WO2014204153A2 - 수신 안테나 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치 - Google Patents
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Definitions
- the display device may further include a support film formed between the first coil layer and the second coil layer, and the first coil layer and the second coil layer may be connected through a through hole formed in the support film.
- the soft magnetic layer 210 focuses electromagnetic energy radiated from the transmission antenna 120 of the wireless power transmission apparatus 100.
- L Rx is the inductance of the receiving antenna
- L Tx is the inductance of the transmitting antenna
- M is the mutual inductance between the transmitting antenna and the receiving antenna.
- Example 2 the other conditions were the same as in Example 1 except that a receiving antenna structure in which one coil layer was embedded in the soft magnetic layer was used. At this time, the coil was embedded using a hot press process at 150 ° C. and 100 kgf / cm 2 .
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나는 기판, 상기 기판 상에 적층되며, 연자성 소재로 이루어진 제1 연자성층, 그리고 무선 전력 송신 장치로부터 방사되는 전자기 에너지를 수신하며, 상기 연자성층과 평행하게 감겨진 제1 코일층 및 상기 제1 코일층과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 코일층과 평행하게 감겨진 제2 코일층을 포함하며, 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 전류 방향이 반대인 수신 코일을 포함한다.
Description
본 발명은 무선 충전에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 충전을 위한 수신 안테나 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.
무선 전력 송수신 기술은 전자기기에게 전력을 무선으로 공급하는 기술로, 휴대 단말의 배터리 충전뿐만 아니라, 가정용 전자제품에 대한 전력 공급, 전기자동차나 지하철에 대한 전력 공급 등에도 다양하게 적용될 수 있다.
전력 송수신 효율을 높이기 위하여, 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치 간의 에너지 손실을 최소화할 필요가 있다. 이를 위하여, 송신 안테나와 수신 안테나를 유효 거리 이내에서 상호 정렬시킬 수 있다. 또한, 송신 안테나와 수신 안테나 주변에 연자성 소재를 배치하여, 송신 안테나가 방사하는 전자기 에너지를 수신 안테나의 방향으로 집속시킬 수 있다.
그런데, 수신 안테나 주변에 배치되는 연자성 소재는 두께가 얇아, 평면 방향으로 높은 투자율을 가진다. 수신 안테나용 연자성 소재의 자화값이 포화되면, 송신 안테나로부터 나온 전자기 에너지가 누설될 수 있다. 이에 따라, 송신 안테나와 수신 안테나 간의 전송 효율을 높이는 방법이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 무선 전력 수신 장치의 무선 전력 수신 효율을 개선하기 위한 수신 안테나의 구조를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나는 기판, 상기 기판 상에 적층되며, 연자성 소재로 이루어진 제1 연자성층, 그리고 무선 전력 송신 장치로부터 방사되는 전자기 에너지를 수신하며, 상기 연자성층과 평행하게 감겨진 제1 코일층 및 상기 제1 코일층과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 코일층과 평행하게 감겨진 제2 코일층을 포함하며, 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 전류 방향이 반대인 수신 코일을 포함한다.
상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층 사이에 형성된 지지 필름을 더 포함하며, 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층은 상기 지지 필름에 형성된 관통홀을 통하여 연결될 수 있다.
상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 적어도 일부는 상기 제1 연자성층에 매립될 수 있다.
상기 기판과 상기 제1 연자성층 사이에 형성된 제2 연자성층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 연자성층, 상기 제1 코일층 및 상기 제2 코일층의 적어도 일부는 상기 무선 전력 수신 장치의 케이스에 매립될 수 있다.
상기 제1 코일층 및 상기 제2 코일층과 상기 연자성층 사이에는 PET(polyethylene terephthalate) 소재의 접착층이 더 포함될 수 있다.
