KR20180127094A - 3차원 구조 코일로 이루어진 무선 충전 장치 - Google Patents

3차원 구조 코일로 이루어진 무선 충전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리로 작동되는 모바일 기기의 충전 장치로, 모바일 기기를 전선을 사용하지 않고, 3D 입체 구조로 이루어진 코일을 이용하여 무선으로 충전할 수 있도록 하는 무선 충전장치(100)에 관한 것으로, 판상형의 제1코일판(210)과 상기 제1코일판(210)의 양측에 이격된 상태로 상기 제1코일판(210)과 소정 각도를 형성하며, 입체적으로 배치되는 제2코일판(220)과 제3코일판(230)을 구비하는 송신기(200) 및 상기 송신기(200) 내부 공간에 배치되는 판상형의 수신기(300)를; 포함하고, 상기 송신기(200)에 구비된 상기 제1 내지 3코일판(210)(220)(230) 가운데 적어도 하나의 코일판에 전류가 흐르면, 상기 수신기(300)에 무선으로 전력이 전달되는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 구조 코일로 이루어진 무선 충전 장치{WIRELESS CHARGER UTILIZING A THREE-DIMENSIONAL COIL STRUCTURE}
본 발명은 배터리로 작동되는 모바일 기기의 충전 장치로, 모바일 기기를 전선을 사용하지 않고, 3D 입체 구조로 이루어진 코일을 이용하여 무선으로 충전할 수 있도록 하는 무선 충전장치에 관한 것이다.
장소에 구애 받지 않고 사용할 수 있는 스마트폰, 스마트 워치와 같은 웨어러블 기기가 꾸준히 발전하고, 대중화됨에 따라 남녀노소 불문하고 누구나 사용할 수 있게 되었다.
웨어러블 기기는 내부에 구비된 배터리를 통해 전원을 공급받아 작동되기 때문에 어디에서나 휴대하여 사용할 수 있지만, 배터리를 모두 소모하게 되면 더 이상 사용할 수 없기 때문에 반드시 충전해주어야 한다.
웨어러블 기기를 충전하기 위해서는 웨어러블 기기에 형성된 접속 단자에 충전기의 충전 단자를 삽입하여 일정 시간동안 배터리를 충전한다.
하지만, 이와 같은 충전 방식은 웨어러블 기기의 접속 단자가 외부에 노출되어 있어 각종 이물질에 쉽게 오염될 수 있으며, 이는 기기의 수명에도 심각한 영향을 끼치게 된다. 또한 충전 단자의 경우 단자가 작은 충격에도 쉽게 부러지거나 휘어져 단자의 접촉 불량으로 충전을 하지 못하는 경우가 발생하기도 한다.
이와 같은 문제점을 극복하기 위해 무선 충전 방식이 다수 제안되어 있다.
예를 들어, 한국 공개특허공보 제10-2016-0055004호(공개일자: 2016.05.17.)는 무선충전기용 송신장치로, 복수 개의 평판형 코일이 일부가 서로 중첩되도록 연결되더라도 높이차에 의한 영향을 없앨 수 있는 무선충전기용 송신장치에 관한 것이다.
또 다른 예로, 한국 공개실용신안공보 제20-2013-0004994호(공개일자: 2013.08.21.)는 무선 충전기용 코일로, 비접촉식으로 소형 전자기기의 배터리에 전원을 공급하여 충전할 수 있는 무선 충전기의 전원저장부에 사용되는 코일 구조에 관한 것이다.
이외에도 무선충전을 위한 다양한 형태의 장치나 방법이 다수 제안되어 있다.
한국 공개특허공보 제10-2016-0055004호(공개일자: 2016.05.17.) 한국 공개실용신안공보 제20-2013-0004994호(공개일자: 2013.08.21.)
