KR100623518B1 - 무선 식별 안테나용 자성시트 및 그 제조방법, 이를 이용한무선 식별 안테나 - Google Patents

무선 식별 안테나용 자성시트 및 그 제조방법, 이를 이용한무선 식별 안테나 Download PDF

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권상균
김범진
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Abstract

본 발명은 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 자성시트층 사이에 비정질 합금으로 이루어진 비정질 합금리본을 적층시켜 압축 성형함에 의해 박형으로 투자율이 우수하며 제조공정이 간단해지는 다층 구조를 갖는 무선 식별 안테나용 자성시트 및 그 제조방법, 이를 이용한 무선 식별 안테나에 관한 것이다.
본 발명의 자성시트는 비정질 합금분말과 수지를 혼합하여 시트를 제작한 후 압축 성형하여 시트의 상대밀도를 증가시킨 후, 이렇게 제조된 적어도 한쌍의 압축 시트층 사이에 비정질 합금리본을 삽입하여 적층한 후 압축 성형함에 의해 비정질 합금리본의 미세균열을 제어하여 최종 제품의 특성을 향상시켰다.
무선 식별 안테나, 압소바, 자성시트, 다층 구조, 압축 성형

Description

무선 식별 안테나용 자성시트 및 그 제조방법, 이를 이용한 무선 식별 안테나{Magnetic Sheet for RF Identification Antenna, Method for Producing the Same and RF Identification Antenna Using the Same}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 식별 안테나용 자성시트의 제조방법을 설명하기 위한 공정도,
도 2는 도 1에서 성형된 혼합시트의 롤링공정을 설명하기 위한 설명도,
도 3은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 무선 식별 안테나용 자성시트의 압착성형 공정을 설명하기 위한 공정 단면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 무선 식별 안테나용 자성시트의 단면도,
도 5a 및 도 5b는 제1실시예에 따른 무선 식별 안테나용 자성시트를 이용하여 제조된 무선 식별 안테나를 휴대전화의 배터리부에 적용한 예를 나타내는 단면도 및 안테나 코일을 나타낸 사시도,
도 6은 비교예 3에 따른 무선 식별 안테나 구조를 나타낸 단면도,
도 7a 및 도 7b는 비교예 2의 단면 사진 및 실시예 1의 단면 사진이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
1: 상부롤 2: 하부롤
3: 압착성형롤 4,5,5a~5c: 혼합시트
10,10a: 자성시트층 6,6a,6b: 비정질 합금리본
7: 다층 시트 11: 안테나 코일 패턴
12는 절연층 13a-13c: 접착층
15: 비정질 합금리본 16: 공간
20: 배터리 21: 배터리 케이스
본 발명은 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 자성시트층 사이에 비정질 합금으로 이루어진 비정질 합금리본을 적층시켜 압축 성형함에 의해 박형으로 투자율이 우수하며 제조공정이 간단해지는 다층 구조를 갖는 무선 식별 안테나용 자성시트 및 그 제조방법, 이를 이용한 무선 식별 안테나에 관한 것이다.
최근, IC칩을 구비한 트랜스폰더(transponder)와 리더/라이터 사이 또는 트랜스폰더와 리더 사이에서 데이터를 교신하는 무선 식별 시스템(radio frequency identification system, 이하 RFID 시스템이라 함)이 보급되고 있다. 이 RFID 시스템은 트랜스폰더(transponder) 및 리더/라이터 각각에 구비된 안테나를 사용하여 데이터를 교신하기 때문에, 이들을 접촉시키지 않고 트랜스폰더를 리더/라이터로부터 수 cm 내지 수십 cm 떨어뜨려도 통신이 가능하고, 오염이나 정진기 등에 강하므 로 공장의 생산관리, 물류 유통 및 재고 관리, 입퇴실 관리 등의 여러 분야에서 이용이 되고 있다.
예컨대, 최근 RFID 시스템을 이용하는 기기로서 휴대전화가 있다. 통상 휴대전화는 본체부와 배터리부가 분리가능하게 결합되어 있는데, RFID 시스템을 이용할 수 있는 휴대전화는 본체부 중 배터리부와 접하게 되는 면에 IC칩을 구비하도록 구성되어 있고, 배터리부 중 본체부와 접하지 않는 반대 면에 태그 안테나(tag antenna)를 구비하고 본체부와 접하게 되는 면에 배터리를 구비하도록 구성되어 있다.
상기 배터리부를 구성하는 태그 안테나와 배터리는 플라스틱 등으로 이루어진 케이스 내에 내장된 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 본체부의 IC 칩과 배터리부의 태그 안테나가 전술한 RFID 시스템의 트랜스폰더 열할을 하게 되며, 이들은 휴대전화 외부에 위치하는 리더와 데이터를 주고받는다. 구체적으로, 리더 안테나에서는 135kHz 이하 혹은 13.56MHz의 주파수, 특히 인덕티브(inductive) 방식을 사용한 RFID 휴대전화는 13.56MHz 주파수를 주로 사용하여 무선 전자기파인 사인파가 만들어지며, 이에 의하여 리더 안테나는 태그, 즉 트랜스폰더 안테나 쪽으로 에너지를 전달하고 태그 쪽으로부터 데이터를 받게 된다.
