KR20150001418A - 수신 안테나 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나는 기판, 상기 기판 상에 적층되는 연자성층, 그리고 무선 전력 송신 장치로부터 방사되는 전자기 에너지를 수신하며, 상기 연자성층의 평면과 평행하게 감겨지고, 상기 연자성층의 내부에 형성된 수신 코일을 포함하며, 상기 연자성층과 상기 수신 코일 사이에는 절연층이 형성된다.

Description

수신 안테나 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치{RECEIVING ANTENNAS AND WIRELESS POWER RECEIVING APPARATUS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 무선 충전에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 충전을 위한 수신 안테나 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.
무선 통신 기술의 발달에 따라, 전자기기에게 전력을 무선으로 공급하는 무선 전력 송수신 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 무선 전력 송수신 기술은 휴대 단말의 배터리 충전뿐만 아니라, 가정용 전자제품에 대한 전력 공급, 전기자동차나 지하철에 대한 전력 공급 등에도 다양하게 적용될 수 있다.
일반적인 무선 전력 송수신 기술은 자기 유도 또는 자기 공진의 원리를 이용한다. 예를 들어, 무선 전력 송신 장치의 송신 안테나에 전기 에너지를 인가하면, 송신 안테나는 전기 에너지를 전자기 에너지로 변환하여 주변으로 방사할 수 있다. 그리고, 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나는 송신 안테나로부터 방사된 전자기 에너지를 수신하고, 이를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
이때, 전력 송수신 효율을 높이기 위하여, 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치 간의 에너지 손실을 최소화할 필요가 있다. 이를 위하여, 송신 안테나와 수신 안테나를 유효 거리 이내에서 상호 정렬시킬 필요가 있다. 또한, 송신 안테나와 수신 안테나 주변에 연자성 소재를 배치하여, 송신 안테나가 방사하는 전자기 에너지를 수신 안테나의 방향으로 집속시킬 필요가 있다.
이를 위하여, 연자성층 상에 수신 코일을 형성한다. 이때, 연자성층과 수신 코일 사이에 공기층이 형성되어 연자성층의 자기장 안내 효과가 줄어드는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 무선 전력 수신 장치의 무선 전력 수신 효율을 개선하기 위한 수신 안테나의 구조를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나는 기판, 상기 기판 상에 적층되는 연자성층, 그리고 상기 연자성층의 평면과 평행하게 감겨지고, 상기 연자성층의 내부에 형성된 수신 코일을 포함하며, 상기 연자성층과 상기 수신 코일 사이에는 절연층이 형성된다.
상기 연자성층과 상기 절연층 사이에 형성되는 제1 접착층, 그리고 상기 절연층과 상기 수신 코일 사이에 형성되는 제2 접착층을 더 포함할 수 있다.
상기 절연층은 PET(polyethylene terephthalate) 소재를 포함할 수 있다.
상기 연자성층은 연자성 금속 분말 및 고분자 수지를 포함하는 복수의 시트(sheet)가 적층될 수 있다.
상기 연자성층은 홈부를 포함할 수 있다.
상기 수신 코일 상에 적층된 지지 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 수신 안테나의 제조 방법은 연자성 금속 분말과 고분자 수지를 포함하는 복수의 시트를 적층하는 단계, 상기 복수의 시트의 상면에 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층 상에 수신 코일을 배치하는 단계, 그리고 상기 복수의 시트, 상기 절연층 및 상기 수신 코일을 압착하여 상기 수신 코일을 상기 복수의 시트 내부에 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치는 기판, 상기 기판 상에 적층되는 연자성층, 상기 연자성층의 평면과 평행하게 감겨지고, 상기 연자성층의 내부에 형성되는 수신 코일, 상기 수신 코일과 연결되며, 상기 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 회로부, 그리고 상기 전기 에너지를 저장하는 저장부를 포함하며, 상기 연자성층과 상기 수신 코일 사이에는 절연층이 형성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 무선 전력 수신 장치에서 수신 안테나의 전자기 에너지 집속 성능을 높일 수 있어, 무선 전력 송수신 효율을 최대화할 수 있다. 특히, 수신 코일과 연자성층 간의 공기층을 제거하여 연자성층의 자기장 안내 효과를 높이며, 수신 안테나의 두께를 줄이고 송신 안테나와 수신 안테나 간의 거리를 줄여 개선된 전력 전송 효율을 얻을 수 있다.
