다.
게르마늄은, 분말 형태로 사용할 수 있고, 게르마늄 원석을 3cm 이하로 잘게 절단한 후, 절단된 게르마늄 원석을 80 ~ 100 메쉬의 입도 크기로 분쇄하여 사용하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 플라스틱 조성물은, 폴리프로필렌 수지 100 중량부에 대해서, 고밀도 폴리에틸렌 수지 110 ~ 130 중량부, 탈크 170 ~ 190 중량부 및 게르마늄 분말 1 ~ 10 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
플라스틱 조성물을 이용하여 로봇청소기(10) 및 충전대(20)를 제작할 경우, 뒤틀림 현상 등을 배제하기 위하여 플라스틱 조성물의 비중을 조절하는 것이 중요한데, 비중은 1.02 ~ 1.10인 것이 바람직하고, 1.03 ~ 1.05인 것이 더욱 바람직한데, 즉, 폴리프로필렌 수지 100 중량부에 대해서, 고밀도 폴리에틸렌 수지가 110 중량부 미만이거나, 탈크가 170 중량부 미만이면, 내구성 등의 기계적 물성을 강화시키는 것이 제한되고, 폴리프로필렌 수지 100 중량부에 대해서 고밀도 폴리에틸렌 수지가 130 중량부를 초과하거나, 탈크가 190 중량부를 초과하면, 플라스틱 조성물의 비중이 늘어나 성형성이 불량해질 수 있는 우려가 있다.
또한, 폴리프로필렌 수지 100 중량부에 대해서, 게르마늄 분말이 1 중량부 미만이면, 게르마늄으로 인한 원적외선 방출 효과 등이 발현되기 힘들고, 10 중량부를 초과하면, 다른 성분과의 혼합성이 저해되어 성형성이 불량해질 수 있다.
일 실시예에서, 상술한 플라스틱 조성물은, 내충격성을 강화하기 위하여 유리섬유 강화 플라스틱을 더 포함할 수 있다.
유리섬유 강화 플라스틱(Fiberglass Reinforced Plastic, FRP)은, 유리계 광물질을 주원료로 하고, 유리계 광물질에 방향족 나일론 섬유 및 열경화성 수지를 결합한 물질이다.
유리계 광물질은, 규사, 석회석, 장석 및 소다회로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
열경화성 수지는, 공지의 다양한 열경화성 수지를 사용할 수 있고, 바람직하게는, 폴리에스터, 에폭시 수지를 사용할 수 있다.
유리섬유 강화 플라스틱은, 유리계 광물질 등의 재료를 혼합하여 용융로에 넣어 제조할 수 있고, 유리섬유 사이에 밀봉된 각각의 공기층이 단열층으로 작용하여 불연성, 흡음성, 시공성이 우수하다.
또한, 철보다 강하고, 알루미늄보다 가벼우며, 녹슬지 않는다는 장점이 있으며, 불연성이 우수하여 열에 변형되지 않고, 가공하기 용이하다.
이때, 유리섬유 강화 플라스틱(펠렛 형태)과 PVC 등과의 혼합성을 향상시키기 위하여 아교를 첨가하는 것이 바람직하다.
아교는, 동물의 가죽, 창자, 뼈 등을 고아 그 액체를 고형화한 물질로서, 각 성분의 결합력을 향상시키면서도 환경 호르몬 배출 등의 문제를 해소할 수 있다.
유리섬유 강화 플라스틱 및 아교는, 폴리프로필렌 수지 100 중량부에 대해서, 각각 15 ~ 25 중량부 및 2 ~ 7 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 해당 범위보다 적을 경우, 내충격성 강화 및 배합성이 떨어질 수 있고, 해당 범위를 넘어서는 경우, 제품 생산 시 깨짐 현상이 발생할 수 있고, 비경제적이다.
일 실시예에서, 플라스틱 조성물을 이용하여 로봇청소기(10) 및 충전대(20)을 제작 시 탄성력을 향상시키기 위하여 코르크 분말을 더 포함할 수도 있다.
코르크 분말은, 굴참나무의 껍데기를 제거한 후, 분쇄하여 준비할 수 있다. 코르크 분말은 폴리프로필렌 수지 등과의 혼합성을 위하여 400 메쉬(mesh) 이상의 망으로 거른 미분쇄 입자를 사용하는 것이 바람직하다.
코르크 분말은, 폴리프로필렌 수지 100 중량부에 대해서, 5 ~ 10 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 코르크 분말이 5 중량부 미만인 경우, 탄성도의 향상 정도가 미미하고, 10 중량부를 초과하는 경우, 제품 제조 시 내부에 형성된 공극이 커져 내구성이 약화될 수 있다.
또한, 코르크 분말과 타 성분과의 혼합성을 개선하기 위하여 자당(C12H22O11) 분말을 더 포함할 수 있다.
자당은, 코르크 분말 사이에 형성된 공극을 매끄럽게 할 뿐만 아니라, PVC 등과의 혼합 과정에서 점성이 생겨 이취 문제를 발생시키는 분자를 잡을 수도 있어 이취 문제 해결에도 기여할 수 있다.
자당은, 500 메쉬(mesh) 망으로 거른 분말을 사용하는 것이 바람직하고, 폴리프로필렌 수지 100 중량부에 대해서 1 ~ 4 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 자당이 1 중량부 미만인 경우, 자당에 의해 발현되는 효과가 미미하고, 4 중량부를 초과하는 경우, 비경제적일 뿐만 아니라 제품의 기계적 물성을 약화시킬 우려가 있다.
일 실시예에서, 플라스틱 조성물은, 백반 분말을 더 포함할 수 있다. 백반은 칼륨 백반(황산알루미늄칼륨, AlK(SO4)2·12H2O)을 사용할 수 있고, 천연의 명반석으로부터 얻을 수 있다.
구체적으로, 명반석을 물에 풀어서 거른 다음 끊이고, 식힌 후 불규칙한 모양의 결정이 생기면, 이를 건조함으로써 제조할 수 있다. 백반은 폴리프로필렌 수지 100 중량부에 대해서 2 ~ 5 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 백반의 함량이 2 중량부 미만인 경우, 백반에 의한 효과가 미미하고, 5 중량부를 초과하는 경우 비경제적이다.
