KR20190005331A - 메탈 바디가 구비된 무선 전력 수신 장치 - Google Patents

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KR20190005331A
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박영진
김지은
이상화
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명은 무선 전력 수신 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈 바디(Metal Body)가 구비된 무선 전력 수신 장치는, 상기 메탈 바디의 일측에 형성되는 홀; 상기 메탈 바디의 상부 또는 하부를 구분하는 제2 개구부와 상기 홀에 각각 연접되는 제1 개구부; 및 상기 홀을 통해 인입되는 전자기장과 상기 메탈 바디에 흡수되는 전자기장에 의해 발생된 유도 전류에 의한 전자기장을 수신하는 수신 코일을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 메탈 바디가 구비된 무선 전력 수신 장치에서의 발열을 최소화하고 무선 전력 전송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

Description

메탈 바디가 구비된 무선 전력 수신 장치{APPARATUS FOR RECEIVING WIRELESS POWER WITH METAL BODY}
본 발명은 자기 결합 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 상세하게, 메탈 바디가 구비된 무선 전력 수신 디바이스의 무선 전력 수신 효율을 극대화시키고 발열 현상을 최소화시키기 위한 수신 안테나의 구조 및 해당 수신 안테나가 탑재된 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.
최근 정보 통신 기술이 급속도로 발전함에 따라, 정보 통신 기술을 기반으로 하는 유비쿼터스 사회가 이루어지고 있다.
언제 어디서나 정보통신 기기들이 접속되기 위해서는 사회 모든 시설에 통신 기능을 가진 컴퓨터 칩을 내장시킨 센서들이 설치되어야 한다. 따라서 이들 기기나 센서의 전원 공급 문제는 새로운 과제가 되고 있다. 또한 휴대폰뿐만 아니라 블루투스 핸드셋과 아이팟 같은 뮤직 플레이어 등의 휴대기기 종류가 급격히 늘어나면서 배터리를 충전하는 작업이 사용자에게 시간과 수고를 요구하고 됐다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 무선 전력 전송 기술이 최근 들어 관심을 받고 있다.
자기 결합 무선 전력 전송 기술(Magnetic coupled wireless power transfer)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술이다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리가 적용되어 자기 결합 무선 전력 전송 기술을 통해 충전된다.
자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 1차 코일에 시변 교류 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 시변 자속(Magnetic Flux)이 2차 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 자기 공진 방식은 자기 유도와 같이 비방사 (Non-radiative) 시변 자기장의 자기결합을 이용하지만, 송수신 코일의 구조적 공진 또는 회로적 공진을 이용한다. 이러한 자기 공진 방식은 송수신 부에서 공진을 이용하기 때문에 공진 주파수가 다른 코일 또는 인체에는 극히 영향이 적으며, 자기 결합보다 전송 거리를 증가할 수 있다.
무선 전력 전송 기술은 모바일 뿐만 아니라 IT, 철도, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.
보다 구체적인 예를 들어, 최근 스마트폰의 두께를 줄이고 방열 구조를 개선하기 위해 스마트폰의 바디 및 프레임을 기존 플라스틱 계열 소재에서 메탈 계열 소재로 바뀌고 있는 실정이다.
하지만, 종래의 메탈 바디가 구비된 무선 전력 수신 디바이스의 경우, 무선 전력 송신 장치에 의해 송출되는 자기장 또는 NFC(Near Field Communication) 송신 장치에서 송출되는 자기장이 메탈 바디에서 송출되는 자기장에 의해 만들어지는 와류 전류(eddy current)에 의하여 최종 수신 디바이스에 수신되는 자기장이 감소되어 무선 전력 전송 효율이 저하될 뿐만 아니라, 메탈 바디가 발열되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 무선 전력 전송 효율을 극대화시키고 발열을 최소화시키는 것이 가능한 무선 전력 수신 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 메탈 바디의 영향으로 전력 전송 효율이 저하되는 것을 방지하는 것이 가능한 무선 전력 수신 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 무선 전력 수신 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메탈 바디(Metal Body)가 구비된 무선 전력 수신 장치는, 상기 메탈 바디의 일측에 형성되는 홀; 상기 메탈 바디의 상부 또는 하부를 구분하는 제2 개구부; 상기 제2 개구부와 상기 홀에 각각 연접되는 제1 개구부; 및 상기 홀을 통해 인입되는 자기장과 상기 메탈 바디에 인가되는(또는 입사되는) 자기장에 의해 발생된 와류 전류에 의한 자기장을 수신하는 수신 코일을 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 수신 코일은, 상기 홀의 외경을 따라 원형으로 감긴 형태를 가질 수 있다.
실시예에 따라, 상기 수신 코일의 외경은 상기 홀의 외경보다 클 수 있다.
실시예에 따라, 상기 수신 코일의 내경은 상기 홀의 외경보다 작을 수 있다.
실시예에 따라, 상기 수신 코일의 내경은 상기 홀의 외경보다 클 수 있다.
실시예에 따라, 상기 수신 코일은, 제1 영역 내부에 배치되고, 상기 제1 영역은 상단 제2 개구부 및 하단 제2 개구부 각각으로부터 일정 높이만큼 이격된 제1 라인 및 제2 라인과, 상기 메탈 바디의 좌측 모서리 및 상기 메탈 바디의 우측 모서리 각각으로부터 일정 폭만큼 이격된 제3 라인 및 제4 라인에 의해 구획될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 일정 높이는 상기 상단 제2 개구부와 상기 홀의 상부 외경 사이의 거리 또는 상기 하단 제2 개구부와 상기 홀의 하부 외경 사이의 거리를 제1 비율로 축소한 높이이고, 상기 일정 폭은 상기 메탈 바디의 좌측 모서리와 상기 홀의 좌측 외경 사이의 거리 또는 상기 메탈 바디의 우측 모서리와 상기 홀의 우측 외경 사이의 거리를 제2 비율로 축소한 폭일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 비율 및 상기 제2 비율은 50%일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 개구부 및 상기 제2 개구부는 비전도성 소재로 형성될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 수신 코일의 일면에 접착 시트를 통해 부착되어 상기 홀을 통해 일면이 외부 노출되는 플라스틱 필름을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 메탈 바디에 형성된 홀의 직경에 따라 상기 수신 코일의 직경이 결정될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 무선 전력 수신 장치로 무선 전력을 송출하는 무선 전력 송신 장치에 장착된 송신 코일의 직경에 따라 상기 메탈 바디에 형성되는 상기 홀의 직경이 결정될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 개구부는, 상기 유도 전류가 상기 홀과 상기 제3 개구부 사이의 외곽을 흐르도록 할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 무선 전력 수신 장치는, 개구부를 갖는 메탈 바디를 이용하여, 수신 코일 사이즈가 송신 코일보다 작을 경우, 메탈 바디 없이 송수신 코일만을 사용한 경우보다 더 큰 전송 효율을 갖도록 할 수 있다.
