KR101671048B1

KR101671048B1 - 영구 적층된 자속 집중기 조립체 및 가요성 자속 집중기 조립체

Info

Publication number: KR101671048B1
Application number: KR1020127007574A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 더블유. 바르만; 조슈아 케이. 스완네케; 로이 엠. 제이알. 테일러; 매튜 제이. 노르콘크; 윌리암 티. 제이알. 스토너; 케이틀린 제이. 터너; 토마스 제이. 버월드; 마이클 이. 마일즈
Original assignee: 액세스 비지니스 그룹 인터내셔날 엘엘씨
Priority date: 2009-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2016-10-31
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: TW201126551A; CN102598168B; TWI451458B; KR20120057636A; CN102598168A; WO2011031473A2; US20110050382A1; WO2011031473A3; US8692639B2

Abstract

자속 집중기 및 자속 집중기의 제조방법이 제공된다. 본 제조 방법은 연자성체 분말, 결합제, 용매, 또는 내부 윤활제를 조합하는 것과, 재료들을 혼합물로 만들기 위해 혼합하는 것과, 혼합물로부터 용매를 증발시키는 것과, 혼합물이 자속 집중기를 형성하도록 혼합물을 성형하는 것과, 자속 집중기를 경화시키는 것을 포함한다. 자속 집중기는 적층되어 다수의 조각으로 분할될 수 있는 자속 집중기를 더욱 유연하게 해준다. 자속 집중기를 분할하는 것은 자기적 특성에 큰 영향을 미치지 않는다. 결합제의 투자율은 공기의 투자율과 매우 유사하기 때문에, 조각들 사이의 작은 에어갭을 추가한다고 하여 결합제를 추가하는 경우와 크게 차이가 나지 않는다.

Description

영구 적층된 자속 집중기 조립체 및 가요성 자속 집중기 조립체{PERMANENTLY LAMINATED FLUX CONCENTRATOR ASSEMBLY AND FLEXIBLE FLUX CONCENTRATOR ASSEMBLY}

본 발명은 일반적으로 자속 집중기(magnetic flux concentrator)와 자속 집중기(magnetic flux concentrator)들의 제조 방법에 관한 것이다.

때때로 플럭스 가이드(flux guide), 플럭스 포커서(flux focuser), 플럭스 인텐시파이어(flux intensifier), 플럭스 디버터(flux diverter), 플럭스 콘트롤러(flux controller), 플럭스 리플렉터(flux reflector) 그리고 다른 이름 등으로 불리는 자속 집중기는 일반적으로 유도 가열 및 유도 전력 전달의 용도들로 알려졌고 이용되어왔다. 자속 집중기는 일정 영역에서 자기장을 강화할 수 있고 전력이나 열의 전달 효율을 증가시킬 수 있다. 자속 집중기가 없으면, 자기장은 더 쉽게 분산되어 전기적으로 도전성이 있는 주변 환경들(electrically conductive surroundings)과 교차하게 된다. 어떤 경우에서는, 자속 차폐기(magnetic flux shield)가 자속 집중기의 유형일 수 있다.

연자성체(soft magnetic material)는 외부 자기장이 가해졌을 때 자화가 되는 물질이며, 때때로 자속 집중기를 제조하는데 사용된다. 연자성체는 불규칙하게 배열되는 자기 구역(magnetic domain)을 가진다. 이런 자기 구역은 외부 자기장을 적용함으로써 일시적으로 정렬될 수 있다.

자속 집중기를 제조하는 데 사용되는 가장 일반적인 연자성체 중 하나는 페라이트(ferrite)이다. 페라이트 자속 집중기는 일반적으로 아이언 옥사이드(iron oxide)를 주석, 아연, 또는 망간과 같은 하나 이상의 금속의 카보네이트(carbonate) 또는 옥사이드(oxide)와 혼합하여 만들어지는 조밀한 구조(dense structure)를 가진다. 메탈 옥사이드(metal oxide)들의 수많은 조합으로 인하여 페라이트의 종류는 굉장히 다양하다. 전형적으로 페라이트가 가압되고 나서 고온의 가마(kiln)에서 소결(sinter)되고 코일(coil) 형상에 적합하도록 가공된다. 페라이트는 일반적으로 매우 높은 투자율(magnetic permeability)(전형적으로 투자율이 2000μ를 초과함)과 낮은 포화 자속 밀도(saturation flux density)(전형적으로 3000가우스에서 4000가우스 사이)를 가진다. 페라이트 자속 집중기들의 주요 단점은 페라이트 자속 집중기는 얇은 단면 형태로 제조될 때 자주 부러지기도 하고 비틀리기도 쉽다는 것이다. 또한, 페라이트는 일반적으로 낮은 포화 자속 밀도를 가지고있으므로 쉽게 포화되고, 따라서 다른 자기장들이 존재하는 경우에 공기보다 자기장을 현저하게 많이 투과시키지는 못하는데, 이는 몇몇 용도에 있어서 바람직하지는 않을 수 있다. 때때로 페라이트 자속 집중기는 취성(brittleness)과 빈약한 포화 자속 밀도를 보상하기 위하여 더 두껍게 만들어진다. 비록 강도(hardness)상 제작의 어려움이 있지만, 페라이트 자속 집중기는 보다 얇게 가공될 수 있을 것이다. 그러나 얇은 부품을 가공하는 것이 포화도 문제나 대량 생산의 문제를 해결해 주지는 못할 것이다. 더욱이 부품들을 가공하는 것이 대량 생산의 비용을 높이어 대량 생산을 힘들게 할 수 있다.

때때로 자속 집중기를 제조하는데 이용되는 또 다른 연자성체는 자성 유전체(magnetodielectric material; MDM)이다. 이러한 물질은 연자성체와 유전체(dielectric material)로 만들어지며, 유전체는 파티클(particle)의 전기 절연체(electric insulator) 및 결합제(binder)로서 기능한다. MDM 자속 집중기들은 두 가지 유형, 즉 변형 가능한 유형(formable)과 고체 유형(solid)을 가진다. 변형 가능한 MDM은 퍼티(putty)와 비슷하며 코일 형상에 맞추어 성형(mold)된다. 고체 MDM(Solid MDM)은 금속 분말(metal powder) 및 결합제를 압축하고 추후 열처리를 하여 생산된다. MDM 자속 집중기의 특성들은 무엇보다도 특히 결합제 비율에 따라 달라진다. 일반적으로, 결합제 비율이 낮으면 투자율은 높아진다. 그러나, 통상적인 배합에서는 결합제가 더 적을수록 금속 간 접촉(contact)이 커지게 되므로 자속 집중기를 이용하는 동안 더 많은 와전류(eddy current)가 형성된다. 비록, MDM 자속 집중기는 얇은 형태로 제조될지라도, 결합제 비율 차이에 따른 경쟁적인 효과로 인하여 요구되는 자기적 특성 및 열적 특성이 모두 있도록 MDM 자속 집중기들을 제조하기는 어렵다.

휴대전화, mp3 플레이어, 그리고 PDA 같은 가전제품은 얇은 형상을 갖는 추세이다. 동시에, 무선으로 전력을 전달받을 수 있는 이동식 장치들에 대한 수요가 증가하고 있다. 무선 충전 시스템에 이용하기 적합한 현재의 자속 집중기는 일반적으로 너무 두꺼우므로 소비자 기기(consumer device)의 외형을 현저히 커지게 할 수 있다. 따라서 무선 전력 전달 시스템(wireless power transfer system)에 사용되기에 적합한 자기적 성질 및 열적 성질을 갖춘 얇은 자속 집중기를 생산하는 방법에 대한 교구가 있다.

본 발명은 자속 집중기와 자속 집중기의 제조 방법에 관한 것이다.

일 실시 예에서, 본 방법은 다음의 단계, 즉 1)분말화된 연자성체, 결합제, 용매, 그리고 하나 이상의 윤활제들을 조합(combining)하는 단계와, 2)결합제가 용매 속에서 용해되어 적어도 혼합물(mixture)을 생성하도록, 분말화된 연자성체, 결합제, 용매를 충분한 시간 동안 혼합(mixing)하는 단계와, 3)혼합물로부터 용매를 증발시키는 단계와, 4) 자속 집중기를 형성하도록 혼합물을 성형(molding)하는 단계와, 5) 자속 집중기를 경화(curing)시키는 단계를 포함한다. 적절한 원료의 유형과 양을 이용함으로써 결과물인 자속 집중기가 전력 전달 시스템에 사용되기에 적합한 자기적 특성 및 열적 특성을 구비하도록 제조될 수 있다. 또한, 결과물인 자속 집중기는 무선 전력 전달 시스템에 적합한 치수를 구비하여 신뢰성 있게 제조될 수 있다. 예를 들어, 일 실시 예에서 자속 집중기는 약 500mT 이상의 포화 자기 유도량을 가지도록 제조 될 수 있고, 최소 높이 대 두께의 비율 또는 최소 너비 대 두께의 비율로 약 25 대 1을 가질 수 있다. 이러한 결과는 적어도 부분적으로는 파티클(particle) 또는 응집물(agglomeration)의 크기가 특정 범위 내에서 유지되기 때문에 달성이 가능하다. 몇몇 실시 예에서, 성형 전에, 성형된 파티클 또는 응집물의 크기를 조절하기 위해 혼합물이 체로 걸러 질 수 있다. 일 실시 예에서 분말화된 연자성체는 응집되고 대략 75마이크로미터와 430마이크로미터 사이에서 체로 걸러진다. 다른 실시 예에서, 분말화된 연자성체의 크기는 자연적으로 약 75마이크로미터와 430마이크로미터 사이가 되고, 따라서 응집물이 형성될 필요가 없고 체로 거르는 것(sieving)도 불필요하다.

