KR20150039287A - 자성시트 및 이를 포함하는 무선충전모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예 들은 무선충전모듈에 적용되는 자성시트에 관한 것으로, 다양한 무선전력송신 방식의 표준에 호환이 가능하면서도, 영구자석을 필요로 하는 전력송신 방식에서 영구자석의 영향을 최소화하면서도 높은 전력전송효율을 구현할 수 있는 자성시트를 제공할 수 있다.

Description

자성시트 및 이를 포함하는 무선충전모듈{MAGNETIC SHEET AND WIRELESS CHARGING MODULE COMPRISING THE SAME}
본 발명의 실시예 들은 무선충전모듈에 적용되는 자성시트에 관한 것이다.
핸드폰, PDA(개인휴대단말기), 아이패드, 노트북컴퓨터 또는 태블릿 PC 등과 같은 휴대용 전자장치들의 무선충전기술이 새롭게 부각되고 있다. 새로운 타입의 무선충전(WLC) 기술이 도입되어 휴대용 전자장치가 전력선을 사용할 필요없이 전자유도작용(ELECTROMAGNETIC INDUCTION) 방식을 채택하여 직접 휴대용 전자장치에 전력을 전송하여 전지를 충전시킬 수 있도록 한다.
이러한 무선전력전송용 IT부품모듈에는 자성소재가 사용되고 있는데, 이러한 자성소재의 사용으로 인해 전자기 차폐재(자성체)를 도입하여 전자기적 에너지 손실을 최소화함으로써 코일 설계에만 의존 해 오던 전송효율 (무선전력전송)의 기능/성능을 향상시키고자 하는 노력이 계속되고 있다.
자성체로 구성된 차폐재의 관점에서는 무선전력전송의 기능을 만족시키는 차폐재가 필요하며, 무선전력전송을 위한 표준방식의 다변화로 인한 호환성에 한계점을 보이고 있다. 이러한 무선전력전송의 표준방식의 대표적인 예로는 WPC(Wireless Power Consortium), A4WP(Alliance for Wireless Power), 및 PMA(Power Matters Alliance) 방식이 있으며, 기술적으로는 자기유도 및 자기공진 방식으로 구분된다.
IT 부품의 세부적으로는 송신체 또는 수신체 내에 영구자석의 도입 여부가 가장 큰 차이점(영구자석의 탑재 여부에 따라 각 표준 별 무선 전력 전송효율의 차이가 많음)이고, 더 나아가서는 이로 인한 다양한 디자인의 적용을 차이점으로 두고 있다.
WPC 송신부의 A1-type 표준규격에 의하면 전력 송신부의 센터에는 자기유도나 자기공진의 기능의 구현과는 무관하게 영구자석이 포함되어 있다. 영구자석이 설치된 이유는 송신 안테나와 수신 안테나의 위치를 최적의 위치로 교정하기 위함이다. 즉, 스마트폰을 전력 송신부가 설치된 송신 패드 위에 올려놓을 때, 최적의 위치로 맞추기 위하여 영구자석의 힘으로 스마트폰을 움직이게 되는 것이다. 이 때 스마트 폰의 수신안테나의 센터에도 돌출된 형태의 연자성 코어가 포함되기도 한다.
그러나 상술한 다양한 표준방식에 부합하여 각각의 기능이 최상의 성능을 발휘하기 위해서는 표준마다의 각기 다른 자성시트의 재료 및 구조를 필요로 하며, 이를 위해 자성체의 재료 및 구조가 변형되어야 하는 문제가 있으며, 현재까지 상술한 다양한 표준방식에 부합하는 호환성을 가지는 자성시트는 개발되지 않고 있다. 즉, 무선전력 송신부에서 영구자석을 제외된 형태의 규격도 제안되어 있지만, 소비자가 어떠한 형태의 송신패드를 사용할지 모르는 상황이므로 모든 형태의 전력 송신부 규격에 대하여 호환 가능한 자성시트가 필요한 상황이다.
