KR101485569B1 - 금속 덮개가 적용된 이동통신 단말기의 ｎｆｃ 안테나 - Google Patents

금속 덮개가 적용된 이동통신 단말기의 ｎｆｃ 안테나 Download PDF

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문병귀
위현호
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 금속 덮개가 적용된 이동통신 단말기의 NFC 안테나에 관한 것으로, 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개(metallic case)에 구현된 최대 10cm 거리내에서 13.56 MHz로 동작하기 위한 NFC 안테나의 급전부 및 임피던스매칭 회로(1); 상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개(2); 상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개(2) 바로 밑에 구성된 FR4 기판(3); NFC 안테나가 구현될 부분이며, 송신(Tx) 및 수신(Rx)용 방사체로써 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 하단부(4); 상기 NFC 안테나가 구현될 부분이며, 수신(Rx)용 방사체로써 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부(5); 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부(5)에서 루프 안테나를 구성하는 가는 틈새부(6); 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부(5)에서 루프 안테나를 구성하는 굵은 틈새부(7); 및 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 상단부(5)에서 루프 안테나의 아래 방향 벽면으로 접히는 부분(8)을 포함하며, 상기 이동통신 단말기의 후면 케이스에 금속 덮개(metallic case) 자체를 13.56MHz NFC 안테나를 사용하여 1 turn 루프 안테나로 구현되는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 덮개가 적용된 이동통신 단말기의 ＮＦＣ 안테나{Near Field Communication antenna for mobile handset with metallic case}
본 발명은 이동통신 단말기의 NFC(Near Field Communication) 안테나에 관한 것으로, 특히 스마트폰 등의 이동통신 단말기의 후면 케이스에 금속 덮개(metallic case)가 적용된 이동통신 단말기에서 10cm 이내의 근거리 무선 통신을 위한 13.56MHz NFC 안테나를 금속 덮개(메탈 케이스) 자체를 1 turn 루프 안테나로 사용하며 페라이트 시트를 사용하지 않고 구현하여 NFC 안테나의 높이를 줄이고 페라이트 시트를 사용하지 않음으로써 생산 원가를 절감하는, 금속 덮개가 적용된 이동통신 단말기의 NFC 안테나에 관한 것이다.
NFC(Near Field Communication)는 13.56 MHz 대역 주파수를 사용하여 약 10 cm 이내의 근거리장에서 데이터를 교환할 수 있는 비접촉식 근거리 무선통신기술이며, 모바일기기, 특히 스마트폰과의 융합을 통해 단말기 간에 데이터통신을 제공하고, 기존의 비접촉식 스마트카드 기술 및 무선인식기술(RFID: Radio Frequency Identification)과의 상호 호환성을 제공한다.
1.1 NFC 시스템의 정의
NFC 시스템은 카드 에뮬레이션 모드, 카드 리더기 모드, P2P 모드로 동작하여 M2M(Machine-to-Machine, 사물지능통신) 구현이 가능하며, 금융, 교통, 쇼핑 등에 접목하여 여러가지 서비스를 제공할 수 있다. NFC의 가장 큰 특징은 저 전력으로 편리함과 보안성을 보장하며 양방향성 통신을 제공한다. 또한 단말기끼리 인식하는데 복잡한 페어링 절차가 필요 없으며 RFID에 비해 저장 공간이 커서 바코드 외에 다양한 정보를 저장할 수 있다. 저장한 데이터를 이용하여 재사용이 가능하고, Bluetooth와 ZigBee 등의 기존 RFID 기술을 보완, 암호화 기술을 적용하여 무선으로 접속해도 정보가 외부로 유출되지 않는 장점이 있다. NFC는 이런 특성을 기반으로 근거리 통신 기술 중 근거리 인식 기술로 최근 각광받고 있다.
표 1은 NFC 시스템의 주요 사양(Main specifications of NFC system)에 대해 설명하고 있다.
주요 사항 내 용
대역폭 13.56 MHz의 ISM 밴드에서 14kHz 대역폭 사용
동작거리 10 cm 이내
지원하는 통신속도 106, 212, 424 kbit/s
동작 모드 ·파워 유무에 따른 분류
- Passive Mode
- Active Mode		 ·동작 방식에 따른 분류
- Card Emulation Mode
- Reader/Writer Mode
- P2P Mode
NFC는 ISO/IEC 18092 표준으로 제정되었으며 13.56 MHz 대역에서 자기장 커플링 방식의 기기 간 통신 인터페이스 및 프로토콜을 정의했다는 점에서 기존의 비접촉식 스마트카드 기술과 확연히 다르다. 국제 표준과 NFC포럼의 설립으로 점차 주목받기 시작하였으며, 2005년 ISO/IEC 14443, ISO/IEC 15693 또는 ISO/IEC 18025 등 세 가지의 대표적 13.56 MHz 대역 비접촉식 기술요소를 NFC의 범주에 모두 포함시킴으로써 NFC의 보급을 확대하고 있다.
표 2는 NFC 표준 및 비접촉식 스마트 카드 표준의 비접촉식 표준 무선통신기술 비교(Comparison of non-contact wireless technology standards)한 내용이다.

NFC 표준 비접촉식 스마트 카드 표준
ISO/IEC 18092 ISO/IEC 14443 ISO/IEC 15693
동작 모드 기기 간 통신 리더/카드 리더/카드
전력 공급 능동 및 수동 수동 수동
통신 범위 10 cm 10 cm 1 m
데이터 속도 106, 212, 424 kbps 106 kbps 26 kbps
응용 분야 모바일 기기 스마트 카드 스마트 레이블
1.2 NFC 주요 동작 모드
도 1은 NFC 시스템의 동작 모드(Operation mode of NFC system)를 나타낸 도면이다.
NFC 시스템은 두 단말기 간의 RF 신호의 전력인가에 따라 능동 통신 모드(Active Communication Mode)와 수동 통신 모드(Passive Communication Mode)로 나뉜다. 능동 통신 모드는 두 단말기 간 통신을 할 때 발신기(Initiator, reader 역할)와 목표기(Target, tag 역할) 모두가 스스로 생성한 RF 필드를 사용하여 통신을 말하며 리더와 리더 간에 P2P 통신이 가능하다. 수동 통신 모드는 발신기가 RF 필드를 생성하고 목표기는 발신기의 명령에 응답하여 통신이 이루어진다. 즉 발신기의 전력만을 가지고 통신이 이루어지는 모드이다.
NFC 시스템은 기존 RFID가 갖는 카드 에뮬레이션 모드 뿐만 아니라, 리더/라이터 모드 및 P2P 모드로 응용서비스를 구현할 수 있다. 우선, 카드 에뮬레이션은 기존의 RFID 카드와 같이 리더기를 통해 NFC 단말을 인식하고, 이를 통해 결제, 전자티켓, 교통카드 등의 서비스를 제공한다. 즉 단말이 외부의 리더기에 대해 태그로 동작하는 것으로 NFC 시스템이 제공하는 가장 기본적인 기능이다. 가장 대표적인 활용 사례로 모바일 결제를 꼽을 수 있다. 이를 통해 모바일 신용카드나 교통카드, 멤버십 카드, 카드키 등의 여러가지 역할을 수행할 수 있다.
리더/라이터(Reader/Writer) 기능은 NFC의 '쓰기(Write)' 속성을 활용한 것으로, 타 보안요소에 저장된 데이터를 NFC 단말기 상에서 인식해 쿠폰이나 정보 등을 제공한다. 즉, 단말이 외부의 태그를 읽는 리더기로 동작하는 것이다. 이를 통해 영화 포스터에 NFC 단말을 갖다 대면 자동으로 동영상이나 영화 정보를 보여주고, 그 자리에서 예매까지 가능한 스마트 포스터 서비스가 대표적인 예이다.
P2P(Peer to Peer) 기능은 NFC 단말기 간에서 무선통신이 이루어지는 것으로, 통신 속도가 수백 Kbps 정도의 저속이어서, 현재는 저용량의 화상파일이나 데이터 송수신 용도로만 사용이 제한되어 있다. NFC 단말을 통한 개인 간 계좌이체나 개인프로필 교환 외에 게임기, PC, 스마트TV와 정보 교환하는 M2M 등 향후 가장 폭넓은 응용서비스 개발이 기대된다.
