WO2016052887A1 - 수신 안테나 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치 - Google Patents

수신 안테나 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치 Download PDF

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WO2016052887A1
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wireless power
receiving
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이정은
이상원
배석
현순영
이희정
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엘지이노텍 주식회사
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    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/79—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for data transfer in combination with power transfer

Definitions

  • the present invention relates to wireless charging, and more particularly, to a receiving antenna for wireless charging and a wireless power receiving apparatus including the same.
  • the wireless power transmission / reception technology may be applied to not only battery charging of a portable terminal, but also power supply for home electronic products, power supply for an electric vehicle or a subway.
  • General wireless power transmission and reception techniques use the principle of magnetic induction or magnetic resonance.
  • the transmitting antenna may convert the electrical energy into electromagnetic energy and radiate to the surroundings.
  • the reception antenna of the wireless power receiver may receive the electromagnetic energy radiated from the transmission antenna, and convert it into electrical energy.
  • the transmitting antenna and the receiving antenna can be mutually aligned within an effective distance.
  • a soft magnetic material around the transmitting antenna and the receiving antenna, it is possible to focus the electromagnetic energy emitted by the transmitting antenna in the direction of the receiving antenna.
  • a receiving coil is formed on the soft magnetic layer.
  • an air layer may be formed between the soft magnetic layer and the receiving coil, thereby reducing the magnetic field guide effect of the soft magnetic layer.
  • An object of the present invention is to provide a structure of a receiving antenna for improving the wireless power reception efficiency of the wireless power receiver.
  • a receiving antenna of a wireless power receiver for wirelessly charging power is wound in parallel with a plane of a substrate, a soft magnetic layer stacked on the substrate, and the soft magnetic layer, and one of the soft magnetic layers And a receiving coil embedded in a surface, wherein a cross section of the receiving coil includes one side adjacent to the surface of the soft magnetic layer, and at least one of two sides meeting the one side is inclined with the one side.
  • At least one of the two sides that meet the one side may form an angle of more than 50 ° and less than 90 ° with the one side.
  • At least one of the two sides meeting the one side may be an angle of more than 60 ° and less than 75 ° with the one side.
  • At least one of the two sides meeting the one side may be an angle of more than 65 ° and less than 70 ° with the one side.
  • the cross section of the receiving coil may be a polygon including one side adjacent to the surface of the soft magnetic layer and two sides meeting the one side.
  • the cross section of the receiving coil may be trapezoidal parallel to the one side and further including the other side that meets the two sides.
  • the cross section of the receiving coil may further include a curve connecting the two sides.
  • An insulating layer may be formed between the soft magnetic layer and the receiving coil.
  • the insulating layer may include a polyethylene terephthalate (PET) material.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the soft magnetic layer may include a plurality of sheets including a soft magnetic metal powder and a polymer resin.
  • It may further include a support means laminated on the receiving coil.
  • the total thickness of the soft magnetic layer, the receiving coil and the support means may be 613 ⁇ m or more and less than 647 ⁇ m.
  • a receiving antenna of a wireless power receiver for wirelessly charging power is parallel to a substrate, a soft magnetic layer having a groove formed on one side thereof, and a soft magnetic layer stacked on the substrate.
  • a wireless power receiver for wirelessly charging power is wound in parallel with a plane of a substrate, a soft magnetic layer stacked on the substrate, and a plane of the soft magnetic layer, and embedded in one surface of the soft magnetic layer.
  • the electromagnetic energy focusing performance of the reception antenna may be increased in the wireless power receiver, thereby maximizing wireless power transmission and reception efficiency.
  • the present invention can be applied to large-scale applications such as electric vehicles, subways, and trains.
  • FIG. 1 shows a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a wireless power transmission and reception method of a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of a transmitting coil according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a power source and a wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a wireless power receiver according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a top view of a soft magnetic layer and a transmitting coil included in a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a top view of a soft magnetic layer and a receiving coil included in a wireless power receiver according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 shows an example of a cross-sectional view of a soft magnetic layer and a receiving coil.
  • FIG. 9 is another example of a cross-sectional view of the soft magnetic layer and the receiving coil
  • FIG. 10 illustrates a scanning electron microscope (SEM) of the soft magnetic layer and the receiving coil of FIG. 9.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a soft magnetic layer and a receiving coil according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a soft magnetic layer and a receiving coil according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a soft magnetic layer and a receiving coil according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a method of embedding a receiving coil in a soft magnetic layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a graph showing final thicknesses of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3
  • FIG. 16 is a graph showing transmission efficiency of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 graphically.
  • ordinal numbers such as second and first
  • first and second components may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component.
  • FIG. 1 shows a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless charging system 10 includes a power source 100, a wireless power transmitter 200, a wireless power receiver 300, and a load stage 400.
  • the wireless power transmitter 200 is connected to a power source 100 and receives power from the power source 100.
  • the wireless power transmitter 200 wirelessly transmits power to the wireless power receiver 300.
  • the wireless power transmitter 200 may transmit power using an electromagnetic induction method or a resonance method.
  • the power source 100 and the wireless power transmitter 200 are illustrated as separate components, the present invention is not limited thereto.
  • the power supply 100 may be included in the wireless power transmission apparatus 200.
  • the wireless power receiver 300 wirelessly receives power from the wireless power transmitter 200.
  • the wireless power receiver 300 may also receive power by using an electromagnetic induction method or a resonance method.
  • the wireless power receiver 300 supplies the received power to the load stage 400.
  • FIG. 2 is a view showing a wireless power transmission and reception method of a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmitter 200 may include a transmission coil 210.
  • the wireless power receiver 300 may include a receiving coil 310 and a rectifier 320.
  • the power source 100 may generate AC power having a predetermined frequency and supply the generated AC power to the transmitting coil 210 of the wireless power transmitter 200.
  • the AC current generated by the transmitting coil 210 may be transmitted to the receiving coil 310 inductively coupled with the transmitting coil 210.
  • the power delivered to the transmission coil 210 may be transmitted to the wireless power receiver 300 having the same resonance frequency as the wireless power transmitter 200 by a frequency resonance method. Power may be transmitted by resonance between two impedance matched LC circuits.
  • Power delivered to the receiving coil 310 by using an electromagnetic induction method or a resonance method may be rectified through the rectifying unit 320 and transferred to the load stage 400.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of a transmitting coil according to an embodiment of the present invention.
  • the transmitting coil 210 may include an inductor L1 and a capacitor C1, and both ends of the inductor L1 may be connected to both ends of the capacitor C1.
  • the capacitor C1 may be a variable capacitor, and impedance matching may be performed as the capacitance of the capacitor C1 is adjusted.
  • the equivalent circuit diagram of the receiving coil 310 may be similar to the equivalent circuit diagram of the transmitting coil 210, but is not limited thereto.
  • FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a power source and a wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • the transmission coil 210 may include an inductor L1 and a capacitor C1 having an inductance value and a capacitance value.
  • FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a wireless power receiver according to an embodiment of the present invention.
  • the receiving coil 310 may include an inductor L2 and a capacitor C2 having an inductance value and a capacitance value.
