WO2016010374A1 - 적층형 메타물질 시트 및 그 제조방법과, 이를 이용한 무선 충전 모듈 - Google Patents

적층형 메타물질 시트 및 그 제조방법과, 이를 이용한 무선 충전 모듈 Download PDF

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WO2016010374A1
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WO
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sheet
metamaterial
meta
wireless charging
forming
Prior art date
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PCT/KR2015/007375
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Inventor
진병수
이웅용
김성태
임병국
Original Assignee
주식회사 아모텍
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings

Definitions

  • the present invention relates to a wireless charging module, and more particularly, to a laminated metamaterial sheet for forming a uniform magnetic field of the wireless charging module and a method of manufacturing the same, and a wireless charging module using the same (MULTILAYER METAMATERIAL SHEET, MANUFACTURING METHOD FOR SAME AND WIRELESS CHARGE MODULE USING THE SAME).
  • Portable terminals such as mobile phones and tablets are powered by built-in batteries.
  • a separate charging device is used to charge the electrical energy into the battery.
  • the charging device is in contact with a terminal formed in the portable terminal to charge the battery, or as the battery separated from the portable terminal is in contact with the contact terminal of the battery to charge the battery.
  • Such a contact type charging device has a problem in that the contact terminals are contaminated by foreign matters or are damaged due to frequent detachment and detachment so that the contact efficiency decreases.
  • the wireless charging device does not have a contact between the battery and the terminal of the charging device, and simply places the portable terminal with the battery on the wireless charging device to charge the battery through wireless power transmission and reception.
  • the wireless charging device includes an electromagnetic (magnetic field) induction method using a coil, a resonance method using a resonance, and a radio wave radiation (RF / Micro Wave Radiation) method that converts electrical energy into microwaves and transmits them.
  • electromagnetic field electromagnetic field
  • resonance method using a resonance
  • radio wave radiation RF / Micro Wave Radiation
  • Recently developed magnetic resonance method uses the magnetic resonance (magnetic resonance phenomenon) between the Tx coil module and the Rx coil module using the primary coil (Tx, charging device) and the secondary coil (Rx, portable terminal, portable electronic devices, etc.).
  • Tx magnetic resonance
  • Rx portable terminal
  • portable electronic devices etc.
  • the charging efficiency is different depending on the position of the portable terminal mounted on the charging device, and thus, the charging time varies depending on the position of the same charger.
  • the present invention relates to a wireless charging module, and more particularly, it is possible to charge a plurality of portable terminals at the same efficiency and time at the same time, the laminated meta-material sheet to minimize the change in charging efficiency according to the horizontal position and vertical distance And a method of manufacturing the same and a wireless charging module using the same.
  • Laminated meta-material sheet according to an embodiment of the present invention, the base sheet; And a plurality of metamaterial cells arranged in a matrix on one surface of the substrate sheet.
  • the meta-material cell is formed of a unit cell in which a split ring resonator (SRR) pattern is formed to form an SRR, or a plurality of unit cells in which an SRR pattern is formed are stacked, and the SRR patterns are connected by via holes to form a dual split ring resonator. ) Can be formed.
  • SRR split ring resonator
  • the base sheet may be composed of a polymer resin film or a ceramic sheet having a dielectric constant of 2 or more and 10 or less.
  • the laminated metamaterial sheet manufacturing method in the metamaterial sheet manufacturing method using a sheet manufacturing apparatus, by placing a plurality of metamaterial cells matrix on one surface of the substrate sheet meta Forming a material layer; Forming an insulating layer by applying an insulating resin to the entire surface of the meta material layer; Forming via holes in the insulating layer; And forming a metamaterial sheet by repeating forming the metamaterial layer, forming the insulating layer, and forming the via hole, and forming the metamaterial sheet. Cells are connected through via holes.
  • the via hole may be formed in the insulating layer by using a laser drill, or the via hole forming part may be masked in the forming of the insulating layer, and after the formation of the insulating layer, masking may be removed to form the via hole.
  • a polyimide (PI) or polyamide imide (PAI) solution may be applied to the metamaterial cell to form an insulating layer.
  • PI polyimide
  • PAI polyamide imide
  • the metamaterial cells may be stacked in three or more layers and 20 or less layers to form a metamaterial sheet.
  • a wireless charging module using a laminated metamaterial sheet includes a base sheet having a coil for wireless charging; And a laminated metamaterial sheet composed of a meta material and laminated on the front surface of the base sheet.
  • the laminated metamaterial sheet may include: a base sheet formed to have a dielectric constant of 2 or more and 10 or less; And a plurality of metamaterial cells arranged in a matrix on the front surface of the substrate sheet.
  • the metamaterial cell may have a multi-layered structure in which a plurality of unit cells in which an SRR pattern is formed is stacked in three or more layers and 20 or less layers.
  • the wireless charging module according to the present embodiment may further include a magnetic sheet coupled to the rear surface of the base sheet.
  • the magnetic sheet may be composed of a magnetic material having a magnetic permeability (u ') of 30 to 2000 at a magnetic resonance frequency (6.78 MHz for A4WP) and a tan ⁇ (u "/ u') of 0.05 or less.
  • the magnetic sheet may be any one of a ferrite sheet or a polymer sheet formed by mixing FeSiAl or FeSiCr based metal magnetic powder with a polymer.
  • a magnetic sheet is disposed on the rear side of the wireless charging coil, and a meta-material sheet is disposed on the front side so that the magnetic field goes straight to the front without spreading the magnetic field to minimize the attenuation of the magnetic field according to the distance between the charger and the receiver.
