KR101400623B1 - 단층 구조의 ｎｆｃ 안테나 - Google Patents

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김병관
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문병귀
이현우
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 단층 구조를 가지는 NFC 안테나에 관한 것으로, 안테나의 신호가 인가되는 안테나 급전부(feed)(1); 13.56MHz NFC 안테나의 공진주파수(
Figure 112012101647286-pat00041
, c=fλ, 단 c = 3x108m/sec)에서 공진되도록 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)을 매칭하는 임피던스 매칭부(2); 안테나의 패턴을 커버하는 substrate(Cover polymide, εr=3.5, 30)로 사용되는 유전체기판(3); 상기 13.56MHz NFC 안테나의 외곽에서 Loop의 형태로 구성된 외곽 1 turn 라인부(4); 상기 13.56MHz NFC 안테나의 내부에서 브랜치드 금속 선(branched metal line)을 구성하는 내부 브랜치드 라인부(5); 금속 선(metal line) 사이의 빈 공간의 틈새부분을 지칭하는 클리어런스(Clearance)(6); Branched metal line의 turn 수 조절을 위한 branched line의 끝나는 지점인 브랜치드 라인 종단부(7)로 구성된 10cm 이내의 근거리 무선통신을 제공하는 FPCB(Flexible PCB) 형태의 13.56MHz NFC 안테나를 포함하고, 스마트폰의 배터리에 상기 13.56MHz NFC 안테나를 부착하는 배터리(8)로 구성된다. 기존의 복층구조의 루프안테나와 동일하게 상기 단층구조의 13.56MHz NFC 안테나는 기본 1 turn 루프 안테나에 2~5 turn으로 조절 가능한 내부 branched metal line을 가지는 안테나에 대하여 임피던스 매칭된 상태의 Magnetic field를 형성하여, 기존의 복층구조의 NFC 안테나와 성능대비 전체적으로 동일한 양상의 자기장(Magnetic Field)을 발생시키고 동작하며, 상기 FPCB(Flexible PCB) 형태의 단층구조의 13.56MHz NFC 안테나를 이동통신 단말기(스마트폰)의 배터리(8)에 적용하거나 후면 케이스, POS 단말기, 전자 기기에 적용하여 이동통신 단말기의 전체적인 두께를 얇게 하는 것을 특징으로 한다.

Description

단층 구조의 ＮＦＣ 안테나{Single layer NFC antenna}
본 발명은 단층 구조의 13.56MHz NFC(Near Field Communication) 안테나에 관한 것으로, 기존의 복층구조 NFC 루프 안테나의 단점을 개선하기 위해 단층 구조의 NFC 루프 안테나를 설계하고 단층구조의 루프(loop) 내부에 감긴 turn 수 조절이 가능한 branched metal line을 삽입하여 기존의 복층 구조의 안테나가 가지는 점프선을 없앰으로서 안테나의 두께를 줄이고, 양산 신뢰성 및 양산단가를 절감할 수 있는 구조의 안테나로 휴대폰의 백케이스, 배터리 팩, POS 단말기, 전자 기기 등에 설치되어 비접촉 근거리 무선통신에 사용할 수 있다.
NFC(Near Field Communication: 근거리 자기장 통신)는 13.56 MHz 주파수를 사용하여 10 cm이내의 거리에서 낮은 전력으로 전자기기 간의 무선통신을 가능하게 하는 비접촉 근거리 무선통신 기술 규격으로, 2002년 네덜란드 NXP 반도체와 일본 Sony가 공동 개발했다. 초당 전송속도는 최대 424 kbps이며, 근접성의 특성과 암호화 기술로 보안성이 뛰어나고, 단말기끼리 인식하는데 복잡한 페어링 절차가 필요 없이 1/10초 이하로 인식할 수 있다. NFC는 RFID 기술을 사용한 스마트카드식 비접촉식 무선 통신 기술로, 스마트카드에 비하여 양방향성을 제공하고, 저장 메모리 공간이 크며, 적용 가능한 서비스의 폭이 넓은 특징이 있다. NFC는 모바일기기, 특히 스마트폰과의 융합을 통해 단말간 데이터통신을 제공할 뿐만 아니라 기존의 비접촉식 스마트카드 기술 및 무선인식기술(RFID)과의 상호호환성을 유지한다.
NFC는 2004년에 NXP, Sony를 주축으로 결성된 NFC Forum에서 NFC 관련 표준(ISO/IEC 18092, ISO/IEC 21481)이 제정되어 왔다. NFC 표준은 ISO/IEC 14443' 비접촉 카드 표준을 확장한 것으로 NFC 디바이스 뿐만 아니라 ISO/IEC 14443 리더기나 스마트카드와 데이타 통신이 가능하며, 최근, 스마트폰에 NFC 기술을 도입하는 새로운 움직임이 나타나고 있다.
현재 iOS(애플) 및 안드로이드(구글)의 운영체제가 탑재된 스마트폰에 NFC 기술을 도입하여 모바일 신용카드, RFID 리더/태그 및 데이터통신 장치로 사용하는 서비스 모델이 부각되고 있다. 특히, 비자카드 및 마스터카드 등 주요 신용카드 회사에서 매우 적극적으로 NFC 기술을 지원하고 있는 상황이며 구글의 안드로이드 OS 및 노키아의 심비안 OS등 스마트폰 OS의 NFC 지원이 점점 증가하는 추세이다.
NFC는 13.56 MHz 대역 비접촉식 근거리 무선통신기술을 제공하여 모바일기기, 특히 스마트폰과의 융합을 통해 단말 간 데이터통신을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 비접촉식 스마트카드 기술 및 무선인식기술(RFID)과의 상호호환성을 제공한다. 2003년 NFC 통신규격에 대한 국제표준제정(ISO/IEC 18092)과 2004년 NFC포럼의 설립으로 비로소 NFC라는 용어가 공식적으로 사용되기 시작했는데 그 이전에는 대부분의 13.56 MHz 무선통신기술이 비접촉식 스마트카드 기술 범주에 포함되었다. 현재 기존 비접촉식 스마트카드 기술은 지하철, 버스요금 결제용 교통카드 및 신용카드 등에 보편적으로 사용중이고, RFID 태그형태로 유통물류 분야에 사용되고 있다. 하지만, 전용 리더기와 IC카드 형태의 고정형 서비스를 탈피하여 개인 휴대전화기에 비접촉식 무선통신기술을 탑재하려는 노력이 계속되었고 특히 전 세계 휴대전화 제조 1위인 노키아는 자사 일부 휴대폰 모델에 NFC를 탑재하여 출시한 바 있다. 그러나 제한된 무선 인터넷 접속환경으로 서비스 연계성 미흡, 일반 휴대전화의 제한적 활용 및 NFC 탑재 휴대기기의 숫자가 절대적으로 부족하여 시장 확산에 한계가 있었다.
2003년 NFC 통신규격에 대한 국제표준제정(ISO/IEC 18092)과 2004년 NFC 포럼의 설립으로 비로소 NFC라는 용어가 공식적으로 사용되기 시작했는데 그 이전에는 대부분의 13.56 MHz 무선통신기술이 비접촉식 스마트카드 기술 범주에 포함되었다. NFC는 2004년에 처음으로 ISO/IEC 18092 비접촉식 근거리 무선통신 표준으로 제정되었으며, 13.56 MHz 대역에서 자기장 커플링 방식의 기기 간 통신 인터페이스 및 프로토콜을 정의하고 있다. ISO/IEC 18092의 내용에는 일본에서 폭넓게 사용되고 있는 펠리카(FeliCaTM)의 기술이 일부 반영되었는데 펠리카는 SONY 자체 스마트카드용 무선통신기술로써 ISO/IEC 14443 타입C 표준화 추가에 실패하자 NFC라는 새로운 기술표준의 내용에 포함시킨 것이다.
NFC 표준은 ISO/IEC 14443' 비접촉 카드 표준을 확장한 것으로 NFC 디바이스뿐 아니라 ISO/IEC 14443 리더기나 스마트카드와도 통신이 가능하다. NFC는 결제뿐만 아니라 슈퍼마켓이나 일반 상점에서 물품 정보나 방문객을 위한 여행 정보 전송, 교통, 출입통제 잠금장치 등에 광범위하게 활용된다. 2011년부터 본격 개화가 예상되는 NFC시장은 기존 금융, 교통, 유통을 포함해 미디어/콘텐츠 산업으로까지 확대 적용될 것으로 전망된다.
