KR20190027990A - 휴대 단말기용 무선 충전 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플렉시블필름(30)에 나선형으로 패터닝[플렉시블필름(30)에 증착된 동박을 에칭하여 나선형으로 패터닝)된 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)가 서로 이웃하면서 전자기결합을 이루도록 병렬 접속되어 저항은 줄이면서도 전자기결합에 의한 인덕턴스는 크게 떨어지지 않도록 하여 슬림을 보장하면서도 무선 충전시 발생되는 발열현상을 효과적으로 줄임과 동시에 충전효율을 극대화시킬 수 있도록 한 휴대 단말기용 무선 충전 안테나에 관한 발명이다.

Description

휴대 단말기용 무선 충전 안테나{WIRELESS CHARGING ANTENNA FOR PORTABLE PHONE}

본 발명은 휴대 단말기용 무선 충전 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플렉시블필름에 나선형으로 패터닝된 싱글 충전안테나 및 듀얼 충전안테나가 서로 이웃하면서 전자기결합을 이루도록 병렬 접속되어 저항은 줄이면서도 전자기결합에 의한 인덕턴스는 크게 떨어지지 않도록 하여 슬림을 보장하고 무선 충전시 발생되는 발열현상을 효과적으로 줄임과 동시에 충전효율을 극대화시킬 수 있도록 한 휴대 단말기용 무선 충전 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 휴대 단말기는 스마트 폰, 테블릿 PC, 노트북, PDA 등이 있고, 이러한 휴대단말기는 배터리의 전원으로 동작된다.

도 1a는 선행기술문헌(대한민국 특허등록 제1398647호)에 따른 충전용 코일이 양면에 형성된 회로기판의 평면도이고, 도 1b는 선행기술문헌에 따른 충전용 코일이 양면에 형성된 회로기판의 저면도이며, 도 1c는 도 1a에 도시된 A-A'선의 일예를 예시한 단면도이다.

도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 선행기술문헌의 기판은 플렉시블한 기판(100)을 사용할 수 있으며, 플렉시블한 기판(100)은 폴리이미드(polyimide)계 또는 폴리에스테르(polyester)계의 합성수지 필름형태의 기판이다.

기판(100)의 상면 중앙부에는 다수 개의 제1 단위권선(120)이 구비된 제1 코일패턴(110)이 형성되고, 기판(100)의 하면 중앙부에는 다수 개의 제2 단위권선(220)이 구비된 제2 코일패턴(210)이 형성되어 있다.

제1 코일패턴(210)의 외주변 테두리에는 NFC안테나 코일패턴(150)이 형성되며, 기판(100)의 일측면 돌출부에는 안테나 접속단자(C,D)와 충전코일 접속단자(A,B)가 구비되어 있다. 즉, NFC 안테나 코일패턴(150) 외측부의 일면에 NFC 안테나 코일패턴(150)의 통신신호를 입력하거나 수신된 통신신호를 출력하는 안테나신호 접속단자(C,D)와, 제1 및 제2 코일패턴(110,210)에 충전전류를 인가하거나 유기된 충전전류를 인출하는 충전코일 접속단자(A,B)가 구비되어 있다. 이때, 접속단자 A,B,C에는 제1 및 제2 단위권선(120,220) 및 NFC 안테나 코일패턴(150)과의 전기적 연결을 위하여 각각에 비아홀(일예로 140c)이 형성되어 있다.

기판(100)의 상면 중앙부에는 다수 개의 제1 코일패턴(110)이 구리재질의 0.05mm 두께와 0.6mm 폭을 갖는 도전성 박막으로 형성된 단위권선(120)들이 제1 이격 간격(d)으로 이격되어 형성된다.

제1 코일패턴(110)의 시작점(141)은 비아 홀(140a)을 통하여 기판(100)의 하면을 통하여 충전코일 접속단자(A)와 연결된다.

여기서, 충전코일 접속단자(A)는 기판(100) 상면에 형성되고, 기판(100)을 관통하는 접속단자의 비아 홀(140c)이 형성되어 있으며, 제1 코일패턴(110)은 비아홀(140a)과 도전성 박막으로 기판(100)의 하면에서 단위권선들과 동일 재질인 도전성 박막으로 연결된다.

