KR20200122047A - 무선충전코일 및 무선충전장치 - Google Patents

Abstract

무선충전코일은 복수의 턴으로 권선한 코일도선을 포함하는 코일부를 포함한다. 코일부는 서로 상이한 폭을 갖는 장축과 단축을 갖는 타원 형상을 가질 수 있다.
코일부의 장축에서의 외경은 63.5^±10%mm이고, 코일부의 장축에서의 내경은 30^±10%mm일 수 있다.
코일부의 단축에서의 외경은 54^±10%mm이며, 코일부의 단축에서의 내경은 17.5^±10%mm일 수 있다.

Description

무선충전코일 및 무선충전장치{Wireless charging coil and wireless charging device}

실시예는 무선충전코일 및 무선충전장치에 관한 것이다.

휴대폰, 노트북과 같은 휴대용 단말은 전력을 저장하는 배터리와 배터리의 충전 및 방전을 위한 회로를 포함한다. 이러한 단말의 배터리가 충전되려면, 외부의 충전기로부터 전력을 공급받아야 한다.

일반적으로 배터리에 전력을 충전시키기 위한 충전장치와 배터리 간의 전기적 연결방식의 일 예로, 상용전원을 공급받아 배터리에 대응하는 전압 및 전류로 변환하여 해당 배터리의 단자를 통해 배터리로 전기에너지를 공급하는 단자공급방식을 들 수 있다. 이러한 단자공급방식은 물리적인 케이블(cable) 또는 전선의 사용이 동반된다. 따라서 단자공급방식의 장비들을 많이 취급하는 경우, 많은 케이블들이 상당한 작업 공간을 차지하고 정리가 곤란하며 외관상으로도 좋지 않다. 또한 단자공급방식은 단자들간의 서로 다른 전위차로 인한 순간방전현상, 이물질에 의한 소손 및 화재 발생, 자연방전, 배터리의 수명 및 성능 저하 등의 문제점을 야기할 수 있다.

최근 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 무선으로 전력을 전송하는 방식을 이용한 충전시스템(이하 “무선충전시스템”이라 칭함.)과 제어방법들이 제시되고 있다. 또한, 무선충전시스템이 과거에는 일부 휴대용 단말에 기본 장착되지 않고 소비자가 별도 무선충전 수신기 액세서리를 별도로 구매해야 했기에 무선충전시스템에 대한 수요가 낮았으나 무선충전 사용자가 급격히 늘어날 것으로 예상되며 향후 단말 제조사에서도 무선충전 기능을 기본 탑재할 것으로 예상된다.

실시예는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

실시예의 다른 목적은 새로운 구조의 무선충전코일 및 무선충전장치를 제공한다.

실시예의 또 다른 목적은 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 무선충전코일 및 무선충전장치를 제공한다.

실시예의 또 다른 목적은 발열을 억제할 수 있는 무선충전코일 및 무선충전장치를 제공한다.

실시예의 또 다른 목적은 무선충전효율을 향상시킬 수 있는 무선충전코일 및 무선충전장치를 제공한다.

실시예의 또 다른 목적은 기구적인 제약 내에서 최적화의 배치 구조를 얻을 수 있는 무선충전코일 및 무선충전장치를 제공한다.

실시예의 또 다른 목적은 코일개수를 줄여 비용을 절감하고 구조를 단순화할 수 있는 무선충전코일 및 무선충전장치를 제공한다.

실시예의 또 다른 목적은 1개의 코일로 무선충전영역(충전면적)을 극대화할 수 있는 무선충전코일 및 무선충전장치를 제공한다.

실시예의 또 다른 목적은 무선전력수신기의 배치 위치에 관계없이 높은 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)을 얻을 수 있는 무선충전코일 및 무선충전장치를 제공한다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 실시예의 일 측면에 따르면, 무선충전코일은, 복수의 턴으로 권선한 코일도선을 포함하는 코일부를 포함한다. 상기 코일부는 서로 상이한 폭을 갖는 장축과 단축을 갖는 타원 형상을 가질 수 있다. 상기 코일부의 장축에서의 외경은 63.5^±10%mm이고, 상기 코일부의 장축에서의 내경은 30^±10%mm일 수 있다. 상기 코일부의 단축에서의 외경은 54^±10%mm이며, 상기 코일부의 단축에서의 내경은 17.5^±10%mm일 수 있다.

실시예의 다른 측면에 따르면, 무선충전장치는, 차폐재; 및 상기 차폐재 상에 배치되는 무선충전코일을 포함한다. 상기 무선충전코일은, 복수의 턴으로 권선한 코일도선을 포함하는 코일부를 포함한다. 상기 코일부는 서로 상이한 폭을 갖는 장축과 단축을 갖는 타원 형상을 가질 수 있다. 상기 코일부의 장축에서의 외경은 63.5^±10%mm이고, 상기 코일부의 장축에서의 내경은 30^±10%mm일 수 있다. 상기 코일부의 단축에서의 외경은 54^±10%mm이며, 상기 코일부의 단축에서의 내경은 17.5^±10%mm일 수 있다.

실시예에 따른 무선충전코일 및 무선충전장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 중공부가 최소의 면적을 갖고 복수로 권선된 코일도선에서 최외측의 코일도선이 최대의 면적을 갖도록 코일부를 타원 형상으로 설계함으로써, 싱글 무선충전코일만을 구비하고도 우수한 성능을 확보할 수 있어 비용을 획기적으로 줄일 수 있다는 장점이 있다.

실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 중공부가 최소의 면적을 갖고 복수로 권선된 코일도선에서 최외측의 코일도선이 최대의 면적을 갖도록 코일부를 타원 형상으로 설계함으로써, 코일도선에서 발생된 열이 신속히 방출되어 발열이 억제되어, 무선충전 중에도 무선전력수신기의 온도가 규격 온도 이하로 유지될 수 있어 제품에 대한 신뢰성이 증진될 수 있다는 장점이 있다.

실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 중공부가 최소의 면적을 갖고 복수로 권선된 코일도선에서 최외측의 코일도선이 최대의 면적을 갖도록 코일부를 타원 형상으로 설계함으로써, 무선전력송신기의 발열이 억제되어, 무선충전 중에도 무선전력수신기의 온도가 상온으로 유지되어 무선충전효율이 향상될 수 있다는 장점이 있다.

실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 코일부의 코일도선의 길이가 최대로 길어져 인덕턴스의 값이 증가되어 품질계수의 증가로 무선충전효율이 향상될 수 있다는 장점이 있다.

실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 기구적인 제약 내에서 타원형 코일로 권선되도록 최적화하여 최적의 코일 설계가 가능하다는 장점이 있다.

실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 기구적인 제약으로 인해 여러 개의 무선충전코일을 사용하는 대신에 싱글 무선충전코일을 사용함으로써, 구조가 단순해 조립 작업성이 향상될 수 있다는 장점이 있다.

실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 중공부가 최소의 면적을 갖고 복수로 권선된 코일도선에서 최외측의 코일도선이 최대의 면적을 갖도록 코일부를 타원 형상으로 설계함으로써, 싱글 무선충전코일로 무선충전영역을 극대화할 수 있다는 장점이 있다.

