KR102213807B1 - 전기차 충전용 복합형 자성복합체, 이를 포함하는 패드조립체 및 이를 포함하는 전기차 - Google Patents

전기차 충전용 복합형 자성복합체, 이를 포함하는 패드조립체 및 이를 포함하는 전기차 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차의 전력수신용 패드조립체 등에 대한 것으로, 전기자동차 등에 우수한 충전효율로 무선충전을 가능하게 하며 패드조립체에 충격이나 반복적인 진동이 가해져도 우수한 충전효율이 잘 유지될 수 있다.

Description

전기차 충전용 복합형 자성복합체, 이를 포함하는 패드조립체 및 이를 포함하는 전기차{COMPOSITE TYPE MAGNETIC MATERIAL FOR CHARGEMENT OF ELECTRIC VEHICLE, WIRELESS POWER RECEIVING PAD ASSEMBLY COMPRISING THE SAME AND THE ELECTRIC VEHICLE COMPRISING THEREOF}
본 발명은 고분자 수지에 의해 서로 결합된 복합체 형태를 갖는 자성분말들을 포함하고, 우수한 물성과 동시에 자동차에 적용하기에 충분한 내충격성을 갖는, 전기차 충전용 복합형 자성복합체, 이를 포함하는 패드조립체 및 이를 포함하는 전기차에 관한 것이다.
전기차 충전 시스템은 기본적으로 상용 전원의 배전망(grid)이나 에너지 저장 장치의 전력을 이용하여 전기차에 탑재된 배터리를 충전하는 시스템으로 정의할 수 있다. 이러한 전기차 충전 시스템은 전기차의 종류에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 전기차 충전 시스템은 케이블을 이용한 전도성 충전 시스템이나 비접촉 방식의 무선 전력 전송 시스템을 포함할 수 있다. 일반적으로 무선 전력 전송 시스템에 의한 무선전력충전은 전자기 유도(Electromagnetic Induction)를 통해 전류를 흐르게 하여 배터리를 충전하는 방식으로서, 충전기의 1차 코일에 흐르는 전류에 의해 발생한 자기장이 배터리의 2차 코일에 유도전류를 발생시키고, 유도전류가 다시 화학적 에너지를 배터리에 충전시킨다. 이러한 기술은 접점이 노출돼 있지 않아 누전 등의 위험이 거의 없어 유선충전방식만큼 안전하다.
최근 들어 전기차가 대중화되면서 충전 인프라 구축에 대한 관심이 증대되고 있으며, 이미 가정용 충전기를 이용한 전기차 충전을 비롯하여 배터리 교체, 급속충전장치, 무선충전장치 등 다양한 충전 방식이 등장하고 있다.
향후 전기차의 보급이 늘어날 것으로 예상됨에 따라 충전 시간을 단축시키고 편의성을 증대시킨 안전하고 빠른 충전방식이 요구되고 있으며, 이에 따라 콘센트에 플러그를 꽂아 사용하는 유선충전방식의 불편함을 해소할 수 있는 무선 전력충전방식과 무선충전을 통한 충전효율 및 안전성 확보를 위한 기술도 다양하게 제시되고 있는 추세이다.
특히, 전기차에서 사고 등에 의해 발생할 수 있는 충격은 그 정도가 크고 자동차 탑승자의 안전과 연관되어 있는 점에서 무선 전력충전부의 내충격성 및 충전효율은 더욱 중요하다.
한국등록특허 제10-1617403호 한국공개특허 제10-2015-0050541호
본 발명의 목적은 전기차의 동력에 해당하는 배터리를 충전함에 있어, 상기 전기차 외부에 위치하는 전력공급부에 의해 유도전류를 발생하는 수신부에 대한 것으로, 우수한 물성과 동시에 자동차에 적용하기에 충분한 내충격성을 갖는, 전기차 충전용 복합형 자성복합체 및 이를 포함하는 전기차를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 전력수신용 패드조립체는, 수신코일을 지지하는 수신패드; 외부와 와이어로 연결되며 상기 수신패드 상에 위치하는 수신코일; 그리고 상기 수신코일의 위 또는 아래에 배치되는 자성복합체층;을 포함하는 조립된 패드조립체이다.
상기 패드조립체는, 조립 전을 기준으로 하는 조립 후의 상기 패드조립체의 인덕턴스 증가량은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 25 (%·cm3/kg) 이상 50 (%·cm3/kg) 이하이다.
상기 자성복합체층은, 고분자 수지에 의해 서로 결합되는 자성분말들을 포함하고 파단연신율이 0.5 % 이상 10 % 이하인 자성복합체를 포함할 수 있다.
상기 자성복합체층은, 고분자 수지에 의해 서로 결합되는 자성분말들을 포함하는 자성복합체와 나노결정립 자성체의 적층체를 포함할 수 있다.
조립 전을 기준으로 조립 후의 상기 패드조립체의 저항 증가량은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 -20.0 (%·cm3/kg) 이상 40.0 (%·cm3/kg) 이하일 수 있다.