제1 코일패턴(110)은 충전코일 접속단자(A)와 연결되는 시작점(141)부터 나선형 또는 각형 등 여러 형상으로 연속하여 평면상에서 권선되는 박막코일로서 시작점(141)에서 일정한 반경(사각형권선 패턴인 경우 각 변을 따라)으로 시작점 위치에 근접한 종료점(142)까지 형성되는 제1 코일패턴(110)의 최외곽 권선(이하: 제1 단위권선)을 형성한다. 제1 단위권선(120a)과 일정한 제1 이격간격(d)을 두고 제1 단위권선(120a)의 다음 권선인 제2 단위권선(120b)을 형성하고, 계속하여 연속되는 제3, 제 4... 제N 단위권선을 형성한다.

여기서, 각각의 단위권선의 시작점(141)과 종료점(142)에는 기판(100)을 관통하는 비아 홀(141a,142a)을 형성한다.

기판(100)의 상면에서는 각각의 단위권선의 시작점(141)과 종료점(142)의 비아 홀(141a,142a)은 연속되는 단위권선의 선로 상에 형성되는 것이다.

제2 코일패턴(210)은 도 2b에 도시된 바와 같이 기판(100)의 하면에 형성되고, 상기한 제1 코일패턴(110)과 동일한 형상과 방법으로 형성되며, 아울러 제2 코일패턴(210)은 제1 코일패턴(110)의 각각의 단위권선의 시작점(141)과 종료점(142)의 비아 홀(141a,142a)을 연결하는 제1 코일패턴(110)의 각각의 단위권선과 동일한 형상과 재질로 형성된다.

이처럼 기판(100)의 하면에 형성된 제2 코일패턴(210)의 각각의 단위권선은 비아 홀([0043] 141a,142a)을 통하여 제1 코일패턴(210) 각각의 단위권선의 시작점(141)과 종료점(142)들이 전기적으로 연결되며, 비아 홀(141a,142a)을 도전성 물질로 충진되거나, 비아 홀(141a,142a)의 벽면에만 도전성 물질이 형성되는 중공형 도전체로 전기적으로 연결된다.

특히, 제2 코일패턴(210)의 단위권선(220a,220b...)들은 최내각 단위권선(220n)으로부터 충전코일 접속단자(B)와 연결되는 도전성 박막이 기판(100)에 형성될 수 있도록 제2 코일패턴(210)의 단위권선들 간에 연결되지 않은 영역(143)이 형성되며, 단위권선들 간에 연결되지 않은 영역(143)은 제1 코일패턴(110)의 각각의 단위권선들의 시작점(141)과 종료점(142)의 비아 홀(141a,142a)에 대응되는 기판(100) 하면의 비아 홀(141a,142a) 사이에 형성한다.

선행기술문헌에서의 제1 코일패턴(110)과 제2 코일패턴(210)은 비아 홀(141a,142a)을 통하여 연결됨으로서 그로 인해 두 개의 코일패턴이 전기적으로 일체화된 하나의 도전성 박막으로 된 코일 형태의 권선이다. 즉, 제1 코일패턴(110)과 제2 코일패턴(210)이 기판(100)의 상하면에 각각 형성된다고 하나, 전기적으로는 제1 코일패턴(110)과 제2 코일패턴(210)이 병렬로 연결됨으로서 도체의 단면적이 늘어난 하나의 도전선로가 되는 것이다.

이와 같이 제1 코일패턴(110)과 제2 코일패턴(210)의 배열을 구성하게 되면 저항은 감소하게 된다.

본원 출원인은 선행기술문헌에 따른 충전용 코일이 양면에 형성된 회로기판보다 훨씬 더 저항은 감소하고 무선 충전효율은 훨씬 더 향상시킬 수 있는 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 본 발명으로 제안하고자 한다.

대한민국 특허등록 제1398647호 - 충전용 코일이 양면에 형성된 회로기판

본 발명의 목적은 플렉시블필름에 나선형으로 패터닝된 싱글 충전안테나 및 듀얼 충전안테나가 서로 이웃하면서 전자기결합을 이루도록 병렬 접속되어 저항은 줄이면서도 전자기결합에 의한 인덕턴스는 크게 떨어지지 않도록 하여 슬림을 보장하고 무선 충전시 발생되는 발열현상을 효과적으로 줄임과 동시에 충전효율을 극대화시킬 수 있도록 한 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 휴대 단말기용 무선 충전 안테나는,

플렉시블필름과,

상기 플렉시블필름의 표면에 나선형으로 패터닝된 싱글 충전안테나와,

상기 싱글 충전안테나에 이웃하여 전자기결합을 이루도록 병렬 접속되어 상기 플렉시블필름의 표면에 나선형으로 패터닝된 듀얼 충전안테나를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.