  • the magnetic field generated from the coil for wireless charging is uniformly distributed over the entire area, and the charging efficiency is kept constant regardless of the distance and position on which the portable terminal is mounted, thereby preventing an increase in charging time due to distance and position difference. In the case of simultaneously charging a plurality of portable terminals, a difference in charging time between the portable terminals can be minimized.
  • the magnetic field can be concentrated only in the direction in which the portable terminal is raised, it is possible to minimize the harmfulness of the human body due to the magnetic field by suppressing the magnetic field radiation in an unnecessary direction.
  • FIG. 1 is a view for explaining a wireless charging module using a meta-material sheet according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the metamaterial sheet of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a plan view of the metamaterial sheet of FIG. 1.
  • 3 to 5 are views for explaining a modification of the wireless charging module using a meta-material sheet according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining a wireless charging module having a magnetic sheet in addition to the meta-material sheet.
  • FIG. 7 to 8 are views for comparing the characteristics of the conventional wireless charging module and the wireless charging module using a meta-material sheet according to an embodiment of the present invention.
  • 9 and 10 are cross-sectional views schematically showing the relationship between the meta-material sheet and the wireless charger case according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view for explaining a meta-material sheet manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless charging module may include a base sheet 100 and a metamaterial sheet 200. At this time, the wireless charging module is embedded in the portable terminal, or a charger for charging the portable terminal.
  • the base sheet 100 is formed with a wireless charging coil 140 to form a magnetic field for magnetic resonance. That is, the base sheet 100 has a loop-shaped wireless charging coil 140 in which a wire is wound a plurality of times on the front surface of the flexible circuit board 120.
  • the front surface means one surface that the portable terminal or the charger contacts.
  • the meta-material sheet 200 may be made of meta-material and mounted on the front side of the base sheet 100. That is, although not shown, it is installed to be in close contact with the coil 140 for wireless charging formed in the base sheet 100, it may be arranged to be spaced apart from the inner upper surface of the case of the wireless charger (not shown). Alternatively, the wireless charging coil 140 may be spaced apart from the predetermined distance, and may be disposed on the inner upper surface or the upper surface of the case of the wireless charger.
  • metamaterial is a term used to refer to a material artificially synthesized to exhibit a special electromagnetic property not commonly seen in nature.
  • the metamaterial sheet 200 is formed by arranging a plurality of metamaterial cells 240 in a matrix on one surface of the substrate sheet 220.
  • the base sheet 220 is composed of a polymer resin film or ceramic sheet such as PI (Polyimide), PET having a dielectric constant of 2 or more and 10 or less. That is, as shown in FIG. 2, the metamaterial sheet 200 includes a plurality of metamaterial cells 240 configured as a split ring resonator (SRR) on one surface of the substrate sheet 220 in a multi-column manner. It is formed.
  • the meta-material sheet 200 is formed in a mesh form as it is composed of a meta-material cell 240 composed of a split ring resonator.
  • the substrate sheet 220 on which the metamaterial cells 240 are disposed is formed to have a dielectric constant of 2 or more and 20 or less.
  • the metamaterial sheet 200 may be formed by arranging a plurality of metamaterial cells 240 formed in a multilayer structure in a matrix.
  • the metamaterial cell 240 may be formed by stacking at least one or more unit cells 244 on which the SRR pattern 242 is formed.
  • the metamaterial cell 240 is formed by stacking unit cells 244 in two layers, and the SRR patterns 242 formed in each unit cell 244 are formed through via holes. Can connect
  • the SRR pattern 242 may be formed of a copper material.
  • a pattern is formed by three turns on one side and three turns on the other side, and one capacitor 243 may be installed. have.
  • the metamaterial cell 240 may form a dual-sided multi-layered pattern to form a dual split ring resonator (DSRR).
  • DSRR dual split ring resonator
  • the meta-material sheet 200 is configured only with the structure of the SRR, so that only the magnetic permeability is located near '0' is configured to advance the magnetic field.
  • the meta-material sheet 200 may be configured in the form of SRR and linear dipole, so that both magnetic permeability and permittivity may be brought to a negative position to focus the magnetic field.
  • the SRR patterns 242 may be disposed together with the plurality of capacitors 243 in one layer.
  • at least 0.5 to 1.5 turns of the SRR pattern 242 is disposed on one side, and 0.5 to 1.5 turns of the SRR pattern 242 may be disposed to overlap with the other side thereof.
  • the resonance frequency can be effectively lowered to the 6.78 MHz region, and the magnetic permeability u 'can be adjusted to a value between 0 and -1 to improve the linearity and focusability of the magnetic field.
  • the wireless charging module may further include a magnetic sheet 300 mounted on the back of the base sheet (100).
  • the magnetic sheet 300 may be provided as a Ni—Zn ferrite sheet or may be provided as a polymer sheet.
  • the magnetic sheet 300 has a magnetic permeability (u ') of 30-2000 at a magnetic resonance frequency (6.78 MHz in the case of A4WP) and a tan ⁇ (u "/ u') of 0.05 or less. It may be formed of a ferrite material having a permeability, and may be coupled to the rear surface of the base sheet 100.
  • u ′′ refers to a permeability loss rate.
  • the magnetic sheet 300 is formed with a high permeability of approximately 30 or more and 2000 or less.
  • the magnetic sheet 300 is formed to have a thickness of about 50 ⁇ m or more and 2 mm or less depending on the power of the coil 140 for wireless charging of the base sheet 100.
  • the magnetic sheet 300 may be a polymer sheet in addition to the ferrite sheet.
  • the polymer sheet is implemented in a sheet state by mixing FeSiAl or FeSiCr-based metal magnetic powder with a polymer such as urethane.
