KR20190023058A - 복합자성시트 및 이를 포함하는 무선충전모듈 - Google Patents

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KR20190023058A
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Abstract

본 발명은 신뢰성을 높일 수 있는 전자기 차폐시트에 대한 것으로, 특히 적층구조의 연자성시트의 최외각 표면에 표면조도가 낮은 독립적인 연자성시트를 적층하여, 상호 다른 표면조도 또는 공극률의 특성을 가지는 적층구조의 복합시트를 구현할 수 있도록 하여, 전자기 차폐의 효율을 유지하면서도 염수 등과 같은 외부 취약환경에서의 신뢰성은 크게 강화할 수 있는 구조의 전자기 차폐용 복합자성시트를 제공한다.

Description

복합자성시트 및 이를 포함하는 무선충전모듈{COMPOSITE MAGNETIC SHEET AND WIRELESS CHARGING MODULE CONSISTING THE SAME}
본 발명은 신뢰성을 높일 수 있는 전자기 차폐시트에 대한 것이다.
최근의 무선전력전송용 전자기 차폐시트는 고효율 및 박형화를 위한 기술개발이 주도적으로 진행되고 있다. 즉, 무선전력전송용 IT부품모듈에는 자성소재가 사용되고 있는데, 이러한 자성소재의 사용으로 인해 전자기 차폐재(자성체)를 도입하여 전자기적 에너지 손실을 최소화함으로써 코일 설계에만 의존해 오던 전송효율 (무선전력전송)의 기능/성능을 향상시키고자 하는 노력이 계속되고 있다.
자성체로 구성된 차폐재의 관점에서는 무선전력전송의 기능을 만족시키는 차폐재가 필요하며, 무선전력전송을 위한 표준방식의 다변화로 인한 호환성에 한계점을 보이고 있다. 이러한 무선전력전송의 표준방식의 대표적인 예로는 WPC(Wireless Power Consortium), A4WP(Alliance for Wireless Power), 및 PMA(Power Matters Alliance) 방식이 있으며, 기술적으로는 자기유도 및 자기공진 방식으로 구분된다.
이러한 차폐재로 주목을 받고 있는 것은, 박형화를 위해 대표적으로 적용 가능한 자성소재로 구현되는 박막형 금속합금이 있으나, 이러한 박막형 금속합금이 구현하는 지나치게 높은 투자율은 전자기 코일과의 임피던스 매칭에 악영향을 미치며, 투자율의 조절이 필수적으로 요청된다.
특히 이러한 투자율을 조절하기 위해 박막형 금속합금에 크래킹(CRACKING)과 같은 공정이 수행되는 경우, 박막형 금속합금 자체에 버(burr)나 파편이 발생하여 표면의 손상이나 외관 손상이 발생하며, 이로 인해 염수 등의 침투로 인해 외부 취약환경에서 신뢰성이 크게 저하되는 문제로 이어지게 된다.
본 발명의 실시예 들은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 본 발명의 실시예에서는 상호 다른 표면조도 또는 공극률의 특성을 가지는 적층구조의 복합시트를 구현하여 전자기 차폐의 효율을 유지하면서도 염수 등과 같은 외부 취약환경에서의 신뢰성은 크게 강화할 수 있는 구조의 전자기 차폐용 복합자성시트를 제공할 수 있도록 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는 적어도 2 이상의 단위 자성시트의 적층구조인 제1자성시트부와 상기 제1자성시트부의 최외각 표면에 적층되는 제2자성시트를 포함하는 제2자성시트부를 포함하며, 동일한 체적을 기준으로 상기 단위자성시트의 공극률이 상기 제2자성시트의 공극률보다 큰 복합자성시트를 제공할 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적층구조의 연자성시트의 최외각 표면에 표면조도가 낮은 독립적인 연자성시트를 적층하여, 상호 다른 표면조도 또는 공극률의 특성을 가지는 적층구조의 복합시트를 구현할 수 있도록 하여, 전자기 차폐의 효율을 유지하면서도 염수 등과 같은 외부 취약환경에서의 신뢰성은 크게 강화할 수 있는 구조의 전자기 차폐용 복합자성시트를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다양한 무선전력송신 방식의 표준에 호환이 가능하면서도, 영구자석을 필요로 하는 전력송신 방식에서 영구자석의 영향을 최소화하면서도 높은 전력전송효율을 구현할 수 있는 자성시트를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복합자성시트의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합자성시트를 포함하는 무선충전모듈의 구성 개념도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 복합시트를 이용하여 무선충전모듈을 구현하여 각각 Tx-A11타입과 Tx-A1 타입에서의 전송효율을 측정한 그래프 및 비교 실험 표를 도시한 것이다.