나아가, 본 발명은 무선 전력 수신 장치에서, 수신 코일은 메탈 바디 속에 장착하여, 열 전도를 최대화 할 수 있고, 수신 코일 부의 실장 부피를 최소화 할 수 있으며, 전송 효율 또한 개선할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 무선 전력 전송 효율을 극대화시키고 발열을 최소화시키는 것이 가능한 무선 전력 전송 수신 디바이스를 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 메탈 바디의 영향으로 전력 전송 효율이 저하되는 것을 미연에 방지하는 것이 가능한 무선 전력 수신 디바이스를 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 무선 전력 전송 장치의 송신 코일 또는 NFC(Near Field Communication) 안테나를 통해 송출되는 자기장이 메탈 바디에 흡수되어 메탈 바디가 발열되는 현상을 차단하는 것이 가능한 무선 전력 수신 디바이스를 제공하는 장점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 무선 전력 수신 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 디바이스에서의 무선 전력 수신 안테나의 장착 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 디바이스의 구조 및 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 디바이스의 구조 및 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 무선 전력 수신 디바이스에 포함되는 수신 코일의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 무선 전력 수신 디바이스에 포함되는 수신 코일의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 무선 전력 수신 디바이스에 포함되는 수신 코일의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 4에 도시된 무선 전력 수신 디바이스에 포함되는 수신 코일의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 무선 전력 송신기의 송신 코일의 크기에 따른 상호 인덕턴스의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 다양한 무선 충전 케이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 무선 충전 케이스 별로 시뮬레이션 결과를 나타낸 표이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 전송 시스템을 구성하는 무선 전력 송신 장치에 대해 설명의 편의를 위해 송신기, 송신단, 송신 장치, 송신측, 파워 전송 장치 등을 혼용하여 사용하기로 한다. 또한, 무선 전력 수신 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 수신기, 단말기, 수신측, 수신 장치, 파워 수신 장치 등이 혼용되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 송신기는 패드 형태 또는 거치대 형태로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 송신 수단을 구비하여 복수의 수신기에 무선으로 전력을 전달할 수도 있다.
본 발명에 따른 수신기는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 기타 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다.
이하의 설명에서는 무선 전력 수신 장치에 구비되며, 무선 전력 송신 장치에 의해 송출되는 교류 신호를 수신하는 수신 코일을 수신 코일 안테나 또는 수신 안테나와 혼용하여 사용하기로 한다.
또한, 무선 전력 송신 장치에 구비되며, 무선 전력 수신 장치의 무선 충전을 위한 교류 신호가 송출되는 송신 코일을 송신 코일 안테나 또는 송신 안테나와 혼용하여 사용하기로 한다.
먼저, 도 1에서는 종래 기술에 따른 통상의 무선 전력 전송 시스템에서의 무선 전력 수신 장치의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(10)의 등가회로는 무선으로 전력을 송수신하는 송신 디바이스(20) 와 수신 디바이스(30)로 구성되며, 상기 송신 디바이스(20)와 수신 디바이스(30)는 상호인덕턴스(M)에 따른 자기 유도 또는 자기장 결합으로 무선 전력을 전송할 수 있다.
상기 송신 디바이스(20)에는 구형파 신호 등을 입력받아 드라이빙 증폭기, 스위칭 전력증폭기 및 시스템 주파수의 신호만을 송신 코일부에 전달하기 위한 필터 등이 포함될 수 있다. 또한, 송신 디바이스(20)에서 송신 코일(Tx Coil)은 자기 인덕턴스(LTx), 저항(RTx)을 포함하여 등가 모델을 구성할 수 있다.
상기 수신 디바이스(30)에서 수신 코일(Rx Coil)은 자기 인덕턴스(LRx), 저항(RRx)를 포함한 등가 모델로 구성될 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(10)은 송신 코일이 수신 코일로 전자기 유도 또는 자기장 결합 방식을 통해 최대 전력을 전송할 수 있도록, 송신 디바이스(20) 및 수신 디바이스(30)에 임피던스 매칭을 위한 임피던스 매칭 유닛이 포함될 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 수신 디바이스(30)에는 임피던스 매칭 유닛(Impedance matching unit)이 포함될 수 있다. 이때, 상기 수신 디바이스(30)에 구비되는 임피던스 매칭 유닛은 최대 전력 전달을 위하여 임피던스 ZL 에 대한 임피던스 매칭 효과를 얻기 위하여 수신 코일(Rx Coil)로부터 송신 쪽으로 바라보는 임피던스(Zrx)와 공액 정합(conjugate matching) 조건이 성립되도록 한다. 이때, 상기 임피던스 ZL은 정류회로, DC-DC변환기, 배터리, 저항 또는 전기기기 등과 같은 부하를 포함한 등가 임피던스일 수 있다. 또한, 도 2에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 디바이스(200)에서의 무선 전력 수신 코일(202)의 장착 구조를 설명하기 위한 도면을 예시하고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 디바이스(200)에는 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 수신 코일(202)이 메탈 바디(204) 내부에 배치될 수 있다. 즉, 수신 코일(202)이 메탈 바디(204) 하면으로부터 이격되어 배치되는 것이 아니라 메탈 바디(204)의 홀(205)에 위치하거나 또는 상기 메탈 바디(204)에 내장되어 배치될 수 있다. 나아가, 상기 수신 코일(202)는 상기 메탈 바디(204)에 접촉하거나 가까운 위치에 배치될 수 있으며, 이에 따라 수신 코일(202)에서 발생하는 열을 효과적으로 배출할 수 있다. 따라서, 수신 코일(202)의 배치 구조를 최적화할 수 있고 발열 문제를 해결할 수 있다. 또한, 수신 코일(202)이 메탈 바디(204)에 밀착된 형태로 장착이 가능하므로, 송수신 사이의 거리를 단축할 수 있어 상호 인덕턴스를 증가시킬 수 있으므로 전력 전송 효율도 높아질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 디바이스(200)에서 상기 수신 코일(202)을 외부로부터 차폐하는 구조물이 포함될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 상기 구조물로서 플라스틱 로고(203)가 사용될 수 있고, 이때 상기 플라스틱 로고(203)는 플라스틱 필름 형태로 구성될 수도 있으며, 수신 코일(202)은 리드 프레임 패턴 코일(Lead Frame Pattern Coil)로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수신 코일(202)은, 리츠 와이어 코일, 금속선 코일, 동판 에칭 코일, PCB(Printed Circuit Board) 패턴 코일, FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 등이 사용될 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 수신 디바이스(200)는 해당 디바이스 본체의 후면 일측에 형성된 홀을 통해 외부 노출되는 로고를 표시하기 위한 플라스틱 필름(Plastic Film), 플라스틱 필름 일면에 장착되는 리드 프레임 패턴 코일(Lead Frame Pattern Coil), 리드 프레임 패턴 코일 일면에 장착되는 마그네틱 쉬트(Magnetic Sheet)가 적층되어 구성될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 송신 디바이스(400)의 송신 코일(402)은 전원 소스(source)와 송신 코일(402)을 포함하여 구성될 수 있다.
송신 코일(402)을 통해 송출되는 AC 전력-즉, 자기장-은 무선 전력 수신 디바이스(200)의 메탈 바디(204) 일측에 장착된 플라스틱 로고를 통해 수신 코일(202)에 전달될 수 있다. 하지만, 메탈 바디(204)의 표면 영역에는 자성체의 자속 변화에 따라 메탈 바디(204)에 와류 전류(eddy current)가 발생될 수 있다. 생성된 와류 전류는 송신 코일(402)에서 생성된 자기장을 상쇄시켜 송신 코일(402) 및 수신 코일(202) 간의 결합 효율을 떨어뜨리며, 송신 코일(402)의 손실 저항과 자기 인덕턴스를 변화시켜 공진 주파수가 틀어져 송신디바이스(400)에서 공진을 위한 튜닝 과정이 필요할 수 있다. 또한, 와류 전류에 의한 전력 손실은 열로 변환되어 무선 전력 수신 디바이스(200)의 메탈 바디(204)의 로고 홀(205) 주변 영역의 온도를 상승시킬 수 있다. 무선 전력 수신 디바이스(200)의 온도 상승은 과열 감지에 의한 충전 중단을 야기시킬 수 있다. 또한, 무선 전력 수신 디바이스(200)의 온도 상승은 인접하고 있는 무선 전력 송신 디바이스(400)의 온도 상승을 야기할 수도 있다.
송신 코일(402)의 크기가 메탈 바디(204)의 크기보다 작거나 메탈 바디(204)의 홀(205)의 중심과 송신 코일(402)의 중심이 일치하였을 때, 송신 코일(402)의 크기는 송신 코일(402)의 최외각 와이어와 메탈 바디(204)의 테두리가 겹쳐지지 않도록 결정될 수 있다. 이는 송신 코일(402)에 의해 메탈 바디(204)의 최 외각 부분에서 역방향 전류가 유도되는데, 이 전류가 송신 코일(402)에서 생성되는 자기장을 상쇄시키는 역할을 하기 때문에 홀(205) 주변으로 흐르는 전류가 감소되기 때문이다. 그러나, 메탈 바디(204)가 개구의 크기 보다 150% 이상이 될 경우, 송신 코일(402)의 크기는 메탈 바디보다 클 수 있다.
