KR20220062870A - 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단 - Google Patents

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Abstract

일 구현예에 따른 무선충전 장치는 80℃에서의 인덕턴스 편차가 0 이상을 갖고, 자성부의 투자율 변화율(△P1)이 0/℃ 이상을 가짐으로써, 고온 안정성이 우수하여, 고온에서도 우수한 충전 효율을 유지할 수 있다.
따라서 상기 무선충전 장치는 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차 등의 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 고온 안정성이 우수하여 고온에서도 충전 효율이 우수한 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 무선전력 전송 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 전자기기 등에 무선으로 전력을 전송하는 방안에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기 무선전력 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 무선전력 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.
무선충전 장치는 무선충전 동작 중에 코일부의 저항과 자성부의 자기 손실에 의해 열을 발생한다. 특히 무선충전 장치 내의 자성부는 무선충전 시, 불가피하게 고온의 열을 발생하고, 발생한 열은 자성부의 자기 특성을 변화시키고 무선충전 장치의 파손 및 전력변환 회로 파괴 가능성 등의 안전상 문제를 야기하여 사용성에 제약을 초래하거나 충전 효율을 저하시킬 수 있다.
한국 공개특허공보 제2011-0042403호
본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 고안된 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 기술적 과제는 고온 안정성을 부여함으로써, 고온에서도 충전 효율이 우수한 무선충전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 무선충전 장치를 포함하는 이동 수단을 제공하는 것이다.
일 구현예에 따르면, 코일부; 및 상기 코일부 상에 배치되는 자성부를 포함하고, 하기의 수식 1로 표시되는 80℃에서의 인덕턴스 편차(ID1)가 0 이상인, 무선충전 장치가 제공된다:
[수식 1]
ID1 =
Figure pat00001
여기서, I25는 25℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이고, I80은 80℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이다.
다른 구현예에 따르면, 코일부; 및 상기 코일부 상에 배치되는 자성부를 포함하고, 상기 자성부는 하기의 수식 6으로 표시되는 제 1 투자율 변화율(△P1)이 0/℃ 이상인, 무선충전 장치가 제공된다:
[수식 6]
△P1 =
Figure pat00002
여기서, P20은 20℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이고,
P0는 0℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이다.
다른 구현예에 따르면, 무선충전 장치를 포함하고, 상기 무선충전 장치는 코일부; 및 상기 코일부 상에 배치되는 자성부를 포함하고, 이때, 상기 무선충전 장치가 하기의 수식 1로 표시되는 80℃에서의 인덕턴스 편차(ID1)가 0 이상이거나, 상기 자성부가 하기의 수식 6으로 표시되는 제 1 투자율 변화율(△P1)이 0/℃ 이상이거나, 또는 이들 둘 다를 만족하는, 이동 수단이 제공된다:
[수식 1]
ID1 =
Figure pat00003
여기서, I25는 25℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이고,
I80은 80℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이고,
[수식 6]
△P1 =
Figure pat00004
여기서, P20은 20℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이고,
P0는 0℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이다.
상기 구현예에 따르면, 본 발명의 무선충전 장치는 80℃에서의 인덕턴스 편차가 0 이상을 가짐으로써, 고온 안정성이 향상되어, 고온에서도 충전 효율이 우수한, 무선충전 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 무선충전 장치에 있어서, 자성부의 투자율 변화율이 0/℃ 이상을 가짐으로써 내열 특성이 향상되어 충전 효율을 더욱 향상시킬 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 2는 일 구현예에 따른 상기 무선충전 장치의 사시도를 나타낸 것이다.
도 3a는 도 2에서의 A-A' 선을 따라 절개한 상기 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3b는 또 다른 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 무선충전 장치의 무선충전 시간에 따른 충전 효율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1의 무선충전 장치의 무선충전 시간에 따른 자성부의 발열 온도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1의 무선충전 장치의 150℃에서의 인덕턴스 변화율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1의 무선충전 장치의 -40℃ 내지 120℃의 온도 상승에 따른 인덕턴스 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1의 -40℃ 내지 120℃의 온도 상승에 따른 고분자형 자성부의 투자율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 일 구현예에 따른 몰드를 통해 자성부를 성형하는 공정을 나타낸 것이다.
도 10은 일 구현예에 따른 무선충전 장치를 구비하는 이동 수단(전기 자동차)을 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 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.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
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 해석된다.
[무선충전 장치]
본 발명의 일 구현예에 따른 무선충전 장치는 코일부; 및 상기 코일부 상에 배치되는 자성부를 포함하고, 하기의 수식 1로 표시되는 80℃에서의 인덕턴스 편차(ID1)가 0 이상이다.
[수식 1]
ID1 =
Figure pat00005
여기서, I25는 25℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이고,
I80은 80℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이다.
상기 무선충전 장치는 80℃에서의 인덕턴스 편차가 0 이상을 가짐으로써, 고온 안정성이 향상되어, 고온에서도 우수한 충전 효율을 유지할 수 있다.
구체적으로, 상기 무선충전 장치의 80℃에서의 인덕턴스 편차(ID1)는 80℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스(I80)와 25℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스(I25)의 차(I80-I25)에 대한 25℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스 값으로서, 상기 무선충전 장치의 인덕턴스 편차(ID1)는 0 또는 양(+)의 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 무선충전 장치의 80℃에서의 인덕턴스 편차(ID1)가 0 이상을 가짐으로써, 충전 효율을 향상시키거나, 또는 온도가 증가하여도 우수한 충전 효율을 유지하거나 그 감소 정도를 최소화할 수 있다.
구체적으로, 상기 무선충전 장치의 80℃에서의 인덕턴스 편차(ID1)는 0 이상, 0 초과, 0.0001 이상, 0.0005 이상, 0.001 이상, 0.005 이상, 0.008 이상, 또는 0.01 이상일 수 있다. 또한, 상기 무선충전 장치의 80℃에서의 인덕턴스 편차(ID1)는 1 이하, 1 미만, 0.9 이하, 0.8 이하, 0.7 이하, 0.6 이하, 0.5 이하, 0.4 이하, 0.3 이하, 0.2 이하, 0.1 이하, 0.09 이하, 또는 0.08 이하일 수 있다. 상기 무선충전 장치의 80℃에서의 인덕턴스 편차(ID1)는 예컨대 0 이상 내지 1 이하, 0 초과 내지 1 미만, 0.0001 이상 내지 0.9 이하, 0.0005 이상 내지 0.8 이하, 또는 0.001 이상 내지 0.7 이하일 수 있다.
상기 무선충전 장치의 80℃에서의 인덕턴스 편차(ID1)가 음(-)의 값을 갖는 경우, 충전 효율이 감소할 수 있고, 특히 고온 안정성이 저감되어 온도가 상승하는 경우 충전 효율이 급격히 떨어질 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 무선충전 장치는 하기의 수식 2로 표시되는 60℃에서의 인덕턴스 편차(ID2)가 0 이상일 수 있다.
[수식 2]
ID2 =
Figure pat00006
여기서, I25는 25℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이고,
I60은 60℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이다.
구체적으로, 상기 무선충전 장치의 60℃에서의 인덕턴스 편차(ID2)는 0 이상, 0 초과, 0.0001 이상, 0.0005 이상, 0.001 이상, 0.005 이상, 0.008 이상, 또는 0.01 이상일 수 있다. 또한, 상기 무선충전 장치의 60℃에서의 인덕턴스 편차(ID2)는 1 이하, 1 미만, 0.9 이하, 0.8 이하, 0.7 이하, 0.6 이하, 0.5 이하, 0.4 이하, 0.3 이하, 0.2 이하, 0.1 이하, 0.09 이하, 또는 0.08 이하일 수 있다. 상기 무선충전 장치의 60℃에서의 인덕턴스 편차(ID2)는 예컨대 0 이상 내지 1 이하, 0 초과 내지 1 미만, 0.0001 이상 내지 0.9 이하, 0.0005 이상 내지 0.8 이하, 0.001 이상 내지 0.7 이하, 또는 0.001 이상 내지 0.6 이하일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 무선충전 장치의 60℃에서의 인덕턴스 편차(ID2)가 0 이상을 가짐으로써, 고온 안정성이 우수하여 온도가 증가하여도 우수한 충전 효율을 유지하거나 그 감소 정도를 최소화할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 무선충전 장치는 하기의 수식 3으로 표시되는 100℃에서의 인덕턴스 편차(ID3)가 0 이상일 수 있다.
