KR101467706B1 - 루프 간에 상쇄 전류가 감소된 성능이 개선된 ｎｆｃ 안테나 구조 - Google Patents

루프 간에 상쇄 전류가 감소된 성능이 개선된 ｎｆｃ 안테나 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 통한 성능이 개선된 ＮＦＣ 안테나 구조에 관한 것으로, NFC 안테나의 신호가 인가되는 안테나 급전부(feed); 근거리 무선통신을 제공하는 13.56MHz NFC 안테나의 공진주파수(
Figure 112014095758407-pat00057
, c=fλ, 단 c = 3x108m/sec)에서 공진되도록(λ=22m) 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)을 매칭하는 임피던스 매칭부; 상기 NFC 안테나의 패턴을 커버하는 substrate(Cover polymide, εr=3.5)로 사용되는 유전체기판; 상기 NFC 안테나의 외곽에서 구리(Cu)로 도금된 금속 선(metal line)을 직사각형 구조의 Loop의 형태로 형성된 외곽 3 turn 라인부; 상기 외곽 3 turn 라인부에 대하여 근접한 금속선 간의 근접 효과(proximity effect)에 의한 안테나의 저항 성분을 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 통해 저항값을 저감시키도록 상기 외곽 3 turn 라인부의 내부에서 기존 금속선에 대하여 45°각도의 방향으로 마름모 구조의 내부 2turn으로 형성된 내부 2 turn 라인부; 루프 안테나를 구성하는 구리(Cu, 동박)로 된 금속선; 및 구리(Cu, 동박)로 된 금속 선 사이의 빈 공간의 틈새부분을 지칭하는 클리어런스(Clearance)를 포함한다. 이에 따라, 제안된 NFC 안테나는, 도선이 magnetic loss tangent에 의해 발생되는 저항 성분이 안테나 자체적으로 변화가 불가능하지만, 근접 효과(proximity effect)를 통해 발생되는 저항의 성분을 감소시키기 위해 본 발명에서 제안된 NFC 안테나는 직사각형 구조의 외곽 3turn에 대하여 마름모 구조의 45° 각도의 내부 2turn 금속선으로 이루어진 루프 안테나를 형성하여, 근접한 도선(금속선) 간의 저하된 간섭으로 전체적인 저항의 값을 감소시켰다. 제안된 NFC 안테나는 기존 직사각형 구조의 같은 turn 수의 루프 안테나와 비교하여 마름모 구조를 통해 루프간에 발생되는 상쇄 전류 감소의 이유로 기존 직사각형 구조의 루프 안테나보다 더 낮은 인덕턴스값을 가지지만, 더 크게 감소된 저항값의 영향에 의해 Q-factor 값이 높아지고, 자기장의 세기(H field intensity)가 더 쎄지며 인식영역이 더 넓어지게 되어 안테나의 성능을 향상시키게 되었다.

Description

루프 간에 상쇄 전류가 감소된 성능이 개선된 ＮＦＣ 안테나 구조{The improved NFC antenna structure for reducing the proximity effect due to the coupled current loops}
본 발명은 13.56MHz NFC(Near Field Communication) 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 근거리 무선 통신용 13.56MHz NFC 안테나의 기존 직사각형 루프(loop) 구조의 3~5 turn으로 형성된 루프 안테나의 구조에서 안테나의 성능을 저감시키는 주요 원인 중의 하나인 인접한 도선(loop) 간의 근접 효과(proximity effect)로 인한 루프 간에 발생되는 상쇄 전류를 저감시키기 위해 직사각형 구조의 3 turn의 루프가 외곽에 위치하고, 외곽 3 turn 라인부의 내부에서 2 turn의 마름모 구조의 루프 안테나를 형성하여, 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 통하여 성능이 개선된 NFC 안테나 구조에 관한 것이다.
1. NFC 시스템의 정의 및 서비스 모델
NFC(Near Field Communication)는 13.56 MHz 주파수를 사용하여 10cm 이내의 거리에서 낮은 전력으로 전자 기기 간의 무선통신을 가능하게 하는 비접촉 근거리 무선통신 기술 규격이다. NFC는 비접촉 무선 통신 기술로써, RFID 기술의 스마트카드를 활용하여 스마트카드의 단방향성과 달리 양방향성을 가지며, 저장 메모리 공간이 크고 적용 가능한 서비스의 폭이 넓은 특징이 있다. 또한, 암호화 기술과 근접 통신의 특성을 살려 보안성이 뛰어나고, 단말기간 통신할 때 Bluetooth와 Direct WiFi 기술과는 다르게 복잡한 페어링 절차가 필요 없이 1/10초 이하로 인식할 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 NFC의 동작 모드(Operation mode of NFC system)를 나타낸 도면이다.
NFC 시스템은 두 단말기 간의 RF 신호의 전력인가에 따라 능동 모드(Active Mode)와 수동 모드(Passive Mode)로 나뉜다. 능동 모드는 두 단말기간 통신할 때 Initiator와 Target 모두가 각기 RF 신호를 발생하여 통신하는 모드이며, 수동 모드는 Target이 RF 전력의 독립적인 발생 없이 Initiator의 전력만을 갖고 통신하는 모드이다.
또한, 휴대 단말기에 적용되는 NFC는 휴대 단말기 관점의 서비스 모델에 따라 NFC 시스템은 3가지 기능으로 구분된다. 첫째, R/W 모드는 사용자의 휴대 단말기가 NFC의 리더(Reader) 또는 라이터(Writer)로 동작하여 NFC의 수동형 태그(Tag)와 통신하는 서비스 모델이다. 광고물이나 상품의 정보를 담고 있는 태그에 휴대 단말기를 근접시켜 정보를 수집하거나, 특정 태그에 휴대 단말기를 이용하여 정보를 삽입하는 서비스이다. 대표적인 서비스의 예는 자동차에 미리 설정해 놓은 NFC 태그를 부착하고 휴대 단말기를 인식시키면 휴대 단말기의 설정이 자동차 모드로 자동으로 변환되는 서비스를 꼽을 수 있다.
도 2는 휴대 단말기 NFC의 서비스 모델(Service models for mobile NFC)을 나타낸 도면이다.
두 번째, 카드 모드는 휴대 단말기 외부의 리더(Reader) 또는 라이터(Writer)가 휴대 단말기를 태그로 인식시키는 모드이다. 현재 NFC의 가장 대표적인 서비스는 신용카드나 교통카드, 카드 키 등 다양한 역할을 제공하고 있다. 특히 마스터 및 비자 카드사가 주축이 되어 EMV 규격을 제정하였고, EMV 규정을 따르는 신용카드의 기능이 NFC의 주된 기능으로 기대되고 있다.
세 번째, P2P(Peer-to-Peer) 모드는 휴대 단말기 외부에 다른 무선 단말기를 NFC 시스템으로 인식시키고 정보를 교환하는 서비스 모델이다. P2P 모드는 대표적인 근거리 통신 규격인 Bluetooth나 Direct WiFi와 같은 근거리 통신 서비스 역할을 담당한다. 하지만 다른 규정 보다 보완성이 높고 복잡한 페어링 절차가 필요 없기 때문에 상대적으로 속도가 느리지만 기대되는 통신 서비스 모델이다. 상대적으로 느린 데이터 전송 속도는 Bluetooth나 Direct WiFi를 NFC의 P2P 모드와 상호 결합된 형태로 보완되어 서비스가 진행되고 있다. 예들 들면, 휴대 단말기에 저장되어있는 영화를 가정용 TV를 통하여 시청을 하고자 할 때, NFC의 P2P 모드를 사용하여 휴대 단말기와 TV를 연결한 다음, Direct WiFi로 데이터를 고속으로 전송하여 서비스를 제공할 수 있다.
1.2 NFC 동작 원리 및 규격
1.2.1 NFC 시스템의 구성
휴대 단말기의 NFC 시스템의 구성은, 근거리장의 자계(magnetic field)를 형성시키고 RF 신호를 송수신하는 루프 안테나와 EMC 필터를 포함하는 매칭회로, 그리고 NFC IC 칩(Chip)과 USIM 카드로 구성되어 있다. 휴대 단말기의 사용자 정보는 USIM과 NFC IC 칩 간의 통신으로 연동되며, NFC IC 칩 제조사는 NFC 통신 규격에 따라 휴대 단말기의 R/W(Reader and Writer) 모드와 카드 모드, 그리고 P2P 모드 동작을 위한 루프 안테나와 칩 매칭 정보는 데이터 시트를 통하여 제공한다.
도 3은 휴대 단말기의 카드 모드의 데이터 전송의 실시예에 따른 자기장 커플링에 의한 NFC 안테나의 데이터 전송(Data transmission of NFC system by magnetic coupling)을 나타낸 도면이다.
