KR20210050922A - 무선충전 패드, 무선충전 장치, 및 이를 포함하는 전기 자동차 - Google Patents
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Abstract
일 구현예에 따른 무선충전 패드는 자성 소재의 내부 또는 인접부에 미세유로를 배치하여 냉매를 통해 열을 쉽게 배출할 수 있다. 따라서 상기 무선충전 패드 및 이의 구조를 채용하는 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차 등에 유용하게 사용될 수 있다.
Description
구현예는 무선충전 패드, 무선충전 장치, 및 이를 포함하는 전기 자동차에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 구현예는 방열 구조를 적용하여 충전 효율이 향상된 무선충전 패드, 무선충전 장치, 및 이를 포함하는 전기 자동차에 관한 것이다.
오늘날 정보통신 분야는 매우 빠른 속도로 발전하고 있으며, 전기, 전자, 통신, 반도체 등이 종합적으로 조합된 다양한 기술들이 지속적으로 개발되고 있다. 또한, 전자기기의 모바일화 경향이 증대함에 따라 통신분야에서도 무선 통신 및 무선 전력 전송 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 전자기기 등에 무선으로 전력을 전송하는 방안에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기 무선 전력 전송은 전력을 공급하는 송신기와 전력을 공급받는 수신기 간에 물리적인 접촉 없이 자기 결합(inductive coupling), 용량 결합(capacitive coupling) 또는 안테나 등의 전자기장 공진 구조를 이용하여 공간을 통해 전력을 무선으로 전송하는 것이다. 상기 무선 전력 전송은 대용량의 배터리가 요구되는 휴대용 통신기기, 전기 자동차 등에 적합하며 접점이 노출되지 않아 누전 등의 위험이 거의 없으며 유선 방식의 충전 불량 현상을 막을 수 있다.
한편, 최근 들어 전기 자동차에 대한 관심이 급증하면서 충전 인프라 구축에 대한 관심이 증대되고 있다. 이미 가정용 충전기를 이용한 전기 자동차 충전을 비롯하여 배터리 교체, 급속 충전 장치, 무선충전 장치 등 다양한 충전 방식이 등장하였고, 새로운 충전 사업 비즈니스 모델도 나타나기 시작했다(대한민국 공개특허 제 2011-0042403 호 참조). 또한, 유럽에서는 시험 운행중인 전기차와 충전소가 눈에 띄기 시작했고, 일본에서는 자동차 제조 업체와 전력 회사들이 주도하여 전기 자동차 및 충전소를 시범적으로 운영하고 있다.
전기 자동차 등에 사용되는 종래의 무선충전 패드는, 도 4를 참조하여, 무선충전 효율 향상을 위해 코일(200')에 인접하여 자성 소재(300')가 배치되고, 차폐를 위한 쉴드부(400')가 자성 소재(300')와 일정 간격 이격하여 배치된다.
무선충전 패드는 무선충전 동작 중에 코일의 저항과 자성 소재의 자기 손실에 의해 열을 발생한다. 특히 무선충전 패드 내의 자성 소재는 전자기파 에너지 밀도가 높은 코일과 가까운 부분에서 열을 발생하고, 발생한 열은 자성 소재의 자기 특성을 변화시켜 송신 패드와 수신 패드 간의 임피던스 불일치를 유발하여, 충전 효율이 저하되고 이로 인해 다시 발열이 심화되는 문제가 있었다. 그러나 이러한 무선충전 패드는 전기 자동차의 하부 등에 설치되기 때문에, 방진 및 방수와 충격 흡수를 위해 밀폐 구조를 채용하므로 방열 구조를 구현하는데 어려움이 있었다.
이에 본 발명자들이 연구한 결과, 무선충전 패드에 사용되는 자성 소재의 내부 또는 인접부에 미세유로를 배치하여 냉매를 통해 열을 쉽게 배출할 수 있음을 발견하였다.
따라서 구현예의 과제는, 방열이 향상된 무선충전 패드, 무선충전 장치 및 이를 포함하는 전기 자동차를 제공하는 것이다.
일 구현예에 따르면, 전도성 와이어를 포함하는 코일; 상기 코일 상에 배치된 쉴드부; 상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 자성 소재; 및 상기 자성 소재의 내부 또는 인접부에 배치된 미세유로를 포함하는, 무선충전 패드가 제공된다.
다른 구현예에 따르면, 하우징; 상기 하우징 내에 배치되고 전도성 와이어를 포함하는 코일; 상기 코일 상에 배치된 쉴드부; 상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 자성 소재; 상기 자성 소재의 내부 또는 인접부에 배치된 미세유로; 및 상기 하우징 외부에 배치되고 상기 미세유로와 연결되는 냉각기를 포함하는, 무선충전 장치가 제공된다.
또 다른 구현예에 따르면, 무선충전 장치를 포함하는 전기 자동차로서, 상기 무선충전 장치가 하우징; 상기 하우징 내에 배치되고 전도성 와이어를 포함하는 코일; 상기 코일 상에 배치된 쉴드부; 상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 자성 소재; 상기 자성 소재의 내부 또는 인접부에 배치된 미세유로; 및 상기 하우징 외부에 배치되고 상기 미세유로와 연결되는 냉각기를 포함하는, 전기 자동차가 제공된다.
