KR20190065744A - 무선 충전을 위한 코일 - Google Patents

Abstract

코일 어셈블리는 기판, 및 기판의 일면에 배치되는 코일을 포함하고, 기판은 오차범위 ± 1.2mm 내외의 90mm의 직경을 가지는 오차범위 ± 0.15mm 이하의 3.0mm 두께의 차폐판을 포함하며, 코일은 0.7mm의 와이어를 3층으로 감아 평면 상으로 내측은 오차범위 ± 0.5mm 이하의 60mm 직경을 가지고 외측은 오차범위 ± 2mm 이하의 77mm 직경을 가지며 오차범위 ± 0.15mm 이하의 2.1mm두께를 가지는 환상(環狀)면체(toroidal)로 구성되고, 코일에는 3층의 각층마다 와이어가 13번 이상 감겨 총 40번 감겨 있으며, 코일은 130~150kHz의 주파수 범위에서 동작할 경우, 오차범위 ± 10%의 330uH의 인턱턴스를 가지고, 20W 내지 100W 범위의 무선 전력 신호를 송신할 수 있다.

Description

무선 충전을 위한 코일{Coil For Wireless Charging}

본 발명은 무선 충전 기술에 관한 것으로서, 상세하게 무선 충전용 코일 및 그것이 장착된 무선 전력 송신기 또는 수신기를 제공하는 것이다.

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 레이저, 고주파, 마이크로웨이브와 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 차량, IT, 철도, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.

무선 충전은 전력 전송 시 송신 코일인 1차 코일과 수신 코일인 2차 코일로 전력을 전송하는 동안 충전 표면의 온도가 상승할 수 있다. 이때, 기준치 이상의 고온이 감지된 경우, 무선 전력 송신 장치는 온도가 정상이 될 때까지 전력 전송을 중단하여야 한다. 최근 1차 코일과 2차 코일 사이에서 전달되는 전력이 커지면서 1차 코일과 2차 코일에서 발생하는 열을 감소시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 휴대용 기기에 탑재되거나 휴대용 기기를 충전하기 위한 충전기에 포함될 수 있으면서 60W 수준의 전력을 송수신할 수 있는 내구성이 강한 코일 및 그것이 장착된 무선 전력 송신기 또는 수신기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 전력 송신기 또는 수신기에 배치되는 코일의 구조를 단순화하여 생산성 및 양산성을 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 전력 송신기와 전력 수신기 사이의 충전 가능 거리를 늘려 충전 자유도를 높이고, 발열을 감소시켜 휴대용 기기를 보호하고 충전 과정에서 발생할 수 있는 위험을 예방할 수 있다.

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 발명은 무선 충전용 코일 어셈블리 및 그것이 장착된 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치에 장착되는 코일 어셈블리는 기판; 및 상기 기판의 일면에 배치되는 코일을 포함하고, 상기 기판은 오차범위 ± 1.2mm 내외의 90mm의 직경을 가지는 오차범위 ± 0.15mm 이하의 3.0mm 두께의 차폐판을 포함하며, 상기 코일은 0.7mm의 와이어를 3층으로 감아 평면 상으로 내측은 오차범위 ± 0.5mm 이하의 60mm 직경을 가지고 외측은 오차범위 ± 2mm 이하의 77mm 직경을 가지며 오차범위 ± 0.15mm 이하의 2.1mm두께를 가지는 환상(環狀)면체(toroidal)로 구성되고, 상기 코일에는 상기 3층의 각층마다 상기 와이어가 13번 이상 감겨 총 40번 감겨 있으며, 상기 코일은 130~150kHz의 주파수 범위에서 동작할 경우, 오차범위 ± 10%의 330uH의 인턱턴스를 가지고, 20W 내지 100W 범위의 무선 전력 신호를 송신할 수 있다.

