KR20130123857A - 무선전력 송전장치 및 무선전력 수전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 공명 방식을 채용하고 안테나부를 구성하는 안테나 중 적어도 어느 하나의 안테나가 복수 개의 적층된 코일로 구성되어 그 안테나부의 직경을 최소화할 수 있는 무선전력 송전장치 및 무선전력 수전장치에 관한 것이다.

Description

무선전력 송전장치 및 무선전력 수전장치{WIRELESS POWER TRANSFER DEVICE AND WIRELESS POWER RECEIVING DEVICE}

본 발명은 무선전력 송전장치 및 무선전력 수전장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 자기 공명 방식을 채용하며 안테나부를 구성하는 안테나 중 적어도 어느 하나의 안테나가 복수 개의 적층된 코일로 구성된 무선전력 송전장치 및 무선전력 수전장치에 관한 것이다.

무선전력전송이란 종래의 유선으로 된 전력선 대신 무선으로 가전기기나 전기자동차에 전원을 공급하는 기술을 말하며, 종래에 가전기기 등을 충전하기 위해서 전원 콘센트로부터 가전기기 또는 충전기기로 유선으로 된 전원 케이블을 연결하지 않고도 무선으로 가전기기 등을 충전할 수 있다는 장점 때문에 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화 또는 연구 중인 무선전력전송 기술은 크게 4가지 방식으로 분류할 수 있다. 그 중 하나는 고출력 마이크로파 방사 방식으로서, 이 방식은 수 GHz 대의 주파수를 사용하여 고출력 전송이 가능하므로 원거리 전송을 할 수 있는 반면에, 인체에의 유해성 및 직진성 등의 문제로 인해 상용화되지 못하고 있다.

다른 하나는 방사(radiative) 방식의 근거리 전송 방식으로서, 이 방식은 UHF(Ultra High Frequency) 대역의 RFID/USN 주파수 대역 또는 2.4 GHz ISM 대역을 이용한 RFID 서비스이며, 현재는 유통 및 물류 분야 등의 일정 분야에서 상용화된 상태이며, 방사 손실에 의해 최대 수십 mW의 전력 전송만이 가능하다는 단점이 있다. 또한, 이와 같은 RFID 표준을 확장한 것으로 NFC 등의 초단거리 무선통신 기술이 있다.

다른 하나의 방식은 유도결합 방식이다. 유도결합을 이용하는 접촉식 전송 방식은 수 mm ~ 수 cm 의 거리에서 접촉식으로 수 W의 전력을 전송하는 방식으로서, 125kHz 또는 135kHz 등의 주파수를 사용하고 있으며, 현재는 교통카드, 무선 면도기, 전동 칫솔 등에 적용되고 있다.

다른 하나의 방식은, 비방사(non-radiated) 자기공명 방식은 공진 결합(resonant coupling) 방식을 기반으로 하는 방식이다. 공진 결합이란, 자기공명의 경우에 두 매체가 같은 주파수로 공진하게 되면 전자파가 근거리 자기장을 통해 한 매체에서 다른 매체로 이동하는 현상을 말하며, 이 방식은 수 m 이내의 거리에서 수십 W의 대전력 전송이 가능하다는 장점이 있다.

유도결합 방식은 현재 많이 사용되고 있으나, 전송 거리 등의 문제로 인하여 제한된 적용범위에서 충전대상 전자제품을 충전 스테이션에 접촉시켜 충전해야 한다는 제한이 있다.

일상 생활에서 인체에 크게 무해하지 않으며, 그 사용이 증가될 것으로 보이는 자기공명 방식은 수 미터 거리에서도 충전대상을 충전할 수 있고, 하나의 충전 스테이션을 통해 복수 개의 충전대상을 선택적으로 충전할 수 있다는 장점으로 인해 개발이 진행되고 있다.

유도결합 방식과 달리 자기공명 방식은 무선전력 수전장치 또는 송전장치의 안테나에서 자기공명을 유도하기 위한 공진 안테나가 각각 구비되어야 한다. 그러므로, 안테나의 크기와 부피가 유도결합 방식보다 커진다는 문제점이 있다. 그리고 무선전력을 통한 전력의 송수전은 주로 소비전력이 작은 소형 전자제품 또는 모바일 전자제품 등에 많이 적용될 것이므로, 특히 무선전력 수전장치의 안테나의 크기를 소형화하는 방법이 요구된다.

본 발명은 자기 공명 방식을 채용하고 안테나부를 구성하는 안테나 중 적어도 어느 하나의 안테나가 복수 개의 적층된 코일로 구성되어 그 안테나부의 직경을 최소화할 수 있는 무선전력 송전장치 및 무선전력 수전장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 수전 안테나 및 수전 공진 안테나를 구비하는 수전 안테나부, 상기 안테나부에서 수전된 전류를 부하 전류로 변환하는 수전 회로부 및, 상기 회로부에서 변환된 전력이 소비되거나 충전되는 부하부를 포함하며, 상기 수전 안테나부를 구성하는 수전 안테나 및 수전 공진 안테나 중 적어도 하나의 안테나는 복수 개의 적층된 코일로 구성되는 무선전력 수전장치를 제공한다.

