KR20180006757A - 무선충전형 배터리 내장 밴드와 이에 내장된 배터리를 무선충전하기 위한 시스템 - Google Patents

무선충전형 배터리 내장 밴드와 이에 내장된 배터리를 무선충전하기 위한 시스템 Download PDF

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Abstract

무선충전형 배터리 내장 밴드와 이에 내장된 배터리를 무선충전하기 위한 시스템이 개시된다. 가요성 밴드의 내부 소정 영역을 커버하도록 자계차폐층이 내장되고, 그 위에 도선 루프 형태의 수전 인덕터가 배치된다. 외부 시변자계에 의해 수전 인덕터에 유도되는 교류 전류를 직류 전류로 정류하는 정류부와, 그 직류 전류를 충전하는 배터리부도 밴드에 내장된다. 자계차폐층, 수전 인덕터, 배터리부는 가요성 밴드의 휨에 의해 손상되지 않도록 가요성 밴드에 상응하는 가요성을 가진다. 배터리 내장 밴드를 무선충전하기 위한 무선충전 플랫폼은, 그 배터리 내장 밴드를 거치하기 위한 거치대와, 직류 전원부, 직류전원부의 직류 전류를 교류 전류로 변환하는 인버터, 교류 전류가 흐를 때 시변 자계를 생성하는 송전 인덕터를 포함한다. 수전 인덕터가 송전 인덕터와 마주보도록 배터리 내장 밴드가 거치대에 거치된 상태에서 자계 유도 방식으로 송전 인덕터에서 수전 인덕터로 전력을 무선 전송하여 배터리부를 무선충전할 수 있다.

Description

무선충전형 배터리 내장 밴드와 이에 내장된 배터리를 무선충전하기 위한 시스템 {WIRELESS-CHARGABLE BATTERY CONTAINED BAND AND SYSTEM FOR WIRELESSLY CHARGING BATTERY OF BAND}
본 발명은 무선충전 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 웨어러블 기기(wearable device)의 보조 전원으로 사용될 수 있는 무선충전 가능 배터리 내장 밴드와 이를 무선충전할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
그간 폭발적인 증가세를 보이던 스마트폰 시장이 이제 성숙기에 접어들면서, 향후 스마트폰을 보완 또는 대체할 수 있을 것으로 예상되는 차세대 모바일 기술로 웨어러블 기기(wearable device)가 꼽히고 있다. 웨어러블 기기는 신체에 부착하여 컴퓨팅 행위를 할 수 있는 기기들을 의미한다. 최근 웨어러블 기기의 성능 향상과 기능의 다양화는 빠르게 진전되고 있다. 이에 따라 디바이스가 작동하는 동안의 전력 소모량도 늘어나고 있다. 이에 대응하여 웨어러블 기기용 배터리의 지속시간을 더욱 효율적으로 최적화하기 위한 기술의 중요성이 증가하고 있다.
웨어러블 기기는 기본적으로 인체에 착용하는 것이기 때문에, 사이즈가 작고 가벼운 것이 사용자들을 만족시키는 데 유리하다. 기기의 형태와 모양에도 여러 가지 제약이 따른다. 이 점들은 웨어러블 기기 본체에 내장되는 배터리의 크기와 용량은 한정될 수밖에 없다. 웨어러블 기기 본체에 내장되는 배터리의 용량의 부족분을 보충해줄 보조 배터리의 필요성이 있다.
예컨대 손목에 착용하는 스마트 워치, 손목이나 팔, 다리 또는 목 등에 착용하는 헬스 케어용 디바이스 등(이하, 이들을 통칭하여 '웨어러블 기기'라 함)도 마찬가지이다. 이들 웨어러블 기기들도 특정 신체 부위에 착용하여 휴대하기 간편하도록 하기 위해서 크기와 무게가 최소화 되는 것이 바람직하다. 이런 요구를 만족시키기 위해서는 이들 기기의 본체에 내장되는 배터리 용량만으로는 충분한 사용 시간을 보장하는 데 한계가 있다. 충분한 배터리 용량을 확보하는 디자인이 요구된다.
종래의 웨어러블 기기의 배터리 충전방식의 한 가지로서, 단자를 통해 전원과 배터리를 유선으로 연결하는 유선 충전방식이 있다. 이 방식은 사용이 불편하고, 잦은 충전으로 인해 컨넥터의 손상 등의 문제가 생길 수 있다. 이의 대안으로서,웨어러블 기기 본체의 뒷면에 코일을 장착하여 충전기에 올려놓고 충전하는 무선 충전 방식이 있다. 이러한 무선 충전 방식은 배터리의 크기에 한계가 있고, 본체의 표면적에 따라 효율 측면에서 한계가 있을 수 있으며, 전자기파 방해(EMI)나 노이즈에 의해 시계 내부의 회로에 영향을 줄 수 있다.
