KR20160105079A - 무선 전력 수신 장치 및 이를 포함하는 무선전력전송 시스템 - Google Patents

무선 전력 수신 장치 및 이를 포함하는 무선전력전송 시스템 Download PDF

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KR20160105079A
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이종혁
송지연
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윤형
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 전자기파 차폐코어, 상기 전자기파 차폐코어 상에 형성된 송신 코일, 그리고 상기 전자기파 차폐코어의 하부에 배치되는 홀 센서를 포함하는 무선 전력 송신 장치, 그리고 전자기파 차폐시트 및 상기 전자기파 차폐시트 상에 형성된 수신 코일을 포함하고, 상기 전자기파 차폐시트의 두께는 0.4mm이하이고, 포화자속밀도가 1.5T 이상 연자성 합금을 포함하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다.

Description

무선 전력 수신 장치 및 이를 포함하는 무선전력전송 시스템{WIRELESS POWER RECEIVING APPARATUS AND WIRELESS POWER TRANSMITTING SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 발명은 무선충전에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 전력 수신 장치 및 이를 포함하는 무선전력전송 시스템에 관한 것이다.
무선전력전송 시스템의 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 수신 장치가 무선 전력 송신 장치의 표면에 배치되었는지를 감지한 후, 무선 전력 수신 장치에게 전력을 전송한다. 무선 전력 송신 장치가 무선 전력 수신 장치를 감지하기 위하여, 무선 전력 수신 장치에게 일정한 신호를 주기적으로 보낼 수 있다. 이러한 경우, 무선전력전송 시스템의 대기전력 소모가 크다는 단점이 있다.
무선 전력 송신 장치가 무선 전력 수신 장치를 감지하기 위하여, 무선 전력 송신 장치에 홀센서(hall sensor)를 장착할 수도 있다. 이러한 경우, 무선전력전송 시스템의 대기전력 소모가 크다는 단점을 해소할 수 있다. 다만, 홀센서가 무선 전력 수신 장치를 감지하기 위하여, 무선 전력 송신 장치 상에 무선 전력 수신 장치가 배치된 경우와 배치되지 않은 경우의 기전력 차이가 소정 값 이상이 되어야 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 무선 전력 수신 장치 및 이를 포함하는 무선전력전송 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 전자기파 차폐코어, 상기 전자기파 차폐코어 상에 형성된 송신 코일, 그리고 상기 전자기파 차폐코어의 하부에 배치되는 홀 센서를 포함하는 무선 전력 송신 장치, 그리고 전자기파 차폐시트 및 상기 전자기파 차폐시트 상에 형성된 수신 코일을 포함하고, 상기 전자기파 차폐시트의 두께는 0.4mm이하이고, 포화자속밀도가 1.5T 이상 연자성 합금을 포함하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다.
상기 홀센서는 상기 송신 코일의 중심으로부터 제1 거리만큼 떨어진 위치에서 상기 전자기파 차폐시트의 하부로 제2 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제1 거리는 1.5mm이고, 상기 제2 거리는 2mm이며, 상기 무선 전력 송신 장치 상에 상기 무선 전력 수신 장치가 배치된 경우와 상기 무선 전력 수신 장치가 배치되지 않은 경우의 기전력 차이는 40gauss 이상일 수 있다.
상기 전자기파 차폐시트는 Fe 및 Ni를 포함하는 연자성 합금 또는 Fe, Cu, B 및 Si를 포함하는 연자성 합금을 포함할 수 있다.
상기 전자기파 차폐시트는 Fe 및 Ni 중 적어도 하나를 89at% 이상 포함하는 연자성 합금을 포함할 수 있다.
상기 전자기파 차폐시트는 하기 화학식의 조성을 가지는 연자성 합금을 포함할 수 있다.
Fe100-aNia
여기서, a는 40 내지 60at%이다.
상기 전자기파 차폐시트는 하기 화학식의 조성을 가지는 연자성 합금을 포함할 수 있다.
Fe100-x-y-zCuxBySiz
여기서, x는 0.1 내지 2at%이고, y는 1 내지 3at%이며, z는 6 내지 8at%이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 무선 전력 수신 장치는 전자기파 차폐시트, 그리고 상기 전자기파 차폐시트 상에 형성된 수신 코일을 포함하고, 상기 전자기파 차폐시트의 두께는 0.4mm이하이고, 포화자속밀도가 1.5T 이상인 연자성 합금을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 무선전력전송 시스템에서 무선 전력 송신 장치 상에 무선 전력 수신 장치가 배치되었는지를 용이하게 감지할 수 있다. 특히, 감지 성능이 우수하면서도, 슬림하고, 제작 비용이 저렴한 무선 전력 수신 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 자기 유도 방식 등가회로이다.
