KR101505456B1 - 스위칭을 사용한 듀얼모드 ｎｆｃ 안테나 및 ｗｐｔ 안테나의 구조 - Google Patents

스위칭을 사용한 듀얼모드 ｎｆｃ 안테나 및 ｗｐｔ 안테나의 구조 Download PDF

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김병관
위현호
문병귀
윤용현
이현우
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 스위칭을 사용한 듀얼모드 NFC 및 WPT 안테나의 구조에 관한 것이다. 스마트 기기의 배터리팩(1); 근접한 도체에서 발생하는 eddy current를 저감시키는 페라이트 시트(2); 13.56 MHz NFC 안테나(3); NFC 안테나(3)와 연결되는 NFC 보드(4); WPT 송신기를 구비하는 무선 충전기 본체에 근접되면, 무선 충전기 본체로부터 에나멜선이 도포된 구리선에 자기 유도에 의해 유도기전력을 수신받는 WPT 안테나(5); WPT 안테나(5)에 연결되고, 에나멜선이 도포된 구리선에 의해 근접된 무선 충전기 본체로부터 자기 유도에 의해 유도기전력을 수신받아 무선 전력을 충전하는 WPT 모듈(WPT receiver 및 AC/DC 전압 변환 회로/정류/평활회로/과충전보호회로/충전 모듈)을 가지는 WPT 보드(6); 및 WPC의 Qi 규정을 따르는 자기유도형 전력 수신기 측의 이중 공진 회로에서 WPT 안테나가 NFC 모드로 동작시, WPT 안테나가 NFC 안테나의 Booster 역할을 하는 추가적인 커패시터(Cb)와 스위치2를 더 구비하여 삼중 공진하도록 하는 스위칭 회로; 스마트 기기의 후면 케이스에 부착된 NFC 안테나 및 WPT 안테나를 듀얼 모드에서 성능 저하 없이 동작하도록 스위칭 회로를 사용하여 WPT 안테나의 에나멜 선이 도포된 구리 선의 금속 성분이 근거리장에서 주파수 간섭 또는 신호 간섭에 의해 기존 NFC 시스템의 성능을 저하시키지 않는다.

Description

스위칭을 사용한 듀얼모드 ＮＦＣ 안테나 및 ＷＰＴ 안테나의 구조{Structure of switched dual mode NFC/WPT antenna}
본 발명은 스위칭을 사용한 듀얼모드 NFC/WPT 안테나의 구조에 관한 것으로, 특히 이동통신 단말기 등의 스마트 기기의 후면 케이스에 부착된 NFC(Near-Field Communication) 안테나 및 WPT(Wireless Power Transmission) 안테나를 듀얼 모드(NFC 모드, WPT 모드)를 통하여 성능 저하 없이 동작하도록 스위칭 회로를 사용하여 주파수 간섭 또는 신호 간섭에 의한 기존 NFC 시스템의 성능을 저하시키지 않는, 스위칭을 사용한 듀얼모드 NFC/WPT 안테나의 구조에 관한 것이다.
NFC(Near Field Communication)는 13.56 MHz 주파수를 사용하여 10 cm 이내의 거리에서 낮은 전력으로 전자 기기 간의 근거리 무선 통신을 제공하는 비접촉 근거리 무선통신 기술 규격이다.
NFC 시스템은 두 단말기 간의 RF 신호의 전력인가에 따라 능동 모드(Active Mode)와 수동 모드(Passive Mode)로 나뉜다. 능동 모드는 두 단말기 간 통신을 할 때 Initiator와 Target 모두가 각기 RF 신호를 발생하여 통신을 하는 모드를 말하며, 수동 모드는 Target이 RF 전력의 독립적인 발생 없이 Initiator의 전력만을 갖고 통신을 하는 모드를 말한다.
도 1은 휴대 단말기의 NFC의 서비스 모델을 나타낸 사진이다.
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) 혹은 라이터(Writer)로 동작을 하여 NFC의 수동형 태그(Tag)와 통신하는 서비스 모델을 말한다.
두 번째, 카드 모드는 휴대 단말기 외부의 리더 또는 라이터가 휴대 단말기를 태그로 인식시키는 모드이다. 현재 NFC의 가장 대표적인 서비스 모델은 신용카드나 교통카드, 카드 키 등 여러 분야에 사용되고 있다.
세번째, P2P(Peer-to-Peer) 모드는 휴대 단말기 외부에 다른 무선 단말기를NFC 시스템으로 인식시키고 정보를 교환하는 서비스 모델이다. P2P 모드는 대표적인 근거리 통신 규격인 Bluetooth나 Direct WiFi와 같은 근거리 통신 서비스 역할을 한다. 하지만 다른 규정 보다 보완성이 높고 복잡한 페어링 절차가 필요 없기 때문에 상대적으로 속도는 느리지만 기대되는 통신 서비스 모델이다. 상대적으로 느린 데이터 전송 속도가 Bluetooth나 Direct WiFi를 NFC의 P2P 모드와 상호 결합된 형태로 서비스되는 것으로 보완되어 서비스가 진행되고 있다. 예들 들면, 휴대 단말기에 저장되어있는 영화를 가정용 TV를 통하여 시청하고자 할 때, NFC의 P2P 모드를 사용하여 휴대 단말기와 TV를 연결한 후, Direct WiFi로 데이터를 고속으로 전송하여 서비스를 제공할 수 있다.
휴대 단말기의 NFC 시스템의 구성은, 근거리 장의 자계를 형성시키고 RF 신호를 송수신하는 루프 안테나와 EMC 필터를 포함하는 매칭회로, 그리고 NFC IC 칩(Chip)과 USIM 카드로 구성된다. 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 통해 제공한다.
도 2는 자기장 커플링에 의한 NFC 안테나의 데이터 전송(Data transmission of NFC system by magnetic coupling)을 나타내며, 휴대 단말기의 카드 모드의 데이터 전송의 예를 보여준 도면이다.
NFC 시스템의 데이터 전송은 10 cm 이하의 근거리장(Near-field Range)에서 비접촉의 자계의 유도성 결합을 통해 이뤄진다. 따라서 R/W와 태그 간에 일반적으로 루프 타입의 안테나가 설계되며, NFC 루프 안테나는 원거리장(Far-field Range)에서 해석되는 일반적인 루프 안테나와 동작원리와 설계에 대한 접근 방법이 다르게 적용된다.
또한, 최초의 무선 전력 전송을 주장한 사람은 물리학자 테슬라(Tesla, 1856~1943)이며, 대형 테슬라 코일(Tesla coil)을 이용한 송신기에서 무선 전력 수송기를 제작하여 실험하였다. 이후, 2007년 미국의 MIT에서 2 m 거리에서 60W의 전력을 전송할 수 있는 시스템을 공개하여 시연하면서 전 세계적으로 무선 전력 전송의 관심이 폭증하고 있다.
무선 전력 전송 시스템은 표 1과 같이, 크게 3가지 시스템으로 분류되고, 송수신기가 원거리(Far-field)의 영역에서 동작하여 전자기파에 전력을 전송하는 원거리용 무선 충전 시스템과, 근거리(Near-field) 영역에서 자기장의 커플링에 의해 전력이 전송되는 자기 유도형 무선 충전 시스템, 그리고 근거리(Near-field)에서 자기 공명에 의해 전력이 전송되는 자기 공명형 무선 전력 시스템으로 나뉜다.
표 1은 무선 전력 전송 방식과 특성(WPT type and characteristic)을 나타낸다. 무선 전력 전송 컨소시엄은 WPC(Wireless Power Consortium)과 A4WP(Alliance for Wireless Power)로 나뉜다.
원거리 전송 방식 자기 유도형 방식 자기 공명형 방식
Field Range Far-field Near-field Near-field

응용의 예		 태양광 발전 휴대 단말기 충전 전자 제품 충전

Figure 112014001657525-pat00001
Figure 112014001657525-pat00002
Figure 112014001657525-pat00003
관련 포럼 - WPC A4WP
안테나 특징 -고지향성 출력 안테나 -루프 안테나
-근거리장 안테나		 -공진체를 포함한 루프 안테나
2008년 12월에 설립된 WPC(Wireless Power Consortium)은 Fulton, Philips, Olympus 등 141개의 정규 및 참여 멤버로 구성되며. 국내에서는 LG 전자가 정규 멤버로 가입되어 있고, 현재 가장 표준화가 빠르게 진행되어 사업화가 많이 진행된 상태이며, WPT 수신기가 장착된 100여개 이상의 모바일 제품이 출시되고 있다.
