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KR20170140666A - 무선 전력 송신 안테나 및 그를 이용한 장치 및 시스템 - Google Patents

무선 전력 송신 안테나 및 그를 이용한 장치 및 시스템 Download PDF

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KR20170140666A
KR20170140666A KR1020160073276A KR20160073276A KR20170140666A KR 20170140666 A KR20170140666 A KR 20170140666A KR 1020160073276 A KR1020160073276 A KR 1020160073276A KR 20160073276 A KR20160073276 A KR 20160073276A KR 20170140666 A KR20170140666 A KR 20170140666A
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KR
South Korea
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helical
wireless power
coil
inner diameter
outer diameter
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Withdrawn
Application number
KR1020160073276A
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Inventor
이동혁
Original Assignee
엘지이노텍 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지이노텍 주식회사 filed Critical 엘지이노텍 주식회사
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Priority to PCT/KR2017/003856 priority patent/WO2017217648A1/ko
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Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 효율을 극대화시키고 발열을 최소화시키는 것이 가능한 무선 전력 송신 안테나 및 그것이 구비된 무선 전력 송신 장치 및 무선 충전 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 안테나는 무선 전력을 전송하기 위한 평면 형태의 나선형 송신 코일이 적층되어 다층 구조를 가지며, 상기 적층된 나선형 송신 코일의 권선수가 적어도 하나의 층에서 상이하게 구성될 수 있다.

Description

무선 전력 송신 안테나 및 그를 이용한 장치 및 시스템 {ANTENNA, APPARUTUS AND SYSTEM FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER}
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 상세하게, 본체 후면 중앙에 금속 부품이 장착되는 무선 전력 수신 디바이스로의 무선 전력 전송 시 무선 전력 전송 효율을 극대화시키고 발열 현상을 최소화시키기 위한 무선 전력 송신 안테나의 구조 및 해당 무선 전력 송신 안테나가 탑재된 무선 전력 송신 장치 및 그 장치를 이용한 무선 충전 시스템에 관한 것이다.
최근 정보 통신 기술이 급속도로 발전함에 따라, 정보 통신 기술을 기반으로 하는 유비쿼터스 사회가 이루어지고 있다.
언제 어디서나 정보통신 기기들이 접속되기 위해서는 사회 모든 시설에 통신 기능을 가진 컴퓨터 칩을 내장시킨 센서들이 설치되어야 한다. 따라서 이들 기기나 센서의 전원 공급 문제는 새로운 과제가 되고 있다. 또한 휴대폰뿐만 아니라 블루투스 핸드셋과 아이팟 같은 뮤직 플레이어 등의 휴대기기 종류가 급격히 늘어나면서 배터리를 충전하는 작업이 사용자에게 시간과 수고를 요구하고 됐다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 무선 전력 전송 기술이 최근 들어 관심을 받고 있다.
무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술로서, 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.
현재까지 무선을 이용한 에너지 전달 방식은 크게 자기 유도 방식, 자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식 및 단파장 무선 주파수를 이용한 전력 전송 방식 등으로 구분될 수 있다.
자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 자기 유도 방식은 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 효율도 높지만 최대 전송 거리가 1센티미터(cm) 이하이므로 일반적으로 충전기나 바닥에 인접시켜야 하는 단점이 있다.
자기 공진 방식은 전자기파나 전류 등을 활용하는 대신 전기장이나 자기장을 이용하는 특징이 있다. 자기 공진 방식은 전자파 문제의 영향을 거의 받지 않으므로 다른 전자 기기나 인체에 안전하다는 장점이 있다. 반면, 한정된 거리와 공간에서만 활용할 수 있으며 에너지 전달 효율이 다소 낮다는 단점이 있다.
단파장 무선 전력 전송 방식-간단히, RF 방식-은 에너지가 라디오 파(RadioWave)형태로 직접 송수신될 수 있다는 점을 활용한 것이다. 이 기술은 렉테나(rectenna)를 이용하는 RF 방식의 무선 전력 전송 방식으로서, 렉테나는 안테나(antenna)와 정류기(rectifier)의 합성어로서 RF 전력을 직접 직류 전력으로 변환하는 소자를 의미한다. 즉, RF 방식은 AC 라디오파를 DC로 변환하여 사용하는 기술로서, 최근 효율이 향상되면서 상용화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
무선 전력 전송 기술은 모바일 뿐만 아니라 IT, 철도, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.