본 발명은 웨어러블 기기의 본체와 결합하여 손목, 팔, 다리, 목 등의 신체 부위에 착용하는 밴드에 무선충전 가능한 가요성 보조 배터리를 내장하여 그 보조 배터리를 간편하고 고효율로 무선충전할 수 있는 무선충전형 배터리 내장 밴드를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 또한 그러한 무선충전형 배터리 내장 밴드를 충전하기 위한 무선충전 플랫폼과 이 둘을 시스템화 한 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 휴대형 전자기기의 본체에 탈착가능하게 결합될 수 있고, 신체의 일부에 착용할 수 있는 가요성 밴드(flexible band)와, 상기 가요성 밴드의 내부에 소정 영역을 커버하는 형태로 내장된 자계차폐층과, 도선 루프(wire loop) 형태로 상기 자계차폐층 위에 평면적으로 배치되며, 외부의 시변 자계가 내부를 통과하는 것에 의해 교류 전류가 유도되는 수전 인덕터와, 상기 수전 인덕터에 연결되며, 상기 수전 인덕터에 유도되는 교류 전류를 직류 전류로 정류하는 정류부와, 상기 정류부에서 출력되는 직류 전류를 충전하는 배터리부를 구비하여, 상기 시변 자계를 통해 무선으로 전달되는 전력을 충전할 수 있는 무선충전형 배터리 내장 밴드가 제공된다. 상기 자계차폐층, 상기 수전 인덕터, 그리고 상기 배터리부는 상기 가요성 밴드의 휨에 의해 손상되지 않도록 상기 가요성 밴드에 상응하는 가요성을 가진다.
상기 무선충전형 배터리 내장 밴드의 일 실시예에 따르면, 상기 자계차폐층은 상기 소정 영역을 커버하는 페라이트층 또는 도전성 물질층을 포함할 수 있다.
상기 무선충전형 배터리 내장 밴드의 일 실시예에 따르면, 상기 자계차폐층은 상기 소정 영역을 커버하는 도전성 물질층과, 상기 도전성 물질층 위에 적층되어 상기 수전 인덕터의 아래에 배치되는 페라이트층을 포함할 수 있다.
상기 무선충전형 배터리 내장 밴드의 일 실시예에 따르면, 상기 수전 인덕터와 상기 배터리부는 상기 자계차폐층을 사이에 두고 서로 반대쪽에 배치되어 수직 적층된 구조를 이룰 수 있다.
상기 무선충전형 배터리 내장 밴드의 일 실시예에 따르면, 상기 수전 인덕터는 상기 배터리부 및 상기 정류부의 옆에 배치되어 서로 중첩되지 않는 배치관계를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 무선충전형 배터리 내장 밴드와, 무선충전 플랫폼을 구비하는 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템이 제공된다. 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드는, 휴대형 전자기기의 본체에 탈착가능하게 결합될 수 있고, 신체의 일부에 착용할 수 있는 가요성 밴드와, 상기 가요성 밴드의 내부에 소정 영역을 커버하는 형태로 내장된 자계차폐층과, 도선 루프 형태로 상기 자계차폐층 위에 평면적으로 배치되며, 외부의 시변 자계가 내부를 통과하는 것에 의해 교류 전류가 유도되는 수전 인덕터와, 상기 수전 인덕터에 연결되며, 상기 수전 인덕터에 유도되는 교류 전류를 직류 전류로 정류하는 정류부와, 상기 정류부에서 출력되는 직류 전류를 충전하기 위한 배터리부를 구비한다. 상기 무선충전 플랫폼은, 충전을 위해 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드를 거치하기 위한 거치대와, 직류 전력을 제공하는 직류 전원부와, 상기 직류 전원부로부터 인가되는 직류 전류를 교류 전류로 변환하는 인버터와, 상기 거치대 속에 내장되며, 상기 인버터에서 출력되는 교류 전류가 흐를 때 시변 자계를 생성하는 송전 인덕터를 구비한다. 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템은 상기 수전 인덕터가 상기 송전 인덕터와 마주보도록 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드가 상기 거치대에 거치된 상태에서 상기 송전 인덕터가 생성하는 상기 시변 자계가 상기 수전 인덕터를 통과함으로써 상기 수전 인덕터에 무선으로 전력을 전송하여 상기 배터리부를 무선충전한다.
상기 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템의 일 실시예에 따르면, 상기 거치대는 복수 개의 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드를 함께 올려놓고 동시에 무선충전할 수 있는 거치면을 제공하고, 상기 송전 인덕터는 상기 거치면 전체를 통해 밖으로 나가는 자속을 생성하는 하나의 도선 루프를 포함하여, 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드가 상기 거치면 내에 올려져 있기만 하면 위치에 상관없이 무선충전이 이루어질 수 있다.
상기 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템의 일 실시예에 따르면, 상기 거치대는 복수 개의 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드를 함께 올려놓고 동시에 무선충전할 수 있는 거치면을 제공하고, 상기 송전 인덕터는 상기 거치면의 아래쪽에 서로 이격된 복수 개의 도선 루프를 포함하며, 상기 복수 개의 도선 루프 마다 그 위에 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드를 하나씩 올려놓고 동시에 무선충전할 수 있다.