도 5a는 "단위자성시트부의 상하부에 모두 파쇄구조를 구현한 구조(모두 crack)"의 구조에서의 염수침투성의 실험결과를 도시한 이미지이다.
도 5b는 "제1자성시트부의 단위자성시트부의 상부에만 비파쇄구조의 제2자성시트를 구현하는 구조(상부 미 crack)"에서의 염수침투성의 결과를 비교한 이미지를 도시한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 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 목적으로만 사용된다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)" 에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접 (directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합자성시트의 단면을 도시한 개념도이다.
도시된 도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 복합자성시트(A)는 적어도 2 이상의 단위 자성시트(110, 120)의 적층구조인 제1자성시트부(100)와, 상기 제1자성시트부의 최외각 표면에 적층되는 제2자성시트를 포함하는 제2자성시트부(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에서는, 상기 단위자성시트(110, 120)내의 전체 체적을 기준으로하는 공극률을 가정할 때, 상기 제2자성시트(200)의 전체 체적에 포함되는 공극률보다 크게 형성될 수 있다. 이 경우, 공극률이란 동일 체적에 포함되는 공극의 비율로 정의한다. 이를 위해, 상기 단위자성시트(110, 120)의 경우, 표면에 크래킹을 통해 균열을 주거나, 내부에 공극을 형성시키는 물리적인 자극이 주어 공극비율을 늘릴 수 있도록 할 수 있다. 예를 들어, 표면에 크래킹 공정을 수행하는 경우, 표면조도가 높아지며, 내부의 공극률을 증가하게 된다. 또한, 이와 관련되어 공극률이 높아지는 단위시트의 경우 투자율이 감소하게 되며, 투자율의 감소하면 전송효율을 높아지는 관계가 형성되게 된다.
일예로서, 상기 단위자성시트(110, 120)의 경우, 도시된 구조에서는 2매의 적층구조이나 이 이상의 수로 적층될 수 있으며, 이 경우 이 중 어느 하나 이상의 단위 자성시트에 크래킹(Cracking) 또는 브레이킹(bracking) 공정을 통해 시트 자체에 물리적인 압력을 가하여 구조를 변경시킬 수 있도록 한다. 크래킹 공정의 경우, 시트 자체에 압력을 인가하여 표면 패터닝을 구현하거나 표면 자체에 일정한 파쇄력을 인가하여 내부 구조를 깨뜨리는 공정을 인가함 표면이나 내부에 파쇄구조를 포함하는 시트 구조(이하, '파쇄구조(cracking)'라 한다.)으로써, 투자율을 감소시킬 수 있으며, 전송효율은 더욱 높일 수 있도록 할 수 있다.
이 경우, 다수의 단위 자성시트의 적층구조의 최상부 또는 최하부의 표면 각각 또는 양쪽 모두에는 크래킹(Cracking) 또는 브레이킹(bracking) 공정 등의 과정을 거치지 않는 연자성시트층을 적층하는 구조(이하, '비파쇄구조(Non-Cracking)' 라 한다.)를 포함할 수 있도록 구현한다.
이러한 비파쇄구조를 가지는 최외각의 자성시트층의 적층구조는 다수의 적층구조의 연자성시트 구조에서 투자율 조절을 위해 필수적으로 구비되는 파쇄구조로 인해 추후 공정에서 염수의 침투가 발생하는 문제를 해소하고, 파쇄구조가 자성시트의 외부 표면으로 노출되어 추후 연계공정에서 보호필름등에 손상되는 문제를 해소할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 파쇄구조를 가지는 단위 자성시트의 경우, 비파쇄구조를 가지는 자성시트에 비해 투자율이 상대적으로 낮은 특성을 가지게 되며, 내부의 공극률은 파쇄구조를 가지는 단위 자성시트가 비파쇄구조를 가지는 자성시트에 비해 상대적으로 높은 특성을 나타내게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는, 상기 단위 자성시트의 공극률이 상기 제2자성시트의 공극률보다 높게 구현되는바, 이와 관련하여 단위자성시트의 투자율이 상기 제2자성시트의 투자율보다 낮공극률공극률은 특성을 가지도록 구현되게 된다.
