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WO2018147649A1 - 자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치 - Google Patents

자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치 Download PDF

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WO2018147649A1
WO2018147649A1 PCT/KR2018/001676 KR2018001676W WO2018147649A1 WO 2018147649 A1 WO2018147649 A1 WO 2018147649A1 KR 2018001676 W KR2018001676 W KR 2018001676W WO 2018147649 A1 WO2018147649 A1 WO 2018147649A1
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WO
WIPO (PCT)
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magnetic sheet
adhesive
magnetic
resin
wireless power
Prior art date
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PCT/KR2018/001676
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English (en)
French (fr)
Inventor
윤종흠
김소연
배석
이상원
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Innotek Co Ltd
Original Assignee
LG Innotek Co Ltd
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Publication date
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Priority to CN201880011412.1A priority patent/CN110313043A/zh
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    • H04B5/40—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems characterised by components specially adapted for near-field transmission
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    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/77—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for interrogation
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0042—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries characterised by the mechanical construction

Definitions

  • Embodiments relate to a magnetic sheet and a wireless power receiver including the same.
  • NFC Near Field Communication
  • P2P point-to-point
  • NFC antenna for implementing the NFC function is disposed on the back of the battery included in the smartphone (not shown) in consideration of the size, mounted on the back of the smartphone case or in-molded (in-molding) have.
  • the case of the smartphone battery is made of metal, the electromagnetic energy generated from the NFC antenna is absorbed by the battery case acting as a parasitic coupler. Therefore, the communication sensitivity of the NFC antenna is lowered, and as a result, the communication distance becomes very short, and thus electromagnetic isolation is required between the metal battery case and the NFC antenna.
  • the isolation means a magnetic sheet having a permeability of less than 1 mm is mainly used.
  • wireless charging ie, wireless power transmission and reception
  • standard methods of wireless power transmission include a wireless power consortium (WPC), an alliance for wireless power (A4WP), and a power matters alliance (PMA) method, which are technically classified into magnetic induction and magnetic resonance.
  • WPC wireless power consortium
  • A4WP alliance for wireless power
  • PMA power matters alliance
  • magnetic materials for magnetic induction or magnetic resonance are also used in the transmission / reception module of the wireless charging system. Due to the use of such magnetic materials, there have been attempts to minimize electromagnetic energy loss by introducing magnetic sheets as electromagnetic shielding materials. Through these efforts, efforts are being made to improve the function and performance of the transmission efficiency (wireless power transmission), which has been dependent only on the coil design.
  • Representative magnetic sheet materials include a sheet containing a ferrite material, a composite sheet containing a metal powder and a polymer resin and a metal-alloy based magnetic ribbon sheet or a metal ribbon sheet of a metal ribbon alone. .
  • a sheet containing a ferrite material has a good permeability but limited thickness due to high temperature firing and magnetic flux density, and a composite sheet has a problem of low permeability.
  • Metal ribbon sheets can achieve high permeability and magnetic flux density in a thin thickness.
  • metal ribbon is meant an amorphous or nanocrystalline metal or alloy made by an atomizer or the like into a very thin foil.
  • metal ribbon is generally used in a laminated structure having a plurality of layers to obtain desired shielding properties. Since the energy transmitted during short-range communication or wireless charging is in the form of a magnetic field with a frequency, when the magnetic sheet is composed of a single mass instead of laminating metal ribbons, the conductivity increases and the eddy current loss increases exponentially. Because.
  • a metal ribbon and an adhesive film having an insulating function may be alternately arranged every layer.
  • the adhesive film is disposed between the metal ribbons, the total effective permeability is lowered due to the magnetic flux loss generated in the adhesive film, which causes a problem of lowering transmission efficiency.
  • the thickness of the magnetic sheet is increased, and thus the design freedom of the product in which the short-range communication or the wireless charging function is mounted is inferior.
  • the embodiment provides a magnetic sheet having an adhesive part capable of providing high transmission efficiency while maintaining adhesive strength, and a wireless power receiver including the same.
  • the first magnetic sheet portion including a first surface; A second magnetic sheet part including a second surface facing the first surface; And an adhesive part disposed between the first surface and the second surface, wherein the adhesive part includes a plurality of magnetic particles, and the plurality of magnetic particles may have a concentration gradient in the thickness direction of the adhesive part.
  • the concentration of the magnetic particles may increase toward the center of the thickness direction of the adhesive portion.
  • the concentration of the magnetic particles may be asymmetric about the center in the thickness direction of the adhesive part.
  • the magnetic particles may be included in the adhesive portion in a weight ratio of 50% to 90%.
  • the adhesive portion may include a first layer; A second layer disposed below the first layer; And a third layer disposed under the second layer, wherein the plurality of magnetic particles may be included in the second layer.
  • the first layer and the third layer may include a first adhesive
  • the second layer may include a second adhesive
  • the plurality of magnetic particles may be dispersed in the second adhesive
  • the first adhesive and the second adhesive may include different components.
  • the first adhesive may include at least one of ethyl vinyl acetate, polyamide, polyolefin, and reactive urethane
  • the second adhesive may include acrylic resin, urethane resin, epoxy resin, silicone resin, phenol resin, At least one of an amino resin, an unsaturated polyester resin, a polyurethane resin, a urea resin, a melamine resin, a polyimide resin, a diallyl phthalate resin or a modified resin thereof may be included.
  • At least one of the first or second magnetic sheet parts may have a plurality of patterns including three or more lines radiating from a predetermined point.
  • the magnetic sheet according to the embodiment at least three laminated magnetic sheet portion; And an adhesive part disposed between two surfaces of two stacked magnetic sheet parts facing each other adjacent to each other, wherein the adhesive part includes a plurality of magnetic particles, and the plurality of magnetic particles are in a thickness direction of the adhesive part. It can have a concentration gradient.
  • the wireless power receiver for receiving the power transmitted from the wireless power transmission apparatus according to the embodiment, the substrate; A magnetic sheet disposed on the substrate; And a coil disposed on the magnetic sheet, the coil receiving electromagnetic energy radiated from the wireless power transmitter, wherein the magnetic sheet includes a first surface; A second magnetic sheet part including a second surface facing the first surface; And an adhesive part disposed between the first surface and the second surface, wherein the adhesive part includes a plurality of magnetic particles, and the plurality of magnetic particles may have a concentration gradient in the thickness direction of the adhesive part.
  • the wireless power receiver may be included in the mobile terminal.
  • the magnetic sheet according to the embodiment and the wireless power receiver including the same include an adhesive part in which the magnetic particles have a concentration gradient in the thickness direction, so that a sufficient adhesive area is secured while maintaining a high magnetic particle content, thereby obtaining high transmission efficiency.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a wireless power receiver as one of the subsystems configuring the wireless charging system.
  • FIG. 3 is a plan view illustrating a part of a wireless power receiver according to an embodiment.
  • FIGS. 4A and 4C are cross-sectional views of an adhesive part according to an embodiment, respectively.
  • FIG. 5 is a sectional view of a magnetic sheet according to another aspect of an embodiment.
  • 6A to 7C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the magnetic sheet 210A illustrated in FIG. 4A.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view of a comparative example for explaining the effect of the upper and lower adhesive layers according to an embodiment
  • FIG. 8B is an enlarged cross-sectional view of part 'E1' of FIG. 8A
  • FIG. 8C is a cross-sectional view of another comparative example. .
  • FIG. 9A is a cross-sectional view illustrating magnetic properties of a magnetic sheet according to an embodiment
  • FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating magnetic properties of a magnetic sheet according to a comparative example.
  • 10 is a graph comparing real permeability by frequency before and after forming cracks in a metal ribbon.
  • 11 to 13 illustrate a top view of a magnetic sheet part according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 14 to 15 are top views of a magnetic sheet part according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 16 is a top view of a magnetic sheet part according to another embodiment.
  • the above (up) or down (down) ( on or under includes both that two elements are in direct contact with one another or one or more other elements are formed indirectly between the two elements.
  • relational terms such as “first” and “second,” “upper / upper / up” and “lower / lower / lower”, etc., as used below, may be used to refer to any physical or logical relationship between such entities or elements, or It may be used to distinguish one entity or element from another entity or element without necessarily requiring or implying an order.
  • the magnetic sheet 210 and the wireless power receiver 200 including the same will be described with reference to the accompanying drawings.
  • the magnetic sheet 210 and the wireless power receiver 200 including the same will be described using the Cartesian coordinate system (x-axis, y-axis, z-axis), but it can be described by other coordinate systems.
  • the Cartesian coordinate system the x-axis, y-axis, and z-axis are orthogonal to each other, but embodiments are not limited thereto. That is, the x-axis, y-axis, and z-axis may intersect without being orthogonal to each other.
  • Wireless Power Transfer System (Charger) or Transmitter: A device that provides wireless power transfer to one or more power receivers in the magnetic field.
  • Wireless Power Transfer Device or Receiver A device that receives wireless power transmitted from a wireless power transfer device in a magnetic field region.
  • -Charging Area The area where the actual wireless power transmission takes place within the magnetic field area.
  • the range of the area may change depending on the size of the application, the required power, and the operating frequency.
  • S parameter The ratio of the input voltage to the output voltage in the frequency distribution, which is the ratio of the input port to the output port or the self-reflection of each input / output port, i.e. the output reflected by its own input. It can mean a value.
  • Q Quality factor
  • the wireless power transmitter for transmitting power to be received by the wireless power receiver may selectively use various types of frequency bands from low frequency (50 kHz) to high frequency (15 MHz) to transmit power.
  • the wireless power transmission apparatus requires the support of a communication system that can exchange data and control signals in order to control the wireless charging system.
  • the wireless power receiver according to the embodiment has various industries such as a mobile terminal industry, a smart watch industry, a computer and laptop industry, a home appliance industry, an electric vehicle industry, a medical device industry, and a robot industry that use a battery or require an electronic device. Can be applied to
  • the embodiment may consider a wireless charging system capable of transmitting power to one or more devices using one or more transmission coils provided with the device.
  • a battery shortage problem may be solved in a mobile device such as a smart phone or a notebook.
  • a mobile device such as a smart phone or a notebook.
  • the battery is automatically charged and can be used for a long time.
  • a wireless charging pad in public places such as cafes, airports, taxis, offices, restaurants, it is possible to charge a variety of mobile devices regardless of the different charging terminal for each mobile device manufacturer.
  • wireless power transmission technology is applied to household appliances such as vacuum cleaners and fans, there is no need to search for power cables, and complicated wires disappear in the home, which reduces wiring in the building and expands space utilization.
  • the magnetic sheet according to the embodiment may be applied to various fields as described above.
  • the wireless power receiver according to the embodiment including the magnetic sheet will be described with reference to FIGS. 1 to 3 as follows.
  • the magnetic induction method is a non-contact energy transmission technology in which electromotive force is generated in the load inductor Ll through the magnetic flux generated when the source inductor Ls and the load inductor Ll are close to each other and current flows in one source inductor Ls. .
  • the transmitter includes a source voltage (Vs), a source resistor (Rs), a source capacitor (Cs) for impedance matching, and a magnetic coupling with a receiver according to a device for supplying power.
  • the receiver may be implemented as a source coil Ls, and the receiver may be implemented as a load resistor Rl which is an equivalent resistance of the receiver, a load capacitor Cl for impedance matching, and a load coil Ll for magnetic coupling with the transmitter.