NFC 시스템의 데이터 전송은 10 cm 이하의 근거리장(Near-field Range)에서 비접촉의 자계의 유도성 결합을 통하여 이루어진다. 따라서 R/W와 태그 간에는 일반적으로 루프 타입의 안테나가 설계되며, 여기서 루프 안테나는 원거리장(Far-field Range)에서 해석되는 일반적인 루프 안테나와는 동작원리와 설계에 대한 접근 방법이 다르게 적용된다.
1.2.2 루프 안테나의 자기장(Magnetic Field)
1) 자속 밀도(Magnetic Flux Density)
정적 자기장의 기본법칙 중 하나는 비오사바르 법칙이다. 비오사바르 법칙을 이용하여 미소 전류소에 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 같다.
Figure 112013106043518-pat00001
(2-1)
이때, I
Figure 112013106043518-pat00002
는 도체의 미소면적 ds에 흐르는 미소 전류이며,
Figure 112013106043518-pat00003
은 측정점 방향으로의 단위 벡터(Unit Vector)이다. r은 도체로부터의 거리이고,
Figure 112013106043518-pat00004
는 자유공간의 투자율(
Figure 112013106043518-pat00005
, permeability)이다. 총 자속 밀도는 식 2-1에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013106043518-pat00006
(2-2)
2) 자계 강도(Magnetic Field Strength)
도 4는 자속(Magnetic flux)을 설명하기 위한 도면이다.
자속(
Figure 112013106043518-pat00007
)은 어떤 표면을 통과하는 모든 자속(Magnetic flux)의 합계이다. 이것은 표면 A를 통과하는 자속밀도 B의 면적분이다. 자기장 세기와 자속밀도 사이의 관계를 나타내면 다음과 같이 표현된다.
Figure 112013106043518-pat00008
(2-3)
이때
Figure 112013106043518-pat00009
이고,
Figure 112013106043518-pat00010
은 물질의 자기적 특성에 의해 결정되는 비 투자율이다. 도체에 흐르는 전류는 주위에 자기장을 생성시킨다. 필드의 크기는 자기장 세기 H에 의해 설명된다. 직선 도체의 필드 세기 H는 다음과 같이 표현된다. 이때,
Figure 112013106043518-pat00011
I는 도체에 흐르는 전류이며, d는 도체로부터의 거리이다.
Figure 112013106043518-pat00012
(2-4)
대부분의 NFC 시스템에서는 원통형 또는 사각형 도선을 루프 안테나 형태로 구현한다. 원통형 루프 안테나의 x축에 따른 자기장 세기는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112013106043518-pat00013
(2-5)
이때,
Figure 112013106043518-pat00014
I는 코일을 통해 흐르는 전류, N은 도선의 권선 수, r은 도선의 반경이며,
Figure 112013106043518-pat00015
는 x축 방향으로 코일로부터의 거리이다. 식 2-5에서 x는
Figure 112013106043518-pat00016
보다 작아야 한다. 그 이후부터는 원거리장 영역이기 때문이다. 도선은 밀집되어 있는 선로로 가정하며 이때 선로 간의 거리 d는 r 보다 매우 작다.
도 5는 자계 강도 H(Magnetic field strength H)를 설명하기 위한 도면이다.
13.56 MHz에서 공기 중의 근거리장 영역은 3.52 m 이내 영역이기 때문에 루프 안테나로부터 형성된 자기장은
Figure 112013106043518-pat00017
인 영역에서도 여전히 근거리장 영역 안이다. 따라서 식 2-5에서 분모의 r2항은 거의 무시될 수 있다. 즉 자기장 필드 세기는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013106043518-pat00018
(2-6)
식 2-6에서 자기장 필드의 세기는 근거리장 영역에서 거리의 세제곱으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한, 측면의 길이가 a와 b인 직사각형 와이어 루프에 의해 생성되는 자기장 세기는 다음과 같이 구할 수 있다. 여기서,
Figure 112013106043518-pat00019
는 x축에 따른 거리이다.
Figure 112013106043518-pat00020
(2-7)
자기장 세기 H는 코일 중심으로부터의 거리 x가 반지름인 r과 같아질 때까지 거의 일정하다. 그 이후부터 필드 세기는 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. 그러나, 코일의 반경이 클수록 먼 거리에서 더 강한 필드를 가진다.
도 6은 다양한 크기의 코일 안테나의 근거리장에서 자계 강도(Magnetic field strength H of different size coil antennas in the near-field region)를 나타낸 도면이며, 거리에 따른 크기가 다른 세 가지 코일 안테나의 H필드의 세기를 비교한 것이다. 각 안테나의 권선 수는 동일하며 오직 안테나의 반경만을 다르게 한 것이다. 계산된 결과를 보면, 반경이 작은 안테나는 거리가 가까운 부분에서는 필드 세기가 강하지만 먼 거리까지 필드의 세기가 유지되지 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
Figure 112013106043518-pat00021
일 때 각 코일은 최대 세기를 가진다. 트랜스폰더(Transponder)의 동작에 필요한 최소 필드 세기를 알게 되면 리더 안테나의 크기를 결정할 수 있다. 과도한 크기를 가지는 리더 안테나는 아무리 NFC 칩이 리더 가까이에 있을지라도 NFC 칩을 동작시키기 위한 충분한 자기장 세기를 발생할 수 없다.
3) 인덕턴스(Inductance)
총 전속
Figure 112013106043518-pat00022
는 코일 루프의 턴 수
Figure 112013106043518-pat00023
에 의해 발생되는 자속
Figure 112013106043518-pat00024
의 합으로 나타낼 수 있다.
Figure 112013106043518-pat00025
(2-8)
코일의 인덕턴스 L은 총 전속
Figure 112013106043518-pat00026
에 대한 전류의 비로 나타낼 수 있다.
Figure 112013106043518-pat00027
(2-9)
도 7은 루프의 인덕턴스(Inductance of loop)를 설명하기 위한 도면이다.
인덕턴스는 도체 루프 코일의 특성변수 중 하나이다. 도체 루프 코일의 인덕턴스는 주위 공간의 재료 특성과 그 구조에 따라 달라진다. 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 112013106043518-pat00028
(2-10)
4) 상호 인덕턴스(Mutual Inductance)
첫 번째 코일의 주변에 위치한 두 번째 코일은 첫 번째 코일로부터 발생한 자속에 의해 영향을 받는다. 첫 번째 코일에서 생성된 자속의 일부분이 두 번째 코일을 통과하게 된다. 이때 유도된 커플링의 양은 두 코일의 구조, 두 코일의 상대적인 위치, 그리고 두 코일 사이에 있는 매질의 투자율에 따라 영향을 받는다. 두 코일을 통과하는 상호 flux는 커플링 flux
Figure 112013106043518-pat00029
이라고 불려진다. 상호 인덕턴스
Figure 112013106043518-pat00030
은 두 번째 코일을 통과하는 커플링 flux
Figure 112013106043518-pat00031
와 첫 번째 코일의 전류
Figure 112013106043518-pat00032
의 비율로 정의된다.
Figure 112013106043518-pat00033
(2-11)
두 번째 코일의 전류 I2는 커플링 flux
Figure 112013106043518-pat00034
을 통해 첫 번째 코일에 전류를 유도하는 자기장을 생성한다.
도 8은 상호 인덕턴스(Mutual inductance)를 설명하기 위한 도면이다.
Figure 112013106043518-pat00035
(2-12)
상호 유도를 통한 유도성 커플링은 대부분의 수동 모드 NFC 트랜스폰더의 태그 및 시스템에 기반이 되는 원리이다. 수동 모드의 NFC 시스템은 전원 및 데이터 전송 모두 이러한 현상에 의존한다. 리더 안테나는 트랜스폰더 안테나(Tag 안테나)에 충분한 에너지를 전달하기 위해 주위의 공간에 충분히 큰 자기장을 가지고 있어야 한다. 유도 결합 트랜스폰더는 하나의 마이크로칩과 안테나 역할을 하는 코일로 이루어져 있다. 유도 결합 트랜스폰더는 거의 수동적으로 동작을 한다. 마이크로 칩의 작동에 필요한 모든 에너지는 리더로부터 제공받는다. 그러기 위해선 리더의 안테나 코일은 강한 고주파 자기장을 생성해야 한다. 사용 주파수의 파장 (13.56 MHz : 22.1 m)은 리더 안테나와 트랜스폰더 사이의 거리보다 수 배 이상이다. 따라서 리더와 트랜스폰더는 근거리장 영역에서 동작하게 된다. 코일 루프 안테나의 근거리장 영역에서는 전기장의 세기보다 자기장의 세기가 훨씬 더 크다. 즉, 리더의 코일로부터 발생한 필드의 일부분이 트랜스폰더 안테나 코일을 통과하게 되면 트랜스폰더의 코일에는 전압이 유도된다. 이 전압은 정류회로를 거쳐 마이크로칩에 데이터를 운반하는 전원 공급 장치로서의 역할을 하게 된다.
5) 커플링 계수(Coupling Coefficient)
두 코일 사이의 유도성 커플링의 효율을 측정할 수 있도록 커플링 계수 k로 정의할 수 있다.
