KR102432870B1

KR102432870B1 - 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단

Info

Publication number: KR102432870B1
Application number: KR1020200171698A
Authority: KR
Inventors: 김나영; 이승환; 최종학; 김태경
Original assignee: 에스케이씨 주식회사
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2040-12-09
Also published as: KR20220081804A; US20230339337A1; JP2023543812A; EP4261859A1; EP4261859A4; CN116569444A; JP7470867B2; WO2022124558A1

Abstract

일 구현예에 따른 무선충전 장치는, 자성부와 쉴드부 간의 거리 및 Q 인자를 비롯한 특성들이 고려된 구체적인 수식을 만족함으로써, 적정 두께를 가지면서 충전 효율이 높고 발열이 최소화될 수 있다. 따라서 상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 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 적정 두께를 가지면서 충전 효율이 향상되고 발열이 최소화된 무선충전 장치 및 이를 포함하는 전기 자동차와 같은 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 무선 전력 전송 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 전자기기 등에 무선으로 전력을 전송하는 방안에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

상기 무선 전력 전송은 전력을 공급하는 송신기와 전력을 공급받는 수신기 간에 물리적인 접촉 없이 유도 결합(inductive coupling), 용량 결합(capacitive coupling) 또는 안테나 등의 전자기장 공진 구조를 이용하여 공간을 통해 전력을 무선으로 전송하는 것이다. 상기 무선 전력 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 제2011-0042403호 참조). 또한, 유럽에서는 시험 운행중인 전기차와 충전소가 눈에 띄기 시작했고, 일본에서는 자동차 제조 업체와 전력 회사들이 주도하여 전기 자동차 및 충전소를 시범적으로 운영하고 있다.

한국 공개특허공보 제2011-0042403호

전기 자동차와 같은 이동 수단에 송수신기로 사용되는 무선충전 장치에는 코일부, 자성부 및 쉴드부가 구비되며, 이들 간의 거리와 각각의 크기 및 성분과 같은 다양한 변수에 따라 장치의 성능이 달라지게 된다.

도 5 및 도 8을 참조하여, 자성부(300)와 쉴드부(400) 간의 거리(V)를 가깝게 할수록 무선충전 장치의 전체 두께가 얇아지는 이점이 있지만, 도 3 및 도 4에서 보듯이 인덕턴스가 감소하고 저항이 증가하여 무선충전 장치의 충전 효율이 저하되고 발열이 심해질 수 있다. 반대로 자성부와 쉴드부 간의 거리를 멀게 할수록 인덕턴스가 증가하고 저항이 감소하여 무선충전 장치의 충전 효율이 향상되고 발열을 줄일 수 있지만, 무선충전 장치의 전체 두께가 두꺼워지는 문제가 있다.

특히, 도 3 및 도 4에서 보듯이 자성부와 쉴드부 간의 거리가 증가함에 따라 인덕턴스와 저항이 계속 일정하게 변하는 것이 아니고, 또한 인덕턴스가 최대인 지점과 저항이 최소인 지점이 일치하지 않을 수 있으므로, 이러한 점들을 고려하여 장치를 설계해야 한다.

이에 본 발명자들이 연구한 결과, 인덕턴스와 저항이 함께 고려되어 산출된 Q 인자가 최대의 증가율을 갖도록 자성부와 쉴드부 간의 간격을 조절할 경우, 무선충전 장치가 적정 두께를 가지면서 충전 효율이 높고 발열이 최소화될 수 있음을 발견하였다. 또한 이를 위해 본 발명자들이 다양한 규격 및 소재의 무선충전 장치에 대해 실험한 결과, 자성부와 코일부 간의 거리 및 Q 인자를 비롯한 특성들의 바람직한 범위를 구체적인 수식으로 구현할 수 있었다.

따라서 구현예의 과제는, 적정 두께를 가지면서 충전 효율이 높고 발열이 최소화될 수 있도록, 자성부와 쉴드부 간의 거리 및 Q 인자를 비롯한 특성들이 구체적인 수식으로 구현된 무선충전 장치, 및 이를 포함하는 이동 수단을 제공하는 것이다.

일 구현예에 따르면, 전도성 와이어를 포함하는 코일부; 상기 코일부 상에 배치되는 자성부; 및 상기 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 포함하고, 하기 식 (1)을 만족하는, 무선충전 장치가 제공된다:

1.1 ≤ (△Q1-△Q2) / Q x 100 ... (1)

상기 식에서 △Q1은 (Q - Qa) / △d이고, △Q2는 (Qb - Q) / △d이고, Q은 85 kHz의 주파수에서 측정된 상기 무선충전 장치의 Q 인자(Q factor)이고, Qa는 상기 무선충전 장치에서 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 좁혔을 때 측정된 Q 인자이고, Qb는 상기 무선충전 장치에서 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 넓혔을 때 측정된 Q 인자이고, 상기 Q 인자는 2 x π x f x L / R로 계산되고, 여기서 f는 주파수(kHz)이고, L은 상기 코일부의 인덕턴스(μH)이고, R은 상기 코일부의 저항(mΩ)이고, 상기 Q, Qa, Qb, f, L, R, △Q1, △Q2, 및 △d는 각각의 단위를 제외한 수치 값만이 적용된다.

다른 구현예에 따르면, 상기 구현예에 따른 무선충전 장치를 포함하는 이동 수단이 제공된다.

상기 구현예에 따른 무선충전 장치는, 자성부와 쉴드부 간의 거리 및 Q 인자를 비롯한 특성들이 고려된 구체적인 수식을 만족함으로써, 적정 두께를 가지면서 충전 효율이 높고 발열이 최소화될 수 있다.

따라서 상기 구현예에 따른 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단에 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 자성부와 쉴드부 간의 거리에 따른 Q 인자의 곡선에서, Q, Qa, Qb, △d, △Q1 및 △Q2의 개념을 도시한 것이다.
도 2, 도 3 및 도 4는 실험예 1에서 자성부와 쉴드부 간의 거리에 따른 Q 인자, 인덕턴스 및 저항의 변화를 각각 나타낸 것이다.
도 5, 도 6 및 도 7은 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해사시도, 사시도 및 단면도를 각각 나타낸다.
도 8은 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 확대하여 나타낸 것이다.
도 9는 코일부의 평면도의 예시를 나타낸다.
도 10은 무선충전을 위한 송신기와 수신기의 단면도의 예시를 나타낸다.
도 11은 일 구현예에 따른 이동 수단을 나타낸다.

이하의 구현예의 설명에 있어서, 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.

본 명세서에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

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 해석되어야 한다.

[무선충전 장치]

도 5, 도 6 및 도 7은 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해사시도, 사시도 및 단면도를 각각 나타낸다.

일 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는 전도성 와이어를 포함하는 코일부(200); 상기 코일부(200) 상에 배치되는 자성부(300); 및 상기 자성부(300) 상에 배치되는 쉴드부(400)를 포함한다. 상기 무선충전 장치(10)는 그 외에도 상기 코일부(200)를 지지하는 지지부(100), 상기 구성 요소들을 보호하는 하우징(610, 620, 630) 등을 더 포함할 수 있다.

무선충전 장치의 Q 인자를 이용한 구현예

일 구현예에 따르면, 상기 무선충전 장치는 하기 식 (1)을 만족한다:

3 ≤ (△Q1-△Q2) / Q x 100 ... (1)

상기 식 (1)에 적용되는 특성 중에서 Q 인자를 제외한 인덕턴스(μH), 저항(mΩ) 및 거리(mm)는 각각의 단위를 가지는 특성이나, 상기 식 (1)에는 각각의 단위를 제외한 수치 값만이 적용되며, 그에 따라 상기 식 (1)의 계산 값은 단위를 갖지 않는다.

상기 Q 인자는 이 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이 품질 인자(quality factor)로도 불리며, 공진 회로(resonance circuit)에서 전류의 주파수 또는 공진 주파수에 따른 품질을 나타낸다. Q 인자는 공진기에 저장되는 에너지와 손실되는 에너지의 비로 산출되므로, Q 인자가 높을수록 해당 주파수에서 공진 특성이 좋다는 것을 의미한다. 상기 Q 인자는 특정 주파수에서 LCR 미터 등을 이용하여 상기 코일부를 통하여 측정되는 인덕턴스 및 저항으로부터 산출될 수 있으며, 단위를 갖지 않는 값이다.

도 8은 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 확대하여 나타낸 것이다. 도 8을 참조하여, 자성부(300)와 쉴드부(400) 간의 거리(V)는, 서로 마주보는 자성부(300)의 표면과 쉴드부(400)의 표면 간의 거리(V)일 수 있고, 따라서 자성부(300)와 쉴드부(400) 간의 최단 거리일 수 있다.

또한 상기 △d는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 0.1 mm 이상, 0.3 mm 이상, 0.5 mm 이상, 1 mm 이상, 또는 2.5 mm 이상일 수 있고, 또한 3 mm 이하, 2.5 mm 이하, 2 mm 이하, 1.5 mm 이하, 1 mm 이하, 또는 0.5 mm 이하일 수 있다. 구체적으로 △d는 0.1 mm 내지 3 mm, 0.3 mm 내지 2.5 mm, 또는 0.5 mm 내지 2 mm일 수 있다. 보다 구체적인 예로서 상기 △d는 0.5 mm, 1 mm, 1.5 mm, 2 mm, 3 mm, 또는 4 mm일 수 있다.