  • the conventional wireless charging module has a structure in which the magnetic permeability sheet 300 having a high permeability is disposed only on the rear surface of the wireless charging coil 140. Accordingly, in the conventional wireless charging module, the magnetic field is concentrated on the front surface of the wireless charging coil 140. In this case, as shown in FIG. 6, in the conventional wireless charging module, a magnetic field is concentrated at a portion where the wireless charging coil 140 is formed. Accordingly, in the conventional wireless charging module, charging efficiency and charging time vary depending on the location of the portable terminal. That is, in the conventional wireless charging module, when the portable terminal is located at a position close to the wireless charging coil 140 where the magnetic field is concentrated, the charging efficiency increases, and when the portable terminal is positioned at another position where the magnetic field is not concentrated, charging is performed. The efficiency is lowered.
  • the magnetic material sheet 300 having a high permeability is disposed on the rear side of the coil 140 for wireless charging, and the metamaterial sheet ( 200) is formed into a structure to arrange.
  • the wireless charging module absorbs the magnetic field of the wireless charging coil 140 in the metamaterial cell 240 constituting the metamaterial sheet 200 and uniformly diffuses it to the front. A uniform magnetic field is formed. Accordingly, the wireless charging module using the metamaterial sheet 200 according to the embodiment of the present invention may maintain the same charging efficiency and charging time regardless of the location of the portable terminal.
  • the wireless charging module according to an embodiment of the present invention is a gain of about -1.989 dB to -0.782 dB is formed according to the distance between the wireless charging module, about -2.563 dB to -1.126 dB It can be seen that the gain is improved compared to the conventional wireless charging module in which the gain is formed. Through this, the wireless charging module according to an embodiment of the present invention can be seen that the gain is improved compared to the conventional wireless charging module, the charging efficiency is increased.
  • the metamaterial sheet 200 may be directly disposed on the upper surface of the wireless charging coil 140 formed on the base sheet 100. In this case, the meta-material sheet 200 may be close to the coil 140 for wireless charging within 1mm.
  • the meta-material sheet 200 may be arranged to be spaced apart from the upper side of the coil 140 for wireless charging.
  • the meta-material sheet 200 may be disposed at any one of the inner surface 11 or the upper surface 12 of the upper surface of the wireless charger case 10.
  • the meta-material sheet 200 may be disposed 5mm ⁇ 50mm spaced apart from the coil 140 for wireless charging.
  • the sheet manufacturing apparatus forms a first meta-material layer by arranging a plurality of meta-material cells 240 on a front surface of the base sheet 220 (S110). That is, the sheet manufacturing apparatus arranges the metamaterial cell 240 (or the unit cell 244) composed of metamaterials on the entire surface of the substrate sheet 220 in a multi-column manner after arranging the substrate sheet 220.
  • the sheet manufacturing apparatus forms a first insulating layer by applying an insulating resin to the entire surface of the first meta-material layer (S120). That is, the sheet manufacturing apparatus forms an insulating layer by applying an insulating resin such as a polyimide (PI) or polyamide imide (PAI) solution to the entire surface of the first meta material layer.
  • an insulating resin such as a polyimide (PI) or polyamide imide (PAI) solution
  • the sheet manufacturing apparatus forms a first via hole in the first insulating layer (S130).
  • the sheet manufacturing apparatus forms a via hole in the first insulating layer by using a laser drill or the like after step S120.
  • the sheet manufacturing apparatus may mask the position where the first via hole is formed, and then form an insulating layer through step S120, and remove the masking to form the first insulating layer.
  • the sheet manufacturing apparatus forms a second metamaterial layer by arranging the plurality of metamaterial cells 240 on the front surface of the first insulating layer (S140). That is, the sheet manufacturing apparatus forms the second meta material layer by arranging the meta material cells 240 (or unit cells 244) composed of meta materials on the entire surface of the first insulating layer in a multi-column manner. In this case, the sheet manufacturing apparatus electrically connects the metamaterial cells 240 of the first metamaterial layer and the metamaterial cells 240 of the second metamaterial layer through the first bar hole.
  • the sheet manufacturing apparatus forms a second insulating layer by applying an insulating resin on the entire surface of the second meta-material layer (S150). That is, the sheet manufacturing apparatus forms a second insulating layer on the entire surface of the second meta material layer through the same method as in step S120.
  • the sheet manufacturing apparatus forms a second via hole in the second insulating layer (S160). That is, the sheet manufacturing apparatus forms a second via hole in the second insulating layer through the same method as in operation S130.
  • the sheet manufacturing apparatus forms a third metamaterial layer by arranging the plurality of metamaterial cells 240 in front of the second insulating layer (S170). That is, the sheet manufacturing apparatus forms a third meta material layer by arranging meta material cells 240 (or unit cells 244) composed of meta materials on the entire surface of the second insulating layer in a multi-column manner. In this case, the sheet manufacturing apparatus electrically connects the metamaterial cells 240 of the second metamaterial layer and the metamaterial cells 240 of the third metamaterial layer through the second bar hole.
  • the sheet manufacturing apparatus forms an insulating resin on the entire surface of the third meta material layer to form a third insulating layer (S180). That is, the sheet manufacturing apparatus forms a third insulating layer on the entire surface of the third meta material layer through the same method as in operation S120.
  • the method of manufacturing a meta-material sheet having a three-layer structure has been described as an example to help understand the method of manufacturing the meta-material sheet according to the embodiment of the present invention, but the meta-material layer forming step, the insulating layer forming step, and the via hole By repeating the forming step a predetermined number of times, the metamaterial sheets laminated in the set number of layers may be manufactured.