이 경우, 복수 개의 적층된 코일은 대응되는 크기를 갖으며, 미리 결정된 거리 이격되고, 전기적으로 연결된 상태로 배치될 수 있다.

또한, 복수 개의 적층된 코일은 유도 기전력의 방향이 동일하도록 배치 및 연결될 수 있다.

그리고, 복수 개의 적층된 코일로 구성되는 안테나는 수전 공진 안테나일 수 있다.

여기서, 복수 개의 적층된 코일 중 적어도 한 쌍의 코일 사이에 고유전 부재가 구비될 수 있다.

이 경우, 상기 안테나를 구성하는 코일은 분리 가능하며, 각각의 코일은 전기적 연결을 위한 접점을 구비할 수 있다.

또한, 상기 안테나를 구성하는 각각의 코일은 서로 다른 회로기판에 각각 장착될 수 있다.

이 경우, 상기 안테나를 구성하는 2개의 적층된 코일 중 하나의 코일은 회로기판에 장착되며, 다른 하나의 코일은 무선전력 수전장치가 장착되는 전자제품의 착탈 가능한 커버에 장착될 수 있다.

또한, 상기 커버는 수지 재질로 구성되며, 상기 커버에 장착되는 수전 공진 안테나는 상기 커버에 인서트 사출되고, 상기 수전 공진 안테나의 접점은 상기 커버의 표면으로 노출될 수 있다.

그리고, 상기 안테나를 구성하는 각각의 코일 중 적어도 하나의 코일은 FPCB 기판 상에 패턴 형태로 구비될 수 있다.

여기서, 상기 FPCB 기판과 상기 코일 사이에 고유전 부재가 개재될 수 있다.

이 경우, 상기 안테나를 구성하는 각각의 상기 코일은 복수 회 수평방향으로 권선된 형태를 갖을 수 있다.

또한, 복수 개의 적층된 코일은 대응되는 크기를 갖으며, 미리 결정된 거리 이격된 상태로 배치될 수 있고, 복수 개의 적층된 코일은 유도 자기장의 방향이 동일하도록 배치 및 연결될 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전술한 무선전력 수전장치로 무선전력을 송전하 위하여,

교류 전원을 공급하는 교류 전원부, 상기 전원부에서 공급된 전류를 증폭 또는 매칭하여 변환하는 송전 회로부, 상기 송전 회로부에서 변환된 전류를 송전하기 위하여 송전 안테나 및 송전 공진 안테나를 구비하는 송전 안테나부를 포함하는 무선전력 송전장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 교류 전원을 공급하는 교류 전원부, 상기 전원부에서 공급된 전류를 증폭 또는 매칭하여 변환하는 송전 회로부, 상기 송전 회로부에서 변환된 전류를 송전하기 위하여 송전 안테나 및 송전 공진 안테나를 구비하는 송전 안테나부를 포함하며, 상기 송전 안테나부를 송전 공진 안테나는 복수 개의 적층된 코일로 구성되는 무선전력 송전장치를 제공한다.

이 경우, 각각의 코일은 복수 회 수평방향으로 권선된 코일 형태를 갖을 수 있다.

그리고, 복수 개의 적층된 코일 중 적어도 인접한 한 쌍의 코일 사이에 고유전 부재가 구비될 수 있다.

이 경우, 각각의 상기 코일은 분리 가능하며, 각각의 코일은 인접한 코일과의 전기적 연결을 위한 접점을 구비할 수 있다.

그리고, 각각의 코일은 서로 다른 회로기판에 각각 장착되며, 각각의 코일의 접점은 각각의 회로기판의 마주보는 방향으로 돌출될 수 있다.

여기서, 상기 코일은 2개의 적층된 코일로 구성되며, 각각의 코일 중 하나의 코일은 회로기판에 장착되며, 다른 하나의 코일은 착탈 가능한 커버에 장착될 수 있다.

본 발명에 따른 무선전력 송전장치 또는 무선전력 수전장치에 의하면, 자기 공명 방식을 채용하고 안테나부를 구성하는 안테나 중 적어도 어느 하나의 안테나가 복수 개의 적층된 코일로 구성되어 그 안테나부의 직경을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 무선전력 송전장치 또는 무선전력 수전장치에 의하면, 복수 개의 적층된 코일을 분리가능하게 구성하여, 다양한 적용 가능성을 제시한다.

