NFC 안테나의 흡수체에 따른 전기적 특성 연구
Research on the Influence of Absorbing Sheet for Electrical Performance of NFC Antenna
정영배*, 이승호*★, 오혁준**, 전태준**
Young-Bae Jung*, Seung-Ho Lee*★, Hyeok-Jun Oh**, Tae-Joon Jeon**
Abstract
In this paper, we analyze the antenna performance variation by the ferrite absorbers which are widely used to optimize the antenna performance in near-field communications(NFC). Using various commercial absorbers, it was confirmed that the absorbers affect the electric performance of NFC antenna, and how to experimentally analyze the electrical influence of the absorbers in NFC antennas is proposed.
요 약
본 논문에서는 비접촉식 근거리 무선통신 방식인 NFC(Near field communications)용 안테나에 있어서, 성능 최 적화를 위하여 폭 넓게 사용하고 있는 전자기 흡수체에 따른 안테나의 전기적 성능변화를 분석한다. 다양한 투자 율을 갖는 흡수체를 이용하여, 해당 흡수체 적용에 따른 안테나성능 변화를 실험을 통하여 확인하고, 흡수체가 NFC안테나의 성능변화에 미치는 영향을 실험적으로 분석하는 방안을 제시한다.
Key Word: Antenna,NFC, absorber
* 정회원, 한밭대학교 전자.제어공학과
(Electronics and Conterol Engineering, Hanbat National University)
**학생회원, 한밭대학교 전자.제어공학과
(Electronics and Conterol Engineering, Hanbat National University)
★ 교신저자 (Corresponding author)
※ 본 논문은 2011년도 지식경제부의 광역경제권 선도산 업 육성사업으로 수행된 결과임 (High Performance NFC용 Flexible Ferrite Sheet 개발)
接受日:2012年 07月12日, 修正完了日:2012年 07月 20日 揭載確定日:2012年 08月 01日
Ⅰ. 서론
NFC(Near Field Communication)는 RFID의 하나 로 13.56MHz 주파수 대역을 사용하는 비접촉식근거
리 무선통신 모듈로 10cm의 가까운 거리에서 단말기 간 데이터를 전송하는 기술로 결제뿐만 아니라 마켓, 여행정보, 교통, 출입통제, 잠금장치 등에서 광범위하 게 활용되고 있다. NFC의 특징으로는 기존 RFID에서 확장된 개념으로 태그가 내장된 단말기를 능동형 (Active)모드로도 작동할 수 있어 태그로서의 기능 뿐 만 아니라, 태그를 읽는 리더(Reader), 태그에 정보를 입력하는 라이터(Writter)의 기능까지 수행하며, 단말 과 단말 간 양방향 통신이 가능하다는 주요한 특징을 갖는다.
NFC의 급속한 대중화에는 2011년 이후에 출시되 는 대부분의 스마트 폰에 NFC 기능을 탑재하고 있다 는 점을 들 수 있으며, NFC 탑재형 단말은 2015년 전체 휴대폰 시장에 47%인 8억대 이상이 될 것으로 전망하고 있다 [1-2].
본 논문에서는 상술한 NFC용 안테나의 성능 최
적화를 위하여 폭 넓게 사용하고 있는 전파 흡수체의 특성에 따른 안테나의 성능변화를 실험적으로 고찰하 고, 최적의 안테나 성능 구현을 위하여 요구되는 흡수 체의 기본 성능을 확인하였다. 이를 통하여, NFC 통 신성능을 최적화 할 수 있는 흡수체의 전기적 성능을 도출하였다.
Ⅱ. 흡수체에 따른 안테나 성능보정
(그림 1)은 일반적인 NFC 안테나의 동작방식을 도 식적으로 설명하고 있다. 일반적으로 NFC통신은 리 더안테나가 방사하는 자기(Magnetic) 에너지를 일정 거리(일반적으로 10Cm 이내) 내에 위치한 단말안테 나가 수신함으로써, 해당 자기에너지가 단말안테나의 주변회로를 동작시키는 방식으로 이루어지며, 다시, 단말안테나는 NFC 통신방식에 따라 리더안테나로 관 련 데이터를 송신한다. 이때, 리더와 단말안테나는 간 단한 구조로 자기력을 발생시킬 수 있는 루프(Loop) 나 코일(Coil)의 형태로 제작되며, NFC 안테나와 금 속 그라운드 사이에 페라이트(Ferrite) 흡수체를 삽입 함으로써, 자속변화에 의하여 발생되는 와전류(Eddy current)에 의한 통신성능 저감을 해소하도록 한다.