상기 구현예에 따르면 무선충전 패드에 사용되는 자성 소재의 내부 또는 인접부에 미세유로를 배치하여 냉매를 통해 열을 쉽게 배출할 수 있다.
구체적인 구현예에 따르면, 무선충전 패드에 사용되는 자성 소재의 내부에 미세유로를 형성하고 냉매로서 기상 또는 액상의 유체를 외부의 냉각기와 연결하여 순환시킴으로써, 자성 소재에서 발생하는 열을 외부로 열을 쉽게 방출할 수 있다.
따라서 상기 무선충전 패드 및 이의 구조를 채용하는 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 무선충전 패드의 구성도를 나타낸 것이다.
도 2a는 내부에 미세유로를 포함하는 자성 소재의 평면도를 나타낸 것이다.
도 2b는 몰드를 통해 자성 소재를 성형하는 공정을 나타낸 것이다.
도 3a 및 3b는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 종래의 무선충전 패드의 구성도를 나타낸 것이다.
도 5는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 적용예를 도시한 것이다.
도 6은 무선충전 장치가 수신기로 적용된 전기 자동차를 나타낸 것이다.
도 2a는 내부에 미세유로를 포함하는 자성 소재의 평면도를 나타낸 것이다.
도 2b는 몰드를 통해 자성 소재를 성형하는 공정을 나타낸 것이다.
도 3a 및 3b는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 종래의 무선충전 패드의 구성도를 나타낸 것이다.
도 5는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 적용예를 도시한 것이다.
도 6은 무선충전 장치가 수신기로 적용된 전기 자동차를 나타낸 것이다.
이하의 구현예의 설명에 있어서, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 형성되는 것으로 기재되는 것은, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 직접, 또는 또 다른 구성요소를 개재하여 간접적으로 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 각 구성요소의 상/하에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기와 다를 수 있다.
본 명세서에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
또한, 본 명세서에 기재된 구성요소의 특성 값, 치수 등을 나타내는 모든 수치 범위는 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
[무선충전 패드]
도 1은 일 구현예에 따른 무선충전 패드의 구성도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하여, 일 구현예에 따른 무선충전 패드(10)는, 전도성 와이어를 포함하는 코일(200); 상기 코일(200) 상에 배치된 쉴드부(400); 상기 코일(200)과 상기 쉴드부(400) 사이에 배치된 자성 소재(300); 및 상기 자성 소재(300)의 내부 또는 인접부에 배치된 미세유로(500)를 포함한다.
이하 상기 무선충전 패드의 각 구성요소별로 구체적으로 설명한다.
지지판
상기 무선충전 패드(10)는 상기 코일(200)을 지지하는 지지판(100)을 더 포함할 수 있다. 상기 지지판의 재질 및 구조는 무선충전 패드에 사용되는 통상적인 지지판의 재질 및 구조를 채용할 수 있다. 상기 지지판은 평판 구조 또는 코일을 고정시킬 수 있도록 코일 형태를 따라 홈이 파여진 구조를 가질 수 있다.
코일
상기 코일은 전도성 와이어를 포함한다.
상기 전도성 와이어는 전도성 물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 전도성 와이어는 전도성 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전도성 와이어는 구리, 니켈, 금, 은, 아연 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 와이어는 절연성 외피를 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연성 외피는 절연성 고분자 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 절연성 외피는 폴리염화비닐(PVC) 수지, 폴리에틸렌(PE) 수지, 테프론 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄 수지 등을 포함할 수 있다.
상기 전도성 와이어의 직경은 예를 들어 1 mm 내지 10 mm 범위, 1 mm 내지 5 mm 범위, 또는 1 mm 내지 3 mm 범위일 수 있다.
상기 전도성 와이어는 평면 코일 형태로 감길 수 있다. 구체적으로 상기 평면 코일은 평면 나선 코일(planar spiral coil)을 포함할 수 있다. 또한 상기 코일의 평면 형태는 타원형, 다각형, 또는 모서리가 둥근 다각형의 형태일 수 있으나, 특별히 한정되지 않는다.
상기 평면 코일의 외경은 5 cm 내지 100 cm, 10 cm 내지 50 cm, 10 cm 내지 30 cm, 20 cm 내지 80 cm, 또는 50 cm 내지 100 cm일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 평면 코일은 10 cm 내지 50 cm의 외경을 가질 수 있다.
또한, 상기 평면 코일의 내경은 0.5 cm 내지 30 cm, 1 cm 내지 20 cm, 또는, 2 cm 내지 15 cm일 수 있다.
상기 평면 코일의 감긴 횟수는 5회 내지 50회, 10회 내지 30회, 5회 내지 30회, 15회 내지 50회, 또는 20회 내지 50회일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 평면 코일은 상기 전도성 와이어를 10회 내지 30회 감아 형성된 것일 수 있다.
또한 상기 평면 코일 형태 내에서 상기 전도성 와이어 간의 간격은 0.1 cm 내지 1 cm, 0.1 cm 내지 0.5 cm, 또는 0.5 cm 내지 1 cm일 수 있다.
상기와 같은 바람직한 평면 코일 치수 및 규격 범위 내일 때, 전기 자동차와 같은 대용량 전력 전송을 요구하는 분야에 적합할 수 있다.
쉴드부
상기 쉴드부는 상기 코일 상에 배치된다.
