KR20140011076A - 복합 스파이럴 공진코일과 이의 제조방법, 이를 이용한 무선 전력 전송 또는수신장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력을 무선 전송 또는 수신하기 위한 복합 스파이럴 공진코일과 이의 제조방법, 이를 이용한 무선 전력 전송 또는 수신 장치에 관한 것이다. 복합 스파이럴 공진코일은 제1평면 상에서 감겨진 제1코일부와, 제1평면 상부에 평행하게 이격된 제2평면 상에서 제1코일부와 반대 방향으로 감겨져 제1코일부와 마주하는 제2코일부 및 제1, 제2코일부 각각의 내부 또는 외부의 단부를 연결하는 코일연결부로 이루어진다. 이때 제1, 제2코일부 각각은 다른 PCB상에 형성되고, 각 코일부는 점퍼로 연결하여 제조된다. 따라서 복합스파이럴 공진코일을 이용한 무선 전력 전송 또는 수신 장치는, 공진코일의 크기를 최소화함으로써 소형 전자제품에 적용할 수 있어 그 활용 범위가 더욱 넓다.

Description

복합 스파이럴 공진코일과 이의 제조방법, 이를 이용한 무선 전력 전송 또는수신장치{COMPLEX SPIRAL COUPLING COIL, MANUFACTURING METHOD THEROF AND WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 무선으로 전력을 전송 및 수신하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력을 전송 또는 수신하기 위한 복합 스파이럴 공진코일과 이의 제조방법, 이를 이용한 무선 전력 전송 또는 수신 장치에 관한 것이다.
휴대폰을 포함한 각종 모바일 장치나 공장의 로봇 등에 무선으로　전력을 공급하는 방법이 알려져 있다. 무선으로 전력을 전송을 하는 방식으로는 전자기 감응 공명 방식과 방사 방식 및 인덕션 방식이 있다.
전자기 감응 공명(Electromagnetic Coupled Resonance) 방식은 코일을 여러 번 감아서 한 방향으로 강하게 자계를 유기시키는 방식으로, 비슷한 주파수에서 공진하는 코일이 아주 근접하게 되면 커플링이 일어나서 전력이 전송된다.
방사(radiation) 방식은 모노폴(monopole)이나 PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 등의 안테나를 이용하여 시간에 따라 변화하는 전계나 자계가 서로 영향을 주면서 방사가 일어나는 방식이다. 같은 주파수의 안테나가 있을 경우 입사파의 극(polarization) 특성에 맞게 전력을 수신할 수 있다. 그러나, 방사 방식은 모든 방향으로 전력을 전송하여 주변으로 방사되는 전력이 많으므로 효율적인 전력 전송이 어렵다는 단점이 있다.
본 출원인은 무선 전력 전송 및 수신 장치에 대하여 한국 공개특허공보 제10-2011-0075105호로 출원한 바 있으며, 도 1, 2는 각각 헬리컬 타입과 스파이럴 타입의 공진코일을 이용한 무선 전력 송수신 시스템을 나타낸다.
본 발명은 스파이럴 타입의 무선 전력 전송 및 수신 장치에 관한 것으로, 도 3은 종래의 단일 스파이럴 공진코일의 평면도를 나타낸다. 공진주파수의 크기는 코일을 이루는 라인 피치, 라인 폭 그리고 코일 턴수에 의해 결정된다. 즉, 공진코일이 작으면 공진주파수가 크고, 공진코일이 크면 공진주파수가 작아진다. 따라서 공진주파수를 낮추면서 공진코일 크기도 작게 만드는 것이 가장 큰 관건이다.
한편 스파이럴 타입의 공진코일의 직경은 공진주파수와 관련이 깊으며, 공진주파수는 스파이럴 공진코일이 가지고 있는 인덕턴스와 커패시턴스에 의해 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure pat00001
따라서 공진코일이 작아서 코일 턴수가 작으면 공진주파수가 높고, 반대로 공진코일이 커서 코일 턴수가 커지면 공진주파수가 낮아지는 현상이 나타난다. 즉, 공진주파수를 낮추기 위하여 공진코일 턴수를 증가시키는 것이 일반적이지만, 코일 턴수를 늘리면 공진코일의 크기가 커지는 문제점이 있어, 무선 전력 송신 및 수신 장치를 소형화하는데 제한이 따랐다.
종래 무선 전력 전송용 스파이럴 공진코일에 대하여 한국등록특허공보 제10-1118471호(발명의 명칭 : 스파이럴 안테나 및 스파이럴 안테나를 이용한 무선 전력전송장치)가 개시된 바 있다. 그러나 이 기술에 따른 공진코일의 구조는 동일평면상에서 외부에 배치된 스파이럴 형태의 제1도전라인 내부에 제2도전라인이 결합되어 있어, 공진코일의 크기가 커질 수밖에 없는 문제점이 있었다.