도 1은 자성부와 쉴드부 간의 거리에 따른 Q 인자의 곡선에서, Q, Qa, Qb, △d, △Q1 및 △Q2의 개념을 도시한 것이다. 도 1의 곡선에서 V는 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리(mm)이고, Va는 상기 거리를 △d(mm)만큼 더 좁힌 것이고, Vb는 상기 거리를 △d(mm)만큼 더 좁힌 것이다. 이때 △Q1은 Va - V 사이의 구간(△d)에서 Q 인자의 변화율(곡선 기울기)이고, △Q2는 V - Vb 사이의 구간(△d)에서 Q 인자의 변화율(곡선 기울기)을 의미한다.

Q 인자는 인덕턴스와 저항이 함께 고려된 특성이므로, Q 인자가 최대의 증가율을 갖도록 자성부와 쉴드부 간의 간격을 조절할 경우, 무선충전 장치가 적정 두께를 가지면서 충전 효율이 높고 발열이 최소화될 수 있다. 이와 같이 Q 인자가 최대의 증가율을 갖는 지점은 △Q1에서 △Q2를 뺀 값이 최대가 되는 지점으로 확인할 수 있다. 다만 무선충전 장치의 세부 구성 요소에 따라 Q 인자의 전체적인 수준이 달라져 △Q1에서 △Q2를 뺀 값도 크게 달라질 수 있다. 그러나 △Q1에서 △Q2를 뺀 값을 해당 무선충전 장치의 Q 인자로 나누면 대체적인 정규화 값이 도출될 수 있고, 이에 따라 장치의 세부 구성과 관계없이 바람직한 값의 범위를 도출할 수 있다. 상기 구현예에 따르면 이러한 기술적 사상이 구체적인 수식, 즉 상기 식 (1)을 통해 제시되고 있다.

상기 식 (1)의 계산 값은 1.1 이상인 것이 무선충전 장치의 두께, 충전 효율 및 발열 문제 면에서 유의미한 기술적 효과를 가지게 되고, 만약 이보다 적을 경우, 예를 들어 1.0 또는 그 이하일 경우에는 기술적 효과가 미미하거나 또는 오히려 저조해질 수 있다. 예를 들어 상기 식 (1)의 계산 값은 1.5 이상, 2.0 이상, 2.5 이상, 3.0 이상, 3.5 이상, 4.0 이상, 4.5 이상, 또는 5.0 이상일 수 있다. 한편 상기 식 (1)의 계산 값의 상한값은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 상기 식 (1)의 계산 값이 20 이하, 10 이하, 8 이하, 7 이하, 또는 6 이하일 수 있다. 구체적으로 상기 식 (1)의 계산 값은 1.1 내지 20, 1.1 내지 10, 1.1 내지 8, 1.1 내지 7, 또는 1.1 내지 6일 수 있다.

상기 무선충전 장치는 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수 근방에서 높은 Q 인자를 가질 수 있다. 상기 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수는 100 kHz 미만일 수 있고, 예를 들어 79 kHz 내지 90 kHz, 구체적으로 81 kHz 내지 90 kHz, 보다 구체적으로 약 85 kHz일 수 있으며, 이는 휴대폰과 같은 모바일 전자기기에 적용하는 주파수와 구별되는 대역이다.

상기 무선충전 장치의 Q 인자는 85 kHz의 주파수에서 300 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 무선충전 장치의 Q 인자가 85 kHz의 주파수에서 350 이상, 400 이상, 430 이상, 450 이상, 500 이상, 550 이상, 600 이상, 620 이상, 또는 630 이상일 수 있다. 또한, 상기 무선충전 장치의 Q 인자의 상한값은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 상기 Q 인자는 1000 이하, 900 이하, 800 이하, 700 이하, 600 이하, 또는 500 이하일 수 있다.

상기 무선충전 장치의 Q 인자는 각 구성 요소의 소재 및 배치에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 상기 무선충전 장치의 Q 인자는 자성부의 소재가 페라이트 소결체 또는 고분자형 자성체로 구성됨에 따라 달라질 수 있다. 또한 상기 코일부를 구성하는 전도성 와이어의 직경 또는 전도성 와이어가 감긴 횟수에 따라서 코일부의 인덕턴스 및 저항이 달라지므로, 그에 따라 Q 인자도 달라질 수 있다.

코일부의 저항을 이용한 구현예

다른 구현예에 따르면, 상기 무선충전 장치는 아래 식 (2)를 만족한다.

-1.1 ≥ (△R1-△R2) / R x 100 ... (2)

상기 식에서 △R1은 (R - Ra) / △d이고, △R2는 (Rb - R) / △d이고, R은 85 kHz의 주파수에서 측정된 상기 코일부의 저항(mΩ)이고, Ra는 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 좁혔을 때 측정된 상기 코일부의 저항(mΩ)이고, Rb는 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 넓혔을 때 측정된 상기 코일부의 저항(mΩ)이고, 상기 R, Ra, Rb, △R1, △R2, 및 △d는 각각의 단위를 제외한 수치 값만이 적용된다.

상기 식 (2)에 적용되는 특성 중에서 저항(mΩ) 및 거리(mm)는 각각의 단위를 가지는 특성이나, 상기 식 (2)에는 각각의 단위를 제외한 수치 값만이 적용되며, 그에 따라 상기 식 (2)의 계산 값은 단위를 갖지 않는다.

상기 식 (2)에서 △d는 앞서 식 (1)에서 예시된 범위 내에서 정해질 수 있고, 구체적인 일례로서 2 mm일 수 있다.

자성부와 쉴드부 간의 거리에 따라 변화되는 코일부의 저항을 곡선으로 나타낼 때, 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리(V), 이보다 △d (mm) 만큼 더 좁힌 거리(Va), 및 반대로 이보다 △d (mm) 만큼 더 넓힌 거리(Vb)에서의 코일부의 저항을 각각 R, Ra 및 Rb라 할 수 있다. 이때 △R1은 Va - V 사이의 구간(△d)에서 저항의 변화율(곡선 기울기)이고, △R2는 V - Vb 사이의 구간(△d)에서 저항의 변화율(곡선 기울기)을 의미한다.

무선충전 장치에서 코일부의 저항은 발열을 심화시키므로, 코일부의 저항이 최대의 감소율을 갖도록 자성부와 쉴드부 간의 간격을 조절할 경우, 무선충전 장치가 적정 두께를 가지면서 발열이 최소화될 수 있다. 이와 같이 코일부의 저항이 최대의 감소율을 갖는 지점은 △R1에서 △R2를 뺀 값이 최소가 되는 지점으로 확인할 수 있다. 다만 무선충전 장치의 세부 구성 요소에 따라 코일부의 저항의 수준이 달라질 수 있으므로, △R1에서 △R2를 뺀 값도 장치에 따라 크게 다를 수 있다. 그러나 △R1에서 △R2를 뺀 값을 해당 코일부의 저항으로 나누면 대체적인 정규화 값이 도출될 수 있고, 이에 따라 장치의 세부 구성과 관계없이 바람직한 값의 범위를 도출할 수 있다. 상기 구현예에 따르면 이러한 기술적 사상이 구체적인 수식, 즉 상기 식 (2)를 통해 제시되고 있다.

상기 식 (2)의 계산 값은 -1.1 이하인 것이 무선충전 장치의 두께 및 발열 문제 면에서 유의미한 기술적 효과를 가지게 되고, 만약 이보다 클 경우, 예를 들어 -1.0 또는 그 이상일 경우에는 기술적 효과가 미미하거나 또는 오히려 저조해질 수 있다. 예를 들어 상기 식 (2)의 계산 값은 -1.5 이하, -2.0 이하, -2.5 이하, -3.0 이하, -3.5 이하, -4.0 이하, -4.5 이하, 또는 -5.0 이하일 수 있다. 한편 상기 식 (2)의 계산 값의 하한값은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 상기 식 (2)의 계산 값이 -20 이상, -10 이상, -8 이상, -7 이상, 또는 -6 이상일 수 있다. 구체적으로 상기 식 (2)의 계산 값은 -20 내지 -1.1, -10 내지 -1.1, -8 내지 -1.1, -7 내지 -1.1, 또는 -6 내지 -1.1일 수 있다.

상기 코일부의 저항은 85 kHz의 주파수에서 40 mΩ 이상, 50 mΩ 이상, 60 mΩ 이상, 또는 70 mΩ 이상일 수 있고, 또한 100 mΩ 이하, 90 mΩ 이하, 80 mΩ 이하, 또는 70 mΩ 이하일 수 있으며, 구체적으로 45 mΩ 내지 75 mΩ, 또는 65 mΩ 내지 95 mΩ일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

코일부의 인덕턴스를 이용한 구현예

또 다른 구현예에 따르면, 상기 무선충전 장치는 아래 식 (3)을 만족한다.

