KR20200070836A - 평면형 코일 및 이를 포함하는 자성 소자 - Google Patents

평면형 코일 및 이를 포함하는 자성 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직렬 또는 병렬로 적층 가능한 평면형 코일 및 포함하는 자성 소자에 관한 것으로, 평면형 코일은 기판부, 상기 기판부의 상면에 배치되는 상부 코일부 및 상기 기판부의 하면에 배치되는 하부 코일부를 포함하고, 상기 상부 코일부의 외경측 단부가 연장되는 제1 방향과 상기 하부 코일부의 외경측 단부가 연장되는 제2 방향은 서로 소정 각도를 이룰 수 있다.

Description

평면형 코일 및 이를 포함하는 자성 소자{PLANAR COIL AND MAGNETIC COMPONENT INCLUDING THE SAME}
본 발명은 직렬 또는 병렬로 적층 가능한 평면형 코일 및 포함하는 자성 소자에 관한 것이다.
다양한 장치에서 널리 사용되는 자성 소자인 인덕터와 트랜스포머는 하나 이상의 턴(turn)을 형성하는 코일을 갖는다. 그런데, 코일은 원형 또는 다각형 단면 형상을 갖는 도선을 일 방향으로 감는 권선형 구조를 취하는 것이 일반적이다.
그러나, 권선형 구조는 도선의 두께로 인하여 비교적 좁은 실장 공간을 갖는 장치에 탑재되는 슬림형 소자에는 사용 될 수 없다. 따라서, 이러한 슬림형 소자에는 평판형 기판(예컨대, PCB: printed circuit board)을 적층하는 다층 기판 구조가 적용된다.
그런데, 다층 기판 구조는 제작이 까다롭고, 불량이 많으며, 제작 비용 또한 권선형에 비하여 5배 이상 비싼 문제점이 있다. 또한, 단일 제품 요구 성능에 따라 설계되는 것이 보통이므로 코일의 턴 수 등의 구성을 변경하기도 어렵다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다양한 연결 구조에 적용될 수 있는 평면형 코일 및 이를 포함하는 자성 소자를 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시예에 따른 자성 소자용 코일은, 두께 방향으로 적층된 적어도 3매의 평면형 코일을 포함하되, 상기 적어도 3매의 평면형 코일 각각은 기판부, 상기 기판부의 상면에 배치되고, 나선형 평면 형상을 갖는 상부 코일부 및 상기 기판부의 하면에 배치되고, 나선형 평면 형상을 갖는 하부 코일부를 포함하고, 상기 기판부는 내경을 정의하는 중공을 가지며, 고리형 평면 형상을 갖는 고리부; 및 상기 고리부의 외경측 일 가장자리로부터 연장되는 제1 연결부;를 포함하고, 상기 상부 코일부의 외경측 단부는 상기 고리부의 중공으로부터 멀어지는 방향으로 연장되어 상기 제 1연결부의 상면에 배치되고, 상기 하부 코일부의 외경측 단부는 상기 고리부의 중공으로부터 멀어지는 방향으로 연장되어 상기 제 1연결부의 하면에 배치되고, 상기 상부 코일부의 외경측 단부가 연장되는 제1 방향과 상기 하부 코일부의 외경측 단부가 연장되는 제2 방향은 서로 소정 각도를 이루며, 상기 3 매의 평면형 코일 각각의 중공은 두께방향으로 서로 중첩되고, 상기 두께 방향으로 서로 이웃한 다른 평면형 코일과 상기 소정 각도만큼 일 방향으로 회전되어 적층될 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 3매의 평면형 코일 각각에서, 상기 상부 코일부의 외경측 단부와 상기 하부 코일부의 외경측 단부 각각은 평면상에서 서로 이격되어 상기 두께 방향으로 서로 중첩되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 기판부는, 상기 고리부에서 상기 중공을 중심으로 상기 일 가장자리 영역과 대향하는 다른 외경측 가장자리 영역으로부터 연장되는 제2 연결부를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 소정 각도는 5도 내지 30일 수 있다.
예를 들어, 상기 상부 코일부의 내경측 단부와 상기 하부 코일부의 내경측 단부 각각은 평면 상에서 상기 두께 방향으로 적어도 일부가 중첩되되, 상기 고리부의 관통홀을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 3매의 평면형 코일 중 상기 두께 방향으로 서로 이웃한 두 평면형 코일에서, 어느 하나의 평면형 코일에 배치된 상기 상부 코일부의 외경측 단부는 다른 하나의 평면형 코일부에 배치된 상기 하부 코일부의 외경측 단부와 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 3매의 평면형 코일 각각과 동일한 형상을 갖되, 상기 적어도 3매의 평면형 코일 중 어느 하나와 상기 두께 방향으로 서로 중첩되어 적층되는 평면형 코일을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 연결부는 복수의 관통홀을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 관통홀은 상기 상부 코일부의 외경측 단부 및 상기 하부 코일부의 외경측 단부를 각각 관통할 수 있다.
예를 들어, 상기 두께 방향으로 이웃한 평면 코일의 상기 복수의 관통홀 중 적어도 일부는 상기 두께 방향으로 중첩될 수 있다.