또한, 본 발명에 따른 무선전력 송전장치 또는 무선전력 수전장치에 의하면, 적층된 코일 등을 FPCB 등에 패턴 형태로 구성하여 적층된 코일의 두께를 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 무선전력 송전장치 또는 무선전력 수전장치에 의하면, 안테나를 구성하는 적층된 코일 사이에 고유전 부재를 선택적으로 구비하여 안테나의 직경을 더욱 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시에 따른 자기 공명을 이용한 무선전력 송전장치 및 무선전력 수전장치를 포함하는 무선전력 전송 시스템의 개념도를 도시한다.
도 2는 도 무선전력 전송 시스템는 무선전력 송전장치와 무선전력 수전장치의 송전 안테나부 및 수전 안테나부의 세부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 무선전력 수전장치의 수전 안테나부의 하나의 실시예의 사시도를 도시한다.
도 4는 코일을 필름상에 복층으로 구성하는 안테나의 예를 도시한다.
도 5는 코일을 서로 다른 기판 상에 각각 장착하고 코일이 장착된 기판을 적층하여 수전 공진 안테나를 구성하는 예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 무선전력 수전장치의 공진 안테나를 다른 실시예를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 무선전력 수신장치가 구비된 휴대용 단말기의 예로서 통신용 단말기를 도시한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시에 따른 자기 공명을 이용한 무선전력 송전장치 및 무선전력 수전장치를 포함하는 무선전력 전송 시스템(1000)의 개념도를 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 무선전력 전송 시스템(1000)는 무선전력 송전장치(100)와 무선전력 수전장치(200) 간에 비접촉 자기 공명 방식으로 전력을 전송한다.

무선전력 송전장치(100)는 에너지 전송을 위해 송전 안테나부(50)를 이용하여 외부로 전자기장을 방사한다. 무선전력 송전장치(100)는 교류 전원부(30)를 통해 필요한 구동 전력 및 전자기장의 방사를 위한 전력을 공급받는다.

무선전력 송전장치(100)는 교류 전원부(30)로부터 공급받은 전력을 필요한 구동 전력 및 전자기장의 방사를 위한 전력으로 변환하기 위한 송전 회로부(10)를 구비할 수 있다.

상기 송전 회로부(10)는 입력된 AC 전원을 AC/DC 컨버터(12), 파워 증폭기(PA, 14), 임피던스 매칭 회로(16) 등을 이용하여 전자파 신호로 변환한 후, 송전 안테나부(50)를 통해 무선전력 수전장치(200)로 전송한다.

무선전력 수전장치(200)는 무선전력 송전장치(100)로부터 전송된 전자파 신호를 수전한다. 이를 위하여 무선전력 수전장치(200)는 수전 안테나부(60)를 구비하고 있으며, 이때, 수전 안테나부(60)의 공진 주파수는 송전 안테나부(50)의 공진 주파수와 동일하거나 이에 근접하도록 설정될 필요가 있다.

이 경우, 송전 안테나부(50)와 수전 안테나부(60) 간에는 공진 결합(resonant coupling)에 의해 에너지 전달 채널이 형성된다.

송전 안테나부(50)로부터 방출된 전자파는 에너지 전달 채널을 통해 수전 안테나부(60)로 전송되며, 수전 안테나부(60)를 통해 수신된 전자파는 무선전력 수전장치(200)의 수전 회로부(20)로 전달되며, 상기 수전 회로부(20)에 전달된 전자파는 상기 수전 회로부(20) 내에서 임피던스 매칭 회로(22) 및 정류 회로(24) 등을 통해 전력으로 변환된다.

상기 수전 회로부(20)에서 변환된 전력은 무선전력 수전장치(200)에 연결된 부하(40)로 전송되어 부하(40)에서 충전되거나 소비될 수 이다.

상기 부하(40)는 송전 대상 전자제품의 베터리 또는 전원 공급부 등일 수 있다.

또한, 하나의 무선전력 송전장치(100)와 공진에 의한 전력 수신이 가능한 복수 개의 가전제품에 각각 무선전력 수전장치(200)를 구비하여 송전이 필요한 전자제품에 선택적으로 전력의 공급이 가능할 수 있다.

이하에서, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 송전장치의 송전 안테나부(50)와 수전 안테나부(60)의 세부 구성에 대해 설명하기로 한다.

도 2는 도 무선전력 전송 시스템(1000)는 무선전력 송전장치(100)와 무선전력 수전장치(200)의 송전 안테나부(50) 및 수전 안테나부(60)의 세부 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 무선전력 전송 시스템(1000)은 무선전력 송전장치(100)에 구비된 송전 안테나부(50) 및 무선전력 수전장치(200)에 구비된 수전 안테나부(60) 간에 자기 공명 방식을 이용하여 RF 신호의 형태로 전력을 전송한다.

이를 위하여, 송전 안테나부(50)와 수전 안테나부(60)는 동일한 공진 주파수 또는 매우 근접한 공진 주파수를 가지며, 송전 안테나부(50)와 수전 안테나부(60) 간의 정합된 공진 상태에서 최적의 효율로 전력 전송이 이루어지도록 설계된다.

송전 안테나부(50)는 송전 안테나(52) 및 송전 공진 안테나(54)를 포함한다. 송전 안테나(52) 또는 송전 공진 안테나(54)는 루프 또는 코일 형태로 구현될 수 있다.

또한, 송전 공진 안테나(54)는 스파이럴 루프 형상 또는 헬리컬 루프 형상일 수 있다. 송전 안테나(52)와 송전 공진 안테나(54) 간에는 자기 유도 방식으로 전력을 전달할 수 있다.

마찬가지로, 수전 안테나부(60)는 상기 송전 안테나(52) 및 송전 공진 안테나(54)에 각각 대응하는 수전 안테나(64) 및 수전 공진 안테나(62)를 포함한다. 또한, 수전 안테나(64) 및 수전 공진 안테나(62) 간에는 자기 유도 방식으로 전력을 전달할 수 있다.

