KR101782793B1

KR101782793B1 - 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전용 전력 전달용 코일을 실장하는 안테나 장치를 외부 장치에 실장하는 방법

Info

Publication number: KR101782793B1
Application number: KR1020170026621A
Authority: KR
Inventors: 유현수
Original assignee: 주식회사 케이더파워
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2017-09-28
Also published as: KR20170048258A

Abstract

본 발명은 근거리통신 ( NFC near field communication 이하 근거리통신으로 함) 안테나와 무선 충전 전력 안테나를 제작함에 있어서 상호 전자계의 간섭이 없도록 하는 발명에 관한 것이다. 상호 일정거리 이격되도록 배치되면 하나의 PCB 또는 FPCB 상에 근거리 통신 안테나용 패턴과 무선 충전 전력전달 안테나용 패턴을 형성할 수 있는 구성을 제시한다.

Description

근거리 통신용 안테나 및 무선 충전용 전력 전달용 코일을 실장하는 안테나 장치를 외부 장치에 실장하는 방법{INSTALLATION METHOD FOR ATTENNA APPARATUS WITH NTC ATTENNA ANND WIRELESS CHARGING COIL}

본 발명은 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전용 전력 전달용 코일을 실장하는 안테나 장치를 외부 장치에 실장하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 근거리 통신 안테나와 전력전달용 코일을 같은 공간 내에 제작하여 실장 면적을 작게 하며, 근거리통신에 사용하는 NFC (Near field communication) 안테나와 무선 전력전달용 코일간 상호 성능 저하 없이 제공하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전용 전력 전달용 코일을 실장하는 안테나 장치를 외부 장치에 실장하는 방법에 관한 것이다.

최근 모바일 휴대용 장치, 특히 휴대폰에서 무선 충전 기능 도입과 근거리 통신의 사용성이 매우 커져가는 시점에 있으며, 근거리통신과 무선 충전을 위한 무선 전력전달용 코일을 동시에 사용해야 한다.

현재 사용하고 있는 방법은 근거리 통신 안테나는 밧데리 카바 또는 밧데리 위에 실장하고 있고, 무선 충전 전력전달 코일은 휴대기기 외부에 별도 케이스를 만들어 부착하여 사용하고 있다.

즉, 근거리 통신 안테나는 휴대기기 내부에 실장하고 , 무선 충전 전력전달용 코일은 휴대기기 외부에 실장하는 데 2개 부품으로 별도 실장하고 있고 , 실장 면적도 각각 별도 차지 하고 있어서 넓은 실장 공간이 필요하다.

신규 기능인 무선 충전 기능을 구비할려는 휴대기기에서 무선 충전 전력전달용 코일을 실장 공간을 마련하기가 쉽지 않다.

그리고 현재 사용하고 있는 무선 충전 전력전달용 코일은 낮은 주파수인 100khz~130khz로 전력전달하므로 전력전달코일 크기가 크다.

종래의 무선충전용 전력전달용 코일 및 근거리 통신 안테나의 종래 기술은 다음과 같다.

무선 충전기 전력전달용 코일의 종래 기술은 종래의 무선 충전 방식은 외부에서 무선 충전 회로 및 코일을 별도의 실장 기구케이스에 실장하여 이것을 휴대용 기기의 외부 충전 코넥트에 접속하여 무선 충전을 실시하였다.

무선전력전달용 코일의 크기는 무선 전력 유도 주파수를 100khz∼130khz를 사용하였으므로 크게 설계되어 있다.

도 1은 종래 방식의 무선 충전 전력전달용 코일 실시 예이며, 코일의 권선수도 8 회, 크기도 32mm 커지게 되었다.

반경 크기도 32mm

무선충전 전력전달 유도 주파수 : 100khz

패턴 선폭 : 1.0 mm

안테나 선간 간격 : 0.3 mm

총권선수 ( turns ) : 8 turns ( 4turns x 1layer x 양면배치 = 8turns )

코일 인덕턴스 : 4.2 μH

근거리통신 안테나의 종래 기술로써, 종래의 근거리 통신 안테나는 휴대폰에서는 밧데리 커버에 실장시키는 방법이 있고 다른 한 방법은 밧데리 위에 실장 시키는 방법이 있다.

근거리 통신 안테나의 송수신 주파수는 13.56Mhz를 사용하며, 안테나 방식은 loop 안테나를 사용하고 있다.

도 2 는 종래의 근거리 통신 안테나 (NFC 안테나 ) 설계 실시 예 및 특성이다 .

NFC 주파수 : 13.56Mhz

선폭 : 0.9mm

선간 간격 :0.2mm

권선수 ( turns ) : 4 turns

안테나 인덕턴스 : 1.38 μH

단, 밧데리 위에 근거리통신 안테나를 실장시키는 경우에는 밧데리 표면이 금속으로 인해 근거리통신 안테나에 유도된 자기장이 밧데리 금속으로 전자기장이 흡수손실되는 것을 막고 자속의 경로를 만들어 주는 것으로 페라이트 시트(ferrite sheet)라 명명하는 전자파흡수체를 사용하며, 근거리통신 안테나와 밧데리 사이에 붙여서 유도되는 자기장 손실을 최소화시켜 준다.

