KR20160129927A

KR20160129927A - 무선통신 안테나

Info

Publication number: KR20160129927A
Application number: KR1020150061000A
Authority: KR
Inventors: 박종진; 박정일; 신현석
Original assignee: 주식회사 아이엠텍
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2016-11-10

Abstract

본 발명은 폴리머 자성시트(22) 또는 페라이트 자성시트(23)에 의한 상대적으로 낮은 통신효율을 아모퍼스 자성시트(21)에 의한 상대적으로 높은 통신효율로 만회할 수 있도록 하는 한편 아모퍼스 자성시트(21)에 의한 상대적으로 높은 발열온도를 폴리머 자성시트(22) 또는 페라이트 자성시트(23)에 의한 상대적으로 낮은 발열온도로 상쇄시켜 통신효율의 미차를 안으면서도 발열온도의 상쇄에 따른 휴대 단말기의 수명을 보장할 수 있도록 한 무선통신 안테나에 관한 것이다.

Description

무선통신 안테나{ANTENNA FOR WIRELESS COMMUNICATION}

본 발명은 무선통신 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리머 자성시트 또는 페라이트 자성시트에 의한 상대적으로 낮은 통신효율을 아모퍼스 자성시트에 의한 상대적으로 높은 통신효율로 만회할 수 있도록 하는 한편 아모퍼스 자성시트에 의한 상대적으로 높은 발열온도를 폴리머 자성시트 또는 페라이트 자성시트에 의한 상대적으로 낮은 발열온도로 상쇄시켜 통신효율의 미차를 안으면서도 발열온도의 상쇄에 따른 휴대 단말기의 수명을 보장할 수 있는 무선통신 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 무선통신은 스마트 폰, 테블릿 PC, 노트북, PDA 등이 있고, 최근에는 각종 가전제품 등에도 무선통신을 통해 제어할 수 있도록 되어 있다.

무선통신의 선행기술문헌으로서 공개특허 제2013-0113222호(안테나 및 이를 구비한 이동 단말기)를 소개할 수 있다.

도 1은 선행기술문헌과 관련된 이동 단말기의 블록 구성도(block diagram)이다.

이동 단말기(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 무선 통신부(110), A/V(Audio/Video) 입력부(120), 사용자 입력부(130), 센싱부(140), 출력부(150), 메모리(160), 인터페이스부(170), 제어부(180) 및 전원 공급부(190) 등을 포함할 수 있다.

무선 통신부(110)는 방송 수신 모듈(111), 이동통신 모듈(112), 무선 인터넷 모듈(113), 근거리 통신 모듈(114) 및 위치정보 모듈(115) 등을 포함할 수 있고, A/V(Audio/Video) 입력부(120)는 오디오 신호 또는 비디오 신호 입력을 위한 것으로, 카메라(121)와 마이크(122) 등이 포함될 수 있으며, 사용자 입력부(130)는 이동 단말기(100)의 전·후면 또는 측면에 위치하는 버튼(136), 터치 센서(정압/정전)(137)로 구성될 수 있다.

센싱부(140)는 이동 단말기(100)의 개폐 상태, 이동 단말기(100)의 위치, 사용자 접촉 유무, 이동 단말기의 방위, 이동 단말기의 가속/감속 등과 같이 이동 단말기(100)의 현 상태를 감지하여 이동 단말기(100)의 동작을 제어하기 위한 센싱 신호를 발생시키고, 근접 센서(141)를 포함할 수 있으며, 출력부(150)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시키기 위한 것으로, 이에는 디스플레이부(151), 음향 출력 모듈(152), 알람부(153) 및 햅틱 모듈(154) 등이 포함될 수 있다.

메모리부(160)는 제어부(180)의 처리 및 제어를 위한 프로그램이 저장될 수도 있고, 입/출력되는 데이터들(예를 들어, 전화번호부, 메시지, 오디오, 정지영상, 동영상 등)의 임시 저장을 위한 기능을 수행할 수도 있다.

인터페이스부(170)는 이동 단말기(100)에 연결되는 모든 외부기기와의 통로 역할을 한다. 인터페이스부(170)는 외부 기기로부터 데이터를 전송받거나, 전원을 공급받아 이동 단말기(100) 내부의 각 구성 요소에 전달하거나, 이동 단말기(100) 내부의 데이터가 외부 기기로 전송되도록 한다. 예를 들어, 유/무선 헤드셋 포트, 외부 충전기 포트, 유/무선 데이터 포트, 메모리 카드(memory card) 포트, 식별 모듈이 구비된 장치를 연결하는 포트, 오디오 I/O(Input/Output) 포트, 비디오 I/O(Input/Output) 포트, 이어폰 포트 등이 인터페이스부(170)에 포함될 수 있다.

제어부(controller)(180)는 통상적으로 이동 단말기의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어 음성 통화, 데이터통신, 화상 통화 등을 위한 관련된 제어 및 처리를 수행한다. 제어부(180)는 멀티 미디어 재생을 위한 멀티미디어 모듈(181)을 구비할 수도 있다.

전원 공급부(190)는 제어부(180)의 제어에 의해 외부의 전원, 내부의 전원을 인가받아 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급한다.

전원 공급부(190)는 예를 들어 배터리, 연결포트, 전원공급제어부 및 충전모니터링부를 포함할 수 있다.