도 2는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 송신부를 나타낸 블록도이다.
도 3은 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신부를 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 일부 단면을 나타내는 도면이다.
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.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 무선전력전송 시스템의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
실시예는 무선 전력 전송을 위하여 저주파(50kHz)부터 고주파(15MHz)까지의 다양한 종류의 주파수 대역을 선택적으로 사용하며, 시스템 제어를 위하여 데이터 및 제어신호를 교환할 수 있는 통신시스템의 지원이 필요하다.
실시예는 배터리를 사용하거나 필요로 하는 전자기기를 사용하는 휴대단말 산업, 스마트 시계 산업, 컴퓨터 및 노트북 산업, 가전기기 산업, 전기자동차 산업, 의료기기 산업, 로봇 산업 등 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.
실시예는 기기를 제공한 하나 또는 복수개의 전송 코일을 사용하여 한 개 이상의 다수기기에 전력 전송이 가능한 시스템을 고려할 수 있다.
실시예에 따르면 스마트폰, 노트북 등 모바일 기기에서의 배터리 부족문제를 해결할 수 있고, 일 예로 테이블에 무선충전패드를 놓고 그 위에서 스마트폰, 노트북을 사용하면 자동으로 배터리가 충전되어 장시간 사용할 수 있게 된다. 또한 까페, 공항, 택시, 사무실, 식당 등 공공장소에 무선충전패드를 설치하면 모바일기기 제조사별로 상이한 충전단자에 상관없이 다양한 모바일기기를 충전이 가능하다. 또한 무선전력전송 기술이 청소기, 선풍기 등의 생활가전제품에 적용되면 전원케이블을 찾아 다닐 필요가 없게 되고 가정 내에서 복잡한 전선이 사라지면서 건물 내 배선이 줄고 공간활용 폭도 넓어질 수 있다. 또한 현재의 가정용 전원으로 전기자동차를 충전할 경우 많은 시간이 소요되지만 무선전력전송 기술을 통해서 고전력을 전송한다면 충전시간을 줄일 수 있게 되고 주차장 바닥에 무선충전시설을 설치하게 되면 전기자동차 주변에 전원케이블을 준비 해야 하는 불편함을 해소 할 수 있다.
실시예에서 사용되는 용어와 약어는 다음과 같다.
무선전력전송 시스템 (Wireless Power Transfer System): 자기장 영역 내에서 무선 전력 전송을 제공하는 시스템
송신부(Wireless Power Transfer System-Charger): 자기장 영역 내에서 다수기기의 전력수신기에게 무선전력전송을 제공하며 시스템 전체를 관리하는 장치.
수신부(Wireless Power Transfer System-Deivce): 자기장 영역 내에서 전력송신기로부터 무선전력 전송을 제공받는 장치.
충전 영역(Charging Area): 자기장 영역 내에서 실제적인 무선 전력 전송이 이루어지는 지역이며, 응용 제품의 크기, 요구 전력, 동작주파수에 따라 변할 수 있다.
S 파라미터(Scattering parameter): S 파라미터는 주파수 분포상에서 입력전압대 출력전압의 비로 입력 포트 대 출력 포트의 비(Transmission; S21) 또는 각각의 입/출력 포트의 자체 반사값, 즉 자신의 입력에 의해 반사되어 돌아오는 출력의 값(Reflection; S11, S22).
품질 지수 Q(Quality factor): 공진에서 Q의 값은 주파수 선택의 품질을 의미하고 Q 값이 높을수록 공진 특성이 좋으며, Q 값은 공진기에서 저장되는 에너지와 손실되는 에너지의 비로 표현됨.
무선으로 전력을 전송하는 원리를 살펴보면, 무선 전력 전송 원리 중 하나로 자기 유도 방식이 있다.
자기 유도 방식은 소스 인덕터(Ls)와 부하 인덕터(Ll)를 서로 근접시켜 한쪽의 소스 인덕터(Ls)에 전류를 흘리면 발생한 자속을 매개로 부하 인덕터(Ll)에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술이다.
도 1은 자기 유도 방식 등가회로이다.