일 실시예에서, 본 발명에 의한 플라스틱 조성물은 항균성을 향상시키기 위하여 보헤마이트(Boehmite, AlO(OH))를 더 포함할 수 있다.
보헤마이트는 γ-보헤마이트, α-보헤마이트 및 유사 보헤마이트(Pseudo-Boehmite)를 모두 사용할 수 있는데, 그 중에서도, 결정성이 뛰어나서 열 안정성 및 화학적 안정성이 뛰어나고, 구조적으로 중성이며, 항균 특성이 뛰어난 γ-보헤마이트를 사용하는 것이 바람직하다.
γ-보헤마이트는, 물(순수)과 알루미늄(Al)만의 초임계 합성법으로 제조할 수 있다. 보헤마이트는 폴리프로필렌 수지 100 중량부에 대해서 3 ~ 8 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 보헤마이트의 함량이 3 중량부 미만이면 달성하고자 하는 항균 효과를 발현시키기 힘들고, 8 중량부를 초과하면 타 성분과의 혼합성이 저해될 우려가 있다.
이하, 구체적인 실시예와 비교예를 통하여 본 발명에 의한 플라스틱 조성물의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
폴리프로필렌 수지 180kg, 고밀도 폴리에틸렌 수지(HDPE) 200kg, 탈크 310kg, 게르마늄 분말 15kg을 혼합하여 플라스틱 조성물을 제조하였고, 이를 실시예 1로 하였다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일하게 제조하되, 유리섬유 강화 플라스틱 36kg, 아교 9kg을 더 혼합하여 플라스틱 조성물을 제조하였고, 이를 실시예 2로 하였다.
[실시예 3]
실시예 2와 동일하게 제조하되, 코르크 분말 9kg, 자당 분말 5kg, 백반 분말 5kg, γ-보헤마이트 9kg을 더 혼합하여 플라스틱 조성물을 제조하였고, 이를 실시예 3으로 하였다.
[비교예 1]
탈크만 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였고, 이를 비교예 1로 하였다.
[실험예 1 : 내충격성 평가]
실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1의 플라스틱 조성물을 이용하여 시편(20cm * 30cm, 두께 20mm)을 제조하였고, 3kg의 추를 2m 높이에서 떨어뜨린 후, 각 시편의 파손 정도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Figure 112018093723412-pat00001
상기 표 1을 통해 알 수 있듯이, 탈크를 포함하지 않은 비교예 1에 비해 탈크를 포함하는 실시예들은 내충격성이 우수하다는 것을 알 수 있었다. 특히, 유리섬유 강화 플라스틱을 함유하는 실시예 2 및 3의 경우, 가장 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
[실험예 2 : 내열성 평가]
실험예 1의 시편을 80℃로 유지되는 열풍 순환식 가열로에서 3시간 가열한 후 황변도를 육안으로 관찰하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
Figure 112018093723412-pat00002
상기 표 2를 통해 알 수 있듯이, 실시예 1 내지 실시예 3은 비교예 1과 달리 황변되는 부분이 거의 관찰되지 않았다. 이를 통해 실시예의 내열성이 비교예 1에 비해 매우 우수하다는 것을 알 수 있었다.
[실험예 3 : 항균성 평가]
실시예 1, 실시예 3 및 비교예 1에 대해 항균력 테스트(JIS Z 2801)를 실시하였다. 시험균주는 Aspergillus niger ATCC 9642(곰팡이)를 사용하였고, 항균력(항균 활성치)을 평가하여 하기 표 3에 기재하였다.
Figure 112018093723412-pat00003
항균 활성치란 일정시간 동안 배양된 균주의 수를 비교하여 항균정도를 평가한 값으로서, 그 값이 1 이상이면 90% 이상의 균주가, 2 이상이면 99% 이상의 균주가, 3 이상이면 99.9% 이상의 균주가, 4 이상이면 99.99% 이상의 균주가, 5 이상이면 99.999% 이상의 균주가 사멸되어 항균 효과가 있는 것으로 본다.
상기 표 3를 통해 알 수 있듯이, γ-보헤마이트를 포함하는 실시예 3의 경우, 다른 케이스보다 항균성이 매우 우수하다는 것을 예측할 수 있었다.
보호 시트는, 로봇청소기(10) 및 충전대(20)와 동일한 재질로 형성되며, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 수지 30 ~ 90 중량부에 대하여, 폴리비닐알콜(PVA) 1 ~ 30 중량부, 물 10 ~ 30 중량부, 탄산칼슘 5 ~ 30 중량부, 계면활성제 0.1 ~ 1 중량부, 요변성 부여제 1 ~ 20 중량부, 소듐 실리케이트 3 ~ 7 중량부, 이황화 몰리브덴(MoS2) 1 ~ 5 중량부, 수산화알루미늄 5 ~ 10 중량부 및 용매인 물 10 ~ 30 중량부를 포함하는 주제와, 톨루엔-디이소시아테이트(toluen-diisocyanate, TDI), 수소화 TDI, 트리메틸 프로판-TDI(trimethyl propane-TDI), 트리페닐메탄-트리이소시아네이트(tripehnylmethane-triisocyanate, TTI), 디페닐메탄-4,4-디이소시아네이트(dipehenylmethane-4,4-diisocianate, MDI), 수소화 MDI, 및 헥산메틸렌-디이소시아네이트(hexamethylene-diisocyanate, HDI) 중 적어도 하나의 성분을 포함하는 이소시아네이트 화합물로 이루어지며, 주제 100 중량부에 대해서 1 ~ 20 중량부로 포함되는 경화제로 이루어진 접착제 조성물에 의해 로봇청소기(10) 및 충전대(20)의 전면에 부착되어 로봇청소기(10) 및 충전대(20)의 마모를 방지한다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 플라스틱 조성물에 의해 제작된 로봇청소기(10) 및 충전대(20)와 동일한 재질로 제작되는 보호 시트는, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 수지 30 ~ 90 중량부에 대하여, 폴리비닐알콜(PVA) 1 ~ 30 중량부, 물 10 ~ 30 중량부, 탄산칼슘 5 ~ 30 중량부, 계면활성제 0.1 ~ 1 중량부, 요변성 부여제 1 ~ 20 중량부, 소듐 실리케이트 3 ~ 7 중량부, 이황화 몰리브덴(MoS2) 1 ~ 5 중량부, 수산화알루미늄 5 ~ 10 중량부 및 용매인 물 10 ~ 30 중량부를 포함하는 주제와, 톨루엔-디이소시아테이트(toluen-diisocyanate, TDI), 수소화 TDI, 트리메틸 프로판-TDI(trimethyl propane-TDI), 트리페닐메탄-트리이소시아네이트(tripehnylmethane-triisocyanate, TTI), 디페닐메탄-4,4-디이소시아네이트(dipehenylmethane-4,4-diisocianate, MDI), 수소화 MDI, 및 헥산메틸렌-디이소시아네이트(hexamethylene-diisocyanate, HDI) 중 적어도 하나의 성분을 포함하는 이소시아네이트 화합물로 이루어지며, 주제 100 중량부에 대해서 1 ~ 20 중량부로 포함되는 경화제로 이루어진 접착제 조성물에 의해 로봇청소기(10) 및 충전대(20)에 부착될 수 있다.