WPC는 Qi 규정을 제정하고 IOT(Initial Operation Test) 규격을 표준화하여 국제 무선 충전 표준을 진행하고, 무선 충전의 인터페이스와 성능 요구 사항, 및 적합성 검사에 관한 인증을 담당하고 있으며, Qi 규정으로부터 WPC가 직접 엄격하게 무선 전력 전송의 방식과 제품을 인증하고 있는데, Qi 인증 마크를 획득한 제품은 충전기 제조사와 상관없이 호환이 가능하다.
< Qi 규정 및 시스템 설계 >
WPC에 의해 인증을 받은 근거리장 무선 전력 시스템에서, 자기장(magnetic field)에 의한 전력의 전송은 변압기(Transformer)로 간단히 모델링 할 수 있다. 일반적인 변압기는 공기 중의 투자율에 비해 매우 높은 투자율을 갖는 물질을 감싸고 있는 코일의 구조를 갖고 있다. 따라서 일반적인 변압기는 높은 투자율의 매질에서 첫 번째 코일에 의해 발생된 자기장이 두 번째 코일로 전달이 된다. 이러한 전력의 전달은 커플링 계수(k)로 표현되며, 측정된 커플링 계수(Coupling Coefficient)는 0에서부터 1의 값을 갖는다. 여기서 커플링 계수는 L11과 L22, 그리고 L12의 3가지 파라미터로 표현된다. L11과 L22는 첫 번째 코일과 두 번째 코일의 자체 인덕턴스이며, L12 는 두 코일간의 상호 인덕턴스이다. 두 코일 사이의 유도성 커플링의 효율성을 측정할 수 있도록 커플링 계수는
Figure 112014001657525-pat00004
로 정의되며, 다음과 같이
Figure 112014001657525-pat00005
표현된다.
도 3은 전통적인 변압기 모델을 나타낸 도면이다.
도 4는 일반적인 변압기의 모델[(a)이상적인 모델, (b)캔디레버 모델]을 나타낸 도면이다.
이상적인 변압기 모델은 도 4(a)와 같이 커플링 되는 인덕터(inductor)를 이용하여 등가화 시킬 수 있다. 인덕터의 전압과 전류의 관계는 식 1과 같이 두 코일의 변압기의 노드 방정식으로 표현할 수 있다. 또한 회로 이론으로부터, 도 4(a)의 변압기의 이상적인 모델은 도 3(b)의 캔티레버 모델(Cantilever Model)과 같이 다시 표현할 수 있다.
Figure 112014001657525-pat00006
여기서 자기장 커플링과 상호 인덕턴스는 누설 인덕턴스(LLeak, Leakage Inductance)와 자화 인덕턴스(LMag, Magnetizing Inductance)로 표현될 수 있다. 이러한 등가화된 모델은 자기장의 물리적인 커플링 현상을 회로이론적으로 표현하게 해 준다. 이상적인 변압기 모델에서, 다음 식 2로부터 변압기 코일의 턴 수 비율(Nc)을 계산할 수 있다.
Figure 112014001657525-pat00007
높은 커플링의 시스템에서는 누설 인덕턴스가 자화 인덕턴스에 비해 낮은 비율을 갖고 있으며, 이는 누설 인덕턴스를 무시할 수 있음을 의미한다. 또한 Qi 시스템에서 연결되는 직렬 공진 캐패시터는 누설 인덕턴스의 영향을 줄여주게 된다. 따라서 첫 번째 코일에서 두 번째 코일로의 전압 이득은 식 3과 같이 근사화시킬 수 있다.
Figure 112014001657525-pat00008
Qi 규정을 따르는 무선 전력 송수신기는 두 개의 물리적으로 분리된 코일로 구성되어 있다. 송신기(Tx)와 수신기(Rx) 두 코일이 공기 중에 서로 근접하여 위치할 때, 도 5과 같이 서로 자기장으로 유도된 변압기 모델로 간략화 시킬 수 있다. 일반적으로 Qi 규정을 따르는 WPC 시스템은 커플링 계수(k)가 0.2~0.7의 값을 가지며, 이는 일반적인 변압기 모델의 커플링 계수인 0.95~0.99의 값 보다 매우 낮다. 이러한 현상은 무선 전력 전송이 변압기의 전력 전송과는 다르게, 자기장이 커플링 되는 매질이 높은 투자율을 갖는 페라이트가 아닌 공기 중에서 전달이기 때문이다. 즉, WPC의 무선 전력 전송 방식은 변압기의 코일에 해당되는 안테나의 설계가 매우 중요하다는 것을 의미한다.
Qi 규정은 Type A와 Type B로 나누어 시스템을 규정하고 있다. Type A는 한 개의 수신기(휴대 단말기)와 송신기에 대한 무선 전력 전송 규정이며, Type B는 다수의 수신기에 대한 송신기와 관련된 규정이다. 본 발명에서는 가장 많이 사용되고 있는 Type A에 한정하여 Qi 규정을 설명하고자 한다.
도 6은 Qi 규정의 Type A의 WPT 시스템의 구성[WPT configuration of Qi-compliant system (Type A)]을 나타내고 있다. WPC 시스템은 송신기(Tx, Base Station)와 수신기(Rx, Power Receiver)로 구성되어 있다. WPT 송신기(WPT transmitter)는 시스템 구성 장치(System Unit)와 전력 변환 장치(Power Conversion Unit) 그리고 통신 및 제어 장치(Communication and Control Unit)으로 구성되고, WPT 수신기(WPT receiver)는 로드(Load)와 전력 수집기(Power Pick-up Unit) 그리고 통신 및 제어 장치(Communication and Control Unit)로 구성된다. Qi 규정에서는 WPT 송신기가 100~205 kHz의 주파수로 5 W (or 3W)의 제한된 전력을 수신기로 전력을 공급하는데, WPT 송신기에서 항상 전력을 공급하고 있는 것이 아니라 낮은 전력으로 WPT 수신기와 통신을 한 다음에 5 W의 전력을 공급하게 된다.
WPT 송신기는 WPT 수신기의 존재와는 별개로 항상 1 MHz의 주파수로 Ping 신호를 발생시킨다. 이때 송신기에 수신기가 근접하여 Ping 신호를 전력 수집기가 수신하고 통신 및 제어 장치가 휴대 단말기의 배터리 상태를 확인하여 충전 필요 여부를 판단한 다음에 다시 WPT 송신기로 Ping 신호를 전송하게 된다. 이렇듯 Ping 신호를 서로 송수신하면서 배터리가 충전이 준비되어 있음을 송신기가 확인하게 되면, WPT 송신기는 100~205 kHz의 주파수로 5 W의 전력을 공급하고, WPT 수신기는 정류회로를 거쳐 배터리로 충전을 시작하게 된다.
도 7은 전력 수신기의 이중 공진 회로(Dual resonant circuit of power receiver)를 나타낸 도면이다.
전력 수신기는 전력이 전송되는 주파수인 100~205 kHz에서도 동작해야 하고, Ping 신호의 주파수인 1 MHz에서도 동작해야 한다. 도 7에 도시된 바와 같이, WPT 수신기의 IC 칩은 캐패시터 Cd를 스위칭(Switching)하는 구성을 갖는다. 이때, Ls는 수신기 코일 안테나 직렬 인덕턴스를 의미하고, 직렬로 연결된 Cs와 병렬로 연결된 Cd로 전력 수신기의 WPC의 동작 주파수를 결정짓는다. 여기서 Cs와 Cd는 식 4와 식 5로부터 계산될 수 있다.
Figure 112014001657525-pat00009
Figure 112014001657525-pat00010
여기서, 식 4의 Ls'는 WPT 송신기에 WPT 수신기가 놓여 있을 환경에서 수신 코일 안테나의 직렬 인덕턴스를 의미하고, Ls는 WPT 송신기가 제거된 환경에서의 수신 코일 안테나의 인덕턴스를 의미한다. 또한, x와 y는 주파수 허용치를 의미하는 값으로, 5 W 전송의 경우에는 x=y=5 %이며, 3 W일 경우에는 10%의 값을 갖는다.
WPC의 Qi 규정에서는 Q-factor를 매우 중요한 파라미터로 규정하고 있다. Qi 규정에서는 식 6으로 표현하고 있으며 Q=77 이상의 값을 갖도록 규정하고 있다.
Figure 112014001657525-pat00011
이는 WPC가 NFC와는 달리 전력 전송을 주목적으로 하고 있기 때문에 높은 Q-factor를 요구하고 있다. 하지만, NFC 시스템과는 다르게 주파수가 상대적으로 낮고 휴대 이동통신 단말기와 같이 제한된 공간에 코일 안테나를 설계해야 한다. 또한 변압기 모델과는 다르게 페라이트(ferrite)를 매질로 하고 있지 않는 공기 중의 매질에서의 무선 전력 전송이기 때문에, WPC의 코일 안테나가 높은 Q-factor를 갖는 것은 쉽지 않다. NFC 시스템의 안테나처럼 이동통신 휴대 단말기의 배터리 또는 메인 보드 PCB에 대한 Eddy Current의 문제를 해결하기 위해, 높은 투자율의 페라이트 소재가 WPC에서도 사용된다. 따라서, WPC의 코일 안테나는 페라이트 소재에 영향을 받아 투자율을 보상할 수는 있지만, 77 이상의 Q-factor를 만족시키기에는 제한이 있다.