NFC는 이미 등장한 지 10년이 넘는 기술이며 그동안 꾸준히 가능성을 탐색하며 파일럿 프로젝트들이 진행되고 있던 기술이다. NFC는 태그의 정보를 읽거나 쓰기가 가능한 장점이 있고, 기존의 RFID가 리더로 태그의 정보를 읽을 수만 있는데 반해 기술적인 우위를 지닌다. 데이터 전송 속도는 블루투스에 비해 느린 편이지만 통신 설정시간이 0.1초로 매우 짧고 센서의 방향에 따른 인식 오동작도 적은 편이라는 점이 유사기술인 블루투스나 적외선 방식대비 장점이 있다. 이러한 장점에도 불구하고 최근 NFC의 급격한 부각은 글로벌 벤더들의 적극적인 기술 도입에 따른 Supply-Push의 성격이 강하다. 2010년 7월 Nokia가 2011년부터 자사의 모든 스마트폰에 NFC를 탑재할 것이라고 발표하면서 급격하게 부각되기 시작했다. 이후 11월에는 미국의 주요 이동통신사인 Verizon, AT&T, T-Mobile USA가 Isis라는 JV의 설립을 발표했고, Google은 12월 공개된 Android 2.3버전인 Gingerbread에서 NFC를 주요 기능으로 내세우며, NFC 칩에서 가장 앞서 나가고 있는 NXP와 전략적 제휴를 맺었다. 2011년에도 2월에 이동통신사업자들의 대표기구인 GSMA가 16개 글로벌 이동통신사(SKT, KT 포함)가 NFC 기술 표준을 준비하고 있고, 3월에는 세계 2위의 POS업체인 Verifone이 향후 자사의 모든 POS 단말기에 NFC를 도입하겠다고 밝힌바 있다.
NFC는 13.56 MHz대를 사용하는 비접촉식 근거리 무선통신 방식이다. 10 cm 정도의 거리에서 낮은 전력으로 단말기간 데이터를 전송할 수 있는 기술인데, RFID 기술의 일종이라고 할 수 있다. 기존 모바일 RFID와의 차이점은 읽고 쓰기가 가능하다는 점이다.
NFC 프로토콜을 살펴보면, NFC디바이스는 타겟 모드 또는 이니시에이터 모드중 하나가 될 수 있다. 수동 디바이스는 항상 타겟 모드이다. NFC디바이스는 디폴트모드가 타겟 모드이다. 응용프로그램을 통해 이니시에이터 모드로 변환할 수 있다. NFC디바이스가 타겟 모드에 있을 때 디바이스는 다른 이니시에이터로부터의 생성된 RF필드가 도달할 때까지 기다려야한다. 디바이스가 이니시에이터 모드로 동작할 때 RF필드를 생성하기 전에 외부의 RF필드를 감지하여 충돌회피를 수행하여야한다. 응용프로그램은 능동 통신 모드(Active Communication Mode)로 동작할 것인지 수동 통신 모드(Passive Communication Mode)로 동작할 것인지를 결정한다. 만약 수동 통신 모드로 동작을 하게 되면, 응용프로그램은 데이터 전송을 시작하기 전에 단일 장치 검색을 수행한다.
1.1 물리계층( RF )
기기 간 통신 모드는 ISO/IEC 14443 A와 FeliCa, 리더/태그 모드는 ISO/IEC 14443 A/B와 FeliCa, 카드 에뮬레이션 모드는 ISO/IEC 14443 A와 FeliCa로 정의했다.
RF 스펙(RF Specification) 측면에서, 모든 NFC 통신 캐리어 주파수는 13.56 MHz를 사용하며 시스템의 대역폭은 13.56 MHz 7 kHz이다. RF 필드의 최대/최소값은 Hmax=7.5 A/m, Hmin=1.5 A/m(rms 값)이며, 모든 트랜스폰더는 H필드의 세기가 최대와 최소 사이일 때 동작을 하게 된다. 모든 리더와 active 트랜스폰더는 적어도 이상의 RF필드를 생성할 수 있어야 한다. 충돌을 피하기 위하여 모든 장치들은 최소필드강도 이상의 RF필드를 감지할 수 있어야 한다.
1.2 링크계층
LLCP(Logical Link Control Protocol)는 P2P 모드에서 상위 메시지 데이터 교환 및 OBEX, TCP/IP 등의 동작을 위한 신뢰성 높은 양방향 데이터 전송을 지원하기 위한 프로토콜을 정의했다.
1.3 메시지 형식
NDEF(NFC Data Exchange Format)는 NFC 태그에 저장되는 데이터 포맷 정의를 했다. RTD(Record Type Definition)는 NDEF를 실제응용에 적용할 수 있도록 여러 가지 응용분야별 세부 데이터 추가적으로 정의했다.
1.4 리더/태그 동작
NFC 포럼에서 정의한 네 가지 태그 타입을 지원하기 위해 각 타입별 명령어 세트를 별로로 정의했다 표1은 NFC 태그 타입(NFC tag type)의 분류를 나타낸다.
Figure 112012101647286-pat00001
NFC 포럼에서는 NFC의 주요 응용대상 분야를 기기 간 통신(P2P),리더/태그(R/W), 카드 에뮬레이션(SC)의 3 가지로 분류하고 각각의 동작 모드에 필요한 기술요소들을 표준화하고 있다.
도 1은 NFC 안테나가 제공하는 3가지 기능을 나타낸 개념도이다.
NFC는 카드 에뮬레이션 기능, 리더/태그 기능, 기기 간 통신(P2P) 기능을 제공한다.
첫째, 카드 에뮬레이션 기능은 단말이 외부의 리더기에 대해 태그로 동작하는 것이며, 예를 들면 모바일 결제를 제공한다. 이를 통해 모바일 신용카드나 교통카드, 멤버십카드, 카드키 등의 다양한 역할을 제공한다. 둘째, 리더/태그 기능은 단말이 외부의 태그를 읽는 리더기로 동작하는 것이며, 이를 통해 광고에 붙은 태그를 인식하여 부가 정보를 조회하거나, 영화 포스터에 붙은 태그를 통해 예고편을 보는 등의 역할을 제공한다. 셋째, P2P 기능은 아주 간단하고 신속하게 두 단말이 P2P 방식으로 데이터를 교환할 수 있는 기능을 제공한다. 이를 통해 사진, 문서, 연락처 정보 등을 쉽게 공유할 수 있다. 이와 같은 NFC의 3대 기능을 이용하여 다양한 NFC 응용 서비스가 등장할 전망이며, NFC칩이나 태그와 같은 하드웨어 시장뿐만 아니라 모바일 결제 등의 응용서비스 시장을 제공한다.
표 2는 NFC 안테나의 3가지 동작 방식을 비교하여 설명하였다.