예를 들어, 자성 소자용 코일은 적어도 하나의 전도부를 더 포함하되, 상기 적어도 하나의 전도부 각각의 일부는 상기 두께 방향으로 중첩되는 관통홀에 배치되고, 타부는 상기 두께방향으로 연장되어 외부에 노출된 영역을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 자성 소자는 두께 방향으로 적층된 적어도 3매의 평면형 코일; 및 코어를 포함하되, 상기 적어도 3매의 평면형 코일 각각은 기판부, 상기 기판부의 상면에 배치되고, 나선형 평면 형상을 갖는 상부 코일부 및 상기 기판부의 하면에 배치되고, 나선형 평면 형상을 갖는 하부 코일부를 포함하고, 상기 기판부는 내경을 정의하는 중공을 가지며, 고리형 평면 형상을 갖는 고리부; 및 상기 고리부의 외경측 일 가장자리로부터 연장되는 제1 연결부;를 포함하고, 상기 상부 코일부의 외경측 단부는 상기 고리부의 중공으로부터 멀어지는 방향으로 연장되어 상기 제 1연결부의 상면에 배치되고, 상기 하부 코일부의 외경측 단부는 상기 고리부의 중공으로부터 멀어지는 방향으로 연장되어 상기 제 1연결부의 하면에 배치되고, 상기 상부 코일부의 외경측 단부가 연장되는 제1 방향과 상기 하부 코일부의 외경측 단부가 연장되는 제2 방향은 서로 소정 각도를 이루며, 상기 3 매의 평면형 코일 각각의 중공은 두께방향으로 서로 중첩되고, 상기 두께 방향으로 서로 이웃한 다른 평면형 코일과 상기 소정 각도만큼 일 방향으로 회전되어 적층될 수 있다.
실시 예에 의한 평면형 코일은 다양한 연결 구조에 적용될 수 있으므로 자성 소자의 성능 조절이 자유롭다.
또한, 실시예에 의한 평면형 코일은 반대방향으로 전류가 흐르는 외경측 단부가 소정 각도를 이루고 있기 때문에 누설 전류로 인한 효율 저하가 완화된다.
본 발명에서 얻은 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 일 실시예에 따른 평면형 코일의 분해사시도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 평면형 코일의 평면도이다.
도 2a는 다른 실시예에 따른 평면형 코일의 분해사시도이고, 도 2b는 또 다른 실시예에 따른 평면형 코일의 평면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 두 평면형 코일이 직렬 적층되는 형태의 일례를 나탄낸다.
도 4는 도 3의 A 방향에서 바라본 직렬 적층된 평면형 코일의 측면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 평면형 코일의 누설 전류에 대한 효과를 비교례와 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 평면형 코일의 인덕턴스 특성을 비교례와 비교하여 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 평면형 코일의 품질 계수 특성을 비교례와 비교하여 설명하기 위한 그래프이다.
도 8a는 일 실시예에 따른 평면형 코일을 이용한 인덕터의 일례를 나타내는 분해사시도이고, 도 8b는 도 8a에 도시된 인덕터의 사시도이다.
도 9는 실시예들에 따른 자성 소자에 적용될 수 있는 코어부 구조를 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 평면형 코일을 이용한 인덕터의 다른 일례를 나타내는 분해사시도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 평면형 코일을 이용한 트랜스포머의 일례를 나타내는 분해사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조들이 기판, 각층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 또한, 도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1a는 일 실시예에 따른 평면형 코일의 분해사시도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 평면형 코일의 평면도이다.
도 1a 및 도 1b를 함께 참조하면, 일 실시예에 따른 평면형(planar) 코일(100A)은 기판부(110), 기판부(110)의 상면에 배치되는 상부 코일부(120) 및 기판부의 하면에 배치되는 하부 코일부(130A)를 포함할 수 있다.
기판부(110)는 인접한 코일(100A)과의 전기적 또는 물리적 연결을 위한 두 개의 연결부(111, 113)와, 고리(ring)형 평면 형상을 갖는 고리부를 포함한다. 즉, 기판부(110)에서 연결부(111, 113) 각각을 제외한 부분이 고리부에 해당할 수 있다. 고리부는 중앙에 내경을 정의하는 중공(CH)을 갖는다. 고리부의 중공(CH), 내경 및 외경은 동일한 중심점(CP)을 따라 정렬될 수 있다. 즉, 내경과 외경은 동심원에 해당한다.
연결부(111, 113)는 중심점(CP) 또는 중공(CH)을 중심으로 고리부의 외경측에서 서로 대면하는 양 가장자리에 각각 배치되되, 원호형 평면 형상을 갖는다. 다시 말해, 각 연결부(111, 113)는 고리부의 외경측 일 가장자리 영역에서 중심점(CP)으로부터 멀어지는 방향으로 연장될 수 있다. 이때, 연결부(111, 113)의 원호형 평면 형상 역시 중심점(CP)을 공유할 수 있다.
