KR102687976B1 - 무선충전을 위한 권선코일을 포함한 방열시트 - Google Patents
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Abstract
방열효과를 충분하게 유지하면서 고가의 열전도성물질의 사용량을 줄여서 가격이 저렴하고 인쇄회로기판의 방열을 효과적으로 수행하는 무선충전을 위한 권선코일이 포함한 방열시트를 제시한다. 그 방열시트는 권선코일이 내장된 세라믹기판 및 세라믹기판에 부착되어 권선코일에서 발생한 열을 방출하는 열전도층을 포함하고, 세라믹기판은 권선코일이 하부 세라믹층 및 상부 세라믹층 사이에 위치하고, 권선코일은 바인더층에 의해 고정된다.
Description
본 발명은 방열시트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 권선코일이 내장된 세라믹기판을 활용하여 무선 충전효율이 개선하기 위한 방열시트에 관한 것이다.
최근, 전기, 전자, 통신, 반도체 등이 종합적으로 조합되어 다양하게 접목된 정보통신 분야가 매우 빠른 속도로 발전하고 있다. 특히, 전자기기는 스마트폰, 전기자동차와 같이 모바일 형태로 변화되고 있어서, 전자기기에 무선으로 전력을 전송하여 충전하는 방안이 중요해지고 있다. 무선충전은 전력을 공급하는 송신기와 전력을 공급받는 수신기 간에 물리적인 접촉이 없이 자기결합(inductive coupling), 용량결합(capacitive coupling) 또는 안테나 등의 전자기장 공진구조를 이용하여 무선으로 전송한다. 무선충전 장치는 무선충전 동작 중에 코일의 저항과 자성체의 자기손실에 의해 열을 발생한다. 전자기기의 고밀도화 및 성능향상이 급속하게 이루지면서, 집적회로와 부품으로부터 발생되는 열의 영향이 심각해지고 있다. 이에 따라, 무선충전에서의 열의 영향을 줄이고 충전효율을 높이는 방열시트가 요구되고 있다.
종래의 방열시트는 국내등록특허 제10-1898605호 등에서는 구리, 흑연 등과 같은 열전도성이 높은 재질로 구성함으로써, 인쇄회로기판의 방열효과를 높이고자 하였다. 구체적으로, 종래에는 인쇄회로기판에 열전도성이 높은 흑연층 또는 구리가 포함된 흑연층을 포함하여 방열시트를 구성하였다. 그런데, 상기 흑연층은 열전도율이 높아서 방열효과가 우수하지만, 가격이 비싸서 원가측면에서 적용하기 어려워서 흑연의 사용량을 줄일 필요가 있다. 이에 따라, 방열효과를 충분하게 유지하면서 보다 저렴한 방열시트가 요구되고 있다. 또한, 방열을 담당하는 방열시트가 인쇄회로기판의 일면에만 부착되어서, 인쇄회로기판을 효과적으로 방열하지 못하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 방열효과를 충분하게 유지하면서 고가의 열전도성물질의 사용량을 줄여서 가격이 저렴하고 인쇄회로기판의 방열을 효과적으로 수행하는 무선충전을 위한 권선코일이 포함한 방열시트를 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 무선충전을 위한 권선코일이 포함한 방열시트는 권선코일이 내장된 세라믹기판 및 상기 세라믹기판에 부착되어 상기 권선코일에서 발생한 열을 방출하는 열전도층을 포함한다. 이때, 상기 세라믹기판은 상기 권선코일이 하부 세라믹층 및 상부 세라믹층 사이에 위치하고, 상기 권선코일은 바인더층에 의해 고정된다.