상기 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템의 일 실시예에 따르면, 상기 거치대는 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드가 자신을 휘감은 상태를 유지하도록 잡아주는 밴드 홀더와, 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드와 상기 본체가 결합된 상태에서 상기 본체가 일부 삽입되는 형태로 수용함으로써 상기 수전 인덕터가 상기 송전 인덕터와 마주보면서 자동으로 정렬될 수 있게 해주는 본체 홀더를 포함할 수 있다.
상기 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템의 일 실시예에 따르면, 상기 밴드 홀더 내부에 상기 송전 인덕터를 뒤쪽에서 커버하는 형태로 배치되는 자계차폐층을 더 포함할 수 있다.
상기 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템의 일 실시예에 따르면, 상기 자계차폐층, 상기 수전 인덕터, 그리고 상기 배터리부는 상기 가요성 밴드의 휨에 의해 손상되지 않도록 상기 밴드의 가요성에 상응하는 가요성을 가질 수 있다.
상기 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템의 일 실시예에 따르면, 상기 자계차폐층은 상기 소정 영역을 커버하는 (i) 페라이트층, (iii) 도전성 물질층, 그리고 (iii) 상기 수전 인덕터의 아래에 순차 적층된 페라이트층과 도전성 물질층의 이중층 중 어느 한 가지를 포함할 수 있다.
상기 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템의 일 실시예에 따르면, 상기 휴대형 전자기기는 무선 통신과 컴퓨팅 기능을 갖는 스마트 워치(smart watch)일 수 있다.
또한, 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템의 일 실시예에 따르면, 상기 무선충전 플랫폼은 상기 송전 인덕터에 연결되어 송전측 공진회로를 구성하는 제1 저항 및 제2 캐패시터를 더 포함하고, 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드는 상기 수전 인덕터에 연결되어 수전측 공진회로를 구성하는 제2 저항 및 제2 캐패시터를 더 포함하여, 임피던스 최소화를 통해 공진 방식으로 최대의 전력 전송을 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 스마트 워치와 같은 웨어러블 전자기기용 밴드에 무선 전력 전송 시스템을 적용하여, 사용자가 여러 개의 밴드를 구매하여 배터리가 소모된 밴드는 그 전자기기에서 분리하여 무선충전 플랫폼에서 무선충전할 수 있다. 그 충전 도중에 미리 충전된 밴드를 그 웨어러블 전자기기에 연결함으로써 그 웨어러블 전자기기를 연속해서 사용할 수 있게 된다. 그러므로 사용자가 웨어러블 전자기기를 풀어서 따로 충전시키는 시간이 줄어들게 되고 착용할 수 있는 시간이 증가되게 된다.
또한 손목 등과 같은 신체에 착용할 수 있는 밴드에 무선충전 기능을 탑재 합으로써 유선방식으로 충전할 때 연결되어야 하는 커넥터 단자의 손상 등에 따른 충전 불능의 문제를 해소할 수 있다.
전력의 무선 송수신을 담당하는 인덕터를 자계차폐층으로 커버함으로써 누설 자속을 최소화 하여 전력 전송의 효율을 높일 수 있다.
또한, 자기차폐층, 수전 인덕터, 배터리부는 가요성 밴드가 휠 때 손상 없이 함께 휘어질 수 있는 가요성을 가지기 때문에, 웨어러블 전자기기에 적합한 특성을 갖는다.
또한, 무선 공진 방식을 이용한 충전이 가능하여, 전력 전송 효율을 높게 가져갈 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선충전형 배터리 내장 밴드의 단면도이고,
도 2는 도 1의 배터리 내장 밴드에서 내부 구성을 나타내기 위해 밴드의 상부를 제거한 상태의 평면도이며,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선충전형 배터리 내장 밴드의 단면도이고,
도 4는 도 3의 배터리 내장 밴드에서 내부 구성을 나타내기 위해 밴드의 상부를 제거한 상태의 평면도이며,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복수 개의 배터리 내장 밴드를 동시에 충전하기 위한 다중 무선충전 플랫폼을 예시하며,
도 6은 도 5에서 다중 무선충전 플랫폼에서 단일 송전 인덕터와 복수 개의 수전 인덕터들 간의 배치 관계를 예시하며,
도 7은 도 6의 배치 관계일 때 단일 송전 인덕터에서 발생되는 자속이 복수 개의 수전 인덕터와 쇄교하는 상태를 나타내며,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하나의 배터리 내장 밴드를 충전하기 위한 단일 무선충전 플랫폼을 예시하며,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 내장 밴드 무선충전 시스템의 전기 회로도이고,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 무선충전형 배터리 내장 밴드를 사용한 스마트 워치를 무선충전을 위해 무선충전 플랫폼에 거치한 상태를 도시하고,
도 11은 도 10의 스마트 워치용 무선충전 플랫폼의 구조를 나타낸다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 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 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 구체적으로 설명한다.
