KR20160137306A - 무선 충전 시스템용 자성체 시트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전극층; 상기 전극층 위에 배치되는 복수의 자성층; 및 상기 전극층과 자성층 또는 상기 자성층들 사이에 각각 배치되며, 내부에 비정질(amorphous) 소재, 페라이트(ferrite) 소재 및 비정질과 페라이트의 합성 소재 중 적어도 하나로 이루어진 복수의 코어로스(core loss) 감소부재가 분산되어 포함되는 복수의 접착층; 을 포함하는 무선 충전 시스템용 자성체 시트를 제공한다.

Description

무선 충전 시스템용 자성체 시트{MAGNETIC SHEET FOR WIRELESS POWER CHARGER SYSTEM}
본 발명은 무선 충전 시스템용 자성체 시트에 관한 것이다.
전자 기기의 소형화 및 경량화로 각종 전자 기기의 중량이 가벼워짐에 따라 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 배터리를 충전하는 비접촉형 충전 방식, 즉 무선 충전 방식이 주목받고 있다.
무선 충전 방식은 전자기 유도를 이용하여 충전하는 방식으로, 충전기(무선 전력 전송 장치)에 1차 코일(송신부 코일)을 구비하고 충전 대상(무선 전력 수신 장치)에 2차 코일(수신부 코일)을 구비하여, 1차 코일과 2차 코일 간의 유도 결합에 의해 발생한 전력을 에너지로 변환하여 배터리를 충전하는 방식이다.
이때, 수신부 코일과 배터리 사이에 자성체 시트가 배치된다. 자성체 시트는 무선 전력 전송 장치로부터 발생 되는 전자기파를 효율적으로 무선 전력 수신 장치로 송신하여 충전 효율을 높이는 역할을 한다.
한편, 수신부 코일은 자기 유도를 이용하기 위해 저항이 낮은 구리(Cu)로 제작되기 때문에, 충전 효율을 극대화하기 위해 자성체 시트는 높은 Ms(Magnetic saturation)와 μ'값 그리고 낮은 코어 로스(core loss) 및 자기력 손실을 갖는 것이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2013-0072181호
본 발명의 목적은 높은 Ms 및 μ'값과 낮은 코어 로스 및 자기력 손실을 갖는 무선 충전 시스템용 자성체 시트를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 접착층 내부에 비정질 소재, 페라이트 소재 및 비정질과 페라이트의 합성 소재 중 적어도 하나로 이루어진 복수의 코어로스 감소부재가 분산되어 포함되는 무선 충전 시스템용 자성체 시트를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 접착층 내부에 비정질 소재, 페라이트 소재 및 비정질과 페라이트의 합성 소재 중 적어도 하나로 이루어진 복수의 코어로스 감소부재가 분산되어 포함되어 자성체 시트가 높은 MS 및 μ'값과 낮은 코어 로스 및 자기력 손실을 가짐으로써 충전 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 무선 충전 시스템의 외관 사시도이다.
도 2는 도 1의 주요 내부 구성을 분해하여 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자성체 시트의 적층 구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 자성체 시트의 적층 구조를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
또한, 각 실시 형태의 도면에서 나타난 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 사용하여 설명한다.
덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 일반적인 무선 충전 시스템의 외관 사시도이고, 도 2는 도 1의 주요 내부 구성을 분해하여 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 무선 충전 시스템은 전자 장치의 무선 전력 전송 장치(10)와 무선 전력 수신 장치(20)로 구성될 수 있으며, 상기 무선 전력 수신 장치는 예컨대 휴대폰, 노트북 및 태블릿 PC 등의 전자 기기(30)일 수 있다.
무선 전력 전송 장치(10)의 내부를 보면, 기판(12) 상에 송신부 코일(11)이 형성되어 있어 무선 전력 전송 장치(10)로 교류 전압이 인가되면 주위에 자기장이 형성된다. 이에 무선 전력 수신 장치(20)에 내장된 수신부 코일(21)에는 송신부 코일(11)로부터 유도된 기전력이 발생되어 배터리(22)로 충전될 수 있다.