실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 중공부가 최소의 면적을 갖고 복수로 권선된 코일도선에서 최외측의 코일도선이 최대의 면적을 갖도록 코일부를 타원 형상으로 설계함으로써, 무선전력수신기의 배치 위치에 관계없이 높은 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

실시예의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 실시예의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른 무선전력송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2에 따른 무선전력송신기와 연동되는 무선전력수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 실시예에 따른 무선전력송신기의 분해사시도이다.
도 5는 실시예에 따른 무선충전코일을 도시한 평면도이다.
도 6은 실시예에 따른 무선충전코일을 도시한 배면도이다.
도 7은 비교예와 실시예에서의 무선전력수신기가 무선전력송신기에 배치되는 모습을 보여준다.
도 8은 도 7에서 무선전력수신기의 수신코일의 중심과 무선전력송신기의 송신코일의 중심이 일치되어 배치될 때의 충전 시간에 따른 온도 변화를 보여준다.
도 9는 도 7에서 무선전력수신기의 수신코일의 중심이 무선전력송신기의 송신코일의 중심으로부터 10mm 어긋나게 배치될 때의 충전 시간에 따른 온도 변화를 보여준다.
도 10은 비교예와 실시예에서의 무선충전영역을 보여준다.
도 11은 비교예와 실시예에서의 3차원 전력전송효율을 보여준다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “B 및(와) C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다. 그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우 뿐만아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다. 또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우 뿐만아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 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 충전 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 장치는 설명의 편의를 위해 무선전력수신기, 무선 전력 송신 장치, 무선전력수신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 전송기, 무선충전장치 등을 혼용하여 사용하기로 한다. 또한, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신 장치, 무선전력수신기, 무선 전력 수신 장치, 무선전력수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 단말 등이 혼용되어 사용될 수 있다.

실시예에 따른 무선충전장치는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 전송할 수도 있다.

일 예로, 무선전력수신기는 통상적으로 책상이나 탁자 위 등에서 놓여서 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 자동차용으로도 개발되어 적용되어 차량 내에서 사용될 수 있다. 차량에 설치되는 무선전력수신기는 간편하고 안정적으로 고정 및 거치할 수 있는 거치대 형태로 제공될 수 있다.

실시예에 따른 단말은 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 전동 칫솔, 전자 태그, 조명 장치, 리모콘, 낚시찌 등의 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 실시예에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 모바일 디바이스 기기(이하, "디바이스"라 칭함.)라면 족하고, 단말 또는 디바이스라는 용어는 혼용하여 사용될 수 있다. 다른 일 실시예에 따른 무선전력수신기는 차량, 무인 항공기, 에어 드론 등에도 탑재될 수 있다.

실시예에 따른 무선전력수신기는 적어도 하나의 무선 전력 전송 방식이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 무선전력수신기로부터 동시에 무선 전력을 수신할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 전송 방식은 상기 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 전력 전송 방식 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일반적으로, 무선 전력 시스템을 구성하는 무선전력수신기와 무선전력수신기는 인밴드 통신 또는 BLE(Bluetooth Low Energy) 통신을 통해 제어 신호 또는 정보를 교환할 수 있다. 여기서, 인밴드 통신, BLE 통신은 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식, 주파수 변조 방식, 위상 변조 방식, 진폭 변조 방식, 진폭 및 위상 변조 방식 등으로 수행될 수 있다. 일 예로, 무선전력수신기는 수신 코일을 통해 유도된 전류를 소정 패턴으로 ON/OFF 스위칭하여 궤환 신호(feedback signal)를 생성함으로써 무선전력수신기에 각종 제어 신호 및 정보를 전송할 수 있다. 무선전력수신기에 의해 전송되는 정보는 수신 전력 세기 정보를 포함하는 다양한 상태 정보를 포함할 수 있다. 이때, 무선전력수신기는 수신 전력 세기 정보에 기반하여 충전 효율 또는 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)을 산출할 수 있다.

<무선 충전 시스템>

도 1은 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 크게 무선으로 전력을 송출하는 무선 전력 송신단(10), 상기 송출된 전력을 수신하는 무선 전력 수신단(20) 및 수신된 전력을 공급 받는 전자기기(30)로 구성될 수 있다.

일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다. 다른 일예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작주파수와 상이한 별도의 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 대역외(Out-of-band) 통신을 수행할 수도 있다.

일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이에 교환되는 정보는 서로의 상태 정보뿐만 아니라 제어 정보도 포함될 수 있다. 여기서, 송수신단 사이에 교환되는 상태 정보 및 제어 정보는 후술할 실시예들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.

인밴드 통신 및 대역외 통신은 양방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지않으며, 다른 실시예에 있어서는 단방향 통신 또는 반이중 방식의 통신을 제공할 수도 있다.

일 예로, 단방향 통신은 무선 전력 수신단(20)이 무선 전력 송신단(10)으로만 정보를 전송하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 송신단(10)이 무선 전력 수신단(20)으로 정보를 전송하는 것일 수도 있다.

반이중 통신 방식은 무선 전력 수신단(20)과 무선 전력 송신단(10) 사이의 양방향 통신은 가능하나, 어느 한 시점에 어느 하나의 장치에 의해서만 정보 전송이 가능한 특징이 있다.

실시예에 따른 무선 전력 수신단(20)은 전자 기기(30)의 각종 상태 정보를 획득할 수도 있다. 일 예로, 전자 기기(30)의 상태 정보는 현재 전력 사용량 정보, 실행중인 응용을 식별하기 위한 정보, CPU 사용량 정보, 배터리 충전 상태 정보, 배터리 출력 전압/전류 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 전자 기기(30)로부터 획득 가능하고, 무선 전력 제어에 활용 가능한 정보이면 족하다.

<무선전력송신기>

도 2는 실시예에 따른 무선전력송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.

도 2를 참조하면 무선전력송신기(200)는 크게, 전력 변환부(210), 전력 전송부(220), 통신부(230), 제어부(240), 센싱부(250)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기한 무선전력송신기(200)의 구성은 반드시 필수적인 구성은 아니어서, 그보다 많거나 적은 구성 요소를 포함하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전력 변환부(210)는 전원부(260)로부터 전원이 공급되면, 이를 소정 세기의 전력으로 변환하는 기능을 수행할 수 있다.

이를 위해, 전력 변환부(210)는 전원부(260)로부터 공급된 전력을 무선 송신용 전력으로 변환할 수 있다.

전력 전송부(220)는 다중화기(221)(또는 멀티플렉서), 송신 코일(222)을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 전력 전송부(220)는 전력 전송을 위한 특정 동작주파수를 생성하기 위한 반송파 생성기(미도시)를 더 포함할 수도 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전력 전송부(220)는 전력변환부(210)의 출력 전력이 송신 코일에 전달되는 것을 제어하기 위한 다중화기(221)와 복수의 송신 코일(222)-즉, 제1 내지 제n 송신 코일-을 포함하여 구성될 수 있다.

실시예에 따른 제어부(240)는 복수의 무선전력수신기가 연결된 경우, 송신 코일 별 시분할 다중화를 통해 전력을 전송할 수도 있다. 예를 들어, 무선전력송신기(200)에 3개의 무선전력수신기-즉, 제1 내지 3 무선전력수신기-가 각각 3개의 서로 다른 송신 코일-즉, 제1 내지 3 송신 코일-을 통해 식별된 경우, 제어부(240)는 다중화기(221)를 제어하여, 특정 타임 슬롯에 특정 송신 코일을 통해 전력이 송출될 수 있도록 제어할 수 있다. 송신 코일 별 할당된 타임 슬롯의 길이에 따라 해당 무선전력수신기로 전송되는 전력의 양이 제어될 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 다른 일 예는 송신 코일 별 할당된 타임 슬롯 동안의 증폭기(212) 증폭률을 제어하여 무선전력수신기 별 송출 전력을 제어할 수도 있다.

