KR20150135047A - 무선 통신부와 무선 전력 수신부를 가지는 이동 통신 장치 - Google Patents
무선 통신부와 무선 전력 수신부를 가지는 이동 통신 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 모바일 기술에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 무선 전력 수신부와 무선 통신부를 가지고 통신부의 인덕터와 전력 수신부의 인덕터가 서로 가깝게 배치되어 있는 이동 통신 장치에 관한 것이다. 본 발명은 무선 통신부의 인덕터와 페라이트 쉴드 사이에 보상 소자를 사용함으로써, 무선 전력 수신부의 페라이트 쉴드가 무선 통신부의 인덕터에 근접함에 의해 야기되는 무선 통신부 인덕터의 인덕턴스의 변화를 보상한다. 본 이동 통신 장치는, 유도 결합을 통해 데이터를 송수신하는 제 1 인덕터를 포함하는 무선 통신부, 및, 무선 전력 수신부를 포함하고, 무선 전력 수신부는, 제 1 인덕터 위에 배치되어, 유도 결합을 통해 무선 전력 수신을 수행하는 제 2 인덕터, 제1 인덕터와 제2 인덕터 사이에 배치되어, 유도 결합을 통해 무선 전력 수신의 효율을 향상시키는 페라이트 쉴드, 및, 제1 인덕터와 페라이트 쉴드 사이에 배치되어, 페라이트 쉴드에 의한 제1 인덕터의 인덕턴스 변화를 보상하는 보상 소자를 포함한다.
Description
본 발명은 무선 통신부와 무선 전력 수신부를 가지는 이동 통신 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 통신부의 인덕터와 무선 전력 수신부가 서로 가깝게 위치한 경우 인덕터의 인덕턴스 변화를 방지할 수 있는, 무선 통신부와 무선 전력 수신부를 가지는 이동 통신 장치에 관한 것이다.
현대의 이동 통신 장치(mobile communication devices)는 다수의 무선 인터페이스를 포함한다. 이동 통신 장치의 작은 크기로 인하여, 장치 안의 수용 안테나(accommodating antennas), 송신기 및 기타 부품들은 문제를 일으킬 수 있다. 무선 전력 수신부 및 무선 통신부와 같은 이동 통신 장치의 부품들은 인덕터를 수용하기 위해 큰 면적을 필요로 한다. 이 경우 최적의 해결책은 하나의 인덕터와 다른 인덕터를 가깝게 배치하는 것이다. 그러나, 하나의 인덕터의 페라이트 쉴드(ferrite shield)는 다른 하나의 인덕터의 파라미터 변화를 유도할 수 있다. 이것은 다른 인덕터와 송수신기 사이의 미스매칭을 유발하고 디바이스의 동작에 영향을 미친다.
단일 장치 내의 모든 부품들이 동시에 설계되는 것으로 이러한 영향이 해결될 수 있다. 그러나 다른 제조자에 의해 생산된 무선 전력 수신부와 무선 통신부가 탑재되어야 할 때에는 인덕터와 송수신기 사이의 일치가 달성되기 어렵다. 또한, 이동 통신 장치의 부품들이 함께 작동될 때와 별도로 작동될 때, 두 가지 경우 모두에서 일치를 달성하기가 어렵다.
이러한 경우의 예로써, 무선 전력 수신부가 장치 하우징(device housing)의 착탈식 덮개에 장착되고, 하우징 안에 내장형 무선 통신부를 포함하는 이동 통신 장치를 들 수 있다. 이 경우, 무선 통신부 인덕터의 인덕턴스는 무선 전력 수신부의 페라이트 실드 근처에서 성장할 것이며, 결과적으로, 무선 통신 기기의 동작에 손상을 줄 수 있다.
특허 문헌 : US 2010-0190436 A1(2010. 07. 29), US 2005-0085873 A1(2005. 4. 21), US 2009-0085408 A1(2009. 04. 02), US 2012-0293006 A1(2012. 11. 22), US 8144066 A1(2010. 08. 26)는 같은 주파수에서 무선 NFC(near field communication)와 WPT(wireless power transmission)가 공존하는 동작을 설명한다. 다만, 현재 WPT와 NFC 시스템은 서로 다른 주파수에서 동작한다. 즉, NFC 동작 주파수가 13.56 MHz인 반면에, 무선 전력 연합 기술 설명서는(A4WP Technical Specification)(http://www.a4wp.org 참조) 6.78 MHz에서의 무선 전력 장치의 동작을 제공한다. 따라서, 위 특허문헌에서 설명되는 장치는, 무선 NFC(near field communication)와 WPT(wireless power transmission)가 두 개의 서로 다른 주파수에서의 동작하는 것을 설명하지 않는다.
Dionigi M., Mongiardo M.에 의해 설명되는 다른 방법, "무선 전력 전송과 근거리 자기장 통신을 위한 멀티 밴드 공진기(Multi band resonators for wireless power transfer and near field magnetic communications)" (Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission : Technologies, Systems, and Applications (IMWS), IEEE 2012 MTT-S International, Kyoto, 2012)는 두 개의 대역에서 공존하는 다수의 고유 주파수를 가지는 공진기를 이용한다. 그 방법은 WPT와 NFC 시스템이 단일 장치에 통합되는 특징을 띠고, 따라서 그 방법은 WPT 시스템이 착탈식 덮개에 장착되어 있는 반면에 NFC 시스템이 장치에 통합되는 장치에서는 사용될 수 없다.