제1 연결부(111)와 제2 연결부(113) 각각은 평면 상에서 서로 이격된 복수의 관통홀을 갖는다. 예를 들어, 제1 연결부(111)는 H1, H2, H3, H4의 네 개의 관통홀을 갖고, 제2 연결부(113)는 H6, H7, H8, H9의 네 개의 관통홀을 가질 수 있다. 이때, 각 연결부(111, 113)의 관통홀은 중심점(CP)을 통과하는 두 개의 축(X1, X2)을 따라 평면상에서 정렬될 수 있다. 따라서, 두 개의 축(X1, X2)은 기판부(110)의 일 반경 방향으로 연장되는 것으로 볼 수 있다. 예를 들어, H1, H2, H6 및 H7은 제1 축(X1)을 따라 나란히 정렬되고, H3, H4, H8 및 H9는 제2 축(X2)을 따라 나란히 정렬된다. 여기서, 제1 축(X1)과 제2 축(X2)은 일정 각도 (θ)를 가지고 중심점(CP)에서 교차한다. 각도의 크기 및 의미는 도 5를 참조하여 후술하기로 한다. 실시예에 따라, 각 연결부(111, 113)는 중심점(CP)으로부터 거리가 동일한 두 개의 관통홀만 가질 수도 있다. 예를 들어, 각 연결부(111, 113)는 H1, H3, H6 및 H8 만 갖거나, H2, H4, H7 및 H9 만 가질 수도 있다.
한편, 고리부는 내경측에 인접한 관통홀(H5)을 가질 수 있다. 관통홀(H5)은 적어도 일부가 도전체로 충진되어(예컨대, PTH: Plated Through Hole 또는 Via Hole) 상부 코일부(120)의 내경측 단부(127)와 하부 코일부(130)의 내경측 단부(137A)를 전기적으로 연결시킬 수 있다. 이를 위해, 상부 코일부(120)의 내경측 단부(127)와 하부 코일부(130)의 내경측 단부(137A)의 적어도 일부는 평면 상에서 두께 방향으로 중첩될 수 있다. 따라서, 상부 코일부(120)와 하부 코일부(130)는 직렬로 연결되고 권선 방향에 해당하는 회전 방향이 동일하기 때문에, 상부 코일부(120)와 하부 코일부(130A)의 턴수를 합산하면 평면형 코일부(100A)의 총 턴수가 된다. 예를 들어, 도 1a 및 도 1b에 도시된 각 코일부(120, 130A)는 5턴을 가지므로, 평면형 코일부(100A)의 턴수는 10턴에 해당한다.
예를 들어, 기판부(110)는 페놀, 에폭시 수지, 폴리이미드 등 절연성을 갖는 고분자 수지를 포함할 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상부 코일부(120)와 하부 코일부(130A) 각각은 나선(spiral)형 평면 형상을 갖는 박막형 금속 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 각 코일부(120, 130A)는 중심점(CP)으로 수렴하는 나선형 평면 형상을 가질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상부 코일부(120)와 하부 코일부(130A) 각각은 나선(spiral)형 평면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 각 코일부(120, 130A)는 중심점(CP)으로 수렴하는 나선형 평면 형상을 가질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상부 코일부(120)와 하부 코일부(130A)의 외경측 단부(121, 131A)는 설계의 목표가 되는 목표 턴수를 만족한 후 제1 연결부(111) 상에서 절곡 또는 만곡되어 중심점(CP)에서 멀어지는 방향으로 연장될 수 있다. 또한, 각 단부(121, 131A)는 하나 이상의 관통홀(123, 125, 133A, 135A)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상부 코일부(120)의 외경측 단부(121)는 제1 연결부(111)의 제1 홀(H1)과 두께 방향으로 중첩(또는 정렬)되는 관통홀(123) 및 제2 홀(H2)과 두께 방향으로 중첩(또는 정렬)되는 관통홀(125)을 포함할 수 있다. 아울러, 하부 코일부(130A)의 외경측 단부(131A)는 제1 연결부(111)의 제3 홀(H3)과 두께 방향으로 중첩(또는 정렬)되는 관통홀(133A) 및 제4 홀(H4)과 두께 방향으로 중첩(또는 정렬)되는 관통홀(135A)을 포함할 수 있다. 다시말해, 평면형 코일(100A) 전체로 봤을 때, 제1 연장부(111)에는 복수의 관통홀이 배치되되, 복수의 관통홀 각각은 상부 코일부(120)의 외경측 단부(121)와 하부 코일부(130A)의 외경측 단부(131A)를 관통하는 것으로 볼 수 있다.
따라서, 상부 코일부(120)의 두 관통홀(123, 125)은 제1 축(X1)을 따라 평면상에서 정렬되고, 하부 코일부(130A)의 두 관통홀(133A, 135A)은 제2 축(X2)을 따라 평면상에서 정렬될 수 있다.
만일, 각 연결부(111, 113)는 중심점(CP)으로부터 거리가 동일한 두 개의 관통홀만 가질 경우, 상부 코일부(120)의 외경측 단부(121)와 하부 코일부(130A)의 외경측 단부(131A)도 제1 연결부(111)의 관통홀과 두께 방향으로 중첩되는 관통홀만 가질 수 있다. 아울러, 상부 코일부(120)의 외경측 단부(121)와 하부 코일부(130A)의 외경측 단부(131A) 각각의 연장 방향은 소정 각도를 가지고 교차하며, 이때 각도는 제1 축(X1)과 제2 축(X2)이 이루는 각도 (θ)에 해당할 수 있다. 또한, 상부 코일부(120)의 외경측 단부(121)와 하부 코일부(130A)의 외경측 단부(131A) 각각은 평면상에서 서로 이격되어 두께 방향으로 서로 중첩되지 않는 것이 바람직하다.
