KR20170068164A - 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈, 및 이의 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈은, 무선 전력을 송신하기 위한 송신 코일, 및 상기 송신 코일의 서로 인접하는 도선 간의 접촉을 방지하는 적어도 하나의 코일 가이드 및 상기 송신 코일을 수용하는 코일 수용부를 포함하는 가이드 기판을 포함할 수 있다.

Description

무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈, 및 이의 제작 방법{Transmitting Coil Module Of Wireless Power Transmitter, And Method Of Manufacturing The Same}

본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈, 및 이의 제작 방법에 관한 것이다.

최근 정보 통신 기술이 급속도로 발전함에 따라, 정보 통신 기술을 기반으로 하는 유비쿼터스 사회가 이루어지고 있다.

언제 어디서나 정보통신 기기들이 접속되기 위해서는 사회 모든 시설에 통신 기능을 가진 컴퓨터 칩을 내장시킨 센서들이 설치되어야 한다. 따라서 이들 기기나 센서의 전원 공급 문제는 새로운 과제가 되고 있다. 또한 휴대폰뿐만 아니라 블루투스 핸드셋과 아이팟 같은 뮤직 플레이어 등의 휴대기기 종류가 급격히 늘어나면서 배터리를 충전하는 작업이 사용자에게 시간과 수고를 요구하고 됐다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 무선 전력 전송 기술이 최근 들어 관심을 받고 있다.

무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술로서, 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.

현재까지 무선을 이용한 에너지 전달 방식은 크게 자기 유도 방식, 자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식 및 단파장 무선 주파수를 이용한 RF 전송 방식 등으로 구분될 수 있다.

자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 자기 유도 방식은 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 효율도 높지만 최대 전송 거리가 1센티미터(cm) 이하이므로 일반적으로 충전기나 바닥에 인접시켜야 하는 단점이 있다.

자기 공진 방식은 전자기파나 전류 등을 활용하는 대신 전기장이나 자기장을 이용하는 특징이 있다. 자기 공진 방식은 전자파 문제의 영향을 거의 받지 않으므로 다른 전자 기기나 인체에 안전하다는 장점이 있다. 반면, 한정된 거리와 공간에서만 활용할 수 있으며 에너지 전달 효율이 다소 낮다는 단점이 있다.

단파장 무선 전력 전송 방식-간단히, RF 전송 방식-은 에너지가 라디오 파(RadioWave)형태로 직접 송수신될 수 있다는 점을 활용한 것이다. 이 기술은 렉테나(rectenna)를 이용하는 RF 방식의 무선 전력 전송 방식으로서, 렉테나는 안테나(antenna)와 정류기(rectifier)의 합성어로서 RF 전력을 직접 직류 전력으로 변환하는 소자를 의미한다. 즉, RF 방식은 AC 라디오파를 DC로 변환하여 사용하는 기술로서, 최근 효율이 향상되면서 상용화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

무선 전력 전송 기술은 모바일 뿐만 아니라 IT, 철도, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.

최근에는 충전 베드에 놓여진 무선 전력 수신기의 인식률을 높이기 위해 복수의 코일들이 장착된 무선 전력 송신기가 출시되고 있다. 또한, 무선 전력 송신기의 전력 송신 효율을 높이기 위해, 복수의 코일들 각각의 크기 및 코일을 구성하는 도선의 두께가 커질 것이 요구되고 있다.

그러나, 코일의 도선 두께가 커지게 되면, 코일의 형상 유지를 위한 필름(PI필름)의 부착이 어려워 인접하는 도선끼리 접촉하게 되는 쇼트(short) 현상이 발생할 수 있다.

한편, 코일에 형상 유지를 위한 필름의 부착이 어려워, 코일이 외부에 노출된 채로 제작되는 경우, 이물질에 의한 오염의 가능성도 높아지게 된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈, 및 이의 제작 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 쇼트 현상과 이물질에 의한 오염을 방지할 수 있는 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈, 및 이의 제작 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈은, 무선 전력을 송신하기 위한 송신 코일; 및 상기 송신 코일의 서로 인접하는 도선 간의 접촉을 방지하는 적어도 하나의 코일 가이드, 및 상기 송신 코일을 수용하는 코일 수용부를 포함하는 가이드 기판을 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 적어도 하나의 코일 가이드는, 상기 송신 코일의 동심원의 방향에 수직으로 배열되는 복수의 가이드 구조물들을 포함하고, 상기 복수의 가이드 구조물들 각각은 상기 서로 인접하는 도선 사이에 위치할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 복수의 가이드 구조물들의 개수는, 상기 송신 코일이 감긴 횟수와 동일할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 복수의 가이드 구조물들 중 인접하는 가이드 구조물 간의 간격은 상기 송신 코일의 도선의 지름과 동일할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 코일 수용부의 높이는, 상기 송신 코일의 도선의 지름과 동일할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 가이드 기판의 하부에 부착되어 상기 송신 코일의 자기장을 차단하는 차폐제를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈의 제작 방법은, 무선 전력을 송신하기 위한 송신 코일의 서로 인접하는 도선 간의 접촉을 방지하는 적어도 하나의 코일 가이드, 및 상기 송신 코일을 수용하는 코일 수용부를 포함하는 가이드 기판을 형성하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 코일 가이드에 상기 송신 코일의 도선이 끼워져지도록 상기 코일 수용부에 상기 송신 코일을 삽입하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.