상기와 같은 주파수 영역의 RFID 시스템은 트랜스포머 방식의 인덕티브 전자기 커플링에 의해 상호 통신이 이루어지며, 이를 위해 태그 안테나는 직사각형의 평면 나선형 인덕터(inductor)로 구성될 수 있다. 통신은 안테나의 LC 공진에 의하여 이루어지며 공진 주파수는 인덕터의 인덕턴스와 캐패시터의 캐패시턴스에 의해 결정된다. 트랜스폰더는 통상 병렬공진회로를 채택하고 있으며 이 경우 최소의 전류로 최대의 전압을 얻기 위하여는 LC 공진에 의한 공진주파수에서 임피던스를 최대로 얻을 수 있도록 설계되는 것이 중요하다.
태그 안테나에서 유도되는 전압은 페러데이 법칙(Faraday's law)과 렌쯔 법칙(Lenz's law)에 의하여 결정되므로, 높은 전압 신호를 얻기 위해서는 트랜스폰더 안테나 코일과 쇄교하는 자속의 양이 많을수록 유리하다. 자속의 양은 트랜스폰더 안테나 코일에 포함된 연자성 재료의 양이 많을수록, 그리고 재료의 투자율이 높을수록 크게 된다. 특히, RFID 시스템은 본질적으로 비접촉에 의한 데이터 통신이기 때문에 리더 안테나에서 만들어지는 무선 전자기파를 태그 안테나로 집속시키기 위해서는 투자율이 높은 자성재료로 이루어진 압소바 시트(absorber sheet)가 필요하다.
일반적으로 주어진 트랜스폰더용 안테나 코일에서 인덕턴스의 높고 낮음은 사용된 자성재료의 투자율에 비례하는 값으로 주어진다. 통신 과정에서 트랜스폰더 안테나의 인덕턴스가 높을수록 이에 비례하여 높은 전압이 유기되기 때문에 태그 안테나용 압소바 시트의 재료로서 투자율이 높은 자성재료를 채택하면 데이터를 통신할 수 있는 거리가 증가될 뿐만 아니라 데이터의 오류 확률을 낮출 수 있다.
휴대전화 RFID 안테나용 압소바 시트를 구성하기 위한 종래의 자성재료로는 Mn-Zn계 또는 Ni-Zn계 산화물을 포함하는 페라이트를 수지와 합계 혼합하여 시트형태로 제작한 것들이 사용되고 있다. 이와 같은 종래 기술에서는 이들 페라이트의 두께의 불균일로 인하여 트랜스폰더 안테나의 인덕턴스 편차가 심하여 LC 공진 회 로의 튜닝이 매우 어렵다. 또한, 두께의 오차 범위를 초과하는 불균일은 자성시트를 배터리 팩 공간 내에 부착할 때 설치의 어려움 뿐 만 아니라, 데이터의 상호 전달과정에서 이진 코드(binary code) 데이터의 형성 및 전달과정에서 오류가 발생하여 불량률이 매우 높게 된다.
또한, 최근 휴대전화는 게임, 화상통신, 인터넷 기능 추가, 카메라 등의 고기능을 채택함에 따라 전력 사용량이 증가하여, 주어진 공간 내에서 배터리의 체적을 가능한 크게 하는 것이 필요하며, 이와 더불어 기기의 소형화와 박형화가 진행되고 있다. 그러나, 페라이트로 제작되는 RFID 안테나용 자성 시트는 0.35㎜ 이하의 두께에서는 트랜스폰더 안테나의 RFID 통신을 위한 인덕턴스가 낮아 통신거리가 지나치게 짧아지는 등의 성능품질이 구현되지 않기 때문에 새로운 재료의 개발이 절실히 요구되고 있다.
한편, 연자성 특성이 우수한 퍼멀로이(permalloy) 또는 몰리브덴(Mo)을 함유하고 있는 MPP도 휴대전화 RFID 안테나용 압소바의 자성 재료로서 사용되고 있다. 퍼멀로이 또는 MPP는 페라이트에 비해 연자성 특성이 우수하여 0.2㎜에서도 휴대전화 RFID 안테나용 시트로 사용이 되고 있지만, 구상으로 제조되는 분말을 나노 사이즈로 분쇄한 후 편평화하여야 하기 때문에 제조공정이 복잡하고 까다로우며 원재료가 고가인 문제점이 있다.
상기와 같이, 종래 기술에서 자성재료로서 사용된 페라이트나 몰리브덴을 함유한 퍼멀로이의 경우, 이들은 공정조건과 관계없이 구상의 결정질을 이룬다. 따라서, 페라이트나 몰리브덴을 함유한 퍼멀로이를 이용하여 0.2㎜ 이하의 얇은 두께의 시트를 제조하기 위해서는 미세 분말화를 거쳐 분말의 편형화 공정 등의 복잡한 공정을 거쳐야 하는 문제가 있었다. 또한, 이들 종래 재료들은 얇은 두께일수록 자성을 나타내는 재료의 유효단면적을 확보할 수 없기 때문에 RFID 통신의 거리확보에 필요한 인덕턴스를 높게 만들기에는 한계가 있으며, 제조시 두께가 불균일하여 인덕턴스의 편차가 심한 문제가 있었다.
이러한 문제점을 고려하여 본 출원인은 특허 제0523313호에서 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B, Co-Fe-Si-B로 이루어진 군에서 선택되는 조성을 갖고 비정질 합금을 포함하는 자성시트로 이루어진 RFID 안테나용 압소바, 이를 포함하는 RFID 안테나 및 무선 식별 기기를 제안하였다. 용융방사(melt spinning) 공정으로 제조되는 비정질 합금은 기존의 금속 연자성 분말재료에 비해 연자성 특성이 우수하여 인덕터 및 공통모드 인덕터(common mode choke) 등의 전자부품에 이용되고 있다.