  • the magnetic coupling degree of the source coil Ls and the load coil Ll may be represented by mutual inductance Msl.
  • Equation 1 when the ratio of the inductance of the transmitting coil (Ls) and the source resistance (Rs) and the ratio of the inductance of the load coil (Ll) and the load resistance (Rl) is the maximum power transmission is possible.
  • the source capacitor Cs may be added to the transmitter and the load capacitor Cl may be added to the receiver.
  • the compensation capacitors Cs and Cl may be connected to each of the receiving coil Ls and the load coil Ll in series or in parallel.
  • passive elements such as additional capacitors and inductors may be further added to each of the transmitter and the receiver for impedance matching.
  • FIG. 2 is a block diagram of a typical wireless charging system.
  • the wireless charging system may include a transmitter 1000 and a receiver 2000 that receives power wirelessly from the transmitter 1000.
  • the receiver 2000 which is one of the subsystems configuring the wireless charging system, includes a receiver coil unit 2100, a receiver side matcher 2200, a receiver AC / DC converter 2300, and a receiver DC / DC converter.
  • the unit 2400, the load unit 2500, and the receiving side communication and control unit 2600 may be included.
  • the receiver 2000 may be mixed with the wireless power receiver.
  • the receiving coil unit 2100 may receive power through a magnetic induction method, and may include one or a plurality of induction coils.
  • the receiving side coil unit 2100 may include an antenna for near field communication.
  • the receiving coil unit 2100 may be the same as the transmitting coil unit (not shown), and the dimensions of the receiving antenna may vary according to electrical characteristics of the receiving unit 2000.
  • the receiving side matching unit 2200 performs impedance matching between the transmitter 1000 and the receiver 2000.
  • the receiving AC / DC converter 2300 rectifies the AC signal output from the receiving coil unit 2100 to generate a DC signal.
  • the receiving DC / DC converter 2400 may adjust the level of the DC signal output from the receiving AC / DC converter 2300 according to the capacity of the load unit 2500.
  • the load unit 2500 may include a battery, a display, a voice output circuit, a main processor, and various sensors.
  • the receiving side communication and control unit 2600 may be activated by the wake-up power from the transmitting side communication and the control unit (not shown), perform communication with the transmitting side communication and the control unit, and operate the subsystem of the receiving unit 2000. Can be controlled.
  • the receiver 2000 may be configured in singular or plural to receive energy wirelessly from the transmitter 1000. That is, the plurality of target receivers 2000 may receive power from one transmitter 1000 by providing a plurality of receiver side coil units 2100 that are independent of each other in a magnetic induction method.
  • the transmitter matching unit (not shown) of the transmitter 1000 may adaptively perform impedance matching between the plurality of receivers 2000.
  • the receiver 2000 when configured in plural, it may be the same type of system or different types of systems.
  • the transmitting side AC / DC conversion unit (not shown) in the transmitter 1000 is a 60Hz AC signal of 100V ⁇ 230V
  • a DC signal of 10V to 20V may be converted and output
  • the DC / AC converter of the transmission side may receive a DC signal and output an AC signal of 125 KHz.
  • the receiving side AC DC converter 2300 of the receiving unit 2000 may receive an AC signal of 125 KHz, convert the DC signal into a 10V to 20V DC signal, and output the converted DC signal.
  • the receiving DC / DC converter 2400 may include a load unit.
  • a DC signal of 5V suitable for 2500 may be output and transmitted to the load unit 2500.
  • the wireless power receiver 200 according to an embodiment for performing at least some of the functions corresponding to the wireless power receiver 2000 shown in FIG. 2 will be described.
  • FIG 3 is a plan view illustrating a part of the wireless power receiver 200 according to an embodiment.
  • the wireless power receiver 200 includes a receiving circuit (not shown), a magnetic sheet 210 and a receiving coil 220.
  • the magnetic sheet 210 may be disposed on a substrate (not shown) or a plurality of stacked.
  • the substrate may be composed of several layers of fixing sheets, and may be bonded to the magnetic sheet 210 to fix the magnetic sheet 210.
  • the magnetic sheet 210 focuses electromagnetic energy radiated from a transmission coil (not shown) of the wireless power transmitter 1000.
  • the receiving coil 220 is stacked on the magnetic sheet 210.
  • the receiving coil 220 may be wound on the magnetic sheet 210 in a direction parallel to the magnetic sheet 210.
  • a reception antenna applied to a mobile terminal such as a smartphone may be in the form of a spiral coil within an outer diameter of 50 mm and an inner diameter of 20 mm or more.
  • the receiving circuit converts the electromagnetic energy received through the receiving coil 220 into electrical energy, and charges the converted electrical energy into a battery (not shown).
  • a heat dissipation layer may be further included between the magnetic sheet 210 and the receiving coil 220.
  • the wireless power receiver 200 simultaneously has a WPC function, a near field communication (NFC) function, and a mobile payment function
  • the NFC coil 230 and a coil for mobile payment on the magnetic sheet 210 are not shown. This may be further stacked.
  • the NFC coil 230 and the mobile payment coil may have a planar shape surrounding the receiving coil 220.
  • Each of the receiving coil 220 and the NFC coil 230 may be electrically connected to an external circuit (eg, an integrated circuit) (not shown) through the terminal 240.
  • an external circuit eg, an integrated circuit
  • both the receiving coil 220 and the NFC coil 230 are all disposed on one magnetic sheet 210, but this is merely exemplary. According to another embodiment, a separate magnetic sheet corresponding to each of the coils 220 and 230 may be disposed. In this case, the magnetic sheet corresponding to each coil may be configured to have different shielding characteristics, or may be configured to have the same characteristics.
  • the NFC coil 230 is shown to surround the outside of the receiving coil 220, but this is also an example, so that any one of the two coils 220 and 230 does not surround the other one. It may be formed spaced apart from.
  • a magnetic sheet including an adhesive part having a concentration gradient of magnetic particles in a thickness direction, and a wireless power receiver using the same are provided.
  • FIGS. 4A and 4C are cross-sectional views of an adhesive part according to an embodiment, respectively.
  • the magnetic sheet 210A may include a first magnetic sheet part R1, a second magnetic sheet part R2, and an adhesive part A1. At least some of the first magnetic sheet part R1, the second magnetic sheet part R2, and the adhesive part A1 may be stacked to overlap each other in the x-axis direction. In more detail, the adhesive part A1 may be disposed between the top surface RU2 of the second magnetic sheet part R2 facing the bottom surface RL1 of the first magnetic sheet part R1.
  • At least one of the first magnetic sheet part R1 or the second magnetic sheet part R2 may be formed of a metallic-alloy based magnetic ribbon.
  • the term 'ribbon' is generally defined as a metal alloy in the form of a very thin “band,” “string,” or “band,” in a crystalline or amorphous state.
  • the 'ribbon' as defined in the present specification is a metal alloy in principle, but due to its appearance, a separate term “Ribbon” is used, and the ribbon uses Fe-Si-B as the main material, At least one additive of Nb, Cu or Ni may be added to prepare a variety of compositions.
  • the ribbon to the material of the magnetic sheet portion is exemplary, and according to another embodiment, the magnetic sheet portion is one of Fe, Ni, Co, Mo, Si, Al and B or a combination of two or more elements It may be composed of a ribbon made of a metal-based magnetic powder or a composite material of the ribbon and a polymer.
  • the thickness T1 of the first magnetic sheet portion R1 and the thickness T2 of the second magnetic sheet portion R2 in the x-axis direction may be the same or different.
  • the thicknesses T1 and T2 in the x-axis direction may be uniform or nonuniform along the y-axis and z-axis directions.
  • the thicknesses T1 and T2 in the x-axis direction in the magnetic sheet parts R1 and R2 may be 10 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the magnetic particles P may be dispersed in the adhesive portion A1 and may have a concentration gradient in the thickness direction of the adhesive portion A1. For example, the concentration of the magnetic particles P may increase toward the center of the thickness direction of the adhesive portion A1. At this time, the concentration of the magnetic particles (P) may be symmetrical or asymmetrical about the center in the thickness direction of the adhesive portion (A1).
  • the magnetic particles P have a concentration gradient in the thickness direction in the adhesive portion A1, in which the adhesive portion A1 includes a plurality of adhesive layers, some of which adhesive layers contain most of the magnetic particles P. It can be implemented as.
  • the adhesive part A1 may include an upper adhesive layer ADu, a central adhesive layer ADm, and a lower adhesive layer ADb.
  • the first magnetic sheet part R1 may be disposed on the upper adhesive layer ADu and the second magnetic sheet part R2 may be disposed below the lower adhesive layer ADb based on the X axis in the thickness direction.
  • the plurality of magnetic particles P are dispersed in the central adhesive layer ADm, and have a concentration gradient in the thickness direction as viewed in the entire bonding portion A1, but the concentration of the magnetic particles P increases in the thickness direction toward the center portion.
  • the magnetic particles P may be dispersed over at least one of the upper adhesive layer ADu and the lower adhesive layer ADb as well as the central adhesive layer ADm.
  • a part of one magnetic particle P is included in the central adhesive layer ADm, and the other part is included in the upper adhesive layer ADu or the lower adhesive layer ADb, so as to span the two layers. It may be dispersed in the adhesive portion A1.
  • the thickness T3 of the adhesive portion A1 in the upper surface RU2 direction (ie, the x-axis direction) of the second magnetic sheet portion R2 is 3 ⁇ m to 1 cm.
  • the thickness T3 of the adhesive portion A1 is preferably formed to have a thickness of 3 ⁇ m to 40 ⁇ m, more preferably 3 ⁇ m to 5 ⁇ m or 10 ⁇ m to 40 ⁇ m.
  • each layer which comprises the adhesion part A1 is demonstrated with reference to FIG. 4B.
  • the thickness T4 of each of the upper adhesive layer Adu and the lower adhesive layer ADb may be 10 ⁇ m or less.
  • the thickness T4 of each of the upper adhesive layer Adu and the lower adhesive layer ADb may be 3 ⁇ m or less, preferably 1 ⁇ m or less, and more preferably 0.5 ⁇ m or less.
  • the thickness T5 of the central adhesive layer ADm in which the magnetic particles P are dispersed may be 20 ⁇ m or less, for example, 1 ⁇ m to 3 ⁇ m or 4 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • each adhesive layer may be uniform or nonuniform along the y-axis and z-axis directions.
  • each adhesive layer comprises an organic material
  • organic materials include an acrylic resin, urethane resin, epoxy resin, silicone resin, phenol resin, amino resin, unsaturated polyester resin, polyurethane resin, urea resin, Melamine resin, polyimide resin, diallyl phthalate resin, these modified resins, etc. are mentioned.
  • the components of the central adhesive layer ADm including the magnetic particles P and the components of the upper adhesive layer Adu and the lower adhesive layer ADb may be the same or different.
  • the component of the central adhesive layer ADm may be at least one of the above-described components
  • the components of the upper adhesive layer Adu and the lower adhesive layer ADb may be ethyl vinyl acetate used in a hot melt method. (Ethyl vinyl acetate), polyamide (polyamide), polyolefin (polyolefin), reactive urethane (reactive urethane) and the like.
  • the adhesive layer A1 ' is centered in the thickness direction as shown in FIG. 4C. Except for the magnetic particles having a high concentration, it may have a form substantially indistinguishable between the adhesive layers.
