KR101862690B1 - 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일에 관한 것으로; 플라스틱 베이스의 표면에 일정폭의 턴간격부로 구획되어 전류가 흐르면 전력 전송을 위한 자기장을 발생하도록 동박으로 형성되는 트레이스부와, 상기 턴간격부에 의해 구분되는 트레이스부에 캐패시터를 분산하여 연결할 수 있는 분산 동조 콘덴서 연결부로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일을 제공한다.
본 발명에 따르면, 무선 전력 전송을 위한 급집전 코일을 인쇄회로기판 상에 패턴 형태로 제작해 원형이나 다각형 등의 다양한 형태의 코일을 용이하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 균일한 사이즈의 코일을 대량으로 제작할 수 있어 제작 단가 절감의 효과가 있다.

Description

무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일 {PCB type coil for wireless power transmission}

본 발명은 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 무선으로 전력을 전송하는 시스템에서 급집전용으로 사용하는 코일을 인쇄회로기판상에 패턴으로 제작하여 제작 용이성 및 균일성을 개선하고 코일에서 발생하는 손실을 낮출 수 있는 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입의 코일에 관한 것이다.

일반적으로 무선 전력 전송 장치는 전자 유도를 이용하여 전력을 송수신하기 위해 각각의 내부에는 무선 전력 전송을 위해 코일이 구비된다.

상기 코일은 등록특허 제10-1391927호, 등록특허 제10-1622694호, 등록특허 제10-1546720호 등을 통해 다양한 예가 제안된 바 있다.

이와 같이 종래의 MHz 이상의 무선전력전송 시스템은 트랜스미터(transmitter)와 리시버(receiver)의 코일을 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 동파이프(copper tube), 리츠선(Litz-wire), 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board) 등을 이용하여 형성하였다. 좀 더 상세하게 설명하면 도 1은 2m거리에서 10㎒ 50W의 전력 전송에 사용된 동파이프를 이용한 코일의 일 예이며, 도 2는 100㎑ 5W급 리츠선(Litz-wire) 코일의 일 예이며, 도 3은 6.78㎒ 16W의 전력 전송 1A급 PCB 코일의 일 예이다.

이때, 상기 코일은 전력 전송량이 15W 이하로 작고 거리가 5㎝이하로 가까운 경우에는 기계를 이용하여 리츠선(Litz-wire)을 감거나 인쇄회로기판 상에 패턴으로 형성하여 10㎝×10㎝ 이내로 제작한다.

그리고, 전력 전송거리가 멀수록 코일의 직경이 커지며, 전력이 커질수록 도선에 흐르는 전류량이 커져 전류 용량이 큰 동파이프나 리츠선(Litz-wire)을 이용하여 수작업으로 제작한다.

그런데, 이상의 종래 코일들은 다음과 같은 문제가 있다.

즉, 종래에는 10㎝ 이상의 거리에 100W 이상의 전력을 무선으로 전송하기 위해서는 수 ㎒ 이상의 운전주파수를 가지며 리츠선(Litz-wire) 또는 동파이프(copper tube) 등을 이용하여 여러턴의 코일을 형성했다. 이러한 코일들은 수 ㎝ × 수 ㎝ 이내의 소형 코일에서는 기계를 이용하여 쉽게 형성이 가능하지만, 10 ㎝ × 10 ㎝ 이상 크기의 코일에서는 수작업을 통해 코일을 제작해야 함에 따라 코일의 특성이 균일하지 않아 제품 양산에 어려움이 존재한다.

그리고, 300㎑ 이하 주파수에서 운전하는 15W 미만의 소용량 무선전력전송 시스템의 경우 제작의 용이성 및 균일성을 위해 인쇄회로기판 상에 동박패턴을 코일 형태로 만드는 경우가 있으나 1㎒ 이상의 운전 주파수를 가지는 100W 이상의 시스템에서는 코일에서 발생하는 손실 및 PCB 기판에서 발생하는 손실이 커 Quality factor(Q)가 낮아 전체 시스템의 효율이 나빠지는 문제점이 있었다.

또한, 거리가 멀어질수록 코일에 가해지는 전압의 크기가 커져 원거리 무선 전력 전송 시스템의 경우 인쇄회로기판을 이용하여 코일을 제작하는 경우 절연파괴(Voltage breakdown) 등의 발생 문제도 있다.