하지만, 종래의 스마트와치와 같은 무선 전력 수신 디바이스의 경우, 본체 후면 중앙 부분에 금속 부품이 위치하고, 각종 센서 등의 장착 및 집적화를 위해 본체 후면 중앙 부분에 차폐재를 장착할 수 없었다. 그에 따라, 무선 전력 송신 장치에 의해 송출된 전자기장이 금속 부품에 직접 흡수되어 무선 전력 전송 효율이 낮아질 뿐만 아니라 금속 부품 주변이 발열되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 무선 전력 전송 효율을 극대화시키고 발열을 최소화시키는 것이 가능한 무선 전력 송신 안테나 및 그것이 구비된 무선 전력 송신 장치 및 무선 충전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 무선 전력 신호의 전파 방향이 수신 코일에 빔포밍되도록 다층 구조의 비대칭 무선 전력 송신 안테나가 구비된 무선 전력 송신 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 스마트와치와 같은 소형의 집적화된 디바이스에 최적화된 무선 전력 송수신 안테나 및 그를 이용하는 무선 충전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 무선 전력 전송 효율을 극대화시키고 발열을 최소화시키는 것이 가능한 무선 전력 송신 안테나 및 그것이 구비된 무선 전력 송신 장치 및 무선 충전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 안테나는 무선 전력을 전송하기 위한 평면 형태의 나선형 송신 코일이 적층되어 다층 구조를 가지며, 상기 적층된 나선형 송신 코일의 권선수가 적어도 하나의 층에서 상이하게 구성될 수 있다.
여기서, 상기 나선형 송신 코일은 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
또한, 상기 적층된 나선형 송신 코일은 상호 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 층별 상기 나선형 송신 코일의 권선수는 상기 무선 전력이 전송되는 방향으로 증가될 수 있다.
또한, 상기 나선형 송신 코일은 외경과 내경을 포함하되, 상기 외경에 가까울수록 상기 나선형 송신 코일의 적층 두께가 증가할 수 있다.
또한, 상기 나선형 송신 코일은 외경과 내경을 포함하되, 상기 내경에 가까울수록 상기 나선형 송신 코일의 적층 두께가 증가할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 충전 베드와 제어 회로 기판와 상기 충전 베드의 하단 일측에 배치되고, 무선 전력을 전송하기 위한 평면 형태의 나선형 송신 코일이 적층되어 다층 구조를 가지며, 상기 적층된 나선형 송신 코일의 권선수가 적어도 하나의 층에서 상이하게 구성된 무선 전력 송신 안테나와 상기 무선 전력 송신 안테나의 하단 일측에 배치되어, 상기 무선 전력 송신 안테나에 의해 송출된 전자기장이 상기 제어 회로 기판에 전달되는 것을 차단하는 차폐재를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 나선형 송신 코일은 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
또한, 상기 적층된 나선형 송신 코일은 상호 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 층별 상기 나선형 송신 코일의 권선수는 상기 무선 전력이 전송되는 방향으로 증가될 수 있다.
또한, 상기 나선형 송신 코일은 외경과 내경을 포함하되, 상기 외경에 가까울수록 상기 나선형 송신 코일의 적층 두께가 증가할 수 있다.
또한, 상기 나선형 송신 코일은 외경과 내경을 포함하되, 상기 내경에 가까울수록 상기 나선형 송신 코일의 적층 두께가 증가할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 송신 장치는 상기 적층된 나선형 송신 코일의 내경을 따라 구성된 차폐벽을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템은 무선 전력을 전송하기 위한 평면 형태의 나선형 송신 코일이 적층되어 다층 구조를 가지며, 상기 적층된 나선형 송신 코일의 권선수가 적어도 하나의 층에서 상이하게 구성된 무선 전력 송신 안테나를 포함하는 무선 전력 송신 장치와 상기 무선 전력 송신 안테나에 의해 방사된 전자기장이 유도되어 교류 신호를 수신하는 무선 전력 수신 안테나 및 수신된 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 정류기를 포함하는 무선 전력 수신 장치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 무선 전력 수신 안테나는 평면 형태의 나선형 수신 코일을 포함하고, 상기 나선형 수신 코일의 상단에 차폐재가 배치되되, 상기 나선형 수신 코일의 내경과 외경 사이에만 상기 차폐재가 배치될 수 있다.
