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KR20200047095A - 무선 충전용 차폐유닛 및 이의 제조방법과 이를 포함하는 무선충전기 - Google Patents

무선 충전용 차폐유닛 및 이의 제조방법과 이를 포함하는 무선충전기 Download PDF

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KR20200047095A
KR20200047095A KR1020180129119A KR20180129119A KR20200047095A KR 20200047095 A KR20200047095 A KR 20200047095A KR 1020180129119 A KR1020180129119 A KR 1020180129119A KR 20180129119 A KR20180129119 A KR 20180129119A KR 20200047095 A KR20200047095 A KR 20200047095A
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Abstract

본 발명은 송신코일에서 발생되는 열의 방출 효율을 향상시킬 수 있는 무선 충전기용 차폐유닛 및 이의 제조방법과 이를 포함하는 무선충전기에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 충전용 차폐유닛은 무선 충전기용 송신코일에서 발생되는 전자기파를 차폐시키는 차폐유닛으로서, 송신코일이 안착되는 안착부와; 상기 안착부의 하부에 일체로 연장되어 송신코일에서 발생된 열을 전달하는 전달부로 구분되고, 상기 전달부에는 외부의 공기가 유동되도록 양단이 전달부의 측면을 통하여 연통되는 다수의 공기유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

무선 충전용 차폐유닛 및 이의 제조방법과 이를 포함하는 무선충전기{SHIELD UNIT FOR WIRELESS CHARGING AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME AND WIRELESS CHARGING DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 무선 충전기용 차폐유닛 및 이의 제조방법과 이를 포함하는 무선충전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 송신코일에서 발생되는 열의 방출 효율을 향상시킬 수 있는 무선 충전기용 차폐유닛 및 이의 제조방법과 이를 포함하는 무선충전기에 관한 것이다.
일반적으로 전자기기의 충전은 접촉형 충전 방식과 비접촉형 충전 방식으로 구분된다.
접촉형 충전 방식은 전자기기의 배터리와 연결된 전극과 급전 수단의 전극을 직접 밀착시켜 충전이 이루어지는 방식으로서, 그 구조가 단순하여 다양한 분야에 일반적으로 사용되고 있다. 하지만, 커넥터 연결 등과 같이 전자기기의 전극과 급전 수단의 전극을 물리적으로 연결해야만 하는 불편함이 있었다.
이러한 접촉형 충전 방식의 불편함을 해결하기 위하여 비접촉형 충전 방식이 제안되었다.
비접촉형 충전 방식, 즉 무선충전 방식은 전자기 유도를 이용하여 충전하는 방식으로, 충전기(무선전력 송신장치)에 1차 코일(송신코일)을 구비하고 충전 대상인 전자기기(무선전력 수신장치)에 2차 코일(수신코일)을 구비하여, 1차 코일과 2차 코일 간의 자기 유도방식에 의해 발생한 전류를 에너지로 변환하여 배터리를 충전하는 방식이다.
도 1은 일반적인 무선충전 방식이 적용된 무선충전기를 보여주는 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 무선충전 방식이 적용된 무선충전기(20)는 송신코일(21)이 차폐플레이트(22)의 일면에 안착되고, 차폐플레이트(22)의 타면에는 방열플레이트(23)가 접촉되도록 배치된다. 그리고 송신코일(21)의 동작을 제어하는 PCB(24)가 마련되고, 상기 송신코일(21), 차폐플레이트(22), 방열 플레이트(23) 및 PCB(24)를 패키징하여 내장하는 케이스(25)가 마련된다.
이렇게 마련된 무선충전기의 상부에 수신코일(11)이 내장된 전자기기(10)를 위치시키면 무선충전기(20)의 송신코일(21)과 전자기기(10)의 수신코일(11) 간의 자기 유도방식에 의해 전자기기(10)의 배터리(미도시)가 충전된다.
한편, 무선충전기(20)에 내장되는 차폐플레이트(22)는 송신코일(21)에서 발생한 전자기파가 다른 구성 부품으로 도달하는 것을 차단해주면서 전자기기(10)의 수신코일(11)로 송신되도록 하는 역할을 한다.
이렇게 무선충전기(20)를 통한 전자기기(10)의 무선충전이 이루어지는 동안 무선충전기(20)에는 송신코일(21) 및 PCB(24)에서 많은 열이 발생된다. 송신코일(21)에서 발생된 열은 차폐플레이트(22)와 방열플레이트(23)를 통하여 케이스(25)로 전달되고, PCB(24)에서 발생된 열도 케이스(25)로 전달되면서 방출되어야 하지만, 케이스(25) 내부에 열이 트랩되는 현상이 발생하였다. 이렇게 열이 케이스(25) 내부에 트랩되면 무선충전기(20)의 열이 전자기기(10)로 전이되어 전자기기(10)의 발열로 인한 사용자의 거부감 및 동작 저하를 야기할 우려가 있다.
한편, 최근에는 무선충전 방식이 상용화되면서 무선 충전 효율을 향상시킬 수 있는 고출력의 무선충전기가 요구되고 있다. 하지만, 무선충전기의 출력이 증가되는 경우 충전속도가 빨라지는 효과는 있지만, 그만큼 발열도 증가하여 무선충전기에서 발생된 열을 효과적으로 방출시키기 위한 연구가 필요하게 되었다.