  • the magnetic particles P may be made of a non-conductive or weakly conductive material to reduce eddy current loss.
  • the magnetic particles (P) may be ferrite, but this is exemplary, and according to another embodiment, the magnetic particles (P) may be formed of magnetic stainless steel (Fe-Cr-Al-Si) and sand dust (Fe-Si-Al). , Permalloy (Fe-Ni), Fe-Si alloys, copper (Fe-Cu-Si), Fe-S? B (-Cu-Nb) alloys, Fe-Si-Cr-Ni alloys, Fe-Si- It may be composed of Cr alloy, Fe-Si-Al-Ni-Cr alloy and the like.
  • the size of the magnetic particles P may be 5 ⁇ m or less.
  • the size of the magnetic particles (P) may be 1 ⁇ m or less.
  • the size of the magnetic particles (P) corresponds to the diameter of the sphere, but this is illustrative and the magnetic particles may be square or plate-shaped.
  • Magnetic particles may be included 50% or more relative to the weight ratio (wt%) of the entire adhesive portion (A1), preferably not more than 90%. This is because the magnetic properties are greatly improved when the weight ratio is 50% or more of the total, and when the weight ratio is more than 90%, the magnetic particles are too dense to obtain sufficient adhesive strength.
  • the magnetic sheet 210A illustrated in FIG. 4A illustrates a minimum structural unit according to the present exemplary embodiment, and the magnetic sheet according to the present invention includes more magnetic sheet portions and an adhesive portion disposed between two magnetic sheet portions adjacent to each other. It can be configured as. This will be described with reference to FIG. 5.
  • FIG. 5 is a sectional view of a magnetic sheet according to another aspect of an embodiment.
  • a third magnetic sheet portion R3 may be disposed on the first magnetic sheet portion R1, and the first magnetic sheet portion R1 and the third magnetic sheet may be disposed.
  • An adhesive part A2 may be disposed between two surfaces facing each other in the part R3.
  • an adhesive part A3 may be further provided below the second magnetic sheet part R2.
  • the adhesive part A3 under the second magnetic sheet part R2 is the remaining adhesive parts A1 and A2.
  • a substrate (not shown) of the wireless power receiver may be disposed under the adhesive portion A3 under the second magnetic sheet portion R2.
  • the magnetic sheet 210A shown in FIG. 4A may also be manufactured based on the following description.
  • FIGS. 7A to 7C are views of the magnetic sheet 210A illustrated in FIG. 4A.
  • Process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method using the magnetic field by an Example is shown, respectively.
  • the lower adhesive layer ADb is disposed on the upper surface RU2 of the second magnetic sheet part R2.
  • the lower adhesive layer ADb may be applied to the upper surface RU2 of the second magnetic sheet part R2 by spraying or coating.
  • the central adhesive layer ADm in which the magnetic particles P are dispersed may be disposed on the lower adhesive layer ADb.
  • the upper adhesive layer ADu may be disposed on the central adhesive layer ADm.
  • the upper adhesive layer ADu may also be applied over the central adhesive layer ADm by spraying or coating.
  • the first magnetic sheet part R1 may be stacked on the upper adhesive layer ADu.
  • each of the above processes may be performed repeatedly.
  • the lower adhesive layer ADb, the central adhesive layer ADm in which the magnetic particles P are dispersed, and the upper adhesive layer ADu are sequentially stacked on the upper surface of the first magnetic sheet part R1.
  • the magnetic sheet 210B of FIG. 5 may be formed.
  • the adhesive part A3 disposed below the second magnetic sheet part R2 may be disposed after the third magnetic sheet part R3 is stacked, or may be disposed before the process illustrated in FIG. 6A.
  • FIGS. 7A to 7C have described the manufacturing process of the magnetic sheet through the sequential lamination.
  • a manufacturing process of an adhesive part using a magnetic field will be described with reference to FIGS. 7A to 7C.
  • an adhesive layer (ADm '+ ADb') in which magnetic particles are uniformly or unevenly dispersed in the thickness direction is prepared.
  • the thickness may correspond to the sum of the thicknesses of the lower adhesive layer and the central adhesive layer, for example, T4 + T5 in FIG. 4B.
  • the magnetic field acting on the magnetic particles acting on the magnetic particles on the adhesive layer (ADm '+ ADb') the magnetic particles are concentrated in the upper surface direction in the adhesive layer by the magnetic field as shown in Figure 7b.
  • the adhesive layer ADm + ADb of 7b can be seen as the same as the lower adhesive layer ADb and the center adhesive layer ADm having the same adhesive components.
  • the adhesive portion may be manufactured as shown in FIG. 7C.
  • the components of the adhesive layer ADm + ADb of FIG. 7B and the components of the upper adhesive layer ADu may be the same as or different from each other.
  • the substrate eg, a polymer film of a component such as PET
  • the central adhesive layer (ADm) it is possible to maintain its own shape, without having to be laminated on the magnetic sheet part sequentially.
  • the upper adhesive layer ADu and the lower adhesive layer ADb may be applied directly to the central adhesive layer ADm.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view of a comparative example for explaining the effect of the upper and lower adhesive layers according to an embodiment
  • FIG. 8B is an enlarged cross-sectional view of part 'E1' of FIG. 8A
  • FIG. 8C is a cross-sectional view of another comparative example. .
  • the adhesive portion A1 ′ according to the comparative example is applied, magnetic particles, which are inorganic materials having poor affinity, and adhesive AD, which is an organic substance, come into contact with each other. Therefore, the adhesive AD is relatively easily separated from the magnetic particles P, and the adhesive AD is formed between the upper surface RU2 of the second magnetic sheet part R2 and the bottom portion E1 of the magnetic particles P. In some cases, the magnetic particles may directly contact the upper surface RU2 of the second magnetic sheet part R2. Therefore, since the adhesive AD does not exist in the circular planar region corresponding to the diameter of D, there is a problem in that the loss of the adhesive area occurs by the corresponding region.
  • the E1 portion is described in more detail as shown in FIG. 8B.
  • the adhesive AD may not have good affinity with the magnetic particles P and may not completely cover the bottom surface of the magnetic particles positioned at the edges. Accordingly, a cavity C without an adhesive is formed between the upper surface RU2 of the second magnetic sheet part R2 and the magnetic particles P, and thus an adhesive surface corresponding to the plane of the bottom surface of the cavity C is formed. This happens to be lost. Therefore, the adhesive state may not be maintained between the laminated structures, thereby causing damage to the adhesive force, and such a problem may occur at a higher frequency as the content of the magnetic particles in the bonding portion increases and the size of the magnetic particles is uneven. have. As a result, the comparative example has a problem that the weight ratio of the magnetic particles to the total weight of the adhesive portion does not exceed 50% to secure the adhesive strength of the adhesive portion.
  • both the coating layer (CT) and the adhesive (AD) contains an organic material Therefore, since the affinity between the two is excellent, the adhesive AD may be present between the upper surface RU2 of the second magnetic sheet part R2 and the bottom portion E3 of the magnetic particle P. Therefore, since the magnetic particles P do not directly contact the upper surface RU2 of the second magnetic sheet part R2, the adhesive contacts the upper surface RU2, and thus, between the adhesive part A1 and the upper surface RU2 of the second magnetic sheet part R2. The adhesive area can be secured.
  • the thickness of the coating layer CT is too thick, the thickness of the adhesive part may be thickened together, and there is a problem that the magnetic particles P stick together, and even when the thickness is too thin, the coupling role (that is, Affinity expression between organic materials) may be weak.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view illustrating magnetic properties of a magnetic sheet according to an embodiment
  • FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating magnetic properties of a magnetic sheet according to a comparative example.
  • the magnetic sheet according to the embodiment includes magnetic particles in a high proportion (50 to 90 wt%) in each of the adhesive parts A1 and A2 disposed between the magnetic sheet parts R1, R2, and R3. As a result, it has a high effective permeability and therefore low loss of magnetic flux.
  • the adhesive film has a structure in which an adhesive is disposed above and below a substrate (ie, a polymer film).
  • a substrate ie, a polymer film.
  • the difference between the permeability and the loss of permeability may mean a real permeability.
  • the real permeability after forming a crack in the metal ribbon is significantly larger than the real permeability before forming the crack.
  • cracks may be formed on the metal ribbon to reduce eddy current loss and improve transmission efficiency.
  • the transfer efficiency of the magnetic sheet is improved, it is possible to obtain a more uniform performance.
  • 11 to 13 illustrate a top view of a magnetic sheet part according to an embodiment of the present invention.
  • a pattern 700 including three or more lines 720 radiated from a predetermined point 710 is formed in the magnetic sheet part constituting the magnetic sheet 210.
  • the pattern may be formed of cracks.
  • a plurality of patterns 700 may be repeatedly formed on the magnetic sheet part, and one pattern 700 may be disposed to be surrounded by a plurality of patterns, for example, three to eight patterns 700. have.
  • the average diameter of each pattern 700 may be 50 ⁇ m to 600 ⁇ m.
  • the diameter of the pattern 700 is less than 50 ⁇ m, excessive metal particles may be generated on the surface of the metal ribbon during crack formation. If metal particles are present on the surface of the magnetic sheet 210, there is a possibility that metal particles may penetrate into the circuit, and there is a risk of short circuit.
  • the diameter of the pattern 700 exceeds 600 ⁇ m, the distance between the patterns 700 is large, the effect of crack formation, that is, the effect of increasing the real permeability may be inferior.
  • the magnetic sheet part of the magnetic sheet 210 includes a pattern 700 including three or more lines 720 radiating from a predetermined point 710 and an edge 730 surrounding the magnetic sheet 210. Is formed.
  • the pattern may be formed of cracks.
  • the edge 730 is not a crack that is completely cut, a portion is continuous, a portion may mean a broken crack.
  • a plurality of patterns 700 may be repeatedly formed on the magnetic sheet part, and one pattern 700 may be disposed to be surrounded by a plurality of patterns, for example, three to eight patterns 700. have.
  • the average diameter of each pattern 700 may be 50 ⁇ m to 600 ⁇ m, and the characteristics according to the range is similar to the above description, and overlapping description will be omitted.
  • the pattern 700 includes the edge 730, the effect of crack formation is further increased, and since the boundary between the patterns 700 is clearly distinguished and the repetitive pattern pattern becomes clear, the uniformity of quality may be further increased.
  • the pattern 700 may include six or more lines 720 radiating from a predetermined point 710 and an edge 730 surrounding the line 700.
  • the effect of crack formation may be maximized.
  • FIG. 16 is a top view of a magnetic sheet part according to another embodiment of the present invention.
  • the magnetic sheet part of the magnetic sheet 210 includes a pattern 700 including three or more lines 720 radiated from a predetermined point 710 and a border 730 surrounding two or more lines. Is formed.
  • the pattern may be formed of cracks.
  • a plurality of patterns 700 may be repeatedly formed on the magnetic sheet part, and one pattern 700 may be disposed to be surrounded by a plurality of patterns, for example, three to eight patterns 700. have.
  • the cracking process may include a process of applying surface pressure to the magnetic sheet unit itself to implement surface patterning or breaking the internal structure by applying a constant breaking force to the surface itself.
  • a shredding structure on the surface or inside, it is possible to reduce the permeability and to further increase the transmission efficiency.
  • it may be pressed using a roller of urethane material protruding in a pattern shape.
