KR20150090391A - 무선 충전 기판 및 장치 - Google Patents

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최만휴
박현규
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이상원
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명은 무선 충전 기판에 관한 것으로, 코일 패턴; 일면에 상기 코일 패턴이 배치되는 연자성 층; 상기 연자성 층의 타면에 배치되고, 제1 요철 패턴부를 포함하는 방열 층;을 포함한다.

Description

무선 충전 기판 및 장치{WIRELESS CHARGING BORAD AND DEVICE}
본 발명의 실시예는 무선 충전 기판 및 장치에 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.
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.
그러나, 종래 기술에 따르면 2차 코일 측인 수신부 측은 연자성 층 상에 코일로 구성되며, 코일 상에 전류의 유기 시에 코일과 연자성 층으로부터 열이 발생하므로 효율적으로 방열하기 위한 방안이 필요한 실정이다.
본 발명의 실시예는 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 방열 층과 연자성 층 간에 요철 패턴을 포함하도록 하여 접촉 표면적을 최대화 하여 방열 층과 연자성 층 간의 접착력이 향상되도록 하고, 코일 패턴과 연자성 층에서 발생되는 열이 방열 층을 통하여 보다 효과적으로 외부로 방열되도록 하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 배터리의 하우징을 방열 층으로 하여 상기 방열 층과 연자성 층 간의 요철 패턴을 통해 연자성 층과 배터리 간의 전자장해를 억제하고, 높은 투자율을 유지하여 송신부로부터 수신부 측으로의 충전 효율을 보다 향상시키고자 한다.
전술한 문제를 해결하기 위한 본 실시예에 따른 무선 충전 기판은 코일 패턴; 일면에 상기 코일 패턴이 배치되는 연자성 층; 상기 연자성 층의 타면에 배치되고, 제1 요철 패턴부를 포함하는 방열 층;을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 연자성 층은 상기 방열 층의 제1 요철 패턴부에 대응되는 제2 요철 패턴부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 요철 패턴부 및 상기 제2 요철 패턴부 중에서 적어도 어느 하나의 단면은, 원형 및 다각형 패턴 중에서 적어도 어느 하나의 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 패턴은 2 ㎛ 내지 200 ㎛의 높이로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 패턴은 2 ㎛ 내지 200 ㎛의 폭으로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 연자성 층은 비정질 합금 리본, 나노결정질 리본, 규소 강판 중에서 어느 하나로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 방열 층은 금속 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 금속 재료는 니켈, 철, 알루미늄, 구리, 주석, 아연, 텅스텐, 및 은 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 방열 층은 배터리 하우징으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 무선 충전 장치는 상기의 실시예의 무선 충전 기판을 포함하여 구성된다.
본 발명의 일실시예에 따르면 방열 층과 연자성 층 간에 요철 패턴을 포함하도록 하여 접촉 표면적을 최대화 하여 방열 층과 연자성 층 간의 접착력이 향상되도록 하고, 코일 패턴과 연자성 층에서 발생되는 열이 방열 층을 통하여 보다 효과적으로 외부로 방열되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 배터리의 하우징을 방열 층으로 하여 상기 방열 층과 연자성 층 간의 요철 패턴을 통해 연자성 층과 배터리 간의 전자장해를 억제할 수 있으며, 높은 투자율을 유지하여 송신부로부터 수신부 측으로의 충전 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 기판의 상면도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 방열 층 및 연자성 층의 요철 패턴부를 도시한 단면도이다.
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 시스템의 단면도이다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 장치 및 무선 충전 기판을 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송수신(Wireless Power Conversion, WPC) 시스템은 송신부(200) 및 수신부(100)를 포함하며, 상기 송신부(200) 및 수신부(100)는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 장치로 구성될 수 있다.
송신부(200) 및 수신부(100)는 각각 코일 패턴(110, 210)을 포함하며, 송신부(200)의 코일 패턴(210)에 전력이 공급되어 교류 전류가 흐르면 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 수신부(100)의 코일 패턴(110)에도 교류 전류가 유도된다.
수신부(100) 측에서는 상기 유도된 교류 전류를 이용하여 배터리(미도시)에 충전이 이루어질 수 있다.