[수식 3]
ID3 =
Figure pat00007
여기서, I25는 25℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이고,
I100은 100℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이다.
구체적으로, 상기 무선충전 장치의 100℃에서의 인덕턴스 편차(ID3)는 0 이상, 0 초과, 0.0001 이상, 0.0005 이상, 0.001 이상, 0.005 이상, 0.008 이상, 또는 0.01 이상일 수 있다. 또한, 상기 무선충전 장치의 100℃에서의 인덕턴스 편차(ID3)는 1 이하, 1 미만, 0.9 이하, 0.8 이하, 0.7 이하, 0.6 이하, 0.5 이하, 0.4 이하, 0.3 이하, 0.2 이하, 0.1 이하, 0.09 이하, 또는 0.08 이하일 수 있다. 상기 무선충전 장치의 100℃에서의 인덕턴스 편차(ID3)는 예컨대 0 이상 내지 1 이하, 0 초과 내지 1 미만, 0.0001 이상 내지 0.9 이하, 0.0005 이상 내지 0.8 이하, 0.001 이상 내지 0.5 이하, 또는 0.001 이상 내지 0.1 이하일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 무선충전 장치의 100℃에서의 인덕턴스 편차(ID3)가 0 이상을 가짐으로써, 고온 안정성이 우수하여 온도가 증가하여도 우수한 충전 효율을 유지하거나 그 감소 정도를 최소화할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 무선충전 장치는 하기의 수식 5로 표시되는 40℃에서의 인덕턴스 편차(ID4)가 0 이상일 수 있다.
[수식 5]
ID4 =
Figure pat00008
여기서, I25는 25℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이고,
상기 I40은 40℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이다.
구체적으로, 상기 무선충전 장치의 40℃에서의 인덕턴스 편차(ID4)는 0 이상, 0 초과, 0.0001 이상, 0.0005 이상, 0.001 이상, 0.005 이상, 0.008 이상, 또는 0.01 이상일 수 있다. 또한, 상기 무선충전 장치의 40℃에서의 인덕턴스 편차(ID4)는 1 이하, 1 미만, 0.9 이하, 0.8 이하, 0.7 이하, 0.6 이하, 0.5 이하, 0.4 이하, 0.3 이하, 0.2 이하, 0.1 이하, 0.09 이하, 0.08 이하, 또는 0.05 이하일 수 있다. 상기 무선충전 장치의 40℃에서의 인덕턴스 편차(ID4)는 예컨대 0 이상 내지 1 이하, 0 초과 내지 1 미만, 0.0001 이상 내지 0.9 이하, 0.0005 이상 내지 0.8 이하, 0.001 이상 내지 0.7 이하, 0.001 이상 내지 0.5 이하, 또는 0.001 이상 내지 0.4 이하일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 무선충전 장치의 40℃에서의 인덕턴스 편차(ID4)가 0 이상을 가짐으로써, 고온 안정성이 우수하여 온도가 증가하여도 우수한 충전 효율을 유지하거나 그 감소 정도를 최소화할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 무선충전 장치는 하기의 수식 4로 표시되는 인덕턴스 변화율(ΔID)이 0/℃ 초과일 수 있다.
[수식 4]
ΔID =
Figure pat00009
여기서, 상기 ID3 및 상기 ID4는 상술한 바와 같다.
상기 인덕턴스 변화율(ΔID)은 100℃에서의 인덕턴스 편차(ID3)와 40℃에서의 인덕턴스 편차(ID4)의 차이를 20℃로 나눈 값이다.
구체적으로, 상기 무선충전 장치의 인덕턴스 변화율(ΔID)은 0.00001/℃ 이상, 0.00002/℃ 이상, 0.00003/℃ 이상, 0.00004/℃ 이상, 0.00005/℃ 이상, 또는 0.00006/℃ 이상일 수 있다. 또한, 상기 무선충전 장치의 인덕턴스 변화율(ΔID)은 0.5/℃ 이하, 0.4/℃ 이하, 0.3/℃ 이하, 0.2/℃ 이하, 0.1/℃ 이하, 0.05/℃ 이하, 0.02/℃ 이하, 0.01/℃ 이하, 0.005/℃ 이하, 또는 0.001/℃ 이하일 수 있다. 상기 무선충전 장치의 인덕턴스 변화율(ΔID)은 예컨대 0/℃ 초과 내지 0.5/℃ 이하, 0/℃ 초과 내지 0.4/℃ 이하, 0.00001/℃ 이상 내지 0.3/℃ 이하, 0.00002/℃ 이상 내지 0.02/℃ 이하, 0.00003/℃ 이상 내지 0.005/℃ 이하, 0.00004/℃ 이상 내지 0.001/℃ 이하일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 무선충전 장치의 인덕턴스 변화율(ΔID)이 0/℃ 초과를 가짐으로써, 고온 안정성이 우수하여 온도가 증가하여도 우수한 충전 효율을 유지하거나 그 감소 정도를 최소화할 수 있다.
상기 인덕턴스는 전류의 변화를 방해하는 도체의 성질을 의미하는 것으로서, 흐르고 있는 전류의 변화에 따라 전자기유도로 생기는 역기전력의 비율을 의미한다.
상기 인덕턴스에 영향을 미치는 요소는 다양할 수 있고, 예를 들어 자성부의 재료, 투자율, 코일의 권선수, 코어 및 자성부의 크기와 단면적 등 다양할 수 있다. 특히, 상기 인덕턴스는 자성부의 재료 또는 성질에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 상기 인덕턴스, 인덕턴스 편차 또는 인덕턴스 변화율은 무선충전 장치의 인덕턴스, 인덕턴스 편차 또는 인덕턴스 변화율일 수 있고, 구체적으로 코일부, 자성부, 스페이서(두께 5T) 및 쉴드부를 순차적으로 적층하여 포함하는 무선충전 패드의 인덕턴스, 인덕턴스 편차 또는 인덕턴스 변화율일 수 있다. 예를 들어, 30 μH의 인덕턴스를 갖고 및 코일의 직경 5 mm, 1000 가닥인 사각형의 평면 코일, 및 320mm x 320mm x 5mm 부피의 자성부 및 350mm x 350mm x 2 mm의 알루미늄(Al) 쉴드부를 사용하여, LCR 미터(히오끼사의 IM3536 장비)를 이용하여 측정한다. 상기 장비를 코일부에 연결한 후, LCR 미터의 셋팅값을 85 kHz로 설정한 후 인덕턴스(Ls)를 측정 할 수 있다.
상기 무선충전 장치는 20℃에서의 인덕턴스가 30 내지 50 μH, 35 내지 45 μH, 38 내지 45 μH, 39 내지 43 μH, 40.07 내지 43 μH, 또는 40.09 내지 43 μH 일 수 있다.
상기 무선충전 장치는 25℃에서의 인덕턴스가 35 내지 50 μH, 38 내지 50 μH, 40 내지 50 μH, 40 내지 45 μH, 또는 40 내지 43 μH일 수 있다.
상기 무선충전 장치는 40℃에서의 인덕턴스가 39 내지 52 μH, 39 내지 50 μH, 40 내지 50 μH, 42 내지 50 μH, 또는 42 내지 45 μH일 수 있다.
상기 무선충전 장치는 60℃에서의 인덕턴스가 37 내지 55 μH, 39 내지 52 μH, 40 내지 50 μH, 42 내지 50 μH, 또는 42 내지 48 μH일 수 있다.
상기 무선충전 장치는 80℃에서의 인덕턴스가 35 내지 55 μH, 38 내지 52 μH, 40 내지 50 μH, 42 내지 50 μH, 또는 42 내지 48 μH일 수 있다.
상기 무선충전 장치는 100℃에서의 인덕턴스가 32 내지 55 μH, 35 내지 52 μH, 38 내지 50 μH, 40 내지 50 μH, 또는 42 내지 48 μH일 수 있다.