근거리통신안테나와 밧데리 사이에 밧데리 금속으로 전자기장이 손실되는 것을 막고, 안테나성능 저하를 방지하기 위해 전자파 흡수체 시트( 일명 ferrite sheet)를 사용하고 있는데, 무선 전력전달용 코일 또한 밧데리 위에서는 전자기장의 손실로 인해 전자파 흡수체 시트가 없으면 전력전달 손실이 많이 발생하여 전자파 흡수체 시트(ferrite sheet)의 전자파 흡수체 성분은 니켈, 구리 아연 등의 성분을 갖고 있으며, 각 제조사 마다 다른 성분과 조성비를 가지고 있었다.

최근 충전의 편리성을 강조되는 무선 충전 방식의 휴대기기 도입이 시장에서 도입되고 있는 시기이나 소형화의 휴대기기 안에 무선 충전기기용 유도성 코일 실장 공간을 확보하는 데 어려움이 있다.

종래 기술의 문제점은 무선 충전용 유도성 2차 코일을 휴대기기에 내부에 실장하는 면적이 있어야 하며, 근거리 통신 안테나를 실장하는 면적이 별도 있어야 하기 때문에 휴대 기기 내에 2개 소자(무선 충전용 전력전달 코일과 근거리통신 안테나 )를 동시에 실장시키는 공간적 확보에 어려움이 있다.

본 발명의 해결과제는 무선 충전 전력전달용 코일과 근거리통신 안테나의 부품 크기를 작게 하여 작은 공간으로 휴대기기에 실장할 수 있도록 하는 데 있다.

본 발명의 방법에 의하면 근거리통신 안테나와 전력전달 코일의 실장 공간 소형으로 제작하였으며, 근거리통신 안테나 크기로 전력전달 코일을 함께 실장 시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 근거리 통신 안테나와 전력전달 코일을 더 작게 제작하도록 하는 본 발명으로 현재 근거리통신 안테나 크기 수준보다 더 작은 면적에서도 실장할 수 있도록 하였다.

원가측면에서도 근거리 통신 안테나와 전력전달 코일을 하나의 기판 위에 제작하여 부품 수 감소 및 원가 절감을 제공하였다.

도 1 은 종래 기술 방식으로 사용되는 무선 충전 전력전달용 코일의 패턴 구성도이다.
도 2 는 종래 기술로 사용된 근거리 통신 안테나 ( NFC 안테나 ) 의 패턴 구성도이다.
도 3 은 본 발명에 적용된 무선 충전 전력전달용 코일의 소형화 설계 실시 예이다.
도 4 는 도선에 흐르는 전류와 도선 주변에 분포하는 전자기장 분포 유형도이다
도 5 는 근거리 안테나와 전력전달용 코일간의 간격에 따라 근거리통신 안테나에 수신저하 시키는 영향력 도
도 6 은 본 발명이 적용된 근거리 통신 (NFC ; near field communication )안테나와 무선 충전용 코일을 작게 제작한 실시 예이다
도 7 은 본 발명에 적용한 근거리 통신 안테나와 전력전달용 코일와의 간격(gap) 길이에 따른 안테나 성능저하 시험 상관성 시험구성도이다.
도 8 은 본 발명에 적용된 무선 충전기 블럭도 및 무선전력전달 시험도 와 시험 결과
도 9 는 본 발명에 적용된 근거리 통신 (NFC ; near field communication ) 안테나 안에 무선 충전 전력전달용 코일을 실장 시킨 실시 예이다.
도 10 은 본 발명이 적용된 근거리 통신 (NFC ; near field communication ) 안테나와 무선 충전 전력전달용 코일 소형화 개선 설계 실시 예이다
도 11 은 본 발명을 적용한 부품을 휴대 장치의 밧데리 위에 일체형으로 실장하는 실시 예이다.
도 12 는 본 발명을 적용한 부품을 휴대 장치의 금속성 위에 일체형으로 실장하는 방법에 대한 예이다.

일반적으로 사용하는 전자파 흡수체 시트(ferrite sheet) 특성은 투자율(μ)은 약 130 이상인 것을 사용하고, 손실값은 0.5 ∼ 10 수준의 것을 사용한다.

본 발명은 근거리 통신 안테나와 전력전달용 코일을 같은 부품 공간을 공유하여 설계함으로써 실장 면적을 작게 제작하였다.

근거리 통신 안테나와 전력전달용 코일을 실장 면적을 줄이기 위하여 근거리통신 안테나가 구성하는 공간의 내부에 무선 전력전달용 코일을 실장하는 장치를 구성하거나 전력전달용 코일에 구성하는 공간 내부에 근거리 통신 안테나를 실장하는 장치를 제작하였다.

같은 부품 공간을 공유하여 설계하면, 실장 면적을 줄일 수 있으나, 같은 공간을 근거리 통신 안테나와 전력전달용 코일이 사용함으로써, 상호간에 간섭에 의한 근거리 통신 안테나의 성능 저하가 없어야 하고, 전력전달 손실이 발생되지 않게 설계되어야 한다.