제어부(240)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 제1 내지 제n 송신 코일(222)을 통해 감지 신호가 순차적으로 송출될 수 있도록 다중화기(221)를 제어할 수 있다.

또한, 제어부(240)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 복조부(232)로부터 어느 송신 코일을 통해 신호 세기 지시자(Signal Strength Indicator)가 수신되었는지를 식별하기 위한 소정 송신 코일 식별자 및 해당 송신 코일을 통해 수신된 신호 세기 지시자를 수신할 수 있다. 연이어, 제2차 감지 신호 송출 절차에서 제어부(240)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 신호 세기 지시자가 수신된 송신 코일(들)을 통해서만 감지 신호가 송출될 수 있도록 다중화기(221)를 제어할 수도 있다. 다른 일 예로, 제어부(240)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 신호 세기 지시자가 수신된 송신 코일이 복수개인 경우, 가장 큰 값을 갖는 신호 세기 지시자가 수신된 송신 코일을 제2차 감지 신호 송출 절차에서 감지 신호를 가장 먼저 송출할 송신 코일로 결정하고, 결정 결과에 따라 다중화기(221)를 제어할 수도 있다.

변조부(231)는 제어부(240)에 의해 생성된 제어 신호를 변조하여 다중화기(221)에 전달할 수 있다. 여기서, 제어 신호를 변조하기 위한 변조 방식은 FSK(Frequency Shift Keying) 변조 방식, 맨체스터 코딩(Manchester Coding) 변조 방식, PSK(Phase Shift Keying) 변조 방식, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식, 차등 2단계(Differential bi-phase) 변조 방식 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

복조부(232)는 송신 코일을 통해 수신되는 신호가 감지되면, 감지된 신호를 복조하여 제어부(240)에 전송할 수 있다. 여기서, 복조된 신호에는 신호 세기 지시자, 무선 전력 전송 중 전력 제어를 위한 오류 정정(EC: Error Correction) 지시자, 충전 완료(EOC: End Of Charge) 지시자, 과전압/과전류/과열 지시자 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선전력수신기의 상태를 식별하기 위한 각종 상태 정보가 포함될 수 있다.

또한, 복조부(232)는 복조된 신호가 어느 송신 코일로부터 수신된 신호인지를 식별할 수 있으며, 식별된 송신 코일에 상응하는 소정 송신 코일 식별자를 제어부(240)에 제공할 수도 있다.

일 예로, 무선전력송신기(200)는 무선 전력 전송에 사용되는 동일한 주파수를 이용하여 무선전력수신기와 통신을 수행하는 인밴드(In-Band) 통신을 통해 신호 세기 지시자를 획득할 수 있다.

또한, 무선전력송신기(200)는 송신 코일(222)을 이용하여 무선 전력을 송출할 수 있을 뿐만 아니라 송신 코일(222)을 통해 무선전력수신기와 각종 정보를 교환할 수도 있다. 다른 일 예로, 무선전력송신기(200)는 송신 코일(222)-즉, 제1 내지 제n 송신 코일)에 각각 대응되는 별도의 코일을 추가로 구비하고, 구비된 별도의 코일을 이용하여 무선전력수신기와 인밴드 통신을 수행할 수도 있음을 주의해야 한다.

이상이 도 2의 설명에서는 무선전력송신기(200)와 무선전력수신기가 인밴드 통신을 수행하는 것을 예를 들어 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 무선 전력 신호 전송에 사용되는 주파수 대역과 상이한 주파수 대역을 통해 근거리 양방향 통신을 수행할 수 있다. 일 예로, 근거리 양방향 통신은 저전력 블루투스 통신, RFID 통신, UWB 통신, 지그비 통신 중 어느 하나일 수 있다.

<무선전력수신기>

도 3은 도 2에 따른 무선전력송신기와 연동되는 무선전력수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.

도 3을 참조하면, 무선전력수신기(300)는 수신코일(310), 정류기(320), 직류/직류 변환기(DC/DC Converter, 330), 부하(340), 통신부(360), 주제어부(370)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 통신부(360)는 복조부(361) 및 변조부(362) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.

상기한 도 3의 예에 도시된 무선전력수신기(300)는 인밴드 통신을 통해 무선전력송신기와 정보를 교환할 수 있는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 다른 일 실시예에 따른 통신부(360)는 무선 전력 신호 전송에 사용되는 주파수 대역과는 상이한 주파수 대역을 통해 근거리 양방향 통신을 제공할 수도 있다.

수신코일(310)을 통해 수신되는 AC 전력은 정류부(320)에 전달할 수 있다. 정류기(320)는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 직류/직류 변환기(330)에 전송할 수 있다. 직류/직류 변환기(330)는 정류기 출력 DC 전력의 세기를 부하(340)에 의해 요구되는 특정 세기로 변환한 후 부하(340)에 전달할 수 있다. 또한 수신코일(310)은 복수의 수신코일(미도시)-즉, 제1 내지 제n 수신코일-을 포함하여 구성될 수 있다. 일 실시예에 따른 각각의 수신코일(미도시)에 전달되는 AC 전력의 주파수가 서로 상이할 수도 있고, 다른 일 실시예는 LC 공진 특성을 수신코일마다 상이하게 조절하는 기능이 구비된 소정 주파수 제어기를 이용하여 각각의 수신코일 별 공진주파수를 상이하게 설정할 수도 있다.

센싱부(350)는 정류기(320) 출력 DC 전력의 세기를 측정하고, 이를 주제어부(370)에 제공할 수 있다. 또는, 센싱부(350)는 무선 전력 수신에 따라 수신코일(310)에 인가되는 전류의 세기를 측정하고, 측정 결과를 주제어부(370)에 전송할 수도 있다.

일 예로, 센싱부(350)는 무선전력수신기(300)의 내부 온도를 측정하고, 측정된 온도 값을 주제어부(370)에 제공할 수도 있다.

일 예로, 주제어부(370)는 측정된 정류기 출력 DC 전력의 세기가 소정 기준치와 비교하여 과전압 발생 여부를 판단할 수 있다. 판단 결과, 과전압이 발생된 경우, 과전압이 발생되었음을 알리는 소정 패킷을 생성하여 변조부(362)에 전송할 수 있다. 여기서, 변조부(362)에 의해 변조된 신호는 수신코일(310) 또는 별도의 코일(미도시)을 통해 무선전력송신기에 전송될 수 있다. 또한, 주제어부(370)는 정류기 출력 DC 전력의 세기가 소정 기준치 이상인 경우, 감지 신호가 수신된 것으로 판단할 수 있으며, 감지 신호 수신 시, 해당 감지 신호에 대응되는 신호 세기 지시자가 변조부(362)를 통해 무선전력송신기에 전송될 수 있도록 제어할 수 있다. 다른 일 예로, 복조부(361)는 수신코일(310)과 정류기(320) 사이의 AC 전력 신호 또는 정류기(320) 출력 DC 전력 신호를 복조하여 감지 신호의 수신 여부를 식별한 후 식별 결과를 주제어부(370)에 제공할 수 있다. 주제어부(370)는 감지 신호에 대응되는 신호 세기 지시자가 변조부(362)를 통해 전송될 수 있도록 제어할 수 있다.

도 4는 실시예에 따른 무선전력송신기의 분해사시도이다.

실시예에 따른 무선전력송신기는 도 1에 도시된 무선전력송신기(10)이나 도 2에 도시된 무선전력송신기(200) 일 수 있다.