상기 제1 코일층 및 상기 제2 코일층은 동일한 형상을 가진 코일층이며, 상기 제2 코일층이 반전되어 상기 제1 코일층 상에 적층될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치는 기판, 상기 기판 상에 적층되며, 연자성 소재로 이루어진 제1 연자성층, 그리고 무선 전력 송신 장치로부터 방사되는 전자기 에너지를 수신하며, 상기 연자성층과 평행하게 감겨진 제1 코일층 및 상기 제1 코일층과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 코일층과 평행하게 감겨진 제2 코일층을 포함하며, 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 전류 방향이 반대인 수신 코일, 상기 수신 코일과 연결되며, 상기 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 회로부, 그리고 상기 전기 에너지를 저장하는 저장부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 무선 전력 수신 장치에서 수신 안테나의 전자기 에너지 집속 성능을 높일 수 있어, 무선 전력 송수신 효율을 최대화할 수 있다. 특히, 수신 안테나의 두께를 줄이고 송신 안테나와 수신 안테나 간의 거리를 줄여 개선된 전력 전송 효율을 얻을 수 있다.
이에 따라, 얇은 두께에서도 요구되는 수준의 전자기 에너지 집속 효과를 얻을 수 있어, 슬림화 추세의 다양한 전자기기(예, TV, 휴대 단말, 노트북, 테블릿 PC 등) 기술에 적용이 가능하다.
그리고, 전자기 에너지 집속 성능이 우수하고, 재료의 가격이 저렴하므로, 전기자동차, 지하철, 전철 등의 대형 응용 분야에도 적용이 가능하다.
또한, 무선 전력 송신 장치가 영구 자석을 포함하더라도, 영구 자석의 영향을 흡수하여, 높은 전력 전송 효율을 얻을 수 있다. 그리고, 무선 전력 송신 장치가 영구 자석을 포함하지 않는 경우에도 호환이 가능하다.
또한, 제작 공정이 간단하며, 추가적인 비용 상승의 부담이 적다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 무선 전력 송신 장치의 일부를 나타내는 도면이고, 도 3은 무선 전력 수신 장치의 일부를 나타내는 도면이다.
도 4는 연자성층의 두께에 따른 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치 간의 전력 전송 효율을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치의 일부 단면도이다.
도 6은 제1 코일층과 제2 코일층의 일 예이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 하나의 코일층을 연자성층에 매립한 예를 나타내고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 두 개의 코일층을 연자성층에 매립한 예를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따라 연자성 소재의 시트가 합지된 예를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따라 수신 안테나가 휴대 단말의 후면 케이스에 매립된 예를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 송수신 시스템은 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)를 포함한다. 전원에 연결된 무선 전력 송신 장치(100)는 송신 안테나에 전기 에너지를 인가하고, 송신 안테나는 전기 에너지를 전자기 에너지로 변환하여 주변으로 방사한다. 무선 전력 수신 장치(200)는 송신 안테나로부터 방사된 전자기 에너지를 수신 안테나를 이용하여 수신하고, 이를 전기 에너지로 변환하여 충전한다.
여기서, 무선 전력 송신 장치(100)는, 예를 들면 송신 패드(pad)이다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 송수신 기술이 적용되는 휴대 단말, 가정용/개인용 전자제품, 운송 수단 등의 일부 구성일 수 있다. 무선 전력 송수신 기술이 적용되는 휴대 단말, 가정용/개인용 전자제품, 운송 수단 등은 무선 전력 수신 장치(200)만을 포함하거나, 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)를 모두 포함하도록 설정될 수 있다.
이때, 무선 전력 송신 장치(100)는 전자기 유도(electromagnetic induction) 방식 또는 공진(resonance) 방식을 이용하여 전력을 송신할 수 있다. 이와 마찬가지로, 무선 전력 수신 장치(200)는 전자기 유도(electromagnetic induction) 방식 또는 공진(resonance) 방식을 이용하여 전력을 수신할 수 있다.
한편, 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 송수신(Wireless Power Conversion, WPC) 기능과 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC) 기능을 동시에 가지는 모듈을 포함하도록 구성될 수도 있다. 이때, 무선 전력 수신 장치(200)는 NFC 모듈을 포함하는 외부 장치(300)와 근거리 무선 통신을 수행할 수도 있다.