또한, 국제적인 무선 전력 전송 산업을 위해 통신업계 선도 업체들과 스마트기기 무선충전 연합인 A4WP(Alliance for Wireless Power)를 설립되엇으며,. A4WP는 2012년 5월에 삼성전자를 비롯 퀄컴, 통신사업자 SK텔레콤, 독일 자동차 협력업체 페이커 어쿠스틱(Peiker Acustic), 미국 모바일 액세서리 업체 에버 윈(Ever Win International), 가구 업체 길 인더스트리(Gill Industries), 이스라엘 무선 충전 솔루션 업체 파워매트(Powermat) 등 20여 개의 회원사를 보유하고 있다. A4WP에서 추진하는 무선 충전 방식은 2007년 MIT에서 제안하고 시연한 자기 공진방식의 충전 방식을 채택하고 있으며, 이동통신 단말기가 충전 패드에서 소정 거리 떨어져 있어도 충전이 가능하고, 여러 대의 단말기를 동시에 충전할 수 있다는 특징이 있다. 예를 들면, 무선 전력 전송 시스템은 무선 충전 시스템으로 응용될 수 있으며, 이동통신 단말기, 스마트폰 등의 스마트기기의 무전 충전의 이슈는 WPC와 A4WP 사이의 연구 개발되는 제품의 IC 칩의 충전효율에 따라 개발 회사마다 시장 경쟁력이 있을 것으로 예측된다.
최근, 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transmission)은 이동통신 단말기를 포함하여 개인이 휴대하는 스마트 전자기기(예: 스마트폰)에 장착되어 사용된다.
그러나, 무선 충전 시스템(WPT 시스템)은 휴대용 이동통신 단말기에 장착되는 다른 장비(예를 들면, NFC 시스템)와의 간섭이 가장 큰 문제점으로 대두되고 있다. 특히 NFC 시스템의 경우, WPT 안테나가 놓이는 위치와 겹치게 되며, 또한 근거리장의 자기장(magnetic field)을 이용하는 점에서 서로 간섭이 문제가 된다. 또한, 신호의 간섭을 신호의 노이즈 관점에서 본다면, NFC 시스템이 WPT 시스템에 미치는 영향 보다는 WPT 시스템이 NFC 시스템의 동작에 미치는 영향이 크다.
전기기적 원리의 측면에서, 자기장을 통해 동작하는 근거리무선통신(NFC) 시스템과 자기유도형 무선전력전송(WPT) 시스템이 서로 근접하여 위치하였을 때, 근접한 금속체의 영향에 의해 크게 성능이 저하되는 NFC 시스템의 문제점이 있다. 무선전력전송(WPT) 수신기들은 액세서리(Accessory) 타입의 모델로 주로 공급되고, 자체적으로 두꺼운 페라이트 시트를 내장하며, 휴대폰 후면 케이스의 배터리 부분 근처에 위치하며, 이동통신 단말기의 시스템의 성능을 저하시키는 문제점이 있었다. 기존의 일반적인 WPT 안테나는 이동통신 단말기에 적용될 때, 현재 많은 이동통신 단말기들(스마트폰)이 제공하는 NFC 시스템을 위한 NFC 안테나의 위치와 거의 동일한 위치에 적용됨으로써 NFC 시스템이 성능이 크게 저하되는 문제가 있었다.
특허출원번호 10-2013-0142101
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 이동통신 단말기 등의 스마트 기기의 후면 케이스에 부착된 NFC 안테나 및 WPT 안테나를 구비한 각각의 시스템을 듀얼 모드(NFC 모드, WPT 모드)로 동작하도록 스위칭 회로를 사용하여 주파수 간섭 또는 신호 간섭에 의해 기존 NFC 시스템의 성능을 저하시키지 않고 동작하도록 WPC의 자기유도형 전력 수신기 측의 이중 공진 회로에서 추가적인 커패시터(Cb)와 스위치(swith1, switch2)를 통한 듀얼 모드 NFC 안테나 및 WPT 안테나를 동작시켜, 기존의 WPT 시스템이 동작하기 위한 전력 수신기의 회로에서 Cb와 Switch 2를 추가적으로 삽입하여 NFC 모드와 WPT 모드의 이중 모드로 동작하도록 하는, 스위칭을 사용한 듀얼모드를 가지는 NFC 안테나 및 WPT 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 스위칭을 사용한 듀얼모드 NFC 및 WPT 안테나의 구조는, 스마트 기기의 배터리팩(1); 근접한 도체에서 발생하는 eddy current를 저감시키는 페라이트 시트(2); 13.56 MHz NFC 안테나(3); 상기 NFC 안테나(3)와 연결되고, NFC 시스템의 모듈을 가지는 NFC 보드(4); WPT 송신기(WPT transmitter)를 구비하는 무선 충전기 본체에 근접되면, 상기 무선 충전기 본체로부터 에나멜선이 도포된 구리선에 자기 유도에 의해 형성된 자기장의 유도기전력을 수신받는 WPT 안테나(5); 상기 WPT 안테나(5)에 연결되고, 에나멜선이 도포된 구리선에 의해 근접된 상기 무선 충전기 본체로부터 자기 유도에 의해 형성된 자기장의 유도기전력을 수신받아 무선 전력을 충전하는 WPT 모듈을 가지는 WPT 보드(6); 및 WPC의 Qi 규정을 따르는 자기유도형 전력 수신기(WPT receiver) 측의 이중 공진 회로에서 상기 WPT 안테나(5)가 NFC 모드로 동작시, WPT 전력 수신기의 무선 전력 전송을 위한 이중 공진을 위한 스위치1(Switch 1)과 직렬로 연결되는 스위치로써 상기 WPT 안테나(5)가 NFC 안테나(3)의 부스터(Booster) 역할을 하는 추가적인 커패시터(Cb)와 스위치2(Switch 2)를 더 구비하여 삼중 공진하도록 하는 스위칭 회로;를 포함하고,
상기 WPT 안테나(5)가 NFC 모드로 동작시, 상기 WPT 시스템의 이중 공진을 위한 회로의 커패시터 Cd와 직렬로 연결되는 상기 WPT 안테나(5)가 NFC 안테나(3)의 부스터(Booster) 역할을 하는 커패시터(Cb)(7)를 구비하며,
상기 스마트 기기의 후면 케이스에 부착된 상기 NFC 안테나(3) 및 상기 WPT 안테나(5)를 듀얼 모드(NFC 모드, WPT 모드) 성능 저하 없이 동작하도록 상기 스위칭 회로를 사용하여 상기 WPT 안테나(5)의 에나멜 선이 도포된 구리 선의 금속 성분이 근거리장에서 주파수 간섭 또는 신호 간섭에 의해 기존 NFC 시스템의 성능을 저하시키지 않으며,
상기 스위칭 회로는, 상기 NFC 모드, 상기 WPT 모드의 듀얼 모드에서, 스위치1 ON, 스위치2 OFF 되면, NFC 모드로 동작하여 상기 13.56MHz NFC 안테나(3)를 통해 NFC Tag/Reader가 동작되고,
상기 스위칭 회로는, 상기 NFC 모드, 상기 WPT 모드의 듀얼 모드에서, 스위치1 OFF, 스위치2 OFF (open) 되면, WPT 모드로 동작하여 WPT 송신기(WPT transmitter)를 구비하는 무선 충전기 본체로부터 WPT 안테나(5)를 통해 자기 유도에 의해 형성된 자기장의 유도기전력을 수신받는 WPT 수신기를 구비하는 WPT 보드를 구동하여 무선으로 전력을 전달받아 무선 충전 기능을 실행하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭 회로는 상기 WPT 모드로 동작시, 무선 전력 수신용 커패시터 Cs 및 Cd를 통해 기본적인 WPT 시스템의 이중 공진(무선 전력 전송[100kHz 또는 120kHz], WPT 시스템에 무선 전력 전송 가능 여부를 확인하는 Ping Signal[1 MHz])을 위한 회로의 커패시터(Cs 및 Cd)(8); WPT 모드시, Ping 신호를 생성하고 상기 무선 충전기 본체(WPT transmitter)로부터 유도기전력을 수신받아 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 무선 전력을 수신하는 WPT Rx Chip(9); 상기 WPT 전력 수신기의 이중 공진(무선 전력 전송[100kHz 또는 120kHz], Ping Signal[1 MHz])을 위한 스위치1(10); 상기 WPT 안테나(5)가 NFC 모드로 동작시, 상기 WPT 시스템의 이중 공진을 위한 회로의 커패시터 Cd와 직렬로 연결되며 상기 WPT 안테나(5)가 NFC 안테나(3)의 부스터(Booster) 역할을 하는 커패시터(Cb)(7); 및 상기 WPT 안테나(5)가 스위칭을 통해 Cb와 함께 연결되어 삼중 공진을 위한 스위치2(11);를 포함하며,
상기 커패시터(Cb)는 상기 WPT 안테나가 NFC 모드로 동작될 때, 스위치2(Switch2)의 스위칭을 통하여 NFC 안테나의 Booster 역할을 하도록 WPT 안테나를 RLC 병렬 공진을 통해 동작시키기 위한 커패시터 인 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭 회로는, 상기 NFC 모드, 상기 WPT 모드의 듀얼 모드에서, 스위치1 ON, 스위치2 OFF 되면, NFC 모드로 동작하여 13.56MHz NFC 안테나를 통해 NFC Tag/Reader가 동작되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭 회로는, 상기 NFC 모드, 상기 WPT 모드의 상기 듀얼 모드에서, 스위치1 ON, 스위치2 ON (short) 되면, WPT 모드의 초기 상태로써 1 MHz ping signal을 전송하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭 회로는, 상기 NFC 모드, 상기 WPT 모드의 듀얼 모드에서, 스위치1 OFF, 스위치2 OFF (open) 되면, WPT 모드로 동작하여 WPT 송신기(WPT transmitter)를 구비하는 무선 충전기 본체로부터 WPT 안테나(5)를 통해 자기 유도에 의해 형성된 자기장의 유도기전력을 수신받는 WPT 수신기를 구비하는 WPT 보드를 구동하여 무선으로 전력을 전달받아 무선 충전 기능을 실행하는 것을 특징으로 한다.