이 문제에 관한 문헌은 주로 그들이 장치로부터 분리되지 않고, 단일 장치에서 WPT 시스템 및 무선 데이터 전송 시스템이 함께 통합되어, 무선 데이터 전송과 동시에 무선 전력 수신을 제공하는 방법을 설명한다. 다만, 함께 작동되거나 또는 별개로 작동하는 것 모두가 가능한 WPT와 NFC 시스템을 제공하는 방법에 대한 설명은 발견되지 않았다.
따라서, 본 발명의 목적은 무선 통신부의 인덕터와 무선 전력 수신부가 서로 가깝게 위치한 경우 인덕터의 인덕턴스 변화를 방지할 수 있는, 무선 통신부와 무선 전력 수신부를 가지는 이동 통신 장치를 제공하는 데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 에에 따른 이동 통신 장치는, 제1 인덕터를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 통신부, 상기 제1 인덕터 상부에 위치하는 제2 인덕터를 이용하여 전력을 무선 방식으로 수신하는 무선 전력 수신부, 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터 사이에 배치되는 페라이트 쉴드부, 및, 상기 제1 인덕터와 상기 페라이트 쉴드부 사이에 배치되어 상기 제1 인덕터의 인덕턴스를 보상하는 보상부를 포함한다.
이 경우, 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터는, 판상형(PLATE)일 수 있다.
한편, 상기 페라이트 쉴드부는, 상기 제1 인덕터로부터 발생되는 자기장을 통과시키는 내부 공간을 가지고, 상기 페라이트 쉴드부의 내부 공간은, 상기 제1 인덕터에 대응되는 위치를 가질 수 있다.
이 경우, 상기 페라이트 쉴드부의 내부 공간의 크기는, 상기 제1 인덕터의 외측 크기보다 작고, 상기 제1 인덕터의 내측 크기보다 클 수 있다.
한편, 상기 보상부는, 상기 제1 인덕터로부터 발생되는 자기장을 통과시키는 내부 공간을 가지고, 상기 페라이트 쉴드부의 내부 공간은, 상기 제1 인덕터에 대응되는 위치를 가질 수 있다.
이 경우, 상기 보상부의 내부 공간의 크기는, 상기 이동 통신 장치를 상기 제2 인덕터의 자기장으로부터 완전히 차단시키는 최대 크기일 수 있다.
한편, 상기 보상부의 내부 공간의 모서리와 상기 제1 인덕터의 외부 면의 모서리와의 거리는, 기 제1 인덕터의 불변성(constancy)에 기초하여 결정될 수 있다.
한편, 상기 보상부의 크기는, 상기 페라이트 쉴드부의 크기보다 클 수 있다.
한편, 상기 보상부는, 10-50 μm 두께를 가지는 구리 호일(foil)일 수 있다.
한편, 상기 보상부는, 전도성 물질로 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 전도성 물질은, 구리 또는 알루미늄일 수 있다.
한편, 본 이동 통신 장치는, 배터리를 더 포함하고, 상기 제 1 인덕터는, 상기 배터리에 탑재될 수 있다.
이 경우, 본 이동 통신 장치는, 상기 배터리와 상기 제1 인덕터 사이에 배치되어, 상기 배터리에 의한 상기 제1 인덕터의 자기장 변화를 방지하는 페라이트 시트부를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 이동 통신 장치는, 착탈식 덮개를 더 포함하고, 상기 무선 전력 수신부, 상기 페라이트 쉴드부 및 상기 보상부는, 상기 착탈식 덮개의 안쪽 면에 탑재될 수 있다.
한편, 상기 무선 통신부와 상기 무선 전력 수신부는 서로 다른 주파수에서 동작할 수 있다.
이 경우, 상기 무선 통신부는, 13.56 MHz의 주파수에서 동작하고, 상기 무선 전력 수신부는, 6.78 MHz의 주파수에서 동작할 수 있다.
한편, 상기 무선 통신부는, NFC 방식으로 통신을 수행할 수 있다.