상기 쉴드부는 전자파 차폐를 통해 외부로 전자파가 누설되어 발생될 수 있는 전자기 간섭(EMI, electromagnetic interference)을 억제한다.
상기 쉴드부는 상기 코일과 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 쉴드부와 상기 코일의 이격 거리는 10 mm 이상 또는 15 mm 이상일 수 있고, 구체적으로 10 mm 내지 30 mm, 또는 10 mm 내지 20 mm일 수 있다.
상기 쉴드부의 소재는 예를 들어 금속일 수 있고, 이에 따라 상기 쉴드부는 금속판일 수 있으나 특별히 한정되지 않는다. 구체적인 일례로서 상기 쉴드부의 소재는 알루미늄일 수 있으며, 그 외 전자파 차폐능을 갖는 금속 또는 합금 소재가 사용될 수 있다.
상기 쉴드부의 두께는 0.2 mm 내지 10 mm, 0.5 mm 내지 5 mm, 또는 1 mm 내지 3 mm일 수 있다. 또한 상기 쉴드부의 면적은 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상일 수 있다.
자성 소재
상기 자성 소재는 상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된다.
상기 자성 소재는 상기 쉴드부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 소재와 상기 쉴드부의 이격 거리는 3 mm 이상, 5 mm 이상, 3 mm 내지 10 mm, 또는 4 mm 내지 7 mm일 수 있다.
또한 상기 자성 소재는 상기 코일과 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 소재와 상기 코일의 이격 거리는 0.2 mm 이상, 0.5 mm 이상, 0.2 mm 내지 3 mm, 또는 0.5 mm 내지 1.5 mm일 수 있다.
상기 자성 소재는 바인더 수지 및 자성 분말을 포함하는 고분자형 자성 소재일 수 있다.
또는 상기 자성 소재는 금속계 자성 소재, 예를 들어 나노결정성(nanocrystalline) 자성 소재를 포함할 수 있다.
또는 상기 자성 소재는 상기 고분자형 자성 소재 및 상기 나노결정성 자성 소재의 복합 소재일 수 있다.
고분자형 자성 소재
상기 자성 소재는 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 고분자형 자성 소재는 바인더 수지에 의해 자성 분말들이 서로 결합됨으로써, 넓은 면적에서 전체적으로 결함이 적으면서 충격에 의해 손상이 적을 수 있다.
상기 자성 분말은 페라이트(Ni-Zn계, Mg-Zn계, Mn-Zn계 페라이트 등)와 같은 산화물 자성 분말; 퍼말로이(permalloy), 샌더스트(sendust), 나노결정성(nanocrystalline) 자성체와 같은 금속계 자성 분말; 또는 이들의 혼합 분말일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자성 분말은 Fe-Si-Al 합금 조성을 갖는 샌더스트 입자일 수 있다.
일례로서, 상기 자성 분말은 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.
[화학식 1]
Fe1-a-b-c Sia Xb Yc
상기 식에서, X는 Al, Cr, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이고; Y는 Mn, B, Co, Mo, 또는 이들의 조합이고; 0.01 ≤ a ≤ 0.2, 0.01 ≤ b ≤ 0.1, 및 0 ≤ c ≤ 0.05 이다.
상기 자성 분말의 평균 입경은 약 3 nm 내지 약 1 mm, 약 1 ㎛ 내지 300 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 또는 약 1 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위일 수 있다.
상기 고분자형 자성 소재는 상기 자성 분말을 50 중량% 이상, 70 중량% 이상, 또는 85 중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 고분자형 자성 소재는 상기 자성 분말을 50 중량% 내지 99 중량%, 70 중량% 내지 95 중량%, 70 중량% 내지 90 중량%, 75 중량% 내지 90 중량%, 75 중량% 내지 95 중량%, 80 중량% 내지 95 중량%, 또는 80 중량% 내지 90 중량%의 양으로 포함할 수 있다.
상기 바인더 수지는 경화성 수지일 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더 수지는 광경화성 수지, 열경화성 수지 및/또는 고내열 열가소성 수지를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 열경화성 수지를 포함할 수 있다.
이와 같이 경화되어 접착성을 나타낼 수 있는 수지로서, 글리시딜기, 이소시아네이트기, 히드록시기, 카복실기 또는 아미드기 등과 같은 열에 의한 경화가 가능한 관능기 또는 부위를 하나 이상 포함하거나; 또는 에폭시드(epoxide)기, 고리형 에테르(cyclic ether)기, 설파이드(sulfide)기, 아세탈(acetal)기 또는 락톤(lactone)기 등과 같은 활성 에너지에 의해 경화가 가능한 관능기 또는 부위를 하나 이상 포함하는 수지를 사용할 수 있다. 이와 같은 관능기 또는 부위는 예를 들어 이소시아네이트기(-NCO), 히드록시기(-OH), 또는 카복실기(-COOH)일 수 있다.
구체적으로, 상기 경화성 수지는, 상술한 바와 같은 관능기 또는 부위를 적어도 하나 이상 가지는 폴리우레탄 수지, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지 또는 에폭시 수지 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일례로서, 상기 바인더 수지는 폴리우레탄계 수지, 이소시아네이트계 경화제 및 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
상기 고분자형 자성 소재는 상기 바인더 수지를 5 중량% 내지 40 중량%, 5 중량% 내지 20 중량%, 5 중량% 내지 15 중량%, 또는 7 중량% 내지 15 중량%의 양으로 함유할 수 있다.