도 4를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력송신기는 제1 브라켓(400), 제1 기판(500), 제2 브라켓(600), 차폐재(605), 송신코일(610) 및 제2 기판(700)을 포함하여 구성될 수 있다. 상술한 무선전력송신기의 구성은 반드시 필수적인 구성은 아니어서, 그보다 많거나 적은 구성 요소를 포함하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.

제1 및 제2 기판(500, 700)은 인쇄회로기판(PCB) 또는 플렉서블 인쇄회로기판(FPCB)일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.

제1 브라켓(400)은 제2 브라켓(600)과 체결될 수 있다. 즉, 나사와 같은 볼트류를 이용하여 제1 브라켓(400)과 제2 브라켓(600)이 체결될 수 있다.

제1 기판(500)은 제1 브라켓(400) 상에 위치될 수 있다. 제1 기판(500)은 제1 브라켓(400) 및/또는 제2 브라켓(600)에 체결될 수 있다. 예컨대, 나사가 제1 브라켓(400)과 제1 기판(500)을 관통하여 제2 브라켓(600)에 체결될 수 있다.

제1 기판(500)의 하면에는 송신코일(610)을 구동하거나 제어하기 위한 각 종 회로부가 실장될 수 있다. 예컨대, 회로부로는 도 2에 도시된 다중화기(221), 무선충전통신부(230), 타이머(255), 센싱부(250), 제어부(240)가 있고, 도 3에 도시된 무선충전통신부(360), 주제어부(370), 센싱부(350)가 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.

제1 기판(500)은 리지드(rigid)한 사각 형상을 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 따라서, 제1 기판(500)은 상면에 배치되는 차폐재(605), 송신코일(610) 등을 지지할 수 있다. 또한, 제1 기판(500)의 면적은 송신코일(610)의 면적, 차폐재(605)의 면적 보다 클 수 있다. 제1 기판(500)의 일측에는 단자부(660)를 포함할 수 있다. 단자부를 이용하여 제1 기판(500)의 회로부는 송신코일(610) 및 제2 기판(700)의 회로부에 전기적으로 접속될 수 있다. 단자부는 복수의 핀이나 패드로 이루어질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.

차폐재(605)가 제1 기판(500)의 상면 상에 배치될 수 있다.

구체적으로, 차폐재(605)가 제1 기판(500)의 상면에 제2 기판(700)의 개구부(601) 내에 배치될 수 있다. 다른 예로, 차폐재(605)가 제2 기판(700)의 아래 그리고 제1 기판(500)의 상부에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 차폐재(605)의 면적은 제2 기판(700)의 개구부(601)의 면적보다 클 수 있다. 따라서, 차폐재(605)의 에지 영역은 제2 기판(700)의 프레임(603)과 중첩될 수 있다. 또 다른 예로, 차폐재(605)가 제2 기판(700)의 상부에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 차폐재(605)의 면적은 제2 기판(700)의 개구부(601)의 면적보다 클 수 있다. 따라서, 차폐재(605)의 에지 영역은 제2 기판(700)의 프레임(603)과 중첩될 수 있다.

송신코일(610)의 자기장을 충분히 차폐하기 위해 차폐재(605)의 면적은 송신코일(610)의 면적보다 클 수 있다.

차폐재(605) 상에 송신코일(610)이 배치될 수 있다. 송신코일(610)은 하나 이상의 송신코일(620 내지 640)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 송신코일(620 내지 640)은 무선전력송신기의 하나 이상의 송신코일이거나 무선전력수신기의 하나 이상의 수신코일일 수 있다. 또한, 송신코일(610)이 복수일 경우, 각각의 송신코일(620 내지 640)은 동일한 턴 수로 감겨있을 수 있다. 하지만, 이에 제한되는 것은 아니고 서로 다른 턴 수로 감겨 있을 수 있다. 또한, 복수의 송신코일(620 내지 640)은 동일한 인덕턴스를 구비할 수 있다. 하지만, 이에 제한되는 것은 아니고 서로 다른 인덕턴스를 구비할 수 있다. 또한, 복수의 송신코일(620 내지 640)은 하나 이상의 층으로 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 송신코일(620 내지 640)은 제1 내지 제3 송신코일(620 내지 640)을 포함할 수 있다. 제2 송신코일(630)과 제3 송신코일(640)은 동일한 층 즉, 제1 층에 서로 나란하게 배치될 수 있다. 이러한 경우, 제1 송신코일(620)은 제1 층과 상이한 제2 층에 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 송신코일(620)의 일부 영역은 제2 송신코일(630)의 일부 영역과 중첩되고 다른 영역은 제3 송신코일(640)의 일부 영역과 중첩되도록 배치될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.

이와 같이, 복수의 송신코일(620 내지 640)을 서로 다른 층에 배치하여 무선전력을 효율적으로 전달할 수 있도록 무선충전영역을 확장시킬 수 있다. 특히, 제1 송신코일(620)은 기판(400)과 동일한 층에 배치될 수 있다.

송신코일(610)은 외면에 절연 물질로 코팅되거나 절연층으로 피복될 수 있다.

차폐재(605)의 면적은 제1 내지 제3 송신코일(620 내지 640)의 배치 점유 면적보다 클 수 있다. 배치 점유 면적이라 함은 제1 내지 제3 송신코일(620 내지 640)이 차지하고 있는 총 면적일 수 있다. 따라서, 제1 내지 제3 송신코일(620 내지 640)에 의해 발생된 전자기장이 차폐재(605)에 의해 차폐되어 제1 기판(500)에 실장된 회로부나 외부에 영향을 주지 않을 수 있다.

차폐재(605)는 송신코일(610)의 하면에 배치될 수 있다. 차폐재(605)의 상면은 송신코일(610)의 하면, 구체적으로 제2 및 제3 송신코일(630, 640)의 하면에 접할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.

예컨대, 차폐재(605)의 상면과 제2 및 제3 송신코일(630, 640)의 하면 사이에는 접착제 또는 접착부재(미도시)가 배치되어 차폐재(605)에 제2 및 제3 송신코일(630, 640)이 고정될 수 있다. 차폐재(605)는 상부에 배치된 송신코일(610)에서 발생된 무선전력을 충전 방향으로 가이드 할 수 있고, 제1 기판(500)의 아래에 실장되는 각종 회로부를 전자기장으로부터 보호할 수 있다.

송신코일(610) 또는 제2 브라켓(600) 상에는 제2 기판(700)이 배치될 수 있다. 제2 기판(700)은 나사와 같은 볼트류를 이용하여 제2 브라켓(600)에 체결될 수 있다.

예컨대, 송신코일(610)이 제1 층에 배치되는 제2 및 제3 송신코일(630, 640)과 제1 층 위의 제2 층에 제1 송신코일(620)이 배치되는 경우, 제1 층과 제2 층의 전체 두께가 제2 브라켓(600)의 두께보다 클 수 있다. 이를 위해, 제2 브라켓(600)의 양단의 일부 영역은 상부로 돌출된 제1 및 제2 돌출부(602, 604)를 가질 수 있다. 따라서, 제2 기판(700)은 제2 브라켓(600)의 양단에 돌출된 제1 및 제2 돌출부에 체결됨으로써, 적어도 제1 송신코일(620)의 상면이 제2 기판(700)의 하면과 접촉되지 않게 되어, 제2 기판(700)의 하면과의 접촉으로 인한 제1 송신코일(620)의 파손을 방지할 수 있다.