  • the metamaterial sheet is formed by stacking metamaterial cells into about 3 layers or more and 20 layers or less.
  • the laminated metamaterial sheet and its manufacturing method, and the wireless charging module using the same by placing a high permeability ferrite sheet on the rear of the coil for wireless charging, and a low permeability ferrite sheet or metamaterial sheet on the front, There is an effect that the magnetic field generated in the coil for wireless charging can be uniformly distributed over the entire area.
  • the laminated metamaterial sheet and a method of manufacturing the same, and a wireless charging module using the same a high permeability ferrite sheet is disposed on the rear of the coil for wireless charging, and a low permeability ferrite sheet or metamaterial sheet is disposed on the front of the coil for wireless charging
  • a high permeability ferrite sheet is disposed on the rear of the coil for wireless charging
  • a low permeability ferrite sheet or metamaterial sheet is disposed on the front of the coil for wireless charging
  • the laminated meta-material sheet and a method of manufacturing the same, and the wireless charging module using the same by placing a high permeability ferrite sheet on the back of the coil mounted in the charging device, it is possible to concentrate the magnetic field only in the direction in which the portable terminal is raised, By suppressing the radiation of the magnetic field in a direction that is not necessary, there is an effect that can minimize the human harm caused by the magnetic field.

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Abstract

휴대 단말용 무선 충전기에서 요구되는 협소한 두께 및 공간에서 실장이 가능하면서 충전 효율을 최대화하도록 한 적층형 메타물질 시트 및 그 제조방법과, 이를 이용한 무선 충전 모듈을 제시한다. 제시된 적층형 메타물질 시트는, 기재 시트; 및 기재 시트의 일면에 행렬 배치되는 복수의 메타물질 셀들을 포함한다.

Description

적층형 메타물질 시트 및 그 제조방법과, 이를 이용한 무선 충전 모듈
본 발명은 무선 충전 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 충전 모듈의 자기장을 균일하게 형성하기 위한 적층형 메타물질 시트 및 그 제조방법과, 이를 이용한 무선 충전 모듈(MULTILAYER METAMATERIAL SHEET, MANUFACTURING METHOD FOR SAME AND WIRELESS CHARGE MODULE USING THE SAME)에 대한 것이다.
본 발명은 2014년 7월 15일 출원된 한국특허출원 제10-2014-0089187호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
휴대폰, 태블릿 등과 같은 휴대용 단말기는 내장된 배터리로 구동된다. 휴대용 단말기의 배터리를 충전하기 위해서는 별도의 충전 장치를 이용해 배터리에 전기 에너지를 충전한다. 일반적으로 충전 장치는 휴대용 단말기에 형성된 단자와 접촉되어 배터리를 충전하거나, 휴대용 단말기에서 분리된 배터리가 충전 장치 내에 삽입됨에 따라 배터리의 접촉단자와 접촉되어 배터리를 충전한다.
이러한 접촉 방식의 충전 장치는 접촉 단자가 이물질에 의해 오염되거나, 잦은 탈부착으로 인해 파손되어 접촉 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다.
최근에는 접촉 방식 충전 장치의 문제점을 해결하기 위해 무선 충전 장치가 개발되어 사용자에게 보급되고 있다.
무선 충전 장치는 배터리와 충전 장치의 단자 간 접촉이 없어 배터리를 내장한 휴대용 단말기를 무선 충전 장치에 올려놓기만 하면 무선 전력 송수신을 통해 배터리를 충전한다.
무선 충전 장치는 코일을 이용한 전자기(자기장) 유도방식, 공진(Resonance)을 이용한 공진 방식과, 전기적 에너지를 마이크로파로 변환시켜 전달하는 전파 방사(RF/Micro Wave Radiation) 방식이 있다.
최근에 개발되고 있는 자기공진 방식은 Tx 코일모듈과 Rx 코일모듈 간의 자기공진(자기공명현상)을 이용하여 1차 코일(Tx, 충전 장치)과 2차 코일 (Rx, 휴대용 단말기, 휴대용 전자기기 등) 간의 전력을 전송하는 방식으로 충전 시 Tx ~ Rx 사이의 충전 거리 및 충전기 위에서의 Rx 위치에 대한 자유도가 높고 다수의 Rx (휴대용 단말기, 휴대용 전자기기 등)를 동시에 충전할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 자기공진 방식의 경우 충전 장치에 올려지는 휴대용 단말기의 위치에 따라 충전 효율이 상이하여 동일 충전기에서도 위치에 따라 충전시간이 달라지는 문제점이 있다.
본 발명은 무선 충전 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 휴대용 단말기를 동시에 동일한 효율 및 시간으로 충전할 수 있으며, 수평위치 및 수직거리에 따른 충전효율 변동을 최소화할 수 있도록 한 적층형 메타물질 시트 및 그 제조방법과, 이를 이용한 무선 충전 모듈을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 적층형 메타물질 시트는, 기재 시트; 및 기재 시트의 일면에 행렬 배치되는 복수의 메타물질 셀들을 포함한다.
메타물질 셀은 SRR(Split Ring Resonator) 패턴이 형성된 단위 셀로 형성되어 SRR을 형성하거나, SRR 패턴이 형성된 복수의 단위 셀들이 적층되어 형성되고, SRR 패턴들은 비아홀에 의해 연결되어 DSRR(Dual Split Ring Resonator)을 형성될 수 있다.