도 1의 구조에서 제1자성시트부를 구성하는 다수의 단위 자성시트의 경우, 적어도 어느 하나는 파쇄구조를 가지도록 구현함이 바람직하며, 따라서, 각각의 단위 자성시트는 각각의 표면조도나 공극률이 서로 상이할 수 있으며, 서로 다른 재질로 구현될 수도 있다. 물론, 표면조도와 공극률이 상이한 구조에서 서로 동일한 재질로 형성되는 단위 자성시트의 적층구조도 가능함은 물론이다.
이 경우, 본 발명의 실시예에서의 단위 자성시트의 두께는 18um~200um의 범위를 만족하는 것이 바람직하며, 적층 수는 2~30층의 범위에서 상술한 본 발명의 자성시트 두께의 범위를 충족하도록 구현하는 것이 전자기 차폐특성을 유지하면서도 염수 침투 영향에서 벗어날 수 있는 효율 측면에서 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 단위 자성시트 또는 제2자성시트는 Fe, Ni, Co, Mo, Si, Al, B 중 선택되는 원소 중 한 가지 또는 두 가지 이상 원소의 조합으로 이루어지는 금속계 자성 분말과 고분자의 복합재료, 내지는 금속계 자성 리본(Metallic-alloy based magnetic ribbon)으로 이루어질 수 있다. 본 발명에서 상기 '리본'은 결정질(Crystalline) 내지는 비결정질(Amorphous) 상태인 매우 얇은 “밴드(band)”, “끈” 내지는 “띠” 형태의 금속 합금이 통칭으로 정의한다.
아울러, 본 발명에서 정의하는 '리본'은 원칙적으로는 금속 합금이지만, 외관상의 모양으로 인해 별도의 “Ribbon”이라는 용어를 사용하는 것이며, 상기 리본은 Fe(Co)-Si-B 이 주요 재료로 사용되며, Nb, Cu, Ni 등의 첨가제를 추가하여 다양한 조성으로 제조할 수 있다. 넓은 의미에서의 적용 가능한 재료로는 섬유, 비닐, 플라스틱 및 금속, 합금 등이 사용될 수 있으나, 일상생활에서는 주로 섬유 혹은 비닐 형태로 제조하여 물체를 묶기 위한 용도, 장식을 위한 용도 등으로 많이 사용될 수 있다.
또는, 본 발명의 실시예에 따른 단위 자성시트 또는 제2자성시트는 Fe, Ni, Mn, Zn, Co, Cu, Ca, O 중 선택되는 두 가지 이상 원소의 조합으로 이루어지는 페라이트계 분말과의 고분자의 복합재료 내지는 페라이트소결체로 이루어질 수 있으며, 형상은 시트 구조로 구현될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 자성시트는 Fe-Si-B 및 MnZn계 페라이트로 구성될 수 있다.
이 경우 본 발명의 실시예에 따른 단위 자성시트에 포함되는 공극률은 전체 하나의 단위 자성시트의 체적을 기준으로 0.5%~3%를 충족할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1%~2%의 공극률을 구비하도록 할 수 있다. 상술한 범위에서는 전송효율을 극대화하면서도 염수 취약성에는 내성을 가지며 영구자석의 유무에 따른 사용의 범용성을 확보할 수 있게 된다.
도 2는 상술한 본 발명의 실시예에 따른 복합 자성시트의 구조를 포함하는 무전충전모듈의 구조를 개략적으로 도시한 개념도이다.
즉, 본 발명에 따른 복합 자성시트(A)의 경우, 상술한 것과 같이 파쇄구조를 구비하는 제1자성시트부(100)와 이러한 자성시트부의 최외각 표면에 형성되는 비파쇄구조의 제2자성시트부(200)를 포함하게 되며, 도시된 것과 같이 제1자성시트부 상에 무선충전용 또는 NFC용 코일부(300)를 배치하는 구조로 구현될 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 복합 자성시트(A)와 상기 코일부(300)의 사이에는 절연부재가 더 포함될 수 있다. 사용 실시태양에 따라 상기 절연부재는 도 2에 도시된 것과 같이 배치될 수 있으며, 상기 절연부재는 보호부재(320)나 접착부재(330)으로 구현될 수 있다.