배터리(22)는 충전과 방전이 가능한 니켈 수소 전지 또는 리튬 이온 전지가 될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 배터리(22)는 무선 전력 수신 장치(20)와는 별도로 구성되어 무선 전력 수신 장치(20)에 착탈이 가능한 형태로 구성될 수 있거나, 또는 배터리(22)와 무선 전력 수신 장치(20)가 일체로 구성되는 일체형으로 구현될 수 있다.
송신부 코일(11)과 수신부 코일(21)은 전자기적으로 결합되어 있으며, 구리 등의 금속 와이어를 권회하여 형성될 수 있다. 이 경우, 권회 형상은 원형, 타원형, 사각형 및 마름모형 등이 될 수 있으며, 전체적인 크기나 권회 횟수 등은 요구되는 특성에 따라 적절하게 제어하여 설정될 수 있다.
본 실시 형태의 자성체 시트는 수신부 코일과 배터리 사이에 배치되며, 자속을 집속함으로써 효율적으로 수신부 코일 측에 수신될 수 있도록 한다. 이와 함께, 자성체 시트는 자속 중 적어도 일부가 배터리에 도달하는 것을 차단하는 기능을 할 수 있다. 이하, 자성체 시트에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자성체 시트의 적층 구조를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시 형태의 자성체 시트(100)는 전극층(110), 복수의 접착층(120, 140) 및 복수의 자성층(130, 150)을 포함한다. 본 실시 형태는 접착층과 자성층이 각 2개인 구조로서, 하측에서부터 전극층(110), 제1 접착층(120), 제1 자성층(130), 제2 접착층(140) 및 제2 자성층(150)이 순차적으로 배치된 구조를 가진다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 자성층과 접착층은 필요시 각각 3층 이상으로 구성될 수 있다.
전극층(110)은 수신부 코일(21)의 표면에 접속되는 부분으로, 예컨대 페라이트 시트 등으로 이루어질 수 있다.
제1 및 제2 자성층(130, 150)은 비정질(amorphous) 합금 또는 나노결정립(nanocrystalline) 합금 중 적어도 하나를 포함하는 박판의 금속 리본을 사용할 수 있다.
상기 비정질 합금은 Fe계 또는 Co계 자성 합금을 사용할 수 있다. 그리고, 상기 Fe계 자성 합금은 예컨대 Fe-Si-B 합금을 사용할 수 있다.
자성층을 제조할 때, Fe를 비롯한 금속의 함유량이 높을수록 포화 자속 밀도가 높아지지만 Fe 원소의 함유량이 과다할 경우 비정질을 형성하기 어려우므로, 예컨대 Fe의 함량은 70-90atomic%일 수 있고 이에 Si 및 B의 합이 10-30atomic%의 범위일 때 합금의 비정질 형성능이 가장 우수해질 수 있다.
이러한 기본 조성에 부식을 방지시키기 위해 크롬(Cr) 및 코발트(Co) 등의 내부식성 원소를 20atomic% 이내로 첨가할 수 있고, 다른 특성을 더 부여하도록 필요에 따라 다른 금속 원소가 소량 포함될 수 있다.
또한, 상기 나노결정립 합금은 Fe계 나노결정립 자성 합금을 사용할 수 있다. 예컨대 상기 Fe계 나노 결정립 합금은 Fe-Si-B-Cu-Nb 합금을 사용할 수 있다.
제1 접착층(120)은 전극층(110)과 제1 자성층(130)을 서로 접합시키는 역할을 한다. 제1 접착층(120)은 예컨대 아크릴계 접착제를 사용할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 접착층(120)은 내부에 복수의 제1 코어로스 감소부재(161)가 분산되어 포함된다. 제1 코어로스 감소부재(161)는 히스테리시스 로스(hysteresis loss)를 감소시켜 에너지 로스(energy loss)를 줄이는 작용을 한다.
이러한 제1 코어로스 감소부재(161)는 비정질 소재, 페라이트(ferrite) 소재 및 비정질과 페라이트의 합성 소재 중 적어도 하나를 포함한다.한편, 제1 코어로스 감소부재(161)는 필요시 비정질 소재, 페라이트 소재 및 비정질과 페라이트의 합성 소재로 된 것들이 서로 혼합되어 있는 상태일 수 있다. 이렇게 제1 코어로스 감소부재(161)가 하이브리드(hybrid) 형태가 되면 원하는 투자율과 에너지 손실율이 나타나도록 제작하기 용이한 이점이 있다.
