KR101813386B1 - 자성체를 포함하는 무선 통신 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 웨어러블 기기용 형상 이방성을 가지고 웨어러블 기기의 측면으로 방사 방향을 가지도록, 복수의 열로 배열된 바(bar)형태의 복수의 단위 리본을 포함하는 자성체; 및 상기 자성체가 코어를 이루도록 복수의 도전성 패턴으로 형성된 솔레노이드 코일부를 포함한다.

Description

자성체를 포함하는 무선 통신 안테나{WIRELESS COMMUNICATION ANTENNA INCLUDING MAGNETIC SUBSTANCE}
본 발명은 자성체를 포함하는 무선 통신 안테나에 관한 것이다.
무선 통신은 다양한 환경에서 적용되고 있다. 특히, 전자 결재와 연관하여 코일 형태의 무선 통신 안테나는 다양한 기기에 적용될 수 있다.
최근, 모바일 기기에는 모바일 기기의 커버 등에 부착되는 스파이럴(Spiral) 코일 형태의 무선 통신 안테나가 채용되고 있다.
또한, 웨어러블 기기가 확산되면서 모바일 기기뿐 아니라 웨어러블 기기에 적합한 무선 통신 안테나에 대한 수요가 증가하고 있다.
웨어러블 기기에 채용되는 무선 통신 안테나는 데이터 송신의 신뢰성 확보 및 사용자의 편의를 위한 방사 방향 및 방사 범위의 요건을 충족하여야 한다. 또한, 상대적으로 소형으로 구현되는 웨어러블 기기에 실장되는 무선 통신 안테나는 소형화에 따른 양산성이 확보되어야 한다.
이러한 무선 통신 안테나의 특성을 만족시키기 위해 안테나의 코어로 기능하는 자성체의 재료 및 구조가 연구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0005249호
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 웨어러블 기기에 적합하고 통신 성능을 향상시킬 수 있는 자성체를 포함하는 무선 통신 안테나가 제공된다.
본 발명의 일 예에 따른 웨어러블 기기용 무선 통신 안테나는 형상 이방성을 가지고 웨어러블 기기의 측면으로 이방성의 방사 방향을 가지도록, 복수의 열로 배열된 바(bar)형태의 복수의 단위 리본을 포함하는 자성체; 및 상기 자성체가 코어를 이루도록 복수의 도전성 패턴으로 형성된 솔레노이드 코일부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 예에 따른 무선 통신 안테나는 복수의 열로 배열된 복수의 금속 리본을 포함하는 자성체; 상기 자성체의 상면에 배치되고 복수의 도전성 패턴을 포함하는 제1 기판; 상기 자성체의 하면에 배치되고 복수의 도전성 패턴을 포함하는 제2 기판; 및 상기 제1 기판 및 제2 기판을 연결하는 복수의 도전성 비아를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 안테나는 소형화, 박막화된 솔레노이드 코일을 포함하고 개선된 방사 특성을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 웨어러블 기기가 무선 통신을 수행하는 일 예를 도시하는 사시도이다.
도 2는 마그네틱 카드에 인접한 자기 헤드의 양단 전압을 도시하는 도면이다.
도 3은 마그네틱 카드 리더의 자기 헤드가 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 안테나에 자기적으로 결합하는 일 예를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 웨어러블 기기의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 웨어러블 기기의 후면 내부를 도시하는 사시도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 안테나의 정면도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 안테나의 배면도이다.
도 6c는 도 6a의 Ⅰ-Ⅰ'의 단면도이다.
도 7a는 무선 통신 안테나가 포함하는 자성체의 일 예를 도시한 정면도이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 자성체의 단면도이다.
도 8a는 무선 통신 안테나가 포함하는 자성체의 다른 일 예를 도시한 정면도이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 자성체의 단면도이다.
도 9는 무선 통신 안테나가 포함하는 자성체의 또 다른 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 무선 통신 안테나를 나타내는 도면이다.
도 12는 금속 리본에 있어, 형상 이방성 상수와 종횡비 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다.
또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 웨어러블 기기가 무선 통신을 수행하는 일 예를 도시하는 사시도이다.
웨어러블 기기는 팔, 머리 등의 인체에 착용되거나 스트랩(130)에 의해 특정 구조물에 고정되는 전자 기기일 수 있다. 이하, 본 발명의 웨어러블 기기는 손목 시계 형태를 가지는 것으로 가정하고 서술하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
무선 통신 안테나(20)는 웨어러블 기기(30)에 적용된다. 무선 통신 안테나(20)는 웨어러블 기기(30)의 제어에 따라 자기장을 형성할 수 있다.
