KR20190138536A - 무선 전력 전송용 다중 코일 - Google Patents

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KR20190138536A
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transmission coil
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하현욱
이호길
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주식회사 히타치엘지 데이터 스토리지 코리아
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Abstract

본 발명은 무선 전력 전송용 다중 코일에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송용 다중 코일은, 멀티 레이어로 적층되는 제1 전송 코일; 및 멀티 레이어로 적층되고 제1 전송 코일과 외곽이 중첩되는 제2 전송 코일을 포함하여 구성되고, 제1 전송 코일과 제2 전송 코일의 각 레이어는 서로 교차하도록 적층될 수 있다. 제1 및 제2 전송 코일의 각 레이어는, 나선형 전선으로 형성되고, 나선형 형상의 전선의 안쪽 말단과 바깥쪽 말단에 형성된 비아를 통해 이전 레이어와 다음 레이어와 연결될 수 있다. 따라서, 수신 장치를 무선 충전기의 충전 영역 내 어느 위치에 놓더라도 충전 효율을 균일하게 할 수 있게 되고, 이에 따라 충전 도중 수신 장치가 이동하더라도 충전 효율 저하를 최소화하여 충전 시간을 줄일 수 있게 된다.

Description

무선 전력 전송용 다중 코일 {Multiple coils for transmitting power wirelessly}
본 발명은 무선으로 전력을 전송하기 위한 다중 코일에 관한 것이다.
통신 및 정보 처리 기술이 발달함에 따라 스마트 폰이나 태블리 PC 등과 같은 스마트 단말기의 사용이 점차적으로 증가되고 있는데, 현재 스마트 단말에 많이 적용되고 있는 충전 방식은 전원에 연결된 어댑터를 스마트 단말기에 직접 연결하여 외부 전원을 공급받아 충전하거나 또는 호스트의 USB 단자를 통해 스마트 단말기에 연결하여 호스트의 USB 전원을 공급받아 충전하는 방식이다.
최근에는, 연결 선을 통해 어댑터에 또는 호스트에 스마트 단말기를 직접 연결해야 하는 불편함을 줄이기 위하여, 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 배터리를 무선으로 충전하는 무선 충전 방식이 점차 스마트 단말기에 적용되고 있다.
전력 수신 장치가 전송 장치 표면 위에서 이동하여 전송 효율이 저하되는 문제를 해결하고 무선 충전 영역을 넓히기 위해, 유도 결합 방식의 무선 전력 전송 장치에 전송 코일을 하나만 형성하지 않고 전송 코일을 복수 개 겹치도록 배치하는 다중 코일 유형의 전송 장치가 출시되고 있다.
다중 코일 유형의 무선 전력 전송 장치는 가운데 배치되는 전송 코일과 바깥에 배치되는 전송 코일을 외곽 영역의 일부가 서로 겹치게 배치하기 때문에, 위치마다 전송 코일과 수신 코일 사이 자기 결합도에 차이가 발생하여, 수신 코일과 가깝게 배치되는 전송 코일에서의 전송 효율이 높은 반면, 수신 코일과 상대적으로 멀리 배치되는 전송 코일에서의 전송 효율이 낮아지는 문제가 발생한다.
도 1은 다중 코일 방식의 무선 전력 전송 장치 위에 놓인 전자 기기의 위치가 바뀌는 것을 도시한 것이다.
다중 코일 방식의 무선 전력 전송 장치는 위치를 달리하는 둘 이상의 전송 코일(또는 1차 코일)을 포함하여 둘 이상의 전자 기기에 동시에 전력을 전송할 수 있다. 도 1과 같이 Tx Coil #1 내지 Tx Coil #3과 같이 3개의 1차 코일을 포함하는 다중 코일 방식의 무선 전력 전송 장치에서 중앙에 배치된 Tx Coil #2를 통해 스마트 폰으로 무선으로 전력을 전송하는 도중 스마트 폰이 이동하여 Tx Coil #2의 중앙에서 벗어나 Tx Coil #3을 통해 스마트 폰으로 무선으로 전력을 전송하게 되면, Tx Coil #2와 스마트 폰의 수신 코일 사이의 자기 결합도에 비해 Tx Coil #3과 수신 코일 사이의 자기 결합도가 낮기 때문에 전력 전송 효율이 떨어져 충전 시간이 길어진다.
본 발명은 이러한 상황을 감안한 것으로, 본 발명의 목적은 다중 코일 유형의 무선 전력 전송 장치에서 각 전송 코일과 수신 코일 사이의 자기 결합도의 차이를 최소화하는 다중 코일 구조를 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송용 코일은, 멀티 레이어로 적층되는 제1 전송 코일; 및 멀티 레이어로 적층되고 제1 전송 코일과 외곽이 중첩되는 제2 전송 코일을 포함하여 구성되고, 제1 전송 코일과 제2 전송 코일의 각 레이어는 서로 교차하도록 적층되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 전송 코일의 각 레이어가 다층 PCB 제조 공정으로 제조될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 전송 코일의 각 레이어는 다층 PCB 제조 공정에서 회로 인쇄, 에칭 및 레지스트 박리 공정을 통해 나선형 형상의 전선으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 전송 코일의 각 레이어는 나선형 형상의 전선의 안쪽 말단과 바깥쪽 말단에 형성된 비아를 통해 이전 레이어와 다음 레이어와 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 전송 코일의 짝수 레이어에서 나선형 전선의 안쪽 말단은 이전 레이어와 연결되고 나선형 전선의 바깥쪽 말단은 다음 레이어와 연결되고, 제1 및 제2 전송 코일의 홀수 레이어에서 나선형 전선의 안쪽 말단은 다음 레이어와 연결되고 나선형 전선의 바깥쪽 말단은 이전 레이어와 연결되거나, 또는 제1 및 제2 전송 코일의 짝수 레이어에서 나선형 전선의 바깥쪽 말단은 이전 레이어와 연결되고 나선형 전선의 안쪽 말단은 다음 레이어와 연결되고, 제1 및 제2 전송 코일의 홀수 레이어에서 나선형 전선의 바깥쪽 말단은 다음 레이어와 연결되고 나선형 전선의 안쪽 말단은 이전 레이어와 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 전송 코일의 각 레이어는 다층 PCB 제조 공정에서 회로 인쇄, 에칭 및 레지스트 박리 공정을 통해 일부 구간이 끊어져 2개의 말단이 형성된 단일 폐곡선 형상의 전선으로 형성되고, 2개의 말단 중 하나는 비아를 통해 이전 레이어와 연결되고 다른 하나는 비아를 통해 다음 레이어에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 각 레이어에서 2개의 말단의 위치가 레이어가 진행할수록 폐곡선 형상을 따라 같은 방향으로 2개의 말단 사이의 간격만큼 이동하거나, 또는 각 레이어에서 2개의 말단의 위치가 같고 폐곡선 형상의 전선이 2개의 말단에 연결되는 방향이 홀수 레이어와 짝수 레이어에서 교대로 다를 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 교류 전류에 의해 자기장을 변화시키되, 멀티 레이어로 적층되는 제1 전송 코일과 멀티 레이어로 적층되고 제1 전송 코일과 외곽이 중첩되는 제2 전송 코일을 포함하여 구성되는, 다중 전송 코일; 전송 코일에서 발생하는 자기장의 전파를 제한하기 위한 차폐부; 및 전송 코일과 차폐부를 감싸는 케이스를 포함하여 구성되고, 다중 전송 코일은 멀티 레이어로 적층되는 제1 전송 코일과 멀티 레이어로 적층되고 제1 전송 코일과 외곽이 중첩되는 제2 전송 코일을 포함하여 구성되고, 제1 전송 코일과 제2 전송 코일의 각 레이어는 서로 교차하도록 적층되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 수신 장치를 무선 충전기의 충전 영역 내 어느 위치에 놓더라도 충전 효율을 균일하게 할 수 있게 되고, 이에 따라 충전 도중 수신 장치가 이동하더라도 충전 효율 저하를 최소화하여 충전 시간을 줄일 수 있게 된다.
