KR101757615B1 - 자성체 안테나, ｒｆ 태그 및 상기 ｒｆ 태그를 실장한 기판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자 유도 방식을 이용하여 정보를 송수신하기 위한 자성체 안테나에 IC를 실장한 RF 태그이며, 상기 자성체 안테나는 1개의 자성체 코어에 인덕턴스 L1이 특정한 수학식을 만족하는 코일을 복수개 형성하고, 상기 각 코일은 전기 회로상 병렬로 접속되면서 자성체 코어에 직렬로 배치되어 있고, 자성체 안테나의 합성 인덕턴스 L0이 특정한 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 RF 태그에 관한 것이다. 본 발명의 RF 태그는 자계 성분을 이용하여 정보를 통신하기 위한 자성체 안테나이며, 소형화와 통신 감도의 향상을 양립시킬 수 있다.
Description
본 발명은 자계 성분을 이용하여 정보를 통신하기 위한 자성체 안테나 및 RF(무선 주파수) 태그에 관한 것이며, 상기 자성체 안테나 및 RF 태그는 종래 기술에 비하여 통신 감도의 향상을 실현시킨 자성체 안테나 및 RF 태그이다.
자성체를 사용하여 전자파를 송수신하는 안테나(이하, 「자성체 안테나」라고 함)는 코어(자성체)에 도선을 권취선으로 하여 코일을 만들고, 외부로부터 날아서 오는 자계 성분을 자성체에 관통시키고 코일에 유도시켜 전압(또는 전류)으로 변환하는 안테나이며, 소형 라디오나 TV에는 널리 이용되어 왔다. 또한, 최근 보급되어 온 RF 태그라고 불리는 비접촉형의 물체 식별 장치에 이용되고 있다.
주파수가 보다 높아지면, RF 태그에 있어서는 자성체를 사용하지 않고 식별 대상물과 평면이 평행해지는 루프 코일이 안테나로서 사용되고, 주파수가 더 높아지면(UHF대나 마이크로파대), RF 태그를 포함시켜 자계 성분을 검출하는 것보다도 전계 성분을 검출하는 전계 안테나(다이폴 안테나나 유전체 안테나)가 널리 사용되고 있다.
이러한 루프 안테나나 전계 안테나는, 금속물이 접근하면, 금속물에 이미지(미러 효과)가 생겨 안테나와 역위상으로 되기 때문에 안테나의 감도를 잃게 된다고 하는 문제가 발생한다.
한편, 자계 성분을 송수신하기 위한 자성체 안테나로서, 자성층을 중심으로 하는 코어에 전극 재료를 코일 형상으로 형성하고, 코일 형상의 전극 재료를 형성한 한쪽 또는 양쪽의 외측면에 절연층을 형성하고, 상기 절연층의 한쪽 또는 양쪽의 외측면에 도전층을 형성한 자성체 안테나가 알려져 있다(특허문헌 1). 상기 자성체 안테나는 금속물에 접촉한 경우라도 안테나로서의 특성이 유지되는 것이다.
또한, 1개의 코어에 복수의 코일을 형성하여 병렬로 결선하여 안테나로 하는 것이 알려져 있다(특허문헌 2).
상기 특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 크기에 제한이 있는 조건 하에 있어서 더 긴 교신 거리를 얻는 것이 곤란하다.
또한, 상기 특허문헌 2의 기재에서는, 권선의 저항의 증가에 의한 코일 특성의 저하를 방지하는 목적이기 때문에, 통신 감도를 향상시키는 것에 관해서는 전혀 기재되어 있지 않다.
따라서, 본 발명은 공진 주파수에 의해 제한되는 코일의 인덕턴스를 지금까지 이상으로 크게 할 수 있고, 통신 감도를 향상시킨 자성체 안테나를 얻는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제는 다음과 같은 본 발명에 의해 달성할 수 있다.
즉, 본 발명은 전자 유도 방식을 이용하여 정보를 송수신하기 위한 자성체 안테나에 IC(집적 회로)를 실장한 RF 태그이며, 상기 자성체 안테나는 1개의 자성체 코어에 인덕턴스 L1이 수학식 1을 만족하는 코일을 복수개 형성하고, 상기 각 코일은 전기 회로상 병렬로 접속되면서 자성체 코어에 직렬로 배치되어 있고, 자성체 안테나의 합성 인덕턴스 L0이 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 RF 태그이다(본 발명1).
(L1: 코일 1개의 인덕턴스)
(L0: 안테나의 합성 인덕턴스)
또한, 본 발명은, 본 발명 1에 기재된 RF 태그를 수지로 피복한 RF 태그이다(본 발명 2).
또한, 본 발명은, 본 발명 1에 기재된 RF 태그에 이용하는 자성체 안테나로서, 상기 자성체 안테나는 IC를 실장하였을 때에, 1개의 자성체 코어에 인덕턴스 L1이 수학식 1을 만족하는 코일을 복수개 형성하고, 상기 각 코일은 전기 회로상 병렬로 접속되면서 자성체 코어에 직렬로 배치되어 있고, 자성체 안테나의 합성 인덕턴스 L0이 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 자성체 안테나이다(본 발명 3).
<수학식 1>
(L1: 코일 1개의 인덕턴스)
<수학식 2>
(L0: 안테나의 합성 인덕턴스)
또한, 본 발명은, 본 발명 1 또는 2에 기재된 RF 태그를 실장한 기판이다(본 발명 4).
또한, 본 발명은, 본 발명 1 또는 2에 기재된 RF 태그를 이용한 통신 시스템이다(본 발명 5).
