KR102455473B1 - 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단 - Google Patents

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Abstract

일 구현예에 따른 무선충전 장치는 2종의 자성부를 포함하되 투자율이 보다 높은 자성부를 쉴드부에 인접 배치함으로써, 자속의 배분을 통해 무선충전 중에 발생하는 열을 효과적으로 분산시키면서 외부의 충격이나 뒤틀림 등에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다. 따라서 상기 무선충전 장치는 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단{WIRELESS CHARGING DEVICE AND VEHICLE COMPRISING SAME}
구현예는 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 구현예는 방열 구조를 적용하여 충전 효율이 향상된 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단에 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 장치는, 무선충전 효율 향상을 위해 코일에 인접하여 자성체가 배치되고, 차폐를 위한 금속판이 자성체와 일정 간격 이격하여 배치된다.
무선충전 장치는 무선충전 동작 중에 코일의 저항과 자성체의 자기 손실에 의해 열을 발생한다. 특히 무선충전 장치 내의 자성체는 전자기파 에너지 밀도가 높은 코일과 가까운 부분에서 열을 발생하고, 발생한 열은 자성체의 자기 특성을 변화시켜 송신기와 수신기 간의 임피던스 불일치를 유발하여, 충전 효율이 저하되고 이로 인해 다시 발열이 심화되는 문제가 있었다. 그러나 이러한 무선충전 장치는 전기 자동차의 하부 등에 설치되기 때문에, 방진 및 방수와 충격 흡수를 위해 밀폐 구조를 채용하므로 방열 구조를 구현하는데 어려움이 있었다.
한국 공개특허공보 제2011-0042403호
기존의 무선충전 장치에서 자성체로서 주로 사용되던 소결 페라이트 시트는, 자성 특성이 우수한 반면 취성(brittleness)이 높아 뒤틀림 등에 대한 내성이 부족하고 중량이 큰 편이다. 또한 소결 과정에서 생성되는 포어 등의 결함에 의해 열 충격에 쉽게 파괴되어 파편을 발생시킴으로써 2차적인 문제를 일으킬 수 있다.
이러한 소결 페라이트 시트의 단점을 보완하고자, 자성 분말을 바인더 수지와 배합하여 내충격성을 향상시킨 고분자형 자성체를 적용할 수 있으나, 이는 투자율이 높지 않아서 일정 수준 이상의 무선충전 성능을 달성하려면 많은 양이 필요하여 장치의 소형화가 어렵다. 또한 상기 고분자형 자성체는 무선충전 시에 발열량은 크지 않지만 고분자 성분이 열을 축적하므로, 코일 주변에 배치되어 자속이 집속될 경우 시간이 지남에 따라 온도가 계속적으로 상승하게 된다.
특히 소결 페라이트 시트와 고분자형 자성체를 특별한 고려 없이 단순히 적층해서 배치할 경우, 무선충전 중에 자속이 적절히 배분되지 않아서 발생하는 열의 외부로의 전달이 효과적이지 않고, 또한 차량 주행 중에 가해질 수 있는 외부의 충격이나 뒤틀림에 의해 쉽게 파손될 수 있다.
이에 본 발명자들이 연구한 결과, 이와 같은 이종의 자성체를 특성에 맞게 쉴드부와의 거리를 조절하여 배치함으로써, 자속의 배분을 통해 무선충전 중에 발생하는 열을 효과적으로 분산시키면서 외부의 충격이나 뒤틀림 등에 대한 내구성을 향상시킬 수 있음을 발견하였다.
따라서 구현예의 과제는, 서로 다른 2종의 자성체를 이용하되 이들의 특성을 고려해 배치함으로써 충전 효율과 방열 특성 및 내구성이 개선된 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단을 제공하는 것이다.
일 구현예에 따르면, 코일부; 상기 코일부 상에 배치되는 제 1 자성부; 상기 제 1 자성부 상에 배치되고, 상기 제 1 자성부보다 더 높은 투자율을 가지는 제 2 자성부; 및 상기 제 2 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 포함하고, 상기 제 2 자성부는 상기 쉴드부와 열적으로 연결되는, 무선충전 장치가 제공된다.
다른 구현예에 따르면, 무선충전 장치를 포함하고, 상기 무선충전 장치는 코일부; 상기 코일부 상에 배치되는 제 1 자성부; 상기 제 1 자성부 상에 배치되고, 상기 제 1 자성부보다 더 높은 투자율을 가지는 제 2 자성부; 및 상기 제 2 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 포함하고, 상기 제 2 자성부는 상기 쉴드부와 열적으로 연결되는, 이동 수단이 제공된다.
상기 구현예에 따르면 2종의 자성부를 포함하되 투자율이 보다 높은 자성부를 쉴드부에 인접 배치함으로써, 자속의 배분을 통해 무선충전 중에 발생하는 열을 효과적으로 분산시킬 수 있다. 또한 2종의 자성부의 소재를 조절하여 외부의 충격이나 뒤틀림 등에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 2종의 자성부는 투자율과 같은 자성 특성 면에서 차이를 가지는데, 하나 이상의 자성부가 있을 경우에는 투자율의 크기 순서로 자속 밀도가 커지므로, 이들을 조합하여 무선충전 시에 집속되는 자속을 원하는 방향으로 배분시킬 수 있다. 또한, 무선충전 시에 자성부에 집속된 자속의 양과 투자손실에 비례하는 크기로 열이 발생하므로, 2종의 자성부를 적절한 간격으로 이격 배치함으로써 열을 쉴드부로 효과적으로 전달하여 외부로 방출시킬 수 있고, 또한 차량 주행 중에 가해질 수 있는 외부의 충격이나 뒤틀림에 의해 파손되는 것을 억제할 수 있다.
