KR20210065062A - 입체 형상의 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치 - Google Patents

입체 형상의 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치 Download PDF

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KR20210065062A
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김지은
양기동
조경환
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 유연(flexible) 기판 등을 이용하여 입체 형상을 가지도록 구성되는 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치에 관한 것이다.
본 발명에서는, 무선 전력 전송 장치에 구비되어 무선 전력을 송신 또는 수신하는 무선 전력 전송 코일에 있어서, 유연 기판; 및 상기 유연 기판에 구비되는 코일 구조물;을 포함하여 구성되며, 상기 무선 전력 전송 코일은, 평판 형상이 아닌 입체 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일을 개시한다.

Description

입체 형상의 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치 {3D structure coil for wireless power transfer and apparatus using the same}
본 발명은 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 유연(flexible) 기판 등을 이용하여 입체 형상을 가지도록 구성되는 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치에 관한 것이다.
최근 근거리에서 자기 결합을 이용한 무선 전력 전송 기술의 활용 범위가 지속적으로 확대되고 있다.
이때, 자기 결합을 이용한 무선 전력 전송 기술에서는 1차 코일에서 만들어지는 시변 자기장 속에 위치하는 2차 코일에서 전압이 유도되는 현상을 이용한다.
이와 관련하여, WPC(Wireless Power Consortium)에서는 자기 유도 기술을 이용하여 스마트폰, 스마트 와치 등을 위한 자기 결합 무선 전력 전송 제품을 인증하여 판매하고 있다.
또한, 에어퓨얼 얼라이언스(AirFuel Alliance)에서는 자기 공진 기술을 적용한 무선 전력 전송 제품에 대한 국제 표준 제정 및 시장 활성화를 위해 노력하고 있다.
이때, 현재까지 상용화된 자기 결합 무선 전력 전송 제품들의 코일 모양은 통상적으로 평판형으로 구현되었다. 인쇄 기판 회로에 구현된 경우, 리츠(Litz) 와이어 등을 이용하여 평평한 구조로 제작되었다.
그런데, 최근 블루투스를 이용한 이어버드형 무선 이어폰, 오픈형 이어폰, 커널형 이어폰에 대한 사용이 증가하고 있다. 또한, 최근 난청인을 위한 보청기 수요가 늘어나면서, 1회용 전지보다는 충전형 2차 전지에 대한 수요도 급격히 증가하고 있다.
이와 같이, 저전력 근거리 무선 통신 기술이 이미 모바일 제품에 적용되어, 널리 사용되고 있고, 최근에는 무선 음향 기기와 같은 소형 웨어러블 기기 제품과 융합되어, 블루투스 무선 이어폰과 같은 무선 음향기기 시장이 폭발적으로 증가하고 있다.
또한, 저전력 근거리 무선 통신 기술은 기존의 보청기와 같은 웨어러블 의료 기기와 융합되어, 스마트폰 등의 단말로부터 직접 보청기를 통하여 통화가 가능하고 음악도 청취할 수 있으며, 나아가 난청인을 위하여 보청 기능을 제공하는 등, 하나의 제품으로 다양한 기능을 제공하는 무선 웨어러블 헬스케어 기기 제품도 출시되고 있다.
그런데, 종래 무선 이어폰 제품은 통상적으로 무선 이어폰과 이를 보관하는 케이스(크래들)로 구성되었다. 이때, 상기 케이스에는 일정 용량을 갖는 충전형 전지가 내장되며, 소형 무선 이어폰에도 소형 이차 전지가 내장되어 있다. 이에 따라, 무선 이어폰의 충전은 접촉식 방식으로, 무선 이어폰의 일부에 노출된 전극이 케이스의 전극과 접촉하여 충전을 수행하게 된다.
이에 대하여, 최근의 제품에서는 자기 유도 국제 무선충전 표준인 WPC Qi 기술을 도입하여 케이스의 배터리를 무선으로 충전하고 있으며, 나아가 보청기 제품에도 무선 충전 기술이 적용되고 있다. 예를 들어, 일부 회사의 보청기 제품에서는 은-아연(Silver-Zinc) 전지를 이용한 무선 충전 플랫폼을 사용하고 있으며(도 1의 (a)), 또는 리튬-이온(Li-ion) 배터리와 케이스에 코일이 감겨진 구조를 사용하기도 한다(도 1의 (b)).