또한, 상기 나선형 수신 코일의 상기 내경 안쪽으로 금속 부품이 배치되되, 상기 방사된 전자기장이 상기 금속 부품에 전달되지 않고 상기 나선형 수신 코일을 향하도록 상기 무선 전력 송신 안테나와 상기 무선 전력 수신 안테나 사이에 전자기 빔이 형성될 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 수신 안테나는 평면 형태의 나선형 수신 코일이 적층되어 다층 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 적층된 나선형 수신 코일의 권선수가 적어도 하나의 층에서 상이하게 구성될 수 있다.
일 예로, 상기 나선형 수신 코일은 외경과 내경을 포함하되, 상기 외경에 가까울수록 상기 나선형 수신 코일의 적층 두께가 증가할 수 있다.
다른 일 예로, 상기 나선형 수신 코일은 외경과 내경을 포함하되, 상기 내경에 가까울수록 상기 나선형 수신 코일의 적층 두께가 증가할 수 있다.
또한, 상기 무선 충전 시스템의 상기 무선 전력 수신 장치는 상기 적층된 나선형 수신 코일의 내경을 따라 구성되는 차폐벽을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 나선형 송신 코일은 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
또한, 상기 적층된 나선형 송신 코일은 상호 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 층별 상기 나선형 송신 코일의 권선수는 상기 무선 전력이 전송되는 방향으로 증가될 수 있다.
또한, 상기 나선형 송신 코일은 외경과 내경을 포함하되, 상기 외경에 가까울수록 상기 나선형 송신 코일의 적층 두께가 증가할 수 있다.
또한, 상기 나선형 송신 코일은 외경과 내경을 포함하되, 상기 내경에 가까울수록 상기 나선형 송신 코일의 적층 두께가 증가할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 무선 전력 전송 효율을 극대화시키고 발열을 최소화시키는 것이 가능한 무선 전력 송신 안테나 및 그것이 탑재된 무선 전력 송신 장치를 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 다층 구조의 비대칭 송신 코일을 통해 무선 전력 신호의 전파 방향을 수신 코일에 빔포밍시키는 것이 가능한 무선 전력 송신 장치 및 그것을 이용한 무선 충전 시스템을 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 본체 후면 중앙 부분에 금속 부품이 배치되고, 해당 위치에 무선 전력 신호가 전달되는 것을 차단하는 차폐재 장착이 불가한 무선 전력 수신 장치에 최적화된 무선 전력 송신 장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 스마트와치와 같은 소형의 집적화된 디바이스에 최적화된 무선 전력 송수신 안테나 및 그를 이용하는 무선 충전 시스템을 제공할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 전송 시스템을 구성하는 무선 전력 송신 장치에 대해 설명의 편의를 위해 무선 전력 송신기, 송신기, 송신단, 송신 장치, 송신측, 파워 전송 장치 등을 혼용하여 사용하기로 한다. 또한, 무선 전력 수신 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신기, 수신단, 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 파워 수신 장치 등이 혼용되어 사용될 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 송신 장치에 장착되며, 비접촉 방식으로 전력을 전송하기 위한 전력 송신 안테나에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 송신 코일, 1차 코일, 프라이머리(Primary) 코일 등이 혼용되어 사용될 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 수신 장치에 장착되며, 비접촉 방식으로 전력을 수신하기 위한 전력 수신 안테나에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 수신 코일, 2차 코일, 세턴더리(Secondary) 코일 등이 혼용되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 송신기는 패드 형태 또는 거치대 형태로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 송신 수단을 구비하여 복수의 수신기에 무선으로 전력을 전달할 수도 있다.
본 발명에 따른 수신기는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 스마트워치(Smart Watch), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 전자 사전, 전자북, 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 기타 전동 칫솔, 무선 이어폰, 보청기, 스마트 반지 등과 같은 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 크게 무선으로 전력을 송출하는 무선 전력 송신단(10), 상기 송출된 전력을 수신하는 무선 전력 수신단(20) 및 수신된 전력을 공급 받는 전자기기(30)로 구성될 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다. 다른 일예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 상이한 별도의 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 대역외(Out-of-band) 통신을 수행할 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이에 교환되는 정보는 서로의 상태 정보뿐만 아니라 제어 정보도 포함될 수 있다. 여기서, 송수신단 사이에 교환되는 상태 정보 및 제어 정보는 후술할 실시예들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
상기 인밴드 통신 및 대역외 통신은 양방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 다른 실시예에 있어서는 단방향 통신 또는 반이중 방식의 통신을 제공할 수도 있다.
