KR20160063191A - 안테나 장치 및 이를 포함하는 근거리 통신용 장치 - Google Patents

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KR20160063191A
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전형진
서정욱
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 개시는 기판; 상기 기판의 상부에 형성되는 제1 코일; 상기 기판의 상부에 형성되며 상기 제1 코일 외부에 형성되는 제2 코일; 및 상기 기판과 상기 제1 코일 사이에 개재되는 자성체 시트;를 포함하는 안테나 장치에 관한 것이다.

Description

안테나 장치 및 이를 포함하는 근거리 통신용 장치{Antenna device and Near field communication device including the same}
본 개시는 안테나 장치 및 이를 포함하는 근거리 통신용 장치에 관한 것이다.
근거리 통신(NFC; Near Field Communication)용 장치는 일정한 주파수 영역에서 10 cm 미만의 거리에서 데이터 교환 및 결재 등을 위한 통신 목적으로 사용된다.
근거리 통신용 장치의 송신 코일에 교류 전류가 인가되어 자력선이 발생하면, 근접한 수신 코일에서 전류가 유도되는 원리를 이용하여 작동한다.
근거리 통신용 장치는 하나의 장치가 송신 안테나 장치, 다른 하나의 장치가 수신 안테나 장치로 작동하면서 교통, 티켓, 모바일 전자 결재 및 기기간 데이터 교환 등의 다양한 분야에서 사용될 수 있다.
근거리 통신 장치는 전자기 유도를 이용하기 때문에 송수신 코일의 위치에 따라 송수신율이 달라진다.
일반적으로 송신 안테나 장치의 코일은 넓은 면적으로 제작되는 것에 비해, 수신 안테나 장치의 코일은 전자기기의 소형화 및 박형화로 인해 작은 면적을 가지도록 만들어진다.
이러한 경우, 송신 안테나 장치의 코일에서 발생된 자기장이 수신 안테나 장치의 코일의 내부와 외부를 지나가기 때문에 이로 인해 통신 거리 및 통신 강도가 감소되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서 이러한 근거리 통신용 장치의 송수신율을 향상시킬 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
한국 공개특허공보 제2014-0072643호 한국 공개특허공보 제2012-0099131호
본 개시는 통신 거리 및 통신 강도를 향상시킬 수 있는 안테나 장치 및 근거리 통신 장치를 제공하고자 한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 기판; 상기 기판의 상부에 형성되는 제1 코일; 상기 기판의 상부에 형성되며 상기 제1 코일 외부에 형성되는 제2 코일; 및 상기 기판과 상기 제1 코일 사이에 개재되는 자성체 시트;를 포함한다.
본 개시의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치는 기판; 상기 기판의 상부에 형성되는 제1 코일; 상기 기판의 상부에 형성되며 상기 제1 코일 외부에 형성되는 제2 코일; 및 상기 기판과 상기 제1 코일 사이에 개재되는 자성체 시트;를 포함하고, 상기 자성체 시트는 상기 기판에 매립되어 배치된다.
본 개시의 또 다른 실시 예에 따른 근거리 통신용 장치는 기판, 상기 기판의 상부에 형성되는 제1 코일, 상기 기판의 형성되며 상기 제1 코일의 외부에 형성되는 제2 코일 및 상기 기판과 상기 제1 코일 사이에 개재되는 자성체 시트를 포함하는 수신 안테나 장치; 및 상기 제1 코일의 직경보다 큰 직경을 가지는 송신 코일을 포함하는 송신 안테나 장치;를 포함한다.
본 개시의 안테나 장치 및 근거리 통신 장치는 제1 코일의 주변에 형성되는 제1 코일이 제1 코일의 외부로 지나가는 자기장으로 인한 기전력을 해소하여 통신 거리 및 통신 강도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 사시도를 도시한 것이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 평면도를 도시한 것이다.
도 4는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 5는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 사시도를 도시한 것이다.
도 6은 본 개시의 또 다른 실시 예인 근거리 통신용 장치의 사시도를 도시한 것이다.
도 7은 송신 안테나에서 수신 안테나로 흐르는 자기력선을 개략적으로 도시한 것이며, 도 8은 도 7의 수신 안테나의 자기력선으로 인한 기전력의 흐름을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 본 실시 예를 설명함에 있어서, 근거리 통신용 장치는 근거리 통신용 송신 장치와 근거리 통신용 수신 장치를 포괄적으로 지칭한다.