Figure 112013106043518-pat00036
(2-13)
커플링 계수 k는 1에서 0 사이의 값을 갖는다.
Figure 112013106043518-pat00037
일 때 Total Coupling 이고, k=0일 때 Full Decoupling 되었다고 할 수 있다. Total Coupling의 경우, 두 코일은 같은 자속을 받는다. Total Coupling의 예로는 페라이트 코어 변압기가 있다. Full Decoupling은 두 코일 사이의 거리가 너무 크거나 두 코일이 서로 수직일 경우에 발생할 수 있다.
1.2.3 NFC 인터페이스와 프로토콜
NFC에 대한 규격은 ISO/IEC 18092 또는 ECMA-340에 의해 주어진다. ISO/IEC 18092는 능동 모드와 수동 모드를 규정한다. RF 인터페이스에 대한 테스트 규정은 ECMA-356에 정의되어 있고 프로토콜 테스트는 ECMA-362에 정의되어 있다. NFC 규정을 따르는 모든 능동 및 수동 장치들은 106 kbps, 212 kbps 및 424 kbps의 세 가지 통신 속도를 지원한다. Initiator에서 Bit Rate를 설정하게 되면 그 속도로 통신을 하게 된다. Bit Duration은 다음 식으로 구할 수 있다.
Figure 112013106043518-pat00038
(2-14)
1) Active Mode
도 9는 능동 통신 모드(Active Communication mode)를 나타내는 도면이다.
NFC의 도 9과 같이, 능동 모드는 Initiator와 Target 모두 자신이 발생한 RF 신호를 가지고 통신하는 모드이다. Initiator는 NFCIP-1 방식으로 통신을 한다. Target은 Initiator에 대한 응답으로 자기가 발생한 RF 신호를 직접 변조해 응답하게 된다.
2) Passive Mode
도 10은 수동 통신 모드(Passive Communication mode)를 나타내는 도면이다.
도 10의 수동 모드 통신방식은 리더가 RF 신호를 이용하여 명령어와 데이터를 송신하고, 태그는 리더의 RF 신호에 부하 변조(Load Modulation) 방식으로 응답 데이터를 송신한다. 수동 모드 NFC는 종래의 RFID 리더와 태그 간의 동작방식과 매우 유사하지만, 태그가 리더에서 전송된 RF 신호로부터 동작에 필요한 전압을 발생시키지 않는 점이 다르다.
표1은 능동 통신 모드와 수동 통신 모드의 RF 신호 인터페이스(RF signal interface for Active or Passive communication mode)를 나타낸다.
Figure 112013106043518-pat00039
1.2.4 Quality Factor
Q-factor는 모든 RF 시스템에서 성능 지표를 나타내는 매우 중요한 파라미터이다. 일반적으로 공진기의 Q-factor는 특정 주파수에서 공진기 내부에 자기장 또는 전기장의 형태로 저장되는 에너지와, 공진기 내부의 저항 손실 또는 공진기 외부로 빠져나가는 파워의 비율로 정의된다. NFC 시스템의 경우 원거리장으로 안테나의 방사가 이뤄지지 않는 조건이며, 근거리장에서 Loop 안테나로부터 발생되는 자계와 형성된 자계의 커플링에 의한 유도 전류로 RF 신호가 전송이 된다. 즉, 루프 안테나의 인덕턴스 성분과, 코일 및 크리스탈 오실레이터, 공진회로의 손실 등 안테나를 포함하는 내부 손실의 비율로 나타낼 수 있으며, 식 2-15와 같이 정의된다.
Figure 112013106043518-pat00040
(2-15)
식 2-15에서와 같이 공진기에서 Q-factor는 에너지 전송에 많은 영향을 미친다. Initiator의 높은 Q-factor는 더 많은 자기장을 형성시킬 수 있으며, 유도되는 전류의 양을 증가시켜 높은 에너지 전송이 가능하게 한다. 하지만, 그와 동시에 높은 Q-factor는 시스템의 대역폭을 제한하기 때문에 전송 속도가 낮다. 따라서, Q-factor는 최대 전송파워와 최대 전송정보간의 Trade-off 관계에 있다.
실제 안테나를 제작할 시에 적절한 Q-factor로 설계를 해주어야 하며, NFC에서는 변조 방식으로 ASK 100 % 방식을 사용하기 때문에 Q-factor는 40이하로 설계해야 하는 규정이 존재한다.
RF Specification에서는, 모든 NFC 통신 캐리어 주파수는 13.56 MHz를 사용하며, 시스템의 대역폭은 13.56 MHz
Figure 112013106043518-pat00041
7 kHz이다. RF 신호의 최대/최소값은
Figure 112013106043518-pat00042
,
Figure 112013106043518-pat00043
(RMS Value)이며, 모든 트랜스폰더는 H필드의 세기가 최대와 최소 사이일 때 동작하게 된다. 모든 리더와 Active 트랜스폰더는 적어도
Figure 112013106043518-pat00044
이상의 RF필드를 생성할 수 있어야 한다. 충돌을 피하기 위하여 모든 장치들은 최소필드강도
Figure 112013106043518-pat00045
이상의 RF 신호를 감지할 수 있어야 한다.
* 동작 원리
제안된 NFC 안테나는 근접한 도선 간의 근접영향(Proximity Effect)을 최소화시키기 위한 구조이다. RF 신호가 도선을 따라 전류를 발생시킬 때, 직류 전류와 다른 현상 중 하나는 도선의 외각인 표면 근방에서만 전류가 흐른다는 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 높은 주파수의 전류일수록 표면 전류의 두께는 얇아진다. 이렇듯 표면에만 전류가 집중되는 현상을 Skin Effect라고 정의한다.
도 11은 주파수에 대한 도선의 표면 전류 현상(Skin effect of wire with varying frequency)을 설명하는 도면이다.
도 12는 두 도선의 표면전류(Surface current of two wire)가 도시된 도면이다. Skin Effect와 함께 교류 전류의 특징은 전류의 방향에 따라 도선 주변에 자기장이 형성된다는 것이다. 교류 전류에 의해 생성된 자기장은 근접해 있는 도선에 커플링을 발생시켜 서로 간의 전류의 크기에 영향을 미친다. 또한, 근접효과(Proximity effect)에 의해 근접한 도선에 전류가 흐를 때, 각 도선의 전류의 방향에 따라 도선에서 흐르는 전류는 도선의 일부분으로 치우쳐 흐르게 된다. 저항 성분은 전류가 흐르는 도선의 단면적에 반비례하는 특징으로 일부분에 치우쳐 흐르며 좁은 도선의 단면적에서 흐르는 전류는 높아진 저항성분의 특징을 가진다. 이러한 관계를 간단한 그림으로 표현하면 도 12와 같이 나타낼 수 있다. 도 12는 근접한 도선에 흐르는 전류의 방향이 같은 경우일 때와 다를 경우에 두 도선에 형성되는 표면 전류의 특징을 나타내고 있다. 두 도선의 전류의 방향이 다를 경우에는 두 도선에서 발생시키는 자기장의 방향이 서로 같은 방향으로 생성되고 이는 두 자기장이 합쳐지는 결과를 초래하여 근접한 영역에서 표면 전류의 양이 상대적으로 높게 형성되는 것을 알 수 있다. 이와 반대로 두 도선에 흐르는 교류 전류의 방향이 서로 같을 경우에는 두 도선에서 발생시키는 자기장의 방향이 서로 반대 방향으로 생성되고 이는 두 자기장이 상쇄시킨다. 즉, 근접한 영역에서 전류의 양이 상대적으로 낮게 형성된다. 이러한 현상은 도 13에 도시된 바와 같이 근접한 도선의 수가 많을수록 더욱 극단적으로 나타난다.
도 13은 네 도선의 표면전류(Surface current of four wires)를 나타낸 도면이다. 일반적으로, 루프 안테나의 인덕턴스는 식 2-19에서와 같이, 루프(loop)의 턴(turn) 수가 늘어남에 따라 비례하여 증가한다. 하지만, 실제 휴대 단말기에 적용되는 NFC 시스템을 위한 루프 안테나는 배터리와 페라이트의 영향으로 식 2-19와 같이 수식적으로 정확한 인덕턴스를 계산할 수 없다. 또한, 안테나에 생성되는 저항 성분으로 인해 루프 안테나에 의해 생성되는 자기장을 인덕턴스만을 가지고는 예측할 수 없다. 페라이트(ferrite)의 자계 손실과 배터리와 같은 금속체에 대한 영향은 수식으로 표현하기에 변수가 늘어나기 때문에 정확하게 예측하기 어렵다. 따라서, EM 툴(Electro Magnetic 툴, HFSS)을 사용하여 시뮬레이션하여 루프 안테나에 생성되는 자기장을 해석해야 한다.