도 1은 다중 코일 방식의 무선 전력 전송 장치 위에 놓인 전자 기기의 위치가 바뀌는 것을 도시한 것이고,
도 2는 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이고,
도 3은 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이고,
도 4는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이고,
도 5는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이고,
도 6는 종래 3개의 전송 코일을 사용하는 다중 코일 방식의 무선 전력 전송 장치의 코일 배치 구조를 도시한 것이고,
도 7은 멀티 레이어 구조를 적용한 종래 다중 코일의 단면을 도시한 것이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 교차 적층한 다중 코일의 단면을 순차 적층한 다중 코일의 단면과 비교하여 도시한 것이고,
도 9는 수신 코일이 이동할 때 각 전송 코일과 수신 코일의 결합 계수의 변화를 그래프로 도시한 것이고,
도 10은 송신 코일과 수신 코일 사이 최대 결합 계수를 도시한 것이고,
도 11과 도 12는 멀티 레이어의 전송 코일을 PCB 제조 공정으로 제조할 때 각 레이어를 이전 및 다음 레이어에 비아를 통해 연결하기 위한 두 말단의 위치를 도시한 것이고,
도 13은 멀티 레이어로 적층하되 이웃하는 전송 코일과 교차 적층한 다중 코일을 구비하는 충전기의 분해 사시도를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 다중 코일에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 2는 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이다.
무선 전력 전송 장치(100)는, 무선 전력 수신 장치 또는 전자 기기(200)가 필요로 하는 전력을 무선으로 전달하는 전력 전달 장치이거나, 무선으로 전력을 전달함으로써 전자 기기(200)의 배터리를 충전하기 위한 무선 충전 장치일 수 있고, 또는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 전자 기기(200)에 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
전자 기기(200)는 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기로, 무선으로 수신되는 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수도 있다. 무선으로 전력을 수신하는 전자 기기는 휴대가 가능한 전자 기기, 예를 들어 스마트 폰이나 스마트 단말, 태블릿 컴퓨터, 멀티미디어 단말, 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 장치 등의 입출력 장치, 보조 배터리 등을 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(100)의 무선 전력 신호에 의한 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합 방식, 즉 무선 전력 전송 장치(100)에서 전송하는 무선 전력 신호에 의하여 전자 기기(200)에서 공진이 발생하고 공진 현상에 의하여 무선 전력 전송 장치(100)로부터 전자 기기(200)로 접촉 없이 무선으로 전력이 전달될 수 있는데, 전자기 유도 현상에 의하여 1차 코일에서 교류 전류에 의해 자기장을 변화시켜 2차 코일 쪽에 전류를 유도함으로써 전력을 전달한다.
무선 전력 전송 장치(100)의 1차 코일에 흐르는 전류의 세기가 변화하면, 그 전류에 의해 1차 코일 또는 전송 코일(primary coil, TX coil)을 통과하는 자기장이 변화하고, 변화된 자기장은 전자 기기(200) 내의 2차 코일 또는 수신 코일(secondary coil, RX coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.
무선 전력 전송 장치(100) 측의 1차 코일과 전자 기기(200) 측의 2차 코일이 근접하도록 무선 전력 전송 장치(100) 및 전자 기기(200)를 배치하고, 무선 전력 전송 장치(100)가 1차 코일의 전류가 변화하도록 제어하면, 전자 기기(200)는 2차 코일에 유도된 기전력을 이용하여 배터리와 같은 부하에 전원을 공급한다.
유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 무선 전력 전송 장치(100)와 전자 기기(200) 사이의 배치와 거리의 영향을 받게 되므로, 무선 전력 전송 장치(100)는 평평한 인터페이스 표면을 포함하도록 구성되고 인터페이스 표면의 하부에는 1차 코일이 장착되고, 인터페이스 표면 상부에 하나 이상의 전자 기기가 놓일 수 있다. 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 인터페이스 표면 상부에 위치한 2차 코일 사이 공간을 충분히 작게 함으로써 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 올릴 수 있다.
인터페이스 표면 상부에는 전자 기기가 놓일 위치를 지시하는 마크가 표시될 수 있는데, 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 2차 코일 사이의 배열이 적합하게 이루어지도록 하는 전자 기기의 위치를 지시할 수 있다. 전자 기기의 위치를 안내하기 위한 돌출 형태의 구조물이 인터페이스 표면 상부에 형성될 수도 있고, 인터페이스 표면 하부에 자석과 같은 자성체를 형성하여 전자 기기 내부에 마련된 다른 극의 자성체와의 인력에 의하여 1차 코일과 2차 코일이 잘 배열되도록 안내할 수도 있다.
도 3은 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이다.
무선 전력 전송 장치는 크게 전원 및 인버터와 공진 회로로 구성되는 전력 변환부를 포함하여 구성될 수 있는데, 전원은 전압원이나 전류원이 될 수 있고 전력 변환부는 전원으로부터 공급되는 전력을 무선 전력 신호로 변환하여 수신 장치에 전달한다. 무선 전력 신호는 공진 특성을 갖는 자기장 또는 전자기장 형태로 형성되고, 공진 회로는 무선 전력 신호를 발생시키는 코일을 포함한다.