또한, 상기 기판은 상기 코일과 상기 차폐판 사이에 배치되는 0.05mm 두께의 PET 필름 및 0.1mm 두께의 접착층; 및 상기 기판은 상기 차폐판에서 상기 코일이 배치되는 면의 반대측에 0.05mm 두께의 접착층을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 코일은 상기 환상면체의 일부분을 둘러싸는 테잎을 포함하며, 상기 테잎은 오차범위 ± 1mm 이하의 5mm 폭을 가질 수 있다.

또한, 상기 코일 어셈블리는 60W 수준의 무선 전력 신호를 송신할 수 있다.

또한, 상기 차폐판은 돌출 영역이 없는 평면 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 코일 어셈블리는 기판; 및 상기 기판의 일면에 배치되는 코일을 포함하고, 상기 기판은 오차범위 ± 1.2mm 내외의 90mm의 직경을 가지는 오차범위 ± 0.15mm 이하의 3.0mm 두께의 차폐판을 포함하며, 상기 코일은 오차범위 ± 0.15mm 이하의 1.3mm의 와이어를 단층으로 감아 평면 상으로 내측은 오차범위 ± 0.5mm 이하의 61.5mm 직경을 가지고 외측은 오차범위 ± 2mm 이하의 75.5mm 직경을 가지는 환상(環狀)면체(toroidal)로 구성되고, 상기 코일에는 상기 와이어가 6번 감겨있으며, 상기 코일은 130~150kHz의 주파수 범위범위에서 동작할 경우, 오차범위 ± 10%의 8.6uH의 인턱턴스 가지고, 20W 내지 100W 범위의 무선 전력 신호를 수신할 수 있다.

또한, 상기 기판은 상기 코일과 상기 차폐판 사이에 배치되는 0.05mm 두께의 PET 필름 및 0.1mm 두께의 접착층; 및 상기 기판은 상기 차폐판에서 상기 코일이 배치되는 면의 반대측에 0.05mm 두께의 접착층을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 코일은 상기 환상면체의 일부분을 둘러싸는 테잎을 포함하며, 상기 테잎은 오차범위 ± 1mm 이하의 5mm 폭을 가질 수 있다.

또한, 상기 코일 어셈블리는 60W 수준의 무선 전력 신호를 수신할 수 있다.

또한, 상기 차폐판은 돌출 영역이 없는 평면 형상을 가질 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 방법 및 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 코일의 구조 및 코일 어셈블리에 포함되는 차폐제의 구조를 단순화시켜 생산성을 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 코일과 코일 사이의 최대 충전 거리를 늘리고, 복수의 코일을 통해 복수의 기기를 충전할 수 있는 무선 충전 장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 무선 충전 과정에서 코일에서 발생하는 열을 줄일 수 있어, 충전장치 및 충전 대상 기기의 내구성을 높이고 발열에 의한 위험을 감소시킬 수 있는 장점이 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 발명에 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 코일 어셈블리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신을 위한 코일 어셈블리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 및 수신을 위한 코일 어셈블리의 효과를 설명하기 위한 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)”로 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, 바닥 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 전송할 수도 있다. 이를 위해, 송신기는 적어도 하나의 무선 파워 전송 수단을 구비할 수도 있다. 여기서, 무선 파워 전송 수단에는 전력 송신단 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신단 코일에서 전기가 유도되는 전자기 유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다. 일 예로, 무선 파워 전송 수단은 WPC(Wireless Power Consortium), AFA(AirFuel Alliance) 등의 무선 충전 기술 표준 기구에서 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 전력을 수신할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 수신 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium), AFA(AirFuel Alliance) 등에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

본 발명에 따른 무선 전력 수신기는 운송 장치의 일측에 장착될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다.

도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 크게 무선으로 전력을 송신하는 무선 전력 송신단(10), 상기 송신된 전력을 수신하는 무선 전력 수신단(20) 및 수신된 전력을 공급 받는 전자기기(30)로 구성될 수 있다.

일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다. 다른 일예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 상이한 별도의 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 대역외(Out-of-band) 통신을 수행할 수도 있다.