일 실시예에서, 보호 시트의 부착에 사용되는 접착제 조성물은, 주제 및 경화제를 포함하는 접착제 조성물로서, 주제는, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 수지 30~90 중량부, 폴리비닐알콜(PVA) 1~30 중량부, 물 10~30 중량부, 탄산칼슘 5~30 중량부, 계면활성제 0.1~1 중량부 및 요변성 부여제 1~20 중량부를 포함하고, 경화제는, 이소시아네이트 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 접착제 조성물은, 주제와 경화제로 이루어진 수용성 2액형 접착제 조성물로서, 이를 도포 및 경화하여 접착시트 또는 접착제를 제조할 수 있으며, 환경을 오염시키지 않으면서도, 접착성, 내열성 등 물리적 특성이 우수하여 합판과 같은 목질 보드나 마그네슘 보드와 같은 무기질 보드, PVC 등의 여러가지 플라스틱 재질의 시트에 사용될 수 있다.
주제는, 기본적으로 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 수지, 폴리비닐알콜(PVA), 물, 탄산칼슘, 계면활성제 및 요변성 부여제를 포함하는데, 에틸렌 비닐 아세테이트 수지는 주제의 주성분으로서, 응집력이 강하여 제조되는 접착시트 또는 접착제의 강도를 일정하게 유지시킬 수 있다.
종래에는 에폭시 수지를 접착시트 또는 접착제의 주성분으로 사용하였는데, 에폭시 수지를 사용하는 접착시트 또는 접착제의 경우 벤젠 톨루엔과 같은 휘발성 유기 화합물을 방출하여 환경 및 인체에 유해한 영향을 미쳤다.
그러나, 본 발명의 접착제 조성물은, 에폭시 수지를 배제함으로써 환경문제 등의 문제점을 해결할 수 있게 되었다.
폴리비닐알콜(PVA)은, 제조되는 접착시트 또는 접착제의 내열성과 내수성 및 접착성을 향상시키는 역할을 한다.
폴리비닐알콜은, 에틸렌 비닐 아세테이트 수지 30~90 중량부에 대해서, 1 ~ 30 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 폴리비닐알콜이 1 중량부 미만인 경우, 내열성 등을 향상시키기 힘들고, 30 중량부를 초과하는 경우, 에틸렌 비닐 아세테이트의 상대적인 함량이 줄어들어 접착시트 또는 접착제의 응집력이 약화될 수 있다.
또한, 본 발명은, 온돌 마루 등에 사용될 때, 폴리비닐알콜의 기능성을 보완하기 위하여 폴리비닐알콜과 함께 산화안티몬 및 산화지르코늄을 사용할 수도 있다.
산화안티몬 및 산화지르코늄은, 제조되는 접착시트 또는 접착제의 내열성을 증진시킬 수 있는 것으로서, 에틸렌 비닐 아세테이트 수지 30 ~ 90 중량부에 대해서 각각 5 ~ 10 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 상기 범위 미만에서는 내열성 증진 효과가 미미하고, 상기 범위를 넘어서는 경우 비경제적이다.
물은 주제의 용매로 사용될 수 있다.
본 발명은, 종래의 접착시트 또는 접착제와 달리 휘발성 유기용제를 사용하지 않아 환경오염 문제를 해결할 수 있는 효과를 가진다.
물은, 에틸렌 비닐 아세테이트 수지 30~90 중량부에 대해서, 10 ~ 30 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 물이 10 중량부 미만이면, 에틸렌 비닐 아세테이트 수지 등을 효과적으로 용해시킬 수 없고, 30 중량부를 초과하는 경우, 너무 묽어져서 접착시트 또는 접착제의 강도가 낮아질 수 있다.
탄산칼슘은, 접착제 조성물의 점도를 조절하고, 경화 시 수축 현상을 감소시킨다.
탄산칼슘은, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 수지 30~90 중량부에 대해서, 5 ~ 30 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 탄산칼슘이 5 중량부 미만인 경우, 경화 시 충분한 수축이 일어나지 않아 접착시트 또는 접착제의 경도가 불량해질 수 있고, 30 중량부를 초과하는 경우, 점도가 너무 빡빡하여 생산성이 저하될 수 있다.
또한, 본 발명은, 탄산칼슘을 대체하여 경탄류, 클레이류의 여러가지 물질을 사용할 수도 있으며, 일 예로, 돌로마이트 및/또는 활석(Talc)을 사용할 수 있다.
이때, 기계적 물성을 향상시키기 위하여 돌로마이트 및 활석을 1 : 1의 중량비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 또한, 분말은 150 ~ 200 메시(mesh)의 입자 크기를 갖는 것이 바람직한데, 150 ~ 200 메시의 입자크기를 갖도록 미분쇄된 분말을 사용하게 되면, 에틸렌 비닐 아세테이트 수지 등의 다른 성분과 혼합성이 향상될 수 있다.