상기 패드조립체는 35cm X 35cm 크기의 수신패드에 5mm 두께의 자성복합체층을 적용한 것을 기준으로 충전효율이 85% 이상 99% 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 패드조립체는, 수신코일을 지지하는 수신패드; 외부와 와이어로 연결되며 상기 수신패드 상에 위치하는 수신코일; 그리고 상기 수신코일의 위 또는 아래에 배치되는 자성복합체층;을 포함하는 조립된 패드조립체로, 조립 전을 기준으로 하는 조립 후의 상기 패드조립체의 충전효율은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 19 (%·cm3/kg) 이상 30 (%·cm3/kg)이하이다.
상기 자성복합체층은, 고분자 수지에 의해 서로 결합되는 자성분말들을 포함하는 자성복합체와 나노결정립 자성체의 적층체를 포함할 수 있다.
조립 전을 기준으로 조립 후의 상기 패드조립체의 저항 증가량은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 -20.0 (%·cm3/kg) 이상 40.0 (%·cm3/kg) 이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예 따른 전기자동차는 위에서 설명한 패드조립체를 포함한다.
본 발명에 따르면 전기차의 무선 충전에 적합한 내충격성이 우수한 하이브리드 형태의 복합형 자성복합체, 이를 포함하는 패드조립체 및 이를 포함하는 전기차를 제공할 수 있어 유용하다. 상기 자성복합체는 내충격성이 우수함과 동시에 무게가 가벼우며 전력수신부에 적용되는 패드조립체로 적용 시에 전기자동차 등에 우수한 충전효율로 무선충전을 가능하게 한다. 또한, 본 발명에 따르면 패드조립체에 충격이나 반복적인 진동이 가해져도 우수한 충전효율이 잘 유지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 무선충전용 무선전력 수신장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 무선충전용 무선전력 수신장치를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성복합체층이 패드조립체에 배치된 모습을 설명하는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자성복합체층의 구조를 단면으로 설명하는 개념도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서 전체에서, “제1”, “제2” 또는 “A”, “B”와 같은 용어는 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐 아니라, '그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성이 어떤 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.
명세서 전체에서, "조립전을 기준으로 하는 조립 후의 패드조립체의 X 증가량"이라는 표현은 "조립전의 패드조립체의 X 값"을 기준으로 본 발명의 "자성복합체층이 상기 패드조립체 내에 포함/배치되어 조립된 패드조립체의 X 값"을 %로 나타낸다.
전기자동차 등 전기력을 적용하는 이동수단에 적용되는 전력 송수신 모듈 특히 수신모듈의 경우에는 그 안정성이 중요하고, 휴대용 전자기기에 적용되는 수신모듈과 달리, 자동차에 가해지는 충격이나 자동차의 진동에 의한 소음을 그대로 전달받을 수 있다. 본 발명의 발명자들은 이러한 충격 등에 의해 수신모듈에 포함되는 자성시트의 손상이 발생하면, 수신모듈의 전력수신효율이 현저하게 떨어질 수 있고, 정해진 크기와 부피 내에서 우수한 물성을 가져야 한다는 물성적인 특성을 향상시키기 위한 방법을 고심하여 본 발명을 완성했다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 무선충전용 무선전력 수신장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 무선충전용 무선전력 수신장치를 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성복합체층이 패드조립체에 배치된 모습을 설명하는 사시도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자성복합체층의 구조를 단면으로 설명하는 개념도이다. 상기 도 1 내지 도 4를 참조하여 이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 전력수신용 패드조립체(500)는 수신코일(200)을 지지하는 수신패드(100); 외부와 와이어(210)로 연결되며 상기 수신패드 상에 위치하는 수신코일(200); 그리고 상기 수신코일의 위 또는 아래에 배치되는 자성복합체층(300);을 포함한다.
상기 패드조립체(500)는 조립 전을 기준으로 하는 조립 후의 상기 패드조립체의 인덕턴스 증가량은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 25 (%·cm3/kg) 이상일 수 있다. 이는 자기집속력이 우수하다는 것을 의미하며, 이러한 특징을 갖는 자성복합체층을 상기 패드조립체에 적용하면 충전효율을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 자성복합체층(300)은, i) 자성복합체(310) 또는 ii) 자성복합체(310)와 나노결정립 자성체(350)을 포함하는 적층체를 포함할 수 있다.
상기 자성복합체(310)는 고분자 수지에 의해 서로 결합되어 자성분말들을 포함한다.
상기 자성복합체(310)는 일정한 면적을 갖는 시트형태일 수 있고, 일정한 면적과 두께를 갖는 블록 형태일 수도 있다.
상기 전기차용 자성복합체층(300)은 전기차의 충전용 패드조립체(500)에 대면적으로 포함되며, 구체적으로 200 cm2 이상의 면적으로 포함될 수 있고, 400 cm2 이상의 면적으로 포함될 수 있으며, 600 cm2 이상의 면적으로 포함될 수 있다. 또한, 상기 전기차용 자성복합체층(300)은 10,000 cm2 이하의 면적으로 포함될 수 있다. 이렇게 대면적으로 자성복합체층(300)은 다수의 자성복합체를 배치하는 방식이 적용될 수 있으며, 이 때, 개별 자성복합체(310)는 60 cm2 이상의 면적을 갖는 것일 수 있고, 90 cm2의 면적을 갖는 것일 수 있으며, 95 내지 900 cm2의 면적을 갖는 것일 수 있다.