아울러, 기존 인쇄회로기판의 제작에 많이 사용되는 FR4의 경우 유전계수(Dissipation Factor)가 0.017 정도로 커서 ㎒용 코일을 제작하면 손실이 커지는 문제도 있다.

참고문헌 1: 등록특허 제10-1391927호 참고문헌 2: 등록특허 제10-1622694호 참고문헌 3: 등록특허 제10-1546720호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 전력을 무선으로 전송하는 시스템에서 급집전용으로 사용하는 코일을 인쇄회로기판상에 패턴으로 제작하여 제작 용이성 및 균일성을 개선하고 코일에서 발생하는 손실을 낮출수 있는 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일을 제공하는데 그 목적이 있다.

특히, 본 발명은 6.78㎒에서 60㎝ 이상의 거리에 대해 100W 이상의 전력을 무선으로 전송하는 시스템의 코일을 인쇄회로기판상에 패턴으로 제작하여 HIGH-Q(Q>300 이상)를 갖는 공진형 코일을 제공하는데 그 목적이 있다.

아울러, 본 발명은 코일을 인쇄회로기판 형식으로 제작하면서도 절연파괴(Voltage breakdown) 문제를 해결할 수 있는 코일을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

플라스틱 베이스의 표면에 일정폭의 턴간격부로 구획되어 전류가 흐르면 전력 전송을 위한 자기장을 발생하도록 동박으로 형성되는 트레이스부와, 상기 턴간격부에 의해 구분되는 트레이스부에 캐패시터를 분산하여 연결할 수 있는 분산 동조 콘덴서 연결부로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일을 제공한다.

이때, 상기 턴간격부는 상기 플라스틱 베이스를 부분적으로 제거해 형성되며, 상기 턴간격부에서 플라스틱 베이스를 부분적으로 제거하지 않은 브릿지부가 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 트레이스부는 인버터와 공진 코일을 연결하는 커넥터가 연결되는 부분인 입력 커넥터 연결부와 연결되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 플라스틱 베이스의 탑(top)면에는 공진 코일의 시리즈 동조를 위해 여러개의 캐패시터를 병렬연결할 수 있도록 입력측 동조 콘덴서 연결부가 형성되고, 상기 플라스틱 베이스의 바텀(bottom)면에도 공진 코일의 시리즈 동조(Series-tuning)를 위해 여러개의 캐패시터를 병렬연결할 수 있도록 입력측 동조 콘덴서(Tuning Capacitor) 연결부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 플라스틱 베이스의 탑(top)면 및 바텀(bottom)면의 트레이스부는 상하 연결 비아(via)부로 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분산 동조 콘덴서 연결부는 상기 턴간격부로 구획되는 일측 트레이스부와 타측 트레이스부에 캐패시터를 시리즈로 연결할 수 있도록 패턴 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 무선 전력 전송을 위한 급집전 코일을 인쇄회로기판 상에 패턴 형태로 제작해 원형이나 다각형 등의 다양한 형태의 코일을 용이하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 균일한 사이즈의 코일을 대량으로 제작할 수 있어 제작 단가 절감의 효과가 있다.

특히, 본 발명은 6.78㎒에서 60㎝ 이상의 거리에 대해 100W 이상의 전력을 무선으로 전송하기 위한 인쇄회로기판 타입의 코일을 제작할 수 있다.

아울러, 본 발명은 캐패시터를 트레이스부 사이에 배치할 수 있어 분산된 캐패시터(distributed capacitor)로 인한 유전손실(dielectric loss) 저감 및 절연파괴(Voltage breakdown) 문제를 해결하고, 플라스틱 베이스를 제거해 턴간격부를 형성하여 유전손실(dielectric loss)이 더욱 저감되는 효과가 있다.