도 1과 2에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선충전형 배터리 내장 밴드(10)의 구성이 도시되어 있다.
배터리 내장 밴드(10)는 손목, 팔, 또는 다리나 목 등 특정 신체 부위에 착용할 수 있는 가요성 밴드(12)를 포함한다. 가요성 밴드(12)는 가죽, 합성수지, 고무, 섬유재 등과 같이 비전도성 재료로 만들 수 있다.
가요성 밴드(12)의 내부에는 배터리(14), 수전 인덕터(16), 그리고 정류부(20)가 내장된다. 또한, 가요성 밴드(12)의 내부에는 소정 영역을 커버하는 형태로 내장되는 자계차폐층(18)이 더 배치될 수 있다.
자계차폐층(18)은 예컨대 고투자율의 페라이트 물질 또는 전도성 물질로 상기 소정 영역을 커버하는 형태로 형성될 수 있다. 그 페라이트 물질과 전도성 물질은 예컨대 쉬트 형태로 만들어 설치될 수 있다. 자계차폐층(18)은 또한 페라이트층과 도전물질층을 상하로 적층한 형태로 구성될 수도 있다.
자계차폐층(18) 위에는 수전 인덕터(16)가 배치된다. 수전 인덕터(16)는 도 2에 예시된 것처럼 도선이 가요성 밴드(12) 내부의 소정 영역 내 자계차폐층(18) 위에 도선 루프(wire loop) 형태로 즉, 나선형을 이루면서 평면적으로 적층된다.
또한, 가요성 밴드(12) 내부에는 수전 인덕터(16)와 자계차폐층(18)의 일측 옆에 정류부(20)와 배터리(14)가 배치된다. 정류부(20)는 수전 인덕터(16)의 양단에 연결되어 교류 전력을 직류로 변환하는 정류기 회로와, 이 정류기 회로의 출력단에 연결되어 정류된 직류 전압의 레벨을 배터리(14)의 충전에 적합한 전압 레벨로 조정하는 레귤레이터 회로를 포함한다. 정류기와 레귤레이터 회로는 일체로 패키징 될 수 있다. 정류부(20)와 배터리(14)는 상하로 배치되거나 또는 도시된 것처럼 서로의 옆에 나란히 배치될 수 있다.
배터리(14), 수전 인덕터(16), 그리고 자계차폐층(18)은 유연한 가요성 밴드(12) 안에 내장되는 것이어서, 이들도 유연한 것이 좋다. 이들이 가요성 밴드(12)의 휘어짐에 따라 같이 유연하게 휘어지지 못하면, 사용상의 불편함이 생길 수 있고, 파손 내지 절단의 위험도 높아진다. 그러므로 배터리(14)는 가요성 배터리를 사용하여 구성하고, 수전 인덕터(16)도 가요성 도선을 사용하여 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 자계차폐층(18)을 구성하는 페라이트 층 및/또는 도전물질 층도 가요성(flexibility)을 갖도록 구성하는 것이 바람직하다. 물론, 정류부(20)도 유연성을 갖도록 구성하면 좋다.
가요성 밴드(12)에는 이것이 사용되는 본체와 결합하기 위한 결합부(비도시), 본체 좌우에 체결된 가요성 밴드(12)간에 간격 조절을 가능하게 결합할 수 있는 체결부(비도시) 등이 더 마련될 수 있을 것이다. 또한, 배터리(14)에는 그것이 본체에 연결되어 그 본체에 내장된 배터리를 충전할 수 있는 콘넥터(비도시)가 더 마련될 수 있다.
도 3과 도 4에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선충전형 배터리 내장 밴드(30)의 구성이 도시되어 있다.
이 배터리 내장 밴드(30)는 가요성 밴드(32), 배터리(34), 수전 인덕터(36), 자계차폐층(38), 정류부(40)를 구비하는바, 제1 실시예와 비교할 때 구비하는 구성요소들의 종류 및 각 구성요소들의 역할과 기능은 제1 실시예와 실질적으로 동일하다. 하지만, 그들의 배치에 있어서는 차이가 있고(특히, 제2 실시예의 수전 인덕터(36)는 제1 실시예의 수전 인덕터(16)에 비해 차지하는 면적이 상대적으로 좁음), 그 차이로 인해 제1 실시예는 고주파 충전용이고 송전 소스로부터 멀리 이격하여 충전할 수 있는데 비해, 제2 실시예는 저주파 충전용이고 송전 소스로부터 가까이서 충전하기에 적합하다.
구성요소들의 배치에 있어서 차이점을 간략히 설명하면, 제2 실시예에 따른 배터리 내장 밴드(30)의 경우, 수전 인덕터(36)와 배터리(34)가 상하관계로 적층된다. 그리고 이들 사이에는 자계차폐층(38)이 개재된다. 정류부(40)는 배터리(34)와 수전 인덕터(36)의 옆에 배치된다. 이들 구성요소들이 전부 밴드(32) 내부에 내장되고, 구성요소들 각각의 기능과 상호간의 연결관계는 제1 실시예와 실질적으로 동일하다. 제1 실시예의 수전 인덕터(16)는 상당히 넓은 면적을 차지하는데 비해, 제2 실시예의 수전 인덕터(36)는 좁은 면적을 차지한다.