송전 안테나부(50)로부터 수전 안테나부(60)로의 전력 전송 과정은 아래의 일례와 같이 진행될 수 있다.

우선, 무선전력 송전장치(100)의 송전 회로부(10)를 통해 전력이 송전 안테나부(50)의 송전 안테나(52)로 여기되며, 송전 안테나(52)로 여기된 전력은 송전 공진 안테나(54)에 자기 유도 방식으로 전달된다.

송전 공진 안테나(54)와 수전 공진 안테나(62)는 동일하거나 근접한 공진 주파수에서 상호 공진하여 에너지 전달 채널을 형성한다. 송전 공진 안테나(54)에 전달된 전력은 에너지 전달 채널을 통해 수전 공진 안테나(62)로 전송되고, 수전 공진 안테나(62)로부터 수전 안테나(64)로 자기 유도 방식을 통해 전달된다.

송전 공진 안테나(54)와 수전 공진 안테나(62)가 동일하거나 근접한 공진 주파수에서 자기 공진 방식으로 에너지가 전달되는 현상은 초기 안테나 코일의 크기가 50센티미터에 이르는 등 실제로 적용하기에는 기술적인 장벽이 존재한다.

따라서, 각각의 공진 안테나의 공진 결합을 유지하면서 공진 안테나의 크기를 줄이는 기술이 필요하며, 특히 무선전력 송전장치(100)의 소형화보다 무선전력 수전장치(100)의 소형화가 더 절실하다. 충전 방식으로 전력을 배터리 등에 충전하는 가전제품은 주로 모바일 형태의 전자제품이 많기 때문이다. 따라서, 본 발명은 적층된 코일을 적용하여 크기가 소형화된 무선전력 수전장치를 중심으로 설명한다.

본 발명에 따른 무선전력 수전장치를 구성하는 수전 안테나부(60)는 상기 송전 안테나부(50)의 송전 안테나(52) 및 송전 공진 안테나(54)에 각각 대응하는 수전 안테나(64) 및 수전 공진 안테나(62)를 포함하며, 상기 수전 공진 안테나(62)의 크기를 줄임과 동시에 전력의 전송효율과 전송거리의 손실을 최소화하기 위하여 수전 안테나부(60)을 구성하는 안테나 중 어느 하나의 안테나를 코일을 적층한 형태로 구성할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 무선전력 수전장치(200)는 자기 유도 방식으로 전력을 전달하는 수전 안테나 및 수전 공진 안테나를 구비하는 수전 안테나부(60), 상기 안테나부(60)에서 수전된 전류를 부하 전류로 변환하는 수전 회로부(20) 및, 상기 회로부에서 변환된 전력이 소비되거나 충전되는 부하부(40)를 포함하며, 상기 수전 안테나부(60)를 구성하는 수전 안테나 및 수전 공진 안테나 중 적어도 하나의 안테나는 복수 개의 적층된 코일로 구성되는 특징을 갖는다.

특히, 자기 공진 방식의 수전 안테나부 중 특히 크기의 소형화가 문제되는 안테나는 수전 공진 안테나이다. 따라서, 도 3 이하의 설명에서 적층된 2개의 코일로 구성되는 수전 공진 안테나를 예로 들어 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 무선전력 수전장치(200)의 수전 안테나부(60)의 하나의 실시예의 사시도를 도시한다. 도 3에 도시된 실시예는 수전 안테나부(60)를 구성하는 안테나 중 수전 공진 안테나(62)가 적층된 코일 형태를 갖는 실시예이다.

구체적으로, 도 3(a)는 무선전력 수전장치의 수전 안테나(64)와 적층된 2개의 코일(62a,62b) 형태로 구성된 수전 공진 안테나(62)를 포함하는 수전 안테나부(60)를 도시하며, 도 3(b)는 도 3(a)에 도시된 수전 공진 안테나(62)의 단면 구성도를 도시하며, 도 3(c)는 수전 공진 안테나(62)의 다른 실시예의 단면 구성도를 도시하며, 도 3(d)는 수전 공진 안테나(62)의 다른 실시예의 단면 구성도를 도시한다.

자기 공진 방식으로 무선전력을 전송하는 방법은 무선전력 수전장치와 무선전력 송전장치의 공진 안테나 간의 주파수를 공진 주파수로 일치시키는 방법을 사용한다.

따라서, 수전장치와 송전장치의 공진 안테나의 공진 주파수는 다음의 제1식과 같이 계산될 수 있다.

아래의 식에서 알 수 있듯이, 코일을 적층시켜 안테나를 구성하면 길이에 비례하는 인터턴스(L)이 증가되고, 이격된 2개의 코일에 의한 전기용량이 증가하여 캐패시턴스(C)값이 증가하게 된다. 따라서, 동일한 주파수(f)를 얻기 위한 인터턴스(L) 또는 캐패시턴스(C)를 위한 코일의 직경은 단층 코일로 구성된 수전공진 안테나의 직경보다 줄어들 수 있다.