상기 제0523313호에서는 비정질 합금분말과 수지를 혼합하여 제조한 시트의 상부 및 하부에 비정질 합금 리본을 탑재하여 그 특성을 향상시키려고 하였다. 이 때, 비정질 합금 리본은 로스가 커서 고주파수에서는 투자율이 낮아지기 때문에 폭 1.5㎜ 이하로 슬리팅하여 시트에 부착 제조하였다. 그러나, 비정질 합금 리본의 슬리팅 공정 및 그 슬리팅된 리본을 시트에 배열하는 공정은 합금리본의 특성상 손상되기 쉽기 때문에 제조공정이 까다롭고 생산성을 크게 떨어트리는 요인이 되고 있다.
또한, 비정질 합금리본은 전도성 물질이라 절연층을 형성해야하는 추가공정이 필요하여 최종 두께를 낮추는데 방해요인으로 작용한다.
더욱이, 제0523313호는 단순히 비정질 합금분말과 시트를 혼합하여 제조하기 때문에 비정질 합금분말의 상대밀도를 50% 이상으로 제조하기 힘들다. 따라서, 혼합 시 분말의 양을 증가시키더라도 최종 제품에서는 시트화 되지 않고 남는 분말의 부분은 시트 표면에 잔류하게 된다. 따라서, 제0523313호의 발명에서는 시트의 두께가 감소함에 따라 인덕턴스가 감소하게 된다.
상기 제0523313호는 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B로 이루어진 군에서 선택되는 조성의 물질을 비정질로 제조한 합금을 이용하는 경우, 0.2㎜ 이하의 얇고 균일한 두께를 갖는 자성시트로 제조할 수 있다.
그러나, 상기 선행특허에서 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B로 이루어진 군에서 선택되는 조성의 물질을 비정질로 제조한 합금으로 제조된 합금분말과 수지를 혼합하여 제조한 자성시트 및 위 조성 군의 비정질 합금리본을 슬리팅하여 첨가한 시트는 투자율이 높아서 그 특성이 기존의 페라이트나 몰리브덴을 함유한 퍼멀로이보다 우수하지만 비정질 합금분말과 수지를 단순 혼합하여 제조하는 공정으로는 0.2㎜ 이하로 제조할 경우 기존의 0.35㎜ 이상에서 나타내었던 특성이 감소되는 문제점이 있다.
본 발명자들은 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B 중에서 선택되는 어느 하나의 조성을 갖고 비정질(amorphous)인 합금을 이용하여 시트를 제조 할 때, 위 조성의 합금을 분쇄하여 제조한 분말형 합금과 바인더가 혼합된 시트 사이에 위 조성의 비정질 합금 리본을 탑재하여 제조할 경우, 기존의 비정질 합금리 본을 슬리팅하여 첨가하는 것보다 제조공정이 단순하여 간단한 공정 및 저 비용으로 제조할 수 있다는 사실을 밝혀내었다.
또한, 상기와 같은 종래의 비정질 합금리본이 첨가된 자성시트는 원재료의 로스(loss) 특성 때문에 리본을 일정한 크기로 슬리팅하여서 제조하였으나, 비정질 합금분말과 수지로 혼합된 시트 사이에 비정질 합금리본을 슬리팅 없이 탑재하고 롤링 또는 프레싱 등으로 외부에서 일정한 압력으로 결합시키면, 비정질 합금리본에 미세균열이 일정하게 발생하여 로스가 기존에 비정질 합금 리본을 슬리팅하는 것보다 낮은 것을 밝혀내었다.
따라서, 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 자성시트층 사이에 비정질 합금으로 이루어진 비정질 합금리본을 적층시켜 압축 성형함에 의해 박형으로 제조공정이 간단해지며 투자율이 우수한 다층 구조를 갖는 무선 식별 안테나용 자성시트 및 그 제조방법, 이를 이용한 무선 식별 안테나를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B로 이루어진 군에서 선택된 조성을 갖고 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 제1 및 제2 자성시트층과, 상기 비정질 합금 중 1종으로 이루어지고 상기 제1 및 제2 자성시트층 사이에 적층된 제1비정질 합금리본으로 구성되어, 다층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 RFID용 자성시트를 제공한다.
상기 RFID용 자성시트는 바람직하게는 상기 제1 및 제2 자성시트층 중 어느 하나의 표면에 적층되며 상기 비정질 합금 중 1종으로 이루어지는 제2비정질 합금리본과, 상기 제2비정질 합금리본의 표면에 적층되며 상기 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 제3자성시트층을 더 포함한다.
이 경우, 상기 혼합시트 사이에 적층한 비정질 합금 리본은 시트의 롤링 또는 프레스를 통하여 미세 크랙이 발생하여 로스를 떨어뜨리므로 비정질 합금리본의 단점인 주파수 특성을 개선하고 기존의 비정질 합금 리본을 사용하기 위해 슬리팅 했던 복잡한 공정을 개선할 수 있다. 이러한 경우에는 RFID 통신에서 필요한 인덕턴스를 효과적으로 얻을 수 있기 때문에 동일 두께의 배터리 팩에서 배터리의 용량을 늘이거나, 혹은 배터리 팩의 두께를 더욱 초박형으로 만드는 것이 가능하게 된다.