제2 기판(700)의 상면에는 예컨대, 도 2 또는 도 3에 도시된 근거리통신부(270, 380)과 같은 회로부가 실장될 수 있다. 또한, 제2 기판(700)의 상면에는 무선통신코일(280, 390)이 패턴으로 배치될 수 있다. 무선통신코일(280, 390)은 적어도 1회 이상의 턴수를 가질 수 있다. 도시되지 않았지만, 무선통신코일(280, 390)의 양단은 비아홀을 통해 근거리통신부(270, 380)와 같은 회로부와 전기적으로 접속될 수 있다. 또한, 제2 기판(700)의 회로부는 예컨대, 케이블이나 버스라인을 이용하여 제1 기판(500)에 실장된 제어부(도 2의 240)나 주제어부(도 3의 370)에 전기적으로 접속될 수 있다.

한편, 예컨대 도 4에 도시된 무선전력송신기의 송신코일(610)은 서로 중첩되는 3개의 송신코일(610, 620, 630)을 포함할 수 있다. 3개의 송신코일의 전체 형상은 x축 방향(제1 방향)을 따라 장축을 가지고 y축 방향(제2 방향)을 따라 단축을 갖는 타원형 코일 구조를 가질 수 있다.

이는 송신코일의 기구적인 제약에 기인한다.

무선전력수신기, 예컨대 스마트폰이나 모바일폰에서 최적의 화면 사이즈를 구현하기 위해 디스플레이부가 직사각 형상을 가진다. 이에 따라, 무선전력수신기 또한 직사각 형상을 가지게 되고, 이러한 직사각 형상에 최적의 무선충전효율을 제공하기 위해 무선전력송신기 또한 직사각 형상을 가진다. 아울러, 무선전력송신기 또한 단순한 무선충전 기능 이외에 다양한 기능을 제공하기 위해 다수의 전자부품들이 실장되고, 이러한 전자부품들의 실장에 의해 무선충전코일이 실장되는 영역 또한 직사각 형상을 가진다.

따라서, 무선전력송신기의 직사각 형상의 점유 영역에 원 형상의 싱글 송신코일, 예컨대 제1 송신코일(620)이 구비되는 경우, 자기장은 고르게 퍼지기는 하지만 제1 송신코일(620)이 점유되지 않는 빈 영역이 존재하게 되고 이 빈 영역에서는 무선충전이 불가능하여 무선충전영역의 작아진다. 이에 따라, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 내지 제3 송신코일(620, 630, 640)이 구비되는 경우 무선충전영역이 커질 수 있다.

하지만, 3개의 송신코일(620, 630, 640)이 필요하므로 비용이 증가된다. 또한, 3개의 송신코일(620, 630, 640)이 서로 중첩되어 배치되므로, 3개의 송신코일(620, 630, 640)에 흐르는 전류에 의한 발열로 온도가 증가된다. 또한, 온도 증가로 인해 무선충전효율이 저하될 수 있다. 또한, 3개의 송신코일(620, 630, 640)을 장착해야 하므로, 기구적으로 복잡하고 공정 작업도 복잡하다. 또한, 3개의 송신코일(620, 630, 640) 서로 간에 최적의 배치를 위한 정렬(alignment)이 어렵고 이러한 정렬이 제대로 이루어지는 않는 경우 균등한 무전충전 영역의 확보가 어렵다.

도 5는 실시예에 따른 무선충전코일을 도시한 평면도이고, 도 6은 실시예에 따른 무선충전코일을 도시한 배면도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 실시예에 따른 무선충전코일(710)은 차폐재(800) 상에 배치될 수 있다.

실시예에 따른 무선충전코일(710)은 코일부(711)를 포함할 수 있다. 무선충전코일(710)은 대략 11.5μH일 수 있다.

코일부(711)는 코일도선(712), 제1 단자(713a), 제2 단자(713b) 및 연결부(717)를 포함할 수 있다.

코일도선(712)은 복수로 권선될 수 있다. 제1 단자(713a)는 코일도선(712)의 내측에 배치될 수 있다. 제1 단자(713a)는 코일도선(712)에 연결될 수 있다. 제2 단자(713b)는 코일도선(712)의 외측에 배치될 수 있다. 제2 단자(713b)는 코일도선(712)에 연결될 수 있다. 코일도선(712), 제1 단자(713a), 제2 단자(713b) 및 연결부(717)는 일체로 형성될 수 있다.

실시예에서, 코일부(711)는 예컨대, 타원 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 코일부(711)는 x축 방향(제1 방향)을 따라 장축을 가지고, y축 방향(제2 방향)을 따라 단축을 가질 수 있다. 따라서, 제1 방향은 장축방향으로 지칭되고, 제2 방향은 단축방향으로 지칭될 수 있다.

실시예에서, 코일부(711)의 제1 방향의 내경(D1_in)은 30^±10%mm일 수 있다. 예컨대, 코일도선(712)의 제1 방향의 내경(D1_in)은 30^±10%mm일 수 있다. 예컨대, 코일부(711)의 제1 방향의 내경(D1_in)은 30^±1.0mm일 수 있다.

실시예에서, 코일부(711)의 제1 방향의 외경(D1_out)은 63.5^±10%mm일 수 있다. 예컨대, 코일도선(712)의 제1 방향의 외경(D1_out)은 63.5^±10%mm일 수 있다. 예컨대, 코일부(711)의 제1 방향의 외경(D1_out)은 63.5^±1.0mm일 수 있다.

실시예에서, 코일부(711)의 제2 방향의 내경(D2_in)은 17.5^±10%mm일 수 있다. 예컨대, 코일도선(712)의 제2 방향의 내경(D2_in)은 17.5^±10%mm일 수 있다. 예컨대, 코일부(711)의 제2 방향의 내경(D2_in)은 17.5^±1.0mm일 수 있다.

실시예에서, 코일부(711)의 제2 방향의 외경(D2_out)은 54^±10%mm일 수 있다. 예컨대, 코일도선(712)의 제2 방향의 외경(D2_out)은 54^±10%mm일 수 있다. 예컨대, 코일부(711)의 제2 방향의 외경(D2_out)은 54^±1.0mm일 수 있다.

실시예에서, 코일도선(712), 제1 단자(713a), 제2 단자(713b) 및 연결부(717)는 리츠(Litz) 와이어나 USTC 와이어일 수 있다. 리츠 와이어나 USTC는 복수의 도전라인을 포함할 수 있다. 각 도전라인의 외측면은 절연 물질이 코팅되거나 절연층으로 피복될 수 있다. 인접하는 도전라인은 서로 접할 수 있다. 복수의 도전라인의 전체 외측면은 절연층으로 피복될 수 있다.

실시예에서, 코일도선(712)는 예컨대, 105가닥의 도전라인을 포함할 수 있다. 각 도전라인의 직경은 예컨대, 0.08mm일 수 있다.

실시예에서, 코일부(711)는 예컨대 12턴(turns)을 가질 수 있다. 코일부(711)의 코일도선(712)은 예컨대 12턴을 가질 수 있다. 예컨대, 리츠와이어나 USTC가 반시계방향(또는 시계방향)을 따라 12회 권선되어 타원 형상의 코일도선(712)을 포함하는 코일부(711)가 제조될 수 있다.

실시예에 따른 무선충전코일(710)은 중공부(714)를 가질 수 있다. 중공부(714)는 코일도선(712)이 존재하지 않는 빈 영역일 수 있다. 중공부(714)에 인접하는 코일도선(712)의 일측에 제2 단자(711b)가 위치될 수 있다.

