KR101098263B1

KR101098263B1 - 엔에프시 루프 안테나

Info

Publication number: KR101098263B1
Application number: KR1020110077651A
Authority: KR
Inventors: 이상훈; 최경준
Original assignee: 에이큐 주식회사
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2011-12-23

Abstract

본 발명은 엔에프시 루프 안테나에 관한 것으로, 상세하게는 엔에프시 무선통신 단말기에 장착되는 안테나에서 제1루프안테나패턴과 제2루프안테나패턴의 공진효과를 위한 패턴으로 형성되는 캐패시터를 패치안테나패턴으로 구현하여 캐패시턴스 성분을 증가시킬 수 있는 엔에프시 루프 안테나에 관한 것이다.
본 발명은 본 발명의 제1실시예는 일면과 이면을 갖는 안테나 기판; 상기 안테나 기판의 일면 내측에서 시작되어 테두리를 따라 연장되도록 형성되는 제1루프안테나패턴; 상기 제1루프안테나패턴의 외측에서 시작되어 상기 테두리를 따라 연장되는 제2루프안테나패턴; 및 상기 안테나 기판에서 상기 제1루프안테나패턴에 연결되어 주파수를 공진시키는 캐패시턴스 성분을 갖는 패치안테나패턴을 포함하고, 상기 패치안테나패턴은 상기 안테나기판의 일면에서 상기 제1루프안테나패턴의 양 끝단에 형성되는 접촉단자중 제1접촉단자에 연결되는 제1패치안테나패턴과, 상기 안테나기판의 이면에서 상기 제1루프안테나패턴의 제2접촉단자에 연결되는 제2패치안테나패턴을 포함한다.

Description

엔에프시 루프 안테나{NFC Loop Antenna}

본 발명은 엔에프시 루프 안테나에 관한 것으로, 상세하게는 엔에프시 무선통신 단말기에 장착되는 안테나에서 제1루프안테나패턴과 제2루프안테나패턴의 공진효과를 위한 패턴으로 형성되는 캐패시터를 패치안테나패턴으로 구현하여 캐패시턴스 성분을 증가시킬 수 있는 엔에프시 루프 안테나에 관한 것이다.

이동 단말기는 이동이면서 원하는 상대방과 즉시 무선접속하고 음성, 영상 및 데이터 등의 신호를 이용하여 통신하는 장비이며, 일반적으로 이동통신용 휴대단말기를 지칭하고 긴급한 송신 및 수신의 통신이 언제 어디서 발생할지 모르므로 항상 휴대한다.

이러한 이동단말기는 실제 통신 이외의 이북(E-book), MP3, 카메라, 녹음기, 스캐너, 멀티미디어 재생장치, 게임기 등의 부가기능을 추가하고 있고, 최근에는 태블릿 컴퓨터 기능을 추가하여 스마트폰으로서 개량된 장치가 출시되고 있다.

또한, 이동단말기는 비접촉식 신용카드, 전자결제, 신원확인용 등으로 응용할 수 있는 엔에프시 기능이 추가되고, 엔에프시는 ISO 14443 규격에 의하여 13.56 MHz 대역의 무선신호를 사용하므로 안테나를 구비하여야 하며, 안테나는 루프안테나패턴을 사용하는 것이 일반적이다.

엔에프시(NFC: Near Field Communication)는 약 10 센티미터(cm) 이내의 거리에서 최대 848 K bps로 데이터 통신하는 근거리 무선통신 기술이고 전력소모가 작으며 비접촉식 알에프아이디(RFID) 기술과 호환되고 능동통신 방식과 수동통신 방식이 있다.

엔에프시는 각 상품, 물품 등에 부착된 태그의 메모리에 기록된 정보를 리드 모드로 운용되어 읽으므로 해당 상품 또는 물품의 이력, 내용 등을 확인하거나 피투피 모드로 운용되어 양방향 통신하므로 전자결제, 일대일 통신하는 것으로, 송신측 및 수신측의 전자회로 및 안테나가 13.56 MHz 대역의 무선 주파수에서 공진(resonate)되도록 구성할 필요가 있다.

따라서 종래에는 상기 엔에프시 방식의 이동단말기에 메인 루프안테나패턴과 보조 루프안테나패턴로 형성되는 루프안테나패턴을 설치하고, 상기 메인 루프안테나패턴과 보조 루프안테나패턴을 공진시켜 주파수를 가변하고 대역폭을 확장시키는 구성이 제안되었다. 아울러 종래의 메인 루프안테나패턴과 보조 루프안테나패턴로 형성되는 루프안테나패턴은 메인 루프안테나패턴과 보조 루프안테나패턴 모두 공진될 수 있도록 기생 캐패시턴스를 포함하고 있었다.

