KR102213052B1 - 무선전력전송용 pcb 코일 - Google Patents

Abstract

무선전력전송용 PCB 코일이 개시된다. 무선전력전송용 PCB 코일은 PCB(Printed Circuit Board) 기판, 및 PCB 기판 상의 인쇄 회로 패턴에 따라 배치되는 코일을 포함하고, 코일은 PCB 기판에 수평하게 바깥쪽에서 안쪽 방향으로 복수의 턴(turn)으로 감기면서 나선형 트랙을 형성하고, 복수의 턴에 대응되는 각 코일 중 일부 턴에 대응되는 코일이 일부 턴에서만 적어도 하나의 간극을 포함하도록 트랙 방향으로 분할되는 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

무선전력전송용 PCB 코일 {PCB COIL FOR WIRELESS POWER TRANSTER }

본 발명은 무선전력전송용 PCB 코일에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 낮은 저항 값을 가지도록 설계된 무선전력전송용 PCB 코일에 관한 것이다.

무선전력전송 시스템은 많은 분야에서 활용되고 있으며, 대표적으로 스마트폰 무선충전, 드론과 같은 UAV, 전기 자동차 및 철도 등 다양한 분야에서 상용화되고 있다. 이와 같이, 무선전력전송 시스템은 기존의 유선 충전을 대체할 전도유망한 기술로 각광받고 있다.

그러나, 이와 같은 무선전력전송 시스템이 유선전력전송 시스템과 경쟁하여 보다 다양한 분야에 사용되기 위해서는 전력전송의 용량과 효율이 높아야 한다. 무선전력전송을 위한 코일의 구조 및 전류가 정해지면, 주파수가 전력전송의 용량과 효율을 좌우하게 되는데, 일반적으로 주파수가 높을수록 전력전송의 용량은 커지며, 효율은 높아지게 된다.

그러나, 주파수가 높아지면, 주파수가 증가함에 따라 코일에 흐르는 전류가 부분적으로만 흐르게 되는 표피효과(skin effect)와, 동일한 방향으로 전류가 흐르는 코일 사이에 전자기장 현상이 발생하여 전류 흐름의 불균형성이 생기는 근접효과(proximity effect)에 의해 코일의 저항이 증가하는 단점이 있다.

코일의 저항이 증가하게 되면, 무선전력전송 시스템의 효율이 전체적으로 저하되는 원인이 되며, 전도 손실(conduction loss)의 증가로 인해 코일에 열이 발생하여 온도가 극단적으로 올라가는 등의 부작용이 발생한다.

주파수가 증가할수록, 코일의 저항이 증가하는 단점을 극복하기 위하여 종래에는 리츠선(litz wire)을 코일로 사용하였다. 리츠선은 다도체 방식을 채용한 도선으로서, 높은 주파수에서도 저항이 낮은 장점이 있다.

그러나, 리츠선을 사용한 코일은 손으로 감아야 하기 때문에 코일의 회로 정수, 즉 인덕턴스 및 저항이 불규칙하고 생산성이 저하되는 등의 문제가 있었다.

이러한 리츠선의 단점을 극복하기 위하여, 도 1의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같은 PCB(Printed Circuit Board) 타입의 코일이 무선전력전송에 활용되도록 하기 위한 많은 연구가 진행되고 있으며, PCB 코일은 공정상의 편의로 인해 높은 생산성과 재현 가능성을 장점으로 가지고 있다.

그러나, 기존의 PCB 코일은 단일 도체이므로 표피효과와 근접효과에 의한 영향을 크게 받을 수 밖에 없는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 기존의 PCB 코일보다 표피효과 및 근접효과에 따른 저항을 감소시킬 수 있는 PCB 코일을 제공하는 데에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력전송용 PCB 코일은 PCB(Printed Circuit Board) 기판, 및 상기 PCB 기판 상의 인쇄 회로 패턴에 따라 배치되는 코일을 포함하고, 상기 코일은 상기 PCB 기판에 수평하게 바깥쪽에서 안쪽 방향으로 복수의 턴(turn)으로 감기면서 나선형 트랙을 형성하고, 상기 복수의 턴에 대응되는 각 코일 중 일부 턴에 대응되는 코일이 상기 일부 턴에서만 적어도 하나의 간극을 포함하도록 상기 트랙 방향으로 분할되는 형태를 가진다.

