KR100523313B1 - 무선 식별 안테나용 압소바 및 이를 이용한 무선 식별안테나 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B 로 이루어진 군에서 선택되는 조성을 갖고 비정질 합금을 포함하는 자성시트로 이루어진 RFID 안테나용 압소바, 이를 포함하는 RFID 안테나 및 무선 식별 기기를 제공한다.
Description
본 발명은 무선 식별 안테나용 압소바(absorber), 이를 이용한 무선 식별 안테나 및 이를 구비한 무선 식별 기기, 특히 휴대용 무선 식별 기기에 관한 것이다.
최근, IC 칩을 구비한 트랜스폰더(transponder)와 리더/라이터 사이 또는 트랜스폰더와 리더 사이에서 데이터를 교신하는 무선 식별 시스템(radio frequency identification, 이하 RFID 시스템이라 함)이 보급되고 있다. 이 RFID 시스템은 트랜스폰더 및 리더/라이터 각각에 구비된 안테나를 사용하여 데이터를 교신하기 때문에, 이들을 접촉시키지 않고 트랜스폰더를 리더/라이터로부터 수 cm 내지 수십 cm 떨어뜨려도 통신이 가능하고, 오염이나 정전기 등에 강하므로, 공장의 생산 관리, 물류 유통 및 재고 관리, 입퇴실 관리 등의 여러 분야에서 이용되고 있다.
예컨대, 최근 RFID 시스템을 이용하는 기기로서 휴대전화가 있다. 통상 휴대전화는 본체부와 배터리부가 분리가능하게 연결되어 있는데, RFID 시스템을 이용할 수 있는 휴대전화는 본체부 중 배터리부와 접하게 되는 면에 IC 칩을 구비하도록 구성되어 있고, 배터리부 중 본체부와 접하지 않는 반대 면에 태그 안테나(tag antenna)를 구비하고 본체부와 접하게 되는 면에 배터리를 구비하도록 구성되어 있다. 상기 배터리부를 구성하는 태그 안테나와 배터리는 플라스틱 등으로 이루어진 케이스 내에 내장된 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 본체부의 IC 칩과 배터리부의 태그 안테나가 전술한 RFID 시스템의 트랜스폰더 역할을 하게 되며, 이들은 휴대전화 외부에 위치하는 리더와 데이터를 주고받는다. 구체적으로, 리더 안테나에서는 135 kHz 이하 혹은 13.56 MHz의 주파수, 특히 인덕티브 방식을 사용한 RFID 휴대전화는 13.56 MHz 주파수를 주로 사용하여 무선 전자기파인 사인파가 만들어지며, 이에 의하여 리더 안테나는 태그, 즉 트랜스폰더 안테나 쪽으로 에너지를 전달하고 태그 쪽으로부터 데이터를 받게 된다.
상기와 같은 주파수 영역의 RFID 시스템은 트랜스포머 방식의 인덕티브 전자기 커플링에 의해 상호 통신이 이루어지며, 이를 위해 태그 안테나는 직사각형의 평면 나선형 인덕터로 구성될 수 있다. 통신은 안테나의 LC 회로 공진에 의하여 이루어지며, 공명 진동수는 인덕턴스와 커패시턴스의 조합에 의하여 만들어진다. 트랜스폰더는 통상 병렬공진 회로를 채택하며, 이 경우 트랜스폰더에서 최소의 전류로 최대의 전압을 얻을 수 있도록 하기 위해 LC 진동에 의한 공명진동수에서 임피던스를 최대로 얻을 수 있도록 설계되는 것이 중요하다. 도 1에 리더와 트랜스폰더로 구성된 RFID 시스템이 예시되어 있다. 리더는 13.56 MHz 의 전자기파를 생성시키기 위한 오실레이터(1), 커패시터(2), 저항(3) 및 코일(8)로 구성된다. 트랜스폰더에서는 리더의 코일(8)에서 발생된 자기장(6)이 트랜스폰더에 부착된 RFID 안테나 코일(7)에 도달하여 코일 양단에 전압이 유도되며, 유도된 전압은 RFID 안테나 코일(7)과 병렬로 결합되는 커패시터(2)와 직렬로 결합되는 다이오드(4)를 통과하여 직류 전압이 RFID 칩(5)에 공급된다.
태그 안테나에서 유도되는 전압은 패러데이 법칙과 렌쯔 법칙에 의하여 결정되므로, 높은 전압 신호를 얻기 위해서는 트랜스폰더 안테나 코일에 쇄교하는 자속의 양이 많을수록 유리하다. 자속의 양은 트랜스폰더 안테나 코일에 포함된 연자성 재료의 양이 많을수록, 그리고 그 재료의 투자율이 높을수록 크게 된다. 특히, RFID 시스템은 본질적으로 비접촉에 의한 데이터 통신이기 때문에 리더 안테나에서 만들어지는 무선 전자기파를 태그 안테나로 집속시키기 위해서는 투자율이 높은 자성재료로 이루어진 압소바가 필요하다. 일반적으로 주어진 트랜스폰더용 안테나 코일에서 인덕턴스의 높고 낮음은 사용된 자성재료의 투자율에 비례하는 값으로 주어진다. 통신 과정에서 트랜스폰더 안테나의 인덕턴스가 높을수록 이에 높은 전압이 유기되기 때문에 태그 안테나용 압소바의 재료로서 투자율이 높은 자성재료를 채택하는 것은 데이터를 통신할 수 있는 거리가 증가될 뿐만 아니라 데이터의 오류 확률을 낮출 수 있다.