또한, 상기 고분자형 자성 소재는 이의 중량을 기준으로, 상기 바인더 수지로서, 6 중량% 내지 12 중량%의 폴리우레탄계 수지, 0.5 중량% 내지 2 중량%의 소시아네이트계 경화제, 및 0.3 중량% 내지 1.5 중량%의 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
상기 고분자형 자성 소재는 자성 분말과 고분자 수지 조성물을 혼합하여 슬러리화한 후 시트 형상으로 성형하고 경화하는 등의 시트화 과정으로 제조할 수 있으나, 일정한 두께를 갖는 대면적의 고분자형 자성 소재를 제조하기 위해 몰드를 이용한 성형의 방식으로 블록을 제조할 수 있다.
상기 성형은 사출성형에 의해 자성 소재의 원료를 몰드에 주입하여 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자성 소재는 자성 분말과 고분자 수지 조성물을 혼합하여 원료 조성물을 얻은 뒤, 도 2b에서 보듯이, 상기 원료 조성물(301)을 사출성형기(2)에 의해 몰드(3)에 주입하여 제조될 수 있다. 이때 몰드(3)의 내부 형태를 입체 구조로 설계하여, 자성 소재의 입체 구조를 쉽게 구현할 수 있다. 이와 같은 공정은 기존의 소결 페라이트 시트를 자성 소재로 사용하는 경우에는 불가능한 것이다.
나노결정성 자성 소재
상기 자성 소재는 나노결정성(nanocrystalline) 자성 소재를 포함할 수 있다. 상기 나노결정성 자성 소재를 적용 시에, 코일과 거리가 멀어질수록 코일의 인덕턴스(Ls)가 낮아지더라도 저항(Rs)이 더욱 낮아짐으로써 코일의 품질계수(Q factor: Ls/Rs)가 높아져서 충전 효율이 향상되고 발열이 줄어들 수 있다.
예를 들어, 상기 나노결정성 자성 소재는 Fe계 나노결정성 자성 소재일 수 있고, 구체적으로 Fe-Si-Al계 나노결정성 자성 소재, Fe-Si-Cr계 나노결정성 자성 소재, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성 소재일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 나노결정성 자성 소재는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성 소재일 수 있고, 이 경우, Fe가 70 원소% 내지 85 원소%, Si 및 B의 합이 10 원소% 내지 29 원소%, Cu와 Nb의 합이 1 원소% 내지 5 원소%인 것이 바람직하다(여기서 원소%란 자성 소재를 이루는 총 원소의 갯수에 대한 특정 원소의 갯수의 백분율을 의미한다). 상기 조성 범위에서 Fe-Si-B-Cu-Nb계 합금이 열처리에 의해 나노결정성 자성 소재로 쉽게 형성될 수 있다.
상기 나노결정성 자성 소재는, 예를 들어 Fe계 합금을 멜트 스피닝에 의한 급냉응고법(RSP)으로 제조하며, 원하는 투자율을 얻을 수 있도록 300℃ 내지 700℃의 온도 범위에서 30분 내지 2시간 동안 무자장 열처리를 행하여 제조될 수 있다.
만약 열처리 온도가 300℃ 미만인 경우 나노결정이 충분히 생성되지 않아 원하는 투자율이 얻어지지 않으며 열처리 시간이 길게 소요될 수 있고, 700℃를 초과하는 경우는 과열처리에 의해 투자율이 현저하게 낮아질 수 있다. 또한, 열처리 온도가 낮으면 처리시간이 길게 소요되고, 반대로 열처리 온도가 높으면 처리시간은 단축되는 것이 바람직하다.
나노결정성 자성 소재는 제조 공정상 두꺼운 두께를 만들기 어려우며 예를 들어 15 ㎛ 내지 35 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.
자성 소재의 면적 및 두께
상기 자성 소재는 자성 시트, 자성 시트 적층체, 또는 자성 블록일 수 있다.
상기 자성 소재는 대면적을 가질 수 있고, 구체적으로 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상의 면적을 가질 수 있다. 또한, 상기 자성 소재는 10,000 cm2 이하의 면적을 가질 수 있다.
상기 대면적의 자성 소재는 다수의 단위 자성 소재가 조합되어 구성될 수 있으며, 이때, 상기 단위 자성 소재의 면적은 60 cm2 이상, 90 cm2, 또는 95 cm2 내지 900 cm2일 수 있다.
상기 자성 시트의 두께는 15 ㎛ 이상, 50 ㎛ 이상, 80 ㎛ 이상, 15 ㎛ 내지 150 ㎛, 15 ㎛ 내지 35 ㎛, 또는 85 ㎛ 내지 150 ㎛일 수 있다. 이러한 자성 시트는 통상의 필름 또는 시트를 제조하는 방법으로 제조될 수 있다.
상기 자성 시트의 적층체는 상기 자성 시트가 20장 이상, 또는 50장 이상 적층된 것일 수 있다. 또한 상기 자성 시트의 적층체는 상기 자성 시트가 150장 이하, 또는 100장 이하로 적층된 것일 수 있다.