일 예로, 단방향 통신은 무선 전력 수신단(20)이 무선 전력 송신단(10)으로만 정보를 전송하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 송신단(10)이 무선 전력 수신단(20)으로 정보를 전송하는 것일 수도 있다.
반이중 통신 방식은 무선 전력 수신단(20)과 무선 전력 송신단(10) 사이의 양방향 통신은 가능하나, 어느 한 시점에 어느 하나의 장치에 의해서만 정보 전송이 가능한 특징이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신단(20)은 전자 기기(30)의 각종 상태 정보를 획득할 수도 있다. 일 예로, 전자 기기(30)의 상태 정보는 현재 전력 사용량 정보, 실행중인 응용을 식별하기 위한 정보, CPU 사용량 정보, 배터리 충전 상태 정보, 배터리 출력 전압/전류 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 전자 기기(30)로부터 획득 가능하고, 무선 전력 제어에 활용 가능한 정보이면 족하다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신단(10)은 고속 충전 지원 여부를 지시하는 소정 패킷을 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다. 무선 전력 수신단(20)은 접속된 무선 전력 송신단(10)이 고속 충전 모드를 지원하는 것으로 확인된 경우, 이를 전자 기기(30)에 알릴 수 있다. 전자 기기(30)는 구비된 소정 표시 수단-예를 들면, 액정 디스플레이일 수 있음-을 통해 고속 충전이 가능함을 표시할 수 있다.
또한, 전자 기기(30) 사용자는 액정 표시 수단에 표시된 소정 고속 충전 요청 버튼을 선택하여 무선 전력 송신단(10)이 고속 충전 모드로 동작하도록 제어할 수도 있다. 이 경우, 전자 기기(30)는 사용자에 의해 고속 충전 요청 버튼이 선택되면, 소정 고속 충전 요청 신호를 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다. 무선 전력 수신단(20)은 수신된 고속 충전 요청 신호에 상응하는 충전 모드 패킷을 생성하여 무선 전력 송신단(10)에 전송함으로써, 일반 저전력 충전 모드를 고속 충전 모드로 전환시킬 수 있다.
도 2 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(200)는 크게 충전 베드(210), 무선 전력 송신 안테나(220), 차폐재(230) 및 제어 회로 기판(240)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 2에는 명시적으로 도시되어 있지 않으나, 무선 전력 송신 안테나(220)와 제어 회로 기판(240)은 소정 결속 단자 또는 선로를 통해 상호 전기적으로 연결될 수 있음을 주의해야 한다.
충전 베드(210)는 충전 대상 디바이스를 위치시키기 위한 것으로서, 충전 베드(210)의 모양은 평면일 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 반구형, 오목형, 컵형 등으로 구현될 수도 있다.
충전 베드(210)의 하부 일측에는 다층 구조의 나선형 송신 코일이 구비된 무선 전력 송신 안테나(220)가 장착될 수 있다.
차폐재(230)은 무선 전력 송신 안테나(220)에서 방사된 전자기 신호가 제어 회로 기판(240)에 전달되는 것을 차단할 수 있다.
일 예로, 차폐재(230)은 페라이트(Ferrite) 계열의 차폐재가 사용될 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 전자기파 차단이 가능한 다른 차폐재가 사용될 수도 있다. 또한, 차폐재(230)의 형태는 샌더스트 블록 형태, 접착식 시트 형태, 금속판 형태 등을 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
제어 회로 기판(240)에는 각종 전력 변환 소자뿐만 아니라 무선 전력 송신 장치(200)의 전체적인 동작을 제어하기 위한 마이크로프로세서가 장착될 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 단면 구조를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 안테나(220)는 도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력을 전송하기 위한 평면 형태의 나선형 송신 코일이 적층되어 다층 구조를 가지며, 상기 적층된 나선형 송신 코일의 권선수가 적어도 하나의 층에서 상이하게 구성될 수 있다.
여기서, 상기 나선형 송신 코일은 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 형태일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 송신 장치(200)의 형태 및 내부 구성에 따라 상이할 수 있다. .