도 1은 종래 코일의 일 예로서 2m거리에서 10㎒ 50W의 전력 전송에 사용된 동파이프를 이용한 코일을 쵤영한 사진이다.
도 2는 종래 코일의 다른 예로서 100㎑ 5W급 리츠선(Litz-wire) 코일을 쵤영한 사진이다.
도 3은 종래 코일의 또 다른 예로서 6.78㎒ 16W의 전력 전송 1A급 PCB 코일을 쵤영한 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일의 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일의 4턴 및 5턴 타입을 도시한 도면이다.
도 7은 최종 터미널에만 캐패시터 연결한 4턴 코일의 유전손실(dielectric loss) 분포를 도시한 도면이다.
도 8은 분산된 캐패시터(distributed capacitor)로 연결한 4턴 코일의 유전손실(dielectric loss) 분포를 도시한 도면이다.
도 9는 분산된 캐패시터(distributed capacitor)로 연결하고 턴간격부 플라스틱 베이스를 제거한 상태의 4턴 코일의 유전손실(dielectric loss) 분포를 도시한 도면이다.
도 10은 캐패시터 배치에 따른 유전손실(dielectric loss)을 비교 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일을 설명하기 위해 도시한 도면들이다.

본 발명에 따른 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일은 60㎝ 이상의 거리에 대해 100W 이상의 전력을 무선으로 전송하는 시스템의 트랜스미터(transmitter)와 리시버(receiver)의 코일을 인쇄회로기판 타입으로 제작한 것이다.

특히, 본 발명에 따른 코일(1) 구조는 6.78㎒에서 60㎝ 이상의 거리에 대해 100W 이상의 전력을 무선으로 전송하는 시스템의 코일로 사용하기 위한 것이지만, 스마트폰과 같은 개인용 휴대기기 등의 소전력 전송용 코일에도 동일하게 적용할 수 있으며, 이에 본 발명의 권리범위 역시 소전력 전송용 코일에도 미친다.

도 4를 참고하면 본 발명에 따른 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일(1)은 플라스틱 베이스(10)의 표면에 동도금을 수행하거나 동박을 부착하여 코일 패턴(pattern)을 형성한 구조이다.

이와 같은 본 발명에 따른 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일(1)은 플라스틱 베이스(10)의 표면에 일정폭의 턴간격부(20)로 구획되어 전류가 흐르면 전력 전송을 위한 자기장을 발생하도록 동박으로 형성되는 트레이스부(30)와, 상기 턴간격부(20)에 의해 구분되는 트레이스부(30)에 캐패시터를 분산하여 연결할 수 있는 분산 동조 콘덴서(Distributed Tuning Capacitor) 연결부(40)로 구성된다.

이 경우 60㎝ 이상의 거리에 대해 100W 이상의 전력을 무선으로 전송하기 위한 인쇄회로기판 타입의 코일(1)은 전체적으로 원형이나, 삼각형 또는 사각형 등의 다각형을 형성할 수 있으며, 일 예로 사각 형상으로 제조하는 경우 좌우폭은 200 ~ 500㎜, 트레이스부(30)의 폭은 5 ~ 30㎜, 턴간격부(20)의 폭은 5 ~ 30㎜로 형성할 수 있다.

이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.

상기 플라스틱 베이스(10)는 다양한 플라스틱재질을 사용할 수 있지만, FR 시리즈 특히 FR4 등의 플라스틱재를 사용할 수 있다.

이와 같은 플라스틱 베이스(10)의 표면에 형성되는 각각의 턴(turn)인 트레이스부(30)는 코일의 전류가 흐를 수 있도록 플라스틱 베이스(10)에 일정한 폭으로 동박이 형성되는 부분으로, 코일의 전류는 동박을 통해 흐르며 이 전류에 의해 공기중에 자기장이 발생되어 전력 전송이 이루어진다.

이때, 플라스틱 베이스(10)의 중앙에서부터 외측으로 나선방향으로 연속적으로 트레이스부(30)를 형성한다.

그리고, 상기 턴간격부(20)는 일측 트레이스부(30a)와 인접한 타측 트레이스부(30b) 사이의 간격으로, 플라스틱 베이스(10)의 일부를 부분적으로 제거해 턴간격부(20)를 형성함으로써 인쇄회로기판 타입 코일(1)의 플라스틱 베이스(10)에서 발생하는 유전손실(dielectric loss)을 원천 차단한다.

한편, 상기 턴간격부(20)를 플라스틱 베이스(10)를 제거하여 형성하는 경우 인쇄회로기판 타입 코일(1) 전체의 기계적 지지구조에 문제가 발생할 수 있으므로 기계적 강도를 위해 턴간격부(20)에서 일부 플라스틱 베이스를 제거하지 않은 브릿지부(50)가 형성된다.