따라서 상기 무선충전 장치는 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해사시도를 나타낸 것이다.
도 2 및 3a는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 사시도 및 단면도를 나타낸 것이다.
도 3b 내지 4b는 다른 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 5는 무선충전 장치가 수신기로 적용된 전기 자동차를 도시한 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 물성 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 해석되어야 한다.
종래의 무선충전 장치에서 자성체로서 주로 소결 페라이트 시트를 코일과 금속판 사이, 특히 코일에 가까운 일면 상에 배치하고 있으나, 소결 페라이트 시트는 비중이 무겁고, 코일과 금속판 사이의 거리가 가까워지면(예: 10 mm 미만) 효율이 급격히 저하하는 문제가 있다. 이에 코일과 금속판 사이의 거리를 유지하고 소결 페라이트 시트를 안정적으로 고정하기 위해 스페이서와 같은 별도의 구조물이 필요하며, 그에 따라 조립 공정의 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한 충전 중에 코일과 소결 페라이트 시트에서 열이 발생하는데, 특히 소결 페라이트 시트에서 발생하는 열은 열전도 특성이 낮은 공기 또는 스페이서로 전달 및 방열되기 어렵다. 이에 따라 온도가 상승된 소결 페라이트 시트는 자기적 특성이 저하되고 이에 따른 코일의 인덕턴스 값을 변화시켜 충전 효율을 저하시키며 더욱 심한 발열을 유발한다. 이를 해결하기 위해 자성체를 충분히 두껍게 하여 코일과 금속판 사이의 빈 공간을 모두 채우게 되면 방열 특성을 개선할 수 있지만, 비중이 큰 자성체로 인해 전체 무게가 증가하여 자동차의 경량화에 문제가 될 수 있고 제작 비용도 크게 상승한다. 또한 자성체와 금속판 사이의 빈 공간을 방열 재료로 모두 채우는 방법도 고려되고 있지만, 이 경우 방열 재료의 전기전도성 또는 절연성으로 인해 충전 효율이 감소하고 제작 비용이 상승하며, 또는 자성체와 금속판 사이의 빈 공간 중 일부만을 방열 재료로 채울 경우 방열 성능이 충분하지 않게 된다.
그러나 이하의 구현예에 따르면, 2종의 자성부를 이용하되 이들의 특성을 고려해 배치함으로써 충전 효율과 방열 특성 및 내구성이 개선된 무선충전 장치를 제공할 수 있다.
[무선충전 장치]
도 1, 도 2 및 도 3a는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해 사시도, 사시도 및 단면도를 각각 나타낸 것이다. 또한 도 3b 내지 4b는 다른 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
일 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는, 코일부(200); 상기 코일부(200) 상에 배치되는 제 1 자성부(300); 및 상기 제 1 자성부(300) 상에 배치되고, 상기 제 1 자성부(300)보다 더 높은 투자율을 가지는 제 2 자성부(500); 및 상기 코일부(200) 상에 배치된 쉴드부(400)를 포함하고, 상기 제 2 자성부(500)는 상기 쉴드부(400)와 열적으로 연결된다.
이하 상기 무선충전 장치의 각 구성요소별로 구체적으로 설명한다.
지지판
상기 무선충전 장치(10)는 상기 코일부(200)을 지지하는 지지판(100)을 더 포함할 수 있다. 상기 지지판의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 지지판의 재질 및 구조를 채용할 수 있다. 상기 지지판은 평판 구조 또는 코일을 고정시킬 수 있도록 코일부 형태를 따라 홈이 파여진 구조를 가질 수 있다.
코일부
상기 코일부는 전도성 와이어를 포함할 수 있다.
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 원형, 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.
상기 코일부는 상기 제 1 자성부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 코일부와 상기 제 1 자성부의 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.
쉴드부
상기 쉴드부는 상기 제 2 자성부 상에 배치된다. 또한 상기 쉴드부는 상기 코일 상에 배치될 수 있다.
상기 쉴드부는 전자파 차폐를 통해 외부로 전자파가 누설되어 발생될 수 있는 전자기 간섭(EMI, electromagnetic interference)을 억제한다.
상기 쉴드부는 상기 코일부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 쉴드부와 상기 코일부의 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.
또한 쉴드부는 상기 제 1 자성부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 쉴드부과 상기 제 1 자성부의 이격 거리는 3 mm 이상, 5 mm 이상, 3 mm 내지 10 mm, 또는 4 mm 내지 7 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.
자성부
상기 구현예에 따른 무선충전 장치는 상기 코일부 상에 배치되는 제 1 자성부; 및 상기 제 1 자성부 상에 배치되고, 상기 제 1 자성부보다 더 높은 투자율을 가지는 제 2 자성부를 포함한다.
또한 상기 제 1 자성부 및 상기 제 2 자성부는 상기 코일부와 상기 쉴드부 사이에 배치될 수 있다.
구체적인 일례에 따르면, 상기 제 1 자성부는 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함할 수 있고, 상기 제 2 자성부는 페라이트계 소결체를 포함할 수 있다.
상기 제 1 자성부 및 상기 제 2 자성부는 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수 근방에서 일정 범위의 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.