상기한 본 발명에 따른 RFID용 자성시트의 제조방법은 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B로 이루어진 군에서 선택되는 조성을 갖고 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 제1 및 제2 자성시트층을 준비하는 단계와, 상기 비정질 합금 중 1종으로 이루어진 제1비정질 합금리본을 준비하는 단계와, 상기 제1 및 제2 자성시트층 사이에 상기 제1비정질 합금리본을 적층한 후 적층된 자성시트층의 상대밀도를 증가시킴과 동시에 상기 제1비정질 합금리본에 미세 균열을 형성하기 위하여 적층된 다층 자성시트층을 압축 성형하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 RFID용 자성시트의 제조방법은, 상기 비정질 합금 중 1종으로 이루어지는 제2비정질 합금리본과, 상기 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 제3자성시트층을 준비하는 단계와, 상기 적층된 자성시트층을 롤링하기 전에 상기 제1 및 제2 자성시트층 중 어느 하나의 표면에 제2비정질 합금리본을 적층하고 상기 제2비정질 합금리본의 표면에 제3자성시트층을 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 적층된 다층 자성시트층을 압축 성형하는 단계는 온간 롤링, 온간 프레싱, 냉간 롤링 및 냉간 프레싱 중 하나의 방법으로 실시할 수 있다.
상기 비정질 합금은 ㎚ 단위의 결정립 크기를 갖도록 300℃ 내지 600℃의 온도에서 10시간 이하의 시간으로 열처리되는 것이 바람직하다.
상기 다층 구조의 자성시트 두께는 0.2㎜ 이하의 박막 형태로 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B로 이루어진 군에서 선택되는 조성을 갖고 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 다수의 자성시트층과, 상기 비정질 합금 중 적어도 1종으로 이루어지고 상기 다수의 자성시트층 사이에 적층된 다수의 비정질 합금리본으로 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID용 자성시트를 제공한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B로 이루어진 군에서 선택되는 조성을 갖고 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 다수의 자성시트층과, 상기 비정질 합금 중 적어도 1종으로 이루어지고 상기 다수의 자성시트층 사이에 적층된 다수의 비정질 합금리본을 포함하는 다층 구조의 자성시트와; 상기 자성시트의 표면에 형성된 절연 층과; 상기 절연층의 표면에 도전체로 패턴 형성된 안테나 코일 패턴으로 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID용 안테나를 제공한다.
이하에서 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 RFID 안테나용 다층 자성시트의 제조방법을 설명하기 위한 개략 공정도이다.
먼저, 본 발명 조성의 합금은 목적하는 조성을 이루기 위한 재료 성분들을 혼합한 후 약 106K/s의 속도로 급속 냉각함으로써 비정질로 제조될 수 있으나, 제조 방법이 이에만 한정되는 것은 아니고 합금을 비정질로 제조할 수 있는 방법이라면 제한되지 않고 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서 비정질로 제조되는 Fe-Si-B 합금은 Fe가 70-90atomic%, Si 및 B의 합이 10-30atomic%인 것이 바람직하다. Fe를 비롯한 금속의 함유량이 높을수록 포화자속밀도가 높아지지만 Fe 원소의 함유량이 과다할 경우 비정질을 형성하기 어려우므로, 본 발명에서는 Fe의 함량이 70-90atomic%인 것이 바람직하다. 또한, Si 및 B의 합이 10-30atomic%의 범위일 때 합금의 비정질 형성능이 가장 우수하다. 이러한 기본 조성에 부식을 방지시키기 위해 Cr 등 내부식성 원소를 수 atomic% 이내로 첨가할 수도 있다.
또한, 본 발명에 있어서 Fe-Si-B-Cu-Nb 합금은 Fe가 73-80 atomic%, Si 및 B의 합이 1-5 atomic%인 것이 바람직하다. 이러한 조성 범위가 리본 형태로 제작된 비정질 합금이 후술하는 열처리에 의해 나노상의 결정립으로 쉽게 석출될 수 있다.
본 발명에 있어서, Fe-Zr-B합금인 경우는 Fe가 85-93 atomic%, Zr이 5-10 atomic%, B가 2-5 atomic%인 것이 바람직하다. 이러한 조성 영역에서 후술하는 열처리에 의해 나노 상의 결정립으로 쉽게 석출될 수 있다.
본 발명에 있어서, Co-Fe-Si-B 합금은 Co가 71-85 atomic%, Si 및 B의 합이 12-21 atomic%인 것이 바람직하며, 필요시 Mo, Cr, Ni 등을 수 atomic% 이내에서 첨가하는 것이 가능하다. 이 때 Cr과 Ni의 함량의 합은 2-7 atomic% 이내인 것이 바람직하다. Co의 함유량이 낮을수록 최대 자속밀도는 낮으나 투자율이 매우 높으므로 높은 인덕턴스를 얻기에는 낮은 Co 함유량이 유리하지만, Co 함유량에 따라 직류 전류에 의한 바이어스 특성이 크게 달라지므로 시스템과 연계하여 고려해야 한다.
본 발명에 따른 RFID 안테나용 다층 자성시트는 다음과 같이 제조된다. 먼저, Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B중에서 선택되는 조성을 이루기 위한 출발물질로서 Fe-B 또는 Co-B를 혼합하고, 여기에 Si, Cu, Nb, Zr, Mo, Cr, Ni 등의 원료를 조성에 맞도록 선택하여 배합한 후 고주파 유도로를 사용하여 고온의 금속 용융체를 만든다. 이 때 첨가되는 원료의 형태는 분말, 과립 혹은 괴 중 어느 것이어도 좋다. 이어서, 이 금속의 용융체를 106K/s 이상의 속도로 고속 냉각함으로써 리본형 합금을 제조한다(S1). 여기서, 리본형이란 당 업계에서 얇은 두께의 연속 박막 형태를 의미한다.