0.1 ≤ (△L1-△L2) / L x 100 ... (3)

상기 식에서 △L1은 (L - La) / △d이고, △L2는 (Lb - L) / △d이고, L은 85 kHz의 주파수에서 측정된 상기 코일부의 인덕턴스(μH)이고, La는 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 좁혔을 때 측정된 상기 코일부의 인덕턴스(μH)이고, Lb는 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 넓혔을 때 측정된 상기 코일부의 인덕턴스(μH)이고, 상기 L, La, Lb, △L1, △L2, 및 △d는 각각의 단위를 제외한 수치 값만이 적용된다.

상기 식 (3)에 적용되는 특성 중에서 인덕턴스(μH) 및 거리(mm)는 각각의 단위를 가지는 특성이나, 상기 식 (3)에는 각각의 단위를 제외한 수치 값만이 적용되며, 그에 따라 상기 식 (3)의 계산 값은 단위를 갖지 않는다.

상기 식 (3)에서 △d는 앞서 식 (1)에서 예시된 범위 내에서 정해질 수 있고, 구체적인 일례로서 2 mm일 수 있다.

자성부와 쉴드부 간의 거리에 따라 변화되는 코일부의 인덕턴스를 곡선으로 나타낼 때, 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리(V), 이보다 △d (mm) 만큼 더 좁힌 거리(Va), 및 반대로 이보다 △d (mm) 만큼 더 넓힌 거리(Vb)에서의 코일부의 인덕턴스를 각각 L, La 및 Lb라 할 수 있다. 이때 △L1은 Va - V 사이의 구간(△d)에서 인덕턴스의 변화율(곡선 기울기)이고, △L2는 V - Vb 사이의 구간(△d)에서 인덕턴스의 변화율(곡선 기울기)을 의미한다.

무선충전 장치에서 코일부의 인덕턴스는 충전 효율과 대체로 비례하므로, 코일부의 인덕턴스가 최대의 증가율을 갖도록 자성부와 쉴드부 간의 간격을 조절할 경우, 무선충전 장치가 적정 두께를 가지면서 충전 효율이 높을 수 있다. 이와 같이 코일부의 인덕턴스가 최대의 증가율을 갖는 지점은 △L1에서 △L2를 뺀 값이 최대가 되는 지점으로 확인할 수 있다. 다만 무선충전 장치의 세부 구성 요소에 따라 코일부의 인덕턴스의 수준이 달라질 수 있으므로, △L1에서 △L2를 뺀 값도 장치에 따라 크게 다를 수 있다. 그러나 △L1에서 △L2를 뺀 값을 해당 코일부의 인덕턴스로 나누면 대체적인 정규화 값이 도출될 수 있고, 이에 따라 장치의 세부 구성과 관계없이 바람직한 값의 범위를 도출할 수 있다. 상기 구현예에 따르면 이러한 기술적 사상이 구체적인 수식, 즉 상기 식 (3)을 통해 제시되고 있다.

상기 식 (3)의 계산 값은 0.1 이상인 것이 무선충전 장치의 두께 및 충전 효율 면에서 유의미한 기술적 효과를 가지게 되고, 만약 이보다 적을 경우, 예를 들어 0 또는 그 이하일 경우에는 기술적 효과가 미미하거나 또는 오히려 저조해질 수 있다. 예를 들어 상기 식 (3)의 계산 값은 0.2 이상, 0.3 이상, 0.4 이상, 0.5 이상, 0.6 이상, 0.7 이상, 0.8 이상, 또는 0.9 이상일 수 있다. 한편 상기 식 (3)의 계산 값의 상한값은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 상기 식 (3)의 계산 값이 5 이하, 3 이하, 2 이하, 1.5 이하, 또는 1.3 이하일 수 있다. 구체적으로 상기 식 (1)의 계산 값은 0.1 내지 5, 0.1 내지 3, 0.1 내지 2, 0.1 내지 1.5, 또는 0.1 내지 1.3일 수 있다.

상기 코일부의 인덕턴스는 85 kHz의 주파수에서 30 μH 이상, 40 μH 이상, 45 μH 이상, 50 μH 이상, 70 μH 이상, 또는 90 μH 이상일 수 있고, 또한 120 μH 이하, 110 μH 이하, 100 μH 이하, 80 μH 이하, 60 μH 이하, 또는 50 μH 이하일 수 있으며, 구체적으로 30 μH 내지 60 μH, 또는 70 μH 내지 120 μH일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

구체적인 일례로서, 상기 코일부는 85 kHz의 주파수에서 45 μH 이상의 인덕턴스 및 80 mΩ 이하의 저항을 가지고, 상기 무선충전 장치는 85 kHz의 주파수에서 350 이상의 Q 인자를 가질 수 있다. 다만 상기 코일부의 인덕턴스와 저항은 코일부의 세부 구성에 따라 그리고 자성부와 쉴드부 간의 거리에 따라 달라질 수 있으며, 상기 예시된 범위에 한정되지 않는다.

구성 요소 간의 거리

도 8은 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 확대하여 나타낸 것이다.

도 8을 참조하여, 자성부(300)와 쉴드부(400) 간의 거리(V)는 일정 범위 내로 조절될 수 있다. 예를 들어 자성부(300)와 쉴드부(400) 간의 거리(V)를 가깝게 할수록 무선충전 장치의 전체 두께가 얇아지는 이점이 있지만, 도 3 및 4에서 보듯이 인덕턴스가 감소하고 저항이 증가하여 무선충전 장치의 충전 효율이 저하되고 발열이 심해질 수 있다. 반대로 자성부(300)와 쉴드부(400) 간의 거리(V)를 멀게 할수록 인덕턴스가 증가하고 저항이 감소하여 무선충전 장치의 충전 효율이 향상되고 발열을 줄일 수 있지만, 무선충전 장치의 전체 두께가 두꺼워지는 문제가 있다.

구체적으로, 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리는 1 mm 이상, 2 mm 이상, 3 mm 이상, 3.5 mm 이상, 4 mm 이상, 4 .5mm 이상, 또는 5 mm 이상일 수 있다. 또한 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리는 9 mm 이하, 7 mm 이하, 6.5 mm 이하, 6 mm 이하, 5.5 mm 이하, 또는 5 mm 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리는 1 mm 내지 9 mm, 3 mm 내지 7 mm, 3.5 mm 내지 6.5 mm, 4 mm 내지 6 mm, 4.5 mm 내지 5.5 mm, 5 mm 내지 7 mm, 또는 3 mm 내지 5 mm일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리가 4 mm 내지 6 mm일 수 있다.

또한 코일부(200)와 자성부(300) 간의 거리(D)도 일정 범위 내로 조절될 수 있다. 예를 들어 자성부가 코일부에서 멀어질수록 인덕턴스가 감소하여 무선충전 장치의 Q 인자를 낮춤으로써 충전 효율이 저하되고 발열이 심해질 수 있다. 반대로 코일부와 자성부 사이의 거리가 가까울수록 인덕턴스가 증가하지만 코일과 자성체가 밀착될 경우 조립에 어려움이 있고 외부의 충격에 취약할 수 있다.

예를 들어, 상기 코일부와 상기 자성부 간의 거리는 0 mm 초과, 1 mm 이상, 1.5 mm 이상, 2 mm 이상, 또는 2.5 mm 이상일 수 있다. 또한 상기 코일부와 상기 자성부 간의 거리는 10 mm 이하, 5 mm 이하, 4 mm 이하, 3.5 mm 이하, 3 mm 이하, 또는 2.5 mm 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 코일부와 상기 자성부 간의 거리는 1 mm 내지 5 mm, 1 mm 내지 3 mm, 1.5 mm 내지 4 mm, 1.5 mm 내지 3.5 mm, 1.5 mm 내지 2.5 mm, 2 mm 내지 3.5 mm, 2.5 mm 내지 3.5 mm일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 코일부와 상기 자성부 간의 거리가 1 mm 내지 3 mm일 수 있다.

코일부

상기 코일부는 전도성 와이어를 포함한다. 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.

상기 전도성 와이어는 다수의 미세 가닥이 꼬여진 후 피복된 리츠 와이어(litz wire)일 수 있다. 예를 들어 상기 리츠 와이어는 10개 이상, 100개 이상, 또는 500개 이상의 미세 가닥으로 구성될 수 있고, 구체적으로 500개 내지 1500개의 미세 가닥으로 구성될 수 있다.

또한 상기 전도성 와이어는 절연성 외피로 피복될 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 와이어는 평면 코일 형태로 감길 수 있다. 구체적으로 상기 평면 코일은 평면 나선 코일(planar spiral coil)을 포함할 수 있다. 또한 상기 코일부의 평면 형태는 원형, 타원형, 다각형, 또는 모서리가 둥근 다각형의 형태일 수 있으나, 특별히 한정되지 않는다.

도 9는 코일부의 평면도의 예시를 나타낸다. 도 9를 참조하여, 상기 코일부(200)는 평면 상으로 내부가 비어 있는 형상을 가질 수 있고, 이에 따라 외부 치수(또는 외경)(Od) 및 내부 치수(또는 내경)(Id)를 가질 수 있다. 예를 들어 상기 외부 치수 및 내부 치수는, 상기 코일부가 평면 상으로 원형 도넛 형상일 경우에는 외부 지름 및 내부 지름을 의미할 수 있고, 상기 코일부가 평면 상으로 사각 도넛 형상인 경우에는 외부 사각 형상의 변의 길이 및 내부의 비어있는 사각 영역의 변의 길이를 의미할 수 있다.