본 발명에서와 같이 고분자 수지에 의해 자성분말들이 서로 결합되는 형태로 구성하면, 넓은 면적 전체적으로 결함이 적으면서 충격에 의해 손상이 적은 자성복합체를 제공할 수 있다.
상기 전기차용 자성복합체(310)는 파단연신율이 0.5 % 이상일 수 있다. 이렇게 파단연신율을 갖는 자성복합체는, 고분자를 적용하지 않는 세라믹계 자성복합체에서는 얻기 어려운 특성으로, 대면적의 자성복합체가 충격에 의해 뒤틀림 등이 발생하더라도 시트 자체의 손상을 줄여줄 수 있다.
구체적으로, 상기 전기차용 자성복합체의 파단연신율은 0.5 % 이상일 수 있고, 1 % 이상일 수 있으며, 2.5 % 이상일 수 있다. 상기 파단연신율의 상한에는 특별한 제한이 없으나, 파단연신율 향상을 위해 고분자 수지의 함량이 많아지는 경우, 자성복합체의 인턱턴스 등의 물성이 떨어질 수 있으므로, 상기 파단연신율은 10% 이하로 하는 것이 좋다.
상기 전기차용 자성복합체(310)는 충격 전후의 물성 변화가 적은 것을 중요한 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 전기차용 자성복합체(310)는 1m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 인덕턴스 변화율이 5% 미만일 수 있고, 3% 이하일 수 있다. 상기 인덕턴스의 변화율은 실질적으로 충격 전후에 나타나지 않는 0%인 것이 가장 좋다. 보다 구체적으로, 상기 전기차용 자성복합체는 1m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 인덕턴스 변화율이 0 내지 3 %일 수 있고, 0.001 내지 2 %일 수 있으며, 0.01 내지 1.5 %일 수 있다. 이러한 인덕턴스 변화율을 갖는 전기차용 자성복합체는 충격 전후의 인덕턴스 변화율이 상대적으로 적어서 보다 안정성이 향상된 자성복합체를 제공할 수 있다.
상기 전기차용 자성복합체(310)는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 Q Factor 변화율이 0 내지 5 %일 수 있고, 0.001 내지 4%일 수 있으며, 0.01 내지 2.5%일 수 있다. 이러한 값은 페라이트 자성시트와 비교하여 월등하게 우수한 결과로, 충격 전후의 물성 변화가 적어서 자성복합체의 안정성과 내충격성이 보다 향상된다는 것을 의미한다.
상기 전기차용 자성복합체(310)는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 저항 변화율이 0 내지 2.8 %일 수 있고, 0.001 내지 1.8%일 수 있으며, 0.1 내지 1.0%일 수 있다. 이러한 값은 페라이트 자성복합체와 비교하여 월등하게 우수한 결과로, 충격 전후의 저항값 변화가 적어서 자성복합체를 실재 충격과 진동이 가해지는 환경에서 반복하여 적용하더라도 저항값이 일정 수준 이하로 잘 유지되는 특성을 갖는다.
상기 전기차용 자성복합체(310)는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 충전효율 감소율이 0 내지 6.8 %일 수 있고, 0.001 내지 5.8%일 수 있으며, 0.01 내지 3.4%일 수 있다. 이러한 충전효율 감소율은 충격 후에도 상당히 적은 정도로 충전효율이 감소한다는 것을 의미하며, 이는 비교적 대면적으로 적용하는 자성복합체가 충격이나 뒤틀림이 반복적으로 발생하더라도 안정적인 물성을 제공할 수 있다는 것을 의미한다.
상기 충전효율은 특히 100 kHz 미만, 예를 들어 85 kHz에서 평가된 결과로, 휴대전화와 같은 휴대용 전자기기에서 적용하는 주파수와 구별되는 대역대에서 평가된 결과이다.
상기 전기차용 자성복합체(310)는 블록 형태로, 1 mm 이상의 두께를 가질 수 있고, 2 mm 이상의 두께를 가질 수 있으며, 3 mm 이상의 두께를 가질 수 있으며, 4 mm 이상의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 블록 형태의 전기차용 자성복합체(310)는 6 mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 이러한 블록 형태의 자성복합체는 사출성형 등의 방법으로 제조될 수 있으며 비교적 두꺼운 두께로 자성복합체를 제조할 수 있다는 장점이 있다.
상기 전기차용 자성복합체(310)는 시트 형태로, 80 um 이상의 두께를 가질 수 있고, 85 내지 150 um의 두께를 가질 수 있다. 이러한 시트 형태의 자성복합체의 제조에는 통상의 필름 또는 시트를 제조하는 방법이 적용될 수 있으며, 의도하는 면적과 크기로 우수한 수율로 자성복합체를 제조할 수 있다는 장점이 있다.
상기 전기차용 자성복합체(310)를 시트 형태의 것을 적층하여 적용하는 경우에는 상기 자성복합체(310)는 상기 시트형태의 자성복합체를 20장 이상 적층한 것일 수 있고, 50장 이상 적층한 것일 수 있다. 상기 전기차용 자성복합체(310)를 시트 형태의 것을 150장 이하로 적층한 것일 수 있고, 100 장 이하로 적층한 것일 수 있다.