도 2는 무선 전력 송신 장치의 일부를 나타내는 도면이고, 도 3은 무선 전력 수신 장치의 일부를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(100)는 송신 회로(미도시), 연자성 코어(110), 송신 안테나(120) 및 영구 자석(130)을 포함한다.
연자성 코어(110)는 수 mm 두께의 연자성 소재로 이루어질 수 있다. 그리고, 송신 안테나(120)는 송신 코일로 이루어지며, 영구 자석(130)은 송신 안테나(120)에 의하여 둘러싸일 수 있다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 수신 장치(200)는 수신 회로(미도시), 연자성층(210) 및 수신 코일(220)을 포함한다. 연자성층(210)은 기판(미도시) 상에 적층될 수 있다. 기판은 여러 겹의 고정 시트로 이루어질 수 있고, 연자성층(210)과 접합하여, 연자성층(210)을 고정시킬 수 있다.
연자성층(210)은 무선 전력 송신 장치(100)의 송신 안테나(120)로부터 방사되는 전자기 에너지를 집속한다.
연자성층(210)은 금속 재료 또는 페라이트(ferrite) 소재로 이루어질 수 있으며, 연자성층(210)은 소결체(pellet), 플레이트(plate), 리본, 호일(foil), 필름(film) 등의 다양한 형태로 구현될 수 있다. 일 예로, 연자성층(210)은 Fe, Co, Ni 중 적어도 하나를 포함하는 단일 금속 또는 합금 분말 플레이크 및 고분자 수지를 포함하는 컴포지트 형태일 수 있다. 다른 예로, 연자성층(210)은 Fe, Co, Ni 중 적어도 하나를 포함하는 합금 리본, 적층 리본, 호일 또는 필름일 수 있다. 또 다른 예로, 연자성층(210)은 FeSiCr 플레이크를 90wt% 이상 포함하고, 고분자 수지를 10wt% 이하 포함하는 컴포지트일 수 있다. 또 다른 예로, 연자성층(210)은 Ni-Zn 계 페라이트를 포함하는 시트, 리본, 호일 또는 필름일 수 있다.
연자성층(210) 상에는 수신 코일(220)이 적층된다. 수신 코일(220)은 연자성층(210) 상에서 연자성층(210)과 평행한 방향으로 감겨진 코일 면으로 이루어질 수 있다. 스마트폰에 적용되는 수신 안테나를 예로 들면, 외경 50mm 이내, 내경 20mm 이상의 나선형 코일(spiral coil)의 형태일 수 있다. 수신 회로는 수신 코일(220)을 통하여 수신된 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하며, 변환한 전기 에너지를 배터리(미도시)에 충전한다.
도시되지 않았으나, 연자성층(210)과 수신 안테나(220) 사이에는 방열층이 더 포함될 수 있다. 본 명세서에서, 연자성층(210)과 수신 코일(220)을 수신 안테나라고 지칭할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(200)가 WPC 기능과 NFC 기능을 동시에 가지는 경우, 연자성층(210) 상에는 NFC 코일(230)이 더 적층될 수 있다. NFC 코일(230)은 수신 코일(220)의 바깥을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
그리고, 수신 코일(220)과 NFC 코일(230) 각각은 단자(240)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
도 4는 연자성층의 두께에 따른 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치 간의 전력 전송 효율을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 투자율이 50인 연자성층을 사용한 경우, 연자성층의 두께가 0.1mm가 될 때까지 전력 전송 효율이 급격히 증가하다가 0.2mm 이후에는 완만하게 증가하는 경향을 보인다. 즉, 연자성층의 두께가 0.2 내지 0.3mm가 되면 대부분의 자기장 차폐가 가능해진다. 한편, 25%에 달하는 소실분 에너지는 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 갭(약 5mm)을 통하여 옆으로 새는 것으로 추정된다.