이때, 상기 간극은 상기 일부 턴에 대응되는 코일의 상기 트랙 상에서의 진행 방향과 나란히 형성됨으로써 상기 간극에 따라 상기 일부 턴에 대응되는 코일이 복수의 가닥으로 분할되는 형태를 가지도록 할 수 있다.

또한, 상기 코일은 상기 복수의 턴에 대응되는 각 코일 중 자기장의 세기가 가장 크게 측정되는 코일이 상기 복수의 가닥으로 분할되는 형태를 가질 수 있다.

또한, 상기 코일은 상기 복수의 턴에 대응되는 각 코일 중 적어도 가장 안쪽 코일 및 가장 바깥쪽 코일이 각각 상기 복수의 가닥으로 분할되는 형태를 가질 수 있다.

또한, 상기 코일은 원형 도체로 이루어진 것일 수 있다.

기존의 PCB 코일에 비해 코일의 총량은 줄이면서도, PCB 코일의 저항성분을 줄일 수 있게 된다.

도 1 및 2는 종래의 무선전력전송을 위한 PCB 코일을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력전송용 PCB 코일의 평면도를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원형 도체의 형상을 가지는 PCB 코일의 단면도를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB 코일의 다양한 분할 방법을 설명하기 위한 도면,
도 6 및 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB 코일의 분할 방법에 따른 저항 감소를 비교하기 위한 그래프,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB 코일의 분할 방법에 따른 인덕턴스를 비교하기 위한 그래프,
도 9A 및 9B는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB 코일의 다양한 분할 위치를 설명하기 위한 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB 코일의 다양한 분할 위치에 따른 저항 감소를 비교하기 위한 그래프,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB 코일의 분할 위치에 따른 인덕턴스를 비교하기 위한 그래프,
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB 코일의 분할 방법에 따른 각 저항 성분(전도 손실에 따른 저항 성분 및 근접 손실에 따른 저항 성분)을 비교하기 위한 그래프이다.

먼저, 본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어는 본 발명의 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 일반적인 용어들을 선택하였다. 하지만, 이러한 용어들은 당 분야에 종사하는 기술자의 의도나 법률적 또는 기술적 해석 및 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일부 용어는 출원인이 임의로 선정한 용어일 수 있다. 이러한 용어에 대해서는 본 명세서에서 정의된 의미로 해석될 수 있으며, 구체적인 용어 정의가 없으면 본 명세서의 전반적인 내용 및 당해 기술 분야의 통상적인 기술 상식을 토대로 해석될 수도 있다.

또한, 본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서 서로 다른 실시 예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명하도록 한다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성 요소를 모두 도시하고 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 하나의 실시 예를 의미하는 것은 아니다.

또한, 본 명세서 및 청구범위에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 '제1', '제2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성 요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 것이며, 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안될 것이다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성 요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한 해석되어서는 안된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다.

본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다름을 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함하다' 또는 '구성하다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명의 실시 예에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결뿐 아니라, 다른 매체를 통한 간접적인 연결의 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다는 의미는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 종래의 무선전력전송을 위한 PCB 코일을 나타낸 도면이다.

PCB 기판(10)은 인쇄회로기판으로, 구리배선이 인쇄된 플라스틱 판에 IC 칩, 저항, 코일, 콘덴서 등 각종 전자부품이 연결되는 보드를 의미한다.

PCB 기판(10) 상의 인쇄 회로 패턴에 따라 도 2에 도시된 바와 같은 코일(20)을 배치할 수 있다. 코일(20)은 일반적으로 구리를 주 재료로 하나, 반드시 이에 한정될 필요는 없다.

도 2에 도시된 바와 같이, 코일(20)은 PCB 기판(10)에 수평하게 바깥쪽에서 안쪽 방향으로 복수의 턴(turn)으로 감기면서 나선형 트랙을 형성하게 된다. 여기서, 턴이란 코일(20)이 한바퀴 감기어 내부로 들어감을 의미하며 도 2는 코일(20)이 7번의 턴에 따라 7개의 트랙을 형성한 예를 도시한 것이다.