  • the rectifier 320 may convert the AC power received from the receiving coil 310 into DC power and transfer the converted DC power to the load terminal 400.
  • the rectifier 320 may include a rectifier and a smoothing circuit.
  • the rectifier may be, for example, a silicon rectifier and may be equivalent to the diode D1, but is not limited thereto.
  • the rectifier may convert AC power received from the receiving coil 310 into DC power.
  • the smoothing circuit may output the smooth DC power by removing the AC component included in the DC power converted by the rectifier.
  • the smoothing circuit may be equivalent to, for example, capacitor C3, but is not limited thereto.
  • the load stage 400 may be a battery or a device in which the battery is embedded.
  • the quality factor (Q) refers to an index of energy that may accumulate in the vicinity of the wireless power transmitter 200 or the wireless power receiver 300.
  • the quality index may vary depending on the operating frequency (w), the shape, dimensions, materials, etc. of the coil, and may be represented by Equation 1 below.
  • Ls is the inductance of the coil
  • Rs means the resistance corresponding to the amount of power loss generated in the coil itself.
  • the quality index may have an infinite value from 0, and as the quality index increases, power transmission efficiency between the wireless power transmitter 200 and the wireless power receiver 300 may be higher.
  • the coupling coefficient refers to the degree of magnetic coupling between the transmitting coil and the receiving coil and has a range of 0 to 1.
  • the coupling coefficient may vary depending on the relative position or distance of the transmitting coil and the receiving coil.
  • FIG. 6 is a top view of a soft magnetic layer and a transmitting coil included in a wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a soft magnetic layer and a receiver included in a wireless power receiver according to an embodiment of the present invention. Top view of the coil.
  • the wireless power transmitter 600 includes a transmission circuit (not shown), a soft magnetic core 610, a transmission antenna 620, and a permanent magnet 630.
  • the soft magnetic core 610 may be made of a soft magnetic material of several mm thickness.
  • the transmitting antenna 620 may be formed of a transmitting coil, and the permanent magnet 630 may be surrounded by the transmitting antenna 620.
  • the permanent magnet 630 may be omitted according to the specification.
  • the wireless power receiver 700 includes a receiving circuit (not shown), a soft magnetic layer 710, and a receiving coil 720.
  • the soft magnetic layer 710 may be formed on a substrate (not shown).
  • the substrate may be formed of several layers of fixing sheets, and may be bonded to the soft magnetic layer 710 to fix the soft magnetic layer 710.
  • the soft magnetic layer 710 focuses electromagnetic energy radiated from the transmitting antenna 720 of the wireless power transmission apparatus 700.
  • the soft magnetic layer 710 may be made of a metal material or ferrite material, and the soft magnetic layer 710 may be formed in various forms such as pellets, plates, ribbons, foils, and films. It can be implemented as.
  • the soft magnetic layer 710 may have a stack of a plurality of sheets including a single metal or an alloy powder (hereinafter, referred to as a soft magnetic metal powder) and a polymer resin exhibiting soft magnetic properties.
  • the soft magnetic layer 710 may be an alloy ribbon, a laminated ribbon, a foil, or a film including at least one of Fe, Co, and Ni.
  • the soft magnetic layer 710 may be a composite including 90 wt% or more of FeSiCr flakes and 10 wt% or less of a polymer resin.
  • the soft magnetic layer 710 may be a sheet, a ribbon, a foil, or a film including Ni—Zn based ferrite.
  • the receiving coil 720 is formed on the soft magnetic layer 710.
  • the receiving coil 720 may be wound on the soft magnetic layer 710 in a direction parallel to the plane of the soft magnetic layer 710.
  • a receiving coil applied to a smartphone may be in the form of a spiral coil within an outer diameter of 50 mm and an inner diameter of 20 mm or more.
  • the receiving circuit converts the electromagnetic energy received through the receiving coil 720 into electrical energy, and charges the converted electrical energy into a battery (not shown).
  • the soft magnetic layer 710 and the receiving coil 720 may be referred to as a receiving antenna.
  • an NFC coil 730 may be further stacked on the soft magnetic layer 710.
  • the NFC coil 730 may be formed to surround the outside of the receiving coil 720.
  • each of the receiving coil 720 and the NFC coil 730 may be electrically connected through the terminal 740.
  • FIG 8 shows an example of a cross-sectional view of a soft magnetic layer and a receiving coil.
  • a receiving coil 810 is formed on the soft magnetic layer 800, and a supporting film 820 is formed on the receiving coil 810.
  • the support film 820 is for supporting the receiving coil 810 and may include a polyethylene terephthalate (PET) material.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the soft magnetic layer 800, the receiving coil 810, and the support film 820 may be adhered through the adhesive 830.
  • the air layer A is formed between the receiving coils 810, the magnetic field guiding effect of the soft magnetic layer 800 may be reduced.
  • FIG. 9 is another example of a cross-sectional view of the soft magnetic layer and the receiving coil
  • FIG. 10 illustrates a scanning electron microscope (SEM) of the soft magnetic layer and the receiving coil of FIG. 9.
  • the receiving coil 910 is formed on the soft magnetic layer 900, and the supporting means 920 is formed on the receiving coil 910.
  • the support means 920 is to support the receiving coil 910, may include a polyethylene terephthalate (PET) material, and may be in the form of a film.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the soft magnetic layer 900, the receiving coil 910, and the support film 920 may be bonded through the adhesive 930.
  • the receiving coil 910 is formed inside the soft magnetic layer 900.
  • the receiving coil 910 may be embedded in the upper surface of the soft magnetic layer 900. As a result, the air layer A formed between the receiving coil and the soft magnetic layer is reduced, thereby increasing power transmission efficiency.
  • the soft magnetic layer 900 may be difficult to penetrate due to the narrow space between the coils. Accordingly, the soft magnetic layer 900 may not be completely filled between the receiving coils 910. That is, as shown in FIGS. 9 to 10, there is still a problem of the void after filling, which may adversely affect the electromagnetic characteristics of the wireless power receiver.
  • the wall surface of the receiving coil is obliquely embedded in the soft magnetic layer to minimize the air layer formed after the embedding.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a soft magnetic layer and a receiving coil according to an embodiment of the present invention.
  • the receiving coil 1110 is formed on the soft magnetic layer 1100, and the supporting unit 1120 is formed on the receiving coil 1110.
  • the support means 1120 is for supporting the receiving coil 1110, may include a polyethylene terephthalate (PET) material, and may be in the form of a film.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the soft magnetic layer 1100, the receiving coil 1110, and the support film 1120 may be bonded through the adhesive 1130.
  • the receiving coil 1110 may be wound in a spiral or helical shape in parallel with the plane of the soft magnetic layer 1100.
  • the receiving coil 1110 may have a round shape, a racetrack shape, a rectangular shape, a triangular shape, a polygonal rounded corner, and the like, but is not limited thereto.
  • the receiving coil 1110 is embedded in one surface of the soft magnetic layer 1100. In this case, at least one surface of the receiving coil 1110 may be obliquely embedded in one surface of the soft magnetic layer 1100. That is, the wall surface of the receiving coil 1110 may be buried to be inclined, not perpendicular or horizontal to one surface of the soft magnetic layer 1100.