Figure 112012101647286-pat00002
NFC에 탑재되는 보안 요소(Secure Elements)용 대규모 집적회로(large scale integration)에는 마이크로프로세서나 암호처리회로, 난수발생기, 불휘발성 메모리등 집적되어 있다. 여기에 외부로부터 어플리케이션 소프트웨어를 받아 다양한 종류의 비접촉 IC카드로서 동작시킬 수 있다. NFC 탑재 휴대폰용 SE에서는 복수의 어플리케이션을 실행할 수 있다. 결제서비스에서 보완 요소는 악의적인 제3자로부터 침입을 당하거나 정보를 도용당하는 것을 방지한다. SE에서는 반드시 서비스 제공자밖에 알지 못하는 비밀키로 암호화한 상태로 데이터가 송출된다. 역으로 저장하는 경우 SE 내부에 가진 비밀키로 암호화한 상태로 받는다. 이렇게 함으로써 예를 들면 휴대폰 소유자라도 SE에 입력된 정보를 바꾸거나 엿볼 수 없다. 즉, 보안요소를 확보하면 NFC서비스 영역에서 App Store를 운영하는 애플이나 안드로이드 마켓을 전개하는 구글과 같은 입장에 있게 된다는 것을 의미하는 것이다. 또한, SE의 탑재 장소에 따라 필요해지는 휴대폰의 요건은 제각각이다. 때문에, NFC탑재 휴대폰을 만드는 메이커에 있어서는 부담이 크다. SE LSI와 NFC컨트롤러 IC가 별도 칩으로 탑재되어 있기 때문에 서비스 주체마다 내부설계를 생각하지 않으면 안 되기 때문이다. 따라서 반도체 업계는 NFC컨트롤러 IC와 SE LSI를 통합, 원칩화하는 계획을 세우고 있다. 이 통합 LSI는 SE내장 SIM카드용으로 SWP의 인터페이스가 제공된다. SE 자체의 회로 규모는 크지 않기 때문에 이것을 통합해도 NFC컨트롤러 IC단체 제품을 거의 같은 비용으로 제공할 수 있다. NFC탑재 휴대폰이 주류가 되면 SD 메모리카드로 NFC서비스를 제공하는 사업자는 SD 메모리카드에 SE를 탑재하면 된다. 휴대폰 본체의 안테나와 NFC컨트롤러 IC를 이용할 수 있기 때문이다. NFC컨트롤러 IC와 SD메모리카드의 SE 사이에는 베이스밴드처리 LSI를 통해 연결한다. SD메모리카드와 베이스밴드처리 LSI 사이에는 SDIO, 베이스밴드 처리 LSI와 NFC컨트롤러 IC 사이에는 SPI(serial peripheral interface)등의 표준 인터페이스로 연결하게 된다.
도 2는 13.56 MHz 대역 인터페이스 표준을 나타낸 도면이다.
NFC는 2004년에 처음으로 ISO/IEC 18092 표준으로 제정되었으며 13.56 MHz 대역에서 자기장 커플링 방식의 기기 간 통신 인터페이스 및 프로토콜을 정의된 측면에서 기존의 비접촉식 스마트카드 기술과 확연히 차별화되는 부분이다. ISO/IEC 18092의 내용에는 일본에서 폭넓게 사용되고 있는 펠리카(FeliCaTM)의 기술이 일부 반영되었는데 펠리카(FeliCa)는 소니 자체 스마트카드용 무선통신기술로서 ISO/IEC 14443 타입C 표준화 추가에 실패하자 NFC라는 새로운 기술표준의 내용에 포함시키게 된 것이다. 또한, 2005년에는 ISO/IEC 21481 표준을 통해 ISO/IEC 14443, ISO/IEC 15693 또는 ISO/IEC 18025 등 세 가지의 대표적 13.56 MHz 대역 비접촉식 기술요소를 NFC의 범주에 모두 포함시키게 되는데 이는 NFC의 응용 서비스 분야의 확산 및 보급 확대를 위한 전략이었다. 13.56 MHz 대역 비접촉식 근거리 무선통신은 통신범위에 따라 10 cm 이내의 근접형(Proximity)과 1 m 범위까지 인식이 가능한 주변형(Vicinity)으로 분류할 수 있다. 이들 중 스마트카드에 적용되는 것은 비접촉식 근접형 무선통신기술로서 ISO/IEC 14443을 대표적인 표준이다. 가장 널리 사용되고 있는 ISO/IEC 14443 기반 IC칩은 NXP사의 마이패어(mifare)인데 전 세계시장의 72%를 점유하고 있는 것으로 조사되었다(2007년). ISO/IEC 15693 표준은 1 m 범위에서 무선 인식이 가능하므로 출입증 및 항공화물인식 등의 스마트 레이블에 주로 활용되는 기술이다. 유통물류 분야에 특화된 바코드 및 900 MHz 대역 RFID 기술표준화를 주도하고 있는 EPC글로벌에서 ISO/IEC 15693 기반으로 HF 대역 표준화 작업을 진행 중이다.
NFC에 대한 규격은 ISO/IEC 18092 또는 ECMA-340에 의해 주어진다. ISO/IEC 18092는 능동 통신 모드와 수동 통신 모드를 규정한다. RF 인터페이스에 대한 테스트 규정은 ECMA-356에 정의되어 있고 프로토콜 테스트는 ECMA-362에 정의되어 있다.
도 3은 NFC 포럼 기기(NFC Forum Device)의 3가지 동작 모드를 나타낸 도면이다.
NFC 규정을 따르는 모든 능동 및 수동 장치들은 106 kbps, 212 kbps, 424 kbps의 3 가지 통신 속도를 지원하고, 이니시에이터에서 bit rate를 설정하게 되면 그 속도로 통신을 하게 된다.
표 3은 13.56 MHz대역 비접촉식 표준 무선통신기술 비교(Comparison among non-contact standard wireless communications technology at 13.56 MHz)를 나타냈다.
Figure 112012101647286-pat00003
그런데, 최근 스마트폰에 NFC 기술을 사용하여 모바일 신용카드, RFID 리더/태그 및 데이터전송장치로 활용하려는 시도는 상당히 현실적인 서비스 모델로 부각되고 있다. 특히, 비자카드 및 마스터카드 등 주요 신용카드회사에서 매우 적극적으로 NFC 기술 채택을 지원하고 있는 상황이며 구글의 안드로이드 OS 및 노키아의 심비안 OS 등 스마트폰 OS의 NFC 지원도 점점 증가하는 추세이다.
NFC 안테나는 근거리영역에서 유도성결합을 통하여 통신하게 된다. ISO/IEC 18092 규격에서 NFC 리더 안테나는 1.5 A/m < |H| < 7.5 A/m에 해당하는 자기장에서 동작하게 된다. 리더 안테나의 경우 가장 중요한 관심사항 중 하나는 이 조건을 만족시키면서 인식거리를 늘리고자 하는 것이다. 또한, NFC 안테나는 매칭회로를 통해서 강제로 13.56 MHz에 매칭을 시키게 된다.
그러나, 기존의 복층구조의 NFC 안테나 구조는 루프안테나의 구조상 급전부분을 위한 단면구조에 대한 제한되는 설계로 안테나의 높이(두께)가 증가하고, 복잡한 공정 및 단선의 문제점이 존재하였다.
현재 사용되고 있는 스마트폰은 NFC 기능이 필수적으로 요구되고 있으며, 스마트폰의 두께는 얇아지고 추세이다. 따라서 휴대폰에 장착되는 13.56 MHz NFC 안테나 또한 두께를 감소시키면서 양산 신뢰성 향상 및 생산 단가 절감이 매우 절실하다. 기존의 복층구조의 13.56 MHz NFC 안테나의 단점인 두께, 신뢰성, 양단단가를 개선 할 수 있는 단층 구조의 NFC 안테나의 발명이 매우 중요하다.
기존의 복층구조의 13.56 MHz NFC 안테나 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 NFC 안테나의 두께를 감소시키고, 신뢰성 향상 및 양산단가를 절감할 수 있는 단층 구조의 1 layer로 제작이 가능한 NFC 안테나를 설계하고 단층구조의 루프(loop) 내부에 브랜치드 금속 선 (branched metal line)(Cu, 구리)의 turn 수를 조절이 가능한 추가적인 element를 삽입하여 기존의 복층구조의 안테나를 대체 가능하도록 점프선을 가지지 않으면서 내부로 감아도는 브랜치드 금속 선(baranched metal line)을 통해 기존 안테나와 동일한 자기장(magnetic field)을 발생시켜, 10 cm이내의 거리에서 비접촉 근거리 무선통신을 제공하고, 휴대폰의 백케이스 또는 배터리 팩, POS 단말기, 전자 기기 등에 설치되는, 단층구조의 NFC 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 단층 구조를 가지는 NFC 안테나는 안테나의 신호가 인가되는 안테나 급전부(feed)(1); 13.56MHz NFC 안테나의 공진주파수(
Figure 112014006357909-pat00004
, c=fλ, 단 c = 3x108m/sec)에서 공진되도록 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)을 매칭하는 임피던스 매칭부(2); 안테나의 패턴을 커버하는 substrate(Cover polymide, εr=3.5, 30)로 사용되는 유전체기판(3); 상기 13.56MHz NFC 안테나의 외곽에서 Loop 형태로 구성된 외곽 1 turn 라인부(4); 상기 13.56MHz NFC 안테나의 내부에서 구리(Cu, 동박)로 된 브랜치드 금속 선(branched metal line)을 구성하는 내부 브랜치드 라인부(5); 구리(Cu, 동박) metal line 사이의 빈 공간의 틈새부분을 지칭하는 클리어런스(Clearance)(6); 상기 브랜치드 금속 선(branched metal line)의 turn 수 조절을 위한 branched line의 끝나는 지점인 브랜치드 라인 종단부(7)를 구비하는 10cm 이내의 근거리 무선통신을 제공하는 FPCB(Flexible PCB) 형태의 13.56MHz NFC 안테나를 포함하고,
기존의 복층구조 NFC 루프 안테나의 단점을 개선하기 위해 단층 구조의 13.56MHz NFC 루프 안테나를 설계하고 단층구조의 루프(loop) 내부에 감긴 turn 수 조절이 가능한 브랜치드 금속 선(branched metal line)을 삽입하여 기존의 복층 구조의 안테나가 가지는 점프선을 없앰으로서 NFC 안테나의 두께를 줄이는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 단층 구조의 13.56MHz NFC 안테나는 단층 구조의 1 layer로 제작이 가능한 13.56MHz NFC 안테나를 설계하고 내부 branched metal line의 turn 수를 조절가능한 추가적인 element를 삽입하여 기존의 점프선을 가지는 복층구조의 안테나를 대체가능하도록 점프선을 가지지 않으면서 내부로 감아도는 baranched metal line을 통해 기존 안테나와 동일한 magnetic field를 발생시키고 점프선을 가지지 않는 단층구조의 NFC 안테나를 제공한다.
