우수한 변압효율과 방열성을 겸비하는 박막형 변압기{Excellent voltage transformation Efficiency and heat dissipation planar printed circuit board type transformer}

본 발명은 인쇄회로기판을 이용한 변압기에 관한 것으로, 코일이 인쇄된 기판을 단위체로 1차코일 기판과 2차코일 기판으로 적층하여 소형화 및 경량화 할 수 있도록 하는 발전기에 관한 것이다.

통상, 교류전압을 높히거나 낮추기 위한 전자소자로서 변압기(transformer)가 사용된다. 이러한 변압기는 1차 코일과 2차 코일 사이에 절연 간극을 가지고, 2차 코일에서 유도되는 전압은 1차 코일에 인가된 전압과 1차코일과 2차 코일의 권선비에 따라 크기가 조정된다.

종래 변압기는 코일이 권취되는 코어 또는 보빈의 크기가 크고, 무게가 무겁기 때문에 경박 단소한 전자제품에 사용하기에는 적합하지 않아, 인쇄회로기판에 코일패턴을 형성한 트랜스포머가 사용되고 있다.

예컨대, 한국 공개특허공보 제10-2011-0138576호와, 한국 공개특허공보 제10-2014-0117835호에는 인쇄회로기판에 의해 제조되는 변압기가 개시되어 있다. 이들 변압기는 제1코일 패턴 및 제2코일 패턴이 형성된 복수의 인쇄회로기판을 상,하부에 마련된 코어부로 조립하여 제조된다. 이와 같은 구조의 변압기는 인쇄회로기판에 코일패턴을 형성함으로써 코일 권선 작업이 필요 없고, 평면상에 인쇄되는 코일패턴으로 인해 소자의 크기 및 부피를 줄일 수 있다.

여기서 인쇄회로기판에 형성되는 코일패턴은 주로 스크린 인쇄방식으로 제작된다. 그러나 마스크의 표면에 작은 폭과 두께로 이루어진 미세한 개구가 형성된 경우, 점성이 있는 도전성 잉크는 미세한 마스크의 개구를 통해 낙하되기가 어렵고, 낙하 되더라도 기판 표면과의 점착력이 약해 건조과정에서 표면으로부터 쉽게 탈락되어, 코일패턴과 같은 미세한 선폭의 인쇄에는 미흡한 문제가 있다.

특히, 코일의 작용에 따라 비례하는 열이 발생하는데 복수의 인쇄회로기판이 코어부에 밀폐된 상태로 내장됨에 따라 발생된 열을 제대로 방출할 수가 없는 구조를 가지고 있다. 따라서 과열로 인한 전력의 손실이 발생됨은 물론, 자체 내구성의 저하로 수명이 단축되는 문제가 있다.

이에 따라 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 근본적으로 해결하기 위한 것으로서, 기판에 도전성 잉크를 소정 압력으로 압박되게 토출시켜 코일을 인쇄하는데 이어서 적층된 회로기판으로부터 발생한 열을 신속하게 방출하는 방열판을 개재한 박막형 변압기를 제공하려는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 박막형 변압기에 있어서: 중앙에 코어홀이 형성된 기판과, 상기 기판의 일면에 도전성 잉크를 소정 압력으로 토출하는 인쇄모듈이 코일을 인쇄하고, 상기 코일과 연결되어 외부와 접속시키는 단자로 구성되는 회로기판;이 변압량에 따라 복수로 적층되고, 상기 회로기판 사이마다 개재되는 절연판;과, 상기 절연판 사이마다 개재되어 회로기판으로부터 발생하는 열을 외부로 방출시켜 냉각하도록 중앙에 장착홀이 형성되고, 적어도 회로기판을 포용하는 크기로 형성되어 코일에 생성되는 열을 수집하는 집열편과, 상기 집열편으로부터 연장되어 수집된 열을 외부로 방출시키는 냉각편으로 형성된 방열판;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 의한 상기 인쇄모듈은 도전성 잉크를 수용하는 호퍼와, 상기 호퍼 상에 잉크를 소정 압력으로 토출시키는 압송펌프를 구비하는 공급부; 상기 공급부의 하류단에 압송된 잉크를 확산시키는 분기다이와, 상기 분기다이 내에 진공을 형성하는 진공펌프를 구비하는 챔버부; 상기 챔버부의 직하방에 기판의 일면과 밀착되는 인쇄다이와, 상기 인쇄다이 내에 코일의 패턴으로 관통된 유로가 형성되는 인쇄부;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

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또한, 본 발명에 의한 상기 냉각편은 접촉되는 공기의 유속을 증가시키는 하나 이상의 방열구가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 방열판은 집열편 상에 생성되는 와전류의 단락 현상을 방지하도록 장착홀까지 절개된 공극이 형성된 것을 특징으로 한다.