공개특허 10-2017-0076510 (2017.07.04)
본 발명은 송신코일에서 발생되는 전자기파가 다른 부품으로 전달되는 것을 차단시키는 차폐플레이트를 개선하여 송신코일에서 발생되는 열의 방출 효율을 향상시킬 수 있는 무선 충전기용 차폐유닛 및 이의 제조방법과 이를 포함하는 무선충전기를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 충전용 차폐유닛은 무선 충전기용 송신코일에서 발생되는 전자기파를 차폐시키는 차폐유닛으로서, 송신코일이 안착되는 안착부와; 상기 안착부의 하부에 일체로 연장되어 송신코일에서 발생된 열을 전달하는 전달부로 구분되고, 상기 안착부에는 다수개의 송신코일이 안착되고, 각각의 송신코일이 안착되는 안착영역의 높이는 서로 인접하는 안착영역과 다른 높이로 형성되는 것을 특징으로 한다.
다수개가 안착되는 송신코일 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일이 안착되는 안착영역의 높이가 다른 송신코일이 안착되는 안착영역의 높이보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 안착부에는 송신코일이 안착되는 다수의 안착영역이 형성되고, 가장자리를 따라 상부로 돌출되도록 연장되어 상기 다수의 안착영역을 둘러싸는 벽영역이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전달부에는 외부의 공기가 유동되도록 양단이 전달부의 측면을 통하여 연통되는 다수의 공기유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
다수개가 안착되는 송신코일 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일이 다른 송신코일보다 높은 위치에 안착되고, 다수의 공기유로 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일의 하부를 통과하는 공기유로는 다른 공기유로보다 유량이 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
다수개가 안착되는 송신코일 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일이 다른 송신코일보다 높은 위치에 안착되고, 다수의 공기유로 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일의 하부에는 캐비티가 형성되고, 해당 송신코일의 하부를 통과하는 공기유로는 상기 캐비티에 연통되는 것을 특징으로 한다.
다수개가 안착되는 송신코일 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일이 다른 송신코일보다 높은 위치에 안착되고, 다수의 공기유로 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일의 하부를 통과하는 공기유로의 이격 간격은 다른 공기유로의 이격 간격보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 공기유로의 내벽에는 상기 전달부를 형성하는 소재보다 열전도도가 높은 소재로 형성된 파이프가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 안착부와 전달부는 Mn-Zn계 페라이트 소재 또는 Ni-Zn계 페라이트 소재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전용 차폐유닛의 제조방법은 무선 충전기용 송신코일에서 발생되는 전자기파를 차폐시키는 차폐유닛을 제조하는 방법으로서, 전자기파를 차폐시킬 수 있는 소재로 차폐시트를 준비하는 차폐시트 준비단계와; 열가소성 플라스틱과 발포제를 혼합하여 발포플라스틱을 준비하는 발포플라스틱 준비단계와; 상기 차폐시트를 적층하되, 적층되는 차폐시트 사이에 소정의 패턴으로 상기 발포플라스틱을 개재하면서 적층하는 적층단계와; 적층된 차폐시트를 열처리하여 발포플라스틱의 발포에 의해 소정 패턴의 공기유로를 형성하면서 적층된 차폐시트를 소결시키는 열처리단계를 포함한다.
상기 차폐시트 준비단계에서 전자기파를 차폐시킬 수 있는 소재는 Mn-Zn계 페라이트 소재 또는 Ni-Zn계 페라이트 소재인 것을 특징으로 한다.
상기 발포플라스틱 준비단계에서 발포플라스틱은 열가소성 플라스틱 5 ~ 70wt%와 발포제 30 ~ 95wt%를 혼합한 후 열간 사출하여 준비하는 것을 특징으로 한다.
상기 열처리단계는 적층된 차폐시트를 승온시키는 제1차 승온과정과; 승온된 온도에 의해 발포플라스틱을 발포시켜 공기유로를 형성하는 발포과정과; 발포과정이 완료된 후 차폐시트를 승온시키는 제2차 승온과정과; 차폐시트를 소결온도에서 소결시키는 소결과정을 포함한다.