도 2는 선행기술문헌에 따른 이동 단말기의 후면 사시도이다.

도 2를 참조하면, 단말기 바디의 후면 즉, 리어 케이스(102)에는 카메라(121')가 추가로 장착될 수 있다. 카메라(121')에 인접하게는 플래쉬(123)와 거울(124)이 추가로 배치될 수 있다. 플래쉬(123)는 카메라(121')로 피사체를 촬영하는 경우에 피사체를 향해 빛을 비추게 된다.

도 3은 선행기술문헌에 따른 이동 단말기의 후면후면커버(103)를 분리하여 리어 케이스의 표면을 도시한 후면 사시도이다.

도 3을 참조하면, 프론트 케이스(101), 리어 케이스(102), 후면커버(또는 배터리 커버)(103), 카메라(121'), 인터페이스(170), 마이크(122), 음향출력부(152'), 배터리(191), 배터리 장착부(104), USIM카드 장착부(105), 메모리카드 장착부(106)가 도시되어 있다.

리어 케이스(102) 표면에는 배터리 장착부(104), USIM카드 장착부(105) 및 메모리카드 장착부(106)와 같은 외장부품이 실장될 수 있는 공간을 구비할 수 있다. 일반적으로 리어 케이스(102)의 표면에 실장되는 외장부품은 이동 단말기(100)의 기능이 다양화되고 다양해진 소비자의 요구를 충족시키기 위해 이동 단말기(100)의 기능을 확장할 수 있도록 하기 위함이다.

안테나(200)는 이동 단말기(100)의 기능이 다양화되면서 외부 장치 및 서버와 무선 통신을 할 필요성이 높아졌다. 예를 들면, DMB(Digital Multimedia Broadcasting)의 EPG(Electronic Program Guide) 또는 DVB-H(Digital Video Broadcast-Handheld)의 ESG(Electronic Service Guide) 등의 방송정보를 수신하기 위한 안테나(200)나, Wibro, HSDPA, GSM, CDMA, WCDMA, LTE 등 무선인터넷을 위한 안테나(200), 근거리 통신(short range communication) 기술로 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(IrDA, infrared Data Association), UWB(Ultra Wideband), ZigBee 근거리 무선통신을 위한 안테나(200) 등이 필요하다.

이러한 안테나(200)는 전파의 수신을 위해 넓은 면적에 형성하는 것이 바람직하고 다른 전자부품들의 영향을 받지 않기 위해 이동 단말기(100)의 표면 쪽에 위치함이 바람직하다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 일반적으로 전자부품이 실장 되지 않아 넓은 면적을 확보할 수 있는 후면커버(103)에 안테나(200)를 배치한다.

도 4는 선행기술문헌에 따른 안테나(200)가 이동 단말기(100)의 후면커버(103)에 부착된 것을 도시한 평면도이다.

선행기술문헌의 안테나(200)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 연성기판(210), 2가지 종류의 패턴, 자성시트(230)를 주요구성으로 한다.

패턴은 크게 2가지 종류로 고주파용 패턴(220)과 저주파용 패턴(225)으로 구분된다. 즉, 서로 다른 주파수 대역을 이용하는 것을 특징으로 하며, 고주파용 패턴(220)은 무선통신에 적합하고, 저주파용 패턴(225)은 주로 배터리의 무선충전에 적합하다.

이동 단말기(100)에 이용되는 무선충전기술은 전자기 유도 원리를 이용한다.

전자기 유도는 전류를 흘려 자기장을 형성하고, 그 위에 이동 단말기(100)를 놓으면 이동 단말기(100)에 장착된 저주파용 패턴, 즉 무선 충전용 코일(225)에 전류가 흘러 충전이 된다.

전송하는 전력량에 따라 주파수가 달라질 수 있으나, 일반적으로 이동 단말기(100)와 같은 소형 가전제품에 이용되는 전력은 수백 ㎑이하로 비교적 낮은 주파수를 이용한다.

무선통신은 이동 단말기(100)의 기능이 다양화되면서, 전화통화를 위한 전파의 전송 이외에 NFC(Near Field Communication), RFID(Radio Frequency Identification) 등의 기능을 위해서도 안테나가 필요하다. 특히 무선통신 기술에 따라 이용하는 주파수는 다르며, 많은 양의 데이터를 전송하기 위해 무선 충전에 이용되는 주파수에 비해 상대적으로 고주파를 이용한다.

선행기술문헌의 무선 통신용 안테나(200)가 이용되는 통신 방식의 예로 근거리 무선통신(NFC: Near Field Communication)을 들 수 있다. 근거리 무선통신은 전자태그(RFID)의 일종으로 약 13.56㎒ 주파수 대역을 이용하는 비접촉식 무선통신 모듈이다.

10㎝의 가까운 거리에서 단말기(100) 간의 데이터를 전송하는 기술로서, 통신거리가 짧기 때문에 상대적으로 보안이 우수하고 가격이 저렴해 주목받는 차세대 근거리 통신기술이다. 데이터 읽기와 쓰기를 모두 이용할 수 있으며, 블루투스처럼 기기간에 설정이 필요 없어 최근 이동 단말기(100)에 근거리 무선통신 기능을 부가하고 있다.

무선충전을 위해서는 충전장치에 적치되는 이동 단말기(100)의 위치에 관계없이 충전이 잘 이루어지도록 이동 단말기(100)에 넓게 무선 충전용 코일(225)이 배치되는 것이 필요하다.