구체적으로 상기 코일부(200)의 외부 치수(Od)는 50 mm 내지 1000 mm, 100 mm 내지 500 mm, 100 mm 내지 300 mm, 200 mm 내지 800 mm, 300 mm 내지 400 mm, 또는 500 mm 내지 1000 mm일 수 있다. 또한, 상기 코일부의 내부 치수(Id)는 5 mm 내지 300 mm, 10 mm 내지 200 mm, 100 mm 내지 200 mm, 150 mm 내지 250 mm, 또는 20 mm 내지 150 mm일 수 있다.

상기 평면 코일에서 전도성 와이어가 감긴 횟수는 5회 내지 50회, 10회 내지 30회, 5회 내지 30회, 15회 내지 50회, 또는 20회 내지 50회일 수 있다.

구체적인 일례로서, 상기 코일부는 상기 전도성 와이어가 5회 내지 15회 감긴 평면 나선 코일로서 300 mm 내지 400 mm의 외부 치수 및 150 mm 내지 250 mm의 내부 치수를 가질 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 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.

도 8을 참조하여, 코일부(200)를 구성하는 전도성 와이어의 직경(C)도 일정 범위 내로 조절될 수 있다. 예를 들어 상기 전도성 와이어의 직경은 1mm 이상, 2 mm 이상, 3 mm 이상, 4 mm 이상, 또는 5 mm 이상일 수 있다. 또한 상기 전도성 와이어의 직경은 10 mm 이하, 8 mm 이하, 7 mm 이하, 6 mm 이하, 또는 5 mm 이하일 수 있다. 구체적으로 상기 전도성 와이어의 직경은 1 mm 내지 10 mm, 또는 2 mm 내지 8 mm일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 전도성 와이어의 직경이 3 mm 내지 7 mm일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 코일부는 직경이 3 mm 내지 7 mm의 전도성 와이어가 5회 내지 20회 감긴 것일 수 있다.

자성부

상기 자성부는 상기 코일부 상에 배치되어 무선충전 효율을 증대시킨다.

상기 자성부의 소재는 특별히 한정되지 않으며, 무선충전 장치에 사용되는 자성체일 수 있다.

예를 들어, 상기 자성부는 페라이트 자성체 및 고분자형 자성체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

일례로서, 상기 자성부는 페라이트계 자성체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 페라이트계 자성체의 구체적인 화학식은 MOFe₂O₃(여기서 M은 Mn, Zn, Cu, Ni 등의 1종 이상의 2가 금속 원소이다)로 표시될 수 있다. 구체적으로, 상기 자성부는 소결된 페라이트계 자성체를 포함하는 것이 투자율과 같은 자성 특성 면에서 유리하다. 상기 소결된 페라이트계 자성체는 원료 성분들을 혼합하고 하소 후 분쇄하고, 이를 바인더 수지와 혼합하여 성형하고 소성하여 시트 또는 블록 형태로 제조될 수 있다. 구체적으로 상기 페라이트계 자성체는 Ni-Zn계, Mg-Zn계, 또는 Mn-Zn계 페라이트를 포함할 수 있고, 특히 Mn-Zn계 페라이트는 85 kHz의 주파수에서 실온 내지 100 ℃ 이상의 온도 범위에 걸쳐 높은 투자율, 낮은 투자손실, 및 높은 포화 자속 밀도를 나타낼 수 있다.

다른 예로서 상기 자성부는 고분자 수지 및 상기 고분자 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 자성부는 고분자 수지에 의해 자성 분말들이 서로 결합됨으로써, 넓은 면적에서 전체적으로 결함이 적으면서 충격에 의해 손상이 적을 수 있다. 상기 자성 분말은 산화물계 자성 분말, 금속계 자성 분말, 또는 이들의 혼합 분말일 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물계 자성 분말은 페라이트계 분말, 구체적으로 Ni-Zn계, Mg-Zn계, Mn-Zn계 페라이트 분말일 수 있다. 또한 상기 금속계 자성 분말은 Fe-Si-Al 합금 자성 분말, 또는 Ni-Fe 합금 자성 분말일 수 있고, 보다 구체적으로 샌더스트(sendust) 분말, 또는 퍼말로이(permalloy) 분말일 수 있다. 또한 상기 자성 분말은 나노결정성(nanocrystalline) 자성 분말일 수 있고, 예를 들어 Fe계 나노결정성 자성 분말일 수 있으며, 구체적으로 Fe-Si-Al계 나노결정성 자성 분말, Fe-Si-Cr계 나노결정성 자성 분말, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성 분말일 수 있다. 상기 자성 분말의 평균 입경은 약 3 nm 내지 약 1 mm, 약 1 ㎛ 내지 300 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 또는 약 1 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위일 수 있다. 상기 자성부는 상기 자성 분말을 10 중량% 이상, 50 중량% 이상, 70 중량% 이상, 또는 85 중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 자성부는 상기 자성 분말을 10 중량% 내지 99 중량%, 10 중량% 내지 95 중량%, 또는 50 중량% 내지 95 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 상기 고분자 수지로서 폴리이미드 수지, 폴리아미드 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, 에폭시 수지 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 자성부는 시트 형태 또는 블록 형태를 가질 수 있다. 도 8을 참조하여, 상기 자성부(300)의 두께(M)는 0.5 mm 내지 10 mm일 수 있고, 구체적으로, 1 mm 내지 9 mm, 2 mm 내지 8 mm, 또는 3 mm 내지 7 mm일 수 있다. 상기 자성부의 면적은 200 cm² 이상, 400 cm² 이상, 또는 600 cm² 이상일 수 있고, 또한 10,000 cm²이하일 수 있다. 또한 상기 자성부는 다수의 자성 단위체가 조합되어 구성될 수 있으며, 이때, 상기 자성 단위체의 면적은 60 cm² 이상, 90 cm² 이상, 또는 95 cm² 내지 900 cm²일 수 있다.

상기 자성부는 상기 코일부와 평행한 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어 상기 자성부가 평면 시트 형상을 가지고 상기 코일부가 평면 코일 형상을 가지며, 상기 자성부와 상기 코일부가 서로 평행하게 배치될 수 있다. 상기 자성부의 평면 형상은 다각형, 모서리가 둥근 다각형, 또는 원형의 형태일 수 있다. 예를 들어 상기 자성부는 사각 시트의 형상일 경우 한 변의 길이가 100 mm 내지 700 mm, 200 mm 내지 500 mm, 또는 300 mm 내지 350 mm일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 자성부는 한 변의 길이가 300 mm 내지 350 mm인 사각 시트로서 3 mm 내지 7 mm의 두께를 가질 수 있다.

상기 자성부는 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수 근방에서 일정 수준의 자성 특성을 가질 수 있다. 상기 자성부의 85 kHz에서 투자율은 소재에 따라 달라질 수 있으나 5 이상, 예를 들어 5 내지 150,000일 수 있으며, 구체적인 소재에 따라 5 내지 300, 500 내지 3,500, 또는 10,000 내지 150,000일 수 있다. 또한 상기 자성부의 85 kHz에서 투자손실은 소재에 따라 달라질 수 있으나 0 이상, 예를 들어 0 내지 50,000일 수 있으며, 구체적인 소재에 따라 0 내지 1,000, 1 내지 100, 100 내지 1,000, 또는 5,000 내지 50,000일 수 있다.

쉴드부

상기 쉴드부는 상기 자성부 상에 배치되어, 전자파 차폐를 통해 외부로 전자파가 누설되어 발생될 수 있는 전자기 간섭(EMI)을 억제한다.

상기 쉴드부는 상기 코일부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 쉴드부와 상기 코일부의 이격 거리는 10 mm 이상 또는 15 mm 이상일 수 있고, 구체적으로 10 mm 내지 30 mm, 또는 10 mm 내지 20 mm일 수 있다.

상기 쉴드부는 금속을 포함할 수 있고, 구체적으로 상기 쉴드부는 금속판일 수 있으나 특별히 한정되지 않는다. 구체적인 일례로서 상기 쉴드부의 소재는 알루미늄일 수 있으며, 그 외 전자파 차폐능을 갖는 금속 또는 합금 소재가 사용될 수 있다.

도 8을 참조하여, 상기 쉴드부(400)의 두께(S)는 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.

상기 쉴드부는 상기 자성부와 평행한 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어 상기 자성부와 상기 쉴드부가 평면 시트 형상을 가지고, 서로 평행하게 배치될 수 있다. 상기 쉴드부의 평면 형상은 다각형, 모서리가 둥근 다각형, 또는 원형의 형태일 수 있다. 예를 들어 상기 쉴드부가 사각 시트의 형상일 경우 한 변의 길이가 100 mm 내지 700 mm, 200 mm 내지 500 mm, 또는 300 mm 내지 400 mm일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 자성부는 한 변의 길이가 300 mm 내지 400 mm인 사각 시트로서 1 mm 내지 3 mm의 두께를 가질 수 있다.