기재 시트는 2 이상 10 이하의 유전율을 갖는 폴리머 수지 필름 또는 세라믹 시트로 구성될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 적층형 메타물질 시트 제조방법은, 시트 제조 장치를 이용한 메타물질 시트 제조방법에 있어서, 기재 시트의 일면에 복수의 메타물질 셀을 행렬 배치하여 메타물질층을 형성하는 단계; 메타물질층의 전면에 절연수지를 도포하여 절연층을 형성하는 단계; 절연층에 비아홀을 형성하는 단계; 및 메타물질층을 형성하는 단계, 절연층을 형성하는 단계 및 비아홀을 형성하는 단계를 반복하여 다층구조의 메타물질 시트를 형성하는 단계를 포함하고, 메타물질 시트를 형성하는 단계에서는 적층된 메타물질 셀들을 비아홀을 통해 연결한다.
비아홀을 형성하는 단계에서는, 레이저 드릴을 이용하여 절연층에 비아홀을 형성하거나, 절연층을 형성하는 단계에서 비아홀 형성 부분을 마스킹하고 절연층의 형성 후에 마스킹을 제거하여 비아홀을 형성할 수 있다.
절연층을 형성하는 단계에서는, PI(Polyimide) 또는 PAI(Polyamide imide) 용액을 메타물질 셀에 도포하여 절연층을 형성할 수 있다.
메타물질 시트를 형성하는 단계에서는, 메타물질 셀들을 3층 이상 20층 이하로 적층하여 메타물질 시트를 형성할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 적층형 메타물질 시트를 이용한 무선 충전 모듈은, 무선 충전용 코일이 형성된 베이스 시트; 및 메타물질로 구성되고, 베이스 시트의 전면에 적층되는 적층형 메타물질 시트를 포함한다.
적층형 메타물질 시트는, 2 이상 10 이하의 유전율을 갖도록 형성된 기재 시트; 및 기재 시트의 전면에 행렬 배치되는 복수의 메타물질 셀들을 포함할 수 있다.
메타물질 셀은, SRR 패턴이 형성된 복수의 단위 셀이 3층 이상 20층 이하로 적층된 다층 구조로 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 무선 충전 모듈은 베이스 시트의 후면에 결합되는 자성체 시트를 더 포함할 수 있다.
자성체 시트는 자기공진 주파수(A4WP 의 경우 6.78 MHz) 에서의 투자율(u')이 30~2000 이며 Tan△(u"/u')이 0.05 이하인 자성체로 구성될 수 있다.
이때, 자성체 시트는 페라이트 시트 또는 FeSiAl 또는 FeSiCr 기반의 금속 자성분말을 폴리머에 섞어 형성한 폴리머 시트 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 의하면, 무선 충전용 코일의 후면에 자성체 시트를 배치하고, 전면에 메타물질 시트를 배치하여 자기장을 퍼지지 않고 전면으로 직진시켜 충전기와 수신기 간의 거리에 따른 자기장의 감쇄를 최소화하고, 충전용 코일에서 발생하는 자기장을 전 영역에서 균일하게 분포시켜, 휴대용 단말기가 올려지는 위치에 관계없이 충전 효율을 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 무선 충전용 코일에서 발생하는 자기장을 전 영역에서 균일하게 분포시켜, 휴대용 단말기가 올려지는 거리, 위치에 관계없이 충전 효율을 일정하게 유지하여 거리, 위치 차이에 따른 충전 시간의 증가를 방지하고, 복수의 휴대용 단말기를 동시에 충전하는 경우에도 휴대용 단말기들 간의 충전 시간 차이를 최소화할 수 있다.
또한, 휴대용 단말기가 올려지는 방향만으로 자기장을 집중시킬 수 있기 때문에, 필요하지 않은 방향으로의 자기장 방사를 억제하여 자기장으로 인한 인체 유해성을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 시트를 이용한 무선 충전 모듈을 설명하기 위한 도면.
도 2는 도 1의 메타물질 시트의 평면도.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 시트를 이용한 무선 충전 모듈의 변형예를 설명하기 위한 도면.
도 6은 메타물질 시트에 추가로 자성체 시트를 구비한 무선 충전 모듈을 설명하기 위한 도면.
도 7 내지 도 8은 종래의 무선 충전 모듈과 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 시트를 이용한 무선 충전 모듈의 특성을 비교 설명하기 위한 도면.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 시트와 무선충전기 케이스의 배치관계를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 시트 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 시트를 이용한 무선 충전 모듈을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 무선 충전 모듈은 베이스 시트(100)와 메타물질 시트(200)를 포함할 수 있다. 이때, 무선 충전 모듈은 휴대용 단말기에 내장되거나, 휴대용 단말기를 충전하는 충전기에 내장된다.
베이스 시트(100)는 자기공진을 위한 자기장을 형성하는 무선 충전용 코일(140)이 형성된다. 즉, 베이스 시트(100)는 연성회로기판(120)의 전면에 와이어가 복수 회 감긴 루프 형상의 무선 충전용 코일(140)이 형성된다. 여기서, 전면은 휴대용 단말기 또는 충전기가 접촉하는 일면을 의미한다.
메타물질 시트(200)는 메타물질로 구성되어, 베이스 시트(100)의 전면측에 실장될 수 있다. 즉, 도시하지는 않았으나, 상기 베이스 시트(100)에 형성된 무선 충전용 코일(140)에 밀착되도록 설치되어, 무선충전기(미도시)의 케이스 상부 내측면과 일정 거리 이격 되도록 배치될 수 있다. 또는, 무선 충전용 코일(140)과 일정 거리 이격되어, 상기 무선충전기의 케이스 상부 내측면 또는 상부면에 배치되는 것도 가능하다. 여기서, 메타물질(Metamaterial)은 자연계에서 흔히 볼 수 없는 특수한 전자기적 성질을 나타내도록 인공적으로 합성된 물질을 통칭하는 용어이다.