본 발명의 시트에 있어서, 상기 열전도층의 열전도성은 상기 세라믹기판의 열전도성이 비해 높다. 상기 열전도층은 흑연, 탄소섬유, 그래핀 중의 어느 하나 또는 그들의 혼합물로 이루어지거나, 또는 상기 흑연, 탄소섬유, 그래핀 중의 어느 하나 또는 그들의 혼합물에 전도성 금속이 혼합될 수 있다. 상기 세라믹기판은 금속산화물, 금속수산화물 및 금속질화물 중의 어느 하나 또는 그들의 혼합물일 수 있다. 상기 바인더층은 접착제로 이루어질 수 있다. 상기 바인더층은 상기 하부 세라믹층 및 상기 상부 세라믹층과 동일한 재질로 이루어질 수 있다. 상기 권선코일은 절연외피층에 의해 피복되고, 상기 절연외피층은 절연성 고분자수지 또는 에나멜 수지 중의 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 무선충전을 위한 권선코일을 포함한 방열시트에 의하면, 권선코일이 내장된 세라믹기판을 활용함으로써, 방열효과를 충분하게 유지하면서 고가의 열전도물질의 사용량을 줄여서 가격이 저렴하고 인쇄회로기판의 방열을 효과적으로 수행한다.
도 1은 본 발명에 의한 방열시트 및 종래의 방열시트를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 세라믹 기판을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명에 의한 방열시트 및 종래의 방열시트의 충전효율을 보여주는 그래프들이다.
도 2는 본 발명에 의한 세라믹 기판을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명에 의한 방열시트 및 종래의 방열시트의 충전효율을 보여주는 그래프들이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 과장되게 표현하였다. 한편, 도면들에 있어서, 막(층, 패턴) 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장될 수 있다. 또한, 막(층, 패턴)이 다른 막(층, 패턴)의 상, 상부, 하부, 일면에 있다고 언급되는 경우에, 그것은 다른 막(층, 패턴)에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 다른 막(층, 패턴)이 개재될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 권선코일이 내장된 세라믹기판을 활용함으로써, 방열효과를 충분하게 유지하면서 고가의 열전도물질의 사용량을 줄여서 가격이 저렴하고 인쇄회로기판의 방열을 효과적으로 수행하는 무선 충전을 위한 방열시트를 제시한다. 이를 위해, 권선코일이 내장된 세라믹기판에 대하여 자세하게 알아보고, 상기 세라믹기판에 의한 방열효과를 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예에 의한 무선충전은 전력을 공급하는 송신기와 전력을 공급받는 수신기 간에 물리적인 접촉 없이 자기결합(inductive coupling), 전자기장 공진구조에 적용된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 방열시트(100) 및 종래의 방열시트(P100)를 나타내는 도면이다. 다만, 엄밀한 의미의 도면을 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 도면에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다.
도 1에 의하면, 본 발명의 방열시트(100, a)는 세라믹기판(10), 차폐층(20) 및 열전도층(30)을 포함하여 이루어진다. 세라믹기판(10)에는 권선코일(12)이 내장되며, 권선코일(12)의 단부에는 방열시트(100)의 외부에 위치하는 안테나와 접속하기 위한 안테나 접속단자(15)가 배치된다. 세라믹기판(10)은 권선코일(12)을 내장하기 위한 하부 세라믹층(11)과 상부 세라믹층(14)을 포함하며, 권선코일(12)은 하부 및 상부 세라믹층(11, 14) 사이에 위치한다. 권선코일(12) 사이에는 바인더층(13)이 존재하여 권선코일(12)이 움직이지 않도록 고정한다.
차폐층(20)은 권선코일(12) 주위에 생성된 자기장의 자기경로(magnetic path)를 형성한다. 차폐층(20)은 산화물계 자성분말, 금속계 자성분말, 또는 이들의 혼합분말을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물계 자성분말은 페라이트계 분말, 상기 금속계 자성분말은 Fe-Si-Al 합금 자성분말, 또는 Ni-Fe 합금 자성분말일 수 있다. 차폐층(20)은 바인더 수지에 자성분말이 분산된 형태가 좋다. 상기 바인더 수지는 폴리이미드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리페닐설파이드(PSS) 수지, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 수지, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지, 에폭시 수지 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 차폐층(20)은 상기 자기경로를 효과적으로 구현하기 위해서, 본 발명의 범주 내에서 단일층 또는 복합층과 같이 다양하게 설계된다.