또한, 제1 코어로스 감소부재(161)는 일례로서 파우더(powder) 형태일 수 있다. 이렇게 제1 코어로스 감소부재(161)를 파우더 형태로 만들면 파우더 표면에 형성된 산화막에 의해 이격을 통한 자화 정도의 차이를 더 크게 만들 수 있어서 자성체 시트(100)의 μ'값을 높이고 코어로스 및 자기력 손실을 더 낮출 수 있다.
이때, 제1 코어로스 감소부재(161)가 파우더 형태인 경우 철(Fe) 70-84.4atomic%, 규소(Si) 7-15atomic%, 붕소(B) 5-10atomic%, 나이오븀(Nb) 3-5atomic% 또는 인(P) 3-5atomic%를 포함할 수 있다. 또한, 제1 코어로스 감소부재는 필요시 구리(Cu)가 1 atomic% 이하로 더 포함될 수 있다. 본 실시 예에서, 각 성분이 해당 임계치를 벗어나는 경우 사용자가 원하는 μ'값, 코어로스 및 자기력 손실을 갖는 비정질 또는 나노결정립을 가진 비정질의 제1 코어로스 감소부재를 제작하기 어렵다.
제1 코어로스 감소부재(161)는 다른 예로서 후레이크(flake) 형상일 수 있다. 제1 코어로스 감소부재(161)는 Fe계의 경우 예컨대 Fe 함량 80중량% 이상의 파우더 제작이 어렵고 Fe 함량이 지나치게 많은 경우 현재 사용 중인 4-6cm 폭의 시트 형태의 리본 형성이 어렵다. 따라서, 이 경우 리본을 파쇄하여 후레이크 형태인 것을 사용하게 된다.
위와 같이 제1 코어로스 감소부재(161)가 후레이크 형태인 경우 Fe 80-87atomic%, Si 4-7atomic%, B 3-5atomic%, Nb 3-5atomic% 또는 P 3-5atomic%를 포함할 수 있다. 또한, 제1 코어로스 감소부재(161)는 필요시 구리(Cu)가 1 atomic% 이하로 더 포함될 수 있다. 본 실시 예에서, 각 성분이 해당 임계치를 벗어나는 경우 사용자가 원하는 μ'값, 코어로스 및 자기력 손실을 갖는 비정질 또는 나노결정립을 가진 비정질의 제1 코어로스 감소부재를 제작하기 어렵다.
제2 접착층(140)은 제1 및 제2 자성층(130, 150)을 서로 접합시키는 역할을 한다. 제2 접착층(140)은 예컨대 아크릴계 접착제를 사용할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 접착층(140)은 내부에 복수의 제2 코어로스 감소부재(162)가 분산되어 포함된다. 제2 코어로스 감소부재(162)는 히스테리시스 로스(hysteresis loss)를 감소시켜 에너지 로스(energy loss)를 줄이는 작용을 한다.
이러한 제2 코어로스 감소부재(162)는 비정질 소재, 페라이트 소재 및 비정질과 페라이트의 합성 소재 중 적어도 하나를 포함한다.
한편, 제2 코어로스 감소부재(162)는 필요시 비정질 소재, 페라이트 소재 및 비정질과 페라이트의 합성 소재로 된 것들이 서로 혼합되어 있는 상태일 수 있다.
또한, 제2 코어로스 감소부재(162)는 일례로서 파우더 형태일 수 있다. 이렇게 제2 코어로스 감소부재(162)를 파우더 형태로 만들면 파우더 표면에 형성된 산화막에 의해 이격을 통한 자화 정도의 차이를 더 크게 만들 수 있어서 자성체 시트(100)의 μ'값을 높이고 코어로스 및 자기력 손실을 더 낮출 수 있다.