무선 통신 안테나(20)는 송신 코일로서 동작할 수 있으며, 수신 코일을 구비한 무선 신호 수신 장치와 자기적으로 결합하여, 무선으로 정보를 전송할 수 있다.
도 1에서는 수신 코일을 구비한 무선 신호 수신 장치로서 마그네틱 카드 리더(10)가 개시되어 있다. 실시 예에 따라, 수신 코일을 구비한 장치로서 마그네틱 카드 리더(10) 외에도 다양한 무선 신호 수신 장치가 사용될 수 있다.
무선 통신 안테나(20)는 송신 코일을 이용하여 넓게 퍼진 자기장을 형성하여, 마그네틱 카드 리더(10)의 수신 코일의 위치나 각도가 변경되는 경우에도 마그네틱 카드 리더(10)와 자기적 결합이 가능하다.
일 실시 예에서, 무선 통신 안테나(20)는 자기장의 방향을 변환함으로써, 마그네틱 카드 리더(10)에 전송하고자 하는 데이터 - 예컨대, 카드 번호 데이터-를 전송할 수 있다. 즉, 마그네틱 카드 리더(10)는 무선 통신 안테나(20)에서 형성된 자기장의 방향 변환으로부터 유발되는, 수신 코일의 양단 전압의 변화를 이용하여 상기 카드 번호 데이터를 생성할 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 무선 통신 안테나와 마그네틱 카드 리더의 자기적 결합 및 마그네틱 카드 리더의 동작에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 마그네틱 카드에 인접한 자기 헤드의 양단 전압을 도시하는 도면이다.
마그네틱 카드 리더(10, 도 1)는 자기 헤드(210) 및 아날로그-디지털 컨버터 (미도시)를 포함한다. 자기 헤드(210)는 자기 플럭스(Magnetic Flux)에 의하여 전압을 발생시킬 수 있다. 즉, 자기 헤드(210)는 수신 코일(211)을 포함할 수 있으며, 자기장에 의하여 수신 코일(211)의 양단에 발생하는 양단 전압(Vhead)을 검출할 수 있다.
수신 코일(211)이 자기장 내에 존재하는 경우, 수신 코일(211)에는 자기 플럭스에 의하여 양단 전압(Vhead)이 유발된다.
유발된 양단 전압(Vhead)은 아날로그-디지털 컨버터에 제공되고, 아날로그-디지털 컨버터는 양단 전압으로부터 복호 신호(Vdecode)를 생성할 수 있다. 복호 신호(Vdecode)는 디지털 전압 신호일 수 있으며, 복호 신호(Vdecode)로부터 카드 정보 데이터가 생성될 수 있다.
마그네틱 카드에는 자화된 자기 띠(220)가 존재한다. 자기 헤드(210)가 자기 띠(220) 위를 이동함에 따라, 자기 헤드(210)의 수신 코일(211)에는 자기 플럭스에 의하여 양단 전압(Vhead)이 유발된다.
양단 전압(Vhead)은 자기 띠(220)의 극성에 따라 피크 전압을 가질 수 있다. 예컨대, 동일한 극성이 인접해 있는 경우 양단 전압(Vhead)에는 피크 전압이 유발될 수 있다.
또한, 아날로그-디지털 컨버터는 양단 전압(Vhead)으로부터 복호 신호(Vdecode)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 아날로그-디지털 컨버터는 피크 전압이 검출될 때마다 에지를 생성하여 복호 신호(Vdecode)를 생성할 수 있다.
복호 신호(Vdecode)는 디지털 전압 신호이므로, 이로부터 디지털 데이터를 복호할 수 있다. 예를 들어, 복호 신호(Vdecode)의 주기의 길이에 따라 '1' 또는 '0'을 복호할 수 있다. 도시된 예를 들면, 복호 신호(Vdecode)의 첫번째 주기와 두번째 주기는 세 번째 주기의 2배 임을 알 수 있다. 따라서, 복호 신호(Vdecode)의 첫번째 주기와 두번째 주기는 '1'로 복호되고, 세번째 주기 내지 다섯번째 주기는 '0'으로 복호될 수 있다. 이러한 복호 방식은 예시적인 것으로써, 다양한 복호 기술이 적용될 수 있음은 자명하다.