도 1을 참조하면, 자기 유도 방식 등가회로에서 송신부는 전원을 공급하는 장치에 따른 소스 전압(Vs), 소스 저항(Rs), 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs) 그리고 수신부와의 자기적 결합을 위한 소스 코일(Ls)로 구현될 수 있고, 수신부는 수신부의 등가 저항인 부하 저항(Rl), 임피던스 매칭을 위한 부하 커패시터(Cl) 그리고 송신부와의 자기적 결합을 위한 부하 코일(Ll)로 구현될 수 있고, 소스 코일(Ls)과 부하 코일(Ll)의 자기적 결합 정도는 상호 인덕턴스(Msl)로 나타낼 수 있다.
도 1에서 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs)와 부하 커패시터(Cl)가 없는 오로지 코일로만 이루어진 자기 유도 등가회로로부터 입력전압 대 출력전압의 비(S21)를 구하여 이로부터 최대 전력 전송 조건을 찾으면 최대 전력 전송 조건은 이하 수학식 1을 충족한다.
수학식 1
Ls/Rs=Ll/Rl
상기 수학식 1에 따라 송신 코일(Ls)의 인덕턴스와 소스 저항(Rs)의 비와 부하 코일(Ll)의 인덕턴스와 부하 저항(Rl)의 비가 같을 때 최대 전력 전송이 가능하다. 인덕턴스만 존재하는 시스템에서는 리액턴스를 보상할 수 있는 커패시터가 존재하지 않기 때문에 최대 전력 전달이 이루이지는 지점에서 입/출력 포트의 자체 반사값(S11)은 0이 될 수 없고, 상호 인덕턴스(Msl) 값에 따라 전력 전달 효율이 크게 변화할 수 있다. 그리하여 임피던스 매칭을 위한 보상 커패시터로써 송신부에 소스 커패시터(Cs)가 부가될 수 있고, 수신부에 부하 커패시터(Cl)가 부가될 수 있다. 상기 보상 커패시터(Cs, Cl)는 예로 수신 코일(Ls) 및 부하 코일(Ll) 각각에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한 임피던스 매칭을 위하여 송신부 및 수신부 각각에는 보상 커패시터 뿐만 아니라 추가적인 커패시터 및 인덕터와 같은 수동 소자가 더 부가될 수 있다.
이와 같은 무선 전력 전송 원리를 바탕으로 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식으로 전력을 전달하기 위한 무선전력전송 시스템을 살펴본다.
도 2는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 송신부를 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 무선전력전송 시스템은 송신부(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(2000)를 포함할 수 있고, 상기 송신부(1000)는 송신측 교류/직류 변환부(1100), 송신측 직류/교류 변환부(1200), 송신측 임피던스 매칭부(1300), 송신 코일부(1400) 그리고 송신측 통신 및 제어부(1500)을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 송신부(1000)는 무선 전력 송신 장치와 혼용될 수 있다.
송신측 교류/직류 변환부(1100)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 외부로부터 제공되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 전력 변환부로써, 상기 송신측 교류/직류 변환부(1100)는 서브 시스템으로 정류기(1110)와 송신측 직류/직류 변환부(1120)을 포함할 수 있다. 상기 정류기(1110)는 제공되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 시스템으로써 이를 구현하는 실시예로 고주파수 동작 시 상대적으로 높은 효율을 가지는 다이오드 정류기, 원-칩(one-chip)화가 가능한 동기 정류기 또는 원가 및 공간 절약이 가능하고 및 데드 타임(Dead time)의 자유도가 높은 하이브리드 정류기가 될 수 있다. 또한 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 상기 정류기(1110)으로부터 제공되는 직류 신호의 레벨을 조절하는 것으로 이를 구현하는 예로 입력 신호의 레벨을 낮추는 벅 컨버터(Buck converter), 입력 신호의 레벨을 높이는 부스트 컨버터(Boost converter), 입력 신호의 레벨을 낮추거나 높일 수 있는 벅 부스트 컨버터(Buck Boost converter) 또는 축 컨버터(Cuk converter)가 될 수 있다. 또한 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)는 전력 변환 제어 기능을 하는 스위치소자와 전력 변환 매개 역할 또는 출력 전압 평활 기능을 하는 인덕터 및 커패시터, 전압 이득을 조절 또는 전기적인 분리 기능(절연 기능)을 하는 트랜스 등을 포함할 수 있으며, 입력되는 직류 신호에 포함된 리플 성분 또는 맥동 성분(직류 신호에 포함된 교류 성분)을 제거하는 기능을 할 수 있다. 그리고 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)의 출력 신호의 지령치와 실제 출력 치와의 오차는 피드백 방식을 통해 조절될 수 있고, 이는 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)에 의하여 이루어 질 수 있다.