도 1A는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 무선 통신부가 장치에 통합되어있는 이동 통신 장치를 착탈식 덮개 없이 도시한 평면도,
도 1B는 본 발명의 실시 예에 따른 장치에 통합되어 있는 무선 통신부에 무선 전력 수신부가 장착되는 이동 통신 장치를 착탈식 덮개 없이 도시하는 입체도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 도 1B의 장치에서 페라이트 쉴드의 치수와 무선 전력 수신부 인덕터의 폭을 도시하는 평면도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 WPR 수신부와 NFC 부가 함께 장착된 구조의 분해도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신 장치의 착탈식 덮개에 무선 전력 수신부가 장착된 구조를 도시한 도면,
도 5A는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 파라미터의 플롯(plots)을 무선 전력 수신부의 페라이드 쉴드의 크기에 대한 함수로서 도시한 도면,
도 5B는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 파라미터의 플롯(plots)을 무선 전력 수신부의 인덕터의 폭에 대한 함수로서 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 테스트 되어야 하는 자기장 분포의 방향에서 이동 통신 장치에 직교하는 축의 위치(Z-축)를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 오직 무선 통신부 인덕터만 존재하는 경우, 및, 무선 통신부 인덕터가 무선 전력 수신부 인덕터 및 페라이트 쉴드(내부 페라이트 치수 w_in = 1 mm, 3 mm, 5 mm)와 함께 존재하는 경우, 무선 통신부 인덕터에 의해서 생성된 자기장의 세기의 플롯을 Z-축의 거리에 대한 함수로서 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신부 인덕터의 인덕턴스를 보상하는 보상부의 구조를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신부 인덕터의 인덕턴스를 보상하는 보상부의 내부 공간의 형상의 선택을 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 수신부 인덕터가 무선 통신부 인덕터에 근접하게 배치될 때 무선 전력 수신부 인덕터의 존재에 의해 야기되는 임피던스 미스매칭을 도시한 도면,
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 모바일 장치 위의 자기장의 분포(distribution)를 Z-축의 거리에 대한 함수로 나타낸 도면,
도 12A 내지 도 12D는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신 장치의 표면의 자기장 분포를 이동통신장치로부터의 다양한 거리에 따라 나타낸 도면,
도 13A 내지 도 13B는 본 발명의 실시 예에 따른 모바일 장치 표면에 평행한 평면에서의 자기장 분포를 실험적으로 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 1B는 본 발명의 실시 예에 따른 장치에 통합되어 있는 무선 통신부에 무선 전력 수신부가 장착되는 이동 통신 장치를 착탈식 덮개 없이 도시하는 입체도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 도 1B의 장치에서 페라이트 쉴드의 치수와 무선 전력 수신부 인덕터의 폭을 도시하는 평면도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 WPR 수신부와 NFC 부가 함께 장착된 구조의 분해도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신 장치의 착탈식 덮개에 무선 전력 수신부가 장착된 구조를 도시한 도면,
도 5A는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 파라미터의 플롯(plots)을 무선 전력 수신부의 페라이드 쉴드의 크기에 대한 함수로서 도시한 도면,
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도 12A 내지 도 12D는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신 장치의 표면의 자기장 분포를 이동통신장치로부터의 다양한 거리에 따라 나타낸 도면,
도 13A 내지 도 13B는 본 발명의 실시 예에 따른 모바일 장치 표면에 평행한 평면에서의 자기장 분포를 실험적으로 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시 예를, 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 많은 다른 형태로 구현 될 수 있으며 이하의 설명에서 제시된 특정 구조 또는 기능에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려 이 실시 예들은 본 발명이 완전하고 철저하게 설명되도록 제공된다. 이 설명에 기초하여, 본 발명의 범위는 독립적으로 구현되는지 또는 본 발명의 다른 실시 예와 함께 구현 되는지와 관계없이 여기서 개시된 본 발명의 어떤 실시 예를 포함하는 것으로 통상의 기술자는 이해할 것이다. 예를 들어, 장치는 여기서 설명된 실시 예들 중 임의의 수를 사용하여 실시될 수 있다. 또한, 여기에 개시된 본 발명의 어떤 실시 예는 청구 범위의 하나 이상의 요소를 사용하여 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
단어 "전형적인"은 여기에서 "예(example) 또는 실례(illustration)로서 제공하는"을 의미하는 것으로 사용된다. 여기에서 "전형적인"으로 설명되는 어떤 실시 예는 다른 실시 예들보다 바람직하거나 이점을 가지는 것으로써 필연적으로 해석되는 것이 아니다.
또한, 용어 "무선 통신부 "는 여기서 유도성 결합을 통하여 데이터의 무선 전송 및 수신의 기능을 수행하는 장치로써 정의된다. 바람직한 실시 예에서 무선 통신부는 종래의 무선 근거리 통신(NFC) 기술에 기초한다. 따라서, 이러한 타입의 무선 송수신 장치가 이하에서 논의될 것이다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 다른 타입의 유도성 결합을 이용한 무선 통신부 또한 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해 되어야 한다.
또한 여기서 사용되는 또 다른 용어 "무선 전력 수신부(Wireless power receiver)"는 유도 결합을 통해 무선으로 전력을 수신할 수 있는 장치로써 정의된다. 무선 전력 수신부는 WPR 수신부로 약칭한다.
본 발명은 NFC 인덕터의 임피던스를 조절하기 위하여 보상부를 사용한다.
알려진 바와 같이, 외부 전도 부품들(conductive components) 또는 연자성(soft magnetic properties)을 가진 부품들이 인덕터에 가깝게 접근하면, NFC 인덕터의 임피던스가 변화한다. 예를 들어, WPR 수신부의 페라이트 실드가 이에 근접 배치될 때 NFC 인덕터의 인덕턴스가 증가한다. NFC 인덕터의 임피던스 변화는 NFC부 회로에 미스매칭을 일으킬 수 있다.
본 구조에서 보상부를 제공하는 것은 NFC 인덕터의 인덕턴스를 초기 값으로 감소시키기 위함이다. 또한, NFC 인덕터의 인덕턴스의 초기 값은 NFC 인덕터에 페라이트 쉴드를 근접하게 배치하기 이전의 것이다. 보상부에서 유도되는 전류는 NFC 인덕터에 의해 생성되는 자기장에 반대 방향을 가지는 자기장을 생성하고, 그렇게 함으로써 인덕턴스가 감소 되도록 인덕터 표면의 자속을 감소시킨다.