또한, 본 발명은 근거리 통신(NFC;Near Field Communication)를 중심으로 설명하였으나, 무접점 전력 전송 장치에 이용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 분해 사시도를 도시한 것이며, 도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 사시도를 도시한 것이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나 장치(100)는 기판(110), 제1 및 제2 코일(121, 122) 및 자성체 시트(130)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 인쇄 회로 기판(PCB; Printed Circuit Board)일 수 있으며, 필요에 따라 평판형의 다른 재질로 형성할 수 있다.
제1 코일(121)은 박형으로 형성될 수 있으며, 제1 코일(121)의 두께는 5 내지 95 ㎛일 수 있다.
제1 코일(121)은 구리(Cu), 알루미늄(Al)과 같은 전도성 물질로 형성될 수 있다.
제1 코일(121)은 나선형 패턴을 가지도록 형성될 수 있으며, 필요에 따라 원형 또는 직사각형 등의 패턴을 가지도록 형성될 수 있다.
제1 코일(121)의 양 단부는 외부와 전기적으로 연결될 수 있으며, 제1 코일(121)의 내측 단부는 비아 전극 등을 이용하여 외부와 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 코일(121)은 근거리 통신을 위한 메인 루프 안테나의 역할 수행할 수 있다.
제2 코일(122)은 박형으로 형성될 수 있으며, 제1 코일(121)의 두께는 5 내지 95 ㎛일 수 있다.
제2 코일(122)은 구리(Cu), 알루미늄(Al)과 같은 전도성 물질로 형성될 수 있다.
제2 코일(122)은 원형 또는 직사각형 등의 패턴을 가지도록 형성될 수 있으며, 필요에 따라 나선형의 패턴을 가지도록 형성될 수 있다.
제2 코일(122)의 양 단부는 그라운드 전극과 연결되어 접지될 수 있다.
제2 코일(122)은 제1 코일(121)의 외부에 형성되며, 제1 코일(121)이 메인 루프 안테나의 역할을 수행할 때, 통신 거리 및 통신 강도를 향상시키는 역할을 할 수 있다.
즉, 제2 코일(122)의 코일 도선의 내측에 제1 코일(121)이 위치하도록 배치된다.
제1 코일(121)과 기판(110)의 사이에는 자성체 시트(130)가 개재될 수 있다.
자성체 시트(130)는 페라이트 시트, 비정질 금속, 금속 분말을 이용한 시트 등을 이용하여 제작될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
페라이트 시트는 NiZnCu, MnZn, 및 (M, Y, W 또는 Z)-type ferrite 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
비정질 금속은 Ni, Fe 및 Co Base로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
금속 분말을 이용한 시트의 경우, 수지는 염소화 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌프로필렌고무, 천연고무, 아크릴로닐릴-부타디엔, 폴리염화비닐, 폴리이미드 계열 및 폴리에스테르 계열의 수지로 이루어진 군으로 부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
자성체 시트(130)는 제1 코일(121)이 메인 루프 안테나 역할을 할 때에 제1 코일(121)로 자장의 흐름을 집중시켜서 통신 거리 및 통신 강도을 향상시킬 수 있다.
특히 자성체 시트(130)는 제1 코일(121)과 기판(130)의 사이에만 개재되며, 제2 코일(122)과 기판(130)의 하부에는 개재되지 않는다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 평면도를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 제1 코일(121)의 폭(L1)은 제2 코일(122)의 폭(L2)에 비해 작은 것을 알 수 있다.
예를 들어, 제2 코일(122)의 넓이(S2)는 제1 코일(121)의 넓이(S1)보다 1배 초과, 3배 이하가 되도록 형성될 수 있다.
제2 코일(122)의 면적(S2)은 제1 코일(121)의 면적(S1)보다 1배 이하인 경우에는 양 코일이 겹치는 문제가 발생하며, 3배 초과인 경우에는 제2 코일(122)이 제1 코일(121)의 외부로 흐르는 자기력선으로 인한 기전력을 막는 역할을 수행하기 어려워 통신 거리 및 통신 강도를 향상시킬 수 없다.
통신 거리 및 통신 강도 향상을 위해 자성체 시트(130)의 넓이(S3)는 제1 코일(121)의 넓이(S1)보다는 크고, 제2 코일(122)의 넓이(S2)보다는 작도록 형성될 수 있다.
자성체 시트(130)의 넓이(S3)가 제1 코일(121)의 넓이(S1)보다 작거나, 제2 코일(122)의 넓이(S2)보다 크게 형성되는 경우, 자장의 흐름을 집중시킬 수 없다.