홀(205)의 크기는 송신 코일(402)에서 생성된 자기장 전체의 10~50% 가 직접 수신 코일(202)로 전달될 수 있도록 하는 크기가 적절하다. 메탈 바디(204)의 크기는 송신 코일(402)에서 생성된 자기장 전체의 75% 이상이 인가될 수 있도록 하는 크기가 적절하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 디바이스(500)의 구조 및 특성을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 무선 전력 수신 디바이스(500)는 메탈 바디를 가지는 스마트폰일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 수신 디바이스(500)의 후면은 크게 상단 바디(510), 중단 바디(520) 및 하단 바디(530) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상단 바디(510), 중단 바디(520) 및 하단 바디(530) 중 적어도 하나는 메탈 바디로 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 중단 바디(520)와 상단 바디(510) 또는 하단 바디(530) 사이에는 이동 통신 안테나, 카메라 모듈, 스피커 등의 설계를 위한 슬릿(Slit, 515 및 525)이 구성되어 서로 분리될 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해, 중단 바디(520)와 상단 바디(510) 사이, 중단 바디(520)와 하단 바디(530) 사이에 형성되는 슬릿을 통칭하여 제2 개구부(515 및 525)라 명하기로 한다. 단, 중단 바디(520)와 상단 바디(510) 사이에 형성되는 슬릿과 중단 바디(520)와 하단 바디(530) 사이에 형성되는 슬릿을 구분하여 설명해야 하는 경우, 중단 바디(520)와 상단 바디(510) 사이에 형성되는 슬릿은 상단 제2 개구부(515), 중단 바디(520)와 하단 바디(530) 사이에 형성되는 슬릿은 하단 제2 개구부(525)라 명하기로 한다.
중단 바디(520)의 일측에는 홀(540)이 형성될 수 있으며, 홀(540)의 주변(메탈 바디의 하부)에는 수신 코일이 배치될 수 있다. 물론, 홀(540)의 내부에는 특정 로고가 인쇄된 플라스틱 필름이 부착되거나 비전도성 소재로 만들어진 부품이 홀(540)의 형태로 제작되어 홀(540) 내에 장착될 수 있다. 홀(540)은 중단 바디(520)의 정중앙에 위치한다고 가정한다. 홀(540)이 중단 바디(520)의 정중앙에 위치하였을 때, 송신 코일에 의한 충전 가능 영역 상에 홀(540)이 위치하기 용이해 진다. 따라서, 송신 코일에 의한 자기장을 직접 수신하는 홀(540)을 중단 바디(520)의 정중앙에 위치시키는 것이 충전 효율을 높일 수 있다.
무선 전력 수신 디바이스(500)가 충전 영역에 위치되어 무선 충전이 개시되면, 홀(540) 주변의 메탈 바디 영역에 자기장이 인가되어 와류 전류-즉, 맴돌이 전류-가 유도될 수 있다. 제1 개구부(545)가 없이 홀(540) 주변만을 원형으로 흐르는 형태로 와류 전류가 발생되는 경우, 홀 주위에 흐르는 와류 전류는 송신 코일의 전류 방향과 반대 방향으로 흘러 홀로 입사되는 송신부 자기장의 세기를 크게 줄이기 때문에 무선 충전 효율이 저하될 뿐만 아니라 홀(540) 주변의 온도가 상승할 수 있다. 이는, 무선 전력 수신 디바이스뿐만 아니라 무선 전력 송신 장치에도 장애를 발생시켜 고장을 유발하거나 무선 충전이 비정상적으로 종료될 수 있다.
무선 전력 수신 디바이스(500)는 제1 개구부(545)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 제1 개구부(545)를 통해 무선 전력 수신 디바이스(500)는 홀(540) 주변만을 원형으로 흐르는 와류 전류가 발생되는 것을 차단할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 개구부(545)는 상단 제2 개구부(515)에 연접되고, 홀(540)의 외경과 연접되도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에 따라 제1 개구부(545)는 하단 제2 개구부(525), 중단 바디(520)의 좌측 모서리, 또는 중단 바디(520)의 우측 모서리에 연접되고, 홀(540)의 외경과 연접되도록 구성될 수 있다.
또한, 제1 개구부(545)는 비전도성 소재로 구성될 수 있다. 일 예로, 비전도성 소재는 플라스틱 소재를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 개구부(545)의 폭이 홀(540)의 직경보다 작게 형성될 수 있다. 일 예로, 홀(540)의 직경이 13mm인 경우, 제1 개구부(545)의 폭은 5mm 이내로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
제1 개구부(545)가 상단 제2 개구부(515) 및 홀(540)에 연접하여 형성됨으로써, 무선 전력 송신기가 송신하는 자기장 중 중단 바디(520)로 인가되는 자기장에 유도되는 유도 전류(550)가 도 3에 도시된 바와 같이 홀(540), 제1 개구부(545), 제2 개구부(515,525) 및 중단 바디(520)의 좌우 모서리를 따라 흐르게 된다. 유도 전류(550)의 방향은 일 실시예에 불과하며 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
각 영역에 흐르는 전류의 세기는 다를 수 있으나, 전류 세기는 불연속성 없이 연속적인 특성을 갖는다. 즉, 홀 주위에 흐르는 전류가 매우 작더라도, 메탈 바디 외각과 제 1 개구부를 따라 흐르는 전류는 클 수 있다. 그러나, 전류의 세기가 갑자기 작아지거나, 커지지는 않는다.
특히, 홀 주위에 흐르는 와류 전류와 관련하여, 송신 코일의 크기, 송신 코일과 메탈 바디 사이의 간격을 조절하여 홀 주위에 인가되는 자기장의 세기를 조절하므로, 홀 주위에 흐르는 와류 전류를 매우 작게 할 수도 있으며, 나아가 홀 주위에 흐르는 와류 전류의 방향이 송신 코일의 전류 방향과 동일하게 흐르도록 할 수 있다. 예로 홀 주위에 흐르는 전류를 작게 하기 위해서는 메탈 바디에 인가되는 송신 코일의 50% 이상의 자기장이 홀 근처에 인가되거나, 또는 송신 코일의 최대 크기가 홀 크기의 150%이내의 경우이다. 그리고 송신 코일에 흐르는 전류와 동일한 방향의 와류 전류를 얻어, 결합 효율을 높이기 위해서는 송신 코일에서 만든 자기장이 홀 주위에 50% 이하가 입사되거나, 송신 코일의 크기가 메탈 바디만큼 클 때에 와류를 전류를 얻을 수 있다.
또한, 홀(540) 주변에만 흐르게 되는 와류 전류에 비해, 제1 개구부(545)가 형성됨에 의해 도 3에 도시된 바와 같이 와류 전류에 의한 유도 전류(550)가 더 길어진 경로를 통해 흐르도록 하여 열 발생이 분산되도록 할 수 있다.
한편, 중단 바디(520)로 인가된 자기장이 송신 코일의 전류 방향과 동일한 방향의 와류 전류, 즉, 유도 전류(550) 생성에 기여함에 의해, 이 생성된 유도 전류(550)의 세기는 상기 와류 전류의 세기에 비해 더 클 수 있다. 이러한 유도 전류(550)는 자기장을 발생하여 중단 바디(520) 하부의 수신 코일에 유도 전류가 흐르도록 할 수 있다. 즉, 무선 전력 송신기에 의해 발생된 자기장 중 중단 바디(520)에 직접 전달된 전력이 열로 손실되는 것이 아니라, 유도 전류(550)를 통해 수신 코일로 전달될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 디바이스의 구조 및 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 수신 디바이스(600)의 구조는 달리 설명되지 않는 한 도 3의 무선 전력 수신 디바이스(500)의 구조와 다르지 않으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
제1 개구부(645)는 하단 제2 개구부(625)에 연접되고, 홀(640)의 외경과 연접되도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에 따라 제1 개구부(645)는 상단 제2 개구부(615), 중단 바디(620)의 좌측 모서리, 또는 중단 바디(620)의 우측 모서리에 연접되고, 홀(640)의 외경과 연접되도록 구성될 수 있다.