휴대전화 RFID 안테나용 압소바를 구성하기 위한 종래의 자성 재료로는 Mn-Zn계 또는 Ni-Zn계 산화물을 포함하는 페라이트를 수지와 함께 혼합하여 시트 형태로 제작한 것들이 사용되고 있다. 이와 같은 종래 기술에서는 이들 페라이트의 두께의 불균일로 인해 트랜스폰더 안테나의 인덕턴스의 편차가 심하여 LC 공진 회로의 튜닝이 매우 어렵다. 또한, 두께의 오차 범위를 초과하는 불균일은 이들 기존 자성시트를 배터리 팩 공간 내에 부착할 때 설치의 어려움을 부과할 뿐만 아니라, 데이터의 상호 전달과정에서 이중 코드(binary cord) 데이터의 형성 및 전달과정에서의 오류가 발생하여 불량률이 매우 높다. 또한, 최근 휴대전화는 화상통신, 인터넷 기능 추가, 카메라 등의 고기능성의 제품이 출시되고 있기 때문에 이에 의한 전력 사용량이 증가하여, 주어진 공간 내에서 배터리의 체적을 가능한 크게 하는 것이 필요하다. 그런데, 페라이트로 제작되는 RFID 안테나용 압소바 시트는 0.35 mm 이하의 두께에서는 트랜스폰더 안테나의 RFID 통신을 위한 인덕턴스가 낮아 통신거리가 지나치게 짧아지는 등의 성능 품질이 구현되지 않기 때문에 새로운 재료의 개발이 절실히 요구되고 있다.
한편, 몰리브덴(Mo)을 함유하는 퍼멀로이(permalloy)도 역시 휴대전화 RFID 안테나용 압소바의 자성 재료로서 사용될 수 있는 것으로 알려져 있다. 그런데, 몰리브덴을 함유하는 퍼멀로이는 제조시 구상으로(spherical) 제조된다. 따라서, RFID 안테나용 압소바를 제조하기 위해서는 구상으로 제조된 퍼멀로이 분말을 볼 밀 등을 사용하여 나노 사이즈의 크기로 미세하게 분쇄한 후 이를 프레스를 사용하여 편평화하여야 하므로, 제조공정이 까다롭고 비용이 많이 소요되는 문제가 있다.
본 발명자들은 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B 중에서 선택되는 어느 하나의 조성을 갖고 비정질인(amorphous) 합금을 이용하는 경우, 이 합금 리본은 통상 그 두께가 0.03 mm 이하의 얇은 박막형태로 직접 제조되기 때문에, 기존의 금속 시트에 비해 0.35 mm 이하의 얇고 균일한 두께를 갖는 자성시트를 최소의 공정 및 저비용으로 제조할 수 있다는 사실을 밝혀내었다. 또한, 상기와 같은 합금으로 제작된 자성시트는 포화자속밀도가 기존의 페라이트(0.45 T) 보다 월등히 높고(0.57 T∼1.6 T), 얇은 두께에서도 투자율이 높아서, RFID 통신에서 모듈레이션(modulation)되는 자속을 효과적으로 트랜스폰더 안테나 코일에 집속시킬 수 있는 한편, 휴대폰의 통신과정에서 RFID 통신과 무관한 0.9 GHz 및 1.8 GHz 대역, 그리고 이들 기준 통신 전자파 대역의 고조파 하모닉 성분인 수 GHz 대역의 전자기파를 별도의 금속층과 같은 부품 없이도 페라이트 시트에 비해 우수하게 차단할 수 있다는 사실을 밝혀내었다. 이와 같은 자성시트를 RFID 안테나용 압소바, 특히 휴대전화 등의 휴대용 기기의 RFID 안테나용 압소바로서 사용하는 경우 종래의 문제점을 해결할 수 있다.
이에 본 발명은 전술한 조성으로 이루어진 비결정질 합금으로 이루어진 RFID 안테나용 압소바, 이를 포함하는 RFID 안테나, 및 이를 포함하는 무선 식별 기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B 로 이루어진 군에서 선택되는 조성을 갖고 비정질인 합금을 포함하는 자성시트로 이루어진 RFID 안테나용 압소바를 제공한다.
또한, 본 발명은 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B 로 이루어진 군에서 선택되는 조성을 갖고 비결정질인 합금을 열처리하여 얻어진 합금을 포함하는 자성시트로 이루어진 RFID 안테나용 압소바를 제공한다.
본 발명에 따른 압소바는 전술한 조성의 분말형 합금과 수지의 혼합물로 이루어진 자성시트와 전술한 조성의 리본형 합금으로 이루어진 자성시트가 적층된 형태일 수 있고, 상기 자성시트에는 전술한 조성들 중 2 이상의 조성의 합금들이 혼합되어 있을 수도 있다.
또한, 본 발명은 전술한 본 발명에 따른 RFID 안테나용 압소바 및 안테나 코일을 구비한 RFID 안테나를 제공한다.
또한, 본 발명은 전술한 본 발명에 따른 RFID 안테나를 구비한 무선 식별 기기를 제공한다.