이와 같은 NFC의 3대 기능을 이용하여 다양한 NFC 응용 서비스가 등장할 전망이며, NFC Chip이나 태그와 같은 하드웨어 시장뿐만 아니라 모바일 결제등 응용 서비스 시장의 성장을 통해 막대한 수수료는 물론 NFC를 통해 획득한 개인정보 활용의 맞춤형 광고 등 시장성이 있다.
도 2는 NFC 시스템의 3대 속성(Three properties of NFC system)으로써 카드 에뮬레이션 모드, Reader/Writer 모드, P2P 모드를 나타낸 도면이다.
표 3은 NFC 시스템의 3대 속성(Three properties of NFC system)을 나타낸다.
구 분 상세 내용 응용 서비스
카드 에뮬레이션 모드 단말기의 ON/OFF와 관계없이 항상 리더기를 통해 인식 모바일 결제, 교통카드, 전자티켓 등
Reader/Writer 모드 NFC 활성화 상태에서 Tag 정보를 인식, 단말기가 카드 리더기로서 작동 스마트포스터, 명함인식, U-헬스 등
P2P 모드 두 대의 NFC 단말기가 리더기로서 작동하여 데이터를 상호간에 전송 기기간 계좌이체, M2M 등
1.3 NFC 시스템의 구성
도 3은 NFC 시스템의 구성(Composition of NFC system)을 나타낸 도면이다.
NFC 시스템은 크게 3가지로 구성된다. 사용자의 정보를 가지고 있는 USIM 카드와 전체적인 NFC 시스템을 제어하는 NFC IC Chip, 그리고 근거리 장의 자계(Magnetic Field)를 형성시키고 RF 신호를 송수신하는 루프 안테나로 구성된다. USIM(IC chip의 형태로 3G 휴대폰에 장착되는 세계 표준)은 기본적으로 데이터를 저장할 수 있는 플래시 메모리를 내장하고 있으며 이곳에 신용카드, 멤버십카드, 쿠폰 정보를 담아두고 결제가 필요할 때 꺼내 쓰는 것이 기본 원리이다. NFC IC Chip은 단말기에 장착되어 USIM과의 연동을 통해 데이터 통신을 하게 하는 칩이며, 휴대 단말기의 카드 에뮬레이션 모드, 리더/라이터 모드, 그리고 P2P 모드 동작을 위한 전체적인 시스템 제어 역할을 수행한다. NFC 안테나는 일반적으로 3~5 turn으로 이루어진 루프 안테나로 설계되며, 리더 또는 태그와의 통신을 위한 근거리 장의 자계를 형성한다. 또한, NFC 시스템에서 세부적으로는 루프 안테나의 13.56 MHz 주파수 강제 매칭과 함께 칩 임피던스 80 O과의 정합회로를 구현하기 위한 임피던스 매칭 회로가 포함되며, 인가된 신호의 고주파 성분 제거 및 시스템 안정화를 위한 EMC 필터가 추가적으로 구성된다.
NFC 시스템의 데이터 전송은 10 cm 이내의 근거리장(Near field)에서 비접촉식의 자계 유도성 결합을 통해 이루어진다. 따라서 리더기(Reader) 또는 태그(Tag)는 자기장을 많이 형성시킬 수 있는 루프 형태의 안테나로 설계된다. 이때 설계되는 루프 안테나의 동작 원리는 원거리장(Far field)에서 해석되는 일반적인 루프 안테나와는 설계 및 해석 방법이 다르게 적용된다.
도 4는 NFC 리더기와 태그의 안테나 사이의 자기장 커플링에 따라 자계 유도성 결합에 의한 NFC 데이터 전송(Transmission of NFC data by magnetic coupling) 방법에 대하여 설명하는 도면이다. ISO 18092 규정에 따라 안테나 사이의 H-field의 세기는 1.5 ~ 7.5 A/m로 규정하고 있다. 일반적으로 IC 카드 내부에 루프 안테나가 내장되어 있으며 NFC 지원 단말기에도 유사한 형상의 루프 안테나가 있어, 단말기를 IC 카드에 인접하게 위치시키면 두 루프 안테나간의 자기장에 의한 유도성 결합이 형성되어 자기장 변화를 통해 근접한 두 기기 간에 통신이 이루어진다.
2. NFC 시스템의 안테나
2.1 일반적인 NFC 안테나
일반적인 이동 통신 단말기에 사용되는 NFC 안테나는 도 5에 도시된 바와 같이 배터리에 부착되는 배터리 일체형과 후면 케이스 밑에 부착되는 백케이스 일체형이 있다. 두 가지 형태 모두 일반적으로 3~5 turn을 가지는 루프 안테나로 설계된다. 이는 안테나의 인덕턴스와 저항성분 값으로부터 ISO/IEC 14443에서 정의하는 Q-factor를 만족하며 높은 근거리 자기장을 형성시키기 위함이다. NFC 안테나는 흔히 FPCB(Flexible PCB)로 제작되며 인접한 배터리나 메인보드 PCB 등과 같은 금속체의 영향 때문에 고투자율을 가지는 페라이트 자성 소재와 함께 설계된다.
2.2 페라이트 자성 소재
NFC 안테나와 반대편 NFC 안테나 리더기 간의 통신은 안테나 코일에 의한 자기장의 발생으로 진행된다. 위에서 설명한 바와 같이 이동통신 단말기의 NFC 안테나는 배터리나 후면 케이스 일체형으로 구현된다. 하지만, 이때 NFC 안테나가 인접한 주변의 배터리 또는 LCD 그라운드, 메인보드 PCB 등의 금속체의 영향을 받게 된다. 금속과 NFC 안테나 사이에서 발생되는 문제는 주로 금속 자체가 NFC 안테나의 특성 변화시켜 손실을 악화시키고, 안테나 코일의 인덕턴스를 낮추기 때문이다. 이러한 주된 원인은 자기장에 의해 금속체에서 발생하는 와 전류(Eddy Current)에 의한 것으로, 와 전류는 NFC 안테나가 금속에 바로 붙을 때 주로 발생하여 통신 장애를 일으킨다.
도 6은 와 전류와 페라이트 시트(Eddy current and ferrite sheet)를 나타낸 도면이다. 금속체 주변에 설계된 NFC 안테나에 전류가 흐를 때 영상 이론(Images Theory)에 의해 반대 방향으로 와 전류(Eddy current)가 생성된다. 이렇게 형성된 와 전류(Eddy Current)는 NFC가 생성하는 자기장의 반대 방향으로 자기장을 형성한다. 서로 반대 방향을 가지는 두 자기장은 서로 상쇄되어 NFC 안테나의 성능을 저하시키게 된다.
따라서 단말기 내부에 인접한 금속체의 영향을 최소화하면서 NFC 안테나의 성능을 확보하기 위해 고 투자율과 고 저항 재료를 금속과 NFC 안테나 사이에 위치시켜 자기력선을 조절할 수 있는데, 이때 제일 유용하게 사용되는 재료가 Soft Ferrite이며 적절한 투자율과 손실, 두께를 가진 페라이트 시트(Ferrite Sheet)를 사용한다. 현재, NFC 페라이트 시트는 스마트폰 배터리 후면이나 스마트폰의 후면 케이스 안쪽에 많이 부착되어 사용되고 있다. 하지만 페라이트 시트를 사용함으로써 NFC 안테나 생산 단가가 상승할 뿐만 아니라 전체적인 높이가 증가하게 된다.
도 7은 페라이트 시트와 NFC 안테나의 두께(Ferrite sheet and thickness of NFC antenna)를 나타낸 도면이다.
도 7에서 보는 바와 같이, 일반적으로 80 ㎛ 두께의 페라이트 시트를 사용하며, 추가적으로 페라이트 시트의 접착을 위한 접착층(Adhesive Layer)이 사용되어 전체적으로 NFC 안테나의 높이가 약 90 ~ 100 ㎛ 가량 증가하게 된다. 이는 결과적으로 전체적인 단말기의 높이를 증가시키게 된다. 따라서 최근 얇은 사이즈를 요구하고 있는 스마트폰 설계에 있어서 두께가 얇은 페라이트 시트 사용과 함께 적은 단가의 페라이트 시트 사용으로 NFC 안테나를 구현하는 연구가 요구되고 있다.