본 발명에 관한 RF 태그는 보다 감도가 향상된 RF 태그이며, 긴 거리라도 통신이 가능하고, 13.56MHz의 RFID 용도 등의 RF 태그로서 바람직하다.
본 발명에 관한 자성체 안테나 또는 RF 태그는 높은 통신 감도를 갖기 때문에, 각종 휴대 기기, 용기, 금속 부품, 기판, 금속제 공구, 금형 등의 각종 용도에 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 자성체 안테나의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 관한 자성체 안테나의 사시도이다.
도 3은 본 발명에서의 비자성체로 분할된 코어의 상태를 도시하는 개념도이다.
도 4는 본 발명에 관한 자성체 안테나의 별도의 양태를 도시하는 개념도이다.
도 5는 본 발명에 관한 자성체 안테나의 별도의 양태를 도시하는 개념도이다.
도 6은 본 발명에 관한 자성체 안테나의 적층 구조를 도시하는 개념도이다.
도 7은 본 발명에 관한 자성체 안테나의 적층 구조를 도시하는 개념도이다.
도 8은 본 발명에 관한 자성체 안테나를 기판에 실장한 경우의 개념도이다.
도 9는 본 발명에 관한 자성체 안테나의 코일 부분의 적층 구성도이다.
<부호의 설명>
1: 관통 구멍
2: 전극층(코일 전극)
3: 코어
4: 코일
4-1: 코일의 최소 단위
4-2: 코일 개방 단부면
5: 자성층
6: 절연층
7: 도전층
8: 비자성층
9: IC 접속용 전극층(단자)
10: IC
11: 컨덴서 전극
12: 컨덴서
14: 기판 접속용 전극층
15: 기판
20: 자성체 안테나
도 2는 본 발명에 관한 자성체 안테나의 사시도이다.
도 3은 본 발명에서의 비자성체로 분할된 코어의 상태를 도시하는 개념도이다.
도 4는 본 발명에 관한 자성체 안테나의 별도의 양태를 도시하는 개념도이다.
도 5는 본 발명에 관한 자성체 안테나의 별도의 양태를 도시하는 개념도이다.
도 6은 본 발명에 관한 자성체 안테나의 적층 구조를 도시하는 개념도이다.
도 7은 본 발명에 관한 자성체 안테나의 적층 구조를 도시하는 개념도이다.
도 8은 본 발명에 관한 자성체 안테나를 기판에 실장한 경우의 개념도이다.
도 9는 본 발명에 관한 자성체 안테나의 코일 부분의 적층 구성도이다.
<부호의 설명>
1: 관통 구멍
2: 전극층(코일 전극)
3: 코어
4: 코일
4-1: 코일의 최소 단위
4-2: 코일 개방 단부면
5: 자성층
6: 절연층
7: 도전층
8: 비자성층
9: IC 접속용 전극층(단자)
10: IC
11: 컨덴서 전극
12: 컨덴서
14: 기판 접속용 전극층
15: 기판
20: 자성체 안테나
본 발명에 관한 자성체 안테나에 대하여 설명한다.
본 발명에 관한 자성체 안테나의 개략도를 도 1 및 도 2에 도시한다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 관한 자성체 안테나(20)는 자성체로 이루어지는 코어(3)를 중심으로 하여, 코어(3)의 외측에 전극 재료를 코일 형상(권취선 형상)이 되도록 형성하고, 복수의 코일(4-1)이 전기적으로 병렬로 접속되면서, 코일(4-1)은 동일 코어(3)에 직렬로 배치되어 있는 것을 기본 구조로 한다(도 1 및 도 2에서는 4개의 코일로 되어 있지만, 본 발명에 있어서 코일의 수가 한정되는 것은 아님).
본 발명에 관한 자성체 안테나의 각 코일(4-1)의 인덕턴스 L1은, 자성체 안테나에 IC를 실장하였을 때에, 하기 수학식 1을 만족하는 것이다.
<수학식 1>
자성체 안테나의 각 코일(4-1)의 인덕턴스 L1이 상기 수학식 1을 만족하지 않으면, 통신 감도를 향상시킬 수 없다. 바람직하게는, 각 코일의 인덕턴스 L1이 자성체 안테나의 합성 인덕턴스 L0의 2배 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3배 이상이다.
본 발명에 관한 자성체 안테나의 합성 인덕턴스 L0은, 자성체 안테나에 IC를 실장하였을 때에, 하기 수학식 2를 만족하는 것이다.
<수학식 2>
자성체 안테나의 합성 인덕턴스 L0이 상기 수학식 2를 만족하지 않으면, IC를 실장한 RF 태그의 공진 주파수를 동작 주파수로 조정할 수 없기 때문에 통신 감도를 향상시킬 수 없다. 상기 수학식을 만족하는 자성체 안테나는 코어가 되는 재료의 투자율, 코일의 권취수, 코일의 단면적, 코일의 길이 등을 제어함으로써 제작할 수 있다.
상기 코어는, 도 3에 도시한 바와 같이, 코어를 구성하는 자성체가 비자성체로 분할된 구조로 되어 있어도 된다.
본 발명에 관한 자성체 안테나에 있어서, 비자성체로 자성체 코어를 분할하는 경우에는, 해당 자성체 안테나를 관통하는 자속에 대하여 수직으로 절단된 단면의 상태가, 자성체가 비자성체에 의해 분할된 상태라면 어떠한 상태로 되어도 좋으며, 예를 들면 도 3(a) 내지 도 3(d)에 도시하는 상태이다.
