KR20140102033A - 자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치 - Google Patents

Abstract

자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치가 개시된다. 상기 자성시트는 방열층 및 상기 방열층에 결합되며 종방향 및 횡방향을 따라 주기적으로 형성되는 간극에 의하여 자기적으로 분리되는 복수개의 자성블록을 포함한다.

Description

자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치{MAGNETIC SHEET AND APPARATUS FOR RECEIVING A WIRELESS POWER USING THE SAME}

본 발명은 자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기 유도 현상을 이용하여 비접촉식으로 전력을 송수신하는 무선 충전 분야 또는 NFC통합 수신 장치 분야에 사용되는 자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.

휴대폰 및 소형 가전제품 등에 사용되는 무선 전력 전송 기술은 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치간에 전자기 유도를 일으킴으로써 송신측으로부터 수신측으로 전력을 전송하는 것이다.

이러한 무선 전력 전송 기술에서 송신측과 수신측 사이에 발생되는 누설 자속을 최소화하여 전송 효율을 향상시키기 위하여 송신측에는 페라이트 기판을, 수신측에는 자성시트를 사용하고 있다.

송신측 페라이트 기판은 두께나 사이즈에서 큰 제약이 없으나, 주로 모바일 단말기 등과 같은 소형 기기에 사용되는 수신측 자성시트는 얇고, 작은 사이즈가 요구된다.

또한, 자성시트는 이러한 박형화, 소형화 조건을 만족함과 동시에 누설 자속을 최소화 하여야 하므로 높은 투자율과 낮은 자속 손실을 충족시켜야 하고, 고온, 다습, 염수 등의 환경 조건하에서의 신뢰성 역시 보장되어야 한다.

그러나 종래의 자성시트는 송신측에서 발생된 자기장이 이동하는 과정에서 충돌하여 서로 상쇄되고, 고주파 대역에서 발생하는 와전류(渦電流)현상에 의하여 무선 전력 전송 효율이 크게 감소된다는 문제가 있다.

또한, 고온, 다습 환경이나 염수분무 조건 하에서 두께 변화율이 10% 내외로 나타나 신뢰도 면에서도 문제가 있었다.

한국공개특허 2012-0086669호에서는 수신측 충전 기기에 코일부에 설치되는 평탄부와 중공 영역으로 구성되는 자성 시트를 개시하고 있으나 상기에서 언급한 바와 같은 자기장 상쇄, 와전류 현상, 두께 변화 등과 같은 문제가 존재한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 무선 전력 송신 장치에서 발생된 자기장의 상쇄 효과 및 고주파상에서 발생하는 와전류 효과를 감소시켜 무선 전송 효율을 향상시킬 수 있는 자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치를 제공하는데 있다.

또한, 온도, 습도 및 염분 등의 환경 조건에 따른 두께 변화율을 최소화함으로써 신뢰도를 향상시킬 수 있는 자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 일양태에 따르면 자기적으로 분리되는 복수개의 자성블록으로 구성된 자성층을 포함하는 자성시트를 제공한다.

상기 자성블록은 종방향 및 횡방향을 따라 주기적으로 형성되는 간극에 의하여 자기적으로 분리되어 형성될 수 있다.

일면이 상기 자성층에 결합되는 방열층을 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 방열층의 일면에 도포되는 접착층을 더 포함하며, 상기 방열층은 상기 접착층을 통하여 상기 자성층에 결합될 수 있다.

상기 간극의 간격은 1 내지 3000㎛일 수 있다.

상기 간극은 3 내지 5mm를 주기로 형성될 수 있다.

상기 방열층은 그라파이트, 알루미나, 질화 알루미늄, 질화 보론 및 실리콘카바이드 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 간극은 블레이드를 이용한 슬리팅(slitting)공정을 통하여 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면 자기적으로 분리되는 복수개의 자성블록을 포함하는 자성층 및 상기 자성층에 탑재되는 코일부를 포함하는 무선 전력 수신 장치를 제공한다.

상기 자성블록은 종방향 및 횡방향을 따라 주기적으로 형성되는 간극에 의하여 자기적으로 분리되어 형성될 수 있다.