또한, 근거리 무선통신의 경우도 통신을 위해 리더기에 근접시키기 때문에 안테나(225)의 위치에 따라 통신이 원활하게 이루어지지 않을 수 있기 때문에 도 4에 도시된 바와 같이 넓은 면적에 균일하게 고주파용 패턴(220)이 배치되는 것이 바람직하다.

즉, 무선충전이나 근거리 무선통신 모두 가까운 거리에서 이루어지는 것이므로, 원거리 통신을 위한 안테나에 비해 넓은 면적에 고르게 분포하여야 하며, 상술한 바와 같이 후면커버(103)에 배치하는 것이 바람직하다.

무선 충전용 코일(225)과 무선 통신용 안테나(225)가 같은 위치에 배치되면 서로 간섭이 일어날 수 있으므로, 외측의 제1 영역과 내측의 제2 영역으로 나누어 각각 배치할 수 있다.

도면상에는 제1 영역에 고주파용 패턴(220)이 제2 영역에 저주파용 패턴(225)이 위치하는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고 서로 위치가 바뀔 수도 있다. 상기 패턴들은 넓은 면적을 커버하기 위해 소용돌이 모양으로 형성된다.

한편, 스마트 폰, 테블릿 PC, 노트북 또는 PDA(Personal Digital Assistants) 등과 같은 무선 통신 단말기는 그 특성상 재충전이 가능한 배터리로 구동되며, 이러한 배터리를 충전하기 위해서는 별도의 충전 장치를 이용하여 무선 통신 단말기의 배터리에 전기 에너지를 공급한다.

근래에는 무선 충전 또는 무접점 충전 기술이 개발되어 많은 전자기기에 활용되고 있다. 이러한 무선 충전 기술은 무선 전력 송수신을 이용한 것으로서, 예를 들어 휴대 단말기를 별도의 충전 커넥터를 연결하지 않고, 단지 충전 패드에 올려놓기만 하면 자동으로 배터리가 충전이 될 수 있는 시스템이다.

이러한 무선 충전 기술에는 크게 코일을 이용한 전자기 유도방식과, 공진(Resonance)을 이용하는 공진방식과, 전기적 에너지를 마이크로파로 변환시켜 전달하는 전파 방사(RF/Micro Wave Radiation)방식이 있다.

현재까지는 전자기 유도를 이용한 방식이 주류를 이루고 있으나, 최근 국내외에서 마이크로파를 이용하여 수십 미터 거리에서 무선으로 전력을 전송하는 실험에 성공하고 있어, 가까운 미래에는 언제 어디서나 전선 없이 모든 전자제품을 무선으로 충전하는 세상이 열릴 것으로 보인다.

전자기 유도에 의한 전력 전송 방법은 1차 코일과 2차 코일 간의 전력을 전송하는 방식이다. 코일에 자석을 움직이면 유도 전류가 발생하는데, 이를 이용하여 송신단에서 자기장을 발생시키고 수신단에서 자기장의 변화에 따라 전류가 유도되어 에너지를 만들어 낸다. 이러한 현상을 자기 유도 현상이라고 일컬으며 이를 이용한 전력전송 방법은 에너지 전송 효율이 뛰어나다.

전자기 유도 방식은 가장 실용화가 많이 이루어져 있는 방식으로 다양한 기기에 응용되고 있다.

공진 방식은 2005년 MIT의 Soljacic 교수가 Coupled Mode Theory로 공진 방식 전력 전송 원리를 사용하여 충전장치와 몇 미터나 떨어져 있어도 전기가 무선으로 전달되는 시스템을 발표했다.

MIT팀의 무선 충전시스템은 공명(resonance)이란 소리굽쇠를 울리면 옆에 있는 와인잔도 그와 같은 진동수로 울리는 물리학 개념을 이용한 것이다. 연구팀은 소리를 공명시키는 대신 전기 에너지를 담은 전자기파를 공명시켰다. 공명된 전기 에너지는 공진 주파수를 가진 기기가 존재할 경우에만 직접 전달되고 사용되지 않는 부분은 공기 중으로 퍼지는 대신 전자장으로 재흡수되기 때문에 다른 전자파와는 달리 주변의 기계나 신체에는 영향을 미치지 않을 것으로 보고 있다.

전파 방사 방식은 전력 에너지를 무선 전송에 유리한 마이크로파로 변환 시켜 에너지를 전달하는 새로운 개념의 전력 전송 방식이다. 라디오나 무선 전화 등과 같이 무선 통신방식에서 이용하는 신호의 개념이 아닌 전기 에너지를 보내는 것으로 보통의 통신이 반송파에 신호를 실어 보내 것이라면 무선 전력 전송은 반송파만을 보내는 방식이다.

무선 랜을 이용하여 단말기를 무선으로 충전하는 시스템은 단말기 내부를 무선 랜을 수신할 수 있는 안테나와 무선 랜 신호와 충전신호를 구별하여 경로를 전환할 수 있는 스위치, 특정 주파수에 따라 매칭이 변하여 DC 성분을 추출하는 공진기, 추출된 DC를 단말기의 메인 전원으로 승압하는 전자기 부스터(Electro magnetic booster)로 구성되어 있다. 전자기 부스터의 출력은 단말기의 충전전압으로 사용된다.