본 발명은 3차원 코일 구조에 의하여 높은 충전 효율을 갖는 무선 충전 장치를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 구조 코일로 이루어진 무선 충전 장치는 판상형의 제1코일판과 상기 제1코일판의 양측에 이격된 상태로 상기 제1코일판과 소정 각도를 형성하며, 입체적으로 배치되는 제2코일판과 제3코일판을 구비하는 송신기 상기 송신기 내부 공간에 배치되는 판상형의 수신기를 포함하고, 상기 송신기에 구비된 상기 제1 내지 3코일판 가운데 적어도 하나의 코일판에 전류가 흐르면, 상기 수신기에 무선으로 전력이 전달되도록 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 수신기는 ‘ㄷ’자 형으로 배치된 송신기의 내부에 설치된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 수신기는 제1코일판의 높이방향에 대한 경사각도 및 제1코일판의 평면방향에 대한 회전각도의 조절이 가능하다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 수신기는 상기 제1코일판의 높이방향으로부터 0도 내지 60도로 경사를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 수신기는 제1코일판의 평면방향으로부터 0도 또는 180도로 회전되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 제1 내지 3코일판에는 코일이 복수 회 감겨져 있으며, 상기 제1코일판, 상기 제2코일판, 상기 제3코일판은 사각형상으로 형성되고, 상기 수신기는 코일이 감겨진 사각형상으로 형성된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 제1코일판과 상기 수신기는 상기 제2코일판 및 상기 제3코일판의 크기보다 작은 형상으로 형성된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 적어도 3개의 판상형으로 이루어진 코일판이 'ㄷ'자 형상으로 배치되는 송신기 및 상기 송신기 내부 공간에 배치되는 판상형의 수신기를 포함하고, 상기 송신기에 구비된 코일판 가운데 적어도 하나의 코일판에 전류가 흐르면, 상기 수신기에 무선으로 전력이 전달되도록 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 수신기는 서로 대면하는 한 쌍의 코일판을 이어주는 코일판의 높이 방향으로부터 0도 내지 60도로 경사를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 수신기는 서로 대면하는 한 쌍의 코일판을 이어주는 코일판의 평면 방향에 수직인 축을 회전축으로 0도 또는 180도로 회전된 상태로 배치되도록 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 수신기는 서로 대면하는 한 쌍의 코일판을 이어주는 코일판과 수신기의 크기는 서로 대면하는 한 쌍의 코일판보다 작은 크기로 형성된다.
본 발명에 따른 3차원 구조 코일로 이루어진 무선 충전 장치는 2차원 구조의 코일보다 충전 효율이 상승하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 3차원 구조 코일로 이루어진 무선 충전 장치는 수신기가 다양한 각도에 위치하더라도 충전 효율이 우수한 효과가 있다.
본 발명에 따른 3차원 구조 코일로 이루어진 무선 충전 장치는 컵 홀더와 같은 다양한 주변 기기에 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 구조 코일로 이루어진 무선 충전 장치의 개념도,
도 2는 본 발명의 수신기에 대한 경사각에 따른 충전 효율 그래프,
도 3은 본 발명의 송신기와 수신기의 회전과 경사각도에 따른 충전 효율 그래프,
도 4는 본 발명의 각 코일판의 경사각도에 대한 평균 충전효율 비교 그래프,
도 5는 본 발명은 제1코일판의 회전각에 따른 무선 충전 효율 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 3차원 구조 코일로 이루어진 무선 충전 장치의 실시예를 도시한 도면.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 구조 코일로 이루어진 무선 충전 장치에 대한 개념도이다.
자기 유도 방식을 이용한 무선 충전 시스템에 있어서, 기존의 2차원의 평면 구조로 이루어진 코일보다 무선 충전 효율이 더 높이기 위해 복수개의 코일을 사용하여 3차원 구조의 코일로 구성되었다.
3차원 구조 코일로 이루어진 무선 충전 장치(100)(이하 “무선 충전 장치”라 함)는 송신기(200)와 수신기(300)로 이루어져 있다.
송신기(200)는 TX 코일로 이루어진 송신 안테나(transmitting antenna)로, 세 개의 판상형으로 이루어진 코일판(210)(220)(230)이 구비되어 있으며, 수신기(300)는 RX 코일 안테나로 이루어진 수신 안테나(receiving antenna)이다.
세 개의 코일판(210)(220)(230)으로 이루어진 송신기(200)는 제1코일판(210)과 제1코일판(210)의 양 측단과 이격된 상태로 소정의 각도를 형성하며 입체적으로 배치되는 제2코일판(220) 및 제3코일판(230)을 포함한다.
제1 내지 제3 코일판(210)(220)(230)은 직사각형 형상으로 형성될 수 있고, 제2코일판(220)과 제3코일판(230)은 서로 마주보도록 설치될 수 있다. 이때 송신기(200)는 전체적으로 ‘ㄷ’형상을 하게 되며, 코일판(210)(220)(230)은 반드시 서로 접하도록 위치하고 있을 필요는 없으나, 각각의 자리를 유지해야 할 것이다.