상기 발포과정은 180 ~ 230℃ 온도구간에서 진행되고, 180 ~ 230℃ 온도구간에서의 승온속도는 1℃/분 이하이며, 230℃에서 30분 ~ 2시간 동안 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 소결과정은 1000 ~ 1250℃ 온도구간에서 진행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기는 무선 충전을 위한 송신코일과; 상면에 상기 송신코일이 안착되고, 상기 송신코일에서 발생되는 전자기파를 상기 송신코일의 측부방향 및 하부방향으로 전파되는 것을 차폐시키는 차폐유닛과; 상기 차폐유닛의 하면에 접촉되어 상기 송신코일에서 발생된 열을 차폐유닛에 의해 전달받아 외부로 방출시키는 방열플레이트를 포함하고, 상기 차폐유닛은 송신코일이 안착되는 안착부와; 상기 안착부의 하부에 일체로 연장되어 송신코일에서 발생된 열을 전달하는 전달부로 구분되고, 상기 안착부에는 다수개의 송신코일이 안착되고, 각각의 송신코일이 안착되는 안착영역의 높이는 서로 인접하는 안착영역과 다른 높이로 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기는 무선 충전을 위한 송신코일과;
상면에 상기 송신코일이 안착되고, 상기 송신코일에서 발생되는 전자기파를 상기 송신코일의 측부방향 및 하부방향으로 전파되는 것을 차폐시키는 차폐유닛과; 상기 차폐유닛의 하면에 접촉되어 상기 송신코일에서 발생된 열을 차폐유닛에 의해 전달받아 외부로 방출시키는 방열플레이트를 포함하고, 상기 차폐유닛은 송신코일이 안착되는 안착부와; 상기 안착부의 하부에 일체로 연장되어 송신코일에서 발생된 열을 전달하는 전달부로 구분되고, 상기 전달부에는 외부의 공기가 유동되도록 양단이 전달부의 측면을 통하여 연통되는 다수의 공기유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 송신코일, 차폐유닛 및 방열플레이트를 내장하는 케이스를 더 포함하고, 상기 케이스에는 외부의 공기를 유입하여 상기 공기유로로 유동시키는 팬이 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 송신코일에서 발생되는 전자기파가 다른 부품으로 전달되는 것을 차단시키는 차폐유닛에 공기의 유동을 위한 공기유로를 형성하여 송신코일에서 발생된 열이 차폐유닛을 통하여 방열플레이트로 전달되는 과정에서 유동되는 공기에 의해 방출되도록 함으로써, 무선 충전기의 방열 효과를 향상시킬 수 있다.
이렇게 무선 충전기의 방열 효과를 향상시킴으로써, 무선 충전기의 출력을 높일 수 있는 토대를 마련할 수 있다.
도 1은 일반적인 무선충전 방식이 적용된 무선충전기를 보여주는 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선충전기를 보여주는 구성도이며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차폐유닛을 보여주는 도면이고,
도 4 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차폐유닛을 보여주는 도면이며,
도 7은 실시예와 비교예의 시간 경과에 따라 무선충전기의 표면 온도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이고,
도 8은 실시예와 비교예에서 송신코일의 인덕턴스값과 저항값을 측정한 결과를 보여주는 표이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선충전기를 보여주는 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차폐유닛을 보여주는 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 무선충전기(1)는 무선 충전을 위한 송신코일(100)과; 상면에 송신코일(100)이 안착되고, 송신코일(100)에서 발생되는 전자기파를 송신코일(100)의 측부방향 및 하부방향으로 전파되는 것을 차폐시키는 차폐유닛(200)과; 차폐유닛(200)의 하면에 접촉되어 송신코일(100)에서 발생된 열을 차폐유닛(200)에 의해 전달받아 외부로 방출시키는 방열플레이트(300)를 포함한다. 그리고 송신코일(100), 차폐유닛(200) 및 방열플레이트(300)를 내장하는 케이스(500)를 더 포함한다. 이때 케이스(500)의 내부에는 송신코일(100)의 동작을 제어하는 PCB(400)와 같이 무선충전기(1)를 구성하는 다양한 부품이 내장될 수 있다.
송신코일(100)은 전자기기에 구비되는 수신코일와 자기유도방식으로 결합되는 수단으로서, 구리 등의 금속 와이어를 권회하여 형성할 수 있다. 이때 권회 형상은 원형, 타원형, 사격형, 마름모형 등 다양한 형상이 될 수 있으며, 전체적인 크기나 권회 회수 등은 요구되는 특성에 따라 적절하게 제어하여 설정할 수 있다. 또한, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 송신코일(100)를 3개 배치할 수 있지만, 이에 한정되지 않고 1개 또는 그 이상의 개수로 선택적으로 배치할 수 있을 것이다.
차폐유닛(200)은 송신코일(100)에서 발생한 전자기파가 다른 구성 부품으로 도달하는 것을 차단해주면서 전자기기의 수신코일로 집중하여 송신되도록 하는 수단으로서, 전자기파를 차단할 수 있는 소재로 이루어진다. 차폐유닛(200)의 일면, 즉 상면으로는 송신코일(100)이 배치되고, 차폐유닛(200)의 타면, 즉 하면으로는 방열플레이트(300)가 접촉된다. 그래서 송신코일(100)에서 발생된 열이 차폐유닛(200)을 통하여 방열플레이트(300)로 전달된다. 특히 차폐유닛(200)에는 열의 방출을 위하여 외부의 공기가 유동되도록 다수의 공기유로(221)가 형성된다. 또한, 차폐유닛(200)은 송신코일(100)이 다수개가 안착되는 경우에 서로 인접하는 송신코일(100)이 안착되는 높이를 다르게 적용할 수 있도록 구성된다.
방열플레이트(300)는 송신코일(100)에서 발생한 열이 차폐유닛(200)을 통하여 전달되어 방출되는 수단으로서, 열전도도가 높은 알루미늄(Al) 소재의 판형으로 형성된다. 이때 방열플레이트(300)의 상면은 차폐유닛(200)의 하면에 면접촉되어 그 접촉 면적이 최대가 되도록 하여 송신코일(100)에서 발생한 열의 방출이 용이하도록 한다. 다만, 방열플레이트의 소재는 알루미늄(Al) 소재로 한정되는 것은 아니고, 방열효과를 기대할 수 있는 폴리머, 메탈 및 세라믹 등 열전도도가 높은 다양한 소재가 적용될 수 있다.