도 2에서는 마그네틱 카드 리더가 마그네틱 자기 띠로부터 복호를 수행하는 예를 도시하고 있다. 한편, 자기 헤드(210)는 마그네틱 자기 띠 분만 아니라, 무선 통신 안테나에서 생성되는 자기장으로부터 양단 전압을 생성할 수 있다. 즉, 마그네틱 카드 리더의 자기 헤드(210)는 무선 통신 안테나의 송신 코일과 자기적으로 결합하여 데이터-예를 들어, 카드 번호 데이터-를 수신할 수 있다.
도 3은 마그네틱 카드 리더의 자기 헤드가 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 안테나에 자기적으로 결합하는 일 예를 도시하는 도면이다.
무선 통신 안테나(310)는 구동 신호 생성기(330)로부터 구동 신호를 인가 받아 자기장을 형성할 수 있다. 자기 헤드(210)는 송신 코일(311)에 의해 형성된 자기장과 자기적으로 결합하여 데이터를 수신할 수 있다.
또한, 무선 통신 안테나(310)는 구동 신호에서 노이즈를 제거하거나 구동 신호를 변환하기 위해 필터 회로(320)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 웨어러블 기기의 분해 사시도이다.
도 4를 참조하면, 웨어러블 기기는 케이스(410), 디스플레이(420), 배터리(430), 무선 통신 안테나(440), 및 메인 기판(450)을 포함한다.
또한, 일 예로, 웨어러블 기기는 사용자의 착용을 위한 스트랩(460)을 포함할 수 있고, 케이스(410)는 디스플레이 하우징(411), 배터리 케이스(412), 및 본체(413)를 포함할 수 있다.
디스플레이(420)는 케이스(410)의 전면에 배치될 수 있고, 전자신호를 시각화하여 사용자에게 시각정보를 제공한다.
또한, 일 예로, 손가락 등의 접촉 물체로부터 터치입력을 인가 받는 터치 스크린 패널을 포함할 수 있다.
배터리(430)는 웨어러블 기기를 구동하기 위한 전원을 제공한다. 배터리(430)는 배터리 케이스(412)에 장착될 수 있고, 무선 전력 충전 방식으로 충전될 수 있다.
무선 통신 안테나(440)는 메인 기판(450)에 실장된 구동 신호 생성기(330)로부터 구동 신호를 인가 받아 자기장을 형성할 수 있다. 즉, 무선 통신 안테나(440) 송신 코일로서 자기 펄스를 방사할 수 있다.
또한 상기 송신 코일은 수신 코일을 구비한 무선 신호 수신 장치와 자기적으로 결합하여, 무선으로 정보를 전송할 수 있다. 여기서, 상기 정보는 마그네틱 스트라이프 데이터일 수 있다.
도 4에서는 무선 통신 안테나(440)가 메인 기판(450)과 배터리(430) 사이에 실장되는 것으로 도시하였으나, 무선 통신 안테나(440)의 실장 위치는 변경될 수 있다.
상기 무선 통신 안테나(440)에 대하여, 도 6a 내지 도 10에서 보다 상세히 설명한다.
스트랩(460)은 두 개로 이루어져 각각 본체에 연결될 수 있다. 또한, 스트랩(460)이 하나의 일체형으로 형성되는 경우 본체(413)를 감싸는 형태를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 웨어러블 기기의 후면 내부를 도시하는 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 웨어러블 기기는 무선 전력 수신 코일(470)을 포함할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 수신 코일은 웨어러블 기기의 본체(413)의 후면과 메인 기판(450)간에 배치될 수 있다.
또한, 무선 전력 수신 코일(470)은 무선 전력을 수신 받는 후면의 반대측에 차폐 시트를 포함할 수 있다. 상기 차폐 시트는 무선 전력 수신 코일의 일 면에 배치되는 자성 시트로 구성되거나, 페라이트 또는 도전성 분말을 도포하여 형성될 수 있다.
이러한 차폐 시트는 무선 전력의 자로를 효율적으로 형성하고, 배터리에 미치는 자기장의 영향을 최소화하기 위해 구비된다.
다만, 차폐 시트는 무선 통신 안테나(440)가 형성하는 자기장의 방사 범위를 축소 시킬 수 있다. 따라서, 이러한 차폐 시트를 채용한 웨어러블 기기의 경우 스파이럴(Spiral) 코일보다 웨어러블 기기의 측면으로 방사 방향을 가질 수 있는 솔레노이드 코일을 포함하는 무선 통신 안테나가 방사 특성에 있어 유리할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 안테나의 정면도이고, 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 안테나의 배면도이며, 도 6c는 도 6a의 ?-?'의 단면도이다.