그러므로, 본 구조는, 페라이트 쉴드를 가진 WPR 수신부가 NFC 인덕터에 인접하여 배치될 때, NFC 인덕터의 인덕턴스의 변화를 방지한다. 이 경우에, NFC 회로의 동작은 WPR 수신부의 존재 또는 부존재에 관계없이 제 기능을 발휘할 것이다. 또한, 본 설계에 의해서, WPR 수신부가 존재하지 않을 때의 NFC 인덕터에 의해 발생되는 초기 필드가 다소 왜곡된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 무선 통신부가 통합되어 있는 이동 통신 장치를 착탈식 덮개 없이 도시한 평면도이다.
도 1a를 참고하면, NFC부는 이동통신장치(150)의 하우징 내에 수용되는 것으로, 배터리로부터 NFC 인덕터(140)를 보호(shield)하는 페라이트 시트(141) 및 NFC 인덕터(140)를 포함한다.
페라이트 시트(141)는, 배터리(142)와 NFC 인덕터(140) 사이에 배치되어, 배터리에 의한 제1 인덕터의 자기장의 변화를 방지할 수 있다.
도 1B는 본 발명의 실시 예에 따른, 장치에 통합되어 있는 무선 통신부에 무선 전력 수신부가 장착되는 이동 통신 장치를 착탈식 덮개 없이 도시하는 입체도이다.
도 1b를 참고하면, WPR 수신부는 WPR 인덕터(110), 페라이트 쉴드부(120) 그리고 보상부(130)가 형성된 기판(미도시)을 포함한다. 일 실시 예에서, WPR 수신부의 WPR 인덕터(110), 페라이트 쉴드부(120) 및 보상부(130)는 이동통신장치(150)의 착탈식 덮개(160)에 장착될 수 있다(도 4 참조).
한편, NFC 인덕터(140)는 배터리(142)에 탑재될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 도 1B의 장치에서 페라이트 쉴드의 치수와 무선 전력 수신부 인덕터의 폭(width)을 도시하는 평면도이다.
도 2를 참고하면, WPR 수신부를 설계할 때 고려해야 할 파라미터를 나타낸다. 구체적으로, 부호 w_in는 페라이트 쉴드(120)의 폭을 나타내고, 부호 Rw는 WPR 인덕터(110)의 폭을 나타낸다. 이 파라미터 값들의 선택의 최적화는 아래에서 논의된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 WPR 수신부와 NFC 부가 함께 장착된 구조의 분해도이다.
도 3을 참고하면, NFC 인덕터(140)를 변경하지 않고 사용하기 위해 페라이트 쉴드부(120)는 중앙에 내부 공간을 가질 수 있다. 즉, 제1 인덕터로부터 발생되는 자기장을 통과시키는 내부 공간을 가질 수 있다.
또한, 페라이트 쉴드부(120)의 내부 공간은 NFC 인덕터(140)에 대응되는 위치를 가질 수 있다. 구체적으로, 페라이트 쉴드부(120)의 내부 공간은 NFC 인덕터(140)를 중심에 두고 형성되고, NFC 인덕터(140)로부터 페라이트 쉴드부(120)의 내부 공간까지의 거리는 일정할 수 있다.
한편, 페라이트 쉴드(120)의 중심에 있는 내부 공간의 크기 (Dimensions)는 아래에서 상세히 설명 될 것이다.
페라이트 쉴드(120)는 NFC 인덕터(140)의 인덕턴스를 증가시킨다. 바람직한 실시 예에서, NFC 인덕터(140)의 인덕턴스는 WPR 수신부의 보상부(130)의 존재에 의해 감소될 수 있다.
본 발명에 따르면, 보상부(130)는 페라이트 쉴드부(120)와 NFC 인덕터(140) 사이에 배치 될 수 있다.
일부 실시 예에서, 보상부(130)는 이동통신장치(150)의 착탈식 덮개(160)의 안쪽 편에 배치되는 구리 호일(foil)으로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신 장치의 착탈식 덮개(160)에 무선 전력 수신부가 장착된 구조를 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 이제 두 가지 경우, 즉, 착탈 가능한 덮개(160)에 장착된 페라이드 쉴드부(120) 및 WPR 인턱터(110)가 NFC 인덕터(140)와 함께 있는 경우, 그리고 착탈 가능한 덮개(160)에 장착된 페라이드 쉴드부(120) 및 WPR 인턱터(110)가 NFC 인덕터(140)와 함께 함께 있지 않은 경우의 NFC 인덕터(140)의 매개 변수를 고려한다. 위 두가지 경우에 NFC 인덕터(140)가 동일한 인덕턴스를 가지고 있다면 NFC부의 정상 동작이 보장될 것이다.
WPR 인덕터(110)는 이동통신장치(150)와 같은 대규모 도전성 물체의 존재 하에서, 외부 무선 전력 송신기들과 충분히 높은 상호 인덕턴스를 제공하기 위하여 페라이트 쉴드(120)를 가지고 있어야 한다.
바람직한 실시 예에서, 보상부(130)는 프레임(frame)의 형태가 될 수 있다. 프레임은 NFC 인덕터(140)가 WPR 인덕터(110) 및 페라이트 쉴드(120)와 함께 있는 경우, 또는, NFC 인덕터(140)가 WPR 인덕터(110) 및 페라이트 쉴드(120)와 함께 있지 않은 경우에, NFC 인덕터(140)의 자기장을 배포(distribution)한다.
페라이트 쉴드부의 내부 공간은 NFC 인덕터로부터 발생되는 자기장을 장치 외부로 통과시킬 수 있다.