제1 개구부(645)가 하단 제2 개구부(625) 및 홀(640)에 연접하여 형성됨으로써, 무선 전력 송신기가 송신하는 자기장 중 중단 바디(620)로 흡수되는 자기장에 유도되는 유도 전류(650)가 도 6에 도시된 바와 같이 홀(640), 제1 개구부(645), 제2 개구부(615,625) 및 중단 바디(620)의 좌우 모서리를 따라 흐르게 된다. 유도 전류(650)의 방향은 일 실시예에 불과하며 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
홀(640) 주변에만 원형으로 흐르게 되는 와류 전류에 비해, 제1 개구부(645)가 형성됨에 의해 도 4에 도시된 바와 같이 와류 전류에 의해 유도되는 유도 전류(650)가 더 길어진 경로를 통해 흐르도록 하여 열 발생이 분산되도록 할 수 있다.
또한, 송신 코일의 자기장이 중단 바디(620)에 인가되면, 인가된 자기장의 일부는 홀(640) 주위에서 송신 코일의 전류 방향과 동일한 방향으로 흐르는 전류가 재유도되어 수신 코일에 더욱 큰 자기 결합효율을 갖도록 한다. 즉, 무선 전력 송신기에 의해 발생된 자기장 중 중단 바디(620)에 직접 전달된 전력이 열로 손실되는 것이 아니라, 유도 전류(650)를 통해 수신 코일로 전달될 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 무선 전력 수신 디바이스에 포함되는 수신 코일의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 5에 도시된 무선 전력 수신 디바이스(700)는 도 3의 무선 전력 수신 디바이스(500)의 뒷면(장치 안쪽에서 바라본 면)의 일 실시예를 나타낸다.
수신 코일(710)은 홀(540)의 외경을 따라 원형으로 감긴 형태를 가질 수 있다. 따라서, 수신 코일(710)의 내경은 가장 안쪽 코일의 지름이 되고, 수신 코일(710)의 외경은 가장 바깥쪽 코일의 지름이 된다.
수신 코일(710)의 외경(D2)은 홀(540)의 외경(D1)보다 클 수 있고, 수신 코일(710)의 내경 역시 홀(540)의 외경(D1)보다 클 수 있다. 이는 개구에서 큰 유도 전류가 만들어져, 여러 턴으로 구성된 수신 코일에서 최대의 효율을 얻을 수 있다.
다른 실시예에 따라, 수신 코일(710)의 외경(D2)은 홀(540)의 외경(D1)보다 클 수 있고, 수신 코일(710)의 내경은 홀(540)의 외경(D1)보다 작을 수 있다. 이 경우는 홀이 상대적으로 크고, 홀에 흐르는 와류 전류가 작을 경우에 적합하다.
무선 전력 송신기가 송신하는 자기장은 홀(540)을 직접 통과하여 수신 코일(710)로 전달되는 자기장과, 중단 바디(520)에 인가되어 발생된 유도 전류(550)를 통해 전달되는 자기장으로 나뉠 수 있다.
홀(540)을 직접 통과하여 수신 코일(710)로 전달되는 자기장과, 중단 바디(520)에 흐르는 유도 전류(550) 중 홀(540)의 외경을 따라 흐르는 유도 전류(550)에 의한 자기장은 서로 중첩되어 증폭될 수 있다.
이에 반해, 홀(540)을 직접 통과하여 수신 코일(710)로 전달되는 자기장과, 중단 바디(520)에 흐르는 유도 전류(550) 중 제2 개구부(515,525) 및 중단 바디(520)의 좌우 모서리를 따라 흐르는 유도 전류(550)에 의한 자기장은 서로 상쇄될 수 있다. 이는 홀(540)의 외경을 따라 흐르는 유도 전류(550)와 제2 개구부(515,525) 및 중단 바디(520)의 좌우 모서리를 따라 흐르는 유도 전류(550)는 서로 반대 방향으로 흐르며, 각 유도 전류에 따른 자기장 역시 서로 반대의 방향을 갖기 때문이다.
그리고, 수신 코일(710)이 도 5에 도시된 바와 같이 홀(540)을 따라 감긴 형태를 가지게 되면, 보다 높은 무선 전력 수신 효율을 가질 수 있다. 이는 홀 주위에 와류 전류의 세기를 크게 낮추어, 송신 코일에 의한 자기장을 감쇄없이 모두 수신할 수 있기 때문이다. 특히, 홀 주위에 송신 코일과 동일한 방향의 와류 전류를 생성할 수 있어, 홀을 직접 통과하는 자기장과 와류전류에 의한 자기장이 중첩된 수신 효율을 크게 증가시킬 수 있다. 즉, 수신 코일(710)이 홀(540)을 따라 감긴 형태를 가짐에 따라, 홀(540)을 직접 통과하여 수신 코일(710)로 전달되는 자기장과 홀(540)의 외경을 흐르는 유도 전류(550)에 의한 자기장을 최대로 흡수하여 강한 유도 전류를 발생시킬 수 있고, 이에 따라 높은 무선 전력 수신 효율을 가질 수 있다.
도 6은 도 4에 도시된 무선 전력 수신 디바이스에 포함되는 수신 코일의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 도 6에 도시된 무선 전력 수신 디바이스(800)는 도 4의 무선 전력 수신 디바이스(600)의 뒷면(장치 안쪽에서 바라본 면)의 일 실시예를 나타낸다.
수신 코일(810)은 홀(640)의 외경을 따라 원형으로 감긴 형태를 가질 수 있다. 따라서, 수신 코일(810)의 내경은 가장 안쪽 코일의 지름이 되고, 수신 코일(810)의 외경은 가장 바깥쪽 코일의 지름이 된다.
수신 코일(810)의 외경(D4)은 홀(640)의 외경(D1)보다 클 수 있고, 수신 코일(810)의 내경 역시 홀(640)의 외경(D1)보다 클 수 있다.
다른 실시예에 따라, 수신 코일(810)의 외경(D2)은 홀(640)의 외경(D1)보다 클 수 있고, 수신 코일(810)의 내경은 홀(640)의 외경(D1)보다 작을 수 있다.
무선 전력 송신기가 송신하는 자기장은 홀(640)을 직접 통과하여 수신 코일(810)로 전달되는 자기장과, 중단 바디(620)에 흡수되어 발생된 유도 전류(550)를 통해 전달되는 자기장으로 나뉠 수 있다.
홀(640)을 직접 통과하여 수신 코일(810)로 전달되는 자기장과, 중단 바디(620)에 흐르는 유도 전류(650) 중 홀(640)을 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장은 서로 중첩되어 증폭될 수 있다.
이에 반해, 홀(640)을 직접 통과하여 수신 코일(810)로 전달되는 자기장과, 중단 바디(620)에 흐르는 유도 전류(650) 중 제2 개구부(615,625) 및 중단 바디(620)의 좌우 모서리를 따라 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장은 서로 상쇄될 수 있다. 이는 홀(640)을 흐르는 유도 전류(650)와 제2 개구부(615,625) 및 중단 바디(620)의 좌우 모서리를 따라 흐르는 유도 전류(650)는 서로 반대 방향으로 흐르며, 각 유도 전류에 따른 자기장 역시 서로 반대의 방향을 갖기 때문이다.