본 발명은 플렉시블필름에 나선형으로 패터닝된 싱글 충전안테나 및 듀얼 충전안테나가 서로 이웃하면서 전자기결합을 이루도록 병렬 접속되어 저항은 줄이면서도 전자기결합에 의한 인덕턴스는 크게 떨어지지 않도록 하여 슬림을 보장하고 무선 충전시 발생되는 발열현상을 효과적으로 줄임과 동시에 충전효율을 극대화시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 플렉시블필름의 상면에 패터닝되는 상부 싱글코일패턴 및 상부 듀얼코일패턴 그리고 플렉시블필름의 하면에 패터닝되는 하부 싱글코일패턴 및 하부 듀얼코일패턴은 상호간 전자기결합을 이룰 수 있도록 이웃하게, 즉 근접하게 위치시켜야 하며, 이때 서로 교차되는 부분은 상호간 단절되도록 함과 동시에 비아홀을 통해 상부 싱글코일패턴 및 하부 싱글코일패턴 그리고 상부 듀얼코일패턴 및 하부 듀얼코일패턴 상호간의 접속을 각각 보장하여 싱글 충전안테나 및 듀얼 충전안테나의 전자기결합을 통한 저항은 줄이면서도 전자기결합에 의한 인덕턴스는 크게 떨어지지 않도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 싱글 충전안테나 및 듀얼 충전안테나는 비아홀을 통해 상호 병렬 접속되도록 하여 휴대 단말기의 슬림화에 기여함과 동시에 휴대 단말기의 제한된 면적 속에서도 인덕턴스의 보장과 더불어 저항의 최소화를 도모케 하는 효과가 있다.

도 1a는 선행기술문헌(대한민국 특허등록 제1398647호)에 따른 충전용 코일이 양면에 형성된 회로기판의 평면도.
도 1b는 선행기술문헌에 따른 충전용 코일이 양면에 형성된 회로기판의 저면도.
도 1c는 도 1a에 도시된 A-A'선의 일예를 예시한 단면도.
도 2a는 휴대 단말기의 충전 모습을 설명하기 위한 근거리 무선 송신기를 포함한 측면 개념도.
도 2b는 휴대 단말기의 충전 방식을 설명하기 위한 송신 안테나 및 충전 안테나를 나타내는 원리도.
도 3은 선행기술문헌을 참조한 일반적인 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 나타내는 도면으로 (A)는 평면도, (B)는 플렉시블필름의 상면에 상부 싱글코일패턴이 형성된 단면도, (C)는 플렉시블필름의 양면에 상부 싱글코일패턴 및 하부 싱글코일패턴이 각각 형성된 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 나타내는 도면으로 (A)는 평면도, (B)는 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 설명하기 위한 도면으로 (A)는 1회 권선된 싱글 충전안테나를 나타내는 사시방향 구조도, (B)는 1회 권선된 싱글 충전안테나를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 설명하기 위한 도면으로 (A)는 싱글 충전안테나 및 듀얼 충전안테나를 나타내는 사시방향 구조도, (B)는 싱글 충전안테나 및 듀얼 충전안테나를 나타내는 평면방향 구조도.
도 7은 본 발명에 따른 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 설명하기 위한 도면으로 (A)는 싱글 충전안테나 및 듀얼 충전안테나를 나타내는 평면도, (B)는 싱글 충전안테나 및 듀얼 충전안테나를 나타내는 저면도.
도 8은 선행기술문헌 대비 본 발명에 따른 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 설명하기 위한 싱글 충전안테나 및 듀얼 충전안테나인 경우의 저항 및 인덕턴스를 비교한 도면 및 표.

본 발명에 따른 휴대 단말기용 무선 충전 안테나의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 하고, 그 실시예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이러한 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 더욱 잘 이해할 수 있게 된다.