송신측 직류/교류 변환부(1200)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 송신측 교류/직류 변환부(1100)으로부터 출력되는 직류 신호를 교류 신호로 변환하고, 변환된 교류 신호의 주파수를 조절할 수 있는 시스템으로 이를 구현하는 예로 하프 브릿지 인버터(Half bridge inverter) 또는 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)가 있다. 또한 상기 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 출력 신호의 주파수를 생성하는 오실레이터(Ocillator)와 출력 신호를 증폭하는 파워 증폭부를 포함할 수 있다.
송신측 임피던스 매칭부(1300)는 서로 다른 임피던스를 가진 지점에서 반사파를 최소화하여 신호의 흐름을 좋게 한다. 송신부(1000)와 수신부(2000)의 두 코일은 공간적으로 분리되어 있어 자기장의 누설이 많으므로 상기 송신부(1000)와 수신부(2000)의 두 연결단 사이의 임피던스 차이를 보정하여 전력 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 인덕터, 커패시터 그리고 저항 소자로 구성될 수 있고, 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 상기 인덕터의 인덕턴스와 커패시터의 커패시턴스 그리고 저항의 저항 값을 가변하여 임피던스 매칭을 위한 임피던스 값을 조정할 수 있다. 그리고 자기 유도 방식의 무선전력전송 시스템이 전력을 전송하는 경우, 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 직렬 공진 구조 또는 병렬 공진 구조를 가질 수 있고, 송신부(1000)와 수신부(2000) 사이의 유도 결합 계수를 증가시켜 에너지 손실을 최소화 할 수 있다.
송신측 코일(1400)은 복수개의 코일 또는 단수개의 코일로 구현될 수 있고, 송신측 코일(1400)이 복수개로 구비되는 경우 이들은 서로 이격되어 배치되거나 서로 중첩되어 배치될 수 있고, 이들이 중첩되어 배치되는 경우 중첩되는 면적은 자속 밀도의 편차를 고려하여 결정할 수 있다. 또한 송신측 코일(1400)을 제작할 때 내부 저항 및 방사 저항을 고려하여 제작할 수 있고, 이 때 저항 성분이 작으면 품질 지수(Quality factor)가 높아지고 전송 효율이 상승할 수 있다.
통신 및 제어부(1500)는 서브 시스템으로써 송신측 제어부(1510)와 송신측 통신부(1520)를 포함할 수 있다. 상기 송신측 제어부(1510)는 수신부(2000)의 전력 요구량, 현재 충전량 그리고 무선 전력 방식을 고려하여 상기 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 전압을 조절하는 역할을 할 수 있다. 그리고 최대 전력 전송 효율를 고려하여 상기 송신측 직류/교류 변환부(1200)를 구동하기 위한 주파수 및 스위칭 파형들을 생성하여 전송될 전력을 제어할 수 있다. 또한 수신부(2000)의 저장부(미도시)로부터 독출한 제어에 요구되는 알고리즘, 프로그램 또는 어플리케이션을 이용하여 수신부(2000)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 한편 상기 송신측 제어부(1510)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤유닛(Micro Controller Unit) 또는 마이콤(Micom)이라고 지칭할 수 있다. 상기 송신측 통신부(1520)는 수신측 통신부(2620)와 통신을 수행할 수 있고, 통신 방식의 일 예로 블루투스 방식을 이용할 수 있다. 상기 송신측 통신부(1520)와 수신측 통신부(2620)는 서로간에 충전 상황 정보 및 충전 제어 명령 등의 송수신을 진행할 수 있다. 그리고 상기 충전 상황 정보로는 수신부(2000)의 개수, 배터리 잔량, 충전 횟수, 사용량, 배터리 용량, 배터리 비율 그리고 송신부(1000)의 전송 전력량 등을 포함할 수 있다. 또한 송신측 통신부(1520)는 수신부(2000)의 충전 기능을 제어하는 충전 기능 제어 신호를 송신할 수 있고, 상기 충전 기능 제어 신호는 수신부(2000)를 제어하여 충전 기능을 인에이블(enabled) 또는 디스에이블(disabled)하게 하는 제어 신호일 수 있다.
한편 송신부(1000)는 송신측 통신부(1520)와 상이한 하드웨어로 구성되어 송신부(1000)가 아웃-밴드(out-band) 형식으로 통신될 수 도 있다. 그리고, 송신부(1000)와 송신측 통신부(1520)가 하나의 하드웨어로 구현되어, 송신부(1000)가 인-밴드(in-band) 형식으로 통신을 수행할 수도 있다. 또한 상기 송신측 통신부(1520)는 상기 송신측 제어부(1510)와 별로로 구성될 수 있고, 상기 수신부(2000) 또한 수신측 통신부(2620)가 수신 장치의 제어부(2610)에 포함되거나 별도로 구성될 수 있다.
