본 논문에서는 모바일폰에 적용되는 종래의 코일형 무선 전력 전송(WPT) 루프 안테나 및 FPCB형 근거리 통신(NFC) 안테나에 비해 두께를 1/2로 줄이면서도 동등 이상의 안테나 성능을 구현한 전자기 유도 방식의 FPCB형 WPT 및 NFC 일체형 루프 안테나를 제안하였다. 루프 안테나의 패턴 두께, 전자파 흡수체 및 금속 성분의 배터리 영향도 분석, 전자파 흡수체의 두께에 의한 안테나 성능 비교를 통해 루프 안테나의 설계 인자의 범위를 설정하였다. 본 논문에서 제안한 안테나는 3 oz 단면 FPCB에 전자파 흡수체를 부착하여 총 두께 0.45 mm로 시제품을 제작하였으며, NFC 안테나 성능은 국내 이동통신사 규격 및 EMVCo. 규격을 만족하며, WPT 안테나 성능은 종래의 코일형과 동등 이상인 68.1 %의 무선 전력 전송 효율을 얻었다. 이러한 결과들로써 본 연구에서 제안한 일체형 안테나는 모바일폰 WPT 및 NFC 안테나로서 이용될 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 모바일폰에 적용되는 종래의 코일형 무선 전력 전송(WPT) 루프 안테나 및 FPCB형 근거리 통신(NFC) 안테나에 비해 두께를 1/2로 줄이면서도 동등 이상의 안테나 성능을 구현한 전자기 유도 방식의 FPCB형 WPT 및 NFC 일체형 루프 안테나를 제안하였다. 루프 안테나의 패턴 두께, 전자파 흡수체 및 금속 성분의 배터리 영향도 분석, 전자파 흡수체의 두께에 의한 안테나 성능 비교를 통해 루프 안테나의 설계 인자의 범위를 설정하였다. 본 논문에서 제안한 안테나는 3 oz 단면 FPCB에 전자파 흡수체를 부착하여 총 두께 0.45 mm로 시제품을 제작하였으며, NFC 안테나 성능은 국내 이동통신사 규격 및 EMVCo. 규격을 만족하며, WPT 안테나 성능은 종래의 코일형과 동등 이상인 68.1 %의 무선 전력 전송 효율을 얻었다. 이러한 결과들로써 본 연구에서 제안한 일체형 안테나는 모바일폰 WPT 및 NFC 안테나로서 이용될 수 있음을 확인하였다.
In this paper, we study the complex mobile antenna for WPT(Wireless Power Transfer) with NFC(Near Field Communication) of inductive coupling using FPCB which has half thickness compared with the existing coil type antennas. Considering the pattern thickness of loop antenna, the analysis of electroma...
In this paper, we study the complex mobile antenna for WPT(Wireless Power Transfer) with NFC(Near Field Communication) of inductive coupling using FPCB which has half thickness compared with the existing coil type antennas. Considering the pattern thickness of loop antenna, the analysis of electromagnetic wave absorber and battery's influence, absorber thickness, the ranges of design parameters are obtained. The proposed antenna has 0.45 mm thickness using single layer 3 oz FPCB and absorber. From measurement, the characteristics of NFC antenna can be satisfied with the specifications of EMVCo. and domestic mobile telecommunication and the transmission efficiency of the proposed WPT antenna is 68.1 % which is competitive with the existing coil type antenna. From the results of this paper, it has been confirmed that the proposed antenna can be used as the WPT and NFC antenna for mobile phone. Key words: Wireless Power Transfer, Near Field Communication, Mobile Phone Antenna, Absorber, FPCB.
In this paper, we study the complex mobile antenna for WPT(Wireless Power Transfer) with NFC(Near Field Communication) of inductive coupling using FPCB which has half thickness compared with the existing coil type antennas. Considering the pattern thickness of loop antenna, the analysis of electromagnetic wave absorber and battery's influence, absorber thickness, the ranges of design parameters are obtained. The proposed antenna has 0.45 mm thickness using single layer 3 oz FPCB and absorber. From measurement, the characteristics of NFC antenna can be satisfied with the specifications of EMVCo. and domestic mobile telecommunication and the transmission efficiency of the proposed WPT antenna is 68.1 % which is competitive with the existing coil type antenna. From the results of this paper, it has been confirmed that the proposed antenna can be used as the WPT and NFC antenna for mobile phone. Key words: Wireless Power Transfer, Near Field Communication, Mobile Phone Antenna, Absorber, FPCB.
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문제 정의
본 논문에서는 FPCB와 연자성 금속분말이 포함된 전자파 흡수체를 이용한 박막형 NFC 및 WPT 일체형 안테나를 제안하고, 제작 및 측정을 통하여 그 가능성을 확인하였다.