도 2a는 휴대 단말기(H)의 충전 모습을 설명하기 위한 근거리 무선 송신기(T)를 포함한 측면 개념도이고, 도 2b는 휴대 단말기(H)의 충전 방식을 설명하기 위한 송신 안테나(TX) 및 충전 안테나(RX)를 나타내는 원리도이다.

무선 충전 기술에는 전자기를 유도하는 전자기 유도 방식과, 공진(Resonance)을 이용하는 공진 방식, 그리고 전기적 에너지를 마이크로파로 변환시켜 전달하는 전파 방사(RF/Micro Wave Radiation) 방식이 있다.

전자기 유도 방식은 송신 안테나(TX)인 1차 코일과 충전 안테나(RX)인 2차 코일 상호간의 전력을 전송하는 방식이다. 코일에 전원을 공급하면 유도 전류가 발생하는데, 이를 이용하여 송신 안테나(TX)에서 자기장을 발생시키고 충전 안테나(RX)에서 자기장의 변화에 따라 전류가 유도되어 에너지를 만들어 낸다. 이러한 현상을 자기 유도 현상이라고 일컬으며 이를 이용한 전력 전송 방법은 에너지 전송 효율이 뛰어나 가장 실용화가 많이 이루어져 다양한 기기에 응용되고 있다.

더욱 구체적으로, 전자기 유도 방식은 인덕터 결합 시스템(Inductor Coupling System)으로 충전을 가능케 한다.

전자기 유도 방식인 WPT(Wireless Power Transfer)는 전자기 유도원리, 즉 유도자계 원리에 따라 전류를 흘려 자기장을 형성하고 그 위에 휴대 단말기(H)를 놓아 100∼200㎑의 주파수 대역 또는 6MHz의 주파수 대역에서 배터리(b)를 충전케 하는 것이다.

즉, 한 인덕터로부터 또 다른 인덕터 주변을 통과하면, 두 번째 인덕터 안에 유도전류(Induced current)가 생성되고, 이러한 비접촉식 에너지 전달을 이용하는 것이 WPT의 원리이다.

근래 들어 무선 충전 또는 무접점 충전 기술이 개발되어 많은 전자기기에 활용되고 있으며, 이러한 무선 충전 기술은 무선 전력 송수신을 이용한 것으로서, 별도의 충전 커넥터를 연결하지 않고 단지 충전패드[근거리 무선 송신기(T)]에 올려놓기만 하면 자동으로 배터리(b)가 충전이 될 수 있도록 설계된다.

전자기 유도 방식의 구체적인 설명으로서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 근거리 무선 송신기(T)의 송신 안테나(TX)에 연동되는 충전 안테나(RX) 및 배터리(b)를 휴대 단말기(H) 속에 내장하여 전자기 유도방식으로 송신 안테나(TX)에서 자기장을 발생시키고 충전 안테나(RX)에서 자기장의 변화에 따라 전류가 유도되어 에너지를 만들어 내어 배터리(b)의 무선 충전을 가능케 한다.

이때, 충전 안테나(RX)는 휴대 단말기(H)인 스마트 폰의 공간이 허용하는 한 많은 표면적을 차지할수록 충전효율이 좋고, 전류가 흐르면 강한 자기장을 형성하고, 이러한 자기장은 충전 안테나(RX)의 턴 수가 많을수록 비례해서 커진다.

즉, 휴대 단말기(H)인 스마트 폰이 가까이 있을 경우 자기장은 충전 안테나(RX)에 전류를 유도하고, 이렇게 유도된 전류로서 배터리(b)를 충전케 하는 것이다.

충전 안테나(RX)의 설계는 여러 가지 고려 요소가 있는데, 외경 사이즈, 내경 사이즈, 단면적, 턴 수 및 인덕턴스 등이다.

한편, 최근 들어 휴대 단말기(H)는 두께가 매우 중요하게 고려되고 있다. 이렇게 슬림한 휴대 단말기(H)의 구현을 위해 최대한 얇은 충전 안테나(RX)를 요구한다. 슬림한 두께를 위해 최소한의 허용 코일 두께를 가지고 충전 안테나(RX)를 구현해야 한다.

그러나, 코일의 단면적이 적을 수록(또는 코일의 두께가 얇을 수록) 안테나의 저항이 증가하여 무선 충전을 할 때 저항에 의한 전력 손실에 의한 발열이 발생한다(저항에 의한 전력 손실 = 전류의 제곱 × 저항; 저항에 의한 전력 손실 공식에서 저항이 높을수록 발열량이 증가함을 알 수 있다).

