KR102683460B1

KR102683460B1 - 저손실 평면형 스파이럴 코일

Info

Publication number: KR102683460B1
Application number: KR1020210140292A
Authority: KR
Inventors: 문정익; 고광진; 김상원; 김성민; 윤재훈; 조인귀
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2024-07-11
Also published as: KR20230056353A; US20230120470A1

Abstract

저손실 평면형 스파이럴 코일이 개시된다. 스파이럴 코일은 N 회 턴 수로 감겨진 도선으로 구성되고, 각각의 턴 수에 대응하는 도선은 평평한 하면을 기준으로 상기 스파이럴 코일의 중심과 가까운 내면과 상기 내면의 반대쪽에 위치한 외면이 서로 다른 높이를 가지고, 상기 내면과 외면의 최상단을 잇는 상면의 수직 단면이 일정한 높이 변화량을 가지도록 형성될 수 있다.

Description

저손실 평면형 스파이럴 코일{LOW LOSS PLANAR SPIRAL COIL}

본 발명은 저손실 평면형 스파이럴 코일에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 와전류에 의한 코일의 저항을 줄일 수 있도록 설계하여 코일의 성능을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

코일은 자기장을 이용하는 무선충전기술 뿐 아니라 일반회로의 인덕터 설계에서 필수 요소이다. 특히, 시스템 소형화를 위한 평면형 스파이럴 코일은 인쇄회로기판(PCB)을 이용하므로 금속 두께(또는 높이)가 매우 얇게 제작되어 단면적이 작다. 따라서 작은 단면적으로 인해 발생하는 높은 저항을 줄이기 위해선 금속의 높이를 증가시켜야 하지만 인쇄회로기판의 특성상 금속 두께를 수백 이상으로 제작하기 어려운 관계로 코일을 구성하는 각 턴(turn)의 폭(width)이나 턴의 간격(pitch)을 조정하거나, 후처리 과정에서 금속(니켈 또는 은, 금)의 도금 두께를 늘이는 등 다양한 노력들을 기울이고 있다.

스파이럴 코일의 저항은 주파수에 따른 표피효과 뿐 아니라 턴 간의 간격(pitch)이 줄어든 환경에서 각 턴의 변(edge)에 몰리는 높은 전하밀도로 인해 발생하는 근접효과(proximity effect), 그리고 인덕터에서 발생하는 자기장이 각 턴의 금속 표면에 수직방향으로 입사되어 반작용으로 발생하는 와전류(Eeddy current)의 영향으로 전류분포의 불균형이 생겨 저항이 증가한다.

한편, 최근에는 구리를 이용하는 3차원 프린팅 기술의 개발로 다양한 구조의 금속 모형을 제작할 수 있게 되었다. 따라서, 평면형 스파이럴 코일을 개발하는데 이러한 기술을 적용할 경우 현재보다 손실이 적은 다양한 코일 모델을 설계할 수 있다.

따라서, 최근에는 이러한 기술을 이용한 저손실 평면형 스파이럴 코일의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 스파이럴 코일을 구성하는 도선의 형태를 다양한 구조를 가지도록 함으로써 와전류에 의한 코일의 저항을 줄이는 저손실 평면형 스파이럴 코일을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따른 스파이럴 코일은 N 회 턴 수로 감겨진 도선으로 구성되고, 각각의 턴 수에 대응하는 도선은 평평한 하면을 기준으로 상기 스파이럴 코일의 중심과 가까운 내면과 상기 내면의 반대쪽에 위치한 외면이 서로 다른 높이를 가지고, 상기 내면과 외면의 최상단을 잇는 상면의 수직 단면이 일정한 높이 변화량을 가지도록 형성될 수 있다.

상기 도선은 상기 스파이럴 코일의 내면이 외면 보다 높게 형성될 수 있다.

상기 도선은 상기 스파이럴 코일의 내면이 외면 보다 낮게 형성될 수 있다.