2.3 일반적인 NFC 안테나와 Q-factor
상기한 바와 같이 NFC 안테나 자체적인 성능만으로 보았을 때는 13.56 MHz 단일 대역에서 높은 Q-factor를 가질수록 좋지만 NFC 시스템의 변조 정지 시간(modulation pause time)을 고려한다면 Q = 40.68 값을 요구하고 있다. 일반적으로 루프 안테나의 인덕턴스는 루프의 turn 수가 늘어남에 따라 비례하여 증가한다. 따라서 turn 수를 증가시켜 Q-factor 값을 증가시킬 수 있지만 일정 턴 수(3 ~ 4turn) 이상 증가하면 페라이트 시트(ferrite sheet)에 의한 저항 성분과 안테나 자체의 저항 성분의 증가에 따라 Q-factor 값이 줄어들게 된다.
도 8은 일반적인 NFC 루프 안테나의 turn 수의 증가에 따른 인덕턴스 성분과 저항 성분의 변화량(Inductance and resistance with varying number of loop turn)을 나타낸 도면이다. 도 8에 보는 바와 같이, NFC 루프 안테나의 turn 수가 증가함에 따라 전체적인 루프 안테나의 길이가 길어짐으로써 인덕턴스 값이 일정하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 저항 성분 역시 턴 수가 증가함에 따라 저항 성분이 증가하지만 그 변화량이 기하급수적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 루프 안테나의 길이가 증가함에 따라 페라이트 시트에 의한 저항 성분 증가와 함께 근접한 루프 간의 근접영향(Proximity Effect)에 의해 전체 전류의 양이 줄어들게 한다. 이에 따라 저항값이 급격하게 증가하게 되는 것이다.
도 9는 NFC 안테나의 turn 수 변화에 따른 Q-factor(Q-factor with varying number of loop turn)를 나타낸 도면이다.
NFC의 인식거리 확장을 위해 일반적인 NFC 안테나의 turn 수를 늘려서 인덕턴스를 높일 수 있지만, 특정 turn 수 이상에서는 저항성분이 기하급수적으로 증가하여 안테나의 Q-factor가 작아지게 된다. 이로 인해 NFC 안테나에 형성되는 자기장의 크기가 오히려 줄어들게 되는 현상이 발생한다. 따라서 일반적인 NFC 안테나를 설계하는데 있어서 인덕턴스 성분 값과 저항 성분 값을 조절하여 최적의 Q-factor 값을 도출하는 것이 주요한 요소이다.
3. 스마트폰 후면의 메탈 케이스와 NFC
스마트폰과 터치 스크린 단말기 제조업체 경쟁사들은 그동안 스마트폰의 케이스에 플라스틱 재질을 사용하였지만, 최근 전략적인 신제품 디자인에 메탈 케이스를 구비하는 스마트폰(Smart phone applying the metallic case)으로 그 트렌드가 바뀌는 추세이다.
그러나, 스마트폰의 후면 케이스에 메탈 케이스를 적용시 NFC 문제는 사용자와 이동통신 단말기 제조업체의 메탈 소재에 대한 선호로 스마트폰의 후면 케이스에 메탈이 놓이게 될 경우, 메탈의 영향으로 그 아래에 설계되어 있는 NFC 안테나에서 생성된 자기장을 차폐하게 되어 NFC가 제대로 동작하지 못하게 되므로 전체적인 시스템에 영향을 미치게 된다. 따라서 이동통신 단말기의 후면 케이스의 영향을 고려한 단말기의 설계가 되어야 하며, 그러한 이유로 메탈 케이스를 적용한 스마트폰은 후면 케이스와 본체가 일체형으로 구현되게 된다. 이는 이동통신 단말기 후면 케이스가 본체와 분리될 경우 단말기의 시스템 특성 값들이 변하기 때문이다.
도 10은 이동통신 단말기 후면에서, 일반적인 NFC 안테나 위에 메탈 케이스(Apply metal case at the conventional NFC antenna)가 놓이게 될 경우, 근거리장에서 NFC 안테나에서 생성된 자기장이 차폐되는 현상과 거리에 따른 H-field 세기를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, NFC 안테나에서 생성된 자기장이 메탈 케이스 밖으로 형성되지 못하여 NFC가 동작하지 못하게 된다.
도 11은 이동통신 단말기의 후면 케이스로, NFC 안테나 상의 금속 덮개(metallic case) 유무에 따른 자계 분포(H-field distribution according to the presence of metallic case)를 나타낸 도면이다.
도 12는 이동통신 단말기의 후면 케이스로, NFC 안테나 상의 금속 덮개 유무에 따른 자계 강도(H-field intensity according to the presence of metal case)를 나타낸 도면이다.
금속 덮개(metallic case)에서 NFC 구현을 위한 기초 연구는, 스마트폰 후면 케이스로써, NFC 안테나 위에 메탈 소재의 케이스가 놓이게 될 경우, 자기장의 차폐로 인해 NFC를 구현하는데 어려움을 가지고 있다. 최근 출시된 메탈 케이스를 적용한 스마트폰은 이를 해결하기 위해 도 13에 도시된 바와 같이 스마트폰의 카메라 부분 이나 로고 부분에 Slit을 추가하여 NFC를 동작시키고 있다.
도 13은 금속 덮개(metallic case)를 적용한 스마트폰의 NFC 안테나 위치(NFC antenna position of smart phone applying the metallic case)를 나타낸 도면이다.
스마트폰의 메탈 케이스 후면 카메라나 로고의 Slit 아래에 일정 간격을 두고 루프 안테나가 설계된다. 이 루프 안테나는 기존 일반적인 NFC 안테나와 같이 페라이트 시트와 함께 FPCB(Flexible PCB)로 설계된다. 동작 원리는 메탈 케이스 아래에 위치한 NFC 안테나에 전류가 인가되어 자기장이 생성되면 그에 따른 Coupling에 의해 Slit에 의한 자기장이 유도된다. 따라서, 메탈 케이스 외부로도 자기장이 형성되어 NFC가 동작할 수 있는 원리이다. 도 14에 에 나타내고 있다.
도 14는 일반적인 NFC 안테나에 슬릿 메탈 케이스 적용(Apply metal case with slit at the conventional NFC antenna)한 도면이다.
이는 NFC 안테나에 흐르는 전류에 의해 Slit을 통한 금속 덮개(메탈 케이스)에서도 전류가 인가되어 자기장이 형성되는 것이다. 이에 대한 전류 메카니즘을 도 15에 나타내고 있다. 도 15는 슬릿을 가지는 금속덮개(메탈 케이스)의 NFC 동작 원리(Principle of NFC operation at the metallic case with slit)을 나타낸 도면이다.
따라서, 스마트폰에서 후면의 NFC 안테나 위에 메탈 케이스가 놓이게 되면 자기장이 차폐되어 동작하지 못하던 NFC 안테나가 Slit을 추가함으로써 제대로 동작할 수 있게 된다. 이에 대한 EM(Electro-magnetic) 툴 시뮬레이션을 통해 비교 분석하였으며 그 결과를 도 16에서 나타내고 있다.
도 16은 금속 덮개(metallic case)의 슬릿 유무에 따른 자계 분포(H-field distribution according to the presence of metal case slit)를 나타낸 도면이다.
도 17은 금속 덮개(metallic case)의 슬릿 유무에 따른 자계 강도(H-field intensity according to the presence of metal case slit)를 나타낸 그래프이다.
그러나, 기존 금속 덮개(metallic case)에 적용한 NFC 연구는 이동통신 단말기 후면 케이스로써, 이동통신 단말기에서 일반적인 NFC 안테나 위에 메탈이 위치하게 될 경우, NFC 안테나에서 발생되는 자기장이 차폐되는 현상을 카메라 부분이나 로고 주변에 추가적인 Slit을 추가하여 그 사이로 자기장이 새어나오게 함으로써 해결하였다. 하지만, 이는 단지 기존 NFC 안테나 위에 금속 덮개(metallic case, 메탈 케이스)의 Slit을 추가한 구조이기 때문에, 여전히 기존 NFC 안테나가 가지고 있던 문제점들을 가지고 있다.