상기 고분자 수지는 경화된 것을 특징으로 하고, 상기 자성복합체(310)는 자성 분말을 85 중량% 이상 함유하는 것을 특징으로 할 수 있다. 구체적으로, 상기 자성복합체는 상기 자성 분말을 85 내지 99 중량%로 포함할 수 있고, 88 내지 99 중량%로 포함할 수 있다.
상기 전기차용 자성복합체(310)는 100 kHz 미만의 주파수 영역에서 20 내지 150,000의 투자율을 갖는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 전기차용 자성복합체(310)는 85 kHz의 주파수에서 20 내지 150,000의 투자율을 갖는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 전기차용 자성복합체(310)는 100 kHz 미만의 주파수 영역에서 30 내지 300의 투자율을 갖는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 전기차용 자성복합체(310)는 85 kHz의 주파수에서 30 내지 300의 투자율을 갖는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 전기차용 자성복합체(310)는 100 kHz 미만의 주파수 영역에서 600 내지 3,500의 투자율을 갖는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 전기차용 자성복합체(310)는 85 kHz의 주파수에서 600 내지 3,500의 투자율을 갖는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 전기차용 자성복합체(310)는 100 kHz 미만의 주파수 영역에서 10,000 내지 150,000의 투자율을 갖는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 전기차용 자성복합체(310)는 85 kHz의 주파수에서 10,000 내지 150,000의 투자율을 갖는 것일 수 있다.
상기 자성복합체(310)는 자성 분말을 함유한다. 자성 분말은 퍼말로이(permalloy); 샌더스트(sendust); Fe-Si-Al, Fe-Si-Cr, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정질;을 포함하는 금속 자성 분말 또는 이들의 혼합 분말일 수 있다.
상기 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정질은 Fe가 70 내지 85 몰%, Si 및 B의 합이 10 내지 29 몰%, Cu와 Nb의 합이 1 내지 5 몰%로 포함되는 나노결정질로 예시적으로 Fe73.5CuNb3Si13.5B9 등이 포함된다. 이러한 나노결정질을 상기 금속 자성 분말에 포함하는 경우 보다 우수한 차폐 성능을 얻을 수 있다.
상기 자성 분말의 입경은 3 nm 내지 1 mm일 수 있다.
상기 자성복합체(310)는 고온 조건에서 견딜 수 있는 내열성과 다양한 부식 환경에서 견딜 수 있는 내부식성을 가질 수 있다.
상기 자성 분말이 혼입되는 고분자 수지로는 경화성 수지를 사용할 수 있고, 구체적으로 광경화성 수지, 열경화성 수지, 고내열 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 상기 경화성 수지는 폴리우레탄계 수지, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지 또는 에폭시 수지 등이 예시될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 고분자 수지는 폴리우레탄계 수지, 이소시아네이트계 경화제 및 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
상기 폴리우레탄계 수지는 약 500 내지 50,000g/mol의 범위, 약 10,000 내지 50,000g/mol의 범위 또는 약 10,000 내지 40,000g/mol의 범위의 수평균분자량을 가질 수 있다.
상기 이소시아네이트계 경화제는 유기 디이소시아네이트일 수 있다.
예를 들어, 상기 이소시아네이트계 경화제는 방향족 디이소시아네이트, 지방족 디이소시아네이트, 치환족 디이소시아네이트 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 에폭시계 수지는, 비스페놀 A 형 에폭시 수지, 비스페놀 F 형 에폭시 수지, 비스페놀 S 형 에폭시 수지, 테트라브로모비스페놀 A 형 에폭시 수지 등과 같은 비스페놀형 에폭시 수지; 스피로 고리형 에폭시 수지; 나프탈렌형 에폭시 수지; 비페닐형 에폭시 수지; 테르펜형 에폭시 수지; 트리스(글리시딜옥시페닐) 메탄, 테트라키스(글리시딜옥시페닐) 에탄 등과 같은 글리시딜 에테르형 에폭시 수지; 테트라글리시딜 디아미노디페닐메탄과 같은 글리시딜 아민형 에폭시 수지; 크레졸 노볼락형 에폭시 수지; 페놀 노볼락형 에폭시 수지, α-나프롤 노볼락형 에폭시 수지, 브롬화페놀 노볼락형 에폭시 수지 등과 같은 노볼락형 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 이들 에폭시계 수지는 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합해 이용될 수 있다.
상기 자성복합체(310)는 상기 고분자 수지를 1 내지 15 중량%로 포함할 수 있고, 1 내지 12 중량%로 포함할 수 있다.
또한, 상기 자성복합체(310)는 상기 고분자 수지 전체 중량을 기준으로, 75 내지 85 중량%의 폴리우레탄계 수지, 10 내지 18 중량%의 이소시아네이트계 경화제 및 3 내지 10 중량%의 에폭시계 수지를 포함할 수 있다(잔량은 자성 분말). 이러한 조성의 고분자 수지를 위에서 설명한 고분자 수지로 적용하는 경우 보다 복합체의 제조가 용이하면서도 물성이 우수한 자성복합체를 제공할 수 있다.