즉, 근거리 통신 안테나 성능 저하 없이 무선 충전 전력전달용 코일을 제작하였고, 또한 전력전달 손실 없도록 근거리 통신 안테나를 제작한 후 하나의 기판 위에 실장 구조를 가지도록 만들었다..

본 발명은 이를 해결하기 위해 원인 분석과 대책을 수립하였다.

무선 충전 전력전달용 코일이 근거리통신 안테나에 성능 저하시키는 원인을 다음과 같다.

근거리 통신 안테나 안에 전력전달용 코일을 배치 실장하는 경우, 근거리통신 입출력기기 위에 올려 놓으면 , 근거리통신 입출력기는 13.56Mhz의 주파수로 무선출력을 방사한다 . 이때 13.56Mhz의 무선출력은 근거리 통신 안테나에 유기되어 유도전류가 흐르게 되면서 전자기장이 흐르는 안테나 도선 주변으로 발생하고, 마찬가지로 근거리통신 입출력기기에서 13.56Mhz로 무선 출력되는 것은 무선 충전 전력전달용 코일에도 유도성 코일로 유기되어 유도전류가 흐르게 되고, 전력전달용 코일 도선 주변에 전자기장이 발생된다.

전력전달용 코일 도선에 발생된 전자기장은 근거리통신 안테나에서 발생되는 전자기장을 상쇄 시키는 작용을 한다.

그러므로 근거리 통신 안테나에 유기되는 전류를 감쇄 시켜 수신성능을 저하시킨다.

마찬가지로 , 무선 충전을 할 때는 반대로 무선 충전 유도성 주파수 전력에 의해 근거리통신 안테나에 유기되어 흐르는 유도전류에 의해 발생된 안테나의 전자기장이 전력전달 2차 코일에서 흐르는 유기전류에 의해 발생된 전자기장을 상쇄시키는 작용을 하게 되어 전력전달 손실을 일으키게 하는 원인이 된다.

본 발명은 이러한 상호간의 유도성 전자기장이 상쇄되는 간섭을 줄이기 위해 근거리통신 안테나와 전력전달 코일간 공간적으로 약간의 간격 ( gap)을 주면 해결되는 것을 실험적으로 알 수 있었다.

이론적으로 도선에 흐르는 전류 (I)가 흐를 때 ,도선주변에 분포하는 자속의 세기 및 전자기장 세기( H),

자속의 세기 B = 4 π x 10ⁿ x H

= 4 π x 10ⁿ x 1/ (2π) x I/r

= 2 x 10ⁿ x I/r ( A/m )

r : 도선으로부터 떨어진 거리 (m)

I; 도선에 흐르는 전류 ( A ), ( n = -7)

전자기장 세기 H = I / 2π r = 1/ (2π) x I/r ( A/m )

도 4에서는 도선에 흐르는 전류와 도선 주변에 분포하는 전자기장 분포 유형도를 표시하였다.

위 도선에 흐르는 전류에 대해 도선 주변에 분포하는 거리r에서 전자기장 세기는 도선으로 떨어진 간격에 대해 반비례로 점차 작아진다.

어느 정도 거리까지 전자기장이 분포되어 인접한 도선 , 즉 근거리 통신 안테나 및 전력전달 코일간에 거리에 반비례로 자속 및 전가기장이 분포한다는 것을 알 수 있다.

도 5에서는 근거리 통신 안테나와 전력전달용 코일간의 간격에 따라 근거리통신 안테나에 수신 저하시키는 크기는 전력전달 코일의 자속세기의 영향력 크기를 그래프로 도식화 설명이 되어 있다.

도 7 은 본 발명을 시험하기 위한 시험도이다.

근거리 통신 안테나와 전력전달용 코일와의 간격(gap) 길이에 따른 안테나 성능저하 시험 상관성 시험 구성도를 나타내었다.

근거리 통신 안테나와 전력전달 코일간의 간격 (gap)에 따른 근거리 통신 안테나의 성능 시험 결과는 다음 표 1과 같다.

간격(gap) 근거리통신안테나~전력전달코일간이격거리	규격 통신가능거리	근거리통신안테나의 성능 (근거리통신안테나와 근거리통신기기간 동작 가능 거리)
1.5mm	40mm	6.0mm
3.0mm	40mm	50mm
4.0mm	40mm	54mm
5.0mm	40mm	55mm

수신감도 성능 저하에 대한 간격 근거리통신 안테나와 전력전달용 코일간의 간격 ( GAP) 시험 결과를 보면, 간격이 0∼1.5 mm 사이에서는 심각한 안테나 성능저하로 근거리통신 리더기기와 근거리통신 안테나의 동작거리가 6mm 밖에 되지 않던 것이 3.0mm 간격(gap)으로 배치한 이후로는 거의 영향을 받지 않는 수준으로 급격하게 변화되어 규격을 만족하는 것을 볼 수 있다 .

5mm 간격(gap)으로 배치한 경우에는 근거리통신 리더기와 안테나와의 동작 거리가 55mm로 되어 전혀 상호 간에 상쇄하는 감쇄가 없음을 알 수 있었다.

현재 근거리통신 안테나 성능 규격은 국제규격이 근거리 통신 리드기와 근거리 통신 안테나와의 동작거리가 40mm 이상이다.