일 실시예로, 적층된 나선형 송신 코일은 상호 직렬로 연결될 수 있으나, 이에 한정되지는 아니하며, 다른 일 실시예에 따른 적층된 나선형 송신 코일은 병렬로 연결될 수도 있음을 주의해야 한다.
일 예로, 적층된 나선형 송신 코일은 상호 직렬로 연결도 연결된 경우, 하나의 피복된 도선을 이용하여 다층 구조를 가지는 나선형 송신 코일이 구성될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 송신 안테나(220)는 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력이 전송되는 방향-즉, 충전 베드(210)에 가까워질수록 상기 층별 상기 나선형 송신 코일의 권선수가 증가되게 구성될 수 있다.
상기 도 3의 도면 부호 3a를 참조하면, 무선 전력 송신 안테나(220)의 나선형 송신 코일은 3개의 층으로 구성될 수 있다. 이때, 각 층의 권선수는 충전 베드(210)로부터 멀어질수록 6->4->2로 감소될 수 있다. 여기서, 층 별 권선수는 일 실시예에 불과하며, 무선 전력 송신 장치(200)의 구성 태양에 따라 나선형 송신 코일의 적층 개수 및 층 별 권선수는 상이하게 구성될 수 있음을 주의해야 한다.
상기한 도 2 내지 도 3에는 명시적으로 도시되어 있지 않으나. 무선 전력 송신 안테나(220)와 제어 회로 기판(240)은 연결 단자 또는 도선 등을 통해 전기적으로 상호 연결될 수 있음을 주의해야 한다. 이때, 연결 단자의 배치 구조 및 구성 방법은 당업자의 설계 목적에 따라 상이할 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 안테나(220)는 도 4의 도면 부호 4a에 도시된 바와 같이 무선 전력이 전송되는 방향-즉, 충전 베드(210)에 가까워질수록 상기 층별 상기 나선형 송신 코일의 권선수가 감소되게 구성될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 나선형 송신 코일(220)은 외경(410)과 내경(420)을 포함하되, 외경(410)에 가까울수록 나선형 송신 코일(220)의 적층 두께가 증가할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 나선형 송신 코일(220)은 도면 번호 5a에 도시된 바와 같이 내경(420)에 가까울수록 코일의 적층 두께가 증가할 수도 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 도면 부호 6a에 도시된 바와 같이, 내경(420)을 따라 차폐벽(610)이 구성될 수도 있다.
차폐벽(610)을 통해 나선형 송신 코일(220)에 의해 출력되는 전자기장이 나선형 송신 코일(220)의 내측 방향으로 방사되는 것이 차단될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 무선 충전 시스템(700)은 무선 전력을 전송하기 위한 평면 형태의 나선형 송신 코일이 적층되어 다층 구조를 가지며, 적층된 나선형 송신 코일의 권선수가 적어도 하나의 층에서 상이하게 구성된 무선 전력 송신 안테나(220)를 포함하는 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 송신 안테나(220)에 의해 방사된 전자기장이 유도되어 교류 신호를 수신하는 무선 전력 수신 안테나(710) 및 수신된 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 정류기 등을 포함하는 수신 회로 기판(730)을 포함하는 무선 전력 수신 장치를 포함하여 구성될 수 있다.
무선 전력 수신 안테나(710)는 평면 형태의 나선형 수신 코일을 포함하고, 나선형 수신 코일의 상단에 차폐재(720)가 배치될 수 있다. 이때, 차폐재(720)는 나선형 수신 코일의 내경과 외경 사이에만 배치될 수 있다. 이를 통해, 무선 전력 수신 장치에 사용되는 차폐재를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 도면 부호 7a에 도시된 바와 같이, 수신 회로 기판(730)의 중앙 부분에 차폐재가 없으므로 수신 회로 기판(730)의 설계 자유도를 높일 수 있다. 또한, 수신 회로 구성뿐만 아니라 무선 전력 수신 장치가 장착되는 디바이스-예를 들면, 스마트워치 등을 포함함-의 부품 배치 및 설계 자유도가 높아질 수 있다.
또한, 나선형 수신 코일(710)의 내경 안쪽에 도면 부호 7a에 도시된 바와 같이, 금속 부품(740)들이 배치될 수 있다. 이때, 무선 전력 송신 안테나(220)에 의해 방사된 전자기장이 금속 부품(740)들에 전달되지 않고 나선형 수신 코일(710)을 향하도록 무선 전력 송신 안테나(220)과 나선형 수신 코일(710)-즉, 무선 전력 수신 안테나- 사이에 전자기 빔(750)이 형성될 수 있다.