상기 WPT 보드(6)는 상기 무선 충전기 본체에 WPT 송신기(WTP Transmitter)를 구비하고, 상기 스마트 기기의 후면 케이스에 자기 유도형 무선 전력 방식으로 자기 유도에 의한 유도기전력에 의해 무선 전력을 수신하는 WPT 안테나(3)와 연결된 WPT 보드(6)이며, 상기 WPT 보드(6)는 WPT 수신기(WPT receiver) 및 AC/DC 전압 변환 회로/정류/평활회로/과충전보호회로/충전 모듈을 구비하는 WPT 모듈을 포함한다.
상기 NFC 안테나 및 상기 WPT 안테나는 이동통신 단말기로 제한하지 않고, NFC 시스템과 WPT 시스템이 적용되는 어떠한 기기와 위치에서도 적용이 가능하고, 상기 NFC 안테나는 외부 사격형 구조 만으로 형성되거나 또는 외부 사각형 구조와 내부 마름모 구조로 적용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스위칭을 사용한 듀얼모드 NFC 및 WPT 안테나의 구조는 이동통신 단말기, 스마트폰 등의 스마트 기기의 후면 케이스에 부착된 NFC 안테나 및 WPT 안테나를 구비한 각각의 시스템을 듀얼 모드(NFC 모드, WPT 모드)로 동작하도록 스위칭 회로를 사용하여 기존 NFC 시스템의 성능을 저하시키지 않고 동작하도록 WPC의 자기유도형 전력 수신기 측의 이중 공진 회로에서 추가적인 커패시터(Cb)와 스위치(swith1, switch2)를 통한 이중 모드 NFC 및 WPT 안테나를 제공하며, 기존의 WPT 시스템이 동작하기 위한 전력 수신기의 회로에서 Cb와 Switch 2를 추가적으로 삽입하여 NFC 모드와 WPT 모드의 이중 모드로 동작하도록 하는 효과가 있다.
본 발명에서 제안된 듀얼모드 NFC/WPT 안테나는 기존의 선행 발명(특허출원 10-2013-0142101)으로 제안된 안테나에 대하여 추가적으로 무선전력전송을 가능하도록 WPT 안테나를 제안하였다. 기존의 NFC 안테나에 액세서리로 부착되어 동작하는 WPT 안테나가 가지는 NFC 시스템의 성능을 저하의 문제를 해결하기 위하여 WPT 안테나가 전력 수신기 내의 회로에서 스위칭 방법을 통하여 삼중 공진을 가지도록 제안하였다. 이를 통하여 이중 모드(NFC 모드, WPT 모드)의 경우 중에서 NFC 모드의 상황에서 WPT 안테나는 삼중공진을 통한 NFC 안테나의 Booster로 동작하는 특징을 가진다. 이와 다른 WPT 모드에서는 기존의 NFC 안테나가 위치할 지라도 성능의 저하가 없는 특징이 있다.
실제 적용되는 경우, 기존의 일반적인 WPT 안테나는 이동통신 단말기에 적용될 때, 현재 많은 이동통신 단말기에 적용된 NFC 시스템을 위한 NFC 안테나의 위치와 거의 동일한 위치에 적용됨으로써 NFC 시스템이 성능이 크게 저하되는 문제가 있었다. 하지만 제안된 발명의 개념을 통하여 기존의 NFC 안테나를 유지하고 새롭게 부착되는 WPT 안테나와 제안된 스위칭 방법을 만족하는 회로를 가진 모듈을 통하여 기존 NFC 시스템의 성능을 저하시키지 않고 적용이 가능하다.
본 발명의 스위칭 방법을 이용한 듀얼모드 NFC/WPT 안테나는 이동통신 단말기로 제한하지 않고, NFC 시스템과 WPT 시스템이 적용되는 어떠한 기기에서도 적용이 가능하다
전기기적 원리의 측면에서, 자기장을 통해 동작하는 근거리 무선통신(NFC) 시스템과 자기유도형 무선전력전송(WPT) 시스템이 서로 근접하여 위치하였을 때, 근접한 금속체의 영향으로 인해 크게 성능이 저하되는 NFC 시스템의 문제를 해결하기 위해 근접한 WPT 안테나를 스위칭회로를 사용하여 삼중 공진을 발생시킴으로써 기존의 NFC 시스템과 새롭게 적용하고자 하는 시스템이 서로 간의 큰 성능의 저하가 없이 전자기적으로 병행되어 동작하도록 하였다.
도 1은 휴대 단말기의 NFC의 서비스 모델을 나타낸 사진이다.
도 2는 자기장 커플링에 의한 NFC 안테나의 데이터 전송(Data transmission of NFC system by magnetic coupling )을 나타낸 도면이다.
도 3은 전통적인 변압기 모델을 나타낸 도면이다.
도 4는 일반적인 변압기의 모델[(a)이상적인 모델, (b)캔디레버 모델]을 나타낸 도면이다.
도 5는 공기 중에서 유도되는 변압기의 간략화된 모델을 나타낸 도면이다.
도 6은 Qi 규정의 Type A의 WPT 시스템의 구성[WPT configuration of Qi-compliant system (Type A)]을 나타내고 있다.
도 7은 전력 수신기의 이중 공진 회로(Dual resonant circuit of power receiver)를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 듀얼 모드 NFC/WPT 안테나의 구조의 층 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 스위칭을 사용한 듀얼 모드 NFC 및 WPT 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭을 사용한 듀얼 모드 NFC 및 WPT 안테나의 구조 및 스위칭 회로를 나타낸 도면이다.
도 11은 안테나의 커플링 계수(k=0.2 ~0.7)에 따라 공기 중에서 유도되는 변압기의 간략화 모델을 나타낸 도면이다.
도 12는 실제 제안된 듀얼 모드 NFC 안테나 및 WPT 안테나의 형성된 자기장에서 유도기전력에 따른 무선 충전을 위한 WPT 안테나의 WPT 코일을 나타낸 사진이다.
도 13은 듀얼 모드 NFC 안테나 및 WPT 안테나(Case 1, Case 2, Case 3, Case 4)를 나타낸 구성도이다.
도 14는 듀얼 모드 NFC 안테나 및 WPT 안테나의 스위칭 회로를 나타낸 도면이다.
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 부여한다. 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 8은 본 발명의 듀얼 모드 NFC/WPT 안테나의 구조의 층 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명은 근거리 무선통신(NFC, Near-Field Communication)을 위한 안테나가 적용될 때, NFC 안테나와 함께 적용 가능한 무선전력전송(WPT, Wireless Power Transmission) 안테나와 이와 관련된 스위칭 회로에 관한 것이다.
