KR20180036094A - 무선 전력 전송 모듈 및 이를 구비하는 전자 기기 - Google Patents

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KR20180036094A
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노영승
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Abstract

무선 충전 시 이물에 의한 과열을 감지할 수 있는 무선 전력 전송 모듈 및 이를 구비하는 전자 기기에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 모듈은, 절연 기판의 일면에 코일 패턴과 열 감지 센서가 배치되는 코일부 및 연결 도체를 통해 상기 열 감지 센서와 전기적으로 연결되어 상기 열 감지 센서 주변의 온도를 감지하는 과열 검출부를 포함할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 모듈 및 이를 구비하는 전자 기기{WIRELESS POWER TRANSMISSION MODULE AND ELECTRONIC DEVICE HAVING THE SAME}
본 발명은 무선 전력 전송 모듈 및 이를 구비하는 전자 기기에 관한 것이다.
무선 기술의 발전에 따라, 무선 기술은 데이터 전송에서 전력 전송까지 다양한 기능을 제공하고 있다. 최근에는 다양한 휴대 장치들을 비 접촉으로 충전할 수 있는 무선 충전 기술이 주요한 이슈가 되고 있다.
무선 전력 전송 기술로서는, 코일 간의 전자기 유도를 이용하여 전력 전송을 행하는 기술이나, 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치가 구비하는 공진기(코일) 간의 공진 현상을 이용하여 자장을 결합시킴으로써 전력 전송을 행하는 기술을 들 수 있다.
이 중, 공진기(코일) 간의 공진 현상(자계 공명 상태)을 이용하여 전력을 전송하는 경우, 전력 전송 장치 부근에 금속 이물(異物)이 놓이게 되면 금속 이물이 자장의 영향을 받아 와전류(渦電流)가 야기될 수 있다. 그리고 이와 같이 와전류가 야기되면, 금속 이물이나 전력 전송 장치에 과도한 열이 발생하는 경우가 있다.
본 발명의 목적은 무선 충전 시 이물에 의한 과열을 감지할 수 있는 무선 전력 전송 모듈 및 이를 구비하는 전자 기기를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 모듈은, 절연 기판의 일면에 코일 패턴과 열 감지 센서가 배치되는 코일부 및 연결 도체를 통해 상기 열 감지 센서와 전기적으로 연결되어 상기 열 감지 센서 주변의 온도를 감지하는 과열 검출부를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 전자 기기는, 절연 기판의 일면에 코일 패턴이 형성되고 상기 코일 패턴 사이에 열 감지 센서가 배치되는 코일부와 연결 도체를 통해 상기 열 감지 센서와 전기적으로 연결되어 상기 열 감지 센서 주변의 온도를 감지하는 과열 검출부를 포함하는 무선 전력 전송 모듈 및 상기 무선 전력 전송 모듈을 내부에 수용하는 케이스를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 무선 전력 수신 장치가 놓여지는 코일부의 일면에 다수의 열 감지 센서가 배치되므로 코일부의 일면 상에 금속 이물이 배치되어 금속 이물이 과열되더라도 이를 용이하게 감지할 수 있다. 따라서 이에 금속 이물에 의해 야기되는 화재, 화상의 가능성을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 기기를 개략적으로 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 I-I'에 따른 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 모듈을 개략적으로 도시한 평면도.
도 4는 도 3의 II-II'에 따른 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 모듈의 단면도.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 모듈의 평면도.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
아울러, 명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 '연결'되어 있다 함은 이들 구성들이 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성을 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함하는 것을 의미한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 기기를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 I-I'에 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 기기는 전력을 무선으로 송신하는 무선전력 송신장치를 의미한다. 또한 무선전력 송신장치는 충전 기기(20)를 포함하며, 무선전력 수신장치는 충전 기기(20)로부터 전력을 수신하여 저장하는 휴대 단말기(10)를 포함한다.
또한 본 실시예에서 무선전력 송신장치는 공진기(코일) 간의 공진 현상(자계 공명 상태)을 이용하는 자기 공진형 전력 송신 장치일 수 있고 공진기(코일) 간의 자기 유도 현상을 이용하는 자기 유도형 전력 송신 장치일 수도 있다.
충전 기기(20)는 휴대 단말기(10)의 무선 전력 수신 모듈(13)을 이용하여 휴대 단말기(10)의 배터리(12)를 충전시키는 데에 이용된다.