따라서, 본 발명의 단층구조의 13.56MHz NFC 안테나는 내부의 baranched metal line을 통해 같은 방향의 전류흐름을 여기시킴으로써 근거리의 Magnetic field의 양을 증가시켜 근거리에서 통신하는 시스템의 인식거리를 증가시킬 수 있다,
본 발명의 단층구조의 13.56MHz NFC 안테나는 기존의 안테나와 다르게 단층 구조에서 설계 및 제작이 가능한 안테나로서 공정상의 결함을 최소화시킬 수 있고, 안테나의 높이를 최소화시킬 수 있다. 또한, 일반적인 소결체나 폴리머 타입의 페라이트(Ferrite)에도 동일하게 적용 가능하다. 단층구조의 13.56MHz NFC 안테나는 설계된 패턴 외곽의 Loop 형태의 matal line(4)에 대하여 급전부를 가지고, 외곽 metal line에서 내부로 감아도는 브랜치드 금속 선(branched metal line)(5)에 대하여 클리어런스(clearance, 틈새)를 가지는 구조의 형태를 지닌다. 본 발명의 13.56MHz NFC 안테나는 내부의 브랜치드 금속 선(branched metal line)은 NFC 안테나의 turn 수를 조절가능하고, 그 turn 수에 의하여 안테나의 인덕턴스(industance) 값을 변화시킬 수 있다. 기존의 안테나와 달리 브랜치드 금속 선(branched metal line)의 turn 수 증가에 따라 증가하는 인덕턴스 값에 대하여 비교적 일정한 저항(Resitance) 값을 가지며, 안테나에서 내부로 감아도는 브랜치드 금속 선(baranched metal line)을 통해 기존 복층구조의 NFC 안테나와 동일한 magnetic field를 발생시킨다.
10cm 이내의 근거리 무선통신을 위한 13.56MHz NFC 시스템의 안테나는 이동통신 단말기(휴대폰, 스마트폰 등)의 배터리에 적용되거나 또는 이동통신 단말기의 뒷면케이스에 적용될 수 있다.
기존의 복층구조의 NFC 안테나 구조는 루프안테나의 구조상 급전부분을 위한 단면구조에 대한 제한되는 설계로 두께가 증가하고, 단선의 문제점이 존재하였으나, 제안하는 단층 구조의 NFC 안테나는 단층 구조의 안테나를 통한 근거리 무선통신을 하는 NFC 안테나를 위하여 기존의 복층구조의 루프 안테나의 Magnetic Field의 형태를 동일하게 유지하면서 단층 구조의 이점을 가지고 기존 성능대비 유사한 Magnetic Field의 양을 가지고 인식거리를 증가시키는 장점이 있다
제안하는 13.56MHz NFC 안테나는 branched metal line(Cu, 구리)을 통한 단층 구조로 일반적으로 적용되는 휴대폰의 배터리내장 NFC 안테나와 후면케이스 부착 NFC 안테나의 경우에 얇은 두께로 동일하게 모두 적용 가능하고, 휴대폰의 전체적인 두께를 얇게 할 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 NFC 안테나가 제공하는 3가지 기능을 나타낸 개념도이다.
도 2는 13.56 MHz 대역 인터페이스 표준(13.56 MHz interface standard)을 나타낸 도면이다.
도 3은 NFC 포럼 기기(NFC Forum Device)의 3가지 동작 모드를 나타낸 도면이다.
도 4는 자속(Magnetic Field)을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 자계 강도 H(Magnetic field strength H)를 나타낸다.
도 6은 다양한 크기의 coil 안테나의 근거리장에서 자계 강도 H(Magnetic field H in the near field of coil antennas of different sizes)를 나타낸 그래프이다.
도 7은 안테나의 인덕턴스(inductance)를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 상호 인덕턴스(Mutual Inductance)를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 능동 통신 모드(Active Communication Mode)를 나타낸 도면이다.
도 10은 100% ASK 변조된 106 kbps 신호의 펄스 모양(Pulse shape of 100% ASK modulated 106 kbps signal)을 나타낸 도면이다.
도 11은 변조된 신호의 파형(Modulated Waveform)은 나타낸 도면이다.
도 12는 수동 모드 통신 방식(Passive Communication mode)을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 맨체스터 코딩(Manchester coding)을 나타낸 도면이다.
도 14는 NFC 프로토콜을 설명한 플로우챠트이다.
도 15는 턴 수(1 turn, 4 turn)에 따른 Loop 안테나를 나타낸 도면이다.
도 16은 턴 수에 따른 H field 분포를 비교(Comparison of H field varying the number of turns)한 도면이다.
도 17는 10cm이내의 비접촉식 근거리 무선통신을 제공하는 13.56MHz 주파수 대역의 단층 구조의 NFC 안테나의 구성도이다.
도 18은 내부 branched metal line(Cu, 구리)의 turn 수(2,3,4,5 turns)에 따른 NFC 안테나의 구성도이다.
도 19는 스마트폰의 배터리에 적용된 단층구조 안테나의 형태를 가지는 NFC 안테나의 단면도이다.
도 20은 내부 branched metal line에 따른 값들의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 21은 단층 구조 NFC 안테나의 Magnetic Field 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다. 우선, NFC 시스템의 동작원리를 설명한다.
2. NFC 시스템의 동작원리
2.1 Magnetic Field
2.1.1 Magnetic flux density
정적 자기장의 기본법칙은 비오사바르 법칙 중에 하나이다. 비오사바르 법칙을 이용하여 미소전류소에 의한 자유공간에서의 임의의 점에서 발생한 자기장을 계산할 수 있다. 이 법칙을 사용하여 중첩의 원리를 적용하면 다른 전류 분포에서의 자기장을 계산할 수 있다. 비오사바르 법칙에 의한 자속밀도(자기장)를 표시하면 다음과 같이 설명된다.
Figure 112012101647286-pat00005
(1.1)
이때, I는 도체의 미소면적 ds에 흐르는 전류이며 r은 측정점 방향으로의 유닛벡터 이다. 도체로부터의 거리는 r이고
Figure 112012101647286-pat00006
자유공간의 투자율이다. 총 자속밀도는 식 1.1에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012101647286-pat00007
(1.2)
2.1.2 Magnetic field strength
도 4는 자속(Magnetic Field)을 설명하기 위한 도면이며,
자속는 어떤 표면을 통과하는 모든 자속(magnetic field)의 합계이다. 이것은 표면 A를 통과하는 자속밀도 B의 면적분이다. 자기장 세기와 자속밀도 사이의 관계를 나타내면 다음과 같이 표현된다.
Figure 112012101647286-pat00008
(1.3)
이때,
Figure 112012101647286-pat00009
이고
Figure 112012101647286-pat00010
은 물질의 자기적 특성에 의해 결정되는 비투자율이다.
도체에 흐르는 전류는 주위에 자기장을 생성한다. 필드의 크기는 자기장 세기 H에 의해 설명된다. 직선도체의 필드세기 H는 다음과 같이 나타낸다.
