KR20150066290A - 연자성 기판, 무선 통신 장치 및 무선 전력 수신 장치 - Google Patents

연자성 기판, 무선 통신 장치 및 무선 전력 수신 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연자성 기판, 무선 통신 장치 및 무선 전력 수신 장치 에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 연자성 기판은 코일 패턴; 및 상기 코일 패턴 상에 배치되며, 내부에 개구부를 포함하고, 상기 코일 패턴에 대응되는 영역과 상기 코일 패턴에 대응되는 영역으로부터 확장된 영역을 포함하는 연자성층;을 포함하여 구성된다.

Description

연자성 기판, 무선 통신 장치 및 무선 전력 수신 장치{SOFT MAGNETIC SUBSTRATE, WIRELESS COMMUNICATION DEVICE AND WIRELESS POWER CONVERSION DEVICE}
본 발명의 실시예는 연자성 기판, 무선 통신 장치 및 무선 전력 수신 장치 에 관한 것이다.
NFC(Near Field Communication)는 무선태그(RFID) 기술 중 하나로 13.56MHz의 주파수 대역을 사용하는 스마트 카드식 비접촉식 통신 기술이며, WPC(Wireless Power Conversion)는 무선 충전 기술로서 근거리에서 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 배터리를 충전하는 비접촉식 충전 기술이다.
NFC는 근거리에서 낮은 전력으로 전자 기기 간의 무선 통신을 가능하게 하며, 통신거리가 짧기 때문에 상대적으로 보안이 우수하고 가격이 저렴해 주목 받는 차세대 근거리 통신 기술로서, 스마트 카드에 비하여 양방향성을 가지며, 저장 메모리 공간이 크고, 적용 가능한 서비스의 폭이 넓은 장점이 있으며, WPC는 별도의 전기적 접촉 없이 자기 결합을 통해 배터리를 충전할 수 있어 다양한 분야의 배터리 충전에 적용이 가능한 장점이 있다.
NFC와 WPC 시스템에서의 안테나는 일정한 면적의 코일을 포함하여 구성되어, 마이크로 칩의 동작을 위해 필요한 에너지를 리더로부터 제공받는다.
리더의 1차 코일에서 발생한 교류 전력 에너지에 의해 자기장이 형성되어 안테나의 코일을 관통하여 전류가 유기되고, 안테나의 인덕턴스에 의해 전압이 발생한다. 이와 같이 발생한 전압은 데이터 전송을 위한 전력으로 사용되거나 배터리의 충전에 사용된다. 1차 코일과 2차 코일 간의 전력 전달 효율은 동작 주파수, 2차 코일의 잔면적, 1차와 2차 코일 간의 거리와 각도에 관계되며, 안테나 측에 흐르는 전류의 크기의 제한으로 인하여 동작 거리는 비교적 짧다.
이와 같은 동작 거리의 확보를 위하여, 안테나의 2차 코일 상에는 전자기파의 차폐 기능을 하는 자성층이 형성된다.
상기와 같이 구성되는 안테나 측의 최소 동작 거리를 확보하면서도 제조 비용을 최소화할 수 있는 연자성 기판의 필요성이 높아지고 있다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 코일 패턴의 상부에 배치되는 연자성층의 중심부에 개구부를 형성하여 연자성층이 차지하는 면적을 줄여 제조 비용을 최소화하면서도, 송신측으로부터 연자성 기판의 인식 거리를 최소 인식 거리 이상으로 구성할 수 있는 연자성 기판을 제공하고자 한다.
전술한 문제를 해결하기 위한 본 실시예에 따른 연자성 기판은, 코일 패턴; 및 상기 코일 패턴 상에 배치되며, 내부에 개구부를 포함하고, 상기 코일 패턴에 대응되는 영역과 상기 코일 패턴에 대응되는 영역으로부터 확장된 영역을 포함하는 연자성층;을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 연자성층은 상기 연자성 기판 상에서 25 내지 50%의 면적을 차지하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 연자성층은 복수개의 분리된 자성 구조물의 결합구조일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 코일 패턴과 상기 연자성층을 접착하는 접착층;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 연자성층은 Fe, Ni, Co, Mn, Al, Zn, Cu, Ba, Ti, Sn, Sr, P, B, N, C, W, Cr, Bi, Li, Y 및 Cd 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 페라이트(ferrite)로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 연자성층은 50 내지 200의 비투자율로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 개구부에 배치되는 제2 연자성층;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 연자성층과 상기 제2 연자성층은 투자율이 서로 상이하게 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 통신 장치는 상기와 같이 구성되는 연자성 기판을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 상기와 같이 구성되는 연자성 기판을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연자성 기판은 코일 패턴의 상부에 배치되는 연자성층의 중심부에 개구부를 형성하여 연자성층이 차지하는 면적을 줄여 제조 비용을 최소화하면서도, 송신측으로부터 연자성 기판의 인식 거리를 최소 인식 거리 이상으로 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송수신(Wireless Power Conversion, WPC) 시스템 또는 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC) 시스템을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 송신 장치 또는 수신 장치를 구성하는 연자성 기판을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 연자성 기판의 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연자성 기판을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 연자성 기판의 인식 거리를 설명하기 위한 표이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연자성 기판의 인식 거리를 설명하기 위한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송수신(Wireless Power Conversion, WPC) 시스템 또는 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC) 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 무선전력 전송 시스템 또는 근거리 무선 통신 시스템은 송신 장치(200) 및 수신 장치(100)를 포함하여 구성된다.