  • the roller of the urethane material can form a crack pattern uniformly as compared to the roller of the metal material, it can minimize the phenomenon that the metal particles remain on the surface of the metal ribbon.
  • the pressurization process may be performed for 10 minutes or less under the conditions of 25 to 200 ° C and 10 to 3000Pa.
  • the permeability and the saturation magnetism can be increased, and the eddy current loss can be reduced.
  • a metal ribbon in which a crack of a random shape is formed in the magnetic sheet part may be used.
  • Non-Cracking may have some of the remaining magnetic sheet parts having a fractured structure.
  • non-cracking a structure that is not subjected to a cracking process or a cracking process on each or both surfaces of the top magnetic sheet portion or the bottom magnetic sheet portion (hereinafter referred to as “non-cracking”)
  • non-cracking a structure that is not subjected to a cracking process or a cracking process on each or both surfaces of the top magnetic sheet portion or the bottom magnetic sheet portion
  • the lamination structure of the outermost magnetic sheet portion having such a non-crushing structure solves the problem of infiltration of salt water in a later process due to the fractured structure of the remaining magnetic sheet portion, and the fractured structure is exposed to the outer surface of the magnetic sheet. It is possible to solve the problem of damage to the protective film in the linkage process.
  • the magnetic sheet portion having the shredding structure has a relatively low permeability compared to the magnetic sheet portion having the non-crushing structure, and the porosity of the magnetic sheet portion having the shredding structure has a non-magnetic property. Compared with the magnetic sheet part having the crushed structure, it exhibits a relatively high characteristic.
  • the adhesive part is described as being composed of an adhesive in which a plurality of magnetic particles are dispersed.
  • the present invention is not limited thereto. It may be configured as.

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Abstract

일 실시 예에 의한 자성시트는, 제 1 면을 포함하는 제 1 자성시트부; 상기 제 1 면과 대면하는 제 2 면을 포함하는 제 2 자성시트부; 및 상기 제 1 면과 상기 제 2 면 사이에 배치되는 접착부를 포함하고, 상기 접착부는 복수의 자성 입자를 포함하고, 상기 복수의 자성 입자는, 상기 접착부의 두께 방향으로 농도 구배를 가질 수 있다.

Description

자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치
실시 예는 자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.
근거리 통신(NFC: Near Field Communication) 기능이 스마트폰 등의 이동 단말기에 채용되면서 대금 결제수단, 교통카드, 출입카드 또는 휴대폰 간 P2P(point to point) 정보 교환 등에 광범위하게 활용되고 있다. NFC는 13.56 MHz를 사용하며 최대 20cm 이내의 거리에서만 동작하는 초 근거리 통신방식이므로 해킹으로부터 매우 안전하여 결제수단으로 적합하다.
이러한 NFC 기능의 구현을 위한 NFC 안테나(미도시)는 사이즈를 고려하여 스마트폰(미도시)에 포함되는 배터리 뒷면에 배치되거나, 스마트폰 케이스의 뒷면에 실장되거나 또는 인몰딩(in-molding) 되고 있다. 특히, 스마트폰 배터리의 케이스는 금속으로 이루어져 있으므로 NFC안테나에서 발생된 전자기장 에너지는 기생 커플러로서 작용하는 배터리 케이스에 의하여 흡수된다. 따라서 NFC안테나의 교신감도가 낮아지게 되며 그 결과 교신거리가 매우 짧아지게 되므로 금속 배터리 케이스와 NFC안테나 사이에 전자기적 고립(isolation)이 필요하게 된다. 이러한 고립(Isolation) 수단으로는 투자율을 갖는 1mm 이하 두께의 자성시트가 주로 사용되고 있다.
한편, 최근 무선충전(즉, 무선전력 송수신) 기술이 크게 주목 받고 있다. 이러한 무선전력전송의 표준방식의 대표적인 예로는 WPC(Wireless Power Consortium), A4WP(Alliance for Wireless Power), 및 PMA(Power Matters Alliance) 방식이 있으며, 기술적으로는 자기유도 및 자기공진 방식으로 구분된다. 결국, 무선충전 시스템의 송수신 모듈에도 자기유도나 자기공진을 위한 자성소재가 사용되고 있는데, 이러한 자성소재의 사용으로 인해 전자기 차폐재로 자성시트를 도입하여 전자기적 에너지 손실을 최소화하려는 시도가 있어왔다. 이를 통해 코일 설계에만 의존해 오던 전송효율(무선전력전송)의 기능과 성능을 향상시키고자 하는 노력이 계속되고 있다.
대표적인 자성시트의 소재로는 페라이트 소재를 포함하는 시트, 금속 분말 및 고분자 수지를 포함하는 컴포지트 형태의 시트 및 금속 리본(Metallic-alloy based magnetic ribbon) 시트 또는 금속 리본 단독의 금속 리본 시트를 들 수 있다. 이 중, 페라이트 소재를 포함하는 시트의 경우 투자율은 양호하나 고온 소성 및 자속 밀도의 한계로 인하여 두께의 제약이 있고, 컴포지트 형태의 시트는 투자율이 낮아지는 문제가 있다. 반면에, 금속 리본 시트는 얇은 두께로 높은 투자율 및 자속 밀도를 얻을 수 있다.
금속 리본은 아토마이저(Atomizer) 등이 기법을 통하여 매우 얇은 박(foil)으로 제조된 비결정질 또는 나노 결정질의 금속 또는 합금을 의미한다. 다만, 이러한 금속 리본은 희망 차폐 특성을 얻기 위해 복수의 층을 갖는 적층 구조로 사용되는 것이 일반적이다. 근거리 통신이나 무선충전 시 전송되는 에너지는 주파수가 있는 자기장의 형태이므로, 금속 리본을 적층하는 대신 하나의 덩어리로 자성시트를 구성하는 경우 전도성이 커져 와전류 손실(Eddy Current Loss)이 기하급수적으로 증대하기 때문이다.
적층을 위해서는 금속 리본과 절연 기능을 갖는 접착 필름(Adhesive film)이 매 층 번갈아 배치될 수 있다. 그러나, 접착 필름이 금속 리본 사이마다 배치되는 경우 접착 필름에서 발생하는 자속 손실로 전체 유효투자율이 낮아지게 되며, 이는 전송효율 저하를 야기하는 문제점이 있다. 또한, 유효투자율을 보완하기 위해 적층 수를 높이는 경우 자성시트의 두께가 커져 근거리 통신이나 무선충전 기능이 탑재되는 제품의 디자인 자유도가 떨어지는 문제점이 있다.
실시 예는 접착력을 유지하면서도 높은 전송효율을 제공할 수 있는 접착부를 갖는 자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치를 제공한다.
일 실시 예에 의한 자성시트는, 제 1 면을 포함하는 제 1 자성시트부; 상기 제 1 면과 대면하는 제 2 면을 포함하는 제 2 자성시트부; 및 상기 제 1 면과 상기 제 2 면 사이에 배치되는 접착부를 포함하고, 상기 접착부는 복수의 자성 입자를 포함하고, 상기 복수의 자성 입자는, 상기 접착부의 두께 방향으로 농도 구배를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 자성 입자의 농도는 상기 접착부의 두께 방향의 센터로 갈수록 증가할 수 있다.
예를 들어, 상기 자성 입자의 농도는 상기 접착부의 두께 방향으로 상기 센터를 중심으로 비대칭일 수 있다.
예를 들어, 상기 자성 입자는, 상기 접착부에 50% 내지 90%의 중량 비율로 포함될 수 있다.
예를 들어, 상기 접착부는 제1 층; 상기 제1 층 아래에 배치되는 제2 층; 및 상기 제2 층 아래에 배치되는 제3층을 포함하고, 상기 복수의 자성 입자는, 상기 제2 층에 포함될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 층 및 상기 제3 층은 제1 접착제를 포함하고, 상기 제2 층은 제2 접착제 포함하며, 상기 복수의 자성 입자는 상기 제2 접착제 내에 분산될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 접착제와 상기 제2 접착제는 서로 다른 성분을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 접착제는, 에틸 비닐 아세테이트, 폴리아미드, 폴리올레핀, 리액티브 우레탄 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제2 접착제는, 아크릴수지, 우레탄수지, 에폭시 수지, 실리콘수지, 페놀 수지, 아미노 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 폴리우레테인 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 폴리 이미드 수지, 다이알릴 프탈레이트 수지 또는 이들의 변성수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 또는 제 2 자성시트부 중 적어도 하나는 소정의 지점으로부터 방사되는 3개 이상의 선을 포함하는 복수의 패턴이 형성될 수 있다.
또한, 실시 예에 의한 자성시트는, 적어도 3개의 적층된 자성시트부; 및 상기 적층된 자성시트부 중 서로 인접한 두 자성 시트부가 대면하는 두 면 사이에 각각 배치되는 접착부를 포함하고, 상기 접착부는 복수의 자성 입자를 포함하고, 상기 복수의 자성 입자는 상기 접착부의 두께 방향으로 농도 구배를 가질 수 있다.
아울러, 실시 예에 의한 무선 전력 송신 장치로부터 전송된 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치는, 기판; 상기 기판 상에 배치되는 자성시트; 및 상기 자성시트 상에 배치되고, 상기 무선 전력 송신 장치로부터 방사되는 전자기 에너지를 수신하는 코일을 포함하고, 상기 자성시트는 제 1 면을 포함하는 제 1 자성시트부; 상기 제 1 면과 대면하는 제 2 면을 포함하는 제 2 자성시트부; 및 상기 제 1 면과 상기 제 2 면 사이에 배치되는 접착부를 포함하고, 상기 접착부는 복수의 자성 입자를 포함하며, 상기 복수의 자성 입자는 상기 접착부의 두께 방향으로 농도 구배를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 무선 전력 수신 장치는, 이동 단말기 내부에 포함될 수 있다.
실시 예에 의한 자성시트 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치는 두께 방향으로 자성 입자가 농도 구배를 갖는 접착부를 포함하여, 높은 자성 입자 함량을 유지하면서도 충분한 접착면적이 확보되므로 높은 전송효율을 얻을 수 있다.
도 1은 기존의 자기 유도 방식 등가회로이다.
도 2는 무선충전 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 무선 전력 수신 장치를 나타낸 블록도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신 장치의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 4a는 일 실시 예에 따른 자성시트의 단면도를, 도 4b 및 도 4c는 일 실시 예에 따른 접착부의 단면도를 각각 나타낸다.
도 5는 일 실시 예의 다른 양상에 따른 자성시트의 단면도를 나타낸다.
도 6a 내지 도 7c는 도 4a에 도시된 자성시트(210A)의 실시 예에 의한 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도를 나타낸다.
도 8a는 일 실시 예에 따른 상부/하부 접착제층의 효과를 설명하기 위한 비교례의 단면도이고, 도 8b는 도 8a의 ‘E1’부분을 확대한 단면도이며, 도 8c는 다른 비교례의 단면도이다.
도 9a는 일 실시 예에 따른 자성시트의 자성 특성을 설명하기 위한 단면도이고, 도 9b는 비교례에 의한 자성시트의 자성 특성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 금속 리본에 크랙을 형성하기 전과 형성한 후의 주파수 별 실투자율을 비교한 그래프이다.
도 11 내지 13은 일 실시 예에 따른 자성시트부의 상면도를 나타낸다.