상기 자성복합체(310)는 자성 분말과 고분자 수지 조성물을 혼합하여 슬러리화 한 후 시트 형상으로 성형하고 경화(열 경화 등)하는 등의 시트화 과정으로 제조할 수 있으나, 일정한 두께를 갖는 대면적의 자성복합체를 제조하기 위해 사출성형의 방식으로 복합체 블록을 제조할 수 있다. 상기 제조의 방법에는 시트화 또는 블록화 방법에는 통상의 시트화 또는 블록화 방법이 적용될 수 있으며, 그 구체적인 방법에는 특별한 제한이 없다.
상기 나노결정립 자성체(350)은 나노크리스탈린 자성체 또는 연자성체를 포함하는 것으로, 예시적으로 Fe-Si-Al계 나노결정질 자성체, Fe-Si-Cr계 나노결정질 자성체, Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정질 자성체 등이 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정질은 Fe가 70 내지 85 몰%, Si 및 B의 합이 10 내지 29 몰%, Cu와 Nb의 합이 1 내지 5 몰%로 포함되는 나노결정질로 예시적으로 Fe73.5CuNb3Si13.5B9 등이 포함된다. 이러한 나노결정립 자성체(350)를 상기 자성복합체(310)와 함께 적층하여 적용하는 경우 보다 우수한 패드의 인덕턴스 증가 효과를 가져올 수 있다.
상기 자성복합체층(300)이, 상기 자성복합체(310)와 상기 나노결정립 자성체(350)의 적층체를 포함하는 경우, 상기 자성복합체에 의해 내충격성이 향상되고 상기 나노노결정립 자성체에 의해 인덕턴스 증가량이 향상되는 장점을 갖는다. 또한, 자성복합체층의 단위 밀도에 비해 인덕턴스 증가량이 월등하게 증가하고, 저항증가량이 감소하며, 정해진 부피의 자성복합체층이 적용되었을 때 동시에 얻기 어려운 무게의 감소와 충전효율의 향상이라는 효과를 함께 얻을 수 있다는 장점이 있다.
상기 자성복합체층(300)에 포함되는 상기 자성복합체(310)와 상기 나노결정립 자성체(350)는 1: 0.0001 내지 5의 두께비율로 적용될 수 있다. 상기 두께비율이 1: 0.0001 미만인 경우에는 나노결정립 자성체의 적층 효과가 실질적으로 미미할 수 있고, 1:5를 초과하는 경우에는 비용상 효율성이 떨어질 수 있다.
구체적으로, 상기 자성복합체층(300)에 포함되는 상기 자성복합체(310)와 상기 나노결정립 자성체(350)는 1: 0.01 내지 1의 두께비율로 적용될 수 있고, 0.01 내지 0.5의 두께비율로 적용될 수 있으며, 0.02 내지 0.1의 두께비율로 적용될 수 있고, 0.03 내지 0.7의 두께비율로 적용될 수 있다. 이러한 범위에서 상기 자성복합체와 상기 나노결정립 자성체를 함께 적용하는 경우 보다 빠른 충전속도를 갖는 패드조립체를 제공할 수 있다.
조립 전을 기준으로 하는 조립 후의 상기 패드조립체(500)의 인덕턴스 증가량은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 25 (%·cm3/kg) 이상일 수 있고, 30 (%·cm3/kg) 이상일 수 있으며, 35.5 (%·cm3/kg) 이상일 수 있고, 37 (%·cm3/kg) 이상일 수 있다. 또한, 상기 패드조립체(500)는 조립 전을 기준으로 하는 조립 후의 상기 패드조립체의 인덕턴스 증가량은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 50 (%·cm3/kg) 이하일 수 있고, 45 (%·cm3/kg) 이하일 수 있다. 이러한 인덕턴스 증가량은 비교적 무게가 무거운 페라이트와 동등 이상의 수준이며, 자성복합체 자체만을 적용한 경우보다 월등하게 향상되며, 내충격성도 향상된 수준에서 얻어지는 우수한 물성이다.
조립 전을 기준으로 조립 후의 상기 패드조립체(500)의 저항 증가량은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 40.0 (%·cm3/kg) 이하일 수 있고, 30.0 (%·cm3/kg) 이하일 수 있으며, 26.0 (%·cm3/kg) 이하일 수 있고, 20.0 (%·cm3/kg) 이하일 수 있다. 또한, 상기 패드조립체(500)는 조립 전을 기준으로 조립 후의 상기 패드조립체(500)의 저항 증가량은 음의 값을 가질 수 있으며, -20 (%·cm3/kg) 이상일 수 있다. 이러한 저항증가량은 나노결정립 자성체를 적용하는 경우 커지는 저항값을 대폭 줄여주는 결과로, 자성복합체와 나노결정립 자성체를 함께 적용하여 얻어지는 우수한 물성으로 생각된다.
조립 전을 기준으로 하는 조립 후의 상기 패드조립체(500)의 충전효율은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 19 (%·cm3/kg) 이상일 수 있고, 20 (%·cm3/kg) 이상일 수 있다. 또한, 조립 전을 기준으로 하는 조립 후의 상기 패드조립체(500)의 충전효율은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 30 (%·cm3/kg) 이하일 수 있고, 25 (%·cm3/kg) 이하일 수 있다. 이러한 충전효율 증가량은 특히 정해진 부피와 면적의 한계 조건 하에서 패드조립체를 적용할 때에, 자성복합체층에 의해 충전효율을 월등하게 향상시킬 수 있는 결과라 생각된다.