이러한 문제로 인해 초기 무선 충전을 지원하는 폰은 5V, 1A의 5W 충전용량 이하로 충전하도록 구현하였고, 최근에는 충전 전압을 높이고, 전류는 기존과 같이 유지하는 방식인 9V, 1A로 9W 충전으로 무선 충전 속도를 개선하였다. 이처럼 무선 충전 IC 칩이 9W 이상으로 무선 충전을 구현할 수 있도록 지원하더라도 스마트 폰의 배터리(b)가 일정온도를 넘어서면 배터리(b) 부풀어오름 및 이로 인한 폭발과 같은 문제가 있어, 현실적으로 무선 충전을 할 때 배터리(b) 온도가 약 40℃ 이상을 넘어서게 되면 배터리(b)의 안정성을 보장할 수 없게 된다.

특히, 충전 안테나(RX)는 일반적으로 휴대 단말기(H)의 배터리(b)에 근접하여 적층하는 형태로 위치되기 때문에 무선 충전 시 충전 안테나(RX)가 일정 온도를 넘어서지 않도록 무선 충전 속도를 낮추어 구현하게 된다.

그런데, 이러할 경우 20W까지 충전 가능한 유선 충전 대비 2배 이상 충전 시간이 길어지는 문제점이 발생한다.

무선 충전 속도를 증가시키기 위해 하드 PCB 또는 플렉시블 기판(FPCB)에서 충전 안테나(RX)의 두께를 증가시키지 않고도 저항을 줄일 수 있는 기술이 필요하게 된 것이다.

도 3은 선행기술문헌을 참조한 일반적인 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 나타내는 도면으로 (A)는 평면도이고 (B)는 플렉시블필름(30)의 상면에 상부 싱글코일패턴(11)이 형성된 단면도이며 (C)는 플렉시블필름(30)의 양면에 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12)이 각각 형성된 단면도이다.

선행기술문헌을 참조한 휴대 단말기용 무선 충전 안테나는 도 3의 (C)와 같이 플렉시블필름(30)의 양면에 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12)을 각각 형성시킬 경우 도 3의 (B)와 같이 플렉시블필름(30)의 상면에 상부 코일패턴을 형성시킬 때에 비해 메탈(동박) 단면적을 2배로 키우는 것과 같은 효과로서 저항을 약 1/2로 줄일 수 있게 된다.

즉, 플렉시블필름(30)의 양면에 증착된 동박을 에칭하여 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12)을 마련할 경우 단면[플렉시블필름(30)의 어느 한 면]에 형성시킨 경우에 비해 저항을 1/2로 줄여 무선 충전 효율의 향상과 더불어 발열까지 개선할 수 있게 되는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 나타내는 도면으로 (A)는 평면도이고 (B)는 단면도이다.

본 발명에 따른 휴대 단말기용 무선 충전 안테나는 도 4에 도시된 바와 같이 폴리이미드 등으로 된 플렉시블필름(30)과, 플렉시블필름(30)의 표면에 나선형으로 패터닝된 싱글 충전안테나(10)와, 싱글 충전안테나(10)에 이웃하여 전자기결합을 이루도록 병렬 접속되어 플렉시블필름(30)의 표면에 나선형으로 패터닝된 듀얼 충전안테나(20)를 포함한다.

플렉시블필름(30)에 나선형으로 패터닝[플렉시블필름(30)에 증착된 동박을 에칭하여 나선형으로 패터닝)된 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)가 서로 이웃하면서 전자기결합을 이루도록 병렬 접속되어 저항은 줄이면서도 전자기결합에 의한 인덕턴스는 크게 떨어지지 않도록 하여 슬림을 보장하면서도 무선 충전시 발생되는 발열현상을 효과적으로 줄임과 동시에 충전효율을 극대화시킬 수 있도록 한 것이다.

이때, 싱글 충전안테나(10)는 플렉시블필름(30)의 상하면에 각각 패터닝된 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12)으로 이루어지고, 듀얼 충전안테나(20)는 플렉시블필름(30)의 상하면에 각각 패터닝된 상부 듀얼코일패턴(21) 및 하부 듀얼코일패턴(22)으로 이루어질 수 있으며, 다른 한편으로 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)는 플렉시블필름(30)의 상하면의 어느 한 면에 선택적으로 패터닝될 수 있음은 물론이다.