계면활성제는, 접착제 조성물의 혼합시 표면장력을 줄이고, 도포성을 향상시키기 위하여 사용된다.
계면활성제는, 에틸렌 비닐 아세테이트 수지 30 ~ 90 중량부에 대해서, 0.1 ~ 1 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
계면활성제는, 공지의 비이온계 계면활성제, 음이온계 계면활성제를 사용할 수 있으나, 표면장력을 효과적으로 줄이기 위하여 탄소 원자 8 ~ 14개의 알킬 사슬을 포함하는 제미니형 음인온계 계면활성제를 사용하는 것이 바람직하다.
요변성 부여제는, 접착제 조성물이 도포되어 접착시트 또는 접착제가 될 때, 주제와 경화제의 분리 현상을 억제하여 접착제 조성물이 흘러내리지 않도록 하는 것으로서, 실리카류, 아크릴 코폴리머 등의 여러가지 공지의 다양한 물질을 사용할 수 있으나, 클레이(clay)를 사용하는 것이 바람직하다.
클레이는, 가느다란 함수 규산염 광물의 집합체로서, 적당량의 물을 섞어 반죽하면 가소성이 생기고, 건조시키면 강성을 나타내며, 높은 온도에서 구우면 소결하는 물질을 말한다.
구체적으로, 해포석, 흄드 실리카 및 벤토나이트로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나의 분말을 사용할 수 있으나, 가장 좋은 효과를 얻기 위해서는 흄드 실리카와 벤토나이트가 1 : 1의 중량비로 혼합된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
요변성 부여제는, 에틸렌 비닐 아세테이트 수지 30 ~ 90 중량부에 대해서, 1 ~ 20 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 요변성 부여제가 1 중량부 미만이면, 흐름성을 충분히 제어할 수 없고, 20 중량부를 초과하면, 흐름성이 너무 사라져서 생산성이 저하될 수 있다.
또한, 주제는, 제조되는 접착시트 또는 접착제의 접착력을 향상시키기 위하여 소듐실리케이트를 더 포함할 수도 있다.
소듐 실리케이트(sodium silicate)는, 기존의 접착제와는 달리 공해를 유발시키지 않아 환경 친화적이며, 접착력이 우수하다.
소듐 실리케이트는, 고형분 기준으로 에틸렌 비닐 아세테이트 수지 30 ~ 90 중량부에 대해서, 3 ~ 7 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 소듐 실리케에트가 3 중량부 미만인 경우, 접착 성능의 향상 정도가 미미하고, 7 중량부를 초과할 경우, 다른 성분과의 혼합성이 떨어질 수 있다.
또한, 주제는, 제조되는 접착시트 또는 접착제의 내마모성을 향상시키기 위하여 이황화 몰리브덴을 더 포함할 수도 있다.
이황화 몰리브덴(MoS2)은, 화강암 속에 함유되어 얇은 광맥으로 발견되어 채굴하는 재료로서, 윤활성분으로 사용된다.
이황화 몰리브덴(MoS2)은, 그래파이트(graphite)와 같이 전단이 발생하기 쉬운 형태의 육각형의 결정 구조의 고유한 특성을 가지나, 윤활 작용은 그래파이트보다 우수하다.
이황화 몰리브덴은, 고형분 기준으로 에틸렌 비닐 아세테이트 수지 30 ~ 90 중량부에 대해서, 1 ~ 5 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 이황화 몰리브덴이 1 중량부 미만인 경우, 내마모성을 효과적으로 향상시킬 수 없고, 5 중량부를 초과할 경우, 오히려 접착력을 떨어뜨릴 수 있다.
이때, 이황화 몰리브덴과 함께 구리 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다.
또한, 주제는, 제조되는 접착시트 또는 접착제의 난연성을 향상시키기 위하여 난연제를 더 포함할 수도 있다.
난연제는, 에틸렌 비닐 아세테이트 수지 100 중량부에 대해서, 1 ~ 5 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 난연제가 1 중량부 미만인 경우, 난연성의 향상 정도가 미미하고, 5 중량부를 초과하는 경우, 비경제적일 뿐만 아니라 타 성분과의 혼합성이 떨어질 우려가 있다.
난연제는, 백반 분말을 사용할 수 있는데, 백반은 칼륨 백반(황산알루미늄칼륨, AlK(SO4)2·12H2O)을 사용할 수 있고, 천연의 명반석으로부터 얻을 수 있다.
구체적으로, 명반석을 물에 풀어서 거른 다음 끊이고, 식힌 후 불규칙한 모양의 결정이 생기면, 이를 건조함으로써 제조할 수 있다.
또한, 주제는, 제조되는 접착시트 또는 접착제의 항균성을 향상시키기 위하여 수산화알루미늄을 더 포함할 수도 있다.
수산화알루미늄은, 보헤마이트(Boehmite, AlO(OH))를 사용하는 것이 바람직하다.
보헤마이트는 γ-보헤마이트, α-보헤마이트 및 유사 보헤마이트(Pseudo-Boehmite)를 모두 사용할 수 있는데, 그 중에서도, 결정성이 뛰어나서 열 안정성 및 화학적 안정성이 뛰어나고, 구조적으로 중성이며, 항균 특성이 뛰어난 γ-보헤마이트를 사용하는 것이 바람직하다.
γ-보헤마이트는, 물(순수)과 알루미늄(Al)만의 초임계 합성법으로 제조할 수 있다.
수산화알루미늄은, 에틸렌 비닐 아세테이트 30 ~ 90 중량부에 대해서, 5 ~ 10 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 수산화알루미늄의 함량이 5 중량부 미만이면 달성하고자 하는 항균 효과를 발현시키기 힘들고, 10 중량부를 초과하면 타 성분과의 혼합성이 저해될 우려가 있다.
경화제는, 이소시아네이트 화합물을 포함하는 것을 사용할 수 있다.