상기 무선충전 장치는 120℃에서의 인덕턴스가 30 내지 52 μH, 35 내지 52 μH, 38 내지 50 μH, 40 내지 50 μH, 또는 40 내지 48 μH일 수 있다.
상기 무선충전 장치는 각 온도에서 상기 인덕턴스가 상기 범위를 만족하는 경우, 본 발명의 구현예에서 만족하는 무선충전 장치의 물성 범위를 만족할 수 있고, 이로써 고온에서 자성부의 변형 및 파손 발생을 최소화할 수 있고, 충전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 고온 안정성을 부여할 수 있으므로, 온도가 증가하여도 우수한 충전 효율을 유지하거나 그 감소 정도를 최소화할 수 있다.
또한, 상기 무선충전 장치는 각 온도에서의 인덕턴스를 적절히 조절하여 상기 수식 1 내지 5를 만족할 수 있다.
한편, 상기 무선충전 장치는 25℃ 내지 120℃로 온도가 상승할 때, 인덕턴스 변화율이 10% 이하일 수 있다. 상기 구현예에 따르면, 25℃ 내지 120℃로 온도가 증가하여도 인덕턴스 변화율이 10% 이하인 경우, 무선충전 장치의 고온 안정성이 우수하여, 고온에서도 우수한 충전 효율을 유지할 수 있다.
구체적으로, 25℃ 내지 120℃로 온도가 상승할 때, 인덕턴스 변화율은 예를 들어 9% 이하, 예를 들어 8% 이하, 예를 들어 7% 이하, 예를 들어 6% 이하, 예를 들어 4% 이하, 예를 들어 3.9% 이하, 예를 들어 3.8% 이하, 예를 들어 3.7% 이하, 예를 들어 3% 이하, 예를 들어 2% 이하, 예를 들어 1% 이하일 수 있다. 상기 인덕턴스 변화율이 낮을수록 내열 특성과 자성 특성이 향상될 수 있다.
일반적으로 인덕턴스는 온도가 상승함에 따라 급격히 감소하는 경향이 있다.
이에 반해, 본 발명의 구현예에 따른 무선충전 장치는 온도가 상승함에 따라 인덕턴스 변화율이 10% 이하로 낮은 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 인덕턴스 특성을 갖는 무선충전 장치는 고온에서 자성부의 변형 및 파손 발생을 최소화할 수 있고 고온 안정성을 부여할 수 있으므로, 온도가 상승하여도 우수한 충전 효율을 만족할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 무선충전 장치는 코일부; 및 상기 코일부 상에 배치되는 자성부를 포함하고, 상기 자성부는 하기의 수식 6으로 표시되는 제 1 투자율 변화율(△P1)이 0/℃ 이상이다.
[수식 6]
△P1 =
Figure pat00010
여기서, P20은 20℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이고,
P0는 0℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이다.
구체적으로, 상기 자성부에 있어서, 제 1 투자율 변화율(△P1)은 20℃의 온도에서 측정되는 자성부의 투자율과 0℃의 온도에서 측정되는 자성부의 투자율의 차이를 20℃로 나눈 값이다.
구체적으로, 상기 제 1 투자율 변화율(△P1)은 0/℃ 이상, 0/℃ 초과, 0.0001/℃ 이상, 0.0005/℃ 이상, 0.001/℃ 이상, 0.005/℃ 이상, 0.008/℃ 이상, 0.01/℃ 이상, 또는 0.1/℃ 이상일 수 있다. 또한, 상기 제 1 투자율 변화율(△P1)은 3/℃ 이하, 2/℃ 이하, 1/℃ 이하, 0.9/℃ 이하, 0.8/℃ 이하, 0.7/℃ 이하, 0.6/℃ 이하, 또는 0.5/℃ 이하일 수 있다. 상기 제 1 투자율 변화율(△P1)은 예컨대 0/℃ 이상 내지 3/℃ 이하, 0/℃ 초과 내지 3/℃ 이하, 0.0001/℃ 이상 내지 2/℃ 이하, 0.0005/℃ 이상 내지 1/℃ 이하, 0.001/℃ 이상 내지 0.9/℃ 이하, 0.005/℃ 이상 내지 0.8/℃ 이하, 0.005/℃ 이상 내지 0.7/℃ 이하, 또는 0.1/℃ 이상 내지 0.6/℃ 이하일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 제 1 투자율 변화율(△P1)이 0/℃ 이상을 가짐으로써, 고온 안정성이 우수하여 온도가 증가하여도 우수한 충전 효율을 유지하거나 그 감소 정도를 최소화할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 무선충전 장치에 있어서, 상기 자성부는 하기의 수식 7로 표시되는 제 2 투자율 변화율(△P2)이 0/℃ 이상이다.
[수식 7]
△P2 =
Figure pat00011
여기서, P20은 20℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이고,
P40는 40℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이다.
구체적으로, 상기 자성부에 있어서, 제 2 투자율 변화율(△P2)은 40℃의 온도에서 측정되는 자성부의 투자율과 20℃의 온도에서 측정되는 자성부의 투자율의 차이를 20℃로 나눈 값이다.
구체적으로, 상기 제 2 투자율 변화율(△P2)은 0/℃ 이상, 0/℃ 초과, 0.0001/℃ 이상, 0.0005/℃ 이상, 0.001/℃ 이상, 0.005/℃ 이상, 0.008/℃ 이상, 0.01/℃ 이상, 또는 0.1/℃ 이상일 수 있다. 또한, 상기 제 2 투자율 변화율(△P2)은 3/℃ 이하, 2/℃ 이하, 1/℃ 이하, 0.9/℃ 이하, 0.8/℃ 이하, 0.7/℃ 이하, 0.6/℃ 이하, 또는 0.5/℃ 이하일 수 있다. 상기 제 2 투자율 변화율(△P2)은 예컨대 0/℃ 이상 내지 3/℃ 이하, 0/℃ 초과 내지 3/℃ 이하, 0.0001/℃ 이상 내지 2/℃ 이하, 0.0005/℃ 이상 내지 1/℃ 이하, 0.001/℃ 이상 내지 0.9/℃ 이하, 0.005/℃ 이상 내지 0.8/℃ 이하, 0.005/℃ 이상 내지 0.7/℃ 이하, 또는 0.1/℃ 이상 내지 0.5/℃ 이하 일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 제 2 투자율 변화율(△P2)이 0/℃ 이상을 가짐으로써, 고온 안정성이 우수하여 온도가 증가하여도 우수한 충전 효율을 유지하거나 그 감소 정도를 최소화할 수 있다.
본 발명의 또 다른 무선충전 장치에 있어서, 상기 자성부는 60℃ 내지 100℃의 온도에서 투자율의 최대값을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 자성부는 60℃ 내지 90℃의 온도에서 투자율의 최대값을 가질 수 있다. 상기 60℃ 내지 100℃의 온도에서의 투자율 u' 은 90 이상, 95 이상, 98 이상 또는 100 이상일 수 있다. 또한, 상기 60℃ 내지 100℃의 온도에서의 투자율 u'은 110 이하, 105 이하, 103 이하, 또는 102 이하일 수 있다. 상기 60℃ 내지 100℃의 온도에서의 투자율 u'은 예컨대, 90 내지 110, 90 내지 105, 95 내지 105, 또는 98 내지 103 일 수 있다.
상기 자성부가 60℃ 내지 100℃의 온도에서 투자율의 최대값을 갖는 경우, 자성부의 내열 특성을 더욱 향상시킬 수 있고, 무선충전 장치의 고온 안정성을 제공할 수 있으므로, 고온에서도 우수한 충전 효율을 유지할 수 있다.
또한, 25℃ 내지 120℃로 온도가 상승할 때, 상기 고분자형 자성부의 투자율 변화율이 10% 이하일 수 있다.
상기 구현예에 따르면, 25℃ 내지 120℃로 온도가 증가하여도 자성부의 투자율 변화율이 10% 이하를 가짐으로써, 자성부의 내열 특성을 더욱 향상시킬 수 있고, 무선충전 장치의 고온 안정성을 제공할 수 있으므로, 고온에서도 우수한 충전 효율을 유지할 수 있다.