이어서, 상기 리본형 합금을 볼밀 등 당 기술분야에 알려져 있는 분쇄방법을 이용하여 분쇄하여 합금 분말을 제조한다(S2). 합금 분말은 박막 형태의 얇은 두께의 평판형 모양이며, 평판형은 원형, 사각형 혹은 침상이어도 좋으며, 본 발명은 합금 분말의 형태에 의하여 한정되지 않는다.
상기와 같이 제조된 분말 또는 시트 사이에 삽입이 되는 비정질 합금리본은 열처리함으로써 자성 특성을 향상시키거나 결정립 크기를 ㎚ 크기, 바람직하게는 10㎚ 정도로 미세화 시켜 자기적 성질이 우수하도록 만들 수 있으며, 이와 같이 제작된 합금을 이용하여 본 발명의 RFID 안테나용 자성시트를 제조할 경우 자성시트의 고주파 특성을 향상시킬 수 있다. 본 발명에서는 열처리 온도를 300℃ 내지 600℃, 열처리 시간은 최대 10시간 이내에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 제조된 합금 분말을 수지와 혼합하는데, 이에 필요한 경우 점도를 조절하기 위해 폴리비닐알콜, 알코올 혹은 톨루엔과 같은 기타의 휘발성 용매를 첨가하여 배합할 수 있다(S3). 본 발명에서 사용될 수 있는 수지의 예로는 고무, 폴리이미드, 폴리아미드, 우레탄, 실리콘, 페놀 수지, 아크릴 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다. 합금분말과 수지의 혼합비는 5:1-9:1 사이에서 선정하는 것이 바람직하다. 혼합비가 5:1이하인 경우 RFID 통신에서 필요한 인덕턴스를 얻기 어렵고, 9:1 이상의 혼합비에서는 시트를 제조하기 어렵다. 배합된 분말과 수지를 0.5㎜ 이하의 두께의 후막 상으로 도포하고 건조한다.
도 2는 도 1에서 성형된 혼합시트의 롤링공정을 설명하기 위한 설명도로서, 상기 건조한 비정질 합금분말(4a)과 수지(4b)의 혼합시트(4)(이하 "혼합 시트"로 한다.)는 도 2에 도시된 바와 같이 비정질 합금분말의 밀도를 높이기 위해 예를들 어, 한쌍의 상부롤(1)과 하부롤(2)로 이루어진 압착성형롤(3)을 연속적으로 통과시키는 방식으로 1차 압착된 자성시트층(5)을 제조한다(S4).
상기 혼합시트를 압착성형하는 방법은 예를들어, 온간 롤링, 온간 프레싱 또는 냉간 롤링, 냉간 프레싱 중 하나의 방법으로 실시할 수 있다. 온간 롤링시의 온도는 예를들어, 70℃에서 실시할 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 무선 식별 안테나용 자성시트의 압착성형 공정을 설명하기 위한 공정 단면도로서, 먼저 롤링 또는 프레싱을 통하여 1차 압착된 한쌍의 자성시트층(5a,5b) 사이에 비정질 합금리본(6)을 적층한다(S6).
이 경우, 상기 비정질 합금리본(6)은 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B중에서 선택되는 조성을 가지며 1차 압착된 자성시트층(5a,5b)과 같은 크기로 절단하여 수지를 이용하여 부착한다.
그후 적층된 다층 시트(7)를 상기 1차 압착성형과 동일하게 냉간 또는 온간에서 프레싱 또는 롤링을 이용한 2차 압착성형을 실시하여 다층 구조로 이루어진 자성시트(10)를 얻는다(S7).
상기한 제1실시예의 자성시트(10)는 한쌍의 1차 압착된 자성시트층(5a,5b)과 비정질 합금리본(6)을 포함하는 3층 구조로 이루어진 것으로, 예를들어, 0.2㎜ 이하의 두께로 성형될 수 있다.
그후, 압착성형이 완료된 다층 자성시트(10)는 산화방지를 위해 예를들어, 아크릴, 폴리우레탄, 페놀 등의 수지계열의 재료를 이용하여 표면을 20㎛ 이내로 코팅하고, 특성검사를 실시한다(S8,S9).
도 4에는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 무선 식별 안테나용 자성시트의 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 무선 식별 안테나용 자성시트(10a)는 3개의 1차 압착된 자성시트층(5a,5b,5c) 사이에 2개의 비정질 합금리본(6a,6b)이 삽입되어 적층된 5층 구조로 이루어져 있다. 상기한 제2실시예와 같이 적층되는 비정질 합금리본(6a,6b)이 증가하게 되면, 자성시트의 두께는 다소 증가하게 되나, 자성시트의 인덕턴스는 더욱 증가하게 되어 투자율이 매우 높게 된다. 본 발명에서는 이와 같이 다층 구조로 이루어지는 경우에도 압축성형 압력을 증가시킴에 의해 예를들어, 3㎜ 이하의 두께로 제작 가능하다.
상기한 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 다층 자성시트에 있어서는 전술한 바와 같이 자성시트층(5a,5b,5c) 사이에 적층한 비정질 합금리본(6,6a,6b)은 롤링 또는 프레싱 공정을 통하여 미세균열이 발생하므로 로스(loss)가 떨어지게 된다. 그 결과, 본 발명에서는 일반적인 비정질 합금리본의 단점인 주파수 특성을 개선함과 동시에 종래에 비정질 합금리본을 사용하기 위해 슬리팅하여 부착했던 복잡한 제조공정을 자동화가 가능한 간단한 공정으로 개선할 수 있다.