본 발명에 관한 자성체 안테나의 별도의 양태를 나타내는 개략도를 도 4에 도시한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 관한 자성체 안테나(20)는 자성체로 이루어지는 코어(3)를 중심으로 하여, 코어(3)의 외측에 전극 재료를 코일 형상(권취선 형상)이 되도록 형성하고(2), 복수의 코일(4-1)이 전기적으로 병렬로 접속되고, 코일(4-1)은 동일 코어(3)에 직렬로 배치되고, 코일 형상의 전극 재료를 형성한 한쪽 또는 양쪽의 외측면에 절연층(6)을 형성하고, 상기 절연층(6)의 한쪽 또는 양쪽의 외측면에 도전층(7)을 형성하는 것을 기본 구조로 하여도 된다. 도전층(7)을 형성함으로써, 자성체 안테나에 금속물이 근접하여도 자성체 안테나의 특성 변화가 작아져 공진 주파수의 변화를 작게 할 수 있다. 또한, 도전층(7)의 외측에 절연층(6)을 형성하여도 된다.
본 발명에 관한 자성체 안테나의 별도의 양태를 나타내는 개략도를 도 5에 도시한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 관한 자성체 안테나(20)는 자성체로 이루어지는 코어(3)를 중심으로 하여, 코어(3)의 외측에 전극 재료를 코일 형상(권취선 형상)이 되도록 형성하고(2), 복수의 코일(4-1)이 전기적으로 병렬로 접속되고, 코일(4-1)은 동일 코어(3)에 직렬로 배치되고, 코일 형상의 전극 재료를 형성한 한쪽 또는 양쪽의 외측면에 절연층(6)을 형성하고, 상기 절연층(6)의 한쪽 또는 양쪽의 외측면에 도전층(7)을 형성하고, 또한 도전층(7)의 외측에 자성층(5)을 형성하여도 된다. 자성층(5)을 형성함으로써, 금속이 접근하였을 때의 자성체 안테나의 특성 변화가 보다 작아져 공진 주파수의 변동을 감소시킬 수 있다. 또한, 도전층(7)을 제외한 적층 구조로 하여도 된다.
또한, 본 발명에 관한 자성체 안테나는, 도 6의 개략도에 도시한 바와 같이, 코일(4)의 상하면을 사이에 둔 절연층(6)의 한쪽 또는 양쪽의 외측면에 컨덴서 전극(11)을 배치하여도 된다.
또한, 도 6의 개략도에 도시한 자성체 안테나는, 절연층의 상면에 형성하는 컨덴서를 평행 전극 또는 빗형 전극을 인쇄하여 컨덴서로 하여도 되고, 또한 상기 컨덴서와 코일 리드 단자를 병렬 또는 직렬로 접속하여도 된다.
또한, 도 7의 개략도에 도시한 바와 같이, 컨덴서 전극(11)을 배치한 외측면에 절연층(6)을 더 형성하고, 상기 절연층(6)의 외측면에 IC 칩 접속 단자를 겸하는 전극층(9)을 형성하여 상기 절연층(6)을 사이에 끼우도록 컨덴서를 형성하고, IC 칩 접속 단자와 병렬 또는 직렬로 접속하여도 된다.
또한, 본 발명에 관한 자성체 안테나는, 도 2에 도시한 바와 같이 절연층(6) 상면에 IC 칩(10)을 접속할 수 있는 단자(9)를 형성하면 된다. 또한, IC 칩 접속 단자(9)와 코일 리드 단자를 병렬 또는 직렬로 접속하여 일체 소성하여도 된다.
본 발명에 관한 자성체 안테나는, 코어의 자성 재료에 Ni-Zn계 페라이트 등을 사용할 수 있다. Ni-Zn계 페라이트를 사용하는 경우에는, Fe2O3 45 내지 49.5몰%, NiO 9.0 내지 45.0몰%, ZnO 0.5 내지 35.0몰%, CuO 4.5 내지 15.0몰%인 조성이 바람직하고, 사용하는 주파수대에서 재료로서의 투자율이 높고, 자성 손실이 낮아지는 페라이트 조성을 선택하면 된다. 필요 이상으로 높은 투자율의 재료로 하면 자성 손실이 증가하기 때문에 안테나에 적합하지 않게 된다.
예를 들면, RFID 태그 용도에서는 13.56MHz에서의 투자율이 70 내지 120, 민생 FM 방송 수신 용도에서는 100MHz에서의 투자율이 10 내지 30이 되는 페라이트 조성을 선택하면 자성 손실이 적기 때문에 바람직하다.
본 발명에 관한 자성체 안테나는, 코어의 비자성 재료에 Zn계 페라이트 등의 비자성 페라이트, 붕규산계 유리, 아연계 유리 또는 납계 유리 등의 유리계 세라믹, 또는 비자성 페라이트와 유리계 세라믹을 적량 혼합한 것 등을 사용할 수 있다.
비자성 페라이트에 사용하는 페라이트 분말에는, 소결체의 부피 고유 저항이 108Ωcm 이상이 되는 Zn계 페라이트 조성을 선택하면 된다. Fe2O3 45 내지 49.5몰%, ZnO 17.0 내지 22.0몰%, CuO 4.5 내지 15.0몰%인 조성이 바람직하다.
유리계 세라믹의 경우, 사용하는 유리계 세라믹 분말에는, 선팽창 계수가 사용하는 자성체의 선팽창 계수와 크게 다르지 않은 조성을 선택하면 된다. 구체적으로는 자성체로서 이용하는 연자성 페라이트의 선팽창 계수와의 차가 ±5ppm/℃ 이내인 조성이다.