제안 방법
NFC 루프 안테나의 크기는 49×56 mm, 패턴의 폭은 0.5 mm, 패턴의 두께는 3 oz, 루프의 턴수는 3턴으로 하였으며, WPT 루프 안테나는 39×45 mm, 패턴의 폭은 0.7 mm, 패턴의 두께는 3 oz, 루프의 턴수는 18턴으로 하였으며, 전자파 흡수체의 크기는 50×57 mm, 두께는 0.23 mm, 투자율 50의 금속 연자성 재료를 이용한 메탈 시트로 하였다.
NFC 안테나의 성능은 NFC 안테나를 L사 스마트폰 후면 케이스 내면에 부착하여 매칭 회로의 캐패시턴스 값을 조정하여 최적의 공진 주파수로 동작하는 조건에서 EMVCo. 규격을 적용한 프랑스 F사의 NFC 측정시스템을 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었고, WPT 안테나의 무선 전력 전송 효율은 WPT 안테나를 L사 스마트폰 후면 케이스 내면에 부착 후 TI Demo board Tx BQ50021-EVM-689와 Rx BQ51011를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
1 mm로 얇아지므로 식 (6)의 Q값이 낮아져 무선 전력 전송 효율의 저하가 예상된다. 따라서 최적의 패턴 두께 설계를 위해 공기 중에서 양면 루프 안테나의 패턴 두께를 1/2 oz, 1 oz, 2 oz로 변화할 때의 저항값과 무선 전력 전송 효율을 TI Demo board를 이용하여 측정한 결과를 표 1과 그림 4에 각각 도시하였다.
그림 3은 루프 안테나를 이용한 NFC & WPT 안테나의 설계 방법을 나타낸다. 먼저 자유공간에서의 안테나를 설계한 후 전자파 흡수체와 배터리를 각각 부착했을 때의 안테나의 성능을 확인하였다. 모바일폰의 기구 설계 조건 하에서 허용 가능한 루프 안테나의 면적과 두께들로써 안테나의 최대 성능 구현을 위한 NFC & WPT 안테나의 크기를 결정한다.
모바일폰의 기구 설계 조건 하에서 허용 가능한 루프 안테나의 면적과 두께들로써 안테나의 최대 성능 구현을 위한 NFC & WPT 안테나의 크기를 결정한다.
특히, 루프 안테나가 금속 성분의 배터리 위에 장착될 경우, 배터리에 의한 안테나의 성능 저하를 최소화하기 위한 안테나 두께와 흡수체 두께 비율의 최적화가 반드시 필요하다. 본 논문에서는 슬림화된 모바일폰용 안테나의 총 두께가 0.45 mm로 설정될 경우, 양면 루프 안테나는 양면 FPCB 2 oz와 0.17 mm의 전자파 흡수체로 구성되고, 단면 안테나는 단면 FPCB 3 oz와 0.23 mm 전자파 흡수체로 구성되며, 각각의 안테나 성능을 Q값으로 비교한 결과를 그림 7에 도시하였다.
본 논문에서는 종래의 코일형 루프 안테나에 비해서 절반의 두께를 가지면서도 100～300 kHz의 주파수대에서 전력을 효율적으로 전달할 수 있는 전자기 유도 방식을 이용한 박막형 WPT 및 NFC 안테나에 관하여 연구하였으며, 두께를 줄이기 위해서는 플렉시블 PCB(Flexible Printed Circuits Board: FPCB)를 채택하였으며, 최적의 전송 효율을 얻기 위해 단면 및 양면 FPCB 안테나뿐만 아니라, 안테나 패턴의 두께, 연자성 금속 분말을 이용한 전자파 흡수체의 투자율 및 두께, 배터리에 의한 안테나의 자기장의 세기에 대한 영향도 등을 CST사의 시뮬레이션 Tool을 이용하여 최적화 하였고, 이를 설계에 반영하였다.
시뮬레이션 결과를 이용하여 FPCB를 사용한 박막형 NFC 및 WPT 루프 안테나를 제작하였다. NFC 루프 안테나의 크기는 49×56 mm, 패턴의 폭은 0.
투자율이 일정한 전자파 흡수체의 두께에 의한 영향도 검토를 위해, 2 oz 양면 루프 안테나 후면에 투자율 50을 갖는 전자파 흡수체의 두께를 각각 0.2 mm, 0.27 mm를 부착한 상태에서 배터리 위에 안테나를 장착시켰을 때 무선 전력 전송 효율을 TI Demo board를 이용하여 측정한 결과를 그림 6에 도시하였다.
성능/효과
500 mA, 1,000 mA와 같은 전류 변화에 의한 전송 효율의 차이는 미소하며, FPCB만일 때 70.5 %, 0.2 mm 흡수체 부착 시 평균 60.9 %, 0.27 mm 전자파 흡수체 부착 시 64.7 %로서 흡수체 두께가 증가할수록 배터리에 의한 전송 효율 손실이 감소함을 알 수 있다.
측정 결과는 NFC 안테나의 국내 이동통신사 규격 및 해외 EMVCo. 규격을 만족하고, WPT 안테나는 무선 전력 전송 효율이 68.1 %로서 종래의 코일형 안테나에 비해 더 좋은 특성을 얻었다.