자속 집중기를 제조하는 방법은 외부 윤활제(external lubricant)와 내부 윤활제(internal lubricant)를 부가하는 것을 포함할 수 있다. 내부 윤활제 및 외부 윤활제 모두를 포함하는 실시 예에 있어, 외부 윤활제는 몰드(mold)를 채워감에 따라 응집된 혼합물의 외부 표면에 발현되는 경향이 있으며 혼합물의 흐름을 매끄럽게 한다. 외부 윤활제는 또한 혼합물의 압축(compression)과정 동안 유익할 수 있다. 내부 윤활제는 각각의 연자성 파티클을 윤활시키는 경향이 있으며, 이는 성형 과정 동안 압력이 작용하는 동안 파티클들 사이의 접촉을 감소시키고, 결과적으로 자속 집중기를 이용하는 동안 형성되는 와전류가 줄어든다. 본 제조방법은 적은 양의 접합제를 함유하고 적합한 자기적 특성 및 열적 특성을 보여주는 자속 집중기를 비용 면에서 효율적으로 대량 생산하는 데 이용될 수 있다. 더욱이, 얇은 자속 집중기의 외형은 이런 방법으로 바로 달성 가능하다. 다른 실시 예에서는, 단일의 윤활제가 이용될 수 있다.

일 실시 예에서, 자속 집중기의 원료(raw material)는 중량 기준으로 0.001%와 2.0% 사이의 범위에 있는 외부 윤활제, 중량 기준으로 0.005%와 3.0% 사이의 범위에 있는 내부 윤활제, 중량 기준으로 0.5%와 3.0% 사이의 범위에 있는 결합제, 그리고 잔여분으로 연자성체를 포함한다. 용매가 사용되는 실시 예에서, 용매의 양은 선택된 용매와 결합제와 관련된다. 현재 실시 예에서, 사용되는 결합제의 10배에서 20배까지에 해당하는 용매가 사용된다. 일 실시 예에서, 제조 과정 동안, 윤활제, 연자성 파티클, 그리고 결합제 파티클로 이루어진 복수의 응집물이 생성될 수 있다. 용매가 부가되는 실시 예에 있어, 실질적으로 용매 전부가 제조 과정 동안 증발될 수 있다. 본 제조 방법에 의해 700마이크로미터 이하의 응집물을 함유한 혼합물이 생성된다. 압축 과정 동안 재료의 균일성(uniformity)에 도움이 되도록 혼합물은 보다 좁은 파티클 크기의 범위가 되도록 체로 걸러질 수 있다. 현재 실시 예에서, 체로 거름(sieving)으로써 응집물의 크기를 약 75마이크로미터와 약 430마이크로미터 사이로 분리하게 된다. 일 실시 예에서, 자속 집중기는 다음과 같은 자기적, 열적, 그리고 물리적 특성을 가진다. 즉, 자유 공간(free space)의 투자율의 15배를 초과하는 투자율, 30mT를 초과하는 포화도, 1S/m 미만인 도전율, 그리고 1mm 미만인 두께를 가진다. 본 발명인 자속 집중기를 제조하는 방법에 대한 일 실시 예를 이용함으로써 이러한 자속 집중기가 제조될 수 있다. 다른 실시 예에 있어, 자속 집중기는 용도에 따라 다양한 자기적 특성, 열적 특성, 그리고 물리적 특성들을 가지도록 제조될 수 있다.

자속 집중기는 적층되고 다수의 조각(multiple piece)으로 분할될 수 있는데, 이는 자속 집중기를 더 유연하게 해준다. 자속 집중기를 분할시키는 것(breaking)이 자기적 특성들에 심각한 영향을 미치지 않는다. 결합제의 투자율은 공기의 투자율과 매우 유사하므로, 자속 집중기의 일부분 사이에 작은 에어 갭(air gap)을 부가한다고 하여 결합제를 추가하는 경우와 크게 차이가 나지 않는다.

본 발명의 이러한 특징과 다른 특징들은 도면과 실시 예의 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 완벽히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 자속 집중기를 제조하는 방법의 일 실시 예를 보여주는 흐름도다.
도 2는 자속 집중기를 제조하는 방법의 다른 실시 예를 보여주는 흐름도다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 자속 집중기를 압축 성형하는데 이용되는 압축기의 예시도다.
도 4는 일 실시 예의 자속 집중기 내에 매립된 코일의 평면도 및 측면도다.
도 5는 매립된 마그넷(magnet)을 포함하는 자속 집중기의 일 실시 예의 평면도다.
도 6은 자속 집중기에 매립된 마그넷과 마그넷 및 자속 집중기를 분리해주는 절연체를 포함하는 일 실시 예의 평면도다.
도 7은 매립된 마그넷을 가진 적층된 자속 집중기의 측면 단면도다.
도 8은 적층된 가요성(flexible) 자속 집중기의 사시도다.
도 9는 이중 적층된 자속 집중기의 전개도와 측면 조립도다.
도 10은 가요성 자속 집중기를 만드는 한 방법을 보여주는 대표도다.
도 11은 롤러를 사용하여 가요성 자속 집중기를 만드는 방법을 보여주는 대표도다.
도 12는 롤러를 사용하여 가요성 자속 집중기를 만드는 방법을 보여주는 대표도다.
도 13은 두 개의 상이한 자속 집중기에 있어 구획점(break point)을 보여주는 두 개의 대표도다.
도 14와 도 15는 스코어링(scoring)과 적층(laminating)에 의해 가요성 자속 집중기를 만드는 방법을 보여주는 대표도들이다.
도 16은 자속 집중기를 패턴(pattern)으로 성형함으로써 가요성 자속 집중기를 만드는 방법을 보여주는 대표도다.
도 17은 자속 집중기의 다양한 영역에서 상이한 수준의 가요성을 만들수 있게 해주는 불규칙한 패턴을 가지는 자속 집중기의 대표적 사시도다..
도 18a는 압축 성형된 자속 집중기에 매립된 트레이스(trace)의 사시이다.
도 18b는 트레이스의 사시도다.
도 18c는 압축 성형된 자속 집중기의 표면에 장착된 스탬핑된 코일(stamped coil)에 연결되어 있는 압축 성형된 자속 집중기에 매립된 트레이스의 평면도이다.
도 18d는 도18c에 대한 단면도이다.
도 19는 트레이스의 변경 예에 대한 사시도다.
도 20은 압축 성형된 자속 집중기에 매립된 트레이스의 변경 예를 도시한 것이다.
도 21은 무선 전력 모듈(wireless power module)의 일 실시 예의 정면도다.
도 22는 도 21의 무선 전력 모듈의 배면도다.
도 23은 일련의 코일을 구비한 무선 전력 모듈의 일 실시 예의 평면도다.
도 24는 코일이 다층 배열(multi-layer array)된 무선 전력 모듈의 다른 실시 예의 평면도다.
도 25는 함께 성형된 트레이스를 구비한 자속 집중기의 일 실시 예에 대한 사시도다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 자속 집중기를 제조하는 방법에 대한 흐름도는 도 1에 도시되어 있고 전체적으로 참조부호 100을 부기한다. 본 방법(100)은 전체적으로 1) 연자성 파워, 결합제, 용매, 윤활제(예컨대, 외부 및/또는 내부 윤활제)를 조합하는 단계(102)와, 2) 혼합물(mixture)이 생성되도록 하기 위해 연자성 파워, 결합제, 용매, 윤활제를 용매에 결합제가 용해되기 충분한 시간 동안 혼합(mixing)하는 단계(104)와, 3) 용매를 (예컨데 혼합물을 가열하거나 혼합물에 진공을 가하거나 혼합물에 가열 및 진공을 동시에 적용하는 식으로) 용매를 증발시키는 단계(106)와, 4) 자속 집중기의 형상을 만들기 위하여 혼합물을 성형(molding)하는 단계와, 그리고 5) 결합제를 경화시키기에 충분한 온도에서 자속 집중기를 경화하는 단계(110)를 포함한다. 비록 물질들이 모두 조합되었더라도, 이러한 조합이 혼합 단계 바로 전 또는 동시에 일어날 필요는 없다. 예를 들면, 윤활제(들)는 용매가 증발되기 전이면 다른 물질과 언제든 조합될 수 있다. 복수의 윤활제를 포함하는 실시 예에 있어, 몇몇 윤활제는 혼합 단계 전에 부가되고 일부 윤활제는 혼합 단계 후 부가될 수 있다. 몇몇 실시 예에 있어, 혼합물을 몰드 캐비티(mold cavity)에 주입하기 전에 (예를 들어 체로 거르는 과정에 의하여) 혼합물의 파티클 크기가 제어될 수 있다. 혼합물의 파티클 크기를 제어하는 것은 혼합물 속의 응집물의 크기를 제어하는 것을 포함 할 수 있다.