우선, 여전히 페라이트 시트 사용으로 인한 문제이다. 위에서 설명한 바와 같이 NFC 안테나를 구현하는데 있어서 인접한 배터리나 LCD 그라운드, 메인보드 PCB 등에 의한 와전류(Eddy Current)의 발생을 억제하기 위해 페라이트 시트를 사용하게 된다. 그러나, 페라이트 시트를 사용하게 됨으로써 NFC 안테나의 높은 생산 단가와 높이가 증가하는 문제가 발생하게 된다. 기존 연구에서는 여전히 페라이트 시트를 사용함에 따라 이러한 문제를 해결하지 못하고 있다. 두 번째로는 기존 NFC 안테나 성능 대비 낮은 성능 효율을 갖는 것이다. 상기한 바와 같이 금속 덮개(메탈 케이스)가 적용된 이동통신 단말기에서 NFC를 동작시키기 위해 차폐된 자기장을 Slit을 통해 새어나오게 하는 원리로 구현하였다. 하지만, 이는 일부 자기장은 여전히 차폐된 상태에서 일부 자기장만 새어나오게 함으로써 전체적인 NFC 안테나 성능은 기존 NFC 안테나 대비 낮아지는 문제점을 가지고 있다. 마지막으로, 디자인이나 NFC 안테나 설계에 있어서, 이동통신 단말기의 카메라 부분이나 로고 부분의 위치에 종속된다. NFC 안테나는 이동통신 단말기의 카메라 또는 로고 밑에 설계되어야 하며, 이동통신 단말기의 카메라나 로고의 위치 선정시에, NFC 안테나를 고려하여 설계돼야 하는 문제점이 있다. 따라서 후면 케이스에 금속 덮개(metallic case)를 적용한 이동통신 단말기에서 구비하는 기존 NFC 안테나 설계에 있어서 문제가 되던 NFC 안테나의 높이 및 생산 원가를 절감할 수 있는 NFC 안테나에 대한 연구가 필요하며, 고급스러운 이미지를 추구하는 메탈 케이스를 구비한 이동통신 단말기의 특성상 디자인을 고려한 NFC 안테나를 설계해야 한다.
스마트폰 등의 이동통신 단말기에서, 기존 금속 덮개(metallic case)에 적용된 NFC 안테나는 페라이트를 사용하는 점과 높이에 대한 한계를 극복하지 못하였다. 게다가, NFC 안테나에서 생성된 자기장의 일부가 차폐되어 기존 성능 대비 적은 성능 효율이 나타난다.
최근, 얇아지는 이동통신 단말기의 견고성과 디자인의 요구사항으로 금속 덮개를 가지는 이동통신 단말기가 요구되고 있으며, 이러한 요구사항에 대하여 기존의 금속 덮개를 구비하는 이동통신 단말기에 적용되는 NFC 안테나는 단말기 후면 부의 카메라(Camera)나 로고(Logo) 밑면에 일정 간격을 두고 루프 안테나로 설계된 그리고 이동통신 단말기의 후면의 금속 덮개에 의해 차폐된 상황에서 이동통신 단말기의 카메라나 로고 주변에 가는 틈새(Slit)을 추가하여 NFC 시스템에서 통신을 가능하게 하도록 H-field를 발생시켜 사용하였다. 그러나, 이러한 기존 구조에서는 여전히 NFC 시스템의 통신을 가능하게 하는 H-field의 형성과 와전류(Eddy current)를 감쇄하기 위한 페라이트 시트가 필요하였다. 이로 인하여 기존의 NFC 안테나의 설계에 있어서 페라이트 시트를 사용함으로써 높은 생산 단가와 NFC 안테나와 이를 포함하는 이동통신 단말기의 두께를 줄이지 못하는 문제점이 있었다.
특허출원번호 10-2013-0142101
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 스마트폰 등의 이동통신 단말기의 후면 케이스에 금속 덮개(metallic case)에 적용된 이동통신 단말기에서 10cm 이내의 근거리 무선 통신을 위한 13.56MHz NFC 안테나를 금속 덮개(메탈 케이스) 자체를 1 turn 루프 안테나로 사용하며 페라이트 시트를 사용하지 않고 구현하여 NFC 안테나의 높이를 줄이고 페라이트 시트를 사용하지 않음으로써 생산 원가를 절감하는, 금속 덮개에 적용된 이동통신 단말기의 NFC 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 금속 덮개에 적용된 이동통신 단말기의 NFC 안테나는, 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개(metallic case)에 구현된 최대 10cm 거리내에서 13.56 MHz로 동작하기 위한 NFC 안테나의 급전부 및 임피던스매칭 회로; 상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개; 상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개 바로 밑에 구성된 FR4 기판; NFC 안테나가 구현될 부분이며, 송신(Tx) 및 수신(Rx)용 방사체로써 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 하단부; 상기 NFC 안테나가 구현될 부분이며, 수신(Rx)용 방사체로써 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부; 상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부에서 루프 안테나를 구성하는 가는 틈새부; 상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부에서 루프 안테나를 구성하는 굵은 틈새부; 및 상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 상단부에서 루프 안테나의 아래 방향 벽면으로 접히는 부분을 포함하며, 상기 이동통신 단말기의 후면 케이스에 금속 덮개(metallic case) 자체를 13.56 MHz NFC 안테나를 사용하여 1 turn 루프 안테나로 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 NFC 안테나는, 기존 3~4 turn 루프 안테나 구조의 NFC 안테나와 달리, 상기 이동통신 단말기 후면의 일체형 또는 분리형 금속 덮개(metallic case) 자체를 1 turn 루프 안테나 구조의 하나의 NFC 안테나로 동작되는 것을 특징으로 한다.
상기 금속 덮개에 적용된 이동통신 단말기의 NFC 안테나는, 상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 상단 부분, 즉 이동통신 단말기의 Secondary MIMO(Multiple Input Multiple Output) 안테나가 위치해 있는 지역 위의 금속 덮개(metallic case)를 1 turn 루프 안테나로 설계함으로써 NFC 시스템에서 동작이 가능한 13.56 MHz NFC 안테나를 구현되며, ISO 18092에서 요구하는 최저의 H-field의 세기인 1.5 A/m에 대하여 기존의 NFC 안테나와 유사한 인식가능 거리를 가지는 것을 특징으로 한다.
금속 덮개에 적용된 이동통신 단말기의 NFC 안테나는, 상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개 자체에 구현된 NFC 안테나가 적용된 상태에서 Secondary MIMO 안테나의 S11과 전체 효율을 측면에서 상기 Secondary MIMO 안테나가 LTE 5, 6 수신 주파수 대역(869~894 MHz)과 LTE 3, 9 수신 주파수 대역(1840~1880 MHz)에서 VSWR 3:1 이상을 만족하며, 전체 효율을 통해 LTE 3,5,6,9 수신 주파수 대역에서 30% 이상의 효율을 만족하는 것을 특징으로 한다.
금속 덮개에 적용된 이동통신 단말기의 NFC 안테나는, 상기 이동통신 단말기 후면의 일체형 또는 분리형 금속 덮개 자체에 구현된 NFC 안테나에 페라이트 시트를 사용하지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 금속 덮개(metallic case, 메탈 케이스)를 적용한 이동통신 단말기의 NFC 안테나는 스마트폰 등의 이동통신 단말기의 후면 케이스에 금속 덮개(metallic case)에 적용된 13.56MHz NFC 안테나를 금속 덮개(메탈 케이스) 자체를 1 turn 루프 안테나로 사용되는 NFC 안테나를 제공하며, 10cm 이내의 근거리 무선 통신을 위한 NFC 안테나 주변에 인접한 금속체의 영향으로부터 최소화하기 위한 페라이트 시트를 사용하지 않고 구현하여 NFC 안테나의 높이를 줄이고 페라이트 시트를 사용하지 않음으로써 생산 원가를 절감하는 효과가 있다.