한편, 스파이럴 형태의 코일은 무선 통신용 안테나로서 사용되는데 한국특허출원 제10-2008-0039834호에서는 2개의 도전성 라인이 같은 방향으로 감겨진 스파이럴 형태의 안테나(무선전력전송의 공진코일이 아님)가 개시된 바 있고, 한국등록특허공보 제10-0602994호에서는 2개의 스파이럴 형태의 도전성 라인이 층을 이룬 안테나(무선전력전송의 공진코일이 아님)가 개시된 바 있다.
그러나 무선 통신용 안테나는, 급전선과 연결되어 효율적으로 전파를 방사하거나 수신하기 위한 도선임에 반하여, 무전 전력 송신용 공진코일은 별도의 급전선과 연결되지 않고, 루프 안테나와 같은 전송 또는 수신용 안테나와 이격되어 공중에 독립적으로 설치되는 것으로 비록 그 형태가 유사할 수는 있어도, 그 산업상 이용 분야와 기능 및 작용이 완전히 상이하므로, 신규성 내지 진보성 판단에 있어서 비교의 대상이 될 수는 없다.
상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 제한된 크기를 갖는 무선 전력 송신 및 수신 장치에 대하여 목적하는 낮은 공진주파수를 얻기 위하여 종래의 2개의 단일 스파이럴 공진코일을 결합한 복합 스파이럴 공진코일을 제공함에 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 상기 복합 스파이럴 공진코일을 손쉽게 제조할 수 있는 제조방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
또한 본 발명은 상기 복합 스파이럴 공진코일을 이용한 무선 전력 전송 또는 수신 장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 복합 스파이럴 공진코일은, 무선으로 전력을 전송 또는 수신하기 위하여 사용되는 공진코일에 있어서, 제1평면 상에서 감겨진 제1코일부; 상기 제1평면 상부에 평행하게 이격된 제2평면 상에서 상기 제1코일부와 반대 방향으로 감겨져 상기 제1코일부와 마주하는 제2코일부; 및 상기 제1, 제2코일부 각각의 내부 단부를 연결하거나, 상기 제1, 제2코일부 각각의 외부 단부를 연결하는 코일연결부; 를 포함한다.
바람직하게, 상기 제1, 제2코일부는 동일 내경, 외경 및 턴수를 갖는 스파이럴 구조를 갖는다. 이때, 상기 제1평면과 제2평면 사이의 간격은 0.1mm 이상이고, 상기 외경의 1/2 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 과제를 해결하기 위한 복합 스파이럴 공진코일의 제조방법은, 상기 제1, 제2코일부 각각을 제1, 제2PCB(Printed Curcuit Board) 상에 형성시키는 단계; 상기 제1코일부가 형성된 제1PCB와, 상기 제2코일부가 형성된 제2PCB를 겹치는 단계; 및 상기 제1, 제2코일부 각각의 내부 단부를 연결하거나, 상기 제1, 제2코일부 각각의 외부 단부를 점퍼로 연결하는 단계; 를 포함한다.
또한 본 발명의 또 다른 과제를 해결하기 위한 무선 전력 전송 장치는, 상기 복합 스파이럴 공진코일로서 무선으로 전력을 전송하기 위하여 사용되는 전송용 공진코일; 및 상기 전송용 공진코일로 전력을 공급하기 위하여 상기 전송용 공진코일로부터 이격하여 배치되는 전송용 안테나; 를 포함한다.
또한 본 발명의 또 다른 과제를 해결하기 위한 무선 전력 수신 장치는, 상기 복합 스파이럴 공진코일로서 무선으로 전력을 수신하기 위하여 사용되는 수신용 공진코일; 및 상기 수신용 공진코일로부터 전력을 수신하기 위하여 상기 수신용 공진코일로부터 이격하여 배치되는 수신용 안테나; 를 포함한다.
본 발명의 복합 스파이럴 공진코일에 의하면, 동일한 내경, 외경 및 턴수를 갖는 단일 스파이럴 공진코일에 비하여 공진주파수를 현저히 낮출 수 있고, 같은 공진주파수를 갖는 단일 스파이럴 공진코일에 비하여 공진코일의 외경을 현저히 감소시킬 수 있다.
또한 복합 스파이럴 공진코일 제조방법에 의하면, 복합 스파일 공진코일을 구성하는 코일부 패턴을 2개의 PCB에 형성하고, PCB의 결합과 점퍼의 연결 작업만으로 제조가 완료되어 제작이 용이하다.
또한 본 발명의 무선 전력 전송 또는 수신 장치는, 공진코일의 크기를 최소화함으로써 소형 전자제품에 적용할 수 있어 그 활용 범위가 더욱 넓어지게 된다.