바람직하게, 후술하는 도 7을 참조하면, 상부 싱글코일패턴(11)은 플렉시블필름(30)의 상면에 나선형으로 연속 패터닝되고, 하부 듀얼코일패턴(22)은 플렉시블필름(30)의 하면에 나선형으로 연속 패터닝되고, 상부 듀얼코일패턴(21)은 플렉시블필름(30)의 상면에 나선형으로 패터닝되다가 상부 싱글코일패턴(11)과 교차되는 부분에서 단절됨과 동시에 비아홀(V)을 통해 하부 듀얼코일패턴(22)에 접속되고, 하부 싱글코일패턴(12)은 플렉시블필름(30)의 하면에 나선형으로 패터닝되다가 하부 듀얼코일패턴(22)과 교차되는 부분에서 단절됨과 동시에 비아홀(V)을 통해 상부 싱글코일패턴(11)에 접속된다.

플렉시블필름(30)의 상면에 패터닝되는 상부 싱글코일패턴(11) 및 상부 듀얼코일패턴(21) 그리고 플렉시블필름(30)의 하면에 패터닝되는 하부 싱글코일패턴(12) 및 하부 듀얼코일패턴(22)은 상호간 전자기결합을 이룰 수 있도록 이웃하게, 즉 근접하게 위치시켜야 하며, 이때 서로 교차되는 부분은 상호간 단절되도록 함과 동시에 비아홀(V)을 통해 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12) 그리고 상부 듀얼코일패턴(21) 및 하부 듀얼코일패턴(22) 상호간의 접속을 각각 보장하여 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)의 전자기결합을 통한 저항은 줄이면서도 전자기결합에 의한 인덕턴스는 크게 떨어지지 않도록 한다.

그리고, 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)는 비아홀(V)을 통해 상호 병렬 접속되도록 하여 휴대 단말기(H)의 슬림화에 기여함과 동시에 휴대 단말기(H)의 제한된 면적 속에서도 인덕턴스의 보장과 더불어 저항의 최소화를 도모케 한다.

싱글 충전안테나(10)를 비아홀(V)로 연결되는 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12)으로 플렉시블필름(30)의 양면에 형성하고, 마찬가지로 듀얼 충전안테나(20)를 비아홀(V)로 연결되는 상부 듀얼코일패턴(21) 및 하부 듀얼코일패턴(22)으로 플렉시블필름(30)의 양면에 형성하면서, 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)를 비아홀(V)로서 상호 병렬 접속시켜 선행기술문헌에 비해 충전 안테나(RX)의 저항을 50％ 수준으로 떨어뜨리면서도 인덕턴스를 75％ 정도까지 유지시킴으로써 Q(Quality factor)를 개선하여 무선 충전의 발열을 효과적으로 줄임과 동시에 충전효율은 최대한 보장토록 하는 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 설명하기 위한 도면으로 (A)는 1회 권선된 싱글 충전안테나(10)를 나타내는 사시방향 구조도이고, (B)는 1회 권선된 싱글 충전안테나(10)를 나타내는 단면도이다[편의상 플렉시블필름(30)은 생략하였다].

도 5는 싱글 충전안테나(10) 중 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12)을 1회 권선시키면서 상호 비아홀(V)로서 병렬 접속한 것이다. 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12)을 병렬 접속할 때 그 끝단의 단자에서 비아홀(Via HoleV; V)을 통한 연결뿐만 아니라 중간 중간의 어느 한 부분에서도 비아홀(V)을 통한 병렬 연결이 가능함은 물론이다.

이때, 싱글 충전안테나(10)는 플렉시블필름(30)의 단면에 형성된 경우보다 플렉시블필름(30)의 양면에 형성되는 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12)인 경우가 동박의 단면적이 2배로 되어 저항은 1/2로 줄일 수 있는 반면 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12) 상호간의 전자기결합에 의한 인덕턴스는 그대로 유지할 수 있게 된다[듀얼 충전안테나(20)의 상부 듀얼코일패턴(21) 및 하부 듀얼코일패턴(22) 역시 미 도시하였지만 마찬가지의 원리가 적용된다].