특히 상기 제 1 자성부 및 제 2 자성부는 이들을 구성하는 성분에 의해 투자율과 투자손실과 같은 자성 특성 면에서 차이를 갖는다. 그 결과 상기 2종의 자성부를 조합하여 자속의 배분을 통해 무선충전 중에 발생하는 열을 효과적으로 분산시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 자성부가 85 kHz에서 상기 제 1 자성부 대비 높은 투자율을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 2 자성부가 85 kHz에서 상기 제 1 자성부 대비 높은 투자손실을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 제 2 자성부와 상기 제 1 자성부 간의 85 kHz에서의 투자율 차이는 100 이상, 500 이상, 또는 1,000 이상일 수 있고, 구체적으로 100 내지 5,000, 500 내지 4,000, 또는 1,000 내지 3,000일 수 있다. 또한 상기 제 2 자성부는 상기 제 1 자성부 대비 85 kHz에서 높은 투자손실을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 자성부와 상기 제 1 자성부 간의 85 kHz에서의 투자손실 차이는 10 이상, 50 이상, 또는 100 이상일 수 있고, 구체적으로 10 내지 300, 50 내지 250, 또는 100 내지 200일 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 자성부가 85 kHz에서 5 내지 300의 투자율 및 0 내지 30의 투자손실을 갖고, 상기 제 2 자성부가 85 kHz에서 1,000 내지 5,000의 투자율 및 0 내지 300의 투자손실을 가질 수 있다.
무선충전 시에 자속 밀도는 코일부에 근접할수록 높지만, 자성부가 코일 주위에 있을 경우에 자성부에 자속이 집속되며, 하나 이상의 자성부가 있을 경우에는 자성부의 투자율의 크기 순서로 자속 밀도가 커지게 된다. 따라서, 제 1 자성부 대비 높은 투자율을 갖는 제 2 자성부를 적절히 배치하게 되면 자속을 효과적으로 배분할 수 있다.
또한, 무선충전 시에 자성부에 집속된 자속의 양과 투자손실에 비례하는 크기로 열이 발생하므로, 상기 2종의 자성부는 무선충전 시의 발열량 면에서도 차이를 갖게 된다. 예를 들어 전력 송신 또는 수신 등의 무선충전 시에, 구체적으로 외부로부터의 무선 전력이 상기 코일부로 수신될 때, 상기 제 2 자성부의 발열량은 상기 제 1 자성부의 발열량보다 더 클 수 있다.
이와 같이 상기 2종의 자성부는 서로 다른 자성 특성과 발열량을 가지므로 이들을 배치하여 조합하는 방식에 따라, 투자율의 크기 순서로 자속 밀도가 커지는 경향을 이용하여 무선충전 시에 집속되는 자속을 원하는 방향으로 배분시킬 수 있고, 또한 자속의 양과 투자손실의 크기에 비례하여 발열량이 증가하는 경향을 이용하여 효과적으로 열을 외부로 방출시킬 수 있다.
도 3a 내지 도 4b를 참조하여, 상기 제 1 자성부(300)가 상기 제 2 자성부(500) 대비 상기 코일부(200)에 가깝게 배치되고, 상기 제 2 자성부(500)가 상기 제 1 자성부(300) 대비 상기 쉴드부(400)에 가깝게 배치될 수 있다. 이때 상기 제 2 자성부는 상기 쉴드부와 열적으로 연결될 수 있다. 그에 따라 상기 제 2 자성부에서 발생하는 다량의 열이 상기 쉴드부를 통해 외부로 쉽게 배출될 수 있다.
아울러, 상기 2종의 자성부의 자성 특성과 물리적 특성을 고려하여 각 자성부 별로 사용되는 양(체적)을 조절함으로써, 충전 효율을 저해하지 않으면서 내충격성을 향상시키고 제조 비용도 줄일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 자성부의 체적이 상기 제 2 자성부의 체적보다 더 클 수 있다.
이하 각 자성부 별로 조성 및 특성을 구체적으로 설명한다.
제 1 자성부
상기 제 1 자성부는 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 제 1 자성부는 바인더 수지에 의해 자성 분말들이 서로 결합됨으로써, 넓은 면적에서 전체적으로 결함이 적으면서 충격에 의해 손상이 적을 수 있다.
상기 자성 분말은 산화물계 자성 분말, 금속계 자성 분말, 또는 이들의 혼합 분말일 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물계 자성 분말은 페라이트계 분말, 구체적으로 Ni-Zn계, Mg-Zn계, Mn-Zn계 페라이트 분말일 수 있다. 또한 상기 금속계 자성 분말은 Fe-Si-Al 합금 자성 분말, 또는 Ni-Fe 합금 자성 분말일 수 있고, 보다 구체적으로 샌더스트(sendust) 분말, 또는 퍼말로이(permalloy) 분말일 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.
또한 상기 자성 분말은 나노결정성(nanocrystalline) 자성 분말일 수 있고, 예를 들어 Fe계 나노결정성 자성 분말일 수 있으며, 구체적으로 Fe-Si-Al계 나노결정성 자성 분말, Fe-Si-Cr계 나노결정성 자성 분말, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성 분말일 수 있다.
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 제 1 자성부는 상기 자성 분말을 10 중량% 이상, 50 중량% 이상, 70 중량% 이상, 또는 85 중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 자성부는 상기 자성 분말을 10 중량% 내지 99 중량%, 10 중량% 내지 95 중량%, 50 중량% 내지 95 중량%, 50 중량% 내지 92 중량%, 70 중량% 내지 95 중량%, 80 중량% 내지 95 중량%, 또는 80 중량% 내지 90 중량%의 양으로 포함할 수 있다.