일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이에 교환되는 정보는 서로의 상태 정보뿐만 아니라 제어 정보도 포함될 수 있다. 여기서, 송수신단 사이에 교환되는 상태 정보 및 제어 정보는 후술할 실시예들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.

상기 인밴드 통신 및 대역외 통신은 양방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 다른 실시예에 있어서는 단방향 통신 또는 반이중 방식의 통신을 제공할 수도 있다.

일 예로, 단방향 통신은 무선 전력 수신단(20)이 무선 전력 송신단(10)으로만 정보를 전송하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 송신단(10)이 무선 전력 수신단(20)으로 정보를 전송하는 것일 수도 있다.

반이중 통신 방식은 무선 전력 수신단(20)과 무선 전력 송신단(10) 사이의 양방향 통신은 가능하나, 어느 한 시점에 어느 하나의 장치에 의해서만 정보 전송이 가능한 특징이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신단(20)은 전자 기기(30)의 각종 상태 정보를 획득할 수도 있다. 일 예로, 전자 기기(30)의 상태 정보는 현재 전력 사용량 정보, 실행중인 응용을 식별하기 위한 정보, CPU 사용량 정보, 배터리 충전 상태 정보, 배터리 출력 전압/전류 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 전자 기기(30)로부터 획득 가능하고, 무선 전력 제어에 활용 가능한 정보이면 족하다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신단(10)은 고속 충전 지원 여부를 지시하는 소정 패킷을 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다. 무선 전력 수신단(20)은 접속된 무선 전력 송신단(10)이 고속 충전 모드를 지원하는 것으로 확인된 경우, 이를 전자 기기(30)에 알릴 수 있다. 전자 기기(30)는 구비된 소정 표시 수단-예를 들면, 액정 디스플레이일 수 있음-을 통해 고속 충전이 가능함을 표시할 수 있다.

또한, 전자 기기(30) 사용자는 액정 표시 수단에 표시된 소정 고속 충전 요청 버튼을 선택하여 무선 전력 송신단(10)이 고속 충전 모드로 동작하도록 제어할 수도 있다. 이 경우, 전자 기기(30)는 사용자에 의해 고속 충전 요청 버튼이 선택되면, 소정 고속 충전 요청 신호를 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다. 무선 전력 수신단(20)은 수신된 고속 충전 요청 신호에 상응하는 충전 모드 패킷을 생성하여 무선 전력 송신단(10)에 전송함으로써, 일반 저전력 충전 모드를 고속 충전 모드로 전환시킬 수 있다.

도 2는 본 발명에 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.

일 예로, 도면 부호 200a에 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신단(20)은 복수의 무선 전력 수신 장치로 구성될 수 있으며, 하나의 무선 전력 송신단(10)에 복수의 무선 전력 수신 장치가 연결되어 무선 충전을 수행할 수도 있다. 이때, 무선 전력 송신단(10)은 시분할 방식으로 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 분배하여 송신할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며. 다른 일 예로, 무선 전력 송신단(10)은 무선 전력 수신 장치 별 할당된 상이한 주파수 대역을 이용하여 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 분배하여 송신할 수 있다.

이때, 하나의 무선 전력 송신 장치(10)에 연결 가능한 무선 전력 수신 장치의 개수는 무선 전력 수신 장치 별 요구 전력량, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량 및 무선 전력 송신 장치의 가용 전력량 중 적어도 하나에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.

다른 일 예로, 도면 부호 200b에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신단(10)은 복수의 무선 전력 송신 장치로 구성될 수도 있다. 이 경우, 무선 전력 수신단(20)은 복수의 무선 전력 송신 장치와 동시에 연결될 수 있으며, 연결된 무선 전력 송신 장치들로부터 동시에 전력을 수신하여 충전을 수행할 수도 있다. 이때, 무선 전력 수신단(20)과 연결된 무선 전력 송신 장치의 개수는 무선 전력 수신단(20)의 요구 전력량, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량, 무선 전력 송신 장치의 가용 전력량 등에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.