송신 장치(200)는 송신 코일(210)을 포함하고, 수신 장치(100)는 수신 코일(110)을 포함하여 구성된다.
송신 코일(210)은 전력 소스(201)와 연결되며, 수신 코일(110)은 회로부(101)와 연결된다.
전력 소스(201)는 소정 주파수의 교류 전력을 제공하는 교류 전력 소스일 수 있으며, 송신 코일(210)에는 전력 소스(201)로부터 공급받은 전력에 의해 교류 전류가 흐른다.
송신 코일(210)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격 되어 있는 수신 코일(110)에도 교류 전류가 유도된다.
수신 코일(110)로 유도된 전류는 회로부(101)로 전달된 후 정류되어 수신 장치(100)가 동작한다.
한편, 무선 전력 송수신(Wireless Power Conversion, WPC) 시스템인 경우에, 상기 송신 장치(200)는 송신 패드(pad)로 구성될 수 있으며, 수신 장치(100)는 무선 전력 송수신 기술이 적용되는 휴대 단말, 가정용/개인용 전자제품, 운송 수단 등의 일부 구성으로 구성되거나, 무선 전력 송수신 기술이 적용되는 휴대 단말, 가정용/개인용 전자제품, 운송 수단 등은 무선 전력 수신 장치(100)만을 포함하거나, 또 달리 무선 전력 송신 장치(200)와 무선 전력 수신 장치(100)를 모두 포함하도록 설정될 수 있다.
또한, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC) 시스템의 경우에는, 상기 송신 장치(200)는 리더(Reader)로 구성되고, 상기 수신 장치(100)는 태그(Tag)로 구성될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 송신 장치 또는 수신 장치를 구성하는 연자성 기판을 도시한 도면으로서, 보다 상세하게는 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연자성 기판의 상면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연자성 기판의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 연자성 기판의 구조에 대하여 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 연자성 기판은 수신 코일을 구성하는 코일 패턴(110) 및 연자성층(120)을 포함하여 구성되고, 상기 코일 패턴(110)을 포함하는 보호층(111), 접착층(130) 및 흑색 필름층(127)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
코일 패턴(110)은 코일(coil)로 구성되며, 상기 코일이 3 내지 4 턴(turn)으로 구성될 수 있다.
상기 코일 패턴(110)은 보호층(111) 내에 포함되어 구성될 수 있다.
이때, 상기 코일 패턴(110)의 인덕턴스는 약 3.2 H가 형성될 수 있으며, 코일 패턴(110)은 3 mm의 폭으로 구성될 수 있다.
한편, 상기 코일 패턴(110)은 도 3에 도시된 형태 이외에도, 다양한 구조의 다각형으로 구성될 수 있다.
상기 코일 패턴(110) 상에는 연자성층(120)이 구성되며, 상기 연자성층(120)의 내부에는 개구부(125)가 포함된다.
보다 상세하게 설명하면, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 연자성층(120)은 상기 코일 패턴(110)에 대응되는 영역(a) 및 상기 코일 패턴(111)에 대응되는 영역(a)으로부터 확장된 영역(b, c)을 포함하도록 배치될 수 있다.
이때, 상기 연자성층(120)은 상기 연자성 기판 상에서 25 내지 50%의 면적을 차지하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 연자성층(120)은 상기 코일 패턴(110)에 대응되는 영역(a)과, 상기 코일 패턴(110)에 대응되는 영역(a)으로부터 5 mm 확장된 영역(b, c)을 포함하도록 배치될 수 있다.
또 달리, 상기 연자성층(120)은 상기 코일 패턴(110)에 대응되는 영역(a)으로부터 상기 개구부(125) 측으로 5 mm의 폭(d2, d3)만큼 확장된 영역(c)과, 상기 코일 패턴(110)에 대응되는 영역(a)으로부터 연자성 기판으로부터 1 mm의 폭(d1) 만큼 확장된 영역(b)을 포함하도록 배치될 수 있다.