이소시아네이트 화합물은, 물에 대한 우수한 용해성으로 경화제가 주제에 균일하게 혼합되어 적당한 점도와 경도를 유지함으로써 경화시간을 단축할 수 있으며, 주제와 경화제 혼합시 가사시간(pot life)을 연장시켜 작업성을 현저히 향상시키는 작용을 한다.
이소시아네이트 화합물은, 1 분자 중에 2 개 이상의 이소시아네이트기를 함유하는 화합물인 것이 좋으며, 특히 톨루엔-디이소시아테이트(toluen-diisocyanate, TDI), 수소화 TDI, 트리메틸 프로판-TDI(trimethyl propane-TDI), 트리페닐메탄-트리이소시아네이트(tripehnylmethane-triisocyanate, TTI), 디페닐메탄-4,4-디이소시아네이트(dipehenylmethane-4,4-diisocianate, MDI), 수소화 MDI, 또는 헥산메틸렌-디이소시아네이트(hexamethylene-diisocyanate, HDI) 등을 사용하는 것이 바람직하며, 경화제는 주제 100 중량부에 대해서, 1~20 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
상술한 접착제 조성물은, 주제와 경화제를 혼합하여 수용성 2액형 접착제 조성물을 제조한 후, 작업 현장에 도포 및 경화시켜 제조되는 것으로서, 필요에 따라 상기 구성 성분의 일부를 제외하거나 상기 구성 성분 모두가 사용될 수 있으며, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 범위 내에서 분산제, 소포제, 방부제, 증점제 등을 더 포함할 수도 있고, 제조되는 접착시트 또는 접착제의 다양한 색상을 구현하기 위하여 색소 성분을 더 포함할 수도 있다.
이하, 구체적인 실시예와 비교예를 통하여 본 발명에 따른 접착제 조성물의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 4]
에틸렌 비닐 아세테이트 80 중량부, 폴리비닐알콜 20 중량부, 물 25 중량부, 탄산칼슘 10 중량부, 계면활성제 1 중량부, 요변성 부여제 5 중량부로 혼합하여 주제를 제조하고, 톨루엔-디이소시아테이트(toluen-diisocyanate, TDI)를 포함하는 경화제 25 중량부를 혼합한 후, 도포 및 경화하여 접착시트 또는 접착제를 제조하였고, 이를 실시예 4로 하였다.
이때, 계면활성제는 탄소수 8개의 제미니 계면활성제를 사용하였다. 계면활성제의 전체적인 합성과정은 다이아민과 1-브로모알케인의 반응에서 시작하였다. N,N,N',N'-테트라메틸-1,3-다이아미노프로페인(N,N,N',N'-tetramethyl-1,3-diaminopropane) 0.1 mole과 1-브로모옥테인(1-bromooctane) 0.2 mole을 아세토나이트릴(acetonitrile) 300g에 넣고 30분간 교반시켜 주었고, 이 용액을 12 시간 동안 353K에서 환류시킨 뒤, 회전농축기(rotary evaporator)를 이용해 아세토나이트릴 용매를 제거하였다. 이를 통해 얻어진 생성물에 500g의 다이에틸 에테르(Diethylether)를 추가하여 생성물을 재결정화 시켰다. 이를 거른 후 다이에틸 에테르 500g으로 씻어주며 반응하지 않은 불순물을 제거하였다.
상기 과정을 거친 생성물을 323K의 진공 오븐에서 12 시간 동안 처리하여 잔여 용매를 제거함으로써 제미니 계면활성제를 제조하였다.
[실시예 5]
주제에 산화아티몬 5 중량부 및 산화지르코늄 5 중량부를 분말 형태로 더 첨가한 것만 제외하고, 실시예 4와 동일하게 제조하였고, 이를 실시예 5로 하였다.
[실시예 6]
주제에 소듐실리케이트 5 중량부, 이황화 몰리브덴 3 중량부, 백반 3 중량부, γ-보헤마이트 8 중량부를 분말 형태로 더 첨가한 것만 제외하고, 실시예 5와 동일하게 제조하였고, 이를 실시예 6으로 하였다.
[비교예 2]
종래의 에폭시 온돌마루 접착제(SEP-4300, 삼창기연㈜)를 비교예 2로 하였다.
[실험예 4 : 접착력 테스트]
실시예 및 비교예 2에 대하여 접착력 테스트(KS F 4715)를 진행하였고, 그 결과를 하기 표 4에 정리하였다.
Figure 112018093723412-pat00004
LH 공사의 접착강도는 0.8 N/㎟ 이상이 합격 기준으로, 실시예 4 내지 실시예 6 및 비교예 2는 모두 합격 기준을 만족하였다. 그러나, 실시예 4 내지 실시예 6의 접착강도가 비교예 2에 비해 보다 우수하다는 것을 알 수 있었다.
[실험예 5 : 내열성 평가]
실시예 4 내지 실시예 6 및 비교예 2의 접착시트 또는 접착제를 80℃로 유지되는 열풍 순환식 가열로에서 8시간 가열한 후 황변도를 육안으로 관찰하였고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
Figure 112018093723412-pat00005
상기 표 5를 통해 알 수 있듯이, 실시예 4 내지 실시예 6은 비교예 2와 달리 황변되는 부분이 거의 관찰되지 않았다. 이를 통해 실시예의 내열성이 비교예 2에 비해 매우 우수하다는 것을 알 수 있었다.
[실험예 6: 항균성 평가]
실시예 6 및 비교예 2의 접착제 조성물에 대해 항균력 테스트(JIS Z 2801)를 실시하였다. 시험균주는 Aspergillus niger ATCC 9642(곰팡이)를 사용하였고, 항균력(항균 활성치)을 평가하여 하기 표 6에 기재하였다.
Figure 112018093723412-pat00006
항균 활성치란 일정시간 동안 배양된 균주의 수를 비교하여 항균 정도를 평가한 값으로서, 그 값이 1 이상이면 90% 이상의 균주가, 2 이상이면 99% 이상의 균주가, 3 이상이면 99.9% 이상의 균주가, 4 이상이면 99.99% 이상의 균주가, 5 이상이면 99.999% 이상의 균주가 사멸되어 항균 효과가 있는 것으로 본다.