본 발명의 실시예 들은 상술한 과제를 해결하기 위한 것으로, 특히 다양한 무선전력송신 방식의 표준에 호환이 가능하면서도, 영구자석을 필요로 하는 전력송신 방식에서 영구자석의 영향을 최소화하면서도 높은 전력전송효율을 구현할 수 있는 자성시트를 제공할 수 있도록 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에서는 제1방향의 제1폭(x)과 상기 제1방향에 직교하는 제2방향의 제2폭(y)을 구비하는 단면과, 상기 단면에서 연장되는 두께(z)를 구비하며, 상기 단면의 면적과 상기 두께(z)의 비율이 1:(0.0002~1)인 자성시트를 제공할 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다양한 무선전력송신 방식의 표준에 호환이 가능하면서도, 영구자석을 필요로 하는 전력송신 방식에서 영구자석의 영향을 최소화하면서도 높은 전력전송효율을 구현할 수 있는 자성시트를 제공할 수 있는 효과가 있다.
구체적으로, 가장 최근의 무선 전력전송 송·수신체에 탑재되고 있는 영구자석의 영향을 최소화함으로써 Tx-A1(대표적인 영구자석 탑재형 송신체 표준) 및 Tx-A11(대표적인 영구자석 미적용 송신체 표준) 등의 송신체에서도 송·수신체 내부의 영구자석 도입 여부와 상관없이 높은 효율의 무선 전력전송을 실현할 수 있는 장점이 구현된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 자성시트는 무선전력전송의 효과가 탁월한 자성재료를 적용함으로써 무선전력전송 효율을 극대화할 수 있으며, 신규 표준에 상관없는 다양한 자성재료의 적용이 가능하여 휴대폰 등의 소형 개인용 휴대기기를 비롯한 다양한 통신 및 IT기기 및 대형 OLED, HEV/EV 등에서의 확대 적용이 가능한 장점이 구현된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자성시트의 구조를 도시한 개념도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자성시트의 변형실시예의 구조를 도시한 개념도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 실험 데이터를 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)" 에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접 (directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자성시트의 구조를 도시한 개념도이다.
도시된 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자성시트(100)는 제1방향의 제1폭(x)과 상기 제1방향에 직교하는 제2방향의 제2폭(y)을 구비하는 단면과, 상기 단면에서 연장되는 두께(z)를 구비하며, 상기 단면의 면적과 상기 두께(z)의 비율이 1:(0.0002~1)를 충족하는 구조로 형성될 수 있다.
도 1의 구조에서는 가로와 세로를 가지는 직사각형 단면 구조를 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1방향과 제2방향의 방향성과 일정한 두께를 가지는 다양한 단일폐곡선의 구조의 단면 형상을 가지는 시트 부재는 모두 본 발명의 범위에 포함된다.
상기 자성시트(100)는 도시된 바와 같이, 제1방향의 길이는 제1폭(x)을 구비하며, 또한 상기 제1폭(x)에 직교하는 제2방향(y)의 길이인 제2폭(y)을 구비하며, 상기 제1폭과 제2폭은 상기 제1폭(x)은 단면의 수평방향의 최장 수평선분, 제2폭(y)은 상기 제1폭에 직교하는 방향의 최장 수직선분으로 정의하며, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1폭 및 제2폭에 의해 구현되는 평면인 단면의 면적 대비 자성시트의 두께의 비율이 1:(0.0002~1)의 범위를 충족하는 것을 특징으로 한다.
(특히, 상기 제1폭(x)은 단면의 수평방향의 최장 수평선분, 제2폭(y)은 상기 제1폭에 직교하는 방향의 최장 수직선분으로 정의하며, 상기 명시된 면적 대비 두께가 갖는 비율을 규정함에 있어 적용된 단위는 mm이며, 이는 단위가 변경될 경우 10a(a는 유리수) 비율로 차이가 나게 되어 수치적인 비율이 달라지므로 적용된 단위를 구분(명시)함으로써, 정해지는 비율을 환산하여 정의하고 비교해야 한다. 또한, 면적(mm2)과 두께(mm)에 대한 단위는 물리적으로 다르므로, 비율을 산정하는 방식에서는 단위를 무시한 수치만을 적용하여 산출된 비율로 정의한다.)