도 3은 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신부를 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하면, 무선전력전송 시스템은 송신부(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(2000)를 포함할 수 있고, 상기 수신부(2000)는 수신측 코일부(2100), 수신측 매칭부(2200), 수신측 교류/직류 변환부(2300), 수신측 직류/직류변환부(2400), 부하부(2500) 및 수신측 통신 및 제어부(2600)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 수신부(2000)는 무선 전력 수신 장치와 혼용될 수 있다.
수신측 코일부(2100)은 자기 유도 방식을 통해 전력을 수신할 수 있고, 유도 코일을 하나 또는 복수개로 구비할 수 있다. 그리고 수신측 코일부(2100)는 근거리 통신용 안테나(Near Field Communication)를 함께 구비할 수 있다. 그리고 상기 수신측 코일부(2100)은 송신측 코일부(1400)와 동일할 수 있고, 수신 안테나의 치수는 수신부(200)의 전기적 특성에 따라 달라질 수 있다.
수신측 매칭부(2200)는 송신기(1000)와 수신기(2000) 사이의 임피던스 매칭을 수행한다.
상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 수신측 코일부(2100)으로부터 출력되는 교류 신호를 정류하여 직류 신호를 생성한다.
수신측 직류/직류변환부(2400)는 수신측 교류/직류 변환부(2300)에서 출력되는 직류 신호의 레벨을 부하부(2500)의 용량에 맞게 조정할 수 있다.
상기 부하부(2500)는 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서 그리고 각종 센서들을 포함할 수 있다.
수신측 통신 및 제어부(2600)는 송신측 통신 및 제어부(1500)로부터 웨이크-업 전력에 의해 활성화 될 수 있고, 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)와 통신을 수행하고, 수신부(2000)의 서브 시스템의 동작을 제어할 수 있다.
상기 수신부(2000)는 단수 또는 복수개로 구성되어 송신부(1000)로부터 동시에 에너지를 무선으로 전달 받을 수 있다. 즉 자기 유도 방식에서 서로 독립적인 수신측 코일부를 복수개 구비하여 하나의 송신부(1000)로부터 복수의 타켓 수신부(2000)가 전력을 공급받을 수 있다. 이때 상기 송신부(1000)의 송신측 매칭부(1300)는 복수개의 수신부(2000)들 사이의 임피던스 매칭을 적응적으로 수행할 수 있다.
또한 상기 수신부(2000)가 복수개로 구성된 경우 동일 종류의 시스템이거나 서로 다른 종류의 시스템이 될 수 있다.
한편 무선전력전송 시스템의 신호의 크기와 주파수 관계를 살펴보면, 자기 유도 방식의 무선 전력 전송의 경우, 송신부(1000)에서 송신측 교류/직류 변환부(1100)은 110V~220V의 60Hz의 교류 신호를 인가 받아 10V 내지 20V의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 직류 신호를 인가받아 125KHz의 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 수신부(2000)의 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 125KHz의 교류 신호를 입력 받아 10V 내지 20V의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 수신측 직류/직류변환부(2400)는 부하부(2500)에 적합한, 예를 들어 5V의 직류 신호를 출력하여 상기 부하부(2500)에 전달할 수 있다.
한편, 무선전력전송 시스템의 송신부는 수신부가 송신부의 표면에 배치되었는지를 감지한 후, 수신부에게 전력을 전송한다. 송신부는 수신부를 감지하기 위하여, 수신부에게 일정한 신호를 주기적으로 보낼 수 있다. 이러한 경우, 무선전력전송 시스템의 대기전력 소모가 크다는 단점이 있다.
송신부가 수신부를 감지하기 위하여, 송신부에 홀센서(hall sensor)를 장착할 수도 있다. 이러한 경우, 무선전력전송 시스템의 대기전력 소모가 크다는 단점은 해소할 수 있다. 다만, 홀센서가 수신부를 감지하기 위하여, 송신부 상에 수신부가 배치된 경우와 배치되지 않은 경우의 기전력 차이가 40G(gauss) 이상이 되어야 한다. 즉, 송신부 상에 수신부가 배치된 경우와 배치되지 않은 경우의 전압 차가 200mV이상이 되어야 한다.