Figure 112012101647286-pat00011
(1.4)
이때, I는 도체에 흐르는 전류이며 d는 도체로부터의 거리이다.
대부분의 RFID시스템에서는 원통형 또는 사각형 코일을 안테나로 사용한다. 원통형 코일의 x축에 따른 자기장세기는 다음과 같이 구해진다.
도 5는 자계 강도 H(Magnetic field strength H)를 나타낸다.
Figure 112012101647286-pat00012
(1.5)
이때, I는 코일을 통해 흐르는 전류, N은 권선 수, r은 코일의 반경이며, x는 x축 방향으로 코일로부터의 거리이다. 이 식에서 x는
Figure 112012101647286-pat00013
보다 작아야 하며, 그 이유는 그 이후부터는 원거리장(far field) 영역이기 때문이다. 코일은 밀집되어 있는 와이어로 가정하며 이때 와이어간의 거리 d<<r 이다.
루프로부터 멀리 떨어진 곳, 즉 x>>r 일 때도 아직 근거리장(near field) 영역 안이다. 왜냐하면 13.56 MHz에서 근거리 영역은 거의 3.52 m이기 때문이다. 그래서 분모의 항은 무시될 수 있다. 그러므로 필드 세기는 다음과 같이 나타낸다.
Figure 112012101647286-pat00014
(1.6)
위식에서 필드의 세기는 근거리장 영역에서 거리의 세제곱으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 측면의 길이가 a와 b인 직사각형 와이어 루프에 의해 생성되는 자기장 세기는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112012101647286-pat00015
(1.7)
이때 x는 x축에 따른 거리이다.
자기장 세기 H는 코일 중심으로부터의 거리 x가 반지름인 r과 같아질 때까지 거의 일정하다. 그 이후부터 필드세기는 거리가 10배 멀어질 때마다 60 dB의 비율로 세기가 감소한다. 반경이 작은 코일은 반경이 큰 코일에 비해 같은 전류가 흘렀을 때 코일의 중앙에서 생성하는 필드의 세기가 크다. 도 7에서 볼 수 있다. 그러나 코일의 반경이 클수록 먼 거리에서 더 강한 필드를 가진다.
도 6은 다양한 크기의 coil 안테나의 근거리장에서 자계 강도 H(Magnetic field H in the near field of coil antennas of different sizes)를 나타낸 그래프이다. 도 6은 거리에 따른 크기가 다른 세 가지 코일 안테나의 H필드의 세기를 비교해 놓은 것이다. 각 안테나의 권선 수는 동일하며 오직 안테나의 반경만을 다르게 한 것이다. 계산된 결과를 보면 반경이 작은 안테나는 거리가 가까운 부분에서는 필드세기가 강하지만 먼 거리까지 필드의 세기가 유지가 되지 않으며 반경이 큰 안테나의 필드 세기는 가까운 거리에선 반경이 작은 안테나에 비해 필드의 세기가 약하지만 더 먼 거리에서 강한 필드를 생성하는 것을 볼 수 있다.
코일의 반경 r의 변화에 따른 자기장세기를 보았을 때 x≒
Figure 112012101647286-pat00016
일 때 각 코일은 최대세기를 가진다. 트랜스폰더의 동작에 필요한 최소 필드세기를 알게 되면 리더안테나의 크기를 결정할 수 있다. 과도한 크기를 가지는 리더 안테나는 아무리 RFID 칩이 리더 가까이에 있을지라도 RFID 칩을 동작시키기 위한 충분한 자기장세기를 발생할 수 없다.
2.1.3 Inductance
총 전속
Figure 112012101647286-pat00017
는 코일루프의 턴수 N에 의해 발생되는 자속의 합으로 나타낼 수 있다.
Figure 112012101647286-pat00018
(1.8)
코일의 인덕턴스 L은 총 전속
Figure 112012101647286-pat00019
에 대한 전류의 비로 나타낼 수 있다.
Figure 112012101647286-pat00020
(1.9)
도 7은 안테나의 인덕턴스(inductance)를 설명하기 위한 도면이다.
인덕턴스는 도체 루프 코일의 특성변수 중 하나 이다. 도체 루프 코일의 인덕턴스는 주위 공간의 재료 특성과 그 구조에 따라 달라진다. 우리가 사용하는 전선의 직경 d를 루프 코일의 반경 D에 비해 매우 작다고 가정을 하는 경우(d/D < 0.0001) 다음과 같이 간단한 근사식으로 L을 구할 수 있다.
Figure 112012101647286-pat00021
(1.10)
이때 R은 루프 코일의 반지름이고, d는 전선의 직경이다.
2.1.4 Mutual inductance
첫 번째 코일의 주변에 위치한 두 번째 코일은 첫 번째 코일로부터 발생한 자속에 의해 영향을 받을 것이다. 첫 번째 코일에서 생성된 자속의 일부분이 두 번째 코일을 통과하게 된다. 유도 커플링의 quality는 두 코일의 구조, 두 코일의 서로 상대적인 위치, 그리고 두 코일 사이에 있는 매체의 투자율에 따라 영향을 받는다. 두 코일을 통과하는 상호 flux는 커플링 flux 이라 불려진다.
도 8은 상호 인덕턴스(Mutual Inductance)를 설명하기 위한 도면이다.
상호 인덕턴스 M21은 두 번째 코일을 통과하는 커플링 flux
Figure 112012101647286-pat00022
21와 첫 번째 코일의 전류 I1의 비율로 정의된다.
Figure 112012101647286-pat00023
(1.11)
두 번째 코일의 전류 I2는 커플링 flux
Figure 112012101647286-pat00024
21을 통해 첫 번째 코일에 전류를 유도하는 자기장을 생성한다. 상호 인덕턴스는 어느 쪽이든 같다.
Figure 112012101647286-pat00025
(1.12)
상호 유도를 통한 유도성 커플링은 대부분의 수동 RFID 트랜스폰더의 태그 및 시스템에 기반이 되는 원칙이다. 수동 RFID 시스템은 전원 및 데이터 전송 모두 이러한 현상에 의존하고 있다. 리더 안테나는 트랜스폰더 안테나에 충분한 에너지를 전달하기 위해 주위의 공간에 충분히 큰 필드를 가지고 있어야 한다.
2.1.5 Coupling coefficient
두 코일 사이의 유도성 커플링의 효율을 측정할 수 있도록 커플링 계수가 도입되었다.
Figure 112012101647286-pat00026
(1.13)
커플링 계수는 1에서 0사이의 값을 갖는다. k=1일 때는 Total coupling이고, k=0일 때는 Full decoupling 되었다고 할 수 있다. Total coupling의 경우, 두 코일은 같은 자속을 받는다고 할 수 있다. Total coupling의 예로는 페라이트 코어 변압기를 들 수 있다. Full decoupling은 두 코일 사이의 거리가 너무 크거나 두 코일이 서로 수직일 경우에 발생할 수 있다. 유도 결합 RFID 시스템은 아주 낮은 결합계수(<1%)를 가지고 동작한다.
2.1.6 Inductive Coupling
유도 결합 트랜스폰더는 하나의 마이크로칩과 안테나 역할을 하는 코일로 이루어져 있다. 유도 결한 트랜스폰더는 거의 수동적으로 동작한다. 마이크로 칩의 작동에 필요한 모든 에너지는 리더로부터 제공을 받는다. 그러기 위해선 리더의 안테나 코일은 강한 고주파 전자 자기장을 생성해야 한다. 사용 주파수의 파장(13.56 MHz : 22.1m)은 리더안테나와 트랜스폰더 사이의 거리보다 몇 배 이상이다. 그래서 리더와 트랜스폰더는 근거리장 영역에서 동작을 하게 된다. 근거리장 영역에선 전기장의 세기보다 자기장의 세기가 훨씬 더 크다. 리더의 코일로부터 발생한 필드의 일부분이 트랜스폰더 안테나코일을 통과하게 되면 트랜스폰더의 코일에는 전압이 유도된다. 이 전압은 정류되어 마이크로칩에 데이터를 운반하는 전원 공급 장치로서의 역할을 하게 된다.