  • the cross section of the receiving coil 1110 includes one side C1 adjacent to the surface S of the soft magnetic layer 1100 and includes at least one of two sides C2 and C3 that meet the one side C1.
  • One is inclined with one side C1.
  • at least one of the two sides C2 and C3 which meets one side C1 is at least 50 ° with one side C1 and an angle ⁇ less than 90 °, preferably at least 60 ° and 75 °.
  • the following angles ⁇ , more preferably 65 degrees or more and 70 degrees or less, can be achieved.
  • one side C1 of the cross section of the receiving coil 1110 may be a side included in the surface bonded to the support layer 1120 with the adhesive layer 1130 interposed therebetween.
  • One side C1 of the cross section of the receiving coil 1110 may be a side included in a surface lying on the same plane as the surface S of the soft magnetic layer 1100 after the receiving coil 1110 is embedded.
  • the receiving coil 1110 is configured such that at least one of the sides C1 adjacent to the surface S of the soft magnetic layer 1100 and at least one of the two sides C2 and C3 meeting the angle S is less than 90 °.
  • the distance between the receiving coils 1110 is widened, and the soft magnetic layer 1100 having fluidity is easily infiltrated.
  • a large amount of soft magnetic material is filled in the spaces between the receiving coils 1110, so that the air layer between the receiving coils 1110 is removed after filling, and the electromagnetic characteristics are improved and the transmission efficiency is increased.
  • the gap between the receiving coils 1110 is embedded. Since the amount of the soft magnetic material increases, the problem of increasing the thickness of the soft magnetic layer 1100 due to the embedding of the receiving coil 1110 may be reduced. Accordingly, the overall thickness of the soft magnetic layer 1100 and the receiving coil 1110 may be reduced. However, when at least one of the sides C1 adjacent to the surface S of the soft magnetic layer 1100 and at least one of the two sides C2 and C3 meeting the soft magnetic layer 1100 is less than 50 °, the soft magnetic layer 1100 and the receiving coil 1110 may be used. Although the thickness of may be further reduced, the amount of the receiving coil 1110 is reduced, thereby lowering the transmission efficiency.
  • the adhesive layer 1130 may have a double sided structure including an insulating layer.
  • the adhesive layer 1130 may include a first adhesive layer, an insulating layer formed on the first adhesive layer, and a second adhesive layer formed on the insulating layer.
  • the insulating layer may include, for example, polyethylene terephthalate (PET) material. Accordingly, even if the first adhesive layer or the second adhesive layer is destroyed in the process of forming or embedding the receiving coil 1110 in the soft magnetic layer 1100, an electrical short circuit between the metal in the soft magnetic layer 1100 and the receiving coil is performed. Can be prevented.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the cross section of the receiving coil 1110 is parallel to one side C1 adjacent to the surface S of the soft magnetic layer 1100, and the other side C4 that meets the two sides C2 and C3 is further added. Illustrated as being a trapezoid to include, but is not limited thereto.
  • the cross section of the receiving coil 1210 includes one side C1 adjacent to the surface S of the soft magnetic layer 1200 and two sides C2 and C3 meeting the one side, and one side thereof.
  • At least one of (C1) and the two sides (C2, C3) may be a polygon having an inclination of 50 ° or more and less than 90 °.
  • the cross section of the receiving coil 1310 includes one side C1 adjacent to the surface S of the soft magnetic layer 1300 and two sides C2 and C3 meeting the one side, and one side thereof.
  • At least one of (C1) and at least one of the two sides (C2, C3) is at least 50 ° and inclined less than 90 °, and may further include a curve (C4) connecting the two sides (C2, C3).
  • a groove may be formed on one surface of the soft magnetic layer to accommodate the receiving coil.
  • the groove includes both wall surfaces W1 and W2 which meet the surface S of the soft magnetic layer and a bottom surface B which meets both the wall surfaces W1 and W2, and among the surfaces S and both wall surfaces W1 and W2.
  • At least one may be inclined. For example, if at least one of one side C1 and two sides C2, C3 of the receiving coil has an inclination of 50 ° or more and less than 90 °, the surface S and both wall surfaces W1, W2 At least one may be formed to be greater than 90 degrees and form an angle of 130 degrees or less.
  • the receiving coil when the receiving coil is disposed on the upper surface of the soft magnetic layer and the soft magnetic layer and the receiving coil are compressed, the receiving coil may be embedded in the soft magnetic layer.
  • the soft magnetic layer may be fluid.
  • the soft magnetic layer may be composed of a plurality of sheets containing a soft magnetic metal powder and a polymer resin.
  • the soft magnetic layer 14 is a flowchart illustrating a method of embedding a receiving coil in a soft magnetic layer according to an embodiment of the present invention.
  • the soft magnetic layer is made of a sheet containing a soft magnetic metal powder and a polymer resin.
  • a sheet including a soft magnetic metal powder and a polymer resin is prepared (S1400).
  • a thin sheet may be formed by film casting an ink including a solvent, a soft magnetic metal powder, and a polymer resin.
  • the soft magnetic metal powder may include, for example, an Fe-silicon alloy.
  • the polymer resin may include, for example, at least one polymer resin of rubber, epoxy, and silicone.
  • the receiving coil may have an inclined side surface.
  • the cross section of the receiving coil may have an inclination of 50 ° or more and less than 90 ° with the top surfaces of the plurality of sheets.
  • the pressing process may be performed at a pressure of 100 to 300kgf / cm 2 for 0.5 to 4 hours at 80 ⁇ 250 °C.
  • the temperature can be raised to 180 for 30 minutes at a starting temperature of 40, then held for 30 minutes more, and then slowly lowered to 40 for 30 minutes.
  • the initial pressure held for 15 minutes at 10kgf / cm 2 and, 120kgf / cm 2 for 15 minutes After raising the furnace pressure, it can be maintained for an additional hour.
  • the groove formed on the interface between the sheet and the receiving coil is thermally cured in the process of pressing at high temperature, it is possible to implement a stable.
  • the polymer resin included in the sheet becomes an insulating material having high heat resistance through high temperature compression, it performs a necessary insulation function between the soft magnetic metal powders, and prevents the soft magnetic metal powders from being corroded even in an external harsh environment.
  • the adhesive layer is formed of a double-sided adhesive structure including an insulating layer therein, an electric short circuit can be prevented even if a part of the adhesive layer is peeled off at a high temperature compression of the plurality of sheets and the receiving coil.
  • Tx-A1 transmission efficiency
  • Tx-A1 transmission efficiency
  • Tx-A1 transmission efficiency
  • Table 1 is a result of measuring the final thickness and transmission efficiency after the compression of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3
  • Figure 15 is a graph of the final thickness after the compression of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 16 is a graph showing transmission efficiency of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 in a graph.
  • Examples 1 to 2 in which the wall of the receiving coil is embedded at an angle of 70 ° or 65 ° are shown in Comparative Example 1 and the receiving coil is 90 ° at an angle where the receiving coil is not embedded. Compared with the embedded Comparative Example 2, it can be seen that the thickness is thin and the transmission efficiency is high.