자속 집중기는 기본적으로 어떠한 연자성체를 이용하여도 제조될 수 있다. 본 실시 예에서, 철 분말(iron powder)이 사용되는데, 이는 철 분말이 유도 전력 전송 시스템들과 연결하는데 사용되는 주파수 대역에서 바람직한 자기적 특성을 가지고 있기 때문이다. 적당한 철 분말의 두 가지 예가 안코르스틸 1000C(Ancorsteel l000C)와 카르보닐 철 분말(carbonyl iron powder)이다. 안코르스틸 1000C 와 카르보닐 철 분말 모두 절연되거나 결합제와 같이 사용되는 때에 50kHz에서 500kHz까지의 주파수 범위에서, 상대적으로 높은 투자율, 상대적으로 높은 포화도(saturation), 그리고 상대적으로 낮은 자기 손실율(magnetic losses)을 가진다. 안코르스틸 1000C는 회가나에스 코포레이션(Hoeganaes Corporation)으로부터 입수 할 수 있고 카르보닐 철 분말은 바스프 코포레이션(BASF Corporation)으로부터 입수할 수 있다. 연자성체의 파티클 크기는 용도에 따라 변할 수 있다. 카르보닐 철 분말을 이용하는 실시 예에 있어, 카르보닐 철 분말 파티클은 일반적으로 0.5마이크로미터에서 500마이크로미터 사이의 범위에 있다. 안코르스틸 1000C를 이용하는 실시 예에 있어, 안코르스틸 1000C 파티클은 일반적으로 75마이크로미터에서 430 마이크로미터 사이의 범위에 있다. 비용적인 이유나 자속 집중기의 바람직한 특성들을 얻기 위한 목적으로 철 분말의 다른 유형들 혹은 철 분말의 다양한 유형들의 조합이 다양한 실시 예에서 이용될 수 있다.

다른 실시 예에 있어, 연자성 합금(soft magnetic alloy), 절연된 금속 파티클(insulated metal particle), 혹은 분말화된 페라이트(powdered ferrite)과 같은 또다른 연자성체들이 이용될 수 있다. 이용될 수 있는 연자성 합금의 구체적 예에 몰리 페름알로이 파우더(Moly Permalloy Powder), 페름알로이(Permalloy), 그리고 센더스트(Sendust)가 포함된다. 연자성 합금을 이용함으로써 자속 집중기의 성능을 저하시키지 않으면서 보다 높은 비율로 결합제를 이용하는 것이 가능할 수 있다. 절연된 금속의 일 예가 포스페이트(phosphate) 코팅된 철이다. 절연은 와전류와 부식(corrosion)을 감소시킬 수 있다. 우연히 절연부가 제거되는 것을 피하기 위하여 경화 과정을 변경하는 것이 적절할 수 있는데, 절연부는 경화 과정 동안 사용되는 온도에서는 취약할 수 있기 때문이다.

파티클 분포는 특정 용도에 맞추어 특화될 수 있다. 본 실시 예에서, 단일 유형의 연자성체와 결합제가 이용되나, 다른 실시 예에서는, 바이모달(bimodal) 혹은 이와 다르게 특화된 파티클 분포가 이용될 수 있다. 예를 들어, 페라이트 분말과 카르보닐 철 분말의 조합은 특정 용도에서 바람직한 특성들을 가지는 자속 집중기를 제조하는 데 이용될 수 있다. 다른 실시 예에 있어서는, 다른 분말 물질들의 혼합물들(blends)이 (예를 들어 높은 투자율의 연자성 분말이 조합된 것) 적합할 수 있다.

자속 집중기는 기본적으로 연자성체를 함께 결합하여 자속 집중기를 형성할 수 있는 어떠한 연자성체를 이용하여서도 제조 될 수 있다. 결합제는 혼합물 내의 물질들을 함께 결합시키는데 사용되는 물질이다. 본 발명에서 사용하기 적합한 결합제의 예는 열경화성 폴리머(thermoset polymer)와 열가소성 폴리머(thermoplastic polymer)와 실리콘 폴리머(silicone polymer)와 알루미나(alumina), 실리카(silica), 또는 실리케이트(silicate)와 같은 무기 물질(inorganic material)과 또는 연자성체를 함께 결합할 수 있어 자속 집중기를 형성하는 그 밖의 다른 결합제이다. 열경화성 폴리머들의 예는 에폭시드(epoxide, 때때로 에폭시(epoxy)로 지칭되기도 함), 베이클 라이트(Bakelite), 그리고 포마이카(Formica)이다. 에폭시는 본 실시 예에서 사용되는 결합제이다. 에폭시는 에폭시드 수지(epoxide resin)와 폴리아민(polyamine)과의 반응으로 형성된다. 본 실시 예는 잠재적 경화 에폭시(latent cure epoxy)를 사용한다. 두 개의 단량체(monomer)들이 조합되어있을 때, 잠재적 경화 에폭시는 실온에서 고체이나, 열이 가해지고서 나서야 가교된 수지(crosslinked resin)로 경화된다. 본 실시 예에서, 수지 및 촉매제(catalyst)는 혼합 전 미리 조합되거나 또는 다른 물질들과 동시에 조합될 수 있다.

용매는 연자성 분말에서 결합제를 분산시키는 운반체(carrier)로서 이용될 수 있다. 본 실시 예에서, 아세톤(acetone)은 에폭시 결합제를 용해시키기 위하여 용매로서 사용될 수 있다. 다른 실시 예에서, 이와 다른 용매가 결합제를 분산시키기 위하여 사용될 수 있다. 본 실시 예에서, 일단 결합제가 용매 내로 용해되어 공정상 혼합되고 난 후, 용매는 증발한다.

적은 비율의 결합제와 분말화된 연자성체를 혼합하는 것은 혼합물 내 응집물의 형성을 일으킬 수 있다. 미세한 분말은 잘 유동하지 않고 몰드 캐비티에 주입될 때 미세한 파티클들이 공기를 가두어 두는 경향을 보인다. 미세한 분말과 비교하여 응집물은 보다 나은 충진(fill) 및 유동(flow) 특성을 가진다. 혼합물의 구성에 따라 응집물의 크기는 바람직한 범위 내에 (예를 들어 75마이크로미터에서 430마이크로미터 사이) 있을 수 있다. 혼합물의 구성에 따라, 보다 작은 응집물 및/또는 보다 작은 파티클을 제거하여 충진 및 유동 특성들을 개선하기 위하여 혼합물을 체로 거르는 것(sieving)이 유리할 수 있다. 예를 들어, 체로 거르는 과정이 응집물의 크기를 75마이크로미터와 430마이크로미터 사이로 조절하는데 이용될 수 있다. 또한, 특정 응집물은 특정한 자기적, 열적, 그리고 기계적 특성을 결과물인 자속 집중기에 제공할 수 있다.

외부 윤활제를 이용하는 실시 예에 있어, 외부 윤활제는 응집된 파티클 사이에서 윤활 기능을 제공하는데, 이는 혼합물이 보다 빠르게 유동하고 보다 균일하게 몰드 캐비티에 충진되도록 만든다. 외부 윤활제는 용매가 증발함에 따라 응집물들의 외부 표면에 발현되어 윤활 기능을 제공하며, 그것에 의해 혼합물의 유동을 향상시키고 혼합물을 자유 유동 분말(free flowing powder)로 변환시켜준다.

외부 윤활제는 연자성체, 결합제, 용매 중 일부 또는 전부와 제한적 호환성(limited compatibility)을 가진 것으로 선택될 수 있다. 일 실시 예에서, 외부 윤활제는 혼합 단계 전 혹은 혼합 과정 중에 연자성체, 결합제, 그리고 용매와 조합될 수 있다. 다른 실시 예에 있어, 외부 윤활제는 혼합 단계 이후라도 부가될 수 있으나 성형 단계 전에 부가되어야 한다. 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane)은 외부 윤활제로 사용될 수 있고 혼합 단계 전에 다른 물질들과 조합될 수 있다. 다른 실시 예에 있어, 다른 외부 윤활제, 예를 들어 미네랄 오일(mineral oil) 또는 베지터블 오일(vegetable oil)이 이용될 수 있다.

내부 윤활제를 이용하는 실시 예에 있어, 내부 윤활제는 완성된 자속 집중기에서 연자성 파티클 사이의 도전성(particle-to-particle conductivity)을 감소시킬 수 있고 성형 작업 동안 금속 또는 페라이트 파티클 사이의 윤활을 제공할 수 있다. 즉, 내부 윤활제는 자속 집중기에서 형성되는 와전류를 감소시킬 수 있다. 내부 윤활제들의 적당한 예는 징크스테아레이트(zinc stearate)와 같은 금속비누(metal soap)와 분말화된 왁스(powdered wax)를 포함한다. 내부 윤활제는 응집물의 외부에 발현되지 않는다. 대신에, 내부 윤활제는 응집물에 침투하여 연자성 분말 파티클들의 내부 및 연자성 분말 파티클들 사이에 도달하는데, 이는 연자성 분말 파티클들이 충돌할 기회를 감소시키나, 파티클들의 충돌이 있었다면 부가적인 전기적 손실을 초래할 수 있었다.