도 6a 및 6b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 안테나는 제1 기판(601), 제2 기판(602), 자성체(603)를 포함한다.
제1 기판(601)은 자성체(603)의 제1 면에 배치된 제1 배선부(610) 및 제2 배선부(620)를 포함한다. 제1 배선부(610) 및 제2 배선부(620)는 사이에 이격 영역(660)을 가지지 않고 하나의 배선부로 형성될 수 있고, 도면에 도시된 바와 같이, 제1 배선부(610) 및 제2 배선부(620)는 서로 이격될 수 있다.
또한, 제2 기판(602)은 자성체(603)의 제 2면에 배치된 제3 배선부(630) 및 제4 배선부(640)를 포함한다. 여기서, 제3 배선부(630) 및 제4 배선부(640)는 하나의 배선부로 형성되거나, 서로 이격될 수 있다.
상기 제1 및 제2 기판(601, 602)은 박막 기판으로, 예를 들어 FPCB와 같은 연성 기판일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 자성체(603)의 주위 영역에서 상기 제1 기판(601)과 상기 제2 기판(602)을 연결하는 복수의 도전성 비아(650)를 포함한다.
도면에 도시된 바와 같이, 상기 제1 내지 4 배선부(610, 620, 630, 640)는 복수의 도전성 패턴을 포함한다. 상기 도전성 패턴은 코일의 한 턴 중 일부를 구성한다. 예를 들어, 제1 배선부(610)의 하나의 도전성 패턴은 도전성 비아를 통해 제3 배선부(630)의 하나의 도전성 패턴과 연결될 수 있고, 이러한 연결에 의해 코일의 한 턴이 완성된다.
이와 같이, 제1 배선부(610) 및 제3 배선부(630)는 복수의 도전성 비아(650)로 연결되어 솔레노이드 코일인 제1 코일부를 형성한다.
또한, 제2 배선부(620) 및 상기 제4 배선부(640)는 복수의 도전성 비아(650)로 연결되어 솔레노이드 코일인 제2 코일부를 형성한다.
또한, 상기 제1 코일부와 상기 제2 코일부는 도전성 패턴이 형성되지 않은 영역을 사이에 두고 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1 코일부와 제2 코일부 간에는 이격 영역(660)이 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 코일부는 직렬 연결될 수 있다.
제1 코일부와 상기 제2 코일부를 포함하는 코일부는 종래와 같이 와이어(wire) 형태의 코일을 이용하지 않고, 얇은 박막 기판 상에 코일 패턴을 형성하여 이용하므로, 박막 코일의 두께를 매우 얇게 형성하는 것이 가능하다.
또한, 상기 제1 코일부 및 제2 코일부는 동일한 방향으로 권선된 두 개의 솔레노이드 코일부를 형성할 수 있으므로, 자성체(603)를 통과하는 자속이 강화될 수 있다.
자성체(603)는 박판의 자성층이 적층되어 형성될 수 있다.
자성체(603)는 제1 및 제2 코일부의 코어를 이루고, 와전류를 방지하며, 상기 솔레노이드 코일부가 형성한 자기장을 강화한다.
상기 자성체(603)의 재료 및 구조는 도 7a 내지 9를 참조하여 보다 자세히 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 안테나는 접촉 단자(670) 및 필터 회로(680)를 포함할 수 있다.
접촉 단자(670)는 메인 기판(450, 도 4)과, 제1 코일부 및 제2 코일부를 포함하는 솔레노이드 코일부를 전기적으로 연결하기 위한 구성이다. 무선 통신 안테나는 접촉 단자(670)를 통해 구동 신호를 인가 받을 수 있다.
필터 회로(680)는 구동 신호에서 노이즈를 제거하거나 구동 신호를 변환할 수 있다.
도 6c를 참조하면, 무선 통신 안테나는 도전성 패턴으로 형성된 제2 배선부(620)를 포함하는 제1 기판(601), 및 도전성 패턴으로 형성된 제4 배선부(640)를 포함하는 제2 기판(602)을 포함하고, 제1 기판(601) 및 제2 기판(602) 사이에 자성체(603)를 포함한다. 즉, 자성체(603)의 상면에 제2 배선부(620)가 배치되고, 자성체의 하면에 제4 배선부(640)가 배치된다.