이하에서 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
연자성 재료로서 Fe 합금 또는 비정질의 합금이 사용될 수 있다는 사실은 알려져 있으나, 본 발명에서는 Fe 합금 중 특정 조성, 즉 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B 로 이루어진 군에서 선택되는 조성의 물질을 비정질로 제조한 합금을 이용하여 본 발명의 RFID 안테나용 압소바를 위한 자성시트로 제조함으로써 종래 기술의 문제를 해결할 수 있었다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B 로 이루어진 군에서 선택되는 조성의 물질을 비정질로 제조한 합금을 이용하는 경우, 0.35 mm 이하의 얇고 균일한 두께를 갖는 자성시트로 제조할 수 있다. 종래 기술에서 자성 재료로서 사용된 페라이트나 몰리브덴을 함유한 퍼멀로이의 경우, 이들은 공정 조건과 관계없이 구상의 결정질을 이룬다. 따라서, 페라이트나 몰리브덴을 함유한 퍼멀로이를 이용하여 0.35 mm 이하의 얇은 두께의 시트를 제조하기 위해서는 미세 분말화를 거쳐 분말의 편평화 공정 등의 복잡한 공정을 거쳐야 하는 문제가 있었다. 또한, 이들 종래 재료들은 얇은 두께일수록 자성을 나타내는 재료의 유효단면적을 확보할 수 없기 때문에 RFID 통신의 거리확보에 필요한 인덕턴스를 높게 만들기에는 한계가 있으며, 제조시 두께가 불균일하여 인덕턴스의 편차가 심한 문제가 있었다.
그러나, 본 발명에서 사용하는 합금의 모형(母型)은 리본 형태의 비정질이기 때문에, 0.35 mm 이하의 얇은 두께의 시트로 용이하게 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 시트의 두께를 균일하게 조절하기 용이하다. 따라서, 본 발명에서는 얇고 균일한 자성시트를 RFID 안테나용 압소바로 사용함으로써, 인덕턴스의 편차를 최소화하여 LC 공진 회로의 튜닝이 용이하고 데이터의 상호 전달 과정에서 이중 코드 데이터의 형성 및 전달과정에서 발생하는 오류를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 자성시트의 제조 과정이 간단하고 제조 비용도 저렴한 장점이 있다.
또한, 종래 기술에 사용된 재료들은 외부로부터 발생하는 RFID 통신과 관련없는 전자기파를 차단하기 위하여 별도의 금속층을 구비해야 하는 등의 문제가 있었다. 그러나, 전술한 본 발명에 따른 합금은 135 kHz 이하 혹은 13.56 MHz의 인덕티브 전자기파를 태그 안테나 코일로 집속시킬 수 있는 동시에 RFID 통신과 관련 없는 수 GHz 대역까지의 전자기파는 차단할 수 있는 특성을 갖는다. 따라서, 전술한 본 발명에 따른 합금을 이용하여 RFID 안테나용 압소바를 제조하는 경우 외부 전자기파 차단을 위한 금속층 등의 별도의 층을 구비할 필요가 없다.
본 발명에 따른 조성의 합금은 목적하는 조성을 이루기 위한 재료 성분들을 혼합한 후 약 106 K/s의 속도로 급속 냉각함으로써 비정질로 제조될 수 있으나, 제조 방법이 이에만 한정되는 것은 아니고 합금을 비정질로 제조할 수 있는 방법이라면 제한되지 않고 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, Fe-Si-B 합금은 Fe가 70-90 atomic%, Si 및 B의 합이 10-30 atomic%인 것이 바람직하다. Fe를 비롯한 금속의 함유량이 높을수록 포화자속밀도가 높아지지만 Fe 원소의 함유량이 과다할 경우 비정질을 형성하기 어려우므로, 본 발명에서는 Fe의 함량이 70-90 atomic%인 것이 바람직하다. 또한, Si 및 B의 합이 10-30 atomic%의 범위일 때 합금의 비정질의 형성능이 가장 우수하다. 이러한 기본 조성에 부식을 방지시키기 위해 Cr 등 내부식성 원소를 수 atomic% 이내로 첨가할 수도 있다.
본 발명에 있어서, Fe-Si-B-Cu-Nb 합금은 Fe가 73-80 atomic%, Si와 B의 합이 15-26 atomic%, Cu와 Nb가 1-5 atomic%인 것이 바람직하다. 이러한 조성 범위가 리본 형태로 제작된 비정질합금이 후술하는 열처리에 의해 나노상의 결정립으로 쉽게 석출될 수 있다.
본 발명에 있어서, Fe-Zr-B 합금은 Fe가 85-93 atomic%, Zr이 5-10 atomic%, B가 2-5 atomic%인 것이 바람직하다. 이러한 조성 영역에서 후술하는 열처리에 의해 나노상의 결정립으로 쉽게 석출될 수 있다.
본 발명에 있어서, Co-Fe-Si-B 합금은 Co가 71-85 atomic%, Fe가 1-8 atomic%, Si 및 B의 합이 12-21 atomic%인 것이 바람직하며, 필요시 Mo, Cr, Ni 등을 수 atomic% 이내에서 첨가하는 것이 가능하다. 이 때 Cr과 Ni의 함량의 합은 2-7 atomic%이내인 것이 바람직하다. Co의 함유량이 낮을수록 최대 자속밀도는 낮으나 투자율이 매우 높으므로 높은 인덕턴스를 얻기에는 낮은 Co 함유량이 유리하지만, Co 함유량에 따라 직류 전류에 의한 바이어스 특성이 크게 달라지므로 시스템과 연계하여 고려해야 한다.
본 발명에 따른 RFID 안테나용 압소바는 전술한 본 발명에 따른 조성의 비결정질 합금을 사용한다는 것을 제외하고는 당 기술분야에 알려져 있는 제조 방법에 의하여 제조될 수 있다.
