KR101039594B1 - 안테나 모듈이 탑재된 유심카드 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나 모듈이 탑재된 유심카드 장치에 관한 것으로, 유심카드(USIM, Universal Subscriber Identity Module) 내부에 RFID(Radio Frequency Identification) 안테나를 내장하여 외부에 위치하는 휴대 단말기와 근거리 통신을 수행할 수 있도록 하는 무선통신이 가능한 안테나 모듈이 탑재된 유심카드 장치에 관한 것이다.
본 발명의 안테나 모듈이 탑재된 유심카드 장치는 상기 유심카드 장치 내부의 소정의 위치에 10㎜×25㎜ 이내 크기의 루프 타입의 방사형 패턴으로 형성되는 RFID 안테나 및 상기 RFID 안테나와 전기적으로 연결되며, 상기 RFID 안테나를 이용하여 무선통신을 수행하기 위한 박형의 회로기판을 포함함에 기술적 의의가 있다.

Description

안테나 모듈이 탑재된 유심카드 장치{USIM card systems where the antenna module is loaded}

본 발명은 안테나 모듈이 탑재된 유심카드 장치에 관한 것으로, 유심카드(USIM, Universal Subscriber Identity Module) 내부에 RFID(Radio Frequency Identification) 안테나를 내장하여 외부에 위치하는 휴대 단말기와 근거리 통신을 수행할 수 있도록 하는 무선통신이 가능한 안테나 모듈이 탑재된 유심카드 장치에 관한 것이다.

USIM(Universal Subscriber Identity Module)은 GSM 통신방식에서 사용하던 SIM(Subscriber Indentity Module, 가입자 식별 모듈)보다 한 단계 진화된 방식으로 비동기 3세대 이동통신(WCDMA)의 휴대 단말기에 삽입되는 칩이다. USIM은 가입자 인증을 하는 SIM의 역할과 교통카드나 신용카드 등의 기능을 담을 수 있는 범용 IC카드(UICC)의 기능을 겸용한다. 범용 IC카드는 다양한 다중 애플리케이션의 보안 지원을 통해 모든 개인 정보 데이터의 무결성과 보안을 보장할 수 있다.

그러나, 기존의 RFID 또는 NFC(Near Field Communication) 등과 같은 부가적 통신 서비스 기능을 초소형 외장형 장치에 탑재하여 서비스하기 위해서 기존에는 신용카드 내지 별도의 안테나 모듈을 삽입한 태그 장치를 이용하고 있다.

그러나, 이러한 부가적 통신 서비스를 수행하기 위한 신용카드 또는 태그 장치는 RFID 안테나의 데이터 수신을 위해 충분한 인덕턴스(inductance)를 확보해야 하기 때문에 그 크기를 최소화하는데 한계가 있었으며, 이에 따라 크기 제한으로 인해 다른 인터페이스를 형성하지 못하는 문제점이 발생하였다.

특히, 최근의 휴대 단말기는 유심카드를 구비하고 있으나, RFID 안테나의 크기 문제로 인해 RFID 안테나를 휴대 단말기 또는 휴대 단말기의 배터리에 배치하여 유심카드와 전기적으로 연결함으로써 유심카드의 데이터를 외부 단말기로 전송하는 것이 가능하였다.

결국 기존의 유심카드가 삽입되는 휴대 단말기는 해당 유심카드를 활용하기 위해서 RFID 안테나를 포함하고 있는데, 이러한 RFID 안테나는 휴대 단말기 또는 배터리에 형성하였다. 이러한 경우, 안테나 형성에 충분한 공간이 확보되므로 내경 및 인덕턴스(inductance)를 충분히 확보할 수 있다. 즉, 비접속식 RFID 안테나 설계에 있어서, 이러한 내경 및 인덕턴스는 각각 안테나의 방사 패턴 및 자계 성분의 세기를 결정하는 중요한 지표이며 기존 휴대 단말기의 RFID 안테나에서는 이러한 요소를 갖추는데 큰 어려움이 없었다.

하지만 이러한 RFID 안테나를 초소형으로 제작하는 기술에 있어서는 공간의 물리적인 제약이 매우 커지게 되었으며, 이에 따라 안테나의 내경 및 인덕턴스 역시 매우 감소하게 되는데 이러한 경우 단순한 내경 및 인덕턴스의 증감으로는 안테나의 인식거리의 증가를 이룰 수 없는 문제점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 유심카드의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유심카드(100)의 하단부에 위치한 IC(Intergrated Circuit)칩(110)은 유심카드(100)의 인터페이스 역할을 하며 IC 칩(110)의 외부로 돌출된 각각의 핀(조각)들은 정의된 데이터를 송수신하도록 설계되어 있다. 이러한 유심카드(100)에 저장된 데이터들은 휴대 단말기와 접촉되는 IC 칩(110)을 통해 데이터를 송수신할 수 있다. 이때, 유심카드(100)에 저장된 데이터를 외부에 구비된 무선 단말기로 송신하기 위해서는 유심카드(100)의 인터페이스인 IC 칩(110)을 통해 해당 데이터를 휴대 단말기 측으로 송신할 수 있으며, 휴대 단말기는 수신된 해당 데이터를 휴대 단말기에 구비된 RFID 안테나 모듈(미도시)을 사용하여 외부의 무선 단말기로 전송해야 하기 때문에 유심카드(100)에 저장된 데이터를 전송하거나 유심카드(100)로 데이터를 저장함에 있어 불편함이 초래되고 있다.