이에 따라, 얇은 두께에서도 요구되는 수준의 전자기 에너지 집속 효과를 얻을 수 있어, 슬림화 추세의 다양한 전자기기(예, TV, 휴대 단말, 노트북, 테블릿 PC 등) 기술에 적용이 가능하다.
그리고, 전자기 에너지 집속 성능이 우수하고, 재료의 가격이 저렴하므로, 전기자동차, 지하철, 전철 등의 대형 응용 분야에도 적용이 가능하다.
또한, 연자성층과 수신 코일 간의 전기적인 단락 가능성을 줄여, 수신 안테나의 신뢰성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 무선 전력 송신 장치의 일부를 나타내는 도면이고, 도 3은 무선 전력 수신 장치의 일부를 나타내는 도면이다.
도 4는 연자성층과 수신 코일의 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 연자성층과 수신 코일의 단면도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 접착층의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 연자성층에 수신 코일을 매립하는 방법을 나타내는 순서도이다.
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 한 실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 송수신 시스템은 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)를 포함한다. 무선 전력 송신 장치(100)는 송신 안테나에 전기 에너지를 인가하고, 송신 안테나는 전기 에너지를 전자기 에너지로 변환하여 주변으로 방사한다. 무선 전력 수신 장치(200)는 송신 안테나로부터 방사된 전자기 에너지를 수신 안테나를 이용하여 수신하고, 이를 전기 에너지로 변환하여 충전한다.
여기서, 무선 전력 송신 장치(100)는, 예를 들면 송신 패드(pad)이다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 송수신 기술이 적용되는 휴대 단말, 가정용/개인용 전자제품, 운송 수단 등의 일부 구성일 수 있다. 무선 전력 송수신 기술이 적용되는 휴대 단말, 가정용/개인용 전자제품, 운송 수단 등은 무선 전력 수신 장치(200)만을 포함하거나, 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)를 모두 포함하도록 설정될 수 있다.
한편, 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 송수신(Wireless Power Conversion, WPC) 기능과 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC) 기능을 동시에 가지는 모듈을 포함하도록 구성될 수도 있다. 이때, 무선 전력 수신 장치(200)는 NFC 모듈을 포함하는 외부 장치(300)와 근거리 무선 통신을 수행할 수도 있다.
도 2는 무선 전력 송신 장치의 일부를 나타내는 도면이고, 도 3은 무선 전력 수신 장치의 일부를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(100)는 송신 회로(미도시), 연자성 코어(110), 송신 안테나(120) 및 영구 자석(130)을 포함한다.
연자성 코어(110)는 수 mm 두께의 연자성 소재로 이루어질 수 있다. 그리고, 송신 안테나(120)는 송신 코일로 이루어지며, 영구 자석(130)은 송신 안테나(120)에 의하여 둘러싸일 수 있다. 영구 자석(130)은 사양에 따라 생략될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 송신 장치(200)는 수신 회로(미도시), 연자성층(210) 및 수신 코일(220)을 포함한다. 연자성층(210)은 기판(미도시) 상에 형성될 수 있다. 기판은 여러 겹의 고정 시트로 이루어질 수 있고, 연자성층(210)과 접합하여, 연자성층(210)을 고정시킬 수 있다.
연자성층(210)은 무선 전력 송신 장치(100)의 송신 안테나(120)로부터 방사되는 전자기 에너지를 집속한다.
연자성층(210)은 금속 재료 또는 페라이트(ferrite) 소재로 이루어질 수 있으며, 연자성층(210)은 소결체(pellet), 플레이트(plate), 리본, 호일(foil), 필름(film) 등의 다양한 형태로 구현될 수 있다. 일 예로, 연자성층(210)은 연자성을 띄는 단일 금속 또는 합금 분말(이하, 연자성 금속 분말이라 한다) 및 고분자 수지를 포함하는 복수의 시트가 적층된 형태일 수 있다. 다른 예로, 연자성층(210)은 Fe, Co, Ni 중 적어도 하나를 포함하는 합금 리본, 적층 리본, 호일 또는 필름일 수 있다. 또 다른 예로, 연자성층(210)은 FeSiCr 플레이크를 90wt% 이상 포함하고, 고분자 수지를 10wt% 이하 포함하는 컴포지트일 수 있다. 또 다른 예로, 연자성층(210)은 Ni-Zn 계 페라이트를 포함하는 시트, 리본, 호일 또는 필름일 수 있다.