상기 자성 블록의 두께는 1 mm 이상, 2 mm 이상, 3 mm 이상, 또는 4 mm 이상일 수 있다. 또한, 상기 자성 블록의 두께는 6 mm 이하일 수 있다.
자성 소재의 자성 특성
상기 자성 소재는 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수 근방에서 일정 수준의 자성 특성을 가질 수 있다.
상기 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수는 100 kHz 미만일 수 있고, 예를 들어 79 kHz 내지 90 kHz, 구체적으로 81 kHz 내지 90 kHz, 보다 구체적으로 약 85 kHz일 수 있으며, 이는 휴대폰과 같은 모바일 전자기기에 적용하는 주파수와 구별되는 대역이다.
상기 자성 소재의 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 투자율은 소재에 따라 달라질 수 있고, 넓게는 5 내지 150,000일 수 있으며, 구체적인 소재에 따라 5 내지 300, 500 내지 3,500, 또는 10,000 내지 150,000일 수 있다. 또한 상기 자성 소재의 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 투자손실은 소재에 따라 달라질 수 있고, 넓게는 0 내지 50,000일 수 있으며, 구체적인 소재에 따라 0 내지 1,000, 1 내지 100, 100 내지 1,000, 또는 5,000 내지 50,000일 수 있다.
구체적인 일례로서, 상기 자성 소재가 자성 분말 및 바인더 수지를 포함하는 고분자형 자성 블록일 경우, 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 투자율은 5 내지 130, 15 내지 80, 또는 10 내지 50일 수 있고, 투자손실은 0 내지 20, 0 내지 15, 또는 0 내지 5일 수 있다.
자성 소재의 특성
상기 고분자형 자성 소재는 일정 비율로 신장될 수 있다. 예를 들어 상기 고분자형 자성 소재의 신장율은 0.5% 이상일 수 있다. 상기 신장 특성은 고분자를 적용하지 않는 세라믹계 자성 소재에서는 얻기 어려운 것으로, 대면적의 자성 소재가 충격에 의해 뒤틀림 등이 발생하더라도 손상을 줄여줄 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자형 자성 소재의 신장율은 0.5% 이상, 1% 이상, 또는 2.5% 이상일 수 있다. 상기 신장율의 상한에는 특별한 제한이 없으나, 신장율 향상을 위해 고분자 수지의 함량이 많아지는 경우, 자성 소재의 인턱턴스 등의 특성이 떨어질 수 있으므로, 상기 신장율은 10% 이하인 것이 좋다.
상기 자성 소재는 충격 전후의 특성 변화율이 적으며, 일반적인 페라이트 자성 시트와 비교하여 월등하게 우수하다. 본 명세서에서 어떤 특성의 충격 전후의 특성 변화율(%)은 다음 식으로 계산될 수 있다. 특성 변화율(%) = | 충격 전 특성 값 - 충격 후 특성 값 | / 충격 전 특성 값 x 100
예를 들어, 상기 자성 소재는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 인덕턴스 변화율이 5% 미만, 또는 3% 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 인덕턴스 변화율은 0% 내지 3%, 0.001% 내지 2%, 또는 0.01% 내지 1.5%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 충격 전후의 인덕턴스 변화율이 상대적으로 적어서 자성 소재의 안정성이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 자성 소재는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 품질계수(Q factor) 변화율이 0% 내지 5%, 0.001% 내지 4%, 또는 0.01% 내지 2.5%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 충격 전후의 특성 변화가 적어서 자성 소재의 안정성과 내충격성이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 자성 소재는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 저항 변화율이 0% 내지 2.8%, 0.001% 내지 1.8%, 또는 0.1% 내지 1.0%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 실재 충격과 진동이 가해지는 환경에서 반복하여 적용하더라도 저항값이 일정 수준 이하로 잘 유지될 수 있다.
또한, 상기 자성 소재는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 충전효율 변화율이 0% 내지 6.8%, 0.001% 내지 5.8%, 또는 0.01% 내지 3.4%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 대면적의 자성 소재가 충격이나 뒤틀림이 반복적으로 발생하더라도 특성을 보다 안정적으로 유지할 수 있다.
미세유로
상기 구현예에 따른 무선충전 패드는 상기 자성 소재의 내부 또는 인접부에 배치된 미세유로를 포함한다. 이에 따라, 상기 자성 소재에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 배출할 수 있다.
상기 미세유로의 형상은 상기 자성 소재의 열을 유체에 의해 외부로 쉽게 전달하기 위한 형상이라면 특별히 한정되지 않는다. 도 2a는 내부에 미세유로를 포함하는 자성 소재의 평면도를 나타낸 것이다. 도 2a에서 보듯이, 상기 미세유로(500)는 유입구(510)로 주입된 유체가 넓은 면적을 순환한 뒤 배출구(520)로 빠져나올 수 있도록 설계될 수 있다.
한편, 상기 자성 소재에서 열이 주로 발생하는 영역은 코일에 대응하는 영역이므로, 상기 미세유로는 코일이 존재하는 영역에 대응하여 배치될 수 있다. 다시 말해, 상기 미세유로는 코일 내에서 전도성 와이어의 밀도가 적은 중앙부에는 거의 배치되지 않을 수 있다.