  • Example 3 in which the wall of the receiving coil is buried at an angle of 50 ° compared with Comparative Example 1 or Comparative Example 2 is similar in transmission efficiency, but it can be seen that the thickness is remarkably thin.
  • Comparative Example 3 in which the wall of the receiving coil is buried at an angle of 45 ° has a thin thickness, but has a transmission efficiency of 68% or less on a 4.5W basis, and thus the transmission efficiency is low.
  • an embodiment of the present invention has been described as an example applied to the receiving antenna of the wireless power receiver, but is not limited thereto.
  • Embodiments of the present invention can also be applied to the structure between the soft magnetic core and the transmission coil included in the transmission antenna of the wireless power transmission apparatus.

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나는 기판, 상기 기판 상에 적층되는 연자성층, 그리고 상기 연자성층의 평면과 평행하게 감겨지고, 상기 연자성층의 한 면에 매립되는 수신 코일을 포함하며, 상기 수신 코일의 적어도 한 면은 상기 연자성층의 한 면에 비스듬하게 매립된다.

Description

수신 안테나 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치
본 발명은 무선 충전에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 충전을 위한 수신 안테나 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.
무선 통신 기술의 발달에 따라, 전자기기에게 전력을 무선으로 공급하는 무선 전력 송수신 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 무선 전력 송수신 기술은 휴대 단말의 배터리 충전뿐만 아니라, 가정용 전자제품에 대한 전력 공급, 전기자동차나 지하철에 대한 전력 공급 등에도 다양하게 적용될 수 있다.
일반적인 무선 전력 송수신 기술은 자기 유도 또는 자기 공진의 원리를 이용한다. 예를 들어, 무선 전력 송신 장치의 송신 안테나에 전기 에너지를 인가하면, 송신 안테나는 전기 에너지를 전자기 에너지로 변환하여 주변으로 방사할 수 있다. 그리고, 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나는 송신 안테나로부터 방사된 전자기 에너지를 수신하고, 이를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
이때, 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.
이를 위하여, 연자성층 상에 수신 코일을 형성한다. 이때, 연자성층과 수신 코일 사이에 공기층이 형성되어 연자성층의 자기장 안내 효과가 줄어드는 문제가 발생할 수 있다.
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 적층되는 연자성층, 그리고 상기 연자성층의 평면과 평행하게 감겨지고, 상기 연자성층의 한 면에 매립되는 수신 코일을 포함하며, 상기 수신 코일의 단면은 상기 연자성층의 표면에 인접하는 한 변을 포함하고, 상기 한 변과 만나는 두 변 중 적어도 하나는 상기 한 변과 경사를 이룬다.
상기 한 변과 만나는 두 변 중 적어도 하나는 상기 한 변과 50°이상이고 90°미만의 각을 이룰 수 있다.
상기 한 변과 만나는 두 변 중 적어도 하나는 상기 한 변과 60°이상이고 75°이하의 각을 이룰 수 있다.
상기 한 변과 만나는 두 변 중 적어도 하나는 상기 한 변과 65°이상이고 70°이하의 각을 이룰 수 있다.
상기 수신 코일의 단면은 상기 연자성층의 표면에 인접하는 한 변 및 상기 한 변과 만나는 두 변을 포함하는 다각형일 수 있다.
상기 수신 코일의 단면은 상기 한 변에 평행하고, 상기 두 변과 만나는 다른 한 변을 더 포함하는 사다리꼴일 수 있다.
상기 수신 코일의 단면은 상기 두 변을 연결하는 곡선을 더 포함할 수 있다.
상기 연자성층과 상기 수신 코일 사이에는 절연층이 형성될 수 있다.
상기 절연층은 PET(polyethylene terephthalate) 소재를 포함할 수 있다.
상기 연자성층은 연자성 금속 분말 및 고분자 수지를 포함하는 복수의 시트(sheet)를 포함할 수 있다.
상기 수신 코일 상에 적층된 지지수단을 더 포함할 수 있다.
상기 연자성층, 상기 수신 코일 및 상기 지지수단의 총 두께는 613㎛ 이상이고 647㎛ 미만일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나는 기판, 상기 기판 상에 적층되며, 한 면에 홈이 형성되는 연자성층, 그리고 상기 연자성층의 평면과 평행하게 감겨지고, 상기 연자성층의 한 면에 형성된 홈에 수용되는 수신 코일을 포함하며, 상기 홈은 상기 연자성층의 표면과 만나는 양 벽면 및 상기 양 벽면과 만나는 바닥면을 포함하고, 상기 표면 및 상기 양 벽면 중 적어도 하나는 경사를 이룬다.
본 발명의 한 실시예에 따른 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치는 기판, 상기 기판 상에 적층되는 연자성층, 상기 연자성층의 평면과 평행하게 감겨지고, 상기 연자성층의 한 면에 매립되는 수신 코일, 상기 수신 코일과 연결되며, 상기 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 회로부, 그리고 상기 전기 에너지를 저장하는 저장부를 포함하며, 상기 수신 코일의 단면은 상기 연자성층의 표면에 인접하는 한 변을 포함하고, 상기 한 변과 만나는 두 변 중 적어도 하나는 상기 한 변과 경사를 이룰 수 있다.
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 코일과 연자성층 간의 공기층을 제거하여 연자성층의 자기장 안내 효과를 높이며, 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.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 무선 전력 송수신 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 코일의 등가 회로도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전원과 무선 전력 송신 장치의 등가 회로도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 등가 회로도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 포함되는 연자성층 및 송신 코일의 상면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 포함되는 연자성층 및 수신 코일의 상면도이다.
도 8은 연자성층과 수신 코일의 단면도의 일 예를 나타낸다.
도 9는 연자성층과 수신 코일의 단면도의 다른 예이며, 도 10은 도 9의 연자성층과 수신 코일의 SEM(Scanning Electron Micorscope)을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 연자성층과 수신 코일의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연자성층과 수신 코일의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연자성층과 수신 코일의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 한 실시예에 따라 연자성층에 수신 코일을 매립하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 15는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 최종 두께를 그래프로 나타낸 결과이며, 도 16은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 전송 효율을 그래프로 나타낸 결과이다.
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 충전 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템(10)은 전원(100), 무선 전력 송신 장치(200), 무선 전력 수신 장치(300) 및 부하단(400)을 포함한다.
무선 전력 송신 장치(200)는 전원(100)에 연결되며, 전원(100)으로부터 전력을 수신한다. 그리고, 무선 전력 송신 장치(200)는 무선 전력 수신 장치(300)에게 무선으로 전력을 송신한다. 이때, 무선 전력 송신 장치(200)는 전자기 유도(electromagnetic induction) 방식 또는 공진(resonance) 방식을 이용하여 전력을 송신할 수 있다. 전원(100)과 무선 전력 송신 장치(200)가 별개의 구성인 것으로 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전원(100)은 무선 전력 송신 장치(200)에 포함될 수도 있다.