한편, 상부 코일부(120)와 하부 코일부(130A) 각각에서 외경측 단부(121, 131A)를 제외한 나머지 부분(즉, 나선형 평면 형상을 이루는 부분)의 외경은 평면상에서 기판부(110)의 고리부 외경보다 작으며, 내경은 평면상에서 기판부(110)의 고리부 내경보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 적층시 두께 방향으로 서로 인접하는 다른 평면형 코일의 코일부(120, 130A)와의 절연을 위해, 평면형 코일부(100A)의 상면과 하면중 적어도 제1 연결부(111) 및 제2 연결부(113)에 해당하지 않는 부분은 절연막 형성을 통해 절연 처리되는 것이 바람직하다. 예컨대, 절연막은 절연 필름의 부착으로 형성될 수도 있고, 절연물질을 도포하는 방법으로 형성될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2a는 다른 실시예에 따른 평면형 코일의 분해사시도이고, 도 2b는 또 다른 실시예에 따른 평면형 코일의 평면도이다.
도 2a에 도시된 다른 실시예에 다른 평면형 코일(100B)은, 도 1a 및 도 1b에 도시된 평면형 코일(100A) 대비 기판부(110)와 상부 코일부(120)의 구성은 동일하다. 다만, 하부 코일부(130B)는 턴을 형성하지 않고 외경측 단부(131B)가 중심점(CP) 방향으로 기판부(110)의 관통홀(H5)까지 연장된 형태를 가질 수 있다. 따라서, 다른 실시예에 따른 평면형 코일(100B)의 턴수는 상부 코일부(120)턴수와 동일하게 된다. 물론, 이러한 경우에도 하부 코일부(130B)의 외경측 단부(131B)는 제1 연결부(111)의 관통홀들(H3, H4)과 두께 방향으로 중첩되는 관통홀(133B, 135B)을 가질 수 있다.
다음으로, 도 2b에 도시된 또 다른 실시예에 다른 평면형 코일(100C)은 도 1a 및 도 1b에 도시된 평면형 코일(100A) 대비 제2 연결부(113)가 삭제됨을 제외하면 나머지 구성은 일 실시예에 따른 평면형 코일(100A)과 동일할 수 있다. 물론, 실시예에 따라 도 2a에 도시된 평면형 코일(100B)에서도 제2 연결부(113)가 삭제될 수도 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 두 평면형 코일이 직렬 적층되는 형태의 일례를 나탄낸다.
도 3의 상단에는 동일한 두 개의 일 실시예에 따른 평면형 코일(100A-1, 100A-2)의 결합 전 평면도가 도시되고, 도 3의 하단에는 상단의 두 평면형 코일(100A-1, 100A-2)이 적층되어 직렬 연결된 형태를 나타내는 평면도가 도시된다.
여기서, 직렬 연결은 한 평면형 코일(100A-1)의 상부 코일부(120-1)의 외경측 단자(121-1)가 다른 평면형 코일(100A-2)의 하부 코일부(130A-2)의 외경측 단자(131A-2)와 전기적으로 연결되는 형태를 갖는다. 따라서, 이해를 돕기 위해 좌측에 도시된 평면형 코일(100A-1)은 코일부 중 상부 코일부(120-1)만을 도시하였고, 우측에 도시된 평면형 코일(100A-2)은 코일부 중 하부 코일부(130A-2)만을 도시하였다.
도 3의 상단을 참조하면, 직렬 연결을 위해 한 평면형 코일(100A-1)의 상부 코일부(120-1)의 외경측 단자(121-1)가 다른 평면형 코일(100A-2)의 하부 코일부(130A-2)의 외경측 단자(131A-2)와 평면 상에서 연장 방향을 따라 서로 정렬, 또는 두께 방향으로 중첩되도록, 두 평면형 코일은 중공(CH)을 중심으로 소정 각도만큼 어긋나게 적층될 수 있다. 이때, 소정 각도는 도 1b에 도시된 바와 같이 제1 축(X1)과 제2 축(X2)이 이루는 각도 (θ)에 해당할 수 있다. 예컨대, 우측 평면형 코일(100A-2)이 중공(CH)을 중심으로 θ만큼 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 이러한 상태에서 우측 평면형 코일(100A-2)을 좌측 평면형 코일(100A-1) 상으로 중공(CH)을 중심으로 정렬하여 적층시키면 도 3의 하단과 같은 상태가 된다.
도 3의 하단을 참조하면, 한 평면형 코일(100A-1)의 상부 코일부(120-1)의 외경측 단자(121-1)가 다른 평면형 코일(100A-2)의 하부 코일부(130A-2)의 외경측 단자(131A-2)와 평면 상에서 연장 방향을 따라 서로 정렬, 또는 두께 방향으로 중첩된다. 그로 인해, 한 평면형 코일(100A-1)의 외경측 단자(121-1)의 두 관통홀(123-1, 125-1)은 다른 평면형 코일(100A-2)의 외경측 단자(131A-2)의 두 관통홀(133A-2, 135A-2)과 수직 방향으로 정렬 및 중첩된다. 이러한 관통홀 간의 중첩은 제2 연장부에도 동일하게 발생할 수 있다. 예를 들어, 제2 연장부 측의 H7-1 홀과 H9-2홀, H6-1홀과 H8-2홀은 각각 서로 평면상에서 두께 방향으로 정렬 및 중첩될 수 있다.
이러한 관통홀 간의 중첩관계로 전도부의 삽입을 통한 통전 및 고정이 가능하다. 이를 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 도 3의 A 방향에서 바라본 직렬 적층된 평면형 코일의 측면도이다.