도 4는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치(200)의 개략적인 분해 사시도를 도시한 것이며, 도 5는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치의 개략적인 사시도를 도시한 것이다.
제1 코일(221)은 박형으로 형성될 수 있으며, 제1 코일(221)의 두께는 5 내지 95 ㎛일 수 있다.
제1 코일(221)은 구리(Cu), 알루미늄(Al)과 같은 전도성 물질로 형성될 수 있다.
제1 코일(221)은 나선형 패턴을 가지도록 형성될 수 있으며, 필요에 따라 원형 또는 직사각형 등의 패턴을 가지도록 형성될 수 있다.
제1 코일(221)의 양 단부는 외부와 전기적으로 연결될 수 있으며, 제1 코일(221)의 내측 단부는 비아 전극 등을 이용하여 외부와 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 코일(221)은 근거리 통신을 위한 메인 루프 안테나의 역할 수행할 수 있다.
제2 코일(222)은 박형으로 형성될 수 있으며, 제1 코일(221)의 두께는 5 내지 95 ㎛일 수 있다.
제2 코일(222)은 구리(Cu), 알루미늄(Al)과 같은 전도성 물질로 형성될 수 있다.
제2 코일(222)은 원형 또는 직사각형 등의 패턴을 가지도록 형성될 수 있으며, 필요에 따라 나선형의 패턴을 가지도록 형성될 수 있다.
제2 코일(222)의 양 단부는 그라운드 전극과 연결되어 접지될 수 있다.
제2 코일(222)은 제1 코일(221)의 외부에 형성되며, 제1 코일(221)이 메인 루프 안테나의 역할을 수행할 때, 통신 거리 및 통신 강도를 향상시키는 역할을 할 수 있다.
즉, 제2 코일(222)의 코일 도선의 내측에 제1 코일(221)이 위치하도록 배치된다.
제1 코일(221)과 기판(210)의 사이에는 자성체 시트(230)가 개재될 수 있다.
자성체 시트(230)의 재질은 페라이트 연자성체일 수 있으며, 바람직하게는 NiZnCu 또는 MnZn 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
자성체 시트(230)는 제1 코일(221)이 메인 루프 안테나 역할을 할 때에 제1 코일(221)로 자장의 흐름을 집중시켜서 통신 거리 및 통신 강도을 향상시킬 수 있다.
특히 자성체 시트(230)는 제1 코일(221)과 기판(230)의 사이에만 개재되며, 제2 코일(222)과 기판(230)의 하부에는 개재되지 않는다.
도 4를 참조하면, 기판(210)에는 홈부(H)가 형성될 수 있다.
자장의 흐름을 집중시키기 위해 자성체 시트(230)를 형성하면, 자성체 시트(230)의 두께만큼 안테나 장치의 총 두께가 증가할 수 밖에 없다.
따라서 안테나 장치의 총 두께가 증가하는 것을 방지하기 위해, 기판(210)에 홈부(H)를 형성하고 자성체 시트(230)를 도 5에서 보는 것과 같이 매립할 수 있다.
도 6은 본 개시의 또 다른 실시 예인 근거리 통신용 장치의 사시도를 도시한 것이다.
또한, 도 7은 송신 안테나에서 수신 안테나로 흐르는 자기력선을 개략적으로 도시한 것이며, 도 8은 도 7의 수신 안테나의 자기력선으로 인한 기전력의 흐름을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6을 참조하면 본 개시의 근거리 통신용 장치는 수신 안테나 장치와 송신 안테나 장치를 포함한다.
송신 안테나 장치는 기판(2110) 및 송신 코일(2121)을 포함한다.
송신 코일(2121)은 박형으로 형성될 수 있으며, 송신 코일(2121)의 두께는 5 내지 95 ㎛일 수 있다.
송신 코일(2121)은 구리(Cu), 알루미늄(Al)과 같은 전도성 물질로 형성될 수 있다.
송신 코일(2121)은 나선형 패턴을 가지도록 형성될 수 있으며, 필요에 따라 원형 또는 직사각형 등의 패턴을 가지도록 형성될 수 있다.
송신 코일(2121)의 양 단부는 외부와 전기적으로 연결될 수 있으며, 송신 코일(2121)의 내측 단부는 비아 전극 등을 이용하여 외부와 전기적으로 연결될 수 있다.