기존의 소결 페라이트 시트를 적용한 코일형 WPT 안테나에 비해 저 손실 메탈 시트를 적용한 박막 안테나는 두께는 반으로 줄이면서도 더 높은 무선 전력 전송 효율을 얻을 수 있었다.
따라서 본 논문에서 제안한 일체형 안테나를 사용하여 모바일폰용 NFC 및 WPT 복합 안테나로 사용할 수 있음을 확인하였다.
3 % 차이가 난다. 또한, 송신 전류 차이로 인한 효율 차이는 1/2 oz 4.9 %, 1 oz 3 %, 2 oz 0 %로서 패턴 두께가 얇을수록 송신 전류에 민감하게 반응하는 것을 알 수 있다. 이는 패턴에 흐르는 전류에 의한 온도 상승으로 동작 저항의 증가에 기인되며, 송신 전류의 변화에도 안정적인 WPT 효율을 얻기 위해서는 2 oz 이상의 패턴 두께가 필요함을 알 수 있다.
흡수체를 부착하면 인덕턴스 L값 증가로 Q값이 상승하며, 루프 안테나를 금속 성분의 배터리 위에 부착할 때 양면 안테나는 32 %, 단면 안테나는 20 %의 Q값이 감소되며, 흡수체의 두께가 두꺼운 단면 안테나의 감소율이 작음을 알 수 있다. 배터리를 포함한 루프 안테나의 Q값은 단면 안테나가 양면 안테나에 비해 약 12 % 증가하므로 무선 전력 전송 효율은 양면에 비해 단면 안테나가 다소 유리하게 나타났다.
양면 FPCB 2 oz가 단면 FPCB 3 oz에 비해 루프 안테나의 패턴 두께가 1 oz만큼 두꺼우므로 안테나 저항이 낮아 Q값이 높게 나타났다. 흡수체를 부착하면 인덕턴스 L값 증가로 Q값이 상승하며, 루프 안테나를 금속 성분의 배터리 위에 부착할 때 양면 안테나는 32 %, 단면 안테나는 20 %의 Q값이 감소되며, 흡수체의 두께가 두꺼운 단면 안테나의 감소율이 작음을 알 수 있다. 배터리를 포함한 루프 안테나의 Q값은 단면 안테나가 양면 안테나에 비해 약 12 % 증가하므로 무선 전력 전송 효율은 양면에 비해 단면 안테나가 다소 유리하게 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선 전력 전송 기술이 각광 받게된 배경은?
유비쿼터스(Ubiquitous) 환경이 확산되면서 다양한 휴대기기가 보급되고 있지만, 기기마다 다른 충전기가 필요해 전력선 없이 편리하게 충전하고자 하는 사용자의 요구인 cord-free 세상을 구현하는 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer: WPT) 기술이 미래 신 성장 사업으로 각광을 받고 있다[1].
현재 모바일 폰에 무선 전력 전송 기술을 위해 어떤 안테나를 사용하나?
현재 모바일폰에서는 전자기 유도(inductive coupling) 전송방식을 이용하고 있으며, 사용되고 있는 WPT 안테나의 전력 전송 효율이 60 %를 상회하지만, 발열 및 높은 성능지수 Q를 얻기 위해서 두꺼운 코일형 루프 안테나를 사용하고 있다. 최근의 스마트폰은 두께가 얇아지는 추세이므로 이에 적합한 형태이며, 필요한 성능을 얻을 수 있는 박막형 무선 전력 전송 안테나가 무선 충전 시스템 시장을 주도할 것으로 예측된다.
NFC과 WPT 기술을 결합한 모바일 복합 안테나 개발이 활발해진 배경은?
또한 종래 신용카드 기능을 휴대폰 USIM에 구현하기 위한 근거리 통신(Near Field Communication: NFC) 기술에 대한 요구가 스마트폰을 중심으로 증가하고 있으며, 이러한 모바일 무선 통신 시스템의 기술 추세에 맞추어 최근 안테나 설계기술도 NFC과 WPT 기술을 결합한 모바일 복합 안테나에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다[2]～[8].
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Esko Strommer, Marko Jurvansuu, "NFC-enabled wireless charging", Proceedings of the 4th International Workshop on Near Field Comm., Mar. 2012.
Harvey Lehpamer, RFID Design Principles, Artech House, Inc. 2008.
A. Kurs, M. Soljacic, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, and P. Fisher, "Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances", Science Express, Jun. 2007.
Peter Scholz, "Analysis of energy transmission for inductive coupled RFID tags", IEEE International Conference on RFID, Mar. 2007.
Christian Reinhold, "Efficient antenna design of inductive coupled RFID-systems with high power demand", Journal of Communication, vol. 2, no. 6, Nov. 2007.
김진욱 외, "전자기 유도 방식 무선 전력 전송을 위한 다중 탭을 갖는 평판형 스파이럴 안테나", 한국전자파학회논문지, 20, pp. 753-760, 2009년.
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K. Kupfmuller, Einfuhrung in Die Theoretische Elektrotechnik, Springer-Verlag, 1973.
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