PCB(400)는 송신코일(100)의 동작을 제어하기 위한 회로가 구성된 수단으로서, 특정 형태 및 방식에 한정되지 않고 다양한 형태 및 방식으로 무선충전기(1)에 내장될 수 있다.
케이스(500)는 전술된 송신코일(100), 차폐유닛(200), 방열플레이트(300) 및 PCB(400)와 같은 구성품을 내장하는 수단으로서, 특정 형태 및 방식에 한정되지 않고 다양한 형태 및 방식으로 구현될 수 있다. 다만, 케이스(500)에는 외부의 공기를 케이스(500)의 내부로 유입하여 공기유로(221)로 유동시키는 팬(510)이 더 구비된다. 또한, 케이스(500)에는 팬(510)에 의해 케이스(500)의 내부로 유입된 공기를 외부로 배출시키는 배출구(미도시)가 형성될 수 있다. 이때 팬(510)에 의해 케이스(500) 내부로 유입된 공기가 차폐유닛(200)에 형성된 공기유로(221)로 유동되도록 케이스(500)를 비롯한 다른 구성품들의 크기 및 형상 등이 고려되어 설계된다. 이때 팬(510)에 의해 케이스(500) 내부로 유입된 공기가 차폐유닛(200)에 형성된 공기유로(221)로 유동되도록 케이스(500)를 비롯한 다른 구성품들의 크기 및 형상 등이 고려되어 설계된다. 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 다른 구성품들을 내장하는 밀폐형(close type)의 케이스를 예로하여 설명하였지만, 무선충전기가 차량내 편의 장비로 사용되는 경우에는 오픈형(open type)의 케이스가 적용될 수 있을 것이다.
한편, 본 발명의 요부인 공기유로가 형성된 차폐유닛에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
차폐유닛(200)은 송신코일(100)이 안착되는 안착부(210)와; 안착부(210)의 하부에 일체로 연장되어 송신코일(100)에서 발생된 열을 전달하는 전달부(220)로 구분된다. 그리고 전달부(220)에는 외부의 공기가 유동되도록 양단이 전달부(220)의 측면을 통하여 연통되는 다수의 공기유로(221a, 221b, 221c)가 형성된다. 이때 안착부(210)와 전달부(220)는 전자기파의 차단 성능이 있는 소재를 사용하여 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어 안착부(210)와 전달부(220)로 구분되는 차폐유닛(200)은 합금분말 계열의 소재와 페라이트 계열의 소재를 사용하여 제작할 수 있다. 예를 들어 합금분말 계열의 소재는 Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Si-Cr, Fe-Ni, Fe-Ni-Mo, Fe-Ni-Cr, Fe-Ni-Cu, Fe-Co, Fe-Al, Fe-Ni-Si, Fe-Ni-Mn, Fe-Ni-Al 계 합금분말이 사용될 수 있다. 또한, 페라이트 계열의 소재는 Mn-Zn, Ni-Zn, Ni-Cu-Zn, Mg-Cu-Zn 계 페라이트 소재가 사용될 수 있다. 다만, 차폐효율 및 열전달 특징을 고려하여 Mn-Zn계 페라이트 소재 또는 Ni-Zn계 페라이트 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
안착부(210)에는 송신코일(100)이 안착되는 안착영역(211a, 211b, 211c)이 형성되고, 가장자리를 따라 상부로 돌출되도록 연장되어 상기 안착영역(211a, 211b, 211c)을 둘러싸는 벽영역(212)이 형성된다.
이때 안착영역(211a, 211b, 211c)은 송신코일(100)의 개수에 따라 2차원 형상인 평면 또는 3차원 형상인 단차를 갖는 형상 등 다양한 형상으로 구현될 수 있다. 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 송신코일(100)이 3개 배치되는 경우에는 안착영역(211a, 211b, 211c)에 단차를 형성하여 3차원 형상으로 구현할 수 있다.
부연하자면, 송신코일(100)이 구리와 같은 금속 와이어를 권회하여 형성하기 때문에 대략 원형 또는 타원형으로 구현되는데, 이러한 송신코일(100)의 권회 형상에 의해 송신코일(100)이 2차원 평면상에서 3개가 배치되는 경우에는 송신코일들(100a, 00b, 100c) 사이에 전자기파의 발생이 적은 영역이 발생되고, 이러한 영역의 발생에 의해 영역별로 충전 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 그래서 본 실시예에서는 송신코일들(100a, 100b, 100c) 사이에 전자기파의 발생이 적은 영역이 발생되고, 이러한 영역의 발생에 의해 영역별로 충전 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 그래서 본 실시예에서는 송신코일들(100a, 100b, 100c)의 가장자리가 서로 중첩되도록 배치하여 전자기파의 발생이 적은 영역이 발생하는 것을 방지한다. 이렇게 송신코일들(100a, 100b, 100c)의 가장자리가 서로 중첩되도록 배치하는 경우에는 송신코일들(100a, 100b, 100c) 간에 접촉되는 것을 차단하기 위하여 송신코일들(100a, 100b, 100c)의 배치 높이를 다르게 할 수 있다. 물론, 송신코일를 구성하는 코일에 절연코팅을 하는 경우에는 송신코일들(100a, 100b, 100c) 간에 접촉이 되어도 무방할 것이다.