그림 1. 리더 및 단말안테나 간의 NFC 통신개념 Fig. 1. Conceptional operation of NFC communications
따라서, 흡수체는 금속 그라운드를 갖는 NFC 안테나 구조에서 전기적성능에 결정적인 영향을 미칠 수 있 으며, 이러한, NFC 안테나의 성능 최적화를 위한 흡 수체의 성능검토를 위하여, 널리 사용되고 있는 상용 흡수체의 성능을 실험적으로 검토하였다.
다음은 본 시험에 사용된 국내외 상용 NFC용 전파흡 수체 7종의 정보이다.
· 3M AB7020 (t=0.2mm): 외국산
· 3M AB70110h0 (t=0.1mm): 외국산
· Younyi material (t=0.1mm): 국산
· Doosung material (t=0.1mm): 국산
· Wurth electronics material (t=0.2mm): 외국산
· Wurth electronics material (t=0.3mm): 외국산
· Wurth electronics material (t=1mm): 외국산
우선, 흡수체를 삽입함으로써 발생되는 NFC의 성능 변화를 알아보기 위하여, (그림 2)에 도시된 루프형태 의 NFC안테나를 설계하였다. 본 안테나는 단일 루프 로 이루어져 있으며, 흡수체의 종류에 따라서 변화하 는 안테나의 전기적 성능, 특히, 공진주파수 및 반사 손실 특성을 보정하기 위하여, 안테나의 급전부에 특 성보정이 가능한 정합회로를 추가하였다. 본 정합회로 는 기존의 복잡한 구조[3-6]가 아닌, 매우 간단한 RC 회로로 동작주파수 및 반사손실 특성을 최적화 하도록 설계하였다. (그림 2.(a))에 도시된 정합회로의 좌측 저항 및 인덕터는 NFC안테나의 방사부를 등가 적으로 나타내고 있으며, 저항 및 캐패시터의 값을 조 정함으로써 흡수체에 따른 안테나성능 변화를 보정하 도록 하였다.
(a) 제작된 시험용 안테나의 사진
(b) 임피던스 가변 정합회로 그림 2 흡수체 성능시험을 위한 시험용 NFC안테나 Fig. 2 Fabricated NFC antenna for absorber test
[표 1] 흡수체에 따른 안테나 성능보정 및 채널시험 결과
[Table 1] Compendated antenna characteristic and channel test results as absorbers
[
흡수체 모델 보정된 반사소실 (S11)
송수신 채널이득 (S21)
반사손실에 따른 채널이득 보상값
보상된 안테나 간의 채널이득 3M AB7020 -9.0 dB -30.4 dB -0.52 dB -21.6 dB 3M AB70110 -5.6 dB -33.8 dB -1.34 dB -24.9 dB Younyi -15.6 dB -30.4 dB -0.06 dB -21.6 dB Doosung -8.5 dB -33.3 dB -0.60 dB -24.4 dB Wurth (t=0.2mm) -8.4 dB -32.4 dB -0.62 dB -23.5 dB Wurth (t=0.3mm) -9.1 dB -29.6 dB -0.51 dB -20.9 dB Wurth (t=1.0mm) -18.5 dB -23.6 dB 0.00 dB -15.1 dB
Ⅲ. 흡수체에 따른 안테나 성능시험
NFC통신을 위한 흡수체에 따른 안테나 성능변화 를 시험하기 위하여, 우선, (그림 3)에 도식된 회로망 분석기(Network analyzer)를 이용한 안테나 간의 송 수신 채널이득 시험을 수행하였다.
Network Analyzer
DUT
그림 3. 회로망 분석기를 이용한 송수신 채널이득시험 구성 Fig. 3.TRX channel gain test using network analyzer
본 시험에서는 안테나 간의 높이에 따른 송수신 채널이득을 측정하였으며, 안테나 간의 전기적 결합에 의한 자체적인 성능열화가 발생하지 않는 15Cm 거리 에서의 성능결과를 비교하였다. 본 결과에서는 [표 1]에 정리한 흡수체에 따른 반사손실 편차가 고려되 지 않았다. 따라서, 흡수체에 따른 정확한 안테나의 성능을 비교하기 위해서는 개별 흡수체를 사용했을 때의 반사손실을 채널이득에 보상하여야 한다.