그리고, 수신 코일(810)이 도 6에 도시된 바와 같이 홀(640)을 따라 감긴 형태를 가지게 되면, 보다 높은 무선 전력 수신 효율을 가질 수 있다. 이는 중단 바디(620)에 흐르는 유도 전류(650) 중 홀(640)을 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장이 제1 개구부(645)를 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장보다 자속 밀도가 현저히 높기 때문이다.
즉, 수신 코일(810)이 홀(640)을 따라 감긴 형태를 가짐에 따라, 홀(640)을 직접 통과하여 수신 코일(810)로 전달되는 자기장과 홀(640)을 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장을 최대로 흡수하여 강한 유도 전류를 발생시킬 수 있고, 이에 따라 높은 무선 전력 수신 효율을 가질 수 있다.
도 7은 도 3에 도시된 무선 전력 수신 디바이스에 포함되는 수신 코일의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 도 7에 도시된 무선 전력 수신 디바이스(900)는 도 3의 무선 전력 수신 디바이스(500)의 뒷면(장치 안쪽에서 바라본 면)의 다른 실시예를 나타낸다.
수신 코일(910)은 도 5에 도시된 수신 코일(710)과 마찬가지로 홀(540)의 외경을 따라 감긴 형태를 가질 수 있다. 그러나, 수신 코일(910)의 형태는 다양한 이유로(예컨대, 메탈 바디의 하부 설계 구조 등) 변형되어 제작될 수 있다.
예를 들어, 수신 코일(910)은 도 5의 수신 코일(710)보다 더 큰 외경과 내경을 가질 수 있고, 원형이 아닌 타원 형태를 가질 수 있다.
도 5에서 설명한 바와 같이, 홀(540)을 직접 통과하여 수신 코일(910)로 전달되는 자기장과, 중단 바디(520)에 흐르는 유도 전류(550) 중 홀(540)의 외경을 따라 흐르는 유도 전류(550)에 의한 자기장은 서로 중첩되어 증폭될 수 있다.
이에 반해, 홀(540)을 직접 통과하여 수신 코일(710)로 전달되는 자기장 및 홀(540)의 외경을 따라 흐르는 유도 전류(550)에 의한 자기장과, 제2 개구부(515,525) 및 중단 바디(520)의 좌우 모서리를 따라 흐르는 유도 전류(550)에 의한 자기장은 서로 상쇄된다.
따라서, 높은 무선 전력 수신 효율을 위해, 수신 코일(910)에 대해 일정한 설계 조건이 요구된다.
도 7을 참조하면, 상단 제2 개구부(515)와 홀(540)의 최상단 사이의 거리를 제1 높이(H1)라 하고, 제1 높이(H1)의 1/2을 제2 높이(H2)라 하면, 상단 제2 개구부(515)로부터 제2 높이(H2)만큼 떨어진 선을 제1 라인(L1)이라 할 수 있다.
마찬가지로, 하단 제2 개구부(525)와 홀(540)의 최하단 사이의 거리를 제3 높이(H3)라 하고, 제3 높이(H3)의 1/2을 제4 높이(H4)라 하면, 하단 제2 개구부(525)로부터 제4 높이(H4)만큼 떨어진 선을 제2 라인(L2)이라 할 수 있다.
만일, 수신 코일(910)의 상부 외경(코일의 최상단)이 제1 라인(L1)을 넘어서 상단 제2 개구부(515)에 근접하게 되거나, 수신 코일(910)의 하부 외경(코일의 최하단)이 제2 라인(L2)을 넘어서 하단 제2 개구부(525)에 근접하게 되면, 수신 코일(910)은 홀(540)의 외경을 따라 흐르는 유도 전류(550)에 의한 자기장을 흡수하기 어려울 뿐 아니라 제2 개구부(515,525)를 따라 흐르는 유도 전류(550)에 의한 자기장의 영향을 받아 무선 전력 수신 효율이 급격히 저하될 수 있다.
따라서, 수신 코일(910)은 제1 라인(L1)과 제2 라인(L2) 사이에 배치됨이 바람직 하다.
중단 바디(520)의 좌측 모서리와 홀(540)의 좌측끝 사이의 거리를 제1 폭(W1)이라 하고, 제1 폭(W1)의 1/2을 제2 폭(W2)이라 하면, 중단 바디(520)의 좌측 모서리로부터 제2 폭(W2)만큼 떨어진 선을 제3 라인(L3)이라 할 수 있다.
마찬가지로, 중단 바디(520)의 우측 모서리와 홀(540)의 우측끝 사이의 거리를 제3 폭(W3)이라 하고, 제3 폭(W3)의 1/2을 제4 폭(W4)이라 하면, 중단 바디(520)의 우측 모서리로부터 제4 폭(W4)만큼 떨어진 선을 제4 라인(L4)이라 할 수 있다.
만일, 수신 코일(910)의 좌측 외경(코일의 좌측끝)이 제3 라인(L3)을 넘어서 중단 바디(520)의 좌측 모서리에 근접하게 되거나, 수신 코일(910)의 우측 외경(코일의 우측끝)이 제4 라인(L4)을 넘어서 중단 바디(520)의 우측 모서리에 근접하게 되면, 수신 코일(910)은 홀(540)의 외경을 따라 흐르는 유도 전류(550)에 의한 자기장을 흡수하기 어려울 뿐 아니라 중단 바디(520)의 좌측/우측 모서리를 따라 흐르는 유도 전류(550)에 의한 자기장의 영향을 받아 무선 전력 수신 효율이 급격히 저하될 수 있다.
따라서, 수신 코일(910)은 제3 라인(L3)과 제4 라인(L4) 사이에 배치됨이 바람직 하다.
제1 라인(L1)과 제2 라인(L2) 사이 및 제3 라인(L3)과 제4 라인(L4) 사이로 구획되는 영역은 제1 영역(A1)으로 정의될 수 있다. 즉, 수신 코일(910)은 제1 영역(A1)의 내부에 배치되어, 제2 개구부(515,525) 및 중단 바디(520)의 좌우 모서리를 따라 흐르는 유도 전류(550)에 의한 자기장의 영향을 최소화하면서, 홀(540)을 직접 통과하여 수신 코일(710)로 전달되는 자기장 및 홀(540)의 외경을 따라 흐르는 유도 전류(550)에 의한 자기장을 흡수하여 무선 전력 수신 효율을 높일 수 있다.
도 7의 예에서는 제1 영역(A1)을 결정하는 기준이 특정 비율(예컨대, 제1 라인(L1)이 제1 높이(H1)의 50%인 제2 높이(H2)로 결정)로 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 무선 전력 수신 디바이스(900)의 구조, 홀(540)의 크기, 수신 코일(910)의 인덕턴스 등에 따라 상기 특정 비율은 달리 결정될 수 있다. 또한, 제1 라인(L1) 내지 제4 라인(L4) 각각이 결정되는 비율은 각기 달리 설정될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 수신 디바이스에 의하면, 메탈 바디의 영향에 의한 무선 전력 전송 효율의 감소를 최소화시키고, 메탈 바디에 자기장이 흡수됨에 의해 발생하는 발열을 최소화시키는 것이 가능하다.
도 8은 도 4에 도시된 무선 전력 수신 디바이스에 포함되는 수신 코일의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 도 8에 도시된 무선 전력 수신 디바이스(1000)는 도 4의 무선 전력 수신 디바이스(600)의 뒷면(장치 안쪽에서 바라본 면)의 다른 실시예를 나타낸다.
수신 코일(1010)은 도 6에 도시된 수신 코일(810)과 마찬가지로 홀(640)의 외경을 따라 감긴 형태를 가질 수 있다. 그러나, 수신 코일(1010)의 형태는 다양한 이유로(예컨대, 메탈 바디의 하부 설계 구조 등) 변형되어 제작될 수 있다.
예를 들어, 수신 코일(1010)은 도 6의 수신 코일(810)보다 더 큰 외경과 내경을 가질 수 있고, 원형이 아닌 타원 형태를 가질 수 있다.