도 5에는 본 발명의 실시예에 따른 다중 무선충전 플랫폼(70)이 예시되어 있다. 이 다중 무선충전 플랫폼(70)은 복수 개의 배터리 내장 밴드(10 또는 30)를 함께 올려놓을 수 있는 거치대(72)와, 이 거치대(72)를 받쳐주면서 무선 전력 전송을 위한 수단들을 내장하는 베이스(73)를 포함할 수 있다. 거치대(72)는 곡면형으로 도시되어 있으나, 그 형태가 곡면형으로 반드시 한정될 필요는 없고 배터리 내장 밴드(10 또는 30)들을 안정적으로 거치할 수 있는 형태라면 어떤 형태라도 무방하다.
거치대(72)의 내부에는 무선 전력 전송을 위한 송전 인덕터가 내장된다. 그 송전 인덕터는 한 개 또는 여러 개 일 수 있다. 여러 개의 송전 인덕터가 배치되는 경우, 그 복수 개의 송전 인덕터 위에 복수 개의 수전 인덕터(10 또는 30)들을 일 대 일로 대응되게 올려놓고 충전할 수 있을 것이다.
도 6은 거치대(72) 내부에 하나의 송전 인덕터(74)를 배치한 경우에 그 단일 송전 인덕터(74)와 복수 개의 수전 인덕터(10)들 간의 배치 관계를 예시한다. 도 7은 도 6의 배치관계일 때 단일 송전 인덕터(74)에서 발생하는 자속이 복수 개의 수전 인덕터(10a, 10b, 10c) 각각과 쇄교하는 상태를 나타낸다. 배터리 내장 밴드(10a, 10b, 10c)들을 거치대(72) 위에 올려놓으면, 도 6 및 7에 도시된 것과 같이 수전 인덕터(10a, 10b, 10c) 각각이 거치대(72) 밑에 내장되는 단일 송전 인덕터(74)에서 발생되는 자속과 최대한 많이 쇄교하도록 송전 인덕터(74)가 배치된다.
무선충전 플랫폼은 도 8에 예시된 것처럼 한 개의 배터리 내장 밴드(30)만을 올려놓고 무선충전할 수 있는 단일형 무선충전 플랫폼(80)으로 구성될 수도 있다. 이 단일형 무선충전 플랫폼(80)은 배터리 내장 밴드(30) 한 개를 올려놓을 수 있는 거치대(82)와, 이 거치대(82)를 받쳐주면서 무선 전력 전송을 위한 수단들을 내장하는 베이스(83)를 포함할 수 있다. 거치대(82) 아래쪽에는 송전 인덕터(84)가 내장된다. 송전 인덕터(84)의 모양과 크기는 수전 인덕터(36)의 그것과 실질적으로 동일하게 구성할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 무선충전 시스템(50)의 구성을 도시한다. 이 무선충전 시스템(50)은 다중 무선충전 플랫폼(70)과 적어도 하나의 배터리 내장 밴드(10)를 포함한다. 다중 무선충전 플랫폼(70) 대신 단일형 무선충전 플랫품(80)을 포함할 수도 있다.
다중 무선충전 플랫폼(70)은 직류 전류를 제공하는 직류 입력부(52)와, 이로부터 출력되는 직류 전류를 교류 전류로 변환하는 인버터(54)와, 이 인버터(54)의 출력단에서 출력되는 교류 전류 Is를 흘려 전력을 무선으로 전송하는 무선 송전부(56)를 포함한다.
무선 송전부(56)는 송전 인덕터(74) Ls를 포함한다. 무선 송전부(56)는 송전 인덕터(74) Ls에 연결되어 송전측 공진회로를 구성하는 저항 Rs 및 캐패시터 Cs를 더 포함할 수 있다.
배터리 내장 밴드(10)는 무선 송전부(56)에서 무선 송전하는 전력을 수전하는 무선 수전부(62)와, 이 무선 수전부(62)의 출력단에서 출력되는 교류 전류를 직류로 정류하는 정류부(20)와, 정류부(20)의 출력단에서 출력되는 직류 전류를 충전하는 배터리(14)를 포함한다.
무선 수전부(62)는 수전 인덕터(16) Lr를 포함한다. 또한, 무선 수전부(62)는 수전 인덕터(16) Lr에 연결되어 수전측 공진회로를 구성하는 캐패시터 Cr를 더 포함할 수 있다.
정류부(20)는 무선 수전부(62)의 양단에 연결되어 교류 전류를 직류로 정류하는 정류기 회로(64)와, 정류기 회로(64)의 출력단에 연결되어 정류기 회로(64)에서 정류된 직류 전압의 레벨을 배터리(14)의 충전에 적합한 전압 레벨로 조정하는 레귤레이터(66)를 포함할 수 있다.