즉, 단층 코일로 구성된 안테나의 직경을 줄이는 대신 이를 적층시키면 특정 주파수를 얻을 수 있으므로, 전체 안테나부의 직경을 줄일 수 있다.

[제1식]

따라서, 도 3에 도시된 실시예는 수전 공진 안테나(62)를 적층된 2개의 코일(62a,62b) 형태로 구성하여 수전 공진 안테나(62)의 크기를 크게 줄일 수 있다.

이 경우, 각각의 코일 간의 캐패시턴스(C) 등을 조절하는 방법을 사용하여 코일의 크기를 결정할 수 있다.

도 3(a)에 도시된 바와 같이, 상기 수전 공진 안테나(62)는 한 쌍의 적층된 코일(62a,62b)로 구성되며, 각각의 코일(62a,62b)은 자기장에 의한 전류방향 또는 전류에 의한 자기장의 방향이 누적(합해지는)되는 방향으로 설치될 수 있다. 한 쌍의 적층된 코일(62a,62b)은 연결부(62c)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.

전술한 바와 같이 적층된 코일을 사용하여 공진 안테나를 구성하는 경우, 캐패시턴스(C)를 조절하는 방법에 의하여 안테나(코일)의 직경 또는 주파수를 줄일 수 있다.

즉, 캐패시턴스(C)를 증가시키면, 동일한 주파수를 얻기 위한 코일의 직경을 더 줄일 수도 있다. 따라서, 공진 안테나를 구성하는 코일 사이에 고유전 부재(유전율이 큰 부재)를 구비할 수 있다.

[제2식]

상기 제2식은 두 도체 간의 캐패시턴스(C)에 관한 식이다. 즉, 두 도체의 대향 면적(A)은 캐패시턴스(C)와 비례하고, 거리(d)에는 반비례함을 확인할 수 있다.

ε _r은 상대 유전율을 의미하며, ε ₀ 은 진공 상태의 유전율을 의미한다. 유전율(permittivity, 誘電率) 또는 전매상수는 전하 사이에 전기장이 작용할 때, 그 전하 사이의 매질이 전기장에 미치는 영향을 나타내는 물리적 단위이다. 매질이 저장할 수 있는 전하량으로 볼 수도 있다. 같은 양의 물질이라도 유전율이 더 높으면 더 많은 전하를 저장할 수 있기 때문에, 높은 유전율을 가진 물질을 축전기에 넣는 유전체로 사용하면, 축전기의 전기용량이 커지게 된다.

따라서, 상기 고유전 부재(63)를 상기 수전 공진 안테나(62) 사이에 개재하여 적층된 코일 간의 캐패시턴스(C)를 증가시킬 수 있으며, 전술한 논리와 비슷한 이유로 동일한 공진 주파수를 얻기 위한 공진 안테나의 직경을 더욱 줄일 수 있다.

도 3(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수전 공진 안테나(62)는 적층된 제1 코일(62a)과 제2 코일(62b)로 구성하는 것으로 도시되었으나, 도 3(c) 및 도 3(d)에 도시된 바와 같이, 코일을 3층(62a, 62b, 62c) 또는 5층(62a, 62b, 62c, 62d, 62e)으로 복층으로 구성하는 것도 가능하다.

각각의 코일에서의 생성 전류의 방향이 동일하도록 수전 공진 안테나(62)를 복수 층으로 코일을 구성하고, 더 나아가 각각의 코일 사이에 고유전 부재(63)를 개재시켜, 수전 공진 안테나(62)의 직경을 더욱 줄일 수 있다.

특히, 각각의 코일을 FPCB 기판(FPCB 필름) 등에 패턴 형태로 구성하게 되는 경우, 복층으로 코일을 구성하는 경우에도 그 두께가 크게 증가되지 않을 수 있으며, 각각의 필름 사이에 유연한 재질의 고유전 부재를 삽입할 수 있다.

도 3(c) 및 도 3(d)에 도시된 수전 공진 안테나(62)에서 각각의 코일 사이에 구비되는 고유전 부재(63a, 63b..)는 서로 다른 유전율 또는 재질을 갖을 수 있다.

도 4는 코일을 필름상에 복층으로 구성하는 안테나의 예를 도시한다. 구체적으로 도 4(a)는 필름(f)을 사이에 두고 제1 코일(62a)과 제2 코일(62b)이 각각 반대면에 구비된 공진 안테나(62)를 도시한다.

전술한 바와 같이, 적층 코일 안테나의 각각의 코일(62a, 62b)은 FPCB 상에 패턴 형태로 연결될 수 있으며, 각각의 패턴 형태의 코일은 그 사이에 개재된 필름을 관통하여 서로 전기적으로 연결되는 각각의 접점(62ae, 62be)을 구비할 수 있다. 마찬가지로 자기장의 공진에 의하여 전류가 서로 보강되는 방향으로 연결되어야 한다.

도 4(b)는 필름을 사이에 두고 제1 코일(62a)과 제2 코일(62b)이 각각 반대면에 구비된 점은 도 4(a)에 도시된 실시예와 공통되지만, 필름(f)과 각각의 패턴 형태의 코일 사이에 고유전 부재(63a, 63b)가 각각 구비되는 점에서 차이가 있다.