이동통신 단말기의 메탈 케이스 후면 상단에 NFC 안테나를 구현하게 되면, 인접한 메탈은 Secondary MIMO 안테나만 존재하게 되어 페라이트 시트를 사용할 필요가 없어지므로 NFC 안테나의 생산 단가를 줄일 수 있고, NFC 안테나의 높이도 함께 줄이게 된다.
도 1은 NFC 시스템의 동작 모드(Operation mode of NFC system)를 나타낸 도면이다.
도 2는 NFC 시스템의 3대 속성(Three properties of NFC system)으로써 카드 에뮬레이션 모드, Reader/Writer 모드, P2P 모드를 나타낸 도면이다.
도 3은 NFC 시스템의 구성(Composition of NFC system)을 나타낸 도면이다.
도 4는 NFC 리더기와 태그의 안테나 사이의 자기장 커플링에 따라 자계 유도성 결합에 의한 NFC 데이터 전송(Transmission of NFC data by magnetic coupling) 방법에 대하여 설명하는 도면이다.
도 5는 배터리 일체형 또는 백케이스 일체형 일반적인 NFC 안테나이다.
도 6은 와 전류와 페라이트 시트(Eddy current and ferrite sheet)를 나타낸 도면이다.
도 7은 페라이트 시트와 NFC 안테나의 두께(Ferrite sheet and thickness of NFC antenna)를 나타낸 도면이다.
도 8은 일반적인 NFC 루프 안테나의 turn 수의 증가에 따른 인덕턴스 성분과 저항 성분의 변화량을 나타낸 도면이다.
도 9는 NFC 안테나의 turn 수 변화에 따른 Q-factor(Q-factor with varying number of loop turn)를 나타낸 도면이다.
도 10은 이동통신 단말기 후면에서, 일반적인 NFC 안테나 위에 메탈 케이스(Apply metal case at the conventional NFC antenna)가 놓이게 될 경우, 근거리장에서 NFC 안테나에서 생성된 자기장이 차폐되는 현상과 거리에 따른 H-field 세기를 나타낸 도면이다.
도 11은 이동통신 단말기의 후면 케이스로, NFC 안테나 상의 금속 덮개(metallic case) 유무에 따른 자계 분포(H-field distribution according to the presence of metal case)를 나타낸 도면이다.
도 12는 이동통신 단말기의 후면 케이스로, NFC 안테나 상의 금속 덮개 유무에 따른 자계 강도(H-field intensity according to the presence of metal case)를 나타낸 도면이다.
도 13은 금속 덮개(metallic case)를 적용한 스마트폰의 NFC 안테나 위치(NFC antenna position of smart phone applying the metallic case)를 나타낸 도면이다.
도 14는 일반적인 NFC 안테나에 슬릿 메탈 케이스 적용(Apply metal case with slit at the conventional NFC antenna)한 도면이다.
도 15는 슬릿을 가지는 금속 덮개(metallic case)의 NFC 동작 원리(Principle of NFC operation at the metallic case with slit)을 나타낸 도면이다.
도 16은 금속 덮개(metallic case)의 슬릿 유무에 따른 자계 분포(H-field distribution according to the presence of metal case slit)를 나타낸 도면이다.
도 17은 금속 덮개(metallic case)의 슬릿 유무에 따른 자계 강도(H-field intensity according to the presence of metal case slit)를 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명에 따른 금속 덮개(metallic case)에 적용된 NFC 안테나 설계 개념도이다.
도 19는 LTE MIMO 스마트폰에서 안테나 배치와 금속 덮개(metallic case)를 적용한 스마트폰에서의 후면 메탈 케이스 구성을 각각 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명에 따른 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개에 구현된 NFC 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
도 21은 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개에 구현된 NFC 안테나 세부 구조를 나타낸 도면이다.
도 22는 제안된 NFC 안테나에서 흐르는 전류 분포를 나타낸 도면이다.
도 23은 본 발명에서 금속 덮개를 1 turn 루프 안테나의 구조와 페라이트 시트를 사용하지 않는 제안된 NFC 안테나와, 배터리 팩에 적용된 4 turn 루프 안테나의 구조와 페라이트 시트를 사용하는 기존 NFC 안테나의 H-field 단면[(a)제안된 안테나, (b)기존 안테나]을 나타낸 도면이다.
도 24는 NFC 안테나의 중심축에서 세로축(z-axis)으로 거리의 변화에 따른 발생하는 H-field의 크기를 나타낸 도면이다.
도 25는 NFC 시스템의 동작 주파수 13.56 MHz에서 금속 덮개 상단에서 루프 안테나의 형태를 구성하는 루프 사이즈 변환 루프 사이즈의 변화에 따른 안테나 성분값(인덕턴스와 저항 그리고 Quality factor값)을 나타낸 도면이다.
도 26은 본 발명에서 제안된 NFC 안테나가 적용되었을 때, Secondary MIMO 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.
도 27은 본 발명에서 제안된 NFC 안테나가 적용되었을 때, Secondary MIMO 안테나의 성능[(a)return loss(S11), (b)전체효율]을 나타낸 도면이다.
도 28은 본 발명에서 제안된 NFC 안테나가 적용되었을 때, Secondary MIMO 안테나의 방사 패턴을 나타낸 도면이다.
도 29는 본 발명의 실시예에 따라 제안된 NFC 안테나가 형성된 이동통신 단말기의 후면 케이스를 금속 덮개가 적용된 예를 나타낸 사진이다.
본 발명의 목적, 특징, 장점들은 첨부한 도면들을 참조하여 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서의 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
도 18은 본 발명에 따른 메탈 케이스 NFC 안테나 설계 개념도이다.
이동통신 단말기의 후면의 기존 금속 덮개(metallic case, 메탈 케이스)에 적용된 NFC 안테나는 페라이트 사용이라는 점과 높이에 대한 한계를 극복하지 못하였다. 게다가, NFC 안테나에서 생성된 자기장의 일부가 차폐되어 기존 성능 대비 적은 성능 효율을 갖게 되었다. 이를 해결하기 위해, 본 발명은 페라이트 시트를 사용하지 않으면서 NFC 안테나의 높이를 줄이는 설계를 제공한다. 도 18에서 보는 바와 같이, 기존 금속 덮개(메탈 케이스)에 적용된 NFC 안테나는 일반적인 NFC 안테나와 그 위에 Slit을 가지는 메탈 케이스로 총 2 Layer를 가지는 안테나로 동작하게 된다. 이에 따라 기존에 문제가 되던 NFC 안테나의 높이 문제를 해결하지 못하게 된다. 또한 기존 메탈 케이스 NFC 안테나는 이동통신 단말기의 카메라 모듈이나 로고 아래에 설계되고 있는데, 이들 주변에는 메인보드 PCB나 배터리 또는 LCD 그라운드가 존재하게 되어 NFC 성능을 감축시키기 때문에 여전히 페라이트 시트를 사용하고 있다. 이로 인해 여전히 생산 단가와 높이의 한계점을 가지고 있다.
본 발명에서 제안하는 NFC 안테나의 개념은 도 18과 같이 이동통신 단말기의 후면 케이스에 금속 덮개(metallic case, 메탈 케이스) 자체를 1 turn 구조의 루프 안테나로 동작하며 페라이트 시트를 사용하지 않는 하나의 NFC 안테나로 동작시켜 1 Layer를 가지는 NFC 안테나를 설계하였다. 이에 따라, 제안된 NFC 안테나는 페라이트 시트를 사용하지 않고 NFC 안테나 높이를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 일부 차폐되는 자기장을 최소화하는 이점이 있다. 이러한 이점이 있지만 금속 덮개(메탈 케이스) 자체에 도 18과 같이 무분별한 Slit을 추가하게 되면, 스마트폰의 디자인의 훼손으로 고급스러움을 추구하는 메탈 케이스 스마트폰의 의도와는 어긋나는 설계가 된다. 이러한 이유로 현재 출시중인 메탈 케이스 스마트폰 역시 최소한의 Slit을 요구하는 상황이며, 본 발명에서 제안하는 NFC 안테나는 1 Layer를 가져가면서 최소한의 Slit을 가지는 구조 도출과 위치 선정을 고려하여 설계해야 한다.