실제 실험에서 이러한 발생된 전자기장이 인접한 근거리 통신 안테나에 수신감도 저하에 영향을 얼마나 미치는지 간격(gap)별로 실험을 한 결과는 매우 적은 간격 (gap)을 두고 배치하더라도 상호 성능저하가 발생하지 않음을 알 수 있었고, 소형화 설계를 가능하게 되었다.

상호 간섭으로 성능 저하에 영향을 주는 유도전자기장이 어느 일정 크기 이하이면 그 상호 간의 영향이 급격히 감쇄함을 실험적으로 알 수 있다.

즉, 거리에 따라 반비례하는 자속의 세기가 어느 정도 세기 이하이면 급격히 상호간에 간섭에 따른 성능저하 즉, 성능저하를 발생시키는 유도기전력이 급격히 작아짐을 실험적으로 알 수 있다.

거리에 따라 반비례하는 자속의 세기가 어느 정도 세기 이하이면 급격히 상호간에 간섭에 따른 성능저하 즉, 성능저하를 발생시키는 유도기전력이 급격히 작아짐을 실험적으로 알 수 있다.

3.0mm 간격(gap) 정도에서 약간의 간격을 두고 설계하면, 성능 저하에는 영향이 미미함을 볼 수 있다.

발생된 전자기장이 인접한 근거리 통신 안테나에 수신감도 저하에 영향을 얼마나 미치는지 간격(gap)별로 실험을 한 결과는 매우 적은 간격(gap)을 두고 배치하더라도 상호 성능저하가 발생하지 않음을 알 수 있었고, 소형화 설계를 가능하게 되었다.

근거리통신 안테나 성능 저하 시험을 할 때 주의 할 점은 다음과 같다.

전력전달 코일을 충전회로에 연결하지 않고 open된 상태에서 시험하면 유도 전류가 흐르지 않기 때문에 전자기장이 발생되지 않아 근거리 통신 안테나 성능저하가 발생하지 않는다.

그래서 시험 할 때는 전력전달 코일에 휴대기기의 정류기회로를 적용한 충전회로의 등가 회로인 저항(R), 콘덴서(C)를 직렬로 연결하여 시험하여 폐루프를 만들어 실제 동작 조건으로 만들어 시험하여야 한다.

마찬가지로 무선 전달 전력의 성능저하 즉 전달전력 감소 등을 측정할 때 주의할 점은 근거리 통신 안테나는 반드시 안테나 매칭회로 및 근거리 통신 송수신 회로를 연결하여 폐루프가 형성되도록 해야 한다.

수신감도 성능 저하에 대한 간격 근거리통신 안테나와 전력전달용 코일간의 간격 (GAP) 시험 결과를 보면, 간격이 0∼1.5 mm 사이에서는 심각한 안테나 성능저하로 근거리통신 리더기기와 근거리통신 안테나의 동작거리가 6mm 밖에 되지 않던 것이 3.0mm 간격(gap)으로 배치한 이후로는 거의 영향을 받지 않는 수준으로 급격하게 변화되어 규격을 만족하는 것을 볼 수 있다 .

그러나 실제 실험에서 이러한 발생된 전자기장이 인접한 근거리 통신 안테나에 수신감도 저하에 영향을 얼마나 미치는지 간격 (gap)별로 실험을 한 결과는 매우 적은 간격(gap)을 두고 배치하더라도 상호 성능저하가 발생하지 않음을 알 수 있었고, 소형화 설계를 가능하게 되었다.

본 시험으로 상호 성능 저하 없이 부품면적을 중첩하여 공유 설계로 소형 가능한 구조와 최소 간격을 두고 배치하는 설계사양도 함께 도출하였다.

도 8 은 본 발명을 시험하기 위해 무선 충전기 블럭도 및 무선전력전달 시험도와 시험 결과이다

근거리통신 안테나 성능이 규격을 충분히 만족하는 간격(gap) 배치를 3.0mm로 하였을 때, 전력전달에 시험한 결과 3.5W ( 5V 700mA )가 손실 없이 전달하는 것을 확인할 수 있었다..

3mm 간격을 두고 배열 설계한 경우, 무선 전력전달도 거의 감쇄 없이 전달 됨을 실험적으로 알 수 있었다.

근거리 통신 안테나와 무선전력전달 코일 간의 간격 ( gap )에 따라 무선전력전달 감쇄를 일으키는 시험 결과는 표 2와 같다.