제조 공정 동안 사용되는 윤활제, 즉 내부 윤활제 및 외부 윤활제는 사용되는 결합제의 양을 보다 줄여 줄 수 있으며, 비슷하거나 개선된 자기적 특성 및 열적 특성을 제공할 수 있다.

이런 재료들은 통상적인 혼합기(mixer)에서 혼합될 수 있으며, 전체적으로 충분히 혼합되도록 하고 용매에 결합제가 용해되기에 충분한 시간 동안 혼합되도록 하는 어떠한 혼합 기술(mixing techniques)이라도 기본적으로 이용될 수 있을 것이다. 이런 재료들은 혼합 공정에서 상이한 순서와 상이한 시점에 부가될 수 있다.

다양한 증발법이 용매를 증발시키기 위하여 이용될 수 있다. 본 실시 예에서 혼합기는 온수 또는 증기가 통과하여 혼합기 내의 물질을 가열하는 재킷(jacket)을 포함한다. 또한 본 실시 예의 혼합기는 혼합기 내에 진공을 만들기 위한 펌프를 포함한다. 용매가 증발함에 따라서, 혼합물은 분말로 건조되는데, 거기에는 결합제 파티클과 연자성체 파티클의 응집물들이 있을 수 있다.

분말은 직접 몰드 캐비티 내로 주입되거나 파티클 및/또는 응집물의 크기를 제어하기 위하여 체로 걸러질 수 있다. 일 실시 예에서, 분말은 충분한 양의 용매가 증발되어 분말이 건조될때까지 처리되고 체로 걸러질 수 있다. 다른 실시 예에서, 체로 거르는 단계는 생략되고 더 적은 정제 분말이 몰드(mold)로 주입될 수 있다.

자속 집중기를 제조하는 방법에 대한 다른 실시 예의 흐름도는 도 2에서 나타나 있고, 전체적으로 참조부호 200이 부기된다. 이런 방법은 1) 연자성 분말을 혼합기에 부가하는 단계(202)와, 2) 결합제를 혼합기에 부가하는 단계(204)와, 3) 용매를 혼합기에 부가하는 단계(206)와, 4) 외부 윤활제를 혼합기에 부가하는 단계(208)와, 5) 내부 윤활제를 혼합기에 부가하는 단계(210)와, 6) 용매가 결합제를 용해시킬 때까지 물질들을 혼합하는 단계(212)와, 7) 용매를 증발시키는 단계(214)와, 8) 파티클 크기를 제어하기 위하여 혼합물(216)을 체로 거르는(sieving) 단계(216)와, 9) 자속 집중기의 형상을 만들기 위하여 압축 성형하는 단계(218)와, 10) 자속 집중기를 취출하는 단계(220)와, 그리고 11) 자속 집중기를 경화하는단계(222)를 포함한다. 자속 집중기 제조 방법의 이러한 실시 예와 도 1의 실시 예 사이의 한가지 차이점은 파티클 크기의 제어를 위하여 혼합물이 체로 걸러진다는 것이다. 체로 거르는 공정은 너무 큰 파티클들 및/또는 너무 작은 파티클을 제거할 수 있는 일 단계 또는 이 단계의 공정일 수 있다.

임계치(threshold) 보다 크거나 또는 임계치 보다 작거나 또는 이들 모두에 해당하는 파티클 또는 응집물을 제거하기 위하여 혼합물은 체로 걸러질 수 있다. 좁은 파티클 분포는 전형적으로 보다 일관되고 보다 신뢰성 있게 몰드(mold)를 충진하도록 할 것이다. 일 실시 예에서, 설정 임계치 아래에 있는 분말 파티클 및 응집물이 제거된다. 미세한 파티클의 제거는 몰드를 충진하는 데 있어 더욱 향상된 균일성으로 이어진다. 공기는 더 작은 파티클에 의해 쉽게 포획될 수 있고, 따라서 혼합물에서 보다 작은 파티클을 제거하는 것은 몰드 충진 작업에 도움이 될 수 있다.

일 실시 예에서, 필요하다면, 큰 파티클 및 응집물은 40메쉬 미국 표준 체(40 mesh US Standard Sieve)(430마이크로미터)에 의해 제거되고 미세한 파티클들은 200메쉬 미국 표준 체(200 mesh US Standard Sieve)(75마이크로미터)의해 제거된다. 큰 응집물은 갈리거나 또는 혼합물에 충돌하여 부가될 수 있고 더 작은 파티클은 추후 배치(batche)로 재활용될 수 있다. 다른 실시 예에서, 상이한 크기의 메쉬 또는 다른 시빙 장치(seiving device)가 혼합물에서 상이한 크기의 파티클을 얻기 위해 이용될 수 있다.

여러 가지 상이한 기술들이 자속 집중기의 형상을 만들기 위한 혼합물의 성형에 이용될 수 있다. 본 실시 예에서, 혼합물은 압축 성형된다. 압축 성형을 위한 예시적인 압축기(300)가 도 3에 도시되어있다. 간단한 형상들 또는 복잡한 형상들은 교체할 수 있는 몰드를 통해 성형될 수 있으며, 몰드는 몰드 캐비티(302)와 함께 사용될 수 있다. 혼합물은 본 실시 예에서 분말 형태로 존재하므로 압축 몰드(compression mold)(304)의 캐비티(302)에 주입될 수 있다. 외부 윤활제를 이용하는 실시 예에 있어, 외부 윤활제는 응집물들이 유동하고 압축 몰드를 충진하도록 하는 데 도움이 된다. 일반적으로, 분말은 몰드에 투입되는 양이 부피 단위로 측정 되고, 중력에 의해 충진된다. 전형적으로 압축기(300)는 실온에서 유지되나, 다른 실시 예에 있어, 몰드는 가열될 수 있다. 압축을 행할 때, 상부 다이(upper die)(306)는 하강하고 고형물(solid part)을 형성하기 위해 분말을 압축한다. 본 실시 예에서, 압력은 제곱 인치당 약 10톤에서 50톤 사이의 범위를 가질 수 있다. 다른 실시 예에서, 압력은 용도에 따라 증가하거나 감소할 수 있다.

압축 과정 동안, 압력이 응집물과 응집물 내의 연자성체 파티클에 가해진다. 내부 윤활제를 이용하는 실시 예에 있어서, 내부 윤활제는 압축되어감에 따라 연자성체의 개별 파티클이 이동하는 데 도움을 준다. 완성 부품에 있어서 증가한 밀도 및 증가한 압축성, 감소한 변형과 감소한 유도 응력을 가진 부품을 생산하는데 내부 윤활제가 도움이 될 수 있다. 결과물인 자속 집중기는 선행 기술들을 사용하여 생산되는 자속 집중기에 비해 우수한 성능 특성을 제공할 수 있다.

비록, 본 방법은 압축 성형을 이용하여 실시되더라도, 압축 성형에 대한 대안들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 램 압출(ram extrusion)과 같은 압출 기술들(extrusion techniques), 임팩트 성형(impact molding), 또는 라간 테크놀로지즈사 하이-쉐어 컴팩션(Ragan Technologies Inc. High-shear compaction)은 모두 압축 성형 대신에 사용될 수 있는 기술들의 다른 예이다.

압축 성형이 완료되는 즉시, 자속 집중기가 몰드로부터 취출될 수 있다. 자속 집중기는 취출 전 또는 취출 후 경화되거나 다른 후처리 공정들이 적용될 수 있다. 다수의 후처리들이 자속 집중기를 완성하는데 적합할 수 있다. 본 실시 예에서, 결합제를 경화시키기 위해 약 화씨 350도의 온도가 자속 집중기에 적용된다. 다른 실시 예에 있어, 일부는 가열된 몰드를 통해 부분적으로 경화되고, 그리고 나서 몰드로부터 배출된 후 최종적으로 경화될 수 있다. 열 활성화(heat activation), 저온 경화(low temperature), 건조(drying), 수분 경화(moisture curing), 유브이 경화(UV curing), 복사 경화(radiation curing), 혹은 수지 함침(resin impregnation)과 같은 다른 후처리들이 있을 수 있다. 수지 함침은 적절한 경우라면, 자속 집중기가 용매에 용해된 결합 수지로 디핑(dipping)되거나 코팅되는 공정이다. 자속 집증기의 다공성(porous) 부위들은 결합 수지로 채워진다. 용매는 증발하고, 추가적 강도를 자속 집중기에 제공하는 수지를 남겨놓는다. 결합제 수지(binder resin)에 따라서, 가열 공정이 결합제를 경화하는데 이용될 수 있다. 수지 함침은 자속 집중기의 강도를 증가시키거나 시간의 경과에 따라 발생하는 금속 부식(metal corrosion)의 양을 감소시키는데 유용할 수 있다.