즉, 일 예에 따른 무선 통신 안테나는 자성체(603)를 하나의 기판으로 본다면 상기 기판의 상면 및 하면에 복수의 도전성 패턴이 형성될 수 있고, 상기 상면에 형성된 도전성 패턴과 상기 하면에 형성된 도전성 패턴을 연결하는 복수의 도전성 비아를 포함할 수 있다.
한편, 제1 기판(601) 또는 제2 기판(602)은 자성체(603)와 접착 시트(604)에 의해 부착될 수 있다. 접착 시트(604)는 접착 테이프에 의해 형성될 수 있으며, 제1 및 제2 기판(601, 602)이나 자성체(603)의 표면에 접착제나 접착성을 갖는 수지를 도포하여 형성할 수도 있다.
도전성 비아(650)는 제2 배선부(620) 및 제4 배선부(640)를 연결하여 제2 및 제4 배선부(620, 640)와 함께 자성체를 둘러싸는 솔레노이드 형태의 코일을 이룬다.
도면에 도시된 바와 같이, 제1 기판(601) 상의 하나의 도전성 패턴과 제2 기판(602) 상의 하나의 도전성 패턴은 두 개의 도전성 비아(650)로 연결되어 도전성 패턴간의 단선을 방지할 수 있다.
또한, 무선 통신 안테나는 수지층(690)을 포함할 수 있고, 수지층(690)은 절연성 및 접착성을 가지는 열경화성 수지로 구성될 수 있다.
수지층(690)은 자성체(603)의 외곽에서, 제1 기판(601) 및 제2 기판(602)사이에 배치될 수 있다. 상기 수지층(690)은 자성체(603) 주위의 빈 공간에서 제1 기판(601) 및 제2 기판(602)을 지지하므로 공정상 발생하는 단선, 기포 유입 등의 불량을 방지할 수 있다.
또한, 도전성 비아(650)는 수지층(690)을 관통하여 형성될 수 있다.
도 7a는 무선 통신 안테나가 포함하는 자성체의 일 예를 도시한 정면도이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 자성체의 단면도이다.
도 7a 를 참조하면, 본 발명의 일 예에 따른 무선 통신 안테나가 포함하는 자성체(603, 도 6a)는 도면에 도시한 바와 같이 복수의 열(711 내지 715)로 배열된 바(bar)형태의 복수의 단위 리본을 포함한다.
상기 복수의 단위 리본은 바(bar)형태를 가지고 있으므로 길이(L)에 평행한 방향으로 자화가 용이한 형상 이방성을 가진다. 구체적으로, 우선 방향(preferred orientation)을 가지지 않은 다결정질 시료를 가정할 때, 시료가 구체의 형상인 경우 모든 방향으로 같은 범위로 자화하나, 구형이 아닌 경우 짧은 축보다 긴축으로 자화하기 쉽다. 이는 일반적으로 짧은 축을 따라 자기소거장이 강하게 형성되기 때문이다.
즉, 형상은 자기 이방성의 요인이 되고, 본 발명의 복수의 단위 리본은 길이 방향(L)으로 자기장을 강화하는 형상 이방성을 가진다.
또한, 7b를 참조하면, 단일 평면 상에 배열된 상기 복수의 단위 리본(711 내지 715)은 자성층을 이룰 수 있다. 상기 자성체는 이와 같은 자성층을 복수개 적층하여 형성될 수 있다.
즉, 상기 복수의 단위 리본은 복수의 층(711 내지 751)으로 적층될 수 있다.
또한, 각각의 단위 리본의 두께(T)는 10um 내지 200um의 범위를 가지고, 각각의 단위 리본의 폭(W)은 40mm이하일 수 있다.
또한, 상기 복수의 단위 리본은 1:6 내지 1:9의 종횡비(W:L)를 가질 수 있다. 종복수의 단위 리본의 종횡비에 대하여 도 12를 참조하여 보다 자세히 설명하기로 한다.
도 7b에서는 5개의 자성층이 적층된 것으로 도시하였으나, 적층된 자성층의 수는 가변될 수 있다.
또한, 상기 복수의 단위 리본의 길이 방향(L)은 솔레노이드 코일부의 축방향(도 6a, 1)과 나란하도록 배열될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 무선 통신 안테나는 복수의 단위 리본의 배열을 가지는 자성체를 통해 솔레노이드 코일부가 형성한 자기장이 강화될 수 있다. 또한, 박막의 자성체를 코어로 하는 솔레노이드 코일부는 웨어러블 기기에 실장되어 웨어러블 기기의 측면으로 방사 방향을 가질 수 있다.