지지부 및 스페이서

도 5 및 도 7을 참조하여, 상기 무선충전 장치(10)는 코일부(200)를 지지하는 지지부(100)를 더 포함할 수 있다. 상기 지지부는 평판 구조이거나 또는 코일부를 고정시킬 수 있도록 코일부 형태를 따라 홈이 파여진 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 상기 지지부(100)는 코일 트레이일 수 있다.

또한 상기 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는, 상기 쉴드부(400)와 자성부(300) 간의 공간을 확보하기 위한 스페이서를 더 포함할 수 있다. 상기 스페이서의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 스페이서의 재질 및 구조를 채용할 수 있다.

하우징

상기 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는 전술한 구성 요소들을 보호하는 하우징(600)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하우징은 하면 하우징(610), 측면 하우징(620) 및 상면 하우징(630)이 결합된 구성을 가질 수 있으나, 이에 특별히 한정되지 않는다.

상기 하우징은 상기 코일부, 쉴드부, 자성부 등의 구성 요소가 적절하게 배치되어 조립될 수 있게 한다. 상기 하우징의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 하우징의 재질 및 구조를 채용할 수 있다. 예를 들어, 상기 하우징은 내구성이 우수한 플라스틱 소재를 이용하여 제작할 수 있다.

[무선충전 시스템]

상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.

일 구현예에 따른 이동 수단은 무선충전 장치를 포함하고, 상기 무선충전 장치는 전도성 와이어를 포함하는 코일부; 상기 코일부 상에 배치되는 자성부; 및 상기 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 포함하고, 아래 식 (1)을 만족한다:

1.1 ≤ (△Q1-△Q2) / Q x 100 ... (1)

또한 상기 무선충전 장치는, 상기 이동 수단에 대응하여 무선전력 송신을 수행하는 스테이션(또는 충전소)에도 적용될 수 있다. 즉 일 구현예에 따른 스테이션도 역시 앞서 설명한 바와 같은 구성 및 특징을 갖는 무선충전 장치를 포함할 수 있다.

도 10은 무선충전을 위한 수신기(21)와 송신기(22)의 단면도의 예시를 나타낸다. 상기 수신기(21) 및 상기 송신기(22)는 각각 앞서 설명한 구현예에 따른 무선충전 장치와 동일한 구조를 갖는다. 무선충전 시에 송신기(22)에 전력이 인가되면 자속(30)에 의해 유도된 전력이 수신기(21)에 발생하여 무선전력 전송이 이루어지게 된다.

도 11은 무선충전 장치가 적용된 이동 수단, 구체적으로 전기 자동차를 나타낸 것으로서, 하부에 무선충전 장치를 구비하여 전기 자동차용 무선충전 시스템이 구비된 주차 구역에서 무선으로 충전될 수 있다.

도 11을 참조하여, 일 구현예에 따른 이동 수단(1)은 상기 구현예에 따른 무선충전 장치를 수신기(21)로 포함한다. 상기 무선충전 장치는 이동 수단(1)의 무선충전의 수신기(21)로 역할하고 무선충전의 송신기(22)로부터 전력을 공급받을 수 있다.

1.1 ≤ (△Q1-△Q2) / Q x 100 ... (1)

상기 식에서 △Q1은 (Q - Qa) / △d이고, △Q2는 (Qb - Q) / △d이고, Q은 85 kHz의 주파수에서 상기 무선충전 장치의 Q 인자이고, Qa는 상기 무선충전 장치에서 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 좁혔을 때 측정된 Q 인자이고, Qb는 상기 무선충전 장치에서 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 넓혔을 때 측정된 Q 인자이고, 상기 Q 인자는 2 x π x f x L / R로 계산되고, 여기서 f는 주파수(kHz)이고, L은 상기 코일부의 인덕턴스(μH)이고, R은 상기 코일부의 저항(mΩ)이고, 상기 Q, Qa, Qb, f, L, R, △Q1, △Q2, 및 △d는 각각의 단위를 제외한 수치 값만이 적용된다.

상기 이동 수단에 포함되는 무선충전 장치의 각 구성요소들의 구성 및 특징은 앞서 설명한 바와 같다. 또한 상기 이동 수단에 포함되는 무선충전 장치는 상기 식 (1)에서 계산되는 값이 1.1 이상이며, 이에 따라 가능한 유리한 효과도 동일하게 적용될 수 있다.

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.

이하 상기 구현예를 보다 구체적인 예시를 들어 설명하나, 상기 구현예의 범위가 이들 범위로 한정되는 것은 아니다.

무선충전 장치의 제조예

도 5, 도 6 및 도 7은 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해사시도, 사시도 및 단면도를 각각 나타낸 것으로서, 이들 도면과 같이 무선충전 장치를 제작하였다.

장치 A

지지부(100)로서 코일 트레이를 사용하였고, 상기 코일 트레이의 홈에 코일부(200)를 안착시켜 고정하였다. 코일부(200)는 도 9를 참조하여 외부 치수(Od)가 320 mm x 320 mm, 내부 치수(Id)가 160 mm x 160 mm이고 전체적으로 모서리가 둥근 사각 형태의 평면 나선 코일(planar spiral coil)로서, 직경 5 mm의 도전성 와이어(1000 가닥으로 구성된 리츠 와이어)가 9회 감긴 것을 준비하였다.

자성부(300)는 320 mm x 320 mm x 5 mm (가로 x 세로 x 두께)의 치수로 준비하되, 자성부의 소재는 페라이트 소결체 또는 고분자형 자성체로 하였다. 먼저 페라이트 소결체의 경우, 페라이트 슬러리를 시트 형태로 성형하고 소결하여 80 mm x 80 mm x 5 mm (가로 x 세로 x 두께)의 페라이트 단위체 16개를 얻은 뒤, 이들을 결합하여 320 mm x 320 mm x 5 mm (가로 x 세로 x 두께)의 자성부를 제작하였다. 또한 고분자형 자성체의 경우 해당 치수(320 mm x 320 mm x 5 mm)의 형태를 성형할 수 있는 몰드를 먼저 제작한 뒤, 자성 분말 슬러리를 사출 성형기에 의해 상기 몰드에 주입하여 자성부를 얻었다.

쉴드부(400)는 350 mm x 350 mm x 2 mm (가로 x 세로 x 두께)의 치수를 갖는 알루미늄 판을 사용하였다.

장치 B

코일부(200)로서 도 9를 참조하여 외부 치수(Od)가 320 mm x 320 mm, 내부 치수(Id)가 125 mm x 125 mm이고 전체적으로 모서리가 둥근 사각 형태의 평면 나선 코일(planar spiral coil)로서, 직경 5 mm의 도전성 와이어(1000 가닥으로 구성된 리츠 와이어)가 16회 감긴 것을 사용한 것을 제외하고는, 상기 장치 A의 제조방법과 동일한 절차를 반복하여 무선충전 장치를 제조하였다.

장치 C

지지부(100)로서 코일 트레이를 사용하였고, 상기 코일 트레이의 홈에 코일부(200)를 안착시켜 고정하였다. 코일부(200)는 도 9를 참조하여 외부 치수(Od)가 675 mm x 534 mm, 내부 치수(Id)가 300 mm x 160 mm이고 전체적으로 모서리가 둥근 직사각형 형태의 평면 나선 코일(planar spiral coil)로서, 직경 5 mm의 도전성 와이어(1000 가닥으로 구성된 리츠 와이어)가 16회 감긴 것을 준비하였다.

자성부(300)는 페라이트 슬러리를 시트 형태로 성형하고 소결하여 두께 5 mm의 페라이트 단위체 16개를 얻은 뒤, 이들을 결합하여 675 mm x 534 mm x 5 mm (가로 x 세로 x 두께)의 자성부를 제작하였다.

쉴드부(400)는 675 mm x 534 mm x 2 mm (가로 x 세로 x 두께)의 치수를 갖는 알루미늄 판을 사용하였다.

실험예 1: 코일부-자성부간 거리에 따른 특성 변화

앞서 제조한 무선충전 장치(장치 A 또는 B)에서, 도 8을 참조하여, 코일부-자성부 간의 거리(D)를 2 mm로 고정하고, 스페이서에 의해 자성부-쉴드부 간의 거리(V)를 다양하게 변화시켜 가며, LCR 미터를 이용하여 85 kHz의 주파수(f) 및 5V의 전압에서 코일부의 인덕턴스(L) 및 저항(R)을 측정한 뒤, 이를 바탕으로 Q 인자(Q)를 계산하여, 그 결과를 하기 표 1, 및 도 2 내지 4에 나타내었다.