이때, 제2 코어로스 감소부재(162)가 파우더 형태인 경우 Fe 70-79.9atomic%, Si 7-15atomic%, B 5-10atomic%, Nb 3-5atomic% 또는 P 3-5atomic%를 포함할 수 있다. 또한, 제2 코어로스 감소부재(162)는 필요시 Cu가 1 atomic% 이하로 더 포함될 수 있다. 본 실시 예에서, 각 성분이 해당 임계치를 벗어나는 경우 사용자가 원하는 μ'값, 코어로스 및 자기력 손실을 갖는 비정질 또는 나노결정립을 가진 비정질의 제2 코어로스 감소부재를 제작하기 어렵다.
제2 코어로스 감소부재(162)는 다른 예로서 후레이크(flake) 형상일 수 있다. 제2 코어로스 감소부재(162)는 Fe계의 경우 Fe 함량 80중량% 이상의 파우더 제작이 어렵고 Fe 함량이 지나치게 많은 경우 현재 사용 중인 4-6cm 폭의 시트 형태의 리본 형성이 어렵다. 따라서, 이 경우 리본을 파쇄하여 후레이크 형태인 것을 사용하게 된다.
위와 같이 제2 코어로스 감소부재(162)가 후레이크 형태인 경우 Fe 80-87atomic%, Si 4-7atomic%, B 3-5atomic%, Nb 3-5atomic% 또는 P 3-5atomic%를 포함할 수 있다. 또한, 제2 코어로스 감소부재(162)는 필요시 Cu가 1 atomic% 이하로 더 포함될 수 있다. 본 실시 예에서, 각 성분이 해당 임계치를 벗어나는 경우 사용자가 원하는 μ'값, 코어로스 및 자기력 손실을 갖는 비정질 또는 나노결정립을 가진 비정질의 제2 코어로스 감소부재를 제작하기 어렵다.
제1 및 제2 코어로스 감소부재(161, 162)는 기존의 유전체로서의 작용만 하고 있는 제1 및 제2 접착층(120, 140)의 Ms(Magnetic saturation)를 각각 높여 자성체 시트(100)를 콤팩트(compact)한 구조로 만들 수 있고, 자성체 시트(100)의 μ'값을 높이고 코어로스 및 자기력 손실을 낮춰 무선 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 및 제2 코어로스 감속부재(161, 162)에 의해 자성체 시트(100)의 μ'과 μ" 값이 적절히 제어되면 자성체 시트(100)의 Q 값(Q factor)을 향상시킬 수 있고, 이에 자성체 시트의 두께가 동일한 경우 종래의 자성체 시트(코어로스 감속부재가 없는 구조)에 비해 투자율이 향상되므로 무선 충전 시스템 구축시 시스템 별로 최적화된 충전 효율을 제어할 수 있다.
한편, 자성체 시트(100)는 프리 어닐링(free annealing) 또는 어닐링(annealing) 작업을 진행하여 조직을 치밀화 시킴으로써, Ms 또는 μ' 값을 더 높이고 코어로스 및 자기력 손실은 더 낮출 수 있다.
이때, 자성체 시트(100)에 포함된 철(Fe)의 함량에 따라 제약이 발생할 수 있다. 예컨대, 철의 함량이 증감됨에 따라 비정질 리본(amorphous ribbon)의 생성 능력, 즉 냉각 속도 한계가 저하되어 자성체 시트(100)를 작업자가 원하는 면적을 갖도록 제작하는 것이 어려워질 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 자성체 시트의 적층 구조를 도시한 단면도이다. 여기서, 앞서 일 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 중복을 피하기 위하여 상세한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 실시 형태의 자성체 시트(200)는, 제1 및 제2 자성층(230, 250)가 비정질 합금 또는 나노결정립-비정질(nanocrystalline amorphous) 합금을 포함하는 박판의 금속 리본을 사용하여 이루어질 수 있다.
제1 접착층(220)은 전극층(210)과 제1 자성층(230)을 서로 접합시키는 역할을 하며, 제2 접착층(240)은 제1 및 제2 자성층(230, 250)을 서로 접합시키는 역할을 한다.
그리고, 제1 및 제2 접착층(220, 240)은 내부에 복수의 제1 및 제2 Ms 보완부재(261, 262)가 각각 분산되어 포함된다.