한편, 송신코일(100)의 개수가 다수개가 구비되는 경우에 일반적으로 중심부에 배치되는 송신코일(100a)에서 대부분의 전자기기 충전이 이루어진다. 그래서, 송신코일(100)의 가장자리가 서로 중첩되도록 배치하면서 중심부에 배치되는 송신코일(100a)을 통한 충전효율을 향상시키기 위하여 중심부에 배치되는 송신코일(100a)의 배치 높이가 다른 송신코일(100b, 100c)보다 높게 배치되도록 한다.
이를 위하여 중심부에 배치되는 송신코일(100a)이 안착되는 안착영역(211a)의 높이는 서로 인접하는 안착영역(211b, 211c)과 다른 높이로 형성한다. 바람직하게는 중심부에 배치되는 송신코일(100a)이 안착되는 안착영역(211a)의 높이가 서로 인접하는 안착영역(211b, 211c)보다 높은 높이로 형성되도록 한다. 그래서, 도 3과 같이 중심부에 형성되는 안착영역(211a)에 안착된 송신코일(100a)의 가장자리와 그 주변에 형성되는 안착영역(211b, 211c)에 배치되는 다른 송신코일(100b, 100c)의 가장자리는 상하방향으로 중첩되도록 한다.
이때 안착영역(211a, 211b, 211c) 상호 간의 높이 차이는 송신코일(100)의 높이보다 크게 하여 송신코일(100a)이 그 주변에 배치되는 다른 송신코일(100b, 100c)과 직접적으로 접촉되는 것을 방지한다.
예를 들어 중심부에 형성되는 안착영역(211a)의 높이(H2)는 송신코일(100b, 100c)의 높이(H1)보다 높게 한다.
또한, 안착부(210)의 가장자리를 따라 형성되는 벽영역(212)의 높이(H4)는 송신코일(100)에서 발생되는 전자기파가 측부방향으로 전달되는 것을 차단하기 위하여 중심부에 형성되는 안착영역(211a)에 안착되는 송신코일(100a)의 상단 높이(H3)보다 같거나 높게 형성한다.
한편, 앞서 설명된 것과 같이 송신코일(100)의 개수가 다수개가 구비되는 경우에 일반적으로 중심부에 배치되는 송신코일(100a)에서 대부분의 전자기기 충전이 이루어지기 때문에, 중심부에 배치되는 송신코일(100a)에서 열이 가장 많이 발생된다. 그래서, 중심부에 배치되는 송신코일(100a)에서 발생된 열을 효과적으로 방출시키기 위하여 다수의 공기유로(221) 중 안착부(210)의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일(100a)의 하부를 통과하는 공기유로(221a)는 다른 공기유로(221b)보다 유량이 크게 형성되는 것이 바람직하다.
이를 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 중심부에 배치되는 송신코일(100a)의 하부를 통과하는 공기유로(221a)의 내경이 다른 공기유로(221b)의 내경보다 크게 형성시킬 수 있다.
한편, 안착부(210)의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일(100a)의 하부를 통과하는 공기유로(221a)의 유량이 다른 공기유로(221b)의 유량보다 크게 형성하기 위하여 공기유로(221)를 다양하게 변경하여 구현할 수 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차폐유닛을 보여주는 도면으로서, 도 4 및 도 5는 공기유로의 구현 방식을 변경한 차폐유닛의 변경예를 보여준다.
도 4에 도시된 바와 같이 제 1 변경예에 따른 차폐유닛(200)의 전달부에는 중심부에 배치되는 송신코일(100a)의 하부에 캐비티(222)가 형성되고, 해당 송신코일(100a)의 하부를 통과하는 공기유로(221)가 캐비티(222)에 연통되도록 형성된다. 그래서 공기유로(221)를 통하여 유입된 공기가 중심부에 배치되는 송신코일(100a)의 하부에 형성된 캐비티(222)를 통과하면서 공기와 차폐유닛(200)과의 접촉면적이 증가하면서 차폐유닛(200)의 열을 효과적으로 전달받아 방출시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
이때 공기유로(221)는 효과적인 열의 방출을 위하여 나란하게 배치된 송신코일(100a, 100b, 100c)을 따라 나란하게 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 제 2 변경예에 따른 차폐유닛(200)은 다수의 공기유로(221) 중 안착부(210)의 중심부를 통과하는 공기유로(221a)의 이격 간격은 다른 공기유로(221b)의 이격 간격보다 좁게 형성된다.
이렇게 안착부(210)의 중심부에 배치되는 송신코일(100a)의 하부를 통과하는 공기유로(221a)의 이격 간격이 다른 공기유로(221b)의 이격 간격보다 좁게 형성하기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이 중심부에 가깝게 형성되는 공기유로(221a)의 내경을 점점 크게 형성하여 상호 간의 간격을 좁힐 수 있다.
또한, 공기유로(221)의 내경은 동일하게 하면서 중심부에 가깝게 형성되는 공기유로(221)의 배치 간격을 좁게 형성하여 상호 간의 간격을 좁힐 수 있다.