도 9는 다중 무선충전 플랫폼(70)과 제1 실시예에 따른 무선충전형 배터리 내장 밴드(10)를 도시하였지만, 이는 예시적인 것에 불과하다. 단일 무선충전 플랫폼(80)과 제2 실시예에 따른 무선충전형 배터리 내장 밴드(30)의 조합도 도 9의 회로로 표현될 수 있다.
도 9의 무선충전 시스템의 회로는 다음과 같이 동작한다. 무선충전을 위해, 인버터(54)가 직류 입력부(52)에서 출력되는 직류 전류를 교류로 변환하여 무선 송전부(56)에 제공한다. 이에 의해 송전 인덕터(74)에는 교류 전류가 흐르고 그 주변에는 시변 자계가 생성된다. 이 시변 자계는 무선충전 플랫폼(70)의 거치대(72)에 거치된 무선충전형 배터리 내장 밴드(10)의 수전 인덕터(16)와 쇄교한다. 이에 의해, 수전 인덕터(16)에는 기전력이 유도되어 교류 전류가 흐르게 된다. 이렇게 자계 유도 방식으로 무선 송전부(56)에서 무선 수전부(62)로 전력이 무선 전달될 수 있다.
이 때, 자계차폐층(18)의 페라이트 물질은 송전 인덕터(74)에서 방사되는 자속이 수전 인덕터(16)로 최대한 많이 유입되도록 자속을 집속하되, 그 수전 인덕터(16)에서 방사되는 자속이 외부로 방사되는 것은 최소화시켜주는 역할을 한다. 송전 인덕터(74)에서 방사되는 자기장이 수전 인덕터(16)에 최대한 집중되게 함으로써 누설 자속을 최소화하고 수전 인덕터(16)의 인덕턴스를 증가시켜, 송전 인덕터(74)에서 수전 인덕터(16)로의 무선 전력 전달 효율을 높여주는 역할을 한다. 자계차폐층(18)의 도전물질 층도 송전 인덕터의 자기장이 수전 인덕터(16) 밖으로 빠져나가는 것을 억제하여 전력 전달 효율의 저하를 방지하는 역할을 할 수 있다.
무선 수전부(62)에 유도되어 흐르는 교류전류는 정류부(20)의 정류기 회로(64)에 입력되어 직류로 정류된 다음 레귤레이터 회로(66)에 제공되고, 레귤레이터 회로(66)는 입력되는 직류를 배터리 (14) 충전에 적합한 레벨의 전압으로 조정하여 배터리(14)로 제공한다. 이에 의해 배터리(14)가 충전된다. 이렇게 무선충전 플랫폼(70)은 가요성 밴드(12)내의 배터리(14)들을 자계 유도 방식으로 무선충전할 수 있다.
제1 실시예에 따른 무선충전형 배터리 내장 밴드(10)는 수전 인덕터(16)가 차지하는 영역이 상대적으로 넓다. 이 무선충전형 배터리 내장 밴드(10)의 경우, Q-factor를 보완하기 위해 높은 공진 주파수가 사용될 수 있다. 수전 인덕터(16)가 송전 인덕터(74)로부터 더 멀리 배치될 수 있다. 또한, 다중 무선충전 플랫폼(70)은 공진을 이용하여 여러 개의 무선충전형 배터리 내장 밴드(10)들을 동시에 충전할 수 있다.
제2 실시예에 따른 무선충전형 배터리 내장 밴드(30)는 수전 인덕터(36)가 차지하는 면적이 상대적으로 좁은 편이다. 이 무선충전형 배터리 내장 밴드(30)는 낮은 공진 주파수를 사용할 수 있다. 수전 인덕터(36)를 송전 인덕터(74) 가까이에 위치시켜 고효율로 무선충전할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 무선충전형 배터리 내장 밴드(10 또는 30)를 사용한 스마트 워치(100)를 무선충전을 위해 무선충전 플랫폼(200)에 거치한 상태를 도시한다. 도 11은 스마트 워치(100)용 무선충전 플랫폼(200)의 구성을 나타낸다.
스마트 워치(100)는 스마트 워치 본체(110)와 이 본체(110)의 양 옆에 연결된 시계줄 즉, 무선충전형 배터리 내장 밴드(10 또는 30)를 포함한다. 본체(110) 내에는 메인 배터리(비도시)가 내장된다. 무선충전형 배터리 내장 밴드(10 또는 30)에 내장된 배터리(14, 34)는 그 메인 배터리를 충전하는 보조 배터리로 사용될 수 있다.