연자성층(210) 상에는 수신 코일(220)이 형성된다. 수신 코일(220)은 연자성층(210) 상에서 연자성층(210)의 평면과 평행한 방향으로 감겨질 수 있다. 스마트폰에 적용되는 수신 코일을 예로 들면, 외경 50mm 이내, 내경 20mm 이상의 나선형 코일(spiral coil)의 형태일 수 있다. 수신 회로는 수신 코일(220)을 통하여 수신된 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하며, 변환한 전기 에너지를 배터리(미도시)에 충전한다.
도시되지 않았으나, 연자성층(210)과 수신 코일(220) 사이에는 방열층이 더 포함될 수 있다. 본 명세서에서, 연자성층(210)과 수신 코일(220)을 수신 안테나라고 지칭할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(200)가 WPC 기능과 NFC 기능을 동시에 가지는 경우, 연자성층(210) 상에는 NFC 코일(230)이 더 적층될 수 있다. NFC 코일(230)은 수신 코일(220)의 바깥을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
그리고, 수신 코일(220)과 NFC 코일(230) 각각은 단자(240)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
도 4는 연자성층과 수신 코일의 단면도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 연자성층(400) 상에 접착층(410)이 형성되고, 접착층(410) 상에 수신 코일(420)이 형성되며, 수신 코일 (420) 상에 지지 필름(430)이 형성된다. 지지 필름은 수신 코일(420)을 지지하기 위한 것으로, PET(polyethylene terephthalate) 소재를 포함할 수 있다.
이와 같이, 연자성층(400)과 수신 코일(420)이 접착층(410)을 통하여 접착되는 경우, 수신 코일(420) 사이에 공기층(A)이 만들어져 연자성층(400)의 자기장 안내 효과가 줄어들 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나에서 공기층을 제거하여 전력 전송 효율을 높이고자 한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 연자성층과 수신 코일의 단면도를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 연자성층(500) 상에 접착층(510)이 형성되고, 접착층(510) 상에 수신 코일(520)이 형성되며, 수신 코일(520) 상에 지지 수단(530)이 형성된다. 지지 수단은 수신 코일(520)을 지지하기 위한 것으로, PET(polyethylene terephthalate) 소재를 포함할 수 있으며, 필름의 형태일 수 있다. 여기서, 수신 코일(520)은 연자성층(500)의 내부에 형성된다. 예를 들여, 수신 코일(520)은 연자성층(500)의 상면에 매립될 수 있다. 이에 따라, 수신 코일(520)과 연자성층(500) 사이에 형성되던 공기층이 제거되어, 전력 전송 효율을 높일 수 있다.
이를 위하여, 연자성층(500)은 내부에 수신 코일(520)을 수용하기 위한 홈부를 포함하며, 접착층(510)을 이용하여 홈부 내에 수신 코일(520)을 접착할 수 있다.
또는, 연자성층(500)의 상면에 수신 코일(520)을 배치한 후 연자성층(500) 및 수신 코일(520)을 압착하면, 수신 코일(520)이 연자성층(500)의 내부에 매립될 수도 있다. 연자성층(500) 및 수신 코일(520)의 압착 및 매립을 용이하게 하기 위하여, 연자성층(500)은 연자성 금속 분말 및 고분자 수지를 포함하는 시트로 이루어질 수 있다. 수신 코일을 매립하는 구체적인 방법은 후술한다.
한편, 접착층(510)은 절연층을 포함하는 양면 구조일 수 있다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 접착층의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 접착층(510)은 제1 접착층(512), 제1 접착층(512) 상에 형성된 절연층(514) 및 절연층(514) 상에 형성된 제2 접착층(516)을 포함한다.
여기서, 절연층(514)은, 예를 들면 PET(polyethylene terephthalate) 소재를 포함할 수 있다. 이에 따라, 수신 코일(520)을 연자성층(500)에 내부에 형성하거나 매립하기 위한 과정에서 제1 접착층(512) 또는 제2 접착층(516)이 파괴되더라도, 연자성층(500) 내의 금속과 수신 코일 사이의 전기적인 단락을 예방할 수 있다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 연자성층에 수신 코일을 매립하는 방법을 나타내는 순서도이다. 여기서, 연자성층은 연자성 금속 분말 및 고분자 수지를 포함하는 시트로 이루어지는 것을 가정한다.
도 7을 참고하면, 연자성 금속 분말과 고분자 수지를 포함하는 시트를 제조한다(S700). 이를 위하여, 용매, 연자성 금속 분말 및 고분자 수지를 포함하는 잉크를 필름 캐스팅하여 박형의 시트를 만들 수 있다. 여기서, 연자성 금속 분말은, 예를 들면 Fe-실리콘계의 합금을 포함할 수 있다. 그리고, 고분자 수지는, 예를 들면 러버(rubber)계, 에폭시계 및 실리콘계 중 적어도 하나의 고분자 수지를 포함할 수 있다.