유전율을 증가시켜, 코일의 직경을 축소할 수 있음은 전술한 실시예와 마찬가지이다. 이 경우, 상기 필름(f) 상에 고유전 부재(63)가 부착된 상태로 패턴 형태의 상기 제1 코일(62a)과 제2 코일(62b)은 상기 고유전 부재에 패턴 형태로 제공될 수 있다. 그리고 각각의 제1 코일(62a)과 제2 코일(62b)은 그 사이에 개재된 필름을 관통하여 서로 전기적으로 연결되는 각각의 접점(62ae, 62be)을 구비할 수 있음은 도 4(a)에 도시된 실시예와 마찬가지이다.

도 4에 도시된 실시예는 하나의 필름(f)의 양면에 패턴 형태로 코일(62a, 62b)을 구비하는 예를 도시하였으나, 각각의 필름에 패턴 형태로 코일을 구성하고, 코일 패턴이 형성된 필름을 서로 부착하는 방법으로도 공진 안테나를 구성할 수도 있다.

도 5는 코일을 서로 다른 기판 상에 각각 장착하고 코일이 장착된 기판을 적층하여 수전 공진 안테나(62)를 구성하는 예를 도시한다.

도 5(a)는 각각의 PCB 회로기판(S1, S2)에 코일이 장착된 상태를 도시하며, 도 5(b)는 코일이 장착된 2개의 회로기판이 고유전 부재(63)를 개재한 상태로 적층되고 각각의 회로기판에 장착된 코일의 접점이 서로 전기적으로 접촉된 상태를 도시한다.

상기 공진 안테나(62)는 도 4에 도시된 필름 형태의 FPCB 상에 패턴 형태로 구현될 수도 있고, 일반 PCB 회로기판 상에 장착될 수 있다.

최근 휴대용 전자제품들은 PCB 회로기판을 위한 충분한 면적을 확보하지 못하는 경우, 크기가 작은 회로기판을 복층으로 적층하여 구비하는 경우가 많다.

따라서, 도 5에 도시된 공진 안테나는 복층으로 PCB 회로기판을 사용하는 경우에 유용할 수 있다.

도 에 도시된 공진 안테나는 각각의 제1 회로기판(S1)과 제2 회로기판(S2)에 각각 제1 코일과(62a) 제2 코일(62b)이 장착되며, 각각의 코일(62a, 62b)은 각각의 접점을 통해 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 제1 코일과(62a) 제2 코일(62b)이 마주보고 있지 않는 경우라면 각각의 코일의 접점(62ae, 62be)은 각각의 제1 회로기판(S1)과 제2 회로기판(S2)을 관통하여 노출되도록 할 수 있다. 이러한 방법에 의하여 기판을 매개로 접점 이외의 부분에서 각각의 코일을 전기적으로 절연도 가능할 수 있다.

또한, 도 5(c)에 도시된 실시예는 코일이 장착된 회로기판 사이에 고유전 부재(63)가 개재되어 공진 안테나를 구성하는 코일의 직경을 더욱 줄일 수 있다.

그리고 도 5에 도시된 실시예에서, 각각의 회로기판(S1, S2)에 구비된 코일은 각각의 코일의 접점을 통해 전기적으로 연결될 수 있으며, 적층된 회로기판(S1, S2)은 FPCB등을 통해 연결되어 서로 전기적 신호의 송수신이 가능할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 무선전력 수전장치의 공진 안테나를 다른 실시예를 도시한다.

도 6(a)는 공진 안테나를 구성하는 코일(62a)이 사출재 내부에 인서트 사출된 상태에서의 단면도를 도시하며, 도 6(b)는 하나의 공진 안테나의 예를 도시한다.

본 발명에 따른 무선전력 수전장치의 공진 안테나를 구성하는 적층된 코일 중 어느 하나의 코일은 인서트 사출의 방법으로 수지 재질의 사출재 내부에 매립될 수 있다.

이 경우, 공진 안테나를 구성하는 다른 코일과의 전기적 연결을 위한 접점(62ae)은 사출재(P) 외부 표면으로 노출될 수 있다.

공진 안테나를 구성하는 적어도 하나의 코일을 사출재 내부에 인서트 사출하는 이유는 도 7을 참조하여 후술한다.

도 6(b)에서 제2 코일은 PCB 회로기판 하부에 장착되며 그 접점이 회로기판을 관통하여 반대방향 측으로 노출된 경우가 도시된다.

그러나, 제1 코일(63a)이 사출재(P) 내부에 인서트 되어 있으므로 상기 제2 코일(62b)이 PCB 회로기판 상부에 장착될 수도 있다.

도 7은 본 발명에 따른 무선전력 수신장치가 구비된 휴대용 단말기의 예로서 통신용 단말기를 도시한다. 본 발명에 따른 무전전력 수전장치가 장착되는 전자제품의 예로서 통신용 단말기를 참조하여 설명한다.