기존의 이동통신 단말기에 적용되는 일반적인 상용 안테나는 배터리 팩이나 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 무선 전력 전송은 크게 원거리, 자기유도형, 자기공명형 방식의 3가지로 나뉜다. 현재 국내외적으로 급속도로 확산되는 무선 충전과 관련하여 자기유도형과 자기공명형에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 또한, WPC(Wireless Power Consortium)의 Qi 규정을 만족하는 자기유도형의 무선전력 전송 상용품이 주로 개발되고 있다. WPC 시스템은 크게 송신기(Tx, Base Station)와 수신기(Rx, Power Receiver)로 구성된다. 송신기는 시스템 구성 장치(System Unit)와 전력 변환 장치(Power Concersion unit) 그리고 통신 및 제어 장치(Communication and Control Unit)로 구성되고, 수신기는 로드(Load)와 전력 수집기(Power Pick-up Unit) 그리고 통신 및 제어 장치(Communication and Control Unit)로 구성된다.
자기유도형의 특징을 가지는 WPT 안테나는 자기장에 의한 전력 전송으로 변압기(Transformer)로 간단히 모델링 할 수 있다. 무선 충전기 본체의 WPT 송신기와, WPT 수신기로 구분 가능한 두 개의 코일 구조에서 WPT 송신기 측의 코일이 WPT 수신기 측의 코일로 자기장을 발생시켜 유도기전력을 통해 무선으로 전력을 전달한다. 이러한 무선 전력의 전달은 커플링 계수(k)로 표현되고, 이는 0~1 사이의 값을 가진다. Qi 규정내의 무선 전력 전송은 두 코일 사이에 페라이트 물질을 가지며 동작하는 일반적인 변압기의 경우와는 달리 공기 중에서의 자기장을 통한 전력 전송으로 k=0.2~0.7 정도의 커플링 계수를 가진다.
최근, 무선 충전 시스템 자체의 문제점보다는 휴대용 이동통신 단말기에 장착되는 다른 장비와의 간섭이 가장 큰 문제점으로 대두되고 있다, 특히 NFC 시스템의 경우 일반적으로 WPT 안테나가 놓이는 위치와 겹치게 되며, 또한 근거리장의 자기장(magnetic field)을 이용한다는 점에서 서로 간섭이 문제가 된다.
또한 신호의 간섭을 신호의 노이즈라는 관점에서 본다면, NFC 시스템이 WPT 시스템에 미치는 영향 보다는 WPT가 NFC의 동작에 미치는 영향이 크다. WPT의 수신기들은 액세서리(Accessory) 타입의 모델로 주로 공급되고, 자체적으로 두꺼운 페라이트 시트를 내장하며, 휴대폰의 배터리 부분 근처에 위치한다. 이에 따라 단말기의 시스템의 성능이 저하되는 문제를 가진다. 이에 따라 NFC 안테나와 WPT 안테나가 액세서리 타입이 아닌 함께 적용되어 설계된 단말기도 출시되고 있다.
본 발명에서 제안된 듀얼 모드 NFC/WPT 안테나의 구조에서, NFC 안테나는 배터리 일체형 구조로 상용 휴대 단말기의 배터리 크기 위에 10 ㎛의 접착제와 폴리머 페라이트 시트가 붙어있다. 폴리머 페라이트는 두께가 400 ㎛이며 비투자율은 μr = 55이고 자계 손실 탄젠트(Magnetic Loss Tangent)는 tanσδ = 0.07 인 소재를 사용하였다. 폴리머 페라이트 위에는 다시 10 ㎛의 접착제(ADL)가 붙어 있고, 그 위에 17 ㎛의 구리 (Conductivity, S/m = 5.8x107)가 프린트 되어 있는 비유전율이 εr=3.5인 Polyimide로 구성된 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)가 붙어있다. FPCB에는 기존에 선행 제안된 NFC 안테나[특허출원 10-2013-0142101] 구조가 프린트 되어 있다.
도 9는 본 발명에 따른 스위칭을 사용한 듀얼 모드 NFC 및 WPT 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭을 사용한 듀얼 모드 NFC 및 WPT 안테나의 구조 및 스위칭 회로를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 스위칭을 사용한 듀얼 모드 NFC 및 WPT 안테나의 구조 및 스위칭 회로는 이동통신 단말기의 후면 케이스의 이동통신 단말기의 배터리팩(1); 근접한 도체에서 발생하는 eddy current를 저감시키는 페라이트 시트(2); 외부 사격형 구조 만으로 형성되거나 또는 외부 사각형 구조와 내부 마름모 구조로 형성된 13.56MHz로 동작하기 위한 NFC 안테나(3); 상기 NFC 안테나(3)와 연결되고, NFC 시스템의 모듈을 가지는 NFC 보드(4); WPT 송신기를 구비하는 무선 충전기 본체에 근접되면, 상기 WPT 송신기로부터 에나멜선이 도포된 구리선에 자기 유도에 의해 형성된 자기장의 유도기전력을 수신받는 WPT 안테나(5)(예를 들면, WPT 안테나의 형태: 2-parallel Litz wire type, Wire diameter: 0.23 mm, Wire turns : 17 turns, W1: 15mm, W2: 30mm, H1: 16mmm, H2: 35 mm); 상기 WPT 안테나(5)에 연결되고, 에나멜선이 도포된 구리선에 의해 근접된 무선 충전기 본체(WPT transmitter)로부터 자기 유도에 의해 형성된 자기장의 유도기전력을 수신받아 무선 전력을 충전하는 WPT 모듈(WPT receiver 및 AC/DC 전압 변환 회로/정류/평활회로/과충전보호회로/충전 모듈)을 구비하는 WPT 보드(6); 및 WPC의 Qi 규정을 따르는 자기유도형 전력 수신기(WPT receiver) 측의 이중 공진 회로에서 WPT 안테나가 NFC 모드로 동작시, WPT 전력 수신기의 무선 전력 전송을 위한 이중 공진을 위한 스위치1(Switch 1)과 직렬로 연결되는 스위치로써 WPT 안테나(5)가 NFC 안테나(3)의 부스터(Booster) 역할을 하는 추가적인 커패시터(Cb)와 스위치2(Switch 2)를 더 구비하여 삼중 공진하도록 하는 스위칭 회로;를 포함하고,
상기 WPT 안테나(5)가 NFC 모드로 동작시, 상기 WPT 시스템의 이중 공진을 위한 회로의 커패시터 Cd와 직렬로 연결되는 상기 WPT 안테나(5)가 NFC 안테나(3)의 부스터(Booster) 역할을 하는 커패시터(Cb)(7)를 구비하며,
스마트 기기의 후면 케이스에 부착된 13.56MHz NFC 안테나 및 WPT 안테나를 듀얼 모드(NFC 모드, WPT 모드) 성능 저하 없이 동작하도록 상기 스위칭 회로를 사용하여 WPT 안테나의 에나멜 선이 도포된 구리 선의 금속 성분이 근거리장에서 주파수 간섭 또는 신호 간섭에 의해 기존 NFC 시스템의 성능을 저하시키지 않고 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭 회로는 WPT 모드로 동작시, 무선 전력 수신용 커패시터 Cs 및 Cd를 통해 기본적인 WPT 시스템의 이중 공진(무선 전력 전송[100kHz 또는 120kHz], WPT 시스템에 무선 전력 전송 가능 여부를 확인하는 Ping Signal[1 MHz])을 위한 회로의 커패시터(Cs 및 Cd)(8); WPT 모드시, Ping 신호를 생성하고 상기 무선 충전기 본체(WPT transmitter)로부터 유도기전력을 수신받아 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 무선 전력을 수신하는 WPT Rx Chip(9); WPT 수신기의 이중 공진(무선 전력 전송[100kHz 또는 120kHz], Ping Signal을 위한 스위치1(10); WPT 안테나(5)가 NFC 모드로 동작시, 상기 WPT 시스템의 이중 공진을 위한 회로의 커패시터 Cd와 직렬로 연결되며 WPT 안테나(5)가 NFC 안테나(3)의 부스터(Booster) 역할을 하는 커패시터(Cb)(7); 및 WPT 안테나(5)가 스위칭을 통해 Cb와 함께 연결되어 삼중 공진을 위한 스위치2(11)를 포함하며,
상기 커패시터(Cb)는 상기 WPT 안테나(5)가 NFC 모드로 동작될 때, 스위치2(Switch2)의 스위칭을 통하여 NFC 안테나의 Booster 역할을 하도록 WPT 안테나를 RLC 병렬 공진을 통해 동작시키기 위한 커패시터 인 것을 특징으로 한다.
도 10을 참조하면, 제안된 듀얼 모드 NFC/WPT 안테나의 스위칭 동작을 구현하기 위한 스위칭 회로의 구조가 나타낸다. 휴대폰 배터리에 부착되어 있는 기존의 제안된 NFC 안테나[특허출원 10-2013-0142101]는 시스템에 계속 붙어 있지만, WPT 모드에서는 WPT 안테나(5)가 스위칭 되어 13.56 MHz에 공진할 수 있도록 스위칭 된다. WPC의 Qi에서 규정하고 있는 이중 공진의 스위칭 구조에서는 도 7에 도시된 바와 같이 하나의 스위치(Switch1)만 존재하며, 1 MHz와 100 kHz의 주파수를 스위칭 하지만, 본 발명에서는 WPT 안테나(5)가 부스팅(Boosting) 구조로 동작하기 위해 13.56 MHz까지 삼중 공진의 동작을 해야 하므로, 기존 전력 수신기(WPT receiver)의 스위칭 회로에서 추가적으로 NFC 안테나(3)의 부스터(Booster)로 동작하는 커패시터(Cb)와 스위치2(Switch2)를 더 추가하여 두 개의 스위치(Switch1, Switch2)를 사용하여 삼중 공진을 시킬 수 있다.