무선 전력 수신 장치(300)는 무선 전력 송신 장치(200)로부터 무선으로 전력을 수신한다. 무선 전력 수신 장치(300)도 전자기 유도(electromagnetic induction) 방식 또는 공진(resonance) 방식을 이용하여 전력을 수신할 수 있다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(300)는 수신한 전력을 부하단(400)에게 공급한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 무선 전력 송수신 방법을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(200)는 송신 코일(210)을 포함할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(300)는 수신 코일(310) 및 정류부(320)를 포함할 수 있다.
전원(100)은 소정 주파수를 갖는 교류 전력을 생성하여 무선 전력 송신 장치(200)의 송신 코일(210)에게 공급할 수 있다.
그리고, 송신 코일(210)에 의하여 발생한 교류 전류는 송신 코일(210)과 유도 결합된 수신 코일(310)로 전달될 수 있다. 또는, 송신 코일(210)로 전달된 전력은 주파수 공진 방식에 의해 무선 전력 송신 장치(200)와 동일한 공진 주파수를 갖는 무선 전력 수신 장치(300)로 전달될 수도 있다. 임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 간에는 공진에 의하여 전력이 전송될 수 있다.
전자기 유도(electromagnetic induction) 방식 또는 공진(resonance) 방식을 이용하여 수신 코일(310)로 전달된 전력은 정류부(320)를 통해 정류되어 부하단(400)으로 전달될 수 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 코일의 등가 회로도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 송신 코일(210)은 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)를 포함하며, 인덕터(L1)의 양단은 캐패시터(C1)의 양단과 연결될 수 있다.
여기서, 캐패시터(C1)는 가변 캐패시터일 수 있으며, 캐패시터(C1)의 캐패시턴스가 조절됨에 따라 임피던스 매칭이 수행될 수 있다. 수신 코일(310)의 등가 회로도도 송신 코일(210)의 등가 회로도와 유사할 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전원과 무선 전력 송신 장치의 등가 회로도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 송신 코일(210)은 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 등가 회로도를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 수신 코일(310)은 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L2)와 캐패시터(C2)를 포함할 수 있다.
정류부(320)는 수신 코일(310)로부터 전달받은 교류 전력을 직류 전력으로 변환하며, 변환된 직류 전력을 부하단(400)에 전달할 수 있다.
구체적으로, 정류부(320)는 도시되지 않았지만 정류기와 평활 회로를 포함할 수 있다. 정류기는, 예를 들면 실리콘 정류기일 수 있고, 다이오드(D1)로 등가화 될 수 있지만, 이로 한정되는 것은 아니다. 정류기는 수신 코일(310)로부터 전달받은 교류 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있다. 평활 회로는 정류기에서 변환된 직류 전력에 포함된 교류 성분을 제거하여 매끄러운 직류 전력을 출력할 수 있다. 평활 회로는, 예를 들면 캐패시터(C3)로 등가화될 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다.
부하단(400)은 배터리 또는 배터리가 내장된 장치일 수 있다.
한편, 무선 전력 전송에서 품질 지수(Quality Factor) 및 결합 계수(Coupling Coefficient)는 중요한 의미를 가진다. 품질 지수(Quality Factor, Q)는 무선 전력 송신 장치(200) 또는 무선 전력 수신 장치(300) 부근에 축적할 수 있는 에너지의 지표를 의미한다. 품질 지수는 동작 주파수(w), 코일의 형상, 치수, 소재 등에 따라 달라질 수 있으며, 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Q=w*Ls/Rs
여기서, Ls은 코일의 인덕턴스이고, Rs은 코일자체에서 발생하는 전력손실량에 해당하는 저항을 의미한다.
품질 지수는 0에서 무한대의 값을 가질 수 있으며, 품질 지수가 클수록 무선 전력 송신 장치(200)와 무선 전력 수신 장치(300)간의 전력 전송 효율이 높은 것으로 볼 수 있다.
그리고, 결합 계수는 송신 코일과 수신 코일 간의 자기적 결합 정도를 의미하는 것으로 0 내지 1의 범위를 갖는다. 결합 계수는 송신 코일과 수신 코일의 상대적인 위치 또는 거리에 따라 달라질 수 있다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 포함되는 연자성층 및 송신 코일의 상면도이고, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 포함되는 연자성층 및 수신 코일의 상면도이다.
도 6을 참조하면, 무선 전력 송신 장치(600)는 송신 회로(미도시), 연자성 코어(610), 송신 안테나(620) 및 영구 자석(630)을 포함한다.
연자성 코어(610)는 수 mm 두께의 연자성 소재로 이루어질 수 있다. 그리고, 송신 안테나(620)는 송신 코일로 이루어지며, 영구 자석(630)은 송신 안테나(620)에 의하여 둘러싸일 수 있다. 영구 자석(630)은 사양에 따라 생략될 수도 있다.
도 7을 참조하면, 무선 전력 수신 장치(700)는 수신 회로(미도시), 연자성층(710) 및 수신 코일(720)을 포함한다. 연자성층(710)은 기판(미도시) 상에 형성될 수 있다. 기판은 여러 겹의 고정 시트로 이루어질 수 있고, 연자성층(710)과 접합하여, 연자성층(710)을 고정시킬 수 있다.
연자성층(710)은 무선 전력 송신 장치(700)의 송신 안테나(720)로부터 방사되는 전자기 에너지를 집속한다.
연자성층(710)은 금속 재료 또는 페라이트(ferrite) 소재로 이루어질 수 있으며, 연자성층(710)은 소결체(pellet), 플레이트(plate), 리본, 호일(foil), 필름(film) 등의 다양한 형태로 구현될 수 있다. 일 예로, 연자성층(710)은 연자성을 띄는 단일 금속 또는 합금 분말(이하, 연자성 금속 분말이라 한다) 및 고분자 수지를 포함하는 복수의 시트가 적층된 형태일 수 있다. 다른 예로, 연자성층(710)은 Fe, Co, Ni 중 적어도 하나를 포함하는 합금 리본, 적층 리본, 호일 또는 필름일 수 있다. 또 다른 예로, 연자성층(710)은 FeSiCr 플레이크를 90wt% 이상 포함하고, 고분자 수지를 10wt% 이하 포함하는 컴포지트일 수 있다. 또 다른 예로, 연자성층(710)은 Ni-Zn 계 페라이트를 포함하는 시트, 리본, 호일 또는 필름일 수 있다.
연자성층(710) 상에는 수신 코일(720)이 형성된다. 수신 코일(720)은 연자성층(710) 상에서 연자성층(710)의 평면과 평행한 방향으로 감겨질 수 있다. 스마트폰에 적용되는 수신 코일을 예로 들면, 외경 50mm 이내, 내경 20mm 이상의 나선형 코일(spiral coil)의 형태일 수 있다. 수신 회로는 수신 코일(720)을 통하여 수신된 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하며, 변환한 전기 에너지를 배터리(미도시)에 충전한다.
본 명세서에서, 연자성층(710)과 수신 코일(720)을 수신 안테나라고 지칭할 수 있다.