도 6에서 설명한 바와 같이, 홀(640)을 직접 통과하여 수신 코일(1010)로 전달되는 자기장과, 중단 바디(620)에 흐르는 유도 전류(650) 중 홀(640)의 외경을 따라 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장은 서로 중첩되어 증폭될 수 있다.
이에 반해, 홀(640)을 직접 통과하여 수신 코일(810)로 전달되는 자기장 및 홀(640)의 외경을 따라 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장과, 제2 개구부(615,625) 및 중단 바디(620)의 좌우 모서리를 따라 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장은 서로 상쇄된다.
따라서, 높은 무선 전력 수신 효율을 위해, 수신 코일(1010)에 대해 일정한 설계 조건이 요구된다.
도 8을 참조하면, 상단 제2 개구부(615)와 홀(640)의 최상단 사이의 거리를 제5 높이(H5)라 하고, 제5 높이(H5)의 1/2을 제6 높이(H6)라 하면, 상단 제2 개구부(615)로부터 제6 높이(H6)만큼 떨어진 선을 제5 라인(L5)이라 할 수 있다.
마찬가지로, 하단 제2 개구부(625)와 홀(640)의 최하단 사이의 거리를 제7 높이(H7)라 하고, 제7 높이(H7)의 1/2을 제8 높이(H8)라 하면, 하단 제2 개구부(625)로부터 제8 높이(H8)만큼 떨어진 선을 제6 라인(L6)이라 할 수 있다.
만일, 수신 코일(1010)의 상부 외경(코일의 최상단)이 제5 라인(L5)을 넘어서 상단 제2 개구부(615)에 근접하게 되거나, 수신 코일(1010)의 하부 외경(코일의 최하단)이 제6 라인(L6)을 넘어서 하단 제2 개구부(625)에 근접하게 되면, 수신 코일(1010)은 홀(640)의 외경을 따라 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장을 흡수하기 어려울 뿐 아니라 제2 개구부(615,625)를 따라 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장의 영향을 받아 무선 전력 수신 효율이 급격히 저하될 수 있다.
따라서, 수신 코일(1010)은 제5 라인(L5)과 제6 라인(L6) 사이에 배치됨이 바람직하다.
중단 바디(620)의 좌측 모서리와 홀(640)의 좌측끝 사이의 거리를 제5 폭(W5)이라 하고, 제5 폭(W5)의 1/2을 제6 폭(W6)이라 하면, 중단 바디(620)의 좌측 모서리로부터 제6 폭(W6)만큼 떨어진 선을 제7 라인(L7)이라 할 수 있다.
마찬가지로, 중단 바디(620)의 우측 모서리와 홀(640)의 우측끝 사이의 거리를 제7 폭(W7)이라 하고, 제7 폭(W7)의 1/2을 제8 폭(W8)이라 하면, 중단 바디(620)의 우측 모서리로부터 제8 폭(W8)만큼 떨어진 선을 제8 라인(L8)이라 할 수 있다.
만일, 수신 코일(1010)의 좌측 외경(코일의 좌측끝)이 제7 라인(L7)을 넘어서 중단 바디(620)의 좌측 모서리에 근접하게 되거나, 수신 코일(1010)의 우측 외경(코일의 우측끝)이 제8 라인(L8)을 넘어서 중단 바디(620)의 우측 모서리에 근접하게 되면, 수신 코일(1010)은 홀(640)의 외경을 따라 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장을 흡수하기 어려울 뿐 아니라 중단 바디(620)의 좌측/우측 모서리를 따라 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장의 영향을 받아 무선 전력 수신 효율이 급격히 저하될 수 있다.
따라서, 수신 코일(1010)은 제7 라인(L7)과 제8 라인(L8) 사이에 배치됨이 바람직하다.
제5 라인(L5)과 제6 라인(L6) 사이 및 제7 라인(L7)과 제8 라인(L8) 사이로 구획되는 영역은 제2 영역(A2)으로 정의될 수 있다. 즉, 수신 코일(1010)은 제2 영역(A2)의 내부에 배치되어, 제2 개구부(615,625) 및 중단 바디(620)의 좌우 모서리를 따라 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장의 영향을 최소화하면서, 홀(640)을 직접 통과하여 수신 코일(810)로 전달되는 자기장 및 홀(640)의 외경을 따라 흐르는 유도 전류(650)에 의한 자기장을 흡수하여 무선 전력 수신 효율을 높일 수 있다.
도 8의 예에서는 제2 영역(A2)을 결정하는 기준이 특정 비율(예컨대, 제5 라인(L5)이 제5 높이(H5)의 50%인 제6 높이(H6)로 결정)로 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 무선 전력 수신 디바이스(1000)의 구조, 홀(640)의 크기, 수신 코일(1010)의 인덕턴스 등에 따라 상기 특정 비율은 달리 결정될 수 있다. 또한, 제5 라인(L5) 내지 제8 라인(L8) 각각이 결정되는 비율은 각기 달리 설정될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 수신 디바이스에 의하면, 메탈 바디의 영향에 의한 무선 전력 전송 효율의 감소를 최소화시키고, 메탈 바디에 자기장이 흡수됨에 의해 발생하는 발열을 최소화시키는 것이 가능하다.
도 9는 무선 전력 송신기의 송신 코일의 크기에 따른 상호 인덕턴스의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 제1 케이스(CASE1)는 무선 전력 수신 코일이 다른 구성의 영향을 받지 않고 공기 중에서 무선 전력 송신 코일로부터 전력을 수신하는 경우를 의미한다. 도 9에서 상측에 위치한 코일은 무선 전력 수신 코일이고, 하측에 위치한 코일은 무선 전력 송신 코일이다.
여기서, 무선 전력 송신 코일은 30(mm)의 외경(Tx_Dout=30mm), 6번의 감은수 및 0.3(mm)의 폭을 가지고, 무선 전력 수신 코일은 30(mm)의 외경(Rx_Dout=30mm), 6번의 감은수 및 0.3(mm)의 폭을 가지며, 무선 전력 송신 코일과 무선 전력 수신 코일 사이의 거리는 10(mm)로 설정된다.
제2 케이스(CASE2)는 무선 전력 송신 코일과 무선 전력 수신 코일 사이에 중앙의 홀을 포함하는 메탈 케이스(metal case)가 구비되어 무선 전력 송신 코일로부터 전력을 수신하는 경우를 의미한다.
여기서, 메탈 케이스는 150(mm)의 외경을 가지고, 메탈 케이스의 홀은 13(mm)의 외경을 가지도록 설정되고, 무선 전력 송신 코일과 무선 전력 수신 코일은 제1 케이스(CASE1)과 동일하게 설정된다. 또한, 메탈 케이스는 일측에 제1 개구부를 포함할 수 있다.
제3 케이스(CASE3)는 제2 케이스(CASE2)와 동일한 조건에서 무선 전력 수신 코일이 외경이 60mm인 무선 전력 송신 코일로부터 전력을 수신하는 경우를 의미한다.
제4 케이스(CASE4)는 제2 케이스(CASE2)와 동일한 조건에서 무선 전력 수신 코일이 외경이 90mm인 무선 전력 송신 코일로부터 전력을 수신하는 경우를 의미한다.
제5 케이스(CASE5)는 제2 케이스(CASE2)와 동일한 조건에서 무선 전력 수신 코일이 외경이 150mm인 무선 전력 송신 코일로부터 전력을 수신하는 경우를 의미한다.
도 9에는 각 케이스 별로 위와 같은 조건에서 3D 시뮬레이션을 수행하여 무선 전력 수신 코일과 무선 전력 송신 코일 간의 상호 인덕턴스(M)를 산출한 결과가 나타나 있다. 무선 전력 수신 코일과 무선 전력 송신 코일 간의 상호 인덕턴스(M) 는 무선 전력 송신기로부터 무선 전력 수신기로의 무선 전력 전송 효율에 직접적으로 연관된 값에 해당한다. 즉, 무선 전력 수신 코일과 무선 전력 송신 코일 간의 상호 인덕턴스(M)가 높을수록 송신 코일의 저항이 동일하다면 무선 전력 전송 효율이 높아진다고 할 수 있다.