이러한 경우에는 RFID 통신에서 필요한 인덕턴스를 효과적으로 얻을 수 있기 때문에 동일 두께의 배터리 팩에서 배터리의 용량을 늘이거나, 혹은 배터리 팩의 두께를 더욱 초박형으로 만드는 등의 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에 따른 RFID 자성시트는 무선 식별 시스템을 이용하는 RFID 기기에 장착될 수 있으며, 리더/라이터와 트랜스폰더 모두에 적용될 수 있고 그 기기의 종류에 특별히 한정되지 않는다. 특히, 본 발명에 따른 RFID 안테나는 자성시트로 이루어진 얇은 두께의 압소바를 포함하고 있으므로, 무선 식별 기능을 갖는 휴대용 기기에 장착하는 경우 매우 유용하다.
예컨대, 본 발명에 따른 RFID 자성시트는 휴대전화의 배터리부에 장착되는 RFID 기기에 사용할 수 있으며 이와 같은 실시 형태는 도 5a 및 도 5b에 예시되어 있다.
도 5a 및 도 5b는 제1실시예에 따른 무선 식별 안테나용 자성시트를 이용하여 제조된 무선 식별 안테나를 휴대전화의 배터리부에 적용한 예를 나타내는 단면도 및 도 5a에서 안테나 코일을 나타낸 사시도이다.
도 5a 및 도 5b에서 부재번호 11은 도전성 재료로 이루어진 안테나 코일 패턴, 12는 절연층, 13a-13c는 접착층, 20은 배터리, 21은 배터리 케이스이다. 도 5a에서 안테나 코일 패턴(11)이 형성된 절연층(12)과 배터리(20) 사이에는 접착층(13b,13c)을 통하여 자성시트층(5a,5b)과 비정질 합금리본(6)을 포함하는 3층 구조로 이루어진 본 발명의 다층 구조 자성시트(10)가 삽입되어 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 RFID 자성시트는 박막 형태로 제작될 수 있어 휴대전화에 적용되는 것과 유사한 방법으로 PDA, 노트북 컴퓨터, 교통카드, 신용카드, 출입카드 등의 다양한 기기에 적용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 한정 되는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1 및 2
자성시트의 원재료를 제조하기 위하여 비정질 합금 Fe-Si-B를 제조하였다. 구체적으로, 출발물질로써 Fe-B를 모합금으로 하고, 여기에 조성비에 맞도록 전해철(Fe)과 Si을 배합하여, 용융로에서 함께 녹인 후 Fe79(Si,B)21 조성의 잉곳을 제작하였다. 이어서, 고주파 유도로에 상기 잉곳을 장입한 후 고주파 유도로에 전원을 인가하여 고주파 에너지를 잉곳에 부가함으로써 잉곳을 완전히 녹였다. 이어서, 노즐을 통해 고속으로 회전하는 냉각 롤에 고온의 용융된 상기 조성의 금속을 분사하여 평균 두께가 0.02㎜의 두께를 갖는 비정질 합금 리본을 제작하였다. 제작된 비정질 리본을 해머밀을 통하여 분말로 제조하였다. 제조된 분말은 320℃에서 7시간 동안 열처리하였다.
상기와 같이 제조된 합금 분말을 우레탄 수지와 7:1의 비율로 혼합하고, 이를 기판에 코팅한 후 건조하고 기재를 분리함으로써 혼합시트를 제조하였다. 이 혼합시트를 70℃에서 온간 롤링을 실시함으로써 두께 0.2㎜(실시예 1) 및 0.1㎜(실시예 2)의 1차 압착성형한 자성시트를 제조하였다.
실시예 3 및 4
실시예3 및 4는 자성시트용 합금으로 일본 Hitachi 사의 FINEMET 및 독일 Vacuumschmelze 사의 Vitroperm 인 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 조성의 비정질 합금을 사용하였으며, 혼합분말은 실시예 1과 동일하게 제작하였으며 제조된 분말은 540℃에서 3 시간 동안 열처리를 실시하였다. 1차 압착성형된 자성시트의 제조방법은 실시예 1과 동일하게 하였으며 자성시트의 두께는 0.2㎜(실시예 3) 및 0.1㎜(실시예 4)로 제작하였다.
실시예 5
1차 압착성형된 자성시트는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한 후, 1차 압착성형된 자성시트 2장 사이에 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9조성의 비정질 합금리본을 혼합시트 크기와 동일하게 절단한 후 바인더용 수지와 동일한 성분의 점착제를 사용하거나 또는 점착체 없이 도 3과 같이 결합시킨다. 1차 압착성형된 자성시트와 비정질 합금리본을 결합시킨 다층 시트는 70℃에서 온간 롤링하여 0.2㎜ 두께의 2차 압축성형된 단일체 자성시트(실시예 5)로 제조하였다.
실시예 6
1차 압착성형된 자성시트 사이에 삽입되는 비정질 합금리본의 제조시 출발물질로 Co-B를 사용하고, 조성비에 맞도록 Co, Si, Fe, Ni 및 Cr 원소를 첨가하여 Co76(Si,B)15Fe4(Cr, Ni)5조성의 비정질 합금을 제조한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법, 동일한 구조로 0.2㎜ 두께로 제조하였다.