통상의 자성시트를 포함하는 무선전력송신 모듈에서 송신안테나의 센터에 영구자석이 위치하게 되면 수신부의 자성시트가 영향을 받게 되어, 송수신부 코일에 흐르는 전류에 의해 유도되는 자기장에 의한 투자율 저하 현상이 일어나게 된다. 송신부의 연자성 코어는 두께가 수 mm 정도로 두껍고 볼륨이 있으므로 영구자석에 인접한 일정부위의 투자율이 낮아지더라도 영향이 심각하지는 않지만, 두께가 0.1mm ~ 0.3mm정도로 얇은 연자성 시트는 평면 및 수직방향으로 높은 투자율 특성을 보유하게 되므로 인접한 영구자석에 의하여 자화 거동이 공정되어 코일에 의해 형성되는 교류 자기장에 의해 유도되는 현상이 저하되는 현상을 보이게 된다. 그 결과 송신 안테나와 수신 안테나에서의 전자기 에너지 누설을 막아줄 수 없게 되므로 전송효율이 낮아지게 된다. 반면, 상술한 단면의 면적 대비 자성시트의 두께의 비율이 1:(0.0002~1)의 범위를 충족하는 본 발명의 실시예에서는 이러한 투자율 저하 현상이 현저하게 제거되며, 영구자석의 영향을 최소화할 수 있게 된다.
상술한 비율의 범위를 충족하는 경우에는 무선전력송신을 통해 구현되는 전송효율의 향상은 물론, 다양한 전력송신의 표준에 적용되는 영구자석의 존재와는 무관하게 호환적으로 적용이 가능한 호환성이 확보되게 된다. 반면, 상술한 비율 범위를 벗어나는 경우에는 전력송신효율이 현저하게 떨어지며, 영구자석에 의해 영향을 심하게 받아 특정한 표준에는 적용이 될 수 있으나, 다른 표준방식에는 적합하지 않는 특성을 구현하게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 자성시트(100)은 그 형상과는 무관하게 상술한 단면의 면적대비 두께의 비율을 충족하는 범위에서 자성체로 구현되는 전체 부피가 103 mm3~1012 mm3를 충족하는 것이 더욱 바람직하다. 상술한 부피 범위는 상기 자성시트의 단면의 면적대비 두께의 비율을 충족하는 경우에 더하여 무선전력송신의 호환성 및 송신효율을 더욱 높일 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력송신 또는 수신 모듈에 적용되는 형태를 개념화하여 예시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자성시트는 도 2의 (a)에 도시된 것과 같이 비적층구조로 단일층으로 구현되며, 상술한 도 1의 실시예의 단면의 면적대비 두께의 비율을 충족하는 범위로 구현되거나, (b)에 도시된 것과 같이 다수의 단위시트(110a~110d)의 적층구조로 구현되어 도 1에서 상술한 단면의 면적대비 두께의 비율을 충족하는 범위를 구현할 수도 있다.
특히, 도 2의 (b)에 도시된 적층구조의 자성시트의 경우에는 각각의 분리형 구조로 별도의 점착제 등의 매개 물질 없이 단순 적층구조로 구현하는 경우에, 영구자석이 존재하는 무선전력송신모듈의 표준 방식에서 영구자석의 영향을 각 분리된 단위시트별로 분산시켜 전송효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있음은 물론, 상기 단위부재의 사이에 접착제, 접착필름 등의 절연층을 배치하여 상술한 영구자석의 영향을 분산하는 효율을 더욱 높일 수도 있다. 이 경우 상기 단위시트의 두께는 18um~200um의 범위를 만족하는 것이 바람직하며, 적층형의 경우 적층 수는 2~30층의 범위에서 상술한 본 발명의 자성시트의 단위면적대비 두께의 비율 범위를 충족하도록 구현하는 것이 영구자석의 영향에서 벗어날 수 있는 효율측면에서 바람직하다.