한편, 무선 전력 수신 장치(700)가 WPC 기능과 NFC 기능을 동시에 가지는 경우, 연자성층(710) 상에는 NFC 코일(730)이 더 적층될 수 있다. NFC 코일(730)은 수신 코일(720)의 바깥을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
그리고, 수신 코일(720)과 NFC 코일(730) 각각은 단자(740)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
도 8은 연자성층과 수신 코일의 단면도의 일 예를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 연자성층(800) 상에 수신 코일(810)이 형성되고, 수신 코일 (810) 상에 지지 필름(820)이 형성된다. 지지 필름(820)은 수신 코일(810)을 지지하기 위한 것으로, PET(polyethylene terephthalate) 소재를 포함할 수 있다. 연자성층(800), 수신 코일(810) 및 지지 필름(820)은 접착제(830)를 통하여 접착될 수 있다.
이때, 수신 코일(810) 사이에 공기층(A)이 만들어지므로, 연자성층(800)의 자기장 안내 효과가 줄어들 수 있다.
도 9는 연자성층과 수신 코일의 단면도의 다른 예이며, 도 10은 도 9의 연자성층과 수신 코일의 SEM(Scanning Electron Micorscope)을 나타낸다.
도 9를 참조하면, 연자성층(900) 상에 수신 코일(910)이 형성되고, 수신 코일(910) 상에 지지 수단(920)이 형성된다. 지지 수단(920)은 수신 코일(910)을 지지하기 위한 것으로, PET(polyethylene terephthalate) 소재를 포함할 수 있으며, 필름의 형태일 수 있다. 연자성층(900), 수신 코일(910) 및 지지 필름(920)은 접착제(930)를 통하여 접착될 수 있다. 여기서, 수신 코일(910)은 연자성층(900)의 내부에 형성된다. 예를 들여, 수신 코일(910)은 연자성층(900)의 상면에 매립될 수 있다. 이에 따라, 수신 코일과 연자성층 사이에 형성되던 공기층(A)이 줄어들어, 전력 전송 효율을 높일 수 있다.
다만, 도 9과 같이 연자성층(900)의 표면과 수신 코일(910)의 벽면이 거의 90°의 각을 이룰 경우, 코일 사이의 공간이 좁아 연자성층(900)이 스며들기 어려울 수 있다. 이에 따라, 연자성층(900)이 수신 코일(910) 사이에 완전히 충진되지는 않을 수 있다. 즉, 도 9 내지 10에서 나타난 바와 같이 매립 후에도 공기층(void)의 문제가 여전히 존재하게 되며, 이는 무선 전력 수신 장치의 전자기적 특성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 수신 코일의 벽면이 연자성층에 비스듬하게 매립되도록 하여 매립 후 형성되는 공기층을 최소화하고자 한다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 연자성층과 수신 코일의 단면도이다.
도 11을 참조하면, 연자성층(1100) 상에 수신 코일(1110)이 형성되고, 수신 코일(1110) 상에 지지 수단(1120)이 형성된다. 지지 수단(1120)은 수신 코일(1110)을 지지하기 위한 것으로, PET(polyethylene terephthalate) 소재를 포함할 수 있으며, 필름의 형태일 수 있다. 연자성층(1100), 수신 코일(1110) 및 지지 필름(1120)은 접착제(1130)를 통하여 접착될 수 있다.
여기서, 수신 코일(1110)은 연자성층(1100)의 평면과 평행하게 스파이럴(spiral) 또는 헬리컬(helical) 형상으로 권선(wound)된 형태일 수 있다. 수신 코일(1110)은 라운드(round) 형상, 레이스트랙(racetrack) 형상, 직사각형(rectangular) 형상, 삼각형(triangular) 형상, 모서리가 둥근 다각형 형상 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 수신 코일(1110)은 연자성층(1100)의 한 면에 매립된다. 이때, 수신 코일(1110)의 적어도 한 면은 연자성층(1100)의 한 면에 비스듬하게 매립될 수 있다. 즉, 수신 코일(1110)의 벽면은 연자성층(1100)의 한 면에 수직이거나 수평이 되지 않고, 기울어 지도록 매립될 수 있다. 예를 들어, 수신 코일(1110)의 단면은 연자성층(1100)의 표면(S)에 인접하는 한 변(C1)을 포함하고, 한 변(C1)과 만나는 두 변(C2, C3) 중 적어도 하나는 한 변(C1)과 경사를 이룬다. 예를 들어, 한 변(C1)과 만나는 두 변(C2, C3) 중 적어도 하나는 한 변(C1)과 50° 이상이고, 90°미만인 각(θ), 바람직하게는 60°이상이고 75°이하의 각(θ), 더욱 바람직하게는 65°이상이고 70°이하의 각(θ)을 이룰 수 있다. 여기서, 수신 코일(1110)의 단면의 한 변(C1)은 접착층(1130)을 사이에 두고 지지층(1120)과 접착되는 면에 포함되는 변일 수 있다. 수신 코일(1110)의 단면의 한 변(C1)은 수신 코일(1110)의 매립 후 연자성층(1100)의 표면(S)과 동일 평면 상에 놓이는 면에 포함되는 변일 수 있다.
이와 같이, 연자성층(1100)의 표면(S)에 인접하는 한 변(C1) 및 이와 만나는 두 변(C2, C3) 중 적어도 하나가 90° 미만인 각(θ)을 이루도록 수신 코일(1110)이 형성되는 경우, 수신 코일(1110) 사이의 간격이 넓어져 유동성을 가지는 연자성층(1100)이 스며들기 쉬워진다. 이에 따라, 수신 코일(1110) 사이의 공간에 많은 양의 연자성 재료가 충진되어, 매립 후 수신 코일(1110) 사이의 공기층이 제거되며, 전자기적 특성이 향상되고, 전송 효율이 증가하게 된다.
한편, 연자성층(1100)의 표면(S)에 인접하는 한 변(C1) 및 이와 만나는 두 변(C2, C3) 중 적어도 하나가 90°보다 작아질수록, 수신 코일(1110) 사이에 매립되는 연자성 재료의 양이 늘어나므로, 수신 코일(1110)의 매립으로 인하여 연자성층(1100)의 두께가 늘어나는 문제를 줄일 수 있다. 이에 따라, 연자성층(1100) 및 수신 코일(1110)의 전체적인 두께를 줄일 수 있다. 다만, 연자성층(1100)의 표면(S)에 인접하는 한 변(C1) 및 이와 만나는 두 변(C2, C3) 중 적어도 하나가 50°미만인 경우, 연자성층(1100) 및 수신 코일(1110)의 두께는 더욱 줄어들 수 있으나, 수신 코일(1110)의 양이 줄어들게 되어 전송 효율이 낮아지게 된다.
한편, 접착층(1130)은 절연층을 포함하는 양면 구조일 수 있다. 예를 들어, 접착층(1130)은 제1 접착층, 제1 접착층 상에 형성된 절연층 및 절연층 상에 형성된 제2 접착층을 포함할 수 있다.
여기서, 절연층은, 예를 들면 PET(polyethylene terephthalate) 소재를 포함할 수 있다. 이에 따라, 수신 코일(1110)을 연자성층(1100)의 내부에 형성하거나 매립하기 위한 과정에서 제1 접착층 또는 제2 접착층이 파괴되더라도, 연자성층(1100) 내의 금속과 수신 코일 사이의 전기적인 단락을 예방할 수 있다.