그런데, 귓속 또는 귀걸이형의 무선 이어폰은 구조적인 특징으로 직육면체형의 정형화된 배터리를 사용하기 보다는 구조에 적합한 원통형과 유사한 모양을 갖거나, 사용할 구조에서의 빈 공간을 최대한 활용하기 위하여 기존의 정형화된 형태의 상용 배터리보다 구조에 적합한 비정형 형태의 구조를 사용한다. 대표적으로 A사의 유명 무선 이어폰 제품에서는 원통형 배터리를 사용하였다.
이에 따라, 무선 충전에서 전력을 수신하거나 송신하는 코일에서 사용되는 종래의 평판형 또는 정형 구조로는 제품의 가용 공간을 최대한 활용하기 어렵고, 이에 따라 배터리 용량의 확보에도 제약을 가지게 된다.
대한민국 공개특허공보 제 10-2016-0068925 호 (2016.6.15)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 적용되는 제품의 구조에 따라 입체 형상을 이루어 가용 공간을 최대한 활용하여 무선 전력 전송 효율을 개선하고, 배터리 용량도 확대할 수 있는 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그 외 본 발명의 세부적인 목적은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술 분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일은, 무선 전력 전송 장치에 구비되어 무선 전력을 송신 또는 수신하는 무선 전력 전송 코일로서, Flexible printed circuit board 와 같은 유연 기판; 및 상기 유연 기판에 구비되는 코일 구조물;을 포함하여 구성되며, 상기 무선 전력 전송 코일은, 평판 형상이 아닌 입체 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 코일 구조물은, 상기 유연 기판의 상면과 하면에 모두 구비되며, 상기 상면 및 상기 하면의 전류 방향이 동일하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 코일 구조물은, 상기 유연 기판의 상면과 하면에서 상기 코일 구조물의 패턴이 서로 겹치도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 코일 구조물은, 상기 유연 기판의 상면과 하면에서 상기 코일 구조물의 패턴 중 일부 또는 전부가 서로 어긋나도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 코일 구조물은 금속 패턴이 두개 이상으로 분리되어 소정의 간격으로 떨어져 평행하게 배치된 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 코일 구조물은 원형의 동심원 구조로 감겨진 구조를 이룰 수 있다.
또한, 상기 코일 구조물은 마주보는 변의 길이가 동일한 사각형 구조로 감겨진 구조를 이룰 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 전송 코일은, 휘어서(curved) 단면이 원호(arc) 형상을 이루거나, 구부러지면서(bended) 단면이 다각형 형상을 이루면서 입체 형상을 가질 수 있다.
또한, 무선전력전송 코일은 코일이 감겨지는 코일 구조물의 모양에 맞게 구현될 수 있다.
이때, 상기 무선 전력 전송 코일은, 원호(arc) 또는 다각형 형상의 단면의 길이가 전체 원 또는 전체 다각형의 둘레 길이의 절반일 수 있다.
여기서, 상기 무선 전력 전송 코일은, 제1 코일과 제2 코일을 포함하는 복수개의 서브 코일을 사용하여, 전체 원 또는 전체 다각형을 둘러쌀 수 있다.
또는, 상기 무선 전력 전송 코일은, 서로 비대칭 구조를 이루어 전체 원 또는 전체 다각형을 둘러싸는 제1 코일과 제2 코일을 구비할 수도 있다.