상기 바인더 수지로서 폴리이미드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리페닐설파이드(PSS) 수지, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 수지, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지, 에폭시 수지 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 바인더 수지는 경화성 수지일 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더 수지는 광경화성 수지 및/또는 열경화성 수지일 수 있으며, 특히 경화되어 접착성을 나타낼 수 있는 수지일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 바인더 수지는 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.
상기 제 1 자성부는 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 제 1 자성부는 이의 중량을 기준으로, 상기 바인더 수지로서, 6 중량% 내지 12 중량%의 폴리우레탄계 수지, 0.5 중량% 내지 2 중량%의 이소시아네이트계 경화제, 및 0.3 중량% 내지 1.5 중량%의 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
제 1 자성부의 특성
상기 제 1 자성부는 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수 근방에서 일정 범위의 자성 특성을 가질 수 있다. 상기 제 1 자성부의 85 kHz의 주파수에서 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.
또한 상기 제 1 자성부는 일정 비율로 신장될 수 있다. 예를 들어 상기 제 1 자성부의 신장율은 0.5% 이상일 수 있다. 상기 신장 특성은 고분자를 적용하지 않는 세라믹계 자성체에서는 얻기 어려운 것으로, 대면적의 자성부가 충격에 의해 뒤틀림 등이 발생하더라도 손상을 줄여줄 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 자성부의 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, 자성부의 인턱턴스 등의 특성이 떨어질 수 있으므로, 상기 신장율은 10% 이내인 것이 좋다.
상기 제 1 자성부는 충격 전후의 특성 변화율이 적으며, 일반적인 페라이트 자성시트와 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 제 1 자성부는 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 자성부의 안정성이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 제 1 자성부는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 품질계수(Q factor; Ls/Rs) 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 자성부의 안정성과 내충격성이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 제 1 자성부는 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, 실제 충격과 진동이 가해지는 환경에서 반복하여 적용하더라도 저항값이 일정 수준 이하로 잘 유지될 수 있다.
또한, 상기 제 1 자성부는 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 자성부가 충격이나 뒤틀림이 반복적으로 발생하더라도 특성을 보다 안정적으로 유지할 수 있다.
제 1 자성부의 입체 구조
상기 구현예에 따르면 상기 제 1 자성부에 입체 구조를 적용함으로써, 충전 효율 및 방열 특성을 향상시킬 수 있다. 도 3a 및 3b를 참조하여, 상기 제 1 자성부(300)는 상기 코일부(200)가 배치되는 부분에 대응되는 외곽부(310); 및 상기 외곽부(310)에 의해서 둘러싸이는 중심부(320)를 포함하고, 상기 외곽부(310)의 두께가 상기 중심부(320)의 두께보다 더 클 수 있다. 이때 상기 제 1 자성부에서 외곽부와 중심부는 서로 일체형으로 형성될 수 있다. 또는 도 4a 및 4b를 참조하여, 상기 제 1 자성부(300)에서 상기 외곽부 및 상기 중심부의 두께가 동일할 수 있다.
이와 같이 무선충전 중 전자기 에너지가 집중되는 코일 근방의 자성부의 두께를 두껍게 하고, 코일이 없어서 상대적으로 전자기 에너지 밀도가 낮은 중심부의 자성부의 두께를 낮춤으로써, 코일 주변에 집중되는 전자기파를 효과적으로 집속시켜 충전 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 별도의 스페이서 없이 견고하게 코일부와 쉴드부와의 거리를 유지시킬 수 있어, 스페이서 등의 사용에 따른 재료비 및 공정비를 줄일 수 있다.
상기 제 1 자성부에서 상기 외곽부가 상기 중심부에 비해 1.5 배 이상 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 상기 두께 비율일 때, 코일 주변에 집중되는 전자기파를 보다 효과적으로 집속시켜 충전 효율을 향상시킬 수 있고 발열 및 경량화에도 유리하다. 구체적으로, 상기 제 1 자성부에서 외곽부/중심부의 두께 비율은 2 이상, 3 이상, 또는 5 이상일 수 있다. 또한 상기 두께 비율은 100 이하, 50 이하, 30 이하, 또는 10 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 두께 비율은 1.5 내지 100, 2 내지 50, 3 내지 30, 또는 5 내지 10일 수 있다.
상기 제 1 자성부의 외곽부의 두께는 1 mm 이상, 3 mm 이상, 또는 5 mm 이상일 수 있고, 또한 30 mm 이하, 20 mm 이하, 또는 11 mm 이하일 수 있다. 아울러, 상기 제 1 자성부의 중심부의 두께는 10 mm 이하, 7 mm 이하, 또는 5 mm 이하일 수 있고, 또한 0 mm이거나 0.1 mm 이상 또는 1 mm 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 자성부의 외곽부이 5 mm 내지 11 mm의 두께를 갖고, 상기 중심부가 0 mm 내지 5 mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 제 1 자성부(300)의 중심부(320)의 두께가 0일 경우, 상기 제 1 자성부(300)는 중심부(320)에 비어 있는 형상을 가질 수 있다(예를 들어 도넛 형상). 이 경우 상기 제 1 자성부는 보다 작은 면적으로도 충전 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
제 2 자성부의 조성 및 특성
상기 제 2 자성부는 산화물계 자성체, 금속계 자성체, 또는 이들의 복합 소재를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 산화물계 자성체는 페라이트계 자성체일 수 있고, 구체적인 화학식은 MOFe2O3(여기서 M은 Mn, Zn, Cu, Ni 등의 1종 이상의 2가 금속 원소이다)로 표시될 수 있다. 상기 페라이트계 소재는 소결체인 것이 투자율과 같은 자성 특성 면에서 유리하다. 상기 페라이트계 소결체는 원료 성분들을 혼합하고 하소 후 분쇄하고, 이를 바인더 수지와 혼합하여 성형하고 소성하여 시트 또는 블록 형태로 제조될 수 있다.