도 2는 종래기술에 따른 유심카드 안테나의 구성도이며, 도 3은 종래기술에 따른 유심카드 안테나를 포함하는 배터리의 실시도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 유심카드(100)는 상부면에 IC 칩(110)을 구비하고 있으며, 유심카드(100)는 무선통신을 사용하여 외부 무선통신 단말기와 데이터 송수신을 위해서 별도의 RFID 안테나(210)를 구비하고 유심카드(100)와 전기적으로 연결되는 연결장치(120)를 통해 데이터를 전송할 수 있다.

즉, 유심카드(100)는 외부의 무선통신 단말기와 통신하기 위해서 별도로 구비되는 RFID 안테나(210)를 통해 통신을 수행하는데, 해당 RFID 안테나(210)는 일반적으로 휴대 단말기의 배터리(200)에 구비될 수 있다.

결국, RFID 안테나는 휴대 단말기의 제조사 또는 모델에 따라 해당 휴대 단말기의 배터리에 각각의 패턴으로 형성될 수 있으며, 일반적으로 이에 대한 예시는 도 3의 (a), (b), (c)에 도시된 바와 같다.

이와 같이 휴대 단말기의 배터리(200)에 내장되는 RFID 안테나(210)는 배터리(200) 외곽을 따라 루프 타입으로 형성되어 있다. 이러한 안테나는 송수신 감도를 위해 넓은 면적의 RFID 안테나(210)를 사용하고 있으며, 배터리(100)는 이에 따른 충분한 공간을 제공하며, 유심카드와 물리적으로 연결하기 위한 연결장치가 필요한 문제점이 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 USIM 카드와 외부 무선 단말기 사이에 직접 데이터 송수신이 가능하도록 USIM 카드 내부에 RFID 안테나를 삽입하기 위한 목적이 있다.

또한, 본 발명은 휴대 단말기에 삽입되는 USIM 카드의 내부에 RFID 안테나를 구비하여 휴대 단말기를 이용하지 않고 직접 근거리 무선통신망을 이용하여 외부의 무선 단말기로 데이터를 전송하기 위한 목적이 있다.

또한, 본 발명은 소형의 USIM 카드에 삽입되는 RFID 안테나의 성능(송수신 감도)을 향상시키기 위해 RFID 안테나의 패턴을 형성하기 위한 다른 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 유심(USIM)카드 장치에 있어서, 상기 유심카드 장치 내부의 소정의 위치에 10㎜×25㎜ 이내 크기의 루프 타입의 방사형 패턴으로 형성되는 RFID 안테나 및 상기 RFID 안테나와 전기적으로 연결되며, 상기 RFID 안테나를 이용하여 무선통신을 수행하기 위한 박형의 회로기판을 포함하는 안테나 모듈이 탑재된 유심카드 장치에 의해 달성된다.

따라서, 본 발명의 안테나 모듈이 탑재된 유심카드 장치는 USIM 카드 내부에 RFID 안테나를 삽입함으로써 USIM 카드와 외부 무선 단말기 사이에 직접 데이터를 송수신할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 소형의 USIM 카드에 삽입되는 RFID 안테나의 패턴을 다양하게 형성함으로써, RFID 안테나 성능(송수신 감도)을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 유심카드의 구성도,
도 2는 종래기술에 따른 유심카드 안테나의 구성도,
도 3은 종래기술에 따른 유심카드 안테나를 포함하는 배터리의 실시도,
도 4는 본 발명에 따른 RFID 안테나를 포함하는 유심카드의 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 RFID 안테나를 포함하는 유심카드의 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 RFID 안테나의 세부 구성을 나타내는 단면도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 RFID 안테나를 포함하는 유심카드의 구성도이며, 도 5는 본 발명에 따른 RFID 안테나를 포함하는 유심카드의 사시도이다. 도 4의 (a) 및 5에 도시된 바와 같이, 유심카드(300)의 상부면 일측에는 RFID 안테나(320)가 외부로 돌출되어 형성되어 있으며, RFID 안테나(320)를 이용하여 데이터를 송수신하기 위한 모듈이 탑재된 회로기판(미도시)을 포함하고 있다. 또한, 유심카드(300)의 상부면 타측에는 접촉식 인터페이스인 IC 칩(310)이 구성되어 있다.