전자기 부스터는 자성체층과 금속코일체를 포함하며, 현재의 무선충전기술은 해당 주파수에 따른(자기공진형 : 100~200kHz / 자기유도형 : 200~300kHz, 6.78MHz)투자율 및 손실율의 값을 만족하기 위해, 자성체 층의 두께 및 금속 코일체의 두께, 감은 수 등이 무선 충전용 전자기 부스터의 주요 인자가 된다.

대한민국 공개특허 10-2013-0113222

본 발명의 목적은 폴리머 자성시트 또는 페라이트 자성시트에 의한 상대적으로 낮은 통신효율을 아모퍼스 자성시트에 의한 상대적으로 높은 통신효율로 만회할 수 있도록 하는 한편 아모퍼스 자성시트에 의한 상대적으로 높은 발열온도를 폴리머 자성시트 또는 페라이트 자성시트에 의한 상대적으로 낮은 발열온도로 상쇄시켜 통신효율의 미차를 안으면서도 발열온도의 상쇄에 따른 휴대 단말기의 수명을 보장할 수 있는 무선통신 안테나를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

플렉시블필름에 패터닝된 루프패턴을 지닌 안테나시트와, 상기 안테나시트를 받쳐주는 자성시트를 포함하는 무선통신 안테나에 있어서,

상기 자성시트는 아모퍼스 자성시트 및 폴리머 자성시트로 이루어져 상기 폴리머 자성시트에 의한 상대적으로 낮은 통신효율을 상기 아모퍼스 자성시트에 의한 상대적으로 높은 통신효율로 만회시키는 한편 상기 아모퍼스 자성시트에 의한 상대적으로 높은 발열온도를 상기 폴리머 자성시트에 의한 상대적으로 낮은 발열온도로 상쇄시키는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

상기 자성시트는 아모퍼스 자성시트 및 페라이트 자성시트로 이루어져 상기 페라이트 자성시트에 의한 상대적으로 낮은 통신효율을 상기 아모퍼스 자성시트에 의한 상대적으로 높은 통신효율로 만회시키는 한편 상기 아모퍼스 자성시트에 의한 상대적으로 높은 발열온도를 상기 페라이트 자성시트에 의한 상대적으로 낮은 발열온도로 상쇄시키는 것을 그 기술적 구성상의 다음 특징으로 한다.

본 발명은 폴리머 자성시트 또는 페라이트 자성시트에 의한 상대적으로 낮은 통신효율을 아모퍼스 자성시트에 의한 상대적으로 높은 통신효율로 만회할 수 있도록 하는 한편 아모퍼스 자성시트에 의한 상대적으로 높은 발열온도를 폴리머 자성시트 또는 페라이트 자성시트에 의한 상대적으로 낮은 발열온도로 상쇄시켜 통신효율의 미차를 안으면서도 발열온도의 상쇄에 따른 휴대 단말기의 수명을 보장할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 선행기술문헌과 관련된 이동 단말기의 블록 구성도.
도 2는 선행기술문헌에 따른 이동 단말기의 후면 사시도.
도 3은 선행기술문헌에 따른 이동 단말기의 후면후면커버를 분리하여 리어 케이스의 표면을 도시한 후면 사시도.
도 4는 선행기술문헌에 따른 안테나가 이동 단말기의 후면커버에 부착된 것을 도시한 평면도.
도 5는 일반적인 무선통신 안테나인 WPT 안테나를 나타내는 구조도 및 분해 사진 나아가 열화상 촬영 사진.
도 6은 무선통신 안테나가 적용된 휴대 단말기를 TX-PAD(송신 패드) 위에 정렬시킨 모습을 촬영한 사진.
도 7은 본 발명에 따른 무선통신 안테나를 나타내는 구조도 및 분해 사진 나아가 열화상 촬영 사진.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 무선통신 안테나를 나타내는 평면도.

본 발명에 따른 무선통신 안테나의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 하고, 그 실시예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이러한 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 더욱 잘 이해할 수 있게 된다.

무선통신 안테나는 원거리(Far Field)에서는 방사선 통신(Radio Communication)을 하고 근거리에서는 인덕터 결합 시스템(Inductor Coupling System)으로 역할을 한다.

무선통신 안테나로서 NFC의 동작 주파수는 13.56㎒이며 루프패턴으로 이루어져 있고, 이러한 루프패턴은 인덕터(Inductor)로서 작용을 하며 서로 커플링(Coupling)된다.

즉, 한 인덕터로부터 또 다른 인덕터 주변을 통과하면, 두 번째 인덕터 안에 유도전류(Induced current)가 생성되고, 이러한 비접촉식 에너지 전달을 이용하는 것이 NFC의 원리이다.

루프패턴은 디바이스가 허용하는 한 많은 표면적을 차지하고 있고, 루프패턴에 전류가 흐르면 강한 자기장을 형성하고, 이 자기장은 루프패턴의 턴 수가 많을수록 비례해서 커진다.

NFC의 리더(Reader)는 리더 안테나를 통해서 13.56㎒에 유발(Exite)되어 자기장을 유도한다. 만약 스마트 폰이 가까이 있을 경우에 이 자기장은 다시 스마트 폰의 NFC 내에 전류를 유도하고, 이 유도된 전류를 읽어냄으로서 커뮤니케이션을 할 수 있다.