보상부(130)의 내부 공간으로부터 NFC 인덕터(140) 가장자리의 거리는 대칭일 수 있고, 또는 비대칭일 수도 있다(도 2에서 도시). 이러한 파라미터는 NFC 인덕터의 인덕턴스의 불변성(constancy)의 조건에 기초하여 결정될 수 있다. 또한, 보상부(130)의 내부 공간의 모서리와 NFC 인덕터(140)의 외부 모서리와의 거리는, NFC 인덕터(140)의 불변성(constancy)에 기초하여 결정될 수 있다.
바람직한 실시 예에서, 보상부(130)는 높은 전도성 물질로 형성될 수 있다.또한, 보상부(130)는 구리 또는 알루미늄으로 만들어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 보상부(130), 페라이트 쉴드부(120)는 WPR 수신부와 함께 이동통신장치(150)의 착탈식 덮개(160)에 탑재될 수 있다(도 4에서 도시). 이동통신장치(150)의 착탈식 덮개(160)가 교체될 때에는 페라이트 쉴드부(120) 및 보상 소자(130) 또한 제거된다. 그럼에도 불구하고, 착탈식 덮개(160)가 이동통신장치(150)에 장착되어 있는 것에 관계 없이 NFC 인덕터(140)의 인덕턴스는 일정하게 유지될 수 있다.
바람직한 실시 예에서, 보상부(130)는 자기장으로부터 배터리(142)(도 1b 참조)와 이동통신장치(150)의 다른 부품들을 격리하기 위해 페라이드 쉴드(120)와 배터리(142) 사이에 배치될 수 있다. 이와 같이, 이동 통신 장치의 부품들은 무선 전력 전송의 과정에서 생성되는 자기장에 의한 부정적인 영향으로부터 보호된다.
바람직한 실시 예에서, WPR 인덕터(110) 및 NFC 인덕터(140)는 판상형의 형태일 수 있다.
페라이트 쉴드(120)는, 이동통신장치(150) 외부에 NFC 인덕터(140)로부터 발생하는 자기장의 분포를 최소화하기 위해, NFC 인덕터(140) 위의 중앙에 내부 공간을 가질 수 있다.
또한 이동통신장치(150)의 착탈식 덮개(160) 위에 이동통신장치(150)에 통합되는 NFC부와 함께 공존하도록 무선 전력 수신부를 설계하는 방법이 설명된다.
첫 번째 단계에서 초기 파라미터(데이터 전송/수신과, 전력 전송/수신의 대역폭, 크기 및 WPR 인덕터(110)와 NFC 인덕터(140)의 상대적인 배치)가 결정되어야 한다.
본 구조는 예를 들어 이동 통신 장치에서 사용될 수 있다. 이 경우, A4WP-컨소시엄 설명서(A4WP-Consortium specification)에 따라 다음의 전형적인 표준 주파수가 사용된다(WPR 수신부 : 6.78 MHz, NFC 부 : 13.56MHz).
다음 단계에서, WPR 인덕터(110)와 페라이트 쉴드(120)의 구조가 무선 전력 전송의 요구되는 파라미터에 대해 최적화 되어야 한다. 다음의 페라이트 쉴드(120)를 예시적으로 고려할 수 있다.
- 크기 : 51x70 mm
- NFC 인덕터를 위한 중앙의 내부 공간
- 페라이트의 폭 : 10mm
- 두께 : 0.5 mm - 0.6 mm
- 13.56 MHz에서 페라이트(130)의 상대적인 투자율
- 페라이트 실드(120)와 NFC 인덕터(140) 사이의 거리 : 0.5 mm.
페라이트 쉴드(120)의 내부 공간은 NFC 인덕터로부터 발생된 자기장의 약화를 피하기 위해 NFC 인덕터(140) 위에 위치할 수 있다. 한편, 페라이트 쉴드(120)는 무선 전력 전송 효율을 향상시키기 위해 최적화 되어야 한다.
도 5A는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 파라미터의 플롯(plots)을 무선 전력 수신부의 페라이드 쉴드의 크기에 대한 함수로서 도시한 도면이다.
도 5A에 따르면, 페라이트 쉴드(120)의 크기(도2의 w_in)에 대한 유도 결합 계수의 의존성을 보여준다. 유도 결합 계수(510)(K)와 WPT 인덕터의 Q 인자(530)(Q_rx)는 포화가 되는 레벨까지 w_in와 함께 증가한다. 도 5A는 또한 전송 인덕터(Q_tx)(예를 들어 WPT 인덕터에 전력을 전송하는 외부 인덕터)의 w_in의 크기에 대한 Q 인자(520)의 의존성을 보여준다.
바람직한 실시 예에서, 페라이트 쉴드(120)의 내부 공간의 크기는 NFC 인덕터(140)의 외측 크기보다 약간 작을 수 있다.
또한, 페라이트 쉴드(120)의 내부 공간의 크기는, NFC 인덕터(140)의 내측 크기보다 클 수 있다.
도 5B는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 파라미터의 플롯(plots)을 무선 전력 수신부의 인덕터의 폭에 대한 함수로서 도시한 도면이다.