한편, 무선 전력 송수신(Wireless Power Conversion, WPC) 시스템인 경우에, 상기 송신부(200)는 송신 패드(pad)로 구성될 수 있으며, 수신부(100)는 무선 전력 송수신 기술이 적용되는 휴대 단말, 가정용/개인용 전자제품, 운송 수단 등의 일부 구성으로 구성될 수 있다.
또한, 무선 전력 송수신 기술이 적용되는 휴대 단말, 가정용/개인용 전자제품, 운송 수단 등은 상기 수신부(100)만을 포함하도록 구성되거나, 상기 송신부(200) 및 수신부(110)를 모두 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC) 시스템의 경우에는, 상기 송신부(200)는 리더(Reader)로 구성되고, 상기 수신부(100)는 태그(Tag)로 구성될 수 있다.
한편, 송신부(200)는 하우징(250) 내에 연자성 층(220) 및 코일 패턴(210)을 포함할 수 있다.
또한, 수신부(100)는 하우징(140)내에 수납되는 무선 충전 기판을 포함하며, 상기 무선 충전 기판은 코일 패턴(110), 연자성 층(120) 및 방열층(130)을 포함한다.
상기 코일 패턴(110)은 연자성 층(120) 상에 코일(coil)을 이용하여 구성할 수 있다. 이때, 상기 코일 패턴(110)은 코일이 3 내지 4 턴(turn) 감긴 형태로 구성될 수 있다.연자성 층(120)은 일면에 상기 코일 패턴(110)이 배치되고, 타면에는 방열 층(130)이 배치된다.
이때, 상기 연자성 층(120)은 비정질 합금 리본, 나노결정질 리본 및 규소 강판 중에서 어느 하나로 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 방열 층(130)은 코일 패턴(110) 또는 연자성 층(120) 또는 배터리(미도시)에서 발생하는 열을 방열하는 역할을 한다.
상기 방열 층(130)은 배터리의 하우징으로 구성될 수 있다. 상기 방열 층(130)을 구성하는 금속 재료로는 니켈, 철, 알루미늄, 구리, 주석, 아연, 텅스텐, 및 은 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 재료가 사용될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 방열 층(130)에는 제1 요철 패턴부(131)가 포함된다.
보다 상세하게 설명하면, 방열 층(130)에는 상기 연자성 층(120)과 접촉하는 면 상에 상기 제1 요철 패턴부(131)가 형성된다.
이때, 상기 방열 층(130)의 제1 요철 패턴부(131)에 의해 연자성 층(120)에는 상기 제1 요철 패턴부(131)에 대응되는 제2 요철 패턴부(121)가 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 요철 패턴부(131) 및 제2 요철 패턴부(121) 중에서 적어도 어느 하나의 단면은 원형 또는 다각형 등의 다양한 형태로 구성될 수 있다.
상기 제1 요철 패턴부(131)는 상기 방열 층(130)과 연자성 층(120) 간의 접촉하는 표면적을 최대화 하기 위한 구성으로, 상기와 같이 방열 층(130)에 제1 요철 패턴부(131)가 형성되면 상기 방열 층(130)과 연자성 층(120) 간의 접착력이 향상되고, 연자성 층(120)에서 발생되는 열이 상기 방열 층(130)을 통하여 보다 효과적으로 외부로 배출될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서와 같이 방열 층(130)에 요철 패턴부(131)가 형성되어 연자성 층(120)과 결합되면 상기 방열 층(130)이 배터리 하우징으로 구성되는 경우, 연자성 층(120)과 배터리 간의 전자장해를 억제할 수 있으며, 높은 투자율을 유지하여 송신부(200)와 수신부(100) 간의 충전 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 기판의 상면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 연자성 층(120)의 일면에는 코일 패턴(110)이 형성된다.
상기 연자성 층(120)은 금속 재료 또는 페라이트(ferrite) 소재로 이루어질 수 있으며, 소결체(pellet), 플레이트(plate), 리본, 호일(foil), 필름(film) 등의 다양한 형태로 구현될 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 수도 있다.