구체적으로, 상기 자성부는 25℃ 내지 120℃로 온도가 상승할 때, 자성부의 투자율 변화율이 예를 들어 9% 이하, 예를 들어 8% 이하, 예를 들어 7% 이하, 예를 들어 5% 이하, 예를 들어 3% 이하, 예를 들어 2% 이하, 예를 들어 1% 이하, 예를 들어 0.5% 이하, 예를 들어 0.2% 이하, 예를 들어 0.1% 이하, 예를 들어 0.07% 이하일 수 있다.
상기 투자율은 자기장의 영향을 받아 자화할 때에 생기는 자기력선속밀도와 진공 중에서 나타나는 자기장 세기의 비를 의미하며, 이러한 투자율은 자성부의 종류에 따라 영향을 받는다. 일반적으로 자성부의 투자율은 온도 상승과 더불어 증가하다가 어느 온도시점부터 급격히 감소하는 경향이 있을 수 있다.
상기 투자율 변화율이 낮을수록 내열 특성과 자성 특성이 향상될 수 있다. 이 경우, 고온에서 자성부의 변형 및 파손 발생을 최소화할 수 있고 고온 안정성을 부여할 수 있으므로, 고온에서도 우수한 충전 효율을 유지할 수 있다.
만일, 상기 자성부가 상기 온도 범위에서 투자율 변화율이 10%를 초과하는 경우 내열 특성이 저하될 수 있다. 상기 온도 범위에서 상기 자성부의 투자율이 증가하여 내열 특성이 저하하는 경우, 고온에서 자성부의 변형 및 파손이 발생할 수 있고, 이로 인해 자성 특성이 감소하여 충전 효율 감소 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 투자율은 에질런트사의 4294A 장비를 이용하여 주파수 85 kHz에서 측정한다.
본 발명의 구현예에 따르면, 0℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율 u' 은 45 내지 100, 50 내지 100, 55 내지 95, 60 내지 95, 70 내지 90, 또는 80 내지 92 일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 20℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율 u'은 45 내지 110, 50 내지 110, 55 내지 100, 70 내지 100, 80 내지 95, 또는 85 내지 95 일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 25℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율 u' 은 40 내지 120, 50 내지 120, 60 내지 110, 80 내지 110, 85 내지 100, 또는 88 내지 99 일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 40℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율 u' 은 40 내지 120, 50 내지 120, 60 내지 110, 80 내지 110, 85 내지 105, 또는 90 내지 105 일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 60℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율 u' 은 40 내지 150, 50 내지 140, 80 내지 140, 90 내지 130, 90 내지 120, 또는 90 내지 110 일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 80℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율 u' 은 40 내지 150, 50 내지 140, 80 내지 140, 90 내지 130, 90 내지 120, 또는 90 내지 110 일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 100℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율 u' 은 40 내지 120, 50 내지 120, 60 내지 110, 80 내지 110, 85 내지 105, 또는 90 내지 105 일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 120℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율 u'은 40 내지 120, 50 내지 120, 60 내지 110, 80 내지 110, 85 내지 105, 또는 90 내지 105 일 수 있다.
상기 무선충전 장치는 각 온도에서 상기 자성부의 투자율이 상기 범위를 만족하는 경우, 본 발명의 구현예에서 만족하는 무선충전 장치의 물성 범위를 만족할 수 있고, 이로써 고온에서 자성부의 변형 및 파손 발생을 최소화할 수 있고, 충전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 고온 안정성을 부여할 수 있으므로, 온도가 증가하여도 우수한 충전 효율을 유지하거나 그 감소 정도를 최소화할 수 있다.
또한, 상기 코일부에 85kHz의 주파수 및 6.6kW의 출력을 가지는 무선 전력이 10분 내지 30분 동안 송신될 때, 150℃에서의 인덕턴스 변화율은 예를 들어 0.3% 이하, 예를 들어 0.25% 이하, 예를 들어 0.2% 이하로 증가할 수 있다. 상기 150℃에서의 인덕턴스 변화율이 0.3%를 초과로 증가하는 경우, 내열 특성이 저하될 수 있으며, 이 경우 고온에서 자성부의 변형 및 파손이 발생할 수 있고, 이로 인해 자성 특성이 감소하여 충전 효율 감소 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 구현예에 따르면, 상기 고분자형 자성부 하면의 발열 온도가 25℃ 내지 100℃로 온도가 상승할 때, 충전 효율 변화율이 1% 이하, 예를 들어 0.8% 이하, 예를 들어 0.5% 이하, 예를 들어 0.3% 이하, 예를 들어 0.2% 이하, 예를 들어 0.1% 이하일 수 있다.
상기 자성부의 하면의 발열 온도는 퀄리트롤(Qualitrol)사의 T/GUARD 405-SYSTEM을 이용하여 자성부의 하면의 온도를 측정한다. 구체적으로, 상기 자성부의 하면의 발열 온도는 코일부에 대응되는 위치인 제 1 자성부의 중앙(최대 발열 온도)을 기준으로 측정한다.
일반적으로, 자성부의 발열 온도가 증가하는 경우 발생하는 열로 인한 손실 발생으로 충전 효율이 감소할 수 있다. 그러나, 본 발명의 구현예에 따라 내열 특성이 향상된 자성부를 사용하는 경우, 내열 특성으로 인해 열이 발생하여도(발열이 심해도) 충전 효율 감소를 최소화할 수 있다. 즉, 무선충전 내에서 발열이 증가하여도 우수한 충전 효율을 유지할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 인덕턴스 및 투자율의 물성 특징은 자성부의 재료로 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 인덕턴스 및 투자율의 물성 특징은 자성부, 예컨대 고분자형 자성부를 사용함으로써 본 발명의 구현예에 따라 목적하는 범위로 조절할 수 있다. 또한, 상기 인덕턴스 및 투자율의 물성 특징은 상기 고분자형 자성부에 포함된 필러의 종류, 입경 및 함량 등에 따라 달라질 수 있다. 또는, 상기 고분자형 자성부에 포함된 바인더 수지의 종류 및 함량에 따라 달라질 수 있다. 또는 상기 고분자형 자성부에 첨가되는 각종 첨가제의 종류 및 함량에 따라 달라질 수 있다. 또는, 상기 고분자형 자성부를 구성하는 상기 조합에 따라 달라질 수 있으므로, 필러, 바인더, 및/또는 첨가제의 적절한 종류 및 함량으로 선택함으로써 상기 인덕턴스 및 투자율의 물성 특징을 효과적으로 제어할 수 있다.
도 1 및 도 2는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해사시도 및 사시도를 각각 나타낸 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 무선 충전 장치(10)는 코일부(200); 및 상기 코일부(200) 상에 배치되는 자성부(300);를 포함한다. 또한, 상기 무선 충전 장치(10)는 상기 코일부(200)를 지지하는 지지부(100), 상기 자성부 상에 배치되는 쉴드부(400), 및 상기 구성 요소를 보호하는 하우징(600)을 더 포함할 수 있다.
이하 상기 무선충전 장치의 각 구성 요소별로 구체적으로 설명한다.
코일부
본 발명의 구현예에 따른 무선충전 장치는, 교류 전류가 흘러 자기장을 발생시킬 수 있는 코일부를 포함한다.
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, 2 mm 내지 7 mm 범위, 또는 3 mm 내지 5 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 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 1회 내지 50회, 5회 내지 30회, 5회 내지 20회, 또는 7회 내지 15회일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 평면 코일은 상기 전도성 와이어를 7회 내지 15회 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 자성부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 코일부와 상기 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.
자성부
상기 자성부는 코일부 주위에 생성되는 자기장의 자기 경로(magnetic path)를 형성할 수 있으며, 상기 코일부와 상기 쉴드부 사이에 배치된다.
상기 자성부는 상기 쉴드부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 자성부와 상기 쉴드부의 이격 거리는 3 mm 이상, 5 mm 이상, 3 mm 내지 10 mm, 또는 4 mm 내지 7 mm일 수 있다.
또한 상기 자성부는 상기 코일부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 자성부와 상기 코일부의 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.
상기 자성부는 필러 및 바인더 수지를 포함하는 고분자형 자성부(제 1 자성부)를 포함할 수 있다.