일 예로, 무선 전력 송신기는 3개의 송신 코일(111, 112, 113)이 장착될 수 있다. 각각의 송신 코일은 일부 영역이 다른 송신 코일과 서로 중첩되도록 배치될 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 서로 중첩되지 않게 배치되거나 하나의 송신 코일이 장착될 수도 있다.

무선 전력 송신기는 각각의 송신 코일을 통해 무선 전력 수신기의 존재를 감지하기 위한 소정 감지 신호(117, 127)-예를 들면, 디지털 핑-를 미리 정의된 순서로 순차적으로 송신한다.

상기 도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 도면 번호 110에 도시된 1차 감지 신호 송신 절차가 개시되면 감지 신호(117)를 순차적으로 송신하고, 무선 전력 수신기(115)로부터 소정 응답 신호-예를 들면, 감지 신호에 대응되는 수신 신호 세기 정보가 포함된 신호일 수 있으며, 이하 설명의 편의를 위해, 신호 세기 지시자(Signal Strength Indicator, 116) 또는 신호 세기 패킷(Signal Strength Packet)이라 명함-가 수신된 송신 코일(111, 112)을 식별할 수 있다. 연이어, 무선 전력 송신기는 도면 번호 120에 도시된 2차 감지 신호 송신 절차가 개시되면 감지 신호(127)를 순차적으로 송신하고, 신호 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 송신되도록-즉, 무선 충전이 이루어지도록- 제어할 수 있다.

상기의 도 3에서 보여지는 바와 같이, 무선 전력 송신기가 2회의 감지 신호 송신 절차를 수행하는 이유는 어느 송신 코일에 무선 전력 수신기의 수신 코일이 잘 정렬되어 있는지를 보다 정확하게 식별하기 위함이다.

만약, 상기한 도 3의 도면 번호 110 및 120에 도시된 바와 같이, 제1 송신 코일(111), 제2 송신 코일(112)에 신호 세기 지시자(116, 126)가 수신된 경우, 무선 전력 송신기는 제1 송신 코일(111)과 제2 송신 코일(112) 각각에 수신된 신호 세기 지시자(126)에 기반하여 가장 정렬이 잘된 송신 코일을 선택하고, 선택된 송신 코일을 이용하여 무선 충전을 수행한다.

이하에서는, 도 4 및 도 5를 참조하여, 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기에 포함되는 코일 어셈블리의 구조에 대해 설명한다. 현재 출시되고 있는 무선 전력 송수신기는 5W 수준의 전력을 무선으로 송수신하고 있다. 그러나, 충전 시간을 단축하기 위하여 5W~15W 수준의 전력을 무선으로 송수신하기 위한 노력이 진행 중이다. 또한, 향후 20W~100W 수준의 전력을 무선으로 송수신하기 위한 준비가 필요한 상황이다. 예를 들어, 60W 수준의 전력을 무선으로 송수신하기 위해서는 5W~15W 수준의 전력을 송수신하는 구조로는 충전효율, 발열 및 안전성에 문제가 있어 적용을 하기 어려우므로 새로운 구조의 송수신기 제안이 필요한 상황이다. 따라서, 실시 예에 따른 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기는 20W~100W 수준의 전력, 예를 들어 60W 수준의 전력을 을 송수신할 수 있는 구조를 제안한다. 설명의 편의를 위하여, 도 4 및 도 5에서는 하나의 코일을 포함하는 코일 어셈블리를 예로 들어 설명한다. 도 3에서 설명한 바와 같이 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기는 복수의 코일로 구성되는 코일 어셈블리를 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 코일 어셈블리를 설명하기 위한 도면이다.