상기 표 6을 통해 알 수 있듯이, γ-보헤마이트를 포함하는 실시예 6의 경우, 비교예 2에 비해 항균성이 매우 우수하다는 것을 알 수 있었다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇청소장치용 무선충전장치에 포함되는 송신 모듈의 회로도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇청소장치용 무선충전장치에 포함되는 수신 모듈의 회로도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇청소장치용 무선충전장치는 송신 모듈(30) 및 수신 모듈(40)을 포함할 수 있다. 송신 모듈(30)은 도 1에 도시된 바와 같이 충전대(20)에 구비될 수 있다. 수신 모듈(40)은 도 1에 도시된 바와 같이 로봇청소기(10)에 구비될 수 있다. 송신 모듈(30)은 자기 공진 방식으로 외부 전원을 무선 송신할 수 있다. 수신 모듈(40)은 송신 모듈(30)로부터 무선 송신되는 전원을 무선 수신하여 로봇청소기(10)의 배터리를 충전시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 송신 모듈(30)은 스위칭부(31), 제1 임피던스 매칭부(33) 및 송신부(35)를 포함할 수 있다. 송신 모듈(30)은 6.78MHz의 ISM 밴드 대역의 주파수를 사용하여 자기 공진 방식으로 외부 전원을 수신 모듈(40)로 무선 송신할 수 있다.
구체적으로는, 스위칭부(31)는 제1 스위치(Q1_a) 내지 제4 스위치(Q2_b)가 마련된 풀브릿지 회로를 포함하여 구성될 수 있다.
풀브릿지 회로는 외부 전원과 연결되며, 제1 스위치(Q1_a) 내지 제4 스위치(Q2_b)의 턴온 또는 턴오프 동작에 따라 외부 전원으로부터 입력 전압(VIN)을 공급 받아 송신부(35)로 전달할 수 있다.
풀브릿지 회로는 병렬로 연결된 제1 레그 및 제2 레그를 포함할 수 있다. 제1 레그 상에 제1 스위치(Q1_a) 및 제2 스위치(Q2_a)가 마련되고, 제2 레그 상에 제3 스위치(Q1_b) 및 제4 스위치(Q2_b)가 마련될 수 있다. 이때, 제1 스위치(Q1_a) 내지 제4 스위치(Q2_b)는 일예로, MOSFET 스위치일 수 있으며, 각각 바디 다이오드 및 기생 커패시터가 병렬로 연결되어 부가될 수 있다.
또한, 제1 레그에서 제1 스위치(Q1_a) 및 제2 스위치(Q2_a) 사이의 제1 접점과 제2 레그에서 제3 스위치(Q1_b) 및 제4 스위치(Q2_b) 사이의 제2 접점을 연결하는 입력 전압선 상에는 후술하는 제1 임피던스 매칭부(33)가 마련될 수 있다.
이와 같은 스위칭부(31)는 복수의 동작 모드에 따라 동작할 수 있다. 본 실시예에서 스위칭부(31)는 송신 모듈(30)이 하프브릿지 LLC 공진형 컨버터로 동작하게 하는 제1 동작 모드에 따라 동작하거나, 풀브릿지 LLC 공진형 컨버터로 동작하게 하는 제2 동작 모드에 따라 동작함으로써, 수신 모듈(40)의 부하 조건에 따른 전압을 무선 전송할 수 있다. 이와 관련하여 구체적인 설명은 도 4 이하를 참조하여 후술한다.
제1 임피던스 매칭부(33)는 복수의 인덕터(LZVS1, LZVS2, LZVS12) 및 복수의 커패시터(CZVS1, CZVS2)가 마련된 회로를 포함하여 구성될 수 있으며, 상술한 바와 같이 스위칭부(31)를 구성하는 풀브릿지 회로의 각 레그 사이에 마련될 수 있다.
제1 임피던스 매칭부(33)는 복수의 인덕터(LZVS1, LZVS2, LZVS12) 및 복수의 커패시터(CZVS1, CZVS2)에 의해 스위칭부(31)로부터 송신부(35)로 공급되는 전원을 컨트롤할 수 있다.
송신부(35)는 코일(Coil)로 구성되며, 스위칭부(31)를 구성하는 풀브릿지 회로의 각 레그 사이에 마련될 수 있다.
송신부(35)는 수신 모듈(40)과 공진 결합될 수 있다. 즉, 송신부(35)는 수신 모듈(40), 구체적으로는, 수신 모듈(40)에 포함되며 코일(Coil)로 구성되는 수신부(41)와 자기적으로 형성되어, 상호 인덕턴스로 인해 발생되는 자기 결합에 의해 유도 전류를 발생시켜 스위칭부(31)로부터 전달 받는 입력 전압(VIN)을 수신부(41)로 무선 전송할 수 있다.
도 3을 참조하면, 수신 모듈(40)은 수신부(41), 제2 임피던스 매칭부(43), 정류부(45) 및 레귤레이터부(47)를 포함할 수 있다. 수신 모듈(40)은 송신 모듈(30)과 공진 결합되어 송신 모듈(30)로부터 전원을 무선 수신할 수 있다.
구체적으로는, 수신부(41)는 코일(Coil)로 구성되며, 송신 모듈(30)과 공진 결합될 수 있다. 즉, 수신부(41)는 송신 모듈(30)에 포함되며 코일(Coil)로 구성되는 송신부(35)와 자기적으로 형성되어, 상호 인덕턴스로 인해 발생되는 자기 결합에 의해 유도 전류를 발생시켜 송신부(35)로부터 무선 전송되는 전원을 무선 수신할 수 있다.
제2 임피던스 매칭부(43)는 복수의 인덕터(LM1, LM11) 및 복수의 커패시터(CMX, CMX, CMPx)가 마련된 회로를 포함하여 구성될 수 있으며, 수신부(41)의 일측에 마련될 수 있다.
제2 임피던스 매칭부(43)는 복수의 인덕터(LM1, LM11) 및 복수의 커패시터(CMX, CMX, CMPx)에 의해 수신부(41)에서 무선 수신하는 전원을 컨트롤할 수 있다.