도 14 내지 15는 다른 실시 예에 따른 자성시트부의 상면도이다.
도 16은 또 다른 실시 예에 따른 자성시트부의 상면도를 나타낸다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
이하, 실시 예에 의한 자성시트(210) 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치(200)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 자성시트(210) 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치(200)를 설명하지만, 다른 좌표계에 의해서도 이를 설명할 수 있음은 물론이다. 데카르트 좌표계에 의할 경우, x축, y축 및 z축은 서로 직교하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, x축, y축 및 z축은 서로 직교하지 않고 교차할 수도 있다.
실시 예에서 사용되는 용어와 약어는 다음과 같이 정의될 수 있다.
- 무선충전 시스템 (Wireless Power Transfer System): 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치를 통칭하는 의미이다.
- 무선 전력 전송 장치(Wireless Power Transfer System-Charger) 또는 송신부: 자기장 영역 내에서 한 개 이상의 전력수신기에게 무선전력전송을 제공하는 장치이다.
- 무선 전력 수신 장치(Wireless Power Transfer Device) 또는 수신부: 자기장 영역 내에서 무선 전력 전송 장치부터 전송된 무선전력을 제공받는 장치이다.
- 충전 영역(Charging Area): 자기장 영역 내에서 실제적인 무선 전력 전송이 이루어지는 지역이며, 응용 제품의 크기, 요구 전력, 동작주파수에 따라 그 영역의 범위가 변할 수 있다.
- S 파라미터(Scattering parameter): 주파수 분포상에서 입력 전압대 출력전압의 비율이며 입력 포트 대 출력 포트의 비 또는 각각의 입/출력 포트의 자체 반사 값, 즉 자신의 입력에 의해 반사되어 돌아오는 출력의 값을 의미할 수 있다.
- 품질 지수 Q(Quality factor): 공진에서 Q의 값은 주파수 선택의 품질을 의미하고 Q 값이 높을수록 공진 특성이 좋으며, Q 값은 공진기에서 저장되는 에너지와 손실되는 에너지의 비로 표현된다.
실시 예에 의한 무선 전력 수신 장치에서 수신할 전력을 송신하는 무선 전력 전송 장치는 전력을 송신하기 위하여 저주파(50kHz)부터 고주파(15MHz)까지의 다양한 종류의 주파수 대역을 선택적으로 사용할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송 장치는, 무선 충전 시스템을 제어하기 위하여 데이터 및 제어신호를 교환할 수 있는 통신시스템의 지원을 요구한다.
실시 예의 무선 전력 수신 장치는 배터리를 사용하거나 필요로 하는 전자기기를 사용하는 휴대단말 산업, 스마트 시계 산업, 컴퓨터 및 노트북 산업, 가전기기 산업, 전기자동차 산업, 의료기기 산업, 로봇 산업 등 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.
실시 예는 기기를 제공한 하나 또는 복수개의 전송 코일을 사용하여 한 개 이상의 기기에 전력 전송이 가능한 무선 충전 시스템을 고려할 수 있다.
실시 예에 따르면 스마트폰, 노트북 등 모바일 기기에서의 배터리 부족문제를 해결할 수 있고, 일 예로 테이블에 무선충전패드를 놓고 그 위에서 스마트폰, 노트북을 사용하면 자동으로 배터리가 충전되어 장시간 사용할 수 있게 된다. 또한 카페, 공항, 택시, 사무실, 식당 등 공공장소에 무선충전패드를 설치하면 모바일 기기 제조사별로 상이한 충전단자에 상관없이 다양한 모바일 기기를 충전하는 것이 가능하다. 또한 무선전력전송 기술이 청소기, 선풍기 등의 생활가전제품에 적용되면 전원케이블을 찾아 다닐 필요가 없게 되고 가정 내에서 복잡한 전선이 사라지면서 건물 내 배선이 줄고 공간활용 폭도 넓어질 수 있다. 또한 현재의 가정용 전원으로 전기자동차를 충전할 경우 많은 시간이 소요되지만 무선전력전송 기술을 통해서 고전력을 전송한다면 충전시간을 줄일 수 있게 되고 주차장 바닥에 무선충전시설을 설치하게 되면 전기자동차 주변에 전원케이블을 준비 해야 하는 불편함을 해소할 수 있다.
실시 예에 의한 자성 시트는 다양한 전술한 바와 같이 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이하, 실시 예에 의한 자성 시트의 이해를 돕기 위해, 자성 시트를 포함하는 실시 예에 따른 무선 전력 수신 장치를 도 1 내지 도 3을 참조하며 다음과 같이 먼저 설명한다.
도 1은 기존의 자기 유도 방식 등가회로이다.
무선으로 전력을 전송하는 원리를 살펴보면, 무선 전력 전송 원리 중 하나로 자기 유도 방식이 있다. 자기 유도 방식은 소스 인덕터(Ls)와 부하 인덕터(Ll)를 서로 근접시켜 한쪽의 소스 인덕터(Ls)에 전류를 흘리면 발생한 자속을 매개로 부하 인덕터(Ll)에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술이다.
도 1에 도시된 자기 유도 방식 등가회로에서 송신부는 전원을 공급하는 장치에 따른 소스 전압(Vs), 소스 저항(Rs), 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs) 그리고 수신부와의 자기적 결합을 위한 소스 코일(Ls)로 구현될 수 있고, 수신부는 수신부의 등가 저항인 부하 저항(Rl), 임피던스 매칭을 위한 부하 커패시터(Cl) 그리고 송신부와의 자기적 결합을 위한 부하 코일(Ll)로 구현될 수 있다. 소스 코일(Ls)과 부하 코일(Ll)의 자기적 결합 정도는 상호 인덕턴스(Msl)로 나타낼 수 있다.
도 1에서 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs)와 부하 커패시터(Cl)가 없는 오로지 코일로만 이루어진 자기 유도 등가회로로부터 입력전압 대 출력전압의 비를 구하여 이로부터 최대 전력 전송 조건을 찾으면 최대 전력 전송 조건은 이하 수학식 1을 충족한다.
Figure PCTKR2018001676-appb-M000001
상기 수학식 1에 따라 송신 코일(Ls)의 인덕턴스와 소스 저항(Rs)의 비와 부하 코일(Ll)의 인덕턴스와 부하 저항(Rl)의 비가 같을 때 최대 전력 전송이 가능하다. 인덕턴스만 존재하는 무선 충전 시스템에서는 리액턴스를 보상할 수 있는 커패시터가 존재하지 않기 때문에 최대 전력 전달이 이루어지는 지점에서 입/출력 포트의 자체 반사 값은 ‘0'이 될 수 없고, 상호 인덕턴스(Msl) 값에 따라 전력 전달 효율이 크게 변화할 수 있다. 그리하여 임피던스 매칭을 위한 보상 커패시터로써 송신부에 소스 커패시터(Cs)가 부가될 수 있고, 수신부에 부하 커패시터(Cl)가 부가될 수 있다. 상기 보상 커패시터(Cs, Cl)는 예로 수신 코일(Ls) 및 부하 코일(Ll) 각각에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한 임피던스 매칭을 위하여 송신부 및 수신부 각각에는 보상 커패시터 뿐만 아니라 추가적인 커패시터 및 인덕터와 같은 수동 소자가 더 부가될 수 있다.
이와 같은 무선 전력 전송 원리를 바탕으로 자기 유도 방식 또는 자기 공진방식으로 전력을 전달하기 위한 무선충전 시스템을 살펴본다.
도 2는 일반적인 무선 충전 시스템의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 무선 충전 시스템은 송신부(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(2000)를 포함할 수 있다. 무선 충전 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나인 상기 수신부(2000)는 수신측 코일부(2100), 수신측 매칭부(2200), 수신측 교류/직류 변환부(2300), 수신측 직류/직류 변환부(2400), 부하부(2500) 및 수신측 통신 및 제어부(2600)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 수신부(2000)는 무선 전력 수신 장치와 혼용될 수 있다.
수신측 코일부(2100)은 자기 유도 방식을 통해 전력을 수신할 수 있고, 유도코일을 하나 또는 복수개로 구비할 수 있다. 그리고 수신측 코일부(2100)는 근거리 통신(Near Field Communication)용 안테나를 함께 구비할 수 있다. 그리고 상기 수신측 코일부(2100)은 송신측 코일부(미도시)와 동일할 수 있고, 수신 안테나의 치수는 수신부(2000)의 전기적 특성에 따라 달라질 수 있다.
수신측 매칭부(2200)는 송신기(1000)와 수신기(2000) 사이의 임피던스 매칭을 수행한다.
상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 수신측 코일부(2100)으로부터 출력되는 교류 신호를 정류하여 직류 신호를 생성한다.
수신측 직류/직류 변환부(2400)는 수신측 교류/직류 변환부(2300)에서 출력되는 직류 신호의 레벨을 부하부(2500)의 용량에 맞게 조정할 수 있다.
상기 부하부(2500)는 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서 그리고 각종 센서들을 포함할 수 있다.
수신측 통신 및 제어부(2600)는 송신측 통신 및 제어부(미도시)로부터 웨이크업 전력에 의해 활성화 될 수 있고, 상기 송신측 통신 및 제어부와 통신을 수행하고, 수신부(2000)의 서브 시스템의 동작을 제어할 수 있다.
상기 수신부(2000)는 단수 또는 복수개로 구성되어 송신부(1000)로부터 에너지를 무선으로 전달 받을 수 있다. 즉 자기 유도 방식에서 서로 독립적인 수신측 코일부(2100)를 복수개 구비하여 하나의 송신부(1000)로부터 복수의 타켓 수신부(2000)가 전력을 공급받을 수 있다. 이때 상기 송신부(1000)의 송신측 매칭부(미도시)는 복수개의 수신부(2000)들 사이의 임피던스 매칭을 적응적으로 수행할 수 있다.
또한 상기 수신부(2000)가 복수개로 구성된 경우 동일 종류의 시스템이거나 서로 다른 종류의 시스템이 될 수 있다.
한편 무선충전 시스템의 신호의 크기와 주파수 관계를 살펴보면, 자기유도 방식의 무선 전력 전송의 경우, 송신부(1000)에서 송신측 교류/직류 변환부(미도시)는 100V~230V의 60Hz의 교류 신호를 인가 받아 10V 내지 20V의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 송신측 직류/교류 변환부는 직류 신호를 인가받아 125KHz의 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 수신부(2000)의 수신측 교류직류 변환부(2300)는 125KHz의 교류 신호를 입력 받아 10V 내지 20V의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 수신측 직류/직류 변환부(2400)는 부하부(2500)에 적합한, 예를 들어 5V의 직류 신호를 출력하여 상기 부하부(2500)에 전달할 수 있다.
이하, 도 2에 도시된 무선 전력 수신 장치(2000)에 해당하는 기능 중 적어도 일부를 수행하는 실시 예에 의한 무선 전력 수신 장치(200)를 다음과 같이 살펴본다.
도 3은 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신 장치(200)의 일부를 나타내는 평면도이다.
무선 전력 수신 장치(200)는 수신 회로(미도시), 자성시트(210) 및 수신 코일(220)을 포함한다. 자성시트(210)는 기판(미도시) 상에 하나가 배치되거나 복수개가 적층되어 배치될 수 있다. 기판은 여러 겹의 고정 시트로 이루어질 수 있고, 자성시트(210)와 접합하여, 자성시트(210)를 고정시킬 수 있다.