한편, 상기 복수의 단위 리본은 분체 자성 재료를 가압 성형 또는 가압 후 소결하여 얻어진다. 상기 복수의 단위 리본은 비정질(amorphous) 구조 또는 나노 결정질 구조를 가지는 박판의 금속 리본일 수 있다. 또는, 복수의 단위 리본은 고투자율 물질인 퍼멀로이(permalloy)로 구성될 수 있다.
상기 비정질 구조를 가지는 합금은 Fe계 또는 Co계 자성 합금을 사용할 수 있다. Fe계 자성 합금은, 예를 들어, Fe-Si-B 합금을 사용할 수 있으며, Fe를 비롯한 금속의 함유량이 높을수록 포화 자속 밀도가 높아지지만, Fe 원소의 함유량이 과다할 경우 비정질을 형성하기 어려우므로 Fe의 함량은 70-90atomic%일 수 있으며, Si 및 B의 합이 10-30atomic%의 범위일 때 합금의 비정질 형성능이 가장 우수하다. 이러한 기본 조성에 부식을 방지시키기 위해 Cr, Co 등 내부식성 원소를 20 atomic% 이내로 첨가할 수도 있고, 다른 특성을 부여하도록 필요에 따라 다른 금속 원소를 소량 포함할 수 있다.
상기 나노 결정질 구조를 가지는 금속 리본은 Fe계 나노 결정립 자성 합금을 사용할 수 있다. Fe계 나노 결정립 합금은 Fe-Si-B-Cu-Nb 합금을 사용할 수 있다.
상기 자성층 간에는 자성층들의 층간 접합을 위해 접착층(701)이 배치될 수 있다. 접착층(701)은 접착 시트, 접착제, 또는 접착성을 갖는 수지를 도포하여 형성될 수 있다.
또는, 접착층(701)은 자성층을 이루는 물질과 화학 결합을 이룰 수 있다. 일 예로서, 접착층(102)은 유기규소화합물(organosilane)을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 접착층(701)은 하나의 자성층을 이루는 복수의 단위 리본 사이에 충진될 수 있다.
한편, 상기 복수의 단위 리본은 상대적으로 높은 투자율을 가지고 접착층은 상대적으로 낮은 투자율을 가질 수 있다. 이러한 경우 상기 자성체를 통과하는 자기장이 각각의 복수의 단위 리본 내부에서 길이 방향(L)으로 강화될 수 있다.
도 8a는 무선 통신 안테나가 포함하는 자성체의 다른 일 예를 도시한 평면도이고, 도 8b는 도 8a에 도시된 자성체의 단면도이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 발명의 일 예에 따른 무선 통신 안테나가 포함하는 자성체는, 도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명한 자성체와 같이, 복수의 단위 리본이 복수의 열(811 내지 815)로 배열되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 복수의 단위 리본은 복수의 층(811 내지 851)으로 적층될 수 있다.
또한, 각각의 단위 리본의 두께(T)는 10um 내지 200um의 범위를 가지고, 최외곽 단위 리본을 제외한 각각의 단위 리본의 폭(W)은 40mm이하일 수 있다.
여기서, 상기 복수의 단위 리본은 하나의 자성층의 단위 리본 간의 경계가 상기 하나의 자성층과 인접한 자성층의 단위 리본 간 경계와 겹치지 않도록 배열될 수 있다.
즉, 자성층이 접합된 면을 기준으로 상면 및 하면에 형성된 단위 리본 간의 경계가 교차 배열될 수 있다.
이러한 자성체 구조에 의해 투자율이 향상되고, 와전류 손실이 감소될 수 있다.
이외의 자성체의 재료 및 구조는 도 7a 및 도 7b을 참조하여 상술한 자성체로부터 이해될 수 있으므로 자세한 설명을 생략한다.
도 9는 무선 통신 안테나가 포함하는 자성체의 또 다른 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 예에 따른 무선 통신 안테나가 포함하는 자성체는 복수의 단위 리본(911 내지 913)이 복수의 열로 배열된 자성층을 포함하고, 상기 자성층은 복수의 층으로 적층된다.
또한, 자성체는 상기 복수의 열을 분리하는 구조벽(905)을 더 포함한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 구조벽(905)은 각각의 열의 측면, 및 상면 또는 하면을 감싸며 이어지는 하나의 박막의 필름으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 구조벽(905)은 복수의 단위 리본과 동일한 재질을 가질 수 있으나, 다른 재질의 자성 또는 비자성 재료로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 구조벽(905)은 수지 및 수지 내에 자성 분말을 포함하는 재질의 필름이 될 수 있다.