도시된 바와 같이, 코일 어셈블리는 무선 전력 송신 장치에 장착될 수 있는 구조물로서, 기판(320) 및 기판(320)의 일면에 배치되는 코일(302)을 포함할 수 있다. 여기서 기판(320)은 코일을 배치시키기 위한 구조물을 의미할 수 있다. 보다 구체적으로 기판(320)은 오차범위 ± 1.2mm 내외의 90mm의 직경(TC)과 오차범위 ± 0.15mm 이하의 3.0mm 두께(TH)의 차폐판(308)을 포함할 수 있다.

코일 어셈블리 내 코일(302)은 약 0.7mm의 두께를 가지는 와이어를 3층으로 감아 평면 상으로 내경(Inner diameter)은 오차범위 ± 0.5mm 이하의 60mm 직경(TA)을 가지고 외경(Outer diameter)은 오차범위 ± 2mm 이하의 77mm 직경(TB)을 가지며 오차범위 ± 0.15mm 이하의 2.1mm두께(TL)를 가지는 환상(環狀)면체(toroidal)로 구성될 수 있다. 여기서, 환상면체는 고리 혹은 도넛 모양의 입방체를 포함할 수 있다. 여기서, 와이어는 0.12mm의 두께를 가지는 16가닥(strand)의 도선으로 구성된다.

코일(302)에는 3층의 각층마다 와이어가 13번(턴, turn) 이상 감겨있다. 또한, 코일(302)은 130~150kHz의 주파수 범위를 가지는 무선 전력 신호를 송신할 수 있다. 예를 들어, 코일(302)의 3층의 각층마다 와이어거 감긴 턴수회는 13.3번(13.3 turn)일 수 있다.

기판(320)에는 코일(302)과 차폐판(308) 사이에 배치되는 0.05mm 두께(TI)의 PET 필름(306) 및 0.1mm 두께(TJ)의 접착층(304)이 더 포함될 수 있다.

또한, 기판(320)은 차폐판(308)을 기준으로 코일(302)이 배치되는 면의 반대측에 0.05mm 두께(TG)의 접착층(310)을 더 포함할 수 있다.

도 4에는 차폐판(308)의 일측면에 PET 필름(306)이 배치되고 반대면에 접착층(310)이 배치되는 구조를 설명하였으나, 실시예에 따라 차폐판(308)의 양측면에 PET 필름이 부착될 수 있다. 여기서, PET 필름(306)과 접착층(310) 모두 차폐판(308)의 면적을 벗어 나지 않고, 차폐판(308)의 가장자리의 안쪽에 배치될 수 있다.

여기서, PET 필름(306)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephtalate, PET)는 테레프탈(Terephtal)과 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol) 을 중축합하여 얻는 포화 폴리에스테르(Polyester)를 포함할 수 있다. 여기서, PET는 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybuthylene Terephtalate)보다 분자고리의 길이가 짧고 잘 휘어지지 않는 구조를 가지므로, 전기적 아크에 강할 뿐만 아니라, 크랙 발생을 방지할 수 있다.

코일(302)에는 환상면체의 일부분을 둘러싸는 테잎(312)이 포함될 수 있다. 여기서, 테잎(312)은 오차범위 ± 1mm 이하의 5mm 폭(TD)을 가질 수 있다. 또한, 테잎(312)은 노란색일 수 있다.

한편, 코일(302)에는 각 층 마다 와이어가 13.3번(13.3turns) 감겨 총 3층에 걸쳐서 와이어가 총 40번(40turns) 감겨있을 수 있다. 코일(302)은 130~150KHz(예를 들어, 145KHz)의 주파수 대역에서 송신동작할 때 오차범위 ± 10%의 330uH의 인턱턴스를 가질 수 있다.

또한, 차폐판(308)은 돌출 영역이 없는 평면 형상을 가질 수 있다. 또한, 차폐판(308)은 하나의 평면을 가지며 여러 개로 나뉘어지지 않는 구조적 형상을 가질 수 있다.