또한, 상기 제1 코일과 제2 코일은 서로 직렬로 연결되는 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 코일과 제2 코일은 서로 병렬로 연결되는 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 전송 코일은, 단면이 원형 또는 다각형의 형상으로 감기면서 입체 형상을 이룰 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일은, 무선 전력 전송 장치에 구비되어 무선 전력을 송신 또는 수신하는 무선 전력 전송 코일에 있어서, 입체 형상을 이루는 기판에 구비되는 코일 구조물;을 포함하여 구성되며, 상기 코일 구조물은, 상기 기판의 상면과 하면에 모두 구비되며, 상기 상면 및 상기 하면의 전류 방향이 동일하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 무선 전력을 송신 또는 수신하는 무선 전력 전송 코일이 구비되는 무선 전력 전송 장치로서, 상기 무선 전력 전송 코일은, Flexible printed circuit board 와 같은 유연 기판; 및 상기 유연 기판에 구비되는 코일 구조물;을 포함하여 구성되며, 상기 무선 전력 전송 코일은, 평판 형상이 아닌 입체 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 무선 전력 전송 코일은, 금속 재질을 포함하는 구조체 외부에 장착될 수 있다.
이때, 상기 구조체와 상기 무선 전력 전송 코일 사이에 위치하는 차폐제가 구비될 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 전송 코일은, 서로 대칭 구조를 이루어 상기 구조체를 둘러싸는 제1 코일과 제2 코일을 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치는, 유연(flexible) 기판 등을 이용하여 입체 형상을 가지는 무선 전력 전송 코일을 구성함으로써, 무선 전력 전송 코일이 적용되는 제품의 가용 공간을 최대한 활용하면서 무선 전력 전송 효율을 개선하고 배터리 용량도 확대할 수 있게 된다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치는, 곡면을 갖는 구조 등에도 적합하여 다양한 비정형 형태의 제품에 용이하게 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치는, 구조에 적합한 굽은 코일(curved coil) 등 입체 형상의 코일을 사용하여 소형 장치의 제한된 공간을 최적으로 사용할 수 있으며 소형화도 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치는, 굽은 코일(curved coil) 등 입체 형상의 코일을 사용하여 사용 공간을 줄이면서도 상호 인덕턴스와 저항을 조절하여 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치는, 코일을 이중으로 구성하여 인덕턴스 및 상호 인덕턴스를 증가시켜고 효율을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일 및 이를 구비하는 장치에서는, 중심에 금속이 놓이는 경우에도 두 개의 코일을 양면으로 배치하여 양방향에서 전력을 효율적으로 수신할 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시 예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 소형 무선 충전 장치를 예시하는 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일을 예시하는 도면이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일의 다양한 실시예를 예시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일이 적용된 보청기를 예시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일에 대한 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 2a에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일(100)을 예시하고 있다.
도 2a에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일(100)은, 무선 전력 전송 장치(10)에 구비되어 무선 전력을 송신 또는 수신하는 무선 전력 전송 코일(100)에 있어서, 유연 기판(110) 및 상기 유연 기판(110)에 구비되는 코일 구조물(120)을 포함하여 구성되며, 상기 무선 전력 전송 코일(100)은, 평판 형상이 아닌 입체 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일(100)에서 상기 유연 기판(110)은 FPCB(flexible printed circuit board) 등을 이용하여 제작될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 유연성을 가지는 다양한 기판으로 구현하는 것도 가능하다.
또한, 상기 무선 전력 전송 코일(100)이 입체 형상을 이룬다는 것은 평면 형상(2D)의 유연 기판(110)이 휘거나(curved) 구부러지면서(bended) 3차원(3D)의 형상을 가지는 경우를 포함하나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 다양한 형상으로 상기 무선 전력 전송 코일(100)을 구현하는 것도 가능하다.
또한, 상기 유연 기판(110)에 구비되는 코일 구조물(120)은 일반적인 금속 도선을 사용하여 구현이 가능하다.
도 2a에서는 유연(flexible) 기판을 이용하여 제작된 커브드(Curved) 형상의 무선 전력 전송 코일(100)을 예시하고 있다.
또한, 도 2b에서는 커브드(curved) 형상으로 변환하기 전의 평판 형상에서의 무선 전력 전송 코일(100)을 예시하고 있다.
나아가, 도 2c에서는 원통형 코일 구조체에 장착된 커브드(curved) 형상의 무선 전력 전송 코일(100)의 형상을 예시하고 있다.