도 4를 참조하면, 위에서부터 아래 방향으로, 상측 평면형 코일의 제1 영역(111-2)에 배치된 제4 홀(H4), 일 외경측 단자(131A-2)의 관통홀(135A-2), 다른 외경측 단자(121-1)의 관통홀(125-1) 및 하측 평면형 코일의 제1 영역(111-1)에 배치된 제2 홀(H2)은 도 3에 도시된 바와 같은 적층 상태로 인해, 두께 방향으로 중첩 및 정렬되어 일체로 하나의 관통홀(TH)을 형성하게 된다. 여기에 관통홀(TH)의 직경에 해당하는 지름을 갖는 핀 형태의 전도부(140, 이하 편의상 "핀"이라 칭함)을 삽입할 경우, 두 평면형 코일(100A-1, 100A-2)의 적층 상태가 고정됨과 함께, 두 외경측 단자(131A-2, 121-1) 간의 전기적 연결이 더욱 확고해질 수 있다. 실시예에 따라, 핀(140)은 끼워맞춤 식으로 관통홀(TH)에 고정될 수도 있고, 솔더링을 통해 관통홀(TH)에 고정될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 아울러, 핀(140)이 관통홀(TH)에 삽입될 경우, 핀(140)의 일부는 관통홀(TH)에 배치되고, 타부는 두께방향으로 연장되어 외부에 노출된 영역을 갖게 된다.
한편, 핀(140)이 배치됨으로 인해 전기적 연결 안정 및 기구적 강도 향상은 물론, 핀(140) 자체가 해당 관통홀(TH)을 따라 정렬된 각 코일부(120-1, 130A-2)에 대한 외부 소자/회로와의 전기적 연결을 위한 터미널 역할을 수행할 수도 있다. 아울러, 핀(140)이 전기적 전도성과 함께 열 전도성을 갖는 물질(예컨대, 구리, 알루미늄 등)로 이루질 경우, 핀(140)은 각 코일부의 열을 외부로 방출하는 방열 또는 전열 기능을 수행할 수도 있다. 예컨대, 핀(140)이 실시예에 따른 평면형 코일(100A, 100B, 100C)을 이용한 자성 소자가 실장되는 기판이나 방열판, 냉각 소자 등에 연결될 경우, 핀(140)은 자성 소자의 열방출 경로로 기능할 수 있다.
이러한 핀(140)은 제1 연결부(111)에 배치된 관통홀 중 적어도 하나에 배치될 수 있으며, 반드시 다른 평면형 기판의 제1 연결부(111)와 두께 방향으로 중첩되는 관통홀에 배치되어야 하는 것은 아니다. 또한, 전열성이나 전기 전도성과 무관하게, 기구적 강도 향상을 위해 제2 연결부(111)의 관통홀 중 적어도 일부에 핀(140)이 배치될 수도 있다. 따라서, 이하의 도면 및 기재에서는 핀(140)이 도시되지 않았더라도 각 관통홀의 적어도 일부에는 핀(140)이 배치된 상태로 볼 수도 있다.
이하에서는 도 5 내지 도 7을 참조하여 상부 코일부(120)의 외경측 단부(121)와 하부 코일부(130A, 130B)의 외경측 단부(131A, 131B) 각각의 연장 방향이 소정 각도를 이룸에 따른 효과를 설명한다.
도 5는 일 실시예에 따른 평면형 코일의 누설 전류에 대한 효과를 비교례와 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 좌측에는 비교례에 따른 코일부(120'+130A')의 RLC 등가 회로가, 도 5의 우측에는 실시예에 따른 코일부(120+130A)의 등가 RLC회로가 각각 도시된다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 코일부의 외경측 양 단부(121, 131A) 각각의 연장 방향은 소정 각도(θ)를 이루고 있는데 반해, 비교례에 따른 코일부(120'+130A')의 외경측 양 단부(121', 131A')의 연장 방향은 서로 평행한 점을 제외하면 나머지 부분은 서로 동일한 구성을 갖는다.
따라서, 비교례와 실시예에 따른 코일부는 공통적으로 코일부의 저항 주성분, 인덕턴스 주성분, 실장 상태 변수분의 크기는 동일한 것으로 볼 수 있다. 여기서 실장 상태 변수분은 접지(GND)와의 거리에 따라 변동하는 값일 수 있다. 반면에, 외경측 단부 구성이 상이함에 따라, 인덕턴스 간섭분은 서로 다르다. 이는, 외경측 양 단부에는 각각 전류(I) 방향이 반대인 점에서 기인한다. 구체적으로, 앙페르의 법칙에 따르면 전류가 흐르는 방향에 의해 자기장의 방향이 결정되는데, 평행한 두 도선에 전류가 서로 반대 방향으로 흐르면 자기장이 서로 상쇄되는 방향으로 발생하는 바, 누설 전류로 인한 인덕턴스 저하가 발생하게 된다. 따라서, 비교례에서는 인덕턴스 간섭분이 -가 될 뿐 아니라 고주파 저항도 증가하게 되므로, 품질 계수(Quality Factor)도 감소한다. 아울러, 외경측 양단부의 연장 방향이 서로 평행할 경우 도 3에서와 같이 평면형 코일부를 직렬로 적층할 때 외경측 양단부끼리의 정렬도 불가해진다.