예컨대, 본 발명에 따른 RFID 안테나용 압소바는 다음과 같이 제조될 수 있다. Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B 중에서 선택되는 조성을 이루기 위한 출발물질로서 Fe-B 또는 Co-B를 혼합하고, 여기에 Si, Cu, Nb, Zr, Mo, Cr, Ni 등의 원료를 조성에 맞도록 선택하여 배합한 후 고주파 유도로를 사용하여 고온의 금속 용융체를 만든다. 이때 첨가되는 원료의 형태는 분말, 과립 혹은 괴 중 어느 것이어도 좋다. 이어서, 이 금속의 용융체를 106 K/s 이상의 속도로 고속 냉각함으로써 리본형 합금을 제조한다. 여기서, 리본형이란 당 업계에서 얇은 두께의 연속 박막 형태를 의미한다. 이어서, 상기 리본형 합금을 볼 밀 등 당 기술분야에 알려져 있는 분쇄방법을 이용하여 분쇄하여 합금 분말을 제조할 수 있다. 합금 분말은 박막 형태의 얇은 두께의 평판형 모양이며, 평판형은 원형, 사각형 혹은 침상이어도 좋으며, 본 발명은 합금 분말의 형태에 의하여 한정되지 않는다.
상기와 같이 제조된 합금 분말을 수지와 혼합하는데, 이 때 필요한 경우 점도를 조절하기 위해 폴리비닐알콜, 알코올 혹은 기타의 휘발성 용매를 첨가하여 배합할 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 수지의 예로는 고무, 폴리이미드, 폴리아미드, 우레탄, 실리콘, 페놀 수지 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다. 합금 분말과 수지의 혼합비는 5:1 - 9:1 사이에서 선정하는 것이 바람직하다. 혼합비가 5:1 이하인 경우 RFID 통신에서 필요한 인덕턴스를 얻기 어렵고, 9:1 이상의 혼합비에서는 시트를 제조하기 어렵다. 배합된 분말을 기재에 0.35 mm 이하의 두께의 박막 상으로 도포하고 건조한 후 기재를 분리함으로써 접착시트를 제조할 수 있으며, 이를 원하는 안테나 크기에 맞게 절단함으로써 본 발명에 따른 RFID 안테나용 압소바에 사용할 수 있다.
상기 RFID 안테나용 압소바의 제조 방법에 있어서, 본 발명에 따른 조성의 리본형 합금 또는 이를 분쇄하여 얻은 합금 분말을 열처리함으로써자성 특성을 향상시키거나 결정립 크기를 nm 사이즈, 바람직하게는 10 nm 정도로 미세화시켜 자기적 성질이 우수하도록 만들 수 있으며, 이와 같이 제작된 합금을 이용하여 본 발명의 RFID 안테나용 압소바를 제조할 경우 압소바의 고주파 특성을 향상시킬 수 있다. 본 발명에서는 열처리 온도를 300 ℃ 내지 600 ℃, 열처리 시간은 최대 10 시간 이내에서 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 RFID 안테나는 안테나 코일과 전술한 RFID 안테나용 압소바로 이루어진다. 예컨대, 본 발명에 따른 RFID 안테나는 도 2a 내지 도 5c에 예시된 바와 같은 구조를 가질 수 있으나, 이들 구조에만 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 RFID 안테나는 플라스틱, PBT, PET 및 이와 유사한 종류의 사출용 재료로 만들어진 케이스 내에 내장될 수 있다.
본 발명에 있어서 안테나 코일은 당 기술 분야에 알려져 있는 재료와 방법으로 제조할 수 있으며, 예컨대 절연필름 등의 베이스판에 전기전도도가 높은 금속 막을 형성하고 에칭이나 펀칭법 등에 의해 코일을 형성하는 방법 등의 다양한 방법을 이용할 수 있고, 인쇄회로기판의 동박 적층판을 사용할 수도 있다. 본 발명에 따른 RFID 안테나의 안테나 코일은 도 2a에 나타난 바와 같이 평면에 수평하게 소용돌이형으로 구성될 수도 있다. 도 2a에는 소용돌이형이 직사각형으로 도시되어 있으나, 이는 원형이어도 좋고 직사각형과 원형을 혼합한 형태 등 다양한 구조를 가질 수 있다. 트랜스폰더용 안테나 코일의 경우 전체 두께를 얇게 하기 위하여 두께가 얇은 레진이 코팅된 동박판을 사용할 수 있다. 본 발명에서 상기 안테나 코일을 형성하기 위한 절연판은 두께가 0.15mm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 RFID 안테나용 압소바는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 합금 분말과 수지를 혼합하여 형성한 자성시트 단층(12)으로 이루어질 수 있다. 또한, 도 3a 내지 3e 및 도 5a 내지 5c에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 압소바는 합금 분말과 수지를 혼합하여 형성한 자성시트(12)와 합금 리본으로 이루어진 자성시트(13, 14, 16)가 적층된 형태일 수 있다. 여기서, 합금 리본으로 이루어진 자성시트는 상기 도면들에 예시된 바와 같이 다양한 형태로 패턴화될 수 있다.
예컨대, 도 3a 및 도 3b는 합금 분말로 제조한 자성시트 하면에 두께가 0.3 mm 이하인 합금 리본으로 제조한 자성시트를 적층한 것으로서, 상기 합금 리본 자성시트층은 폭을 10 mm 이하의 범위로 한 슬리팅된 리본을 일정 간격(15)을 두고 RFID 안테나의 길이가 긴 방향과 평행하게 배열시킨 예를 나타낸 도면이다. 도 3c는 상기 도3a 및 3b와 유사한 구조이나, 슬리팅된 리본의 배열을 RFID 트랜스폰더 안테나의 길이가 짧은 방향과 평행하게 배열시킨 예를 나타낸 도면이다. 도 3d는 슬리팅된 리본의 배열 사이의 빈 공간(15)을 슬리팅된 리본(14)으로 모두 채운 형태의 예를 나타낸 도면이다. 도 3e는 슬리팅된 리본을 서로 직교하도록 적층 배열한 예를 나타낸 도면이다.