RFID 안테나(320)는 유심카드(300)의 전체 크기를 고려하여 IC 칩(310)과 겹치지 않게 형성되는 것이 바람직하며, RFID 안테나(320)는 유심카드(300)의 전체의 외형에 따라 안테나 패턴이 형성되는 것이 바람직하다.

즉, RFID 안테나(320)의 패턴은 IC 칩(310)을 제외한 유심카드(300)의 외주면을 따라 형성될 수 있으며, 다른 방법으로는 유심카드(300)의 외주면을 따라 형성하되 RFID 안테나(320)의 코일 길이를 증가시키기 위해 코일을 유심카드(300)의 외주면의 내측 방향으로도 형성할 수 있다.

한편, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, RFID 안테나(320)의 코일은 유심카드(300)의 상부면에 3회전 이상 권선되며 돌출형으로 형성될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 RFID 안테나의 세부 구성을 나타내는 단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 유심카드(300)의 상부면에 돌출된 RFID 안테나(320)의 코일은 선폭이 'A'이며, 선두께가 'B', 선간격이 'C', RFID 안테나 패턴의 총 사이즈는 'D' 이며 전체두께는 'E'이다.

결국, RFID 안테나(320)는 금속 코일의 재질로 이루어져 있으며, RFID 안테나(320)의 패턴은 총 사이즈(D) 10㎜×25㎜ 이내이며, RFID 안테나는 선폭(A) 10㎛ 내지 300㎛, 선간격(C) 10㎛ 내지 200㎛, 선두께(B) 10㎛ 내지 35㎛, 전체두께(E) 400㎛ 이내로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 코일은 약 3회 내지 8회로 권선된 루프 타입의 방사형 패턴으로 형성된다.

이러한 RFID 안테나(320)의 패턴은 유심카드(300) 내의 기본 칩의 공간 확보 및 휴대 단말기의 메탈 성분으로부터 RFID 안테나(320)를 보호하기 위한 크기로 고려되었으며, 기판의 전체두께(E) 역시 유심카드(300)에 실장하기 위한 두께를 적용하였다.

또한, 선폭(A), 선간격(C), 선두께(B)의 경우, 인덕턴스 증가를 위한 PCB 공정 표준의 최소치를 적용하는데, 이는 일반적으로 인덕턴스가 선폭(A) 및 선두께(B)의 물리적 크기에 반비례함에 기인한다.

한편, 선폭(A)의 최소화는 상대적으로 내경 크기의 증가를 이끌며, 이는 종래 RFID 안테나에서 요구하는 내경 및 인덕턴스 확보의 접근법에 잘 부합하는 방안이라 할 수 있다. RFID 안테나(320)의 인덕턴스는 패턴 단자의 복소수 임피던스를 추출하여, 다음과 같은 식으로 추출할 수 있다.

L ant = Z(1,1) / 2 * π * freq

RFID 안테나(320)의 인덕턴스 증가를 위해서 추가적인 패턴의 변화가 필요하며, 그 중 가장 결정적인 요소는 코일의 권선수 및 코일 길이 변화이다. 코일 권선수 증가의 경우, 이는 한정된 공간에서 상대적으로 내경의 감소를 가져오게 되어 루프 타입 RFID 안테나(320)의 방사 패턴에는 좋지 않은 영향을 줄 수도 있지만 인덕턴스를 증가시킬 수 있는 중요한 요소 중 하나이다. 패턴의 변화 역시 인덕턴스의 증가를 이끌지만 상대적으로 내경의 감소를 가져온다. 하지만 인식거리 성능을 비교할 때 이러한 패턴은 최적화된 패턴이 아님을 알 수 있었다. 이는 유심카드(300) 탑재용 RFID 안테나(320)에서 선의 전체 길이 및 권선수의 증가를 통한 인덕턴스의 증가가 가능 하지만, 그 이전에 안정된 내경 확보를 통한 인덕턴스의 증가가 우선시 되어야 하며, 안정된 방사 패턴 유지가 더욱 중요하게 고려되어야 함을 의미한다.

이러한 RFID 안테나(320)의 인덕턴스 증가를 위한 패턴은 일반적으로 유심카드의 외주면으로만 형성되는 것이 아니라, 유심카드의 내측 방향으로도 형성되어 코일의 전체길이가 증가되며, 이에 따라 인덕턴스 역시 증가실킬 수 있다.