상기 미세유로의 내경은 0.1 mm 내지 5 mm일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 자성소재의 체적당 자기 특성을 유지하면서, 원활한 유체의 흐름을 통해 방열특성을 보다 높일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 미세유로의 내경은 0.5 mm 내지 3 mm, 0.5 mm 내지 2 mm, 2 mm 내지 5 mm일 수 있다.
도 1 및 3a에서 보듯이, 상기 미세유로(500)는 자성 소재(300)의 내부에 배치될 수 있다. 이 경우, 자성 소재의 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 처리할 수 있는 장점이 있다. 상기 미세유로가 상기 자성 소재의 내부에 배치되는 구조는 다양하게 설계될 수 있다.
일례로서, 내부에 미세유로를 갖도록 몰드를 통해 고분자형 자성 소재를 성형할 수 있다. 이 경우 미세유로는 자성 소재의 내부 빈 공간으로 정의될 수 있다.
다른 예로서, 미세유로가 삽입될 내부 공간을 갖도록 몰드를 통해 고분자형 자성 소재를 성형한 뒤 미세유로를 삽입할 수 있다. 이 경우 미세유로는 금속 또는 기타 열전도성 소재로 미리 제작한 뒤 고분자형 자성 소재 내에 삽입될 수 있다.
또 다른 예로서, 복수의 자성 시트 사이에 미세유로를 삽입하여 적층함으로써, 미세유로가 삽입된 자성 시트 적층체를 제조할 수 있다.
상기 미세유로는 상기 자성 소재의 총 부피를 기준으로 5 % 내지 70 %의 총 내부 부피를 가질 수 있다. 상기 범위 내일 때, 자성소재의 전자파 차폐 성능과 방열 특성을 동시에 향상시키는데 보다 유리할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 미세유로는 상기 자성 소재의 총 부피를 기준으로 5 % 내지 40 %, 20 % 내지 50 %, 또는 40 % 내지 70 %의 총 내부 부피를 가질 수 있다.
또는, 도 3b에서 보듯이, 상기 미세유로(500)는 자성 소재(300)의 인접부에 배치될 수 있다. 일례로서, 상기 미세유로(500)는 자성 소재(300)와 상기 쉴드부(400) 사이에 배치될 수 있다. 다른 예로서, 상기 미세유로(500)는 자성 소재(300)와 상기 코일(200) 사이에 배치될 수 있다. 이 경우, 자성 소재와 코일에서 발생하는 열을 동시에 처리할 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 3b에서 보듯이, 상기 미세유로(500)는 방열판(700)의 내부에 형성되고, 상기 방열판(700)이 상기 자성 소재(300)의 인접부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 방열판(700)이 상기 자성 소재(300)의 일면에 부착될 수 있다. 구체적으로, 상기 방열판(700)이 상기 자성 소재(300)의 상기 쉴드부(400)을 향하는 일면에 부착될 수 있다.
상기 방열판은 열전도성 소재로 구성될 수 있다. 상기 열전도성 소재는 금속계, 카본계, 세라믹계 소재 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 열전도성 소재는 금속계, 카본계, 세라믹계 소재 등이 바인더 수지에 분산된 복합 소재일 수 있다.
[무선충전 장치]
도 3a 및 3b는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3a 및 3b를 참조하여, 일 구현예에 따른 무선충전 장치(11)는, 하우징(600); 상기 하우징(600) 내에 배치되고 전도성 와이어를 포함하는 코일(200); 상기 코일(200) 상에 배치된 쉴드부(400); 상기 코일(200)과 상기 쉴드부(400) 사이에 배치된 자성 소재(300); 상기 자성 소재(300)의 내부 또는 인접부에 배치된 미세유로(500); 및 상기 하우징(600) 외부에 배치되고 상기 미세유로(500)와 연결되는 냉각기(15)를 포함한다.
상기 하우징은 상기 코일, 쉴드부, 자성 소재 등의 구성 요소가 적절하게 배치되어 조립될 수 있게 한다. 상기 하우징의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 하우징의 재질 및 구조를 채용할 수 있다.
상기 구현예에 따른 무선충전 장치는, 상기 코일을 지지하는 지지판을 더 포함할 수 있다.
상기 무선충전 장치의 지지판, 코일, 쉴드부, 자성 소재의 구성 및 특징은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 무선충전 장치는, 상기 미세유로와 상기 냉각기를 순환하며 흐르는 냉각을 위한 유체를 더 포함할 수 있다. 상기 유체는 상기 자성 소재에서 발생하는 열을 외부로 전달할 수 있다. 구체적으로, 상기 유체는 상기 자성 소재에서 발생하는 열을 상기 냉각기로 전달할 수 있다.
상기 유체는 기체 또는 액체일 수 있으며, 예를 들어, 공기, 물, 또는 그 외 냉매로 사용되는 액상 또는 기상의 유체일 수 있다.
구체적으로, 상기 유체는 공기, 물, 오일(예: 엔진오일), 알콜(예: 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부동액), 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 유체의 열전도도는 20 ℃에서 0.022 W/m·K 내지 0.69 W/m·K일 수 있고, 예를 들어 0.022 W/m·K 내지 0.038 W/m·K, 0.57 W/m·K 내지 0.69 W/m·K, 0.13 W/m·K 내지 0.15 W/m·K, 또는 0.24 W/m·K 내지 0.69 W/m·K일 수 있다.