인버터는 스위칭 소자와 제어 회로를 통해 직류 입력을 원하는 전압과 주파수의 교류 파형으로 변환하는데, 도 2에서는 풀 브리지(Full-bridge) 인버터를 도시한 것이고, 하프 브리지 인버터 등 다른 종류의 인버터도 가능하다.
공진 회로는 자기 유도 방식으로 전력을 전송할 1차 코일(Lp)과 커패시터(Cp)를 포함하여 구성되는데, 코일과 커패시터가 전력 전송의 기본 공진 주파수를 결정한다. 1차 코일은 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성하고, 평판 형태 또는 솔레노이드 형태로 구현될 수 있다.
인버터에 의해 변환된 교류 전류가 공진 회로를 구동시킴으로써 1차 코일에 자기장이 형성되는데, 인버터가 공진 회로의 공진 주파수에 가까운 주파수의 교류를 생성하여 전송 장치의 전송 효율을 높일 수 있고, 인버터를 제어함으로써 전송 장치의 전송 효율을 변경할 수 있다.
도 4는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이다.
전력 변환부는 수신 장치의 수신 상태와 상관 없이 일방적으로 전력을 전송할 뿐이므로, 수신 장치의 상태에 맞도록 전력을 전송하기 위해서는 수신 장치로부터 수신 상태와 관련된 피드백을 받기 위한 구성이 무선 전력 전송 장치에 필요하다.
무선 전력 전송 장치(100)는 전력 변환부(110), 통신부(120), 제어부(130) 및 전원부(140)를 포함하여 구성될 수 있고, 무선 전력 수신 장치(200)는 전력 수신부(210), 통신부(220) 및 제어부(230)를 포함하여 구성될 수 있고 수신되는 전력이 공급될 부하(250)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전력 변환부(110)는, 도 2의 인버터와 공진 회로로 구성되고, 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
통신부(120)는, 전력 변환부(110)에 연결되어, 전송 장치(100)로부터 자기 유도에 따라 무선으로 전력을 수신하는 수신 장치(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호를 복조하여 전력 제어 메시지를 검출할 수 있다.
제어부(130)는, 통신부(120)가 검출하는 메시지를 기초로, 전력 변환부(110)의 동작 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정하고, 전력 변환부(110)를 제어하여 전력 변환부(110)가 메시지에 적합한 무선 전력 신호를 생성하도록 할 수 있다. 통신부(120)와 제어부(130)는 하나의 모듈로 구성될 수 있다.
전력 수신부(210)는, 전력 변환부(110)의 1차 코일에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 유도 기전력이 발생하는 2차 코일과 커패시터로 구성되는 매칭 회로를 포함하고, 2차 코일에 흐르는 교류 전류를 정류하여 직류 전류를 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다.
수신 장치의 통신부(220)는, 전력 수신부(210)에 연결되고, DC에서의 저항 부하 및/또는 AC에서의 용량성 부하를 조절하는 방식으로 전력 수신부의 부하를 조절함으로써, 전송 장치와 수신 장치 사이의 무선 전력 신호를 변화시켜 전력 제어 메시지를 전송 장치에 전송할 수 있다.
수신 장치의 제어부(230)는, 수신 장치에 포함된 각 구성 요소를 제어하는데, 전력 수신부(210)의 출력을 전류 또는 전압 형태로 측정하고, 이를 근거로 통신부(220)를 제어하여 무선 전력 전송 장치(100)에 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 메시지는 무선 전력 전송 장치(100)로 하여금 무선 전력 신호의 전달을 시작하거나 종료하도록 지시할 수 있고 또한 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 할 수 있다.
전송 장치의 전력 변환부(110)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 전력 수신부(210)에 의하여 수신되고, 수신 장치의 제어부(230)는 무선 전력 신호를 변조하도록 통신부(220)를 제어하는데, 제어부(230)는 통신부(220)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 변하도록 하는 변조 과정을 수행할 수 있다. 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량이 변하면 무선 전력 신호를 형성시키는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압도 바뀌고, 무선 전력 전송 장치(100)의 통신부(120)는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조 과정을 수행할 수 있다.
수신 장치의 제어부(230)는, 무선 전력 전송 장치(100)에게 전달하고자 하는 메시지를 포함하는 패킷을 생성하고 생성되는 패킷을 포함하도록 무선 전력 신호를 변조하고, 전송 장치의 제어부(130)는 통신부(120)를 통해 추출한 패킷을 디코딩 하여 전력 제어 메시지를 획득할 수 있는데, 수신 장치의 제어부(230)는 수신되는 파워를 조절하기 위하여 전력 수신부(210)를 통해 수신되는 전력량을 근거로 무선 전력 신호의 특성을 변경을 요청하는 메시지를 전송할 수 있다.
도 5는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이다.
전송 장치(100)의 전력 변환부(110)에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 수신 장치(200)의 전력 수신부(210)에서 전류가 유도되어 전력이 전송되고, 수신 장치의 제어부(230)는 원하는 제어 점, 즉 원하는 출력 전류 및/또는 전압을 선택하고, 전력 수신부(210)을 통해 수신되는 전력의 실제 제어 점을 결정한다.
수신 장치의 제어부(230)는 전력이 전송되는 동안 원하는 제어 점과 실제 제어 점을 이용하여 제어 에러 값을 계산하는데, 예를 들어 2개의 출력 전압 또는 전류의 차이를 제어 에러 값으로 취할 수 있다. 원하는 제어 점에 도달하기 위해 적은 전력이 요구되면, 예를 들어 마이너스 값이 되고, 원하는 제어 점에 도달하기 위해 더 많은 전력이 필요하면 플러스 값이 되도록 제어 에러 값을 결정할 수 있다. 수신 장치의 제어부(230)는 통신부(220)를 통해 전력 수신부(210)의 리액턴스를 시간에 따라 변경하는 방식으로 계산된 제어 에러 값을 포함하는 패킷을 생성하여 전송 장치(100)에 전송할 수 있다.
전송 장치의 통신부(120)는 수신 장치(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호에 포함되는 패킷을 복조하여 메시지를 검출하는데, 제어 에러 값을 포함하는 제어 에러 패킷을 복조할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 통신부(120)를 통해 추출한 제어 에러 패킷을 디코딩 하여 제어 에러 값을 얻고, 전력 변환부(110)에 실제로 흐르는 실제 전류 값과 제어 에러 값을 이용하여 수신 장치가 원하는 전력을 전송하기 위한 새로운 전류 값을 결정할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치로부터 제어 에러 패킷을 수신하는 과정으로부터 시스템이 안정화되면, 1차 코일에 흐르는 실제 전류 값이 새로운 전류 값이 되도록 새로운 동작 점, 즉 1차 코일에 인가되는 AC 전압의 크기, 주파수, 듀티 비 등이 새로운 값에 이르도록 전력 변환부(110)를 제어하고, 수신 장치가 추가로 제어 정보나 상태 정보를 통신할 수 있도록 새로운 동작 점을 계속 유지하도록 한다.