도 4a 및 4b와 도 5a 내지 5c는 상면에 안테나 코일이 구비된 절연층의 하면에 슬리팅된 합금 리본이 배열된 구성을 예시한 도면이다. 도 5a와 같은 구성의 안테나는 도 3a의 안테나와 거의 같은 값의 인덕턴스를 나타낸다. 여기서, 안테나 코일이 구비된 절연층에 합금 리본을 접착하는 방법으로는, 접착 방법은 비정질 합금 리본을 슬리팅한 후 수지로 코팅된 유연성 있는(flexible) 기판에 배열시켜 핫 프레스 등을 사용하여 접착하는 방법, 안테나 코일(9)를 구비한 절연판(10)의 크기로 넓은 폭의 리본을 부착시킨 후 식각하여 패터닝하는 방법 등을 포함하며, 여기서 부착 및 패터닝 방법은 특정 방법에 한정되지 않는다.
본 발명에 있어서, 전술한 바와 같이 다른 종류의 자성시트를 적층시키는 경우에는 RFID 통신에서 필요한 인덕턴스를 효과적으로 얻을 수 있기 때문에 동일 두께의 배터리 팩에서 배터리의 용량을 늘이거나, 혹은 배터리 팩의 두께를 더욱 초박형으로 만드는 등의 효과가 매우 크다.
본 발명에서는 안테나 코일과 RFID 안테나용 압소바를 부착시키기 위한 접착층으로서 양면테이프를 사용할 수도 있으며, 이에만 한정되지 않고 RFID 안테나의 성능을 제한하지 않는 범위에서 안테나 코일과 압소바를 결합시키기 위한 다양한 방법이 이용될 수 있다. 또한, 안테나 코일을 제작하기 위하여 수지가 코팅된 유연한(flexible) 얇은 인쇄회로기판을 사용하는 경우, 전술한 접착시트, 특히 합금 리본으로 이루어진 접착시트를 별도의 접착제를 추가하지 않고 상기 인쇄회로기판에 부착할 수 있다. 상기 수지가 코팅된 유연한 얇은 인쇄회로기판이란, 바람직하게는 두께가 0.15 mm 이하이고, 페놀/폴리이미드로 구성된 절연판의 양 표면에 부분 경화된 프리프레그(prepreg) 수지가 코팅되어 있는 것을 의미한다.
배터리팩의 두께 대비 성능을 향상시키는 방법으로는 주어진 배터리의 두께에서 배터리에 사용되는 재료의 유전율을 높여 전기용량을 늘이는 방법, 접착용 양면테이프와 같은 접착층(11)의 두께를 현재 사용되고 있는 두께, 예컨대 0.1 mm, 0.03 mm 또는 0.018 mm 보다 더 얇은 두께로 하는 방법, 자성시트(12)의 두께를 현재 사용하고 있는 0.35∼0.4 mm 보다 더 얇게 하면서도 성능은 기존 두께의 것을 동등하게 유지하는 방법, 인쇄회로 기판 자체의 절연층(10)의 두께를 기존의 0.17∼0.2 mm 보다 더 얇게 하는 방법, 및 안테나 코일(9)의 재료를 구리보다 전기전도도가 높은 은(Ag) 또는 은을 포함하는 페이스트 등으로 처리하여 기존의 동판 두께보다 더 얇게 하는 방법 등이 있으며, 이들 방법을 2가지 이상 조합하여 사용할 수 있다. 이와 같은 방법을 이용하는 경우, RFID 트랜스폰더용 안테나를 포함하는 배터리팩은 동일 두께의 종래 배터리팩에 비하여 사용시간이 20∼30 % 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 RFID 안테나는 무선 식별 시스템을 이용하는 기기에 장착될 수 있으며, 리더/라이터와 트랜스폰더 모두에 적용될 수 있고 그 기기의 종류에 특별히 한정되지 않는다. 특히, 본 발명에 따른 RFID 안테나는 얇은 두께의 압소바를 포함하고 있으므로, 무선 식별 기능을 갖는 휴대용 기기에 장착하는 경우 매우 유용하다. 예컨대, 본 발명에 따른 RFID 안테나는 휴대전화의 배터리부에 장착될 수 있으며, 이와 같은 실시 형태는 도 6에 예시되어 있다. 본 발명에 따른 RFID 안테나는 휴대전화에 적용되는 것과 유사한 방법으로 PDA, 노트북 컴퓨터, 교통카드, 신용카드, 출입카드 등 다양한 기기에 적용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1 및 2
도 2a에 도시된 것와 같은 구조를 갖도록 두께 0.20 mm의 폴리이미드의 절연층 위에 copper 안테나 코일을 1 Oz 규격(코일 두께 0.04 mm)으로 식각하여 형성하였다.
한편, 압소바를 구성하기 위한 자성시트를 제조하기 위하여 비정질 합금 Fe-Si-B를 제조하였다. 구체적으로, 출발 물질로써 Fe-B를 모합금으로 하고, 여기에 조성비에 맞도록 전해철(Fe)과 Si을 배합하여, 용융로에서 함께 녹인 후 Fe79(Si, B)21 조성의 잉곳을 제작하였다. 이어서, 고주파 유도로에 상기 잉곳을 장입한 후 고주파 유도로에 전원을 인가하여 고주파 에너지를 잉곳에 부가함으로써 잉곳을 완전히 녹였다. 이어서, 노즐을 통해 고속으로 회전하는 냉각 롤에 고온의 용융된 상기 조성의 금속을 분사하여 평균 두께가 0.02 mm 의 두께를 갖는 비정질 합금 리본을 제작하였다. 제작된 비정질 리본을 볼 밀에 의하여 분말로 제조하였다. 제조된 분말을 320 ℃에서 7 시간 동안 열처리하였다.