무선충전 플랫폼(200)은 상부에 무선충전형 배터리 내장 밴드(10 또는 30)를 무선충전을 하기에 적합한 상태로 거치하기 위한 거치대가 마련된다. 이 거치대는 무선충전형 배터리 내장 밴드(10 또는 30)가 자신을 휘감은 상태를 유지하도록 잡아주는 스마트 워치 밴드 홀더(220)와, 무선충전형 배터리 내장 밴드(10 또는 30)와 스마트 워치 본체(110)가 서로 결합된 상태에서 그 본체(110)가 일부 삽입되는 형태로 수용함으로써 수전 인덕터(16 또는 36)가 송전 인덕터(74 또는 84)와 마주보면서 자동으로 정렬될 수 있게 해주는 스마트 워치 본체 홀더(210)를 포함한다.
스마트 워치 본체 홀더(210)는 스마트 워치용 밴드 홀더(220)를 밑에서 받쳐주는 베이스(212)를 포함한다. 스마트 워치 본체(110)의 일부를 수용할 수 있도록 베이스(212)의 상면 일측에 본체 삽입홈(214)이 마련된다. 베이스(212)의 내부에는 무선충전 수단들 즉, 직류 입력부(52), 인버터(54), 무선 송전부(56) 등이 내장되고, 베이스(212)의 일측에는 외부에서 베이스(212) 내부로 통하는 슬롯(216)이 마련된다.
스마트 워치 밴드 홀더(220)는 스마트 워치(100)로 감을 수 있게 베이스(212)의 상면에서 위쪽으로 돌출된 돌출부(222)를 포함한다. 베이스(212) 상면과 돌출부(222)가 만나는 경계선 주위를 일주하면서 밴드 삽입홈(224)이 마련된다.
돌출부(222)의 내부에는 측벽을 따라 통로(228)가 마련되고, 그 통로(228)에는 송전 인덕터(74 또는 84)가 돌출부(222) 측벽과 나란하게 배치된다. 그 통로(228)에는 송전 인덕터(74 또는 84)를 뒤쪽에서 커버하는 형태로 즉, 돌출부(222)의 중심부에 더 가까운 쪽에 송전 인덕터(74 또는 84)와 나란하게 자계차폐층(226)이 배치될 수도 있다.
스마트 원치 본체(110)가 본체 삽입홈(214) 안에 삽입되고 밴드(10 또는 30)가 밴드 삽입홈(224)에 삽입된 상태에서 스마트 워치(100)의 밴드(10 또는 30)가 돌출부(222) 측벽을 휘감았을 때, 밴드(10 또는 30)의 수전 인덕터(16 또는 36)는 송전 인덕터(74 또는 84)와 가까이서 대면하면서 자동으로 정렬될 수 있다. 이 상태에서는 송전 인덕터(74 또는 84)에서 생성된 자속의 누설을 최소화할 수 있어 무선 전력전송의 효율이 높다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 무선 전력 전송에 이용될 수 있다. 또한, 스마트워치 등과 같은 웨어러블 기기용 보조전원의 구현에 이용될 수 있다.
10, 30: 무선충전형 배터리 내장 밴드 12, 32: 신체착용형 밴드
14, 34: 배터리 16, 36: 수전 인덕터(도선 루프)
18, 38: 자계차폐층 20, 40: 정류부
52: 직류 입력부 54: 인버터
56: 무선 송전부 62: 무선 수전부
64: 정류기 66: 레귤레이터
70: 다중 무선충전 플랫폼 72, 82: 거치대
74: 송전 인덕터 80: 단일형 무선충전 플랫폼
100: 스마트 워치 110: 스마트 워치 본체
200: 무선충전 플랫폼 210: 스마트 워치 본체 홀더
212: 베이스 214: 본체 삽입홈
220: 스마트 워치 밴드 홀더 222: 돌출부
224: 밴드 삽입홈 226: 자계차폐층
228: 통로

Claims (14)

  1. 휴대형 전자기기의 본체에 탈착가능하게 결합될 수 있고, 신체의 일부에 착용할 수 있는 가요성 밴드(flexible band);
    상기 가요성 밴드의 내부에 소정 영역을 커버하는 형태로 내장된 자계차폐층;
    도선 루프(wire loop) 형태로 상기 자계차폐층 위에 평면적으로 배치되며, 외부의 시변 자계가 내부를 통과하는 것에 의해 교류 전류가 유도되는 수전 인덕터;
    상기 수전 인덕터에 연결되며, 상기 수전 인덕터에 유도되는 교류 전류를 직류 전류로 정류하는 정류부; 및
    상기 정류부에서 출력되는 직류 전류를 충전하는 배터리부를 구비하고,
    상기 자계차폐층, 상기 수전 인덕터, 그리고 상기 배터리부는 상기 가요성 밴드의 휨에 의해 손상되지 않도록 상기 가요성 밴드에 상응하는 가요성을 가지며,
    상기 시변 자계를 통해 무선으로 전달되는 전력을 충전할 수 있는 것을 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자계차폐층은 상기 소정 영역을 커버하는 페라이트층 또는 도전성 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자계차폐층은 상기 소정 영역을 커버하는 도전성 물질층과, 상기 도전성 물질층 위에 적층되어 상기 수전 인덕터의 아래에 배치되는 페라이트층을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수전 인덕터와 상기 배터리부는 상기 자계차폐층을 사이에 두고 서로 반대쪽에 배치되어 수직 적층된 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수전 인덕터는 상기 배터리부 및 상기 정류부의 옆에 배치되어 서로 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드.