보다 구체적으로 상기 산화물계 자성체는 Ni-Zn계, Mg-Zn계, 또는 Mn-Zn계 페라이트일 수 있고, 특히 Mn-Zn계 페라이트는 85 kHz의 주파수에서 실온 내지 100 ℃ 이상의 온도 범위에 걸쳐 높은 투자율, 낮은 투자손실, 및 높은 포화자속밀도를 나타낼 수 있다.
상기 Mn-Zn계 페라이트는 주성분으로 산화철 Fe2O3 66 mol% 내지 70 mol%, ZnO 10 mol% 내지 20 mol%, MnO 8 mol% 내지 24 mol%, 및 NiO 0.4 mol% 내지 2 mol%를 포함하고, 그 외 부성분으로 SiO2, CaO, Nb2O5, ZrO2, SnO 등을 함유할 수 있다. 상기 Mn-Zn계 페라이트는 주성분을 소정의 몰비로 혼합하여 공기 중에서 800 ℃ 내지 1100 ℃의 온도로 1 시간 내지 3 시간 동안 하소 후 부성분을 첨가하여 분쇄하고, 이에 폴리비닐알코올(PVA) 등의 바인더 수지를 적당량 혼합하고 프레스를 이용하여 가압 성형한 후, 1200 ℃ 내지 1300 ℃까지 승온하여 2시간 이상 소성함으로써 시트 또는 블록 형태로 제조될 수 있다. 이후, 필요에 따라 와이어 톱(wire saw) 또는 워터젯(water jet) 등을 이용해 가공하여 요구되는 크기로 절단된다.
또한 상기 금속계 자성체는 Fe-Si-Al 합금 자성체, 또는 Ni-Fe 합금 자성체일 수 있고, 보다 구체적으로 샌더스트(sendust), 또는 퍼말로이(permalloy)일 수 있다. 또한 상기 제 2 자성부는 나노결정성(nanocrystalline) 자성체를 포함할 수 있고, 예를 들어 Fe계 나노결정성 자성체, 구체적으로 Fe-Si-Al계 나노결정성 자성체, Fe-Si-Cr계 나노결정성 자성체, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성체를 포함할 수 있다. 상기 제 2 자성부로 나노결정성 자성체를 적용 시에, 코일부과 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.
상기 제 2 자성부는 상기 제 1 자성부와 다른 자성체로 구성될 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 제 1 자성부가 Fe-Si-Al계 합금 자성체를 포함하고, 상기 제 2 자성부가 Mn-Zn계 페라이트를 포함할 수 있다. 이들 소재의 조합은, 상기 제 2 자성부가 상기 제 1 자성부 대비 85 kHz에서 높은 투자율을 갖는데 유리하다.
상기 제 2 자성부는 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수 근방에서 특정 범위의 자성 특성을 가질 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 제 2 자성부는, 85 kHz의 주파수에서 투자율은 1,000 내지 5,000, 또는 2,000 내지 4,000일 수 있고, 투자손실은 0 내지 1,000, 0 내지 100, 또는 0 내지 50일 수 있다.
제 1 자성부 및 제 2 자성부의 면적 및 두께
상기 제 1 자성부는 대면적을 가질 수 있고, 구체적으로 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상의 면적을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 1 자성부는 10,000 cm2 이하의 면적을 가질 수 있다. 또한 상기 대면적의 제 1 자성부는 다수의 자성 단위체가 조합되어 구성될 수 있으며, 이때, 상기 자성 단위체의 면적은 60 cm2 이상, 90 cm2 이상, 또는 95 cm2 내지 900 cm2일 수 있다.
또는 상기 제 1 자성부는 중심부에 비어 있는 형상을 가질 수 있고, 이 경우 상기 제 1 자성부는 외곽부의 면적, 즉 코일부에 대응하는 면적을 가질 수 있다.
상기 제 1 자성부는 몰드를 통한 성형 등의 방법으로 제조된 자성 블록일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 자성부는 몰드를 통해 입체 구조로 성형된 것일 수 있다. 이러한 자성 시트는 자성 분말과 바인더 수지를 혼합하고 사출 성형 등에 의해 몰드로 주입하여 입체 구조로 성형될 수 있다.
또는, 상기 제 1 자성부는 자성 시트의 적층체일 수 있으며, 예를 들어 자성 시트가 20장 이상, 또는 50장 이상 적층된 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 자성 시트의 적층체는 제 1 자성부의 외곽부에만 추가적인 자성 시트가 1매 이상 더 적층된 것일 수 있다. 이때 개별 자성 시트의 두께는 80 ㎛ 이상, 또는 85 ㎛ 내지 150 ㎛일 수 있다. 이러한 자성 시트는 자성 분말과 바인더 수지를 혼합하여 슬러리화한 후 시트 형상으로 성형하고 경화하는 등의 통상적인 시트화 공정으로 제조될 수 있다.
상기 제 2 자성부는 시트 형태 또는 블록 형태를 가질 수 있다.