일면이 상기 자성층에 결합되는 방열층 및 상기 방열층의 타면에 결합되는 배터리를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 배터리는 상기 방열층의 타면에 도포되는 제1접착층을 통하여 결합될 수 있다,

상기 방열층의 일면에 도포되는 제2접착층을 더 포함하며, 상기 방열층은 상기 제2접착층을 통하여 상기 자성층에 결합될 수 있다.

상기 간극의 간격은 1 내지 3000㎛일 수 있다.

상기 간극은 3 내지 5mm를 주기로 형성될 수 있다.

상기 방열층은 그라파이트, 알루미나, 질화 알루미늄, 질화 보론 및 실리콘카바이드 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 간극은 블레이드를 이용한 슬리팅(slitting)공정을 통하여 형성될 수 있다.

상기 코일부는 평면 형상일 수 있다.

본 발명인 자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치는 무선 전력 송신 장치에서 발생된 자기장의 상쇄 효과 및 고주파상에서 발생하는 와전류 효과를 감소시켜 무선 전송 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 온도, 습도 및 염분 등의 환경 조건에 따른 두께 변화율을 최소화함으로써 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자성시트의 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자성시트의 사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 충전 장치의 분리 사시도 및
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 충전 장치의 단면도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자성시트의 단면도, 도2는 본 발명의 일실시예에 따른 자성시트의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자성시트는 방열층(30), 방열층(30)의 일면에 도포되는 접착층(20) 및 접착층(20)을 통하여 방열층(30)에 결합되며 종방향 및 횡방향을 따라 주기적으로 형성되는 간극에 의하여 자기적으로 분리되는 복수개의 자성블록(11)을 포함하는 자성층(10)을 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 방열층(30)은 예를 들면 그라파이트, 알루미나, 질화알루미늄, 질화 보로 및 실리콘 카바이드 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있으며, 접착층(20)을 통하여 복수개의 자성블록(11)을 고정시킨다.

방열층(30)은 그라파이트, 알루미나, 질화알루미늄, 질화보론 및 실리콘 카바이드 중 적어도 하나를 필러(filler)로 사용하고 고분자 수지를 기지로 한 복합재료 필름으로 구성될 수 있다.

방열층(30)을 구성하는 그라파이트, 알루미나, 질화알루미늄, 질화보론, 실리콘 카바이드 등은 예를 들면 1 W/mK이상의 열전도도를 가질 수 있다.

방열층(30)은 예를 들면, 100 내지 200㎛의 두께로 형성될 수 있으며, 전체 면적은 자성층(10)의 면적과 동일하거나 조금 크게 형성될 수 있다.

접착층(20)은 예를 들면 아크릴, 실리콘 등을 방열층(30)의 전면에 도포하거나 코팅하여여 형성할 수 있다.

접착층(20)은 예를 들면 30 내지 40㎛의 두께로 형성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에서는 방열층(30)과 접착층(20)이 별도의 구성으로 형성되는 것을 일예로 들어 설명하고 있으나, 이와는 다르게 방열층(30)과 접착층(20)이 일체로 형성될 수 있음은 본 발명의 기술 범위에 당연히 포함되는 것이라 할 것이다.

자성층(10)은 예를 들면, 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 합금 분말을 재료로 할 수 있다.

자성층(10)은 종방향 및 횡방향을 따라 주기적으로 형성되는 간극에 의하여 자기적으로 분리되는 복수개의 자성블록(11)으로 구성될 수 있다.

자성층(10) 간극의 간격(G)은 예를 들면 1내지 3000㎛로 형성될 수 있으며, 3 내지 5mm를 주기로 형성될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 간극이 형성되는 주기란, 예를 들면 간극의 가상의 중심선을 기준으로 하거나 또는 간극의 일단을 기준으로 할 수 있다.

자성층(10)을 제조하는 방법으로 예를 들면 상기의 합금 분말을 재료로 분말 밀링 장비를 사용하여 플레이크(flake)형상을 만들고, 부식방지 코팅 공정 후 소정 분량의 레진과 혼합하여 자성 잉크를 만든다. 이후 자성 잉크를 건조하여 제조되는 베어 필름(bare film)을 적층하고, 이에 고온 프레스 공정을 가하게 되면 평면 형태의 시트가 완성된다. 이렇게 완성된 평면 형태의 시트에 블레이드를 이용한 슬리팅(slitting)공정을 가하면 종방향 및 횡방향을 따라 주기적으로 간극이 형성된다.