상기 스파이럴 코일의 내면과 외면의 높이 차이는 상기 도선의 폭에 비례할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 스파이럴 코일은 N 회 턴 수로 감겨진 도선으로 구성되고, 각각의 턴 수에 대응하는 도선은 평평한 하면을 기준으로 상기 스파이럴 코일의 중심과 가까운 내면과 상기 내면의 반대쪽에 위치한 외면이 서로 다른 높이를 가지고, 상기 내면과 외면의 최상단을 잇는 상면의 수직 단면이 일정하지 않은 높이 변화량을 가지도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 스파이럴 코일은 N 회 턴 수로 감겨진 도선으로 구성되고, 각각의 턴 수에 대응하는 도선은 평평하지 않은 하면을 기준으로 상기 스파이럴 코일의 중심과 가까운 내면과 상기 내면의 반대쪽에 위치한 외면이 서로 다른 높이를 가지고, 상기 내면과 외면의 최상단을 잇는 상면의 수직 단면 및 상기 내면과 외면의 최하단을 잇는 하면의 수직 단면이 일정하지 않은 높이 변화량을 가지도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 스파이럴 코일을 구성하는 도선의 형태를 다양한 구조를 가지도록 함으로써 와전류에 의한 코일의 저항을 줄이는 저손실 평면형 스파이럴 코일을 제공할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 스파이럴 코일의 구조를 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스파이럴 코일의 형상을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스파이럴 코일의 형상을 나타내 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 스파이럴 코일의 형상을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 스파이럴 코일의 구조를 도시한 도면이다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 스파이럴 코일의 구조를 나타낸다. 스파이럴 코일은 도선이 일정한 반경의 원으로 형성될 수 있는데, 이러한 구조의 스파이럴 코일은 도선의 길이가 늘어남으로써 인덕턴스를 향상 시킬 수 있으며, 반경이 서로 다른 도선으로 설계가 가능한 장점을 가질 수 있다.

다시 말하자면, 자기장의 세기를 증가시키기 위하여 동일한 도선을 동일한 직경으로 여러 번 감는 형태의 코일은 물리적으로 복수의 층을 가지는 헬리컬 구조로 형성됨으로써 소형 기기에 내장하기 어려운 문제가 있으나 본 발명의 도 1a에서 제시되는 구조의 스파이럴 코일은 도선을 서로 다른 반경을 가지도록 하여 단층 또는 2층 구조로 설계함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다. 이때, 도 1a와 같은 스파이럴 코일의 중심에서 첫번째 도선까지의 거리는 내경(Rin)을 나타내고, 마지막 도선까지의 거리는 외경(Rout)으로 나타낼 수 있다.

도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 스파이럴 코일의 단면 구조를 나타낸다. 구체적으로 도 1a에서 A-A'부분의 단면을 보면 N 회 턴 수로 감겨진 도선에서 복수의 도선이 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다.

도 1b와 같이 각 턴을 구성하는 금속 도선패턴의 높이(H)는 서로 동일하며 비아홀(via hole)을 사용하여 유전체의 상하에 있는 금속패턴이 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 스파이럴 코일은 앞서 설명한 바와 같이 도선의 전류밀도가 서로 다르거나, 마주보는 도선의 각 면에 분포한 전류에 의해 저항이 증가하는 단점을 가지게 되어, 도선의 간격(S)과 도선의 폭(W)를 조절함으로써 저항을 낮출 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스파이럴 코일의 형상을 나타낸 도면이다.

본 발명에서 제안하는 제1 실시예에 따른 스파이럴 코일의 형상은 와전류에 의한 전류의 불균형, 즉 스파이럴 코일의 중심방향으로 전류밀도가 높아지고, 스파이럴 코일의 바깥방향으로 전류밀도가 낮아지는 전류분포를 고려하여 도선의 상면이 서로 다른 높이를 가지도록 함으로써 저항을 낮출 수 있다.

보다 구체적으로 제1 실시예에 따른 스파이럴 코일은 유전체 상에 배치되는 도선이 평평한 하면을 기준으로 코일의 중심과 가까운 내면과 해당 내면의 반대쪽에 위치한 외면이 서로 다른 높이를 가질 수 있다. 이때, 제1 실시예에 따른 스파이럴 코일은 도선의 내면과 외면의 최상단을 잇는 상면의 수직 단면이 일정한 높이 변화량을 가지도록 형성될 수 있다.

일례로, 제1 실시예에 따른 스파이럴 코일은 도 2a와 같이 코일의 중심과 가까운 도선의 내면 높이(H_High)가 반대면인 외면 높이(H_Low) 보다 높도록 형성될 수 있으며, 이와 같은 도선의 형상은 저항을 감소시키는 효과가 있다.