도 14는 루프 안테나의 턴(turn) 수 변화(1 turn, 4 turn, 8 turn)에 따른 안테나 구조이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 5 mm의 배터리 위에 10 ㎛의 접착제(ADL)를 부착하고, 그 위에 80 ㎛의 두께를 가지고
Figure 112013106043518-pat00046
=200의 비투자율을 가지는 페라이트 시트를 부착한 루프 안테나 구조체 조건에서 루프 안테나의 턴 수를 1~8로 변화를 주어 시뮬레이션 한 결과는 도 15에서 살펴 볼 수 있다. 여기서, 페라이트 자성 소재는 자계 손실이 없다는 가정에서 시뮬레이션 되었다. 이는 자계 손실을 배제하여 EM 시뮬레이션의 수치해석을 단순화시키고 루프 안테나의 구조적인 측면에서 자계 강도(H field intensity)를 분석하기 위함이다.
도 15는 루프 안테나의 턴(turn) 수 변화(1 turn, 4 turn, 8 turn)에 따른 자계강도(H field intensity)를 나타낸 도면이다.
도 15에서 안테나는, 턴(turn) 수가 늘어남에 따라 근거리 영역에서의 자기장은 턴 수가 많을수록 높게 형성되지만, 그 거리가 멀어짐에 따라 자기장의 세기가 급속도로 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
여기서 ISO 18092 규정을 살펴보면, Initiator가 적어도 1.5 A/m의 자기장을 형성하여야 Target이 RF 신호를 인식할 수 있다고 규정하고 있다. 이에 1턴과 4턴, 8턴의 루프 안테나(loop antenna)의 자계 강도(H field intensity)를 확대하여 살펴보면, 1.5 A/m의 자계 강도를 기준으로 4턴의 루프 안테나가 1과 8턴의 루프 안테나 보다 인식 거리가 더 먼 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 루프 안테나의 턴 수가 많을수록 더 높은 인덕턴스를 갖고 있기 때문에 인식거리가 더 멀 것이라고 생각할 수 있지만, 3~4턴을 변곡점으로 하여 인식거리가 오히려 좁아짐을 알 수 있다. 이는 4턴 이상의 루프 안테나에서는 인덕턴스가 늘어나고 있지만 그에 반해 안테나의 저항 성분이 더욱 급격히 늘어난다. 루프 안테나의 턴 수가 늘어남에 따라 인덕턴스가 증가하는 비율보다 저항 성분이 더욱 증가한다는 것은, 식 2-15에서 정의하고 있는 안테나의 Q-factor가 낮아짐을 의미한다. 즉, 안테나의 낮은 Q-factor는 안테나의 자계 강도를 낮게 하여 RF 신호의 커플링을 약하게 한다. 1턴과 비교하여 8턴의 경우 안테나의 초근접 영역에서는 인덕턴스가 높아 높은 자기장을 형성시킬 수 있지만, 일정 거리가 떨어진 위치에서는 오히려 자기장의 크기가 낮아져, NFC 시스템의 인식거리가 좁아지는 결과를 초래하게 된다. 이러한 Q-factor의 추이는 도 16에서 확인할 수 있다.
안테나의 턴 수 증가에 따른 급속한 저항값의 증가는 앞에서 설명된 근접한 루프 간의 근접영향(Proximity Effect)으로 설명된다. NFC 안테나의 루프 총 길이는 13.56 MHz의 반파장(≒ 11.05 m)에 크게 미치지 못한다. 이는 루프에 흐르는 전류의 방향은 안테나의 턴 수와 상관없이 동일한 방향성을 갖는다. 따라서, 도 12에서 표현된 루프 간의 근접영향에 의해 전체 전류의 양은 줄어들게 된다. 이는 안테나의 턴 수에 따른 급격한 저항값의 증가로 나타난다.
도 16은 루프 안테나 턴 수에 대한 Q-factor(Q-factor with varying number of loop turn)를 도시한 도면이다.
기존의 직사각형 구조의 루프 안테나 형태의 NFC 안테나는 루프 안테나를 형성하는 turn 수가 증가함에 따라 증가하는 인덕턴스 성분과 함께 기하 급수적으로 증가하는 저항 성분에 의해 제한된 설계의 문제점이 있었다.
NFC의 인식거리 확장을 위해 일반적인 루프 안테나의 turn 수를 늘여서 인덕턴스를 높일 수 있지만, 특정 턴 수 이상(3~4 턴)에서는 저항성분이 극단적으로 높아지는 현상에 의해 안테나의 Q-factor는 오히려 작아진다. 즉 안테나에 형성되는 자기장의 크기가 제한되거나 오히려 줄어든다. 인덕턴스는 코일의 길이에 비례하여 증가를 하지만, magnetic loss tangent와 근접효과를 통해 여기된 전류에 의한 상쇄 때문에, 저항값은 인덕턴스값의 증가보다 기하급수적으로 증가하게 되고, 이렇게 증가되는 저항은 루프 안테나가 가지는 Q-factor(Q=(wL)/R)를 저하시켜 NFC 안테나가 최대의 성능을 보유하는 것을 방해한다. NFC 시스템이 동작하기 위한 13.56 MHz NFC 안테나는 임피던스 매칭된 상태에서, 각각의 안테나가 가지는 전류분포는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 동일한 방향으로 형성되고, 일반적인 직사각형 구조의 루프안테나의 경우, 외곽 5 turn의 평행한 도선(금속선)에서의 전류분포에 의해 근접효과에 의한 전류감쇄효과가 크게 발생되고, 저항성분이 극단적으로 높아지는 현상에 의해 낮은 Q-factor의 값을 가지게 되는 문제점이 존재한다.
본 발명에서는 소결체 페라이트와 폴리머 페라이트 모두에서 인식거리를 확장하는 것을 목표로 한다. 따라서 극단적으로 증가하는 루프 안테나의 저항 성분을 억제할 수 있는 방식을 제안하였다.
특허출원번호 10-2012-0141582
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 근거리 무선 통신용 13.56MHz NFC 안테나의 기존 직사각형 구조의 외곽 5 turn으로 형성된 루프 안테나의 구조를 근접한 도선 간의 근접 효과(proximity effect)로 인해 높아진 안테나의 저항 성분을 저감시키기 위해 직사각형 구조의 loop 형태의 외곽 3turn의 금속선을 형성하고, 외곽 3 turn 라인부의 내부에서 45°각도의 마름모 구조의 내부 2turn으로 루프 안테나를 형성하여, 근접한 도선 간의 근접 효과(proximity effect)에 의한 저항 성분에 대하여 마름모 형태의 안테나 구조를 통해 저감된 커플링 계수(coupling coefficient)를 통해 근접 효과에 대한 안테나의 저항 성분과 루프 간에 발생되는 상쇄 전류를 저감시키는, 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나 구조는, NFC 안테나에 있어서, NFC 안테나의 신호가 인가되는 안테나 급전부(feed); 근거리 무선통신을 제공하는 13.56MHz NFC 안테나의 공진주파수(
Figure 112014095758407-pat00047
, c=fλ, 단 c = 3x108m/sec)에서 공진되도록(λ=22m) 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)을 매칭하는 임피던스 매칭부; 상기 NFC 안테나의 패턴을 커버하는 substrate(Cover polymide, εr=3.5)로 사용되는 유전체기판; 상기 NFC 안테나의 외곽에서 구리(Cu)로 도금된 금속 선(metal line)을 직사각형 구조의 Loop의 형태로 형성된 외곽 3 turn 라인부; 상기 외곽 3 turn 라인부에 대하여 근접한 금속선 간의 근접 효과(proximity effect)에 의한 안테나의 저항 성분과 루프 간에 발생되는 상쇄 전류를 저감시키도록 상기 외곽 3 turn 라인부의 내부에서 기존 라인에 대하여 45°각도의 방향으로 마름모 구조의 내부 2turn으로 형성된 내부 2 turn 라인부; 루프 안테나를 구성하는 구리(Cu, 동박)로 된 금속선; 및 구리(Cu, 동박)로 된 금속 선 사이의 빈 공간의 틈새부분을 지칭하는 클리어런스(Clearance)를 포함하며,
상기 NFC 안테나는 상기 직사각형 구조의 상기 외곽 3turn 라인부(4)에 대하여 45°각도의 마름모 구조의 내부 2turn 라인부(5)로 루프 안테나를 형성하고, 비접촉식 근거리 무선통신을 제공하는 FPCB(Flexible PCB) 형태의 외곽 직사각형 구조와 내부 마름모 구조의 루프 안테나로 안테나의 패턴이 형성되며, 휴대 단말기의 배터리팩 또는 후면 케이스에 적용되고,
상기 내부 마름모 구조에 의해 상기 NFC 안테나의 루프 안테나 구조에서 루프간에 발생되는 상쇄전류 감소를 통해 저감된 저항값을 가지게 되고, 이에 따라 향상된 Q-factor를 가지는 자기장을 형성하는 것을 특징으로 한다.