또한, 무선 전력 수신 장치(700)의 본체 후면 커버(760)의 중앙 일측에는 각종 센서가 장착될 수도 있다. 일 예로, 센서는 체온 센서, 심박 센서 등의 생체 센서가 포함될 수 있다. 본원 발명은 무선 전력 송신 안테나(220)에 의해 방사된 전자기장이 금속 부품(740) 및 센서들에 전달되지 않고 나선형 수신 코일(710)을 향하도록 전자기 빔(750)이 형성되므로, 발열로 인한 부품 손상을 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
무선 전력 수신 안테나(710)는 평면 형태의 나선형 수신 코일이 적층되어 다층 구조를 가질 수 있다.
상기 도 7에는 적층된 나선형 수신 코일(710)의 권선수가 층 별 동일한 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 후술할 도 8 내지 9에 도시된 바와 같이, 나선형 수신 코일의 층 별 권선수는 적어도 하나의 층에서 상이하게 구성될 수도 있다.
일 예로, 하나의 도선을 나선형으로 적층하여 다층 구조를 가지는 나선형 수신 코일(710)을 구성될 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예는 하나의 도선을 이용하여 평면 형태의 나선형 수신 코일을 구성하고, 복수의 나선형 수신 코일을 상호 병렬로 연결하여 다층 구조를 가지는 나선형 수신 코일(710)이 형성될 수도 있다.
상기한 도 7의 무선 충전 시스템 구성을 통해, 본원 발명은 다음과 같은 장점 및 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 본 발명은 무선 전력 전송 효율을 극대화시키고 발열을 최소화시키는 것이 가능한 무선 전력 송신 안테나 및 그것이 탑재된 무선 전력 송신 장치를 제공하는 장점이 있다.
둘째, 본 발명은 다층 구조의 비대칭 송신 코일을 통해 무선 전력 신호의 전파 방향을 수신 코일에 빔포밍시키는 것이 가능한 무선 전력 송신 장치 및 그것을 이용한 무선 충전 시스템을 제공하는 장점이 있다.
셋째, 본 발명은 본체 후면 중앙 부분에 금속 부품이 배치되고, 해당 위치에 무선 전력 신호가 전달되는 것을 차단하는 차폐재 장착이 불가한 무선 전력 수신 장치에 최적화된 무선 전력 송신 장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.
넷째, 본 발명은 스마트와치와 같은 소형의 집적화된 디바이스에 최적화된 무선 전력 송수신 안테나 및 그를 이용하는 무선 충전 시스템을 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 무선 전력 수신 안테나(800)의 나선형 수신 코일(810)은 외경(801)과 내경(802)을 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 다층 구조를 가지는 나선형 수신 코일(810)의 층 별 권선수가 상이한 경우, 외경(801)에 가까울수록 나선형 수신 코일(810)의 적층 두께가 증가할 수 있다.
다층 구조를 가지는 나선형 수신 코일(810)의 상단 일측에는 차폐재(820)가 배치될 수 있다. 이때, 차폐재(820)는 나선형 수신 코일(810)의 내경(802)과 외경(801) 사이에만 배치될 수 있다. 이를 통해, 무선 전력 수신 장치에 사용되는 차폐재의 양을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 상기한 도 7의 도면 부호 7a에 도시된 바와 같이, 수신 회로 기판(730)의 중앙 부분에 차폐재가 배치되지 않으므로 수신 회로 기판(730)의 설계 자유도를 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 수신 회로 구성뿐만 아니라 무선 전력 수신 장치가 장착되는 디바이스-예를 들면, 스마트워치 등을 포함함-의 부품 배치 및 설계 자유도가 높아질 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 나선형 수신 코일(910)은 외경(901)과 내경(902)을 포함하여 구성될 수 있으며, 내경(902)에 가까울수록 나선형 송신 코일(910)의 적층 두께가 증가하게 구성될 수 있다.