본 발명에 따른 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 송신 코일 모듈 및 이의 제작 방법에 의하면, 송신 코일의 서로 인접하는 내측 도선과 외측 도선 간의 쇼트 현상을 방지할 수 있다.

또한, 가이드 기판이 송신 코일을 보호함으로써 외부로부터 이물질이 유입되어 송신 코일이 오염되는 현상을 방지할 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 WPC 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 3은 PMA 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 유도 방식의 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 코일의 정면도를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 송신 코일을 수용하는 가이드 기판을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 가이드 기판에 송신 코일이 장착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 가이드 기판에 송신 코일이 장착된 결합 구조를 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 결합 구조의 단면을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 결합 구조의 단면에 차폐제가 부착된 송신 코일 모듈의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 9에 도시된 결합 구조의 단면에 차폐제가 부착된 송신 코일 모듈의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 장치는 설명의 편의를 위해 무선 파워 송신기, 무선 파워 송신 장치, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 파워 전송 장치, 무선 파워 전송기 등을 혼용하여 사용하기로 한다. 또한, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 파워 수신 장치, 무선 파워 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 등이 혼용되어 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 송신기는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 파워를 전송할 수도 있다. 이를 위해, 송신기는 적어도 하나의 무선 파워 전송 수단을 구비할 수도 있다. 여기서, 무선 파워 전송 수단은 전력 송신단 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신단 코일에서 전기가 유도되는 전자기유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다. 여기서, 무선파워 전송 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium) 및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 수신 수단이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 송신기로부터 동시에 무선 파워를 수신할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 수신 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium) 및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 수신기는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 전동 칫솔, 전자 태그, 조명 장치, 리모콘, 낚시찌, 스마트 워치와 같은 웨어러블 디바이스 등의 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 무선 전력 송신기는 3개의 송신 코일(111, 112, 113)이 장착될 수 있다. 각각의 송신 코일은 일부 영역이 다른 송신 코일과 서로 중첩될 수 있으며, 무선 전력 송신기는 각각의 송신 코일을 통해 무선 전력 수신기의 존재를 감지하기 위한 소정 감지 신호(117, 127)-예를 들면, 디지털 핑 신호-를 미리 정의된 순서로 순차적으로 송출한다.

상기 도 1에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 도면 번호 110에 도시된 1차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(117)를 순차적으로 송출하고, 무선 전력 수신기(115)로부터 시그널 세기 지시자(Signal Strength Indicator, 116)가 수신된 송신 코일(111, 112)을 식별할 수 있다. 연이어, 무선 전력 송신기는 도면 번호 120에 도시된 2차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(127)를 순차적으로 송출하고, 시그널 세기 지시자(126)가 수신된 송신 코일(111, 112) 중 전력 전송 효율(또는 충전 효율)-즉, 송신 코일과 수신 코일 사이의 정렬 상태-이 좋은 송신 코일을 식별하고, 식별된 송신 코일을 통해 전력이 송출되도록-즉, 무선 충전이 이루어지도록- 제어할 수 있다.

상기의 도 1에서 보여지는 바와 같이, 무선 전력 송신기가 2회의 감지 신호 송출 절차를 수행하는 이유는 어느 송신 코일에 무선 전력 수신기의 수신 코일이 잘 정렬되어 있는지를 보다 정확하게 식별하기 위함이다.

만약, 상기한 도 1의 도면 번호 110 및 120에 도시된 바와 같이, 제1 송신 코일(111), 제2 송신 코일(112)에 시그널 세기 지시자(116, 126)가 수신된 경우, 무선 전력 송신기는 제1 송신 코일(111)과 제2 송신 코일(112) 각각에 수신된 시그널 세기 지시자(126)에 기반하여 가장 정렬이 잘된 송신 코일을 선택하고, 선택된 송신 코일을 이용하여 무선 충전을 수행한다.