루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나 구조는, 안테나의 패턴이 도금된 상기 NFC 안테나와 배터리 팩에 부착하는 경우, 상기 안테나의 패턴이 도금된 상기 NFC 안테나 일측면에 페라이트와 부착하기 위한 양면 접착 테이프(ADL, Adhesive Layer); 상기 양면 접착 테이프(ADL)의 타측면에 부착되고, 근접한 전도체(metal)에서 발생하는 와류 전류(eddy current)를 저감시키고, 상기 NFC 안테나의 자기장을 응집시키기 위한 투자율(
Figure 112014095758407-pat00048
=180)을 가지는 페라이트; 상기 페라이트의 일측면에 부착되고, 상기 페라이트를 배터리와 접착시키기 위한 양면 접착 테이프(ADL); 및 상기 NFC 안테나를 부착되도록 배터리 팩에 모델링이 된 배터리를 더 포함한다.
상기 페라이트는, 소결체 페라이트 또는 폴리머 페라이트를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 NFC 안테나는, 10 cm 이내의 근거리 무선통신을 제공하는 FPCB(Flexible PCB) 형태의 13.56 MHz NFC 안테나 인 것을 특징으로 휴대단말기의 배터리팩 또는 후면케이스의 적용을 포함하여 비접촉식무선통신을 가능하게 하는 리더기 또는 태그의 범위에서 사용되는 NFC 안테나의 설계에서 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나 구조를 제공한다.
루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나 구조는, 상기 직사각형 구조의 Loop의 형태로 형성된 상기 외곽 3turn 라인부에 대하여 45°각도의 마름모 구조의 내부 2turn 라인부로 루프 안테나를 형성하여, magnetic loss tangent에 대한 저항 성분과 근접한 도선(금속선) 간의 근접 효과(proximity effect)에 의한 저항 성분에 대하여 마름모 구조의 안테나 구조에 의해 커플링 계수(coupling coefficient)가 낮아지고, 상기 근접 효과에 의한 안테나의 저항 성분을 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 통해 저감된 저항값을 가지게 되고, 그에 따라 같은 tun수의 기존 직사각형 구조의 루프 안테나에 비해 Q-factor가 더 높아지고, 자기장의 세기(H field intensity)가 더 쎄지게 되며 더 넓은 인식영역을 확보하여 상대적으로 향상된 NFC 안테나를 제공하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나 구조는, NFC 안테나에 있어서, NFC 안테나의 신호가 인가되는 안테나 급전부(feed); 근거리 무선통신을 제공하는 13.56MHz NFC 안테나의 공진주파수(
Figure 112014095758407-pat00049
, c=fλ, 단 c = 3x108m/sec)에서 공진되도록(λ=22m) 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)을 매칭하는 임피던스 매칭부; 상기 NFC 안테나의 패턴을 커버하는 substrate(Cover polymide, εr=3.5)로 사용되는 유전체기판; 상기 NFC 안테나의 외곽에서 구리(Cu)로 도금된 금속 선(metal line)을 직사각형 구조의 Loop의 형태로 M(M은, 1이상의 자연수) turn으로 형성된 외곽 M turn 라인부; 상기 외곽 M turn 라인부에 대하여 근접한 금속선 간의 근접 효과(proximity effect)에 의한 안테나의 저항 성분을 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 통해 저항값을 저감시키도록 상기 외곽 M turn 라인부의 내부에서 기존 금속선에 대하여 45°각도의 방향으로 마름모 구조의 내부 N(N은, 1이상의 자연수) turn으로 형성된 내부 N turn 라인부; 루프 안테나를 구성하는 구리(Cu, 동박)로 된 금속선; 및 구리(Cu, 동박)로 된 금속 선 사이의 빈 공간의 틈새부분을 지칭하는 클리어런스(Clearance)를 포함하며,
상기 NFC 안테나는 상기 직사각형 구조의 상기 외곽 M turn 라인부에 대하여 45°각도의 마름모 구조의 내부 N turn 라인부로 루프 안테나를 형성하고, 비접촉식 근거리 무선통신을 제공하는 FPCB(Flexible PCB) 형태의 외곽 직사각형 구조와 내부 마름모 구조의 루프 안테나로 안테나의 패턴이 형성되며, 휴대 단말기의 배터리팩 또는 후면 케이스에 적용되고,
상기 내부 마름모 구조에 의해 상기 NFC 안테나의 루프 안테나 구조에서 루프간에 발생되는 상쇄전류 감소를 통해 저감된 저항값을 가지게 되고, 이에 따라 향상된 Q-factor를 가지는 자기장을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 근거리 무선 통신용 NFC 안테나, 휴대폰 케이스 및 배터리 팩에 적용하는 13.56MHz NFC 안테나의 직사각형 구조의 외곽 5 turn으로 형성된 루프 안테나의 구조를 magnetic loss tangent에 대한 저항 성분과 근접한 도선 간의 근접 효과(proximity effect)에 의한 저항 성분에 대하여 마름모 형태의 안테나 구조를 통해 저감된 커플링 계수(coupling coefficient)를 통해 근접 효과에 대한 안테나의 저항 성분을 루프 간에 발생되는 상쇄 전류를 저감시키기 위해 직사각형 구조의 외곽 3turn의 금속선에 대하여 45°각도의 마름모 구조의 내부 2turn으로 루프 안테나를 형성하여, 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나 구조를 제시하였다.
본 발명의 제안된 NFC 안테나의 구조에서 볼 수 있듯이, 도선이 magnetic loss tangent에 의해 발생되는 저항 성분은 안테나 자체적으로 변화가 불가능하지만, 근접 효과(proximity effect)를 통해 발생되는 저항의 성분을 감소시키기 위해 본 발명에서 제안된 NFC 안테나는 직사각형 구조의 외곽 3turn에 대하여 마름모 구조의 45° 각도의 내부 2turn 금속선으로 이루어진 루프 안테나를 형성하여, 도선간의 저하된 간섭으로 전체적인 저항의 값을 감소시키도록 하였다. 따라서, 제안된 NFC 안테나는 일반적인 같은 turn 수의 루프 안테나와 비교하여 마름모 구조를 통해 루프간에 발생되는 상쇄 전류 감소의 이유로 같은 turn수의 기존 직사각형 구조의 루프 안테나보다 더 낮은 인덕턴스값을 가지지만, 더 크게 감소된 저항값의 영향에 의해 Q-factor 값이 높아지고, 자기장의 세기(H field intensity)가 더 쎄지며 인식영역이 더 넓어지게 되어 안테나의 성능을 향상시키게 되었다.
도 1은 NFC의 동작 모드(Operation mode of NFC system)를 나타낸 도면이다.
도 2는 휴대 단말기 NFC의 서비스 모델(Service models for mobile NFC)을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 3은 휴대 단말기의 카드 모드의 데이터 전송의 실시예에 따른 자기장 커플링에 의한 NFC 안테나의 데이터 전송(Data transmission of NFC system by magnetic coupling)을 나타낸 도면이다.
도 4는 자속(Magnetic flux)을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 자계 강도 H(Magnetic field strength H)를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 다양한 크기의 코일 안테나의 근거리장에서 자계 강도(Magnetic field strength H of different size coil antennas in the near-field region)를 나타낸 도면이다.
도 7은 루프의 인덕턴스(Inductance of loop)를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 상호 인덕턴스(Mutual inductance)를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 능동 통신 모드(Active Communication mode)를 나타내는 도면이다.
도 10은 수동 통신 모드(Passive Communication mode)를 나타내는 도면이다.
도 11은 주파수에 대한 도선의 표면 전류 현상(Skin effect of wire with varying frequency)을 설명하는 도면이다.
도 12는 두 도선의 표면전류(Surface current of two wire)가 도시된 도면이다.
도 13은 네 도선의 표면전류(Surface current of four wires)를 나타낸 도면이다.
도 14는 루프 안테나의 턴(turn) 수 변화(1 turn, 4 turn, 8 turn)에 따른 안테나 구조이다.
도 15는 루프 안테나의 턴(turn) 수 변화(1 turn, 4 turn, 8 turn)에 따른 자계강도(H field intensity)를 나타낸 도면이다.
도 16은 루프 안테나 턴 수에 대한 Q-factor(Q-factor with varying number of loop turn)를 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명에 따른 직사각형 구조의 외곽 3turn, 45°각도의 마름모 구조의 내부 2turn으로 된 루프 안테나를 형성하여, 루프 간에 발생되는 전류 상쇄 억제 효과를 가지는 NFC 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
도 18은 일반적인 5 turn loop 직사각형 구조의 NFC 안테나 및 본 발명에서 제안된 직사각형 구조의 외곽 3 turn 및 마름모 구조의 내부 2 turn으로 안테나의 패턴이 형성된 NFC 안테나를 비교하여 도시하였고, NFC 안테나와 양면 접착 테이프(ADL), 페라이트, 양면 접착 테이프(ADL), 스마트폰 배터리를 부착한 형태를 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명에 따른 직사각형 구조의 외곽 3turn, 45°각도의 마름모 구조의 내부 2turn으로 된 루프 안테나의 전류 분포를 나타낸 도면이다.