무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이 상호 작용은 선택(selection), 핑(ping), 식별/구성(identification & configuration) 및 파워 전송(power transfer)을 포함하여 4가지 단계로 이루어질 수 있다. 선택 단계는 전송 장치가 인터페이스 표면 위에 놓인 대상물을 발견하기 위한 단계이고, 핑 단계는 대상물이 수신 장치를 포함하는 지 여부를 확인하는 단계이고, 식별/구성 단계는 수신 장치에 전력을 보내기 위한 준비 단계로 수신 장치로부터 적절한 정보를 수신하고 이를 근거로 수신 장치와 전력 전송 계약(Power Transfer Contract)을 체결하고, 파워 전송 단계는 전송 장치와 수신 장치의 상호 작용으로 실제로 전력을 무선으로 수신 장치에 전송하는 단계이다.
핑 단계에서는, 수신 장치(200)가 1차 코일과 수신 코일의 자속 결합 정도를 가리키는 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet, SSP)을 공진 파형의 변조를 통해 전송 장치(100)에 전송하는데, 신호 강도 패킷(SSP)은 수신 장치에서 정류한 전압을 모니터링 하여 생성하는 메시지로서, 송신 장치(100)는 이를 수신 장치(200)로부터 수신하여 전력 전송을 위한 초기 구동 주파수를 선정하는 데 활용할 수 있다.
식별/구성 단계에서는, 수신 장치(200)의 버전, 제조사 코드, 장치 식별 정보 등을 포함하는 식별 패킷(Identification Packet), 수신 장치(200)의 최대 파워, 파워 전송 방법 등의 정보를 포함하는 구성 패킷(Configuration Packet) 등을 수신 장치(200)가 전송 장치(100)에 전송한다.
파워 전송 단계에서는, 수신 장치(200)가 전력 신호를 수신하는 동작 점과 파워 전송 계약에서 정한 동작 점과의 차이를 가리키는 제어 에러 패킷(Control Error Packet, CEP), 수신 장치(200)가 인터페이스 표면을 통해 수신하는 파워의 평균 값을 가리키는 수신 파워 패킷(Received Power Packet, RPP) 등을 수신 장치(200)가 전송 장치(100)에 전송한다.
수신 파워 패킷(RPP)은, 수신 장치의 전력 수신부(210)의 정류 전압, 부하 전류, 옵셋 전력 등을 감안한 수신 전력량 데이터로, 수신 장치(200)에 의해 전력을 수신 중에 계속하여 전송 장치(100)로 전송되고, 전송 장치(100)는 이를 수신하여 전력 제어를 위한 연산 인자로 사용한다.
전송 장치의 통신부(120)는 각각 공진 파형의 변화로부터 패킷을 추출하고, 제어부(130)는 추출되는 패킷을 디코딩 하여 메시지를 얻고 이를 기초로 전력 변환부(110)를 제어하여 수신 장치(200)가 요청하는 대로 파워 전송 특성을 바꾸면서 전력을 무선으로 전송할 수 있다.
한편, 유도 결합에 의해 전력을 무선으로 전달 방식에서 그 효율은 주파수 특성에 따른 영향은 적으나, 전송 장치(100)와 수신 장치(200) 사이의 배열과 거리의 영향을 받게 된다.
무선 전력 신호가 도달할 수 있는 영역을 두 가지로 구분할 수 있는데, 전송 장치(100)가 수신 장치(200)에 무선으로 전력을 전달할 때 높은 효율의 자기장이 통과할 수 있는 인터페이스 표면의 부분을 활동 영역이라고 할 수 있고, 전송 장치(100)가 수신 장치(200)의 존재를 감지할 수 있는 영역을 감지 영역이라 할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치(200)가 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되거나 제거되었는지 여부에 대하여 감지할 수 있는데, 전력 변환부(110)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나 별도로 구비되는 센서에 의하여 수신 장치(200)가 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되었는지 여부를 검출할 수 있다.
예를 들어, 전송 장치의 제어부(130)는 감지 영역에 존재하는 수신 장치(200)로 인하여 무선 전력 신호가 영향을 받아 전력 변환부(110)의 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력의 특성이 변화하는지 여부를 모니터링 함으로써 수신 장치(200)의 존재를 검출할 수 있다. 전송 장치의 제어부(130)는 수신 장치(200)의 존재를 검출한 결과에 따라 수신 장치(200)를 식별하는 과정을 수행하거나 무선 전력 전송을 시작할 것인지 여부 등을 결정할 수 있다.
전송 장치의 전력 변환부(110)는 위치 결정부를 더 포함할 수 있는데, 위치 결정부는 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 높이기 위하여 1차 코일을 이동 또는 회전시킬 수 있고, 특히 수신 장치(200)가 전송장치(100)의 활동 영역 내에 존재하지 않는 경우에 사용될 수 있다.
위치 결정부는 전송 장치(100)의 1차 코일과 수신 장치(200)의 2차 코일의 중심간 거리가 일정 범위 이내가 되도록 1차 코일을 이동시키거나 1차 코일과 수신 코일의 중심이 중첩되도록 1차 코일을 이동시키는 구동부를 포함하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 전송 장치(100)는 수신 장치(200)의 위치를 감지하기 위한 센서나 감지부를 더 구비할 수 있고, 전송 장치의 제어부(130)는 감지부의 센서로부터 수신하는 수신 장치(200)에 대한 위치 정보를 기초로 위치 결정부를 제어할 수 있다.
또는, 전송 장치의 제어부(130)는 통신부(120)를 통하여 수신 장치(200)와의 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 수신하고 이를 기초로 위치 결정부를 제어할 수도 있다.
또한, 전송 장치(100)는 둘 이상 복수의 1차 코일을 포함하도록 형성되어 복수의 1차 코일 중에서 수신 장치(200)의 수신 코일과 적합하게 배열되는 일부의 코일을 선택적으로 이용하여 전송 효율을 높일 수 있는데, 이 경우 위치 결정부는 복수의 1차 코일 중에서 어느 것이 전력 전달을 위하여 사용될 것인지 결정할 수 있다.
활동 영역을 통과하는 자기장을 형성시키는 단일 1차 코일 또는 하나 이상의 1차 코일들의 조합을 주요 셀(primary cell)로 지칭할 수 있는데, 전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치(200)의 위치를 감지하고 이를 기초로 활동 영역을 결정하고, 활동 영역에 대응되는 주요 셀을 구성하는 전송 모듈을 연결하고 해당 전송 모듈의 1차 코일과 수신 장치(200)의 2차 코일이 유도 결합될 수 있도록 제어할 수 있다.