설명의 편의상 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12)이 동일한 형상의 대칭구조라고 할 때 상호 병렬 구성에 의해 저항은 절반으로 낮아지고 인덕턴스는 상호간의 전자기결합으로 그대로 유지할 수 있게 된다.

인덕턴스가 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12)의 병렬 접속이라는 구성에도 불구하고 1/2로 줄어들지 않는 이유는 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12)이 플렉시블필름(30)을 사이에 두고 상호 대칭형으로 근접하여 전자기결합의 손실이 거의 없기 때문이다.

이러한 경우는 미 도시되었지만 듀얼 충전안테나(20)의 상부 듀얼코일패턴(21) 및 하부 듀얼코일패턴(22)인 경우도 마찬가지이다.

그러나, 휴대 단말기(H)의 무선 충전 시스템에서 사용되는 주파수가 수백 100㎑∼수십㎒로 매우 낮은 주파수에 사용하기 때문에 싱글 충전안테나(10) 또는 듀얼 충전안테나(20)는 최소한 7Turn 이상의 권선이 필요하고, 자기 공명은 3Turn 이상의 권선으로 이루어져야 하기 때문에 도 5와 같은 1회 권선은 근거리 통신 안테나로서 기능을 실현할 수 없다.

도 6은 본 발명에 따른 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 설명하기 위한 도면으로 (A)는 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)를 나타내는 사시방향 구조도이고, (B)는 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)를 나타내는 평면방향 구조도이다[편의상 플렉시블필름(30)은 생략하였다].

플렉시블필름(30)의 상면에 패터닝된 싱글 충전안테나(10)의 상부 싱글코일패턴(11) 및 듀얼 충전안테나(20)의 상부 듀얼코일패턴(21)이 교차되는 지점에서 서로 단선되지 않고 도 6의 (A) 및 (B)와 같이 배치되면서 상호 비아홀(V)로서 병렬 연결될 경우, 상부 싱글코일패턴(11) 및 상부 듀얼코일패턴(21) 사이에 서로 자속을 공유하는 전자기결합 β1과 상부 싱글코일패턴(11) 및 상부 듀얼코일패턴(21) 사이의 물리적인 거리로 인해 서로 공유되지 않는 자속에 의한 전자기결합 손실 β2 및 β3가 존재하게 된다.

상부 싱글코일패턴(11)과 상부 듀얼코일패턴(21)이 도 6의 (A) 및 (B)와 같이 서로 이웃하여 병렬 접속될 때 저항은 일반적인 전기 회로 이론과 같이 1/2로 떨어지나 인덕턴스는 전자기결합 β1과 전자기결합 손실 β2 및 β3에 의해 최소한으로 저하되게 된다.

이와 같은 성질을 이용하여 동박의 두께를 증가시키지 않고도 무선 충전 안테나(RX)의 저항을 감소시키면서도 무선 충전을 위한 충분한 인덕턴스를 얻을 수 있는 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 본 발명으로 제안하고자 하는 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 설명하기 위한 도면으로 (A)는 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)를 나타내는 평면도이고, (B)는 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)를 나타내는 저면도이다[편의상 플렉시블필름(30)은 생략하였다].

싱글 충전안테나(10) 또는 듀얼 충전안테나(20)는 최소한 7Turn 이상의 권선이 필요하고, 자기 공명은 3Turn 이상의 권선이 필요한데, 도 7에 모든 Turn 수를 표현할 경우 도면이 복잡하게 되는 관계로 도 4를 참조하되 도 7에서는 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)의 표현상 1회 권선이지만 3Turn 또는 7Turn 이상의 권선으로 이해하는 것으로 한다.

도 7의 (A)와 같이 싱글 충전안테나(10)의 상부 싱글코일패턴(11)은 완전 권회되는 반면 도 7의(B)와 같이 싱글 충전안테나(10)의 하부 싱글코일패턴(12)은 하부 듀얼코일패턴(22)과 겹치는 부분에서 단절되어 비아홀(V)을 통해 상부 싱글코일패턴(11)에 접속되고, 도 7의 (B)와 같이 듀얼 충전안테나(20)의 하부 듀얼코일패턴(22)은 완전 권회되는 반면 도 7의(A)와 같이 듀얼 충전안테나(20)의 상부 듀얼코일패턴(21)은 상부 싱글코일패턴(11)과 겹치는 부분에서 단절되어 비아홀(V)을 통해 상부 듀얼코일패턴(21)에 접속된다.