상기 제 2 자성부의 두께는 0.5 mm 내지 5 mm일 수 있고, 구체적으로, 0.5 mm 내지 3 mm, 0.5 mm 내지 2 mm, 또는 1 mm 내지 2 mm일 수 있다. 상기 제 1 자성부의 외곽부의 두께가 상기 제 2 자성부의 두께보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 상기 외곽부의 두께가 5 mm 내지 11 mm이고, 상기 중심부의 두께가 0.5 mm 내지 3 mm일 수 있다.
상기 제 2 자성부는 상기 제 1 자성부와 동일한 면적을 갖거나, 이와 다른 면적을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 자성부는 상기 제 1 자성부와 동일하게 대면적을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제 2 자성부의 면적은 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상일 수 있다. 또한, 상기 제 2 자성부의 면적은 10,000 cm2 이하일 수 있다. 또한 상기 대면적의 제 2 자성부는 다수의 자성 단위체가 조합되어 구성될 수 있으며, 이때, 상기 자성 단위체의 면적은 60 cm2 이상, 90 cm2 이상, 또는 95 cm2 내지 900 cm2일 수 있다.
또는 상기 제 2 자성부는 상기 제 1 자성부보다 작은 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 자성부가 상기 제 1 자성부의 외곽부 상에만 배치될 경우, 상기 제 2 자성부는 상기 외곽부의 면적에 대응하는 면적을 가질 수 있다. 또한 이에 따라, 상기 제 2 자성부는 상기 코일부에 대응되는 위치에 배치될 수 있고, 상기 코일부의 면적에 대응하는 면적을 가질 수 있다. 이 경우 상기 제 2 자성부는 작은 면적으로도 충전 효율과 방열 특성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
방열부의 조성 및 특성
상기 구현예에 따른 무선충전 장치는, 효과적인 열전달을 위해 방열부를 더 포함할 수 있다. 무선충전 시에 자성부에는 집속된 자속의 양과 투자손실에 비례하여 많은 열이 발생하는데, 상기 방열부는 상기 자성부에서 발생된 열을 효과적으로 외부로 전달시킬 수 있다.
상기 방열부는 시트 형상을 가질 수 있으며, 즉 상기 방열부는 방열 시트를 포함할 수 있다.
상기 방열부는 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 방열 필러를 포함할 수 있다. 이와 같이 상기 방열부는 고분자 성분을 포함하여 상기 쉴드부와 상기 자성 시트 간의 접착력을 발휘할 수 있고, 또한 외부의 충격으로부터 상기 자성부가 파괴되는 것을 방지할 수 있다.
상기 바인더 수지로서 폴리이미드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리페닐설파이드(PSS) 수지, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 수지, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지, 에폭시 수지 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 바인더 수지는 경화성 수지일 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더 수지는 광경화성 수지 및/또는 열경화성 수지일 수 있으며, 특히 경화되어 접착성을 나타낼 수 있는 수지일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 바인더 수지는 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.
구체적인 일례로서, 상기 바인더 수지는 실리콘계 수지 및 아크릴계 수지 중에서 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 방열 필러는 세라믹 입자, 카본 입자 및 금속 입자 중에서 1종 이상일 수 있다. 상기 세라믹 입자는 금속의 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있고, 구체적으로 실리카, 알루미나, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화마그네슘 등을 포함할 수 있다. 상기 카본 입자는 그라파이트, 카본블랙, 카본나노튜브 등을 포함할 수 있다. 상기 금속 입자는 구리, 은, 철 니켈 등을 포함할 수 있다.
상기 방열부 내의 상기 방열 필러의 함량은 70 중량% 내지 90 중량%, 70 중량% 내지 85 중량%, 또는 75 중량% 내지 90 중량%일 수 있다.
상기 방열부의 열전도도는 0.5 W/m.K 내지 30 W/m.K일 수 있고, 구체적으로 2 W/m.K 내지 5 W/m.K일 수 있다.
상기 방열부의 두께는 0.1 mm 내지 5 mm일 수 있고, 구체적으로 0.1 mm 내지 3 mm, 또는 0.2 mm 내지 1 mm일 수 있다.
상기 방열부는 상기 제 1 자성부 또는 상기 제 2 자성부와 동일한 면적을 갖거나, 이와 다른 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 방열부가 상기 제 1 자성부의 외곽부 상에 배치될 경우, 상기 방열부는 상기 외곽부의 면적에 대응하는 면적을 가질 수 있다. 또한 상기 방열부가 상기 제 2 자성부와 상기 쉴드부 사이에 배치될 경우, 상기 방열부는 상기 제 2 방열 소재의 면적에 대응하는 면적을 가질 수 있다. 이에 따라 상기 방열부는 작은 면적으로도 우수한 방열 특성과 접착성 및 내충격성을 방휘할 수 있다.
제 2 자성부 및 방열부의 배치
상기 제 1 자성부 및 상기 제 2 자성부는 서로 이격될 수 있다. 구체적으로 상기 제 2 자성부는 상기 쉴드부와 상기 제 1 자성부 사이에서, 상기 제 1 자성부와 이격하여 배치될 수 있다. 그 결과, 무선충전 시에 상기 제 1 자성부와 상기 제 2 자성부 간의 자속 배분과 그에 따른 발열이 적절히 조절될 수 있다. 또한 전기자동차의 주행 중에 가해질 수 있는 외부의 충격이나 뒤틀림과 같은 외력에 대한 적절한 내구성이 부여될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 자성부와 상기 제 2 자성부의 이격 거리는 1 mm 이상, 2 mm 이상, 3 mm 이상, 1 mm 내지 30 mm, 1 mm 내지 20 mm, 1 mm 내지 10 mm, 2 mm 내지 7 mm, 3 mm 내지 10 mm, 3 mm 내지 5 mm, 또는 5 mm 내지 10 mm일 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 자성부 및 상기 제 2 자성부 사이의 최단 거리는 1 mm 내지 20 mm일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제 1 자성부의 외곽부와 상기 제 2 자성부 간의 최단 거리는 3 mm 내지 10 mm일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 무선충전 시에 집속되는 자속의 배분과 그에 따른 발열의 조절이 유리하고 차량 주행 중에 발생하는 외력에 대한 적절한 내구성이 부여될 수 있다.