한편, 무선 전력 수신 장치, 예를 들면 모바일 장치의 슬림화 추세에 따라, 0.4mm 이하의 두께를 가지는 전자기파 차폐시트가 무선 전력 수신 장치에 포함되고 있다. 이에 따라, 무선전력전송 시스템이 무선 전력 수신 장치를 감지하는 성능이 낮아지게 된다. 무선 전력 수신 장치의 코일 중앙에 영구 자석 등을 배치할 수는 있으나, 영구 자석으로 인하여 무선 전력 수신 장치의 두께가 두꺼워지며, 제조 비용이 증가하는 문제가 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 무선 전력 수신 장치에 포함되는 전자기파 차폐시트를 이용하여 무선전력전송 시스템이 무선 전력 수신 장치를 감지하는 성능을 높이고자 한다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 일부 단면을 나타내는 도면이다. 본 명세서에서, 송신부(100)는 무선 전력 전송 장치와 혼용될 수 있으며, 수신부(200)는 무선 전력 수신 장치와 혼용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 송신부(100)는 전자기파 차폐코어(110), 전자기파 차폐코어(110) 상에 배치된 송신 코일(120), 그리고 전자기파 차폐코어(110)의 하부에 배치되는 홀 센서(hall sensor, 130)를 포함한다.
여기서, 전자기파 차폐코어(110)는 자성 소재, 예를 들면 페라이트(ferrite)를 포함할 수 있고, 두께는 수mm, 예를 들면 약 1mm일 수 있다. 전자기파 차폐코어(110) 상에 영구자석(140)이 더 배치되며, 영구자석(140)은 송신코일(120)에 의하여 둘러싸일 수도 있다.
홀 센서(130)는 송신 코일(120)의 중심으로부터 제1 거리만큼 떨어진 위치에서 전자기파 차폐코어(110)의 하부로 제2 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 홀 센서(130)는 송신 코일(120)의 중심으로부터 1.5mm만큼 떨어진 위치에서 전자기파 차폐코어(110)의 하부로 2mm만큼 이격되어 배치될 수 있다.
홀 센서(130)는 자기장의 변화를 감지한다. 즉, 홀 센서(130)는 송신부(100)의 표면(150) 상에 수신부(200)가 배치되는 경우와 배치되지 않는 경우 간의 기전력 차이를 이용하여 수신부(200)를 감지하고, 수신부(200)를 식별하기 위한 디지털 핑 단계(Digital Ping Phase)를 시작할 수 있다. 예를 들어, 홀 센서(130)는 송신부(100)의 표면(140) 상에 수신부(200)가 배치되는 경우와 배치되지 않는 경우 간의 기전력 차이가 40G, 즉 200mV이상인 경우 송신부(100)의 표면(150) 상에 수신부(200)가 배치되는 것으로 판단할 수 있다.
한편, 수신부(200)는 전자기파 차폐시트(210), 전자기파 차폐시트(210) 상에 배치된 수신 코일(220), 그리고 전자기파 차폐시트(210)와 수신 코일(220) 사이에 배치되는 접착층(230)을 포함한다.
여기서, 전자기파 차폐시트(210)의 두께는 0.4mm이하, 바람직하게는 0.01mm 내지 0.4mm일 수 있다. 전자기파 차폐시트(210)의 두께가 0.4mm를 초과하면, 무선 전력 수신 장치가 두꺼워지게 된다.
수신 코일(220)은 전자기파 차폐시트(210) 상에서 전자기파 차폐시트(210)와 평행한 방향으로 감겨진 코일면으로 이루어질 수 있다.
그리고, 접착층(230)의 두께는 0.05mm이하일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 전자기파 차폐시트(210)는 포화자속밀도(Bs)가 1.5T 이상인 연자성 합금을 포함한다. 전자기파 차폐시트(210)가 적용된 수신부(200)가 송신부(100)의 표면(150)에 접근할 경우, 전자기파 차폐시트(210)는 송신부(100)의 영구자석(140)으로부터 자기장을 받게 된다. 포화자속밀도(Bs)가 1.5T 이상인 연자성 합금을 포함하는 경우 전자기파 차폐시트(210)의 두께가 0.4mm이하임에도 불구하고, 송신부(100) 상에 수신부(200)가 배치된 경우와 배치되지 않은 경우의 홀 센서(130)가 감지하는 기전력 차이가 40G, 즉 200mV 이상이 될 수 있다. 이에 따라, 슬림하면서도 감지 성능이 우수한 무선전력전송 시스템을 얻을 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 전자기파 차폐시트(210)는 Fe 및 Ni를 포함하는 연자성 합금 또는 Fe, Cu, B 및 Si를 포함하는 연자성 합금을 포함하며, Fe 및 Ni 중 적어도 하나를 89at% 이상 포함할 수 있다. 예를 들어, 전자기파 차폐시트(210)는 화학식 1의 조성을 가지는 연자성 합금을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Fe100 - aNia
여기서, a는 40 내지 60at%이다.