보다 상세하게 설명하면, 연자성 층(120)은 Fe, Co, Ni 중 적어도 하나를 포함하는 단일 금속 또는 합금 분말 플레이크 및 고분자 수지를 포함하는 컴포지트 형태로 구성되거나, Fe, Co, Ni 중 적어도 하나를 포함하는 합금 리본, 적층 리본, 호일 또는 필름으로 구성될 수 있으며, FeSiCr 플레이크를 90wt% 이상 포함하고, 고분자 수지를 10wt% 이하 포함하는 컴포지트로 구성되거나, Ni-Zn 계 페라이트를 포함하는 시트, 리본, 호일 또는 필름으로 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 연자성 층(120) 상에는 코일 패턴(110)이 배치된다.
코일 패턴(110)은 연자성 층(120)의 표면 상에 감겨진 코일 형태로 구성될 수 있다.
상기 코일 패턴(110)은 스마트 폰에 적용되는 수신 안테나를 예로 들면, 외경 50mm 이내, 내경 20mm 이상의 나선형 코일(spiral coil)의 형태일 수 있다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 방열 층 및 연자성 층의 요철 패턴부를 도시한 단면도이다.
이후부터는 도 3 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 방열 층(130)의 제1 요철 패턴부(131) 및 연자성 층(120)의 제2 요철 패턴부(121)의 구성을 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따르면 방열 층(130)의 제1 요철 패턴부(131)와 연자성 층(120)의 제2 요철 패턴부(121)는 암수 요철 패턴으로 구성될 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 방열 층(130)에는 상기 연자성 층(120)과 접촉하는 면 상에 상기 제1 요철 패턴부(131)가 형성되며, 상기 제1 요철 패턴부(131)에 의해 연자성 층(120)에는 상기 제1 요철 패턴부(131)에 대응되는 패턴의 형태로 제2 요철 패턴부(121)가 형성될 수 있다.
도 3의 본 발명의 실시예에서는 방열 층(130)의 제1 요철 패턴부(131)의 각 패턴의 단면이 사각형으로 돌출되도록 구성될 수 있으며, 그에 따라 연자성 층(120)의 제2 요철 패턴부(121)의 패턴의 단면 또한 상기 제1 요철 패턴부(131)에 대응되는 사각형의 돌출되는 형태로 구성될 수 있다.
이때, 상기 제1 요철 패턴부(131) 및 제2 요철 패턴부(121) 중에서 어느 하나에 포함되는 패턴의 높이(h)는 2 ㎛ 내지 200 ㎛의 높이로 구성될 수 있으며 패턴의 폭(w)은 2 ㎛ 내지 200 ㎛으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서와 같이 패턴의 높이(h) 또는 폭(w)을 2 ㎛ 내지 200 ㎛로 구성하면, 상기 제1 요철 패턴부(131) 또는 제2 요철 패턴부(121)의 접촉하는 표면적을 최대화하여 방열 층(130)과 연자성 층(120) 간의 접착력이 최대화되어 코일 패턴(110) 및 연자성 층(120)에서 발생되는 열이 상기 방열 층(130)을 통하여 보다 효과적으로 외부로 배출될 수 있다.
한편, 상기 패턴의 높이(h) 또는 폭(w)을 2 ㎛ 이하로 구성하면 제조 비용이 상승하고 접착력이 저하되며, 상기 패턴의 높이(h) 또는 폭(w)이 200 ㎛를 초과하도록 구성하면 제1 요철 패턴부(131)와 제2 요철 패턴부(121)간의 접착력이 약화될 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에서와 같이 패턴의 높이(h) 또는 폭(w)을 2 ㎛ 내지 200 ㎛로 구성하면, 방열 층(130)과 연자성 층(120) 간의 접착력이 상승되어 방열 효과를 최대할 수 있을 뿐만 아니라, 방열 층(130)이 배터리 하우징으로 구성되는 경우, 연자성 층(120)과 배터리 간의 전자장해를 억제하고, 높은 투자율을 유지하여 송신부와 수신부 간의 충전 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 4의 본 발명의 실시예에서는 방열 층(130)의 제1 요철 패턴부(131)의 각 패턴의 단면이 라운드형 돌출구조로 구성되며, 그에 따라 연자성 층(120)의 제2 요철 패턴부(121)의 패턴의 단면 또한 상기 제1 요철 패턴부(131)에 대응되는 첨탑의 형태로 구성될 수 있다.
도 5의 본 발명의 실시예에서는 방열 층(130)의 제1 요철 패턴부(131)의 각 패턴의 단면이 역사다리꼴의 돌출구조로 구성되며, 그에 따라 연자성 층(120)의 제2 요철 패턴부(121)의 패턴의 단면 또한 상기 제1 요철 패턴부(131)에 대응되는 역사다리꼴로 구성될 수 있다.