2.2 NFC Interface and Protocol
NFC에 대한 규격은 ISO/IEC 18092 또는 ECMA-340에 의해 주어진다. ISO/IEC 18092는 능동 통신 모드와 수동 통신 모드를 규정한다. RF 인터페이스에 대한 테스트 규정은 ECMA-356에 정의되어 있고 프로토콜 테스트는 ECMA-362에 정의되어 있다.
2.2.1 Modulation and data transfer
NFC 규정을 따르는 모든 능동 및 수동 장치들은 106 kbps, 212 kbps, 424 kbps의 세 가지 통신 속도를 지원한다. 이니시에이터에서 bit rate를 설정하게 되면 그 속도로 통신을 하게 된다. Bit duration은 다음의 식으로 구할 수 있다.
Figure 112012101647286-pat00027
(1.14)
표4는 제수 D의 정의(Definition of divisor D)를 나타낸다.
Figure 112012101647286-pat00028
2.2.1.1 Active communication mode
이니시에이터와 타겟 모두 자신이 발생한 RF필드를 가지고 통신하는 모드이다. 이니시에이터는 NFCIP-1방식으로 통신한다. 타겟은 이니시에이터에 대한 응답으로 자기가 발생한 RF필드를 직접 변조해 응답하게 된다.
도 9는 능동 통신 모드(Active Communication Mode)를 설명하기 위한 도면이다.
2.2.1.1.1 Bit rate 106 kbps
비트 전송률의 리더에서 태그로 그리고 태그에서 리더로의 통신은 도 12에 도시된 바와 같이 "펄스"를 만들기 위해 RF 운영 영역의 ASK 100% 변조 법을 사용해야 한다. 도 10은 100% ASK 변조된 106 kbps 신호의 펄스 모양(Pulse shape of 100% ASK modulated 106 kbps signal)을 나타낸 도면이다.
영역의 포락선은 HINITIAL 초기 값의 5%보다 작고 t2보다 크기 위해 5%보다 작게 유지하기 위해 단조롭게 감소해야 한다. 영역의 포락선이 단조롭게 감소하지 않는다면 최대가 되는 부분과 최대가 되는 부분이 되기 전에 같은 값을 지나는 시간이 0.5 가 초과하지 않아야 한다. 이것은 최대가 되는 부분이 HINITIAL의 5%가 넘을 때만 적용되는 것이다. 오버슈트는 HINITIAL의 90%와 110% 이내에 있어야 한다. 태그는 "펄스의 끝"을 영역이 HINITIAL의 5%를 초과한 뒤나 HINITIAL의 60%를 초과하기 전에 감지해야 한다. "펄스의 끝"은 표 5의 t4에 정의되어 있다. 이 정의는 모든 변조곡선 타이밍에 적용된다.
표 5는 100% ASK 펄스 모양에서의 최대/최소 값(Max/min values in 100% ASK Pulse shape)을 나타낸다.
Figure 112012101647286-pat00029
2.2.1.1.2 Bit rate 212 kbps and 424 kbps }
212 kbps와 424 kbps에 사용되는 변조 방식은 동작 필드의 8%에서 30%사이의 변조 지수를 가지는 ASK방식을 사용한다. 변조된 신호의 Rising edge 와 Falling edge는 단조로워야 한다. 초기화를 할 동안의 전송 그리고 단일 장치 감지를 할 동안의 변조는 같아야 한다. a와 b는 신호 진폭의 최대치와 최소치를 정의한다.
도 11은 변조된 신호의 파형(Modulated Waveform)은 나타낸 도면이다.
Figure 112012101647286-pat00030
2.2.1.2 Passive Communication mode
도 12는 수동 모드 통신 방식(Passive Communication mode)을 나타낸다.
수동 모드 통신 방식은 리더가 RF field를 이용하여 명령어와 데이터를 송신하고 태그는 리더의 RF field에 부하변조(Load modulation) 방식으로 응답 Data를 송신한다. 수동 NFC 모드는 종래의 RFID 리더와 태그 간의 동작방식과 매우 유사하지만, 태그가 리더가 전송하는 RF 신호로부터 동작에 필요한 전압을 발생시키지 않는 점이 다르다. NFC Device는 정상동작시에는 배터리가 장착되어 있으므로 태그 Device의 동작에 필요한 전력은 배터리 전력을 사용하면 된다.
2.2.1.1.1 Bit rate 106 kbps
타겟은 이니시에이터에 의해 생성되는 필드에 의한 유도성 커플링을 통하여 응답을 하게 된다. 변조는 타겟의 부하가 스위칭을 하여 이루어지게 된다. 이때 subcarrier를 사용하게 되는데 subcarrier의 주파수
Figure 112012101647286-pat00031
는
Figure 112012101647286-pat00032
이다. 부하변조의 진폭은 최소한
Figure 112012101647286-pat00033
이상이 되어야한다. subcarrier는 맨체스터 코딩을 사용하여 변조되어진다. 도 13은 이진 맨체스터 코딩(Manchester bit encoding)을 나타낸다.
2.2.1.1.2 Bit rate 212 kbps and 424 kbps
타겟은 106 kbps의 방식과 동일한 방법으로 응답을 하지만 subcarrier를 사용하지 않는다. 변조는 타겟의 부하가 스위칭을 해서 이루어지게 된다. 이때도 맨체스터코딩 방법을 사용한다. 부하변조의 진폭은 최소한 30/(mV peak) 이상이 되어야한다.
표 7은 능동 통신 모드와 수동 통신 모드의 RF 신호 인터페이스(RF signal interface for Active or Passive communication mode)를 나타낸다.
Figure 112012101647286-pat00034
2.2.2 Quality factor
Quality factor는 NFC 시스템의 특성에 중요한 파라미터이다. Quality factor는 코일, 크리스탈 오실레이터, 공진회로의 손실을 나타낸다. Quality factor에 대한 정의는 다양하다. 여기서 Quality factor는 다음과 같이 정의한다.
Figure 112012101647286-pat00035
(1.15)
Quality factor는 에너지 전송에 많은 영향을 미친다. 리더의 파워를 Q의 함수로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112012101647286-pat00036
(1.16)
위의 식을 보게 되면, 같은 자기장(Magnetic Field)을 생성하려면 낮은 Quality factor에서는 더 많은 파워를 요구한다. 그와 동시에 높은 Quality factor는 시스템의 대역폭을 제한하기 때문에 전송 속도가 낮다. 그러므로 Quality factor는 최대 전송파워와 최대 전송 정보간의 트레이드오프 관계이다. 이러한 트레이드오프 관계 때문에 실제 안테나를 제작할 시에 적절한 Quality factor로 설계를 해주어야 한다. NFC에서는 변조 방식으로 ASK 100%방식을 사용하기 때문에 Quality factor는 40이하로 설계해야 한다는 규정이 있다.
2.2.3 NFC Protocol
NFC디바이스는 타겟 모드 또는 이니시에이터 모드중 하나가 될 수 있다. 수동 디바이스는 항상 타겟 모드이다. NFC디바이스는 디폴트모드가 타겟 모드이다. 응용프로그램을 통해 이니시에이터 모드로 변환할 수 있다. NFC디바이스가 타겟 모드에 있을 때 디바이스는 다른 이니시에이터로부터의 생성된 RF필드가 도달할 때까지 기다려야한다. 디바이스가 이니시에이터 모드로 동작할 때 RF필드를 생성하기 전에 외부의 RF필드를 감지하여 충돌회피를 수행하여야한다. 응용프로그램은 능동 통신 모드로 동작할 것인지 수동 통신 모드로 동작할 것인지를 결정한다. 만약 수동 통신 모드로 동작을 하게 되면, 응용프로그램은 데이터전송을 시작하기 전에 단일 장치 검색을 수행한다. 도 14는 NFC 프로토콜을 설명한 플로우챠트이다.
2.3 RF specification
모든 NFC 통신 캐리어 주파수는 13.56 MHz를 사용하며 시스템의 대역폭은 13.56 MHz 7 kHz이다. RF 필드의 최대/최소값은 Hmax = 7.5 A/m , Hmin = 1.5 A/m (rms 값)이며, 모든 트랜스폰더는 H필드의 세기가 최대와 최소 사이일 때 동작을 하게 된다. 모든 리더와 active 트랜스폰더는 적어도 이상의 RF필드를 생성할 수 있어야 한다. 충돌을 피하기 위하여 모든 장치들은 최소필드강도 이상의 RF필드를 감지할 수 있어야 한다.