도 2의 구조에서 상기 자성시트(100)의 표면에는 커버필름(210A, 210B)가 더 포함되는 구조로 무선충전모듈에 적용될 수 있으며, 이 경우 상기 자성시트(100)의 상면에는 무선전력전송용 코일(220)이 추가로 배치될 수 있다. 도 3은 본 발명의 자성시트의 구조 및 코일(220)의 배치위치 및 커버필름(210A)의 변형 배치 구조를 예시한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 도 1 및 도 2의 자성시트는 Fe, Ni, Co, Mo, Si, Al, B 중 선택되는 원소 중 한 가지 또는 두 가지 이상 원소의 조합으로 이루어지는 금속계 자성 분말과 고분자의 복합재료, 내지는 금속계 자성 리본(Metallic-alloy based magnetic ribbon)으로 이루어질 수 있다. 본 발명에서 상기 '리본'은 결정질(Crystalline) 내지는 비결정질(Amorphous) 상태인 매우 얇은 “밴드(band)”, “끈” 내지는 “띠” 형태의 금속 합금이 통칭으로 정의한다.
아울러, 본 발명에서 정의하는 '리본'은 원칙적으로는 금속 합금이지만, 외관상의 모양으로 인해 별도의 “Ribbon”이라는 용어를 사용하는 것이며, 상기 리본은 Fe(Co)-Si-B 이 주요 재료로 사용되며, Nb, Cu, Ni 등의 첨가제를 추가하여 다양한 조성으로 제조할 수 있다. 넓은 의미에서의 적용 가능한 재료로는 섬유, 비닐, 플라스틱 및 금속, 합금 등이 사용될 수 있으나, 일상생활에서는 주로 섬유 혹은 비닐 형태로 제조하여 물체를 묶기 위한 용도, 장식을 위한 용도 등으로 많이 사용될 수 있다.
또는, Fe, Ni, Mn, Zn, Co, Cu, Ca, O 중 선택되는 두 가지 이상 원소의 조합으로 이루어지는 페라이트계 분말과의 고분자의 복합재료 내지는 페라이트 소결체로 이루어질 수 있으며, 형상은 시트 구조로 구현될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 자성시트는 Fe-Si-B 및 MnZn계 페라이트로 구성될 수 있다.
어느 경우이던, 단면의 면적과 상기 두께(z)의 비율이 1:(0.0002~1)의 범위를 충족하며, 더욱 바람직하게는 자성시트의 부피가 103 mm3~1012 mm3를 충족하는 것이 바람직하다.
{실험예 1}
본 실험예 1에서는 Fe-Si-B 재료로 형성한 자성시트 및 MnZn 페라이트 재료로 형성한 자성시트의 두께에 따른 무선전력의 전송효율을 측정하였다. 시트의 두께는 0.1mm ~ 0.3mm의 범위까지 변화를 주었으며, 무선전력송신을 위한 적용안테나는 LF5055ANT를 적용하고 코일의 두께를 0.1mm로 통일하였다. 자성시트의 면적은 50mm×55mm(면적:2750mm2)로 하였으며, 자성시트와 안테나의 간격은 0.03mm, 입력전력은 2.5~3.5W를 입력하였다.(전력송신방식은 Tx-A11, Tx-A1)
자성시트를 위한 재료는 도 4에 도시한 결과는 리본(ribbon)으로 Fe-Si-B를 적용하였으며, 도 5에 도시한 결과는 MnZn 페라이트를 적용한 결과를 도시한 것이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 어느 경우에도 본 발명의 범위를 충족하는 범위에서시트의 두께가 증가되는 경우 전송효율을 65~69% 까지 확보할 수 있어, 서로 다른 전송방식에서도 원하는 정도(무선충전을 위해 적합한 전송효율)을 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
{실험예 2}
도 6 및 도 7의 실험결과 그래프는, 본 발명의 실시예에 따른 시트의 면적별 전송효율을 측정한 결과를 도시한 것이다.