열전도층(30)은 구리와 같은 금속, 흑연, 탄소섬유, 그래핀, 수산화알루미늄, 산화알루미늄, 질화알루미늄, 질화붕소, 질화실리콘, 산화마그네슘, 산화아연 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 열전도성 물질을 포함한다. 바람직하게는, 열전도층(30)은 세라믹기판(10)보다 열전도성이 우수한 흑연, 탄소섬유, 그래핀 중의 어느 하나 또는 그들의 혼합물로 이루어지는 것이 좋다. 이때, 열전도성이 우수한 흑연, 탄소섬유, 그래핀 등에 열전도성이 우수한 전도성 금속, 예컨대 구리를 포함될 수 있다. 열전도층(30)은 3D 프린팅, 도금, 코팅, 인쇄, 증착 및 필름부착 중에서 선택된 적어도 하나의 방식으로 형성될 수 있으며, 열전도층(30)의 형성방법은 열거된 사례들로 한정되지는 않는다.
세라믹기판(10)은 다양한 방식으로 제조될 수 있으나, 크게 2가지 방식으로 제조될 수 있다. 첫 번째는 접합 방식으로, 먼저 권선코일(12)을 하부 세라믹층(11)에 배치하고 접착제로 이루어진 바인더층(13)을 도포한다. 그후, 상부 세라믹층(14)을 권선코일(12) 및 바인더층(13)을 정합하여 덮은 다음, 하부 세라믹층(11), 권선코일(12) 및 상부 세라믹층(14)을 접합시킨다. 상기 접합은 상온에서 이루어질 수 있으나, 가열과 압착을 통하여 제조될 수 있다. 이때, 하부 및 상부 세라믹층(11, 14)은 각각 동일한 물질 또는 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다. 하부 및 상부 세라믹층(11, 14)의 재질 및 두께는 권선코일(12)에 대한 방열효과를 고려하여 설정될 수 있다.
두 번째는 소결 방식으로, 소결을 위한 지그에 하부 세라믹층(11)을 위한 분말, 권선코일(12), 상부 세라믹층(14)을 위한 분말을 순차적으로 적층하고, 바인더층(13)을 위한 분말을 권선코일(12) 사이에 충진한다. 그후, 적절한 온도에서, 가압 및 성형을 하여, 상기 분말들을 단단하게 밀착시켜 고결한다. 소결 방식은 본 발명의 범주 내에서 제한이 없으며, 예컨대, 정수압소결법(Isostatic Pressing)을 활용할 수 있다. 이때, 소결 방식의 특성을 고려할 때, 하부 세라믹층(11), 바인더층(13) 및 상부 세라믹층(14)의 재질은 동일한 것이 좋으며, 하부 및 상부 세라믹층(11, 14)의 두께는 권선코일(12)에 대한 방열효과를 고려하여 설정될 수 있다.
권선코일(12)은 절연외피층(12a)으로 피복되며, 절연외피층(12a)은 권선코일(12)을 보호하면서, 바인더층(13)과의 결합이 잘 이루어지도록 한다. 권선코일(12)은 전도성 와이어로 이루어지며, 상기 전도성 와이어는 예를 들어, 구리, 니켈, 금, 은, 아연 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 전도성 금속으로 이루어질 수 있다. 절연외피층(12a)은 예를 들어, 절연성 고분자수지, 에나멜 수지로 이루어질 수 있다. 상기 절연성 고분자수지는 폴리염화비닐(PVC) 수지, 폴리에틸렌(PE) 수지, 테프론 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄 수지 등일 수 있다. 상기 에나멜 수지는 수지와 건성유를 가열 및 융합하여 건조제를 첨가하고 석유계 용제로 희석한 와니스에 안료를 넣어서 섞은 것이다. 절연외피층(12a)은 보호피막이라고도 한다.