상기 자성부는 금속계 자성부, 예를 들어 나노결정질(nanocrystalline) 자성부(제 2 자성부)를 더 포함할 수 있다.
또한, 자성부는 산화물계 자성부(제 2 자성부)를 더 포함할 수 있다.
상기 자성부는 이들의 복합체(제 1 자성부 및 제 2 자성부)를 포함할 수 있다.
고분자형 자성부
상기 자성부는 바인더 수지 및 필러를 포함하는 고분자형 자성부를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 자성부는 상기 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 필러를 포함하는 고분자형 자성부를 포함할 수 있다. 상기 고분자형 자성부는 고분자형 자성 블록(PMB)을 포함할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 필러 및 바인더 수지를 포함하는 고분자형 자성부를 포함함으로써, 본 발명에서 목적하는 인덕턴스 편차, 인덕턴스 변화율 및 투자율 변화율을 달성할 수 있다.
상기 고분자형 자성부는 바인더 수지에 의해 필러들이 서로 결합됨으로써, 넓은 면적에서 전체적으로 결함이 적으면서 충격에 의해 손상이 적을 수 있다.
상기 필러는 페라이트(Ni-Zn계, Mg-Zn계, Mn-Zn계 페라이트 등)와 같은 산화물 필러; 퍼말로이(permalloy), 센더스트(sendust), 나노결정질(nanocrystalline) 자성체와 같은 금속계 필러; 또는 이들의 혼합 분말일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 필러는 Fe-Si-Al 합금 조성을 갖는 센더스트 입자일 수 있다.
일례로서, 상기 필러는 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. 구체적으로, 상기 식에서, X는 Al, Cr, 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 필러는 센더스트를 포함할 수 있다.
상기 필러의 평균 입경(D50)은 약 1 ㎛ 내지 300 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 200 ㎛ 또는 약 30 ㎛ 내지 150 ㎛의 범위일 수 있다. 상기 필러의 평균 입경이 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 고분자형 자성부의 내열 특성을 향상시킬 수 있고, 온도 상승에 따른 상기 인덕턴스 변화율 및 상기 투자율 변화율을 낮출 수 있다. 이로 인해 무선충전 장치의 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 필러는 상기 고분자형 자성부의 총 중량을 기준으로 60 중량% 이상, 70 중량% 이상, 또는 85 중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 고분자형 자성부는 상기 필러를 60 중량% 내지 90 중량%, 70 중량% 내지 90 중량%, 75 중량% 내지 90 중량%, 78 중량% 내지 90 중량%, 80 중량% 내지 90 중량%, 85 중량% 내지 90 중량%, 87 중량% 내지 90 중량%, 또는 89 중량% 내지 90 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 만일, 상기 필러의 함량이 60 중량% 미만인 경우, 상기 고분자형 자성부의 내열 특성이 저하되어 온도 상승에 따른 인덕턴스 변화율 및 투자율 변화율이 급격히 증가할 수 있다. 특히, 무선충전 장치의 인덕턴스 편차가 0 미만일 수 있다. 이로 인해, 고온에서 자성부의 변형 및 파손이 발생할 수 있고, 이로 인해 자성 특성이 감소하여 충전 효율이 감소할 수 있다.
상기 바인더 수지의 녹는점(Tm)은 150 내지 210℃일 수 있다. 예를 들어, 상기 바인더 수지의 녹는점(Tm)은 160 내지 200℃, 예를 들어 160 내지 180℃일 수 있다. 상기 바인더 수지의 녹는점(Tm)이 상기 범위를 만족하는 경우 150 내지 180℃의 온도에서 위치 변화량을 최소화하여 자성부의 내열 특성 및 자성 특성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 바인더 수지는 폴리이미드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아미드이미드 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 및 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
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.
구체적으로 상기 바인더 수지는 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지 및 폴리프로필렌 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 바인더 수지로서 내열 특성이 우수한 수지를 사용한다 하더라도, 필러와의 혼합이 잘 안 되는 경우, 본 발명의 구현예에 따라 목적하는 인덕턴스 편차, 인덕턴스 변화율 및 투자율 변화율을 만족하는 데에 어려움이 있을 수 있다. 따라서, 상기 바인더 수지 및 필러와 혼합이 잘되도록 선택하는 것이 중요할 수 있다.
예를 들어, 상기 바인더 수지는 폴리아미드 수지를 사용할 수 있고 상기 필러는 센더스트를 사용할 수 있다.
상기 고분자형 자성부는 상기 바인더 수지를 5 중량% 내지 40 중량%, 10 중량% 내지 40 중량%, 10 중량% 내지 20 중량%, 5 중량% 내지 20 중량%, 5 중량% 내지 15 중량%, 또는 7 중량% 내지 15 중량%의 양으로 함유할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따라 목적하는 인덕턴스 편차, 인덕턴스 변화율 및 투자율 변화율을 만족하기 위해, 상기 바인더 수지를 10 중량% 내지 40 중량%, 및 상기 필러를 80 중량% 내지 90 중량%의 양으로 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 바인더 수지를 10 중량% 내지 20 중량%, 및 상기 필러를 85 중량% 내지 90 중량%의 양으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 고분자형 자성부는 첨가제를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자형 자성부는 인산 및 실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 절연 코팅제를 더 포함할 수 있다. 상기 절연 코팅제는 산화막 형성을 위해 사용되는 첨가제로서, 고분자형 자성부의 총 중량을 기준으로 상기 절연 코팅제는 고분자형 자성부의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 10 중량%, 구체적으로 1 중량% 내지 8 중량%, 또는 2 중량% 내지 8 중량%의 양으로 첨가될 수 있다.
상기 첨가제를 상기 범위의 함량으로 포함하는 경우 상기 고분자형 자성부의 내열 특성을 향상시킬 수 있고, 온도 상승에 따른 상기 인덕턴스 변화율 및 상기 투자율 변화율을 낮출 수 있다. 특히, 상기 인덕턴스 편차가 0 이상을 만족할 수 있고, 이로 인해 무선충전 장치의 충전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 고분자형 자성부는 일정 비율로 신장될 수 있다. 예를 들어 상기 고분자형 자성부의 신장율은 0.5% 이상일 수 있다. 상기 신장 특성은 고분자를 적용하지 않는 세라믹계 자성부에서는 얻기 어려운 것으로, 대면적의 자성부가 충격에 의해 뒤틀림 등이 발생하더라도 손상을 줄여줄 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자형 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 물성이 떨어질 수 있으므로, 상기 신장율은 10% 이하로 하는 것이 좋다.
상기 고분자형 자성부는 충격 전후의 물성 변화율이 적으며, 일반적인 페라이트 자성 시트와 비교하여 월등하게 우수하다.
본 명세서에서 어떤 물성의 충격 전후의 물성 변화율(%)은 아래 식으로 계산될 수 있다.
특성 변화율(%) = | 충격 전 특성 값 - 충격 후 특성 값 | / 충격 전 특성 값 x 100
예를 들어, 상기 고분자형 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 고분자형 자성부는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 품질계수(Q factor) 변화율이 0% 내지 5%, 0.001% 내지 4%, 또는 0.01% 내지 2.5%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 충격 전후의 물성 변화가 적어서 자성부의 안정성과 내충격성이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 고분자형 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, 실재 충격과 진동이 가해지는 환경에서 반복하여 적용하더라도 저항값이 일정 수준 이하로 잘 유지될 수 있다.
또한, 상기 고분자형 자성부는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 충전 효율 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 물성을 보다 안정적으로 유지할 수 있다.
나노결정질 자성부
상기 자성부는 나노결정질(nanocrystalline) 자성부를 더 포함할 수 있다.
상기 나노결정질 자성부를 적용 시에, 코일부와 거리가 멀어질수록 코일부의 인덕턴스(Ls)가 낮아지더라도 저항(Rs)이 더욱 낮아짐으로써 코일의 품질계수(Q factor: Ls/Rs)가 높아져서 충전 효율이 향상되고 발열이 줄어들 수 있다.