측정 조건은 Fe-Si-B 재료로 형성한 자성시트 및 MnZn 페라이트 재료로 형성한 자성시트의 면적별 전송효율을 측정하기 위해, 시트의 면적을 1000mm2에서 3000mm2까지 변화시키며 전송효율을 측정하였다.
시트의 두께는 0.1mm 및 0.25mm 두 개의 두께를 각각에 적용하였으며, 무선전력송신을 위한 적용안테나는 50mm×55mm 크기의 Lead Frame LF5055ANT를 적용하고 코일의 두께를 0.1mm로 통일하였다. 자성시트의 면적은 최대크기를 50mm×55mm(면적:2750mm2)로 하였으며, 자성시트와 안테나의 간격은 0.03mm, 입력전력은 2.5~3.5W를 입력하였다.(전력송신방식은 Tx-A11, Tx-A1)
도 6 및 도 7의 결과에서 확인이 가능하듯이, 본 발명의 실시예에 따른 면적범윙서의 전송효율은 전송방식의 차이에도 불구하고 본 발명의 범위를 충족하는 범위에서시트의 두께가 증가되는 경우 전송효율을 62~69% 까지 확보할 수 있어, 서로 다른 전송방식에서도 원하는 정도(무선충전을 위해 적합한 전송효율)을 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
이상의 결과를 종합하면, 본 발명의 실시예에 따른 자성시트는 단면의 면적과 상기 두께의 비율이 1:(0.0002~1)의 범위를 충족하거나, 이에 더하여 자성시트의 부피는 103 mm3~1012 mm3를 충족하는 자성시트를 구현하여 송신부의 영구자석의 탑재 여부와는 상관없이 무선 전력전송의 높은 효율을 기대할 수 있으며, 전송방식의 차이에 따른 호환성의 문제를 일소할 수 있는 장점이 구현되며, 자성재료의 선택에 있어서도 신규 표준에 상관없는 다양한 자성재료를 선택할 수 있게 되는 범용성이 확보될 수 있다. 즉, 면적과 두께를 조절하여 다양한 구조에서 최상의 전송효율의 구현이 가능하며, 다양한 응용분야로의 확대를 기대할 수 있게 된다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 자성시트
210A, 210B: 커버필름
220: 코일

Claims (10)

  1. 제1방향의 제1폭(x)과 상기 제1방향에 직교하는 제2방향의 제2폭(y)을 구비하는 단면과,
    상기 단면에서 연장되는 두께(z)를 구비하며,
    상기 단면의 면적과 상기 두께(z)의 비율이 1:(0.0002~1)인 자성시트.
    (단, 상기 제1폭(x)은 단면의 수평방향의 최장 수평선분, 제2폭(y)은 상기 제1폭에 직교하는 방향의 최장 수직선분으로 정의한다.)
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 자성시트의 부피는 103 mm3~1012 mm3를 충족하는 자성시트.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 자성시트는,
    단층구조인 자성시트.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 자성시트는,
    동일한 단면을 가지는 적어도 2 이상의 단위시트의 적층구조인 자성시트.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 자성시트는,
    상기 단위시트의 인접부에 절연물질층을 더 포함하는 자성시트.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 단위시트의 두께는 18㎛~200㎛인 자성시트.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 단위시트는,
    Fe, Ni, Co, Mo, Si, Al, B 중 선택되는 원소 중 한 가지 또는 두 가지 이상 원소의 조합으로 이루어지는 금속계 자성 분말과 고분자의 복합재료로 이루어지는 자성시트.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 단위시트는,
    금속계 자성 리본(Metallic-alloy based magnetic ribbon) 인 자성시트.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 단위시트는,
    Fe, Ni, Mn, Zn, Co, Cu, Ca, O 중 선택되는 두 가지 이상 원소의 조합으로 이루어지는 페라이트계 분말과의 고분자의 복합재료 또는 페라이트소결체를 포함하는자성시트.
  10. 청구항 1의 자성시트를 포함하는 무선충전모듈.
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