다음에, 본 발명에 관한 RF 태그에 대하여 설명한다.
본 발명에 관한 RF 태그는, 상기 자성체 안테나에 IC를 접속한 것이다. 도 2에 도시하는 사시도는 자성체 안테나에 IC를 실장할 수 있는 형태이지만, 자성체 안테나와 별도로 설치한 IC를 전기 회로에 의해 접속한 형태 중 어느 것이어도 된다.
본 발명에 관한 RF 태그는, 도 2에 도시한 바와 같이 자성체 안테나의 절연층(6) 상면에 IC 칩(10)을 접속할 수 있는 단자(9)를 형성하고, IC 칩 접속 단자와 코일 리드 단자를 병렬 또는 직렬로 접속하여 일체 소성하여도 된다.
상기 IC 칩 접속 단자를 형성한 자성체 안테나는, 도 2에 도시한 바와 같이, 전극층을 형성한 코일(4)의 적어도 한쪽 면의 절연층(6)에 관통 구멍(1)을 형성하고, 이 관통 구멍(1)에 전극 재료를 유입시켜 코일(4)의 양끝과 접속하고, 상기 절연층의 표면에 전극 재료에 의해 코일 리드 단자와 IC 칩 접속 단자를 형성하여 일체 소성하여 얻을 수 있다.
본 발명에 관한 RF 태그의 병렬로 접속되는 코일 1개의 인덕턴스 L1은 하기 수학식 1을 만족함과 동시에, 합성 인덕턴스 L0은 하기 수학식 2를 만족한다.
<수학식 1>
<수학식 2>
본 발명에 관한 RF 태그는 폴리스티렌, 아크릴니트릴스티렌, 아크릴니트릴부타디엔스티렌, 아크릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 염화비닐, 변성 폴리페닐렌에테르, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌설파이드 등의 수지에 의해 피복되어 있어도 된다.
다음에, 본 발명에 관한 자성체 안테나의 제조 방법에 대하여 설명한다.
우선, 자성 분말 및 결합제를 혼합한 혼합물을 시트 형상으로 한 단층 또는 복수의 층을 적층한 자성층을 형성한다.
다음에, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 자성층(5)을 이용하여 전체의 두께가 원하는 두께가 되도록 적층한다.
이어서, 도 9에 도시한 바와 같이, 적층한 자성층에 원하는 수의 관통 구멍(1)을 뚫는다. 상기 관통 구멍(1)의 각각에 전극 재료를 유입시킨다. 또한, 관통 구멍과 직각이 되는 양면에, 관통 구멍과 접속하여 코일 형상(권취선 형상)이 되도록 전극층(2)을 형성한다. 관통 구멍에 유입시킨 전극 재료와 전극층에 의해, 자성층이 직사각형의 코어가 되도록 복수개의 코일(4-1)을 형성한다. 그리고, 복수개의 코일(4-1)이 전기 회로상 병렬이 되도록 접속한다. 이 때, 복수개가 직렬로 배치된 코일의 양끝의 코일을 형성하는 자성층의 양끝이 자성 회로 상 개방으로 되는 구성이 된다(4-2).
이어서, 도 2에 도시한 바와 같이 전극층(2)을 형성한 코일의 상하면에 절연층(6)을 형성한다.
얻어진 시트를 원하는 형상이 되도록 관통 구멍(1)과 코일 개방 단부면(4-2)에서 절단하고 일체 소성하거나, 또는 일체 소성한 후에 관통 구멍과 코일 개방 단부면에서 절단함으로써 제조할 수 있다(LTCC 기술).
본 발명에 관한 도 3에 도시하는 코어를 갖는 자성체 안테나는, 예를 들면 이하의 방법에 의해 제조할 수 있다.
우선, 자성 분말 및 결합제를 혼합한 혼합물을 시트 형상으로 한 단층 또는 복수의 층을 적층한 자성층을 형성한다.
별도로, 비자성 분말 및 결합제를 혼합한 혼합물을 시트 형상으로 한 단층 또는 복수의 층을 적층한 비자성층을 형성한다.
다음에, 도 3(a)에 도시한 바와 같이, 자성층(5)과 비자성층(8)을 교대로 전체의 두께가 원하는 두께가 되도록 적층한다.
이어서, 적층한 자성층 및 비자성층에 원하는 수의 관통 구멍(1)을 뚫는다. 상기 관통 구멍의 각각에 전극 재료를 유입시킨다. 또한, 관통 구멍과 직각이 되는 양면에, 관통 구멍과 접속하여 코일 형상(권취선 형상)이 되도록 전극층(2)을 형성한다. 관통 구멍에 유입시킨 전극 재료와 전극층에 의해, 자성층이 직사각형의 코어가 되도록 코일을 형성한다. 이 때, 코일을 형성하는 자성층의 양끝이 자성 회로 상 개방으로 되는 구성이 된다(도 9).
이어서, 도 2에 도시한 바와 같이 전극층을 형성한 코일의 상하면에 절연층(6)을 형성한다.
얻어진 시트를 원하는 형상이 되도록 관통 구멍과 코일 개방 단부면에서 절단하여 일체 소성하거나, 또는 일체 소성한 후에 관통 구멍과 코일 개방 단부면에서 절단함으로써 제조할 수 있다(LTCC 기술).
본 발명에서의 도전층(7)은 어떠한 수단으로 형성되어도 되지만, 예를 들면 인쇄, 쇄모 도포 등의 통상의 방법으로 형성하는 것이 바람직하다. 또는, 금속판을 형성한 절연층의 외측에 부착하여 동일한 효과를 부여할 수도 있다.