예를 들어, 상기 나노결정질 자성부는 Fe계 나노결정질 자성부일 수 있고, 구체적으로 Fe-Si-Al계 나노결정질 자성부, Fe-Si-Cr계 나노결정질 자성부, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정질 자성부일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 나노결정질 자성부는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정질 자성부일 수 있고, 이 경우, Fe가 70 원소% 내지 85 원소%, Si 및 B의 합이 10 원소% 내지 29 원소%, Cu와 Nb의 합이 1 원소% 내지 5 원소%인 것이 바람직하다(여기서 원소%란 자성부를 이루는 총 원소의 갯수에 대한 특정 원소의 갯수의 백분율을 의미한다). 상기 조성 범위에서 Fe-Si-B-Cu-Nb계 합금이 열처리에 의해 나노상의 결정질로 쉽게 형성될 수 있다.
상기 나노결정질 자성부는, 예를 들어 Fe계 합금을 멜트 스피닝에 의한 급냉응고법(RSP)으로 제조하며, 원하는 투자율을 얻을 수 있도록 300℃ 내지 700℃의 온도 범위에서 30분 내지 2시간 동안 무자장 열처리를 행하여 제조될 수 있다.
만약 열처리 온도가 300℃ 미만인 경우 나노 결정질이 충분히 생성되지 않아 원하는 투자율이 얻어지지 않으며 열처리 시간이 길게 소요될 수 있고, 700℃를 초과하는 경우는 과열처리에 의해 투자율이 현저하게 낮아질 수 있다. 또한, 열처리 온도가 낮으면 처리시간이 길게 소요되고, 반대로 열처리 온도가 높으면 처리시간은 단축되는 것이 바람직하다.
나노결정질 자성부는 제조 공정상 두꺼운 두께를 만들기 어려우며 예를 들어 15 ㎛ 내지 35 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.
상기 나노결정질 자성부는 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수 근방에서 특정 범위의 자성 특성을 가질 수 있다.
예를 들어 상기 나노결정질 자성부는 85 kHz의 주파수에서 500 내지 150,000의 투자율 및 100 내지 50,000의 투자손실을 가질 수 있다. 일례로서, 상기 나노결정질 자성부가 파쇄형의 나노결정성 자성체를 포함할 경우 85 kHz의 주파수에서 500 내지 3,000 의 투자율 및 100 내지 1,000의 투자손실을 가질 수 있다. 다른 예로서, 상기 나노결정질 자성부가 비파쇄형의 나노결정성 자성체를 포함할 경우 85 kHz의 주파수에서 5,000 내지 150,000 의 투자율 및 1,000 내지 10,000의 투자손실을 가질 수 있다.
산화물계 자성부
상기 자성부는 산화물계 자성부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 산화물계 자성부는 페라이트계 소재일 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 유리하고, 보다 구체적으로 페라이트 소결체일 수 있다. 상기 페라이트계 소재는 원료 성분들을 혼합하고 하소 후 분쇄하고, 이를 바인더 수지와 혼합하여 성형하고 소성하여 시트 또는 블록 형태로 제조될 수 있다.
보다 구체적으로 상기 산화물계 자성부는 Ni-Zn계, Mg-Zn계, 또는 Mn-Zn계 페라이트일 수 있고, 특히 Mn-Zn계 페라이트는 79 kHz 내지 90 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.
상기 산화물계 자성부는 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수 근방에서 특정 범위의 자성 특성을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 산화물계 자성부, 구체적으로 페라이트계 소재의 85 kHz의 주파수에서 투자율은 1,000 내지 5,000, 1,000 내지 4,000, 또는 2,000 내지 4,000 일 수 있고, 투자손실은 0 내지 1,000, 0 내지 100, 또는 0 내지 50일 수 있다.
자성부의 제조방법
상기 자성부는, 예를 들어 고분자형 자성부를 포함할 수 있으며, 상기 고분자형 자성부는 필러와 바인더 수지를 혼합하여 슬러리화한 후 시트 형상으로 성형하고 경화하는 등의 시트화 과정으로 제조할 수 있다.
또한, 열가소성 수지를 이용해 일정한 두께를 갖는 대면적의 자성부를 제조하기 위해 몰드에 의해 입체 구조로 형성할 수 있으며, 구체적으로는 필러와 열 가소성 수지를 기계적 전단력과 열을 이용하여 혼련 후 기계 장치를 이용하여 펠렛화 하여 사출 성형의 방식으로 블록을 제조할 수 있다.
상기 제조의 방법에는 통상의 시트화 또는 블록화 방법이 적용될 수 있다.
상기 성형은 사출성형에 의해 자성부의 원료를 몰드에 주입하여 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자성부는 필러와 고분자 수지 조성물을 혼합하여 원료 조성물을 얻은 뒤, 도 9에서 보듯이, 상기 원료 조성물(701)을 사출성형기(702)에 의해 몰드(703)에 주입하여 제조될 수 있다. 이때 몰드(703)의 내부 형태를 입체 구조로 설계하여, 자성부의 입체 구조를 쉽게 구현할 수 있다. 이와 같은 공정은 기존의 소결 페라이트 시트를 자성부로 사용하는 경우에 비해 구조의 자유도 측면에서 유리할 수 있다.
자성부의 면적 및 두께
상기 자성부는 자성 시트, 자성 시트 적층체, 또는 자성 블록일 수 있다.
상기 자성부는 대면적을 가질 수 있고, 구체적으로 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상의 면적을 가질 수 있다. 또한, 상기 자성부는 10,000 cm2 이하의 면적을 가질 수 있다.
상기 대면적의 자성부는 다수의 단위 자성부가 조합되어 구성될 수 있으며, 이때, 상기 단위 자성부의 면적은 60 cm2 이상, 90 cm2, 또는 95 cm2 내지 900 cm2일 수 있다.
상기 자성 시트의 두께는 15 ㎛ 이상, 50 ㎛ 이상, 80 ㎛ 이상, 15 ㎛ 내지 150 ㎛, 15 ㎛ 내지 35 ㎛, 또는 85 ㎛ 내지 150 ㎛일 수 있다. 이러한 자성부는 통상의 필름 또는 시트를 제조하는 방법으로 제조될 수 있다.
상기 자성 시트의 적층체는 상기 자성 시트가 20장 이상, 또는 50장 이상 적층된 것일 수 있다. 또한 상기 자성 시트의 적층체는 상기 자성 시트가 150장 이하, 또는 100장 이하로 적층된 것일 수 있다.
상기 자성 블록의 두께는 1 mm 이상, 2 mm 이상, 3 mm 이상, 또는 4 mm 이상일 수 있다. 또한, 상기 자성 블록의 두께는 10 mm 이하일 수 있다.
쉴드부
상기 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는 전자파 차폐를 통해 무선충전 효율을 높이는 역할을 하는 쉴드부(400)을 더 포함할 수 있다.
상기 쉴드부는 상기 코일의 일면 상에 배치된다.
상기 쉴드부는 금속판을 포함하며, 이의 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.
하우징
상기 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는 상기 코일부(200) 및 상기 자성부(300)를 수용하는 하우징(600)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 하우징(600)은 상기 코일부(200), 쉴드부(400), 자성부(300) 등의 구성 요소가 적절하게 배치되어 조립될 수 있게 한다. 상기 하우징의 형상(구조)은 그 내부에 포함되는 구성 요소에 따라 또는 환경에 따라 임의로 설정할 수 있다. 상기 하우징의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 하우징의 재질 및 구조를 채용할 수 있다.
지지부
상기 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는 상기 코일부(200)을 지지하는 지지부(100)를 더 포함할 수 있다. 상기 지지부의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 지지부의 재질 및 구조를 채용할 수 있다. 상기 지지판은 평판 구조 또는 코일부를 고정시킬 수 있도록 코일 형태를 따라 홈이 파여진 구조를 가질 수 있다.
[무선충전 장치의 다양한 예]
도 3a 및 3b는 본 발명의 구현예에 따른 다양한 구조의 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
일 구현예에 따른 무선충전 장치는 도 3a를 참조하여, 코일부(200); 상기 코일부(200) 상에 배치되는 자성부(300)를 포함하고, 상기 자성부와 일정 간격 이격하여 쉴드부(400)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 자성부(300) 및 상기 쉴드부(400) 사이에 빈 공간 또는 스페이서부(700)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 자성부(300)은 필러 및 바인더 수지를 포함하는 고분자형 자성부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 자성부는 평면 구조일 수 있다. 또는 상기 자성부는 입체 구조일 수 있다. 상기 자성부가 입체 구조일 경우, 충전 효율 및 방열 특성을 향상시킬 수 있다.