상기와 같이 연자성층(120)의 중심부에 개구부(125)를 형성하면, 연자성층(120)의 면적으로 줄이면서도, 리더로부터 연자성 기판의 인식 거리를 최소 인식 거리 이상으로 구성할 수 있다.
한편, 상기 연자성층(120)은 일체형 연자성층에 타발을 실시하여 구성하거나, 복수개의 분리된 자성 구조물의 결합구조로 구성할 수 있다.
상기 연자성층(120)을 복수개의 분리된 자성 구조물의 결합구조로 구성하는 경우에는, 직사각형 또는 막대 구조의 분리된 구조물들을 조립하여 구성하거나, 'ㄱ'자 형태의 구조물과 'ㄴ'자 형태의 구조물을 조립하여 구성할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 연자성층(120)은 상기 코일 패턴(110)이 포함된 보호층(111) 상에 상기 접착층(130)을 매개로 하여 접착될 수 있다.
한편, 상기 연자성층(120)은 50 내지 200의 비투자율을 갖도록 구성될 수 있으며, Fe, Ni, Co, Mn, Al, Zn, Cu, Ba, Ti, Sn, Sr, P, B, N, C, W, Cr, Bi, Li, Y 및 Cd 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 페라이트(ferrite)로 구성될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 연자성층(120)의 일면과 타면에는 흑색 필름층(127)이 배치될 수 있다.
그뿐만 아니라, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 개구부(125) 내에 제2 연자성층이 배치되어 구성될 수 있다.
상기 제2 연자성층은 상기 연자성층(120)와 상이한 투자율의 물질로 구성될 수 있으며, 상기 연자성층(120)과 마찬가지로 Fe, Ni, Co, Mn, Al, Zn, Cu, Ba, Ti, Sn, Sr, P, B, N, C, W, Cr, Bi, Li, Y 및 Cd 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 페라이트(ferrite)로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 연자성 기판의 단면도이다.
도 2 및 도 3의 실시예와 마찬가지로, 도 4의 실시예에 따른 연자성 기판은 코일 패턴(110) 및 연자성층(120)을 포함하여 구성되고, 상기 코일 패턴(110)을 포함하는 보호층(111), 접착층(130) 및 흑색 필름층(127)을 더 포함하여 구성된다.
상기 코일 패턴(110)은 보호층(111) 내에 포함되어 구성될 수 있으며, 상기 코일 패턴(110) 상에는 내부에 개구부(125)를 포함하는 연자성층(120)이 구성된다.
이때, 도 4의 실시예에서는 상기 연자성층(120)이 상기 코일 패턴(110)에 대응되는 영역(a) 상에만 배치되어 구성될 수 있다.
상기와 같이 연자성층(120)의 중심부에 개구부(125)를 형성하면, 연자성층(120)의 면적을 최소화 하면서도, 리더로부터 연자성 기판의 인식 거리를 최소 인식 거리 이상으로 구성할 수 있다.
마찬가지로, 상기와 같이 구성되는 연자성층(120)은 상기 코일 패턴(110)이 포함된 보호층(111) 상에 상기 접착층(130)을 매개로 하여 접착될 수 있으며, 상기 연자성층(120)의 일면과 타면에는 흑색 필름층(127)이 배치될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연자성 기판을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 종래 기술에 따른 연자성 기판으로서 연자성층(120)이 연자성 기판의 전면에 형성되는 구조인데 반하여, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 연자성 기판은 개구부(125)를 포함하는 연자성층(120)을 포함하여 구성된다.
보다 상세하게 설명하면, 본 발명의 일실시예에 따른 연자성 기판은 일체형 연자성층에 타발을 실시하여 개구부(125)를 포함하는 연자성층(120)을 구성하거나, 복수개의 분리된 자성 구조물을 결합하여 연자성층(120)을 구성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연자성 기판의 인식 거리를 설명하기 위한 표이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연자성 기판의 인식 거리를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조하여, 종래 기술에 따른 연자성 기판과 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따른 연자성 기판의 크기(Sheet size)를 42 mm × 58 mm로 구성한 경우의 예를 설명하기로 한다.
한편, 도 8의 가로축은 연자성 기판 상에서의 연자성층이 차지하는 면적의 백분율을 나타내며, 세로축은 리더로부터 인식 가능한 인식 거리를 나타낸다.
종래 기술(600)의 연자성 기판은 코일 패턴 상에 연자성층을 덮는 구조로서, 연자성층에 개구부가 형성되지 않으므로 연자성층의 형성 시에 고가의 페라이트 재료를 많이 필요로 하며, 리더로부터의 인식 거리는 45 mm이다.