도전층을 형성하는 재료, 또한 관통 구멍에 유입시키는 전극 재료로서는 Ag 페이스트가 적합하며, 그 밖의 Ag계 합금 페이스트 등, 금속계 도전성 페이스트를 사용할 수 있다.
절연층의 외측에 형성하는 경우, 도전층(7)의 막 두께는 0.001 내지 0.1mm가 바람직하다.
본 발명에 관한 자성체 안테나는, 도 8의 개략도에 도시한 바와 같이, 코일(4)의 하면의 절연층(6)에 관통 구멍을 형성하고, 그 관통 구멍에 전극 재료를 유입시켜 코일(4) 양끝과 접속하고, 그 하측 표면에 전극 재료에 의해 기판 접속 단자(14)를 형성하여 일체 소성하여도 된다. 그 경우, 세라믹, 수지 등의 기판에 용이하게 접합할 수 있다. 또한, 기판으로서는 상기 각종 재료를 복합화한 것, 금속을 함유하는 것 등을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 자성체 안테나를 실장한 기판은, 접착제, 점착제, 또는 납땜 등의 수단에 의해 기판(15)의 표면에 자성체 안테나가 고정되는 것을 특징으로 하는 것이다. 본 발명에서는 다층 배선 기판에 부품을 실장할 때에 일반적으로 사용되는 수단에 의해, 자성체 안테나를 다른 부품과 동시에 실장할 수 있어 양산성이 높다.
다층 배선 기판에서는 도체로 구성된 배선이 내장되어 있고, 안테나에 대하여 금속과 동일한 영향을 제공한다. 본 발명에 관한 자성체 안테나를 실장한 기판에서는, 자성체 안테나가 상술한 바와 같은 구조이기 때문에 금속의 영향을 받지 않고, 다층 배선 기판 등의 내부 또는 표면에 도체로 구성된 배선이 형성된 기판이라도 그 영향을 받는 일이 없다.
IC는 상기 도 2에 도시한 바와 같이, 상면의 절연층 상에 IC 칩 접속 단자를 형성하여 접속하여도 되고, 도 8에 도시한 바와 같이, 자성체 안테나의 하면의 기판 접속 단자(14)에 접속되도록 기판 내에 배선을 형성하여 기판 내 배선을 통하여 접속하여도 된다. 또한, 하면의 기판 접속 단자(14)에 접속된 기판 내 배선을 통하여 리더 라이터와 접속하여도 되고, 리더 라이터로서 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는 통신 기기에 본 발명에 관한 자성체 안테나를 설치할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는 포장 용기에 본 발명에 관한 자성체 안테나를 설치할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는 공구나 볼트 등의 금속 부품에 본 발명에 관한 자성체 안테나를 설치할 수 있다.
<작용>
본 발명에 관한 자성체 안테나는, 1개의 자성체 코어를 중심으로 하여 전극 재료가 코일 형상이 되도록 형성된 복수의 코일을 전기 회로상 병렬로 접속하고, 코일은 공유하는 자성체 코어에 직렬로 배치됨으로써, 사용하는 공진 주파수에 제한을 받고 있던 코일의 인덕턴스 L1을 가능한 한 커지도록 설계하고, 자성체 안테나의 합성 인덕턴스 L0은 공진 주파수에 의해 제어하였기 때문에, 통신 감도의 저하를 최소한으로 억제할 수 있다.
코일에 유기되는 기전력 e는 전류의 단위 시간의 변화량 dI/dt를 이용하여 하기 수학식 3으로 나타내어진다.
따라서, 코일의 인덕턴스 L이 크면 유기되는 기전력도 커진다.
일반적으로, 13.56MHz의 RFID 용도 등의 자성체 안테나에 있어서는, 공진 주파수 f0이 하기 수학식 4에 의해 결정된다.
그로 인해, 실장하는 IC의 용량이나 안테나 자체의 기생 용량으로 인해, 코일의 인덕턴스 L0을 어느 제한된 값 이하로 하지 않으면 안된다고 하는 제한이 있었다.
한편, RF 태그와 리더/라이터의 결합에 의한 태그의 유기 전압은, 상호 인덕턴스 M을 이용하여 하기 수학식 5로 나타내어진다.
L1: 리더/라이터의 안테나의 인덕턴스
L2: 태그의 안테나의 인덕턴스
따라서, 태그의 안테나의 인덕턴스를 크게 하면, 태그에 유기시키는 전압을 크게 할 수 있어 결합도를 높일 수 있다.
본 발명에서는 복수의 코일을 병렬로 접속하기 때문에, 자성체 안테나의 합성 인덕턴스 L0은 각 코일의 인덕턴스 L1이 등가인 경우, 하기 수학식 6과 같이 된다.
따라서, 코일의 개수를 늘려 가면, 그에 따라 병렬로 접속된 1개의 코일의 인덕턴스 L1을 크게 설계할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 각 코일의 인덕턴스 L1을 크게 하는 한편, 자성체 안테나 자체의 합성 인덕턴스 L0은 공진 주파수에 적합하도록 각 코일을 접속하여 조정한 것에 의해 자성체 안테나의 통신 감도를 향상시킬 수 있었던 것이다.
특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이, 병렬로 접속된 인접하는 코일끼리 결합하면 수학식 4보다도 합성 인덕턴스가 커져 회로의 Q도 커진다.