한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이상의 구성 및 작용에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 기판에 도전성 잉크를 소정 압력으로 압박되게 토출시켜 코일을 인쇄시킴으로서 기판 표면에 잉크가 견고하게 점착되어 불량을 방지할뿐더러 회로기판 사이마다 방열판을 개재시켜 발열로 인한 전력손실은 최소화하고 수명을 증가시킬 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 변압기를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 변압기를 절개하여 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 변압기를 분리하여 나타내는 분해도.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 변압기의 주요부를 추출하여 나타내는 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 변압기의 변형예를 나타내는 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 인쇄모듈을 나타내는 구성도.
도 8은 본 발명에 따른 인쇄모듈의 주요부를 추출하여 나타내는 구성도.
도 9 내지 도 11은 본 발명에 따른 인쇄모듈이 기판에 코일을 인쇄하는 과정을 나타내는 작동도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 인쇄회로기판을 이용한 변압기에 관한 것으로, 도 1 및 도 2처럼 한 쌍의 코어(C)와 연결구(C1)로 구성된 코어부내에 회로기판(10)과 절연판(20) 및 방열판(30)이 적층된 것을 주요 구성으로 하는 박막형 변압기(100)이다.

본 발명에서 회로기판(10)과 절연판(20) 및 방열판(30)을 수용하는 코어(C)는 자성분말이나 페라이트를 포함하는 재질로 형성되어 내장된 회로기판(10)에 자기장 형성을 돕는 역할을 수행한다. 그리고 연결구(C1)는 수용된 회로기판(10)의 단자(13)와 방열판(30)의 냉각편(35)을 외부로 노출되게 유도한다. 이러한 연결구(15)는 코어(C)로부터 노출될 단자(23)와 냉각편(35)에 따라 크기와 위치 및 개수가 적용된다.

본 발명에 따른 회로기판(10)은 도 2 및 도 3처럼 코어(10)내에 변압량에 따라 복수로 적층되는 1차 회로기판(10)과, 1차 회로기판(10)의 자기장에 의해 기전력이 유도되는 2차 회로기판(10)으로 구성할 수가 있다.

여기서 회로기판(10)은 도 4처럼 중앙에 코어축(C1)과 대응하는 코어홀(11a)이 형성된 기판(11)과, 기판(11)의 일면 또는 양면에 도전성 잉크를 소정 압력으로 토출하는 인쇄모듈(40)이 코일(12)을 나선으로 인쇄하고, 일측 또는 양측에 코일(12)과 연결되어 외부와 접속시키는 단자(13)가 돌출된다. 여기서 인쇄모듈(40)에 대해서는 후속하는 방열판(30) 이후에 기판(11)이 코일(12)을 인쇄하는 과정과 함께 설명하겠다.

먼저, 기판(11)은 열경화성수지인 페놀수지 또는 에폭시수지로 구성하여 잘 휘어지지 않도록 구현할 수 있고, 열가소성수지인 폴리아미드, 폴리에스테르로 구성하여 쉽게 휘어지도록 구현할 수도 있다.

그리고 코일(12)은 기판(21)의 일면 또는 양면에 권선패턴이 형성되는 층으로, 기존의 보빈에 권선된 코일에 대응되며 전자기유도를 발생시키는 자기 경로를 생성한다. 이러한 자기 경로의 형성을 위해서는 도전성 재질로 이루어지는 동박, 은박, 알루미늄박 등의 금속박이나 금속산화물이 분산된 도전성 잉크가 사용될 수 있다. 도전성 잉크를 이용할 경우 인쇄모듈(40)을 통한 스크린 방식을 이용하여 권선패턴이 형성될 수 있다. 권선패턴은 코어홀(11a)을 중심으로 시작점과 종료점을 가지는 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다.

단자(13)는 1차 회로기판(10)과 2차 회로기판(10)을 외부회로와 전기적으로 접속시키는 것으로, 내벽면이 도전체로 코팅되어 관통하는 단자홀(13a)로 형성된다. 단자홀(13a)은 상호 연결되지 않은 1차 회로기판(10)과 2차 회로기판(10)의 권선패턴이 종료점에 형성되고, 별도의 단자핀이 삽입되어 전기적으로 연결된다.

또한, 본 발명에 따른 절연판(20)은 도 3처럼 회로기판(10) 사이마다 개재되는데, 회로기판(10)의 일면에 노출된 코일(12)을 덮어 보호하도록 절연재질로 형성된다. 이러한 절연판(20)은 코일(12)의 두께보다 60~100%의 두께로 형성하는 것이 좋다. 예컨대 코일(12)의 두께가 10㎛라고 가정할 때, 절연판(20)의 두께가 16㎛의 미만이면 코일(12)의 두께가 너무 얇아 관통될 우려가 있고, 절연판(20)의 두께가 20㎛를 초과하면 변압기(100)의 전체 부피가 증가되는 문제가 있다.

또한, 본 발명에 따른 방열판(30)은 도 3처럼 절연판(20) 사이마다 개재되어 회로기판(10)으로부터 발생하는 열을 외부로 방출시켜 냉각시키는 역할을 수행한다. 이러한 방열판(30)은 열전도성이 우수하고 가공성이 뛰어난 알루미늄계 재질로 형성하는 것이 좋다.