자성시트(210)는 무선 전력 송신 장치(1000)의 송신 코일(미도시)로부터 방사되는 전자기 에너지를 집속한다.
자성시트(210) 상에는 수신 코일(220)이 적층된다. 수신 코일(220)은 자성시트(210) 상에서 자성시트(210)와 평행한 방향으로 감겨질 수 있다. 스마트폰 등의 이동 단말기에 적용되는 수신 안테나를 예로 들면, 외경 50mm 이내, 내경 20mm 이상의 나선형 코일(spiral coil)의 형태일 수 있다. 수신 회로는 수신 코일(220)을 통하여 수신된 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하며, 변환한 전기 에너지를 배터리(미도시)에 충전한다.
도시되지 않았으나, 자성시트(210)와 수신 코일(220) 사이에는 방열층이 더 포함될 수 있다.
한편, 무선 전력 수신 장치(200)가 WPC 기능과 NFC(Near Field Communication) 기능 및 모바일 결재 기능을 동시에 가지는 경우, 자성시트(210) 상에는 NFC 코일(230) 및 모바일 결재를 위한 코일(미도시)이 더 적층될 수도 있다. NFC 코일(230) 및 모바일 결재 코일은 수신 코일(220)을 둘러싸는 평면 형상을 가질 수 있다.
그리고, 수신 코일(220)과 NFC 코일(230) 각각은 단자(240)를 통하여 외부의 회로(예를 들어, 집적 회로)(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3에서는 수신 코일(220)과 NFC 코일(230) 모두가 하나의 자성시트(210) 상에 모두 배치된 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하다. 다른 실시 예에 의하면 각 코일(220, 230)의 영역마다 그에 대응되는 별도의 자성시트가 배치될 수도 있다. 이러한 경우 각 코일에 대응되는 자성시트는 서로 다른 차폐 특성을 갖도록 구성될 수도 있고, 서로 동일한 특성을 갖도록 구성될 수도 있다. 아울러, 도 3에서는 NFC 코일(230)이 수신 코일(220)의 바깥을 둘러싸는 것으로 도시되었으나, 이 또한 예시적인 것으로 두 코일(220, 230) 중 어느 하나가 다른 하나를 둘러싸지 않도록 별도의 영역에 이격되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예들에서는 두께 방향으로 자성 입자가 농도 구배를 갖는 접착부를 포함하는 자성 시트 및 그를 이용한 무선전력 수신 장치가 제공된다.
이하에서는 본 실시 예에 따른 자성 시트의 구조, 제조 공정을 도 4a 내지 도 7c를 참조하여 설명한다.
도 4a는 일 실시 예에 따른 자성시트의 단면도를, 도 4b 및 도 4c는 일 실시 예에 따른 접착부의 단면도를 각각 나타낸다.
도 4a를 참조하면, 실시 예에 따른 자성시트(210A)는 제1 자성시트부(R1), 제 2 자성시트부(R2) 및 접착부(A1)를 포함할 수 있다. 제1 자성시트부(R1), 제 2 자성시트부(R2) 및 접착부(A1)의 적어도 일부는 x축 방향으로 서로 중첩되도록 적층될 수 있다. 보다 상세히, 접착부(A1)는 제 1 자성시트부(R1)의 저면(RL1)과 대면하는 제 2 자성시트부(R2)의 상면(RU2) 사이에 배치될 수 있다.
제 1 자성시트부(R1) 또는 제 2 자성시트부(R2) 중 적어도 하나는 금속계 자성 리본(Metallic-alloy based magnetic ribbon)으로 이루어질 수 있다. 본 명세서는 '리본'을 결정질(Crystalline) 내지는 비결정질(Amorphous) 상태인 매우 얇은“밴드(band),” “끈” 내지는 “띠” 형태의 금속 합금이 통칭으로 정의한다. 아울러, 본 명세서에서 정의하는 '리본'은 원칙적으로는 금속 합금이지만, 외관상의 모양으로 인해 별도의 “Ribbon”이라는 용어를 사용하는 것이며, 상기 리본은 Fe-Si-B 이 주요 재료로 사용되며, Nb, Cu 또는 Ni 중 적어도 하나의 첨가제를 추가하여 다양한 조성으로 제조할 수 있다. 물론, 자성시트부의 소재로의 리본은 예시적인 것으로, 다른 실시 예에 의하면, 자성시트부는 Fe, Ni, Co, Mo, Si, Al 및 B 중 선택되는 원소 중 한 가지 또는 두 가지 이상 원소의 조합으로 이루어지는 금속계 자성 분말로 이루어진 리본 또는 상기 리본과 고분자의 복합재료로 구성될 수도 있다.
x축 방향으로 제 1 자성시트부(R1)의 두께(T1)와 제 2 자성시트부(R2)의 두께(T2)는 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다. 또한, 각 자성시트부(R1, R2)에서 x축 방향의 두께(T1, T2)는 y축과 z축 방향을 따라 균일할 수도 있고 불균일할 수도 있다.
예컨대, 각 자성시트부(R1, R2)에서 x축 방향의 두께(T1, T2)는 10㎛ 내지 200㎛일 수 있다.
접착부(A1)에는 자성 입자(P)가 분산되되, 접착부(A1)의 두께 방향으로 농도 구배를 가질 수 있다. 예를 들어, 자성 입자(P)의 농도는 접착부(A1)의 두께 방향의 중심(center)으로 갈수록 증가할 수 있다. 이때, 자성 입자(P)의 농도는 접착부(A1)의 두께 방향으로 센터를 중심으로 대칭일 수도 있고, 비대칭일 수도 있다.
자성 입자(P)가 접착부(A1) 내에서 두께 방향으로 농도 구배를 가짐은, 접착부(A1)가 복수의 접착제층을 포함하며 그 중 일부 접착제층이 대부분의 자성 입자(P)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 접착부(A1)는 상부 접착제층(ADu), 중앙 접착제층(ADm) 및 하부 접착제층(ADb)를 포함할 수 있다. 두께방향인 X축을 기준으로, 상부 접착제층(ADu) 위로 제 1 자성시트부(R1)가 배치되며, 하부 접착제층(ADb) 아래로 제 2 자성시트부(R2)가 배치될 수 있다. 중앙 접착제층(ADm)에는 복수의 자성 입자(P)가 분산되어, 접착부(A1) 전체로 보았을 때 두께 방향으로 농도 구배를 가지되 두께 방향으로 중앙부로 갈수록 자성 입자(P)의 농도가 높아지는 형태가 될 수 있다.
실시 예에 따라, 자성 입자(P)는 중앙 접착제층(ADm) 뿐만 아니라 상부 접착제층(ADu) 및 하부 접착제층(ADb) 중 적어도 하나에 걸쳐 분산될 수도 있다. 예컨대, 하나의 자성 입자(P)의 일부는 중앙 접착제층(ADm)에 포함되고, 나머지 일부는 상부 접착제층(ADu) 또는 하부 접착제층(ADb)에 포함되어, 두 개의 층에 걸쳐 있는 형태로 접착부(A1) 내에 분산될 수도 있다.
제 1 자성시트부(R1)의 저면(RL1)에서 그와 대면하는 제 2 자성시트부(R2)의 상면(RU2) 방향(즉, x축 방향)으로 접착부(A1)의 두께(T3)는 3㎛ 내지 1cm일 수 있다. 예를 들어, 접착부(A1)의 두께(T3)는 3 ㎛ 내지 40㎛ 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 3 ㎛ 내지 5㎛ 또는 10 ㎛ 내지 40㎛일 수 있다.
접착부(A1)를 구성하는 각 층의 두께는 도 4b를 참조하여 설명한다. 도 4b를 참조하면, 상부 접착제층(Adu) 및 하부 접착제층(ADb) 각각의 두께(T4)는 10㎛이하일 수 있다. 예를 들어, 상부 접착제층(Adu) 및 하부 접착제층(ADb) 각각의 두께(T4)는 3㎛이하일 수 있으며, 바람직하게는 1㎛이하, 보다 바람직하게는 0.5㎛이하일 수 있다.
또한, 자성 입자(P)가 분산된 중앙 접착제층(ADm)의 두께(T5)는 20㎛ 이하, 예를 들어 1 ㎛ 내지 3㎛ 또는 4㎛ 내지 20㎛일 수 있다.
물론, 상술한 두께 범위는 예시적인 것으로, 실시 예는 이에 국한되지 않으며, 각 접착제층의 두께(T4, T5)는 y축과 z축 방향을 따라 균일할 수도 있고 불균일할 수도 있다.
한편, 각 접착제층은 유기물을 포함하며, 이러한 유기물로는 접착제 성분으로는 아크릴수지, 우레탄수지, 에폭시 수지, 실리콘수지, 페놀 수지, 아미노 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 폴리우레테인 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 폴리 이미드 수지, 다이알릴 프탈레이트 수지 및 이들 변성수지 등을 들 수 있다. 여기서, 자성 입자(P)를 포함하는 중앙 접착제층(ADm)의 성분과, 상부 접착제층(Adu) 및 하부 접착제층(ADb)의 성분은 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다. 예컨대, 중앙 접착제층(ADm)의 성분은 상술한 성분 중 적어도 하나일 수 있고, 상부 접착제층(Adu) 및 하부 접착제층(ADb)의 성분은 핫 멜트(Hot melt) 방식에 사용되는 에틸 비닐 아세테이트(Ethyl vinyl acetate), 폴리아미드(polyamide), 폴리올레핀(polyolefin), 리액티브 우레탄(reactive urethane) 등이 될 수 있다.
만일, 중앙 접착제층(ADm)의 성분과, 상부 접착제층(Adu) 및 하부 접착제층(ADb)의 성분이 동일할 경우, 접착층(A1’)은 도 4c에 도시된 바와 같이 두께 방향으로 중앙에 높은 농도를 갖는 자성 입자를 제외하면, 실질적으로 접착제층들 간의 구분이 없는 형태를 가질 수 있다.
자성 입자(P)는 와전류 손실(Eddy Current Loss)을 줄이기 위해 비전도성이거나 전도성이 약한 물질로 구성될 수 있다. 일례로, 자성 입자(P)는 페라이트일 수 있으나 이는 예시적인 것으로, 다른 실시 예에 의하면 자성 입자(P)는 자성 스테인리스(Fe-Cr-Al-Si), 샌더스트(Fe-Si-Al), 퍼말로이(Fe-Ni), Fe-Si합금, 규소구리(Fe-Cu-Si), Fe-S?B(-Cu-Nb)합금, Fe-Si-Cr-Ni합금, Fe-Si-Cr합금, Fe-Si-Al-Ni-Cr합금 등으로 구성될 수도 있다.
자성 입자(P)의 크기는 5㎛이하일 수 있다. 예를 들어, 접착력 유지를 위한 입자 간의 좁은 분포 간격을 고려할 때, 자성 입자(P)의 크기는 1㎛ 이하일 수 있다. 이때, 자성 입자가 구형임을 상정할 때 자성 입자(P)의 크기는 구의 직경에 해당하나, 이는 예시적인 것으로 자성 입자는 각형이나 판상형일 수도 있다.