실시예에서, 코일도선(712)의 내측과 코일도선(712)의 외측에서의 형상이 상이할 수 있다.

대각선 방향을 따라 위치하는 가상의 제1 대각선(751)과 제2 대각선(752)이 서로 교차함으로써, 코일부(711)는 제1 코일영역(761), 제2 코일영역(762), 제3 코일영역(763) 및 제4 코일영역(764)으로 구획될 수 있다.

제1 코일영역(761)은 중공부(714)의 하측에 위치되고, 제2 코일영역(762)은 중공부(714)의 중공부(714)의 상측에 위치되고, 제3 코일영역(763)은 중공부(714)의 좌측에 위치되며, 제4 코일영역(764)은 중공부(714)의 우측에 위치될 수 있다.

일 예로, 제1 코일영역(761)은 직선으로 배치되고, 제1 코일영역(761)과 마주보는 제2 코일영역(762)은 직선으로 배치될 수 있다. 예컨대, 제3 코일영역(763)은 곡선으로 배치되고, 제3 코일영역(763)과 마주보는 제4 코일영역(764)은 곡선으로 배치될 수 있다.

다른 예로, 제1 코일영역(761)은 곡선으로 배치되고, 제1 코일영역(761)과 마주보는 제2 코일영역(762)은 곡선으로 배치될 수 있다. 예컨대, 제3 코일영역(763)은 곡선으로 배치되고, 제3 코일영역(763)과 마주보는 제4 코일영역(764)은 곡선으로 배치될 수 있다. 이러한 경우, 제1 코일영역(761)의 곡률 반경과 제2 코일영역(762)의 곡률 반경은 동일하고, 제3 코일영역(763)의 곡률 반경과 제4 코일영역(764)의 곡률 반경은 동일할 수 있다. 또한, 제1 코일영역(761) 또는 제2 코일영역(762)의 곡률 반경은 제3 코일영역(763) 또는 제4 코일영역(764)의 곡률 반경보다 클 수 있다.

보다 구체적으로, 제1 코일영역(761)에 제1 단자(713a), 제2 단자(713b) 및 연결부(717)가 인접하여 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 단자(713a)는 제1 코일영역(761)의 내측에 배치될 수 있다. 예컨대, 제2 단자(713b)는 제1 코일영역(761)의 외측에 배치될 수 있다. 예컨대, 연결부(717)는 제1 코일영역(761)에 중첩되어 배치될 수 있다. 제2 코일영역(762)은 제1 코일영역(761)과 마주보는 영역일 수 있다. 제3 코일영역(763)과 제4 코일영역(764)은 서로 마주보도록 위치될 수 있다.

제1 코일영역(761)과 제2 코일영역(762)은 코일도선(712)의 내측으로부터 외측을 따라 곡률 반경이 작아질 수 있다. 예컨대, 제1 코일영역(761)과 제2 코일영역(762)에서 코일부(711)의 최내측에 해당하는 제1 턴의 코일도선(712)이 가장 큰 곡률 반경을 가지며, 그 다음 턴인 제2 턴의 코일도선(712)부터 곡률 반경이 작아질 수 있다.

제1 코일영역(761)과 제2 코일영역(762)의 내측에 위치된 코일도선(712)은 직선을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 코일영역(761)과 제2 코일영역(762)에서 중공부(714)에 인접하는 코일부(711)의 최내측인 제1 턴의 코일도선(712)은 직선을 가지고, 나머지 턴의 코일도선(712)은 곡선을 가질 수 있다. 제1 턴의 코일도선(712)이 직선을 갖는 경우, 제1 턴의 코일도선(712)의 곡률 반경은 무한대가 될 수 있다. 나머지 턴의 코일도선(712)은 제1 코일영역(761)과 제2 코일영역(762)의 내측으로부터 외측으로 따라 곡률 반경이 작아질 수 있다. 예컨대, 제1 코일영역(761)과 제2 코일영역(762)에서 중공부(714)에 인접하는 코일부(711)의 최내측로부터 제1 턴 내지 제4 턴에 해당하는 코일도선(712)은 직선을 가지고, 나머지 턴의 코일도선(712)은 곡선을 가질 수 있다. 나머지 턴의 코일도선(712)은 제1 코일영역(761)과 제2 코일영역(762)의 내측으로부터 외측으로 따라 곡률 반경이 작아질 수 있다.

제3 코일영역(763)과 제4 코일영역(764)에 포함되는 코일도선(712)은 곡선을 가질 수 있다.

제3 코일영역(763)과 제4 코일영역(764)은 코일도선(712)의 내측으로부터 외측을 따라 곡률 반경이 동일하거나 커질 수 있다. 예컨대, 제3 코일영역(763)과 제4 코일영역(764)에서 코일부(711)의 최내측에 해당하는 제1 턴의 코일도선(712)의 곡률 반경은 나머지 턴의 코일도선(712)의 곡률 반경과 동일할 수 있다. 예컨대, 제3 코일영역(763)과 제4 코일영역(764)에서 코일부(711)의 최내측에 해당하는 제1 턴의 코일도선(712)이 가장 작은 곡률 반경을 가지며, 그 다음 턴인 제2 턴의 코일도선(712)부터 곡률 반경이 커질 수 있다.

정리하면, 제1 코일영역(761)과 제2 코일영역(762)에서는 코일도선(712)의 내측으로부터 외측을 따라 각 턴의 코일도선(712)의 곡률 반경이 작아지고, 제3 코일영역(763)과 제4 코일영역(764)에서는 코일도선(712)의 내측으로부터 외측을 따라 각 턴의 코일도선(712)의 곡률 반경이 동일하거나 커질 수 있다.

실시예에서, 차폐재(800)는 무선충전코일(710)의 자기장을 차폐하여 차폐재(800) 하부에 배치되는 전자부품이나 전자기기에 자기장이 영향을 주지 않도록 한다. 차폐재(800)는 무선충전코일(710)의 사이즈와 동일하거나 큰 면적을 가지도록 하여 충분한 차폐 성능을 확보할 수 있다.

차폐재(800)는 3300의 투자율을 가질 수 있다. 차페재는 Mn-Zn를 포함할 수 있다. 차폐재(800)의 두께는 대략 1.6mm이상일 수 있다.

차폐재(800)의 일측은 개구(810)를 가질 수 있다. 예컨대, 차폐재(800)의 개구(810)는 차폐재(800)의 상하면을 관통한 관통홀(hole)일 수 있다. 도시되지 않았지만, 차폐재(800)의 개구(810)는 차폐재(800)의 상면의 일부만 제거된 리세스(recess)일 수 있다.

차폐재(800)의 개구(810)의 길이는 코일부(711)의 최내측과 최외측 사이의 간격보다 클 수 있다. 차폐재(800)의 개구(810)는 코일부(711)를 가로지르도록 차폐재(800)에 형성될 수 있다.

차폐재(800)의 개구(810)에 코일부(711)의 연결부(717)가 배치될 수 있다. 연결부(717)는 중공부(714)에 인접한 제1 단자(713a)로부터 하부 방향으로 1차 절곡된 후 복수의 턴을 갖는 코일도선(712)의 하면에 평행하도록 2차 절곡되어 차폐재(800)의 개구(810)에 배치될 수 있다.

차폐재(800)의 개구(810)의 깊이, 즉 차폐재(800)의 두께는 코일부(711)의 연결부(717)의 직경보다 크므로, 코일부(711)의 연결부(717)가 차폐부의 개구(810)에 배치되더라도 연결부(717)의 하면이 개구(810) 내에 위치되어 코일부(711)의 연결부(717)가 차폐부의 하부로 돌출되어 미관상 불량이나 주변 전자기기들과의 접촉을 방지할 수 있다.