PCB 기판(10) 상에서 코일(20)의 일단이 PCB 기판(10) 바깥쪽부터 안쪽으로 7번 턴하며 감기어 들어가고, 내부에서 바깥쪽으로 코일(20)의 타단이 트랙을 가로질러 나가게 된다. 코일(20)의 일단 및 타단은 커패시터 및 저항 소자 등과 연결될 수 있다.

상술한 바 대로, 종래의 PCB 코일은 단일 도체로 구성되므로, 높은 주파수에서 표피효과와 근접효과에 따른 저항 증가가 문제된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 PCB 코일을 리츠선과 같이 여러 가닥을 가지도록 설계한 것이다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 3을 참조하여 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력전송용 PCB 코일의 평면도를 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, PCB 기판(10) 상에 복수의 턴에 따라 나선형 트랙을 형성하는 코일(20)에 있어서, 일부 턴에 대응되는 코일(20)이 일부 턴에서만 적어도 하나의 간극을 포함하도록 트랙 방향으로 분할되는 형태를 가질 수 있다.

이때, 간극은 일부 턴에 대응되는 코일(20)의 트랙 상에서의 진행 방향과 나란히 형성됨으로써, 간극에 따라 일부 턴에 대응되는 코일(20)이 복수의 가닥으로 분할되는 형태를 가질 수 있다.

예를 들어, 도 3에 도시된 코일(20)의 폭이 W에 해당한다고 가정했을 때, 일부 턴에 대응되는 코일(20)의 가운데 일부를 제거하는 형태로 간극을 형성하여, 마치 코일(20)의 일부가 트랙 방향으로 분할된 형태를 가지게 된다.

즉, 코일(20)의 폭 W는 유지되면서 간극이 형성되는 것이므로, 코일(20)의 총량은 줄어들게 되면서도, PCB 코일(100)이 마지 리츠선과 같이 여러 가닥을 가지도록 설계되므로 PCB 코일(100)의 저항성분이 작아지게 된다.

한편, PCB 코일(100) 전체를 리츠선과 같이 설계할 경우, 설계상의 복잡도를 증가시켜 설계 공정상 가격이 지나치게 증가하는 등 실용성 측면에서의 문제가 발생하게 되므로 PCB 코일(100)의 어느 턴을 어떤 방식으로 분할할 것인지의 문제가 대두되게 된다.

코일(20)의 저항은 전도손실(conduction loss) 및 근접손실(proximity loss) 성분으로 나눠지게 된다.

[수학식 1]

R_ac = R_cond + R_prox

여기서, 전도손실 저항값(이하,R_cond)은 코일(20) 내부의 특성에 의해 증가하는 저항값을 의미하며, 특히 표피효과를 포함한다. 근접손실 저항값(이하, R_prox)은 코일(20) 외부의 특성에 의해 증가하는 저항값을 의미하며, 특히 근접효과를 포함한다.

PCB 패턴의 구체적인 저항식을 분석하였을 때, 무선전력전송 시스템의 동작 주파수와 패턴의 높이(h)[m] 및 너비(w)[m]가 정해지면, 단위길이당 R_cond도 특정될 수 있다(수학식 2 참조).

[수학식 2]

여기서, σ는 전도율(conductivity)[S/m]을 나타내고, δ는 표피깊이(skin depth)[m]를 나타낸다.

다만, 단위 길이당 Rprox는 코일(20)에 1 암페어의 전류[A/m]가 흘렀을 때, 그 코일이 받는 자기장(H)의 제곱에 비례하기 된다(수학식 3 참조).

[수학식 3]

즉, 자기장을 강하게 받는 도체에서는 도선의 근접효과에 의해 전류가 균일하게 흐르지 못하며, 그 결과 저항이 증가하게 된다.

이에 따라, 저항의 크기와 자기장의 관계를 알 수 있으며 PCB 패턴 중 자기장의 영향을 가장 크게 받는 곳과 가장 약하게 받는 곳을 계산하여, 코일(20) 중 어느 턴을 분할할 것인지 결정할 수 있다.