WPR 인덕터(110)의 최적화의 다음 단계에서는, 인덕터의 폭이 조정되고 권수(turns)가 선택된다. 도 5B를 참고하면, 인덕터의 폭(그림 2 Rw를 참조)에 대한 WPR 인덕터의 Q인자(Q_rx)와 유도 결합 계수(K)의 의존성을 보여준다. 폭 RW의 증가는 Q 인자(560)와 유도 결합 계수(540)의 증가로 이어진다. Q 인자의 증가는 인덕턴스 보다는 저항의 더 빠른 감소에 의해 야기된다. 또한 도 5B는 폭 Rw에 대한 송신기 인덕터의 Q 인자(550)(Q_tx)의 의존도를 보여준다.
다음 단계에서, 자계 강도(magnetic field intensity)의 분포(distribution)가 최적화 되어야 한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 테스트 되어야 하는 자기장 분포의 방향에서 이동 통신 장치에 직교하는 축의 위치(Z-축)를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 오직 무선 통신부 인덕터만 존재하는 경우, 및, 무선 통신부 인덕터가 무선 전력 수신부 인덕터 및 페라이트 쉴드부(내부 페라이트 치수 w_in = 1 mm, 3 mm, 5 mm)와 함께 존재하는 경우, 무선 통신부 인덕터에 의해서 생성된 자기장의 세기의 플롯을 Z-축의 거리에 대한 함수로서 나타낸 도면이다.
도 7에 따르면, 다음의 경우에 대하여 NFC 인덕터(140)에 의해 발생되는 자기장의 세기(intensity of magnetic field)를 Z-축에 따른 거리의 함수로서 나타낸다.
- WPR 수신부가 없는 경우 NFC 인덕터의 자기장의 세기(intensity of magnetic field),
- WPR 수신부가 있는 경우 NFC 인덕터의 자기장의 세기(intensity of magnetic field)(w_in = 1mm, 3mm, 5mm).
도 7에 따르면, 페라이트 쉴드(120)가 NFC 인덕터를 상당히 덮으면(w_in = 5 mm) NFC 인덕터(140)의 자기장의 강도(intensity of magnetic field)는 크게 감소된다. 이와 달리, 전계 강도(field intensity)는 페라이트 쉴드(120)에 있는 내부 공간의 크기에 의존하지 않는다.
바람직한 실시 예에서, 페라이트 쉴드(120)의 내부 공간의 크기는 NFC 인덕터(140)의 외측 크기보다 약간 작을 수 있다.(이 경우에 w_in = 3mm인 것이 최적이다.) 내부 공간을 가지는 페라이트 쉴드(120)는 인덕터가 변경되지 않고 사용될 수 있도록 한다.
다음 단계에서 보상부(130)의 크기가 NFC 인덕터(140)의 인덕턴스의 미스매칭(mismatch)을 보상하기 위해 최적화된다. 일 예로, 보상부(130)는 배터리(142) 위에서 배터리 둘레 안쪽으로 배치된 구리 호일(foil)의 프레임일 수 있다(도 2, 도 3 참조). 또한, 보상부(130)는 10-50 μm 두께를 가지는 구리 호일(foil)일 수 있다.
일부 실시 예에서, 보상부(130)의 크기는 도 8에 도시한 바와 같이 페라이트 쉴드부(120)의 크기보다 보다 클 수 있다.
Wl의 크기(예를 들어 보상 소자(130)의 폭)를 증가시키는 것은 NFC 인덕터(140)의 임피던스에 약간의 영향을 미친다. 주로, WPR 인덕터(110)에 의해 이동통신장치(150)의 부품들에서 유도되는 전류가 보상 소자(130)의 외부 크기를 증가시키는 것과 함께 감소된다.
이와 같이, 파라미터 Wl의 최적화는 무선 전력 전송의 과정에서 생성되는 자기장의 잠재적인 해로운 영향으로부터 이동통신장치(150)의 부품들을 보호한다. Wl의 최적 값은 서로 다른 Wl 값에서 WPR 인덕터(110)의 Q 인자를 측정함으로써 결정될 수 있다. Wl 파라미터는 WPR 인덕터(110)의 인덕턴스에 영향을 미치는 것에 주목해야 한다. WPR 수신부의 임피던스의 매칭은 보상부(130)에 대한 절차의 완료시 수행된다.
보상부(130)의 내부 공간의 구조는 NFC 인덕터(140)에 요구되는 임피던스 값에 기초하여 결정될 수 있다. 보상부(130)의 내부 공간의 크기는 NFC 인덕터(140)의 미스매칭을 보상하기 위해 최적화 되어야 한다. 이 단계에서, 보상부(130)의 최적화는 페라이트 쉴드(120)의 존재 하에 수행된다.
보상부(130)의 내부 공간의 최적화 단계는 도 9A-9C에 도시하였다.
보상부(130)는 제1 인덕터로부터 발생되는 자기장을 통과시키는 내부 공간을 가질 수 있다. 또한 보상부(130)의 내부 공간은, 제1 인덕터에 대응되는 위치를 가질 수 있다.
내부 공간의 영역이 더 큰 것은 NFC 인덕터(140)의 인덕턴스가 더 큰 것에 부합한다.