또한, [표 1]에는 반사손실을 보상한 흡수체에 따 른 채널이득 특성이 제시되어 있다. 여기서, 보정된 안테나의 반사손실특성(S11)은 안테나의 정합회로를
통하여 보정한 동작주파수 13.56 MHz에서의 반사손 실 특성이다. 또한, 송수신 채널이득(S21)은 안테나의 특성이 보정된 상태에서 2개의 동일 안테나 간의 채 널이득을 나타내고 있다. 여기서, 상술한 바와 같이, 반사손실의 편차가 채널이득에 미치는 영향을 개량화 (반사손실에 따른 채널이득 보상값)하여 보상함으로써 최종적인 채널이득 특성을 도출하였다.
본 결과에 따르면, 보상된 채널이득 성능이 가장 우수한 모델은 Wurth(t=1.0 mm)제품이나, NFC 통신 용 안테나에 사용되기에는 너무 두꺼운 이유로 0.1mm 이하의 두께를 갖는 3M AB7020 및 Younyi 사의 제품이 NFC 단말에 가장 적합한 것으로 나타 났다.
다음은 상술한 송수신 채널이득시험의 신뢰성을 검증하기 위하여, 자계측정기를 이용한 안테나의 자계 강도시험을 수행하였다. 본 시험의 구성은 (그림 4)와 같다.
DUT
Spectrum A nalyzer Signal Generator
그림 4. 자계측정기를 이용한 NFC안테나의 자계강도 시험 Fig. 4. Magnetic field intensity test using H-field meter
본 시험에서는 흡수체에 따라 보정된 NFC 안테나 로부터 방사되는 실제 자계신호의 세기를 측정함으로 써 흡수체에 따른 안테나성능을 비교한다. 7종의 흡
흡수체 모델 자계강도 시험결과
안테나출력 강도 환경잡음 강도 실제 강도
3M AB7020 0.181 W/m2 0.158 W/m2 0.023 W/m2 3M AB70110 0.160 W/m2 0.147 W/m2 0.013 W/m2 Younyi 0.144 W/m2 0.110 W/m2 0.034 W/m2 Doosung 0.178 W/m2 0.156 W/m2 0.022 W/m2 Wurth (t=0.2mm) 0.172 W/m2 0.156 W/m2 0.016 W/m2 Wurth (t=0.3mm) 0.184 W/m2 0.162 W/m2 0.022 W/m2 Wurth (t=1.0mm) 0.176 W/m2 0.136 W/m2 0.040 W/m2 [표 2] 흡수체에 따른 안테나의 자계강도 시험결과
[Table 2] Antenna test result for magnetic field intensity as absorbers
그림 5. (좌) 안테나의 송수신 채널시험 및 자계강도 시험결과 비교
Fig. 5. (Left) Comparison between TRX channel and magnetic field intensity test for NFC antenna 그림 6. (우)흡수체의 전기적 특성 시험결과
Fig. 6. (Right) Electric characteristic test result of absorbers
수체를 삽입한 NFC안테나의 자계강도 시험 결과는 [표 2]에 정리되어 있다.
본 결과에서, 안테나의 출력강도는 신호발생기 (Signal generator)를 통하여 생성된 13.56 MHz의 신호전력을 안테나에 입력하였을 때, 안테나로부터 방 사된 자계의 세기와 주변의 환경잡음이 포함된 측정 결과를 나타낸다. 따라서, 측정시설에서의 환경잡음을 제거해야 하여야 실질적으로 안테나로부터 방사된 자 계의 세기를 확인할 수 있다.
본 논문의 모든 시험은 주변에서 발생된 모든 잡 음신호전력을 최소화하기 위하여, 무반사실(Anechoic chmaber)에서 수행하였으나, 무반사실 내부에 위치한 시험장비에 의하여 발생되는 잡음전력은 제거할 수 없다는 문제점을 갖는다. 따라서, 본 잡음전력을 보상 하기 위하여, 안테나의 자계강도를 측정한 직후, 안테
나의 방사전력을 OFF시킨 상태에서 측정환경 주변의 자계강도를 5회 측정하여 평균화하였다. 이렇게 얻어 진 환경잡음 강도를 기존의 안테나로부터 출력된 자 계강도에서 차감함으로써 순수하게 안테나로부터 실 제 방사된 자계강도를 얻을 수 있었다.
앞선 시험결과와 같이, 본 시험에서도 Wurth (t=1.0mm)모델이 가장 높은 자계강도를 보였으며, 그 다음으로, Younyi사의 제품이 우수한 성능을 보였다.
Ⅳ. NFC 안테나 시험결과에 따른 흡수체 성능분석
(그림 5)는 앞 장에서 수행한 흡수체에 따른 안테나의 송수신 특성시험 및 자계강도 시험결과를 비교한 결
과이다. 본 결과에서 알 수 있듯이, 흡수체에 따른 안 테나의 송수신 특성시험 결과는 자계강도 시험결과와 유사하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제 시한 두 개의 시험결과를 통하여, 사용하는 흡수체에 따라 안테나의 성능이 분명하게 변화한다는 사실dmf 확인할 수 있다.