무선전력전달파워(W)	출력(V×A)	전력전달감쇄가 일어나지 않는 최소 간격: 근거리통신안테나~전력전달코일간 간격
3.0W	5V×600mA	2.0mm
3.5W	5V×700mA	2.1mm ~ 3.0mm
4.0W	5V×800mA	2.4mm ~ 3.0mm
5.0W	5V×1A	3.0mm
10W	10V×1A	3.7mm
15W	15V×1A	5.5mm
20W	20V×1A	9.0mm

3.0W의 무선 전력전달 파워가 감쇄되지 않는 최소 간격은 2.0mm가 되며, 3.5W의 무선 전력전달 파워가 감쇄되지 않는 최소 간격은 2.1 mm 로 되며, 4W의 무선 전력전달 파워가 감쇄되지 않는 최소 간격은 2.4 mm로 되었다. 무선으로 전력전달 파워는 5.0W 까지는 근거리통신 안테나와의 간격 ( gap)을 3.0mm 로 하면 전력전달 감쇄 없음을 알 수 있으며, 20W 출력을 감쇄 없도록 하기 위해서는 적어도 근거리 통신 안테나와 전력전달 코일 간의 간격이 9.0mm 이상으로 설계해야 함을 실험적으로 확인되었다. 현재 스마트 폰에서 사용하는 3.5W∼ 5.0W 충전이 필요한 곳에서는 약 3.0mm 정도의 작은 간격으로 소형화로 구현하면서 무선 충전 전력을 전송할 수 있다.

도 3 은 본 발명에서 전력전달용 코일의 면적을 작게 제작한 실 예이다.

부품실장 공간을 줄이기 위해 근거리통신 안테나가 구성하는 공간의 내부에 무선 전력전달용 코일을 실장하는 장치를 구현하기 위하여, 근거리통신 안테나가 구성하는 공간의 내부에 무선 전력전달용 코일을 실장 시킬 수 있도록 작게 하는 수단으로 유도 전력 주파수를 7.0Mhz 주파수를 사용하였다.

무선 충전 전력전달용 2차 코일의 소형화 설계 실시 예로서, 본 코일은 근거리통신 안테나 안에 충분히 내장 실장될 수 있도록 작게 설계한 예이다.

코일의 소형화 방법으로서 무선 충전 유도 주파수를 기존에 100Khz대에서 높은 주파수를 사용하면 코일의 소형화를 할 수 있었다.

실시 예로 7Mhz의 무선 충전 유도 주파수를 사용하였고, 휴대폰 충전 전력인 3.5W의 전력전달이 되도록 설계 및 시험적으로 실시하였다.

도 3에서 무선 충전 전력전달용 2차 코일의 소형화 설계 실시 예에 대한 설계사양이며 코일의 외곽크기도 소형화 구현하였다.

코일의 크기도 35.0 x 18.0 mm (w x l ) 로 작게 제작되어 ,근거리통신 안테나가 구성하는 공간의 내부에 실장 할 수 있도록 하였으며, 종래 방식인 유도전력 주파수를 100 Khz 사용한 종래의 코일의 크기가 직경 32mm 로 크게 되어 있었다.

-코일 외각 크기 (w x l ) : 35.0 x 18.0 mm

-무선 충전 전력전달 유도 주파수 : 7.0 Mhz

-패턴 선폭 : 0.9 mm

-패턴 선간 간격 : 0.1 mm

-총 권선 수 ( turns ) : 4 turns ( 4 turns x 1 layer )

-코일 인덕턴스 : 0.621 μH

근거리통신 안테나 안에 무선 전력전달용 코일을 실장시키기 위해 무선전력전달 코일의 크기를 소형화가 필요하며, 도 3에서 구현한 바와 같이 7 Mhz 유도주파수를 높여서 구현한 전력전달 코일을 사용하여 도 6에서 구현하였다.

도 6은 본 발명이 부품실장 공간을 줄이기 위해 근거리통신 안테나가 구성하는 공간의 내부에 무선 전력전달용 코일을 실장하는 장치이다.

근거리통신 안테나가 구성하는 공간의 내부에 무선 전력전달용 코일을 실장 시키기 위해 무선 충전 전력전달용 코일을 작게 만들기 위한 수단으로 높은 유도 전력 주파수인 7.0Mhz 주파수를 사용하였다.

유도전력전달 주파수가 높아짐에 따라 전력전달 코일의 크기가 작아지는 이유는 높은 유도전력 주파수에서는 작은 인덕턴스 값에서도 3.5W의 동일한 전력전달이 됨을 알 수 있었다.

즉 , 7Mhz 유도전력 주파수를 사용한 경우, 권선수 ( turns ) 가 4 turns 이고 전력전달 코일 인덕턴스가 0.621 μH 값에서 3.5W의 같은 전력전달을 됨을 알 수 있고, 코일의 크기도 35.0 x 18.0 mm (w x l ) 로 작게 제작되어, 근거리통신 안테나가 구성하는 공간의 내부에 실장 할 수 있다.

유도전력 주파수를 100 Khz 사용한 종래의 경우, 8 회전 권선 수이며, 코일 인덕턴스가 4.2μH 되어 크기가 직경 32mm 로 크게 되었다.

유도 전력전달 주파수를 7Mhz 이상 높게 하면 전력전달 코일의 크기를 더 줄일 수 있으며, 실험적으로 7Mhz 이상 50Mhz 까지 가능함을 확인하였다.

그러나 13.56Mhz의 근거리통신 안테나의 크기가 기본적으로 차지하고 때문에 근거리 통신 안테나가 구성하는 공간의 내부에 실장 가능한 전력전달 코일의 크기 정도면 충분하다.

그러나, 300khz 이상 20.0 Mhz까지의 유도 전력전달 주파수를 사용할 수 있으며, 높은 유도 전력 주파수를 사용하여 전력전달 코일은 한 개 이상 다수 개를 근거리통신 안테나가 구성하는 공간의 내부에 실장할 수 있다.