그리고, 상기 트레이스부(30)는 인버터와 공진 코일을 연결하는 커넥터가 연결되는 부분인 입력 커넥터 연결부(60)와 연결된다.

아울러, 인쇄회로기판 타입 코일(1)의 탑(top)면에는 공진 코일의 시리즈 동조(Series-tuning)를 위해 여러개의 캐패시터를 병렬연결할 수 있도록 패턴을 형성한 부분인 입력측 동조 콘덴서(Tuning Capacitor) 연결부(70)가 형성된다.

그리고, 상기 인쇄회로기판 타입 코일(1)의 바텀(bottom)면에도 공진 코일의 시리즈 동조(Series-tuning)를 위해 여러개의 캐패시터를 병렬연결할 수 있도록 패턴을 형성한 부분인 입력측 동조 콘덴서(Tuning Capacitor) 연결부(70')가 형성된다.

그리고, 상기 인쇄회로기판 타입 코일(1)의 탑(top)면 및 바텀(bottom)면은 상하 연결 비아(via)부(80)가 형성된다. 이는 인쇄회로기판 타입 코일(1)의 트레이스부(30) 등의 회로 패턴이 탑면(또는 바텀면)에 형성되어 있을 때, 코일의 2개의 터미널이 입력 커넥터 연결부(60)와 연결되기 위해서는 반드시 상하 연결비아부(80)를 통해서 바텀면(또는 탑면)에 있는 트레이스부(미도시됨)와 연결한 후 입력 커넥터 연결부(60) 측으로 연결해야 하기 때문이다.

한편, 상기 턴간격부(20)로 구획되는 일측 트레이스부(30a)와 타측 트레이스부(30b)에는 캐패시터를 시리즈로 연결할 수 있도록 분산 동조 콘덴서(Distributed Tuning Capacitor) 연결부(40)가 패턴 형태로 형성된다.

따라서, 상기 분산 동조 콘덴서 연결부(40)에 콘덴서를 연결하면 플라스틱 소재에서 발생하는 유전 손실(dielectric loss)을 큰 폭으로 감소시킬 수 있다.

좀더 구체적으로 설명하면, 우선 플라스틱 소재에서 발생하는 유전 손실(dielectric loss)은 아래의 수학식 (1)을 이용해 나타낼 수 있다.

이때, 유전 손실(dielectric loss)은 주파수, 유전 상수(relative permittivity), 유전계수(dissipation factor), 부피 및 전기장(E-field)의 제곱에 비례한다.

따라서, 유전손실(dielectric loss)을 줄이려면 주파수를 낮추거나, 유전율(permittivity)이 낮은 물질을 시용하거나, 부피를 줄이거나, 전기장(E-field)의 크기를 줄여야 한다.

이에 따라 캐패시터를 트레이스부(30)의 중간에 분산 방법(distributed manner)으로 연결하면 코일(1)의 각 트레이스부(30) 및 최종 터미널(terminal)에 걸리는 전기장(E-field)의 크기를 낮춰 턴 사이의 플라스틱 베이스(10)에서 발생하는 유전손실(dielectric loss)의 크기를 획기적으로 줄일 수 있으며, 턴 사이 및 최종 터미널에서 발생하는 절연파괴(Voltage breakdown) 문제를 해결할 수 있다.

이와 같이 인쇄회로기판 타입의 코일(1)을 트레이스부(30), 턴간격부(20), 분산 동조콘덴서 연결부(40), 브릿지부(50) 등으로 구성하면, 고압에 의한 절연파괴(Voltage breakdown) 및 트레이스부(30) 간격에 존재하는 플라스틱 베이스에서 발생하는 추가 손실을 제거해 HIGH-Q, LOW LOSS, HIGH EFFICIENCY 코일을 제작가능하다.

또한, 인쇄회로기판 타입의 패턴을 이용하는 경우 원형, 사각형, 다각형의 코일을 쉽게 형성할 수 있어 다양한 형태의 코일 제작이 용이해 사용처에 따라서 코일의 형태를 다르게 제작할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 인쇄회로기판 타입의 코일은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 60㎝ ~ 1m 거리에 200W 이하의 전력을 50% 이상의 효율로 전송할 수 있도록 4턴 및 5턴 코일의 형상과 같이 제작할 수 있다.