도 20은 일반적인 5turn 루프 안테나와 전류상쇄 억제효과를 위해 마름모 구조로 제안된 안테나의 도선에서 가지는 저항성분을 구성하는 매커니즘을 표현한 ㄷ도면이다.
도 21은 기존의 5turn 루프 안테나와 본 발명에서 제안된 안테나가 가지는 전류분포를 나타낸 도면이다.
도 22는 기존의 5 turn 루프 안테나와 본 발명에서 제안된 안테나가 각각 안테나의 중심축(z축)에서 거리에 따라 가지는 자기장의 세기(H field intensity)를 표현한 도면이다.
도 23은 기존의 5turn 루프 안테나와 본 발명에서 제안된 안테나가 가지는 인덕턴스, 저항, Q-factor를 비교한 도면이다.
도 24는 기존의 5turn 루프 안테나와 본 발명에서 제안된 안테나가 가지는단면(YZ plane)에서의 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
본 발명은 근거리 무선통신(Near-field Communication, NFC)를 위한 안테나에 관한 것이다.
기존의 휴대폰에 적용되는 일반적인 상용 NFC 안테나는 배터리팩이나 휴대폰의 뒷면 케이스에 적용되고, NFC 시스템이 동작하는 3가지 모드(Read/Write, Card emulation, Peer to Peer mode)의 경우에서 NFC 안테나를 통해 근거리 무선통신을 가능하게 한다.
기존의 13.56 MHz에서 동작하는 NFC 안테나는 일반적으로 3~5 turn을 가지는루프안테나(Loop antenna)로 설계되고, 안테나의 인덕턴스(Inductance), 저항(Resistance) 값에 따라 회로 보드(Circuit board)에서 13.56 MHz를 위한 임피던스매칭(impedance matching)을 한다. 루프 안테나에 흐르는 전류벡터(Current vector)는 맥스웰 방정식(Maxwell's equation)의 Ampere's law에 의하여 전류벡터(Current vector)의 방향에 대하여 수직으로 자기장(Magnetic field)이 형성된다. 근거리 무선통신을 위한 Unmodulated magnetic field의 세기는 1.5~7.5 A/m(rms)로 International standard ISO/IEC 18092에 규정되어 있다.
기존의 NFC 시스템에 적용되는 루프 안테나는 일반적으로 사각형의 구조 또는 주변기구의 상황에 따라 감아져 돌아가는 형태의 구조를 가진다. N차의 턴수를 가지는 일반적인 루프안테나의 구조는 평면상에서 감아져 돌아가며 반복되는 금속선(metal line) 끼리 서로 평행한 구조가 된다. 자기장(Magnetic field, H-field)을 통해 통신하는 NFC 시스템은 1차적으로 자기장을 발생시키는 전류의 흐름을 필요로 한다. 이러한 전류의 흐름은 NFC 시스템을 구성하는 루프 안테나의 구조체(금속선, 도선)에서 발생하게 된다.
NFC 시스템을 위한 루프 안테나에 흐르는 전류는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 평행하게 감아진 형태의 도선을 따라 흐르게 된다. 이러한 경우, 전류의 진행에 대하여 이를 방해하는 저항의 성분이 존재하게 된다. 이러한 저항성분은 첫번째로, 루프 안테나에 근접한 금속체들에서 발생하는 와류전류(eddy current)를 감쇄시키기 위해 사용되는 페라이트(Ferrite) 시트와 같은 물질이 가지는 손실 성분(magnetic loss tangent, tanσm)에 의해 발생한다. 이러한 손실 성분은 루프 안테나의 turn수의 증가와 함께 증가하는 특징을 보인다. 두번째로 전류가 흐르는 방향에 대하여 근접효과(proximity effect)에 의하여 근접한 도선에서 커플링(Coupling)을 통해 여기되어 반대방향으로 흐르며 상쇄하기 위해 흐르는 전류가 발생된다. 또한, 근접효과(Proximity effect)에 의해 근접한 도선에 전류가 흐를 때, 각 도선의 전류의 방향에 따라 도선에서 흐르는 전류는 도선의 일부분으로 치우쳐 흐르게 된다. 저항 성분은 전류가 흐르는 도선의 단면적에 반비례하는 특징으로 일부분에 치우쳐 흐르며 좁은 도선의 단면적에서 흐르는 전류는 높아진 저항성분의 특징을 가진다. 이러한 두 성분에 의하여 NFC 시스템의 루프 안테나는 저항성분을 가지게 된다.
NFC 시스템을 위한 루프 안테나의 경우, 일반적인 다른 방사형의 안테나와는 동작 특성이 다르다. 근접한 영역에서 자기장의 분포와 서로 여기를 통하여 통신하는 시스템으로 얼마만큼 안정적으로 자기장이 넓고 멀리 분포하는지가 안테나의 성능에 대한 주요한 관점이 된다. 따라서, 루프 안테나가 가지는 자기장은 안테나가 가지는 인덕턴스(Inductance)와 저항(Resistance) 성분에 큰 영향을 받게 된다. 일반적으로 제한된 전력내에서 효율적인 NFC 시스템을 위한 루프 안테나의 동작을 만족하기 위해 높은 인덕턴스값과 낮은 저항값을 필요로 한다. 하지만, 이는 루프 안테나의 turn수의 증가에 따라 서로 함께 증가하는 특징이 존재한다. 인덕턴스는 코일의 길이에 비례하여 증가를 하지만, magnetic loss tangent와 근접효과를 통해 여기된 전류에 의한 상쇄 때문에, 저항값은 인덕턴스값의 증가보다 기하급수적으로 증가하는 문제가 존재한다. 또한, 이러한 증가되는 저항은 루프 안테나가 가지는 Q-factor(Q=(wL)/R)를 저하시켜 NFC 안테나가 최대의 성능을 보유하는 것을 방해한다.
본 발명에서 제안된 NFC 안테나는 기존의 직사각형 구조의 5turn을 가지는 루프 안테나에 대하여 외곽의 3turn을 그대로 유지하고, 내부의 2turn을 서로 평행하여 감아져가는 도선에 대하여 45° 각도의 기울기를 가진 마름모 구조로 변형하였다. 총 5turn에 대하여 외곽 3turn과 내부 2turn에 대한 총 turn을 포함한 각각의 turn수는 조절이 가능하다.
본 발명의 제안된 NFC 안테나의 구조에서 볼 수 있듯이, 도선이 magnetic loss tangent에 의해 발생되는 저항 성분은 안테나 자체적으로 변화가 불가능하지만, 근접 효과(proximity effect)를 통해 발생되는 저항의 성분을 감소시키기 위해 제안된 NFC 안테나의 마름모 구조를 통해 내부로 도선을 위치시켜 도선간의 저하된 간섭으로 전체적인 저항의 값을 감소시키도록 하였다. 따라서, 제안된 NFC 안테나는 일반적인 같은 turn 수의 루프 안테나와 비교하여 마름모 구조를 통해 루프간에 발생되는 상쇄 전류 감소의 이유로 인해 더 낮은 인덕턴스값을 가지지만, 더 크게 감소된 저항값의 영향에 의해 향상된 Q-factor를 가지므로 안테나의 성능 향상시키는 특징이 있다.
도 17은 본 발명에 따른 직사각형 구조의 외곽 3turn, 45°각도의 마름모 구조의 내부 2turn으로 된 루프 안테나를 형성하여, 루프 간에 발생되는 전류 상쇄 억제 효과를 가지는 NFC 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나는 13.56MHz NFC 안테나의 신호가 인가되는 안테나 급전부(feed)(1); 10cm 이내의 근거리 무선통신을 제공하는 13.56MHz NFC 안테나의 공진주파수(
Figure 112013106043518-pat00050
, c=fλ, 단 c = 3x108m/sec)에서 공진되도록(λ=22m) 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)을 매칭하는 임피던스 매칭부(2); 안테나의 패턴을 커버하는 substrate(Cover polymide, εr=3.5)로 사용되는 유전체기판(3); 상기 NFC 안테나의 외곽에서 구리(Cu)로 도금된 금속 선(metal line)을 직사각형 구조의 Loop의 형태로 형성된 외곽 3 turn 라인부(4); 상기 외곽 3 turn 라인부(4)에 대하여 근접한 금속선 간의 근접 효과(proximity effect)에 의한 안테나의 저항 성분을 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 통해 저항값을 저감시키도록 상기 외곽 3 turn 라인부(4)의 내부에서 기존 금속선에 대하여 45°각도의 방향으로 마름모 구조의 내부 2turn으로 형성된 내부 2 turn 라인부(5); 루프 안테나(loop antenna)를 구성하는 구리(Cu, 동박)로 된 금속선(metal line, 1mm)(6); 및 구리(Cu, 동박)로 된 금속 선(metal line) 사이의 빈 공간의 틈새부분을 지칭하는 클리어런스(Clearance, 0.5mm)(7)로 구성된다.
상기 NFC 안테나는 10 cm 이내의 근거리 무선통신을 제공하는 FPCB(Flexible PCB) 형태의 13.56 MHz NFC 안테나를 사용한다.