실시예에 따라, 코일(302)로부터 두 개의 리드선(314, 316)이 돌출될 수 있다. 두 개의 리드선(314, 316)이 돌출되는 위치의 간격(TE)은 오차범위 ± 1.5mm 이하의 8mm 일 수 있다. 또한, 두 개의 리드선(314, 316)의 길이(TF)는 오차범위 ± 2mm 이하의 80mm 일 수 있다. 도시되지 않았지만, 두 개의 리드선(314, 316)의 끝에는 오차범위 ± 1mm 이하의 5mm의 솔더링 영역이 포함될 수 있다.

실시예에 따라, 코일(302) 내지 기판(320)을 합친 두께는 5.6mm 이하 일 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신을 위한 코일 어셈블리를 설명하기 위한 도면이다.

도시된 바와 같이, 코일 어셈블리는 무선 전력 송신 장치에 장착될 수 있는 구조물로서, 기판(420) 및 기판(420)의 일면에 배치되는 코일(402)을 포함할 수 있다. 여기서 기판(420)은 코일을 배치시키기 위한 구조물을 의미할 수 있다. 보다 구체적으로 기판(420)은 오차범위 ± 1.2mm 내외의 90mm의 직경(TC)과 오차범위 ± 0.15mm 이하의 3.0mm 두께(RH)의 차폐판(408)을 포함할 수 있다.

코일 어셈블리 내 코일(402)은 약 0.7mm의 두께를 가지는 와이어를 하나의 층으로 감아 평면 상으로 내측(Inner diameter)은 오차범위 ± 0.5mm 이하의 60mm 직경(RA)을 가지고 외측(Outer diameter)은 오차범위 ± 2mm 이하의 77mm 직경(RB)을 가지며 오차범위 ± 0.15mm 이하의 2.1mm두께(RL)를 가지는 환상(環狀)면체(toroidal)로 구성될 수 있다. 여기서, 환상면체는 고리 혹은 도넛 모양의 입방체를 포함할 수 있다. 여기서, 와이어는 0.16mm의 두께를 가지는 30가닥(strand)의 도선으로 구성된다.

코일(402)에는 단층에 와이어가 6번(턴, turn) 감길 수 있다. 또한, 코일(402)은 130~150kHz의 주파수 범위를 가지는 무선 전력 신호를 수신할 수 있다.

기판(420)에는 코일(402)과 차폐판(408) 사이에 배치되는 0.05mm 두께(RI)의 PET 필름(406) 및 0.1mm 두께(RJ)의 접착층(404)이 더 포함될 수 있다.

또한, 기판(420)은 차폐판(408)을 기준으로 코일(402)이 배치되는 면의 반대측에 0.05mm 두께(RG)의 접착층(410)을 더 포함할 수 있다.

도 4에는 차폐판(408)의 일측면에 PET 필름(406)이 배치되고 반대면에 접착층(410)이 배치되는 구조를 설명하였으나, 실시예에 따라 차폐판(408)의 양측면에 PET 필름이 부착될 수 있다. 여기서, PET 필름(406)과 접착층(410) 모두 차폐판(408)의 면적을 벗어나는 크기를 가질 수 없고 차폐판(408)의 가장자리의 안쪽에 배치될 수 있다.

여기서, PET 필름(406)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephtalate, PET)는 테레프탈(Terephtal)과 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol) 을 중축합하여 얻는 포화 폴리에스테르(Polyester)를 포함할 수 있다. 여기서, PET는 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybuthylene Terephtalate)보다 분자고리의 길이가 짧고 잘 휘어지지 않는 구조를 가지므로, 전기적 아크에 강할 뿐만 아니라, 크랙 발생을 방지할 수 있다.

코일(402)에는 환상면체의 일부분을 둘러싸는 테잎(412)이 포함될 수 있다. 여기서, 테잎(412)은 오차범위 ± 1mm 이하의 5mm 폭(TD)을 가질 수 있다. 또한, 테잎(412)은 노란색일 수 있다.