정류부(45)는 복수의 다이오드가 마련된 브릿지 회로를 포함하여 구성될 수 있으며, 제2 임피던스 매칭부(43)의 타측에 마련될 수 있다.
정류부(45)는 복수의 다이오드가 마련된 브릿지 회로에 의해 수신부(41)에서 무선 수신하는 전원의 정류를 수행할 수 있다.
레귤레이터부(47)는 정류부(45)의 타측에 마련되어, 정류부(45)에 의해 정류된 전원을 출력 전압(VOUT)으로 출력하여 부하를 충전시킬 수 있다. 이때, 부하는 로봇청소기(10)의 배터리를 의미하며, 출력 전압(VOUT)는 배터리의 정격 전압에 해당한다.
도 4는 도 2에 도시된 송신 모듈의 제1 동작 모드를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 2에 도시된 송신 모듈의 제2 동작 모드를 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 도 2에 도시된 송신 모듈에서의 동작 주파수 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에는 도시되지 않았으나, 송신 모듈(30)은 송신 모듈(30)에 포함되는 각 회로의 전반적인 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 후술하는 송신 모듈(30)의 제1 동작 모드 또는 제2 동작 모드에 따른 제어는 제어부에 의해 이루어질 수 있다.
도 4를 참조하면, 송신 모듈(30)은 제1 동작 모드에 따라 하프브릿지 LLC 공진 컨버터와 같이 동작하여 입력 전압(VIN)을 변환하여 수신 모듈(40)로 무선 송신할 수 있다. 이때, 수신 모듈(40)은 송신 모듈(30)로부터 전달 받은 전압으로 로봇청소기(10)의 배터리를 충전시킬 수 있다.
구체적으로는, 제1 동작 모드에 따르면 풀브릿지 회로의 동일한 레그에 마련되는 제1 스위치(Q1_a)는 턴오프 상태로 제어되고, 제2 스위치(Q2_a)는 턴온 상태로 제어될 수 있다. 또한, 풀브릿지 회로의 다른 레그에 마련되는 제3 스위치(Q1_b) 및 제4 스위치(Q2_b)는 상보적으로 턴온 또는 턴오프 상태로 제어될 수 있다. 이에 따라, 송신 모듈(30)은 하프브릿지 LLC 공진 컨버터와 같이 동작할 수 있다.
여기에서, 송신 모듈(30)의 동작 주파수는 수신 모듈(40)의 부하 조건에 따라 설정될 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 동작 모드에서 출력 전압(Vo)은 최대 2 배로 제어될 수 있음을 확인할 수 있으며, 전압 이득(Gain)과 동작 주파수(f)의 관계를 확인할 수 있다. 즉, 송신 모듈(30)의 동작 주파수는 수신 모듈(40)의 부하 조건에 따라 출력 전압(Vo)이 가변 조건(2 배) 하에서 결정될 수 있도록 미리 설정된 최대 동작 주파수(fmax)와 최소 동작 주파수(fmin) 사이에서 설정될 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 송신 모듈(30)은 제2 동작 모드에 따라 풀브릿지 LLC 공진 컨버터와 같이 동작하여 입력 전압(VIN)을 변환하여 수신 모듈(40)로 무선 송신할 수 있다. 이때, 수신 모듈(40)은 송신 모듈(30)로부터 전달 받은 전압으로 로봇청소기(10)의 배터리를 충전시킬 수 있다.
구체적으로는, 제2 동작 모드에 따르면 제1 스위치(Q1_a) 내지 제4 스위치(Q2_b)가 모두 턴온 또는 턴오프 상태로 제어될 수 있다. 즉, 풀브릿지 회로의 동일한 레그에 마련되는 제1 스위치(Q1_a) 및 제2 스위치(Q2_a), 또는, 제3 스위치(Q1_b) 및 제4 스위치(Q2_b)는 상보적으로 턴온 또는 턴오프 상태로 제어되고, 이때, 풀브릿지 회로의 대각선상에 마련되는 제1 스위치(Q1_a) 및 제3 스위치(Q1_b), 또는, 제2 스위치(Q2_a) 및 제4 스위치(Q2_b)는 동일하게 턴온 또는 턴오프 상태로 제어될 수 있다. 이에 따라, 송신 모듈(30)은 풀브릿지 LLC 공진 컨버터와 같이 동작할 수 있다.
여기에서, 송신 모듈(30)의 동작 주파수는 수신 모듈(40)의 부하 조건에 따라 설정될 수 있다.
도 6을 참조하면, 제2 동작 모드에서 출력 전압(Vo)은 최대 4 배로 제어될 수 있음을 확인할 수 있으며, 전압 이득(Gain)과 동작 주파수(f)의 관계를 확인할 수 있다. 즉, 송신 모듈(30)의 동작 주파수는 수신 모듈(40)의 부하 조건에 따라 출력 전압(Vo)이 가변 조건(4 배) 하에서 결정될 수 있도록 미리 설정된 최대 동작 주파수(fmax)와 최소 동작 주파수(fmin) 사이에서 설정될 수 있다.
이와 같이, 송신 모듈(30)은 출력 전압의 가변 조건이 2 배인 제1 동작 모드 또는 출력 전압의 가변 조건이 4 배인 제2 동작 모드에 따라 동작할 수 있으며 그 동작 주파수는 수신 모듈(40)의 부하 조건에 따라 설정될 수 있다.