더욱이, 더 큰 내부 공간은 WPR 인덕터(110)로부터의 더 큰 자속이 이동통신장치(150)를 통과하도록 한다. 따라서, 더 큰 내부공간의 크기는 WPR 인덕터(110)의 Q 인자를 감소시킨다. 이동통신장치(150)로부터 WPR 인덕터(110)의 자기장을 완전히 격리시키는, 보상부(130)의 내부 공간의 특정 최소 크기가 있다(도 9B 참조). 내부 공간의 추가 감소와 함께 WPR 인덕터(110)의 Q 인자는 증가하지 않는다. 페라이트 쉴드(120)와 함께 있는 WPR 인덕터(110)를 사용하는 것이 NFC 인덕터(140)의 Q 인자를 감소하는 것에 주목해야 한다.
마지막 단계는 무선 전력 전송의 파라미터와 무선 데이터 전송의 파라미터를 평가하는 것이다. WPR 인덕터(110)의 조정이 보상부(130)의 존재 하에서 수행된다.
보상부(130)는 인덕터와 이동 장치의 상대적인 위치에 따라 WPR 인덕터(110)의 5%의 인덕턴스 미스매칭과 Q 인자의 약 10%의 편자를 생기게 할 수 있다.
따라서, 최종 단계에서는 WPR 수신부의 정합 회로 커패시터(matching circuit capacitors)의 임피던스 매칭의 미세 조정이 수행된다.
실험적인 테스트는 NFC 인덕터(140)에서 미스매칭이 존재하지 않는 것을 확인하기 위해 수행된다. NFC 인덕터(140)의 임피던스는 다음의 조건 하에 측정된다.
- WPR 수신부는 이동 전화(mobile phone)에 고정되어있다. 전화 배터리에는 NFC 센서가 통합되었다.
- NFC 센서의 출력 컨텍츠(contacts)는 전화로부터 격리되어있다. 회로 분석기는 임피던스를 측정하기 위해 컨텍츠(contacts)에 연결된다.
- 구리 호일(foil)의 보상부는 미스매칭을 보상하기 위해 통합된 NFC 센서 위에 배치된다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 수신부 인덕터가 무선 통신부 인덕터에 근접하게 배치될 때 무선 전력 수신부 인덕터의 존재에 의해 야기되는 임피던스 미스매칭을 도시한 도면이다.
도 10에 따르면, 다음과 같은 경우들에서 NFC 인덕터의 임피던스의 실수 부분과 허수 부분을 실험적으로 측정된 주파수에 대한 함수로 나타낸다.
501 - WPR 수신부 없이 NFC 인덕터만 있는 경우
502 - 미스매칭에 대한 어떠한 보상도 없이, NFC 인덕터가 WPR 수신부와 함께 있는 경우
503 - 보상 소자(130)가 사용되고, NFC 인덕터가 WPR 수신부와 함께 있는 경우
실험 결과에 따르면, NFC 인덕터(140)의 미스매칭이 보상 소자(130)에 의해 완전히 보상된다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 모바일 장치 위의 자기장의 분포를 Z-축의 거리에 대한 함수로 나타낸 도면이다.
도 11에 따르면, 이동통신장치(150)에 직교하는 축에서의 자기장의 Z-성분의 분포를 나타낸다. NFC 인덕터(140)에 의해 생성된 자기장의 분포는 다음 두 가지 경우로 나뉜다.
201 - WPR 수신부가 없는 경우 자계 진폭(field amplitude)
202 - WPR 수신부와 페라이트 쉴드(120) 및 보상 소자(130)가 있는 경우의 자계 진폭(field amplitude)
도 12A 내지 도 12D는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신 장치의 표면의 자기장 분포를 이동통신장치로부터의 다양한 거리에 따라 나타낸 도면이다.
도 12A 내지 12D에 따르면, 이동통신장치(150)의 표면에 평행한 평면에서의 자기장 분포를 도시한다(도 12A 내지 도 12D 각각에서, 밝은 색은 더 작은 자기장을 가진 영역을 나타내는 반면에, 평면 중심에 있는 어두운 색은 더 큰 자기장을 가진 영역을 나타낸다.). 다음과 같은 경우로 나뉜다.
801 - 이동통신장치(150)의 표면 위의 10mm 거리에서, NFC 인덕터(140)가 페라이드 쉴드(120), 보상 소자(130) 및 WPR 수신부와 함께 있는 경우의 자계 진폭(field amplitude)
802 - 이동통신장치(150)의 표면 위의 10mm의 거리에서, 페라이드 쉴드(120), 보상 소자(130) 및 WPR 수신부 없이, NFC 인덕터(140)만 있는 경우의 자계 진폭(field amplitude)
803 - 이동통신장치(150)의 표면 위의 40mm 거리에서, NFC 인덕터(140)가 페라이드 쉴드(120), 보상 소자(130) 및 WPR 수신부와 함께 있는 경우의 자계 진폭(field amplitude)
804 - 이동통신장치(150)의 표면 위의 40mm의 거리에서, 페라이드 쉴드(120), 보상 소자(130) 및 WPR 수신부 없이, NFC 인덕터(140)만 있는 경우의 자계 진폭(field amplitude)
도 13A 내지 도 13B는 본 발명의 실시 예에 따른 모바일 장치 표면에 평행한 평면에서의 자기장 분포를 실험적으로 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 13A 내지 13B에 따르면, 이동통신장치(150)에 평행 한 평면에서 자기장 분포에 대해 13.56MHz의 주파수에서의 실험 측정 결과가 나타난다.
다음과 같은 경우로 나뉜다.