또한, 흡수체의 전기적특성이 해당 흡수체가 NFC 통 신성능에 미치는 인과관계를 확인하기 위하여 임피던 스 측정기(Impedance analyzer)를 이용하여 흡수체 의 전기적특성을 측정하였다.
본 시험을 위하여, 상용 임피던스 측정기에 도넛형 상의 시료를 제작 및 삽입하여 복소투자율(μ′,μ′′)을 측정하였다. 측정된 결과는 (그림 6)과 같으며, 두 개 의 복소투자율 성능지표가 일정수준 이상의 차이(|μ′
-μ′′|≥35)를 갖는 경우, 안테나의 성능 열화를 최소 화할 수 있다는 사실을 알 수 있다.
흡수체의 전기적 특성을 포함하여, 흡수체의 종류 에 따른 안테나의 특성의 변화는 상기 제시된 결과를 통하여 다각적으로 확인할 수 있다.
V. 결론
본 논문에서는 이동통신 서비스의 발전에 따라 향후 급속한 성장이 예상되는 NFC 통신용 안테나의 성능최적화를 위한 흡수체 성능을 실험적으로 비교 분석하였다. 또한, 해당 실험결과로부터 NFC 안테나 의 성능개선을 위해서는 흡수체의 복소투자율의 차가 일정수준이상 확보되어야 하며, 보다 우수한 성능을 유지하기 위해서는 복소투자율 이외에도 동작주파수 에서 해당 흡수체가 최적의 성능을 가질 수 있도록 흡수체 제작물질의 조성 및 공정이 안정적이어야 한 다는 사실을 확인할 수 있었다.
이외에도 본 논문을 통하여, 흡수체에 따른 NFC 안테나 성능을 측정하는 방식이 제안되고 검증됨으로 써, 추후 안테나관점에서의 흡수체 영향을 검토하는데 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
참고문헌
[1] 김재경. ”NFC폰 시장전망 및 업체동향,“ 정보통신 정책, vol. 20, no. 2, pp. 19–23, 2006
[2] 한국인터넷진흥원, NFC 개인정보보호 대책, 위탁 과제연구보고서, 211
[3] Klaus Finkenzeller, RFID handbook, Second
edition, John Wiley $& Sons, Ltd., 2003
[4] Li Li, Zehua Gao and Yazhou Wang, “NFC antenna research and a simple impedance matching method,” 2011 International Conference on Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology (EMEIT), vol. 8, pp. 3968–3972, 2011 [5] Brown, T.W.C.; Diakos, T, “On the design of NFC antennas for contactless payment applications,”
5th European Conference on Antennas and Propagation(EUCAP), pp. 44–47, 2011
[6] Roland, M., Witschnig, H., Merlin, E. and Saminger, C, “Automatic impedance matching for 13.56 MHz NFC antennas,” 6th International Symposium on Communication Systems(CNSDSP),, pp. 288–291, 2008
저 자 소 개
정 영 배 (정회원)
1998년: 광운대학교 전파공학 (공학사) 2011년: KAIST 정보통신공학 (공학 석사)
2009년: KAIST 정보통신공학 (공학 박사)
2001년 2월~2011.02 : 한국전자통신 연구원 전파기술연구부
2011년 2월~현재: 국립 한밭대학교 전자.제어공학과 교수
<주관심분야> 이동 및 위성통신용 안테나, 레이다, RF 및 초고주파 부품
이 승 호 (정회원)
1986년 한양대학교 전자공학과 졸업 (공학사)
1989년 한양대학교 대학원 전자공학과 졸업 (공학석사)
1994년 한양대학교 대학원 전자공학과 졸업 (공학박사)
1994년 3월 ~ 현재: 국립 한밭대학교 전자․제어공학과 정교수
<주관심분야> 집적회로설계(VLSI&CAD), 디지털시스템 설계, 디지털영상처리, 마이크로프로세서, 임베디드시스템 설계, 전력IT, 컴퓨터응용
오 혁 준 (학생회원)
국립 한밭대학교 전자․제어 공학과 3 학년 재학중
<주관심분야> 이동통신용 안테나, RF 및 초고주파 부품
전 태 준 (학생회원)
국립 한밭대학교 전자․제어 공학과 4학 년 재학중
<주관심분야> 집적회로설계(VLSI&CAD), 디지털시스템설계, 디지털영상처리, 마이 크로프로세서, 임베디드시스템설계