구체적으로 송신기(200)는 도 1의 정면에서 바라보았을 때 상부가 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성될 수 있다.
수신기(300)는 송신기(200)의 코일판(210)(220)(230)이 형성하는 공간 내부에 위치하고 있으며, 제1코일판(210)의 높이방향, 즉 도 1에서 XY평면에 대하여 Z축 방향으로의 경사각(θ) 및 제1코일판(210)의 평면방향, 즉 도 1에서 XY평면에 대한 Z축을 회전축으로 회전각(φ) 조절이 이루어질 수 있다.
한편, 제1 내지 제3코일판(210)(220)(230) 중 적어도 어느 하나의 코일판(210)(220)(230)에 전류가 흐르게 되면, 각각의 코일판(210)(220)(230) 중심부에서 양 끝단을 향해 자기장이 형성되며, 자기 유도 방식으로 전력이 수신기(300)에 전달되어 충전이 이루어지게 된다.
제1코일판(210)의 크기로는 가로 80-90mm, 세로 30-40mm로 이루어져 있으며, 제2코일판(220)과 제3코일판(230)은 각각 가로, 세로 80-90mm의 크기로 이루어져 있다. 수신기(300)의 크기는 가로 60-90mm, 세로 60-90mm로 이루어져 있고, 정격 출력은 5V/6A이다.
제2코일판(220)과 제3코일판(230)은 동일한 크기로, 크기가 가장 큰 코일판으로 구성되어 있으며, 제1코일판(210)과 수신기(300)는 제2, 제3코일판(220)(230)의 크기보다 작은 형상을 할 수 있다.
따라서 입체적 구조로 구성된 송신기(200)에는 코일판(210) (220)(230)의 중심에서 양 끝단을 향해 발생하게 되는 자기장이 중첩되는 구간이 발생하게 되어 수신기(300)의 충전 효율이 2차원 구조보다 상승하게 된다.
또한 코일판(210)(220)(230)이 수신기(300)보다 크기가 크기 때문에 수신기(300)를 송신기(200)의 내부 공간에 쉽게 넣었다 꺼낼 수 있을 것이며, 어느 각도에서 충전이 가능하다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 무선 충전 장치의 수신기 경사각에 따른 충전 효율을 그래프로 보여주고 있다.
송신기(200)에 위치한 수신기(300)의 충전 효율을 측정하기 위해서 제1 내지 제3코일판(210)(220)(230)에 Power supply로 입력전압 12V/1A까지 인가하고, 수신기(300)에 5V/0.6A(출력 3W)를 출력하도록 Loader기에 연결한다. 그리고 입력에 대한 출력비로 측정 위치에 따른 효율을 측정한다.
송신기(200)의 제1코일판(210)을 XY평면이라 하고, 제1코일판(210)의 수직으로 높이 방향을 Z축이라 할 때, 수신기(300)가 Z축 방향으로 각도의 변화를 경사각(θ)이라 하고, XY평면상에서 회전하는 각도를 회전각(φ)이라 한다.
이때 수신기(300)를 회전각(φ) 0도, 경사각(θ)을 0도, 15도 30도, 45도, 60도, 75도, 90도로 각각 변화를 주어 측정한 충전 효율은 하기의 표 1과 같이 구성된다.
경사각 제1코일판 제2코일판 제3코일판
0 65.27 65.79 65.27
15 64.6 64.6 60.83
30 61.27 61.27 54.35
15 59.38 59.38 49.5
60 56.56 56.56 38.7
75 40.26 40.26 10.04
90 39.37 39.37 0
측정된 효율을 비교해보면, 제1코일판(210)과 제2코일판(220)의 충전 효율이 거의 일치하고 있으며, 제1코일판(210)과 제2코일판(220)의 충전 효율이 제3코일판(230)의 충전 효율보다 더 높게 나타난다.
즉, 제1코일판(210)과 제2코일판(220)의 충전 효율은 거의 일치하고, 경사각(θ)을 크게 할수록 충전 효율은 낮아지게 된다. 또한 경사각(θ)이 더 커질수록 제1코일판(210)과 제2코일판(220)의 충전 효율이 제3코일판(230)의 충전 효율보다 더 큰 차이가 발생하게 된다.
도 3과 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 송신기와 수신기의 기울임과 회전에 따른 충전 효율 그래프와 각 코일판의 경사각도에 대한 평균 충전효율을 비교 하여 나타낸 것이다.