이때, 도 2c에서 볼 수 있는 것처럼, 커브드(curved) 형상의 무선 전력 전송 코일(100)은 원통형 구조체 전체에 감기지 않고, 원통형 구조체의 일부에 부분적으로 코일이 감길 수도 있다.
이 때, 상기 무선 전력 전송 코일(100)에서는 상기 코일 구조물(120)의 금속 패턴을 두개 이상으로 분리하여 사용할 수도 있다. 이때, 분리된 금속 패턴은 일정 간격으로 떨어져 평행하게 배치된 구조로 구현될 수 있다. 또한, 인쇄 기판 구조가 아니라 금속 와이어를 이용하여 제작하는 것도 가능하다. 이때, 금속 와이어의 경우에도 여러 개의 와이어를 평행하게 배치하여 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일(100)에서, 상기 코일 구조물(120)은, 상기 유연 기판(110)의 상면과 하면에 모두 구비될 수 있다.
즉, 상기 코일 구조물(120)은 상기 유연 기판(110)의 양면 모두에 구비되도록 제작될 수 있으며, 도 3에서는 양면으로 제작된 코일 구조물(120)의 예를 나타낸다.
보다 구체적으로, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 윗면에 구비되는 코일 구조물 패턴(120a)과 아래면에 구비되는 코일 구조물 패턴(120b)은 비아(via) 등을 이용해 연결될 수 있다.
이때, 도 3의 (b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 상면 및 상기 하면의 전류 방향이 동일하도록 구성함으로써, 상기 무선 전력 전송 코일(100)의 인덕턴스를 증가시킬 수 있으며, 나아가 상호 인덕턴스도 증가시켜 무선 전력 전송 효율을 개선할 수도 있다.
이때, 상기 무선 전력 전송 코일(100)에서는 상기 코일 구조물(120)의 금속 패턴을 두개 이상으로 분리하여 사용할 수도 있다. 이때, 분리된 금속 패턴은 일정 간격으로 떨어져 평행하게 배치된 구조로 구현될 수 있다. 또한, 인쇄기판 구조가 아니라 금속 와이어를 이용하여 제작하는 것도 가능하다. 이때, 금속 와이어의 경우에도 여러 개의 와이어를 평행하게 배치하여 구성할 수 있다.
또한, 도 3의 (b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 유연 기판(110)의 상면과 하면에서 상기 코일 구조물(120)의 패턴이 서로 겹치도록 구성할 수도 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 반대로 인덕턴스 및 저항 특성의 개선을 위해 상기 유연 회로 기판(110)의 상면과 하면에서 상기 코일 구조물(120)의 패턴 중 일부 또는 전부가 서로 겹치지 않도록 구성하는 것도 가능하다.
또한, 상기 코일 구조물(120)이 감겨진 구조는 원형의 경우는 동심원 구조일 수 있으며, 사각형의 경우는 마주보는 변의 길이가 동일한 구조로 구현이 가능하다. 이에 따라, 원형 또는 사각형 스파이럴 구조와 비교하여 보다 큰 전력을 수신할 수 있으며, 이는 소형 보청기 등에서는 자기장 수신 면적을 넓히는 것이 유리하기 때문에 보다 적합한 방안이 될 수 있다. 나아가, 송신부에 적용할 경우 보다 큰 자기장이 형성될 수 있으며 자기장이 좌우 대칭으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일(100)은, 휘어서(curved) 단면이 원호(arc) 형상을 이루거나, 또는 구부러지면서(bended) 단면이 다각형 형상을 이루면서 입체 형상을 가질 수도 있다.
이에 따라, 상기 무선 전력 전송 코일(100)은, 단면이 원형 또는 다각형의 형상을 가지도록 감기면서 입체 형상으로 구현될 수 있다.
이때, 상기 무선 전력 전송 코일(100)은 전체 원 또는 전체 다각형의 둘레 길이의 절반을 넘지 않도록 할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일(100)은 최대치의 상호 인덕턴스를 얻기 위하여 원호(arc) 또는 다각형 형상의 단면의 길이가 전체 원 또는 전체 다각형의 둘레 길이의 절반으로 것이 바람직하다.