이때, 코일의 중심과 가까운 도선의 내면과 반대면인 외면의 높이 차이(H_High-H_Low)는 도선 폭(W)에 비례하지만 선형적일 필요는 없다.

이와는 달리 제1 실시예에 따른 스파이럴 코일은 도 2b와 같이 코일의 중심과 먼 도선의 외면 높이(H_High)가 반대면인 내면 높이(H_Low) 보다 높도록 형성될 수 있으며, 이와 같은 도선의 형상은 저항을 감소시키는 효과가 있다.

마찬가지로, 코일의 중심과 먼 도선의 외면과 반대면인 내면의 높이 차이(H_High-H_Low)는 도선 폭(W)에 비례하지만 선형적일 필요는 없다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스파이럴 코일의 형상을 나타내 도면이다.

본 발명에서 제안하는 제2 실시예에 따른 스파이럴 코일의 형상 역시 와전류에 의한 전류의 불균형 문제를 해결하여 도선의 저항을 낮추는 방법을 제공한다.

보다 구체적으로 제2 실시예에 따른 스파이럴 코일은 유전체 상에 배치되는 도선이 평평한 하면을 기준으로 코일의 중심과 가까운 내면과 해당 내면의 반대쪽에 위치한 외면이 서로 다른 높이를 가질 수 있다. 이때, 제2 실시예에 따른 스파이럴 코일은 도선의 내면과 외면의 최상단을 잇는 상면의 수직 단면이 일정하지 않은 높이 변화량을 가지도록 형성될 수 있다.

일례로, 제2 실시예에 따른 스파이럴 코일은 도 3과 같이 도선의 내면과 외면의 최상단을 잇는 상면의 수직 단면이 서로 다른 높이 변화량을 가지는 단면으로 구현될 수 있다. 도 3의 (a)는 0의 높이 변화량을 가지다가 음의 높이 변화량을 가지는 상면의 수직 단면을 나타내고, (b)는 양의 높이 변화량을 가지다고 음의 높이 변화량을 가지는 상면의 수직 단면을 나타내며, (c)는 양의 높이 변화량을 가지다가 0의 높이 변화량으로 변형되고, 다시 음의 높이 변화량을 가지는 상면의 수직 단면을 나타낸다.

이와 같은 서로 다른 높이 변화량을 가지는 상면의 수직 단면으로 구현된 스파이럴 코일의 도선의 형상은 저항을 감소시키는 효과가 있다. 이때, 도 3에서는 상면의 수직 단면으로 3가지 형태를 제시하였으나, 이와 같은 상면의 수직 단면은 상기의 3가지 형태에 제한되지 않고, 다양한 형태로 구현될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 스파이럴 코일의 형상을 나타낸 도면이다.

본 발명에서 제안하는 제3 실시예에 따른 스파이럴 코일의 형상 역시 와전류에 의한 전류의 불균형 문제를 해결하여 도선의 저항을 낮추는 방법을 제공한다.

보다 구체적으로 제3 실시예에 따른 스파이럴 코일은 유전체 상에 배치되는 도선이 제1 실시예 및 제2 실시예와는 달리 평평하지 않은 하면을 기준으로 코일의 중심과 가까운 내면과 해당 내면의 반대쪽에 위치한 외면이 서로 다른 높이를 가질 수 있다. 이때, 제3 실시예에 따른 스파이럴 코일은 도선의 내면과 외면의 최상단을 잇는 상면의 수직 단면 및 내면과 외면의 최하단을 잇는 하면의 수직 단면이 일정하지 않은 높이 변화량을 가지도록 형성될 수 있다.

일례로, 제3 실시예에 따른 스파이럴 코일은 도 4과 같이 도선의 내면과 외면의 최상단을 잇는 상면의 수직 단면 및 내면과 외면의 최하단을 잇는 하면의 수직 단면이 서로 다른 높이 변화량을 가지는 단면으로 구현될 수 있다.

이때, 제3 실시예에 따른 스파이럴 코일의 도선은 제2 실시예에 따른 도선의 형상이 서로 혼합된 형태로 형성될 수 있다.