실시예 7
1차 압착성형된 자성시트는 실시예 2와 동일한 방법으로 제조하였고, 2차 압착성형된 다층 자성시트는 실시예 6과 동일한 방법, 동일한 구조로 0.2㎜ 두께로 제조하였다.
실시예 8
자성시트용 합금의 제조시 Fe-B를 사용하여, 조성비에 맞도록 전해철(Fe) 및 Zr 원소를 첨가하여 Fe90Zr7B3 조성의 비정질 합금을 제조하였고, 1차 압착성형된 자성시트의 제조방법은 실시예 1과 동일하게 하였으며, 다층 시트 사이에 삽입하는 비정질 합금 리본 및 제작 방법은 실시예 6과 동일하게 하여 2차 압착성형된 자성시트를 0.2㎜ 두께로 제작하였다.
실시예 9
1차 압착성형된 자성시트의 제조방법은 실시예 1과 동일하게 하였으며 다층 시트 사이에 삽입되는 비정질 합금 리본은 실시예 3과 동일하게 제작하였고, 얻어진 비정질 합금 리본 2개를 삽입하여 자성시트 사이에 비정질 합금 리본이 존재한다. 다층화 하는 방법은 실시예 5와 동일하게 제작하여 0.3㎜ 두께로 하였으며 그 형태는 도 4와 같다.
비교예 1
자성시트의 원재료는 MPP 분말을 사용하였고 MPP 분말은 NI81Fe17Mo2로 조성비에 맞도록 혼합하여 용융시킨 후 아토마이징법으로 제조하였다. 구상으로 제조된 MPP 분말은 볼밀을 이용하여 편상화 한 후, 두께가 5㎛이하인 분말을 분급하여 사용하였으며, 제작된 두께 0.4㎜였다.
비교예 2
자성시트의 재료는 실시예 3과 동일하게 하였으며 롤링공정 없이 0.2㎜의 시 트를 제조하였다.
비교예 3
자성 시트는 실시예 1과 동일하게 제작하였으며 롤링공정 없이 0.2㎜의 시트로 제작하였으며 시트의 단면에 0.02㎜ 두께의 비정질 합금리본을 1.5㎜ 폭으로 안테나 길이가 짧은 방향으로 배치하여 도 6과 같은 구조로 제작하였다. 이 때, 리본 사이에 공극을 1.5㎜로 하여 배열하였다. 도 6에서 부재번호 11은 안테나 코일, 12는 절연층, 13은 접착층, 14는 자성시트, 15는 슬리팅된 비정질 합금리본, 16은 공간을 나타낸다. 비교예 3은 특허 제0523313호의 도 3c에 도시된 실시예 9의 구조이다.
[실험결과]
인덕턴스 성능 측정
실시예 1 내지 9 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 자성시트는 안테나 코일(11)이 구비된 절연층(12)의 안테나 코일이 구비된 면과 반대 면에 두께 0.025㎜의 양면 테이프(3M사, USA)를 접착층(13b)으로 이용하여 부착하여, 도 5a와 같은 구조의 RFID 안테나를 제작하였다. 이 때 사용한 안테나 코일(11)은 도 5b에 도시된 것과 같은 구조를 갖도록 두께 0.20㎜의 폴리이미드의 절연층(12) 위에 Cu 안테나 코일을 1Oz 규격(코일 두께 0.04㎜)으로 식각하여 형성하였다.
위와 같이 제조한 RFID 안테나에 대하여 13.56MHz 영역에서 인덕턴스 성능을 측정하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.
다층시트 구성성분 자성시트 두께 (㎜) 인덕턴스 (μH)
자성시트 비정질 합금리본
실시예 1 Fe79(Si,B)21 없음 0.2 7.93
실시예 2 Fe79(Si,B)21 없음 0.1 7.22
실시예 3 Fe73 .5Si13 .5B9Cu1Nb3 없음 0.2 8.16
실시예 4 Fe73 .5Si13 .5B9Cu1Nb3 없음 0.1 7.92
실시예 5 Fe79(Si,B)21 Fe73 .5Si13 .5B9Cu1Nb3 0.2 15.16
실시예 6 Fe79(Si,B)21 Co76(Si,B)15Fe4(Ni, Cr)5 0.2 15.24
실시예 7 Fe73 .5Si13 .5B9Cu1Nb3 Co76(Si,B)15Fe4(Ni, Cr)5 0.2 17.32
실시예 8 Fe90Zr7B3 Co76(Si,B)15Fe4(Ni, Cr)5 0.2 16.11
실시예 9 Fe79(Si,B)21 Fe73 .5Si13 .5B9Cu1Nb3 0.3 21.33
비교예 1 MPP 파우더 없음 0.4 13.62
비교예 2 Fe73 .5Si13 .5B9Cu1Nb3 없음 0.2 6.92
비교예 3 Fe79(Si,B)21 Fe73 .5Si13 .5B9Cu1Nb3 0.23 8.47
비교예 2와 실시예 3과 비교해 보면, 동일한 조성의 비정질 합금분말의 이용하여 동일한 두께로 제조하였으나 실시예 3이 18% 인덕턴스가 향상되어 있음을 알 수 있다. 실시예 4의 결과를 보면, 비교예 2보다 두께를 절반으로 감소시켰음에도 불구하고 14% 인덕턴스가 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 이러한 인덕턴스의 차이가 발생된 결과는 비교예 2와 실시예 1 내지 4 사이에 밀도의 차이가 존재하기 때문이다.