상기 통신용 단말기(300)는 착탈가능한 배터리(310) 커버를 구비하며, 상기 통신용 단말기 본체에는 전력이 충전되는 부하부로서 충전 배터리가 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 무선전력 수전장치가 구비되는 통신용 단말기(300) 등에는 착탈 가능한 배터리(330)가 구비될 수 있으며, 배터리(330)의 착탈 또는 교체를 위하여 해당 전자제품은 착탈 가능한 커버(310)를 구비할 수 있다.

또한, 공진 안테나를 코일을 적층하는 방법으로 구성하는 경우, 그 두께가 커질 수 있으므로, 공진 안테나를 구성하는 코일 중 하나의 코일(62a)을 배터리 커버 등에 장착하는 방법이 사용될 수 있다.

즉, 배터리 커버(310) 등을 사출하는 경우, 코일(62a)을 인서트하고 그 접점(62ae)은 표면으로 노출되도록 하고, 배터리(330)가 장착된 경우에 그 내부의 회로기판(320) 등에 장착된 코일(62b)과 전기적으로 연결되도록 구성하면, 공진 안테나의 직경을 최소화함과 동시에 적층된 코일로 공진 안테나를 구성함에 따른 공진 안테나의 두께 증가를 최소화할 수 있다.

그리고, 상기 통신용 단말기에는 적어도 1개 이상의 회로기판(320)이 구비될 수 있으며, 상기 회로기판(320)의 일면에는 공진 안테나를 구성하는 다른 하나의 제2 코일(62b)을 구비할 수 있으며, 제1 코일(62a)과 제2 코일(62b)은 각각의 접점(62ae, 62be)에서 전기적으로 연결될 수 있다.

즉, 도 7에서는 배터리 커버(310)는 배터리 등의 교환시 탈거될 수 있으며, 배터리 커버(310)가 통신용 단말기(300)에 장착된 상태에서는 각각의 코일의 접점이 서로 연결되어 공진 안테나로 역할할 수 있다.

또한, 도 7에서 상기 회로기판은 배터리 커버가 탈거된 상태에서 외부로 노출된 것으로 도시되었으나, 외부로 노출되지 않도록 이동식 단말기 내부에 매립되도록 구성할 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 무선전력 수전장치에 자기 공진 방식으로 전력을 송전하는 무선전력 송전장치 역시 본 발명의 범위에 속하는 것으로 볼 수 있다.

따라서, 본 발명은 전술한 본 발명에 따른 무선전력 수전장치에 전력을 송전하기 위하여 교류 전원을 공급하는 전원부, 상기 전원부에서 공급된 전류를 증폭 또는 매칭하여 변환하는 송전 회로부, 상기 송전 회로부에서 변환된 전류를 송전하기 위하여 송전 안테나 및 송전 공진 안테나를 구비하는 송전 안테나부(도 1 참조)를 포함하는 무선전력 송전장치를 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 무선전력 송전장치는 안테나부를 구성하는 코일의 직경이 무선전력 수전장치에 비해 중요하지 않을 수 있으나, 경우에 따라 무선전력 송전장치의 송전 안테나부를 구성하는 어느 하나의 안테나를 코일을 적층시켜 구성할 수도 있다.

이 경우, 전술한 전술한 무선전력 수전장치의 수전 안테나부를 구성하는 안테나를 적층된 코일 형태로 구성하는 전술한 모든 특징은 무선전력 송전장치에도 적용될 수 있다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 교류 전원을 공급하는 교류 전원부(30), 상기 교류 전원부(30)에서 공급된 전류를 증폭 또는 매칭하여 변환하는 송전 회로부(10), 상기 송전 회로부에서 변환된 전류를 송전하기 위하여 송전 안테나 및 송전 공진 안테나를 구비하는 송전 안테나부(50)를 포함하며, 상기 송전 안테나부를 송전 공진 안테나는 복수 개의 적층된 코일로 구성되는 무선전력 송전장치를 제공할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 무선전력 송전장치의 송전 공진 안테나를 구성하는 복수 개의 적층된 코일은 대응되는 크기를 갖으며, 미리 결정된 거리 이격된 상태로 배치될 수 있고, 복수 개의 적층된 코일은 유도 자기장의 방향이 동일하도록 배치 및 연결될 수 있다. 무선전력 송전장치이므로, 유도 자기장의 방향이 일치되도록 구성할 수 있다.

무선전력 수전장치와 마찬가지로 각각의 코일은 복수 회 수평방향으로 권선된 코일 형태를 갖을 수 있다.

그리고, 무선전력 수전장치와 마찬가지로 복수 개의 적층된 코일 중 적어도 인접한 한 쌍의 코일 사이에 고유전 부재가 구비될 수 있다.

그리고, 각각의 상기 코일은 분리 가능하며, 각각의 코일은 인접한 코일과의 전기적 연결을 위한 접점을 구비할 수 있으며, 각각의 코일은 서로 다른 회로기판에 각각 장착되며, 각각의 코일의 접점은 각각의 회로기판의 마주보는 방향으로 될 수 있다.

그리고. 상기 코일은 2개의 적층된 코일로 구성되며, 각각의 코일 중 하나의 코일은 회로기판에 장착되며, 다른 하나의 코일은 착탈 가능한 커버에 장착될 수 있음은 전술한 무선전력 수전장치와 마찬가지이다.