상기와 같이 제조된 합금 분말을 우레탄 수지와 7:1 의 비율로 혼합하고, 이를 기판에 코팅한 후 건조하고 기재를 분리함으로써 두께 0.18 mm(실시예 1) 및 0.25 mm(실시예 2)의 자성시트를 제조하였다.
상기 자성시트를 안테나 코일이 구비된 절연층의 안테나 코일이 구비된 면과 반대 면에 두께 0.025 mm의 양면테이프(9461P, 3M 사, USA)를 이용하여 부착하여, 도 2b와 같은 구조의 RFID 안테나를 제작하였다.
실시예 3 및 4
자성시트용 합금의 실시예 3 과 4는 일본 Hitach 사의 FINEMET 및 독일 Vacuumschmelze 사의 Vitroperm 인 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 조성의 비정질 합금을 사용하였으며, 자성시트의 두께를 0.20 mm(실시예 3) 및 0.25 mm(실시예 4)로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 RFID 안테나를 제조하였다.
실시예 5
자성시트용 합금의 제조시 출발물질로서 Fe-B 를 사용하여, 조성비에 맞도록 전해철(Fe) 및 Zr 원소를 첨가하여 Fe90Zr7B3 조성의 비정질 합금을 제조하고 자성시트의 두께를 0.25 mm로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 RFID 안테나를 제조하였다.
실시예 6
자성시트용 합금의 제조시 출발물질로서 Co-B를 사용하고, 조성비에 맞도록 Co, Si, Fe, Ni 및 Cr 원소를 첨가하여 Co76(Si, B)15Fe4(Cr, Ni)5 조성의 비정질 합금을 제조하고, 자성시트의 두께를 0.40 mm로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 RFID 안테나를 제조하였다.
비교예 1
RFID 안테나에 자성시트로서 Mn-Zn계 페라이트 시트는 Mn과 Zn 의 비율이 2:1 로 구성된 직경이 5 μm인 미세한 페라이트 분말을 사용하여 제작된 두께 0.40 mm의 자성시트를 부착한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 RFID 안테나를 제조하였다.
비교예 2
RFID 안테나에 자성시트로서 Fe 와 Si 를 3:1 의 atomic% 비율로 혼합한 후 고온의 진공 열처리로에서 합금화시킨 후 분쇄한 Fe75Si25 분말을 사용하여 제작된 두께 0.25 mm인 자성시트를 부착한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 RFID 안테나를 제조하였다.
[실험결과]
인덕턴스 성능 측정
실시예 1 내지 4에서 제조된 RFID 안테나에 대하여 13.56 MHz 영역에서 인덕턴스 성능을 측정하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.
| 자성시트 구성 성분 | 자성시트 두께 (mm) | 인덕턴스 (μH) | |
| 실시예 1 | Fe79(Si,B)21 | 0.18 | 6.84 |
| 실시예 2 | Fe79(Si,B)21 | 0.25 | 7.45 |
| 실시예 3 | Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3 | 0.20 | 6.92 |
| 실시예 4 | Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3 | 0.25 | 7.11 |
| 실시예 5 | Fe90Zr7B3 | 0.25 | 7.45 |
| 실시예 6 | Co76(Si,B)15Fe4(Ni,Cr)5 | 0.40 | 8.71 |
| 비교예 1 | Mn-Zn계 페라이트 | 0.40 | 6.35 |
| 비교예 2 | Fe75Si25 | 0.25 | 6.96 |
비교예 1과 실시예 6의 결과를 비교하면, 동일 두께에서 인덕턴스 성능이 37% 향상되었음을 알 수 있다. 실시예 3의 결과를 보면, 비교예 1보다 두께를 절반으로 감소시켰음에도 불구하고 비교예 1보다 인덕턴스 성능이 약 8% 향상되었다. 또한, 실시예 2, 4, 5 및 비교예 2의 실험결과를 비교하면, 실시예의 안테나가 모두 비교예 2에 비하여 성능이 2∼7% 향상되었음을 알 수 있다.
RFID 동작 거리 측정
비교예 1, 2 및 실시예 2에 대하여 RFID 동작 거리를 측정하였다. 측정 방법은 RFID 리더기인 SK사의 모네타를 도 1의 리더부와 같이 설치하고, 비교예 1, 2 및 실시예 2에서 제작된 안테나를 도 6과 같이 배터리 팩에 설치하여 RFID 칩이 포함된 휴대폰을 사용하여 동작 거리를 측정하였다. 측정 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 자성시트 두께 | 인덕턴스(μH) | RFID 동작거리(mm) | |
| 실시예 2 | 0.25 | 7.45 | 35 |
| 비교예 1 | 0.40 | 6.35 | 24 |
| 비교예 2 | 0.25 | 6.96 | 27 |
상기 표 2에 나타나 있는 바와 같이, 실시예 2의 RFID 동작거리는 비교예 1 및 2에 비하여 30∼45 % 가량 더 확보되었다는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명이 휴대폰을 사용한 RFID 통신에서 종래의 짧은 작동거리로 인한 사용자의 불편함을 상당 부분 해소할 수 있음을 의미한다.
실시예 7
자성시트의 두께를 0.23 mm로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 RFID 안테나를 제조하였다. 이 안테나에 대하여 13.56 MHz 영역에서 인덕턴스 성능을 측정하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.