이때, 트레이스부(30)는 20㎜의 폭을 가지고, 턴간격부(20)는 10㎜의 폭을 가지며,유전 손실(dielectric loss)을 최소화하기 위해 최대한 많이 인쇄회로기판의 플라스틱 베이스를 제거했다. 분산 동조 콘덴서(Distributed Tuning Capacitor)는 코일의 중앙을 가로지르는 선을 기존으로 배치했으면 모든 턴에 캐패시터를 장착할 수 있도록 설계하였다.

그리고, 상기 인쇄회로기판 타입의 코일(1)의 패턴 좌우폭은 400㎜로 하였다.

이 경우 4턴 코일은 약 5μH, 5턴 코일은 약 7μH의 인덕턴스를 가지며 캐패시터를 직렬연결해 튜닝가능하다.

그리고, 시뮬레이션을 통해 설계된 4턴 코일에서 발생하는 유전손실(dielectric loss) 분포를 도 7에 도시된 바와 같이 최종 터미널에만 캐패시터 연결한 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 분산된 캐패시터(distributed capacitor)로 연결한 경우, 도 9에 도시된 바와 같이 턴간격부 플라스틱 베이스를 제거했을 경우에 따라 구한 결과 도 10에 도시된 바와 같은 유전손실(dielectric loss) 분포 결과를 얻을 수 있다. 마찬가지로 시뮬레이션을 통해 각 코일이 가지는 등가 직렬저항(equivalent series resistance)값을 구했다. 이 저항의 값이 낮을수록 코일의 손실이 작아 효율이 개선되는 것이다.

즉, 도 10을 참고하면 최종 터미널에만 캐패시터를 연결해 턴(트레이스부) 간에 전기장(E-field)이 큰 경우에는 등가저항의 값이 약 1 Ohm 정도가 되는 것을 볼 수 있지만, 캡(cap)을 분산(distribution)시키면 등가저항이 약 1/2로 낮아지고 플라스틱 베이스를 제거하면 이보다 더 개선되는 것을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 코일 10: 플라스틱 베이스
20: 턴간격부 30: 트레이스부
40: 분산 동조 콘덴서 연결부 50: 브릿지부
60: 입력 커넥터 연결부 70,70': 입력측 동조 콘덴서 연결부
80: 상하 연결 비아부

Claims (7)

1. 플라스틱 베이스(10)와,
   상기 플라스틱 베이스(10)의 표면에 중앙에서부터 외측을 향해 나선 방향으로 연속적으로 형성되는 동박 재질의 트레이스부(30)와,
   일측 트레이스부(30a)와 인접한 타측 트레이스부(30b) 사이에 형성되어 트레이스부를 구획하는 턴간격부(20) 및
   캐패시터를 트레이스부의 중간에 분산 방법에 의해 시리즈로 연결할 수 있도록 턴간격부로 구획되는 일측 트레이스부(30a)와 타측 트레이스부(30b)에 패턴 형태로 형성되는 분산 동조 콘덴서 연결부(40)를 포함하여 구성되되,
   상기 턴간격부(20)는 플라스틱 베이스의 일부를 부분적으로 제거하여 형성되고,
   상기 턴간격부(20)에는 플라스틱 베이스를 부분적으로 제거하지 않은 브릿지부(50)가 형성된 것을 특징으로 하는 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 트레이스부(30)는 인버터와 공진 코일을 연결하는 커넥터가 연결되는 부분인 입력 커넥터 연결부와 연결되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 플라스틱 베이스(10)의 탑(top)면에는 공진 코일의 시리즈 동조를 위해 여러개의 캐패시터를 병렬연결할 수 있도록 입력측 동조 콘덴서 연결부가 형성되고,
   상기 플라스틱 베이스(10)의 바텀(bottom)면에도 공진 코일의 시리즈 동조(Series-tuning)를 위해 여러개의 캐패시터를 병렬연결할 수 있도록 입력측 동조 콘덴서(Tuning Capacitor) 연결부가 형성되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 플라스틱 베이스(10)의 탑(top)면 및 바텀(bottom)면의 트레이스부는 상하 연결 비아(via)부로 연결되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송용 인쇄회로기판 타입 코일.
   
7. 삭제

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