도 2는 WPC 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.

도 2를 참조하면, WPC 표준에 따른 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(Selection Phase, 210), 핑 단계(Ping Phase, 220), 식별 및 구성 단계(Identification and Configuration Phase, 230), 파워 전송 단계(Power Transfer Phase, 240) 단계로 구분될 수 있다.

선택 단계(210)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(210)에서 송신기는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다. 만약, 송신기가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(220)로 천이할 수 있다(S201). 선택 단계(210)에서 송신기는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.

핑 단계(220)에서 송신기는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화시키고, 수신기가 WPC 표준이 호환되는 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다. 핑 단계(220)에서 송신기는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 시그널 세기 지시자-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(210)로 천이할 수 있다(S202). 또한, 핑 단계(220)에서 송신기는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 신호-를 수신하면, 선택 단계(210)로 천이할 수도 있다(S203).

핑 단계(220)가 완료되면, 송신기는 수신기 식별 및 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(230)로 천이할 수 있다(S204).

식별 및 구성 단계(230)에서 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(210)로 천이할 수 있다(S205).

수신기에 대한 식별 및 구성이 완료되면, 송신기는 무선 전력을 전송하는 파워 전송 단계(240)로 천이할 수 있다(S206).

파워 전송 단계(240)에서, 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(210)로 천이할 수 있다(S207).

또한, 파워 전송 단계(240)에서, 송신기는 송신기 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 식별 및 구성 단계(230)로 천이할 수 있다(S208).

상기한 파워 전송 계약은 송신기와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 송신기 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워량에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.

도 3은 PMA 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.

도 3을 참조하면, PMA 표준에 따른 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 대기 단계(Standby Phase, 310), 디지털 핑 단계(Digital Ping Phase, 320), 식별 단계(Identification Phase, 330), 파워 전송 단계(Power Transfer Phase, 340) 단계 및 충전 완료 단계(End of Charge Phase, 350)로 구분될 수 있다.

대기 단계(310)는 파워 전송을 위한 수신기 식별 절차를 수행하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 대기 단계(310)에서 송신기는 충전 표면(Charging Surface)에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다. 만약, 송신기가 충전 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되거나 RXID 재시도가 진행중인 경우, 디지털 핑 단계(320)로 천이할 수 있다(S301). 여기서, RXID는 PMA 호환 수신기에 할당되는 고유 식별자이다. 대기 단계(310)에서 송신기는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping)을 전송하며, 송신 코일의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면-예를 들면, 충전 베드-의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.

디지털 핑 단계(320)로 천이된 송신기는 감지된 물체가 PMA 호환 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑 신호를 송출한다. 송신기가 전송한 디지털 핑 신호에 의해 수신단에 충분한 전력이 공급되는 경우, 수신기는 수신된 디지털 핑 신호를 PMA 통신 프로토콜에 따라 변조하여 소정 응답 시그널을 송신기에 전송할 수 있다. 여기서, 응답 시그널은 수신기에 수신된 전력의 세기를 지시하는 신호 세기 지시자가 포함될 수 있다. 디지털 핑 단계(320)에서 수신기는 유효한 응답 시그널이 수신되면, 식별 단계(330)로 천이할 수 있다(S302).

만약, 디지털 핑 단계(320)에서, 응답 시그널이 수신되지 않거나, PMA 호환 수신기가 아닌 것으로 확인되면-즉, FOD(Foreign Object Detection)인 경우-, 송신기는 대기 단계(310)로 천이할 수 있다(S303). 일 예로, FO(Foreign Object)는 동전, 키 등을 포함하는 금속성 물체일 수 있다.

식별 단계(330)에서, 송신기는 수신기 식별 절차가 실패하거나 수신기 식별 절차를 재수행하여야 하는 경우 및 미리 정의된 시간 동안 수신기 식별 절차를 완료하지 못한 경우에 대기 단계(310)로 천이할 수 있다(S304).

송신기는 수신기 식별에 성공하면, 식별 단계(330)에서 파워 전송 단계(340)로 천이하여 충전을 개시할 수 있다(S305).

파워 전송 단계(340)에서, 송신기는 원하는 신호가 미리 정해진 시간 이내에 수신되지 않거나(Time Out), FO(Foreign Object)가 감지되거나, 송신 코일의 전압이 미리 정의된 기준치를 초과하는 경우, 대기 단계(310)으로 천이할 수 있다(S306).