일예로, 본 발명에 따른 복합 자성시트(A)의 표면에는 적어도 1 이상의 보호부재(310, 320)가 더 포함될 수 있으며, 코일부(300)과 복합자성시트(A)를 접착하기 위한 접착필름 등의 접착부재(330)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 복합시트를 이용하여 무선충전모듈을 구현하여 각각 Tx-A11타입과 Tx-A1 타입에서의 전송효율을 측정한 그래프 및 비교 실험 표를 도시한 것이다. [Tx-A1(대표적인 영구자석 탑재형송신체 표준) 및 Tx-A11(대표적인 영구자석 미적용송신체 표준)]
각각의 구조에서 복합자성시트와 대비되는 비교군으로는, 도 1의 구조에서 제1자성시트부의 단위자성시트부의 상하부에 모두 비파쇄구조의 자성시트층을 구현하는 구조(상/하부 미 crack), 제1자성시트부의 단위자성시트부의 상부에만 비파쇄구조의 제2자성시트를 구현하는 구조(상부 미 crack), 단위자성시트부의 상하부에 모두 파쇄구조를 구현한 구조(모두 crack)으로 구분하여 전송효율을 비교하였다.
도시된 것과 같이 "단위자성시트부의 상하부에 모두 파쇄구조를 구현한 구조(모두 crack)"의 구조가 전송효율은 Tx-A11타입과 Tx-A1 타입 모두에서 높게 나타났으며, "제1자성시트부의 단위자성시트부의 상부에만 비파쇄구조의 제2자성시트를 구현하는 구조(상부 미 crack)"인 도 1에서의 구조에서도 전송효율은 66.3% , 69.9%로 높게 측정되었다. 반면, 제1자성시트부의 단위자성시트부의 상하부에 모두 비파쇄구조의 자성시트층을 구현하는 구조(상/하부 미 crack)에서는 전송효율이 낮게 측정되었다.
특히, "단위자성시트부의 상하부에 모두 파쇄구조를 구현한 구조(모두 crack)"의 구조와 "제1자성시트부의 단위자성시트부의 상부에만 비파쇄구조의 제2자성시트를 구현하는 구조(상부 미 crack)"에서는 복합자성시트의 전체 체적을 기준으로, 상기 제1자성시트부의 체적이 상기 전체 체적의 80% 를 초과하는 경우에는 전송효율이 급감하게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 복합자성시트의 경우, 복합자성시트의 전체 체적을 기준으로, 상기 제1자성시트부의 체적이 상기 전체 체적의 80% 이하로 형성함이 바람직하다.즉, 제1자성시트부의 체적은 전체 복합자성시트의 전체 체적을 기준으로 70%~80%의 범위에서 전송효율을 높일 수 있으며, 특히 74%~77%의 범위의 점유율에서 전송효율의 극대화를 구현함과 동시에 부식특성에 강한 성능을 확보할 수 있게 된다.
아울러, 2매 이상의 단위자성시트의 적층구조에서는, 적층되는 층과 층 사이에 존재하는 공기층(air gap)의 경우, 전체 복합자성시트의 체적 대비 1%~5%를 구비할 수 있으며, 특히 2%~3%의 범위의 공기층을 형성하도록 하는 것이 전송효율측면에서 안정적인 성능을 확보할 수 있다.
전체 복합자성시트에서 층과 층 사이의 접착층 등의 절연층의 점유율은 전체 복합자성시트의 체적 대비 16%~25%, 특히 19%~22%를 충족하는 것이 전송효율의 성능측면에서 바람직하다.
도 5a 및 도 5b는 도 3 및 도 4에서 상술한 실시예에서, 도 5a는 "단위자성시트부의 상하부에 모두 파쇄구조를 구현한 구조(모두 crack)"의 구조에서의 염수침투성의 실험결과이며, 도 5b는 "제1자성시트부의 단위자성시트부의 상부에만 비파쇄구조의 제2자성시트를 구현하는 구조(상부 미 crack)"에서의 염수침투성의 결과를 비교한 이미지를 도시한 것이다.
도시된 것과 같이, 도 5a에서 "단위자성시트부의 상하부에 모두 파쇄구조를 구현한 구조(모두 crack)"의 구조에서는 전송효율이 매우 높은 대신에 부식특성이 매우 나빠 부식이 발생하는 것을 확인할 수 있더.