도시되지 않았지만, 코일부(711)의 연결부(717)는 코일도선(712)의 하측에 접착부재를 이용하여 접착될 수 있다.

코일부(711)의 연결부(717)의 일단은 차폐재(800)의 외측으로 연장되거나 돌출될 수 있다.

코일도선(712)은 12턴으로 권선된 후 제2 단자(713b)에 연결될 수 있다. 즉, 마지막 12턴으로 권선된 코일도선(712)은 연결부(717)와 중첩될 수 있다. 따라서, 연결부(717)는 제1 내지 제12턴 모두에 해당하는 코일도선(712)과 중첩될 수 있다.

도 7은 비교예와 실시예에서의 무선전력수신기가 무선전력송신기에 배치되는 모습을 보여준다.

비교예 및 실시예 모두 무선전력수신기의 수신코일의 중심과 무선전력송신기의 송신코일의 중심이 일치되도록 배치될 수 있다. 비교예에서는 도 4에 도시된 제1 송신코일(620) 하나만 구비된 무선전력송신기에 무선전력수신기가 배치될 수 있다(도 7a). 실시예에서는 도 5에 도시된 무선충전코일(710)이 구비된 무선전력송신기에 무선전력수신기가 배치될 수 있다(도 7b).

도 8은 도 7에서 무선전력수신기의 수신코일의 중심과 무선전력송신기의 송신코일의 중심이 일치되어 배치될 때의 충전 시간에 따른 온도 변화를 보여준다. 즉, 도 8은 도 7과 같이 무선전력송신기과 무선전력수신기가 배치된 비교예와 실시예에서 무선충전을 수행했을 때의 무선충전시간에 따른 온도 변화를 보여준다.

도 8에 도시한 바와 같이, 비교예에서는 충전을 시작한 후 140분에서 충전이 완료되고 이때의 무선전력수신기의 온도는 43.5℃이다. 실시예에서는 충전을 시작한 118분에서 충전이 완료되고, 이때의 무선전력수신기의 온도는 42℃이다.

도 8로부터 무선전력수신기의 완충 시간은 실시예가 비교예보다 22분 빠르고, 무선전력수신기의 온도는 실시예가 비교예보다 1.5℃ 낮다. 따라서, 실시예는 비교예에 비해 더 빠른 시간이 완충이 가능하고 또한 온도도 더 낮음을 알 수 있다.

비교예에 비해 실시예에서 무선전력수신기의 온도가 낮아지는 이유는 코일 구조에 관련된다. 즉, 무선전력송신기에 장착된 무선충전코일(710)이 중공부(714)가 최소의 면적을 갖고 복수로 권선된 코일도선(712)에서 최외측의 코일도선(712)이 최대의 면적을 갖도록 타원 형상으로 설계됨으로써, 코일부(711)의 면적을 최대로 확장시켜 코일부(711)의 코일도선(712)에서 발생된 열이 신속히 방출되어 무선전력송신기에서 무선전력수신기로 전달하는 열을 최소화하여 무선 충전 동작 중이더라도 무선전력수신기의 온도가 규격 온도 이하가 될 수 있다. 통상적으로, 규격 온도는 44℃일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.

도 9는 도 7에서 무선전력수신기의 수신코일의 중심이 무선전력송신기의 송신코일의 중심으로부터 10mm 어긋나게 배치될 때의 충전 시간에 따른 온도 변화를 보여준다.

도 9에 도시한 바와 같이, 비교예에서는 충전을 시작한 후 150분에서 충전이 완료되고 이때의 무선전력수신기의 온도는 44.5℃이다. 실시예에서는 충전을 시작한 123분에서 충전이 완료되고, 이때의 무선전력수신기의 온도는 42.5℃이다.

도 9로부터 무선전력수신기의 완충 시간은 실시예가 비교예보다 27분 빠르고, 무선전력수신기의 온도는 실시예가 비교예보다 2℃ 낮다. 따라서, 실시예는 비교예에 비해 더 빠른 시간이 완충이 가능하고 또한 온도도 더 낮음을 알 수 있다.

특히, 무선전력수신기의 수신코일의 중심이 무선전력송신기의 송신코일의 중심으로부터 10mm 어긋나게 배치되는 경우, 비교예에서는 충전시 무선전력수신기의 온도가 통상적인 규격 온도인 44℃를 초과하는데 반해, 실시예에서는 해당 규격 온도보다 낮게 유지됨을 알 수 있다. 만일 무선전력수신기의 온도가 규격온도가 초과되는 경우, 무선전력수신기의 충전 동작이 차단되어 충전이 중지된다. 이후 무선전력수신기의 온도가 규격온도 이하로 낮아지는 경우 다시 충전이 수행될 수 있다.

실시예에서는 무선전력수신기의 수신코일의 중심이 무선전력송신기의 송신코일의 중심으로부터 10mm 어긋나게 배치되더라도 무선전력수신기의 온도가 규격온도를 초과하지 않아 충전이 충전되지 않으므로, 신속한 충전이 가능하고 무선전력수신기의 발열에 대한 우려를 원천적으로 차단하여 사용자에 대한 신뢰성이 증진될 수 있다.

도 10은 비교예와 실시예에서의 무선충전영역을 보여주고, 도 11은 비교예와 실시예에서의 3차원 전력전송효율을 보여준다. 비교예에서는 도 4에 도시된 제1 송신코일(620) 하나만 구비된 무선전력송신기에 무선전력수신기가 배치될 수 있다(도 7a). 실시예에서는 도 5에 도시된 무선충전코일(710)이 구비된 무선전력송신기에 무선전력수신기가 배치될 수 있다(도 7b).

도 10a에서 가로축에서 0인 위치는 비교예의 송신코일(620)의 중심일 수 있다. 도 10a에서 x축 방향은 비교예의 송신코일(620)의 장축방향이고, y축 방향은 비교예의 송신코일(620)의 단축방향이며, z축 방향(세로축)은 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)일 수 있다. 도 10b에서 실시예의 무선충전코일(710)의 중심일 수 있다. 도 10a에서 x축 방향은 실시예의 무선충전코일(710)의 장축방향이고, y축 방향은 실시예의 무선충전코일(710)의 단축방향이며, z축 방향(세로축)은 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)일 수 있다.

비교예(도 10a)에서는 25*32mm²의 충전면적이 확보되는데 반해, 실시예(도 10b)에서는 25*39mm²의 무선충전면적이 확보될 수 있다. 따라서, 비교예(도 10a) 대비 실시예(도 10b)에서 보다 큰 충전면적을 얻을 수 있음을 확인하였다. 무선충전면적은 무선충전영역으로 지칭될 수 있다.

아울러, 비교예(도 11a)에서는 송신코일(620)의 장축방향을 따라 대략 30mm의 범위에서 50%의 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)이 얻어지는데 반해, 실시예(도 11b)에서는 무선충전코일(710)의 장축방향을 따라 40mm 이상의 범위에서 적어도 50% 이상의 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)이 얻어질 수 있다.

실시예에 따르면, 중공부(714)가 최소의 면적을 갖고 복수로 권선된 코일도선(712)에서 최외측의 코일도선(712)이 최대의 면적을 갖도록 코일부(711)를 타원 형상으로 설계함으로써, 싱글 무선충전코일(710)만을 구비하고도 비교예(도 4)보다 우수한 성능을 확보할 수 있어 비교예(도 4)에 비해 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.