또한, 파워 전송 단계(340)에서, 송신기는 내부 구비된 온도 센서에 의해 감지된 온도가 소정 기준치를 초과하는 경우, 충전 완료 단계(350)로 천이할 수 있다(S307).

충전 완료 단계(350)에서, 송신기는 수신기가 충전 표면에서 제거된 것이 확인되면, 대기 상태(310)으로 천이할 수 있다(S309).

또한, 송신기는 Over Temperature 상태에서, 일정 시간 경과 후 측정된 온도가 기준치 이하로 떨어진 경우, 충전 완료 단계(350)에서 디지털 핑 단계(320)로 천이할 수 있다(S310).

디지털 핑 단계(320) 또는 파워 전송 단계(340)에서, 송신기는 수신기로부터 EOC(End Of Charge) 요청이 수신되면, 충전 완료 단계(350)로 천이할 수도 있다(S308 및 S311).

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 유도 방식의 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 전자기 유도 방식의 무선 충전 시스템은 무선 전력 송신기(400)와 무선 전력 수신기(450)을 포함한다. 무선 전력 송신기(400)와 무선 전력 수신기(450)는 각각 도 1에서 설명된 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기와 실질적으로 동일하다.

무선 전력 수신기(450)를 포함하는 전자 기기를 무선 전력 송신기(400) 상에 위치시키면 무선 전력 송신기(400)와 무선 전력 수신기(450)의 코일은 전자기장에 의해 서로 결합될 수 있다.

무선 전력 송신기(400)는 전력 전송을 위한 전자기장을 생성하기 위해 전력 신호를 변조하고, 주파수를 변경할 수 있다. 무선 전력 수신기(450)는 무선 통신 환경에 적합하도록 설정된 프로토콜에 따른 전자기 신호를 복조하여 전력을 수신하고, 수신된 전력의 세기에 기반하여 무선 전력 송신기(400)의 송출 전력 세기를 제어하기 위한 소정 피드백 신호를 인-밴드 통신을 통해 무선 전력 송신기(400)에 전송할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기(400)는 전력 제어를 위한 제어 신호에 따라 동작 주파수를 제어하여 송출 전력을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

전송되는 전력의 양(혹은 증가/감소)은 무선 전력 수신기(450)에서 무선 전력 송신기(400)로 전달되는 피드백신호를 이용하여 제어될 수 있다. 또한, 무선 전력 수신기(450)와 무선 전력 송신기(400) 사이의 통신은 상술한 피드백신호를 이용하는 인 밴드(in-band) 통신에만 한정되는 것은 아니며, 별도 통신 모듈을 구비한 아웃 오브 밴드 (out-of-band) 통신을 이용하여 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 블루투스, BLE(Bluetooth Low Energy), NFC, Zigbee 등의 근거리 무선통신 모듈이 이용될 수도 있다.

전자기 유도 방식에서 무선 전력 송신기(400)와 무선 전력 수신기(450) 사이의 상태 정보 및 제어 신호 교환을 위한 프로토콜은 주파수 변조 방식이 사용될 수 있다. 상기 프로토콜을 통해 장치 식별 정보, 충전 상태 정보, 전력 제어 신호 등이 교환될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기(400)는 도 4에 도시된 바와 같이, 전력 신호를 생성하는 신호 발생기(420), 무선 전력 수신기(450)로부터 전달되는 피드백 신호를 감지할 수 있는 전원 공급단(V_Bus, GND) 사이에 위치한 코일(L1) 및 캐패시터(C1, C2), 및 신호 발생기(420)에 의해 동작이 제어되는 스위치(SW1, SW2)를 포함한다. 신호 발생기(420)는 코일(L1)을 통해 전달된 피드백 신호의 복조를 위한 복조부(424), 주파수 변경을 위한 주파수 구동부(426), 변조부(424)와 주파수 구동부(426)을 제어하기 위한 송신 제어부(422)를 포함하여 구성될 수 있다. 코일(L1)을 통해 전달된 피드백 신호는 복조부(424)에 의해 복조된 후 송신 제어부(422)로 입력되고, 송신 제어부(422)는 복조된 신호에 기반하여 주파수 구동부(426)를 제어하여 코일(L1)로 전달되는 전력 신호의 주파수를 변경할 수 있다.