한편, 코일(402)은 130~150KHz(예를 들어, 145KHz)의 주파수 대역에서 송신동작할 때, 오차범위 10%의 8.6uH의 인턱턴스를 가질 수 있다.

또한, 차폐판(408)은 돌출 영역이 없는 평면 형상을 가질 수 있다. 또한, 차폐판(408)은 하나의 평면을 가지며 여러 개로 나뉘어지지 않는 구조적 형상을 가질 수 있다.

실시예에 따라, 코일(402)로부터 두 개의 리드선(414, 416)이 돌출될 수 있다. 두 개의 리드선(414, 416)이 돌출되는 위치의 간격(RE)은 오차범위 ± 1.5mm 이하의 8mm 일 수 있다. 또한, 두 개의 리드선(414, 416)의 길이(RF)는 오차범위 ± 2mm 이하의 80mm 일 수 있다. 도시되지 않았지만, 두 개의 리드선(414, 416)의 끝에는 오차범위 ± 1mm 이하의 5mm의 솔더링 영역이 포함될 수 있다.

실시예에 따라, 코일(402) 내지 기판(420)을 합친 두께는 4.8mm 이하 일 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 및 수신을 위한 코일 어셈블리의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로 도 4 및 도 5에서 설명한 코일 어셈블리가 적용된 무선 충전 송신기와 무선 충전 수신기의 등가 회로를 설명하였고, 무선 충전 송신기와 무선 충전 수신기의 사이 거리(Coil to Coil Gap)에 따라 변화하는 전자기적 특성을 설명하였다.

도시된 바와 같이, 무선 충전 송신기와 무선 충전 수신기의 사이 거리(Coil to Coil Gap)가 변화하더라도 상호 인덕턴스(M)가 존재하며, 이는 무선 충전 송신기와 무선 충전 수신기 사이에 무선 충전이 효율적으로 수행될 수 있음을 의미할 수 있다. 무선 충전 송신기와 무선 충전 수신기의 사이 거리(Coil to Coil Gap)가 멀어질수록 상호 인덕턴스(M)의 값이 낮아지고 있으나 14mm의 간격까지 무선 충전이 진행되는 데 문제가 없을 수 있다.

전술한 실시예를 통하여, 평면의 차폐판을 사용할 수 있어 무선 충전 송신기와 무선 충전 수신기에 포함되는 코일 어셈블리의 생산성을 높일 수 있다.

또한, 무선 충전 송신기와 무선 충전 수신기의 사이 거리(Coil to Coil Gap)가 14mm까지 벌어지더라도 충전이 수행되는 데 문제가 없기 때문에 충전의 자유도가 높아질 수 있다. 특히, 무선 충전 송신기와 무선 충전 수신기의 코일 어셈블리가 정렬되지 않고 정 중앙에서 5mm~10mm 이격되더라도 무선 충전이 수행될 수 있다.

한편, 무선 충전 송신기와 무선 충전 수신기에 포함되는 코일 어셈블리에 곡면 혹은 단차 등의 특수 형태를 가지는 복잡한 구조물이 포함되지 않아, 코일 어셈블리의 양산성이 높아질 수 있다.

또한, 도 4 및 도 5에서 설명한 코일 어셈블리가 적용된 무선 충전 송신기와 무선 충전 수신기를 통해 무선 충전을 수행하는 경우, 종래의 15Watt 급 무선충전 코일 대비하여 발열이 감소할 수 있다. 기존의 15Watt 급 무선 충전 코일은 약 60~70도의 온도가 형성되는데 반하여, 도 4 및 도 5에서 설명한 코일 어셈블리를 사용한 60Watt 급 무선 충전 과정에서는 30~40도의 온도가 형성될 수 있다.

한편, 도 4 및 도 5에서 설명한 코일 어셈블리가 적용된 무선 충전 송신기에서는 12V~19V의 DC전원이 아닌 220V의 AC전원을 사용할 수 있어, 무선 충전의 전력 효율이 높아질 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.