이상과 같은 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 스파이럴 코일의 도선은 3차원 금속 프린팅을 이용하여 제작될 수 있고, 모델의 크기가 완전히 결정된 경우 금형을 이용하여 대량 생산될 수도 있다. 또한, 제작된 스파이럴 코일의 도선은 인쇄회로기판에 접착제를 사용하여 유전체상에 직접 부착될 수 있고, 인쇄회로기판에 미리 생성된 도선의 형상 또는 일부 형상의 금속패턴에 납땜이나 용접으로 부착될 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성되어 마그네틱 저장매체, 광학적 판독매체, 디지털 저장매체 등 다양한 기록 매체로도 구현될 수 있다.

본 명세서에 설명된 각종 기술들의 구현들은 디지털 전자 회로조직으로, 또는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어로, 또는 그들의 조합들로 구현될 수 있다. 구현들은 데이터 처리 장치, 예를 들어 프로그램가능 프로세서, 컴퓨터, 또는 다수의 컴퓨터들의 동작에 의한 처리를 위해, 또는 이 동작을 제어하기 위해, 컴퓨터 프로그램 제품, 즉 정보 캐리어, 예를 들어 기계 판독가능 저장 장치(컴퓨터 판독가능 매체) 또는 전파 신호에서 유형적으로 구체화된 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수 있다. 상술한 컴퓨터 프로그램(들)과 같은 컴퓨터 프로그램은 컴파일된 또는 인터프리트된 언어들을 포함하는 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 기록될 수 있고, 독립형 프로그램으로서 또는 모듈, 구성요소, 서브루틴, 또는 컴퓨팅 환경에서의 사용에 적절한 다른 유닛으로서 포함하는 임의의 형태로 전개될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 하나의 사이트에서 하나의 컴퓨터 또는 다수의 컴퓨터들 상에서 처리되도록 또는 다수의 사이트들에 걸쳐 분배되고 통신 네트워크에 의해 상호 연결되도록 전개될 수 있다.

컴퓨터 프로그램의 처리에 적절한 프로세서들은 예로서, 범용 및 특수 목적 마이크로프로세서들 둘 다, 및 임의의 종류의 디지털 컴퓨터의 임의의 하나 이상의 프로세서들을 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 판독 전용 메모리 또는 랜덤 액세스 메모리 또는 둘 다로부터 명령어들 및 데이터를 수신할 것이다. 컴퓨터의 요소들은 명령어들을 실행하는 적어도 하나의 프로세서 및 명령어들 및 데이터를 저장하는 하나 이상의 메모리 장치들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 컴퓨터는 데이터를 저장하는 하나 이상의 대량 저장 장치들, 예를 들어 자기, 자기-광 디스크들, 또는 광 디스크들을 포함할 수 있거나, 이것들로부터 데이터를 수신하거나 이것들에 데이터를 송신하거나 또는 양쪽으로 되도록 결합될 수도 있다. 컴퓨터 프로그램 명령어들 및 데이터를 구체화하는데 적절한 정보 캐리어들은 예로서 반도체 메모리 장치들, 예를 들어, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory), DVD(Digital Video Disk)와 같은 광 기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 롬(ROM, Read Only Memory), 램(RAM, Random Access Memory), 플래시 메모리, EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM) 등을 포함한다. 프로세서 및 메모리는 특수 목적 논리 회로조직에 의해 보충되거나, 이에 포함될 수 있다.

또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용매체일 수 있고, 컴퓨터 저장매체 및 전송매체를 모두 포함할 수 있다.

본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안 되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. 개별적인 실시형태의 문맥에서 본 명세서에 기술된 특정한 특징들은 단일 실시형태에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시형태의 문맥에서 기술한 다양한 특징들 역시 개별적으로 혹은 어떠한 적절한 하위 조합으로도 복수의 실시형태에서 구현 가능하다. 나아가, 특징들이 특정한 조합으로 동작하고 초기에 그와 같이 청구된 바와 같이 묘사될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우에 그 조합으로부터 배제될 수 있으며, 그 청구된 조합은 하위 조합이나 하위 조합의 변형물로 변경될 수 있다.