아울러 종래의 엔에프시 루프 안테나는 루프형 안테나로서 4단자를 갖는 제품이 주를 이루고 있다. 그러나 상기 4단자를 갖는 종래의 엔에프시 루프 안테나는 솔더영역의 확보와 같은 한정된 공간으로 인한 단점을 갖기에 최근에는 2단자 안테나의 개발이 시급히 요구된다.

그러나 종래의 2단자 안테나는 4단자 안테나에 비하여 성능이 저하되기 때문에 4단자에 장착되는 캐패시턴스양을 증가시켜 공진포인트를 추가해야만 공간의 확보와 함께 성능이 개선될 수 있다. 그러나 종래의 기생 캐패시턴스는 패턴으로 형성되는 기생적인 성분이라서 캐패시턴스 값의 크기를 조절할 수 없고 고정된 값만을 갖기 때문에 근거리 무선통신에서 2단자를 갖는 엔에프시 루프 안테나에 적용시 성능의 개선이 이루어질 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 2단자 루프안테나패턴의 성능이 개선될 수 있도록 캐패시턴스 성분의 크기 조절이 가능하여 공진포인트를 향상시킬 수 있도록 패치안테나패턴이 구비되는 엔에프시 루프 안테나를 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 하기와 같은 실시예를 포함한다.

본 발명의 제1실시예는 일면과 이면을 갖는 안테나 기판; 상기 안테나 기판의 일면 내측에서 시작되어 테두리를 따라 연장되도록 형성되는 제1루프안테나패턴; 상기 제1루프안테나패턴의 외측에서 시작되어 상기 테두리를 따라 연장되는 제2루프안테나패턴; 및 상기 안테나 기판에서 상기 제1루프안테나패턴에 연결되어 주파수를 공진시키는 캐패시턴스 성분을 갖는 패치안테나패턴을 포함하고, 상기 패치안테나패턴은 상기 안테나기판의 일면에서 상기 제1루프안테나패턴의 양 끝단에 형성되는 접촉단자중 제1접촉단자에 연결되는 제1패치안테나패턴과, 상기 안테나기판의 이면에서 상기 제1루프안테나패턴의 양끝단에 형성되는 접촉단자중 제2접촉단자에 연결되는 제2패치안테나패턴을 포함한다.

본 발명의 제2실시예에 있어서, 상기 패치안테나패턴은 실버페이스트(Silver paste), 카본블랙, 나노탄소튜브, 마그네슘, 그래핀, 알루미늄 및 구리중 선택된 하나 이상으로 이루어지는 유전체 필름인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제3실시예에 있어서, 상기 엔에프시 루프 안테나는 상기 이면 기판에서 노이즈를 차폐시키는 금속성 도전체로 이루어진 반사패턴을 더 포함한다.

본 발명의 제4실시예에 있어서, 상기 반사패턴은 실버페이스트(Silver paste), 카본블랙, 나노탄소튜브, 마그네슘, 그래핀, 알루미늄 및 구리 중 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나는 패치안테나패턴을 통해 이득값을 개선할 수 있고, 상기 패치안테나패턴의 면적을 통해서 공진포인트의 조절이 가능하여 엔에프시 통신 단말기에 적용되는 2단자 엔에프시 루프 안테나의 성능을 획기적으로 개선할 수 있고, 미세노이즈에 의한 안테나 방사율의 손실을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나의 일면을 도시한 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나의 이면을 도시한 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나의 실험결과를 도시한 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나의 다른 실시예를 도시한 평면도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나의 일면을 도시한 평면도, 도 2는 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나의 이면을 도시한 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참조이면, 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나는 도전체로 이루어진 일면(10)과 이면(30)을 갖는 안테나 기판(10, 30)을 포함하고, 상기 일면(10)에서 테두리를 둘러서 연장 형성되는 패턴의 양 끝단에 제1접촉단자(121)와 제2접촉단자(122)가 각각 형성되는 제1루프안테나패턴(12)과, 상기 일면(10)의 일면에 형성되는 패턴이 제1루프안테나패턴(12)의 외측에서 시작되어 테두리를 따라 연장되어 양 끝단에 각각 제1접촉단자(111)와 제2접촉단자(112)를 형성하여 상기 단자(40)에 연결되는 제2루프안테나패턴(11)과, 상기 제1루프안테나패턴(12)의 내측에서 상기 제1루프안테나패턴(12)이 공진 되도록 커패시턴스 성분을 갖는 패치안테나패턴(20)을 포함한다.