도 6의 본 발명의 실시예에서는 방열 층(130)의 제1 요철 패턴부(131)의 각 패턴의 단면이 삼각형 돌출구조로 구성될 수 있으면, 그에 따라 연자성 층(120)의 제2 요철 패턴부(121)의 패턴의 단면 또한 상기 제1 요철 패턴부(131)에 대응되는 삼각형으로 구성될 수 있다.
도 7의 본 발명의 실시예에서는 방열 층(130)의 제1 요철 패턴부(131)의 각 패턴의 단면이 사다리꼴의 돌출구조로 구성될 수 있으면, 그에 따라 연자성 층(120)의 제2 요철 패턴부(121)의 패턴의 단면 또한 상기 제1 요철 패턴부(131)에 대응되는 삼각형으로 구성될 수 있다.
도 8의 본 발명의 실시예에서는 방열 층(130)의 제1 요철 패턴부(131)의 각 패턴의 단면이 다양한 다각형 패턴의 복합형 돌출구조 또는 랜덤 형태의 돌출구조로 구성될 수 있으면, 그에 따라 연자성 층(120)의 제2 요철 패턴부(121)의 패턴의 단면 또한 상기 제1 요철 패턴부(131)에 대응되는 형태로 구성될 수 있다.
도 7 또는 도 8의 실시예에서와 같이 방열 층(130)의 제1 요철 패턴부(131)와 연자성 층(120)의 제2 요철 패턴부(121)의 패턴을 서로 상이하게 형성하면, 방열 층(130)과 연자성 층(120) 간의 접착력을 보다 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면 방열 층(130)과 연자성 층(120) 간에 요철 패턴(131, 121)을 포함하도록 하여 접촉 표면적을 최대화함으로써, 방열 층(130)과 연자성 층(120) 간의 접착력이 향상되도록 하고, 코일 패턴(110)과 연자성 층(120)에서 발생되는 열이 방열 층(130)을 통하여 보다 효과적으로 외부로 방열되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 배터리의 하우징을 방열 층(130)으로 하여 상기 방열 층(130)과 연자성 층(120) 간의 요철 패턴을 통해 연자성 층(120)과 배터리 간의 전자장해를 억제할 수 있으며, 높은 투자율을 유지하여 송신부(200)로부터 수신부(100) 측으로의 충전 효율을 보다 향상시킬 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: 수신부
110: 코일 패턴
120: 연자성 층
121: 제2 요철 패턴부
130: 방열 층
131: 제1 요철 패턴부
140: 하우징
200: 송신부
210: 코일 패턴
220: 연자성 층
250: 하우징

Claims (10)

  1. 코일 패턴;
    일면에 상기 코일 패턴이 배치되는 연자성 층;
    상기 연자성 층의 타면에 배치되고, 제1 요철 패턴부를 포함하는 방열 층;
    을 포함하는 무선 충전 기판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연자성 층은,
    상기 방열 층의 제1 요철 패턴부에 대응되는 제2 요철 패턴부를 포함하는 무선 충전 기판.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 요철 패턴부 및 상기 제2 요철 패턴부 중에서 적어도 어느 하나의 단면은,
    원형 및 다각형 패턴 중에서 적어도 어느 하나의 패턴을 포함하는 무선 충전 기판.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 패턴은,
    2 ㎛ 내지 200 ㎛의 높이로 구성되는 무선 충전 기판.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 패턴은,
    2 ㎛ 내지 200 ㎛의 폭으로 구성되는 무선 충전 기판.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 연자성 층은,
    비정질 합금, 결정질 합금, 비정질 합금 리본, 나노결정질 리본, 규소 강판 중에서 어느 하나로 구성되는 무선 충전 기판.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열 층은,
    금속 재료를 포함하는 무선 충전 기판.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 금속 재료는,
    니켈, 철, 알루미늄, 구리, 주석, 아연, 텅스텐, 및 은 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 충전 기판.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열 층은,
    배터리 하우징인 무선 충전 기판.
  10. 청구항 1 내지 9 중에서 어느 한 항의 무선 충전 기판을 포함하는 무선 충전 장치.
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