메타물질 시트(200)는 기재 시트(220)의 일면에 복수의 메타물질 셀(240)들이 행렬로 배치되어 형성된다. 이때, 기재 시트(220)는 2 이상 10 이하의 유전율을 갖는 PI(Polyimide), PET 등의 폴리머 수지 필름 또는 세라믹 시트로 구성된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 메타물질 시트(200)는 기재 시트(220)의 일면에 스플릿 링 공진기(SRR; Split Ring Resonator)로 구성된 복수의 메타물질 셀(240)들이 다행 다열로 배치되어 형성된다. 이때, 메타물질 시트(200)는 스플릿 링 공진기로 구성된 메타물질 셀(240)로 구성됨에 따라 메쉬(mesh) 형태로 형성된다. 여기서, 메타물질 셀(240)들이 배치되는 기재 시트(220)는 2 이상 20 이하의 유전율을 갖도록 형성된다.
한편, 메타물질 시트(200)는 다층(multilayer) 구조로 형성된 복수의 메타물질 셀(240)들이 행렬로 배치되어 형성될 수도 있다. 이때, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 메타물질 셀(240)은 SRR 패턴(242)이 형성된 복수의 단위 셀(244)들이 적어도 한 층 이상 적층되어 형성될 수 있다.
일 예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 메타물질 셀(240)은 2층으로 단위 셀(244)들이 적층되어 형성되며, 각 단위 셀(244)들에 형성된 SRR 패턴(242)들을 비아홀을 통해 연결할 수 있다. SRR 패턴(242)은 구리 재질로 형성될 수 있는데, 일 예로 도 3에 도시된 바와 같이 일측 면에 3턴, 타측 면에 3턴으로 패턴이 형성되되, 1개의 캐패시터(243)가 설치될 수 있다. 그에 따라, 메타물질 셀(240)은 양면의 다층 구조의 패턴을 형성하여, DSRR(Dual Split Ring Resonator)를 형성할 수 있다. 여기서, 메타물질 시트(200)는 SRR의 구조로만 구성하여, 투자율만 '0' 근처에 위치하도록 하여 자기장을 직진시키도록 구성한다. 물론, 메타물질 시트(200)는 SRR 및 선형 다이폴 형태로 구성하여, 투자율과 유전율이 모두 음(-)의 위치로 오게 하여 자기장을 집중(Focusing)시킬 수도 있다.
다른 예로서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 한 층에 SRR 패턴(242)들을 복수 개의 캐패시터(243)와 함께 배치할 수 있다. 이 경우, 일측 면에 적어도 0.5 내지 1.5턴의 SRR 패턴(242)이 배치되고, 그 타측 면에도 대응되는 위치에 0.5 내지 1.5턴의 SRR 패턴(242)이 중첩되게 배치될 수 있다. 이와 같은 도 3 내지 도 5의 구성을 통하여, 공진 주파수를 6.78MHz 영역으로 효과적으로 내리고, 투자율(u')을 0에서 -1 사이의 값으로 맞추어 자기장의 직진성 및 집속성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 무선 충전 모듈은 베이스 시트(100)의 후면에 실장되는 자성체 시트(300)를 더 포함할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 자성체 시트(300)는 Ni-Zn 페라이트 시트로 마련될 수도 있고, 폴리머 시트로 마련될 수도 있다. 일 예로, 본 실시예에 따르면, 자성체 시트(300)는 자기공진 주파수(A4WP 의 경우 6.78 MHz) 에서의 투자율(u')이 30~2000 이며 Tan△(u"/u')이 0.05 이하인 고투자율의 페라이트 재질로 형성되어, 베이스 시트(100)의 후면에 결합될 수 있다. 여기서, u"는 투자손실율을 의미한다.
즉, 자성체 시트(300)는 대략 30 이상 2000 이하의 고투자율로 형성된다. 이때, 자성체 시트(300)는 베이스 시트(100)의 무선 충전용 코일(140)의 전력에 따라 대략 50㎛ 이상 2㎜ 이하의 두께로 형성된다.
한편, 자성체 시트(300)는 페라이트 시트 이외에 폴리머 시트도 사용 가능하다. 이 경우, 상기한 폴리머 시트는 FeSiAl 또는 FeSiCr 기반의 금속 자성분말을 우레탄 등의 폴리머에 섞어 시트 상태로 구현한 것이다.
도 7 및 도 8을 참조하여 종래의 무선 충전 모듈과 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 시트(200)를 이용한 무선 충전 모듈의 안테나 특성을 비교 설명하면 아래와 같다.
종래의 무선 충전 모듈은 무선 충전용 코일(140)의 후면에만 고투자율의 자성체 시트(300)를 배치하는 구조로 형성된다. 이에, 종래의 무선 충전 모듈은 무선 충전용 코일(140)의 전면으로 자기장이 집중된다. 이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 무선 충전 모듈은 무선 충전용 코일(140)이 형성되는 부분에서는 자기장이 집중된다. 그에 따라, 종래의 무선 충전 모듈은 휴대용 단말기의 위치에 따라 충전 효율 및 충전 시간이 달라진다. 즉, 종래의 무선 충전 모듈은 자기장이 집중되는 무선 충전용 코일(140)에 근접한 위치에 휴대용 단말기가 위치하면 충전 효율이 증가하고, 상대적으로 자기장이 집중되지 않는 다른 위치에 휴대용 단말기가 위치하면 충전 효율이 저하된다.