무선통신 안테나는 대부분의 경우에 금속 가까이 또는 위에 설치된다. 그렇지만 금속은 시스템 내 무선통신 안테나가 신호를 받는 것을 방해한다. 루프패턴이 금속 가까이 설치되어 있으면 많은 현상들이 일어나는데, 금속은 루프패턴의 인덕턴스(Inductance)를 감소시키기 때문이고, 이에 따라 Q지수(Q-factor)를 떨어뜨려 자기공명 주파수(Self-Resonance Frequency)를 변하게 하며, 더 나아가 자기장이 금속 내에서 와전류(Eddy Current)를 유도하게 된다.

와전류는 렌즈법칙(Lenz's Law)에 따라 반대 방향의 자기장을 생성하고, 이것은 근거리 무선통신 시스템에서 큰 문제가 되는데, 루프패턴이 금속 위에 일반적으로 설치되어 있기 때문이다.

예를 들어, NFC를 금속 표면 가까이에 놓으면 NFC의 성능은 급격히 감소한다. 왜냐하면 자기장이나 전기장 바로 밑에 존재하는 그라운드 면이 이들 전자기장의 세기, 즉 신호의 세기를 크게 감소시키고, 따라서 무선통신 안테나의 근거리 무선통신을 방해하기 때문이다.

이러한 커뮤니케이션의 저하나 실패(Fail)를 막기 위한 가장 단순하고 쉬운 해결책은 안테나와 금속 표면 사이에 공간을 두는 것이다.

예를 들어, 13.56㎒의 경우 2∼3㎝의 자유공간을 무선통신 안테나와 금속 사이에 두면 주변 금속으로부터의 어떠한 영향도 받지 않는다. 그렇지만 스마트 폰이나 테블릿 PC 내에 NFC를 장착할 때에 2∼3㎝의 공기 공간은 거의 불가능하다.

자기장에 의해 금속 내 와류전류가 발생하고, 이에 따라 반대방향의 자기장이 생성되는 것을 막기 위한 좀 더 효과적인 방법은 높은 저항가 및 높은 투자율을 지닌 물질을 이용해서 자기장을 금속으로부터 멀리 벗어나도록 하는 것이다. 즉, 높은 투자율을 갖는 자성시트(Magnet Sheet)를 NFC 안테나와 금속 그라운드 면 사이에 설치하는 것이 필요한 것이다.

이 자성시트는 자기장을 집중시키고, NFC와 그라운드 면 사이의 유효거리를 크게 하는 작용을 하게 된다.

자성시트로서 페라이트 자성시트를 예로 들 수 있다.

페라이트 자성시트는 페라이트 분말과 레진(Resin) 층을 혼합하여 구성되고, 이러한 페라이트 복합재는 페라이트 물질의 딱딱하고 쉽게 깨지는 특성을 부드럽고 쉽게 변형 가능하게 만든다.

더욱 구체적으로 페라이트 자성시트를 NFC와 금속판 사이에 놓으면 자기장을 유도해서 금속의 완전류를 유도하지 않게 한다. 즉, 자기장은 페라이트 자성시트 안에 전달되고 페라이트 자성시트의 높은 저항은 와전류의 생성을 막는다. 결과적으로 반대방향의 자기장은 생성되지 않고 NFC 통신은 방해받지 않게 되는 것이다.

한편, NFC(Near Field Communication)는 전자태그(RFID)의 일종으로 약 13.56㎒ 주파수 대역을 이용하는 비접촉식 무선통신 안테나이고, WPT(Wireless Power Transfer)는 전자기 유도원리, 즉 유도자계 원리에 따라 전류를 흘려 자기장을 형성하고 그 위에 휴대 단말기를 놓아 100∼200㎑ 주파수 대역 또는 6MHz 주파수 대역에서 배터리를 충전케 하는 무선통신 안테나인데, 이들 NFC 및 WPT는 하나의 자성시트로 넓은 대역의 주파수에서 투자율 특성을 유지하기가 어려운 한계가 있다.

더욱 구체적으로, WPT의 무선충전은 수 Watt까지 다루는 반면, NFC와 RFID 등은 통상 1W 이하의 전력을 다루고, WPT에 적합한 자성시트의 소재는 RFID 및 NFC에 비해 더 높은 포화자속밀도 특성을 요구하는 특징이 있다.

또한, WPT 기술 중의 하나인 무선충전표준인 WPC(Wireless Power Consortium)와 PMA(Power Matters Alliance) 방식은 일부 제품에 영구자석(1,500∼3,000Gauss)을 이용하여 송수신간 얼라인(Align)을 맞추는 방식을 사용하기도 하는데, 페라이트 자성시트는 포화자속밀도가 낮아 영구자석에 근접하면 투자율 특성이 심하게 떨어져 WPT용 자성시트로서는 적합하지 않다.

이런 이유 등으로 NFC 및 RFID는 13.56㎒의 고주파에서도 투자율 특성이 좋은 페라이트 자성시트를 사용하여 왔고, WPT는 포화자속 밀도가 높은 폴리머 자성시트를 사용하여 왔다.

폴리머 자성시트의 경우 투자율을 낮출 경우 NFC 및 WPT 모두에서 사용할 수 있지만 낮은 투자율로 인해 두께가 0.2∼0.3T로 두꺼워지는 단점이 있고, 페라이트 자성시트가 폴리머 자성시트와 동일 성능을 갖으려면 0.4T 이상의 두께가 필요하므로 상대적인 경쟁력을 가지게 된다.