또한, 무선 전력 수신 안테나(900)는 적층된 나선형 수신 코일(910)의 상단 일측에 배치되는 차폐재(930)뿐만 아니라 내경(902)을 따라 구성되는 차폐벽(920)을 더 포함하여 구성될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (20)

  1. 충전 베드;
    제어 회로 기판;
    상기 충전 베드의 하단에 배치되고, 무선 전력을 전송하기 위한 평면 형태의 나선형 송신 코일이 적층되어 다층 구조를 가지며, 상기 적층된 나선형 송신 코일의 권선수가 적어도 하나의 층에서 상이하게 구성된 무선 전력 송신 안테나; 및
    상기 무선 전력 송신 안테나의 하단에 배치되어, 상기 무선 전력 송신 안테나에 의해 송출된 전자기장이 상기 제어 회로 기판에 전달되는 것을 차단하는 차폐재
    를 포함하는, 무선 전력 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나선형 송신 코일은 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 형태인, 무선 전력 송신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    다층 구조를 가지는 상기 나선형 송신 코일은 상호 직렬로 연결되는, 무선 전력 송신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 층별 상기 나선형 송신 코일의 권선수는 상기 무선 전력이 전송되는 방향으로 증가되는, 무선 전력 송신 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 나선형 송신 코일은 외경과 내경을 포함하되,
    상기 외경에 가까울수록 상기 나선형 송신 코일의 적층 두께가 증가하는, 무선 전력 송신 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 나선형 송신 코일은 외경과 내경을 포함하되,
    상기 내경에 가까울수록 상기 나선형 송신 코일의 적층 두께가 증가하는, 무선 전력 송신 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 적층된 나선형 송신 코일의 내경을 따라 구성된 차폐벽을 더 포함하는, 무선 전력 송신 장치.
  8. 무선 전력을 전송하기 위한 평면 형태의 나선형 송신 코일이 적층되어 다층 구조를 가지며, 상기 적층된 나선형 송신 코일의 권선수가 적어도 하나의 층에서 상이하게 구성된 무선 전력 송신 안테나를 포함하는 무선 전력 송신 장치; 및
    상기 무선 전력 송신 안테나에 의해 방사된 전자기장이 유도되어 교류 신호를 수신하는 무선 전력 수신 안테나 및 수신된 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 정류기를 포함하는 무선 전력 수신 장치
    를 포함하는, 무선 충전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 안테나는 평면 형태의 나선형 수신 코일을 포함하고, 상기 나선형 수신 코일의 상단에 차폐재가 배치되되, 상기 나선형 수신 코일의 내경과 외경 사이에만 상기 차폐재가 배치되는 것을 특징으로 하는, 무선 충전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 나선형 수신 코일의 상기 내경 안쪽으로 금속 부품이 배치되되, 상기 방사된 전자기장이 상기 금속 부품에 전달되지 않고 상기 나선형 수신 코일을 향하도록 상기 무선 전력 송신 안테나와 상기 무선 전력 수신 안테나 사이에 전자기 빔이 형성되는 것을 특징으로 하는, 무선 충전 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 안테나는 평면 형태의 나선형 수신 코일이 적층되어 다층 구조를 가지는, 무선 충전 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적층된 나선형 수신 코일의 권선수가 적어도 하나의 층에서 상이하게 구성되는, 무선 충전 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 나선형 수신 코일은 외경과 내경을 포함하되,
    상기 외경에 가까울수록 상기 나선형 수신 코일의 적층 두께가 증가하는, 무선 충전 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 나선형 수신 코일은 외경과 내경을 포함하되,
    상기 내경에 가까울수록 상기 나선형 수신 코일의 적층 두께가 증가하는, 무선 충전 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치는 상기 적층된 나선형 수신 코일의 내경을 따라 구성되는 차폐벽을 더 포함하는, 무선 충전 시스템.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 나선형 송신 코일은 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 형태인, 무선 충전 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    다층 구조를 가지는 상기 나선형 송신 코일은 상호 직렬로 연결되는, 무선 충전 시스템.
  18. 제8항에 있어서,
    상기 층별 상기 나선형 송신 코일의 권선수는 상기 무선 전력이 전송되는 방향으로 증가되는, 무선 충전 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 나선형 송신 코일은 외경과 내경을 포함하되,
    상기 외경에 가까울수록 상기 나선형 송신 코일의 적층 두께가 증가하는, 무선 충전 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 나선형 송신 코일은 외경과 내경을 포함하되,
    상기 내경에 가까울수록 상기 나선형 송신 코일의 적층 두께가 증가하는, 무선 충전 시스템.
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