도 1은 종래의 헬리컬 타입 공진코일을 이용한 무선 전력 송수신 시스템의 구성도.
도 2는 종래의 스파이럴 타입 공진코일을 이용한 무선 전력 송수신 시스템의 구성도.
도 3은 종래의 단일 스파이럴 공진코일의 평면도.
도 4은 본 발명의 복합 스파이럴 공진코일의 결합 방식을 나타내는 평면에서의 설명도.
도 5는 본 발명의 복합 스파이럴 공진코일의 결합된 상태를 나타내는 측면에서의 설명도.
도 6는 PCB 패턴을 사용하여 설계한 스파이럴 공진코일의 부분 구성도.
이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 복합 스파이럴 공진코일의 결합 방식을 평면상에 나타내는 설명도이고, 복합 스파이럴 공진코일의 결합된 상태를 측면에서 나타내는 설명도이다.
먼저, 본 발명에 따른 복합 스파이럴 공진코일의 구조는 다음과 같다.
복합 스파이럴 공진코일(100)은, 도 4, 5에 도시된 바와 같이, 크게 제1코일부(110), 제2코일부(120) 및 제1, 제2코일부(110, 120)를 연결하는 코일연결부(130)로 구성된다.
제1코일부(110)는 도 4과 같이, 하나의 평면(이하, '제1평면') 상에 감겨진 형태로 배치되어 도 2에 도시된 바와 같은 종래의 단일 스파이럴 공진코일 구조를 갖는다.
제2코일부(120) 제1코일부(110)과 마찬가지로 단일 스파이럴 공진코일 구조를 가지나, 제1코일부(110)와는 반대 방향으로 감겨져 있으며 제1평면과 이격되어 평행하게 배치된 다른 평면(이하, '제2평면') 상에 배치된다. 즉, 도 4와 같이, 제1, 제2코일부(110, 120)은 간격 d만큼 이격되어 마주보도록 배치된다.
이러한 제1, 제2코일부(110, 120)는 동일 직경과 턴수를 갖는 스파이럴 구조로서 상호 반전된 형상을 갖는다.
코일연결부(130)는 도 5와 같이, 제1, 제2코일부(110, 120) 각각의 내부 단부를 연결함으로써 제1, 제2코일부(110, 120)가 하나의 공진코일을 이루도록 한다. 참고로 도 5에서는 제1, 제2코일부(110, 120)의 감겨진 형상이 명확히 드러나도록 각각을 약간 비스듬한 각도에서 도시하였다.
이에 따라 상기 수학식 1같이 공진주파수를 결정하는 인덕턴스와 커패시턴스의 크기가 커짐에 따라 공진주파수는 낮아지게 된다.
이때, 복합 스파이럴 공진코일(100)을 구성하는 제1, 제2코일부(110, 120)는 일정한 간격(d)이 필요한데, 간격 d=0인 경우는 제1, 제2코일부(110, 120)가 접촉된 상태를 유지하므로, 공진코일의 길이를 연장시키는 효과가 없어지기 때문이다.따라서 간격은 0.1mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한 간격이 너무 커지는 경우 전체 공진코일의 크기가 커짐에 따라 전력 전송 또는 수신 장치의 크기가 커지는 문제점이 있고 전송 효율 또한 크게 상승하지 않으므로 간격은 제1, 제2코일부(110, 120) 직경의 50% 이하로 하는 것이 바람직하다.
이때 도시하지는 않았으나 도 5와 달리 제1, 제2코일부(110, 120) 각각의 외부 단부를 연결할 수도 있음은 물론이다.
한편, 본 발명의 다른 실시예로서, 도시하지는 않았지만 제2코일부(120)가 배치된 제2평면과 평행한 제3평면상에 제2코일부(120)와 서로 반대 방향으로 감겨진 제3코일부를 배치할 수도 있다. 물론 같은 방식으로 제4평면상에 제4코일부를 추가적으로 배치할 수도 있다.
상술한 복합 스파이럴 공진코일(100)의 제조방법은 다음과 같다.
먼저, 제1, 제2코일부(110, 120) 각각의 패턴을 서로 다른 제1, 제2PCB(Printed Curcuit Board) 상에 형성시킨다. 안테나 패턴 형성 방법은 공지의 기술이므로 이에 대한 설명은 생략한다.
다음으로, 제1, 제2코일부(110, 120)의 감겨진 방향이 상호 반대가 되면서 상호 접촉되지 않은 상태에서 제1, 제2PCB를 결합한다. 이에 의해, 제1, 제2코일부(110, 120)는 서로 평행한 평면상에 이격되어 배치된다.
마지막으로, 제1, 제2코일부(110, 120) 각각의 내부 단부를 연결하거나, 제1, 제2코일부(110, 120) 각각의 외부 단부를 코일연결부(130)의 역할을 하는 점퍼로 연결함으로써 복합 스파이럴 공진코일(100)의 제조를 완료한다. 이때 점퍼는 제1, 제2코일부(110, 120)와 동일한 재질을 사용한다.