자성 입자는 전체 접착부(A1)의 중량 비율(wt%) 대비 50% 이상 포함될 수 있으나, 90%를 넘지 않는 것이 바람직하다. 이는 중량 비율이 전체 대비 50% 이상인 경우 자기적 특성이 크게 향상되며, 90%를 초과할 경우 자성 입자들이 지나치게 밀집되어 충분한 접착력을 얻기 어렵기 때문이다.
도 4a에 도시된 자성시트(210A)는 본 실시 예에 따른 최소 구성 단위를 예시적으로 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 자성시트는 이보다 많은 자성시트부들과 서로 인접한 두 자성시트부 사이에 배치된 접착부로 구성될 수 있다. 이를 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 일 실시 예의 다른 양상에 따른 자성시트의 단면도를 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이, 자성시트(210B)는 제 1 자성시트부(R1) 위에 제 3 자성시트부(R3)가 배치될 수 있으며, 제 1 자성시트부(R1)와 제 3 자성시트부(R3)에서 서로 대면하는 두 면 사이에도 접착부(A2)가 배치될 수 있다. 또한, 제 2 자성시트부(R2) 아래에 추가로 접착부(A3)가 더 구비될 수도 있다. 만일, 제 2 자성시트부(R2)가 자성시트(210B)에 포함된 자성시트부들 중 최하단에 배치된 경우, 제 2 자성시트부(R2) 아래의 접착부(A3)는 나머지 접착부(A1, A2)보다 x축 방향으로 더 큰 두께를 가질 수 있으며, 접착부(A3)에 자성 입자가 포함되지 않을 수도 있다. 제 2 자성시트부(R2) 아래의 접착부(A3) 밑으로는 무선 전력 수신 장치의 기판(미도시)이 배치될 수 있다.
이하, 전술한 도 4a에 도시된 자성시트(210A)의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 또한, 도 5에 도시된 자성 시트(210B)도 하기의 설명을 토대로 제조될 수 있음은 물론이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 4a에 도시된 자성시트(210A)의 실시 예에 의한 적층식 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도를, 도 7a 내지 도 7c는 도 4a에 도시된 자성시트(210A)의 실시 예에 의한 자기장을 이용한 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도를 각각 나타낸다.
도 6a를 참조하면, 먼저 제 2 자성시트부(R2)의 상면(RU2)에 하부 접착제층(ADb)이 배치된다. 하부 접착제층(ADb)은 스프레이 혹은 코팅 방식으로 제 2 자성시트부(R2)의 상면(RU2)에 도포될 수 있다.
다음으로, 도 6b와 같이 하부 접착제층(ADb) 위로 자성입자(P)가 분산된 중앙 접착제층(ADm)이 배치될 수 있다.
다음으로, 도 6c와 같이 중앙 접착제층(ADm)위로 상부 접착제층(ADu)이 배치될 수 있다. 상부 접착제층(ADu) 또한 스프레이 혹은 코팅 방식으로 중앙 접착제층(ADm) 위로 도포될 수 있다.
이후, 도 6d와 같이 상부 접착제층(ADu) 위로 제 1 자성시트부(R1)가 적층될 수 있다.
자성시트부의 적층 수에 따라, 상기 각 과정은 반복적으로 수행될 수 있다. 예컨대, 도 6d 다음에 다시 제 1 자성시트부(R1)의 상면에 하부 접착제층(ADb), 자성입자(P)가 분산된 중앙 접착제층(ADm), 상부 접착제층(ADu)이 차례로 적층된 후 그 위에 다른 자성시트부, 예를 들어, 제 3 자성시트부(R3)가 적층되는 경우 도 5의 자성시트(210B)가 형성될 수 있다. 이러한 경우, 제 2 자성시트부(R2) 아래 배치되는 접착부(A3)는 제 3 자성시트부(R3)가 적층된 후 배치될 수도 있고, 도 6a에 도시된 공정 이전에 배치될 수도 있다.
도 6a 내지 도 6d에서는 순차적 적층을 통한 자성 시트의 제조 공정을 설명하였다. 이하에서는 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 자기장을 이용한 접착부의 제조 공정을 설명한다.
먼저, 도 7a를 참조하면, 자성 입자가 두께 방향으로 균일하게, 또는 불균일하게 분산된 접착제층(ADm’+ADb’)이 준비된다. 이때, 그 두께는 하부 접착제층과 중앙 접착제층의 두께의 합, 예컨대, 도 4b에서 T4+T5에 대응될 수 있다. 이러한 접착제층(ADm’+ADb’) 상에 자성 입자에 인력으로 작용하는 자기장을 작용시키는 경우, 도 7b와 같이 자성 입자들이 자기장에 의해 접착제층 내에서 상면 방향으로 밀집하게 된다. 결과적으로, 7b의 접착제층(ADm+ADb)은 접착제의 성분이 서로 동일한 하부 접착제층(ADb)과 중앙 접착제층(ADm)이 적층된 것과 같은 형태로 볼 수 있다.
이후 도 7b의 접착제층(ADm+ADb)에 상부 접착제층(ADu)을 도포함에 따라 도 7c와 같이 접착부가 제조될 수 있다. 이때, 도 7b의 접착제층(ADm+ADb)의 성분과 상부 접착제층(ADu)의 성분은 서로 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.
물론, 도시되지는 아니하였으나 중앙 접착제층(ADm)에 기재(예컨대, PET와 같은 성분의 고분자 필름)가 포함되는 경우 자체로 형태 유지가 가능하여, 자성시트부 상에서 순차적으로 적층될 필요 없이 단독으로 상부 접착제층(ADu) 및 하부 접착제층(ADb)이 중앙 접착제층(ADm)에 바로 도포될 수도 있다.
다음으로, 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 접착부의 두께 방향으로 자성 입자가 농도 구배를 가짐으로써 도출되는 효과에 대해 다음과 같이 살펴본다. 도 8a는 일 실시 예에 따른 상부/하부 접착제층의 효과를 설명하기 위한 비교례의 단면도이고, 도 8b는 도 8a의 ‘E1’부분을 확대한 단면도이며, 도 8c는 다른 비교례의 단면도이다.
도 8a에 도시된 비교례에 따른 접착부(A1’)는, 실시 예에 따른 접착부(A1)와는 달리 상부 접착제층(ADu) 및 하부 접착제층(ADb) 없이 중앙 접착제층(ADm)만 존재하는 것으로 볼 수 있다. 이러한 비교례에 따른 접착부(A1’)가 적용되는 경우, 친화력이 좋지 않은 무기물인 자성 입자와 유기물인 접착제(AD)가 접촉하게 된다. 따라서, 접착제(AD)가 비교적 쉽게 자성 입자(P)로부터 떨어지게 되며, 제 2 자성시트부(R2)의 상면(RU2)과 자성 입자(P)의 바닥 사이 부분(E1)에 접착제(AD)가 존재하지 않을 수 있으며, 경우에 따라 자성 입자가 제 2 자성시트부(R2)의 상면(RU2)에 직접 접촉할 수도 있다. 따라서, D만큼의 직경에 해당하는 원형 평면 영역에는 접착제(AD)가 존재하지 않기 때문에, 해당 영역만큼 접착 면적의 손실이 발생하는 문제점이 있다.
E1 부분을 보다 상세히 설명하면 도 8b와 같다. 도 8b를 참조하면, 접착제(AD)가 자성 입자(P)와 친화력이 좋지 않아 가장자리에 위치하는 자성 입자의 바닥면을 완전히 감싸지 않을 수 있다. 그에 따라 제 2 자성시트부(R2)의 상면(RU2)과 자성 입자(P) 사이에는 접착제가 채워지지 않은 캐비티(C)가 형성되며, 이로 인해 캐비티(C) 저면의 평면에 해당하는 접착면이 소실되는 문제가 발생한다. 따라서, 적층 구조 사이에서 접착 상태가 유지되지 않아 접착력에 손상이 발생하는 문제가 발생할 수 있으며, 이러한 문제는 접착부에 자성 입자의 함량이 커질수록, 자성 입자의 크기가 불균일할수록 더 높은 빈도로 발생할 수 있다. 결국, 비교례에서는 접착부의 접착력 확보를 위해 접착부 전체 중량 대비 자성 입자의 중량 비율이 50%를 넘지 못하는 문제점이 있다.
물론, 도 8c와 같이 자성 입자(P)의 표면에 유기 물질로 코팅층(CT)을 형성하는 경우 자성 입자(P)는 가장자리 방향으로 밀려나더라도, 코팅층(CT)과 접착제(AD) 모두 유기물을 포함하여 둘 간의 친화력이 우수하기 때문에 제 2 자성시트부(R2)의 상면(RU2)과 자성 입자(P)의 바닥 사이 부분(E3)에 접착제(AD)가 존재할 수 있다. 따라서, 제 2 자성시트부(R2)의 상면(RU2)에 직접 자성 입자(P)가 닿지 않고 접착제가 접촉하게 되므로 접착부(A1)와 제 2 자성시트부(R2)의 상면(RU2) 사이에 접착 면적이 확보될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에도 여전히 자성 입자(P)마다 코팅층(CT)을 균일하게 형성하는 표면 처리가 필요한 문제점이 있다. 만일, 코팅층(CT)이 형성되더라도 그 두께가 너무 두꺼우면 접착부의 두께가 함께 두꺼워질 수 있으며 자성 입자(P)끼리 서로 뭉치는 문제점이 있으며, 두께가 너무 얇을 경우에도 커플링의 역할(즉, 유기물간의 친화성 발현)이 약할 수 있는 문제점이 있다.
반면에, 본 발명의 실시 예에 의하면, 자성 입자의 함량이 높더라도(예컨대, 90 wt%이하) 해당 자성 입자가 분산된 접착제층 상하로 박막 접착제층을 배치하는 것만으로 접착력이 확보되는 장점이 있다.
다음으로, 도 9a 및 도 9b를 참조하여 실시 예 및 비교례에 따른 자성시트의 자성 특성을 비교하여 살펴본다.
도 9a는 일 실시 예에 따른 자성시트의 자성 특성을 설명하기 위한 단면도이고, 도 9b는 비교례에 의한 자성시트의 자성 특성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9a를 참조하면, 실시 예에 따른 자성 시트는 자성시트부(R1, R2, R3) 사이에 배치된 접착부(A1, A2) 각각에 자성 입자가 높은 비율(50 내지 90 wt%)로 포함되어, 높은 유효 투자율을 가지므로 자속(magnetic flux)의 손실이 적다.
반면에, 도 9b에 도시된 바와 같이 자성 입자를 포함하지 않는 접착필름(AF: Adhesive film, AF1~AF4)이 각 자성시트부(R1, R2, R3, R4) 사이에 배치되는 경우, 절연체인 접착필름에 의한 자속 손실이 크게 발생하여 도 9a의 경우에 비해 동일한 유효 투자율을 얻기 위해 더 많은 자성시트부가 적층되어야 한다. 실제로, 출원인의 측정으로 도 9b의 비교례에서 복수의 접착필름 중 하나만 실시 예에 따른 접착부(중량 비율 90%)로 대체한 경우 전송효율이 1% 이상 상승하였다.
더욱이, 접착 필름은 기재(즉, 고분자 필름)의 위와 아래에 접착제가 배치된 구조를 갖는다. 이를 고려할 때, 자성시트부의 적층 수가 늘어남과 함께 자성시트부 사이에 배치되는 접착 필름의 수도 증가하게 되고, 이로 인해 비교례에 의한 자성 시트의 두께가 증가하며 박형화가 어려운 문제점까지 있다.