또한 상기 무선충전 장치가 상기 제 2 자성부와 상기 쉴드부 사이에 배치된 방열부를 더 포함하고, 상기 방열부가 상기 제 2 자성부와 상기 쉴드부에 동시에 접촉할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 방열부는 상기 제 2 자성부와 상기 쉴드부를 접착할 수 있다. 이에 따라 상기 제 2 자성부에서 발생하는 열이 상기 방열부를 통해 상기 쉴드부로 전달되어 외부로 방출되는데 용이할 수 있다.
도 3a 내지 4b에서 보듯이, 상기 제 2 자성부(500)는 상기 쉴드부(400)와 상기 제 1 자성부(300)의 사이에 배치되고, 상기 방열부(700)가 상기 제 2 자성부(500)와 상기 쉴드부(400)에 동시에 접촉할 수 있다. 이와 같이 상기 제 1 자성부 대비 높은 투자율을 갖는 상기 제 2 자성부를 상기 쉴드부와 가까운 곳에 배치함에 따라 코일 주위의 높은 자속 밀도를 효과적으로 분산시킬 수 있어서, 상기 제 1 자성부 단독으로 사용하는 경우에 비해 충전 효율을 높여줄 뿐만 아니라 제 1 자성부의 코일 근접부에 집중되는 발열을 효과적으로 분산시켜 줄 수 있다. 또한 이때 상기 제 2 자성부에서 발생하는 열이 상기 방열부를 통해 상기 쉴드부로 효과적으로 전달될 수 있다.
예를 들어 상기 제 2 자성부가 시트 형태일 경우, 이의 일면 전부가 상기 방열부를 매개로 상기 쉴드부에 부착될 수 있다. 구체적으로, 상기 제 2 자성부는 상기 쉴드부의 상기 제 1 자성부를 향하는 일면 상에 상기 방열부를 매개로 부착될 수 있다.
상기 제 2 자성부(500)는 상기 외곽부나 상기 중심부 상에, 또는 이들 모두에 배치될 수 있다. 도 3b 및 도 4b에서 보듯이, 상기 제 2 자성부(500)는 상기 외곽부(310) 및 상기 중심부(320) 상에 모두 배치될 수 있다. 또는, 도 3a 및 도 4a에서 보듯이, 상기 제 2 자성부(500)는 상기 외곽부(310)에 대응되는 위치에 배치될 수 있다. 이에 따라 코일 주위의 높은 자속 밀도를 효과적으로 분산시킬 수 있어서, 상기 제 1 자성부 단독으로 사용하는 경우에 비해 충전 효율을 높여줄 수 있다.
하우징
상기 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는 전술한 구성 요소들을 보호하는 하우징(600)을 더 포함할 수 있다.
상기 하우징은 상기 코일부, 쉴드부, 자성부 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.
트레이
도 3a 내지 4b에서 보듯이, 상기 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는 상기 제 1 자성부(300)와 쉴드부(400) 사이에 배치되는 트레이(800)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는 상기 제 1 자성부(300)와 상기 제 2 자성부(500) 사이에 배치되는 트레이(800)를 더 포함할 수 있다.
상기 트레이는 상기 제 2 자성부를 고정하는 하우징으로서의 역할 뿐만 아니라 상기 제 2 자성부를 상기 제 1 자성부와 이격시키기 위한 스페이서의 역할도 할 수 있다. 즉 상기 트레이에 의해 상기 제 2 자성부는 상기 제 1 자성부와 이격하여 배치될 수 있다.
상기 트레이는 상기 제 2 자성부를 수용하는 안착 홈을 구비할 수 있다. 이에 따라 상기 제 2 자성부가 상기 안착 홈에 수용되어 배치될 수 있다. 이 경우 상기 트레이는 상기 제 2 자성부의 하우징으로서 역할을 할 수 있어서, 상기 제 2 자성부를 고정하기 위한 별도의 접착제나 구조물이 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 트레이에 형성된 안착 홈의 깊이는 상기 제 2 자성부의 두께(높이)와 동일하거나 또는 다를 수 있다. 또한 상기 제 2 자성부 상에 방열부가 더 배치될 경우, 상기 트레이에 형성된 안착 홈의 깊이는 상기 제 2 자성부와 상기 방열부의 두께 합과 동일할 수 있다.
또한 상기 트레이는 상기 쉴드부와 접촉할 수 있고, 구체적으로 상기 트레이는 상기 쉴드부에 고정될 수 있다. 또한 상기 제 1 자성부(예를 들어 제 1 자성부의 외곽부)와도 접촉하여 배치될 수 있다.
또는 상기 트레이는 상기 쉴드부 또는 상기 제 1 자성부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 트레이와 상기 쉴드부 간의 이격 거리, 또는 상기 트레이와 상기 제 1 자성부(예를 들어 상기 제 1 자성부의 외곽부) 간의 이격 거리는 0.5 mm 이상 또는 1 mm 이상일 수 있고, 구체적으로 0.5 mm 내지 5 mm, 또는 1 mm 내지 3 mm일 수 있다.