상기 충전효율 측정 방법과 동일한 조건에서 제1코일판(210)의 평면으로부터 수직 방향을 Z축이라 할 때, Z축을 회전축으로 수신기(300)의 회전각()만 180도로 회전시켜 충전 효율을 측정한 결과가 하기의 표 2와 같이 구성된다.
경사각 제1코일판 제2코일판 제3코일판
0 65.79 65.27 65.27
15 65.45 64.6 60.83
30 60.39 61.27 54.35
15 59.1 59.38 49.5
60 56.31 56.56 38.7
75 39.62 40.26 10.04
90 37.09 39.37 0
제1코일판(210)과 제3코일판(230)의 충전 효율이 거의 일치하며, 경사각 (θ)이 커질수록 충전 효율은 낮아지게 된다. 또한 경사각(θ)이 커질수록 제1코일판(210)과 제3코일판(230)의 충전 효율이 제2코일판(220)의 충전 효율보다 점점 더 큰 차이가 벌어진다.
즉, 수신기(300)의 회전각(φ)에 따라 제1코일판(210)과 제2코일판(220)의 충전효율이 거의 일치하게 나타난 상기 실험과 제1코일판(210)과 제3코일판(230)의 충전효율이 거의 일치하는 대칭적인 구조를 보여준다.
한편, 0도에서 90도로 수신기(300)의 경사각(θ)이 증가할수록 평균 충전 효율은 제1코일판(210)에 비해 제2코일판(220)과 제3코일판(230)에서 충전 효율이 약간 더 높으나 역전이 되기도 하며, 그 절대값은 점차 작아지는 것을 확인할 수 있다.
따라서 제1코일판으로부터 수신기가 경사각 0도 내지 60도로 위치할 때 충전 효율이 좋은 것으로 나타나며, 60도 보다 경사가 커지면 충전 효율이 급격하게 낮아지는 것을 알 수 있다.
도 5를 참고하면, 제1코일판의 회전각에 따른 무선 충전 효율을 그래프로 보여주고 있다.
제1코일판(210)이 2차원 구조의 경사각(θ) 0도(이하 “2차원 0도”라 함) 일 때, 2차원 구조의 경사각(θ) 45도(이하 “2차원 45도”라 함) 일 때 및 3차원 구조의 경사각(θ) 45도(이하 “3차원 45도”라 함) 일 경우, 회전각(φ)에 따른 무선 충전 효율의 변화를 비교하여 표3에서 보여주고 있다.
각도 2차원
0도		 2차원
45도		 3차원
45도		 각도 2차원
0도		 2차원
45도		 3차원
45도
0 44.48 59.38 36.12 210 45.87 56.82 36.12
30 44.33 57.87 36.12 240 44.56 51.98 36.12
60 44.64 52.19 36.12 270 44.48 44.64 36.12
90 44.48 44.72 36.12 300 44.25 51.65 36.12
120 44.25 51.98 36.12 330 44.56 56.18 36.12
150 44.56 57.08 36.12 360 44.01 59.52 36.12
180 43.94 59.67 36.12
표 3을 참고하면, 2차원 0도 일 때 무선 충전 효율이 가장 낮게 나타났으며, 2차원 45도 일 때가 그 다음으로 높게 나타났고, 3차원 45도 일 경우 무선 충전 효율이 가장 높게 나타났다.
즉, 2차원 0도 일 때 무선 충전 효율이 36.12%로 나타나며, 2차원 0도 일 때 약 44% 정도로 나타난다. 그리고 3차원 45도 일 경우, 무선 충전 효율이 가장 높게 나타나며, 0도와 180도를 주기하는 피크를 보여준다.
도 6은 본 발명에 따른 3차원 구조 코일로 이루어진 무선 충전 장치의 실시예 중 컵 홀더에 설치된 모습이다.
웨어러블 기기(500)를 장시간 사용하거나, 사용하지 않고 주머니나 가방에 넣고 휴대하고 다니다 보면 배터리를 거의 다 소모하거나 방전이 되며, 배터리가 얼마 남지 않은 웨어러블 기기(500)는 일정 시간 동안 반드시 충전을 해주어야 다시 사용할 수 있다.
따라서 차량의 컵 홀더(400)에 무선 충전장치(100)를 더 구비하여 운전자 또는 동승자가 사용하지 있지 않는 웨어러블 기기(500)를 위치시켜 차량을 타고 이동하는 동안 배터리 충전을 가능하게 한다.