또한, 상기 구조벽(905)은 절연성을 가질 수 있다.
한편, 상기 구조벽(905)은 일면 또는 양면에 접착성을 가지고 상기 복수의 단위 리본에 부착되어 지지하는 역할을 가질 수 있다. 이를 위해, 상기 구조벽(905)은 접착제가 도포된 필름일 수 있고, 또는 접착용 테이프일 수 있다.
이러한 구조벽(905)이 채용된 자성체는 자성층 간 접착층을 생략할 수 있으므로 두께가 얇은 무선 통신 안테나를 구현할 수 있다. 또는, 동일한 두께에 보다 많은 수의 자성층을 적층할 수 있다.
또한, 구조벽의 채용으로 복수의 단위 리본을 통과하는 자속의 방향성이 강화되고, 무선 통신 안테나의 이방성의 방사 특성이 강화할 수 있다.
이외의 자성체의 재료 및 구조는 도 7a 및 도 7b을 참조하여 상술한 자성체로부터 이해될 수 있으므로 자세한 설명을 생략한다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 무선 통신 안테나를 나타내는 도면이다. 도 10 및 도 11은 정면도를 도시하고 있으나 후술하는 설명은 무선 통신 안테나의 배면에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다. 또한 도 10 및 도 11을 참조하여 설명하는 무선 통신 안테나의 예는 도 6a 내지 도 9의 무선 통신 안테나의 예와 상호 배타적일 필요는 없다. 따라서, 상술한 무선 통신 안테나에 대한 서술과 중복되는 설명은 생략한다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 안테나의 기판(1001)은 웨어러블 기기에 실장하는 데 용이한 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 기판(1001)은 원형, 타원, 다각형의 형상을 가질 수 있고, 적어도 일부분이 함입되거나 돌출된 부분을 가질 수 있다. 또한, 코일부와 메인 기판(450, 도 4)의 전기적인 연결을 위한 접촉 단자(1070)가 기판(1001)으로부터 돌출된 인출부(1071)의 일단에 배치될 수 있다.
또한, 솔레노이드 코일부의 코어로 기능하는 자성체(1003)는 솔레노이드 코일부의 양단으로 확장된 돌출부(E)를 가질 수 있다.
자성체(1003)의 형상은 기판(1001)의 형상, 또는 복수의 도전성 패턴의 길이 및 배열에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 즉, 원형, 타원, 다각형의 형상을 가질 수 있고, 적어도 일부분이 함입되거나 돌출된 부분을 가질 수 있다.
이러한 자성체(1003)의 형태 변화에 따라, 솔레노이드 코일이 방사하는 자기장의 방사 방향 및 방사 범위가 조절될 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 안테나는 코일부를 포함하고, 제1 및 제2 코일부(1010, 1020)는 제1 기판(901)의 형상에 따라 다양한 길이의 복수의 도전성 패턴을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 복수의 도전성 패턴은 원의 현(弦, chord)을 이루면서 길이가 증가하거나 감소하는 패턴들이 배열된 형태로 형성될 수 있다.
또한, 두 개의 솔레노이드 코일부의 코어로 기능하는 자성체(1010)의 형상이 제1 기판(901)의 가장자리까지 확장된 형상을 가질 수 있다.
또한, 복수의 도전성 비아(1050)는 자성체(1010)의 외곽에서 제1 기판(901)의 가장자리에 인접한 영역을 따라 형성될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 코일부(1010, 1020)은 상이한 개수의 도전성 패턴을 가질 수 있고, 이격 영역(1060)의 배치는 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시한 바와 같이, 이격 영역(1060)의 위치가 무선 통신 안테나의 제2 코일부(1020) 측으로 편향되어 배치되는 경우, 제2 코일부(1020)가 포함하는 도전성 패턴의 개수는 제1 코일부(1010)가 포함하는 도전성 패턴의 개수보다 적을 수 있다. 또한, 이격 영역(1060)의 위치가 무선 통신 안테나의 제2 코일부(1020) 측으로 편향되어 배치되는 경우, 제2 코일부(1020)가 포함하는 도전성 패턴의 폭 또는 배열 간격은 제1 코일부(1010)가 포함하는 도전성 패턴의 폭 또는 배열 간격보다 작을 수 있다.
도 12는 금속 리본에 있어, 형상 이방성 상수와 종횡비 간의 관계를 나타내는 그래프이다. 상기 그래프는 금속 리본의 자기 포화도가 1422(emu/cm3)인 Co계 자성 합금인 경우의 실험 결과이다. 도 12에서는 종횡비를 금속 리본의 폭(W)에 대한 금속 리본의 길이(L)의 비율(L/W)로 표시하였다.