본 발명의 제1 실시예(610)의 연자성 기판은 연자성층(120)이 연자성 기판의 끝단 측으로 1 mm의 폭(d1)만큼 확장되고, 코일 패턴(110)으로부터 개구부(125) 측으로 2 mm의 폭(d2)와 4 mm의 폭(d3)만큼 확장된 실시예로서, 리더로부터의 인식 거리는 45 mm이며, 연자성층(120)이 연자성 기판 상에서 차지하는 면적의 비율은 49%이다.
또한, 본 발명의 제2 실시예(620)의 연자성 기판은 연자성층(120)이 연자성 기판의 끝단 측으로 1 mm의 폭(d1)만큼 확장되고, 코일 패턴(110)으로부터 개구부(125) 측으로 1 mm의 폭(d2)와 3 mm의 폭(d3)만큼 확장된 실시예로서, 리더로부터의 인식 거리는 43 mm이며, 연자성층(120)이 연자성 기판 상에서 차지하는 면적의 비율은 42%이다.
또한, 본 발명의 제3 실시예(630)의 연자성 기판은 연자성층(120)이 연자성 기판의 끝단 측으로 폭(d1)이 확장되지 않으며, 코일 패턴(110)으로부터 개구부(125) 측으로 1 mm의 폭(d2)와 3 mm의 폭(d3)만큼 확장된 실시예로서, 리더로부터의 인식 거리는 39 mm이며, 연자성층(120)이 연자성 기판 상에서 차지하는 면적의 비율은 36%이다.
또한, 본 발명의 제4 실시예(640)의 연자성 기판은 연자성층(120)이 연자성 기판의 끝단 측으로 폭(d1)이 확장되지 않으며, 코일 패턴(110)으로부터 개구부(125) 제1 측으로 폭이 확장되지 않고, 코일 패턴(110)으로부터 개구부(125) 제2 측으로 2 mm의 폭(d3)만큼 확장된 실시예로서, 리더로부터의 인식 거리는 37 mm이며, 연자성층(120)이 연자성 기판 상에서 차지하는 면적의 비율은 29%이다.
마지막으로, 본 발명의 제5 실시예(650)의 연자성 기판은 연자성층(120)이 연자성 기판의 끝단 측으로 폭(d1)이 확장되지 않으며, 코일 패턴(110)으로부터 개구부(125) 제1 측과 제2 측으로도 폭(d2, d3)이 확장되지 않은 실시예로서, 리더로부터의 인식 거리는 29 mm이며, 연자성층(120)이 연자성 기판 상에서 차지하는 면적의 비율은 26%이다.
단, 본 발명의 제3 내지 제5 실시예(630, 640, 650)에서는 연자성층(120)이 코일 패턴(110)으로부터 확장되지 않는 영역임에도, 코일 패턴(110)이 곡률을 갖는 구조이므로 연자성층(120)이 코일 패턴(110)으로부터 일부 벗어난 부분에 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연자성 기판은 코일 패턴의 상부에 배치되는 연자성층의 중심부에 개구부를 형성하여 연자성층이 차지하는 면적을 줄이면서도 리더로부터 연자성 기판의 인식 거리를 최소 인식 거리인 25 mm 이상으로 구성할 수 있다.
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 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 수신 장치
101: 회로부
110: 수신 코일, 코일 패턴
111: 보호층
120: 연자성층
125: 개구부
127: 흑색 필름층
130: 접착층
200: 송신 장치
201: 전력 소스
210: 송신 코일

Claims (10)

  1. 코일 패턴; 및
    상기 코일 패턴 상에 배치되며, 내부에 개구부를 포함하고, 상기 코일 패턴에 대응되는 영역과 상기 코일 패턴에 대응되는 영역으로부터 확장된 영역을 포함하는 연자성층;
    을 포함하는 연자성 기판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연자성층은,
    상기 연자성 기판 상에서 25 내지 50%의 면적을 차지하도록 구성되는 연자성 기판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연자성층은,
    복수개의 분리된 자성 구조물의 결합구조인 연자성 기판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 코일 패턴과 상기 연자성층을 접착하는 접착층;
    을 더 포함하는 연자성 기판.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 연자성층은,
    Fe, Ni, Co, Mn, Al, Zn, Cu, Ba, Ti, Sn, Sr, P, B, N, C, W, Cr, Bi, Li, Y 및 Cd 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 페라이트(ferrite)로 구성되는 연자성 기판.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 연자성층은,
    50 내지 200의 비투자율인 연자성 기판.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 개구부에 배치되는 제2 연자성층;
    을 더 포함하는 연자성 기판.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 연자성층과 상기 제2 연자성층은 투자율이 서로 상이한 연자성 기판.
  9. 청구항 1 내지 8 중에서 어느 한 항의 연자성 기판을 포함하는 무선 통신 장치.
  10. 청구항 1 내지 8 중에서 어느 한 항의 연자성 기판을 포함하는 무선 전력 수신 장치.
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