무선 전력 송신 장치가 영구 자석을 포함하며, 송신 안테나와 수신 안테나 간의 이격 거리가 5mm이고, 수신 코일이 적층된 연자성층의 두께가 0.2mm인 경우, 투자율 50 내지 200의 범위에서 자기 유도 결합 계수는 0.75 내지 0.8의 값을 가진다. 즉, 전도성 손실과 회로의 손실을 감안할 경우, 6-70%의 전송 효율을 얻는 것이 일반적이다.
한편, 수학식 1은 자기 유도 결합 계수를 나타낸다.
수학식 1 
여기서, k는 자기 유도 결합 계수(inductive coupling coefficient)이고, LRx는 수신 안테나의 인덕턴스(inductance)이며, LTx는 송신 안테나의 인덕턴스이고, M은 송신 안테나와 수신 안테나 간의 상호 인덕턴스(mutual inductance)이다.
LRx는 다시 수학식 2와 같이 나타낼 수 있고, LTx는 다시 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 2 
수학식 3 
여기서, LRx-self는 수신 안테나의 자체 인덕턴스(self-inductanc)이고, LRx-mutual는 수신 안테나의 상호 인덕턴스이며, LTx-self는 송신 안테나의 자체 인덕턴스(self-inductanc)이고, LTx-mutual는 송신 안테나의 상호 인덕턴스이다.
수학식 1 내지 3을 참고하면, k를 증가시키기 위하여 수신 안테나와 송신 안테나의 인덕턴스를 감소시켜야 한다. LRx-self와 LTx-self는 도체의 길이에 따라 결정되는 전기적 특성이므로, 안테나의 턴수(turn number)에 따라 인덕턴스도 줄일 수 있으나, 이는 송신 안테나와 수신 안테나 간의 상호 인덕턴스에도 영향을 미치므로 효과적이지 않다. 또한, LTx-mutual를 줄여 k를 증가시킬 수도 있으나, 이는 송신 안테나의 자기장 약화를 초래한다. 이에 따라 LRx-mutual를 줄여 k를 증가시키는 방법을 고려할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 한 쌍의 코일층 구조(coupled coil structure)를 이용하여 수신 안테나의 상호 인턱턴스, 즉 LRx-mutual를 줄이고, k, 즉 자기 유도 결합 계수를 증가시킴으로써 전력 전송 효율을 높이고자 한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치의 일부 단면도이다.
도 5를 참조하면, 연자성층(210)의 일면에 수신 코일(220)이 형성된다. 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치의 관계를 나타내기 위하여 연자성층(210) 아래에 수신 코일(220)이 형성되는 것처럼 도시되어 있으나, 연자성층(210) 및 수신 코일(220)을 포함하는 수신 안테나 구조는 180도 반전될 수 있다. 도시되지 않았으나, 연자성층(210)과 수신 코일(220) 사이에는 연자성층(210)과 수신 코일(220)을 접착하기 위한 접착 시트가 더 포함될 수 있다. 도시되지 않았으나, 연자성층(210)과 수신 코일(220) 사이에는 절연층이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 연자성층(210)과 수신 코일(220) 사이가 절연될 수 있다.
이때, 수신 코일(220)은 적어도 2개의 코일층을 포함할 수 있으며, 하나의 코일층 상에 다른 코일층이 적층될 수 있다. 즉, 연자성층(210)의 평면 방향과 평행하게 감겨진 제1 코일층(222) 및 제1 코일층(222)의 평면 방향과 평행하게 감겨진 제2 코일층(224)을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 코일층(222)과 제2 코일층(224) 사이에는 양 코일층을 지지하기 위한 지지 필름(510)이 더 적층될 수 있다. 지지 필름(510)은, 예를 들면 폴리이미드(PolyImide, PI) 소재로 이루어질 수 있다.
여기서, 제1 코일층(222)과 제2 코일층(224)은 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 제1 코일층(222)의 한 단자와 제2 코일층(224)의 한 단자는 서로 연결될 수 있다. 예를 들면, 지지 필름(510)에 형성된 관통홀을 통하여 제1 코일층(222)의 한 단자와 제2 코일층(224)의 한 단자가 전기적으로 연결될 수 있다.