본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

1000 : 무선전력 전송 시스템
50 : 송전 안테나부
60 : 수전 안테나부
62 : 수전 공진 안테나
63 : 고유전 부재
64 : 수전 안테나

Claims (20)

1. 수전 안테나 및 수전 공진 안테나를 구비하는 수전 안테나부;
   상기 안테나부에서 수전된 전류를 부하 전류로 변환하는 수전 회로부; 및,
   상기 회로부에서 변환된 전력이 소비되거나 충전되는 부하부;를 포함하며,
   상기 수전 안테나부를 구성하는 수전 안테나 및 수전 공진 안테나 중 적어도 하나의 안테나는 복수 개의 적층된 코일로 구성되는 무선전력 수전장치.
2. 제1항에 있어서,
   복수 개의 적층된 코일은 대응되는 크기를 갖으며, 미리 결정된 거리 이격되고, 전기적으로 연결된 상태로 배치되는 것을 특징으로 하는 무선전력 수전장치.
3. 제2항에 있어서,
   복수 개의 적층된 코일은 유도 기전력의 방향이 동일하도록 배치 및 연결되는 것을 특징으로 하는 무선전력 수전장치.
4. 제1항에 있어서,
   복수 개의 적층된 코일로 구성되는 안테나는 수전 공진 안테나인 것을 특징으로 하는 무선전력 수전장치.
5. 제1항에 있어서,
   복수 개의 적층된 코일 중 적어도 한 쌍의 코일 사이에 고유전 부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 무선전력 수전장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 안테나를 구성하는 코일은 분리 가능하며, 각각의 코일은 전기적 연결을 위한 접점을 구비하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수전장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 안테나를 구성하는 각각의 코일은 서로 다른 회로기판에 각각 장착되는 것을 특징으로 하는 무선전력 수전장치.
8. 제6항에 있어서,
   상기 안테나를 구성하는 2개의 적층된 코일 중 하나의 코일은 회로기판에 장착되며, 다른 하나의 코일은 무선전력 수전장치가 장착되는 전자제품의 착탈 가능한 커버에 장착되는 것을 특징으로 하는 무선전력 수전장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 커버는 수지 재질로 구성되며, 상기 커버에 장착되는 수전 공진 안테나는 상기 커버에 인서트 사출되고, 상기 수전 공진 안테나의 접점은 상기 커버의 표면으로 노출되는 것을 특징으로 하는 무선전력 수전장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 안테나를 구성하는 각각의 코일 중 적어도 하나의 코일은 FPCB 기판 상에 패턴 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 무선전력 수전장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 FPCB 기판과 상기 코일 사이에 고유전 부재가 개재되는 것을 특징으로 하는 무선전력 수전장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 안테나를 구성하는 각각의 상기 코일은 복수 회 수평방향으로 권선된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 무선전력 수전장치.
13. 제1항 내지 제12항의 무선전력 수전장치로 무선전력을 송전하 위하여,
    교류 전원을 공급하는 전원부;
    상기 전원부에서 공급된 전류를 증폭 또는 매칭하여 변환하는 송전 회로부;
    상기 송전 회로부에서 변환된 전류를 송전하기 위하여 송전 안테나 및 송전 공진 안테나를 구비하는 송전 안테나부를 포함하는 무선전력 송전장치.
14. 교류 전원을 공급하는 교류 전원부;
    상기 전원부에서 공급된 전류를 증폭 또는 매칭하여 변환하는 송전 회로부;
    상기 송전 회로부에서 변환된 전류를 송전하기 위하여 송전 안테나 및 송전 공진 안테나를 구비하는 송전 안테나부를 포함하며,
    상기 송전 안테나부를 송전 공진 안테나는 복수 개의 적층된 코일로 구성되는 무선전력 송전장치.
15. 제14항에 있어서,
    복수 개의 적층된 코일은 대응되는 크기를 갖으며, 미리 결정된 거리 이격된 상태로 배치될 수 있고, 복수 개의 적층된 코일은 유도 자기장의 방향이 동일하도록 배치 및 연결되는 것을 특징으로 하는 무선전력 송전장치.
16. 제14항에 있어서,
    각각의 코일은 복수 회 수평방향으로 권선된 코일 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 무선전력 송전장치.
17. 제14항에 있어서,
    복수 개의 적층된 코일 중 적어도 인접한 한 쌍의 코일 사이에 고유전 부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 무선전력 송전장치.
18. 제14항에 있어서,
    각각의 상기 코일은 분리 가능하며, 각각의 코일은 인접한 코일과의 전기적 연결을 위한 접점을 구비하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송전장치.
19. 제18항에 있어서,
    각각의 코일은 서로 다른 회로기판에 각각 장착되며, 각각의 코일의 접점은 각각의 회로기판의 마주보는 방향으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 무선전력 송전장치.
20. 제18항에 있어서,
    상기 코일은 2개의 적층된 코일로 구성되며, 각각의 코일 중 하나의 코일은 회로기판에 장착되며, 다른 하나의 코일은 착탈 가능한 커버에 장착되는 것을 특징으로 하는 무선전력 송전장치.
    
    
    

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