다음은 각 주파수 별로 전력전달 코일 설계한 결과는 다음과 같다

● 300 khz에서 전력전달용 코일의 경우는 무선 충전 전력전달용 코일은 다음과 같다.

-코일외각크기(w x l) : 40.0 x 30.0mm

-무선충전전력전달유도주파수:300 khz

-패턴선폭:0.9mm

-패턴선간간격:- mm 중첩 설계

-총권선수(turns): 16 turns ( 4 turns x 1layer x 4 개 )

4회권선을 4층 PCB에 중첩하여 실장시켰으며, 한편 8층 PCB를 사용한 경우에는 8층으로 PCB에 중첩하여 실장 시킬 수가 있었다.

-코일인덕턴스 : 3.5 μH

-기판재질: PCB 또는 FPCB 설계

● 1.0 Mhz에서 전력전달용 코일의 경우는 무선 충전 전력전달용 코일은 다음과 같다.

-코일외각크기(w x l) : 39.0 x 28.0mm

-무선충전전력전달유도주파수: 1.0 Mkhz

-패턴선폭:0.9mm

-패턴선간간격:- mm 중첩 설계

-총권선수(turns): 12 turns ( 4 turns x 1layer x 3 개 )

-코일인덕턴스 : 3.12 μH

-기판재질: PCB 또는 FPCB 설계

● 20.0 Mhz에서 전력전달용 코일의 경우는 무선 충전 전력전달용 코일은 다음과 같다.

-코일외각크기(w x l) : 33.0 x 17.0mm

-무선충전전력전달유도주파수: 20.0 Mkhz

-패턴선폭:0.7mm

-패턴선간간격:- mm 중첩 설계

-총권선수(turns): 3 turns ( 3 turns x 1layer )

-코일인덕턴스 : 0.43 μH

-기판재질: PCB 또는 FPCB 설계

근거리통신 안테나와 전력전달용 코일을 한 개의 기판 소자 위에 실장하는 장치이며, 근거리통신 안테나와 전력전달용 코일의 제작하는 재질과 구성에 있어서, 근거리통신 안테나와 전력전달용 코일을 한 개의 기판 소자 위에 실장하는 장치로 하였고, 기판 소자의 재질은 PCB 또는 FPCB를 사용하여 상기 근거리 통신 안테나와 상기 전력전달용 코일을 구리층 ( 동박 : 구리 박막 )으로 패턴을 형성 시켜 실장하는 장치이다. 구리층 동박의 두께는 37um, 또는 74um 으로 구성하였다.

또 다른 방법은 기판 재질을 얇은 PC(polycarbonate) 시트 ( 필름 같이 얇은 시트 ) 하고 , 이 시트 위에 에나멜로 코팅한 동선( copper wire )으로 근거리 통신 안테나와 전력전달용 코일을 실장시키는 장치로 하였다. 에나멜로 코팅한 동선 직경은 200um 로 사용하여 구성하였다.

도 6 은 본 발명이 부품실장 공간을 줄이기 위해 근거리통신 안테나가 구성하는 공간의 내부에 무선 전력전달용 코일을 실장하는 장치의 실시 예에 대한 사양이다.

●근거리 통신 안테나 (nfc 안테나 )

-안테나크기:49.8x33.0mm

-NFC주파수: 13.56Mhz

-선폭:0.9mm

-안테나선간간격:0.2mm

-권선수(turns):4turns(1Layer설계,단층설계 )

-안테나인덕턴스 : 1.38μH

-기판재질: PCB또는FPCB설계

●무선 충전용 전력전달용 코일

-코일외각크기(wxl) : 35.0x18.0mm

-무선충전전력전달유도주파수:7.0Mhz

-패턴선폭:0.9mm

-패턴선간간격:0.1mm

-총권선수(turns):4turns (4turnsx1layer:단층설계 )

-코일인덕턴스 : 0.621μH

-기판재질:PCB또는FPCB설계

●간격(gap): 근거리 통신 안테나와 무선 전력전달용 코일 간의 간격

-3.0mm

종래의 근거리 통신 안테나 안에 무선 충전용 코일을 배치 설계하는데 있어서, 종래의 무선 충전 유도 주파수가 100KHZ 대에서는 전력전달용 코일의 크기가 상당히 커서 근거리통신 안테나 안에 내장할 수가 없다.

그래서 본 고안은 근거리통신 안테나 안에 무선 충전 코일을 실장할 수 있도록 소형화 설계를 실시하였다.

도 6은 본발명에서 도 3 에서 7Mhz의 무선 충전 유도 주파수를 높여서 설계한 결과(도 3)를 종래의 근거리통신 안테나(도 2) 안에 실장 배치 설계를 실시한 결과이다.

도 6에 대한 무선 전력전달 전력 및 근거리통신 안테나 성능 저하가 없는 것으로 설계 및 시험 실시한 결과이다.