반면에, 실시예에서는 외경측 단부간 각도(θ)에 따라 인덕턴스 간섭분의 크기가 비교례 대비 작아진다. 예를 들어, θ 가 0도보다 큰 각도를 갖는 순간부터 상호 간섭량이 감소하기 시작하며, 45도 이상이 되면 상호 간섭량이 최소가 된다. 다만, 실시예에 따른 외경측 양단부간 각도(θ)는 5도보다 작으면 상호 간섭량이 커지고, 45도보다 커지면 직렬 적층 수에 따라 각 평면형 코일의 제1 연장부(111)와 제2 연장부(113)가 차지하는 평면 면적이 지나치게 커져 적층수에 제한이 생간다. 따라서, 실시예에 따른 외경측 양단부간 각도(θ)는 5도 내지 45도가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5도 내지 30도의 범위를 가질 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 평면형 코일의 인덕턴스 특성을 비교례와 비교하여 설명하기 위한 그래프이다.
도 6에서 가로축은 주파수를, 세로축은 인덕턴스를 각각 나타낸다. 도 6을 참조하면, 도 5의 좌측과 같은 구성을 갖는 비교례는 도 5의 우측과 같은 구성을 갖는 실시예 대비 대부분의 주파수 영역에서 낮은 인덕턴스를 가짐을 알 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 평면형 코일의 품질 계수 특성을 비교례와 비교하여 설명하기 위한 그래프이다.
도 7에서 가로축은 주파수를, 세로축은 품질계수(Q)를 각각 나타낸다. 도 7을 참조하면, 도 5의 좌측과 같은 구성을 갖는 비교례는 도 5의 우측과 같은 구성을 갖는 실시예 대비 전체 주파수 영역에서 낮은 품질 계수를 가짐을 알 수 있다.
이하에서는 도 8a 내지 도 11을 참조하여 실시예에 따른 평면형 코일(100A, 100B, 100C)의 적층을 통해 구성되는 자성 소자를 설명한다.
도 8a는 일 실시예에 따른 평면형 코일을 이용한 인덕터의 일례를 나타내는 분해사시도이고, 도 8b는 도 8a에 도시된 인덕터의 사시도이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 실시예에 따른 인덕터(200A)는 두께 방향으로 적층된 3 매의 평면형 코일(100A-1, 100A-2, 100A-3)과 코어부(150)로 구성될 수 있다.
이때, 각 평면형 코일(100A-1, 100A-2, 100A-3)은 도 3을 참조하여 전술한 바와 같은 방식으로 직렬 연결되므로, 총턴수는 30턴에 해당할 수 있다. 또한, 각 연결부의 관통홀에는 도 4를 참조하여 전술한 바와 같이 핀(140)이 삽입될 수 있다.
코어부(150)는 상부 코어(151)와 하부 코어(152)를 포함할 수 있으며, 코어부(150)의 중족은 적층된 각 평면형 코일(100A-1, 100A-2, 100A-3)의 중공을 관통할 수 있다. 코어부(150)는 페라이트 계열 물질로 구성될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도시된 코어부(150)는 PQ 타입 코어로, 이는 널리 알려진 바와 같으므로 자세한 기재는 생략하기로 한다. 실시예에 따라, 코어부(150)는 PQ 타입 대신 EE 타입 코어나 E-I 타입 코어 등 다른 형상의 코어로 대체될 수도 있음은 물론이다.
도 9는 실시예들에 따른 자성 소자에 적용될 수 있는 코어부 구조를 나타낸다.
도 9의 (a)를 참조하면, 코어부(150)에서 상부 코어(151)와 하부 코어(152) 각각의 중족 사이에는 갭(gap, G1) 또는 에어 갭(air gap)이 배치될 수 있다. 코어부(150)가 이러한 구조를 가질 경우, 해당 부위 주변의 코일부에는 전류 밀도가 높아져 발열이 상대적으로 크게 발생한다. 예컨대, 실시예에 따른 평면형 코일부(100A)가 적용될 경우, 상부 코일부(120)와 하부 코일부(130A) 각각에서 외경측 대비 중족의 갭(G1)에 가까운 내경측에 큰 전류 밀도로 인한 발열이 발생한다. 이러한 문제점을 해소하기 위해, 상부 코일부(120)와 하부 코일부(130A) 각각에서 외경측에서 내경측에 가까워질수록 선폭이 커질 수 있다. 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이 상부 코일부(120)와 하부 코일부(130A) 각각이 5턴을 형성할 경우, 외경측에서 내경측 방향으로 각 턴을 구분 단위로하여 1턴부부터 5턴부까지를 정의한다면, 선폭은 "1턴부 < 2턴부 < 3턴부 < 4턴부 <5 턴부"와 같이 순차적으로 커질 수 있다. 물론, 이는 예시적인 것으로 적어도 5턴부의 선폭이 1턴부 내지 4턴부 중 적어도 일부의 선폭보다 큰 것으로 족하다.