상기 트레이는 플라스틱 소재로 구성될 수 있고, 구체적으로 내열 플라스틱 소재로 구성될 수 있다. 구체적으로 상기 플라스틱 소재는 열가소성 폴리이미드일 수 있다. 또한 상기 플라스틱 소재의 유리전이온도(Tg)는 230℃ 내지 360℃, 구체적으로 약 250~310℃일 수 있다.
또한 상기 트레이는 방열 필러를 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 방열 필러의 소재는 세라믹계 물질, 산화물계 물질 및 카본계 물질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 보다 구체적으로, Al2O3, AlN, SiO2, 및 Si3N4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 이에 따라 상기 제 1 자성부 또는 상기 제 2 자성부에서 발생하는 열이 상기 트레이를 통해서도 상기 쉴드부에 전달될 수 있다.
[이동 수단]
상기 구현예에 따른 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 5는 무선충전 장치가 적용된 이동 수단, 구체적으로 전기 자동차를 나타낸 것으로서, 하부에 무선충전 장치를 구비하여 전기 자동차용 무선 충전 시스템이 구비된 주차 구역에서 무선으로 충전될 수 있다.
도 5를 참조하여, 일 구현예에 따른 이동 수단(1)은, 상기 구현예에 따른 무선충전 장치를 수신기(21)로 포함한다. 상기 무선충전 장치는 이동 수단(1)의 무선충전의 수신기(21)로 역할하고 무선충전의 송신기(22)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
이와 같이 상기 이동 수단은 무선충전 장치를 포함하고, 상기 무선충전 장치는 코일부; 상기 코일부 상에 배치되는 제 1 자성부; 상기 제 1 자성부 상에 배치되고, 상기 제 1 자성부보다 더 높은 투자율을 가지는 제 2 자성부; 및 상기 제 2 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 포함하고, 상기 제 2 자성부는 상기 쉴드부와 열적으로 연결된다.
상기 이동 수단에 포함되는 무선충전 장치의 각 구성요소들의 구성 및 특징은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 이동 수단은 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 이동 수단은 충전에 대한 정보를 무선 충전 시스템의 송신기에 전달하는 신호 전송기를 더 포함할 수 있다. 이러한 충전에 대한 정보는 충전 속도와 같은 충전 효율, 충전 상태 등일 수 있다.
1: 이동 수단(전기 자동차), 10: 무선충전 장치,
21: 수신기, 22: 송신기,
100: 지지판, 200: 코일부,
300: 제 1 자성부,
310: 외곽부, 320: 중심부,
400, 400': 쉴드부, 500: 제 2 자성부,
600: 하우징, 700: 방열부,
800: 트레이.

Claims (10)

  1. 코일부;
    상기 코일부와의 사이에 공간이 형성되도록 상기 코일부 상에 이격 배치되는 제 1 자성부;
    상기 제 1 자성부와의 사이에 공간이 형성되도록 상기 제 1 자성부 상에 이격 배치되고, 상기 제 1 자성부보다 더 높은 투자율을 가지는 제 2 자성부; 및
    상기 제 2 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 포함하고,
    상기 제 2 자성부는 상기 쉴드부와 열적으로 연결되며,
    외부로부터의 무선 전력이 상기 코일부로 수신될 때, 상기 제 2 자성부의 발열량은 상기 제 1 자성부의 발열량보다 더 큰, 무선충전 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 자성부의 체적이 상기 제 2 자성부의 체적보다 더 큰, 무선충전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 자성부 및 상기 제 2 자성부 사이의 최단 거리는 1 mm 내지 20 mm인, 무선충전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선충전 장치가 상기 제 1 자성부 및 상기 제 2 자성부 사이에 배치되는 트레이를 더 포함하고,
    상기 트레이는 상기 제 2 자성부를 수용하는 안착 홈을 포함하고,
    상기 트레이는 상기 쉴드부에 고정되는, 무선충전 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선충전 장치가 상기 제 2 자성부와 상기 쉴드부 사이에 배치된 방열부를 더 포함하고, 상기 방열부가 상기 제 2 자성부와 상기 쉴드부에 동시에 접촉하는, 무선충전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 자성부는
    상기 코일부가 배치되는 부분에 대응되는 외곽부; 및
    상기 외곽부에 의해서 둘러싸이는 중심부를 포함하고,
    상기 외곽부의 두께가 상기 중심부의 두께보다 더 큰, 무선충전 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 외곽부의 두께가 상기 제 2 자성부의 두께보다 더 큰, 무선충전 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 자성부는 상기 외곽부에 대응되는 위치에 배치되는, 무선충전 장치.
  10. 무선충전 장치를 포함하고,
    상기 무선충전 장치는
    코일부;
    상기 코일부와의 사이에 공간이 형성되도록 상기 코일부 상에 이격 배치되는 제 1 자성부;
    상기 제 1 자성부와의 사이에 공간이 형성되도록 상기 제 1 자성부 상에 이격 배치되고, 상기 제 1 자성부보다 더 높은 투자율을 가지는 제 2 자성부; 및
    상기 제 2 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 포함하고,
    상기 제 2 자성부는 상기 쉴드부와 열적으로 연결되며,
    외부로부터의 무선 전력이 상기 코일부로 수신될 때, 상기 제 2 자성부의 발열량은 상기 제 1 자성부의 발열량보다 더 큰, 이동 수단.
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