도 4에서 도시된 대로, 코일(402)은 z축 높이를 감소시키고 (자속 집중기 상부에 적층된 코일과 비교하는 경우) 자속 집중기의 전체적인 강도를 증가시키기 위하여 압축 성형 과정에서 자속 집중기(400) 내부로 매립될 수 있다. 코일을 표면과 동일한 높이로 매립하기 위하여, 코일은 몰드 캐비티의 바닥에 위치할 수 있고, 그리고 나서 연자성체 혼합물이 몰드 캐비티에 코일과 함께 위치할 수 있다. 압축 성형 후, 결과물인 자속 집중기는, 노출된 상태로 자속 집중기의 표면과 동일 높이에 있는 매립 코일을 포함한다. 매립된 코일(402)은 자속 집중기의 상부 면과 동일한 높이에 있는데, 이는 노출된 면에서 유도 커플링이 일어나도록 한다. 즉, 코일이 1차 코일 또는 2차 코일로서 사용되는지 여부에 따라, 자속은 건너 편 매립 코일로부터 또는 매립코일로 전달되는 유도 전력 전송 시스템의 1차 코일 또는 2차 코일로서 이용될 수 있다. 자속 집중기의 두꺼운 단면은 유도 커플링 용도는 아니나, 대신에 자기장을 모아서 유도 커플링을 증가시키려는 용도이다.

본 실시 예에서, 매립된 코일은 이층 스탬핑된 코일(two layer stamped coil)이다. 스탬핑된 코일은 금속 판으로부터 전단된 코일이다. 다층 스탬핑된 코일(multi-layer stamped coil)은 다수의 스탬핑된 코일들과 그들 내부 및 사이에 절연체(dielectric)를 함께 적층함으로써 생성될 수 있으며, 비아 또는 다른 형태의 연결이 이용되어 각 층들을 연결할 수 있다. 스탬핑된 코일은 도시된 실시 예에서 두개의 층으로 되어 있더라도, 다른 실시 예에서 스탬핑된 코일은 추가적인 층을 포함하거나 보다 적은 층을 포함할 수 있다. 다른 실시 예에서, 매립된 코일로 스탬핑된 코일 대신에 권선 코일(wire wound coil)이 이용될 수 있고 이런 코일은 단층이거나 이층보다 많을 수 있다.

도 4에서 도시된 대로, 코일 리드(coil lead, 404)는 압축 성형된 자속 집중기로부터 돌출될 수 있다. 다른 실시 예에서, 코일 리드는 압축 성형된 자속 집중기 내에 매립된 스탬핑된 트레이스(stamped trace)에 연결될 수 있다. 압축 성형된 자속 집중기(1800) 내부에 매립된 스탬핑된 트레이스(1802) 의 예시적인 구성 하나가 도 18a 내지 도 18d 에서 도시되어있다. 도 18a와 도 18b는 매립된 구리 트레이스(1802)를 포함하는 압축 성형된 자속 집중기(1800)의 사시도를 도시한다. 도 18c에서 도시된 대로, 트레이스는 코일(1809)에 연결되도록 해주는 패드(pad)(1804)를 포함한다.

단자(terminal)(1806)는 자속 집중기의 가장 자리에 맞도록 스탬핑 가공될 수 있다. 다른 회로 구성 요소들과의 연결은 터치 컨택트(touch-contact) 또는 납땜(solder)으로 이루어질 수 있다. 단자는 몰렉스 커넥터들(Molex connectors)을 고려하여 직선으로 되어 있을 수 있다. 또한, 직선 단자(straight terminal)는 PCBA에 직접적으로 납땜하는 것을 용이하게 해준다. 홀(hole)(1808)은 스탬핑 가공된 구리 주위나 아래에서 성형되며, 트레이스들의 펀칭(punching)을 용이하게 해준다. 구리 스탬핑 가공에서 펀칭되는 위치는 참조부호 1810이다. 성형 후, 이 영역은 두 트레이스들 사이의 회로를 차단하기 위하여 펀칭된다.

도 18c 는 압축 성형된 자속 집중기 내부에 매립되고 표면 실장된 코일(1809)에 연결되는 트레이스 구성에 대한 평면도이다. 도 18d는 코일 상부나 하부로 지나가는 중심 도선(center wire)이 없기 때문에 트레이스를 매립함으로써 감소하게 되는 스택(stack) 높이를 도시한다. 대신에 본 실시 예에서, 전류는 매립된 구리 트레이스를 통하여 전달된다. 물론, 다른 실시 예에서 구리 외에 다른 금속들이 전류를 전달하는데 이용될 수 있다.

중심 도선에 필요한 트레이스가 자속 집중기 안에 매립되기 때문에 압축 성형된 자속 집중기에 매립된 스탬핑된 구리 트레이스는 부품의 강도를 강화시켜줄 수 있고 전체 조립품의 스택 높이를 감소시켜주며, 다양한 유형의 단자를 허용함으로써 코일 및 자속 집중기 조립체(coil-flux concentrator assembly)의 전기적 연결을 향상시킨다.

도 19는 압축 성형된 자속 집중기에 매립될 수 있는 트레이스(1902)의 변경 예를 도시한다. 트레이스(1902) 일부는 압축 성형된 자속 집중기에 트레이스를 고정하는 것을 보조하는 톱니모양 또는 성곽모양의 에지(serrated or castled edge, 1904)를 포함한다. 이와 다른 고정 형상(anchoring geometry)이 압축 성형된 자속 집중기에 트레이스를 고정하는 것을 보조하기 위하여 이용될 수 있다.

도 20은 단자(2006)의 위치를 수정한 변경 예를 도시한다. 단자 사이의 간격과 종단자의 위치는 용도에 맞게 조정될 수 있다. 예를 들어, 단자는 몰렉스 커넥터 용 또는 PCBA와의 직접 납땜용 스페이드(spade)을 형성시키기 위하여 스탬핑 가공 될 수 있다. 다른 회로 부품들과의 연결은 터치-콘택트 또는 납땜에 의할 수 있다. 또한 단자는 자속 집중기의 가장자리에 맞추어질 수 있다.

도 5에서 도시되듯이, 강도 및 자기적 정렬(magnetic alignment)을 위하여 마그넷 또는 마그네틱 어트랙터(magnetic attractor)(502)는 자속 집중기(500) 내부에 함께 성형되고, 결합되고, 압축될 수 있다. 이와 달리, 영구 마그넷 또는 마그네틱 어트랙터 삽입체가 후처리 공정에서 삽입될 수 있다. 후처리 공정에서 삽입하는 것은 영구 마그넷 또는 마그네틱 어트랙터를 제 위치에서 마찰 맞춤(friction fitting)하거나 접착(gluing)하는 것을 포함한다. 자속 집중기용 물질은 마그넷이나 마그네틱 어트랙터 근방에서 성능이 증가하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 영구 마그넷은 국부적으로 자속 집중기에서 포화도 한계치를 감소시키게 되므로, 높은 포화도를 가진 자속 집중기는 마그넷을 포함한 실시 예에 적합할 수 있다.

영구마그넷 또는 마그네틱 어트랙터는 자기 인력(magnetic attraction) 용도로써 표면에 노출될 수 있다. 이와 달리, 영구 마그넷 또는 마그네틱 어트랙터가 표면 아래에 매립될 수 있으나, 여전히 무선 전력 전달 시스템에서 원격 장치의 정렬(alignment)에 필요한 충분한 자기 인력을 공급할 수 있다.

도 5에서 도시되었듯이, 영구 마그넷 또는 마그네틱 어트랙터는 자속 집중기 전체를 관통하여 연장될 수 있다. 이와 달리, 자기 인력이 주어진 용도에 바람직한지 여부에 따라서, 영구 마그넷 또는 마그네틱 어트랙터는 자속 집중기의 외부로 일부 연장되거나 자속 집중기 일부를 관통하여 연장될 수 있다.

도 6에서 도시된 대로, 영구 마그넷으로 인하여 감소된 포화도 한계는 자속 집중기의 절연부(insulating portion)(604)에 의하여 상쇄될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 영구 마그넷(602)과 자속 집중기(600) 사이의 에어 갭은 영구 마그넷으로 인해 전형적으로 야기되는 직류 장 포화(DC field saturation)로 인한 영향들을 최소화시킨다. 다른 실시 예에 있어, 공기가 아닌 절연체가 이용될 수 있다. 예를 들어, 절연체는 아모포스 포일(amorphous foil) 또는 플럭스 리플렉터(flux reflector)와 같은 플럭스 가이드 랩(flux guide wrap) 또는 마일러 필름(Mylar film) 일 수 있다.

도 7에서 도시된 대로, 강화 물질(strengthening material, 706)의 층은 자속 집중기(700)의 표면에 적층될 수 있다. 자속 집중기는 바람직한 재질로 이용될 수 있을 정도의 강도를 갖기 위하여 다중 성형(co-molding)되거나, 압출되거나, 또는 적층될 수 있다. 예를 들면, 탄소 섬유(carbon fiber), 유리 섬유(glass fiber), 그라핀(graphene), 플라스틱(plastic), 마일러 필름(Mylar film), 아모포스 자성체(amorphous magnetic material), 케블라(Kevlar), 또는 다른 복합체(composite)가 자속 집중기 위에 적층되거나 자속 집중기와 함께 다중 성형되거나, 압출되거나, 또는 적층될 수 있다. 다른 실시 예에서, 강철 전선(steel wire)의 작은 단편(small segment)은 안정기(stabilizers)와 같이 작은 강철 리바(steel rebar)처럼 갈라지기는 하지만 부품을 가로질러 충분한 도전성이 있는 매트릭스(matrix)를 생성할 정도로 많지는 않다. 전술한 바와 같이 선택 사항인 영구 마그넷 또는 마그네틱 어트랙터(702)는 적층된 실시 예에 통합될 수 있다.