상기 안테나 기판은 열경화성, 열가소성 중합체 및 무기혼합물중 선택된 어느 하나로서, 바람직하게로는 폴리이미드, 에폭시, 폴리에스테르, 폴리 아릴린 및 에테르가 속하는 그룹중에서 어느 하나로 이루어진 유전체필름을 사이에 두고 금속성 도전체로서 상기 일면(10)과 이면(30)이 각각 형성된다.

상기 제1루프안테나패턴(12)은 상기 안테나 기판(10, 30)의 일면(10) 내측에서 시작되어 테두리를 따라서 연장된다. 여기서 상기 제1루프안테나패턴(12)은 3~5턴으로 연장되는 것이 바람직하며, 엔에프시(NFC) 무선주파수 13.56 MHz 대역(bandwidth: BW)의 주파수 중에서 선택된 어느 하나의 주파수에서 공진되는 전기적 길이로 구성된다. 상기 제1루프안테나패턴(12)에서 선택된 어느 하나의 주파수(제1주파수)는 16~18MHz 범위내에서 하기의 제2루프안테나패턴(11)의 제2주파수의 대역폭과 겹치지 않는 주파수가 선택된다.

아울러 상기 제1루프안테나패턴(12)의 제1접촉단자(121)는 일면에서 상기 패치안테나패턴(20)에 연결되고, 제2접촉단자(122)는 상기 이면(30)에서 상기 패치안테나패턴(20)에 연결된다.

상기 단자(40)는 일면(10)에서 상기 제2루프안테나패턴(11)의 양 끝단에 각각 형성되는 제1접촉단자(111)와 제2접촉단자(112)가 연결된다. 여기서 상기 제2루프안테나패턴(11)의 제2접촉단자(112)는 이면에서 연결된다. 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 엔에프시 루프 안테나는 통상 배터리 셀의 일면에 부착되며, 상기 단자(40)는 배터리셀의 과충전 및 방전을 방지하기 위한 보호회로에 연결된다,

상기 제2루프안테나패턴(11)은 상기 일면(10)에서 상기 제1루프안테나패턴(12)의 외측에서 기판의 테두리를 따라서 3~5턴으로 연장되는 것이 바람직하다. 상기 제2루프안테나패턴(11)은 엔에프시에 할당된 13.56 MHz 대역의 주파수 중에서 상기 제1루프안테나패턴(12)에서 선택된 16~18MHz 범위중 어느 하나인 제1주파수와 대역폭이 겹치지 않는 20MHz 대역 이상에서 제2주파수에 공진 되도록 한다.

여기서 상기 제1루프안테나패턴(12)과 제2루프안테나패턴(11)은 각각 상대방의 자기장이 형성하는 영역 안에 서로 위치한다. 상기 제2루프안테나패턴(11)이 송신(방사)하는 무선신호는 제1루프안테나패턴(12)에서 수신하고 자체적으로 동조하는 주파수의 신호로 변환하며 자체적으로 형성하는 자기장 영역에서 재송신하므로 중계한다.

상기 패치안테나패턴(20)은 금속성 도전체인 일면(10)과 이면(30) 사이에 상기 유전체 필름이 적층되어 식각과 같은 공정을 통해 일면(10)에 형성되는 제1패치안테나패턴(21)과 이면(30)에 형성되는 제2패치안테나패턴(22)을 포함한다.

상기 제1패치안테나패턴(21)은 상기 제1루프안테나패턴(12)의 제1접촉단자(121)에 연결되고, 상기 제2패치안테나패턴(22)은 상기 제1루프안테나패턴(12)의 제2접촉단자(122)에 연결된다.

상기 제1패치안테나패턴(21)과 제2패치안테나패턴(22)을 포함하는 상기 패치안테나패턴(20)은 실버 페이스트(Silver paste), 그래핀, 카본블랙, 구리, 마그네슘 및 알루미늄 중 선택된 하나로서 제작되며, 바람직하게로는 스탬핑 방식을 적용하여 제조되는 것이다. 상기 스탬핑방식은 일반적으로 공지된 기법이기에 그 상세한 설명을 생략한다.