상기 유체의 밀도는 20 ℃에서 0.75 kg/m3 내지 1100 kg/m3일 수 있고, 예를 들어 0.75 kg/m3 내지 1.39 kg/m3, 840 kg/m3 내지 1000 kg/m3, 800 kg/m3 내지 900 kg/m3, 또는 840 kg/m3 내지 1100 kg/m3일 수 있다.
상기 유체의 열용량은 20 ℃에서 1005 J/kg·K 내지 4250 J/kg·K일 수 있고, 예를 들어 1005 J/kg·K 내지 1023 J/kg·K, 4150 J/kg·K 내지 4250 J/kg·K, 1700 J/kg·K 내지 2500 J/kg·K, 또는 2500 J/kg·K 내지 4250 J/kg·K일 수 있다.
상기 유체의 열확산율은 20 ℃에서 6×10-8 m2/s 내지 4960×10-8 m2/s일 수 있고, 예를 들어 1570×10-8 m2/s 내지 4960×10-8 m2/s, 10×10-8 m2/s 내지 20×10-8 m2/s, 6×10-8 m2/s 내지 10×10-8 m2/s, 또는 9×10-8 m2/s 내지 20×10-8 m2/s일 수 있다.
일 구체예에 따르면, 상기 유체는 1 기압 및 20 ℃에서 0.022 W/m·K 내지 0.038 W/m·K의 열전도도, 0.75 kg/m3 내지 1.39 kg/m3의 밀도, 1005 J/kg·K 내지 1023 J/kg·K의 열용량, 1570×10-8 m2/s 내지 4960×10-8 m2/s의 열확산율을 가질 수 있다.
다른 구체예에 따르면, 상기 유체는 20 ℃에서 0.57 W/m·K 내지 0.69 W/m·K의 열전도도, 840 kg/m3 내지 1000 kg/m3의 밀도, 4150 J/kg·K 내지 4250 J/kg·K의 열용량, 10×10-8 m2/s 내지 20×10-8 m2/s의 열확산율을 가질 수 있다.
또 다른 구체예에 따르면, 상기 유체는 20 ℃에서 0.13 W/m·K 내지 0.15 W/m·K의 열전도도, 800 kg/m3 내지 900 kg/m3의 밀도, 1700 J/kg·K 내지 2500 J/kg·K의 열용량, 6×10-8 m2/s 내지 10×10-8 m2/s의 열확산율을 가질 수 있다.
또 다른 구체예에 따르면, 상기 유체는 20 ℃에서 0.24 W/m·K 내지 0.69 W/m·K의 열전도도, 840 kg/m3 내지 1100 kg/m3의 밀도, 2500 J/kg·K 내지 4250 J/kg·K의 열용량, 9×10-8 m2/s 내지 20×10-8 m2/s의 열확산율을 가질 수 있다.
상기 냉각기는 상기 유체를 효과적으로 냉각시키기 위한 방식 및 구조를 채용할 수 있다. 예를 들어, 상기 냉각기는 공냉식 또는 수냉식으로 상기 유체를 냉각시킬 수 있다.
상기 냉각기는 방수 및 방진을 위해 밀폐된 구조를 가지면서 상기 미세유로와 연결될 수 있다. 도 3a 및 3b에서 보듯이, 상기 미세유로(500)의 유입구 및 배출구에 연결유로(16)를 통해 상기 냉각기(15)와 연결될 수 있다.
또한 상기 무선충전 장치는, 상기 미세유로 내의 유체의 흐름을 발생시키기 위한 장치, 예를 들어 순환펌프를 더 구비할 수 있다.
또한 상기 무선충전 장치는, 상기 쉴드부와 자성 소재 간의 공간을 확보하기 위한 스페이서를 더 포함할 수 있다. 상기 스페이서의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 하우징의 재질 및 구조를 채용할 수 있다.
상기 무선충전 장치는, 자성 소재의 내부 또는 인접부에 미세유로를 배치하여 냉매를 통해 열을 쉽게 배출할 수 있다. 따라서 상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차 등에 유용하게 사용될 수 있다.
[전기 자동차]
도 5는 전기 자동차에 적용된 무선충전 장치를 나타낸 것이다.
상기 무선충전 장치(11)는 상기 전기 자동차(1)의 하부에 구비될 수 있다.
일 구현예에 따른 전기 자동차는 무선충전 장치를 포함하고, 상기 무선충전 장치가 하우징; 상기 하우징 내에 배치되고 전도성 와이어를 포함하는 코일; 상기 코일 상에 배치된 쉴드부; 상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 자성 소재; 상기 자성 소재의 내부 또는 인접부에 배치된 미세유로; 및 상기 하우징 외부에 배치되고 상기 미세유로와 연결되는 냉각기를 포함한다.
상기 전기 자동차에 포함되는 무선충전 장치의 각 구성요소들의 구성 및 특징은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 무선충전 장치의 냉각기로서 상기 전기 자동차에 기본적으로 구비되는 냉각 설비를 이용할 수 있다.
예를 들어, 상기 냉각기는 자동차 에어컨을 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 5에서 보듯이, 전기 자동차(1)의 내부에 구비된 에어컨이 냉각기(15)로서 이용되고, 무선충전 장치(11)의 미세유로의 유입구 및 배출구와 연결된 연결유로(16)와 상기 에어컨이 연결될 수 있다. 이에 따라, 별도의 냉각기를 제작하지 않더라도, 효과적인 방열이 가능할 수 있다.