무선 전력 수신기(450)는 코일(L2)을 통해 피드백 신호를 전송하기 위한 변조부(452), 코일(L2)을 통해 수신된 교류(AC) 신호를 DC 신호로 변환하기 위한 정류부(454), 변조부(452)와 정류부(454)를 제어하기 위한 수신 제어기(460)를 포함할 수 있다. 수신 제어기(460)는 정류기(454) 및 기타 무선 전력 수신기(450)의 동작에 필요한 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(462), 정류기(454)가 출력 DC 전압을 충전 대상(부하, 468)의 충전 요건에 맞는 DC 전압으로 변경하기 위한 DC-DC 변환부(464), 변환된 전력이 출력되는 부하(468), 및 수신 전력 상태 및 충전 대상의 상태 등을 무선 전력 송신기(400)에 제공하기 위한 피드백 신호를 발생시키는 피드백 통신부(466)을 포함할 수 있다.

도 4에서 무선 전력 송신기(400)에 포함된 코일(L1)은 도 1에 도시된 3개의 송신 코일(111, 112, 113)을 의미하며, 송신 코일(111, 112, 113)에 연결된 스위치(SW1, SW2), 커패시터(C1, C2)는 송신 코일(111, 112, 113) 별로 독립적으로 구비될 수 있으나 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 코일의 정면도를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 송신 코일(500)은 동심원의 사각형에 가까운 나선형 구조로 예시되어 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 원형에 가까운 나선형 구조로 구현될 수도 있으며, 하나의 도선이 일체로 감겨 있는 구조라면 얼마든지 변형이 가능하다.

송신 코일(500)은, 구리(Cu)로 구성된 동판의 양면을 송신 코일(500)의 형상으로 패턴화하고, 상기 양면에 대한 대칭적인 에칭(etching) 공정으로 제작될 수 있다. 상기 양면에 대한 에칭 공정은 순차적으로, 또는 동시에 수행될 수 있다.

이처럼, 에칭 공정으로 제작되는 송신 코일(500)은 에칭 카퍼(etching copper)로 불릴 수 있는데, 송신 코일(500)의 도선은 에칭 공정으로 제작됨에 따라 상대적으로 큰 지름(예컨대, 500 um)을 가질 수 있다. 한편, 에칭 공정으로 제작되는 송신 코일(500)은 형상 유지를 위한 필름(PI 필름)의 부착이 어려워 상기 필름의 부착없이 PCB(Printed Circuit Board)에 부착될 수 있는데, 이 경우, 송신 코일(500)의 형상 유지가 어려워 인접하는 도선끼리 접촉하게 되는 쇼트(short) 현상이 발생할 가능성이 있다. 또한, 송신 코일(500)이 외부로 노출되어 이물질에 의한 오염이 발생할 수도 있다.

송신 코일(500)의 외측 말단에는 제1 단자(510)가 형성되고, 송신 코일(500)의 내측 말단에는 제2 단자(520)가 형성될 수 있다. 제1 단자(510)와 제2 단자(520)는 도 4에 도시된 코일(L1)의 양단에 해당하는 것으로 제어 회로 기판에 연결될 수 있다. 상기 제어 회로 기판은 스위치(SW1, SW2)와 신호 발생기(420) 등의 무선 전력 송신기(400)의 동작을 제어하는 구성들을 포함하는 기판에 해당한다.

도 6은 도 5의 송신 코일을 수용하는 가이드 기판을 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 가이드 기판(600)은 송신 코일(500)의 형상을 유지하고, 송신 코일(500)에 쇼트 현상을 방지할 수 있다.

지지 기판(600)은 제1 내지 제4 코일 가이드(610-1~610-4), 코일 외측 가이드(620), 코일 수용부(630), 제1 단자 수용부(640)을 포함할 수 있다.

제1 내지 제4 코일 가이드(610-1~610-4) 각각은 가이드 기판(600)의 상, 하, 좌, 우 중 어느 하나의 방향으로 일렬로 배열된 형태를 가질 수 있다. 제1 내지 제4 코일 가이드(610-1~610-4) 각각은 나선형으로 감겨있는 송신 코일(500)의 서로 인접하는 내측 도선과 외측 도선 간의 접촉을 방지할 수 있도록, 상기 내측 도선과 상기 외측 도선 사이에 위치하는 가이드 구조물을 포함할 수 있다.

제1 내지 제4 코일 가이드(610-1~610-4) 각각에 포함된 상기 가이드 구조물의 개수는 송신 코일(500)이 감긴 횟수(N;N은 1이상의 정수)와 동일할 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 상기 가이드 구조물의 개수는 송신 코일(500)이 감긴 횟수(N)와 동일한 경우, 상기 가이드 구조물에 의해 송신 코일(500)의 가장 내측의 도선부터 가장 외측의 도선까지 모든 도선들이 서로 접촉되지 않을 수 있다.