한편, 수신 장치(200)는 스마트 폰 또는 멀티미디어 재생 단말을 포함하는 스마트 폰이나 스마트 기기와 같은 전자 기기 내에 내장되고, 전자 기기가 전송 장치(100)의 인터페이스 표면 위에 수직이나 수평 방향으로 일정하지 않은 방향이나 위치로 놓이게 되므로, 전송 장치는 넓은 활동 영역을 필요로 한다.
활동 영역을 넓히기 위하여 복수 개의 1차 코일을 사용할 경우, 1차 코일 개수만큼 구동 회로가 필요하고 복수 개의 1차 코일에 대한 제어가 복잡해지므로, 제품화할 때 전송 장치 즉 무선 충전기의 비용 증가가 발생한다. 또한, 활동 영역을 확대하기 위하여 전송 코일의 위치를 바꾸는 방식을 적용하는 경우에도 1차 코일의 위치를 옮기기 위한 이송 메커니즘을 구비해야 하므로, 부피와 무게가 커지고 제작 비용이 많아지는 문제가 있다.
위치가 고정된 하나의 1차 코일을 가지고도 활동 영역을 확장하는 방법이 있다면 효과적이지만, 단순하게 1차 코일의 크기를 키운다면 1차 코일의 단위 면적당 자속 밀도가 떨어지고 송수신 코일 사이에 자기 결합력이 약해져 기대하는 만큼 활동 영역이 증가하지도 않고 전송 효율도 떨어지게 된다.
이와 같이, 활동 영역의 확대와 전송 효율의 향상을 위하여 1차 코일의 적절한 형상과 크기를 결정하는 것이 중요하다. 둘 이상의 1차 코일을 채용하는 다중 코일 방식이 무선 전력 전송 장치의 활동 영역을 확대하는 방법으로 효과적이다.
도 6은 종래 3개의 전송 코일을 사용하는 다중 코일 방식의 무선 전력 전송 장치의 코일 배치를 조감도와 평면도로 도시한 것이다.
무선 충전 영역을 넓히기 위해 여러 개의 전송 코일을 배치하는데, 무선 충전 영역에 놓인 수신 장치가 전력을 수신하지 못하는 데드존(Dead zone)이 없도록 하기 위해, 종래에는 도 6과 같이, 예를 들어 3개의 전송 코일(Tx Coil #1, Tx Coil #2, Tx Coil #3)을 x 방향으로 나열하고, 가운데의 제2 전송 코일(Tx Coil #2)의 왼쪽 외곽과 오른쪽 외곽이 각각 제1 전송 코일(Tx Coil #1)과 제3 전송 코일(Tx Coil #3)의 외곽과 겹치도록 배치한다.
도 6에서 무선 전력 전송 장치의 위쪽에 전력 수신 장치의 수신 코일(Rx Coil)이 놓이기 때문에, 바깥 쪽에 배치된 제1 전송 코일(Tx Coil #1)과 제3 전송 코일(Tx Coil #3)을 아래에 배치하고, 가운데에 배치된 제2 전송 코일(Tx Coil #2)을 그 위에 배치하여, 제2 전송 코일(Tx Coil #2)이 수신 코일(Rx Coil)과 가장 가깝게 되도록 한다.
도 7은 멀티 레이어 구조를 적용한 종래 다중 코일의 단면을 도시한 것으로, 2개의 코일이 겹치는 부분만을 확대하여 도시한 것이다. 도 7에서 (a)는 각 코일을 4개의 층으로 적층한 구조이고, (b)는 각 코일을 2개 층으로 적층한 구조이고, (c)는 각 코일이 하나의 층으로만 이루어진 경우이다.
수백 kHz급 고주파로 전력을 전송할 때, 코일 단선에 발생하는 표피 효과를 고려하여, 도 7과 같이 다층 구조로 코일을 제작하여 교류 저항 성분을 낮추려는 시도가 있는데, 도 7에서 가장 높은 위치의 코일 층과 아래 기판(예를 들어, 페라이트 시트나 차폐 시트 또는 이들을 적층하여 형성된 기판) 사이의 간격(ta)은 모두 같다.
예를 들어, 100kHz로 동작하는 경우, 표피 효과로 인한 표피 효과 깊이(Skin Effect Depth)는 200m으로, 해당 두께 이상은 전류가 흐르지 않으므로, 400m 두께의 동박을 다층(멀티 레이어) 구조로 구현하는 것이 교류 저항을 줄이는 면에서 유리할 수 있다.
그러나, 충전 영역을 넓히기 위해 일부 외곽이 겹치도록 하는 구조로 전송 코일들을 배치할 때, 종래 전력 전송 장치는, 도 7과 같이, 전력 전송 장치의 외곽에 위치하는 제1 및 제3 전송 코일(Tx Coil #1 & Tx Coil #3)을 먼저 멀티 레이어로 적층한 후에 전력 전송 장치의 가운데에 위치하는 제2 전송 코일(Tx Coil #2)을 그 위에 멀티 레이어로 적층한다. 즉, 종래 전력 전송 장치는, 이웃하는 두 전송 코일이 중첩되는 영역에서 하나의 전송 코일을 다른 전송 코일 위에 적층하는 순차 적층 구조를 다중 코일의 적층 구조로 채택하였다.
이에 따라, 아래 배치된 제1 또는 제3 전송 코일(Tx Coil #1 또는 Tx Coil #3)과 수신 코일 사이의 자기 결합도 kr1 또는 kr3과 상대적으로 위에 배치된 제2 전송 코일(Tx Coil #2)과 수신 코일 사이의 자기 결합도인 kr2과 차이가 발생하는데, kr2 > kr1 = kr3 관계가 성립한다.
전송 코일과 수신 코일 사이 자기 결합도가 전송 효율을 결정하는 주요 인자이기 때문에, 순차 적층 구조의 다중 코일 방식의 무선 전력 전송 장치는, 제2 전송 코일(Tx Coil #2) 부근 영역에서는 전송 효율이 높은 반면, 제1 또는 제3 전송 코일(Tx Coil #1 또는 Tx Coil #3) 부근 영역에서는 상대적으로 전송 효율이 낮게 된다.