WPT에 사용되는 폴리머 자성시트는 투자율 30∼200 사이를 쓰고 있다.

폴리머 자성시트는 일반적으로 무선충전 규격인 QI[WPC의 브랜드명] 또는 PMA의 규격을 만족하기 위해서 0.2∼0.3T의 두께가 필요하다.

초박형의 WPT를 위해서는 투자율이 300이상인 자성시트가 필요하며 0.05∼0.15T의 두께로도 WPT용 안테나에 사용이 가능한 아모퍼스 자성시트를 적용할 수 있다.

다른 한편으로, 보다 얇게 스마트 폰을 만들기 위해서 부품의 두께가 매우 중요하다. 무선통신 안테나는 일반적으로 배터리와 같은 면에 부착되는 구조로 그 두께가 스마트 폰의 두께를 좌우하게 된다.

이에 따라 얇은 자성시트가 필요하고, 나아가 투자율이 높으면서 손실이 적은 얇은 자성시트가 필요한 것이다.

메탈분말을 나노 단위로 분쇄 후 열처리 가공을 한 폴리머 자성시트는 NFC용 페라이트 자성시트에 비해 포화자속 밀도가 높고 보자력이 뛰어나 TX 단말기(송신 단말기)의 영구자석의 자력으로 인한 투자율을 잃지 않아 무선 충전기용 소재로 주로 사용된다.

페라이트 자성시트는 폴리머 자성시트에 비해 투자율이 높고, 손실율이 적고, 주파수 특성이 우수하여 NFC에 주로 사용되지만, 자석에 근접하게 되면 포화자속밀도가 낮아 투자율이 떨어져 무선 충전 안테나에 적합하지 않다.

WPT 안테나용 자성체로 사용되는 폴리머 시트는 투자율이 올라가면 손실률도 같이 증가하여, NFC와 WPT 겸용 안테나에 사용되는 경우에는 투자율은 40∼70 사이에서 주로 사용하게 되며, 안테나 위에 위치한 배터리가 놓이면 배터리 금속 보호팩으로부터의 와전류(Eddy current)가 발생하여 안테나의 성능을 열화시키는 것을 방지하기 위해 일정한 두께(0.2∼0.3 T)를 가져야 한다.

무선 충전기(송신기)는 충전기에 무선충전 수신 모듈(수신 안테나 포함)이 탑재된 스마트 폰이 놓였을 때, Digital 통신과 Analog 통신으로 수신 모듈의 존재 유무를 파악하고 규격에 준한 신호가 회신되어야만 수신모듈에 전력을 송출하기 시작한다.

특히, 영구자석에 있는 무선 충전기인 WPC 규격의 무선 충전기는 자력이 1,500∼3,000gausss이므로 포화자속밀도가 높은 폴리머 자성시트를 사용하지만 송수신 통신에 원활할 정도의 두께가 되어야만 무선충전이 이루질 수 있다.

높은 투자율과 낮은 주파수에서 우수한 자기장 차폐 성능을 갖은 아모퍼스 자성체는 변압기에서 주로 사용되었으나, 상대적으로 높은 수백 ㎑를 사용하는 무선 충전기에는 성능이 떨어져 사용에 어려움이 있었지만, 아모퍼스 자성시트를 열처리 및 분쇄 처리하여 무선충전에서도 사용될 수 있도록 300∼1000대의 투자율을 갖도록 하여 0.1∼0.15T에서도 높은 효율을 갖는 무선 충전 안테나에 사용 가능하게 할 수 있다.

일반 아모퍼스 합금은 수만에서 수십만의 투자율을 가지면 통상 주파수 특성은 1KHz 이하인 특징이 있다.

더욱 구체적으로, 페라이트(Ferrite) 자성시트는 산화철(Fe₂O₃)을 주성분으로 하는 세라믹 자성체를 말하며 Ni(니켈), Zn(아연), Fe(철), Mg(마그네슘) 등과 합성하여 제작되고, 투자율은 약 1,000이하이며, 포화자속밀도는 약 3,000gauss 이고, 전기저항이 높아 와전류 손실이 적어 고주파에서 좋은 특성이 나타내므로 NFC 안테나에 차폐용 자성체로 사용된다.

폴리머 자성시트는 Fe을 주성분으로 하는 자성시트(메탈시트)를 말하며 Cr(크롬), Ni(니켈), Al(알루미늄), Si(규소) 등과 합성하여 제작되고, 투자율은 약 200이하이고, 포화자속밀도는 약 9000∼10,000gauss이며, 전기저항이 낮아 와전류 손실이 크므로 수십∼수백 마이크로 크기의 금속(메탈) 분말 형태로 만들어 폴리머수지와 섞어 시트 형태로 만들며, 포화자속밀도가 페라이트에 비해 수배 크므로 무선전력전달(WPT) 안테나의 차폐용 자성체로 사용된다.