도 9에서 도시된 대로, 재료들(902, 906)은 가요성 자속 집중(900)를 형성하기 위해 자속 집중기(904)의 양면에 적층될 수 있다. 몇몇 실시 예에 있어 적층 두께는 자속 집중기의 양면에서 같을 수 있으나, 다른 실시 예에서는 도 9에 도시된 실시 예처럼 적층 두께가 다를 수 있다. 도 9에 도시된 치수들은 단지 예시에 불과하다. 이러한 적층은 일면 또는 양면에 접착제(adhesive)를 포함한다. 예를 들어, 도 9에서, 필름의 한 층은 단면 테이프(single-sided tape)이고 필름의 다른 층은 양면 테이프(double-sided tape)이다. 양면 테이프는 자속 집중기에 부착되는 일면과 차폐되는 표면에 부착될 수 있는 다른 면을 가진다.

적층된 자속 집중기는 자속 집중기의 상이한 조각들 사이에 에어 갭을 형성시키기 위해 다수의 조각으로 분리되거나 균열 될 수 있다. 적층과 함께 자속 집중기를 다수의 조각으로 분리함으로써 생성되는 에어 갭은 자속 집중기를 더욱 유연하게 만들어 준다. 또한, 자속 집중기 안의 부가적인 에어 갭은 자속 집중기의 특성에 심각한 영향을 미치지는 않는다. 예를 들어, 몇몇 실시 예에 있어, 자속 집중기의 제조 과정 동안 포함되는 폴리머릭 물질들(polymeric materials)로 인하여 자속 집중기 내에 에어 갭이 이미 존재한다. 전술된 자속 집중기를 분할시키는 것은 일반적으로 에어 갭의 양을 증가시킬 것이나, 종래 기술인 페라이트 쉴드(ferrite shield)를 균열시키는 것과 비교하여 자속 집중기의 특성에 심각한 영향을 미치는 정도로 증가시키는 것은 아니다.

자속 집중기는 균열되거나 균일한 조각 또는 불균일한 조각으로 분리될 수 있다. 몇몇 실시 예에 있어서, 자속 집중기는 도 8의 자속 집중기(800)에서 도시한대로 전체적으로 균일한 크기의 사각형들과 같이 전체적으로 균일한 크기의 부분들로 분리된다. 다른 실시 예에서, 자속 집중기는 불균일한 조각으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 도 13에서 자속 집중기는 임의의 크기의 조각(random sized piece)으로 균열되고 도 17에서 자속 집중기는 불규칙한 패턴(irregular pattern)을 가진 상이한 크기의 조각으로 균열된다.

자속 집중기를 균열시키거나 분리하는 많은 다양한 기술들이 있다. 가능한 기술들 중 일부는 1) 적층 및 펀칭과, 2) 적층 및 롤링(rolling)과, 3) 스코어링(scoring) 및 적층 및 균열(breaking)과, 4) 성형 및 적층 및 균열을 포함한다.

적층 및 펀칭은 자속 집중기를 적층하는 것과 그 후 적층된 자속 집중기(900)를 펀칭하여 패턴을 가진 다이(patterned die)에 대응하는 다수의 조각으로 자속 집중기를 균열 시키기 위해 패턴을 가진 다이(1000)에 힘을 가하는 것을 포함한다. 이러한 기술을 이용하여 도 8의 가요성 자속 집중기가 만들어질 수 있다. 다이는 사각형, 삼각형, 육각형, 기타와 같이 정규적으로 반복되는 기하학적 패턴을 형성하는 리지(ridge)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 도 10에서 도시된 대로 리지는 와플 패턴(waffle pattern)을 형성한다. 다른 실시 예에서, 다이는 불규칙한 패턴을 포함할 수 있고, 또한 대신에 패턴이 없거나 임의의 패턴(random pattern)을 포함할 수 있다.

적층 및 롤링은 자속 집중기를 적층하고 자속 집중기를 다수의 조각으로 균열시키기기 위하여 자속 집중기(11000)를 롤러 시스템(1102)에 통과시키는 것을 포함한다. 도 11에서 도시된 대로, 자속 집중기(1100)는 롤러(1102)에 최초 통과됨으로써 롤러의 축과 전체적으로 평행한 방향으로 균열이 일어나고, 자속 집중기(1104)에 전체적으로 롤러(1104)의 축과 평행하게 균열이 일어나는 결과가 발생한다. 본 실시 예에서, 자속 집중기(1104)는 롤러를 처음 통과할 때의 축 방향으로부터 90도 회전하고 나서 두 번째로 롤러(1102)를 통과한다. 두 번째 통과 시 자속 집중기에 발생하는 균열은 대부분 롤러들의 축과 평행한 방향으로 되어, 자속 집중기(1106)가 생성된다. 도 11 및 도 12에서 도시된 균열 또는 금은 단지 대표적인 것에 불과하고 실제로 롤러들의 축과 완전히 평행하지는 않을 수 있다. 더욱이, 균열선 또는 파절선(break or fracture line)은 실제로 자속 집중기 자체에서 발생하기도 하며, 적층부에 그려진 선들은 자속 집중기에서 발생하는 대표적인 균열들이다. 롤러 시스템에 따라서 균열의 크기와 형태가 다양할 수 있다. 활면 롤러시스템(smooth roller system)이 이용된다면, 도 13에서 도시한 대로 자속 집중기(1300)는 임의의(random) 균열(1310)을 가질 수 있다. 청크(chunk)의 크기는 적어도 압력의 크기, 롤러의 반지름, 롤러들의 간격, 자속 집중기가 롤러를 통과하는 속도에 종속한다. 롤러가 그 표면에서 양각 패턴(raised pattern)을 가진다면, 정규적인 기하학적 패턴(regular geometric patter)은 롤링 공정 동안 자속 집중기에 부여될 수 있고, 예를 들어 도 8에 도시된 것과 같은 자속 집중기를 생산할 수 있다. 기하학적 패턴의 크기 및 형상은 특정 용도에 맞추어 선택될 수 있다.

스코어링, 적층, 그리고 균열의 한가지 방법은 도 14 및 도 15에서 도시되어 있다. 이 방법은 적층하기 전 자속 집중기를 일차 스코어링하는 것, 자속 집중기를 적층하는 것, 그리고 나서 자속 집중기를 다수의 조각으로 균열시키는 것을 포함한다. 자속 집중기(1400)를 스코어링, 적층, 그리고 균열시키는 한가지 방법은 도 14 및 도 15에 도시되어있는데, 여기서 스코어링이 된 자속 집중기는 사각형들(1402)을 형성하는 스코어(1404)을 포함한다. 스코어는 자신들이 교차되는 위치에 구획점(1406)을 포함할 수 있다. 다른 실시 예에서, 자속 집중기의 전체 표면은 어떠한 구획점도 없이 스코어링 될 수 있다. 또한, 본 실시 예에서 자속 집중기의 일면이 스코어링되지만, 변경 예에서 자속 집중기의 다른 면이 스코어링될 수 있다. 일반적로, 자속 집중기가 꺽여질 때 이런 꺽임이 스코어링 선들을 따라서 일어나기 쉽게 하기 위해 스코어는 충분히 깊다. 스코어들이 대체로 패턴과 같은 사각형으로 보이더라도, 스코어들은 상이한 패턴들로 만들어 질 수 있다. 다른 실시 예에 있어, 스코어들은 전체 자속 집중기를 뚫어버리는 천공(perforation)으로 대체될 수 있으나, 연결되는 재료의 부분은 남겨진다. 적층 공정은 다른 실시 예에서 전술된 바와 다르지 않다. 본 실시 예에서, 스코어링된 자속 집중기(1401)는 한 쪽 면에서 적층부(1408)로 적층되고 다른 쪽 면에서 적층부(1410)로 적층된다. 일단 적층되면, 가요성 자속 집중기(1500)는 사용 가능하다. 사용 중, 자속 집중기가 절곡(bending)된다면 스코어 패턴(score pattern)을 따라서 꺽여지기가 쉬울 것이며, 이는 자속 집중기를 유연하게 해준다. 이와 달리, 자속 집중기는 자속 집중기를 절곡하는 사용자에 의해서 스코어 선을 따라 조각들로 분할될 수 있다.

자속 집중기는 다수의 조각들로 분할시키기 용이하게 하기 위해 패턴으로 성형될 수 있다. 이런 기술의 대표도가 도 16에 도시되어 있다. 성형 프레스(mold press, 1602)는 스코어 또는 트렌치를 자속 집중기에 가하는 몰드에 리지(1604)를 포함할 수 있다. 또한, 몰드(1606)는 스코어 또는 트렌치를 자속 집중기에 가하는 리지(1608)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이 몇몇 실시 예에 있어, 자속 집중기는 양 면에 스코어 선(score line)을 가지도록 성형될 수 있고, 다른 실시 예에서, 예를 들면 리지(1604) 또는 리지(1608) 중 하나를 생략함으로써 스코어 선은 일면에만 성형될 수 있다. 자속 집중기는 성형된 후, 적층될 수 있고 가요성을 확보하기 위하여 다수의 조각으로 분할될 수 있다.