이를 일반화 하면 다음과 같이 표현된다.
본 발명의 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나 구조는, NFC 안테나의 신호가 인가되는 안테나 급전부(feed)(1); 근거리 무선통신을 제공하는 13.56MHz NFC 안테나의 공진주파수(
Figure 112013106043518-pat00051
, c=fλ, 단 c = 3x108m/sec)에서 공진되도록(λ=22m) 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)을 매칭하는 임피던스 매칭부(2); 상기 NFC 안테나의 패턴을 커버하는 substrate(Cover polymide, εr=3.5, 30)로 사용되는 유전체기판(3); 상기 NFC 안테나의 외곽에서 구리(Cu)로 도금된 금속 선(metal line)을 직사각형 구조의 Loop의 형태로 M(M은, 1이상의 자연수) turn으로 형성된 외곽 M turn 라인부(4); 상기 외곽 M turn 라인부(4)에 대하여 근접한 금속선 간의 근접 효과(proximity effect)에 의한 안테나의 저항 성분을 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 통해 저항값을 저감시키도록 상기 외곽 M turn 라인부(4)의 내부에서 기존 금속선에 대하여 45°각도의 방향으로 마름모 구조의 내부 N(N은, 1이상의 자연수) turn으로 형성된 내부 N turn 라인부(5); 루프 안테나를 구성하는 구리(Cu, 동박)로 된 금속선(6); 및 구리(Cu, 동박)로 된 금속 선 사이의 빈 공간의 틈새부분을 지칭하는 클리어런스(Clearance)(7);를 포함한다.
예를 들면, 루프 안테나는 직사각형 구조의 외부 3turn과 마름모 구조의 내부 2turn, 직사각형 구조의 외부 2turn과 마름모 구조의 내부 4turn 금속선을 도금하여 NFC 안테나를 응용할 수 있다.
도 18은 일반적인 5 turn loop 직사각형 구조의 NFC 안테나 및 본 발명에서 제안된 직사각형 구조의 외곽 3 turn 및 마름모 구조의 내부 2 turn으로 안테나의 패턴이 형성된 NFC 안테나를 비교하여 도시하였고, NFC 안테나와 양면 접착 테이프(ADL), 페라이트, 양면 접착 테이프(ADL), 스마트폰 배터리를 부착한 형태를 나타낸 도면이다.
안테나의 패턴이 도금된 상기 NFC 안테나와 배터리 팩에 부착하는 경우, 상기 NFC 안테나 구조는, 상기 안테나의 패턴이 도금된 상기 NFC 안테나(1,2,3,4,5,6,7) 일측면에 페라이트와 부착하기 위한 양면 접착 테이프(ADL, Adhesive Layer)(10㎛)(8); 상기 양면 접착 테이프(ADL)(8)의 타측면에 부착되고, 근접한 전도체(metal)에서 발생하는 와류 전류(eddy current)를 저감시키고, 상기 NFC 안테나의 자기장을 응집시키기 위한 투자율(
Figure 112013106043518-pat00052
=180)을 가지는 페라이트(80㎛)(9); 상기 페라이트(9)의 일측면에 부착되고 페라이트(9)를 배터리(11)와 접착시키기 위한 양면 접착 테이프(ADL)(10㎛)(10); 및 상기 NFC 안테나를 부착되도록 배터리 팩에 모델링이 된 배터리(5mm)(11)를 더 포함한다.
상기 페라이트(9)는 소결체 페라이트 또는 폴리머 페라이트를 사용하는 것을 특징으로 한다.
도 19는 본 발명에 따른 직사각형 구조의 외곽 3turn, 45°각도의 마름모 구조의 내부 2turn으로 된 루프 안테나의 전류 분포를 나타낸 도면이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 내부의 마름모 구조의 도선(금속선)에 분포하는 전류는 외곽의 도선에 분포하는 전류와 45°정도의 각도를 가지고 분포하게 된다. 일반적인 루프 안테나의 도선에 분포되는 평행한 전류 분포와 달리 이러한 전류 분포를 통해 근접효과를 통해 발생되는 저항성분을 억제하도록 하였다.
도 20은 일반적인 5turn 루프 안테나와 전류상쇄 억제효과를 위해 마름모 구조로 제안된 안테나의 도선에서 가지는 저항성분을 구성하는 매커니즘을 표현한 도면이다. 사각형과 마름모 형태의 박스는 사각형 형태와 마름모 형태로 감아진 안테나의 도선에 대한 단일루프의 turn을 의미한다. 또한α와 β는각각 사각형 형태와 마름모형태가 페라이트 시트에서 발생되는 magnetic loss tangent에 의한 전류상쇄를 나타낸다.
kxy는 x번째의 단일루프와 y번째의 단일루프가 가지는 서로간의 커플링계수(coupling coefficient)를 나타낸다. 근접한 도체에서 발생되는 와류전류(eddy current)를 저감시키기 위해 반드시 필요한 페라이트 물질로 발생된 magnetic loss tangent에 의한 저항성분은 재료학적으로 페라이트의 성분을 바꾸지않는 한 피할 수 없는 부분이다. 따라서, 본 발명에서 제안된 안테나는 안테나의 직사각형 구조를 내부 turn을 마름모 구조로 변화시켜 근접효과로 인해 발생시키고자하는 방향과 반대방향으로 발생되는 전류를 감소시켜 커플링계수가 저감되도록 하였다. 도 20의 개념도에서 magnetic loss tangent에 의한 손실성분인α와 β가 거의 비슷하다고 할때, (a)의k34와 (b)의 k34는 마름모 형태의 구조에 의해 다른 값을 가지게 된다. 이를 통하여 루프간에 발생되는 상쇄전류 감소를 통해 저감된 저항값을 가지게 되고, 그에 따라 향상된 Q-factor와 함께 효율적인 자기장을 형성하게 된다.
도 21은 기존의 5turn 루프 안테나와 본 발명에서 제안된 안테나가 가지는 전류분포를 나타낸 도면이다. 각각 안테나는 NFC 시스템이 동작하기 위한 13.56 MHz 에 대하여 임피던스 매칭이 되어 있다. 임피던스 매칭된 상태에서, 각각의 안테나가 가지는 전류분포는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 동일한 방향으로 형성이 된다. 일반적인 직사각형 구조의 루프안테나의 경우, 평행한 도선(금속선)에서의 전류분포에 의해 근접효과에 의한 전류감쇄효과가 크게 발생되고, 그에 따라 낮은 Q-factor의 값을 가지게 된다. 하지만, 제안된 마름모 구조의 안테나는 내부에서 45°정도로 틀어진 도선(금속선)을 통해 근접효과에 대한 영향을 저감시킨다. 이러한 영향에 의해 커플링계수(coupling coefficient)가 낮아지는 이점을 가지고, 이에 따라 저감된 저항값을 가지고 상대적으로 향상된 Q-factor를 가지며 상대적으로 향상된 NFC 안테나의 성능을 가지게 된다.
도 22는 기존의 5 turn 루프 안테나와 본 발명에서 제안된 안테나가 각각 안테나의 중심축(z축)에서 거리에 따라 가지는 자기장의 세기(H field intensity)를 표현한 도면이다. NFC 시스템에서는 Unmodulated H-field의 세기를 최저1.5 A/m 이상을요구하고 이를 만족하는 거리까지를 인식영역(거리)으로 통칭한다. 따라서, 1.5 A/m를 가지는 최대의 거리를 살펴보면 일반 루프안테나에서는 29 mm의 거리를 가진다. 하지만, 본 발명에서 제안된 안테나는 마름모 형태로 전류상쇄억제 효과를 통해 32.4 mm로 향상된 인식거리를 가지고 있음을 볼 수 있다.
도 23은 기존의 5turn 루프 안테나와 본 발명에서 제안된 안테나가 가지는 인덕턴스, 저항, Q-factor를 비교한 도면이다. NFC 시스템을 위한 Q-factor를 구하는 식은 Q=wL/R이다. 기존 5turn 루프안테나는 4597.9nH의 인덕턴스, 82.2Ω의 저항값을 가지고 이러한 값을 통해 4.76의 Q-factor 값을 가진다. 본 발명의 마름모 구조의 모델링에서 적용된 높은 투자율(
Figure 112013106043518-pat00053
=180, 80㎛)을 가지는 페라이트 시트의 영향으로 상대적으로 높은 인덕턴스와 저항값을 가지게 된다. 적용된 페라이트의 투자율과 두께는 실제 적용되는 소결체의 경우와 같은 모델링이다. 이러한 기존의 직사각형 구조의 NFC 안테나와 본 발명에서 제안된 마름모 구조의 NFC 안테나가 가지는 값을 비교하면, 제안된 마름모 구조의 안테나는 2325.9nH의 인덕턴스, 17.77Ω의 저항값을 가진다. 본 발명에서 제안된 안테나는 마름모 구조의 이유로 상대적으로 조금 짧아진 길이를 가지지만 기존 직사각형 구조의 일반적인 5 turn 루프 안테나에 대하여 감소된 인덕턴스의 크기(약1/2배 감소)보다 크게 저감된 저항값(약1/5배감소)을 얻을 수 있다. 따라서, 이러한 이점을 통해 본 발명에서 제안된 마름모 구조의 NFC 안테나는 기존의 직사각형 구조의 NFC 안테나가 가지는 4.76의Q-factor보다 향상된 11.14정도의 Q-factor를 얻게 되는 특징을 나타냈다.