도 11에서는 수신 코일(1110)의 단면이 연자성층(1100)의 표면(S)에 인접하는 한 변(C1)에 평행하고, 두 변(C2, C3)과 만나는 다른 한 변(C4)을 더 포함하는 사다리꼴인 것으로 예시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 12에 도시된 바와 같이, 수신 코일(1210)의 단면은 연자성층(1200)의 표면(S)에 인접하는 한 변(C1) 및 이와 만나는 두 변(C2, C3)을 포함하고, 한 변(C1)과 두 변(C2, C3) 중 적어도 하나가 50° 이상이고 90° 미만의 경사를 이루는 다각형일 수도 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 수신 코일(1310)의 단면은 연자성층(1300)의 표면(S)에 인접하는 한 변(C1) 및 이와 만나는 두 변(C2, C3)을 포함하고, 한 변(C1)과 두 변(C2, C3) 중 적어도 하나가 50° 이상이고 90° 미만의 경사를 이루며, 두 변(C2, C3)을 연결하는 곡선(C4)을 더 포함할 수도 있다.
도 11 내지 13과 같이, 연자성층의 한 면에는 수신 코일을 수용하기 위하여 홈이 형성될 수 있다. 홈은 연자성층의 표면(S)과 만나는 양 벽면(W1, W2) 및 양 벽면(W1, W2)과 만나는 바닥면(B)을 포함하고, 표면(S) 및 양 벽면(W1, W2) 중 적어도 하나는 경사를 이룰 수 있다. 예를 들어, 수신 코일의 한 변(C1)과 두 변(C2, C3) 중 적어도 하나가 50° 이상이고 90° 미만의 경사를 이루는 경우, 표면(S) 및 양 벽면(W1, W2) 중 적어도 하나는 90°를 초과하고, 130°이하의 각을 이루도록 형성될 수 있다.
또는, 연자성층의 상면에 수신 코일을 배치한 후 연자성층 및 수신 코일을 압착하면, 수신 코일이 연자성층의 내부에 매립될 수도 있다. 연자성층 및 수신 코일의 압착 및 매립을 용이하게 하기 위하여, 연자성층은 유동성을 가질 수 있다. 이를 위하여, 연자성층은 연자성 금속 분말 및 고분자 수지를 포함하는 복수의 시트로 이루어질 수 있다.
도 14는 본 발명의 한 실시예에 따라 연자성층에 수신 코일을 매립하는 방법을 나타내는 순서도이다. 여기서, 연자성층은 연자성 금속 분말 및 고분자 수지를 포함하는 시트로 이루어지는 것을 가정한다.
도 14를 참고하면, 연자성 금속 분말과 고분자 수지를 포함하는 시트를 제조한다(S1400). 이를 위하여, 용매, 연자성 금속 분말 및 고분자 수지를 포함하는 잉크를 필름 캐스팅하여 박형의 시트를 만들 수 있다. 여기서, 연자성 금속 분말은, 예를 들면 Fe-실리콘계의 합금을 포함할 수 있다. 그리고, 고분자 수지는, 예를 들면 러버(rubber)계, 에폭시계 및 실리콘계 중 적어도 하나의 고분자 수지를 포함할 수 있다.
다음으로, 복수의 시트를 적층한 후(S1410), 복수의 시트의 상면에 접착층을 형성하고(S1420), 접착층 상에 수신 코일을 배치한 후(S1430), 복수의 시트, 접착층 및 수신 코일을 동시에 고온에서 압착한다(S1440). 이때, 수신 코일은 경사진 옆면을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 11 내지 13에 도시된 바와 같이, 수신 코일의 단면은 복수의 시트의 상면과 50˚ 이상 90˚미만의 경사를 가질 수 있다. 여기서, 압착 공정은 80~250℃에서 0.5시간 내지 4시간 동안 100 내지 300kgf/cm2의 압력 하에서 행해질 수 있다. 예를 들어, 시작 온도 40에서 30분 동안 180로 온도를 올린 후, 30분동안 더 유지하고, 이후 30분동안 서서히 40로 온도를 내릴 수 있다. 이와 동시에, 초기압 10kgf/cm2에서 15분동안 유지하고, 15분동안 120kgf/cm2 로 압력을 올린 후, 1시간 동안 더 유지할 수 있다.
이와 같이, 복수의 시트와 수신 코일을 동시에 압착하면, 시트 내에 포함된 고분자 수지의 유동성으로 인하여 시트와 수신 코일의 경계면에 홈부가 형성되며, 수신 코일 사이로 고분자 수지가 스며들어 공기층이 형성되지 않게 된다. 이에 따라, 수신 코일과 연자성층 사이의 공기층으로 인한 자기장 안내 감소 문제를 막을 수 있다.
또한, 시트와 수신 코일의 경계면에 형성된 홈부는 고온에서 압착하는 과정에서 열적으로 경화되므로, 안정적인 구현이 가능하다.
또한, 시트에 포함된 고분자 수지는 고온 압착을 통하여 내열성이 높은 절연 물질이 되므로, 연자성 금속 분말 사이에서 필요한 절연 기능을 수행하며, 외부의 가혹한 환경에서도 연자성 금속 분말의 부식을 막을 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 접착층을 절연층을 내부에 포함하는 양면 접착 구조로 형성하면, 복수의 시트와 수신 코일의 고온 압착 시 접착층의 일부가 벗겨지더라도 전기적인 단락을 방지할 수 있다.
이하, 수신 코일의 배치 및 매립 조건에 따른 전송 효율을 실험한 결과를 설명한다.
<실시예 1>
430㎛ 두께의 연자성층, 54㎛ 두께의 접착층, 170㎛ 두께의 수신 코일(연자성층의 표면에 인접하는 한 변 및 이와 만나는 두 변 간의 각이 70°) 및 25㎛ 두께의 지지 필름을 순차로 적층한 후, 180, 120Kgf/cm3의 조건에서 30분 동안 고온 압착하였다. 그리고, 송신 전력 3.5W, 4.0W, 4.5W 및 4.9W 조건에서 각각 전송 효율(Tx-A1)을 측정하였다.
<실시예 2>
430㎛ 두께의 연자성층, 54㎛ 두께의 접착층, 170㎛ 두께의 수신 코일(연자성층의 표면에 인접하는 한 변 및 이와 만나는 두 변 간의 각이 65°) 및 25㎛ 두께의 지지 필름을 순차로 적층한 후, 180, 120Kgf/cm3의 조건에서 30분 동안 고온 압착하였다. 그리고, 송신 전력 3.5W, 4.0W, 4.5W 및 4.9W 조건에서 각각 전송 효율(Tx-A1)을 측정하였다.
<실시예 3>
430㎛ 두께의 연자성층, 54㎛ 두께의 접착층, 170㎛ 두께의 (연자성층의 표면에 인접하는 한 변 및 이와 만나는 두 변 간의 각이 50°) 및 25㎛ 두께의 지지 필름을 순차로 적층한 후, 180, 120Kgf/cm3의 조건에서 30분 동안 고온 압착하였다. 그리고, 송신 전력 3.5W, 4.0W, 4.5W 및 4.9W 조건에서 각각 전송 효율(Tx-A1)을 측정하였다.