도 3b를 다시 참조하여, 상기 자성부는 2종 이상의 하이브리드형 자성부를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 자성부는 서로 다른 종류의 제 1 자성부(300), 및 제 2 자성부(500)를 포함할 수 있다.
상기 제 1 자성부(300)는 고분자형 자성부를 포함할 수 있고, 제 2 자성부(500)는 나노결정질 또는 산화물계 자성부를 포함할 수 있다.
상기 고분자형 자성부인 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 상기 제 1 자성부에서 외곽부와 중심부는 두께가 동일할 수도 있다.
이와 같이 무선충전 중 전자기 에너지가 집중되는 코일 근방의 자성부의 두께를 두껍게 하고, 코일이 없어서 상대적으로 전자기 에너지 밀도가 낮은 중심의 자성부의 두께를 낮춤으로써, 코일 주변에 집중되는 전자기파를 효과적으로 집속시켜 충전 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 별도의 스페이서 없이 견고하게 코일과 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 고분자형 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 외곽부가 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.
예를 들면, 상기 무선충전 장치는 도 3b를 참조하여, 코일부(200); 상기 코일부(200) 상에 배치되는 자성부를 포함하고, 상기 자성부는 제 1 자성부(300) 및 제 2 자성부 (500)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2 자성부의 적어도 일부가 상기 쉴드부에 접촉할 수 있다. 이에 따라 상기 제 2 자성부에서 발생하는 열이 상기 쉴드부를 통해 효과적으로 배출될 수 있다. 예를 들어 상기 제 2 자성부가 나노결정질 또는 산화물계 자성부이고, 시트 형태일 경우, 이의 일면 전부가 상기 쉴드부에 접촉할 수 있다. 구체적으로, 상기 제 2 자성부는 상기 쉴드부의 상기 제 1 자성부를 향하는 일면 상에 부착될 수 있다. 상기 제 2 자성부는 상기 쉴드부의 일면에 열전도성 접착제로 부착됨으로써, 방열 효과를 더욱 높일 수 있다. 상기 열전도성 접착제는 금속계, 카본계, 세라믹계 등의 열전도성 소재를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 열전도성 입자가 분산된 접착제 수지일 수 있다.
이 외에도, 본 발명의 구현예에 따라, 상기 투자율 변화율을 만족하는 제 1 자성부, 예컨대 고분자형 자성부를 포함하고, 이를 다른 소재의 자성부와 함께 복합된 다양한 구조로 배치하여 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위 내에서 다양하게 설계할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 무선충전 장치의 충전 효율은 85% 이상, 88% 이상, 89% 이상, 90% 이상, 또는 91% 이상일 수 있다.
예를 들어, 상기 코일부에 85kHz의 주파수 및 6.6kW의 출력을 가지는 무선 전력이 15분 동안 송신될 때 충전 효율은 87% 이상, 88% 이상, 89% 이상, 90% 이상, 또는 91% 이상일 수 있다.
따라서 상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차 등에 유용하게 사용될 수 있다.
[자성 소자]
본 발명의 구현예에 따르면, 필러 및 바인더 수지를 포함하는 고분자형 자성부(제 1 자성부)를 포함하고, 상기 수식 6으로 표시되는 제 1 투자율 변화율(△P1)이 0/℃ 이상인 자성 소자를 제공할 수 있다.
상기 고분자형 자성부의 각 구성요소들의 구성 및 특징은 앞서 설명한 바와 같다.
본 발명의 구현예에 따른 자성 소자는, 상기 특성을 갖는 고분자형 자성부를 포함함으로써 고온 안정 특성을 제공할 수 있어서 고온에서 자성 소자의 변형 및 파손으로 인한 충전 효율 감소 문제를 해결할 수 있다.
특히, 상기 바인더 수지, 필러의 종류 및 함량, 및 각종 첨가제를 최적으로 조합하여 조절함으로써, 본 발명의 구현예에 따라 목적하는 인덕턴스 편차, 인덕턴스 변화율, 및 상기 자성부의 투자율 변화율을 특정 범위로 만족할 수 있다. 이 경우 충전 효율 증대 효과를 향상시킬 수 있고, 온도 상승이나 발열 증가에도 충전 효율 감소량을 최소화할 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 10을 참조하여, 일 구현예에 따른 전기 자동차(1)는, 상기 구현예에 따른 무선충전 장치를 수신기(720)로 포함한다.
상기 무선충전 장치는 전기 자동차(1)의 무선충전의 수신기로 역할하고 무선충전의 송신기(730)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
상기 이동 수단은, 무선충전 장치를 포함하고, 상기 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 무선충전 시스템의 송신기에 전달하는 신호 전송기를 더 포함할 수 있다. 이러한 충전에 대한 정보는 충전 속도와 같은 충전 효율, 충전 상태 등일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
실시예
실시예 1 : 무선충전 장치의 제조
단계 1: 고분자형 자성부(PMB 자성 시트)의 제조
바인더 수지로서 폴리아미드 수지(제품명 L1724k, 제조사 Daicel-Evonik) 15 중량%, 필러로서 샌더스트(제품명 C1F-02A, 제조사 Crystallite Technology) 80 중량%, 및 첨가제로서 인산 및 실란을 5 중량%를 사용하여 약 170 내지 200℃의 온도, 120 내지 150rpm 의 조건으로 압출기에서 펠릿을 제조하고, 이 펠릿을 사출기에서 약 250℃의 온도 조건에서 사출하여 5 mm 두께의 고분자형 자성부(PMB 자성 시트)를 얻었다.
단계 2: 무선충전 장치의 제조
상기 단계 1의 자성부를 이용하여 전도성 와이어를 포함하는 코일부, 상기 자성부 및 쉴드부를 포함하는 무선충전 장치를 얻었다.
비교예 1
하기 표 1에 기재된 바와 같이 첨가제를 첨가 한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 자성부 및 이를 포함하는 무선충전 장치를 얻었다.
시험예
(1) 자성부의 투자율
자성부의 투자율을 에질런트사의 4294A 장비를 통해서 주파수 85 kHz에서 측정하였다.
(2) 인덕턴스
인덕턴스는 30 μH의 인덕턴스를 갖고 및 코일의 직경 5 mm, 1000 가닥인 사각형의 평면 코일, 및 320mm x 320mm x 5mm 부피의 자성부 및 350mm x 350mm x 2 mm의 알루미늄(Al) 쉴드부를 사용하여, LCR 미터(히오끼사의 IM3536 장비)를 이용하여 측정하였다. 상기 장비를 코일부에 연결한 후, LCR 미터의 셋팅값을 85 kHz로 설정한 후 인덕턴스(Ls)를 측정하였고, 이를 이용하여 인덕턴스 편차 및 인덕턴스 변화율을 측정하였다.
실시예 및 비교예에서 모두 동일한 조건으로 측정하였으며, 상기 측정된 인덕턴스 편차 및 인덕턴스 변화율을 산출하여 하기 표 2 및 3에 나타내었다.
(3) 충전 효율 측정
충전 효율은 SAE J2954 WPT2 Z2 Class standard TEST 방법으로 측정하였다. 구체적으로, SAE J2954 WPT2 Z2 Class standard TEST 규격 코일부 및 프레임을 적용하고 자성부, 스페이서(spacer), 알루미늄(Al) 쉴드부를 쌓아 수신패드 (35 cm X 35 cm) 및 송신패드(75 cm X 60 cm) 제조하여, 85 kHz 주파수에서 출력전력 6.6kW 로 동일한 조건에서 충전 효율을 평가했다.
(4) 발열 온도 측정
상기 실시예 및 비교예에서 얻은 무선충전 장치를 하우징 내에 배치하여 무선충전 장치를 얻었다.