성능저하 없이 설계하기 위하여 근거리 통신 안테나와 무선전력전달용 코일 간의 간격(gap)을 3mm로 하여 구현하였다

도 9 는 발명의 목적인 부품실장 공간을 줄이기 위해 전력전달용 코일에 구성하는 공간 내부에 근거리 통신 안테나를 실장하는 장치이며, 근거리통신 안테나와 전력전달용 코일을 한 개의 기판 소자 위에 실장하는 장치이다.

무선 충전 전력전달 코일에 구성하는 공간 내부에 근거리 통신 안테나를 실장하였으며, 근거리통신 안테나와 전력전달용 코일의 제작하는 재질과 구성에 있어서, 근거리통신 안테나와 전력전달용 코일을 한 개의 기판 소자 위에 실장하는 장치로 하였고, 기판 소자의 재질은 PCB 또는 FPCB를 사용하여 상기 근거리 통신 안테나와 상기 전력전달용 코일을 구리층 (동박 : 구리 박막)으로 패턴을 형성시켜 실장하는 장치이다. 구리층 동박의 두께는 37um, 또는 74um 으로 구성하였다.

또 다른 방법은 기판 재질을 얇은 PC(polycarbonate) 시트(필름 같이 얇은 시트) 하고 ,이 시트 위에 에나멜로 코팅한 동선( copper wire )으로 근거리 통신안테나와 전력전달용 코일을 실장시키는 장치로 하였다. 에나멜로 코팅한 동선 직경은 200um 로 사용하여 구성하였다.

도 9는 본 발명의 목적인 부품실장 공간을 줄이기 위해 전력전달용 코일에 구성하는 공간 내부에 근거리 통신 안테나를 실장하는 장치의 실시 예이며, 설계 사양은 다음과 같다.

●근거리통신 안테나 (nfc 안테나 )

-안테나크기:42x42mm

-NFC주파수: 13.56Mhz

-선폭:0.9mm

-안테나선간간격:0.1mm

-권선수(turns):3turns(1Layer설계,단층에설계 )

-안테나인덕턴스 : 1.42μH

-기판재질: PCB또는FPCB설계

-무선충전전력전달유도주파수:100khz

-패턴선폭:0.9mm

-선간간격:0.3mm

-총권선수(turns):8turns (4turnsx1layerx양면배치=8turns)

-충전용코일인덕턴스 : 4.2μH

●간격(gap) : 근거리 통신 안테나와 무선전력전달용 코일 간의 간격

-3.0mm

도 10은 PCB 또는 FPCB 재질을 사용한 한 개의 기판 위에 상기 근거통신 안테나와 상기 전력전달 코일을 동박 패턴을 형성을 여러 층에 적층하여 실장하는 장치를 구비한 것으로 근거리 통신 (NFC ; near field communication ) 안테나와 무선 충전용 코일을 작게 구현한 실시 예이다.

하나의 기판인 PCB 또는 FPCB를 사용하였고 한 층에 평면으로 동박으로 4회로 감아서 설계한 것을 4층 복수층에 동박 패턴으로 각 층에 1회씩 감아서 4층에 적층 시켜 구현 하였다.

그 결과 근거리통신 안테나의 크기가 도 6에서 49.8 x 33 ( w x l ) mm 크기가 41.0 x 24 ( w x l ) mm로 크기로 작게 되었으며, 전력전달 코일의 크기도 35 x 18 mm 크기가 27 x 10.0mm로 작게 되었다.

도 10에서 구현한 사양은 다음과 같다.

●근거리 통신 안테나 (nfc 안테나 )

-크기:41x24mm

-NFC주파수: 13.56Mhz

-선폭:0.9mm

-안테나선간간격 :0.13mm

-권선수(turns):4turns(4Layer설계,4층복층설계 )

-안테나인덕턴스 : 1.38μH

-기판재질: PCB또는FPCB설계

●무선충전용 전력전달용 코일

*-코일외각크기(wxl) : 21.0x10.0mm

-무선충전전력전달유도주파수:7.0Mhz

-패턴선폭:0.9mm

-패턴선간간격:0.13mm

-총권선수(turns):4turns (4turnsx4Layer: 4층복층설계 )

-코일인덕턴스 : 0.59μH

-기판재질:PCB또는FPCB설계

-3.0mm∼이상가능함:6mm설계

도 11은 본 발명을 휴대 기기 내에 실장하는 방법에 관한 것이다.

휴대용 기기 내에 실장 시키는 방법의 하나로 밧데리에 실장시키는 방법에서, 근거리 통신 안테나와 밧데리 사이에 삽입하는 하나의 전자파 흡수체 위에 한 개의 기판 위에 상기 전력전달용 코일과 상기 근거리통신 안테나를 올려 실장하는 장치이다.

도 12는 본 발명을 휴대 기기 내에 실장하는 방법에 관한 것이다.

휴대용 기기 내에 실장 시키는 또 하나의 방법으로서, 실드캔 같은 금속성 재질 위에 한 개의 전자파 흡수체 위에 한 개의 기판 위에 근거리통신 안테나와 전력전달용 코일을 올려 실장하는 장치이다.

본 발명을 요약하면 다음과 같다.

본 발명의 목적은 근거리 통신 안테나와 무선 전력전달용 안테나를 제작하는 데 있어서, 상호 간섭으로 인한 성능 저하 없이 설계하는 데 있다.