<비교예 1>
430㎛ 두께의 연자성층, 54㎛ 두께의 접착층, 170㎛ 두께의 수신 코일 및 25㎛ 두께의 지지 필름을 순차로 적층한 후, 송신 전력 3.5W, 4.0W, 4.5W 및 4.9W 조건에서 각각 전송 효율(Tx-A1)을 측정하였다.
<비교예 2>
430㎛ 두께의 연자성층, 54㎛ 두께의 접착층, 170㎛ 두께의 수신 코일(연자성층의 표면에 인접하는 한 변 및 이와 만나는 두 변 간의 각이 90°) 및 25㎛ 두께의 지지 필름을 순차로 적층한 후, 180, 120Kgf/cm3의 조건에서 30분 동안 고온 압착하였다. 그리고, 송신 전력 3.5W, 4.0W, 4.5W 및 4.9W 조건에서 각각 전송 효율(Tx-A1)을 측정하였다.
<비교예 3>
430㎛ 두께의 연자성층, 54㎛ 두께의 접착층, 170㎛ 두께의 수신 코일(연자성층의 표면에 인접하는 한 변 및 이와 만나는 두 변 간의 각이 45°) 및 25㎛ 두께의 지지 필름을 순차로 적층한 후, 180, 120Kgf/cm3의 조건에서 30분 동안 고온 압착하였다. 그리고, 송신 전력 3.5W, 4.0W, 4.5W 및 4.9W 조건에서 각각 전송 효율(Tx-A1)을 측정하였다.
표 1은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 압착 후 최종 두께 및 전송 효율을 측정한 결과이고, 도 15는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 압착 후 최종 두께를 그래프로 나타낸 결과이며, 도 16은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 전송 효율을 그래프로 나타낸 결과이다.
No. 두께(㎛) 전송 효율(Tx-A1)
3.5W 4.0W 4.5W 4.9W
실시예 1 629 71.43% 71.03% 70.07% 68.82%
실시예 2 624 71.74% 71.31% 70.32% 68.74%
실시예 3 613 70.24% 69.60% 68.69% 67.25%
비교예 1 679 70.42% 69.71% 68.75% 67.34%
비교예 2 647 70.97% 70.17% 69.36% 67.69%
비교예 3 609 68.45% 67.83% 66.91% 65.99%
표 1 및 도 15 내지 16을 참조하면, 수신 코일의 벽면이 70° 또는 65°의 각으로 매립된 실시예 1 내지 2는 수신 코일이 매립되지 않은 비교예 1 및 수신 코일이 90°의 각으로 매립된 비교예 2에 비하여 두께가 얇으면서도 전송 효율이 높음을 알 수 있다.
한편, 수신 코일의 벽면이 50°의 각으로 매립된 실시예 3은 비교예 1 또는 비교예 2와 비교하여 전송 효율은 유사하나, 두께가 현저히 얇음을 알 수 있다.
다만, 수신 코일의 벽면이 45°의 각으로 매립된 비교예 3은 두께는 얇으나, 4.5W 기준으로 68% 이하의 전송 효율을 가지므로, 전송 효율이 낮음을 알 수 있다.
설명의 편의를 위하여, 본 발명의 실시예가 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나에 적용되는 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 무선 전력 송신 장치의 송신 안테나에 포함되는 연자성 코어 및 송신 코일 간의 구조에도 적용될 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 (17)

  1. 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나에 있어서,
    기판,
    상기 기판 상에 적층되는 연자성층, 그리고
    상기 연자성층의 평면과 평행하게 감겨지고, 상기 연자성층의 한 면에 매립되는 수신 코일을 포함하며,
    상기 수신 코일의 적어도 한 면은 상기 연자성층의 한 면에 비스듬하게 매립되는 수신 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신 코일의 단면은 상기 연자성층의 표면에 인접하는 한 변을 포함하고, 상기 한 변과 만나는 두 변 중 적어도 하나는 상기 한 변과 경사를 이루는 수신 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 한 변과 만나는 두 변 중 적어도 하나는 상기 한 변과 50°이상이고 90°미만의 각을 이루는 수신 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 한 변과 만나는 두 변 중 적어도 하나는 상기 한 변과 60°이상이고 75°이하의 각을 이루는 수신 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 한 변과 만나는 두 변 중 적어도 하나는 상기 한 변과 65°이상이고 70°이하의 각을 이루는 수신 안테나.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 수신 코일의 단면은 상기 연자성층의 표면에 인접하는 한 변 및 상기 한 변과 만나는 두 변을 포함하는 다각형인 수신 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수신 코일의 단면은 상기 한 변에 평행하고, 상기 두 변과 만나는 다른 한 변을 더 포함하는 사다리꼴인 수신 안테나.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 수신 코일의 단면은 상기 두 변을 연결하는 곡선을 더 포함하는 수신 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연자성층과 상기 수신 코일 사이에는 절연층이 형성되는 수신 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 절연층은 PET(polyethylene terephthalate) 소재를 포함하는 수신 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 연자성층은 연자성 금속 분말 및 고분자 수지를 포함하는 복수의 시트(sheet)를 포함하는 수신 안테나.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 수신 코일 상에 적층된 지지수단을 더 포함하는 수신 안테나.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연자성층, 상기 수신 코일 및 상기 지지수단의 총 두께는 613㎛ 이상이고 647㎛ 미만인 수신 안테나.
  14. 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치의 수신 안테나에 있어서,
    기판,
    상기 기판 상에 적층되며, 한 면에 홈이 형성되는 연자성층, 그리고
    상기 연자성층의 평면과 평행하게 감겨지고, 상기 연자성층의 한 면에 형성된 홈에 수용되는 수신 코일을 포함하며,
    상기 홈은 상기 연자성층의 표면과 만나는 양 벽면 및 상기 양 벽면과 만나는 바닥면을 포함하고, 상기 표면 및 상기 양 벽면 중 적어도 하나는 경사를 이루는 수신 안테나.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 표면 및 상기 양 벽면 중 적어도 하나는 90°를 초과하고, 130°이하의 각을 이루는 수신 안테나.
  16. 무선으로 전력을 충전하는 무선 전력 수신 장치에 있어서,
    기판,
    상기 기판 상에 적층되는 연자성층,
    상기 연자성층의 평면과 평행하게 감겨지고, 상기 연자성층의 한 면에 매립되는 수신 코일,
    상기 수신 코일과 연결되며, 상기 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 회로부, 그리고
    상기 전기 에너지를 저장하는 저장부
    를 포함하며,
    상기 수신 코일의 적어도 한 면은 상기 연자성층의 한 면에 비스듬하게 매립되는 무선 전력 수신 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 수신 코일의 단면은 상기 연자성층의 표면에 인접하는 한 변을 포함하고, 상기 한 변과 만나는 두 변 중 적어도 하나는 상기 한 변과 경사를 이루는 무선 전력 수신 장치.
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