Q 인자 = 2 x π x f x L / R

구 분		장치 A			장치 B
자성부	자성부와 쉴드부간 거리(mm)	인덕턴스 (μH)	저항 (mΩ)	Q 인자	인덕턴스 (μH)	저항 (mΩ)	Q 인자
소결 페라이트	0.0	44.8	63.0	379.59	98.0	87.0	601.29
	0.5	45.0	62.5	383.94	98.3	85.0	617.71
	1.0	45.1	62.0	388.30	98.6	83.0	634.13
	1.5	45.2	61.5	392.64	98.9	82.0	643.84
	2.0	45.4	61.0	396.99	99.1	81.0	653.56
	2.5	45.5	60.5	401.34	99.4	80.0	663.28
	3.0	45.6	60.0	405.69	99.6	79.0	672.99
	3.5	45.7	58.5	416.83	100.0	76.5	698.62
	4.0	45.7	57.0	427.98	100.4	74.0	724.24
	4.5	45.7	56.0	435.62	100.8	72.0	747.32
	5.0	45.8	55.0	444.51	101.1	71.0	760.10
	5.5	45.8	55.0	444.51	101.1	71.0	760.10
	6.0	45.8	55.0	444.51	101.1	71.0	760.10
	6.5	45.8	55.0	444.51	101.1	71.0	760.10
	7.0	45.8	55.0	444.51	101.1	71.0	760.10
	7.5	45.8	55.0	444.51	101.1	71.0	760.10
	8.0	45.8	55.0	444.51	101.1	71.0	760.10
	8.5	45.8	55.0	444.51	101.1	71.0	760.10
	9.0	45.8	55.0	444.51	101.1	71.0	760.10
	9.5	45.8	55.0	444.51	101.1	71.0	760.10
	10.0	45.8	55.0	444.51	101.1	71.0	760.10
고분자형 자성체	0.0	40.6	65.0	333.42	94.0	85.0	590.32
	0.5	40.8	64.5	337.69	94.4	83.0	607.20
	1.0	41.0	64.0	341.97	94.7	81.0	624.08
	1.5	41.3	63.3	348.36	94.8	80.0	632.71
	2.0	41.5	62.5	354.75	94.9	79.0	641.33
	2.5	41.8	61.8	361.14	94.9	78.0	649.96
	3.0	42.0	61.0	367.53	95.0	77.0	658.58
	3.5	42.1	60.5	371.04	95.5	76.0	670.92
	4.0	42.1	60.0	374.55	96.0	75.0	683.26
	4.5	42.1	59.0	380.90	96.0	74.0	692.50
	5.0	42.1	58.0	387.47	97.0	73.0	709.30
	5.5	42.1	58.0	387.47	97.0	73.0	709.30
	6.0	42.1	58.0	387.47	97.0	73.0	709.30
	6.5	42.1	58.0	387.47	97.0	73.0	709.30
	7.0	42.1	58.0	387.47	97.0	73.0	709.30
	7.5	42.1	58.0	387.47	97.0	73.0	709.30
	8.0	42.1	58.0	387.47	97.0	73.0	709.30
	8.5	42.1	58.0	387.47	97.0	73.0	709.30
	9.0	42.1	58.0	387.47	97.0	73.0	709.30
	9.5	42.1	58.0	387.47	97.0	73.0	709.30
	10.0	42.1	58.0	387.47	97.0	73.0	709.30

또한 이들 측정 데이터를 바탕으로 식 (1) 내지 (3)의 값을 계산하여, 그 결과를 표 2 내지 7에 나타내었다.

식 (1)의 계산값 = (△Q1-△Q2) / Q x 100

식 (2)의 계산값 = (△R1-△R2) / R x 100

식 (3)의 계산값 = (△L1-△L2) / L x 100

상기 식에서

△Q1 = (Q - Qa) / △d, △Q2 = (Qb - Q) / △d,

△R1 = (R - Ra) / △d, △R2 = (Rb - R) / △d,

△L1 = (L - La) / △d, △L2 = (Lb - L) / △d,

Qa, Ra, La는 자성부-쉴드부간 거리를 △d만큼 더 좁혔을 때의 Q, R, L,

Qb, Rb, Lb는 자성부-쉴드부간 거리를 △d만큼 더 넓혔을 때의 Q, R, L,

△d = 2.0 mm이다.

장치 A - Q 인자를 이용한 식 (1)의 계산 (△d = 2 mm)
자성부	자성부와 쉴드부간 거리(mm)	Qa	Q	Qb	△Q1	△Q2	식 (1) 계산값
소결 페라이트	2.0	379.59	396.99	427.98	8.70	15.49	-1.71
	2.5	383.94	401.34	435.62	8.70	17.14	-2.10
	3.0	388.30	405.69	444.51	8.70	19.41	-2.64
	3.5	392.64	416.83	444.51	12.09	13.84	-0.42
	4.0	396.99	427.98	444.51	15.49	8.27	1.69
	4.5	401.34	435.62	444.51	17.14	4.45	2.91
	5.0	405.69	444.51	444.51	19.41	0.00	4.37
	5.5	416.83	444.51	444.51	13.84	0.00	3.11
	6.0	427.98	444.51	444.51	8.27	0.00	1.86
	6.5	435.62	444.51	444.51	4.45	0.00	1.00
	7.0	444.51	444.51	444.51	0.00	0.00	0.00
	7.5	444.51	444.51	444.51	0.00	0.00	0.00
	8.0	444.51	444.51	444.51	0.00	0.00	0.00
고분자형 자성체	2.0	333.42	354.75	374.55	10.67	9.90	0.22
	2.5	337.69	361.14	380.90	11.72	9.88	0.51
	3.0	341.97	367.53	387.47	12.78	9.97	0.77
	3.5	348.36	371.04	387.47	11.34	8.21	0.84
	4.0	354.75	374.55	387.47	9.90	6.46	0.92
	4.5	361.14	380.90	387.47	9.88	3.28	1.73
	5.0	367.53	387.47	387.47	9.97	0.00	2.57
	5.5	371.04	387.47	387.47	8.21	0.00	2.12
	6.0	374.55	387.47	387.47	6.46	0.00	1.67
	6.5	380.90	387.47	387.47	3.28	0.00	0.85
	7.0	387.47	387.47	387.47	0.00	0.00	0.00
	7.5	387.47	387.47	387.47	0.00	0.00	0.00
	8.0	387.47	387.47	387.47	0.00	0.00	0.00

상기 표에서 보듯이, 장치 A에서 자성부와 쉴드부 간의 거리가 4.0 mm 내지 6.0 mm인 경우(소결 페라이트) 또는 4.5 mm 내지 6.0 mm인 경우(고분자형 자성체)에 식 (1)의 계산값이 1.1 이상으로 확인되었다. 한편 이 구간을 벗어날 경우 Q 인자가 낮아서 공진 특성이 저조해지거나 또는 Q 인자의 추가적인 향상 없이 장치의 전체 두께만 증가하는 문제가 있었다. 특히 자성부와 쉴드부 간의 거리가 5.0 mm인 경우에 식 (1)의 계산값이 가장 높은 것으로 확인되었다.

장치 B - Q 인자를 이용한 식 (1)의 계산 (△d = 2 mm)
자성부	자성부와 쉴드부간 거리(mm)	Qa	Q	Qb	△Q1	△Q2	식 (1) 계산값
소결 페라이트	2.0	601.29	653.56	724.24	26.13	35.34	-1.41
	2.5	617.71	663.28	747.32	22.78	42.02	-2.90
	3.0	634.13	672.99	760.10	19.43	43.55	-3.58
	3.5	643.84	698.62	760.10	27.39	30.74	-0.48
	4.0	653.56	724.24	760.10	35.34	17.93	2.40
	4.5	663.28	747.32	760.10	42.02	6.39	4.77
	5.0	672.99	760.10	760.10	43.55	0.00	5.73
	5.5	698.62	760.10	760.10	30.74	0.00	4.04
	6.0	724.24	760.10	760.10	17.93	0.00	2.36
	6.5	747.32	760.10	760.10	6.39	0.00	0.84
	7.0	760.10	760.10	760.10	0.00	0.00	0.00
	7.5	760.10	760.10	760.10	0.00	0.00	0.00
	8.0	760.10	760.10	760.10	0.00	0.00	0.00
고분자형 자성체	2.0	590.32	641.33	683.26	25.51	20.96	0.71
	2.5	607.20	649.96	692.50	21.38	21.27	0.02
	3.0	624.08	658.58	709.30	17.25	25.36	-1.23
	3.5	632.71	670.92	709.30	19.11	19.19	-0.01
	4.0	641.33	683.26	709.30	20.96	13.02	1.16
	4.5	649.96	692.50	709.30	21.27	8.40	1.86
	5.0	658.58	709.30	709.30	25.36	0.00	3.57
	5.5	670.92	709.30	709.30	19.19	0.00	2.70
	6.0	683.26	709.30	709.30	13.02	0.00	1.84
	6.5	692.50	709.30	709.30	8.40	0.00	1.18
	7.0	709.30	709.30	709.30	0.00	0.00	0.00
	7.5	709.30	709.30	709.30	0.00	0.00	0.00
	8.0	709.30	709.30	709.30	0.00	0.00	0.00

상기 표에서 보듯이, 장치 B에서 자성부와 쉴드부 간의 거리가 4.0 mm 내지 6.0 mm인 경우(소결 페라이트) 또는 4.0 mm 내지 6.5 mm인 경우(고분자형 자성체)에 식 (1)의 계산값이 1.1 이상으로 확인되었다. 한편 이 구간을 벗어날 경우 Q 인자가 낮아서 공진 특성이 저조해지거나 또는 Q 인자의 추가적인 향상 없이 장치의 전체 두께만 증가하는 문제가 있었다. 특히 자성부와 쉴드부 간의 거리가 5.0 mm인 경우에 식 (1)의 계산값이 가장 높은 것으로 확인되었다.