이때, 제1 코일층(222)과 제2 코일층(224)은 전류 방향이 반대이다. 이에 따라, 인덕턴스가 상쇄되어, 수신 안테나의 상호 인턱턴스, 즉 LRx-mutual를 감소시키며, k, 즉 자기 유도 결합 계수를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 제1 코일층(222)과 제2 코일층(224)은 동일한 형상을 가지며, 서로 180도 반전되어 적층될 수 있다. 도 6은 제1 코일층과 제2 코일층의 한 예를 나타낸다. 도 6(a) 및 도 6(b)를 참조하면, 제1 코일층(222)과 제2 코일층(224)의 폭(W1, W2), 높이(H1, H2), 감긴 횟수 등은 동일하며, 동일한 코일층이 서로 반전되어 겹쳐질 수 있다. 즉, 제1 코일층(222) 상에는 제1 코일층(222)과 동일한 형상의 제2 코일층(224)이 반전되어, 제1 코일층(222)의 전체를 덮도록 형성될 수 있다. 그리고, 제1 코일층(222)의 두 단자(222-1, 222-2) 중 하나는 제2 코일층(224)의 두 단자(224-1, 224-2) 중 하나에 전기적으로 연결될 수 있다.
도시되지 않았으나, 연자성층(210) 상에는 수신 코일(220)을 둘러싸도록 NFC 코일(230)이 더 형성될 수도 있다. 이때, NFC 코일(230)도 수신 코일(220)과 마찬가지로 전기적으로 연결된 두 개의 코일층으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 코일층(222)과 제2 코일층(224)의 적어도 하나는 연자성층(210)에 매립될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 하나의 코일층을 연자성층에 매립한 예를 나타내고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 두 개의 코일층을 연자성층에 매립한 예를 나타낸다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 한 쌍의 코일층으로 이루어진 수신 안테나 구조에서 하나의 코일층(222) 또는 두 개의 코일층(222, 224)이 연자성층(210) 내에 매립된다. 코일층(222, 224)의 매립을 용이하게 하기 위하여, 연자성층(210)은 연자성 금속과 고분자 수지를 포함하는 컴포지트로 이루어질 수 있다. 코일층(222, 224)은 150℃, 100kgf/cm2의 조건에서 핫프레스(hot press) 공정을 이용하여 매립될 수 있다.
도시되지 않았으나, 코일층(222, 224)과 연자성층(210) 사이에는 PET(polyethylene terephthalate) 소재의 접착 시트가 더 포함될 수 있다. PET 소재의 접착 시트는 코일층(222, 224)과 연자성층(210) 사이를 절연할 수 있다.
이와 같이, 코일층(222, 224)의 적어도 일부를 연자성층(210)에 매립하면, 수신 코일과 송신 코일 간의 거리가 줄어들고, 수신 안테나의 총 두께를 줄일 수 있다. 이에 따라, 수신 코일과 송신 코일 간의 갭(gap)으로 인하여 외곽으로 발생하는 누설 자속(leakage magnetic flux)을 줄일 수 있고, 수신 코일과 송신 코일 간의 상호 인덕턴스를 증가시키며, 결과적으로 자기 유도 결합 계수를 증가시켜 전력 전송 효율을 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 연자성층(210)의 다른 면에 연자성 소재의 시트를 합지(lamination)하여 누설 자속을 최소화할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따라 연자성 소재의 시트가 합지된 예를 나타낸다.
도 9를 참고하면, 연자성층(210) 내에 코일층(222, 224)이 매립된 구조에서, 연자성층(210)의 다른 면에 연자성 소재의 시트(212)가 더 합지된다. 본 명세서에서, 연자성층(210)은 제1 연자성층과 혼용될 수 있고, 연자성 소재의 시트(212)는 제2 연자성층과 혼용될 수 있다.
이에 따라, 코일층(222, 224)으로 인하여 연자성층(210) 외부로 누설되는 자속을 막을 수 있다.