제1 내지 제4 코일 가이드(610-1~610-4) 각각에 포함된 상기 가이드 구조물의 배열은 송신 코일(500)의 동심원의 방향에 수직일 수 있다.

제1 내지 제4 코일 가이드(610-1~610-4) 각각에 포함된 서로 인접하는 상기 가이드 구조물 간의 간격은 송신 코일(500)을 이루는 도선의 지름보다 크거나 동일할 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.

본 명세서에서는 제1 내지 제4 코일 가이드(610-1~610-4) 각각이 가이드 기판(600)의 상, 하, 좌, 우 중 어느 하나의 방향으로 일렬로 배열된 형태를 가지는 일 실시예에 대해 설명하나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.

즉, 본 발명은 송신 코일(500)의 인접하는 도선 간의 접촉을 방지하기 위한 구조에 관한 것이며, 코일 가이드의 위치 또는 개수, 각 코일 가이드에 포함된 가이드 구조물의 위치 또는 개수는 얼마든지 변형이 가능하다.

예컨대, 가이드 기판(600)의 상, 하, 좌, 우 뿐 아니라 상좌, 상우, 하좌, 하우의 방향으로도 다른 코일 가이드들이 형성될 수 있다.

실시예에 따라, 코일 가이드의 개수 및 두께는 송신 코일(500)의 특성이 고려되어 결정될 수 있다. 즉, 송신 코일(500)의 강성이 낮거나 온도 상승에 따른 변형이 큰 경우에는 코일 가이드의 개수 및 두께를 증가시킬 수 있다.

코일 외측 가이드(620)는 송신 코일(500)의 외측 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있고, 송신 코일(500)의 외측 형상이 유지되도록 송신 코일(500)의 외측을 지지할 수 있다. 코일 외측 가이드(620)와 제1 내지 제4 코일 가이드(610-1~610-4) 각각의 상부면의 높이는 서로 동일할 수 있다.

코일 수용부(630)는 송신 코일(500)이 가이드 기판(600) 내부에 수용될 수 있도록 코일 외측 가이드(620)와 제1 내지 제4 코일 가이드(610-1~610-4) 각각의 상부면의 높이보다 낮은 높이를 가질 수 있다. 상기 높이는 송신 코일(500)을 이루는 도선의 지름보다 크거나 동일할 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.

제1 단자 수용부(640)는 코일 외측 가이드(620)와 코일 수용부(630)에서 송신 코일(500)의 제1 단자(510)가 수용될 수 있도록 하는 공간을 의미한다.

가이드 기판(600)은 아크릴 또는 플라스틱의 재질의 기판을 프레스(press) 공정하여 제작 가능하나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.

도 7은 도 6의 가이드 기판에 송신 코일이 장착된 상태를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 도 5와 도 6에서 설명된 바와 같이 가이드 기판(600)의 코일 수용부(630)에 송신 코일(500)이 장착되며, 제1 내지 제4 코일 가이드(610-1~610-4) 각각은 나선형으로 감겨있는 송신 코일(500)의 서로 인접하는 내측 도선과 외측 도선 간의 접촉을 방지하게 된다. 도 8과 도 9에서는 가이드 기판(600)에 송신 코일(500)이 장착된 결합 구조(A)와 결합 구조(A)의 단면(B)에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 8은 도 7에 도시된 가이드 기판에 송신 코일이 장착된 결합 구조를 보다 상세히 나타낸 도면이다. 도 9는 도 8에 도시된 결합 구조의 단면을 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 가이드 기판(600)에 송신 코일(500)이 장착된 결합 구조(A)가 나타나 있다.

제2 코일 가이드(610-2)는 코일(500)의 각 도선이 끼워질 수 있는 공간을 제공하며, 코일(500)의 서로 인접하는 내측 도선과 외측 도선이 서로 접촉하지 않도록 한다. 가장 외측의 도선은 제2 코일 가이드(610-2)와 코일 외측 가이드(620) 사이에 끼워질 수 있다.

도 8에서는 설명의 편의상 같은 재질로 이루어진 제2 코일 가이드(610-2)와 코일 외측 가이드(620)는 동일한 빗금 무늬로 도시하였으며, 제2 코일 가이드(610-2)와 코일 외측 가이드(620)의 상부면의 높이보다 낮은 코일 수용부(630)는 무늬가 없는 것으로 도시하였다.