반면에, 도 5b에서 확인되는 것과 같이, 본 발명의 실시예와 같은 "제1자성시트부의 단위자성시트부의 상부에만 비파쇄구조의 제2자성시트를 구현하는 구조(상부 미 crack)"는 전송효율도 높음과 동시에 염수침투성이나 내부식성이 매우 강하여 신뢰성 있는 품질로 구현될 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 적층구조의 연자성시트의 최외각 표면에 표면조도가 낮은 비파쇄구조를 가지는 독립적인 연자성시트를 적층하여, 상호 다른 표면조도 또는 공극률의 특성을 가지는 적층구조의 복합시트를 구현할 수 있도록 하며, 이를 통해, 전자기 차폐의 효율을 유지하면서도 염수 등과 같은 외부 취약환경에서의 신뢰성은 크게 강화할 수 있도록 하는 특성을 구현하게 된다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 제1자성시트부
200: 제2자성시트부
310, 320: 보호부재
330: 접착부재

Claims (10)

  1. 최하층 자성시트 및 상기 최하층 자성시트와 대향하도록 적층된 최상층 자성시트를 포함하는 복합자성시트;
    상기 최하층 자성시트 아래에 배치된 제1 보호부재; 및
    상기 최상층 자성시트 상에 배치된 제2 보호부재;를 포함하고,
    상기 복합자성시트는,
    상기 최하층 자성시트 및 상기 최하층 자성시트 상에 적층된 복수의 자성시트를 포함하는 제1 자성시트부;
    상기 복수의 자성시트 상에 배치된 접착 부재; 및
    상기 접착 부재 상에 배치된 하나의 제2 자성시트; 를 포함하고,
    상기 제1 자성시트부와 상기 제2 자성시트는 동일한 물질을 포함하고,
    상기 최하층 자성시트는 투자율이 조절되도록 파쇄된 크랙 영역을 포함하고,
    상기 제2 자성시트는 상기 최상층 자성시트이고,
    상기 최하층 자성시트의 공극률은 상기 최상층 자성시트의 공극률보다 큰 무선 충전용 자성시트.
  2. 제 1항에 있어서,
    제1 자성시트부의 체적은 상기 복합자성시트 체적의 70% 내지 80% 인 무선 충전용 자성시트.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 자성시트부 중 적어도 하나의 자성시트의 두께는 18 μm 내지 200 μm 인 무선 충전용 자성시트.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 자성시트부와 상기 제2 자성시트는 Fe 및 Si 를 포함하는 무선 충전용 자성시트.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 자성시트부의 모든 자성시트는 크랙을 포함하는 무선 충전용 자성시트.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 자성시트부의 자성시트들 사이에 배치된 접착부재를 더 포함하는 무선 충전용 자성시트.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 최하층 자성시트의 표면조도는 상기 최상층 자성시트의 표면조도보다 큰 무선 충전용 자성시트.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 최하층 자성시트의 파쇄 정도는 상기 최상층 자성시트의 파쇄 정도보다 큰 무선 충전용 자성시트.
  9. 최하층 자성시트 및 상기 최하층 자성시트와 대향하도록 적층된 최상층 자성시트를 포함하는 복합자성시트;
    상기 최하층 자성시트 아래에 배치된 제1 보호부재;
    상기 복합자성시트의 일면에 배치된 코일; 및
    상기 최상층 자성시트 상에 배치된 제2 보호부재;를 포함하고,
    상기 복합자성시트는,
    상기 최하층 자성시트 및 상기 최하층 자성시트 상에 적층된 복수의 자성시트를 포함하는 제1 자성시트부;
    상기 복수의 자성시트 상에 배치된 접착 부재; 및
    상기 접착 부재 상에 배치된 하나의 제2 자성시트; 를 포함하고,
    상기 제1 자성시트부와 상기 제2 자성시트는 동일한 물질을 포함하고,
    상기 최하층 자성시트는 투자율이 조절되도록 파쇄된 크랙 영역을 포함하고,
    상기 제2 자성시트는 상기 최상층 자성시트이고,
    상기 최하층 자성시트의 공극률은 상기 최상층 자성시트의 공극률보다 큰 무선 충전 모듈.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 코일은 상기 제1 보호부재의 일면에 배치되고, 상기 제1 자성시트부는 상기 코일과 상기 제2 자성시트 사이에 배치되는 무선 충전 모듈.
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