Claims (10)

1. 기판; 및
   상기 기판의 일면에 배치되는 코일을 포함하고,
   상기 기판은 오차범위 ± 1.2mm 내외의 90mm의 직경을 가지는 오차범위 ± 0.15mm 이하의 3.0mm 두께의 차폐판을 포함하며,
   상기 코일은 0.7mm의 와이어를 3층으로 감아 평면 상으로 내측은 오차범위 ± 0.5mm 이하의 60mm 직경을 가지고 외측은 오차범위 ± 2mm 이하의 77mm 직경을 가지며 오차범위 ± 0.15mm 이하의 2.1mm두께를 가지는 환상(環狀)면체(toroidal)로 구성되고,
   상기 코일에는 상기 3층의 각층마다 상기 와이어가 13번 이상 감겨 총 40번 감겨 있으며,
   상기 코일은 130~150kHz의 주파수 범위에서 동작할 경우, 오차범위 ± 10%의 330uH의 인턱턴스를 가지고,
   20W 내지 100W 범위의 무선 전력 신호를 송신하는, 코일 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기판은
   상기 코일과 상기 차폐판 사이에 배치되는 0.05mm 두께의 PET 필름 및 0.1mm 두께의 접착층; 및
   상기 기판은 상기 차폐판에서 상기 코일이 배치되는 면의 반대측에 0.05mm 두께의 접착층을 더 포함하는, 코일 어셈블리.
3. 제1항에 있어서,
   상기 코일은 상기 환상면체의 일부분을 둘러싸는 테잎을 포함하며,
   상기 테잎은 오차범위 ± 1mm 이하의 5mm 폭을 가지는, 코일 어셈블리.
4. 제1항에 있어서,
   상기 코일 어셈블리는 60W의 무선 전력 신호를 송신하는 코일이 감겨 있는, 코일 어셈블리.
5. 제1항에 있어서,
   상기 차폐판은 돌출 영역이 없는 평면 형상을 가지는, 코일 어셈블리.
6. 기판; 및
   상기 기판의 일면에 배치되는 코일을 포함하고,
   상기 기판은 오차범위 ± 1.2mm 내외의 90mm의 직경을 가지는 오차범위 ± 0.15mm 이하의 3.0mm 두께의 차폐판을 포함하며,
   상기 코일은 오차범위 ± 0.15mm 이하의 1.3mm의 와이어를 단층으로 감아 평면 상으로 내측은 오차범위 ± 0.5mm 이하의 61.5mm 직경을 가지고 외측은 오차범위 ± 2mm 이하의 75.5mm 직경을 가지는 환상(環狀)면체(toroidal)로 구성되고,
   상기 코일에는 상기 와이어가 6번 감겨있으며,
   상기 코일은 130~150kHz의 주파수 범위범위에서 동작할 경우, 오차범위 ± 10%의 8.6uH의 인턱턴스 가지고,
   20W 내지 100W 범위의 무선 전력 신호를 수신하는, 코일 어셈블리.
7. 제6항에 있어서,
   상기 기판은
   상기 코일과 상기 차폐판 사이에 배치되는 0.05mm 두께의 PET 필름 및 0.1mm 두께의 접착층; 및
   상기 기판은 상기 차폐판에서 상기 코일이 배치되는 면의 반대측에 0.05mm 두께의 접착층을 더 포함하는, 코일 어셈블리.
8. 제6항에 있어서,
   상기 코일은 상기 환상면체의 일부분을 둘러싸는 테잎을 포함하며,
   상기 테잎은 오차범위 ± 1mm 이하의 5mm 폭을 가지는, 코일 어셈블리.
9. 제1항에 있어서,
   상기 코일 어셈블리는 60W의 무선 전력 신호를 수신하는, 코일 어셈블리.
10. 제6항에 있어서,
    상기 차폐판은 돌출 영역이 없는 평면 형상을 가지는, 코일 어셈블리.

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