몇몇 실시 예에 있어, 분할은 자속 집중기가 특정한 방식의 형상을 가지도록 디자인될 수 있다. 예를 들어, 몇 몇 실시 예에 있어, 자속 집중기의 청크들은 자속 집중기가 대략 곡면으로 굽혀질 수 있을 정도로 충분히 작을 수 있다. 다른 실시 예에 있어, 자속 집중기는 상이한 크기 및 형태의 조각을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 17에서 도시된 대로, 자속 집중기(1700)의 제1부(1702)를 조각으로 분할하고 자속 집중기(1700)의 제2부(1704)를 보다 작은 크기의 조각로 분할함으로써, 자속 집중기는 특정 형상들이 가능하도록 제조될 수 있다. 상기 기술들을 이용하여, 자속 집중기는 차폐가 되는 불규칙한 표면에 부착될 때 곡선들(curves) 및 다양한 형상들에 일치하도록 만들어질 수 있다.

상기 구성은 자속 집중기의 바람직한 자기적, 열적, 그리고 기계적 특성을 향상하는데 도움이 될 수 있다. 앞선 구성 중 하나 이상의 구성이 자속 집중기와 관련하여 이용될 수 있다.

도 21 및 도 22는 무선 전력 모듈(2100)의 일 실시 예를 도시한다. 본 실시 예의 무선 전력 모듈은 일반적으로 코일(2114), 자속 집중기(2112), 무선 전력 반도체(wireless power semiconductor) 및 지비 부품(support component)(2104), 부품들(component)과 모듈(module) 사이의 연결을 위한 패드(pad)(2102), 그리고 외부 연결을 위한 패드(2106)를 포함한다. 매립된 트레이스(2108)는 코일, 패드(2102), 그리고 패드(2106)를 전기적으로 연결하기 위하여 사용될 수 있다. 매립된 트레이스들의 구성은 무선 전력 묘듈의 디자인 및 기능에 따라서 달라진다. 일 실시 예에서, 트레이스는 마이크로콘트롤러(microcontroller)에 연결되는 패드(2002) 및 코일 리드(coil lead)와 상호연결한다. 또한, 매립된 트레이스는 패드(2002)를 외부에 위치한 패드(2106)에 연결시킨다. 또한, 무선 전력 모듈은 구성 루프(configuration loop)(2109) 및 정렬 소자(alignment element)(2110)를 포함할 수 있다. 본 실시 예에서, 코일(2114)은 스탬핑된 코일, 인쇄 회로 기판 구성(printed circuit board configuration)이거나 권선 코일 중 하나일 수 있다. 코일은 도 4에서 도시된 대로 자속 집중기와 같은 높이이거나, 도 18a내지 도 18d에서 도시된 대로 표면 실장 될 수 있다.

무선 전력 모듈은 제조자가 무선 전력 모듈을 제품으로 통합할 수 있도록 간단한 패키지(simple package)로 제공된다. 무선 전력 모듈은 무선으로 전력을 전달하거나 전달받는데 필요한 부품들 및 회로소자 전부를 포함한다.

본 실시 예에서, 무선 전력 반도체 및 지원 부품들(2104)은 정류기(rectifier)와 마이크로콘트롤러를 포함한다. 정류기는 코일로부터 전달받은 교류 전력(AC power)을 직류(DC)로 변환한다. 마이크로콘트롤러는 여러 가지 상이한 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 마이크로콘트롤러는 유도 전력 공급기(inductive power supply)와 연동할 수 있거나, 또는 무선 전력 모듈에서 공급되는 전력량을 조절할 수 있다.

구성 루프(2109)는 무선 전력 모듈 내 코일의 특성을 수동으로 변화시키는데 이용될 수 있다. 일 구성에서, 각 구성 루프는 고 도전성 경로(high conductive path)를 포함하고 루프를 차단함으로써 부가적 저항이 회로에 더해지게 된다. 이런 기술이 프로덕트 모니터링 디바이스즈, 시스템즈, 앤드 메서드즈 어플리케이션(Product Monitoring Devices, Systems, and Methods application)이라는 제목의 미국 출원 번호 61/322,056에서 상세하게 설명된다.

본 구성에서 정렬 소자(2110)는 마그넷이다. 다른 실시 예에 있어, 상이한 정렬 소자가 이용되거나 정렬 소자가 완전히 생략될 수 있다. 마그넷은 코일들을 정렬하고 전력을 효율적으로 전달하게 해주기 위하여 주 코일(primary coil)과 관련된 마그넷(magnet)과 연동한다.

무선 전력 모듈(2100)은 자속 집중기에 매립되는 부품들을 몰드 캐비티에 위치시키고 그러한 부품들을 매립하기 위해 자속 집중기를 압축 성형함으로써 제조될 수 있다. 도 21 내지 도 22에 도시된 실시 예에서, 코일(2114), 마그넷(2110), 트레이스(2108), 구성 루프(2109), 패드(2102), 패드(2106)는 모두 자속 집중기 내로 매립된다. 자속 집중기가 형성된 후 무선 전력 반도체 및 지지 부품(2104)은 패드들(2102)에 연결된다. 몇몇 실시 예에 있어, 무선 전력 반도체 및 지지 부품들(2104)이 연결될 때 무선 전력 모듈의 높이를 증가시키지 않도록 하기 위해 자속 집중기는 함몰부(depression)를 포함할 수 있다.

도 23은 무선 전력 모듈의 변경 예를 도시한다. 이 실시 예는 단일 코일 대신 3개의 노출 코일(2314)이 무선 전력 모듈(2312)에 포함되는 점을 제외하고는 도 21 또는 도 22와 관련하여 기술된 무선 전력 모듈과 유사하다. 각각의 코일은 정렬 소자(2310)를 포함할 수 있다. 도 23에서, 각각의 코일(2314)은 전력 전달을 위한 노출면을 제공하는 자속 집중기의 일 면과 같은 높이로 매립된다. 다른 실시 예에서, 코일은 다른 면들과 같은 높이로 매립될 수 있다. 도 22에 도시된 대로, 무선 전력 모듈 전체의 연결은 무선 전력 모듈에 매립된 트레이스들을 이용하여 이루어 질 수 있다. 예를 들어, 트레이스는 코일과 무선 전력 반도체 및 지지 부품 사이의 전기적 연결을 제공할 수 있다.

도 24는 도 23에서 도시된 무선 전력 모듈의 변경 예를 도시한다. 이 실시 예에서, 단층 코일 어레이(single layer coil array) 대신 다층 코일 어레이 조립체(multi-layer coil array assembly)(2012)가 자속 집중기에 매립된다. 다층 코일 어레이 조립체(2012)는 다층 어레이에 위치한 복수의 코일들(2014)을 포함하고, 한 개 이상의 코일들과 자속 집중기 표면과의 사이에 있는 PCB 또는 다른 비도전성 물질(2016)을 포함한다. 몇몇 실시 예에 있어, 정렬 소자(2010)가 포함될 수 있다.

자속 집중기 내 매립용 다층 코일 어레이 조립체(2012)는 코일(2014)을 바람직한 패턴으로 위치시키고 코일을 그 자리에 고정시킴으로써 만들어질 수 있다. PCB 또는 비도전성 물질(2016)은 자속 집중기가 성형과정 중 혼합물로 덮이는 것으로부터 보호하기 위해 이용될 수 있다. 제조 중, 다층 코일 어레이 조립체(2012) 전체가 몰드 캐비티에 위치될 수 있고, 연자성 분말 혼합물은 자속 집중기에 다층 코일 어레이 전체를 매립하기 위하여 다층 코일 어레이에 주입되어 압축 성형될 수 있다. 자속 집중기가 몰드로부터 취출될 때, 다층 코일 어레이의 코일 중 일부는 노출되고 자속 집중기 표면과 같은 높이에 있으며, 다른 코일들은 자속 집중기안에 보다 깊이 매립되고 자속 집중기 표면과 같은 높이에 위치하지 않는다. 그러나 자속 집중기에 깊이 매립되는 코일들의 상당 부분은 자속 집중기 표면과 같은 높이의 코일, 또는 다층 코일 어레이 조립체의 일부인 PCB나 다른 비도전성 물질(2016)에 의해 덮이게 된다. 도 24에서 도시된 바와 같이 몇몇 실시 예에서, 다층 코일 어레이 조립체는 개별 코일들로부터의 도선 라우팅(wire routing)을 가능하게 해 줄 수 있다. 이런 방식으로, 자속 집중기에 매립되었을 때, 도선들은 다층 코일 어레이 조립체에 의해 자속 집중기의 에지로 라우팅(routing)이 될 수 있다. 거기서부터, 도선들은 매립된 트레이스 또는 외부 연결부에 의해 무선 전력 모듈 상에 위치한 다양한 무선 전력 반도체 및 지지 부품에 로 연결될 수 있다.