본 발명에서는, 다중 코일 방식의 전력 전송 장치에서 교류 저항을 줄이기 위해 각 전송 코일을 멀티 레이어로 적층할 때, 서로 인접하여 외곽이 중첩되는 둘 이상의 전송 코일을 교차 방식으로 적층하여, 각 전송 코일과 수신 코일 사이의 자기 결합도 차이를 줄일 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 교차 적층한 다중 코일의 단면을 순차 적층한 다중 코일의 단면과 비교하여 도시한 것으로, (a)는 이웃하는 두 멀티 레이어 전송 코일을 순차 적층한 구조이고, (b)는 본 발명에 따라 이웃하는 두 멀티 레이어 전송 코일을 교차 적층한 구조이다.
전송 코일을 순차 적층하면, 아래에 적층되는 전송 코일은 수신 코일과의 거리가 위에 적층되는 전송 코일보다 멀기 때문에, 수신 코일과의 자기 결합도가 낮을 수 밖에 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 각 전송 코일을 레이어마다 서로 교차하여 적층함으로써, 각 전송 코일과 수신 코일의 거리의 편차를 줄이고, 자기 결합도의 차이도 줄일 수 있다.
도 8의 (b)에서, 제1 전송 코일(Tx Coil #1)의 첫 번째 레이어를 기판 위에 형성하고, 제2 전송 코일(Tx Coil #2)의 첫 번째 레이어를 제1 전송 코일(Tx Coil #1)의 첫 번째 레이어 위에 형성하고, 다시 제1 전송 코일(Tx Coil #1)의 두 번째 레이어를 제2 전송 코일(Tx Coil #1)의 첫 번째 레이어 위에 형성하고, 다시 제2 전송 코일(Tx Coil #2)의 두 번째 레이어를 제1 전송 코일(Tx Coil #1)의 두 번째 레이어 위에 형성하는 방식으로, 제1 전송 코일(Tx Coil #1)과 제2 전송 코일(Tx Coil #2)을 교차 적층할 수 있다.
도 9는 수신 코일이 이동할 때 각 전송 코일과 수신 코일의 결합 계수의 변화를 그래프로 도시한 것이고, 도 10은 송신 코일과 수신 코일 사이 최대 결합 계수를 도시한 것이다.
도 8의 (b)와 같이, 다중 전송 코일 각각을 멀티 레이어로 적층하되 인접하는 2 전송 코일의 각 레이어를 서로 교차하여 적층하고, 수신 코일을 x방향으로 이동시키면서 각 송신 코일과 수신 코일의 자기 결합도는 도 9와 같은데, kr1은 제1 전송 코일(Tx Coil #1)과 수신 코일(Rx Coil) 사이의 자기 결합도, kr2는 제2 전송 코일(Tx Coil #2)과 수신 코일(Rx Coil) 사이의 자기 결합도, kr3은 제3 전송 코일(Tx Coil #3)과 수신 코일(Rx Coil) 사이의 자기 결합도를 가리킨다.
전력 수신 장치는 3개의 전송 코일 중 수신 코일과 자기 결합도가 가장 높은 1개의 송신 코일과 결합하므로, 전력 수신 장치를 x 방향으로 이동시키면서 자기 결합도를 측정하면, 도 10과 같이 자기 결합도가 변하는 것을 확인할 수 있다. 자기 결합도의 변화율을 ?kr = kr2,max kr1,max로 정의할 때, 자기 결합도의 변화율이 도 10에 표시되어 있다.
코일의 두께가 12Oz이고 각 전송 코일이 단일 레이어인 구조를 12_1L, 코일의 두께가 6Oz이고 각 전송 코일의 레이어가 2개이고 순차 적층한 구조를 6_2LS, 코일의 두께가 6Oz이고 각 전송 코일의 레이어가 2개이고 이웃하는 전송 코일끼리 교차 적층한 구조를 6_2LA라 할 때, 3개의 구조에 대한 자기 결합도의 변화율은 각각 0.058, 0.046, 0.038로, 교차 적층한 구조가 자기 결합도의 변화율이 가장 우수한 것을 확인할 수 있다. 여기서, 1Oz는 35um를 가리킨다.
한편, 리츠(Litz) 전선을 감아 멀티 레이어의 전송 코일을 형성하는 경우, 제1 전송 코일(Tx Coil #1)의 전선을 1회전 감아 제1 전송 코일(Tx Coil #1)의 첫 번째 레이어를 형성하고, 제1 전송 코일(Tx Coil #1)의 첫 번째 레이어 위에 제2 전송 코일(Tx Coil #2)의 전선을 1회전 감아 제1 전송 코일(Tx Coil #1)의 첫 번째 레이어를 형성하고, 제2 전송 코일(Tx Coil #1)의 첫 번째 레이어 위에 제1 전송 코일(Tx Coil #1)의 전선을 다시 1회전 감아 제1 전송 코일(Tx Coil #1)의 두 번째 레이어를 형성하고, 제1 전송 코일(Tx Coil #1)의 두 번째 레이어 위에 제2 전송 코일(Tx Coil #2)의 전선을 다시 1회전 감아 제2 전송 코일(Tx Coil #2)의 두 번째 레이어를 형성할 수 있다.
또는, 멀티 레이어로 순차 적층되는 다중 코일을 다층 PCB (Printed Circuit Board) 제조 공정으로 제조할 수도 있다. 이 경우, 순차 적층되는 다중 코일의 각 레이어마다, 회로 인쇄, 에칭, 레지스트 박리, 절연층 적층, 비아 홀 가공의 공정을 수행하여 해당 레이어의 와이어를 형성하고, 접착제를 이용하여 각 레이어를 적층할 수 있다.
각 전송 코일, 예를 들어 제2 전송 코일(Tx Coil #2)을 멀티 레이어로 다층 PCB 공정으로 형성하되 각 레이어마다 전선의 형상과 크기를 같게, 예를 들어 같은 크기의 원형, 정사각형 또는 정삼각형으로 형성할 때, 각 레이어에 형성되는 전선은 다른 레이어의 전선과 연결, 즉 이전 레이어 및 다음 레이어와 직렬로 연결되어야 한다.
각 전송 코일의 각 레이어의 전선을 나선형 형상(또는 스파이럴 형상)으로 만드는 경우, 해당 레이어 전선의 안쪽 말단과 바깥쪽 말단을 통해 이전 레이어(또는 아래 레이어)와 다음 레이어(위 레이어) 또는 다음 레이어와 이전 레이어로 연결할 수 있다. 멀티 레이어의 전송 코일에서 각 레이어의 전선에 전류가 같은 방향으로 흘러야 하기 때문에, 짝수 레이어에서는 안쪽 말단을 통해 이전 레이어와 연결하고 바깥 쪽 말단을 통해 다음 레이어에 연결하고, 홀수 레이어에서는 바깥 쪽 말단을 통해 이전 레이어와 연결하고 안쪽 레이어를 통해 다음 레이어와 연결할 수 있다. 그 반대도 가능하다. 각 레이어에서 전선의 말단에 비아(Via)를 형성하여 이전 레이어 또는 다음 레이어와 연결할 수 있다.