상기 패치안테나패턴(20)은 상기 일면(10)과 이면(30)의 정중앙에서 각각 형성되며, 상기 이면(30)에서 상기 제1루프안테나패턴(12)에 연결된다. 상기 패치안테나패턴(20)은 인덕터에 의한 유도성 리액턴스(XL) 값을 상기 제1루프안테나패턴(12)에서 선택되는 주파수에서 상쇄하는 용량성 리액턴스값을 갖고, 상기 제1루프안테나패턴(12)의 주파수를 공진시켜 이득을 확대시킬 수 있다. 특히 본 발명에 따른 상기 패치안테나패턴(20)은 그 면적에 따라서 공진주파수 대역(공진포인트)의 조절이 가능하다.

아울러 상기 패치안테나패턴(20)은 얇은 판으로 제작되는 시트형상으로서 상기 제1루프안테나패턴(12)과 제2루프안테나패턴(11)의 형상에 따라서 다양한 형상으로 응용되어 상기 안테나 기판(10, 30)에 설치됨도 본 발명의 기술적 사상의 범위에 해당된다. 예를 들면, 상기 패치안테나패턴(20)은 상기 안테나기판에서 일면(10)과 이면(30) 중 어느 하나 또는 양면에 모두 설치됨도 가능하며, 제1루프안테나패턴(12)과 제2루프안테나패턴(11)의 설치영역이나 형상에 따라서 원형, 사각형, 마름모, 타원형, 사각형, 오각형, 다각형등 제작자나 설계자의 응용에 따라 다양한 형상의 변형이 가능하다.

본 발명은 상기와 같은 구성에서 상기 패치안테나패턴(20)의 면적의 증감에 따라서 공진포인트의 조절 가능여부를 확인하기 위한 테스트를 진행하였으며 이는 하기의 도 3에 도시된 바와 같다.

도 3은 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나에서 패치안테나패턴의 면적에 따른 공진포인트의 변동을 확인하기 위한 테스트결과를 도시한 그래프이다.

여기서 실험1은 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나에서 패치안테나패턴(20)의 면적을 21mm×29mm로 설정하였고, 수정하기 전에 측정한 것이며, 실험2는 실험1의 면적을 14mm×5mm로 수정했을 때를 측정한 것이다.

실험1은 8.1MHz, 5.1dB로 측정되었으며, 실험2는 20.9MHz, 6.6dB로서 주파수의 이동이 확인되었다. 즉, 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나는 상기 패치안테나패턴(20)의 면적을 조절하여 공진포인트의 조정이 가능하다는 결론을 내릴 수 있었다.

또한 본 발명은 상기와 같은 구성에서 반사패턴을 더 포함하는 다른 실시예를 포함하고 있다. 이는 하기의 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나의 다른 실시예를 도시한 평면도이다.

도 4를 참조이면, 본 발명의 다른 실시예는 상기 패치안테나패턴(20)외 나머지 영역에서 금속성 도전체로 형성되어 미세 전자파에 의한 노이즈를 방지하도록 전자파를 흡수하는 반사패턴(50)을 더 포함한다.

상기 반사패턴(50)은 상기 이면(30)에서 중심부에 형성되는 패치안테나패턴(20)을 제외한 나머지 영역에서 설치되어 주변에서 작용하는 전자파와 같은 노이즈를 흡수하는 역할을 한다.

통상적으로 엔에프시 단말기 및 그외 무선통신단말기에서 배터리셀의 일면에 안테나가 부착되는 경우에 전자파흡수체가 설치되어 배터리셀이나 주변의 전자파에 의하여 안테나의 방사율에 손실이 발생되는 노이즈를 차폐시키게 된다.

그러나 엔에프시 루프 안테나는 전자파흡수체에 의하여 필터링 된다 하더라도 완전히 제거되지 못하고 미세한 노이즈가 전자파흡수체를 통과하여 안테나의 방사율에 손실을 일으킬 수 있으며 그 손실을 방지이면 더욱 큰 효과를 얻을 수 있다.

따라서 본 발명의 다른 실시예에서는 반사패턴(50)을 추가로 설치하여 전자파흡수체를 투과하는 미세 노이즈를 제거하여 높은 이득을 갖도록 개선하였다.

이와 같은 결과는 상기 반사패턴(50)과 2단자 루프안테나패턴을 NFC RF 국내 시험규격에 따른 테스트를 통하여 하기의 표 1에 도시된 바와 같은 실험결과를 통해 확인할 수 있었다.