마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 또한, 상술한 실시형태의 다양한 장치 컴포넌트의 분리는 그러한 분리를 모든 실시형태에서 요구하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 설명한 프로그램 컴포넌트와 장치들은 일반적으로 단일의 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다중 소프트웨어 제품에 패키징 될 수 있다는 점을 이해하여야 한다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims

스파이럴 코일에 있어서,
비아홀이 형성된 유전체;
상기 유전체의 상면에 N 회 턴 수로 감겨진 제1 도선; 및
상기 유전체의 하면에 배치되어 상기 비아홀을 통해 제1 도선과 전기적으로 연결되는 제2 도선
을 포함하고,
각각의 턴 수에 대응하는 제1 도선은,
상기 유전체의 상면을 기준으로 상기 스파이럴 코일의 중심과 가까운 내면과 상기 내면의 반대쪽에 위치한 외면이 서로 다른 높이를 가지고,
상기 내면과 외면의 최상단을 잇는 상기 제1 도선의 상면에 대한 수직 단면이 일정한 높이 변화량을 가지도록 형성되는 스파이럴 코일.
제1항에 있어서,
상기 제1 도선은,
상기 스파이럴 코일의 중심과 가까운 내면이 상기 내면의 반대쪽에 위치한 외면 보다 높게 형성되는 스파이럴 코일.
제1항에 있어서,
제1항에 있어서,
상기 제1 도선은,
상기 스파이럴 코일의 중심과 가까운 내면이 상기 내면의 반대쪽에 위치한 외면 보다 낮게 형성되는 스파이럴 코일.
제1항에 있어서,
상기 제1 도선의 내면과 외면의 높이 차이는,
상기 제1 도선의 폭에 비례하는 스파이럴 코일
스파이럴 코일에 있어서,
비아홀이 형성된 유전체;
상기 유전체의 상면에 N 회 턴 수로 감겨진 제 1도선; 및
상기 유전체의 하면에 배치되어 상기 비아홀을 통해 제1 도선과 전기적으로 연결되는 제2 도선
을 포함하고,
각각의 턴 수에 대응하는 제1 도선은,
상기 유전체의 상면을 기준으로 상기 스파이럴 코일의 중심과 가까운 내면과 상기 내면의 반대쪽에 위치한 외면이 서로 다른 높이를 가지고,
상기 내면과 외면의 최상단을 잇는 상기 제1 도선의 상면에 대한 수직 단면이 일정하지 않은 높이 변화량을 가지도록 형성되는 스파이럴 코일.
제5항에 있어서,
상기 제1 도선은,
상기 스파이럴 코일의 중심과 가까운 내면이 상기 내면의 반대쪽에 위치한 외면 보다 높게 형성되는 스파이럴 코일.
제5항에 있어서,
상기 제1 도선은,
상기 스파이럴 코일의 중심과 가까운 내면이 상기 내면의 반대쪽에 위치한 외면 보다 낮게 형성되는 스파이럴 코일.
제5항에 있어서,
상기 제1 도선의 내면과 외면의 높이 차이는,
상기 제1 도선의 폭에 비례하는 스파이럴 코일.
스파이럴 코일에 있어서,
비아홀이 형성된 유전체;
상기 유전체의 상면에 N 회 턴 수로 감겨진 제1 도선; 및
상기 유전체의 하면에 배치되어 상기 비아홀을 통해 제1 도선과 전기적으로 연결되는 제2 도선
을 포함하고,
각각의 턴 수에 대응하는 제1 도선은,
상기 유전체의 상면을 기준으로 상기 스파이럴 코일의 중심과 가까운 내면과 상기 내면의 반대쪽에 위치한 외면이 서로 다른 높이를 가지고,
상기 내면과 외면의 최상단을 잇는 상기 제1 도선의 상면에 대한 수직 단면 및 상기 내면과 외면의 최하단을 잇는 상기 제1 도선의 하면에 대한 수직 단면이 일정하지 않은 높이 변화량을 가지도록 형성되는 스파이럴 코일.
제9항에 있어서,
상기 제1 도선은,
상기 스파이럴 코일의 중심과 가까운 내면이 상기 내면의 반대쪽에 위치한 외면 보다 높게 형성되는 스파이럴 코일.
제9항에 있어서,
상기 제1 도선은,
상기 스파이럴 코일의 중심과 가까운 내면이 상기 내면의 반대쪽에 위치한 외면 보다 낮게 형성되는 스파이럴 코일.
제9항에 있어서,
상기 제1 도선의 내면과 외면의 높이 차이는,
상기 제1 도선의 폭에 비례하는 스파이럴 코일.