또한, 도 4a에서는 도 2b에서와 같이 평판 형상으로 펼쳐진 코일 구조물(120)을 예시하고 있다. 도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이, 도시된 코일 구조물(120)은 4턴의 회전수를 가지고, 최외각 패턴의 가로는 가변 가능한 길이를 가지며, 높이는 6.5mm, 최내각 사각 루프의 높이는 1.8mm인 경우를 예시하고 있다.
또한, 도 4b에서는 상기 도 4a의 코일 구조물(120)을 정육각형 구조로 감은 형상의 단면을 예시하고 있다. 이때, 도 4b에서 육각형의 한변의 길이가 5mm이면 전체 둘레는 30mm가 된다.
여기서, 상기 정육각형은 실시예 중 하나로서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 원형 및 사각형 등 다양한 형상으로도 구현이 가능하다.
또한, 상기 코일 구조물(120)의 최외각 패턴의 길이에 따라 코일 구조물(120)이 감기지 않고 비게 되는 갭(gap)의 길이도 변화될 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일(100)에서, 상기 코일 구조물(120)은 최외각 패턴의 길이(즉, 정육각형에서 상기 코일 구조물(120)이 감기는 길이)가 상기 정육각형의 전체 둘레 길이의 절반 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 무선 전력 전송 코일(100)이 원형 형상을 가지는 경우에는 최외각 패턴의 길이가 원의 전체 둘레 길이의 절반을 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 4c에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일(100)에서의 다양한 갭(gap)에 따른 상기 코일 구조물(120)의 다양한 단면 구조를 예시하고 있다.
도 4c에서 볼 수 있는 바와 같이, 갭(gap)에 따라 정육각형을 에워싸는 정도가 달라지게 되며, 특히 4번 케이스(case 4)에 도시된 경우와 같이 상기 코일 구조물(120)은 정육각형의 절반 형상을 가지는 경우, 무선 전력 전송 효율을 극대화할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5에서는 도 4c에 제시된 다양한 케이스에 대하여, 보울(bowl) 형상의 송신 코일을 가지는 무선 전력 송신 장치(20)로부터 무선 전력을 수신하는 경우에, 각 케이스별로 송수신 코일 사이의 최대 결합 효율(η)을 시뮬레이션(simulation)하기 위한 모델을 나타내고 있으며, 본 발명에서는 시뮬레이션을 위하여 상용 툴인 맥스웰(Maxwell) 프로그램을 사용하였다.
또한, 도 5에서는 상기 무선 전력 송신 장치(20)의 송신 코일에 대한 해석 시간을 줄이기 위해, 여섯 턴의 코일로 등가되는 모델을 사용하였으며, 시뮬레이션을 통하여 송신부의 교류 저항으로 0.4277 Ω을 얻었다.
아래 표 1은, 도 5에 제시된 모델을 이용하여, 도 4c의 구조에 대한 시뮬레이션을 통해 얻은 결과이다.
이때, 송수신 코일 사이의 최대 전달 효율(η)을 계산하기 위해서는 아래 수학식 1을 사용하였다. 여기서, FoM(Figure of Merit)는 무선 전력 송수신 시스템의 성능 지수이며, 이는 송신 코일의 저항(R1 = 0.4277Ω), 수신 코일의 저항(R2), 상호 인덕턴스(M) 및 사용 주파수(f)에 의해서 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5
gap [mm] 2 5 9 15 25
L [nH] 325.40 299.59 252.66 187.31 62.070
R [mohm] 373.77 341.48 286.99 212.51 94.256
M [nH] 7.8512 12.057 16.419 19.648 7.2998
FoM 0.84 1.34 2.00 2.78 1.55
eff [%] 13.18 25.24 38.14 49.38 29.67
또한, 상기 표 1에서 L, R, M은 각 케이스에서 코일 구조물(120)의 자기 인덕턴스, 저항, 상호 인덕턴스를 말한다.