제1 및 제2 보완부재(261, 262)는 철(Fe)의 함량이 높은 헤테로-비정질(hetero amorphous) 소재 또는 나노결정립-비정질 소재 및 헤테로-비정질과 나노결정립-비정질 합성 소재 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 헤테로-비정질 소재의 경우 각 조성 별 열처리 온도가 상이하므로 열처리 이후 제1 및 제2 Ms 보완부재(261, 262)를 라미네이션(lamination)하여 제1 및 제2 접착층(220, 240)에 포함시킬 수 있다. 본 실시예의 경우 헤테로를 사용함으로써 제1 및 제2 자성층(230, 250)이 갖는 보자력을 제어할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 Ms 보완부재(261, 262)는 일례로서 파우더 형상일 수 있으며, 다른 예로서 후레이크 형상일 수 있다.
제1 및 제2 Ms 보완부재(261, 262)는 자성체 시트(200)의 Ms 값을 보완하여 자성체 시트(200)를 콤팩트한 구조로 만들 수 있으며, 자성체 시트(200)의 μ'값을 더 높이고 코어로스 및 자기력 손실을 더 줄여 향상된 Q 팩터를 갖도록 함으로써 충전 효율을 더 높일 수 있다.
또한, 제1 및 제2 자성층(230, 250)에서의 비정질 리본(amorphous ribbon)의 생성 능력, 즉 냉각 속도 한계의 저하를 방지하여 자성체 시트(200)를 작업자가 원하는 면적을 갖도록 제작할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구 범위에 기재된 본 발명의 기술적 사항을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
10 ; 무선 전력 전송 장치
11 ; 송신부 코일
20 ; 무선 전력 수신 장치
21 ; 수신부 코일
22 ; 배터리
30 ; 전자 기기
100, 200 ; 자성체 시트
110, 210 ; 전극층
120, 220 ; 제1 접착층
130, 230 ; 제1 자성층
140, 240 ; 제2 접착층
150, 250 ; 제2 자성층
161, 162 ; 제1 및 제2 코어로스 감소부재
261, 262 ; 제1 및 제2 Ms 보완부재

Claims (10)

  1. 전극층;
    상기 전극층 위에 배치되는 복수의 자성층; 및
    상기 전극층과 자성층 또는 자성층들 사이에 각각 배치되며, 내부에 비정질(amorphous) 소재, 페라이트(ferrite) 소재 및 비정질과 페라이트의 합성 소재 중 적어도 하나로 이루어진 복수의 코어로스(core loss) 감소부재가 분산되어 포함되는 복수의 접착층; 을 포함하는 무선 충전 시스템용 자성체 시트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극층이 페라이트 시트로 이루어지는 무선 충전 시스템용 자성체 시트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자성층이 비정질 합금 또는 나노결정립(nanocrystalline) 합금 중 적어도 하나를 포함하는 박판의 금속 리본으로 이루어지는 무선 충전 시스템용 자성체 시트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코어로스 감속부재가 파우더(powder) 형태인 무선 충전 시스템용 자성체 시트.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 코어로스 감속부재는 70-84.4atomic%, Si 7-15atomic%, B 5-10atomic%, Nb 3-5atomic% 또는 P 3-5atomic%를 포함하는 무선 충전 시스템용 자성체 시트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코어로스 감속부재가 후레이크(flake) 형태인 무선 충전 시스템용 자성체 시트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 코어로스 감소부재는 Fe 80-87atomic%, Si 4-7atomic%, B 3-5atomic%, Nb 3-5atomic% 또는 P 3-5atomic%를 포함하는 무선 충전 시스템용 자성체 시트.
  8. 전극층;
    상기 전극층 위에 배치되는 복수의 자성층; 및
    상기 전극층과 자성층 또는 자성층들 사이에 각각 배치되며, 내부에 헤테로-비정질(hetero-amorphous) 소재, 나노결정립-비정질 소재 및 헤테로-비정질과 나노결정립 비정질의 합성 소재 중 적어도 하나로 이루어진 복수의 Ms 보완부재가 분산되어 포함되는 복수의 접착층;
    을 포함하는 무선 충전 시스템용 자성체 시트.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 Ms 보완부재가 파우더 형태인 무선 충전 시스템용 자성체 시트.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 Ms 보완부재가 후레이크(flake) 형태인 무선 충전 시스템용 자성체 시트.
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