세라믹기판(10)을 구성하는 재질은 열전도층(30)보다 열전도성이 낮지만, 단가가 저렴한 금속산화물, 금속수산화물, 금속질화물 중의 어느 하나 또는 그들의 혼합물이 적용될 수 있다. 예를 들어, 세라믹기판(10)은 수산화알루미늄, 산화알루미늄, 질화알루미늄, 질화붕소, 질화실리콘, 산화마그네슘, 산화아연 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
종래의 방열시트(P100, b)는 인쇄회로기판(P10), 차폐층(P20) 및 열전도층(P30)을 포함하여 적층된다. 이때, 차폐층(P20) 및 열전도층(P30)은 본 발명의 방열시트(100)의 차폐층(20) 및 열전도층(30)과 동일한 재질로 이루어질 수 있다. 인쇄회로기판(P10)에는 차폐층(P20)이 적층되고, 인쇄회로기판(P10)에는 본 발명의 방열시트(100)의 권선코일을 포함할 수 있다. 인쇄회로기판(P10)은 차폐층(P20) 부분에는 방열수단인 열전도층(P30)을 구비하지만, 다른 부분에서의 방열효과를 얻지 못한다. 종래의 방열시트(P100)는, 세라믹 기판(10)이 권선코일(12) 전체를 감싸서 방열하는 본 발명의 방열시트(100)에 비하여, 방열효과가 떨어진다.
권선코일(12)에서 발생한 열은 권선코일(12) 및 차폐층(20)의 자기특성을 변화시켜 송신패드와 수신패드 간의 임피던스 불일치를 유발하여, 충전효율이 저하되고 이로 인해 발열이 심화된다. 그런데, 종래의 방열시트(P100)는 본 발명의 방열시트(100)에 비하여, 방열효과가 떨어지므로, 열전도층(P30, 30)의 두께에 차이를 두고 있다. 구체적으로, 본 발명의 방열시트(100)의 열전도층(30)은 제1 두께(T1)을 가지나, 종래의 방열시트(P100)의 열전도층(P30)은 제2 두께(T2)를 가진다. 이때, 본 발명의 방열시트(100)와 종래의 방열시트(P100)의 방열효과를 고려할 때, 제1 두께(T1)은 제2 두께(T2)에 비해 작다. 즉, 열전도층(30)의 제1 두께(T1)를 얇게 하더라도, 방열효과를 충분하게 획득할 수 있다. 열전도층(30)의 제1 두께(T1)가 작으면, 열전도성 물질의 사용을 줄여서 상대적으로 가격이 저렴하다.
세라믹기판(10)에 권선코일(12)을 내장함으로써, 종래의 인쇄회로기판(P10)을 대체할 수 있다. 종래의 인쇄회로기판(P10)을 대체하고 열전도층(30)의 두께를 줄이면, 방열시트(100)의 전체적인 두께가 얇아져서 원가절감을 이룰 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 세라믹기판(10)을 설명하기 위한 도면들이다. 이때, (a)는 하부 세라믹층(11) 방향으로 바라본 도면이고, (b)는 상부 세라믹층(14) 방향으로 바라본 도면이다.
도 2에 의하면, 하부 세라믹층(11) 및 상부 세라믹층(14) 사이에는 권선코일(12)이 위치한다. 권선코일(12)은 평면코일 형태로 감길 수 있다. 구체적으로, 권선코일(12)은 평면 나선코일(planar spiral coil)을 포함할 수 있다. 권선코일(12)의 형태는 타원형, 다각형, 또는 모서리가 둥근 다각형의 형태일 수 있으나, 특별히 한정되지 않는다. 권선코일(12)의 감긴 횟수는 구체적인 일례로서, 10회 내지 30회 감아 형성된 것일 수 있다. 권선코일(12)에서 상기 전도성 와이어의 간격은 0.1cm 내지 1cm, 0.1cm 내지 0.5cm, 또 는 0.5cm 내지 1cm일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 방열시트(100,a)는 종래의 방열시트(P100, b)에 비하여, 도 3에서와 같이 무선충전시간이 단축되고 전류변환횟수가 감소하였다. 이때, 가로축은 시간, 세로축은 전압 및 전류를 나타내었다. 상기 무선충전시간은 일반적으로 무선충전기에 적용할 때, 완전충전(full charge)를 효율적으로 충전 가능한 시간을 의미한다. 상기 전류변환회수는 무선충전을 할 때, 전류의 변환이 많을수록 충전 지속시간이 짧아진다는 것을 말한다. 전류변환횟수가 적으면 그만큼 일정한 전류로 충전이 가능하다. 이때, 차폐층(20, P20) 및 열전도층(30, P30) 각각 페라이트계 분말 및 구리가 혼합된 흑연을 포함하여 이루어지고, 차폐층(20, P20)의 두께는 114.5㎛이었다. 열전도층(30, P30)의 두께는 각각 35㎛, 17㎛이었다.