예를 들면, 본 발명에서 사용한 WPT 시스템은 자기유도형 무선 전력 시스템을 사용하였으며, 무선 충전기 본체의 WPT 송신기로부터 유도기전력을 통해 근접한 스마트폰의 WPT 보드(WPT receiver 및 AC/DC 전압 변환 회로/정류/평활회로/과충전보호회로/충전 모듈)와 WPT 안테나로 무선으로 전력이 전달되어 무선 전력 충전이 이루어진다.
본 발명의 특징은 기존에 제안된 NFC 안테나[특허출원 10-2013-0142101]와 함께 WPC의 Qi 규정을 따르는 자기유도형 전력 수신기(WPT receiver) 측의 이중 공진 회로에서 추가적인 커패시터(Cb)와 스위치(Switch1, Switch2)를 사용한 듀얼 모드 NFC 및 WPT 안테나에 관한 것이다.
본 발명에서 제안된 WPT 안테나는 2-parallel Lizt wire 타입으로 0.23mm의 두께를 가지는 도선이 17회의 턴 수를 가지고 있다. 또한 기존의 WPT 시스템이 동작하기 위한 WPC의 Qi규정의 전력 수신기(WPT receiver)의 회로에서 Cb와 Switch 2를 추가적으로 삽입하여 주파수 간섭 또는 신호 간섭 없이 NFC 모드와 WPT 모드의 이중 모드로 동작하도록 하였다.
Mode Operation Frequency Switch 1 Switch 2
NFC mode NFC
Tag/Reader		 13.56 MHz ON OFF
WPT mode
 Ping Signal 1 MHz ON ON (short)
Power Transmit 100 kHz OFF OFF (open)
표 2는 스위칭 회로에서 스위치들(Switch1, Switch2)의 ON/OFF 상태의 조합에 따른 NFC와 WPT 모드의 동작을 나타낸다. 각 스위치는 Cs와 Cd 그리고 Cb의 직렬 및 병렬 조합을 변경하여 삼중 공진을 가능하게 한다. 측정을 통한 검증에서 적용된 Cb는 1.8pF의 커패시터가 적용되어 있고, 이 소자는 NFC 안테나와 특히 WPT 안테나의 크기와 페라이트 물질 등에 따라 변동이 가능하다.
상기 스위칭 회로는, 상기 NFC 모드, 상기 WPT 모드의 듀얼 모드에서, 스위치1 ON, 스위치2 OFF 되면, NFC 모드로 동작하여 13.56MHz NFC 안테나를 통해 NFC Tag/Reader가 동작되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭 회로는, 상기 NFC 모드, 상기 WPT 모드의 상기 듀얼 모드에서, 스위치1 ON, 스위치2 ON (short) 되면, WPT 모드의 초기 상태로써 1 MHz ping signal을 전송하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭 회로는, 상기 NFC 모드, 상기 WPT 모드의 듀얼 모드에서, 스위치1 OFF, 스위치2 OFF (open) 되면, WPT 모드로 동작하여 WPT 송신기(WPT transmitter)를 구비하는 무선 충전기 본체로부터 WPT 안테나(5)를 통해 자기 유도에 의해 형성된 자기장의 유도기전력을 수신받는 WPT 수신기를 구비하는 WPT 보드를 구동하여 무선으로 전력을 전달받아 무선 충전 기능을 실행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안된 듀얼 모드 NFC/WPT 안테나의 무선 충전 성능을 검토하기 위해 기존 상용의 WPT 송수신기를 사용하여 검증하였다. 송신기는 IDT 사의 IDT P9035 IC 칩이 내장된 WPT 송신기를 사용하였고, 3.5W의 출력 전력을 갖는다. 또한 수신기는 TI사의 TI bq5103 IC 칩이 내장된 제품을 이용하여 검증하였다. 제안된 WPT 안테나를 검증하기 전의 충전 효율은 47%의 효율을 갖고 있었으며, IC 칩의 정류 효율은 73% 이상이었다. 단 제안된 안테나의 NFC 모드를 측정하기 위해 추가적인 스위치(Switch 2)가 IC 칩에 내장되어야 하지만 아직 IC 칩 사에서는 NFC/WPT 듀얼 모드의 칩을 제공하지 않는다. 따라서 NFC 모드를 측정할 때는 인위적으로 캐패시터를 ON/OFF 하여 측정을 진행하였다.
제안된 듀얼 모드 NFC/WPT 안테나의 WPT 모드에서의 충전 효율은 59%로써 기존 상용 제품 보다 높게 측정이 되었고, 이는 주파수 매칭을 좀 더 세밀하게 접근하여 안테나의 커플링 계수가 높게 설계되었기 때문이라고 판단된다.
도 11은 안테나의 커플링 계수(k=0.2 ~0.7)에 따라 공기 중에서 유도되는 변압기의 간략화 모델을 나타낸 도면이다.
도 12는 실제 제안된 듀얼 모드 NFC 안테나 및 WPT 안테나의 형성된 자기장에서 유도기전력에 따른 무선 충전을 위한 WPT 안테나의 WPT 코일을 나타낸 사진이다.
본 발명에서 제안된 듀얼 모드 NFC 안테나 및 WPT 안테나의 무선 충전 성능을 확인하기 위해 기존 상용의 WPT 송수신기를 사용하여 검증하였다. WPT 송신기는 IDT 사의 IDT P9035 칩이 내장된 WPT 송신기를 사용하였고, 3.5W의 출력 전력을 갖는다. 또한 수신기는 TI 사의 TI bq5103 IC 칩이 내장된 제품을 이용하여 검증하였다. 제안된 안테나에 검증하기 전의 충전 효율은 47%의 효율을 갖고 있었으며, IC 칩의 정류 효율은 73% 이상이었다. 단, 제안된 듀얼 모드 NFC/WPT 안테나의 NFC 모드를 측정하기 위해 추가적인 스위치(Switch2)가 IC 칩에 내장되어야 하지만 아직 IC 칩 사에서는 NFC와 WPT를 위한 이중 모드의 칩을 제공하지 않았다. 따라서 NFC 모드를 측정할 때는 인위적으로 커패시터를 ON/OFF 하여 측정을 진행하였다.
도 13은 듀얼 모드 NFC 안테나 및 WPT 안테나(Case 1, Case 2, Case 3, Case 4)를 나타낸 구성도이다.
Case 1은 NFC 안테나만 존재하는 경우이고, Case 2는 NFC 안테나와 WPT 안테나가 겹쳐서 존재하고, 모두 시스템에 각각 연결되어 있는 경우이다. 또한, Case 3은 WPT 안테나가 시스템에 연결되지 않고 개방(Open)되어 있는 경우이며, Case 4는 개방된 WPT 안테나에 커패시터(Cb)가 연결된 구성을 보여준다.
도 14는 듀얼 모드 NFC 안테나 및 WPT 안테나의 스위칭 회로를 나타낸 도면이다.
도 14 (b)는 제안된 듀얼 모드 안테나의 스위칭 회로의 구조를 나타낸다. 이동통신 단말기에 부착되어 있는 NFC 안테나는 시스템에 계속 부착되어 있지만, WPT 모드에서는 WPT 안테나가 스위칭되어 13.56MHz에 공진할 수 있도록 스위칭된다.
도 14 (a)는 Qi에서 규정하고 있는 이중 공진의 스위칭구조를 보여준다. 도 14 (a)에서는 스위치가 하나만 존재하여 1 MHz와 100 kHz의 주파수를 스위칭하지만, 본 발명에서는 WPT 안테나가 NFC 안테나의 부스팅(Boosting) 구조로 동작하기 위해 13.56 MHz 까지 삼중 공진으로 동작을 해야 한다. 따라서 도 14(b)와 같이 두 개의 스위치를 사용하여 삼중 공진을 만족시킬 수 있다.
도 14(b)의 스위칭 회로를 통해 삼중 공진이 가능하도록 직렬 및 병렬 조합을 만족하는 커패시터(Cs, Cb, Cd)에 대한 값은 다음의 식7에 의해 계산한다.