충전 기기(20)는 외부로부터 공급되는 가정용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하거나 외부로부터 직접 직류 전원을 공급받고, 직류 전원을 다시 특정 주파수의 교류 전압으로 변환한 후, 무선 전력 전송 모듈(30)을 통해 무선 전력을 외부로 전송한다.
이를 위해 충전 기기(20)는 케이스(50) 및 무선 전력 전송 모듈(30)을 포함한다.
케이스(50)는 전체적으로 절연성의 수지 재질로 형성될 수 있으며, 내부에 수용되는 구성 요소들을 외부로부터 보호한다.
케이스(50)는 납작한 원통 형상 또는 직육면체 형상 등 내부에 수용 공간일 구비한다면 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 케이스(50) 내부에 형성되는 수용 공간에는 무선 전력 전송 모듈(30)이 수용된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 모듈을 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 4는 도 3의 II-II'에 따른 단면도이다.
도 3 내지 도 4를 함께 참조하면, 무선 전력 전송 모듈(30)은 회로부(70), 코일부(40), 자성부(80), 및 과열 검출부(60)를 포함한다.
무선 전력 전송 모듈(30)의 회로부(70)는 외부로부터 공급되는 가정용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하거나 외부로부터 직접 직류 전원을 공급받고, 직류 전원을 다시 특정 주파수의 교류 전압으로 변환한 후, 코일부(40)로 공급한다.
회로부(70)는 전자 부품이 실장된 회로 기판의 형태로 구비될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 회로부(70)는 후술되는 과열 검출부(60)로부터 전송되는 신호를 통해 코일부(40) 상에 금속 이물이 있는 지 여부를 판단하며, 금속 이물이 있는 것으로 판단되는 경우 전력의 전송을 중단하고 이를 사용자에게 통보할 수 있다.
코일부(40)는 회로부(70)에서 전송된 전력을 외부로 전송한다.
코일부(40)는 나선 형태로 권선된 공진 코일을 적어도 하나 포함한다.
본 실시예에서 코일부(40)는 기판의 형태로 형성된다. 구체적으로, 코일부(40)는 절연 기판(41), 코일 패턴(43), 및 열 감지부(45)를 포함한다.
절연 기판(41)은 당 기술분야에서 잘 알려진 다양한 종류의 기판(예를 들어 세라믹 기판, 유리 기판, 에폭시 기판, 연성 기판 등)이 선택적으로 이용될 수 있다.
코일 패턴(43)은 절연 기판(41)의 일면 또는 양면에 배치된다. 코일 패턴(43)이 절연 기판(41)의 양면에 배치되는 경우, 각 코일 패턴들(43)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 코일 패턴들(43)은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
또한 코일 패턴(43)은 단선 코일로 형성되거나 여러 가닥으로 형성된 리쯔 와이어(Litz Wire) 형태의 코일로 형성될 수 있다.
열 감지부(45)는 열 감지 센서(45a)와 연결 도체(45b)를 포함할 수 있다.
열 감지 센서(45a)는 코일부(40)의 일면에 배치된다. 여기서 코일부(40)의 일면은 무선 충전 시 무선 전력 수신 장치(10)와 대면하는 면으로, 무선 전력 수신 장치(10)가 놓여지는 면을 의미한다.
열 감지 센서(45a)는 다수 개가 구비되며, 코일부(40) 일면에 전체에 고르게 분산 배치된다. 예를 들어, 열 감지 센서(45a)는 코일 패턴(43)의 중심과 코일 가닥들 사이에 전체적으로 배치될 수 있다.
연결 도체(45b)는 적어도 일부가 절연 기판(41) 내에 매립되며, 열 감지 센서(45a)와 후술되는 과열 검출부(60)를 전기적으로 연결한다.
연결 도체(45b)는 와이어 형태의 도선으로 형성될 수 있다. 이 경우, 절연 기판(41)에는 다수의 관통 구멍(47)이 형성되며 연결 도체(45b)는 각 관통 구멍(47) 내에 배치되어 일단이 열 감시 센서(45a)와 연결되고 타단이 과열 검출부(60)에 연결된다.
이와 같이 구성되는 코일부(40)는 연성 회로 기판이나 도선 등과 같은 연결 부재(미도시)를 통해 회로부(70)와 전기적으로 연결된다.