송신 코일(2121)은 근거리 통신을 위한 메인 루프 안테나의 역할을 수행할 수 있다.
수신 안테나 장치는 기판(1110), 제1 및 제2 코일(1121, 1122), 자성체 시트(1130)을 포함한다.
수신 안테나 장치는 휴대용 기기의 배터리 팩 또는 후면의 커버에 부착되어 근거리 통신을 할 수 있다.
휴대용 기기의 소형화 박형화 경향으로 인해 수신 안테나 장치의 역시 소형화, 박형화되고 있다.
이로 인해 송신 안테나 장치와 수신 안테나 장치의 크기 차이가 발생한다.
일반적으로 송신 장치와 수신 장치의 통신 능력을 극대화시키기 위해서는 송신 안테나 장치의 코일의 넓이와 수신 안테나 장치의 코일의 넓이가 서로 유사하여야 한다.
도 7에서 보는 바와 같이, 송신 코일(2121)에 전류가 흐르면 자기력선(굵은 화살표)이 발생할 때, 송신 코일(2121)에서 발생된 자기력선은 제1 코일(1121)을 기준으로 제1 코일(1121)의 내측과 외측으로 동시에 흐르게 된다.
제2 코일(1122)이 없는 경우, 제1 코일(1121)의 내측으로 흐르는 자기력선과 제1 코일(1121)의 외측으로 흐르는 자기력선은 각각 반대 방향의 기전력을 형성시키게 되어 기전력 중 일부가 서로 상쇄된다.
기전력 중 일부가 상쇄되기 때문에 통신 거리 및 통신 강도가 약해지게 된다.
하지만 본 개시의 일 실시 예에 따른 근거리 통신용 장치는 제2 코일(1122)는 제1 코일(1121)의 외부에 형성되기 제1 코일(1121)의 외부로 흐르는 자기력선으로 인한 기전력이 상쇄되는 것을 막을 수 있다.
특히, 제2 코일(1122)이 그라운드 전극에 연결되는 경우, 제1 코일(1121)의 외부로 흐르는 자기장에 의한 기전력을 제거하는 역할을 수행하여 통신 거리 및 통신 강도를 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나 장치는 전술한 실시예들에 한정되지 않으며, 다양한 응용이 가능하다.
또한, 전술한 실시형태들에서는 근거리 통신용 안테나 장치를 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 전력을 충전하여 이용할 수 있는 모든 전자 장치와, 전력을 전송할 수 있는 모든 전력 전송 장치에 폭넓게 적용될 수 있다.
100, 200: 안테나 장치
110, 210: 기판
121, 221: 제1 코일
122, 222: 제2 코일
130, 230: 자성체 시트
H: 홈부

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부에 형성되는 제1 코일;
    상기 기판의 상부에 형성되며 상기 제1 코일 외부에 형성되는 제2 코일; 및
    상기 기판과 상기 제1 코일 사이에 개재되는 자성체 시트;를 포함하는 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 코일은 그라운드 전극과 접지되는 안테나 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 코일의 넓이는 상기 제1 코일의 넓이의 1배 초과, 3배 이하인 안테나 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자성체 시트는 상기 기판에 매립되어 배치되는 안테나 장치.

  5. 제1항에 있어서,
    상기 자성체 시트의 넓이는 상기 제1 코일의 넓이보다 크고, 상기 제2 코일의 넓이보다 작은 안테나 장치.
  6. 기판, 상기 기판의 상부에 형성되는 제1 코일, 상기 기판의 형성되며 상기 제1 코일의 외부에 형성되는 제2 코일 및 상기 기판과 상기 제1 코일 사이에 개재되는 자성체 시트를 포함하는 수신 안테나 장치; 및
    상기 제1 코일의 직경보다 큰 직경을 가지는 송신 코일을 포함하는 송신 안테나 장치;를 포함하는 근거리 통신용 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 코일은 그라운드 전극과 접지되는 근거리 통신용 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 코일은 상기 송신 코일로부터 상기 제1 코일의 외부로 흐르는 자기장에 의한 기전력을 제거하는 역할을 수행하는 근거리 통신용 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제2 코일의 넓이는 상기 제1 코일의 넓이의 1배 초과, 3배 이하인 근거리 통신용 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 자성체 시트는 상기 기판에 매립되어 배치되는 근거리 통신용 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 자성체 시트의 넓이는 상기 제1 코일의 넓이보다 크고, 상기 제2 코일의 넓이보다 작은 근거리 통신용 장치.
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