3.1 기본적인 Loop 안테나 분석
도 15는 복층 구조 Loop 안테나의 전체 구조(turn 수에 따른 Loop 안테나; (a) 1 turn (b) 4 turn)를 보여준다.
이번에는 기본적인 복층구조 Loop 안테나의 성능을 분석한다. 기본적인 Loop 안테나의 형태는 도 15에 나타나 있고 기존의 일반적인 NFC 안테나는 보통 루프 안테나(loop antenna) 형태를 사용한다. Loop 안테나의 인식 거리는 안테나의 사이즈, 매칭회로, 안테나의 Quality factor, 그리고 주위 환경에 의해 결정된다. 안테나의 사이즈가 크면 클수록 인식 거리는 늘어난다. 보통 최대 인식거리는 안테나의 반경과 같다고 할 수 있다. Loop 안테나의 턴 수는 보통 1 ~ 6회 정도를 사용한다. 턴 수(the number of turns)는 안테나의 인덕턴스(inductance)와 관계있으며 턴 수가 늘어날수록 안테나의 인덕턴스는 증가하지만 기하급수적으로 증가하는 저항값으로 인해 안테나의 최대 인식거리에는 악 영향을 준다.
3.2 Turn 수에 따른 비교
기본적인 형태의 Loop 안테나를 비교하였다. 턴 수가 1회인 Loop 안테나와 턴 수가 4회인 Loop 안테나를 EM 시뮬레이션 Tool인 HFSS를 통하여 안테나의 인덕턴스, Quality factor, 최대인식거리를 비교해 보았다. 안테나의 PCB 사이즈는 50 60 0.8 mm3으로 제안하였고 PCB의 재질은 FR4를 사용하였다. Metal line 폭은 0.5 mm, Metal line 간의 간격은 0.5 mm, Metal line의 재질은 구리(Cu)를 사용하였다.
표 8은 턴 수에 따른 Loop 안테나의 특성 비교(Comparison of the characteristic of loop antenna varying the number of turns)를 나타낸다.
Figure 112012101647286-pat00037
도 16은 턴 수에 따른 H field 분포를 비교(Comparison of H field varying the number of turns)한 도면이다.
1 turn loop와 4 turn loop를 비교하여 보았을 때 원래 안테나가 가지는 인덕턴스와 Quality factor는 1 turn loop에 비해 4 turn loop가 높다. 하지만 NFC에서는 통신을 하기 위해 안테나의 Quality factor를 35이하로 해주어야 한다. 그래서 안테나의 매칭 회로에서 병렬로 연결되는 저항값을 조절하여 1 turn loop와 4 turn loop 안테나의 Q를 30으로 똑같이 설정하여 제작하였다. 1 turn loop와 4 turn loop에 흐르는 전류는 보게 되면 1 turn loop는 Q를 36에서 30으로 낮추고 4 turn loop는 65에서 30으로 낮추었기 때문에 4 turn loop에 비해 1 turn loop에 흐르는 전류의 세기가 더 강하다. 1 turn loop에 비해 4 turn loop의 최대 인식 거리가 4 mm정도 더 나왔지만 거의 차이가 나지 않는 것을 볼 수 있다. 또한, Loop 중앙에서의 거리에 따른 H field의 크기를 비교해 보았을 때 거리가 가까울 때에는 4 turn loop의 H field가 컸지만 거리가 멀어질수록 1 turn loop와 4 turn loop의 H field의 크기는 비슷해지는 것을 볼 수 있다.
이 경우 실제 NFC 안테나만을 제작/측정한 결과로서 실제 적용의 예에 있어서, 배터리 등과 같은 전도성을 가지는 근접한 구조체에서 전류가 진행하는 NFC 안테나의 metal line에 반대되는 eddy current가 발생하게 되고 인식거리가 크게 감소하게 된다. 그리하여 이를 해결하기 위해 eddy current를 상쇄시키도록 일반적으로 투자율을 가지는 소결 또는 폴리머 타입의 페라이드(Ferrite) 시트를 중간에 삽입하게 된다.
도 17은 10cm이내의 비접촉식 근거리 무선통신을 제공하는 13.56MHz 주파수 대역의 단층 구조의 NFC 안테나의 구성도이다.
13.56MHz 주파수 대역의 단층 구조의 NFC 안테나는 안테나의 신호가 인가되는 안테나 급전부(feed)(1); 10cm 이내의 근거리 무선통신을 제공하는 13.56MHz NFC 안테나의 공진주파수(
Figure 112012101647286-pat00038
, c=fλ, 단 c = 3x108m/sec)에서 공진되도록 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)을 매칭하는 임피던스 매칭부(2); 안테나의 패턴을 커버하는 substrate(Cover polymide, εr=3.5, 30)로 사용되는 유전체기판(3); 상기 13.56MHz NFC 안테나의 외곽에서 Loop의 형태로 구성된 외곽 1 turn 라인부(4); 상기 13.56MHz NFC 안테나의 내부에서 구리(Cu, 동박)로 된 브랜치드 금속 선(branched metal line)을 구성하는 내부 브랜치드 라인부(5); 구리(Cu, 동박)로 된 branched metal line 사이의 빈 공간의 틈새부분을 지칭하는 클리어런스(Clearance)(6); 및 Branched metal line의 turn 수 조절을 위한 branched metal line이 끝나는 지점인 브랜치드 라인 종단부(7)로 구성된다.
도 18은 내부 branched metal line의 turn 수(2,3,4,5 turns)에 따른 NFC 안테나의 구성도이다.
도 19는 스마트폰의 배터리에 적용된 단층구조 안테나의 형태를 가지는 NFC 안테나와 그의 단면도이다. 도 19는 스마트폰의 배터리(8) 상에 도 17의 NFC안테나를 부착한 것이다.
스마트폰의 배터리에 적용된 13.56MHz NFC 안테나는 안테나의 신호가 인가되는 안테나 급전부(feed)(1); 13.56MHz NFC 안테나의 공진주파수(
Figure 112014006357909-pat00039
, c = fλ, 단 c = 3x108m/sec)에서 공진되도록 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)을 매칭하는 임피던스 매칭부(2); 안테나의 패턴을 커버하는 substrate(Cover polymide, εr=3.5, 30)로 사용되는 유전체기판(3); 상기 13.56MHz NFC 안테나의 외곽에서 Loop의 형태로 구성된 외곽 1 turn 라인부(4); 상기 13.56MHz NFC 안테나의 내부에서 구리(Cu, 동박)로 된 브랜치드 금속 선(branched metal line)을 구성하는 내부 브랜치드 라인부(5); 구리(Cu, 동박) metal line 사이의 빈 공간의 틈새부분을 지칭하는 클리어런스(Clearance)(6); Branched metal line의 turn 수 조절을 위한 branche line이 끝나는 지점인 브랜치드 라인 종단부(7)로 구성된 10cm 이내의 근거리 무선통신을 제공하는 FPCB(Flexible PCB) 형태의 13.56MHz NFC 안테나를 포함하고, 스마트폰의 배터리에 상기 13.56MHz NFC 안테나를 부착하는 배터리(8)로 구성되며, 기존의 복층구조 NFC 루프 안테나의 단점을 개선하기 위해 단층 구조의 13.56MHz NFC 루프 안테나를 설계하고 단층구조의 루프(loop) 내부에 감긴 turn 수 조절이 가능한 상기 브랜치드 금속 선(branched metal line)을 삽입하여 기존의 복층 구조의 안테나가 가지는 점프선을 없앰으로서 NFC 안테나의 두께를 줄이는 것을 특징으로 한다.
참조번호 9는 안테나의 패턴이 존재하는 안테나의 base substrate(Base polimide, εr=3.5, 30)를 나타낸다.
ADL(10)은 NFC 안테나의 패턴을 페라이트(ferrite)와 양면으로 접착시키기 위한 접착테이프(10)이다.
페라이트(11)는 안테나에 흐르는 전류에 의해 근접한 전도체(metal)에서 발생하는 eddy current를 저감시키고, NFC 안테나의 Magnetic Field(H Field)를 응집시키기 위한 투자율(μr)을 가지는 물질이다.