전자기파 차폐시트(210)는 화학식 2의 조성을 가지는 연자성 합금을 포함할 수도 있다.
[화학식 2]
Fe100 -x-y- zCuxBySiz
여기서, x는 0.1 내지 2at%이고, y는 1 내지 3at%이며, z는 6 내지 8at%이다.
이에 따라, 포화자속밀도가 1.5T 이상인 연자성 합금을 얻을 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 연자성 합금은 화학식 1 또는 화학식 2의 조성에 따른 금속 분말을 혼합한 후 1500℃ 내지 1900℃에서 용융시키고, 워터??칭(Water Quenching) 기법 또는 멜트스피너(Melt spinner) 기법을 이용하여 상온으로 식히며, 가스 아토마이저(gas atomizer) 등을 이용하여 구형 분말을 생성할 수 있다. 이후, 구형 분말은 300 내지 500℃에서의 열처리 과정을 통하여 어닐링(annealing)되며, 판상의 플레이크(flake)로 성형될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따라 플레이크 형상으로 가공된 연자성 합금은 전자기파 차폐시트에 적용될 수 있다. 본 발명의 한 실시예에 따른 전자기파 차폐시트는 연자성 합금 및 결합재를 포함할 수 있다. 본 발명의 한 실시예에 따른 전자기파 차폐시트는 60 내지 95wt%, 바람직하게는 88 내지 92wt%의 연자성 합금 및 5 내지 40wt%, 바람직하게는 8 내지 12wt%의 결합재를 포함할 수 있다. 본 발명의 한 실시예에 따른 연자성 합금 및 결합재를 함량비에 따라 혼합한 후 고온에서 가압하면 본 발명의 한 실시예에 따른 전자기파 차폐시트를 제조할 수 있다. 여기서, 결합재는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 자외선 경화성 수지, 방사선 경화성 수지 등일 수 있다. 예를 들어, 결합재는 에폭시 수지, 실리콘 수지, 실리콘 고무, 페놀 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지 및 PVA(poly vinyl alcohol) 수지로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 전자기파 차폐시트가 본 발명의 한 실시예에 따른 연자성 합금을 60wt% 미만으로 함유하면 포화자속밀도가 낮아질 수 있으며, 95wt%를 초과하여 함유하면 플레이크 간의 결합력이 낮아져서 부서지기 쉬워질 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 이용하여 더욱 상세하게 설명한다.
표 1은 실시예 및 비교예에 따른 연자성 합금의 조성(at%), 포화자속밀도(T, Tesla), 전자기파 차폐시트의 두께(mm) 및 홀 센서에 의하여 감지된 기전력 차(mV)를 나타낸다.
실시예 및 비교예에 따른 연자성 합금은 각 조성에 따른 금속 분말을 1700℃에서 용해시킨 후, 워터??칭(water quenching) 기법을 이용하여 상온으로 식히고, 가스 아토마이저(gas atomizer)를 이용하여 구형 분말을 생성하였다. 그리고, 구형 분말을 350℃에서 열처리하여 플레이크(flake)로 가공하였다.
실시예 및 비교예에 따라 제조된 연자성 합금 플레이크의 포화자속밀도(T)는 VSM(Vibrating Sample Magnetometer) 장비를 이용하여 측정하였다. 그리고, 실시예 및 비교예에 따라 제조된 연자성 합금 플레이크를 90wt%와 결합재 10wt%를 혼합한 후 고온에서 가압하여 0.4mm 두께의 전자기파 차폐시트를 제작하였다. 그리고, 송신 코일의 중심으로부터 1.5mm 떨어지고, 전자기파 차폐코어의 하부로 2mm 이격된 지점에 배치된 홀 센서를 포함하는 송신부 상에 실시예 및 비교예에 따라 제작된 전자기파 차폐시트를 포함하는 수신부를 배치하기 전과 배치한 후의 기전력 차이를 측정하였다.