자성층(10)을 제조하는 방법은 이외에도 다양한 방법이 이용될 수 있으며, 이러한 방법을 이용하여 자성층(10)을 형성하는 것은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다 할 것이다.

또한, 자성블록(11)의 형태가 원형, 타원형, 다각형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있음은 당연하다 할 것이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 충전 장치의 분리 사시도 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 충전 장치의 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 충전 장치는 무선 전력 송신 장치(200) 및 무선 전력 수신 장치(100)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 무선 전력 송신 장치(200)는 페라이트 기판(210), 페라이트 기판(210) 위에 고정 되는 영구자석(230) 및 중공부가 영구자석(230)에 끼워져 페라이트 기판(210) 상에 고정되는 송신 코일(220)을 포함하여 구성될 수 있다.

무선 전력 송신 장치(200)는 외부 전원으로부터 전력을 공급받게 되고, 이로부터 영구자석(230) 및 송신 코일(220)은 자계를 형성하게 된다.

무선 전력 수신 장치(100)는 배터리(110), 배터리(110)의 일면에 도포되는 제1 접착층(120), 제1 접착층(120)을 통하여 배터리(110)에 결합하는 방열층(130), 방열층(130)의 일면에 도포되는 제2 접착층(140), 제2 접착층(140)을 통하여 방열층(130)에 결합되며 종방향 및 횡방향을 따라 주기적으로 형성되는 간극에 의하여 자기적으로 분리되는 복수개의 자성블록을 포함하는 자성층(150) 및 자성층(150)에 탑재되는 평면 형상의 코일부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.

무선 전력 수신 장치(100)는 무선 전력 송신 장치(200)의 영구자석(230) 및 송신 코일(220)로부터 발생되는 자계를 수신하고, 전자기 유도 작용을 통해 소정의 전류로 변환하여 이를 배터리(110)에 출력하게 된다.

이 때, 무선 전력 송신 장치(200)의 영구자석(230) 및 송신 코일(220)에서 발생되는 자계는 각각 독립적으로 발생되어 무선 전력 수신 장치(100)의 자성층(150)을 경유하게 되는데, 자성층(150) 내에서 자계의 세기를 상호 상쇄하는 구간이 존재하게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(100)는 자성층(150)을 자기적으로 분리하는 간극이 주기적으로 형성되어 있어 이러한 자기장 상쇄 효과를 효율적으로 감쇄시킬 수 있다.

또한, 자성층(150)에 형성되는 간극에 의하여 각각의 자성블록은 전기적으로 절연되며, 고주파 대역에서의 와전류(渦電流)를 효과적으로 감소시킬 수 있다.

표 1은 간극이 형성되는 주기에 따른 무선 전력 전송 효율을 설명하기 위한 표이다.

	간극 없음	1 mm	3 mm	5 mm
무선전력 전송효율(%)	65.0	62.73	65.17	65.45
비투자율 @150 kHz	42.6	32.9	35.2	36.0
자기손실 tan δ(%) @ 150 kHz	1.1	1.1	0.8	0.7
비투자율 @13.56 MHz	43.9	33.6	35.4	36.7
자기손실 tan δ(%) @ 13.56 MHz	4.3	3.4	3.2	3.0

표 1을 참조하면, 간극이 없는 경우와 비교해서 간극이 3mm와 5mm를 주기로 형성된 경우 무선전력 전송 효율이 향상되었음을 확인할 수 있다. 그러나 간극이 1mm를 주기로 형성된 경우는 자성층(150)의 전체 면적 대비 간극의 비율이 너무 커서 전체적인 무선 전력 전송 효율은 오히려 감소하였다.

간극이 형성되는 주기가 증가할 수록 비투자율의 감소폭은 작아졌으며, 자기 손실 역시 효과적으로 감소되었다. 특히, 5mm의 경우 NFC주파수 대역인 13.56MHz에서 3.0% 정도의 양호한 손실특성을 얻을 수 있음이 확인되었다.