Q를 크게 설계하는 것은, 공진 회로로서는 코일에서 받은 전력을 Q배하므로 바람직하지만, 필요 이상으로 크게 취하면 외부 환경이나 IC 등 불균일에 의한 변동에 의해 주파수 어긋남에 의한 교신 감도의 변동이 커져 버리기 때문에, 하기 수학식 7이 되도록 설계하면 좋다.
<실시예>
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 발명의 실시 형태에 기초하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
[자성체 안테나 1]
자성층(5)용으로서 900℃ 소결 후에 13.56MHz에서의 재료로서의 투자율이 100이 되는 Ni-Zn-Cu 페라이트 예비소성분(Fe2O3 48.5몰%, NiO 25몰%, ZnO 16몰%, CuO 10.5몰%) 100중량부, 부티랄 수지 8중량부, 가소제 5중량부, 용제 80중량부를 볼밀로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 생성된 슬러리를 닥터 블레이드에 의해 PET 필름 상에 한변이 길이가 150mm인 사각형이고, 소결 시의 두께가 0.1mm가 되도록 시트 성형하였다.
또한, 절연층(6)용으로서 마찬가지로 Zn-Cu 페라이트 예비소성분(Fe2O3 48.5몰%, ZnO 41몰%, CuO 10.5몰%) 100중량부, 부티랄 수지 8중량부, 가소제 5중량부, 용제 80중량부를 볼밀로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 생성된 슬러리를 닥터 블레이드에 의해 PET 필름 상에 자성층과 동일한 크기와 두께로 시트 성형하였다.
다음에, 도 9에 도시한 바와 같이, 자성층(5)용 그린 시트에 관통 구멍(1)을 뚫어 그 안에 Ag 페이스트를 충전하면서, 관통 구멍(1)과 직각이 되는 양면에 Ag 페이스트를 인쇄하여 10매 적층하고, 5개의 코일(4-1)이 병렬로 결선되도록 형성하였다.
다음에, 도 4에 도시한 바와 같이, 절연층(6)용 그린 시트를 코일(4-1)의 상하면에 적층하고, 한쪽 면에는 Ag 페이스트에 의해 도전층(7)을 인쇄한 절연층용 그린 시트를 적층하였다.
적층한 그린 시트를 합쳐 가압 접착시키고, 관통 구멍과 코일 개방 단부면(4-2)에서 절단하고 900℃에서 2시간 일체 소성하여, 권취수 23턴의 코일이 5개 병렬로 결선되어 있는 자성체 안테나 1(가로 30mm×세로 4mm의 크기)을 제조하였다(도면에서는 코일 권취수는 간략화하여 도시하고 있음, 또한 자성층의 적층 매수는 간략화되어 있음, 이하의 다른 도면에 대해서도 마찬가지임).
또한, 상기 자성체 안테나 1의 코일 양끝에 RF 태그용 IC(IC의 용량: 23.5pF)를 접속하고, 또한 IC와 병렬로 컨덴서를 접속하여 공진 주파수를 13.56MHz로 조정하여 RF 태그를 제작하고, 출력 100mW의 리더/라이터로 교신하는 거리를 측정하였다.
각 측정 방법을 이하에 정리한다.
[공진 주파수의 측정과 조정 방법]
공진 주파수는 아질런트 테크놀로지 가부시끼가이샤 임피던스 분석기 4291A에 1턴 코일을 접속하고, 이것과 RF 태그를 결합시켜, 측정되는 임피던스의 피크 주파수를 공진 주파수로 하였다.
자성체 안테나의 합성 인덕턴스 및 컨덴서 성분의 용량은 아질런트 테크놀로지 가부시끼가이샤 임피던스 분석기 4291A를 이용하여 측정하였다. 또한, 각 코일의 인덕턴스 및 기생 용량은, 제작한 복수의 코일을 병렬로 연결하는 배선을 절단하여 1개의 코일에 대해서만 측정하였다.
[교신 거리의 측정 방법]
교신 거리는 출력 100mW의 리더/라이터(가부시끼가이샤 다까야제, 제품명 TR3-A201/TR3-C201)의 안테나를 수평으로 고정하고, 그 상방에 RF 태그의 길이 방향을 안테나에 대하여 수직으로 위치시켜, 13.56MHz에서 교신이 가능한 한 높은 위치일 때의 안테나와 RF 태그의 수직 방향의 거리를 교신 거리로 하였다.
[자성체 안테나 2]
자성층(5)용으로서, 900℃ 소결 후에 13.56MHz에서의 재료로서의 투자율이 100이 되는 Ni-Zn-Cu 페라이트 예비소성분(Fe2O3 48.5몰%, NiO 25몰%, ZnO 16몰%, CuO 10.5몰%) 100중량부, 부티랄 수지 8중량부, 가소제 5중량부, 용제 80중량부를 볼밀로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 생성된 슬러리를 닥터 블레이드에 의해 PET 필름 상에 한변이 150mm인 사각형이고, 소결 시의 두께가 0.1mm가 되도록 시트 성형하였다.
비자성층(8)용으로서 붕규산 유리(SiO2 86 내지 89중량%, B2O3 7 내지 10중량%, K2O 0.5 내지 7중량%) 100중량부, 부티랄 수지 8중량부, 가소제 5중량부, 용제 80중량부를 볼밀로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 생성된 슬러리를 닥터 블레이드에 의해 PET 필름 상에 한변이 150mm인 사각형이고, 소결 시의 두께가 0.05mm가 되도록 시트 성형하였다.
또한, 절연층(6)용으로서 마찬가지로 Zn-Cu 페라이트 예비소성분(Fe2O3 48.5몰%, ZnO 41몰%, CuO 10.5몰%) 100중량부, 부티랄 수지 8중량부, 가소제 5중량부, 용제 80중량부를 볼밀로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 생성된 슬러리를 닥터 블레이드에 의해 PET 필름 상에 자성층과 동일한 크기와 두께로 시트 성형하였다.