이에 반해, 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 시트(200)를 이용한 무선 충전 모듈은 무선 충전용 코일(140)의 후면에 고투자율의 자성체 시트(300)를 배치하고, 전면에 메타물질 시트(200)를 배치하는 구조로 형성된다. 이때, 도 7에 도시된 바와 같이, 무선 충전 모듈은 메타물질 시트(200)를 구성하는 메타물질 셀(240)에서 무선 충전용 코일(140)의 자기장을 흡수하여 균일하게 확산시킴에 따라 전면으로 균일한 자기장이 형성된다. 그에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 시트(200)를 이용한 무선 충전 모듈은 휴대용 단말기의 위치와 관계없이 동일한 충전 효율 및 충전 시간을 유지할 수 있다.
이때, 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 모듈은 무선 충전 모듈 간의 거리에 따라 대략 -1.989 dB 내지 -0.782 dB 정도의 이득이 형성되어, 대략 -2.563 dB 내지 -1.126 dB 정도의 이득이 형성되는 종래의 무선 충전 모듈에 비해 이득이 향상됨을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 모듈은 종래의 무선 충전 모듈에 비해 이득이 향상되어 충전 효율이 증가하는 것을 알 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 메타물질 시트(200)는 베이스 시트(100)에 형성된 무선 충전용 코일(140)의 상부면에 직접 배치될 수 있다. 이 경우, 메타물질 시트(200)는 무선충전용 코일(140)과 1mm 이내로 근접할 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 메타물질 시트(200)는 무선충전용 코일(140)의 상측으로부터 일정 거리 이격되도록 배치될 수도 있다. 이 경우, 메타물질 시트(200)는 무선충전기 케이스(10) 상부면의 내측면(11) 또는 상부면(12) 중 어느 한 곳에 배치될 수도 있다. 이 경우, 메타물질 시트(200)는 무선충전용 코일(140)과 5mm ~ 50mm 이격 배치될 수 있다.
도 11을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 시트의 제조방법을 상세하게 설명하면 아래와 같다.
먼저, 시트 제조 장치는 기재 시트(220)의 전면에 복수의 메타물질 셀(240)을 행렬 배치하여 제1메타물질층을 형성한다(S110). 즉, 시트 제조 장치는 기재 시트(220)를 배치한 후에, 기재 시트(220)의 전면에 메타물질로 구성되는 메타물질 셀(240; 또는 단위 셀(244))을 다행 다열로 배치한다.
시트 제조 장치는 제1메타물질층의 전면에 절연수지를 도포하여 제1절연층을 형성한다(S120). 즉, 시트 제조 장치는 제1메타물질층의 전면에 PI(Polyimide) 또는 PAI(Polyamide imide) 용액 등의 절연수지를 도포하여 절연층을 형성한다.
시트 제조 장치는 제1절연층에 제1비아홀을 형성한다(S130). 이때, 시트 제조 장치는 S120 단계 이후에 레이저 드릴 등을 이용하여 제1절연층에 비아홀을 형성한다. 물론, 시트 제조 장치는 제1비아홀이 형성되는 위치를 마스킹한 후 S120 단계를 통해 절연층을 형성하고, 마스킹을 제거하여 제1절연층을 형성할 수도 있다.
시트 제조 장치는 제1절연층의 전면에 복수의 메타물질 셀(240)을 행렬 배치하여 제2메타물질층을 형성한다(S140). 즉, 시트 제조 장치는 제1절연층의 전면에 메타물질로 구성되는 메타물질 셀(240; 또는 단위 셀(244))을 다행 다열로 배치하여 제2메타물질층을 형성한다. 이때, 시트 제조 장치는 제1바아홀을 통해 제1메타물질층의 메타물질 셀(240)들과 제2메타물질층의 메타물질 셀(240)들을 전기적으로 연결한다.
시트 제조 장치는 제2메타물질층의 전면에 절연수지를 도포하여 제2절연층을 형성한다(S150). 즉, 시트 제조 장치는 S120 단계와 동일한 방법을 통해 제2메타물질층의 전면에 제2절연층을 형성한다.
시트 제조 장치는 제2절연층에 제2비아홀을 형성한다(S160). 즉, 시트 제조 장치는 S130 단계와 동일한 방법을 통해 제2절연층에 제2비아홀을 형성한다.
시트 제조 장치는 제2절연층의 전면에 복수의 메타물질 셀(240)을 행렬 배치하여 제3메타물질층을 형성한다(S170). 즉, 시트 제조 장치는 제2절연층의 전면에 메타물질로 구성되는 메타물질 셀(240; 또는 단위 셀(244))을 다행 다열로 배치하여 제3메타물질층을 형성한다. 이때, 시트 제조 장치는 제2바아홀을 통해 제2메타물질층의 메타물질 셀(240)들과 제3메타물질층의 메타물질 셀(240)들을 전기적으로 연결한다.
시트 제조 장치는 제3메타물질층의 전면에 절연수지를 도포하여 제3절연층을 형성한다(S180). 즉, 시트 제조 장치는 S120 단계와 동일한 방법을 통해 제3메타물질층의 전면에 제3절연층을 형성한다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 시트를 제조하는 방법의 이해를 돕기 위해 3층 구조의 메타물질 시트를 제조하는 방법을 예로 들어 설명하였으나, 메타물질층 형성 단계, 절연층 형성 단계 및 비아홀 형성 단계를 소정 횟수 반복하여 설정된 층수로 적층된 메타물질 시트를 제조할 수 있다. 여기서, 메타물질 시트는 메타물질 셀들을 대략 3층 이상 20층 이하로 적층하여 형성된다.