상기 실시예 및 비교예에서 얻은 무선충전 장치를 SAE J2954 WPT2 Z2 class Standard TEST 충전 효율 측정 조건에서, 상기 코일부에 85kHz의 주파수 및 6.6kW 의 출력을 가지는 무선 전력이 30분 동안 송신될 때, 자성부의 하면 온도를 측정하였다.
구체적으로, 상기 자성부의 하면 온도는 퀄리트롤(Qualitrol)사의 T/GUARD 405-SYSTEM을 이용하여 실시예 및 비교예의 자성부의 하면 중 코일부에 대응되는 위치의 중앙(최대 발열 온도)을 기준으로 측정하였다.
상기 측정 결과를 하기 표 1 내지 3, 및 도 4 내지 8에 나타내었다.
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
상기 표 1 내지 3, 및 도 4와 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 무선충전 장치는 비교예 1의 무선충전 장치에 비해 인덕턴스 편차, 인덕턴스 변화율 및 투자율 변화율 등이 모두 본 발명의 구현예의 범위에 만족하였고, 이로 인해 충전 효율이 향상되었고, 발열 온도가 증가하여도 충전 효율이 유지되거나 그 감소율이 낮음을 확인하였다.
구체적으로, 표 1, 및 도 4 및 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 무선충전 장치는 비교예 1의 무선충전 장치에 비해 코일부 및 자성부의 발열 온도가 더 증가하였음에도 무선 전력 송신 초기 내지 무선 전력이 15분 동안 송신될 때, 충전 효율이 0.3% 이내로 거의 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다. 이에 반해, 비교예 1의 자성부의 발열 온도는 실시예 1의 자성부의 발열 온도에 비해 약간 낮음에도 불구하고, 충전 효율 감소율은 더 증가하였음을 알 수 있었다.
또한, 상기 표 2 및 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 무선충전 장치에서는 비교예 1의 무선충전 장치에 비해 시간이 지남에 따라 150℃에서의 인덕턴스 변화율이 거의 유지되거나 증가함을 알 수 있다.
구체적으로, 실시예 1의 무선충전 장치는 비교예 1의 무선충전 장치에 비해 무선 전력이 10분 내지 30분 동안 송신될 때, 150℃에서의 인덕턴스 변화율이 0.3% 이하로 점차 증가하는 반면, 비교예 1의 무선충전 장치의 인덕턴스 변화율은, 실시예 1의 무선충전 장치의 인덕턴스 변화율에 비해 급격히 감소함을 알 수 있다. 즉, 실시예 1의 무선충전 장치의 경우, 150℃의 고온에서도 투자율 변화가 없으므로 인덕턴스 변화율이 거의 없음을 알 수 있다. 반면, 비교예 1의 무선충전 장치의 경우, 무선 전력이 30분 동안 송신될 때 인덕턴스 변화율이 음(-)의 값을 계속 유지하면서 인덕턴스 변화율이 급격히 저하되었다.
상기 표 3, 및 도 7 및 8에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 무선충전 장치의 경우, 40℃, 60℃, 80℃, 100℃에서의 인덕턴스 편차(ID1)가 모두 양(+)의 값을 가졌고, 자성부의 제 1 투자율 변화율(△P1) 및 제 2 투자율 변화율(△P2)이 모두 양(+)의 값을 가졌다. 또한, 25℃ 내지 120℃로 온도가 상승할 때, 인덕턴스 변화율 및 상기 고분자형 자성부의 투자율 변화율이 각각 10% 이내였다.
반면, 비교예 1의 무선충전 장치의 경우, 40℃, 60℃, 80℃, 100℃에서의 인덕턴스 편차(ID1)가 모두 음(-)의 값을 가졌고, 자성부의 제 1 투자율 변화율(△P1) 및 제 2 투자율 변화율(△P2)이 모두 음(-)의 값을 가졌다. 또한, 25℃ 내지 120℃로 온도가 상승할 때, 인덕턴스 변화율이 급격히 저하되었고, 상기 고분자형 자성부의 투자율 변화율도 마찬가지로 급격히 변화하였다.
상기 결과로부터, 실시예 1의 고분자형 자성부를 포함하는 무선충전 장치는 고온 안정성이 우수하여 고온에서도 우수한 충전 효율을 유지하였음을 확인하였다.
1 : 이동 수단(전기 자동차)
10, 10a, 10b : 무선충전 장치
100 : 지지부 200 : 코일부
300 : 자성부(제 1 자성부) 310 : 외곽부
320 : 중심부 400 : 쉴드부
500 : 제 2 자성부
600 : 하우징
700 : 스페이서부
701 : 원료 조성물 702 : 사출 성형기
703 : 몰드
720 : 수신기 730 : 송신기
A-A': 절개선

Claims (11)

  1. 코일부; 및
    상기 코일부 상에 배치되는 자성부를 포함하고,
    하기의 수식 1로 표시되는 80℃에서의 인덕턴스 편차(ID1)가 0 이상인, 무선충전 장치:
    [수식 1]
    ID1 =
    Figure pat00015

    여기서, I25는 25℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이고,
    I80은 80℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하기의 수식 2로 표시되는 60℃에서의 인덕턴스 편차(ID2)가 0 이상인, 무선충전 장치:
    [수식 2]
    ID2 =
    Figure pat00016

    여기서, I25는 25℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이고,
    I60은 60℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이다.
  3. 제 1 항에 있어서,
    하기의 수식 3으로 표시되는 100℃에서의 인덕턴스 편차(ID3)가 0 이상인, 무선충전 장치:
    [수식 3]
    ID3 =
    Figure pat00017

    여기서, I25는 25℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이고,
    I100은 100℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이다.
  4. 제 3 항에 있어서,
    하기의 수식 4로 표시되는 인덕턴스 변화율(ΔID)이 0/℃ 초과인, 무선충전 장치:
    [수식 4]
    ΔID =
    Figure pat00018

    여기서, 상기 ID4는 하기의 수식 5로 표시되고,
    [수식 5]
    ID4 =
    Figure pat00019

    여기서, I25는 25℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이고,
    I40은 40℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이다.
  5. 코일부; 및
    상기 코일부 상에 배치되는 자성부를 포함하고,
    상기 자성부는 하기의 수식 6으로 표시되는 제 1 투자율 변화율(△P1)이 0/℃ 이상인, 무선충전 장치:
    [수식 6]
    △P1 =
    Figure pat00020

    여기서, P20은 20℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이고,
    P0는 0℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이다.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 자성부는 하기의 수식 7로 표시되는 제 2 투자율 변화율(△P2)이 0/℃ 이상인, 무선충전 장치:
    [수식 7]
    △P2 =
    Figure pat00021

    여기서, P20은 20℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이고,
    P40는 40℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이다.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 자성부는 60℃ 내지 100℃의 온도에서 투자율의 최대값을 갖는, 무선충전 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 자성부가 바인더 수지 및 필러를 포함하는 고분자형 자성부를 포함하는, 무선충전 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 필러가 상기 고분자형 자성부 총 중량을 기준으로 60 중량% 내지 90 중량%의 양으로 포함되고, 1 ㎛ 내지 300 ㎛의 평균 입경(D50)을 갖는, 무선충전 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 고분자형 자성부가 첨가제를 더 포함하고,
    상기 첨가제가 인산 및 실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 무선충전 장치.
  11. 무선충전 장치를 포함하고,
    상기 무선충전 장치는
    코일부; 및
    상기 코일부 상에 배치되는 자성부를 포함하고,
    이때, 상기 무선충전 장치가 하기의 수식 1로 표시되는 80℃에서의 인덕턴스 편차(ID1)가 0 이상이거나,
    상기 자성부가 하기의 수식 6으로 표시되는 제 1 투자율 변화율(△P1)이 0/℃ 이상이거나, 또는
    이들 둘 다를 만족하는, 이동 수단:
    [수식 1]
    ID1 =
    Figure pat00022

    여기서, I25는 25℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이고,
    I80은 80℃의 온도에서 측정되는 상기 무선충전 장치의 인덕턴스이고,
    [수식 6]
    △P1 =
    Figure pat00023

    여기서, P20은 20℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이고,
    P0는 0℃의 온도에서 측정되는 상기 자성부의 투자율이다.
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