아모퍼스(Amorphous alloy) 자성시트는 Fe을 주성분으로 하는 자성체를 말하며 B(붕소), Si(규소)등의 혼합물을 용융 후 급속 냉각시킨 것으로 비정질 자성체 특성을 가진다. 투자율은 약 300,000이하이고, 포화자속밀도는 12,000∼14,000guass 이며, 와전류 손실을 감소시키기 위해 매우 얇은 판으로 만들어 적층하여 사용하며, 사용 가능한 주파수 범위가 매우 낮고 변압기의 트랜스포머에 사용되고, 높은 포화자속밀도와 높은 투자율 특성으로 무선전력전달 (WPT) 안테나의 차폐용 자성체로 사용된다.

한편, 페라이트 자성시트는 고주파에서도 높은 투자율과 저손실로 NFC 안테나에 사용되고 있으며, WPT 안테나 자성시트로도 사용될 수 있으나 자석이 사용되는 WPT 제품에 사용하기에는 포화자속밀도가 낮아 차폐성능이 절반수준으로 떨어져 사용하지 않으며, 약 0.4mm의 두께로 만든 페라이트를 이용하면 WPT 안테나에 사용될 수 있으나 두께가 큰 이슈인 스마트 폰 등에는 사용하지 않으며, 이 때문에 투자율이 낮아 두께가 두꺼워지는 단점을 가졌지만 페라이트 대비 높은 포화자속밀도를 가진 폴리머 자성시트를 NFC+WPT 콤보 안테나 및 WPT 안테나에 사용할 수 있다.

아모퍼스 자성시트는 높은 투자율과 포화자속밀도로 얇게 만들어도 WPT용 자성시트로 사용할 수 있어 초박형 제품에 특히 바람직하게 된다.

본 발명에서는 이러한 자성시트, 즉 아모퍼스 자성시트, 폴리머 자성시트 및 페라이트 자성시트를 활용하여 본 발명으로 적용코자 하는 것이다.

도 5는 일반적인 무선통신 안테나인 WPT 안테나를 나타내는 구조도 및 분해 사진 나아가 열화상 촬영 사진이고, 도 6은 무선통신 안테나가 적용된 휴대 단말기를 TX-PAD(송신 패드) 위에 정렬시킨 모습을 촬영한 사진이다.

일반적인 무선통신 안테나인 WPT 안테나는 도 5에 도시된 바와 같이 플렉시블필름(11)에 패터닝된 루프패턴(12)을 지닌 안테나시트(10)가 아모퍼스 자성시트(21) 위로 세팅된 구조로 이루어지는데, 이러한 구조로 된 무선통신 안테나인 WPT 안테나가 적용된 휴대 단말기를 도 6에 나타난 바와 같이 TX-PAD 위에 정렬시킨 후 출력전압 5V 및 충전전류 850㎃의 상태에서 열화상 카메라로 촬영한 결과 도 5 및 표 1에 나타난 바와 같이 Hot Spot 온도가 45.7℃로 나타나는 반면 무선 충전효율은 73％였음을 확인할 수 있었다.

[표 1]

도 7은 본 발명에 따른 무선통신 안테나를 나타내는 구조도 및 분해 사진 나아가 열화상 촬영 사진이다.

본 발명에 따른 무선통신 안테나는 도 7에 도시된 바와 같이 플렉시블필름(11)에 패터닝된 루프패턴(12)을 지닌 안테나시트(10)와, 안테나시트(10)를 받쳐주는 자성시트(20)를 포함한다.

본 발명의 핵심 기술에 따라 자성시트(20)는 아모퍼스 자성시트(21) 및 폴리머 자성시트(22)로 이루어져 폴리머 자성시트(22)에 의한 상대적으로 낮은 통신효율을 아모퍼스 자성시트(21)에 의한 상대적으로 높은 통신효율로 만회시키는 한편 아모퍼스 자성시트(21)에 의한 상대적으로 높은 발열온도를 폴리머 자성시트(22)에 의한 상대적으로 낮은 발열온도로 상쇄시키도록 설계된다.

이때, 아모퍼스 자성시트(21) 및 폴리머 자성시트(22)는 서로 평면상 배열, 상호 적층, 상호 일부 적층 및 나머지 평면상 배열 중 어느 하나의 구조로 배치될 수 있다(나아가 추가의 자성시트가 오버랩 될 수 있음은 물론이다).

본 발명의 핵심 기술에 따라 자성시트(20)는 아모퍼스 자성시트(21) 및 페라이트 자성시트(23)로 이루어져 페라이트 자성시트(23)에 의한 상대적으로 낮은 통신효율을 아모퍼스 자성시트(21)에 의한 상대적으로 높은 통신효율로 만회시키는 한편 아모퍼스 자성시트(21)에 의한 상대적으로 높은 발열온도를 페라이트 자성시트(23)에 의한 상대적으로 낮은 발열온도로 상쇄시키도록 설계된다.

이때, 아모퍼스 자성시트(21) 및 페라이트 자성시트(23)는 서로 평면상 배열, 상호 적층, 상호 일부 적층 및 나머지 평면상 배열 중 어느 하나의 구조로 배치될 수 있음은 물론이다(그리고 추가의 자성시트가 오버랩 될 수 있음은 물론이다).

이와 같은 본 발명에 따른 무선통신 안테나는 폴리머 자성시트(22) 또는 페라이트 자성시트(23)에 의한 상대적으로 낮은 통신효율을 아모퍼스 자성시트(21)에 의한 상대적으로 높은 통신효율로 만회할 수 있도록 하는 한편 아모퍼스 자성시트(21)에 의한 상대적으로 높은 발열온도를 폴리머 자성시트(22) 또는 페라이트 자성시트(23)에 의한 상대적으로 낮은 발열온도로 상쇄시켜 통신효율의 미차를 안으면서도 발열온도의 상쇄에 따른 휴대 단말기의 수명을 보장할 수 있도록 한 것이다.