도 6은 공기유로에서 이루어지는 열전달의 효율을 향상시키기 위하여 공기유로에 열전달 수단을 개재한 차폐유닛의 변경예를 보여준다.
도 6에 도시된 바와 같이 제 3 변경예에 따른 차폐유닛(200)은 전달부(220)에 형성된 공기유로(221)의 내벽에 차폐유닛(200)을 형성하는 소재보다 열전도도가 높은 소재로 형성된 파이프(223)가 삽입된다. 예를 들어 파이프는 추후 설명되는 소결과정에서 그 형태를 유지할 수 있으면서 열전도도가 우수한 세라믹 계열의 소재를 사용하여 형성할 수 있다. 이때 파이프는 모든 공기유로에 삽입될 수도 있고, 중심부에 가깝게 형성되는 공기유로(221a)에만 삽입될 수도 있다.
상기와 같이 구성되는 차폐유닛의 제조방법에 대해서 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차폐유닛의 제조방법은 전자기파를 차폐시킬 수 있는 소재로 차폐시트를 준비하는 차폐시트 준비단계와; 열가소성 플라스틱과 발포제를 혼합하여 발포플라스틱을 준비하는 발포플라스틱 준비단계와; 차폐시트를 적층하되, 적층되는 차폐시트 사이에 소정의 패턴으로 발포플라스틱을 개재하면서 적층하는 적층단계와; 적층된 차폐시트를 열처리하여 발포플라스틱의 발포에 의해 소정 패턴의 공기유로를 형성하면서 적층된 차폐시트를 소결시키는 열처리단계를 포함한다.
차폐시트 준비단계는 차폐유닛을 구성하는 차폐시트를 준비하는 단계로서, 전자기파를 차폐시킬 수 있는 Mn-Zn계 페라이트 소재 또는 Ni-Zn계 페라이트 소재로 준비된 분말과 바인더를 혼합하고, 시트 형상으로 성형하여 준비한다.
발포플라스틱 준비단계는 공기유로의 형성을 위한 발포플라스틱을 준비하는 단계로서, 발포플라스틱은 열가소성 플라스틱 5 ~ 70wt%와 발포제 30 ~ 95wt%를 혼합한 후 열간 사출하여 준비한다.
이때 열가소성 플라스틱은 PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌), PVC(폴리염화비닐), PU(폴리우레탄), PS(폴리스틸렌), PF(페놀수지), UF (우레아수지), PI (폴리이미드) 등 다양한 소재의 발포 플라스틱이 사용될 수 있고, 발포제는 아조다이카본아마이드(Azodicarbonamide) 계열의 화학 발포제가 사용될 수 있다.
일반적으로 구조용으로 사용되는 발포플라스틱은 발포제의 함량이 10wt% 내외이다. 하지만, 본 실시예에서 발포제의 함량을 구조용으로 사용되는 발포플라스틱보다 높여서 30 ~ 95wt% 수준으로 한정하는 이유는 본 실시예에서 발포플라스틱은 내구성이 필요하지 않고 이후 실시되는 열처리단계에서 발포되어 공기유로를 형성할 수 있도록 초기 형태만을 유지하면 되기 때문이다. 따라서 열가소성 플라스틱의 함량은 발포플라스틱의 초기 형태를 유지하고, 열처리단계에서 열처리 온도에 의해 연소되어 소멸되도록 하기 위하여 최소량, 예를 들어 5 ~ 70%wt% 수준으로 한정하는 것이 바람직하다.
적층단계는 준비된 차폐시트를 원하는 형상으로 적층시키는 단계로서, 전술된 바와 같이 차폐시트를 소정의 형상으로 재단하여 안착부의 형상을 3차원 형상으로 형성할 수 있다. 특히, 차폐유닛 중 전달부에 해당되는 부위에 차폐시트를 적층할 때 차폐시트 사이에 소정의 패턴으로 발포플라스틱을 개재하면서 차폐시트를 적층한다.
이때 발포플라스틱을 개재하는 소정의 패턴은 차폐유닛에 형성되는 공기유로의 형상에 따라 형성하는 것이 바람직하다.
이렇게 차폐시트 및 발포플라스틱의 적층이 완료되면 열처리를 통하여 발포플라스틱을 발포시키면서 차폐시트를 소결시킨다.
이를 위한 열처리단계는 열처리단계는 적층된 차폐시트를 승온시키는 제1차 승온과정과; 승온된 온도에 의해 발포플라스틱을 발포시켜 공기유로를 형성하는 발포과정과; 발포과정이 완료된 후 차폐시트를 승온시키는 제2차 승온과정과; 차폐시트를 소결온도에서 소결시키는 소결과정을 포함한다.
제1차 승온과정은 차폐시트와 발포플라스틱을 발포플라스틱의 발포온도까지 승온시키는 과정이다. 이때 승온 분위기는 특정 분위기에 한정되지 않는다.
발포과정은 발포플라스틱을 발포시켜 차폐시트 사이에 공기유로를 형성하는 과정으로서, 180 ~ 230℃ 온도구간에서 진행된다. 특히 180 ~ 230℃ 온도구간에서 발포플라스틱의 발포(분해)가 충분히 이루어지고, 발포플라스틱에서 발생되는 가스를 충분히 제거하면서 차폐시트의 페라이트상이 다른 상으로 변하지 않도록 180 ~ 230℃ 온도구간에서의 승온속도는 1℃/분 이하로 유지한다. 또한, 230℃에서 30분 ~ 2시간 동안 유지하여 발포플라스틱이 완전히 발포(분해) 되도록 한다.