Type	Freq	dB	T-M (거리)	Dongle	Standard 1K	Standard 4K	UL	ISO 15693	EMV Load	비고
실시1	15.3	2.3	53	34	40	39	37	-	300:5.4
실시2	15.3	2.7	55	34	40	40	36	58	300:6.1	본발명

상기 표 1에서, 실시 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 엔에프시 루프 안테나이며, 실시2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔에프시 루프 안테나로서 상기 반사패턴(50)이 더 포함된 구성이다.

상기 실시1은 통신거리(T-M)의 측정에서 53이고, 실시2는 55로서 실시1보다 통신거리가 연장됨이 확인된다. 이를 통해 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나는 반사패턴(50)을 포함하기 때문에 안테나의 손실이 방지될 수 있음이 확인된다.

아울러 상기 반사패턴(50)은 전자파 노이즈를 흡수하는 금속성 도전체중 필름과 같은 얇은 판형상으로 구현될 수 있는 금속성 도전체가 바람직하며, 더욱 바람직하게로는 동박판을 적용하는 것이다.

또한 상기 반사패턴(50)은 상기 배터리 셀(도시되지 않음)에 부착되는 전자파흡수체를 통과하는 미세한 노이즈를 흡수하여 안테나의 방사율 손실을 방지하기 때문에, 예를 들면, 시트형상의 금속성 도전체라면 가능하다. 더욱 바람직하게로는 상기 반사패턴(50)은 시트형상으로 제조가능한 실버 페이스트(Silver paste), 카본블랙, 구리, 그래핀, 마그네슘 및 알루미늄 중 선택된 하나이다.

또한 상기 반사패턴(50)은 시트형상으로서 얇은 판으로 제조되어 상기 안테나 기판의 일면(10)과 이면(30)중 어느 한면 또는 양면 모두에 적용가능하며, 상기 패치안테나패턴(20)과 제1루프안테나패턴(12) 및 제2루프안테나패턴(11)의 설치된 영역에 따라서 다양한 형상(원형, 사각형, 마름모형, 오각형, 다각형, 계단형, 삼각형, 타원형)으로 설치됨도 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 엔에프시 루프 안테나는 상기 패치안테나패턴(20)의 면적을 통해서 공진포인트의 조절이 가능하며, 더욱이 상기 반사패턴(50)을 구비하여 안테나의 방사율이 미세노이즈에 의한 손실을 방지할 수 있어 2단자를 구성하는 엔에프시 루프 안테나의 성능을 획기적으로 개선할 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예에 대해서 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10 : 일면 11 : 제2루프안테나패턴
12 : 제1루프안테나패턴 20 : 패치안테나패턴
21 : 제1패치안테나패턴 22 : 제2패치안테나패턴
30 : 이면 40 : 단자
50 : 반사패턴 111, 121 : 제1접촉단자
112, 122 : 제2접촉단자

Claims

양면을 갖는 안테나 기판;
상기 안테나 기판의 일면 내측에서 시작되어 테두리를 따라 연장되도록 형성되는 제1루프안테나패턴;
상기 제1루프안테나패턴의 외측에서 시작되어 상기 테두리를 따라 연장되는 제2루프안테나패턴; 및
상기 안테나 기판에서 상기 제1루프안테나패턴에 연결되어 주파수를 공진시키는 캐패시턴스 성분을 갖는 패치안테나패턴을 포함하고,
상기 패치안테나패턴은 상기 안테나기판의 일면에서 상기 제1루프안테나패턴의 양 끝단에 형성되는 접촉단자중 제1접촉단자에 연결되는 제1패치안테나패턴과, 상기 안테나기판의 이면에서 상기 제1루프안테나패턴의 양끝단에 형성되는 접촉단자 중 제2접촉단자에 연결되는 제2패치안테나패턴을 포함하는 엔에프시 루프 안테나.
제1항에 있어서, 상기 패치안테나패턴은
구리, 카본블랙, 마그네슘, 그래핀, 알루미늄 및 실버 페이스트(Silver Paste) 중 선택된 어느 하나인 엔에프시 루프 안테나.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 엔에프시 루프 안테나는
상기 이면에서 노이즈를 차폐시키는 금속성 도전체로 이루어진 반사패턴을 더 포함하는 엔에프시 루프 안테나.
제3항에 있어서, 상기 반사패턴은
실버 페이스트(Silver Paste), 카본 블랙, 그래핀, 나노탄소튜브, 마그네슘, 알루미늄 및 구리 중 선택된 어느 하나인 엔에프시 루프 안테나.