본 발명은 근거리 무선통신을 위한 NFC 안테나에 관한 것이다.
기존의 휴대폰(스마트폰)에 적용되는 일반적인 상용 안테나는 배터리 팩이나 휴대폰의 뒷면 케이스에 적용되고, 본 발명에서 새롭게 제안하는 13.56MHz NFC 안테나의 구조는 두 경우에 대하여 모두 적용 가능하다.
기존의 13.56MHz에서 동작하는 NFC 안테나는 일반적으로 3~4 turn을 가지는 루프 안테나(loop antenna)로 설계되고, NFC 안테나의 인덕턴스(indunstance), 저항(Resitance)값에 따라 PCB Board에서 13.56MHz를 위한 임피던스 매칭을 가진다. 루프 안테나에 흐르는 전류 벡터(Current Vector)는 Maxwell's equation의 Ampere's law에 의하여 전류 벡터(Current Vector)의 방향에 대하여 수직으로 자기장(Magnetic Field)이 형성한다. 근거리 무선통신을 위한 Unmodulated magnetic field(H field)의 세기는 1.5~7.5 A/m(rms)로 International standard ISO/IEC 18092에서 규정한다.
제안하고자 하는 단층구조의 13.56MHz NFC 안테나는 기존의 점프선을 가지는 복층구조의 안테나를 대체가능하도록 점프선을 가지지 않으면서 내부로 감아도는 baranched metal line을 통해 기존과 동일한 magnetic field를 발생시키고 점프선을 가지지 않는 단층구조의 형태를 가진다.
본 발명의 단층구조의 13.56MHz NFC 안테나는 내부의 baranched metal line을 통해 같은 방향의 전류흐름을 여기시킴으로써 근거리의 Magnetic field의 양을 증가시켜 근거리에서 통신하는 시스템의 인식거리를 증가시킬 수 있다,
본 발명의 단층구조의 13.56MHz NFC 안테나는 기존의 복층구조의 NFC 안테나와 다르게 단층 구조에서 설계 및 제작이 가능한 안테나로써 공정상의 결함을 최소화시킬 수 있고, 안테나의 높이를 최소화시킬 수 있다. 또한 일반적인 소결체나 폴리머 타입의 페라이트(Ferrite)에도 동일하게 적용 가능하다.
본 발명에서 제안하는 단층구조의 13.56MHz NFC 안테나는 설계된 패턴 외곽의 Loop 형태의 matal Line(4)에 대하여 급전부(1)를 형성하고, 외곽 metal line(4)에서 내부로 감아도는 branched metal line(5)에 대하여 클리어런스(clearance,틈새)(6)를 가지는 구조의 형태를 지닌다.
단층구조의 13.56MHz NFC 안테나는 내부의 branched metal line은 NFC 안테나의 turn 수를 증가시키고, 그 turn 수(2 turn, 3 turn, 4 turn, 5 turn)에 의하여 안테나의 인덕턴스(industance) 값을 변화시킬 수 있고, 기존의 안테나와 달리 증가하는 인덕턴스 값에 대하여 비교적 일정한 저항(Resitance) 값을 가진다.
도 20은 내부 branched metal line에 따른 값들의 변화를 나타낸 그래프이다.
표와 그림을 참조하면, 내부 branched metal line(5)에 의한 인덕턴스 값에 대한 인덕턴스(Industance), 저항(Resistance) 값과 설계된 안테나에 대하여 임피던스 매칭을 통하여 13.56MHz에 매칭된 경우의 Minimum unmodulated field의 1.5 A/m에 대한 거리는 다음과 같다. 내부 branched metal line에 의한 turn 수의 증가에 따라 일정하게 증가하는 인덕턴스 값과 거의 일정하게 유지되는 저항값을 확인할 수 있다. 또한, turn 수 증가에 따라 증가하는 인식거리를 확인할 수 있다
도 21은 단층 구조 NFC 안테나의 Magnetic Field 단면도이다.
도 21은 기본 1 turn 루프 안테나에 4 turn의 내부 branched metal line(Cu, 구리)을 가지는 NFC 안테나의 임피던스 매칭된 상태의 Magnetic field에 대한 단면이다. 기존의 복층구조의 루프안테나와 동일하게 제안하는 단층구조의 13.56MHz NFC 안테나는 전체적으로 동일한 양상의 Magnetic Field를 발생시키고 동작한다.
10cm 이내의 근거리 무선통신을 위한 13.56MHz NFC 시스템의 안테나는 이동통신 단말기(휴대폰, 스마트폰 등)의 배터리에 적용되거나 또는 이동통신 단말기의 뒷면케이스에 적용될 수 있다.
기존의 복층구조의 NFC 안테나 구조는 루프안테나의 구조상 급전부분을 위한 단면구조에 대한 제한되는 설계로 NFC 안테나의 높이(두께)가 증가하고 단선의 문제점이 존재하였으나, 본 발명에서 제안하는 단층 구조의 NFC 안테나는 단층을 통한 근거리 무선통신을 제공하는 NFC 안테나를 위하여 Magnetic Field가 기존의 루프 안테나를 동일하게 유지하면서 NFC 안테나의 높이(두께)를 감소시키는 단층 구조의 이점을 가지고 기존 성능대비 유사한 자기장(Magnetic Field)의 양을 가지고 인식거리를 증가시키는 장점이 있다
본 발명에서 제안하는 13.56MHz NFC 안테나는 branched metal line(Cu, 구리)을 통한 단층 구조로 일반적으로 적용되는 휴대폰의 배터리내장 NFC 안테나와 후면케이스 부착 NFC 안테나의 경우에 얇은 두께로 동일하게 모두 적용 가능하고, 휴대폰의 전체적인 두께를 얇게 할 수 있는 장점을 가진다
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
1: 안테나 급전부
2: 임피던스 매칭부
3: 유전체기판
4: 외곽 loop 라인부
5: 내부 브랜치드 라인부
6: 클리어런스(clearance)
7: 브랜치드 라인 종단부
8: 배터리
9: 안테나의 base substrate
10: 접착 테이프(ADL)
11: 페라이트

Claims (4)

  1. 단층 구조를 가지는 NFC 안테나에 있어서,
    안테나의 신호가 인가되는 안테나 급전부(feed)(1);
    13.56MHz NFC 안테나의 공진주파수(
    Figure 112014006357909-pat00040
    , c=fλ, 단 c = 3x108m/sec)에서 공진되도록 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)을 매칭하는 임피던스 매칭부(2);
    안테나의 패턴을 커버하는 substrate(Cover polymide,εr=3.5, 30)로 사용되는 유전체기판(3);
    상기 13.56MHz NFC 안테나의 외곽에서 Loop의 형태로 구성된 외곽 1 turn 라인부(4);
    상기 13.56MHz NFC 안테나의 내부에서 브랜치드 금속 선(branched metal line)을 구성하는 내부 브랜치드 라인부(5);
    금속 선(metal line) 사이의 빈 공간의 틈새부분을 지칭하는 클리어런스(Clearance)(6); 및
    상기 브랜치드 금속 선(branched metal line)의 turn 수 조절을 위한 branched line 부분이 끝나는 지점인 브랜치드 라인 종단부(7);를 포함하고,
    기존의 복층구조 NFC 루프 안테나의 단점을 개선하기 위해 단층 구조의 13.56MHz NFC 루프 안테나를 설계하고 단층구조의 루프(loop) 내부에 감긴 turn 수 조절이 가능한 상기 브랜치드 금속 선(branched metal line)을 삽입하여 기존의 복층 구조의 안테나가 가지는 점프선을 없앰으로서 NFC 안테나의 두께를 줄이는 것을 특징으로 하는 단층 구조의 NFC 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단층구조의 13.56MHz NFC 안테나는 기본 루프 안테나에 내부로 감아도는 branched metal line을 통해 일정한 저항값을 가지면서 인덕턴스값을 변화 가능하고, 안테나의 저항값, 인덕턴스값, Quality factor에 대하여 임피던스 매칭된 상태의 Magnetic field를 기존의 복층구조의 루프안테나와 동일하게 형성하여, 복층구조의 NFC 안테나와 기존 성능대비 전체적으로 동일한 양상의 자기장(Magnetic Field)을 발생시키고 동작하는 것을 특징으로 하는 단층 구조의 NFC 안테나.
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