발포플라스틱은 대략 200 ~ 230℃에서 발포(분해)되며, 이때 생성되는 가스는 N2, NH3 또는 CO2가 발생되면서 이렇게 발생된 가스가 발포플라스틱이 배치되었던 공간을 통하여 빠져나가면서 공기유로가 형성된다.
제2차 승온과정은 차폐시트 사이에 공기유로가 형성된 적층된 차폐시트를 차폐시트의 소결온도까지 승온시키는 과정이다. 이때 승온 분위기는 상업 생산되는 차폐시트의 승온 분위기에 따라 승온한다.
소결과정은 차폐시트를 소결시켜 차폐유닛을 제작하는 과정으로서, 소결과정은 1000 ~ 1250℃ 온도구간에서 진행된다. 소결과정이 진행되는 온도구간까지의 승온 및 소결과정이 진행되는 온도구간에서 차폐시트를 유지하는 분위기는 상업 생산되는 차폐시트의 소결 분위기에 따라 소결한다.
다음으로, 본 발명에 따른 실시예와 비교예를 비교하여 본 발명의 방열 효과를 살펴본다.
본 방열 실험은 비교예 1, 비교예 2 및 실시예를 사용하여 10W 출력으로 휴대전화를 무선충전하였고, 시간의 경과에 따라 무선충전기의 표면 온도를 측정하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
비교예 1은 도 1과 같이 일반적인 차폐플레이트가 구비된 무선충전기를 사용하였고, 비교예 2는 비교예 1의 무선충전기에 외부 공기를 내부로 유입할 수 있는 팬을 설치하여 사용하였으며, 실시예는 본 발명에 따른 공기유로가 형성된 차폐유닛과 팬이 설치된 무선충전기를 사용하였다.
도 7에서 확인할 수 있듯이, 비교예 1보다 팬이 설치된 비교예 2의 경우 무선충전기의 표면 온도가 22℃도 낮아진 것을 확인할 수 있었고, 실시예의 경우에는 비교예 2보다 무선충전기의 표면 온도가 4℃도 이상 낮아진 것을 확인할 수 있었다.
또한, 차폐유닛의 형상 변화에 따른 전자기적 특성에 대한 변화를 알아보기 위하여 비교예 1과 실시예에 대한 각 송신코일의 인덕턴스값과 저항값을 측정하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 이때 비교예 1는 동일 평면상에 3개의 송신코일이 배치되는 것이고, 실시예는 3개의 송신코일 중 중앙에 배치되는 송신코일의 배치 높이가 다른 송신코일보다 높게 배치되면서 송신코일들의 가장자리가 서로 중첩되도록 배치된다.
도 8에서 확인할 수 있듯이, 비교예 1보다 실시예의 경우 각각 서로 대응되는 송신코일에서 인덕턴스가 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 송신코일의 인덕턴스가 형상되면 무선 충전기의 충전 효율이 향상되는 것을 기대할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 전자기기 11: 수신코일
20: 무선충전기 21: 송신코일
22: 차폐플레이트 23: 방열플레이트
24: PCB 25: 케이스
1: 무선충전기 100: 송신코일
200: 차폐유닛 210: 안착부
211a, 211b, 211c: 안착영역 212: 벽영역
220: 전달부 221: 공기유로
222: 캐비티 223: 파이프
300: 방열플레이트 400: PCB
500: 케이스 510: 팬

Claims (18)

  1. 무선 충전기용 송신코일에서 발생되는 전자기파를 차폐시키는 차폐유닛으로서,
    송신코일이 안착되는 안착부와;
    상기 안착부의 하부에 일체로 연장되어 송신코일에서 발생된 열을 전달하는 전달부로 구분되고,
    상기 안착부에는 다수개의 송신코일이 안착되고, 각각의 송신코일이 안착되는 안착영역의 높이는 서로 인접하는 안착영역과 다른 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 충전용 차폐유닛.
  2. 청구항 1에 있어서,
    다수개가 안착되는 송신코일 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일이 안착되는 안착영역의 높이가 다른 송신코일이 안착되는 안착영역의 높이보다 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 층전용 차폐유닛.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 안착부에는 송신코일이 안착되는 다수의 안착영역이 형성되고, 가장자리를 따라 상부로 돌출되도록 연장되어 상기 다수의 안착영역을 둘러싸는 벽영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 충전용 차폐유닛.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전달부에는 외부의 공기가 유동되도록 양단이 전달부의 측면을 통하여 연통되는 다수의 공기유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 충전용 차폐유닛.
  5. 청구항 4에 있어서,
    다수개가 안착되는 송신코일 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일이 다른 송신코일보다 높은 위치에 안착되고,
    다수의 공기유로 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일의 하부를 통과하는 공기유로는 다른 공기유로보다 유량이 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 충전용 차폐유닛.