실시예 8 내지 10
실시예 1의 비정질 합금을 이용하여, 합금 분말을 이용한 자성시트 및 합금 리본을 이용한 자성시트를 도 3b 내지 3e와 같이 적층한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 RFID 안테나를 제조하였다. 이들 안테나에 대하여 13.56 MHz 영역에서 인덕턴스 성능을 측정하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.
| 자성시트 구성 성분 | 합금 리본의 배치 방향 | 합금 리본의 폭(mm) | 리본 두께(mm) | 분말시트 두께(mm) | 인덕턴스(μH) | |
| 비교예 1 | Mn-Zn계 페라이트 | - | - | - | 0.40 | 6.35 |
| 비교예 2 | Fe75Si25 | - | - | - | 0.25 | 6.96 |
| 실시예 7 | Fe79(Si,B)21 | - | - | - | 0.23 | 7.18 |
| 실시예 8 | Fe79(Si,B)21 | 안테나의 길이가 긴 방향으로 배치(도 3b 참조) | 1.5 | 0.02 | 0.23 | 8.03 |
| 실시예 9 | Fe79(Si,B)21 | 안테나의 길이가 짧은 방향으로 배치(도 3c 참조) | 1.5 | 0.02 | 0.23 | 8.47 |
| 실시예 10 | Fe79(Si,B)21 | 교차(도 3e 참조) | 1.5 | 0.04 | 0.23 | 7.67 |
두께 0.23 mm 인 합금 분말 자성시트에 두께 0.02 mm의 합금 리본을 부착시킬 경우(실시예 8-10), 인덕턴스는 합금 분말 자성시트만을 사용한 경우(실시예 7)에 비하여 약 7∼18 %의 인덕턴스 성능 향상이 이루어졌으며, 두께 0.4 mm 인 Mn-Zn 페라이트에 비해 약 21-33 %의 인덕턴스 성능 향상이 이루어졌고, 두께 0.25 mm의 Fe75Si25 시트에 비해서도 10-22 %의 성능 향상을 얻을 수 있었다.
실시예 11 내지 14
안테나 코일을 형성한 절연층으로서 부분 경화된 프리프레그 수지가 코팅되고 페놀/폴리이미드로 이루어진 기판을 사용하였으며, 절연층의 두께를 각각 0.080mm(실시예 11), 0.050mm(실시예 12), 0.025mm(실시예 13), 0.013mm(실시예 14)로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 RFID 안테나를 제조하였다. 이의 13.56 MHz에서의 공심인덕턴스 및 직류 저항을 하기 표 4에 나타내었다.
비교예 3 및 4
안테나 코일을 형성한 절연층의 두께를 각각 0.17mm 및 0.20mm로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 RFID 안테나를 제조하였으며, 이의 13.56 MHz에서의 공심인덕턴스 및 직류 저항을 하기 표 4에 나타내었다.
| 코일과 절연층의 두께 (mm) | 절연층 두께(mm) | 코일을 이루는동판 두께(mm) | 직류저항(Ω) | 공심인덕턴스(μH) | |
| 비교예 3 | 0.210 | 0.170 | 0.04 | 0.728 | 4.93 |
| 비교예 4 | 0.240 | 0.200 | 0.04 | 0.732 | 4.92 |
| 실시예 11 | 0.120 | 0.080 | 0.04 | 0.731 | 4.94 |
| 실시예 12 | 0.090 | 0.050 | 0.04 | 0.730 | 4.93 |
| 실시예 13 | 0.065 | 0.025 | 0.04 | 0.727 | 4.91 |
| 실시예 14 | 0.053 | 0.013 | 0.04 | 0.732 | 4.92 |
상기 실시예들은 배터리 팩의 두께를 현재보다 더욱 얇게 만들거나 혹은 현재와 같은 동일 두께의 배터리 팩에서 배터리의 성능을 최소 20 % 이상 증가시킬 수 있는 방법 중의 일환으로 실시된 것이다. RFID에 사용되는 안테나의 공심인덕턴스를 동일한 수준으로 유지하면서 안테나 자체의 절연층의 두께를 얇게 함으로써 RFID 안테나의 두께를 기존에 사용되는 두께에 비해 22-57% 수준으로 얇게 제작하였다. 실시예 11 내지 14의 안테나는 실시예 1 내지 10의 안테나보다 더욱 효과적이다.
실시예 15 및 비교예 5
자성시트의 두께를 0.35 mm로 한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 제조한 페라이트 시트(비교예 5) 및 자성시트의 두께를 0.35 mm로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한 비정질 합금 분말 시트(실시예 15)의 고주파 흡수율을 측정하였다. 측정 방법은 해당 주파수 별로 전자기파의 에너지를 자성시트에 공급한 후 자성시트의 반대 측으로 투과되는 전자기파의 에너지와 비교하여 고주파 흡수율을 측정하였다. 측정 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
| 고주파(GHz) | |||||
| 2 | 3 | 5 | 6 | ||
| 고주파 흡수율(dB) | 실시예 15 | -0.9484 | -1.2445 | -1.6892 | -1.9617 |
| 비교예 5 | -0.7756 | -0.9045 | -1.0008 | -1.1084 | |
| 비교예 5에 대한 실시예 15의 고주파 흡수율의 향상 비율(%) | 22.2 | 37.5 | 68.7 | 76.9 | |
상기 표 5에 나타난 바와 같이, 실시예 15의 자성시트는 비교예 5의 자성시트에 비하여 수 GHz 대역의 전자기파의 차단효과가 우수하다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 RFID 안테나용 압소바는 0.35 mm 이하의 얇고 균일한 두께로 제조될 수 있으므로 인덕턴스 편차가 크지 않고, 상기와 같이 얇은 두께로도 투자율이 우수하기 때문에 이를 RFID 트랜스폰더용 안테나 압소바에 적용시킬 경우 RFID 통신에 필요한 전자기파인 135 kHz 이하의 주파수 영역 및 13.56 MHz 주파수의 동작주파수에서 높은 인덕턴스 성능의 기능을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 RFID 안테나용 압소바는 무선 식별 기능을 갖는 기기에 장착되는 경우, 데이터 형성 및 전달의 오류를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 기기의 박막 및 경량화를 달성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 RFID 안테나용 압소바는 별도의 차단 층 없이도 기기에 장착된 전자 회로에서 발생되는 수 GHz 대역의 전자기파를 흡수하기 때문에 별도의 전도성 시트를 부착하지 않더라도 상당한 정도의 노이즈 감쇄 효과를 얻는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 RFID 안테나용 압소바는 특히 휴대전화와 같은 휴대용 기기에 유용하다.