<메탈 케이스 NFC 안테나 위치 및 구조 선정>
상기 메탈 케이스 안테나 설계 개념으로 스마트폰 등의 이동통신 단말기의 메탈 케이스 자체를 하나의 NFC 안테나로 동작시키기 위해, 이동통신 단말기의 후면에 부착되는 NFC 안테나의 위치 선정과 구조 도출이 중요한 설계 요소라 할 수 있다. 이를 위해 우선 이동통신 단말기의 내부 구조를 분석한 후, 이를 바탕으로 최적의 NFC 안테나 설계해야 한다.
도 19는 LTE MIMO 스마트폰에서 안테나 배치와 메탈 케이스를 적용한 스마트폰에서의 후면 메탈 케이스 구성을 각각 나타낸 도면이다. 이동통신 단말기의 안테나 배치를 보면 일반적으로 MIMO secondary 안테나와 primary 안테나가 상단과 하단에 각각 설계된다. 안테나는 주변 금속체의 영향을 받으면 성능이 낮아지기 때문에 이동통신 단말기의 상단과 하단에는 메인보드 PCB와 같은 금속체가 설계되지 않으며, 금속 덮개(메탈 케이스)를 적용한 이동통신 단말기에서도 역시 후면 케이스의 상단과 하단에는 메탈 소재를 사용하지 않고 있다.
또한 Primary 안테나 같은 경우, 3G 통신 대역과 LTE 통신대역의 송신(Tx) 주파수와 수신(Rx) 주파수를 모두 만족하는 안테나 설계가 요구된다. 따라서 Primary 안테나는 넓은 대역폭과 상대적으로 높은 효율의 안테나 성능을 요구하고 있다. 반면에, Secondary 안테나는 LTE 다이버시티 안테나 및 MIMO 안테나로 동작하기 위해 LTE 수신 대역만 만족하면 되므로 좁은 대역폭과 상대적으로 낮은 효율을 요구하고 있다. 이러한 이동통신 단말기의 내부 구조와 메탈 케이스의 후면 메탈 소재를 분석하였을 때, Secondary MIMO 안테나 부분, 즉 이동통신 단말기의 메탈 케이스 후면의 상단을 루프 안테나로 동작시키면, 페라이트 시트를 사용하지 않고도 NFC 안테나를 구현할 수 있는 가장 큰 이점이 있다. 그 이유는 위에서 설명한 바와 같이 페라이트 시트를 사용하는 주된 목적은 NFC 안테나 주변에 인접한 금속체의 영향으로부터 최소화하기 위함이다. 하지만, 이동통신 단말기의 메탈 케이스 후면 상단에 NFC 안테나를 구현하게 되면 인접한 메탈은 Secondary MIMO 안테나만 존재하게 되어 페라이트 시트를 사용할 필요가 없어진다. 이로 인해 NFC 안테나의 생산 단가를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 NFC 안테나의 높이도 함께 줄일 수 있게 된다. 그리고 기존 메탈 케이스를 적용한 스마트폰과는 달리 NFC 안테나가 단말기의 카메라나 로고의 위치에 종속되지 않는 이점을 가져감으로써 기존 연구의 한계점을 극복할 수 있게 된다. 또한 Secondary 안테나는 Primary 안테나에 비해 상대적으로 낮은 성능을 요구하고 있기 때문에 Secondary 안테나 위에 루프 안테나의 구현으로 인한 영향이 미비하다면 NFC 안테나로써 최적의 위치가 될 것이다. 이를 위한 검증을 위해 2 단계에 걸친 검증이 필요하게 된다. 우선 페라이트 시트 없이 Secondary 안테나 위에 설계한 NFC 안테나의 동작여부 확인과 이 설계된 NFC 안테나로 인해 Secondary MIMO 안테나의 성능에 대한 검증이 함께 이루어져야 한다.
도 20은 본 발명에 따른 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개(메탈 케이스)에 구현된 NFC 안테나 구조를 나타낸 도면이다. 도 21은 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개(메탈 케이스)에 구현된 NFC 안테나 세부 구조를 나타낸 도면이다.
도 20을 참조하면, 본 발명에 따른 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개에 구현된 NFC 안테나 구조는 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개(metallic case)에 구현된 최대 10cm 거리내에서 13.56 MHz로 동작하기 위한 NFC 안테나의 급전부 및 임피던스매칭 회로(1); 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개(2); 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개 바로 밑에 구성된 FR4 기판(3); NFC 안테나가 구현될 부분이며, 송신(Tx) 및 수신(Rx)용 방사체로써 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개(metallic case)의 금속체로 구성되지 않은 하단부(4); 상기 NFC 안테나가 구현될 부분이며, 수신(Rx)용 방사체로써 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부(5); 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부(5)에서 루프 안테나를 구성하는 가는 틈새부(9 x 0.8 mm2)(6); 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부(5)에서 루프 안테나를 구성하는 굵은 틈새부(46 x 8 mm2)(7); 및 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 상단부(5)에서 루프 안테나의 아래 방향 벽면으로 접히는 부분(66 x 6 mm2)(8)로 구성된다.
도 22는 제안된 NFC 안테나에서 흐르는 전류 분포를 나타낸 도면이다.
본 발명은 금속 덮개(metallic case, 메탈 케이스)를 가지는 이동통신 단말기의 근거리 무선통신을 위한 NFC 안테나에 관한 것이다.
NFC 시스템은 3가지 동작 모드(Read/Write, Card Emulation, Peer to Peer mode)의 경우에서 안테나의 근거리 자기장을 통해 10cm 이내의 근거리 무선통신을 제공한다.
기존의 13.56 MHz에서 동작하는 NFC 안테나는 일반적으로 3~5 turn을 가지는 루프 안테나(loop antenna)로 설계되고, 안테나의 인덕턴스(inductance), 저항(Resistance) 값에 따라 회로 보드(circuit board)에서 13.56 MHz를 위한 주파수 및 임피던스 매칭 회로(Frequency & Impedance matching)를 구비한다. 루프 안테나에 흐르는 전류 벡터(Current Vector)는 Maxwell's equation의 Ampere's law에 의하여 전류 벡터의 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 18092에서 규정되어 있다.
기존의 일반적인 (금속 덮개를 갖지 않는) 이동통신 단말기에 적용되는 NFC 안테나는 이동통신 단말기의 배터리를 구성하는 배터리 팩의 후면 덮개 쪽의 면이나 단말기 후면 덮개의 밑면에 설계된다.
또한, 인접한 금속 성분(배터리, PCB, LCD ground 등)으로 이루어진 이동통신 단말기 내의 구조에서 NFC 안테나에 흐르는 전류 성분을 감쇄하기 위해 발생되는 와전류(Eddy current)의 발생을 저감시키기 위해 금속 성분과 NFC 안테나 사이에 페라이트 시트(Ferrite sheet)를 삽입한다. 하지만, 이러한 페라이트 시트는 생산 단가가 높으며, NFC 안테나와 이를 포함하는 이동통신 단말기의 전체적인 두께를 증가시키는 원인이 된다.
최근, 얇아지는 이동통신 단말기의 견고성과 사용자의 기준에서 세련된 디자인의 요구사항으로 금속 덮개(메탈 케이스)를 가지는 이동통신 단말기가 요구되고 있다. 이러한 요구사항에 대하여 기존의 금속 덮개를 적용하는 이동통신 단말기에 적용되는 NFC 안테나는 이동통신 단말기의 후면 부의 카메라(Camera)나 로고(Logo) 밑면에 일정 간격을 두고 루프 안테나로 설계된다. 그리고, 금속 덮개(메탈 케이스)에 의해 차폐된 상황에서 이동통신 단말기의 카메라나 로고 주변에 가는 틈새(Slit)을 추가하여 NFC 시스템에서 통신을 가능하게 하기 위해 H-field를 발생시킨다. 이러한 기존 구조에서는 여전히 NFC 시스템의 통신을 가능하게 하는 H-field의 형성과 와전류를 감쇄하기 위한 페라이트 시트가 필요하게 된다. 이로 인하여 기존의 NFC 안테나의 설계에 있어서 문제가 되던 높은 생산 단가와 NFC 안테나와 이를 포함하는 이동통신 단말기의 두께의 절감의 문제가 있었다.