이와 달리, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 코어부(150)에 중족 사이의 갭(G1)뿐만 아니라, 양측 외족 사이에도 갭(G2, G3)이 존재할 경우, 해당 부위 주변의 코일부에는 전류 밀도가 높아져 발열이 상대적으로 크게 발생한다. 예컨대, 실시예에 따른 평면형 코일부(100A)가 적용될 경우, 상부 코일부(120)와 하부 코일부(130A) 각각에서 중족의 갭(G1)에 가까운 내경측과 외족의 갭(G2, G3)에 가까운 외경측 모두 중앙측 대비 큰 전류 밀도로 인한 발열이 발생한다. 이러한 문제점을 해소하기 위해, 상부 코일부(120)와 하부 코일부(130A) 각각에서 외경측과 내경측에 가까워질수록 선폭이 커질 수 있다. 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이 상부 코일부(120)와 하부 코일부(130A) 각각이 5턴을 형성할 경우, 외경측에서 내경측 방향으로 각 턴을 구분 단위로하여 1턴부부터 5턴부까지를 정의한다면, 선폭은 "3턴부 < 2턴부 < 4턴부 < 1턴부 <5 턴부"와 같이 순차적으로 커질 수 있다. 물론, 이는 예시적인 것으로 적어도 5턴부와 1턴부의 선폭이 나머지 턴부의 선폭보다 큰 것으로 족하다.
한편, 도 9의 (a)나 (b)에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 갭을 갖는 코어가 사용될 경우, 평면 방향뿐 아니라, 수직 방향으로도 갭에 가까울수록 코일부 발열이 커진다. 예컨대, 상부 코일부(151)와 하부 코일부(152)가 서로 대칭된 형상을 가질 경우, 도 8a 및 도 8b에 도시된 인덕터(200A)에서는 복수의 평면형 코일(100A-1, 100A-2, 100A-3) 중 두께 방향으로 중앙에 위치하는 평면형 코일(100A-2)이 가장 갭과 가깝게 된다. 따라서, 해당 평면형 코일(100A-2)에 가장 발열이 크게 발생될 것을 예측할 수 있다. 이러한 발열을 완화시키기 위해, 실시예에 따른 평면형 코일의 병렬 연결을 통한 적층이 고려될 수 있다. 이를 도 10을 참조하여 설명한다.
도 10은 일 실시예에 따른 평면형 코일을 이용한 인덕터의 다른 일례를 나타내는 분해사시도이다.
도 10에 도시된 인덕터(200B)는 도 8a 및 도 8b에 도시된 인덕터(200A)에서 두께 방향으로 중앙에 위치하는 평면형 코일(100A-2)이 병렬 연결된 두 개의 평면형 코일(100A-2, 100A-3)로 대체된 점을 제외하면, 나머지 구성은 동일하다.
병렬 연결은 두 개의 평면형 코일(100A-2, 100A-3)이 평면 상에서 중공(CH)을 중심으로 서로 어긋나지 않고, 두께 방향으로 서로 중첩되도록 정렬되는 형태로 적층되는 형태를 갖는다. 이러한 적층 형태로 인해, 두 평면형 코일(100A-2, 100A-3) 각각의 상부 코일부의 외경측 단부끼리 핀(140)에 의해 서로 전기적으로 연결되고, 하부 코일부의 외경측 단부들 또한 다른 핀(140)에 의해 서로 전기적으로 연결되므로, 병렬 연결이 이루어지는 것이다. 두께 방향으로 중앙에 위치하는 두 개의 평면형 코일(100A-2, 100A-3)이 서로 병렬 연결됨에 따라, 실질적으로 개별 평면형 코일의 전류 밀도는 절반이 되므로, 코어부(150)에 배치된 갭에 의한 발열 문제가 저감될 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 평면형 코일을 이용한 트랜스포머의 일례를 나타내는 분해사시도이다.
도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 평면형 코일(100A) 한 장과, 다른 실시예에 따른 두 장의 평면형 코일(100B-1, 100B-2)이 적층된 상태로 코어부(150)와 결합된 형태의 트랜스포머(300)가 도시된다.
이때, 두께 방향으로 상부에 배치된 평면형 코일(100A)은 1차측 코일에 해당하며, 중간부와 하부에 배치된 평면형 코일(100B-1, 100B-2)은 2 차측 코일에 해당할 수 있다.
이때, 1차측 코일에 해당하는 평면형 코일(100A)의 두 외경측 단부가 존재하는 제1 연결부와, 2차측 코일을 구성하는 두 평면형 코일(100B-1, 100B-2) 각각의 제1 연결부는 코어부(150)를 기준으로 평면 상에서 서로 반대 방향에 배치될 수 있다. 따라서, 1차측 코일의 두 단자(1st)와 2차측 코일의 세 단자(즉, 두 개의 시그널 단자(2nd-s1, 2nd-s2)와 하나의 그라운드 단자(2nd-G))는 모든 연결부의 관통홀에 핀을 배치하여도 서로 절연 상태를 유지할 수 있다.
한편, 2차측 코일을 구성하는 두 평면형 코일(100B-1, 100B-2)은 서로 직렬 연결 형태를 가지나, 두 평면형 코일 간의 직렬 연결부위가 그라운드 단자2nd-G)에 해당하므로 2차측 코일의 턴비는 5:5가 된다. 이때, 1차측 코일의 턴수는 10턴이 되는 바, 1차측: 2차측 턴비는 10:5(또는 10:5:5)가 될 수 있다.