자성부(80)는 시트(sheet)와 같이 편평한 판 형상으로 형성되어, 코일부(40)의 일면에 배치된다. 자성부(80)는 코일부(40)의 코일 배선에 의해 발생하는 자기장의 자로를 효율적으로 형성하거나, 코일부(40)와 회로부(70)와의 실드(Shield)를 목적으로 구비된다. 이를 위해 자성부(80)는 자로가 용이하게 형성될 수 있는 재질로 형성되며, 예를 들어 페라이트(ferrite) 분말을 소결하여 형성할 수 있다.
자성부(80)의 내부에는 다수의 관통 홀(57)이 형성된다. 관통 홀(57)에는 전술한 연결 도체(45b)가 배치된다. 따라서 관통 홀(57)은 절연 기판(41)에 형성된 관통 구멍들(47)과 대응하는 위치에 배치되어 관통 구멍들(47)을 연장한다.
이에 연결 도체(45b)는 절연 기판(41)의 관통 구멍(47)과 자성부(80)의 관통 홀(57)을 관통하는 형태로 배치되어 열 감시 센서(45a)와 과열 검출부(60)를 전기적으로 연결한다.
본 실시예에 따른 무선 전력 전송 모듈(30)은 코일부(40)와 자성부(80)가 서로 견고하게 고정 접착되도록, 코일부(40))와 자성부(80) 사이에 접착부재(미도시)가 개재될 수 있다.
접착부재는 코일부(40)와 자성부(80)의 사이에 배치되며, 자성부(80)와 코일부(40)를 상호 접합시킨다. 이러한 접착부재는 접착 시트(sheet)나 접착 테이프에 의해 형성될 수 있으며, 코일부(40)나 자성부(80)의 표면에 접착제나 접착성을 갖는 수지를 도포하여 형성할 수도 있다.
또한 접착부재가 페라이트 분말을 함유하도록 구성하여 접착부재도 자성을 갖도록 구성하는 것도 가능하다.
과열 검출부(60)는 열 감지 센서(45a)의 동작을 기반으로 전력이 전송되는 공간 내에 금속 이물이 존재하는지 여부를 판단한다.
과열 검출부(60)는 회로 기판의 형태로 형성되어 자성부(80)의 일면에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 과열 검출부(60)는 자성부(80)와 회로부(70) 사이에 배치된다.
과열 검출부(60)는 연성 회로 기판이나 도선 등의 연결 부재(미도시)를 통해 회로부(70)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한 필요에 따라 솔더와 같은 도전성 접착제를 통해 회로부(70)와 직접 연결될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 열 감지 센서(45a)는 공지된 다양한 열 감지 센서들 중 어느 하나(예컨대, 열전형 온도센서: Thermocouple)가 선택적으로 이용될 수 있다. 이 경우, 열 감지부(45)는 열 감지 센서들(45a)로부터 전송되는 열기전력(thermoelectromotive force)을 실시간으로 확인하고 이 중 임계 전압 이상으로 전압이 가해지는 열 감지 센서(45a)가 있으면 해당 열 감지 센서(45a) 부근에서 과열된 이물이 있는 것으로 판단하여 회로부(70)에 신호를 전송할 수 있다.
또한 구리(Copper)와 같이 열에 따라 온도가 선형적 또는 비선형적으로 증가하는 다양한 금속 편(片)을 열 감시 센서(45a)로 이용할 수도 있다. 이 경우 과열 감지부(45)는 열 감지 센서(45a)의 온도를 실시간으로 측정하고, 임계 온도 이상인 열 감지 센서(45a)가 있으면 해당 열 감지 센서(45a) 부근에서 과열된 이물이 있는 것으로 판단하고 회로부(70)에 신호를 전송할 수 있다.
한편 본 실시예에서는 열 감지부(45)와 회로부(70)가 각각 별도의 구성요소로 구성되는 경우를 예로 들고 있으나, 열 감지부(45)의 기능을 회로부(70)에 부가하는 경우, 열 감지부(45)는 생략될 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 무선 전력 전송 모듈(30)은 전력 수신 장치가 놓여지는 코일부(40)의 일면 전체에 다수의 열 감지 센서(45a)가 배치된다. 따라서 코일부(40)의 일면 상에 금속 이물이 배치되어 금속 이물이 과열되는 경우, 이를 용이하게 감지할 수 있으며, 이에 금속 이물에 의해 야기되는 화재, 화상의 가능성을 최소화할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 열 감지 센서(45a)는 금속 편의 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 무선전력 수신장치(10)의 무선 전력 수신 모듈(13)과 무선전력 송신장치(20)의 무선 전력 송신 모듈(30) 사이에 전 영역에서 균일한 결합 계수(k)를 형성하며 특히, 자기 공진형 송신장치의 경우에 높은 무선충전 효율을 제공하여 전자기파 노이즈(EMI Noise)를 저감시키는 데에도 기여할 수 있다.