도 24는 기존의 5turn 루프 안테나와 본 발명에서 제안된 안테나가 가지는 단면(YZ plane)에서의 자기장의 분포를 나타낸 도면이다. 빨강 색은 자기장의 세기(H field intensity)가 강하고, 외곽 파란 색은 자기장의 세기가 약한 것을 의미한다. 그림에서 알 수 있듯이, 전류 상쇄 억제 효과를 위해 제안된 마름모 형태의 구조를 통해 본 발명에서 제안된 마름모 구조의 안테나가 가지는 자기장이 기존의 직사각형 구조의 루프 안테나보다 더 넓은 인식 영역(거리)을 가짐을 볼 수 있다.
결과적으로, 기존의 직사각형 구조의 루프 안테나 형태의 NFC 안테나는 루프 안테나를 형성하는 turn 수가 증가함에 따라 증가하는 인덕턴스 성분과 함께 기하 급수적으로 증가하는 저항 성분에 의해 제한된 설계의 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명에서 제안된 NFC 안테나는 magnetic loss tangent에 대한 저항 성분과 근접 효과(proximity effect)에 의한 저항 성분에 대하여 마름모 형태의 안테나 구조를 통해 저감된 커플링 계수(coupling coefficient)를 통해 근접 효과에 대한 안테나의 저항 성분을 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 통해 저감시켰다. 이를 통해 NFC 안테나가 가지는 Q-Factor를 향상시켜 향상된 NFC 안테나의 성능을 얻게 되었다.
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(feed)
2: 안테나의 임피던스 매칭부
3: 유전체기판
4: 외곽 3 turn 라인부
5: 내부 2 turn 라인부
6: 루프 안테나를 구성하는 금속선(metal line)(1 mm)
7: 클리어런스(Clearance)(0.5mm)

Claims (6)

  1. NFC 안테나에 있어서,
    상기 NFC 안테나의 신호가 인가되는 안테나 급전부(feed)(1);
    근거리 무선통신을 제공하는 13.56MHz NFC 안테나의 공진주파수(
    Figure 112014095758407-pat00054
    , c=fλ, 단 c = 3x108m/sec)에서 공진되도록(λ=22m) 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)을 매칭하는 임피던스 매칭부(2);
    상기 NFC 안테나의 패턴을 커버하는 substrate(Cover polymide, εr=3.5)로 사용되는 유전체기판(3);
    상기 NFC 안테나의 외곽에서 구리(Cu)로 도금된 금속 선(metal line)을 직사각형 구조의 Loop의 형태로 형성된 외곽 3 turn 라인부(4);
    상기 외곽 3 turn 라인부(4)에 대하여 근접한 금속선 간의 근접 효과(proximity effect)에 의한 안테나의 저항 성분을 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 통해 저항값을 저감시키도록 상기 외곽 3 turn 라인부(4)의 내부에서 기존 금속선에 대하여 45°각도의 방향으로 마름모 구조의 내부 2turn으로 형성된 내부 2 turn 라인부(5);
    루프 안테나를 구성하는 구리(Cu, 동박)로 된 금속선(6); 및
    구리(Cu, 동박)로 된 금속 선 사이의 빈 공간의 틈새부분을 지칭하는 클리어런스(Clearance)(7);를 포함하며,
    상기 NFC 안테나는 상기 직사각형 구조의 상기 외곽 3turn 라인부(4)에 대하여 45°각도의 마름모 구조의 내부 2turn 라인부(5)로 루프 안테나를 형성하고, 비접촉식 근거리 무선통신을 제공하는 FPCB(Flexible PCB) 형태의 외곽 직사각형 구조와 내부 마름모 구조의 루프 안테나로 안테나의 패턴이 형성되며, 휴대 단말기의 배터리팩 또는 후면 케이스에 적용되고,
    상기 내부 마름모 구조에 의해 상기 NFC 안테나의 루프 안테나 구조에서 루프간에 발생되는 상쇄전류 감소를 통해 저감된 저항값을 가지게 되고, 이에 따라 향상된 Q-factor를 가지는 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안테나의 패턴이 도금된 상기 NFC 안테나가 배터리 팩에 부착되는 경우,
    상기 안테나의 패턴이 도금된 상기 NFC 안테나 일측면에 페라이트와 부착하기 위한 양면 접착 테이프(ADL, Adhesive Layer)(8);
    상기 양면 접착 테이프(ADL)(8)의 타측면에 부착되고, 근접한 전도체(metal)에서 발생하는 와류 전류(eddy current)를 저감시키고, 상기 NFC 안테나의 자기장을 응집시키기 위한 투자율(
    Figure 112014095758407-pat00055
    =180)을 가지는 페라이트(9);
    상기 페라이트(9)의 일측면에 부착되고, 상기 페라이트(9)를 배터리(11)와 접착시키기 위한 양면 접착 테이프(ADL)(10); 및
    상기 NFC 안테나를 부착되도록 배터리 팩에 모델링이 된 배터리(11);
    를 더 포함하는 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 페라이트(9)는
    소결체 페라이트 또는 폴리머 페라이트를 사용하는 것을 특징으로 하는 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나 구조.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 직사각형 구조의 Loop 안테나 구조로 형성된 상기 외곽 3turn 라인부(4)에 대하여 45°각도의 마름모 구조의 내부 2turn 라인부(5)로 루프 안테나를 형성하여, magnetic loss tangent에 대한 저항 성분과 근접한 도선(금속선) 간의 근접 효과(proximity effect)에 의한 저항 성분에 대하여 마름모 구조의 안테나 구조에 의해 커플링 계수(coupling coefficient)가 낮아지고, 상기 근접 효과에 의한 안테나의 저항 성분을 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 통해 저감된 저항값을 가지게 되며, 이에 따라 같은 tun수의 기존 직사각형 구조의 루프 안테나에 비해 Q-factor가 더 높아지고, 자기장의 세기(H field intensity)가 더 쎄지게 되며 더 넓은 인식영역을 확보하여 루프 안테나 구조의 루프 간에 발생되는 상쇄전류가 감소되어 상대적으로 향상된 NFC 안테나를 제공하는 것을 특징으로 하는 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나 구조.
  6. NFC 안테나에 있어서,
    상기 NFC 안테나의 신호가 인가되는 안테나 급전부(feed)(1);
    근거리 무선통신을 제공하는 13.56MHz NFC 안테나의 공진주파수(
    Figure 112014095758407-pat00056
    , c=fλ, 단 c = 3x108m/sec)에서 공진되도록(λ=22m) 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)을 매칭하는 임피던스 매칭부(2);
    상기 NFC 안테나의 패턴을 커버하는 substrate(Cover polymide, εr=3.5)로 사용되는 유전체기판(3);
    상기 NFC 안테나의 외곽에서 구리(Cu)로 도금된 금속 선(metal line)을 직사각형 구조의 Loop의 형태로 M(M은, 1이상의 자연수) turn으로 형성된 외곽 M turn 라인부(4);
    상기 외곽 M turn 라인부(4)에 대하여 근접한 금속선 간의 근접 효과(proximity effect)에 의한 안테나의 저항 성분을 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 통해 저항값을 저감시키도록 상기 외곽 M turn 라인부(4)의 내부에서 기존 금속선에 대하여 45°각도의 방향으로 마름모 구조의 내부 N(N은, 1이상의 자연수) turn으로 형성된 내부 N turn 라인부(5);
    루프 안테나를 구성하는 구리(Cu, 동박)로 된 금속선(6); 및
    구리(Cu, 동박)로 된 금속 선 사이의 빈 공간의 틈새부분을 지칭하는 클리어런스(Clearance)(7);를 포함하며,
    상기 NFC 안테나는 상기 직사각형 구조의 상기 외곽 M turn 라인부(4)에 대하여 45°각도의 마름모 구조의 내부 N turn 라인부(5)로 루프 안테나를 형성하고, 비접촉식 근거리 무선통신을 제공하는 FPCB(Flexible PCB) 형태의 외곽 직사각형 구조와 내부 마름모 구조의 루프 안테나로 안테나의 패턴이 형성되며, 휴대 단말기의 배터리팩 또는 후면 케이스에 적용되고,
    상기 내부 마름모 구조에 의해 상기 NFC 안테나의 루프 안테나 구조에서 루프간에 발생되는 상쇄전류 감소를 통해 저감된 저항값을 가지게 되고, 이에 따라 향상된 Q-factor를 가지는 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 루프 간에 발생되는 상쇄 전류 감소를 위한 성능이 개선된 NFC 안테나 구조.
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