비록 도 23 및 도 24의 코일 어레이들이 무선 전력 반도체 및 지지 부품들을 통합한 무선 전력 모듈들과 관련하여 기술되어 있더라도, 무선 전력 모듈이 아닌 다른 실시 예에서, 이러한 코일 구성은 매립된 코일 어레이들을 구비한 자속 집중기로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 도시되어 있는 동일 평면상의 매립 코일은 도 23 및 도 24와 관련하여 기술되어 있듯이 단층 코일 어레이 또는 다층 코일 어레이 조립체로 교체될 수 있다.

도 25는 다중 성형된 트레이스(2502)을 구비하고 있는 자속 집중기(2500)의 실시 예를 도시한다. 본 실시 예에서, 트레이스 상의 종단점(termination point)은 자속 집중기 표면 위로 돌출된다. 종단점은 크림프 연결(crimp connection), 납땜 패드(solder pad), 또는 다른 적당한 종단 구조(termination structure) 일 수 있다. 코일을 위치시키고 코일을 자속 집중기로부터 돌출하여 있는 적당한 종단 점들에 부착함으로써, 코일은 코일 어레이 내에서 정렬될 수 있다. 다른 실시 예에서, 도 24와 관련하여 전술된 것과 유사한 코일 어레이 조립체와 매립된 트레이스는 자속 집중기와 함께 성형될 수 있다. 코일 어레이로부터 코일들은 무선전력 반도체 및 지지부품에 대한 라우팅을 위하여 자속 집중기 내의 매립된 트레이스들에 연결될 수 있다.

다층 코일 어레이를 포함하는 실시 예에 있어, 다층 코일 어레이로부터의 리드 및 코일은 정렬될 수 있고, 2010년 8월 25일에 출원된 와이어리스 파워 서플라이 시스템 앤드 멀티-레이어 심 어셈블리(Wireless Power Supply System and Multi-layer Shim Assembly)라는 제목의 미국 특허 가출원에서 기술된 다층 심 조립체들(multi-layer shim assemblies)중 하나를 이용하여 라우팅될 수 있으며, 상기 미국 특허 가출원의 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

전술된 내용은 본 발명의 실시 예에 대한 것이다. 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 사상 및 태양에서 벗어나지 않는 한도에서 다양한 변경과 개조가 일어날 수 없으며, 청구항은 균등론을 포함한 특허법 원리들에 따라서 해석되어야 한다. 단수(singular) 형태의 청구항 구성 요소를 나타내는 어떠한 표시도, (예를 들어 관사들, “어”, “언”, “더” 또는 “상기”를 사용하는 것처럼),구성 요소를 단수로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims

두께와, 상부 면과, 하부 면을 구비한 자속 집중기와,
상기 자속 집중기에 매립된 코일과,
상기 자속 집중기에 접착하여 영구 고정되어, 적층부와 상기 자속 집중기 간의 영구 결합을 형성하는 상기 적층부를 포함하고,
상기 코일의 일 면은 노출된 면을 형성하는 상기 자속 집중기의 상기 상부 면과 동일한 높이에 있고, 상기 코일의 다른 면은 노출되지 않는 면을 형성하는 상기 자속 집중기의 상기 두께 내에서 매립되고, 상기 코일은 상기 노출된 면에서 유도 커플링을 할 수 있고 상기 노출되지 않는 면에서 유도 커플링을 할 수 없고,
상기 자속 집중기는 상기 자속 집중기가 절곡에 대응하여 분할되는 위치에 영향을 미치도록 스코어링하는 것을 포함하고,
상기 적층부와 상기 영구 결합은 절곡에 대응하여 상기 스코어링의 적어도 일부에 또는 그 근방에서 분할되는 상기 자속 집중기의 조각들을 함께 유지하고, 상기 적층된 자속 집중기의 분할은 상기 적층된 자속 집중기의 자기 특성에 심각한 영향을 미치지 않는 영구 적층된 자속 집중기 조립체.
제1항에 있어서,
상기 코일은, 무선으로 전력을 전달하는 1차 코일과 무선으로 전력을 전달받는 2차 코일을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 영구 적층된 자속 집중기 조립체.
제1항에 있어서,
상기 자속 집중기는 유도 커플링을 증가시키기 위하여 전자기 장을 집중시키는 영구 적층된 자속 집중기 조립체.
제1항에 있어서,
상기 코일은 스탬핑된 코일과 와이어 코일 중 하나 이상인 영구 적층된 자속 집중기 조립체.
제1항에 있어서,
원격 장치를 무선 전력 전달 시스템에 정렬시키기 위해 충분한 자기 인력을 공급할 수 있는 마그넷 또는 마그네틱 어트랙터를 더 포함하는 영구 적층된 자속 집중기 조립체.
제5항에 있어서,
상기 마그넷 또는 마그네틱 어트랙터는 상기 자속 집중기의 표면에 노출되거나 상기 자속 집중기의 상기 표면 아래에 매립되는 영구 적층된 자속 집중기 조립체.
제1항에 있어서,
영구 마그넷을 더 포함하고, 상기 자속 집중기 조립체는 상기 영구 마그넷에 의해 발생하는 교류 장 포화의 영향을 최소화하기 위하여 상기 마그넷과 상기 자속 집중기 사이에 절연체를 포함하는 영구 적층된 자속 집중기 조립체.
제1항에 있어서,
상기 자속 집중기의 상기 상부 면에 적층되는 강화 물질의 층을 더 포함하는 영구 적층된 자속 집중기 조립체.
제1항에 있어서,
상기 자속 집중기는 외부 전자기장 소스에 대해 가요성 자속 집중기 뒤에 그리고 상기 노출되지 않은 면 근위에 배치되는 구성요소들을 차폐하도록 구성되고, 절단되지 않은 상태에서, 상기 가요성 자속 집중기는 영구 고정된 적층부와 스코어 선들을 갖는 단일 조각 차폐물을 형성하는 영구 적층된 자속 집중기 조립체.
두께와 표면을 가진 자속 집중기와,
상기 자속 집중기의 상기 표면의 적어도 일부에 접착하여 영구 고정되어, 상기 자속 집중기의 상기 표면의 적어도 일부와 적층부 간의 영구 결합을 형성하는 상기 적층부를 포함하고,
상기 자속 집중기는 상기 자속 집중기가 절곡에 대응하여 분할되는 위치에 영향을 미치도록 스코어링하는 것을 포함하고,
가요성 자속 집중기의 절곡에 대응하여, 1) 상기 자속 집중기는 다수의 조각으로 분할될 수 있고 상기 다수의 조각들 사이에 에어 갭이 있으며, 상기 가요성 자속 집중기가 상기 스코어링의 적어도 일부에 또는 그 근방에서 분할되는 것에 대응하여, 상기 적층부와 상기 영구 결합은 상기 다수의 조각을 함께 유지하여 에어 갭들이 상기 자속 집중기의 자기 특성에 심각한 영향을 미치지 않도록 하고, 2) 상기 적층부는 상기 자속 집중기의 상기 표면의 상기 적어도 일부분에 영구 접착 고정된 채로 유지되는 가요성 자속 집중기 조립체.
제10항에 있어서,
상기 적층부는 상기 자속 집중기를 둘러싸는 가요성 자속 집중기 조립체.
제10항에 있어서,
상기 자속 집중기는, 상기 자속 집중기가 절곡에 대응하여 분할되는 위치에 영향을 미치도록 스코어링이 되는 가요성 자속 집중기 조립체.
제10항에 있어서,
상기 자속 집중기에 매립된 코일을 포함하고,
상기 코일의 일면은 노출된 면을 형성하는 상기 자속 집중기의 상기 표면과 동일한 높이에 있고, 상기 코일의 다른 면은 노출되지 않는 면을 형성하는 상기 자속 집중기의 상기 두께 내에서 매립되며,
상기 코일은 상기 노출된 면에서 유도 커플링을 할 수 있고, 상기 노출되지 않는 면에서 유도 커플링을 할 수 없는 가요성 자속 집중기 조립체.
제10항에 있어서,
원격 장치를 무선 전력 전달 시스템에 정렬시키기 위해 충분한 자기 인력을 공급할 수 있는 마그넷 또는 마그네틱 어트랙터를 더 포함하는 가요성 자속 집중기 조립체.
제10항에 있어서,
상기 자속 집중기는 너비 치수와, 두께 치수와, 높이 치수를 가진 형상으로 성형되고,
상기 높이 치수와 상기 너비 치수 중 하나 이상이 상기 두께 치수의 25배 이상이고,
상기 자속 집중기의 포화도가 500mT 이상인 가요성 자속 집중기 조립체.
제15항에 있어서,
상기 자속 집중기는 자유 공간에 비하여 15배를 초과하는 투과율을 가지는 가요성 자속 집중기 조립체.
제15항에 있어서,
상기 자속 집중기의 도전율은 1S/m 이하인 가요성 자속 집중기 조립체.
제15항에 있어서,
상기 두께 치수는 1mm 이하인 가요성 자속 집중기 조립체.
제13항에 있어서,
상기 가요성 자속 집중기는 외부 전자기장 소스에 대해 상기 가요성 자속 집중기 뒤에 그리고 상기 노출되지 않은 면 근위에 배치되는 구성요소들을 차폐하도록 구성되고, 절단되지 않은 상태에서, 상기 가요성 자속 집중기는 영구 고정된 적층부와 스코어 선들을 갖는 단일 조각 차폐물을 형성하는 가요성 자속 집중기 조립체.
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