컵 홀더(400)의 바닥면에 제1코일판(210)을 설치하고, 컵 홀더(400)의 측면에 제2코일판(220)과 제3코일판(230)이 서로 마주보도록 배치하여 각각의 코일판(210)(220)(230)에서 발생하는 자기장을 통해 무선 충전이 이루어지는 송신기(200)가 마련된다. 즉, 제1코일판(210)은 컵 홀더(400)의 아래면이 되고, 컵 홀더(400)의 측면에 제2코일판(220)과 제3코일판(230)이 서로 대면하고 위치하고 있어 ‘ㄷ’자 형상을 가능하게 한다.
따라서 웨어러블 기기(500)를 충전하기 위해 충전을 위한 케이블을 항상 구비해 놓을 필요가 없으며, 사용하지 않을 때 컵 홀더(400)에 웨어러블 기기(500)를 위치시켜 놓으면, 차량이 이동하는 동안 자동으로 무선 충전이 이루어지게 된다.
또한 웨어러블 기기(500)의 단자에 삽입 가능한 별도의 전용 케이블을 각각 구비해 놓지 않아도 무선 충전이 가능한 기기라면 언제든지 충전할 수 있으며, 충전을 위한 케이블이 어지럽게 놓이지 않아 차량을 쾌적하게 유지할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
100 : 무선충전 장치 200 : 송신기
210 : 제1코일판 220 : 제2코일판
230 : 제3코일판 300 : 수신기
400 : 컵 홀더 500 : 웨어러블 기기

Claims (11)

  1. 판상형의 제1코일판과 상기 제1코일판의 양측에 이격된 상태로 상기 제1코일판과 소정 각도를 형성하며, 입체적으로 배치되는 제2코일판과 제3코일판을 구비하는 송신기; 및
    상기 송신기 내부 공간에 배치되는 판상형의 수신기를; 포함하고,
    상기 송신기에 구비된 상기 제1 내지 3코일판 가운데 적어도 하나의 코일판에 전류가 흐르면, 상기 수신기에 무선으로 전력이 전달되는 3차원 구조로 이루어진 무선 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신기는 ‘ㄷ’자 형으로 배치된 송신기의 내부에 설치되는 3차원 구조로 이루어진 무선 충전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수신기는 제1코일판의 높이방향에 대한 경사각도 및 제1코일판의 평면방향에 대한 회전각도의 조절이 가능한 3차원 구조로 이루어진 무선 충전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 제1코일판의 높이 방향으로부터 0도 내지 60도로 경사를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 구조로 이루어진 무선 충전 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 수신기는 제1코일판의 평면방향에 수직인 축을 회전축으로 0도 또는 180도로 회전된 상태로 배치되는 3차원 구조로 이루어진 무선 충전 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 3코일판에는 코일이 복수 회 감겨져 있으며, 상기 제1코일판, 상기 제2코일판, 상기 제3코일판은 사각형상으로 형성되고,
    상기 수신기는 코일이 감겨진 사각형상으로 형성되는 3차원 구조로 이루어진 무선 충전 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1코일판과 상기 수신기는 상기 제2코일판 및 상기 제3코일판의 크기보다 작은 형상으로 형성되는 3차원 구조로 이루어진 무선 충전 장치.
  8. 적어도 3개의 판상형으로 이루어진 코일판이 'ㄷ'자 형상으로 배치되는 송신기; 및
    상기 송신기 내부 공간에 배치되는 판상형의 수신기를; 포함하고,
    상기 송신기에 구비된 코일판 가운데 적어도 하나의 코일판에 전류가 흐르면, 상기 수신기에 무선으로 전력이 전달되는 3차원 구조로 이루어진 무선 충전 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수신기는 서로 대면하는 한 쌍의 코일판을 이어주는 코일판의 높이 방향으로부터 0도 내지 60도로 경사를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 구조로 이루어진 무선 충전 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 수신기는 서로 대면하는 한 쌍의 코일판을 이어주는 코일판의 평면 방향에 수직인 축을 회전축으로 0도 또는 180도로 회전된 상태로 배치되는 3차원 구조로 이루어진 무선 충전 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 수신기는 서로 대면하는 한 쌍의 코일판을 이어주는 코일판과 수신기의 크기는 서로 대면하는 한 쌍의 코일판보다 작은 크기로 형성되는 3차원 구조로 이루어진 무선 충전 장치.
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