장치 A - 코일부의 저항(R)을 이용한 식 (2)의 계산 (△d = 2 mm)
자성부	자성부와 쉴드부간 거리(mm)	Ra	R	Rb	△R1	△R2	식 (2) 계산값
소결 페라이트	2.0	63.0	61.0	57.0	-1.00	-2.00	1.64
	2.5	62.5	60.5	56.0	-1.00	-2.25	2.07
	3.0	62.0	60.0	55.0	-1.00	-2.50	2.50
	3.5	61.5	58.5	55.0	-1.50	-1.75	0.43
	4.0	61.0	57.0	55.0	-2.00	-1.00	-1.75
	4.5	60.5	56.0	55.0	-2.25	-0.50	-3.13
	5.0	60.0	55.0	55.0	-2.50	0.00	-4.55
	5.5	58.5	55.0	55.0	-1.75	0.00	-3.18
	6.0	57.0	55.0	55.0	-1.00	0.00	-1.82
	6.5	56.0	55.0	55.0	-0.50	0.00	-0.91
	7.0	55.0	55.0	55.0	0.00	0.00	0.00
	7.5	55.0	55.0	55.0	0.00	0.00	0.00
	8.0	55.0	55.0	55.0	0.00	0.00	0.00
고분자형 자성체	2.0	65.0	62.5	60.0	-1.25	-1.25	0.00
	2.5	64.5	61.8	59.0	-1.38	-1.38	0.00
	3.0	64.0	61.0	58.0	-1.50	-1.50	0.00
	3.5	63.3	60.5	58.0	-1.38	-1.25	-0.21
	4.0	62.5	60.0	58.0	-1.25	-1.00	-0.42
	4.5	61.8	59.0	58.0	-1.38	-0.50	-1.48
	5.0	61.0	58.0	58.0	-1.50	0.00	-2.59
	5.5	60.5	58.0	58.0	-1.25	0.00	-2.16
	6.0	60.0	58.0	58.0	-1.00	0.00	-1.72
	6.5	59.0	58.0	58.0	-0.50	0.00	-0.86
	7.0	58.0	58.0	58.0	0.00	0.00	0.00
	7.5	58.0	58.0	58.0	0.00	0.00	0.00
	8.0	58.0	58.0	58.0	0.00	0.00	0.00

상기 표에서 보듯이, 장치 A에서 자성부와 쉴드부 간의 거리가 4.0 mm 내지 6.0 mm인 경우(소결 페라이트) 또는 4.5 mm 내지 6.0 mm인 경우(고분자형 자성체)에 식 (2)의 계산값이 -1.1 이하로 확인되었다. 한편 이 구간을 벗어날 경우 코일부의 저항이 증가하여 무선충전 중에 발열이 심화되거나 또는 저항의 추가적인 감소 없이 장치의 전체 두께만 증가하는 문제가 있었다. 특히 자성부와 쉴드부 간의 거리가 5.0 mm인 경우에 식 (2)의 계산값이 가장 낮은 것으로 확인되었다.

장치 B - 코일부의 저항(R)을 이용한 식 (2)의 계산 (△d = 2 mm)
자성부	자성부와 쉴드부간 거리(mm)	Ra	R	Rb	△R1	△R2	식 (2) 계산값
소결 페라이트	2.0	87.0	81.0	74.0	-3.00	-3.50	0.62
	2.5	85.0	80.0	72.0	-2.50	-4.00	1.88
	3.0	83.0	79.0	71.0	-2.00	-4.00	2.53
	3.5	82.0	76.5	71.0	-2.75	-2.75	0.00
	4.0	81.0	74.0	71.0	-3.50	-1.50	-2.70
	4.5	80.0	72.0	71.0	-4.00	-0.50	-4.86
	5.0	79.0	71.0	71.0	-4.00	0.00	-5.63
	5.5	76.5	71.0	71.0	-2.75	0.00	-3.87
	6.0	74.0	71.0	71.0	-1.50	0.00	-2.11
	6.5	72.0	71.0	71.0	-0.50	0.00	-0.70
	7.0	71.0	71.0	71.0	0.00	0.00	0.00
	7.5	71.0	71.0	71.0	0.00	0.00	0.00
	8.0	71.0	71.0	71.0	0.00	0.00	0.00
고분자형 자성체	2.0	85.0	79.0	75.0	-3.00	-2.00	-1.27
	2.5	83.0	78.0	74.0	-2.50	-2.00	-0.64
	3.0	81.0	77.0	73.0	-2.00	-2.00	0.00
	3.5	80.0	76.0	73.0	-2.00	-1.50	-0.66
	4.0	79.0	75.0	73.0	-2.00	-1.00	-1.33
	4.5	78.0	74.0	73.0	-2.00	-0.50	-2.03
	5.0	77.0	73.0	73.0	-2.00	0.00	-2.74
	5.5	76.0	73.0	73.0	-1.50	0.00	-2.05
	6.0	75.0	73.0	73.0	-1.00	0.00	-1.37
	6.5	74.0	73.0	73.0	-0.50	0.00	-0.68
	7.0	73.0	73.0	73.0	0.00	0.00	0.00
	7.5	73.0	73.0	73.0	0.00	0.00	0.00
	8.0	73.0	73.0	73.0	0.00	0.00	0.00

상기 표에서 보듯이, 장치 B에서 자성부와 쉴드부 간의 거리가 4.0 mm 내지 6.0 mm인 경우(소결 페라이트 및 고분자형 자성체)에 식 (2)의 계산값이 -1.1 이하로 확인되었다. 한편 이 구간을 벗어날 경우 코일부의 저항이 증가하여 무선충전 중에 발열이 심화되거나 또는 저항의 추가적인 감소 없이 장치의 전체 두께만 증가하는 문제가 있었다. 특히 자성부와 쉴드부 간의 거리가 5.0 mm인 경우에 식 (2)의 계산값이 가장 낮은 것으로 확인되었다.

장치 A - 코일부의 인덕턴스(L)를 이용한 식 (3)의 계산 (△d = 2 mm)
자성부	자성부와 쉴드부간 거리(mm)	La	L	Lb	△L1	△L2	식 (3) 계산값
소결 페라이트	2.0	44.8	45.4	45.7	0.28	0.18	0.22
	2.5	45.0	45.5	45.7	0.26	0.11	0.33
	3.0	45.1	45.6	45.8	0.25	0.10	0.33
	3.5	45.2	45.7	45.8	0.21	0.07	0.30
	4.0	45.4	45.7	45.8	0.18	0.05	0.27
	4.5	45.5	45.7	45.8	0.11	0.05	0.14
	5.0	45.6	45.8	45.8	0.10	0.00	0.22
	5.5	45.7	45.8	45.8	0.07	0.00	0.16
	6.0	45.7	45.8	45.8	0.05	0.00	0.11
	6.5	45.7	45.8	45.8	0.05	0.00	0.11
	7.0	45.8	45.8	45.8	0.00	0.00	0.00
	7.5	45.8	45.8	45.8	0.00	0.00	0.00
	8.0	45.8	45.8	45.8	0.00	0.00	0.00
고분자형 자성체	2.0	40.6	41.5	42.1	0.45	0.30	0.36
	2.5	40.8	41.8	42.1	0.48	0.18	0.72
	3.0	41.0	42.0	42.1	0.50	0.05	1.07
	3.5	41.3	42.1	42.1	0.40	0.03	0.89
	4.0	41.5	42.1	42.1	0.30	0.00	0.71
	4.5	41.8	42.1	42.1	0.18	0.00	0.42
	5.0	42.0	42.1	42.1	0.05	0.00	0.12
	5.5	42.1	42.1	42.1	0.03	0.00	0.06
	6.0	42.1	42.1	42.1	0.00	0.00	0.00
	6.5	42.1	42.1	42.1	0.00	0.00	0.00
	7.0	42.1	42.1	42.1	0.00	0.00	0.00
	7.5	42.1	42.1	42.1	0.00	0.00	0.00
	8.0	42.1	42.1	42.1	0.00	0.00	0.00

상기 표에서 보듯이, 장치 A에서 자성부와 쉴드부 간의 거리가 2.0 mm 내지 6.5 mm인 경우(소결 페라이트) 또는 2.0 mm 내지 5.0 mm인 경우(고분자형 자성체)에 식 (3)의 계산값이 0.1 이상으로 확인되었다. 한편 이 구간을 벗어날 경우 코일부의 인덕턴스가 낮아서 충전효율이 저하되거나 또는 인덕턴스의 추가적인 향상 없이 장치의 전체 두께만 증가하는 문제가 있었다.