도 9에는 도 8에 도시된 수직선(P-P')을 따라 형성되는 결합 구조(A)의 단면(B)이 도시되어 있다.

도 8에서 설명한 바와 마찬가지로, 제2 코일 가이드(610-2)와 코일 외측 가이드(620)는 송신 코일(500)이 끼워질 수 있는 공간을 제공하며, 송신 코일(500)은 이러한 공간에 끼워져 내측 도선과 외측 도선이 서로 접촉하지 않도록 할 수 있다.

이로 인해, 도선 간의 접촉으로 인한 쇼트 현상이 방지될 수 있으므로 송신 코일(500)이 정상적으로 작동하지 않는 현상을 막을 수 있다.

도 10은 도 9에 도시된 결합 구조의 단면에 차폐제가 부착된 송신 코일 모듈의 일 실시예를 나타낸 도면이다.

도 10을 참조하면, 송신 코일 모듈(1000)은 가이드 기판(600)에 송신 코일(500)이 장착된 결합 구조의 단면(B)의 하부(도 10에 도시된 단면은 도 9에 도시된 단면과 상하가 반전되어 있으나 도 9의 하부를 상부로 정의함)에 직접 차폐제(1050)가 부착되어 구성될 수 있다. 차폐제(1050)는 송신 코일(500)로부터 방사되는 자기장을 차단할 수 있으며, 상기 자기장이 하부의 제어 회로 기판에 영향을 주지 않고 상부로만 방사되도록 하는 기능을 수행한다.

여기서, 차폐제(1050)가 부착되는 방식은 별도의 접착시트(예컨대, 양면 테이프)에 의한 방식, 또는 접착력 및 절연성을 갖는 합성 수지의 도포 방식(본딩 방식) 등일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 또한, 차폐제(1050)는 페라이트 시트일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.

송신 코일 모듈(1000)은 하부에 PCB가 부착될 수 있으며, 송신 코일(500)은PCB에 장착된 커넥터(connector)를 통해 상기 제어 회로 기판과 전기적으로 연결될 수 있다. 이를 위해, 차폐제(1050)는 송신 코일(500)의 제1 단자(510)와 제2 단자(520) 각각에 연결되는 도선이 통과할 수 있는 적어도 하나의 홀(hole)을 포함할 수 있다.

도 11은 도 9에 도시된 결합 구조의 단면에 차폐제가 부착된 송신 코일 모듈의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, 송신 코일 모듈(1100)은 가이드 기판(600)에 송신 코일(500)이 장착된 결합 구조의 단면(B)의 하부에 직접 차폐제(1050)가 부착되지 않고, 차폐제(1050)와 단면(B) 사이에 보조 PCB(1150)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

보조 PCB(1150)는 제1 단자(510)와 제2 단자(520) 각각의 위치로부터 송신 코일 모듈(1000)의 하부에 부착되는 PCB에 장착된 커넥터까지 연결되는 도선 패턴을 포함할 수 있다. 이로 인해 보조 PCB(1150)는 제1 단자(510)와 제2 단자(520) 각각으로부터 상기 커넥터까지의 연결이 도선의 단선 등으로 인해 끊어지는 현상을 방지할 수 있다.

보조 PCB(1150)는 송신 코일 모듈(1000)의 하부에 부착되는 PCB 보다는 상대적으로 얇은(thin) 두께를 가질 수 있다.

도 10 또는 도 11에 도시된 송신 코일 모듈(1000, 1100)은 송신 코일(500)의 서로 인접하는 내측 도선과 외측 도선 간의 쇼트 현상을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 가이드 기판(600)이 송신 코일(500)을 보호함으로써 외부로부터 이물질이 유입되어 송신 코일(500)에 영향을 주는 현상을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 송신 코일 모듈(1000, 1100)은 상대적으로 큰 지름을 갖는 에칭 카퍼(etching copper)인 송신 코일(500)을 포함할 수 있다.

에칭 카퍼(etching copper)인 송신 코일(500)은 다음과 같은 장점을 가질 수 있다.

무선 전력 송신기의 전력 송신 효율은 송신 코일(500)의 직류 저항(DCR) 및 교류 저항(ACR)에 의해 달라지게 된다. 상기 직류 저항(DCR) 및 상기 교류 저항(ACR)은 각각 직류 전류 및 교류 전류에 대한 도선의 저항을 의미한다.

직류 저항(DCR) 및 교류 저항(ACR)은 각각 다음의 수학식 1과 수학식 2로 나타낼 수 있다.