상기 전기 자동차는 상기 무선충전 장치로부터 전력을 전달받는 배터리를 더 포함할 수 있다. 상기 무선충전 장치는 무선으로 전력을 전송받아 상기 배터리에 전달하고, 상기 배터리는 상기 전기 자동차의 구동계에 전력을 공급할 수 있다. 상기 배터리는 상기 무선충전 장치 또는 그 외 추가적인 유선충전 장치로부터 전달되는 전력에 의해 충전될 수 있다.
또한 상기 전기 자동차는 충전에 대한 정보를 전기 자동차용 무선 충전 시스템의 송신기에 전달하는 신호 전송기를 더 포함할 수 있다. 이러한 충전에 대한 정보는 충전 속도와 같은 충전 효율, 충전된 정도 등일 수 있다.
상기 무선충전 장치는 상기 자동차의 하부에 구비될 수 있다.
도 6은 무선충전 장치가 적용된 전기 자동차를 나타낸 것이다.
상기 전기 자동차는 전기 자동차용 무선 충전 시스템이 구비된 주차 구역에서 무선으로 충전될 수 있다.
도 6을 참조하여, 일 구현예에 따른 전기 자동차(1)는, 상기 구현예에 따른 무선충전 장치를 수신기(21)로 포함한다. 상기 무선충전 장치는 전기 자동차(1)의 무선충전의 수신기(21)로 역할하고 무선충전의 송신기(22)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
1: 전기 자동차,
2: 사출 성형기, 3: 몰드,
10, 10': 무선충전 패드, 11: 무선충전 장치,
15: 냉각기, 16: 연결유로,
21: 수신기, 22: 송신기,
100, 100': 지지판, 200, 200': 코일,
300, 300': 자성 소재, 301: 원료 조성물,
400, 400': 쉴드부, 500: 미세유로,
510: 유입구, 520: 배출구,
600: 하우징, 700: 방열판.
2: 사출 성형기, 3: 몰드,
10, 10': 무선충전 패드, 11: 무선충전 장치,
15: 냉각기, 16: 연결유로,
21: 수신기, 22: 송신기,
100, 100': 지지판, 200, 200': 코일,
300, 300': 자성 소재, 301: 원료 조성물,
400, 400': 쉴드부, 500: 미세유로,
510: 유입구, 520: 배출구,
600: 하우징, 700: 방열판.
Claims (14)
- 전도성 와이어를 포함하는 코일;
상기 코일 상에 배치된 쉴드부;
상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 자성 소재; 및
상기 자성 소재의 내부 또는 인접부에 배치된 미세유로를 포함하는,
무선충전 패드.
- 제 1 항에 있어서,
상기 미세유로가 상기 자성 소재의 내부에 배치되는, 무선충전 패드.
- 제 2 항에 있어서,
상기 미세유로가 상기 자성 소재의 총 부피를 기준으로 5 % 내지 70 %의 총 내부 부피를 갖는, 무선충전 패드.
- 제 1 항에 있어서,
상기 미세유로가 0.1 mm 내지 5 mm의 내경을 갖는, 무선충전 패드.
- 제 1 항에 있어서,
상기 미세유로가 상기 코일이 존재하는 영역에 대응하여 배치되는, 무선충전 패드.
- 제 1 항에 있어서,
상기 자성 소재가 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함하는, 무선충전 패드.
- 제 1 항에 있어서,
상기 자성 소재가 나노결정성(nanocrystalline) 자성 소재를 포함하는, 무선충전 패드.
- 하우징;
상기 하우징 내에 배치되고 전도성 와이어를 포함하는 코일;
상기 코일 상에 배치된 쉴드부;
상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 자성 소재;
상기 자성 소재의 내부 또는 인접부에 배치된 미세유로; 및
상기 하우징 외부에 배치되고 상기 미세유로와 연결되는 냉각기를 포함하는,
무선충전 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 무선충전 장치가, 상기 미세유로와 상기 냉각기를 순환하며 흐르는 냉각을 위한 유체를 더 포함하는, 무선충전 장치.
- 제 9 항에 있어서,
상기 유체가 상기 자성 소재에서 발생하는 열을 상기 냉각기로 전달하는, 무선충전 장치.
- 제 9 항에 있어서,
상기 유체가 0.022 W/m·K 내지 0.69 W/m·K의 열전도도를 갖는, 무선충전 장치.
- 제 9 항에 있어서,
상기 냉각기가 공냉식 또는 수냉식으로 상기 유체를 냉각시키는, 무선충전 장치.
- 무선충전 장치를 포함하는 전기 자동차로서,
상기 무선충전 장치가
하우징;
상기 하우징 내에 배치되고 전도성 와이어를 포함하는 코일;
상기 코일 상에 배치된 쉴드부;
상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 자성 소재;
상기 자성 소재의 내부 또는 인접부에 배치된 미세유로; 및
상기 하우징 외부에 배치되고 상기 미세유로와 연결되는 냉각기를 포함하는,
전기 자동차.
- 제 13 항에 있어서,
상기 냉각기가 자동차 에어컨을 포함하는, 전기 자동차.
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|---|---|
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