도 6은 PCB 패턴을 사용하여 설계한 단일 스파이럴 공진코일의 부분 구성도로서, 그 외경을 5㎝, 내경을 1.7㎝로 하였을 때 공진주파수는 42.99MHz였다.
이에 비하여 도 6의 단일 스파이럴 공진코일이 형성된 2개의 PCB를 간격 d=0.3cm로 하여 결합한 후 점퍼로 연결함으로써 도 5와 같이 제작한 본 발명의 복합 스파이럴 공진코일(100)에 의하면, 공진주파스가 12MHz로서 단일 스파이럴 공진코일에 비하여 공진주파수가 28% 낮아졌음을 확인할 수 있었다.
한편 공진주파수 12MHz를 갖는 단일 스파이럴 공진코일을 도 6과 동일한 내경, 라인 피치 및 라인 폭을 갖도록 제작하기 위해서는 그 외경을 20cm로 하여야 하나, 이와 동일 공진주파수를 갖는 본 발명의 복합 스파이럴 공진코일의 외경은 10cm에 불과하므로 그 외경을 50% 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
상술한 복합 스파이럴 공진코일을 이용한 무선 전력 전송 또는 수신 장치는, 도 2에 도시된 무선 전력 전송 장치 또는 수신 장치(10 또는 20)를 구성하는 단일 스파이럴 공진코일(15, 25)을 본 발명의 복합 스파이럴 공진코일(100)로 대치함으로써 구성할 수 있다.
즉, 무선 전력 전송 장치는, 복합 스파이럴 공진코일(100) 구조를 갖는 전송용 공진코일로 전력을 공급하기 위하여 전송용 공진코일로부터 이격 배치되는 루프 안테나와 같은 전송용 안테나를 포함한다.
그리고 무선 전력 수신 장치는, 복합 스파이럴 공진코일(100) 구조를 갖는 수신용 공진코일로부터 전력을 수신하기 위하여 수신용 공진코일로부터 이격 배치되는 루프 안테나와 같은 전송용 안테나를 포함한다.
따라서 본 발명에 의한 무선 전력 송신 또는 수신 장치에 의하면, 동일 공진주파수를 송신 또는 수신하기 위한 송신용 또는 수신용 공진코일의 크기가 작게 되어, 장치의 소형화가 가능하다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 실시예에 국한되는 것은 아니며 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 중심으로 하여 그 변형물 또는 균등물에까지 그 효력이 미침은 자명하다 할 것입니다.
100 : 복합 스파이럴 공진코일
110 : 제1코일부
120 : 제2코일부
130 : 코일연결부

Claims (6)

  1. 무선으로 전력을 전송 또는 수신하기 위하여 사용되는 공진코일에 있어서,
    제1평면 상에서 감겨진 제1코일부;
    상기 제1평면 상부에 평행하게 이격된 제2평면 상에서 상기 제1코일부와 반대 방향으로 감겨져 상기 제1코일부와 마주하는 제2코일부; 및
    상기 제1, 제2코일부 각각의 내부 단부를 연결하거나, 상기 제1, 제2코일부 각각의 외부 단부를 연결하는 코일연결부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 스파이럴 공진코일.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2코일부는 동일 내경, 외경 및 턴수를 갖는 스파이럴 구조인 것을 특징으로 하는 복합 스파이럴 공진코일.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1평면과 제2평면 사이의 간격은 0.1mm 이상이고, 상기 외경의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 복합 스파이럴 공진코일.
  4. 제1항의 복합 스파이럴 공진코일의 제조방법에 있어서,
    상기 제1, 제2코일부 각각을 제1, 제2PCB(Printed Curcuit Board) 상에 형성시키는 단계;
    상기 제1코일부가 형성된 제1PCB와, 상기 제2코일부가 형성된 제2PCB를 겹치는 단계; 및
    상기 제1, 제2코일부 각각의 내부 단부를 연결하거나, 상기 제1, 제2코일부 각각의 외부 단부를 점퍼로 연결하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 스파이럴 공진코일의 제조방법.
  5. 제1항의 복합 스파이럴 공진코일로서 무선으로 전력을 전송하기 위하여 사용되는 전송용 공진코일; 및
    상기 전송용 공진코일로 전력을 공급하기 위하여 상기 전송용 공진코일로부터 이격하여 배치되는 전송용 안테나;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  6. 제1항의 복합 스파이럴 공진코일로서 무선으로 전력을 수신하기 위하여 사용되는 수신용 공진코일; 및
    상기 수신용 공진코일로부터 전력을 수신하기 위하여 상기 수신용 공진코일로부터 이격하여 배치되는 수신용 안테나;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신 장치.
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