도 7a는 비교예 2의 자성시트에 대한 단면 사진이며, 도 7b는 실시예 1의 자성시트에 대한 단면 사진이다. 비교예 2의 비정질 합금분말 대비 시트의 상대밀도는 52% T.D.(theoretical density)이고, 실시예 2의 상대밀도는 68% T.D. 이상이다.
자성시트 사이에 비정질 합금리본을 첨가한 실시예 5 내지 8은 비교예 3에 비해 79%~100% 인덕턴스가 향상되었다. 이러한 결과는 첨가한 비정질 합금리본의 면적 면에서 실시예 5 내지 8이 비교예 3보다 작아 와류손(eddy current loss)이 적게 발생하여 13.56MHz에서도 연자성 특성을 잃지 않기 때문이다.
2층의 비정질 합금리본을 채용한 실시예 9(두께 0.3㎜)는 인덕턴스가 21.33으로 나타나 특허 제0523313호의 가장 좋은 특성값을 나타낸 실시예 6(두께 0.4㎜)의 인덕턴스 8.71과 비교할 때 본원발명의 실시예 9가 두께가 33% 감소하였음에도 불구하고 인덕턴스값은 145%나 더 높게 나타났다.
본 발명에 따른 RFID 안테나용 자성시트는 다층 구조로 이루어짐에도 불구하고 생산성이 우수한 압착성형공정을 거침에 따라 0.2㎜ 이하의 얇고 균일한 두께를 가지면서 저렴한 비용으로 제조될 수 있으며, 높은 인덕턴스가 얻어짐과 동시에 인덕턴스 편차가 크지 않고, 상기와 같이 얇은 두께로도 투자율이 우수하기 때문에 이를 RFID 트랜스폰더용 안테나 자성시트로 적용시킬 경우 RFID 통신에 필요한 전자기파인 135kHz 이하의 주파수 영역 및 13.56MHz 주파수의 동작 주파수에서 높은 인덕턴스 성능의 기능을 갖는다.
따라서, 본 발명에 따른 RFID 안테나용 자성시트는 무선 식별 기능을 갖는 기기에 장착되는 경우, 데이터 형성 및 전달의 오류를 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라, 기기의 박막 및 경량화를 달성할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (12)

  1. Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B로 이루어진 군에서 선택된 조성을 갖고 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 제1 및 제2 자성시트층과,
    상기 비정질 합금 중 적어도 1종으로 이루어지고 상기 제1 및 제2 자성시트층 사이에 적층된 제1비정질 합금리본으로 구성되어, 다층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 RFID용 자성시트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자성시트층 중 어느 하나의 표면에 적층되며 상기 비정질 합금 중 적어도 1종으로 이루어지는 제2비정질 합금리본과,
    상기 제2비정질 합금리본의 표면에 적층되며 상기 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 제3자성시트층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID용 자성시트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다층 구조의 시트 두께는 0.2㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 RFID용 자성시트.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비정질 합금은 열처리에 의해 ㎚ 단위의 결정립 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 RFID용 자성시트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자성시트층 사이에 적층된 제1비정질 합금리본은 압축 성형에 의해 미세 크랙이 존재하는 것을 특징으로 하는 RFID용 자성시트.
  6. Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B로 이루어진 군에서 선택되는 조성을 갖고 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 제1 및 제2 자성시트층을 준비하는 단계와,
    상기 비정질 합금 중 적어도 1종으로 이루어진 제1비정질 합금리본을 준비하는 단계와,
    상기 제1 및 제2 자성시트층 사이에 상기 제1비정질 합금리본을 적층한 후 적층된 시트의 상대밀도를 증가시킴과 동시에 상기 제1비정질 합금리본에 미세 균열을 형성하기 위하여 적층된 다층 시트를 압축 성형하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID용 자성시트의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 비정질 합금 중 1종으로 이루어지는 제2비정질 합금리본과, 상기 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 제3자성시트층을 준비하는 단계와,
    상기 적층된 다층 시트를 압축 성형하기 전에 상기 제1 및 제2 자성시트층 중 어느 하나의 표면에 제2비정질 합금리본을 적층하고 상기 제2비정질 합금리본의 표면에 제3자성시트층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID용 자성시트의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 적층된 다층 시트를 압축 성형하는 단계는 온간 롤링, 온간 프레싱, 냉간 롤링 및 냉간 프레싱 중 하나의 방법으로 실시하는 것을 특징으로 하는 RFID용 자성시트의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 압축 성형된 다층 시트의 두께는 0.2㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 RFID용 자성시트의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 비정질 합금을 300℃ 내지 600℃의 온도에서 10시간 이하의 시간으로 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID용 자성시트의 제조방법.
  11. Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B로 이루어진 군에서 선택되는 조성을 갖고 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 다수의 자성시트층과,
    상기 비정질 합금 중 적어도 1종으로 이루어지고 상기 다수의 자성시트층 사이에 적층된 다수의 비정질 합금리본으로 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID용 자성시트.
  12. Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B로 이루어진 군에서 선택되는 조성을 갖고 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 합금 분말로 제조된 다수의 자성시트층과, 상기 비정질 합금 중 적어도 1종으로 이루어지고 상기 다수의 자성시트층 사이에 적층된 다수의 비정질 합금리본을 포함하는 다층 구조의 자성시트와;
    상기 자성시트의 표면에 형성된 절연층과;
    상기 절연층의 표면에 도전체로 패턴 형성된 안테나 코일 패턴으로 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID용 안테나.
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