즉, 코일에서 자기장을 강하게 받는 위치는 단위 길이당 코일의 AC 저항 값이 큰 부분이며, AC 저항 값이 큰 부분의 코일을 분할함으로써 해당 부분의 코일의 AC 저항을 감소시킬 수 있고, 이는 결국 코일 전체의 저항 값을 감소시켜, 무선전력전송에서의 손실 저감 효과를 가져올 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 코일(20)이 원형 도체의 형상을 가지며, 제1턴 내지 제7턴에 대응되는 코일(20)이 d[m]의 간격으로 배치되어 있다고 가정하면, 암페어의 주회 법칙(ampere's circuital law)에 따라 자기장을 계산할 수 있다.

각 턴에 대응되는 코일(20)의 자기장은 다음과 같다.

[수학식 4]

즉, 제1턴 및 제7턴에 각각 대응되는 코일(20)의 자기장의 세기가 서로 같다.

[수학식 5]

즉, 제2턴 및 제6턴에 각각 대응되는 코일(20)의 자기장의 세기가 서로 같다.

[수학식 6]

즉, 제3턴 및 제5턴에 각각 대응되는 코일(20)의 자기장의 세기가 서로 같다.

[수학식 7]

즉, 제4턴에 대응되는 코일(20)의 자기장의 세기는 0에 가깝다.

결론적으로, 암페어의 주회법칙에 의하면, 가장 안쪽(제1턴) 및 가장 바깥쪽(제7턴)에 배치된 코일(20)의 자기장(H₁, H₇)이 제일 강하고, 가운데(제4턴)에 배치된 코일(20)의 자기장(H₄)이 제일 약한 것을 알 수 있다(H₁＝H₇＞H₂＝H₆＞H₃＝H₅＞H₄≒0).

이를 검증하기 위하여, 수행된 시뮬레이션 결과 또한 이와 같았다.

이에 따라, 이하에서는 가장 안쪽(제1턴) 및 가장 바깥쪽(제7턴)에 배치된 코일(20)을 분할하는 가장 효과적인 실시 예를 상정하여 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB 코일의 다양한 분할 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 코일(20)은 복수의 가지로 분할될 수 있는데, Case 1은 분할되지 않은 경우, Case 2는 두개의 가지로 분할된 경우, Case 3는 세 개의 가지로 분할된 경우, Case 4는 네 개의 가지로 분할된 경우를 각각 도시한 것이며, 그에 따른 실험 결과는 도 6 및 7에 도시된 그래프와 같다.

도 6을 참조하면, 가장 바깥쪽 코일(20) 및 가장 안쪽 코일(20)을 두 개의 가지, 세 개의 가지 및 네 개의 가지로 각각 분할하는 경우가 분할하지 않는 경우보다 단위길이당 저항이 평균 25% 정도 감소하는 것을 알 수 있다.

도 7은 코일(20)의 총 저항을 계산한 그래프 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프를 도시한 것인데, 계산 및 시뮬레이션 결과 모두 가장 바깥쪽 코일(20) 및 가장 안쪽 코일(20)을 두 개 이상의 가지로 분할하였을 때 저항이 감소하는 것을 나타내었다.

그러나, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 일단 두 개의 가지 이상으로 분할되면 분할 수가 늘어나더라도 유의미한 저항 차이를 가져오지는 못하였다. 따라서, 이하에서는 공정상 두 개의 가지로 코일(20)을 분할하는 가장 효과적인 실시 예를 상정하여 설명하도록 한다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 코일(20)의 인덕턴스는 코일(20)을 분할하더라도 거의 일정하게 유지됨을 알 수 있다.

도 9A 및 9B는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB 코일의 다양한 분할 위치를 설명하기 위한 도면이다.

도 9A에 도시된 바와 같이, 코일(20)은 가장 안쪽(제1턴) 및 가장 바깥쪽(제7턴)에 배치된 코일(20)을 포함하여 추가적으로 다른 턴에 대응되는 코일(20)이 분할될 수 있는데, Case 1은 어떤 턴에 대응되는 코일(20)도 분할되지 않은 경우, Case 2는 가장 안쪽(제1턴) 및 가장 바깥쪽(제7턴)에 배치된 코일(20)만 분할된 경우, Case 3는 Case 2에 더하여, 안쪽에서 두 번째(제2턴) 및 바깥쪽에서 두 번째(제6턴)에 배치된 코일(20)이 추가적으로 분할된 경우, Case 4는 Case 3에 더하여, 안쪽에서 세 번째(제3턴) 및 바깥쪽에서 세 번째(제5턴)에 배치된 코일(20)이 추가적으로 분할된 경우, Case 5는 모든 턴에 대응되는 코일(20)이 분할된 경우를 상정한 것이다.