이와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇청소장치용 무선충전장치는 로봇청소기(10) 및 충전대(20)에 각각 수용되어, 접속단자의 접속이 없어도 로봇청소기(10)의 충전이 가능하게 하여, 접속단자 간의 접속이 제대로 이루어지지 못하거나, 접속단자에 이물질 등이 달라 붙어 통전이 되지 않아 충전이 되지 않는 등의 문제를 방지할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇청소장치용 무선충전장치는 로봇청소기(10)의 부하 조건에 따라 동작 모드를 선택하고, 동작 주파수를 제어하여 로봇청소기(10)의 부하 조건에 맞는 전원 공급이 가능하다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 로봇청소기
20: 충전대
30: 송신 모듈
31: 스위칭부
33: 제1 임피던스 매칭부
35: 송신부
40: 수신 모듈
41: 수신부
43: 제2 임피던스 매칭부
45: 정류부
47: 레귤레이터부

Claims (2)

  1. 로봇청소장치에 있어서,
    로봇청소기;
    상기 로봇청소기를 충전하는 충전대;
    상기 충전대에 구비되며, 하프 브릿지 LLC 공진형 컨버터로 동작하거나, 풀 브릿지 LLC 공진형 컨버터로 동작하여 외부 전원을 자기 공진 방식으로 무선 송신하는 송신 모듈; 및
    상기 로봇청소기에 구비되며, 상기 송신 모듈로부터 무선 송신되는 전원을 무선 수신하여 배터리에 충전시키는 수신 모듈을 포함하고,
    상기 송신 모듈은,
    상기 외부 전원과 연결되고, 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 풀브릿지 회로를 포함하며, 하프브릿지 LLC 공진형 컨버터로 동작하게 하는 제1 동작 모드에 따라 동작하거나, 풀브릿지 LLC 공진형 컨버터로 동작하게 하는 제2 동작 모드에 따라 동작하는 스위칭부;
    복수의 인덕터 및 복수의 커패시터가 마련된 회로를 포함하며, 상기 스위칭부를 구성하는 풀브릿지 회로의 각 레그 사이에 마련되는 제1 임피던스 매칭부; 및
    코일(Coil)로 구성되고, 상기 스위칭부를 구성하는 풀브릿지 회로의 각 레그 사이에 마련되며, 상기 수신 모듈과 공진 결합되어 상기 스위칭부로부터 입력 전압을 전달 받아 상기 수신 모듈로 무선 전송하는 송신부를 포함하고,
    상기 수신 모듈은,
    코일(Coil)로 구성되고, 상기 송신부와 공진 결합되어 상기 송신부로부터 송신되는 전원을 무선 수신하는 수신부;
    복수의 인덕터 및 복수의 커패시터가 마련된 회로를 포함하며, 상기 수신부의 일측에 연결되는 제2 임피던스 매칭부;
    복수의 다이오드가 마련된 브릿지 회로를 포함하며, 상기 제2 임피던스 매칭부의 타측에 연결되는 정류부; 및
    상기 정류부와 상기 배터리 사이에 마련되어 상기 송신 모듈로부터 무선 송신되는 전원을 상기 배터리로 충전시키는 레귤레이터를 포함하며,
    상기 송신 모듈은,
    상기 스위칭부를 제어하여 상기 배터리를 충전시키는 출력 전압의 가변 조건이 2 배인 제1 동작 모드 또는 출력 전압의 가변 조건이 4 배인 제2 동작 모드에 따라 동작하고, 그 동작 주파수를 상기 배터리의 부하 조건에 따라 설정하고,
    상기 로봇청소장치는,
    상기 로봇청소기에 탑재된 먼지통에 구비되는 센서를 통해 상기 먼지통의 현재 상태를 확인하고, 상기 먼지통의 비움이 필요한 것으로 판단되는 경우, 사용자의 이동 단말로 먼지통 비움 알림을 송신하되, 사용자의 가족 구성원 각각의 이동 단말을 가족 단위로 묶어 관리하며, 가족 구성원 각각의 이동 단말로 상기 먼지통 비움 알림을 송신하는 통신 기능을 구비하고,
    상기 로봇청소기 및 상기 충전대는,
    폴리프로필렌 수지 100 중량부에 대하여, 고밀도 폴리에틸렌 수지(HDPE) 110 ~ 130 중량부, 탈크(Talc) 170 ~ 190 중량부, 게르마늄 분말 1 ~ 10 중량부, 유리섬유 강화 플라스틱 15 ~ 25 중량부, 아교 2 ~ 7 중량부, 코르크 분말 5 ~ 10 중량부, 자당(C12H22O11) 분말 1 ~ 4 중량부, 배반 2 ~ 5 중량부 및 보헤마이트(Boehmite, AlO(OH)) 3 ~ 8 중량부를 포함하며 1.02 ~ 1.10의 비중을 갖는 플라스틱 조성물로 제작되고,
    상기 폴리프로필렌은,
    호모 중합체와 랜덤 공중합체를 3 : 2의 중량비로 혼합하여 사용하고,
    상기 탈크는,
    150 ~ 200 메시(mesh)의 입자 크기를 갖는 탈크 분말을 사용하고,
    상기 게르마늄은,
    3cm 이하로 절단된 게르마늄 원석을 80 ~ 100 메쉬의 입도 크기로 분쇄하여 사용하고,
    상기 로봇청소기는, 전면에 보호 시트가 부착되고,
    상기 보호 시트는, 접착제 조성물에 의해 상기 로봇청소기의 전면에 부착되며,
    상기 접착제 조성물은,
    에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 수지 30 ~ 90 중량부에 대하여, 폴리비닐알콜(PVA) 1 ~ 30 중량부, 물 10 ~ 30 중량부, 탄산칼슘 5 ~ 30 중량부, 계면활성제 0.1 ~ 1 중량부, 요변성 부여제 1 ~ 20 중량부, 소듐 실리케이트 3 ~ 7 중량부, 이황화 몰리브덴(MoS2) 1 ~ 5 중량부, 수산화알루미늄 5 ~ 10 중량부 및 용매인 물 10 ~ 30 중량부를 포함하는 주제와, 톨루엔-디이소시아테이트(toluen-diisocyanate, TDI), 수소화 TDI, 트리메틸 프로판-TDI(trimethyl propane-TDI), 트리페닐메탄-트리이소시아네이트(tripehnylmethane-triisocyanate, TTI), 디페닐메탄-4,4-디이소시아네이트(dipehenylmethane-4,4-diisocianate, MDI), 수소화 MDI, 및 헥산메틸렌-디이소시아네이트(hexamethylene-diisocyanate, HDI) 중 적어도 하나의 성분을 포함하는 이소시아네이트 화합물로 이루어지며, 주제 100 중량부에 대해서 1 ~ 20 중량부로 포함되는 경화제로 이루어지는, 청소장치.
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