  6. 무선충전형 배터리 내장 밴드와, 무선충전 플랫폼을 구비하며,
    상기 무선충전형 배터리 내장 밴드는,
    휴대형 전자기기의 본체에 탈착가능하게 결합될 수 있고, 신체의 일부에 착용할 수 있는 가요성 밴드;
    상기 가요성 밴드의 내부에 소정 영역을 커버하는 형태로 내장된 자계차폐층;
    도선 루프 형태로 상기 자계차폐층 위에 평면적으로 배치되며, 외부의 시변 자계가 내부를 통과하는 것에 의해 교류 전류가 유도되는 수전 인덕터;
    상기 수전 인덕터에 연결되며, 상기 수전 인덕터에 유도되는 교류 전류를 직류 전류로 정류하는 정류부; 및
    상기 정류부에서 출력되는 직류 전류를 충전하기 위한 배터리부를 구비하며,
    상기 무선충전 플랫폼은,
    충전을 위해 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드를 거치하기 위한 거치대;
    직류 전력을 제공하는 직류 전원부;
    상기 직류 전원부로부터 인가되는 직류 전류를 교류 전류로 변환하는 인버터; 및
    상기 거치대 속에 내장되며, 상기 인버터에서 출력되는 교류 전류가 흐를 때 시변 자계를 생성하는 송전 인덕터를 구비하며,
    상기 수전 인덕터가 상기 송전 인덕터와 마주보도록 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드가 상기 거치대에 거치된 상태에서 상기 송전 인덕터가 생성하는 상기 시변 자계가 상기 수전 인덕터를 통과함으로써 상기 수전 인덕터에 무선으로 전력을 전송하여 상기 배터리부를 무선충전하는 것을 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 거치대는 복수 개의 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드를 함께 올려놓고 동시에 무선충전할 수 있는 거치면을 제공하고, 상기 송전 인덕터는 상기 거치면 전체를 통해 밖으로 나가는 자속을 생성하는 하나의 도선 루프를 포함하여, 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드가 상기 거치면 내에 올려져 있기만 하면 위치에 상관없이 무선충전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 거치대는 복수 개의 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드를 함께 올려놓고 동시에 무선충전할 수 있는 거치면을 제공하고, 상기 송전 인덕터는 상기 거치면의 아래쪽에 서로 이격된 복수 개의 도선 루프를 포함하며, 상기 복수 개의 도선 루프 마다 그 위에 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드를 하나씩 올려놓고 동시에 무선충전할 수 있는 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 상기 거치대는 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드가 자신을 휘감은 상태를 유지하도록 잡아주는 밴드 홀더와, 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드와 상기 본체가 결합된 상태에서 상기 본체가 일부 삽입되는 형태로 수용함으로써 상기 수전 인덕터가 상기 송전 인덕터와 마주보면서 자동으로 정렬될 수 있게 해주는 본체 홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 밴드 홀더 내부에 상기 송전 인덕터를 뒤쪽에서 커버하는 형태로 배치되는 자계차폐층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템.
  11. 제6항에 있어서, 상기 자계차폐층, 상기 수전 인덕터, 그리고 상기 배터리부는 상기 가요성 밴드의 휨에 의해 손상되지 않도록 상기 밴드의 가요성에 상응하는 가요성을 가지는 것을 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템.
  12. 제6항에 있어서, 상기 자계차폐층은 상기 소정 영역을 커버하는 (i) 페라이트층, (iii) 도전성 물질층, 그리고 (iii) 상기 수전 인덕터의 아래에 순차 적층된 페라이트층과 도전성 물질층의 이중층 중 어느 한 가지를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템.
  13. 제6항에 있어서, 상기 휴대형 전자기기는 무선 통신과 컴퓨팅 기능을 갖는 스마트 워치(smart watch)인 것을 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템.
  14. 제6항에 있어서, 임피던스 최소화를 통해 공진 방식으로 최대의 전력 전송을 가능하게 하기 위해, 상기 무선충전 플랫폼은 상기 송전 인덕터에 연결되어 송전측 공진회로를 구성하는 제1 저항 및 제2 캐패시터를 더 포함하고, 상기 무선충전형 배터리 내장 밴드는 상기 수전 인덕터에 연결되어 수전측 공진회로를 구성하는 제2 저항 및 제2 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전형 배터리 내장 밴드의 무선충전 시스템.
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CN110571877A (zh) * 2018-05-18 2019-12-13 纳米及先进材料研发院有限公司 一种可弯曲的无线充电装置
CN114743753A (zh) * 2022-02-24 2022-07-12 华为数字能源技术有限公司 交变磁场耦合系统、磁场发生设备和磁场接收设备

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