한편, 전송 코일의 각 레이어를 나선형 형상으로 하지 않고 단일 폐곡선으로 형성하는 경우, 각 레이어의 전선은 이전 레이어와 다음 레이어에 직렬로 연결될 수 있도록 해당 전송 코일의 형상에 해당하는 폐곡선에서 일부 구간을 끊어 2개의 말단을 형성하고, 비아를 통해 2개의 말단 중 하나는 이전 레이어에 연결하고 다른 하나는 다음 레이어에 연결할 수 있다.
멀티 레이어의 전송 코일에 전류가 같은 방향으로 흘러야 하고 같은 모양의 전선이 형성되는 각 레이어가 위 및 아래 레이어와 직렬로 연결되어야 하기 때문에, 도 11과 같이 각 레이어에서 비아가 형성되는 2개의 말단(Td, Tu)의 위치를 레이어가 진행하면서 해당 전송 코일의 형상에 해당하는 폐곡선을 따라 같은 방향으로 두 말단 사이 간격만큼 이동시키거나, 또는 도 12와 같이 각 레이어에서 비아가 형성되는 2개의 말단(Td, Tu)의 위치를 고정하되 홀수 레이어와 짝수 레이어에서 폐곡선이 2 말단에 연결되는 방향을 교대로 다르게 할 수 있다.
도 11에서, 레이어가 제1 레이어에서 제2 레이어를 거쳐 제3 레이어로 진행할수록 2개의 말단이 형성되는 위치는 시계 방향으로 2개의 말단 사이의 간격만큼 이동하되, 이전 레이어(Layer #1)의 상향 말단(T1u)과 현재 레이어(Layer #2)의 하향 말단(T2d)의 위치가 같고 현재 레이어(Layer #2)의 상향 말단(T2u)과 다음 레이어(Layer #3)의 하향 말단(T3d)의 위치가 같다.
도 12에서는 각 레이어에서 2개의 말단의 위치는 같지만, 상향 말단(Tu)과 하향 말단(Td)이 홀수 레이어와 짝수 레이어에서 서로 바뀌고 전선이 상향 말단과 하향 말단에 연결되는 방향이 홀수 레이어와 짝수 레이어에서 서로 달라진다. 제1 및 제3 레이어(Layer #1 & #3), 즉 홀수 레이어에서, 하향 말단(Td)은 원형의 폐곡선의 바깥에 위치하고 원의 아래 부분에서 연결되고, 상향 말단(Tu)은 원형의 폐곡선의 안쪽에 위치하고 원의 위 부분에서 연결된다. 또한, 제2 레이어(Layer #2), 즉 짝수 레이어에서, 하향 말단(Td)은 원형의 폐곡선의 안쪽에 위치하고 원의 아래 부분에서 연결되고, 상향 말단(Tu)은 원형의 폐곡선의 바깥에 위치하고 원의 위 부분에서 연결된다.
도 13은 멀티 레이어로 적층하되 이웃하는 전송 코일과 교차 적층한 다중 코일을 구비하는 충전기의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 13의 충전기(300)는, 유도 전력을 제공하는 무선 전력 송신 장치를 포함하고, 상면에 충전 대상인 수신 장치를 포함하는 전자 기기가 놓이고 동작 영역을 갖는 안착 면이 형성될 수 있고, 안착 면에 전자 기기가 놓이면 충전기가 이를 감지하여 무선 충전을 시작할 수 있다.
충전기(300)는 전면 케이스(311)와 후면 케이스(312) 사이에 도 8과 같이 교차 적층되는 멀티 레이어의 다중 전송 코일(320)이 장착될 수 있고, 다중 전송 코일(320)의 아래에 차폐부(330)가 형성될 수 있다. 즉, 차폐부(330)는, 충전기(300)의 후면 케이스(312)와 다중 전송 코일(320)의 사이에 형성될 수 있고, 다중 전송 코일(320)의 외곽을 기준으로 적어도 일부가 초과하도록 형성될 수 있다.
차폐부(330)는, 다중 전송 코일(320)의 동작에 의해 회로 기판(미도시)에 장착된 마이크로 프로세서, 메모리 등의 소자가 전자기적인 영향을 받거나 회로 기판에 장착된 소자들의 동작에 의해 다중 전송 코일(320)이 전자기적인 영향을 받는 것을 방지할 수 있는데, 도금이 필요 없는 스테인레스나 티타늄 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 다중 전송 코일(320)과 회로 기판(미도시) 사이에 페라이트 시트(미도시)가 마련되어, 다중 전송 코일(320)이나 회로 기판에서 발생하는 와전류(Eddy current) 등의 전자파 장애가 다른 부품에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.
충전기(300)는, 다중 전송 코일을 포함하는 전력 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등이 하나의 몸체에 구비되는 구조로 형성되거나 또는 다중 전송 코일(320)과 차폐부(330)가 장착되는 제1 몸체 및 제1 몸체와 연결되어 다중 전송 코일(320)의 동작을 제어하기 위한 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등을 포함하는 제2 몸체로 분리되어 구성될 수 있다.
또한, 충전기(300)의 몸체에는 디스플레이나 스피커와 같은 출력부, 사용자 입력부, 전원을 공급하기 위한 소켓이나 외부 기기가 결합되는 인터페이스 등이 배치될 수 있다. 디스플레이는 전면 케이스(311)의 상면에 형성될 수 있고, 사용자 입력부와 소켓 등은 몸체 측면에 배치될 수 있다.
따라서, 무선 전력 수신 장치가 충전기의 충전 영역 내 어느 위치에 놓이더라도 충전 효율의 큰 변화 없이 전력 전송 장치가 전력을 전송할 수 있게 된다.