도 9에서는 두 개의 코일층이 연자성층(210) 내에 매립된 예만을 도시하고 있으나, 한 개의 코일층이 연자성층(210) 내에 매립되거나, 두 개의 코일층 모두 매립되지 않고 연자성층(210) 상에 적층된 구조에서도 연자성 소재의 시트(212)를 더 합지할 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 연자성층 및 수신 코일을 포함하는 수신 안테나는 무선 전력 수신 장치의 케이스에 매립될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따라 수신 안테나가 휴대 단말의 후면 케이스에 매립된 예를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 두 개의 코일층(222, 224)이 연자성층(210) 내에 매립되고, 연자성 소재의 시트(212)가 합지된 구조에서, 코일층(222, 224), 연자성층(210) 및 연자성 소재의 시트(212)가 휴대 단말의 후면 케이스(900)에 매립된다. 이를 위하여, 휴대 단말의 후면 케이스(900)에 홈을 형성한 후, 홈과 수신 안테나 구조를 접착할 수 있다.
이에 따라, 수신 코일(220)과 송신 코일(120) 간의 거리를 줄일 수 있고, 전송 전력 효율을 높일 수 있다.
도 10에서, 두 개의 코일층(222, 224)이 연자성층(210) 내에 매립되고, 연자성 소재의 시트(212)가 합지된 구조를 예시하고 있으나, 한 개의 코일층이 연자성층(210) 내에 매립되거나, 두 개의 코일층 모두 매립되지 않고 연자성층(210) 상에 적층된 구조, 연자성 소재의 시트(212)를 포함하지 않는 구조에서도 케이스에 매립될 수 있다.
표 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전력 전송 효율을 측정한 결과를 나타낸다.
표 1
| No. | 구조 | 전송효율 | 연자성층 두께 | 수신코일 두께 | 기타 | 매립 두께 | 총 두께 |
| 비교예 1 | 1층 수신 코일 | 61% | 0.3mm | 0.1mm*1 | 지지필름(20㎛)접착시트(30㎛) | - | 0.45mm |
| 실시예 1 | 2층 수신 코일 | 65% | 0.3mm | 0.1mm*2 | 지지필름(20㎛)접착시트(30㎛) | - | 0.55mm |
| 실시예 2 | 실시예 1+1층 매립 | 65.6% | 0.3mm | 0.1mm*2 | 지지필름(20㎛)접착시트(30㎛) | 0.1mm | 0.45mm |
| 실시예 3 | 실시예 1+2층 매립 | 66.9% | 0.3mm | 0.1mm*2 | 접착시트(60㎛) | 0.2mm | 0.36mm |
| 실시예 4 | 실시예 3+시트 추가 | 68.2% | 0.35mm | 0.1mm*2 | 접착시트(60㎛) | 0.2mm | 0.41mm |
| 실시예 5 | 실시예 4+케이스에 매립 | 68.2% | 0.35mm | 0.1mm*2 | 접착시트(60㎛) | 0.41mm | - |
표 1을 참조하면, 비교예 1에서 투자율이 50이고, 0.3mm 두께의 FeSiCr계 연자성 금속-고분자 수지의 컴포지트로 이루어진 연자성층 상에 0.1mm 두께의 단층의 코일이 적층되고, 지지필름으로 20㎛ 두께의 폴리이미드 필름을 포함하는 일반적인 수신 안테나 구조를 사용하였다.
실시예 1에서, 다른 조건은 비교예 1과 동일하되, 연자성층 상에 0.1mm 두께의 2층의 코일이 적층되고, 양 코일층 사이에 지지필름이 포함되는 수신 안테나 구조를 사용하였다.
실시예 2에서, 다른 조건은 실시예 1과 동일하되, 하나의 코일층이 연자성층 내에 매립되는 수신 안테나 구조를 사용하였다. 이때, 150℃, 100kgf/cm2 조건에서 핫 프레스(hot press) 공정을 이용하여 코일을 매립하였다.