제1 케이스(CASE1)에서 산출된 상호 인덕턴스(M)는 280(nH)이며, 제2 케이스(CASE2)에서 산출된 상호 인덕턴스(M)는 194.57(nH)로서 제1 케이스(CASE1)에 비해 약 31% 감소하게 되는데, 이는 메탈 케이스에 의해 무선 전력 송신 코일의 자기장이 개구를 통하여 직접 전달되는(개구의 크기가 수신 코일 사이즈보다 작기 때문) 자기장이 작고, 송신 코일의 자기장이 개구면을 따라 송신 자기장에 중첩되는 자기장을 만들지 못하기 때문이다. 상호 인덕턴스의 감소 폭은 그리 크지 않은데, 이는 무선 전력 송신 코일과 무선 전력 수신 코일의 크기가 동일하고 무선 전력 송신 코일의 많은 자기장이 홀을 통해 전달될 수 있기 때문이다. 특히, 홀 주위에는 송신 자기장의 세기를 감소시키는 와류 전류가 만들어지지 않기 때문에, 상호 인덕턴스의 감소폭이 작다.
제3 케이스(CASE3)에서 산출된 상호 인덕턴스(M)는 350.63(nH)로서 제1 케이스(CASE1)에 비해 약 25% 증가하게 되는데, 이는 메탈 케이스에 의해 무선 전력 송신 코일의 자기장이 흡수되나, 흡수된 자기장이 홀 주변에 유도 전류를 발생시키고 다시 유도 전류에 의한 자기장이 무선 전력 수신 코일로 전달되기 때문이다.
제4 케이스(CASE4)에서 산출된 상호 인덕턴스(M)는 402.00(nH)로서 제1 케이스(CASE1)에 비해 약 43% 증가하게 되는데, 이는 메탈 케이스에 의해 흡수된 무선 전력 송신 코일의 자기장이 홀 주변에 유도 전류를 발생시키고 다시 유도 전류에 의한 자기장이 무선 전력 수신 코일로 전달되기 때문이며, 제3 케이스(CASE3)와 비교하면 무선 전력 송신 코일의 크기가 증가할수록 무선 전력 전송 효율이 개선됨을 알 수 있다.
제5 케이스(CASE5)에서 산출된 상호 인덕턴스(M)는 396.39(nH)로서 제1 케이스(CASE1)에 비해 약 41% 증가하게 되는데, 이는 메탈 케이스에 의해 흡수된 무선 전력 송신 코일의 자기장이 홀 주변에 유도 전류를 발생시키고 다시 유도 전류에 의한 자기장이 무선 전력 수신 코일로 전달되기 때문이나, 제4 케이스(CASE4)와 비교하면 무선 전력 송신 코일의 크기가 더 증가하였음에도 불구하고 무선 전력 전송 효율이 감소됨을 알 수 있다. 이러한 현상의 이유는 무선 전력 송신 코일과 메탈 케이스의 외경이 서로 같으므로 무선 전력 송신 코일의 일부 자기장이 메탈 케이스에 흡수되지 않고 메탈 케이스의 외부로 방출되며 메탈 케이스의 외곽에 무선 전력 송신 코일의 자기장을 상쇄시키는 방향의 유도 전류가 발생하기 때문이다.
따라서, 도 9에 도시된 시뮬레이션 결과에 따르면, 무선 전력 송신 코일과 무선 전력 수신 코일의 사이에 메탈 케이스가 존재하는 경우 무선 전력 송신 코일의 크기가 증가할수록 상호 인덕턴스는 증가하나, 무선 전력 송신 코일의 외경이 메탈 케이스의 외경의 이상(또는 근접)으로 커질 경우에는 오히려 상호 인덕턴스가 감소될 수 있다. 따라서, 이러한 조건에서 최적의 무선 전력 송신 코일의 외경(크기)은 메탈 케이스의 외경의 이하에서, 메탈 케이스의 외곽에 무선 전력 송신 코일의 자기장을 상쇄시키는 방향의 유도 전류를 최소화하면서 상호 인덕턴스를 최대화하는 외경으로 결정될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 송신 코일 보다 홀이 훨씬 더 작을 경우에 홀의 주위에 송신 코일의 전류와 동일한 방향의 와류 전류가 더욱 더 크게 형성되는 것을 알 수 있다. 즉, 송신 코일에 의한 자기장이 홀에 인가되는 양이 작고, 메탈 바디에 더 많이 인가될 경우에 발생된다.
도 10은 다양한 무선 충전 케이스를 설명하기 위한 도면이다. 도 11은 도 10에 도시된 무선 충전 케이스 별로 시뮬레이션 결과를 나타낸 표이다.
도 10을 참조하면, 제6 케이스(CASE6)는 무선 전력 수신 코일이 다른 구성의 영향을 받지 않고 공기 중에서 무선 전력 송신 코일로부터 전력을 수신하는 경우를 의미한다. 도 10에서 상측에 위치한 코일은 무선 전력 수신 코일이고, 하측에 다수의 주황색의 사각형으로 표시된 영역은 무선 전력 송신 코일의 충전 가능 영역을 나타낸다.
여기서, 무선 전력 송신 코일은 90*140(mm)의 크기, 1oz의 무게, 5번의 감은수 및 3(mm)의 폭을 가지고, 무선 전력 수신 코일은 9(mm)의 직경, 9번의 감은수 및 0.2(mm)의 폭을 가지며, 무선 전력 송신 코일과 무선 전력 수신 코일 사이의 거리는 7(mm)이고, 무선 전력 수신 코일과 메탈 케이스 사이의 거리는 1(mm)로 설정된다.
제7 케이스(CASE7)는 무선 전력 수신 코일의 상부에 중앙의 홀과 제1 개구부를 포함하는 메탈 케이스가 구비되어 무선 전력 송신 코일로부터 전력을 수신하는 경우를 의미한다. 이후의 케이스들에 대한 설명에서 무선 전력 수신 코일의 위치는 홀의 중앙에 위치하는 것으로 가정한다.
여기서, 메탈 케이스는 무선 전력 송신 코일의 충전 가능 영역과 동일한 면적을 가지고, 홀에는 홀의 면적에 상응하는 면적을 갖는 페라이트 커버가 장착되는 것으로 설정된다. 그리고, 메탈 케이스의 정중앙과 무선 전력 송신 코일의 충전 가능 영역의 정중앙은 일치하는 것으로 설정된다.
제8 케이스(CASE8)는 제7 케이스(CASE7)의 메탈 케이스에서 제1 개구부 측의 일부(예컨대, 약 30%)가 절단된 형태를 갖는 메탈 케이스가 구비되어 무선 전력 송신 코일로부터 전력을 수신하는 경우를 의미한다.
제9 케이스(CASE9)는 제1 개구부 측 방향으로 메탈 케이스의 30%가 무선 전력 송신 코일의 충전 가능 영역 밖으로 돌출된 위치의 제7 케이스(CASE7)의 메탈 케이스가 구비되어 무선 전력 송신 코일로부터 전력을 수신하는 경우를 의미한다.
제10 케이스(CASE10)는 제1 개구부 측의 반대 방향으로 메탈 케이스의 30%가 무선 전력 송신 코일의 충전 가능 영역 밖으로 돌출된 위치의 제7 케이스(CASE7)의 메탈 케이스가 구비되어 무선 전력 송신 코일로부터 전력을 수신하는 경우를 의미한다.
제11 케이스(CASE11)는 제1 개구부의 상부에 홀에 배치된 페라이트 커버와 동일한 높이로 페라이트 커버가 배치된 메탈 케이스가 구비되어 무선 전력 송신 코일로부터 전력을 수신하는 경우를 의미한다.