다음으로, 복수의 시트를 적층한 후(S710), 복수의 시트의 상면에 접착층을 형성하고(S720), 접착층 상에 수신 코일을 배치한 후(S730), 복수의 시트, 접착층 및 수신 코일을 동시에 고온에서 압착한다(S740). 여기서, 압착 공정은 80~250℃에서 1시간 내지 4시간 동안 100 내지 300kgf/cm2의 압력 하에서 행해질 수 있다. 바람직하게는, 150~200℃에서 2시간 내지 3시간 동안 150내지 250kgf/cm2의 압력 하에서 행해질 수 있다.
이와 같이, 복수의 시트와 수신 코일을 동시에 압착하면, 시트 내에 포함된 고분자 수지의 유동성으로 인하여 시트와 수신 코일의 경계면에 홈부가 형성되며, 수신 코일 사이로 고분자 수지가 스며들어 공기층이 형성되지 않게 된다. 이에 따라, 수신 코일과 연자성층 사이의 공기층으로 인한 자기장 안내 감소 문제를 막을 수 있다.
반면, 복수의 시트와 수신 코일을 동시에 압착하지 않고, 복수의 시트를 먼저 고온 압착한 후 수신 코일을 상면에 배치하여 다시 압착하면, 도 8과 같이 기계적 압력 차이로 인하여 연자성층의 후면(502)에 요철 구조가 형성될 수 있다. 이는 자기장 안내 감소를 유도할 수 있다.
또한, 시트와 수신 코일의 경계면에 형성된 홈부는 고온에서 압착하는 과정에서 열적으로 경화되므로, 안정적인 구현이 가능하다.
또한, 시트에 포함된 고분자 수지는 고온 압착을 통하여 내열성이 높은 절연 물질이 되므로, 연자성 금속 분말 사이에서 필요한 절연 기능을 수행하며, 외부의 가혹한 환경에서도 연자성 금속 분말의 부식을 막을 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 접착층을 절연층을 내부에 포함하는 양면 접착 구조로 형성하면, 복수의 시트와 수신 코일의 고온 압착 시 접착층의 일부가 벗겨지더라도 전기적인 단락을 방지할 수 있다.
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.
200: 무선 전력 수신 장치
210: 연자성층
220: 수신 안테나
230: NFC 코일

Claims (8)

  1. 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나에 있어서,
    기판,
    상기 기판 상에 적층되는 연자성층, 그리고
    상기 연자성층의 평면과 평행하게 감겨지고, 상기 연자성층의 내부에 형성된 수신 코일
    을 포함하며,
    상기 연자성층과 상기 수신 코일 사이에는 절연층이 형성되는 수신 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연자성층과 상기 절연층 사이에 형성되는 제1 접착층, 그리고
    상기 절연층과 상기 수신 코일 사이에 형성되는 제2 접착층
    을 더 포함하는 수신 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 PET(polyethylene terephthalate) 소재를 포함하는 수신 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연자성층은 연자성 금속 분말 및 고분자 수지를 포함하는 복수의 시트(sheet)가 적층된 수신 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연자성층은 홈부를 포함하는 수신 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수신 코일 상에 적층된 지지수단을 더 포함하는 수신 안테나.
  7. 수신 안테나의 제조 방법에 있어서,
    연자성 금속 분말과 고분자 수지를 포함하는 복수의 시트를 적층하는 단계,
    상기 복수의 시트의 상면에 절연층을 형성하는 단계,
    상기 절연층 상에 수신 코일을 배치하는 단계, 그리고
    상기 복수의 시트, 상기 절연층 및 상기 수신 코일을 압착하여 상기 수신 코일을 상기 복수의 시트 내부에 형성하는 단계
    를 포함하는 제조 방법.
  8. 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치에 있어서,
    기판,
    상기 기판 상에 적층되는 연자성층,
    상기 연자성층의 평면과 평행하게 감겨지고, 상기 연자성층의 내부에 형성되는 수신 코일,
    상기 수신 코일과 연결되며, 상기 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 회로부, 그리고
    상기 전기 에너지를 저장하는 저장부
    를 포함하며,
    상기 연자성층과 상기 수신 코일 사이에는 절연층이 형성되는 무선 전력 수신 장치.
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