성능 저하란 근거리 통신 안테나가 통신 거리가 4cm 동작 가능 거리를 유지 하여야 하는데, 근거리 통신 시 형성된 근거리 통신 안테나의 전자계가 무선전력전달용 안테나로 유도된 전자계가 근거리 통신 안테나를 상쇄시키는 역전자계가 발생되어 근거리 통신 안테나의 통신 안테나 성능을 약화 시킨다 . 이로 인한 결과는 근거리 통신 거리가 4cm 되는 거리가 더 짧게 된다.

한편, 반대로 무선 전력전달 시 무선 전력전달 안테나가 발생한 전자계가 근거리 통신 안테나로 유도된 역방향 전자계는 무선전력전달 안테나의 전력전달을 약화 시킨다.

예를 들어 5W 전력을 전달하던 것이 3W 등로 전력전달이 작아지는 것을 알 수 있었다.

본 발명은 근거리 통신 안테나와 무선전력전달용 안테나를 동시에 배치하여 설계하는 데 있어서 상호 역방향 유도 기전력에 의한 상호 간섭을 없애는 설계를 하였다.

본 발명의 결과는 무선으로 전달하는 전력의 크기에 따라 근거리 통신 안테나와 배치가 달라짐을 발견할 수 있었고, 무선 전달 전력이 클수록 근거리 통신 안테나에 역방향 유도 전자계 크기가 커지므로 근거리 통신 안테나의 설계와 상관 관계에 대한 발명으로 하였다.

본 발명의 결과는 5W인 경우는 근거리 통신 안테나와 무선 전력전달 안테나와의 거리가 3mm 이상 간격이 떨어지면, 무선전력을 전달이 약화 없이 전달됨을 알 수 있었다. 또한 근거리 통신 안테나의 동작 거리도 4cm이상인 5cm로 안정적으로 동작됨을 확인할 수 있었다. 10W 인 경우는 3.7mm로 두 안테나 간 간격을 두면 상호 간섭없이 동작됨을 알 수 있었다.

Claims

근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치로서,
외곽부에 형성되는 상기 무선 충전 전력전달용 코일 패턴과, 상기 무선 충전 전력전달용 코일 패턴이 형성되고 남는 내측 영역에 상기 무선 충전 전력전달용 코일 패턴과 2.0mm 이상에서 9.0mm 이하의 이격 거리를 유지하면서 전기적으로 상호 절연 상태로 형성되는 상기 근거리 통신용 안테나 코일 패턴을 갖는 하나의 PCB(Printed Circuit Board) 또는 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)를 포함하고,
상기 근거리 통신용 안테나는 13.56Mhz 주파수에서 동작되는 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치.
제 1항에 있어서,
상기 FPCB는 폴리카보네이트 시트와 에나멜 코팅된 동선(copper wire)으로 상기 근거리 통신용 안테나 패턴 및 상기 무선 충전 전력전달용 코일 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치.
제 1항에 있어서,
상기 하나의 PCB(Printed Circuit Board) 또는 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)를 복수 개 적층 형성하는 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치.
제 1항에 있어서,
상기 무선 충전 전력전달용 코일은 100Khz ~ 7Mhz 사이의 무선 충전 유도 주파수에서 동작되는 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치.
제 1항에 있어서,
상기 근거리 통신용 안테나는 3 턴(turn) 또는 4 턴(turn)으로 나선 형상으로 패턴 형성되는 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치.
제 1항 또는 제 3항에 있어서,
상기 근거리 통신용 안테나 패턴 및 상기 무선 충전 전력전달용 코일 패턴은 두께가 37um 또는 74um인 동박(구리 박막)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치.
제 2항에 있어서,
상기 에나멜 코팅된 동선의 직경은 200um인 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치.
제 2항에 있어서,
상기 PCB, 상기 FPCB 또는 상기 폴리카보네이트 시트 아래에는 전자파 흡수체 시트(ferrite sheet)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치.
제 3항에 있어서,
적층된 상기 PCB 또는 FPCB 중에서 맨 아래에 위치하는 상기 PCB 또는 FPCB 아래에는 전자파 흡수체 시트가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치.
제 8항 또는 제 9항에 있어서,
상기 전자파 흡수체 시트는 한 장으로 구비되는 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치.
제 10항에 있어서,
상기 전자파 흡수체 시트는 투자율(μ)이 130 이상인 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치.
제 11항에 있어서,
상기 전자파 흡수체 시트는 손실값이 0.5 내지 10인 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치.
제 4항에 있어서,
상기 근거리 통신용 안테나 패턴과 연결하는 두 개의 단자와 상기 무선 충전 전력전달용 코일과 연결하는 두 개의 단자가 구비되는 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치.
근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치와 밧데리가 결합된 안테나 및 밧데리 결합체로서,
제 10항의 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치 및
충전 가능한 밧데리를 포함하도록 구성되며,
상기 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 장치의 전자파 흡수체 시트 하부에 상기 밧데리를 위치시키는 것을 특징으로 하는 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전 전력전달용 코일을 실장하는 안테나 및 밧데리 결합체.