도 1은 RFID 시스템의 인덕티브 커플링을 예시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 하나의 실시 상태에 따른 합금 분말을 이용하여 제조한 자성시트로 이루어진 압소바를 구비한 RFID용 안테나의 구조를 나타낸 것이다.
도 2b는 도 2a의 A-A' 선의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 하나의 실시 상태에 따른, 합금 분말로 이루어진 자성시트와 합금 리본으로 이루어진 자성시트가 적층된 압소바를 구비한 RFID용 안테나의 구조를 나타낸 것이다.
도 3b는 도 3a의 B-B' 선의 단면도이다.
도 3c는 본 발명의 하나의 실시 상태에 따른, 합금 분말로 이루어진 자성시트와 합금 리본으로 이루어진 자성시트가 적층된 압소바를 구비한 RFID용 안테나의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3d는 본 발명의 하나의 실시 상태에 따른, 합금 분말로 이루어진 자성시트와 합금 리본으로 이루어진 자성시트가 적층된 압소바를 구비한 RFID용 안테나의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3e는 본 발명의 하나의 실시 상태에 따른, 합금 분말로 이루어진 자성시트와 합금 리본으로 이루어진 자성시트가 적층된 압소바를 구비한 RFID용 안테나의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 하나의 실시 상태에 따른 합금 리본으로 이루어진 압소바를 구비한 RFID용 안테나의 구조를 나타낸 것이다.
도 4b는 본 발명의 하나의 실시 상태에 따른 합금 리본으로 이루어진 압소바를 구비한 RFID용 안테나의 구조를 나타낸 것이다.
도 5a는 본 발명의 하나의 실시 상태에 따른, 합금 분말로 이루어진 자성시트와 합금 리본으로 이루어진 자성시트가 적층된 압소바를 구비한 RFID용 안테나의 구조를 나타낸 것이다.
도 5b는 도 5a의 E-E'선의 단면도이다.
도 5c는 본 발명의 하나의 실시 상태에 따른, 합금 분말로 이루어진 자성시트와 합금 리본으로 이루어진 자성시트가 적층된 압소바를 구비한 RFID용 안테나의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시 상태에 따른 RFID용 안테나를 휴대폰 배터리에 장착한 예를 도시한 것이다.
[도면의 주요 부호에 대한 설명]
1 오실레이터 2 커패시터
3 저항 4 다이오드
5 RFID 칩 6 자기장
7 트랜스폰더 코일 8 리더 코일
9 안테나 코일 10 절연판
11 접착층 12 합금 분말로 이루어진 자성시트
13, 14, 16, 17, 18 합금 리본으로 이루어진 자성시트
15, 19 빈공간 20 배터리
21, 22 배터리부의 케이스
Claims (11)
- Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B로 이루어진 군에서 선택되는 조성을 갖고 비정질인 합금을 1종 이상 포함하는 자성시트로 이루어진 RFID 안테나용 압소바.
- 제1항에 있어서, 상기 비정질 합금은 300 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 10 시간 이하의 시간으로 열처리된 것인 RFID 안테나용 압소바.
- 제1항에 있어서, 상기 자성시트는 Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Zr-B 및 Co-Fe-Si-B로 이루어진 군에서 선택되는 조성을 갖는 합금을 2종 이상 혼합하여 이루어지는 것인 RFID 안테나용 압소바.
- 제1항에 있어서, 상기 압소바는 상기 비정질 합금의 분말과 수지의 혼합물로 이루어진 자성시트와 상기 비정질 합금의 리본형으로 이루어진 자성시트가 적층된 2 이상의 자성시트를 포함하는 것인 RFID 안테나용 압소바.
- 제1항에 있어서, 상기 자성시트의 두께는 0.35 mm 이하인 것인 RFID 안테나용 압소바.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 기재된 RFID 안테나용 압소바 및 안테나용 코일을 구비한 RFID 안테나.
- 제6항에 있어서, 상기 안테나는 그 위에 안테나용 코일을 형성되는 절연층을 포함하고, 이 절연층의 두께는 0.15 mm 이하인 것인 RFID 안테나.
- 제7항에 있어서, 상기 절연층은 적어도 하나의 표면에 부분경화된 프리프레그 수지가 코팅되어 있는 것인 RFID 안테나.
- 제8항에 있어서, 상기 절연층 중 부분경화된 프리프레그 수지가 코팅된 하나의 표면에 상기 RFID 안테나용 압소바를 구성하는 비정질 합금 리본으로 이루어진 자성시트가 직접 부착되어 있는 것인 RFID 안테나.
- 제6항에 기재된 RFID 안테나가 장착된 무선 식별 기기.
- 제10항에 있어서, 상기 무선 식별 기기는 휴대용 기기인 것인 무선 식별 기기.
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