실시예 3에서, 다른 조건은 실시예 1과 동일하되, 양 코일층이 모두 연자성층 내에 매립되며, 양 코일층 사이에 지지필름 대신 0.1mm 두께의 Cu 호일을 스탬핑(stamping)한 수신 안테나 구조를 사용하였다. 이때, 150℃, 100kgf/cm2 조건에서 핫 프레스(hot press) 공정을 이용하여 코일을 매립하였다.
실시예 4에서, 다른 조건은 실시예 3과 동일하되, 50 두께의 연자성 시트를 더 합지한 수신 안테나 구조를 사용하였다.
실시예 5에서, 다른 조건은 실시예 4와 동일하되, PC 베이스의 수지로 이루어진 케이스에 80℃, 10kgf/cm2 조건에서 핫 블록(hot block) 공정으로 수신 안테나 구조를 매립하였다.
비교예 1과 실시예 1을 비교하면, 전력 전송 효율이 4% 증가함을 알 수 있다. 또한, 비교예 1과 실시예 2 및 3을 비교하면, 총 두께를 그대로 유지하거나 줄이면서, 전송 전력 효율을 4% 이상 높일 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 3과 실시예 4를 비교하면, 연자성 시트의 추가 합지에 의하여 누설 자속을 방지하여 전력 전송 효율을 최대화시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 3과 실시예 5를 비교하면, 전력 전송 효율을 최대화시키면서도 수신 안테나를 위한 별도의 두께를 요구하지 않아, 얇은 두께의 무선 전력 수신 장치를 구현할 수 있음을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (11)
- 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나에 있어서,기판,상기 기판 상에 적층되며, 연자성 소재로 이루어진 제1 연자성층, 그리고상기 연자성층과 평행하게 감겨진 제1 코일층 및 상기 제1 코일층과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 코일층과 평행하게 감겨진 제2 코일층을 포함하며, 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 전류 방향이 반대인 수신 코일을 포함하는 수신 안테나.
- 제1항에 있어서,상기 제2 코일층은 상기 제1 코일층 상에 적층되는 수신 안테나.
- 제2항에 있어서,상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층 사이에 형성된 지지 필름을 더 포함하며,상기 제1 코일층의 한 단자와 상기 제2 코일층의 한 단자는 상기 지지 필름에 형성된 관통홀을 통하여 연결되는 수신 안테나.
- 제3항에 있어서,상기 지지 필름은 폴리이미드(polyimide, PI) 소재를 포함하는 수신 안테나.
- 제1항에 있어서,상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 적어도 일부는 상기 제1 연자성층에 매립되는 수신 안테나.
- 제5항에 있어서,상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 적어도 일부는 핫프레스 공정에 의하여 상기 제1 연자성층에 매립되는 수신 안테나.
- 제1항에 있어서,상기 기판과 상기 제1 연자성층 사이에 형성된 제2 연자성층을 더 포함하는 수신 안테나.
- 제1항에 있어서,상기 제1 연자성층 및 상기 수신 코일의 적어도 일부는 상기 무선 전력 수신 장치의 케이스에 매립되는 수신 안테나.
- 제1항에 있어서,상기 수신 코일과 상기 제1 연자성층 사이에는 PET(polyethylene terephthalate) 소재의 접착층이 더 포함되는 수신 안테나.
- 제1항에 있어서,상기 제1 코일층 및 상기 제2 코일층은 동일한 형상을 가진 코일층이며,상기 제2 코일층이 반전되어 상기 제1 코일층 상에 적층되는 수신 안테나.
- 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치에 있어서,기판,상기 기판 상에 적층되며, 연자성 소재로 이루어진 제1 연자성층,무선 전력 송신 장치로부터 방사되는 전자기 에너지를 수신하며, 상기 연자성층과 평행하게 감겨진 제1 코일층 및 상기 제1 코일층과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 코일층과 평행하게 감겨진 제2 코일층을 포함하며, 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 전류 방향이 반대인 수신 코일,상기 수신 코일과 연결되며, 상기 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 회로부, 그리고상기 전기 에너지를 저장하는 저장부를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
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