본 발명에서 제안된 NFC 안테나는 금속 덮개 자체가 하나의 1 turn 루프 구조를 가지는 NFC 안테나로 동작한다.
상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 상단 부분, 금속 덮개의 상단 부분, 즉 이동통신 단말기의 Secondary MIMO(Multiple Input Multiple Output) 안테나가 위치해 있는 지역 위의 금속 덮개(metallic case)를 1 turn 루프 안테나로 설계함으로써 NFC 시스템에서 동작이 가능한 13.56 MHz NFC 안테나를 구현한다.
도 22는 제안된 NFC 안테나에서 13.56 MHz에 대하여 임피던스 매칭된 경우의 1 turn 루프 안테나로 설계된 금속 덮개에 흐르는 전류 분포를 EM 툴 시뮬레이션 프로그램(HFSS)을 통해 확인한 결과이다. 이동통신 단말기의 후면에서 1 turn 루프 안테나의 형태를 가지는 금속 덮개의 상단 부분에 전류 분포가 집중되면서 금속 덮개 자체가 1 turn 루프 안테나로 동작하는 것을 볼 수 있다. 또한 금속 덮개의 상단 부분에 집중된 전류 분포를 통해 이동통신 단말기를 사용시에 손가락으로 단말기를 집는 파지하는 위치와 이격됨으로써 사용자의 손과 같은 인체의 영향에 따른 성능의 저하의 경우를 방지하는 특징을 가진다. 제안된 NFC 안테나에 발생되는 도 22에 도시된 바와 같은 전류 분포를 통하여 NFC 시스템이 통신하기 위한 H-field가 형성된다.
도 23은 본 발명에서 이동통신 단말기의 후면의 금속 덮개 자체를 1 turn 루프 안테나의 구조와 페라이트 시트를 사용하지 않는 제안된 NFC 안테나와 배터리 팩에 적용된 4 turn 루프 안테나의 구조와 페라이트 시트를 사용하는 기존 NFC 안테나의 H-field 단면[(a)제안된 안테나, (b)기존 안테나]을 나타낸 도면이다.
(a)의 제안된 NFC 안테나는 상단 부분에 1 turn 루프 구조를 가지는 금속 덮개(metallic case)와 본체(PCB)가 결합된 형태로 페라이트의 시트 없이 사용 없이 구현하였다.
(b)의 기존 NFC 안테나는 이동통신 단말기의 배터리 일체형으로써 루프 안테나와 배터리 사이에 페라이트 시트를 사용하여 구현하였다. 그림에서 볼 수 있듯이, 제안된 NFC 안테나가 페라이트 시트 사용 없이 구현되었지만, 페라이트 시트를 사용한 기존의 NFC 안테나와 유사한 H-field 세기를 나타내는 것을 볼 수 있다.
또한, (a)의 제안된 안테나는 (b)의 경우와 달리 H-field가 발생되도록 제안된 위치에 금속 성분의 구조가 존재하지 않음을 통해 비교적 균일하게 H-field가 분포됨을 볼 수 있다
도 24는 NFC 안테나의 중심축에서 세로축(z-axis)으로 거리의 변화에 따른 발생하는 H-field의 크기를 나타낸 도면이다. 제안된 NFC 안테나는 ISO 18092에서 요구하는 최저의 H-field의 세기인 1.5 A/m에 대하여 거리적으로 기존의 NFC 안테나와 유사한 인식가능 거리를 가지는 것을 볼 수 있다.
도 25는 NFC 시스템의 13.56 MHz 동작 주파수에서 금속 덮개 상단에서 루프 안테나의 형태를 구성하는 루프 사이즈 변환 루프 사이즈의 변화에 따른 안테나 성분값(인덕턴스와 저항 그리고 Quality factor값)을 나타낸 도면이다.
(a)의 인덕턴스와 저항 값으로부터 (b)의 Quality factor값(Q=wL/R)을 구하게 된다. 이때 너무 높은 Quality factor 값은 NFC 시스템의 오류를 발생시키게 되므로 일반적으로 40 이하의 값을 요구한다. 따라서 제안된 NFC 안테나는 40 이하에서 최대의 Quality factor 값을 갖는 루프 사이즈로 설계되었다. 또한, 이러한 인덕턴스, 저항, Quality factor의 관계에 대하여 금속 덮개에 설계되는 NFC 안테나의 루프 안테나의 크기는 변화가 가능하다
도 26은 본 발명에서 제안된 NFC 안테나가 적용되었을 때, Secondary MIMO 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.
일반적으로 안테나 위에 금속 덮개와 같은 금속의 구조가 위치하게 될 경우, Secondary MIMO 안테나와 같은 기존 안테나의 성능이 변하게 된다. 도 26에 도시된 바와 같이 제안된 NFC 안테나가 적용된 상황에서 Secondary MIMO 안테나 설계를 통해 Secondary MIMO antenna의 성능을 검증한 결과는 도 27에 나타냈다.
도 27은 본 발명에서 제안된 NFC 안테나가 적용되었을 때, Secondary MIMO 안테나의 성능[(a)return loss(S11), (b)전체효율]을 나타낸 도면이다.
도 27은 제안된 금속 덮개를 이용한 NFC 안테나가 적용된 상태에서 Secondary MIMO 안테나의 S11과 전체 효율을 나타낸다. (a)의 S11에서 볼 수 있듯이 Secondary MIMO 안테나가 LTE 5, 6 수신 주파수 대역(869~894 MHz)과 LTE 3, 9 수신 주파수 대역(1840~1880 MHz)에서 VSWR 3:1 이상을 만족하는 것을 볼 수 있다. (b)의 전체 효율을 통해 LTE 3,5,6,9 수신 주파수 대역에서 30% 이상의 효율을 만족하는 것을 볼 수 있다
도 28은 본 발명에서 제안된 NFC 안테나가 적용되었을 때, Secondary MIMO 안테나의 방사 패턴을 나타낸 도면이다. 도 28은 제안된 NFC 안테나가 적용된 상태에서 Secondary MIMO 안테나의 800 MHz에서 정규화된 방사 패턴을 나타낸다. 일반적으로 MIMO 안테나들 Primary MIMO 안테나와 Secondary MIMO 안테나 사이의 상관도 개선을 위해 기울어진 형태의 Secondary MIMO 안테나의 방사패턴이 요구된다. Secondary MIMO 안테나가 MIMO 안테나 간의 상관도를 고려하여 대각선으로 기울어진 형태의 방사 패턴을 가지는 것을 볼 수 있다. 이러한 도 27과 도 28의 결과를 통하여 금속 덮개를 이용한 NFC 안테나가 존재하는 경우에도 Secondary MIMO 안테나가 동작할 수 있음을 증명하였다
도 29는 본 발명의 실시예에 따라 제안된 NFC 안테나가 형성된 이동통신 단말기의 후면 케이스를 금속 덮개가 적용된 예를 나타낸 사진이다.
실제 상용되는 NFC 시스템은 내장한 이동통신 단말기(스마트폰)의 후면 케이스를 금속 덮개로 대체한 예이다. 기존의 Polycarbonate 재질의 후면 덮개에 동테이프를 덮어 실제 이동통신 단말기에 적용하였다. 실제 양산을 위한 이동통신 단말기에서는 설계 구조상의 특징에 따라 전기전도성을 가지는 금속체로 금속 덮개(메탈 케이스)를 대체가 가능하다. 기존의 배터리에 내장된 NFC 안테나의 형태를 가지는 시스템을 이용하여 실제 제안한 안테나의 NFC 성능을 검토하였다. 도 29에 도시된 바와 같이, 제안된 구조는 금속 덮개의 상단 부분에 1 turn 루프 안테나의 형태를 가지고 있다.
도 29의 적용의 예로 제작 검증을 위해 제안된 NFC 안테나의 임피던스 매칭을 위해 추출한 인덕턴스, 저항, Quality factor의 값은 표4와 같다.