실험번호 조성(at.%) 포화자속밀도(T) 두께(mm) 기전력 차(mV)
비교예 1 Febal .Si9Al6 1.0 0.4 155
비교예 2 Febal .Si11Cr2 1.4 0.4 190
실시예 1 Febal .Ni50 1.5 0.4 205
실시예 2 Febal .Cu1B2Si7 1.9 0.4 260
표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 2와 같이, 포화자속밀도가 1.5T 이상이면, 송신부 상에 수신부가 배치되기 전과 배치된 후의 기전력 차가 200mV이상임을 알 수 있다. 또한, 실시예 1 내지 2와 같은 조성을 가지는 연자성 합금은 Fe-Si-Cr 계열의 연자성 합금 또는 Fe-Si-Al 계열의 연자성 합금에 비하여 포화자속밀도가 높음을 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.
1100 송신측 교류/직류 변환부
1110 정류기
1120 송신측 직류/직류 변환부
1200 송신측 직류/교류 변환부
1300 송신측 임피던스 매칭부
1400 송신 코일부
1500 송신측 통신 및 제어부
1510 송신측 제어부
1520 송신측 통신부
2000 수신부
2100 수신측 코일부
2200 수신측 임피던스 매칭부
2300 수신측 교류/직류 변환부
2400 수신측 직류/직류 변환부
2500 부하부
2600 수신측 통신 및 제어부
2610 수신측 제어부
2620 수신측 통신부
100 송신부
200 수신부

Claims (12)

  1. 전자기파 차폐코어, 상기 전자기파 차폐코어 상에 형성된 송신 코일, 그리고 상기 전자기파 차폐코어의 하부에 배치되는 홀 센서를 포함하는 무선 전력 송신 장치, 그리고
    전자기파 차폐시트 및 상기 전자기파 차폐시트 상에 형성된 수신 코일을 포함하고, 상기 전자기파 차폐시트의 두께는 0.4mm이하이고, 포화자속밀도가 1.5T 이상 연자성 합금을 포함하는 무선 전력 수신 장치
    를 포함하는 무선전력전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 홀센서는 상기 송신 코일의 중심으로부터 제1 거리만큼 떨어진 위치에서 상기 전자기파 차폐시트의 하부로 제2 거리만큼 이격되어 배치되는 무선전력전송 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 거리는 1.5mm이고, 상기 제2 거리는 2mm이며,
    상기 무선 전력 송신 장치 상에 상기 무선 전력 수신 장치가 배치된 경우와 상기 무선 전력 수신 장치가 배치되지 않은 경우의 기전력 차이는 40gauss 이상인 무선전력전송 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자기파 차폐시트는 Fe 및 Ni를 포함하는 연자성 합금 또는 Fe, Cu, B 및 Si를 포함하는 연자성 합금을 포함하는 무선전력전송 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전자기파 차폐시트는 Fe 및 Ni 중 적어도 하나를 89at% 이상 포함하는 연자성 합금을 포함하는 무선전력전송 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전자기파 차폐시트는 하기 화학식의 조성을 가지는 연자성 합금을 포함하는 무선전력전송 시스템:
    Fe100-aNia
    여기서, a는 40 내지 60at%이다.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전자기파 차폐시트는 하기 화학식의 조성을 가지는 연자성 합금을 포함하는 무선전력전송 시스템:
    Fe100-x-y-zCuxBySiz
    여기서, x는 0.1 내지 2at%이고, y는 1 내지 3at%이며, z는 6 내지 8at%이다.
  8. 무선전력전송 시스템의 무선 전력 수신 장치에 있어서,
    전자기파 차폐시트, 그리고
    상기 전자기파 차폐시트 상에 형성된 수신 코일을 포함하고,
    상기 전자기파 차폐시트의 두께는 0.4mm이하이고, 포화자속밀도가 1.5T 이상인 연자성 합금을 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전자기파 차폐시트는 Fe 및 Ni를 포함하는 연자성 합금 또는 Fe, Cu, B 및 Si를 포함하는 연자성 합금을 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전자기파 차폐시트는 하기 화학식의 조성을 가지는 연자성 합금을 포함하는 무선 전력 수신 장치:
    Fe100-aNia
    여기서, a는 40 내지 60at%이다.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전자기파 차폐시트는 하기 화학식의 조성을 가지는 연자성 합금을 포함하는 무선 전력 수신 장치:
    Fe100-x-y-zCuxBySiz
    여기서, x는 0.1 내지 2at%이고, y는 1 내지 3at%이며, z는 6 내지 8at%이다.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 전자기파 차폐시트 및 상기 수신 코일 사이에 배치되는 접착층을 더 포함하는 무선 전력 수신 장치.
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