또한, 자성층(150)에 형성되는 간극에 의하여 자성층(150)의 면 방향 잔류응력을 완화시켜 주게 되므로, 고온/다습, 염수분무 환경에서 두께 팽창을 방지하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

표 2는 간극이 형성된 자성층(150)의 고온/다습 환경 및 염수분무 환경에서의 두께 변화율을 설명하기 위한 표이다.

	간극 없음	5 mm
고온/다습 테스트 (85도/85%, 96시간)	12.5%	2.7%
염수분무 테스트 ( KSC0223 : 1990, 48시간)	9.5%	3.5%

표 2를 참조하면, 고온/다습 환경(85도/85%, 96시간)에서 간극이 없는 경우와 비교하여 5mm의 주기로 간극이 형성된 경우 자성층(150)의 두께 변화율은 12.5%에서 2.7%로 9.8% 감소하였음을 알 수 있다.

또한, 염수분무 테스트(KSC0223: 1990, 48시간)에서는 두께 변화율이 9.5%에서 3.5%로 6% 감소하였음을 알 수 있다.

자성층(150)의 두께 변화는 결국 투자율의 변화를 야기하게 되며, 이로 인한 임피던스 부정합에 의하여 NFC성능은 저하될 수 있다. 따라서, 일반적으로 두께변화율을 5 내지 10%로 제한하려 하고 있으며, 본 발명의 일실시예에서와 같이 간극을 5mm 주기로 형성한 자성층(150)의 경우 이러한 요구를 충족시킬 수 있게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10, 150: 자성층
11: 자성블록
20: 접착층
30, 130: 방열층
100: 무선 전력 수신 장치
110: 배터리
120: 제1접착층
140: 제2접착층
160: 코일부
200: 무선 전력 송신 장치
210: 페라이트 기판
220: 송신 코일
230: 영구자석

Claims (15)

1. 자기적으로 분리되는 복수개의 자성블록을 포함하는 자성층을 포함하는 자성시트.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 자성블록은 종방향 및 횡방향을 따라 주기적으로 형성되는 간극에 의하여 자기적으로 분리되는 자성시트.
   
3. 제1항에 있어서,
   일면이 상기 자성층에 결합되는 방열층을 더 포함하는 자성시트.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 방열층의 일면에 도포되는 접착층을 더 포함하며,
   상기 방열층은 상기 접착층을 통하여 상기 자성층에 결합되는 자성시트.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 간극의 간격은 1 내지 3000㎛인 자성시트.
   
6. 제2항에 있어서,
   상기 간극은 3 내지 5mm를 주기로 형성되는 자성시트.
   
7. 제3항에 있어서,
   상기 방열층은 그라파이트, 알루미나, 질화 알루미늄, 질화 보론 및 실리콘카바이드 중 적어도 하나를 포함하는 자성시트.
   
8. 자기적으로 분리되는 복수개의 자성블록을 포함하는 자성층 및
   상기 자성층에 탑재되는 코일부를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 자성블록은 종방향 및 횡방향을 따라 주기적으로 형성되는 간극에 의하여 자기적으로 분리되는 무선 전력 수신 장치.
   
10. 제8항에 있어서,
    일면이 상기 자성층에 결합되는 방열층 및
    상기 방열층의 타면에 결합되는 배터리를 더 포함하는 무선 전력 수신 장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 방열층의 일면에 도포되는 제2접착층을 더 포함하며,
    상기 방열층은 상기 제2접착층을 통하여 상기 자성층에 결합되는 무선 전력 수신 장치.
    
12. 제9항에 있어서,
    상기 간극의 간격은 1 내지 3000㎛인 무선 전력 수신 장치.
    
13. 제9항에 있어서,
    상기 간극은 3 내지 5mm를 주기로 형성되는 무선 전력 수신 장치.
    
14. 제10항에 있어서,
    상기 방열층은 그라파이트, 알루미나, 질화 알루미늄, 질화 보론 및 실리콘카바이드 중 적어도 하나를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
    
15. 제8항에 있어서,
    상기 코일부는 평면 형상인 무선 전력 수신 장치.

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