상기 패드조립체(500)는 SAE J2954 WPT2 Z2 Class standard TEST 규격 코일 및 프레임이 적용된 35.5m X 35.cm 크기의 수신패드에 5mm 두께의 자성복합체층(300)을 적용한 것을 기준으로 충전효율이 85% 이상일 수 있고, 89% 이상일 수 있으며, 99% 이하일 수 있고, 95% 이하일 수 있다.
상기 패드조립체(500)는 SAE J2954 WPT2 Z2 Class standard TEST 규격 코일 및 프레임이 적용된 35cm X 35cm 크기의 수신패드에 5mm 두께의 자성복합체층(300)을 적용한 것을 기준으로 저항 증가량이 200% 이하일 수 있고, 150% 이하일 수 있고, 음의 값을 가질 수 있으며 -80 % 이상일 수 있다.
상기 패드조립체(500)는 SAE J2954 WPT2 Z2 Class standard TEST 규격 코일 및 프레임이 적용된 35cm X 35cm 크기의 수신패드에 5mm 두께의 자성복합체층(300)을 적용한 것을 기준으로 인덕턴스 증가량이 150% 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기자동차(1)는 위에서 설명한 전기자동차의 전력수신용 패드조립체(500)를 포함한다. 상기 패드조립체와 이에 포함되는 자성복합체에 대한 내용은 위에서 한 설명과 중복되므로 그 기재를 생략한다. 상기 패드조립체(500)는 전기차의 무선충전의 수신부로 역할하고 전력공급부(2)와 함께 전기차의 효율적인 충전을 가능하게 한다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
1. 제조예
자성복합체의 재료
이하의 실시예에 사용된 재료들은 아래와 같다:
- 자성 분말: 샌더스트 분말, C1F-02A, Crystallite Technology
- 폴리우레탄계 수지: UD1357, 다이이치세이카공업㈜
- 이소시아네이트계 경화제: isophorone diisocyanate, Sigma-Aldrich
- 에폭시계 수지: 비스페놀 A형 에폭시 수지(에폭시 당량=189g/eq), EpikoteTM 828, Japan Epoxy Resin
- 나일론계 수지: 나일론 12, 3020, Ubesta, 나일론 6, B40, 바스프
- PP 계 수지: 5030, 대한 유화
실시예 1: 복합형 자성복합체의 제조
단계 1) 자성 분말 슬러리 제조
42.8 중량부의 자성 분말, 15.4 중량부의 폴리우레탄계 수지 분산액(폴리우레탄계 수지 25 중량%, 2-부탄온 75중량%), 1.0 중량부의 이소시아네이트계 경화제 분산액(이소시아네이트계 경화제 62 중량%, n-부틸 아세테이트 25 중량%, 2-부탄온 13 중량%), 0.4 중량부의 에폭시계 수지 분산액(에폭시계 수지 70 중량%, n-부틸 아세테이트 3 중량%, 2-부탄온 15 중량%, 톨루엔 12 중량%), 및 40.5 중량부의 톨루엔을 플래너터리 믹서(planetary mixer)에서 약 40 내지 50 rpm의 속도로 약 2시간 동안 혼합하여, 자성 분말 슬러리를 제조하였다.
단계 2) 복합형 자성 시트의 제조
앞서 제조된 자성 분말 슬러리를 캐리어 필름 상에 콤마 코터에 의해서 코팅하고, 약 110℃의 온도로 건조하여 건조 자성복합체를 형성하였다. 상기 건조 자성복합체를 약 170℃의 온도에서 약 9 Mpa의 압력으로 약 60분간 핫프레스 공정으로 압축 경화시켜 시트형 자성복합체를 얻었다. 이렇게 제조된 자성복합체의 자성 분말 함량은 약 90% 이었고, 시트 한 장의 두께는 약 100 um이었다. 상기 시트는 40 내지 50장을 적층하여 약 4.8 mm 두께의 자성복합체를 형성하여 이후 실험에 적용하였다.
실시예 2: 하이브리드형 자성 시트의 제조
실시예 1에서 제조한 복합형 자성 시트(두께 4.8 mm)의 일면 상에 나노결정립 자성체 시트(히타치 사 제조, 두께 0.2 mm)를 배치한 후 열압착하여 고정한 하이브리드형 자성시트(두께 5 mm)인 실시예 2의 자성 시트를 제조하였다.
비교예 1: 페라이트 자성 시트
TDK 사의 PC-95 페라이트 자성 시트(두께 5mm)를 사용하였다.
비교예 2: 나노결정립 자성체 자성시트
SKC사의 나노결정립 자성체 자성 시트를 두께 5 mm로 적층하여 사용하였다.
2. 자성복합체의 물성 평가
위의 실시예와 비교예의 시트는 아래에서 설명하는 방법으로 물성을 평가하고 그 결과를 표에 나타냈다.
1) 복합형 자성시트의 물성 평가
실시예 1의 복합형 시트와 비교예 1의 페라이트의 특성을 아래와 같은 방법으로 비교하였다.
충격 인가 방법
실시예 및 비교예의 샘플들을 1m의 높이에서 자유 낙하하여 충격을 인가하였다.