전술한 실시 예 각각에 대한 설명은 서로 내용이 상충되지 않는 한, 다른 실시 예에 대해서도 적용될 수 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, 지금까지 상술한 평면형 코일(100A, 100B, 100C)의 턴수나 턴 방향, 코어부(150)의 형태, 자성 소자들(200A, 200B, 300)의 적층 수 및 형태는 모두 예시적인 것으로, 이들의 변형은 모두 본 발명의 범위에 속함은 당업자에 자명하다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100A, 100B, 100C: 평면형 코일
110: 기판부
120: 상부 코일부
130A, 130B: 하부 코일부
200A, 200B: 인덕터
300: 트랜스포머

Claims (12)

  1. 두께 방향으로 적층된 적어도 3매의 평면형 코일을 포함하되,
    상기 적어도 3매의 평면형 코일 각각은 기판부, 상기 기판부의 상면에 배치되고, 나선형 평면 형상을 갖는 상부 코일부 및 상기 기판부의 하면에 배치되고, 나선형 평면 형상을 갖는 하부 코일부를 포함하고,
    상기 기판부는
    내경을 정의하는 중공을 가지며, 고리형 평면 형상을 갖는 고리부; 및
    상기 고리부의 외경측 일 가장자리로부터 연장되는 제1 연결부;를 포함하고,
    상기 상부 코일부의 외경측 단부는 상기 고리부의 중공으로부터 멀어지는 방향으로 연장되어 상기 제 1연결부의 상면에 배치되고,
    상기 하부 코일부의 외경측 단부는 상기 고리부의 중공으로부터 멀어지는 방향으로 연장되어 상기 제 1연결부의 하면에 배치되고,
    상기 상부 코일부의 외경측 단부가 연장되는 제1 방향과 상기 하부 코일부의 외경측 단부가 연장되는 제2 방향은 서로 소정 각도를 이루며,
    상기 적어도 3매의 평면형 코일 각각의 중공은 두께방향으로 서로 중첩되고, 상기 두께 방향으로 서로 이웃한 다른 평면형 코일과 상기 소정 각도만큼 일 방향으로 회전되어 적층되는, 자성 소자용 코일.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 3매의 평면형 코일 각각에서,
    상기 상부 코일부의 외경측 단부와 상기 하부 코일부의 외경측 단부 각각은 평면상에서 서로 이격되어 상기 두께 방향으로 서로 중첩되지 않는, 자성 소자용 코일.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 기판부는,
    상기 고리부에서 상기 중공을 중심으로 상기 일 가장자리 영역과 대향하는 다른 외경측 가장자리 영역으로부터 연장되는 제2 연결부를 더 포함하는, 자성 소자용 코일.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 소정 각도는 5도 내지 30도인, 자성 소자용 코일.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 코일부의 내경측 단부와 상기 하부 코일부의 내경측 단부 각각은 평면 상에서 상기 두께 방향으로 적어도 일부가 중첩되되, 상기 고리부의 관통홀을 통해 서로 전기적으로 연결되는, 자성 소자용 코일.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 3매의 평면형 코일 중 상기 두께 방향으로 서로 이웃한 두 평면형 코일에서,
    어느 하나의 평면형 코일에 배치된 상기 상부 코일부의 외경측 단부는 다른 하나의 평면형 코일부에 배치된 상기 하부 코일부의 외경측 단부와 서로 전기적으로 연결되는, 자성 소자용 코일.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 3매의 평면형 코일 각각과 동일한 형상을 갖되, 상기 적어도 3매의 평면형 코일 중 어느 하나와 상기 두께 방향으로 서로 중첩되어 적층되는 평면형 코일을 더 포함하는, 자성 소자용 코일.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 연결부는 복수의 관통홀을 갖는, 자성 소자용 코일.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 복수의 관통홀은 상기 상부 코일부의 외경측 단부 및 상기 하부 코일부의 외경측 단부를 각각 관통하는, 자성 소자용 코일.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 두께 방향으로 이웃한 평면 코일의 상기 복수의 관통홀 중 적어도 일부는 상기 두께 방향으로 중첩되는, 자성 소자용 코일.
  11. 제10 항에 있어서,
    적어도 하나의 전도부를 더 포함하되,
    상기 적어도 하나의 전도부 각각의 일부는 상기 두께 방향으로 중첩되는 관통홀에 배치되고, 타부는 상기 두께방향으로 연장되어 외부에 노출된 영역을 포함하는, 자성 소자용 코일.
  12. 두께 방향으로 적층된 적어도 3매의 평면형 코일; 및
    코어를 포함하되,
    상기 적어도 3매의 평면형 코일 각각은 기판부, 상기 기판부의 상면에 배치되고, 나선형 평면 형상을 갖는 상부 코일부 및 상기 기판부의 하면에 배치되고, 나선형 평면 형상을 갖는 하부 코일부를 포함하고,
    상기 기판부는
    내경을 정의하는 중공을 가지며, 고리형 평면 형상을 갖는 고리부; 및
    상기 고리부의 외경측 일 가장자리로부터 연장되는 제1 연결부;를 포함하고,
    상기 상부 코일부의 외경측 단부는 상기 고리부의 중공으로부터 멀어지는 방향으로 연장되어 상기 제 1연결부의 상면에 배치되고,
    상기 하부 코일부의 외경측 단부는 상기 고리부의 중공으로부터 멀어지는 방향으로 연장되어 상기 제 1연결부의 하면에 배치되고,
    상기 상부 코일부의 외경측 단부가 연장되는 제1 방향과 상기 하부 코일부의 외경측 단부가 연장되는 제2 방향은 서로 소정 각도를 이루며,
    상기 적어도 3매의 평면형 코일 각각의 중공은 두께방향으로 서로 중첩되고, 상기 두께 방향으로 서로 이웃한 다른 평면형 코일과 상기 소정 각도만큼 일 방향으로 회전되어 적층되는, 자성 소자.
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