도 13A - 이동통신장치(150)의 표면 위의 10mm의 거리에서, 페라이드 쉴드(120), 보상 소자(130) 및 WPR 수신부 없이, NFC 인덕터(140)만 있는 경우의 자계 진폭(field amplitude)
도 13B - 이동통신장치(150)의 표면 위의 10mm 거리에서, 페라이드 쉴드(120), 보상 소자(130) 및 WPR 수신부와 함께 NFC 인덕터(140)가 있는 경우의 자계 진폭(field amplitude)
측정은 EMScan으로부터 필드 측정부에 가까운 EMxpertTM 자기장을 이용하여 촬영되었다.
제시된 데이터에 따르면, 도 10 내지 13에서 NFC 인덕터(140)의 자계 진폭(field amplitude)은 이동통신장치(150)의 표면 위의 모든 거리에 대해 초기 값의 10% 이하로 감소된다. 따라서 NFC 인덕터(140)위에 배치된 WPR 수신부의 효과는 보상 소자(130)의 존재에 의해 보상된다.
본 발명의 방법은 무선 전력 공급 기능을 가지는 이동 장치(mobile devices)의 설계를 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 이동 통신 장치(mobile communications devices)에 통합되는 NFC부와 함께하는, 또는 함께하지 않는, 모든 유형의 모바일 장치와 배터리에 적용 가능한, WPR 기능을 가진 장치의 착탈식 덮개를 설명한다. 본 발명에 따르면
- NFC 부와 WPR 수신부의 인덕터는 상호 동의없이 개별적으로 설계될 수 있다. WPR 및 NFC 부품의 공존과 그들의 효과적인 기능은 NFC 인덕터를 등급 매기기(grading) 위한 보상 소자의 디자인에 의해 달성된다.
- WPR과 NFC 부품들은, WPR 수신부가 NFC 인덕터 위에 함께 있는 경우, 그리고 개별적으로 존재하는 경우에 모두 효율적으로 기능할 수 있다.
- 이동 통신 장치의 가능한 최소 두께는 서로 접촉되어 있는 WPR 인덕터, 페라이트 쉴드 및 보상소자의 평면-평행 배치를 통해 달성될 수 있다.
비록 예시적인 실시 예들이 여기에서 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 명시적으로 달리 언급하지 않는 한 청구 범위에서 단수 형태의 장치의 부품에 대한 언급은 복수의 부품들을 배제하지 않는다.
110: WPR 인덕터
120: 페라이트 쉴드부
130: 보상부 140: NFC 인덕터
150: 이동통신장치 160: 착탈식 덮개
130: 보상부 140: NFC 인덕터
150: 이동통신장치 160: 착탈식 덮개
Claims (17)
- 이동 통신 장치에 있어서,
제1 인덕터를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 통신부;
상기 제1 인덕터 상부에 위치하는 제2 인덕터를 이용하여 전력을 무선 방식으로 수신하는 무선 전력 수신부;
상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터 사이에 배치되는 페라이트 쉴드부; 및
상기 제1 인덕터와 상기 페라이트 쉴드부 사이에 배치되어 상기 제1 인덕터의 인덕턴스를 보상하는 보상부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동통신장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터는, 판상형(PLATE)인 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 페라이트 쉴드부는,
상기 제1 인덕터로부터 발생되는 자기장을 통과시키는 내부 공간을 가지고,
상기 페라이트 쉴드부의 내부 공간은,
상기 제1 인덕터에 대응되는 위치를 가지는 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 3항에 있어서,
상기 페라이트 쉴드부의 내부 공간의 크기는,
상기 제1 인덕터의 외측 크기보다 작고, 상기 제1 인덕터의 내측 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 보상부는,
상기 제1 인덕터로부터 발생되는 자기장을 통과시키는 내부 공간을 가지고,
상기 보상부의 내부 공간은,
상기 제1 인덕터에 대응되는 위치를 가지는 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 5항에 있어서,
상기 보상부의 내부 공간의 크기는,
상기 이동 통신 장치를 상기 제2 인덕터의 자기장으로부터 완전히 차단시키는 최대 크기인 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 5항에 있어서,
상기 보상부의 내부 공간의 모서리와 상기 제1 인덕터의 외부 모서리와의 거리는,
상기 제1 인덕터의 불변성(constancy)에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 보상부의 크기는,
상기 페라이트 쉴드부의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 보상부는,
10-50 μm 두께를 가지는 구리 호일(foil)인 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 보상부는,
전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 10항에 있어서,
상기 전도성 물질은,
구리 또는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 1항에 있어서,
배터리;를 더 포함하고,
상기 제 1 인덕터는, 상기 배터리에 탑재되는 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 12항에 있어서,
상기 배터리와 상기 제1 인덕터 사이에 배치되어, 상기 배터리에 의한 상기 제1 인덕터의 자기장 변화를 방지하는 페라이트 시트부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 1항에 있어서,
착탈식 덮개;를 더 포함하고,
상기 무선 전력 수신부, 상기 페라이트 쉴드부 및 상기 보상부는,
상기 착탈식 덮개의 안쪽 면에 탑재되는 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 무선 통신부와 상기 무선 전력 수신부는, 서로 다른 주파수에서 동작하는 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 15항에 있어서,
상기 무선 통신부는,
13.56 MHz의 주파수에서 동작하고,
상기 무선 전력 수신부는,
6.78 MHz의 주파수에서 동작하는 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 무선 통신부는,
NFC 방식으로 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 이동 통신 장치.
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