이와 같이 RFID 안테나(320)의 전체 면적은 유심카드(300) 및 RFID 안테나(320)의 구성단 및 단말기의 메탈 블록킷의 영향을 받지 않는 범위에서 RFID 안테나(320) 공간을 최대한 확보해야 하며, RFID 안테나(320) 면적의 확보는 가장 기본적으로 내경 및 인덕턴스 등을 확보할 수 있는 방향으로 설계해야 한다. 하지만 유심카드(300)의 기본적인 공간적 제약으로 인하여 RFID 안테나(320)의 면적은 한계를 가지므로, 총 사이즈(D)를 10㎜×25㎜ 이내로 구현되는 것이 바람직하다.

RFID 안테나(320)의 내경은 인덕턴스 뿐만 아니라 루프 타입 안테나의 방사 패턴에서도 중요한 요소가 될 수 있다. 따라서 종래의 RFID 안테나는 물론 유심카드 탑재용 초소형 RFID 안테나(320) 역시 제한된 공간에서의 내경의 확보는 안테나 성능에 결정적 요소가 될 수 있으므로, RFID 안테나(320)의 내경은 약 10㎜ 내지 25㎜로 형성하는 것이 바람직하다.

선폭(A)은 인턱턴스 및 내경의 증가를 위해서는 감소되는 것이 바람직하다. 하지만, 선폭(A)을 통한 인덕턴스 및 내경의 증가는 그 정도가 매우 미비하고, 이러한 경우 너무 얇은 선폭(A)으로 인하여 전계 강도 및 전류 손실이 발생하여 오히려 그 성능이 저하된다. 따라서 유심카드(300) 탑재용 RFID 안테나(320)는 단순히 인덕턴스 및 내경 확보를 위한 선폭(A)의 결정이 아닌 전계강도 확보를 위한 최적화된 선폭(A)으로 고려되어야 하기 때문에 10㎛ 내지 300㎛ 이나, 200㎛로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 선두께(B)의 감소는 인덕턴스의 증가를 이끌 수 있으나, 선두께(B) 변화의 경우에는 내경의 변화에 영향을 주지 않기 때문에 안테나 패턴을 위한 코일의 선두께(B)는 최대한 작은 값으로 구현되어야 하며, 이를 위해서는 10㎛ 내지 35㎛이며, 18㎛인 것이 바람직하다.

루프 안테나의 권선수 증가는 인덕턴스의 증가를 가져 오지만, 내경이 감소하게 된다. 또한 권선수의 감소는 내경의 증가를 가져 오지만, 인덕턴스는 감소하게 된다. 이 경우에서 루프 안테나의 성능은 미비한 변화의 인덕턴스 보다는 내경의 안정된 확보에 더욱 민감하게 작용하지만, 인덕턴스는 여전히 RFID 안테나 성능에 중요한 요소이므로, 권선수 역시 크게 감소 될 수는 없는 실정이다. 따라서 권선수는 이러한 상호 보완적 관계를 절충하도록 최적화되어야 하기 때문에 3회 내지 8회로 형성할 수 있으나, 6회로 형성하는 것이 바람직하다.

회로기판의 전체두께(E) 역시, 충분한 인덕턴스의 변화를 줄 수 있는 요소이며, 충분한 전체두께(E)의 확보는 인덕턴스의 증가를 이끈다. 하지만 전체두께(E)의 경우 유심카드 내에 실장되는 것을 고려하여 확장에 한계를 가지며, 400㎛ 이하로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100, 300 : 유심카드 110, 310 : IC 칩
120 : 연결장치 200 : 배터리
210, 320 : RFID 안테나 300 : USIM 카드

Claims (7)

1. 유심(USIM)카드 장치에 있어서,
   상기 유심카드 장치 내부의 소정의 위치에 10㎜×25㎜ 이내 크기의 루프 타입의 방사형 패턴으로 형성되는 RFID 안테나; 및
   상기 RFID 안테나와 전기적으로 연결되며, 상기 RFID 안테나를 이용하여 무선통신을 수행하기 위한 박형의 회로기판
   을 포함하되,
   상기 RFID 안테나의 선두께는 10㎛ 내지 35㎛이며, 상기 RFID 안테나의 선폭은 전계강도 향상을 위해 10㎛ 내지 300㎛으로 형성되고, 상기 RFID 안테나의 코일 권선수는 내경의 크기 증가를 위해 3회 내지 8회 중 어느 하나의 패턴으로 형성되며, 상기 회로기판의 전체두께는 상기 유심카드 장치에 포함될 수 있도록 400㎛ 이내인 것을 특징으로 하는 안테나 모듈이 탑재된 유심카드 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 RFID 안테나는 인덕턴스(inductance)의 증가를 위해 권선을 상기 유심카드 내측의 외각으로 형성되도록 하여 상기 권선 전체 길이를 증가시키는 것을 특징으로 하는 안테나 모듈이 탑재된 유심카드 장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 RFID 안테나는 상기 회로기판의 상부 또는 하부의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나 모듈이 탑재된 유심카드 장치.

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