이때, 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 4번 케이스(Case 4)의 효율이 가장 높음을 확인할 수 있다.
즉, 상기 무선 전력 전송 코일(100)의 원호(arc) 또는 다각형 형상의 단면의 길이가 전체 원 또는 전체 다각형의 둘레 길이의 절반이 될 경우에 가장 높은 효율을 가지게 됨을 알 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 평행한 복수의 코일을 가지는 송신 코일 내에서 무선 전력을 수신하는 무선 전력 전송 장치(100)의 무선 전력 전송 코일(120)의 원호(arc) 또는 다각형 형상의 단면의 길이가 전체 원 또는 전체 다각형의 둘레 길이의 절반을 에워싸도록 하는 것이 바람직하다.
나아가, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 무선 전력 전송 코일(100)이 상기 보울(bowl)의 바닥면 중앙에 놓여질 경우, 상기 바닥면에 수직한 소정의 평면(예를 들어, YZ평면)을 기준으로 대칭을 이루도록 배치되는 구조가 바람직하다.
그러나, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 코일(100)은 상기 보울(bowl) 형상의 코일 이외에도 평판형 스파이럴 형상의 코일 등과 대응되어 무선 전력을 송수신하는 것도 가능하다.또한, 본 발명의 일 실시예로서, 무선 전력 전송 장치(10)에 구비되어 무선 전력을 송신 또는 수신하는 무선 전력 전송 코일(100)에 있어서, 입체 형상을 이루는 기판에 구비되는 코일 구조물(120);을 포함하여 구성되며, 상기 코일 구조물(120)은, 상기 기판의 상면과 하면에 모두 구비되며, 상기 상면 및 상기 하면의 전류 방향이 동일하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일(100)에서, 상기 무선 전력 전송 코일(100)은 제1 코일과 제2 코일을 포함하는 복수개의 서브 코일을 사용하여, 전체 원 또는 전체 다각형을 둘러싸는 구조를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에서 배터리 등과 같이 금속 재질을 포함하는 구조체(11)가 무선 이어폰이나 보청기 등과 같은 무선 전력 전송 장치(10)의 중앙에 위치한 경우, 상기 무선 전력 전송 코일(100)을 두 개로 나누어서 구성할 수 있다.
예를 들어, 도 6a는 두 개의 제1 코일(130)과 제2 코일(140)을 직렬로 연결하여 펼친 구조를 예시하고 있다.
또한, 이를 구부러지면서(bended) 단면이 다각형 형상을 이루는 구조로 만들면 도 6b 및 도 6c와 같은 형상으로 구현할 수 있다.
이때, 도 6b는 상기 제1 코일(130)과 제2 코일(140)이 직렬로 연결된 구조이며, 도 6c는 상기 제1 코일(130)과 제2 코일(140)이 병렬로 연결된 구조이다.
여기서, 위와 같이 두 개의 코일이 병렬로 연결되는 경우는 저항이 낮아지는 효과가 있으며, 직렬로 연결되는 경우는 상호 인덕턴스가 증가하는 효과를 가질 수 있다.
나아가, 위와 같이 두 개의 코일이 서로 대칭을 이루는 구조는 중심부에 둥근 또는 다각형 모양의 구조체(11)가 존재하는 경우에도 금속 재질을 포함하는 구조체(11)를 중심으로 좌/우 방향 모두에서 전력을 효율적으로 수신할 수 있는 장점이 있다.
또한, 도 6d는 배터리 등 금속 재질을 포함하는 구조체(11)가 중심에 위치하는 경우에 대하여, 상기 제1 코일(130)과 제2 코일(140)이 서로 대칭을 이루어 둘러싸는 배치 구조를 나타낸다.
이때, 도 6d에도, 상기 제1 코일(130)과 제2 코일(140)은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있으며, 나아가 금속 와류 전류에 의한 인덕턴스 감소를 해결하기 위해서 상기 구조체(11)와 상기 무선 전력 전송 코일(100) 사이에 차폐제(12)를 사용할 수도 있다.