Figure 112014001657525-pat00012
여기서, fs는 무선 전력 전송 주파수, fd는 ping signal 주파수, fb는 WPT 안테나의 Booster의 동작주파수 이며, Ls는 WPT 안테나의 Self-inductance 값, 무선 전력 수신용 커패시터 Cs 및 Cd는 100 kHz, 1 MHz ping signal의 이중 공진을 위한 RLC 직병렬 구조의 커패시터 회로소자로부터 Cd 값을 계산할 수 있다.
Cb는 WPT 안테나가 NFC 모드로 동작될 때, 스위치2(Switch2)의 스위칭을 통하여 NFC 안테나의 Booster 역할을 하도록 WPT 안테나를 RLC 병렬 공진을 통해 동작시키기 위한 커패시터이다.
Case 1은 기존에 발명된 외각 사각형 구조와 내부 마름모 구조의 NFC 안테나[특허출원번호 10-2013-0142101]를 사용하였고, NFC 안테나의 구조는 직사각형 구조로만 사용이 가능하고, 개발 상황에 따라 변경이 가능하다, Case 1에서 WPT 동작을 위하여 상대적으로 높은 두께의 페라이트 시트(t=80㎛ -> t=400㎛, t는 페라이트 시트의 두께)를 사용하였기 때문에 NFC 리더 모드에서 Mifare 1k의 기준 태그를 74mm의 거리에서 인식시킬 수 있는 것으로 측정되었다.
Case 2는 NFC 안테나와 WPT 안테나가 겹쳐서 존재하고, 모두 시스템에 각각 연결도는 경우이다. 하지만, Case 2와 같이 WPT 안테나를 NFC 안테나에 밀착하여 WPT 시스템에 연결될 경우, NFC의 리더 모드에서 인식 거리가 36mm로 감소하는 것을 볼 수 있다. 여기서 WPT 안테나의 효율은 59%이며, NFC 안테나가 없는 경우의 효율과 같다.
또한, Case 3은 NFC 안테나를 구비하고, WPT 안테나를 시스템(WPT 보드)에 연결하지 않고 개방시킨 구조로써, WPT 안테나를 개방하더라도 NFC의 인식 거리는 46mm 밖에 나오지 않는다. 이는 WPT 안테나의 구조가 NFC 안테나에 근접하여 NFC 루프 안테나의 자기장의 크기를 감소시켰기 때문이다.
또한, Case 4는 NFC 안테나(NFC Type 2)를 구비하고 Case 3에서 개방된 WPT 안테나에 1.8pF의 커패시터(Cb)를 연결시킨 구조로써, WPT 안테나를 NFC 동작 주파수인 13.56 MHz에 공진시키기 위한 구조이다.
Case 4의 구조는 인식거리가 65mm로 WPT 안테나가 존재하지 않을 경우의 인식거리에 가장 근접한 결과를 갖는다. 현재까지는 단순히 NFC 안테나가 동작할 때, WPT 안테나가 스위칭되어 시스템에서 개방되는 구조를 통하여 NFC 안테나에 대한 영향을 최소화하는 것으로 연구가 되었지만(Case 2 <-> Case 3), 본 발명에서는 Open 상태의 WPT 안테나에 13.56 MHz 공진을 하도록 하는 커패시터(Cb=1.8pF)를 연결하여 기존의 NFC에 병행하여 함께 사용하고자 한다(Case 2 <-> Case 4).
Case 1 Case 2 Case 3 Case 4
Mode - WPT mode - NFC mode
NFC Tag × × × ○
NFC Reader ○
(74 mm)		 ○
(36mm)		 ○
(46mm)		 ○
(65 mm)
WPT mode
 × ○ × ×
- System
connect		 Open Cb=1.8pF
(Booster)
표 3은 NFC 안테나와 WPT 안테나에 대하여 각각의 Case 구성에 따른 상황에서 NFC 시스템의 Tag, Reader 동작의 유무와 함께 WPT 모드의 동작 유무를 나타내고 그 때의 특성과 상황을 나타낸다.
표 3은 Case 4의 경우에 대하여 듀얼 모드의 NFC/WPT 안테나가 NFC 모드로 동작하고 WPT 안테나는 Cb = 1.8pF의 커패시터와 연결되어 스위칭 회로를 통해 삼중 공진을 발생시키는 상황에서의 Tag 동작에 대한 load modulation(Vpp)측정 결과이다. 표 4에서 볼 수 있듯이, 제안된 듀얼 모드의 NFC/WPT 안테나는 0cm, 1.5cm, 2.5cm 거리의 Tag로서의 동작에서도 모든 측정 지점에서 측정값(Mea.)은 기준값(Ref.) 이상을 만족한다.
표 4는 듀얼 모드 NFC/WPT 안테나의 NFC 모드에서의 측정 결과이다.



Ant
 0 [cm] 1.5 [cm] 2.5 [cm]
Ref.
 Mea.
 Ref.
 Mea. Ref.
 Mea.
z10 z16 z13 z19 z20 z26 z23 z29
0
[cm]		 Co. 8.8
 50.0 4.9
 32,7 50.5 47.0 37.2 - - - - -
D. 40.5 34.2 42.5 40.1 32.6 - - - -
1
[cm]		 Co. 7.2
 29.3 4.1
 17.1 29.5 27.8 20.5 2.5
 4.3 23.6 21.5 9.7
D. 23.2 17.6 23.1 22.5 17.2 8.0 17.5 14.4 8.3
2
[cm]		 Co. 5.6
 16.2 3.3 8.4 16.7 15.2 10.8 2.1
 2.6 13.1 11.2 4.7
D. 12.2 9.1 10.3 10.9 7.9 4.4 6.8 7.7 3.1
3
[cm]		 Co. 4.0
 7.5 2.5
 4.2 8.0 7.3 5.0 1.7
 1.8 6.3 5.4 2.3
D. 5.2 3.0 5.2 5.1 3.9 1.9 3.9 3.4 2.3
4
[cm]		 Co. 2.4
 3.3 1.7
 1.9 3.3 3.5 1.9 -
 - - - -
D. 2.8 2.0 2.1 2.8 2.2 - - - -
* Co. : Commercial NFC loop Antenna(소결체 페라이트, 4 turn loop)
* D : Dual Mode NFC/WPT Antenna
* 최대 인식거리(Mifare 1k) : 65 mm
* EMV Test : 100% 만족
Result note


Dual Mode
Antenna
(NFC/WPT)


 Size 50 x 45 mm2 Battery type
Ferrite Ferrite-polymer
(μr= 55)		 t = 400 ㎛
Maxumum Reading
Distance		 65 mm Mifare 1 k
EMV Test 100 % FIME
Charging efficiency 59 % TI bq5103: 49%
표 5는 본 발명에서 제안된 듀얼모드 NFC/WPT 안테나의 최종 성능을 나타낸다. WPT 안테나의 충전 효율(charging efficiency)은 기존 49%에 비해 59%로 향상됨을 알 수 있다.
본 발명에서 제안된 듀얼모드 NFC/WPT 안테나는 기존의 선행 발명(특허출원 10-2013-0142101)으로 제안된 안테나에 대하여 추가적으로 무선전력전송을 가능하도록 WPT 안테나를 제안하였다. 기존의 NFC 안테나에 액세서리로 부착되어 동작하는 WPT 안테나가 가지는 NFC 시스템의 성능을 저하시키는 문제를 해결하기 위해 WPT 안테나가 전력 수신기 내의 회로에서 스위칭 회로(Switch1, Switch2)을 사용하여 삼중 공진을 발생하도록 하였다. 이를 통하여 듀얼 모드(NFC 모드, WPT 모드)의 경우 중에서, NFC 모드에서 WPT 안테나는 삼중 공진을 통한 NFC 안테나의 Booster로 동작하는 특징이 있다. 이와 다른 WPT 모드에서는 WPT 안테나는 기존의 NFC 안테나가 위치할 지라도 성능의 저하가 없는 특징이 있다.
실제 적용되는 경우, 기존의 일반적인 WPT 안테나는 이동통신 단말기(스마트폰)에 적용될 때, NFC 시스템을 위한 NFC 안테나의 위치와 거의 동일한 위치에 적용됨으로써 NFC 시스템이 성능이 크게 저하되는 문제를 해결하였으며, 하지만 제안된 발명의 개념을 통하여 기존의 NFC 안테나를 유지하고 새롭게 부착되는 WPT 안테나와 제안된 스위칭 방법을 만족하는 스위칭 회로를 사용하여 기존 NFC 시스템의 성능을 저하시키지 않고 적용이 가능하다.
본 발명의 스위칭 방법을 이용한 듀얼모드 NFC/WPT 안테나는 이동통신 단말기로 제한되지 않고 NFC 시스템과 WPT 시스템이 적용되는 어떠한 기기에서도 적용이 가능하다.