각 케이스에 따라 코일(20)이 부할된 PCB 코일(100)은 도 9B에 도시된 바와 같다.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB 코일의 다양한 분할 위치에 따른 저항 감소를 비교하기 위한 그래프이다.

도 10에 도시된 바와 같이, Case 1 내지 5의 각 저항 값의 시뮬레이션 값, 계산 값 및 측정 값이 모두 Case 2의 경우에 눈에 띄게 줄어든 것을 확인할 수 있었으며, 계산 값의 경우 Case 3 내지 5에서 Case 2보다 다소 감소하기는 하였으나, 유의미한 차이를 나타내지는 못하였다.

도 11에 도시된 바와 같이, 코일(20)의 인덕턴스 값은 코일(20)의 분할 여부와 관계없이 시뮬레이션 값 및 측정 값에 있어서 거의 일정하게 유지되는 경향을 나타내었다. 즉, 코일(20)의 분할은 저항의 감소에만 영향을 줄 뿐, 코일(20)의 인덕턴스 값에는 영향을 미치지 못하였다.

도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB 코일의 분할 방법에 따른 각 저항 성분(전도 손실에 따른 저항 성분 및 근접 손실에 따른 저항 성분)을 비교하기 위한 그래프이다.

도 12에 도시된 바와 같이, R_cond는 코일(20)의 분할되는 가지의 개수에 따라 코일(20)의 총 절대중량이 줄어들었으므로 다소 증가하는 효과를 나타내었으나, 자기장의 영향을 받는 R_prox는 큰 폭으로 계속적으로 감소하는 효과를 나타내었다. 즉, 상술한 수학식 3에 따라 예측한 결과가 일치하는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 기존의 PCB 코일에 비해 코일의 총 중량은 줄이면서도, PCB 코일의 저항성분을 줄일 수 있게 된다.

한편, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

100: PCB 코일 10: PCB 기판
20: 코일

Claims (5)

1. 무선전력전송용 PCB 코일에 있어서,
   PCB(Printed Circuit Board) 기판; 및
   상기 PCB 기판 상의 인쇄 회로 패턴에 따라 배치되는 코일;을 포함하고,
   상기 코일은,
   상기 PCB 기판에 수평하게 바깥쪽에서 안쪽 방향으로 복수의 턴(turn)으로 감기면서 나선형 트랙을 형성하고, 상기 복수의 턴에 대응되는 각 코일 중 일부 턴에 대응되는 코일이, 상기 일부 턴에서만 적어도 하나의 간극을 포함하도록, 상기 트랙 방향으로 분할되는 형태를 가지는, 무선전력전송용 PCB 코일.
2. 제1항에 있어서,
   상기 간극은,
   상기 일부 턴에 대응되는 코일의 상기 트랙 상에서의 진행 방향과 나란히 형성됨으로써 상기 간극에 따라 상기 일부 턴에 대응되는 코일이 복수의 가닥으로 분할되는 형태를 가지도록 하는 것을 특징으로 하는, 무선전력전송용 PCB 코일.
3. 제2항에 있어서,
   상기 코일은,
   상기 복수의 턴에 대응되는 각 코일 중 자기장의 세기가 가장 크게 측정되는 코일이 상기 복수의 가닥으로 분할되는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는, 무선전력전송용 PCB 코일.
4. 제3항에 있어서,
   상기 코일은,
   상기 복수의 턴에 대응되는 각 코일 중 적어도 가장 안쪽 코일 및 가장 바깥쪽 코일이 각각 상기 복수의 가닥으로 분할되는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는, 무선전력전송용 PCB 코일.
5. 제1항에 있어서,
   상기 코일은,
   원형 도체로 이루어진 것을 특징으로 하는, 무선전력전송용 PCB 코일.

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