도 12를 참조하면, 형상 이방성 상수(Ks)는 종횡비(W:L)가 1:6 이상일 때 55(105ergs/cm3)에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 형상 이방성 상수(Ks)는 종횡비가 1:9일 때 포화치에 도달할 수 있다. 따라서, 적정한 형상 이방성 상수(Ks)를 가지기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 단위 리본은 1:6 내지 1:9의 종횡비를 가질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
601: 제1 기판
602: 제2 기판
603: 자성체
610: 제1 코일부
620: 제2 코일부
630: 제3 코일부
640: 제4 코일부
650: 도전성 비아
660: 이격 영역
670: 접촉 단자
680: 필터 회로
905: 구조벽
911, 912, 913: 단위 리본

Claims (19)

  1. 형상 이방성을 가지고 웨어러블 기기의 측면으로 방사 방향을 가지도록, 바(bar)형태의 복수의 단위 리본이 동일 면에 복수의 열로 배열되어 형성되는 자성층을 포함하는 자성체; 및
    상기 자성체가 코어를 이루도록 복수의 도전성 패턴으로 형성된 솔레노이드 코일부
    를 포함하는 웨어러블 기기용 무선 통신 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 리본의 길이 방향은 상기 솔레노이드 코일부의 축 방향과 나란하도록 배열된 웨어러블 기기용 무선 통신 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자성체는
    상기 복수의 단위 리본이 배열된 자성층을 적층하여 형성된 웨어러블 기기용 무선 통신 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 단위 리본은 하나의 자성층의 단위 리본 간의 경계가 상기 하나의 자성층과 인접한 자성층의 단위 리본 간 경계와 겹치지 않도록 배열된 웨어러블 기기용 무선 통신 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자성체는 상기 복수의 열을 분리하는 구조벽을 더 포함하는 웨어러블 기기용 무선 통신 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 구조벽은 각각의 열의 측면 및, 상면 또는 하면을 감싸며 이어지는 하나의 필름으로 이루어진 웨어러블 기기용 무선 통신 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구조벽은 자성을 가지는 재질인 웨어러블 기기용 무선 통신 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 리본은 나노 결정 합금, 비정질 결정 합금 퍼멀로이(permalloy) 중 하나의 재질을 가지는 웨어러블 기기용 무선 통신 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 리본은 각각 10um 내지 200um의 두께를 가지는 웨어러블 기기용 무선 통신 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 리본은 각각 40mm이하의 폭을 가지는 웨어러블 기기용 무선 통신 안테나.
  11. 제1항에 있어서
    상기 자성체는 상기 솔레노이드 코일부의 축 방향의 외측으로 볼록한 형상을 가지는 웨어러블 기기용 무선 통신 안테나.
  12. 복수의 금속 리본이 동일 면에 복수의 열로 배열되어 형성되는 자성층을 포함하는 자성체;
    상기 자성체의 상면에 배치되고 복수의 도전성 패턴을 포함하는 제1 기판;
    상기 자성체의 하면에 배치되고 복수의 도전성 패턴을 포함하는 제2 기판; 및
    상기 제1 기판 및 제2 기판의 복수의 도전성 패턴을 상호 연결하는 복수의 도전성 비아
    를 포함하는 무선 통신 안테나.
  13. 제12항에 있어서, 상기 자성체는
    상기 복수의 금속 리본이 배열된 자성층을 적층하여 형성된 무선 통신 안테나.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 금속 리본은 하나의 자성층의 단위 리본 간의 경계가 상기 하나의 자성층과 인접한 자성층의 단위 리본 간 경계와 겹치지 않도록 배열된 무선 통신 안테나.
  15. 제12항에 있어서
    상기 자성체는 상기 복수의 열을 분리하는 구조벽을 더 포함하는 무선 통 신 안테나.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 구조벽은 각각의 열의 측면 및, 상면 또는 하면을 감싸며 이어지는 하나의 필름으로 이루어진 무선 통신 안테나.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 구조벽은 자성을 가지는 재질인 무선 통신 안테나.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 금속 리본은 나노 결정 합금, 비정질 결정 합금 퍼멀로이(permalloy) 중 하나의 재질을 가지는 무선 통신 안테나.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 금속 리본은 1:6 내지 1:9의 종횡비를 가지는 무선 통신 안테나.
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