  6. 청구항 4에 있어서,
    다수개가 안착되는 송신코일 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일이 다른 송신코일보다 높은 위치에 안착되고,
    다수의 공기유로 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일의 하부에는 캐비티가 형성되고, 해당 송신코일의 하부를 통과하는 공기유로는 상기 캐비티에 연통되는 것을 특징으로 하는 무선 충전용 차폐유닛.
  7. 청구항 4에 있어서,
    다수개가 안착되는 송신코일 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일이 다른 송신코일보다 높은 위치에 안착되고,
    다수의 공기유로 중 안착부의 중심부에 가깝게 안착되는 송신코일의 하부를 통과하는 공기유로의 이격 간격은 다른 공기유로의 이격 간격보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 충전용 차폐유닛.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 공기유로의 내벽에는 상기 전달부를 형성하는 소재보다 열전도도가 높은 소재로 형성된 파이프가 설치되는 것을 특징으로 하는 무선 충전용 차폐유닛.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 안착부와 전달부는 Mn-Zn계 페라이트 소재 또는 Ni-Zn계 페라이트 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 충전용 차폐유닛.
  10. 무선 충전기용 송신코일에서 발생되는 전자기파를 차폐시키는 차폐유닛을 제조하는 방법으로서,
    전자기파를 차폐시킬 수 있는 소재로 차폐시트를 준비하는 차폐시트 준비단계와;
    열가소성 플라스틱과 발포제를 혼합하여 발포플라스틱을 준비하는 발포플라스틱 준비단계와;
    상기 차폐시트를 적층하되, 적층되는 차폐시트 사이에 소정의 패턴으로 상기 발포플라스틱을 개재하면서 적층하는 적층단계와;
    적층된 차폐시트를 열처리하여 발포플라스틱의 발포에 의해 소정 패턴의 공기유로를 형성하면서 적층된 차폐시트를 소결시키는 열처리단계를 포함하는 무선 충전용 차폐유닛의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 차폐시트 준비단계에서 전자기파를 차폐시킬 수 있는 소재는 Mn-Zn계 페라이트 소재 또는 Ni-Zn계 페라이트 소재인 것을 특징으로 하는 무선 충전용 차폐유닛의 제조방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 발포플라스틱 준비단계에서 발포플라스틱은 열가소성 플라스틱 5 ~ 70wt%와 발포제 30 ~ 95wt%를 혼합한 후 열간 사출하여 준비하는 것을 특징으로 하는 무선 충전용 차폐유닛의 제조방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 열처리단계는
    적층된 차폐시트를 승온시키는 제1차 승온과정과;
    승온된 온도에 의해 발포플라스틱을 발포시켜 공기유로를 형성하는 발포과정과;
    발포과정이 완료된 후 차폐시트를 승온시키는 제2차 승온과정과;
    차폐시트를 소결온도에서 소결시키는 소결과정을 포함하는 무선 충전용 차폐유닛의 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 발포과정은 180 ~ 230℃ 온도구간에서 진행되고, 180 ~ 230℃ 온도구간에서의 승온속도는 1℃/분 이하이며, 230℃에서 30분 ~ 2시간 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 무선 충전용 차폐유닛의 제조방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 소결과정은 1000 ~ 1250℃ 온도구간에서 진행되는 것을 특징으로 하는 무선 충전용 차폐유닛의 제조방법.
  16. 무선 충전을 위한 송신코일과;
    상면에 상기 송신코일이 안착되고, 상기 송신코일에서 발생되는 전자기파를 상기 송신코일의 측부방향 및 하부방향으로 전파되는 것을 차폐시키는 차폐유닛과;
    상기 차폐유닛의 하면에 접촉되어 상기 송신코일에서 발생된 열을 차폐유닛에 의해 전달받아 외부로 방출시키는 방열플레이트를 포함하고,
    상기 차폐유닛은 송신코일이 안착되는 안착부와; 상기 안착부의 하부에 일체로 연장되어 송신코일에서 발생된 열을 전달하는 전달부로 구분되고,
    상기 안착부에는 다수개의 송신코일이 안착되고, 각각의 송신코일이 안착되는 안착영역의 높이는 서로 인접하는 안착영역과 다른 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 충전기.
  17. 무선 충전을 위한 송신코일과;
    상면에 상기 송신코일이 안착되고, 상기 송신코일에서 발생되는 전자기파를 상기 송신코일의 측부방향 및 하부방향으로 전파되는 것을 차폐시키는 차폐유닛과;
    상기 차폐유닛의 하면에 접촉되어 상기 송신코일에서 발생된 열을 차폐유닛에 의해 전달받아 외부로 방출시키는 방열플레이트를 포함하고,
    상기 차폐유닛은 송신코일이 안착되는 안착부와; 상기 안착부의 하부에 일체로 연장되어 송신코일에서 발생된 열을 전달하는 전달부로 구분되고,
    상기 전달부에는 외부의 공기가 유동되도록 양단이 전달부의 측면을 통하여 연통되는 다수의 공기유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 충전기.
  18. 청구항 16 또는 청구항 17에 있어서,
    상기 송신코일, 차폐유닛 및 방열플레이트를 내장하는 케이스를 더 포함하고,
    상기 케이스에는 외부의 공기를 유입하여 상기 공기유로로 유동시키는 팬이 구비되는 것을 특징으로 하는 무선 충전기.
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