한편 본 발명에 따른 무선 전력 전송 모듈은 전술한 실시예의 구성에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 모듈의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 무선 전력 전송 모듈(30a)은 연결 도체(45c)가 와이어의 형태로 형성되지 않고 절연 기판(41) 내에서 도전성 비아(via)의 형태로 형성된다.
이 경우, 과열 검출부(60)가 비아 형태의 연결 도체(45c)와 직접 연결되어야 하므로, 과열 검출부(60)는 자성부(80)와 코일부(40) 사이에 배치될 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 모듈의 평면도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 무선 전력 전송 모듈(30b)은 열 감지 센서(45a)가 금속 편의 형태로 형성된다.
또한 열 감지 센서(45a)는 내부에 중심을 가로지르며 열 감지 센서(45a)를 절개하는 슬롯(S)을 구비한다. 슬롯(S)의 일단은 외부로 개방되고, 타단은 열 감지 센서(45a)의 내부에 배치된다. 따라서 슬롯(S)에 의해 열 감지 센서(45a)는 C 형상이나 ㄷ 형상, 또는 이와 유사한 형상으로 형성된다.
이와 같은 열 감지 센서(45a)의 형상은 열 감지 센서(45a)에서 발생할 수 있는 와류손 (Eddy Current Loss)을 저감시키기 위해 구비된다.
슬롯(S)을 구비함에 따라, 금속 편 형태의 열 감지 센서(45a)는 폐루프(closed loop)가 아닌, 일정 부분이 분리된 오픈 루프(open loop)의 형태로 형성된다. 따라서 표면적이나 폭을 최소화할 수 있으므로 와류손을 크게 저감할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
10: 휴대 단말기
12: 배터리
13: 무선 전력 수신 모듈
20: 충전 기기
30, 30a, 30b: 무선 전력 전송 모듈
40: 코일부
45: 열감지부
80: 자성부
60: 과열 검출부
70: 회로부

Claims (12)

  1. 절연 기판의 일면에 코일 패턴과 열 감지 센서가 배치되는 코일부; 및
    연결 도체를 통해 상기 열 감지 센서와 전기적으로 연결되어 상기 열 감지 센서 주변의 온도를 감지하는 과열 검출부;
    를 포함하는 무선 전력 전송 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코일부의 일측에 배치되는 자성부를 더 포함하는 무선 전력 전송 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연결 도체는,
    상기 절연 기판과 상기 자성부를 관통하며 상기 열 감지 센서와 상기 과열 검출부를 연결하는 무선 전력 전송 모듈
  4. 제1항에 있어서, 상기 연결 도체는,
    도전성 비아의 형태로 상기 절연 기판 내에 배치되는 무선 전력 전송 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열 감지 센서는,
    열전대 온도 센서(Thermocouple)를 포함하는 무선 전력 전송 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열 감지 센서는,
    금속 편으로 형성되는 무선 전력 전송 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 열 감지 센서는,
    내부에 중심을 가로지르는 슬롯이 형성된 무선 전력 전송 모듈.
  8. 제6항에 있어서, 상기 열 감지 센서는,
    C 형상으로 형성되는 무선 전력 전송 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 과열 검출부는,
    상기 열 감지 센서에서 발생하는 열기전력을 기반으로 상기 열 감지 센서 주변의 온도를 파악하는 무선 전력 전송 모듈.
  10. 제1항에 있어서, 상기 열 감지 센서는,
    상기 절연 기판 일면에 고르게 분산 배치되는 무선 전력 전송 모듈.
  11. 제1항에 있어서, 상기 열 감지 센서는,
    상기 코일 패턴의 중심과 상기 코일 패턴의 코일 가닥 사이에 배치되는 무선 전력 전송 모듈.
  12. 절연 기판의 일면에 코일 패턴이 형성되고 상기 코일 패턴 사이에 열 감지 센서가 배치되는 코일부와 연결 도체를 통해 상기 열 감지 센서와 전기적으로 연결되어 상기 열 감지 센서 주변의 온도를 감지하는 과열 검출부를 포함하는 무선 전력 전송 모듈; 및
    상기 무선 전력 전송 모듈을 내부에 수용하는 케이스;
    를 포함하는 전자 기기.
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