파단연신율의 평가
파단연신율은 UTM 기기(INSTRON 5982, INSTRON 社)를 이용하여 측정하였고, ASTM D412 Type C의 방법으로 충격 인가 전의 시트 70um에 대해서만 측정했다.
인덕턴스 변화율 평가
인덕턴스 변화율은 LCR Meter(IM3533, HIOKI 社)를 이용하여 충격 인가 전, 후의 인덕턴스를 측정하여 아래 식 (1)에 변화율을 계산하였다.
식 (1) 인덕턴스 변화율 = 100 * (충격인가 전의 인덕턴스- 충격인가 후의 인덕턴스)/(충격인가 전의 인덕턴스)
저항 변화율, Q Factor 변화율 등의 평가
저항의 변화율은 LCR Meter(IM3533, HIOKI 社)를 이용하여 충격 인가 전, 후의 인덕턴스를 측정하여 아래 식 (2)에 변화율을 계산하였다.
식 (2) 저항 변화율 = 100 * (충격인가 전의 저항- 충격인가 후의 저항)/(충격인가 전의 저항)
또한, 식 (3)을 이용하여 Q Factor의 변화율을 계산하였다.
식 (3) Q Factor 변화율 = 100 * (충격인가 전의 Q Factor 값- 충격인가 후의 Q Factor 값)/(충격인가 전의 Q Factor)
여기서, Q Factor = (인덕턴스 x 주파수 x 2π/저항)
충전효율의 감소정도 평가
충전효율은 충격 인가 전의 시트를 적용한 경우와 충격 인가 후의 시트를 적용한 경우에 각각 아래 식 (4)으로 계산하였으며, 충전효율은 출력전력 1000W, 주파수 85Khz의 조건에서 측정하였다.
식 (4) 충전효율 감소= 100 * (충격인가 전의 충전효율- 충격인가 후의 충전효율)/(충격인가 전의 충전효율)
모든 측정은 SAE J2954 WPT1 Z2 Class standard TEST 규격 코일 및 프레임을 적용하고 자성체, Spacer, 알루미늄플레이트를 쌓아 수신패드(35.5cmX35.5cm) 및 송신패드(67.48cmX59.1cm) 제조하여, 85 kHz 주파수에서 측정하였다.
충격인가 파단연신율 인덕턴스 Q Factor 저항 충전효율

비교예 1		 전 0 230 481 263 94
후 0 218 414 290 91

실시예 1		 전 3% 225 444 279 93
후 3% 225 442 280 93
(%) 파단연신율 인덕턴스 변화량
 Q Factor 변화율 저항 변화율
 충전효율 감소
비교예 1 0 5.2 14 10.3 3
실시예 1 3 0 0.36 0.36 0
위의 표 1의 결과를 참고하면, 파단연신율 평균값을 3%로 갖는 실시예 1의 시트가 페라이트 시트인 비교예 1의 시트와 비교하여 충격 전후의 인덕턴스, Q Factor, 저항 등의 요소들의 변화율이 0 내지 1의 범위로, 충격 인가 전후에도 상당히 미미한 변화만이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 반면에, 비교예 1의 시트는 인덕턴스, Q Factor, 저항 등의 요소들의 변화율이 상당한 수준으로 나타났으며, 특히 중전효율 감소의 평균값이 3%로 높게 나타나서, 충격 인가에 의해 충전 효율이 상당히 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이로부터 전기차와 같이 운행 과정에서 충격이 가해지기 쉬운 환경에서 무선충전기의 수신 패드로 안정적으로 적용하기에는 실시예 1의 시트가 더 우수하다는 것을 확인하였다.
2) 하이브리드 시트의 물성 평가
위의 실시예 및 비교예의 샘플들을 자성체 조립 후 인덕턴스의 변화 및 충전효율을 측정하였다. 자성체의 조립은 1)의 물성평가에서와 동일하게 진행했으며, 시트의 두께는 모두 5 mm로 동일하게 진행하였다.
인덕턴스 증가량의 평가
인덕턴스 증가량은 LCR Meter(IM3533, HIOKI 社)를 이용하여 자성체 조립 전의 인덕턴스를 측정하고, 실시예와 비교예의 자성체가 조립된 PAD의 인덕턴스를 측정하여 인덕턴스 증가량을 계산하였다.
저항 증가량의 평가
저항의 증가량은 LCR Meter(IM3533, HIOKI 社)를 이용하여 자성체 조립 전의 저항을 측정하고, 실시예와 비교예의 자성체가 조립된 PAD의 저항을 측정하여 저항의 증가량을 계산하였다.
밀도 측정
제조된 자성체의 전체의 밀도는 부피와 무게를 기준으로 계산되어 아래 표 3에 나타냈다.
충전효율 평가 1
충전효율은 SAE J2954 WPT2 Z2 Class standard TEST 방법으로 측정하였다. 구체적으로, SAE J2954 WPT2 Z2 Class standard TEST 규격 코일 및 프레임을 적용하고 5T(mm) 두께의 자성체, Spacer, 알루미늄플레이트를 쌓아 수신패드(35cmX35cm) 및 송신패드(75cmX60cm) 제조하여, 85 kHz 주파수에서 출력전력 6kw 로 동일한 조건에서 충전 효율을 평가했다.