상술한 바와 같이, 적층형 메타물질 시트 및 그 제조방법과, 이를 이용한 무선 충전 모듈은 무선 충전용 코일의 후면에 고투자율 페라이트 시트를 배치하고, 전면에 저투자율 페라이트 시트 또는 메타물질 시트를 배치함으로써, 무선 충전용 코일에서 발생하는 자기장을 전 영역에서 균일하게 분포시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 적층형 메타물질 시트 및 그 제조방법과, 이를 이용한 무선 충전 모듈은 무선 충전용 코일의 후면에 고투자율 페라이트 시트를 배치하고, 전면에 저투자율 페라이트 시트 또는 메타물질 시트를 배치하여 무선 충전용 코일에서 발생하는 자기장을 전 영역에서 균일하게 분포시킴으로써, 휴대용 단말기가 올려지는 위치에 관계없이 충전 효율을 일정하게 유지하여 위치 차이에 따른 충전 시간의 증가를 방지하고, 복수의 휴대용 단말기를 동시에 충전하는 경우에도 휴대용 단말기들 간의 충전 시간 차이를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 적층형 메타물질 시트 및 그 제조방법과, 이를 이용한 무선 충전 모듈은 충전 장치에 실장되는 코일의 후면에 고투자율의 페라이트 시트를 배치함으로써, 휴대용 단말기가 올려지는 방향만으로 자기장을 집중시킬 수 있고, 필요하지 않은 방향으로의 자기장 방사를 억제하여 자기장으로 인한 인체 유해성을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

Claims (17)

  1. 기재 시트; 및
    상기 기재 시트의 일면에 행렬 배치되는 복수의 메타물질 셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 메타물질 시트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메타물질 셀은,
    SRR(Split Ring Resonator) 패턴이 형성된 단위 셀로 형성되어, SRR을 형성하는 것을 특징으로 하는 적층형 메타물질 시트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메타물질 셀은,
    SRR 패턴이 형성된 복수의 단위 셀들이 적층되어 형성되고, 상기 SRR 패턴들은 비아홀에 의해 연결되어 DSRR(Dual Split Ring Resonator)을 형성하는 것을 특징으로 하는 적층형 메타물질 시트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기재 시트는 2 이상 10 이하의 유전율을 갖는 폴리머 수지 필름 또는 세라믹 시트로 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 메타물질 시트.
  5. 시트 제조 장치를 이용한 메타물질 시트 제조방법에 있어서,
    기재 시트의 일면에 복수의 메타물질 셀을 행렬 배치하여 메타물질층을 형성하는 단계;
    상기 메타물질층의 전면에 절연수지를 도포하여 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층에 비아홀을 형성하는 단계; 및
    상기 메타물질층을 형성하는 단계, 상기 절연층을 형성하는 단계 및 상기 비아홀을 형성하는 단계를 반복하여 다층구조의 메타물질 시트를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 메타물질 시트를 형성하는 단계에서는 적층된 메타물질 셀들을 비아홀을 통해 연결하는 것을 특징으로 하는 적층형 메타물질 시트 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비아홀을 형성하는 단계에서는,
    레이저 드릴을 이용하여 상기 절연층에 비아홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 적층형 메타물질 시트 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 비아홀을 형성하는 단계에서는,
    상기 절연층을 형성하는 단계에서 비아홀 형성 부분을 마스킹하고, 상기 절연층의 형성 후에 상기 마스킹을 제거하여 비아홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 적층형 메타물질 시트 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 절연층을 형성하는 단계에서는,
    PI(Polyimide) 또는 PAI(Polyamide imide) 용액을 상기 메타물질 셀에 도포하여 절연층을 형성하는 것을 특징으로 하는 적층형 메타물질 시트 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 메타물질 시트를 형성하는 단계에서는,
    상기 메타물질 셀들을 3층 이상 20층 이하로 적층하여 메타물질 시트를 형성하는 것을 특징으로 하는 적층형 메타물질 시트 제조방법.
  10. 무선 충전용 코일이 형성된 베이스 시트; 및
    메타물질로 구성되고, 상기 베이스 시트의 전면측에 배치되는 적층형 메타물질 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적층형 메타물질 시트는,
    2 이상 10 이하의 유전율을 갖도록 형성된 기재 시트; 및
    상기 기재 시트의 전면에 행렬 배치되는 복수의 메타물질 셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 모듈.
  12. 제11항에 있어서, 상기 메타물질 셀은,
    SRR 패턴이 형성된 복수의 단위 셀이 3층 이상 20층 이하로 적층된 다층 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 모듈.
  13. 제10항에 있어서, 상기 적층형 메타물질 시트는,
    상기 베이스 시트의 전면에 배치되어, 무선충전기 케이스 상부 내측면과 일정 거리 이격되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 모듈.
  14. 제10항에 있어서, 상기 적층형 메타물질 시트는,
    무선충전기 케이스 상부 내측면 및 상부면 중 어느 한 곳에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 모듈.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 베이스 시트의 후면에 결합되는 자성체 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 모듈.
  16. 제15항에 있어서, 상기 자성체 시트는,
    자기공진 주파수(A4WP 의 경우 6.78 MHz)에서의 투자율(u')이 30~2000 이며 Tan△(u"/u')이 0.05 이하인 자성체로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 모듈.
  17. 제15항에 있어서, 상기 자성체 시트는,
    Ni-Zn 페라이트 시트 또는 FeSiAl 또는 FeSiCr 기반의 금속 자성분말을 폴리머에 섞어 형성한 폴리머 시트 중 어느 하나인 무선 충전 모듈.
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