여기서 방열판(30)은 도 5처럼 중앙에 코어축(C1)과 대응하는 장착홀(31a)이 형성되고, 적어도 회로기판(10)을 포용하는 크기로 형성되어 코일(12)에 생성되는 열을 수집하는 집열편(31)과, 집열편(31)으로부터 연결구(C1)외로 연장되어 수집된 열을 외부로 방출시키는 냉각편(35)으로 구성된다. 즉, 집열편(31)에 수집된 열은 냉각편(35)으로 이동하고, 냉각편(35)에 이동된 열은 접촉되는 공기로 전달된다.

이때, 냉각편(35)은 도 6a처럼 접촉되는 공기의 유속을 증가시키는 하나 이상의 방열구(35a)를 더 형성하는 것이 좋다. 냉각성능은 냉각편(35)에 이동된 열이 공기로 전달하는 속도에 따라 좌우되는데, 전달속도는 공기의 흐름 속도와 비례하게 된다. 즉, 방열구(35a)는 냉각편(35)의 표면에 흐르는 공기의 방향을 전환(와류)시켜 유속을 증가시켜 줌에 따라 냉각성능을 향상시켜 준다.

물론, 냉각편(35)상에 방열구(35a)와 함께 방열돌기(35b)를 형성해 두면, 냉각성능을 극대화할 수도 있다. 그리고 방열판(30)은 집열편(31)상에 생성되는 와전류의 단락 현상을 방지하도록 장착홀(31)까지 절개된 공극(37)을 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 기판(11)의 일면에 코일(12)을 인쇄하는 인쇄모듈(40)은 도 7처럼 공급부와 챔버부 및 인쇄부로 구성된다.

공급부는 도전성 잉크를 수용하는 호퍼(41)와, 호퍼(41)상에 잉크를 소정 압력으로 토출시키는 압송펌프(42)를 구비하고, 챔버부는 공급부의 하류단에 압송된 잉크를 확산되게 공간이 마련된 분기다이(43)와, 분기다이(43)내에 진공을 형성하는 진공펌프(44)를 구비한다. 여기서 압송펌프(42)는 호퍼(41)상에 잉크를 분기다이(43)에 압송할 수도 있고, 공기만을 압송할 수도 있다. 그리고 압송펌프(42)와 분기다이(43) 사이에는 유량 및 압력을 측정하는 센서(S) 및 체크밸브(V)가 개재되며, 진공펌프(44)에는 이물질을 포집하는 필터가 내장된다.

인쇄부는 챔버부의 직하방에 기판(11)의 일면과 밀착되는 인쇄다이(45)가 장착되는데, 인쇄다이(45)는 도 8a처럼 내부에 코일(12)의 패턴으로 관통된 유로(46)가 형성된다. 여기서 인쇄다이(45)의 두께 또는 유로(46)의 높이는 기판(11)에 인쇄되는 코일(12)의 두께와 비례하게 된다. 이때, 인쇄다이(45)는 도 8b처럼 분기다이(43)와 마주하는 유로(46)의 선단을 잉크의 포집속도가 향상되도록 경사면(46a)으로 형성할 수도 있다.

이러한 인쇄모듈(40)에 의해 기판(11)에 코일(12)을 인쇄하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 도 9처럼 진공펌프(44)가 작동하여 분기다이(43)내에 형성된 진공으로 기판(11)을 인쇄다이(45)에 밀착시킨다. 여기서 진공에 의해 기판(11)의 표면과 함께 분기다이(43)와 유로(46)에 존재하는 이물질이 필터에 포집되어 제거된다.

이어서 도 10처럼 압송펌프(42)가 호퍼(11)에 충진 된 잉크를 인쇄될 코일(12)의 체적만큼 분기다이(43)내로 토출시킨다. 분기다이(43)에 토출된 잉크가 유로(46)에 모여지는 타이밍에서 도 11처럼 압송펌프(42)가 공기만을 분기다이(43)에 재 압송시킨다. 즉, 유로(46)에 모여진 잉크는 공압에 의해 기판(11)의 표면으로 견고하게 점착된다.

따라서 기판(11)으로 토출된 잉크가 표면에 가압되어 인쇄됨에 따라, 기판(11)의 표면에 잉크가 견고하게 점착되어 코일(12)을 미세한 두께로 인쇄하더라도 탈락의 우려가 없고, 잉크 토출량의 제어로 코일(12)의 두께를 자유롭게 조절할 수 있어 전기적 사양에 적합한 호환성을 제공할 수가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

C: 코어 C1: 연결구
S: 센서 V: 체크밸브
10: 회로기판 11: 기판
11a: 코어홀 12: 코일
13: 단자 13a: 단자홀
20: 절연판 30: 방열판
31: 집열편 31a: 장착홀
35: 냉각편 35a: 방열구
35b: 방열돌기 37: 공극
40: 인쇄모듈 41: 호퍼
42: 압송펌프 43: 분기다이
44: 진공펌프 45: 인쇄다이
46: 유로 46a: 경사면
100: 변압기