이와 같은 구성에 의해 싱글 충전안테나(10)는 플렉시블필름(30)을 사이에 두고 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 코일패턴이 상호 대칭적으로 병열 접속되고, 듀얼 충전안테나(20) 역시 플렉시블필름(30)을 사이에 두고 상부 듀얼코일패턴(21) 및 하부 듀얼코일패턴(22)이 상호 대칭적으로 병열 접속되며, 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)는 서로 이웃하여 전자기결합을 이루도록 병렬 접속되어 저항은 줄이고 인덕턴스는 최대한 유지케 할 수 있도록 한 것이다.

도 8은 선행기술문헌 대비 본 발명에 따른 휴대 단말기용 무선 충전 안테나를 설명하기 위한 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)인 경우의 저항 및 인덕턴스를 비교한 도면 및 표이다.

도 8에 도시된 바와 같이 저항은 싱글 충전안테나(10)인 경우 0.53Ω이나 듀얼 충전안테나(20)인 경우 0.26Ω으로 50％ 정도 낮아지고, 인덕턴스는 싱글 충전안테나(10)인 경우 5.8uH이나 듀얼 충전안테나(20)인 경우 4.4uH로 70％ 정도를 유지하여, 충전시 발열을 크게 줄일 수 있으면서도 충전효율은 그대로 보장케 할 수 있음을 확인할 수 있다.

본 발명은 스마트 폰, 테블릿 PC, 노트북, PDA 및 각종 가전제품 등에 쓰여지는 무선통신 분야에 이용될 수 있으며 싱글 충전안테나 및 듀얼 충전안테나뿐만 아니라 상호간의 전자기결합을 보장하면서 휴대 단말기의 면적을 허용하는 한 트리플 충전안테나 등을 더 추가할 수 있음은 물론이다.

10 : 싱글 충전안테나 11 : 상부 싱글코일패턴
12 : 하부 싱글코일패턴 20 : 듀얼 충전안테나
21 : 상부 듀얼코일패턴 22 : 하부 듀얼코일패턴
30 : 플렉시블필름 V : 비아홀
T : 근거리 무선 송신기 TX : 송신 안테나
RX : 충전 안테나 b : 배터리
H : 휴대 단말기

Claims (4)

1. 플렉시블필름(30)과,
   상기 플렉시블필름(30)의 표면에 나선형으로 패터닝된 싱글 충전안테나(10)와,
   상기 싱글 충전안테나(10)에 이웃하여 전자기결합을 이루도록 병렬 접속되어 상기 플렉시블필름(30)의 표면에 나선형으로 패터닝된 듀얼 충전안테나(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기용 무선 충전 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 싱글 충전안테나(10)는 상기 플렉시블필름(30)의 상하면에 각각 패터닝된 상부 싱글코일패턴(11) 및 하부 싱글코일패턴(12)으로 이루어지고,
   상기 듀얼 충전안테나(20)는 상기 플렉시블필름(30)의 상하면에 각각 패터닝된 상부 듀얼코일패턴(21) 및 하부 듀얼코일패턴(22)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기용 무선 충전 안테나.
3. 제2항에 있어서,
   상기 상부 싱글코일패턴(11)은 상기 플렉시블필름(30)의 상면에 나선형으로 연속 패터닝되고,
   상기 하부 듀얼코일패턴(22)은 상기 플렉시블필름(30)의 하면에 나선형으로 연속 패터닝되고,
   상기 상부 듀얼코일패턴(21)은 상기 플렉시블필름(30)의 상면에 나선형으로 패터닝되다가 상기 상부 싱글코일패턴(11)과 교차되는 부분에서 단절됨과 동시에 비아홀(V)을 통해 상기 하부 듀얼코일패턴(22)에 접속되고,
   상기 하부 싱글코일패턴(12)은 상기 플렉시블필름(30)의 하면에 나선형으로 패터닝되다가 상기 하부 듀얼코일패턴(22)과 교차되는 부분에서 단절됨과 동시에 비아홀(V)을 통해 상기 상부 싱글코일패턴(11)에 접속되는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기용 무선 충전 안테나.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 싱글 충전안테나(10) 및 듀얼 충전안테나(20)는 비아홀(V)을 통해 상호 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기용 무선 충전 안테나.

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