또한, 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일(100)이 적용된 보청기(즉, 무선 전력 전송 장치(10))를 예시하고 있다.
먼저, 도 7의 (a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 커브드(curved) 형상의 무선 전력 전송 코일(100)은 상기 보청기의 둥근 몸체에 적합하도록 제작되었으며, 특히 둥근 형상의 배터리(즉, 구조체(11))의 절반 정도만 둘러싸도록 제작되었다.
또한, 도 7의 (b)에서는 볼(Bowl)형 무선 전력 송신 장치(20)에 상기 보청기(즉, 무선 전력 전송 장치(10))가 내장되어 충전되는 모습을 예시하고 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일(100) 및 이를 구비하는 무선 전력 전송 장치(10)에서는, 적용되는 제품의 구조에 따라 커브드(curved) 형상 등 입체 형상을 이루어 가용 공간을 최대한 활용하여 무선 전력 전송 효율을 개선하고, 나아가 배터리 용량 등도 확대할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 무선 전력 전송 장치
11 : 구조체
12 : 차폐제
20 : 무선 전력 송신 장치
100 : 무선 전력 전송 코일
110 : 유연 기판
120 : 코일 구조물
130 : 제1 코일
140 : 제2 코일

Claims (18)

  1. 무선 전력 전송 장치에 구비되어 무선 전력을 송신 또는 수신하는 무선 전력 전송 코일에 있어서,
    유연 기판; 및
    상기 유연 기판에 구비되는 코일 구조물;을 포함하여 구성되며,
    상기 무선 전력 전송 코일은,
    평판 형상이 아닌 입체 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코일 구조물은,
    상기 유연 기판의 상면과 하면에 모두 구비되며,
    상기 상면 및 상기 하면의 전류 방향이 동일하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코일 구조물은,
    상기 유연 기판의 상면과 하면에서 상기 코일 구조물의 패턴이 서로 겹치도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 코일 구조물은,
    상기 유연 기판의 상면과 하면에서 상기 코일 구조물의 패턴 중 일부 또는 전부가 서로 어긋나도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코일 구조물은 금속 패턴이 두개 이상으로 분리되어 소정의 간격으로 떨어져 평행하게 배치된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코일 구조물은 원형의 동심원 구조로 감겨진 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코일 구조물은 마주보는 변의 길이가 동일한 사각형 구조로 감겨진 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 코일은,
    휘어서(curved) 단면이 원호(arc) 형상을 이루거나,
    구부러지면서(bended) 단면이 다각형 형상을 이루면서 입체 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 코일은,
    원호(arc) 또는 다각형 형상의 단면의 길이가 전체 원 또는 전체 다각형의 둘레 길이의 절반인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 코일은,
    제1 코일과 제2 코일을 포함하는 복수개의 서브 코일을 사용하여,
    전체 원 또는 전체 다각형을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 코일과 제2 코일은 서로 직렬로 연결되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 코일과 제2 코일은 서로 병렬로 연결되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 코일은,
    단면이 원형 또는 다각형의 형상으로 감기면서 입체 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  14. 무선 전력 전송 장치에 구비되어 무선 전력을 송신 또는 수신하는 무선 전력 전송 코일에 있어서,
    입체 형상을 이루는 기판에 구비되는 코일 구조물;을 포함하여 구성되며,
    상기 코일 구조물은,
    상기 기판의 상면과 하면에 모두 구비되며,
    상기 상면 및 상기 하면의 전류 방향이 동일하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 코일.
  15. 무선 전력을 송신 또는 수신하는 무선 전력 전송 코일이 구비되는 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 코일은,
    유연 기판; 및
    상기 유연 기판에 구비되는 코일 구조물;을 포함하여 구성되며,
    상기 무선 전력 전송 코일은,
    평판 형상이 아닌 입체 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 코일은,
    금속 재질을 포함하는 구조체 외부에 장착되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 구조체와 상기 무선 전력 전송 코일 사이에 위치하는 차폐제가 구비되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 코일은,
    서로 대칭 구조를 이루어 상기 구조체를 둘러싸는 제1 코일과 제2 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
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