더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 무선통신 안테나는 플렉시블필름(11)에 패터닝된 루프패턴(12)을 지닌 안테나시트(10)가 자성시트(20) 위로 세팅된 구조로 이루어지는데, 특히 자성시트(20)는 아모퍼스 자성시트(21) 및 폴리머 자성시트(22) 또는 아모퍼스 자성시트(21) 및 페라이트 자성시트(23)로 분할된 구조로 이루어져 있고, 이러한 구조로 된 무선통신 안테나를 WPT 안테나로 활용된다 했을 때 휴대 단말기를 도 6에 나타난 바와 같이 TX-PAD 위에 정렬시킨 후 출력전압 5V 및 충전전류 850㎃의 상태에서 열화상 카메라로 촬영한 결과 도 7 및 표 1에 나타난 바와 같이 Hot Spot 온도가 41.7℃로 나타나는 반면 무선 충전효율은 71％였음을 확인할 수 있었다.

결국, 무선 충전효율은 다소 미차가 있지만 그 발열온도의 상쇄로서 휴대 단말기의 수명을 보장한다는 측면에서 더욱 바람직한 것이다.

본 발명에 따라 루프패턴(12)은 도 7에 나타난 바와 같이 WPT 안테나의 단일 모드로 활용되며 이때 통신효율은 무선 충전효율일 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 무선통신 안테나를 나타내는 평면도이다.

본 발명에 따라 루프 안테나는 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 WPT 안테나 및 NFC 안테나의 이중 모드로 활용될 수 있으며 이때 통신효율은 무선 충전효율이고, 나아가 WPT 안테나 및 RFID 안테나의 이중 모드로 활용될 수 있으며 이때 통신효율은 무선 충전효율이 됨은 물론이다.

한편, 본 발명에 따른 자성시트(20)로서 아모퍼스 자성시트(21) 및 폴리머 자성시트(22) 그리고 아모퍼스 자성시트(21) 및 페라이트 자성시트(23)는 그 넓이 및 형상에 특별히 제한되지 않는 것으로 한다.

본 발명은 스마트 폰, 테블릿 PC, 노트북, PDA 및 각종 가전제품 등에 쓰여지는 무선통신 분야에 이용될 수 있다.

10 : 안테나시트 11 : 플렉시블필름
12 : 루프패턴 20 : 자성시트
21 : 아모퍼스 자성시트 22 : 폴리머 자성시트
23 : 페라이트 자성시트

Claims

플렉시블필름(11)에 패터닝된 루프패턴(12)을 지닌 안테나시트(10)와, 상기 안테나시트(10)를 받쳐주는 자성시트(20)를 포함하는 무선통신 안테나에 있어서,
상기 자성시트(20)는 아모퍼스 자성시트(21) 및 폴리머 자성시트(22)로 이루어져 상기 폴리머 자성시트(22)에 의한 상대적으로 낮은 통신효율을 상기 아모퍼스 자성시트(21)에 의한 상대적으로 높은 통신효율로 만회시키는 한편 상기 아모퍼스 자성시트(21)에 의한 상대적으로 높은 발열온도를 상기 폴리머 자성시트(22)에 의한 상대적으로 낮은 발열온도로 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 무선통신 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 아모퍼스 자성시트(21) 및 폴리머 자성시트(22)는 서로 평면상 배열, 상호 적층, 상호 일부 적층 및 나머지 평면상 배열 중 어느 하나의 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 무선통신 안테나.
플렉시블필름(11)에 패터닝된 루프패턴(12)을 지닌 안테나시트(10)와, 상기 안테나시트(10)를 받쳐주는 자성시트(20)를 포함하는 무선통신 안테나에 있어서,
상기 자성시트(20)는 아모퍼스 자성시트(21) 및 페라이트 자성시트(23)로 이루어져 상기 페라이트 자성시트(23)에 의한 상대적으로 낮은 통신효율을 상기 아모퍼스 자성시트(21)에 의한 상대적으로 높은 통신효율로 만회시키는 한편 상기 아모퍼스 자성시트(21)에 의한 상대적으로 높은 발열온도를 상기 페라이트 자성시트(23)에 의한 상대적으로 낮은 발열온도로 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 무선통신 안테나.
제 3 항에 있어서,
상기 아모퍼스 자성시트(21) 및 페라이트 자성시트(23)는 서로 평면상 배열, 상호 적층, 상호 일부 적층 및 나머지 평면상 배열 중 어느 하나의 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 무선통신 안테나.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 루프패턴(12)은 WPT 안테나의 단일 모드로 활용되며 상기 통신효율은 무선 충전효율인 것을 특징으로 하는 무선통신 안테나.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 루프패턴(12)은 WPT 안테나 및 NFC 안테나의 이중 모드로 활용되며 상기 통신효율은 무선 충전효율인 것을 특징으로 하는 무선통신 안테나.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 루프패턴(12)은 WPT 안테나 및 RFID 안테나의 이중 모드로 활용되며 상기 통신효율은 무선 충전효율인 것을 특징으로 하는 무선통신 안테나.