한편, 일 실시 예에 따르면, 자성시트(210)를 구성하는 자성시트부로 금속 리본을 사용하되, 금속 리본에 크랙을 형성하여 와전류 손실을 줄일 것을 제안한다.
도 10은 금속 리본에 크랙을 형성하기 전과 형성한 후의 주파수 별 실투자율을 비교한 그래프이다. 여기서, 투자율과 투자율 손실 간의 차는 실투자율을 의미할 수 있다.
도 10을 참조하면, 무선 충전이 사용되는 주파수 영역, 예를 들면 약 150kHz 대역에서, 금속 리본에 크랙을 형성한 후의 실투자율이 크랙을 형성하기 전의 실투자율에 비하여 현저히 큰 것을 알 수 있다.
금속 리본을 자성시트(210)의 자성시트부로 사용할 경우, 금속 리본에 크랙(crack)을 형성시켜 와전류 손실을 줄이고, 전송 효율을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는 금속 리본에 균일한 패턴의 크랙을 형성할 경우, 자성시트의 전송 효율이 향상되며, 더욱 균일한 성능을 얻을 수 있다.
도 11 내지 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자성시트부의 상면도를 나타낸다.
도 11 내지 13을 참조하면, 자성시트(210)를 구성하는 자성시트부에는 소정의 지점(710)으로부터 방사되는 3개 이상의 선(720)을 포함하는 패턴(700)이 형성된다. 여기서, 패턴은 크랙으로 형성될 수 있다. 이때, 자성시트부에는 복수의 패턴(700)이 반복하여 형성될 수 있으며, 하나의 패턴(700)은 복수의 패턴, 예를 들어 3개 내지 8개의 패턴(700)에 의하여 둘러싸이도록 배치될 수 있다.
이와 같이, 자성시트(210)의 자성시트부에 반복적인 패턴이 형성되는 경우, 와전류 손실을 줄이며, 균일하고 예측 가능한 전송 효율을 얻을 수 있다.
이때, 각 패턴(700)의 평균 직경은 50㎛ 내지 600㎛일 수 있다. 패턴(700)의 직경이 50㎛ 미만인 경우, 크랙 형성 시 금속 리본의 표면 상에 금속 입자가 과도하게 발생할 수 있다. 자성시트(210)의 표면에 금속 입자가 있는 경우, 회로 내로 금속 입자가 침투할 가능성이 있으므로, 회로 쇼트의 위험이 있다. 반면에, 패턴(700)의 직경이 600㎛를 초과하는 경우, 패턴(700) 간 거리가 커서 크랙 형성의 효과, 즉 실투자율 증가 효과가 떨어질 수 있다.
도 14 내지 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자성시트부의 상면도이다.
도 14 내지 15를 참조하면, 자성시트(210)의 자성시트부에는 소정의 지점(710)으로부터 방사되는 3개 이상의 선(720) 및 이를 둘러싸는 테두리(730)을 포함하는 패턴(700)이 형성된다. 여기서, 패턴은 크랙으로 형성될 수 있다. 여기서, 테두리(730)는 완전히 절단된 크랙이 아니며, 일부는 이어지고, 일부는 끊어진 크랙을 의미할 수 있다. 이때, 자성시트부에는 복수의 패턴(700)이 반복하여 형성될 수 있으며, 하나의 패턴(700)은 복수의 패턴, 예를 들어 3개 내지 8개의 패턴(700)에 의하여 둘러싸이도록 배치될 수 있다.
이와 같이, 자성시트부에 반복적인 패턴이 형성되는 경우, 와전류 손실을 줄이며, 균일하고 예측 가능한 전송 효율을 얻을 수 있다.
이때, 각 패턴(700)의 평균 직경은 50㎛ 내지 600㎛일 수 있으며, 범위에 따른 특성은 전술한 바와 유사하므로 중복되는 기재는 생략하기로 한다.
패턴(700)이 테두리(730)를 포함하는 경우, 크랙 형성의 효과가 더욱 높아지며, 패턴(700)간 경계가 명확하게 구분되어 반복적인 패턴 양상이 뚜렷해지므로, 품질의 균일도가 더욱 높아질 수 있다.
또한, 패턴(700)은 소정의 지점(710)으로부터 방사되는 6개 이상의 선(720) 및 이를 둘러싸는 테두리(730)를 포함할 수도 있다. 테두리(730) 내에 방사되는 6개 이상의 선(720)이 형성될 경우, 크랙 형성의 효과가 극대화될 수 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자성시트부의 상면도를 나타낸다.
도 16을 참조하면, 자성시트(210)의 자성시트부에는 소정의 지점(710)으로부터 방사되는 3개 이상의 선(720) 및 이를 2개 이상 둘러싸는 테두리(730)를 포함하는 패턴(700)이 형성된다. 여기서, 패턴은 크랙으로 형성될 수 있다. 이때, 자성시트부에는 복수의 패턴(700)이 반복하여 형성될 수 있으며, 하나의 패턴(700)은 복수의 패턴, 예를 들어 3개 내지 8개의 패턴(700)에 의하여 둘러싸이도록 배치될 수 있다.
한편, 크래킹 공정의 경우, 자성시트부 자체에 압력을 인가하여 표면 패터닝을 구현하거나 표면 자체에 일정한 파쇄력을 인가하여 내부 구조를 깨뜨리는 공정을 포함할 수 있다. 이를 통해 표면이나 내부에 파쇄구조를 포함함으로써, 투자율을 감소시킬 수 있으며, 전송효율은 더욱 높일 수 있도록 할 수 있다. 일례로, 금속 리본에 균일한 패턴의 크랙을 형성하기 위하여 패턴 형상으로 돌출된 우레탄 소재의 롤러를 이용하여 가압할 수 있다. 우레탄 소재의 롤러는 금속 소재의 롤러에 비하여 크랙의 패턴을 균일하게 형성할 수 있으며, 금속 리본의 표면에 금속 입자가 남아있는 현상을 최소화할 수 있다. 이때, 가압 공정은 25 내지 200℃, 10 내지 3000Pa 조건 하에서 10분 이하로 행해질 수 있다.
이와 같이, 무선 전력 수신 장치의 자성시트를 구성하는 자성시트부의 적어도 일부에 반복적인 패턴의 크랙이 형성된 금속 리본을 사용함으로써 투자율 및 포화 자기를 높이며, 와전류 손실을 줄일 수 있다. 또한, 금속 리본에 균일한 패턴의 크랙을 형성함으로써 전송 효율을 높일 수 있으며, 균일하고 예측 가능한 성능을 얻을 수 있다. 물론, 실시 예에 따라 자성시트부에 랜덤 형상의 크랙이 형성된 금속 리본이 사용될 수도 있다.
한편, 일 실시 예에 의하면, 복수의 자성시트부의 적층 구조를 갖는 자성시트(210)에서 일부 자성시트부는 크래킹(Cracking) 또는 브레이킹(bracking) 공정 등의 과정을 거치지 않는 구조(이하, “비파쇄구조(Non-Cracking)”라 칭함)를 나머지 일부 자성시트부는 파쇄구조를 갖도록 할 수 있다.
예컨대, 최상부 자성시트부 또는 최하부 자성시트부의 표면 각각 또는 양쪽 모두에는 크래킹(Cracking) 또는 브레이킹(bracking) 공정 등의 과정을 거치지 않는 구조(이하, “비파쇄구조(Non-Cracking)”라 칭함)의 자성시트부가 배치되도록 할 수 있다.
이러한 비파쇄구조를 가지는 최외각의 자성시트부의 적층 구조는, 나머지 자성시트부의 파쇄구조로 인해 추후 공정에서 염수의 침투가 발생하는 문제를 해소하고, 파쇄구조가 자성시트의 외부 표면으로 노출되어 추후 연계공정에서 보호필름 등에 손상되는 문제를 해소할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 실시 예에 따른 파쇄구조를 가지는 자성시트부의 경우, 비파쇄구조를 가지는 자성시트부에 비해 투자율이 상대적으로 낮은 특성을 가지게 되며, 내부의 공극률은 파쇄구조를 가지는 자성시트부가 비파쇄구조를 가지는 자성시트부에 비해 상대적으로 높은 특성을 나타내게 된다.
상술한 본 발명의 실시 예들에서는 접착부가 복수의 자성 입자가 분산된 접착제로 구성됨을 중심으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 접착부는 적어도 일면에 자성 입자가 분산된 접착제가 도포된 접착 필름으로 구성될 수도 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 제 1 면을 포함하는 제 1 자성시트부;
    상기 제 1 면과 대면하는 제 2 면을 포함하는 제 2 자성시트부; 및
    상기 제 1 면과 상기 제 2 면 사이에 배치되는 접착부를 포함하고,
    상기 접착부는
    복수의 자성 입자를 포함하고,
    상기 복수의 자성 입자는,
    상기 접착부의 두께 방향으로 농도 구배를 갖고,
    상기 자성 입자의 농도는
    상기 접착부의 두께 방향의 센터로 갈수록 증가하는, 자성시트.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 자성 입자의 농도는 상기 접착부의 두께 방향으로 상기 센터를 중심으로 비대칭인 자성시트.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 자성 입자는, 상기 접착부에 50% 내지 90%의 중량 비율로 포함되는, 자성시트.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 접착부는
    제1 층;
    상기 제1 층 아래에 배치되는 제2 층; 및
    상기 제2 층 아래에 배치되는 제3 층을 포함하고,
    상기 복수의 자성 입자는, 상기 제2 층에 포함되는, 자성시트.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 층 및 상기 제3 층은 제1 접착제를 포함하고,
    상기 제2 층은 제2 접착제 포함하며,
    상기 복수의 자성 입자는 상기 제2 접착제 내에 분산된 자성시트.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 접착제와 상기 제2 접착제는 서로 다른 성분을 포함하는, 자성시트.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 접착제는, 에틸 비닐 아세테이트, 폴리아미드, 폴리올레핀, 리액티브 우레탄 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제2 접착제는, 아크릴수지, 우레탄수지, 에폭시 수지, 실리콘수지, 페놀 수지, 아미노 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 폴리우레테인 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 폴리 이미드 수지, 다이알릴 프탈레이트 수지 또는 이들의 변성수지 중 적어도 하나를 포함하는, 자성시트.
  8. 무선 전력 송신 장치로부터 전송된 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 배치되는 자성시트; 및
    상기 자성시트 상에 배치되고, 상기 무선 전력 송신 장치로부터 방사되는 전자기 에너지를 수신하는 코일을 포함하고,
    상기 자성시트는,
    제 1 면을 포함하는 제 1 자성시트부;
    상기 제 1 면과 대면하는 제 2 면을 포함하는 제 2 자성시트부; 및
    상기 제 1 면과 상기 제 2 면 사이에 배치되는 접착부를 포함하고,
    상기 접착부는 복수의 자성 입자를 포함하며,
    상기 복수의 자성 입자는 상기 접착부의 두께 방향으로 농도 구배를 갖고,
    상기 자성 입자의 농도는
    상기 접착부의 두께 방향의 센터로 갈수록 증가하는, 무선 전력 수신 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 자성 입자는, 상기 접착부에 50% 내지 90%의 중량 비율로 포함되는, 무선 전력 수신 장치.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치는, 이동 단말기 내부에 포함되는, 무선 전력 수신 장치.
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