제안된 WPT 안테나는 현재 2-parallel Lizt wire 타입으로 0.23 mm의 두께의 코일로 17회의 턴(turn) 수를 가진다. 이러한 구조는 적용하고자 하는 기기의 크기와 같은 특성이나 WPT 수신기에 적용하고자 하는 페라이트 물질의 변화에 대하여 조절이 가능하다. 또한 이러한 구조에 따라 Cb의 값을 변경하여 새롭게 스위칭 회로에 적용하여 동작을 완성시킬 수 있다.
제안된 WPT 안테나는 기존의 제안된 선행 발명(특허출원 10-2013-0142101)의 구조(외부 사각형 구조와 내부 마름모 구조의 NFC 안테나) 뿐만아니라 어떠한 NFC 안테나의 구조(외부 사각형 구조의 NFC 안테나)에도 동일하게 적용이 가능하다.
전기기적 원리의 측면에서, 자기장을 통해 동작하는 근거리 무선통신(NFC) 시스템과 자기유도형 무선전력전송(WPT) 시스템이 서로 근접하여 위치하였을 때, 근접한 금속체의 영향으로 인해 크게 성능이 저하되는 NFC 시스템의 문제를 발생시키는 것을 근접한 WPT 안테나를 간단한 스위칭 회로를 사용하여 삼중 공진을 발생시킴으로써 기존의 NFC 시스템과 새롭게 적용하고자 하는 시스템이 서로 간의 큰 성능의 저하가 없이 전자기적으로 병행되어 동작하게 하는 장점이 있다.
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 단말기의 배터리팩
2: 페라이트 시트
3: NFC 안테나
4: NFC 시스템의 모듈을 가지는 NFC 보드
5: WPT 안테나
6: WPT 모듈을 가지는 WPT 보드
7: WPT 안테나가 NFC 모드로 동작시, WPT 안테나가 NFC 안테나의 부스터 역할을 하여 13.56MHz로 동작시키기 위한 커패시터(Cb)
8: WPT 모드로 동작시, Cs 및 Cd를 통해 기본적인 WPT 시스템의 이중 공진(무선 전력 전송[100kHz 또는 120kHz], Ping Signal[1 MHz])을 위한 회로의 커패시터(Cs및 Cd)
9: 무선 전력 전송이 가능하도록 하는 WPT Rx Chip
10: 스위치1
11: 스위치2

Claims (7)

  1. 스마트 기기의 배터리팩(1);
    근접한 도체에서 발생하는 eddy current를 저감시키는 페라이트 시트(2);
    13.56 MHz NFC 안테나(3);
    상기 NFC 안테나(3)와 연결되고, NFC 시스템의 모듈을 가지는 NFC 보드(4);
    WPT 송신기(WPT transmitter)를 구비하는 무선 충전기 본체에 근접되면, 상기 무선 충전기 본체로부터 에나멜선이 도포된 구리선에 자기 유도에 의해 형성된 자기장의 유도기전력을 수신받는 WPT 안테나(5);
    상기 WPT 안테나(5)에 연결되고, 에나멜선이 도포된 구리선에 의해 근접된 상기 무선 충전기 본체로부터 자기 유도에 의해 형성된 자기장의 유도기전력을 수신받아 무선 전력을 충전하는 WPT 모듈을 가지는 WPT 보드(6); 및
    WPC의 Qi 규정을 따르는 자기유도형 전력 수신기(WPT receiver) 측의 이중 공진 회로에서 상기 WPT 안테나(5)가 NFC 모드로 동작시, WPT 전력 수신기의 무선 전력 전송을 위한 이중 공진을 위한 스위치1(Switch 1)과 직렬로 연결되는 스위치로써 상기 WPT 안테나(5)가 NFC 안테나(3)의 부스터(Booster) 역할을 하는 추가적인 커패시터(Cb)와 스위치2(Switch 2)를 더 구비하여 삼중 공진하도록 하는 스위칭 회로;를 포함하고,
    상기 WPT 안테나(5)가 NFC 모드로 동작시, WPT 시스템의 이중 공진을 위한 회로의 커패시터 Cd와 직렬로 연결되는 상기 WPT 안테나(5)가 NFC 안테나(3)의 부스터(Booster) 역할을 하는 커패시터(Cb)(7)를 구비하며,
    상기 스마트 기기의 후면 케이스에 부착된 상기 NFC 안테나(3) 및 상기 WPT 안테나(5)를 듀얼 모드(NFC 모드, WPT 모드) 성능 저하 없이 동작하도록 상기 스위칭 회로를 사용하여 상기 WPT 안테나(5)의 에나멜 선이 도포된 구리 선의 금속 성분이 근거리장에서 주파수 간섭 또는 신호 간섭에 의해 기존 NFC 시스템의 성능을 저하시키지 않으며,
    상기 스위칭 회로는, 상기 NFC 모드, 상기 WPT 모드의 듀얼 모드에서, 스위치1 ON, 스위치2 OFF 되면, NFC 모드로 동작하여 상기 13.56MHz NFC 안테나(3)를 통해 NFC Tag/Reader가 동작되고,
    상기 스위칭 회로는, 상기 NFC 모드, 상기 WPT 모드의 듀얼 모드에서, 스위치1 OFF, 스위치2 OFF (open) 되면, WPT 모드로 동작하여 WPT 송신기(WPT transmitter)를 구비하는 무선 충전기 본체로부터 WPT 안테나(5)를 통해 자기 유도에 의해 형성된 자기장의 유도기전력을 수신받는 WPT 수신기를 구비하는 WPT 보드를 구동하여 무선으로 전력을 전달받아 무선 충전 기능을 실행하는 것을 특징으로 하는 스위칭을 사용한 듀얼모드 NFC 및 WPT 안테나의 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 WPT 모드로 동작시, 무선 전력 수신용 커패시터 Cs 및 Cd를 통해 기본적인 WPT 시스템의 이중 공진(무선 전력 전송[100kHz 또는 120kHz], WPT 시스템에 무선 전력 전송 가능 여부를 확인하는 Ping Signal[1 MHz])을 위한 회로의 커패시터(Cs 및 Cd)(8);
    WPT 모드시, Ping 신호를 생성하고 상기 무선 충전기 본체(WPT transmitter)로부터 유도기전력을 수신받아 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 무선 전력을 수신하는 WPT Rx Chip(9);
    상기 WPT 전력 수신기의 이중 공진(무선 전력 전송[100kHz 또는 120kHz], Ping Signal[1 MHz])을 위한 스위치1(10);
    상기 WPT 안테나(5)가 NFC 모드로 동작시, 상기 WPT 시스템의 이중 공진을 위한 회로의 커패시터 Cd와 직렬로 연결되며 상기 WPT 안테나(5)가 NFC 안테나(3)의 부스터(Booster) 역할을 하는 커패시터(Cb)(7); 및
    상기 WPT 안테나(5)가 스위칭을 통해 Cb와 함께 연결되어 삼중 공진을 위한 스위치2(11);를 포함하며,
    상기 커패시터(Cb)는 상기 WPT 안테나가 NFC 모드로 동작될 때, 스위치2(Switch2)의 스위칭을 통하여 NFC 안테나의 Booster 역할을 하도록 WPT 안테나를 RLC 병렬 공진을 통해 동작시키기 위한 커패시터 인 것을 특징으로 하는 스위칭을 사용한 듀얼모드 NFC 및 WPT 안테나의 구조.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는,
    상기 NFC 모드, 상기 WPT 모드의 상기 듀얼 모드에서,
    스위치1 ON, 스위치2 ON (short) 되면, WPT 모드의 초기 상태로써 1 MHz ping signal을 전송하는 것을 특징으로 하는 스위칭을 사용한 듀얼모드 NFC 및 WPT 안테나의 구조.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 WPT 보드(6)는
    상기 무선 충전기 본체에 WPT 송신기(WTP Transmitter)를 구비하고, 상기 스마트 기기의 후면 케이스에 자기 유도형 무선 전력 방식으로 자기 유도에 의한 유도기전력에 의해 무선 전력을 수신하는 WPT 안테나(5)와 연결된 WPT 보드(6)이며,
    상기 WPT 보드(6)는 WPT 수신기(WPT receiver) 및 AC/DC 전압 변환 회로/정류/평활회로/과충전보호회로/충전 모듈을 구비하는 WPT 모듈을 포함하는 스위칭을 사용한 듀얼모드 NFC 및 WPT 안테나의 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 NFC 안테나 및 상기 WPT 안테나는
    이동통신 단말기로 제한하지 않고, NFC 시스템과 WPT 시스템이 적용되는 어떠한 기기와 위치에서도 적용이 가능하고, 상기 NFC 안테나는 외부 사격형 구조 만으로 형성되거나 또는 외부 사각형 구조와 내부 마름모 구조로 적용되는 것을 특징으로 하는 스위칭을 사용한 듀얼모드 NFC 및 WPT 안테나의 구조.
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