실시예에 따르면, 중공부(714)가 최소의 면적을 갖고 복수로 권선된 코일도선(712)에서 최외측의 코일도선(712)이 최대의 면적을 갖도록 코일부(711)를 타원 형상으로 설계함으로써, 코일도선(712)에서 발생된 열이 신속히 방출되어 발열이 억제되어, 무선충전 중에도 무선전력수신기의 온도가 규격 온도 이하로 유지될 수 있어 제품에 대한 신뢰성이 증진될 수 있다.

실시예에 따르면, 중공부(714)가 최소의 면적을 갖고 복수로 권선된 코일도선(712)에서 최외측의 코일도선(712)이 최대의 면적을 갖도록 코일부(711)를 타원 형상으로 설계함으로써, 무선전력송신기의 발열이 억제되어, 무선충전 중에도 무선전력수신기의 온도가 상온으로 유지되어 무선충전효율이 향상될 수 있다.

실시예에 따르면, 코일부(711)의 코일도선(712)의 길이가 최대로 길어져 인덕턴스의 값이 증가되어 품질계수의 증가로 무선충전효율이 향상될 수 있다.

실시예에 따르면, 기구적인 제약 내에서 타원형 코일로 권선되도록 최적화하여 최적의 코일 설계가 가능하다.

실시예에 따르면, 기구적인 제약으로 인해 여러 개의 무선충전코일을 사용하는 대신에 싱글 무선충전코일(710)을 사용함으로써, 구조가 단순해 조립 작업성이 향상될 수 있다.

실시예에 따르면, 중공부(714)가 최소의 면적을 갖고 복수로 권선된 코일도선(712)에서 최외측의 코일도선(712)이 최대의 면적을 갖도록 코일부(711)를 타원 형상으로 설계함으로써, 싱글 무선충전코일(710)로 무선충전영역을 극대화할 수 있다.

실시예에 따르면, 중공부(714)가 최소의 면적을 갖고 복수로 권선된 코일도선(712)에서 최외측의 코일도선(712)이 최대의 면적을 갖도록 코일부(711)를 타원 형상으로 설계함으로써, 무선전력수신기의 배치 위치에 관계없이 높은 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)을 얻을 수 있다.

상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 실시예의 범위에 포함된다.

710: 무선충전코일
711: 코일부
712: 코일도선
713a: 제1 단자
713b: 제2 단자
714: 중공부
717: 연결부
751: 제1 대각선
752: 제2 대각선
761, 762, 763, 764: 코일영역
800: 차폐재
810: 개구

Claims (18)

1. 복수의 턴으로 권선한 코일도선을 포함하는 코일부를 포함하고,
   상기 코일부는 서로 상이한 폭을 갖는 장축과 단축을 갖는 타원 형상을 가지며,
   상기 코일부의 장축에서의 외경은 63.5^±10%mm이고,
   상기 코일부의 장축에서의 내경은 30^±10%mm이고,
   상기 코일부의 단축에서의 외경은 54^±10%mm이며,
   상기 코일부의 단축에서의 내경은 17.5^±10%mm인 무선충전코일.
2. 제1항에 있어서,
   상기 코일부의 장축에서의 외경은 63.5^±1.0mm이고,
   상기 코일부의 장축에서의 내경은 30^±1.0mm이고,
   상기 코일부의 단축에서의 외경은 54^±1.0mm이며,
   상기 코일부의 단축에서의 내경은 17.5±1.0mm인 무선충전코일.
3. 제1항에 있어서,
   상기 코일부는 12턴을 갖는 무선충전코일.
4. 제1항에 있어서,
   상기 코일부는,
   리츠와이어 또는 USTC를 포함하는 무선충전코일.
5. 제1항에 있어서,
   상기 코일도선은 105가닥의 도전라인을 포함하고,
   상기 도선라인 각각의 직경은 0.08mm인 무선충전코일.
6. 제1항에 있어서,
   상기 무선충전코일은 25*39mm²의 충전영역을 갖는 무선충전코일.
7. 제1항에 있어서,
   상기 코일부는,
   상기 코일도선의 내측에 제1 단자;
   상기 코일도선의 외측에 제2 단자; 및
   상기 제1 단자로부터 상기 코일도선의 외측으로 연장되는 연결부를 포함하는 무선충전코일.
8. 제7항에 있어서,
   상기 코일부는,
   서로 교차하는 가상의 제1 대각선과 제2 대각선에 의해 구획되는 제1 코일영역, 제2 코일영역, 제3 코일영역 및 제4 코일영역을 포함하고,
   상기 제1 코일영역과 상기 제2 코일영역은 서로 마주보고,
   상기 제3 코일영역과 상기 제4 코일영역은 서로 마주보는 무선충전코일.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 코일영역의 곡률 반경은 상기 제2 코일영역의 곡률 반경과 동일하고,
   상기 제3 코일영역의 곡률 반경은 상기 제4 코일영역의 곡률 반경과 동일한 무선충전코일.
10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 코일영역 또는 상기 제2 코일영역의 곡률 반경은 상기 제3 영역 또는 상기 제4 코일영역의 곡률 반경보다 큰 무선충전코일.
11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 단자는 상기 제1 코일영역의 내측에 배치되고,
    상기 제2 단자는 상기 제1 코일영역의 외측에 배치되며,
    상기 연결부는 상기 제1 코일영역에 중첩되어 배치되는 무선충전코일.
12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 코일영역과 상기 제2 코일영역은 상기 코일도선의 내측으로부터 외측을 따라 곡률 반경이 작아지는 무선충전코일.
13. 제8항에 있어서,
    상기 제3 코일영역과 상기 제4 코일영역은 상기 코일도선의 내측으로부터 외측을 따라 곡률 반경이 동일하거나 커지는 무선충전코일.
14. 차폐재; 및
    상기 차폐재 상에 배치되는 무선충전코일을 포함하고,
    상기 무선충전코일은,
    복수의 턴으로 권선한 코일도선을 포함하는 코일부를 포함하고,
    상기 코일부는 서로 상이한 폭을 갖는 장축과 단축을 갖는 타원 형상을 가지며,
    상기 코일부의 장축에서의 외경은 63.5^±10%mm이고,
    상기 코일부의 장축에서의 내경은 30^±10%mm이고,
    상기 코일부의 단축에서의 외경은 54^±10%mm이며,
    상기 코일부의 단축에서의 내경은 17.5^±10%mm인 무선충전장치.
15. 제14항에 있어서,
    상기 차폐재는,
    3300의 투자율을 갖는 무선충전장치,
16. 제14항에 있어서,
    상기 차폐재는,
    Mn-Zn를 포함하는 무선충전장치.
17. 제14항에 있어서,
    상기 차폐재의 일측에 개구를 포함하고,
    상기 코일부는,
    상기 코일도선의 내측에 제1 단자;
    상기 코일도선의 외측에 제2 단자; 및
    상기 제1 단자로부터 상기 코일도선의 외측으로 연장되는 연결부를 포함하며,
    상기 연결부는 상기 차폐재의 상기 개구에 배치되는 무선충전장치.
18. 제14항에 있어서,
    상기 코일부의 장축에서의 외경은 63.5^±1.0mm이고,
    상기 코일부의 장축에서의 내경은 30^±1.0mm이고,
    상기 코일부의 단축에서의 외경은 54^±1.0mm이며,
    상기 코일부의 단축에서의 내경은 17.5±1.0mm인 무선충전장치.

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