수학식 1에서, 직류 저항(DCR)은 비저항과 도선 길이의 곱을 도선 면적으로 나눈 값으로 나타낼 수 있는데, 여기서 비저항은 길이가 1m이고 단면적이 1㎡인 도선의 전기 저항으로서 도선의 특성에 따라 정해지는 고유한 값이다.

즉, 여기서 에칭 카퍼(etching copper)인 송신 코일(500)의 도선은 상대적으로 큰 지름을 가지므로, 도선 면적이 커지게 되고 직류 저항(DCR)이 낮아지게 되어 이로 인해 전력 송신 효율이 향상될 수 있다.

또한, 수학식 2에서, 교류 저항(ACR)은 비저항과 도선 길이의 곱을 코일 유효 면적으로 나눈 값으로 나타낼 수 있는데, 여기서 코일 유효 면적은 스킨 뎁스(skin depth)에 따라 정해지는 고유한 값이다. 상기 스킨 뎁스는 단위 면적당 전류가 흐를 수 있는 면적의 비율을 의미한다.

즉, 여기서 에칭 카퍼(etching copper)인 송신 코일(500)의 도선은 상대적으로 큰 지름을 가지므로, 단위 면적당 전류가 흐를 수 있는 면적의 비율인 스킨 뎁스가 커지게 되고 교류 저항(ACR)이 낮아지게 되어 이로 인해 전력 송신 효율이 향상될 수 있다.

실험 결과에 의하면, 에칭 카퍼(etching copper)인 송신 코일(500)의 직류 저항(DCR)은 약 0.047 옴의 저항을 나타내는데, 일반적인 PCB 타입(PCB에 패턴화된 송신 코일을 형성하는 방식) 코일의 직류 저항(DCR)은 약 0.074~0.134 옴의 저항을 나타내어 약 2~3배의 저항 성분의 감소를 가져올 수 있다.

또한, 에칭 카퍼(etching copper)인 송신 코일(500)의 교류 저항(ACR)은 약 0.080 옴의 저항을 나타내는데, 일반적인 PCB 타입 코일의 교류 저항(ACR)은 약 0.106~0.164 옴의 저항을 나타내어 약 1.5~2배의 저항 성분의 감소를 가져올 수 있다.

상술한 실시예에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상술한 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

600: 무선 전력 송신기
610-1~610-4: 제1 내지 제4 코일 가이드
620: 코일 외측 가이드
630: 코일 수용부

Claims (9)

1. 무선 전력을 송신하기 위한 송신 코일; 및
   상기 송신 코일의 서로 인접하는 도선 간의 접촉을 방지하는 적어도 하나의 코일 가이드, 및 상기 송신 코일을 수용하는 코일 수용부를 포함하는 가이드 기판을 포함하는 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 코일 가이드는,
   상기 송신 코일의 동심원의 방향에 수직으로 배열되는 복수의 가이드 구조물들을 포함하고, 상기 복수의 가이드 구조물들 각각은 상기 서로 인접하는 도선 사이에 위치하는 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈.
3. 제2항에 있어서,
   상기 복수의 가이드 구조물들의 개수는, 상기 송신 코일이 감긴 횟수와 동일한 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 가이드 구조물들 중 인접하는 가이드 구조물 간의 간격은 상기 송신 코일의 도선의 지름과 동일한 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 코일 수용부의 높이는, 상기 송신 코일의 도선의 지름과 동일한 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈.
6. 제1항에 있어서,
   상기 가이드 기판의 하부에 부착되어 상기 송신 코일의 자기장을 차단하는 차폐제를 더 포함하는 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈.
7. 무선 전력을 송신하기 위한 송신 코일의 서로 인접하는 도선 간의 접촉을 방지하는 적어도 하나의 코일 가이드, 및 상기 송신 코일을 수용하는 코일 수용부를 포함하는 가이드 기판을 형성하는 단계; 및
   상기 적어도 하나의 코일 가이드에 상기 송신 코일의 도선이 끼워져지도록 상기 코일 수용부에 상기 송신 코일을 삽입하는 단계를 포함하는 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈의 제작 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 가이드 기판의 하부에 상기 송신 코일의 자기장을 차단하는 차폐제를 부착하는 단계를 더 포함하는 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈의 제작 방법.
9. 제7항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 코일 가이드는,
   상기 송신 코일의 동심원의 방향에 수직으로 배열되는 복수의 가이드 구조물들을 포함하고, 상기 복수의 가이드 구조물들 각각은 상기 서로 인접하는 도선 사이에 위치하는 무선 전력 송신기의 송신 코일 모듈의 제작 방법.

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