다음에, 도 3(a)에 도시한 바와 같이, 자성층(5)용 그린 시트와 비자성층(8)용 그린 시트를 적층시킨 시트 각 1매씩을 가압 접착하여 1매의 시트로 하고 나서, 관통 구멍(1)을 뚫어 그 안에 Ag 페이스트를 충전하면서, 관통 구멍(1)과 직각이 되는 양면에 Ag 페이스트를 인쇄하여 10매 적층하고, 코일(4)을 형성하였다.
다음에, 도 4에 도시한 바와 같이, 절연층(6)용 그린 시트를 코일(4)의 상하면에 적층하고, 한쪽 면에는 Ag 페이스트에 의해 도전층(7)을 인쇄한 절연층용 그린 시트를 적층하였다.
적층한 그린 시트를 합쳐 가압 접착시키고, 관통 구멍과 코일 개방 단부면(4-2)에서 절단하고 900℃에서 2시간 일체 소성하여, 권취수 23턴의 코일이 5개 병렬로 결선되어 있는 자성체 안테나 2(가로 30mm×세로 4mm의 크기)를 제조하였다.
자성체 안테나 1과 동일하게 하여 RF 태그용 IC를 접속하고, 또한 IC와 병렬로 컨덴서를 접속하여 공진 주파수를 13.56MHz로 조정하여 RF 태그를 제작하였다. 얻어진 RF 태그에 대하여, 출력 100mW의 리더/라이터로 교신하는 거리를 측정하였다.
[자성체 안테나 3]
실시예 1과 동일하게 제조한 자성층(5)용 그린 시트에 유리 세라믹의 페이스트를 0.02mm의 두께로 인쇄하여 10층 적층하였다.
상기 자성층(5)용 그린 시트에 관통 구멍(1)을 뚫어 그 안에 Ag 페이스트를 충전하면서, 관통 구멍(1)과 직각이 되는 양면에 Ag 페이스트를 인쇄하여 적층하고, 코일(4)을 형성하였다.
다음에, 코일(4)의 한쪽 면에 Ag 페이스트에 의해 도전층(7)을 인쇄하여 구성한 절연층(6)용 그린 시트를 적층하였다. 다른 한쪽 면에는 코일의 양끝에 접속되도록 관통 구멍을 뚫고 그 안에 Ag 페이스트를 충전하면서, 관통 구멍(1)과 직각이 되는 표층에 코일 리드 단자와 IC를 접속하는 IC 칩 접속 단자(9)가 되는 형상을 Ag 페이스트에 의해 인쇄하여 절연층(6)용 그린 시트를 적층하였다.
이상의 그린 시트를 합쳐 가압 접착시키고, 관통 구멍(1)과 코일 개방 단부면(4-2)에서 절단하고 900℃에서 2시간 일체 소성하여 코일 권취수 23턴의 코일이 5개 병렬로 결선되어 있는 자성체 안테나 3(가로 10mm×세로 3mm의 크기)을 제조하였다.
상기 자성체 안테나의 코일 양끝에 RF 태그용 IC를 접속하고, 또한 IC와 병렬로 컨덴서를 접속하여 공진 주파수를 13.56MHz로 조정하여 RF 태그를 제조하고, 출력 100mW의 리더/라이터로 교신하는 거리를 측정하였다.
그 결과, 자성체 안테나 3은 12.0cm의 통신 거리이었다. 금속판 부착 시의 교신 거리는 10.5cm이었다.
[자성체 안테나 4]
실시예 1과 동일하게 제조한 자성층(5)용 그린 시트와 비자성층(8)용의 유리세라믹의 그린 시트를 각각 동일한 두께 0.1mm로 성막하였다. 얻어진 시트를 각각 0.1mm 폭으로 세라믹 그린 시트 적층체 절단기(UHT 가부시끼가이샤제 G-CUT)를 이용하여 절단하였다. 이어서, 도 3(b)에 도시한 바와 같이 자성층과 비자성층이 순서대로 되도록 1매의 시트 형상으로 배열하여 가압 접착하였다. 얻어진 시트를 세로 방향으로도 자성층과 비자성층이 순서대로 되도록 10매 중첩하여 가압 접착할 수 있도록 준비하고, 하나하나의 시트에 관통 구멍(1)을 뚫어 그 안에 Ag 페이스트를 충전하면서, 관통 구멍(1)과 직각이 되는 양면에 Ag 페이스트를 인쇄하여 10매 적층하고, 코일(4)을 형성하였다.
얻어진 코일에 자성체 안테나 1과 동일하게 하여 절연층을 형성하여, 코일이 5개 병렬로 결선되어 있는 자성체 안테나 4로 하였다.
[자성체 안테나 5]
실시예 1과 동일하게 제조한 자성층(5)용 그린 시트와 비자성층(8)용의 유리세라믹의 그린 시트를 각각 동일한 두께 0.1mm로 성막하였다. 얻어진 시트를 각각 0.1mm 폭으로 세라믹 그린 시트 적층체 절단기(G-CUT/UHT)를 이용하여 절단하였다. 이어서, 도 3(c)에 도시한 바와 같이 자성층과 비자성층이 순서대로 되도록 1매의 시트 형상으로 배열하여 가압 접착하였다. 얻어진 시트와 유리 세라믹의 그린 시트를 교대로 10매씩 중첩하여 가압 접착할 수 있도록 준비하고, 하나하나의 시트에 관통 구멍(1)을 뚫어 그 안에 Ag 페이스트를 충전하면서, 관통 구멍(1)과 직각이 되는 양면에 Ag 페이스트를 인쇄하여 10매 적층하고, 코일(4)을 형성하였다.