　 인덕턴스 증가량
(%)		 저항
증가량
(%)		 충전
효율
(%)		 밀도
(kg/cm3)		 단위밀도당 인덕턴스증가량
(%·cm3/kg)*		 단위밀도당 저항증가량
(%·cm3/kg)* 		단위밀도당 충전효율
(%·cm3/kg)*
비교예 1 169 -13 91 4.81 35.14 -2.70 18.92
비교예 2 175 425 91 7.13 24.54 59.61 12.76
실시예 1 156 -19 89 4.32 36.11 -4.40 20.60
실시예 2 167 113 91 4.38 38.13 25.80 20.78
* 단위밀도당 인덕턴스 증가량 = (인덕턴스 증가량)/(자성복합체층의 밀도)
* 단위밀도당 저항 증가량 = (저항 증가량)/(자성복합체층의 밀도)
* 단위밀도당 충전효율 증가량 = (충전효율)/(자성복합체층의 밀도)
상기 표 3의 결과를 참고하면, 나노결정립 자성체를 적용한 비교예 2의 경우 충전효율은 우수하나 저항증가량이 상당히 증가하는 점이 확인되었다. 또한, 페라이트를 적용한 비교예 2의 경우는 인덕턴스 증가량도 우수하고 충전효율도 우수하나 밀도가 다소 커서 동일한 부피로 적용시에 무게가 증가한다는 점도 확인했다.
실시예 1의 복합시트의 경우 밀도가 낮아 동일한 부피에서 무게는 상대적으로 가벼운 편으로 우수하고, 단위밀도당 인덕턴스 증가량도 우수한 편이었으며, 저항증가량도 마이너스 값으로 우수한 특성을 가졌다. 실시예 2의 경우 인덕턴스 증가량은 페라이트나 나노결정립 자성체 자체와 유사한 수준으로 우수하게 평가되었고, 밀도도 나노결정립 자성체는 물론 페라이트와 비교하여도 낮게 평가되어 우수한 물성을 가졌다. 다만, 실시예 1과 비교하여 단위밀도당 저항증가량이 다소 떨어지는 결과를 보였으나, 전기차에 실장되는 수신패드의 특성상 수신패드 자체의 크기와 자성복합체층이 차지할 수 있는 부피에 실질적인 한계가 있고, 정해진 부피에 적용한다는 점에서는 실시예 1보다 우수한 충전효율을 가져올 수 있다는 점을 실험적으로 확인했다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 전기차, 전기자동차 2: 전력공급부
10: 수신장치, 패드조립체 100: 수신패드
200: 수신코일 210: 와이어
300: 자성복합체층 310: 자성복합체
350: 나노결정립 자성체
400: 커버층, 보호층 500: 전력수신용 패드조립체

Claims (9)

  1. 수신코일을 지지하는 수신패드; 외부와 와이어로 연결되며 상기 수신패드 상에 위치하는 수신코일; 그리고 상기 수신코일의 위 또는 아래에 배치되는 자성복합체층;을 포함하는 조립된 패드조립체로,
    조립 전을 기준으로 하는 조립 후의 상기 패드조립체의 인덕턴스 증가량은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 25 (%·cm3/kg) 이상 50 (%·cm3/kg) 이하인, 전기자동차의 전력수신용 패드조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자성복합체층은, 고분자 수지에 의해 서로 결합되는 자성분말들을 포함하고 파단연신율이 0.5 % 이상 10 % 이하인 자성복합체를 포함하는, 전기자동차의 전력수신용 패드조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자성복합체층은, 고분자 수지에 의해 서로 결합되는 자성분말들을 포함하는 자성복합체와 나노결정립 자성체의 적층체를 포함하는, 전기자동차의 전력수신용 패드조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    조립 전을 기준으로 조립 후의 상기 패드조립체의 저항 증가량은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 -20.0 (%·cm3/kg) 이상 40.0 (%·cm3/kg) 이하인, 전기자동차의 전력수신용 패드조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 패드조립체는 35cm X 35cm 크기의 수신패드에 5mm 두께의 자성복합체층을 적용한 것을 기준으로 충전효율이 85% 이상 99% 이하인, 전기자동차의 전력수신용 패드조립체.
  6. 수신코일을 지지하는 수신패드; 외부와 와이어로 연결되며 상기 수신패드 상에 위치하는 수신코일; 그리고 상기 수신코일의 위 또는 아래에 배치되는 자성복합체층;을 포함하는 조립된 패드조립체로,
    조립 전을 기준으로 하는 조립 후의 상기 패드조립체의 충전효율은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 19 (%·cm3/kg) 이상 30 (%·cm3/kg)이하인, 전기자동차의 전력수신용 패드조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 자성복합체층은, 고분자 수지에 의해 서로 결합되는 자성분말들을 포함하는 자성복합체와 나노결정립 자성체의 적층체를 포함하는, 전기자동차의 전력수신용 패드조립체.
  8. 제6항에 있어서,
    조립 전을 기준으로 조립 후의 상기 패드조립체의 저항 증가량은 상기 자성복합체층의 단위밀도당 -20.0 (%·cm3/kg) 이상 40.0 (%·cm3/kg) 이하인, 전기자동차의 전력수신용 패드조립체.
  9. 제1항 또는 제6항에 따른 전기자동차의 전력수신용 패드조립체를 포함하는 전기자동차.
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