본 발명은 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 무선 전력 전송 장치 110: 전력 변환부
120: 통신부 130: 제어부
140: 전원부 200: 무선 전력 수신 장치(전자 기기)
210: 전력 수신부 220: 통신부
230: 제어부 250: 충전부
300: 충전기 311: 전면 케이스
312: 후면 케이스 320: 다중 전송 코일
330: 차폐부

Claims (8)

  1. 멀티 레이어로 적층되는 제1 전송 코일; 및
    멀티 레이어로 적층되고 상기 제1 전송 코일과 외곽이 중첩되는 제2 전송 코일을 포함하여 구성되고,
    상기 제1 전송 코일과 상기 제2 전송 코일의 각 레이어는 서로 교차하도록 적층되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 다중 코일.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전송 코일의 각 레이어가 다층 PCB 제조 공정으로 제조되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 다중 코일.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전송 코일의 각 레이어는 상기 다층 PCB 제조 공정에서 회로 인쇄, 에칭 및 레지스트 박리 공정을 통해 나선형 형상의 전선으로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 다중 코일.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전송 코일의 각 레이어는 상기 나선형 형상의 전선의 안쪽 말단과 바깥쪽 말단에 형성된 비아를 통해 이전 레이어와 다음 레이어와 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 다중 코일.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전송 코일의 짝수 레이어에서 상기 나선형 전선의 안쪽 말단은 상기 이전 레이어와 연결되고 상기 나선형 전선의 바깥쪽 말단은 상기 다음 레이어와 연결되고, 상기 제1 및 제2 전송 코일의 홀수 레이어에서 상기 나선형 전선의 안쪽 말단은 상기 다음 레이어와 연결되고 상기 나선형 전선의 바깥쪽 말단은 상기 이전 레이어와 연결되거나, 또는
    상기 제1 및 제2 전송 코일의 짝수 레이어에서 상기 나선형 전선의 바깥쪽 말단은 상기 이전 레이어와 연결되고 상기 나선형 전선의 안쪽 말단은 상기 다음 레이어와 연결되고, 상기 제1 및 제2 전송 코일의 홀수 레이어에서 상기 나선형 전선의 바깥쪽 말단은 상기 다음 레이어와 연결되고 상기 나선형 전선의 안쪽 말단은 상기 이전 레이어와 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 다중 코일.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전송 코일의 각 레이어는 상기 다층 PCB 제조 공정에서 회로 인쇄, 에칭 및 레지스트 박리 공정을 통해 일부 구간이 끊어져 2개의 말단이 형성된 단일 폐곡선 형상의 전선으로 형성되고, 상기 2개의 말단 중 하나는 비아를 통해 이전 레이어와 연결되고 다른 하나는 비아를 통해 다음 레이어에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 다중 코일.
  7. 제 6항에 있어서,
    각 레이어에서 상기 2개의 말단의 위치가 레이어가 진행할수록 상기 폐곡선 형상을 따라 같은 방향으로 상기 2개의 말단 사이의 간격만큼 이동하거나, 또는
    각 레이어에서 상기 2개의 말단의 위치가 같고 상기 폐곡선 형상의 전선이 상기 2개의 말단에 연결되는 방향이 홀수 레이어와 짝수 레이어에서 교대로 다른 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 다중 코일.
  8. 교류 전류에 의해 자기장을 변화시키되, 멀티 레이어로 적층되는 제1 전송 코일과 멀티 레이어로 적층되고 상기 제1 전송 코일과 외곽이 중첩되는 제2 전송 코일을 포함하여 구성되는, 다중 전송 코일;
    상기 전송 코일에서 발생하는 자기장의 전파를 제한하기 위한 차폐부; 및
    상기 전송 코일과 차폐부를 감싸는 케이스를 포함하여 구성되고,
    상기 다중 전송 코일은 멀티 레이어로 적층되는 제1 전송 코일과 멀티 레이어로 적층되고 상기 제1 전송 코일과 외곽이 중첩되는 제2 전송 코일을 포함하여 구성되고,
    상기 제1 전송 코일과 상기 제2 전송 코일의 각 레이어는 서로 교차하도록 적층되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022050567A1 (ko) * 2020-09-04 2022-03-10 삼성전자 주식회사 차폐 부재를 포함하는 무선 전력 송신 장치
US12057620B2 (en) 2020-10-12 2024-08-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Electronic device and method for increasing antenna efficiency of electronic device

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11063480B2 (en) * 2019-05-28 2021-07-13 Aira, Inc. Adaptive passive Ping
JP6729919B1 (ja) * 2019-08-08 2020-07-29 株式会社レーザーシステム 共振装置、電力伝送装置、及び電力伝送方法
US11521792B2 (en) * 2019-09-16 2022-12-06 Utah State University Wireless power transfer with active field cancellation using multiple magnetic flux sinks
CN113131621A (zh) * 2020-01-14 2021-07-16 北京小米移动软件有限公司 无线充电方法及装置、终端设备、充电系统、存储介质
CN111508695B (zh) * 2020-07-01 2020-10-23 深圳赫兹创新技术有限公司 一种无线充电线圈组件及无线电能传输装置
US20220068540A1 (en) * 2020-08-28 2022-03-03 Waymo Llc Strain Relief Mounting Surface For Ferrite Cores
CN113036938A (zh) * 2021-03-09 2021-06-25 奇瑞商用车（安徽）有限公司 一种电动汽车可调控的无线充电系统
US11565594B2 (en) * 2021-05-27 2023-01-31 Ford Global Technologies, Llc Vehicle and battery charging system for a vehicle
CN114825565B (zh) * 2022-04-19 2024-04-19 湖北工业大学 一种电动汽车动态无线充电系统的发射单元设计方法
KR20240017685A (ko) * 2022-08-01 2024-02-08 엘지전자 주식회사 평판형 코일

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008205216A (ja) * 2007-02-20 2008-09-04 Seiko Epson Corp 積層コイルユニット並びにそれを有する電子機器及び充電器
JP5390818B2 (ja) * 2008-09-19 2014-01-15 矢崎総業株式会社 ワイヤレス電力伝送装置の通信コイル構造
KR101262556B1 (ko) * 2011-10-14 2013-05-08 엘지이노텍 주식회사 무선전력 송신장치
JP2014087136A (ja) * 2012-10-22 2014-05-12 Sanyo Electric Co Ltd 無接点充電器
US9413175B2 (en) * 2013-06-03 2016-08-09 Lg Electronics Inc. Wireless charging system for transferring power to receivers having different standards using coils of differing shapes
US9779869B2 (en) * 2013-07-25 2017-10-03 International Business Machines Corporation High efficiency on-chip 3D transformer structure
JP6286800B2 (ja) * 2014-07-07 2018-03-07 住友電工プリントサーキット株式会社 プリント配線板、アンテナ及びワイヤレス給電装置
JP6405984B2 (ja) * 2014-12-19 2018-10-17 Tdk株式会社 検出コイル、給電コイル、及び、受電コイル
KR20170024944A (ko) * 2015-08-26 2017-03-08 엘지이노텍 주식회사 무선 전력 송신 장치
JP6622549B2 (ja) * 2015-10-15 2019-12-18 太陽誘電株式会社 コイル部品

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022050567A1 (ko) * 2020-09-04 2022-03-10 삼성전자 주식회사 차폐 부재를 포함하는 무선 전력 송신 장치
US12057620B2 (en) 2020-10-12 2024-08-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Electronic device and method for increasing antenna efficiency of electronic device

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