얻어진 코일에 자성체 안테나 1과 동일하게 하여 절연층을 형성하여, 코일이 5개 병렬로 결선되어 있는 자성체 안테나 5로 하였다.
[자성체 안테나 6]
실시예 1과 동일하게 제조한 슬러리를 이용하여 자성층(5)용의 막대 형상의 자성체를 제작하였다. 도 3(d)에 도시한 바와 같이 제조한 막대 형상의 자성체를 용기 내에 배열하고, 비자성 유리 세라믹의 슬러리를 유입시켜 두께 1mm의 시트를 제작하였다. 얻어진 시트와 유리 세라믹의 그린 시트 10매를 중첩하여 가압 접착할 수 있도록 준비하고, 도 4에 도시한 바와 같이 하나하나의 시트에 관통 구멍(1)을 뚫어 그 안에 Ag 페이스트를 충전하면서, 관통 구멍(1)과 직각이 되는 양면에 Ag 페이스트를 인쇄하여 10매 적층하고, 코일(4)을 형성하였다.
얻어진 코일에 자성체 안테나 1과 동일하게 하여 절연층을 형성하여, 코일이 5개 병렬로 결선되어 있는 자성체 안테나 6으로 하였다.
[자성체 안테나 7 비교예]
권취수가 23턴인 코일을 1개 형성할 수 있도록 한 것 이외에는, 상기 자성체 안테나 1과 동일하게 제조하였다. 100mW의 리더/라이터로 교신하는 거리는 6.0cm이었다.
얻어진 자성체 안테나의 여러가지 특성을 표 1에 나타낸다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 관한 RF 태그(자성체 안테나 1 내지 6)는, 모두 코일 1개의 인덕턴스 L1이 1/(4π2×(동작 주파수)2×(IC 용량 + 안테나의 기생 용량))보다 크면서, 자성체 안테나의 합성 인덕턴스 L0이 1/(4π2×(동작 주파수)2×(IC 용량 + 안테나의 기생 용량))보다 작은 것이 확인되었다. 그리고, 본 발명에 관한 RF 태그(자성체 안테나 1 내지 6)는 모두 교신 거리가 긴 것이 확인되었다.
본 발명에 관한 자성체 안테나는 모두 코일의 인덕턴스를 크게 설계하여도 공진 주파수의 조정이 가능하고, 코어를 비자성체로 분할한 경우에는 실효의 투자율이 높아, 소형화와 통신 감도의 향상을 양립시킨 안테나인 것이 확인되었다.
<산업상 이용가능성>
본 발명에 관한 RF 태그는 보다 감도가 향상된 RF 태그이며, 긴 거리라도 통신이 가능하고, 13.56MHz의 RFID 용도 등의 RF 태그로서 바람직하다. 또한, 본 발명에 관한 자성체 안테나 또는 RF 태그는 높은 통신 감도를 갖기 때문에, 각종 휴대 기기, 용기, 금속 부품, 기판, 금속제 공구, 금형 등의 각종 용도에 사용할 수 있다.
Claims (5)
- 전자 유도 방식을 이용하여 정보를 송수신하기 위한 자성체 안테나에 IC(집적 회로)를 실장한 RF(무선 주파수) 태그이며, 상기 자성체 안테나는 1개의 자성체 코어에 인덕턴스 L1이 수학식 1을 만족하는 코일을 복수개 형성하고, 상기 각 코일은 전기 회로상 병렬로 접속되면서 자성체 코어에 직렬로 배치되어 있고, 자성체 안테나의 합성 인덕턴스 L0이 수학식 2를 만족하며, L1은 L0보다 크고,
상기 자성체 안테나는, 자성 분말 및 결합제를 혼합한 혼합물을 시트 형상으로 한 단층 혹은 복수의 층을 적층한 자성층을 형성하고, 자성층이 직사각형의 코어가 되도록 복수개의 코일을 형성하고, 복수개의 코일이 전기 회로상 병렬이 되도록 접속하고, 복수개가 직렬로 배치된 코일의 양끝의 코일을 형성하는 자성층의 양끝이 자성 회로상 개방이 되는 구성이 되도록 전극층을 형성한 코일의 상하면에 절연층을 형성하여 일체 소성하여 얻어진 것을 특징으로 하는 RF태그.
<수학식 1>
(L1: 코일 1개의 인덕턴스)
<수학식 2>
(L0: 자성체 안테나의 합성 인덕턴스) - 제1항에 있어서, 수지로 피복되어 있는 RF 태그.
- 제1항에 기재된 RF 태그에 이용하는 자성체 안테나로서, 상기 자성체 안테나는 IC를 실장하였을 때에, 1개의 자성체 코어에 인덕턴스 L1이 수학식 1을 만족하는 코일을 복수개 형성하고, 상기 각 코일은 전기 회로상 병렬로 접속되면서 자성체 코어에 직렬로 배치되어 있고, 자성체 안테나의 합성 인덕턴스 L0이 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 자성체 안테나.
<수학식 1>
(L1: 코일 1개의 인덕턴스)
<수학식 2>
(L0: 자성체 안테나의 합성 인덕턴스) - 제1항 또는 제2항에 기재된 RF 태그를 실장한 기판.
- 제1항 또는 제2항에 기재된 RF 태그를 이용한 통신 시스템.
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