Inductance
La [nH]		 Resistance
Ra [Ω] 		Quality
factor
Proposed
NFC antenna		 290 0.627 39.4
EM 툴 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 얻어진 인덕턴스와 저항의 값은 실제 적용된 이동통신 단말기의 후면 케이스의 차이(FR4와 Polycarbonate)에 의해 다른 값을 가지지만 요구되는 40 이하의 Quality factor의 값을 가진다. 표4의 값에 대하여 이동통신 단말기 내부에 Capacitors를 이용하여 NFC 시스템의 동작주파수인 13.56 MHz에 대한 임피던스 매칭을 통해 제안된 NFC 안테나가 NFC 시스템의 각각의 모드에서 동작이 가능하도록 한다.
도 29와 같이 적용된 금속 덮개를 이용한 NFC 안테나를 NFC 시스템의 성능지표에 대하여 검증을 하였다. 태그를 인식하는 Reader 또는 Writer로 동작하는 Reader/Writer mode의 경우에 대한 기준 태그 중의 하나인 Milare 1k에 대하여 43mm의 인식거리를 확보하였다. 또한, Reader에 대하여 태그로서 동작하는 Card emulation mode(예: 지하철 카드, 교통카드, 지불결제용 카드)의 경우의 표준규격의 하나인 EMV test의 load modulation값을 각각의 측정위치에서 측정을 하였고, 표 5에서 확인 가능한 모든 위치에서 기준 이상의 성능을 확보하였다. 표 5는 제안된 NFC 안테나의 측정 결과이다.
Figure 112014006886513-pat00001
이를 통하여 실제로 시스템에 적용되는 경우에서도 본 발명에서 제안된 금속 덮개를 이용한 NFC 안테나가 동작이 가능하다.
결과적으로, 기존의 이동통신 단말기에 일반적인 금속 덮개(Metallic case)가 적용되면 NFC 안테나에서 생성된 자기장이 차폐되어 NFC 시스템이 동작하지 못하는 문제가 발생하는 해결하기 위해 기존의 금속 덮개(메탈 케이스)를 적용한 이동통신 단말기에서는 금속 덮개의 카메라나 로고 부분에 가는 틈새(Slit)을 추가하여 NFC 안테나를 구현하였지만 여전히 페라이트 시트를 사용함으로써 NFC 안테나의 고비용 생산 단가와 높이에 대한 문제점이 있었다.
본 발명에서 제안된 NFC 안테나는 기존의 금속 덮개(메탈 케이스)가 적용된 이동통신 단말기의 NFC 안테나와 다르게 금속 덮개 자체를 1 turn 루프 안테나 구조의 하나의 NFC 안테나로 동작하도록 하였다. 또한, 인접한 금속체가 상대적으로 적은 금속 덮개의 상단부에 NFC 안테나를 구현하여 페라이트 시트의 사용없이 구현하였다. 또한, NFC 시스템을 구비하는 상용 단말기를 통하여 본 발명에서 제안된 NFC 안테나의 성능을 검토하여 적용가능한 결과를 보였다.
본 발명은 금속 덮개(메탈 케이스)가 적용된 이동통신 단말기에서 기존 동등 이상의 성능 가지는 NFC 시스템을 구현 가능한 장점이 있다. 또한, 기존의 NFC 안테나를 적용하는데 있어서 문제가 되던 페라이트 시트를 사용하기 때문에 발셍하는 높은 생산 단가와 NFC 안테나의 두께의 문제를 페라이트 시트를 사용하지 않음으로써 해결할 수 있다. 또한, 이동통신 단말기의 금속 덮개 자체가 단순한 형태의 루프 구조를 가짐으로써 금속 덮개의 디자인을 크게 훼손하지 않으면서 NFC 안테나의 구현이 가능하였다.
본 발명에서 제안된 금속 덮개를 이용한 NFC 안테나는 고정된 크기가 아닌 이동통신 단말기의 구조적인 특징에 따라 변화되는 크기와 적용되는 위치는 이동통신 단말기의 다른 안테나의 위치에 따라 제한되지 않는 특징이 있다.
본 발명에서 제안된 금속 덮개를 이용한 NFC 안테나는 기존 이동통신 단말기가 필요로 하는 MIMO 안테나를 포함한 통신대역 안테나가 금속 덮개를 가지는 단말기에서 함께 적용되어 질 때, 전자기적으로 서로 영향을 분석하고 이를 통해 모든 안테나가 동작 가능하도록 한다
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: 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개(metallic case)에 구현된 안테나의 급전부 및 임피던스매칭 회로
2: 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개
3: 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개 바로 밑에 구성된 FR4 기판
4: NFC 안테나가 구현될 부분이며, 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 하단부
5: NFC 안테나가 구현될 부분이며, 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부
6: 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부에서 루프 안테나를 구성하는 가는 틈새부(9 x 0.8 mm2)
7: 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부에서 루프 안테나를 구성하는 굵은 틈새부(46 x 8 mm2)
8: 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 상단부(5)에서 루프 안테나의 아래 방향 벽면으로 접히는 부분

Claims (5)

  1. 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개(metallic case)에 구현된 최대 10cm 거리내에서 13.56 MHz로 동작하기 위한 NFC 안테나의 급전부 및 임피던스매칭 회로(1);
    상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개(2);
    상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개(2) 바로 밑에 구성된 FR4 기판(3);
    NFC 안테나가 구현될 부분이며, 송신(Tx) 및 수신(Rx)용 방사체로써 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 하단부(4);
    상기 NFC 안테나가 구현될 부분이며, 수신(Rx)용 방사체로써 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부(5);
    상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부(5)에서 루프 안테나를 구성하는 가는 틈새부(6);
    상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 금속체로 구성되지 않은 상단부(5)에서 루프 안테나를 구성하는 굵은 틈새부(7); 및
    상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 상단부(5)에서 루프 안테나의 아래 방향 벽면으로 접히는 부분(8)을 포함하며,
    상기 이동통신 단말기의 후면 케이스에 금속 덮개(metallic case) 자체를 13.56MHz NFC 안테나를 사용하여 1 turn 루프 안테나로 구현되는 것을 특징으로 하는 금속 덮개에 적용된 이동통신 단말기의 NFC 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 NFC 안테나는
    기존 3~4 turn 루프 안테나 구조의 NFC 안테나와 달리, 상기 이동통신 단말기 후면의 일체형 또는 분리형 금속 덮개(metallic case) 자체를 1 turn 루프 안테나 구조의 하나의 NFC 안테나로 동작되는 것을 특징으로 하는 금속 덮개에 적용된 이동통신 단말기의 NFC 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개의 상단 부분, 즉 이동통신 단말기의 Secondary MIMO(Multiple Input Multiple Output) 안테나가 위치해 있는 지역 위의 금속 덮개(metallic case)를 1 turn 루프 안테나로 설계함으로써 NFC 시스템에서 동작이 가능한 13.56 MHz NFC 안테나를 구현되며, ISO 18092에서 요구하는 최저의 H-field의 세기인 1.5 A/m에 대하여 기존의 NFC 안테나와 유사한 인식가능 거리를 가지는 것을 특징으로 하는 금속 덮개에 적용된 이동통신 단말기의 NFC 안테나.
  4. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동통신 단말기 후면의 금속 덮개 자체에 구현된 NFC 안테나가 적용된 상태에서 Secondary MIMO 안테나의 S11과 전체 효율을 측면에서 상기 Secondary MIMO 안테나가 LTE 5, 6 수신 주파수 대역(869~894 MHz)과 LTE 3, 9 수신 주파수 대역(1840~1880 MHz)에서 VSWR 3:1 이상을 만족하며, 전체 효율을 통해 LTE 3,5,6,9 수신 주파수 대역에서 30% 이상의 효율을 만족하는 것을 특징으로 하는 금속 덮개에 적용된 이동통신 단말기의 NFC 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이동통신 단말기 후면의 일체형 또는 분리형 금속 덮개 자체에 구현된 NFC 안테나에 페라이트 시트를 사용하지 않는 것을 특징으로 하는 금속 덮개에 적용된 이동통신 단말기의 NFC 안테나.
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