제12 케이스(CASE12)는 제1 개구부의 상부에 홀에 배치된 페라이트 커버의 높이보다 낮은 높이로 페라이트 커버가 배치된 메탈 케이스가 구비되어 무선 전력 송신 코일로부터 전력을 수신하는 경우를 의미한다. 여기서, 홀에 배치된 페라이트 커버의 높이와 제1 개구부의 상부에 배치된 페라이트 커버의 높이의 차이는 제1 개구부의 상부에 배치된 페라이트 커버와 동일하게 설정될 수 있다.
도 11을 참조하면, 제6 내지 제12 케이스(CASE6~12) 별로 각 파라미터의 변화가 도시되어 있다. 상기 각 파라미터는 무선 전력 수신 코일의 저항(RRX, Ω), 무선 전력 수신 코일의 인덕턴스(LRX, μH), 무선 전력 송신 코일의 저항(RTX, Ω), 무선 전력 송신 코일의 인덕턴스(LTX, μH), 무선 전력 수신 코일과 무선 전력 송신 코일 간의 상호 인덕턴스(M, nH), 성능 계수(Figure of Merit; FoM), ηmax (최대 변조 효율, %)를 포함한다. 그리고, 각 케이스 별로 각 파라미터를 나타낸 수치는 3D 시뮬레이션을 수행한 결과이다.
도 11에 나타난 결과에서 주목할 파라미터는 무선 전력 수신 코일과 무선 전력 송신 코일 간의 상호 인덕턴스(M)이며, 이는 무선 전력 송신기로부터 무선 전력 수신기로의 무선 전력 전송 효율에 직접적으로 연관된 값이기 때문이다.
그리고, 빨간색으로 표시된 증감율은 제7 케이스(CASE7) 대비 제8 내지 제12 케이스(CASE8~CASE12)의 상호 인덕턴스의 증감율을 나타낸다.
제6 케이스(CASE6)에서 측정된 상호 인덕턴스는 95.75(nH)이고, 제7 케이스(CASE7)에서 측정된 상호 인덕턴스는 541.83(nH)이고 제6 케이스(CASE6)에 비해 대폭 개선된 수치를 나타내었다. 이는 메탈 케이스에 의해 무선 전력 송신 코일의 자기장이 흡수되며, 흡수된 자기장이 홀 주변에 유도 전류를 발생시키고 다시 유도 전류에 의한 자기장이 무선 전력 수신 코일로 전달되기 때문이다.
제8 케이스(CASE8)에서 측정된 상호 인덕턴스는 474.87(nH)이고 제7 케이스(CASE7)에 비해 12% 감소된 수치를 나타내었다. 이는 감소된 면적의 메탈 케이스로 인해 메탈 케이스에 흡수되는 무선 전력 송신 코일의 자기장이 감소되기 때문이다.
제9 케이스(CASE9)에서 측정된 상호 인덕턴스는 516.39(nH)이고 제7 케이스(CASE7)에 비해 5% 감소된 수치를 나타내었다. 이는 충전 가능 영역과 오버랩(overlap)되는 면적이 감소된 메탈 케이스로 인해 메탈 케이스에 흡수되는 무선 전력 송신 코일의 자기장이 감소되기 때문이다.
제10 케이스(CASE10)에서 측정된 상호 인덕턴스는 495.79(nH)이고 제7 케이스(CASE7)에 비해 8% 감소된 수치를 나타내었다. 이는 충전 가능 영역과 오버랩되는 면적이 감소된 메탈 케이스로 인해 메탈 케이스에 흡수되는 무선 전력 송신 코일의 자기장이 감소되기 때문이다.
제11 케이스(CASE11)에서 측정된 상호 인덕턴스는 539.76(nH)이고 제7 케이스(CASE7)에 비해 0.38% 감소된 수치를 나타내었다.
제12 케이스(CASE12)에서 측정된 상호 인덕턴스는 537.89(nH)이고 제7 케이스(CASE7)에 비해 0.73% 감소된 수치를 나타내었다.
이로써 제1 개구부를 따라 배치된 페라이트 커버의 영향은 크지 않음을 의미할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10 : 무선 전력 전송 시스템
20 : 송신 디바이스
30 : 수신 디바이스
200 : 수신 디바이스
202 : 수신 코일
204 : 메탈 바디
205 : 홀
400 : 송신 디바이스
402 : 송신 코일
403 : 충전 베드
500 : 무선 전력 수신 디바이스
510 : 상단 바디
520 : 중단 바디
530 : 하단 바디
515 : 상단 제2 개구부
525 : 하단 제2 개구부
540 : 홀
545 : 제1 개구부
600 : 무선 전력 수신 디바이스
645 : 제1 개구부
625 : 제2 개구부
640 : 홀
620 : 중단 바디
650 : 유도 전류
700 : 무선 전력 수신 디바이스
710 : 수신 코일
800 : 무선 전력 수신 디바이스
810 : 수신 코일
900 : 무선 전력 수신 디바이스
910 : 수신 코일
1000 : 무선 전력 수신 디바이스
1010 : 수신 코일

Claims (14)

  1. 메탈 바디(Metal Body)가 구비된 무선 전력 수신 장치에 있어서,
    상기 메탈 바디의 일측에 형성되는 홀;
    상기 메탈 바디의 상부 또는 하부를 구분하는 제2 개구부;
    상기 제2 개구부와 상기 홀에 각각 연접되는 제1 개구부; 및
    상기 홀을 통해 인입되는 자기장과 상기 메탈 바디에 입사되는 자기장에 의해 발생된 유도 전류에 의한 자기장을 수신하는 수신 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신 코일은 상기 메탈 바디의 일면과 접촉하도록 배치되는, 무선 전력 수신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수신 코일의 외경은 상기 홀의 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수신 코일은, 상기 홀의 외경을 따라 원형으로 감긴 형태를 갖는 무선 전력 수신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수신 코일의 내경은 상기 홀의 외경보다 작은 무선 전력 수신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수신 코일의 내경은 상기 홀의 외경보다 큰 무선 전력 수신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수신 코일은, 제1 영역 내부에 배치되고,
    상기 제1 영역은 상단 제2 개구부 및 하단 제2 개구부 각각으로부터 일정 높이만큼 이격된 제1 라인 및 제2 라인과, 상기 메탈 바디의 좌측 모서리 및 상기 메탈 바디의 우측 모서리 각각으로부터 일정 폭만큼 이격된 제3 라인 및 제4 라인에 의해 구획되는 무선 전력 수신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 일정 높이는 상기 상단 제2 개구부와 상기 홀의 상부 외경 사이의 거리 또는 상기 하단 제2 개구부와 상기 홀의 하부 외경 사이의 거리를 제1 비율로 축소한 높이이고,
    상기 일정 폭은 상기 메탈 바디의 좌측 모서리와 상기 홀의 좌측 외경 사이의 거리 또는 상기 메탈 바디의 우측 모서리와 상기 홀의 우측 외경 사이의 거리를 제2 비율로 축소한 폭인 무선 전력 수신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 비율 및 상기 제2 비율은 50%인 무선 전력 수신 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 개구부 및 상기 제2 개구부는 비전도성 소재로 형성되는, 무선 전력 수신 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 수신 코일의 일면에 접착 시트를 통해 부착되어 상기 홀을 통해 일면이 외부 노출되는 플라스틱 필름을 더 포함하는, 무선 전력 수신 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 메탈 바디에 형성된 홀의 직경에 따라 상기 수신 코일의 직경 및 코일 두께가 결정되는, 무선 전력 수신 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치로 무선 전력을 송출하는 무선 전력 송신 장치에 장착된 송신 코일의 직경에 따라 상기 메탈 바디에 형성되는 상기 홀의 직경이 결정되는, 무선 전력 수신 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 개구부는,
    상기 유도 전류가 상기 홀과 상기 제3 개구부 사이의 외곽을 흐르도록 하는 무선 전력 수신 장치.
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