상기 측정방법에 의해 측정된 본 발명의 방열시트(100)에 의한 무선충전시간 및 전류변환횟수는 각각 117분 및 2회이었다. 이에 반해, 종래의 방열시트(P100)의 무선충전시간 및 전류변환횟수는 각각 129분 및 21회이었다. 즉, 본 발명의 방열시트(100)를 적용하면, 무선충전시간이 감소하여 완전충전에 효율적으로 도달하였다. 또한, 본 발명의 방열시트(100)가 적용된 무선충전기는 전류변환횟수가 급격하게 줄어들어 종래에 비해 충전 지속시간이 획기적으로 증가하였다. 본 발명의 방열시트(100)는 종래에 비하여, 충전효율이 최소 14% 이상 향상되었고, 충전효율의 향상을 고려할 때 충분한 방열효과를 얻을 수 있었다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10; 세라믹기판
11, 14; 하부 및 상부 세라믹층
12; 권선코일 13; 바인더층
15; 안테나 접속단자
20; 차폐층 30; 열전도층
11, 14; 하부 및 상부 세라믹층
12; 권선코일 13; 바인더층
15; 안테나 접속단자
20; 차폐층 30; 열전도층
Claims (7)
- 권선코일이 내장된 세라믹기판; 및
상기 세라믹기판에 부착되어 상기 권선코일에서 발생한 열을 방출하는 열전도층을 포함하고,
상기 세라믹기판은,
상기 권선코일이 하부 세라믹층 및 상부 세라믹층 사이에 위치하고, 상기 권선코일은 바인더층에 의해 고정되며,
상기 권선코일 및 상기 바인더층은 상기 하부 세라믹층 및 상기 상부 세라믹층에 의해 양측이 덮이는 것을 특징으로 하는 무선충전을 위한 권선코일을 포함한 방열시트. - 제1항에 있어서, 상기 열전도층의 열전도성은 상기 세라믹기판의 열전도성이 비해 높은 것을 특징으로 하는 무선충전을 위한 권선코일을 포함한 방열시트.
- 제1항에 있어서, 상기 열전도층은 흑연, 탄소섬유, 그래핀 중의 어느 하나 또는 그들의 혼합물로 이루어지거나, 또는 상기 흑연, 탄소섬유, 그래핀 중의 어느 하나 또는 그들의 혼합물에 전도성 금속이 혼합되는 것을 특징으로 하는 무선충전을 위한 권선코일을 포함한 방열시트.
- 제1항에 있어서, 상기 세라믹기판은 금속산화물, 금속수산화물 및 금속질화물 중의 어느 하나 또는 그들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 무선충전을 위한 권선코일을 포함한 방열시트.
- 제1항에 있어서, 상기 바인더층은 접착제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선충전을 위한 권선코일을 포함한 방열시트.
- 제1항에 있어서, 상기 바인더층은 상기 하부 세라믹층 및 상기 상부 세라믹층과 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선충전을 위한 권선코일을 포함한 방열시트.
- 제1항에 있어서, 상기 권선코일은 절연외피층에 의해 피복되고, 상기 절연외피층은 절연성 고분자수지 또는 에나멜 수지 중의 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선충전을 위한 권선코일을 포함한 방열시트.
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