장치 B - 코일부의 인덕턴스(L)를 이용한 식 (3)의 계산 (△d = 2 mm)
자성부	자성부와 쉴드부간 거리(mm)	La	L	Lb	△L1	△L2	식 (3) 계산값
소결 페라이트	2.0	98.0	99.1	100.4	0.55	0.65	-0.10
	2.5	98.3	99.4	100.8	0.52	0.73	-0.20
	3.0	98.6	99.6	101.1	0.50	0.75	-0.25
	3.5	98.9	100.0	101.1	0.58	0.55	0.03
	4.0	99.1	100.4	101.1	0.65	0.35	0.30
	4.5	99.4	100.8	101.1	0.73	0.15	0.57
	5.0	99.6	101.1	101.1	0.75	0.00	0.74
	5.5	100.0	101.1	101.1	0.55	0.00	0.54
	6.0	100.4	101.1	101.1	0.35	0.00	0.35
	6.5	100.8	101.1	101.1	0.15	0.00	0.15
	7.0	101.1	101.1	101.1	0.00	0.00	0.00
	7.5	101.1	101.1	101.1	0.00	0.00	0.00
	8.0	101.1	101.1	101.1	0.00	0.00	0.00
고분자형 자성체	2.0	94.0	94.9	96.0	0.42	0.58	-0.16
	2.5	94.4	94.9	96.0	0.29	0.54	-0.26
	3.0	94.7	95.0	97.0	0.15	1.00	-0.89
	3.5	94.8	95.5	97.0	0.36	0.75	-0.41
	4.0	94.9	96.0	97.0	0.58	0.50	0.08
	4.5	94.9	96.0	97.0	0.54	0.50	0.04
	5.0	95.0	97.0	97.0	1.00	0.00	1.03
	5.5	95.5	97.0	97.0	0.75	0.00	0.77
	6.0	96.0	97.0	97.0	0.50	0.00	0.52
	6.5	96.0	97.0	97.0	0.50	0.00	0.52
	7.0	97.0	97.0	97.0	0.00	0.00	0.00
	7.5	97.0	97.0	97.0	0.00	0.00	0.00
	8.0	97.0	97.0	97.0	0.00	0.00	0.00

상기 표에서 보듯이, 장치 B에서 자성부와 쉴드부 간의 거리가 4.0 mm 내지 6.5 mm인 경우(소결 페라이트) 또는 5.0 mm 내지 6.5 mm인 경우(고분자형 자성체)에 식 (3)의 계산값이 0.1 이상으로 확인되었다. 한편 이 구간을 벗어날 경우 코일부의 인덕턴스가 낮아서 충전효율이 저하되거나 또는 인덕턴스의 추가적인 향상 없이 장치의 전체 두께만 증가하는 문제가 있었다. 특히 자성부와 쉴드부 간의 거리가 5.0 mm인 경우에 식 (3)의 계산값이 가장 높은 것으로 확인되었다.

실험예 2: 충전 효율 측정

충전 효율을 측정하기 위한 수신기로서 앞서 제조한 무선충전 장치 A 또는 B를 이용하였고, 송신기로서 앞서 제조한 무선충전 장치 C를 이용하였다. 송신기 전압을 380 V로 고정하고 수신기의 전류를 20 A로 고정한 상태에서, 송신기의 전류를 변화시켜 송신 전력을 조절하여 수신기의 수신 전력이 8.8 kw가 되었을 때 아래 식에 따라 충전 효율을 계산하였다. 그 결과를 하기 표에 나타내었다.

충전 효율(%) = (수신 전력(kW) / 송신 전력(kW)) x 100

그 결과, 장치 A 및 B 모두에서 자성부와 쉴드부 간의 거리가 5.0 mm인 경우에 가장 높은 충전 효율(최대 87.7%)이 측정되었다. 한편 자성부와 쉴드부 간의 거리가 5.0 mm 보다 좁아질 경우는 충전 효율이 점차 저하되었으며, 반대로 자성부와 쉴드부 간의 거리가 5.0 mm 보다 넓어질 경우에는 더 이상의 충전 효율의 향상이 확인되지 않았다.

1: 이동 수단, 10: 무선충전 장치,
21: 수신기, 22: 송신기,
30: 자속,
100: 지지부, 200: 코일부,
300: 자성부, 400: 쉴드부,
600: 하우징, 610: 하면 하우징,
620: 측면 하우징, 630: 상면 하우징,
Id: 내부 치수, Od: 외부 치수,
C: 전도성 와이어의 직경,
D: 코일부와 자성부 간의 거리,
M: 자성부의 두께,
S: 쉴드부의 두께,
V: 쉴드부와 자성부 간의 거리.

Claims

전도성 와이어를 포함하는 코일부;
상기 코일부 상에 배치되는 자성부; 및
상기 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 포함하고,
아래 식 (1)을 만족하는, 무선충전 장치:
1.1 ≤ (△Q1-△Q2) / Q x 100 ... (1)
상기 식에서
△Q1은 (Q - Qa) / △d이고, △Q2는 (Qb - Q) / △d이고,
Q은 85 kHz의 주파수에서 측정된 상기 무선충전 장치의 Q 인자(Q factor)이고,
Qa는 상기 무선충전 장치에서 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 좁혔을 때 측정된 Q 인자이고,
Qb는 상기 무선충전 장치에서 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 넓혔을 때 측정된 Q 인자이고,
상기 Q 인자는 2 x π x f x L / R로 계산되고, 여기서 f는 주파수(kHz)이고, L은 상기 코일부의 인덕턴스(μH)이고, R은 상기 코일부의 저항(mΩ)이고,
상기 Q, Qa, Qb, f, L, R, △Q1, △Q2, 및 △d는 각각의 단위를 제외한 수치 값만이 적용된다.
제 1 항에 있어서,
상기 무선충전 장치가 아래 식 (2)를 더 만족하는, 무선충전 장치:
-1.1 ≥ (△R1-△R2) / R x 100 ... (2)
상기 식에서
△R1은 (R - Ra) / △d이고, △R2는 (Rb - R) / △d이고,
R은 85 kHz의 주파수에서 측정된 상기 코일부의 저항(mΩ)이고,
Ra는 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 좁혔을 때 측정된 상기 코일부의 저항(mΩ)이고,
Rb는 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 넓혔을 때 측정된 상기 코일부의 저항(mΩ)이고,
상기 R, Ra, Rb, △R1, △R2, 및 △d는 각각의 단위를 제외한 수치 값만이 적용된다.
제 1 항에 있어서,
상기 무선충전 장치가 아래 식 (3)을 더 만족하는, 무선충전 장치:
0.1 ≤ (△L1-△L2) / L x 100 ... (3)
상기 식에서
△L1은 (L - La) / △d이고, △L2는 (Lb - L) / △d이고,
L은 85 kHz의 주파수에서 측정된 상기 코일부의 인덕턴스(μH)이고,
La는 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 좁혔을 때 측정된 상기 코일부의 인덕턴스(μH)이고,
Lb는 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 넓혔을 때 측정된 상기 코일부의 인덕턴스(μH)이고,
상기 L, La, Lb, △L1, △L2, 및 △d는 각각의 단위를 제외한 수치 값만이 적용된다.
제 1 항에 있어서,
상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리가 4 mm 내지 6 mm 내에 속하는, 무선충전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 코일부와 상기 자성부 간의 거리가 1 mm 내지 3 mm인, 무선충전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 자성부는 소결된 페라이트계 자성체를 포함하는, 무선충전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 자성부는 고분자 수지 및 상기 고분자 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함하는, 무선충전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 코일부는 85 kHz의 주파수에서 45 μH 이상의 인덕턴스 및 80 mΩ 이하의 저항을 가지고,
상기 무선충전 장치는 85 kHz의 주파수에서 350 이상의 Q 인자를 가지는, 무선충전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 코일부는 직경이 3 mm 내지 7 mm의 전도성 와이어가 5회 내지 20회 감긴 것이고,
상기 자성부는 한 변의 길이가 300 mm 내지 350 mm인 사각 시트로서 3 mm 내지 7 mm의 두께를 갖고,
상기 쉴드부는 한 변의 길이가 300 mm 내지 400 mm인 사각 시트로서 1 mm 내지 3 mm의 두께를 갖는, 무선충전 장치.
무선충전 장치를 포함하는 이동 수단으로서,
상기 무선충전 장치는
전도성 와이어를 포함하는 코일부;
상기 코일부 상에 배치되는 자성부; 및
상기 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 포함하고,
아래 식 (1)을 만족하는, 이동 수단:
1.1 ≤ (△Q1-△Q2) / Q x 100 ... (1)
상기 식에서
△Q1은 (Q - Qa) / △d이고, △Q2는 (Qb - Q) / △d이고,
Q은 85 kHz의 주파수에서 상기 무선충전 장치의 Q 인자이고,
Qa는 상기 무선충전 장치에서 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 좁혔을 때 측정된 Q 인자이고,
Qb는 상기 무선충전 장치에서 상기 자성부와 상기 쉴드부 간의 거리를 △d (mm) 만큼 더 넓혔을 때 측정된 Q 인자이고,
상기 Q 인자는 2 x π x f x L / R로 계산되고, 여기서 f는 주파수(kHz)이고, L은 상기 코일부의 인덕턴스(μH)이고, R은 상기 코일부의 저항(mΩ)이고,
상기 Q, Qa, Qb, f, L, R, △Q1, △Q2, 및 △d는 각각의 단위를 제외한 수치 값만이 적용된다.