Energy Harvesting NFC e-paper Tag

1. 제품의 개념

그림 – 제품 개념도

본 제품은 이미 포스팅한 적이 있는 Smart phone으로부터 NFC를 통해 전달되는 전자기 field로부터 전원을 만들어 MCU와 NFC Tag IC를 동작시켜 전달 되는 bitmap data를 읽어 들인 후 e-paper에 이를 display하는 기능을 수행하는 e-paper tag제품입니다.

2. NFC e-paper Tag PCB 설명
1) 구성
본 제품의 PCB는 NFC로부터 전원과 data를 전달 받기 위한 전원 및 정보 수신 부와 이 수신 된 정보를 표시하기 위한 e-paper로 만들어진 정보표시 부, 이 기능을 제어하기 위한 main control부로 이루어 집니다.
각각의 구성 부와 이를 이루는 주요 부품의 정보는 다음과 같습니다.
(1) 전원 및 정보 수신 부
- NFC Loop 안테나 부 : PCB의 spiral pattern안테나
 스마트폰의 NFC로부터 e-paper에 display할 데이터를 받고 받는 동작에 필요한 전원도 NFC의 전자기장으로부터 만들어 내는 부분 입니다.
- NFC Tag IC : 3A Logics의 TNB132M
국내 업체인 3A Logics사의 NFC Tag IC제품으로 NFC의 power공급과 data를 받아서 I2C인터페이스를 통해서 MCU로 전달해주는 역할을 하고 있습니다.
- 정 전압 전원 생성 부 : RB171N331D(LDO), Si1308(FET), 47uH Inductor
TNB132M IC에서 공급되는 전자기장을 변환한 전압을 MCU와 NFC칩, 그리고 e-paper가 사용할 수 있는 전압으로 변환하여 각 부분으로 공급해 주는 역할을 합니다.

그림 – NFC 루프안테나
최종 PCB data는 위의 그림과 같이 e-paper크기와 동일하게 설계가 되었습니다.

(2) Main Control 부
- Nuvoton MS51FB9AE (MCU)
NFC칩에서 I2C를 통해 전달 된 data를 RAM buffer에 임시 저장하고 이를 내부 Flash memory에 그림에 맞는 모양으로 다시 저장합니다. 이 Flash memory에 완성된 형태로 저장된 최종 data를 e-paper에 보내주고 hand shake를 하여 그리는 역할을 하는 가장 중심이 되는 controller입니다.
- MCU code download connection
MCU를 동작 시키도록 만들어진 micro code를 MCU의 program memory로 로드 시킬 때 Programmer장비와 연결하여 인터페이스를 시키는 부분입니다.
실제 생산 시에는 1회만 사용하기 때문에 connector나 pin header를 고정하여 사용하지 않고 pin header나 JIG를 이용하여 micro code를 download 합니다.

 
그림 – PCB의 부품 배치면
후면의 NFC Loop antenna와 중첩되지 않도록 부품이 배치되어 있습니다.

(3) 정보표시 부
  - Hirose FH33-24S-0.5SH (Connector)
e-paper와의 인터페이스를 위한 커넥터 입니다. e-paper에 연결된 FPC가 해당제품에 맞춰서 만들어 졌기 때문에 e-paper제조사에서는 해당제품의 사용을 권장하고 있긴 합니다 만 꼭 해당 제품을 사용하지 않고 동종의 제품으로 변경하셔도 됩니다.
상세한 사항은 커넥터 제조, 유통사에 문의 하시면 됩니다.

3. NFC e-paper Tag 제조
1) MCU micro code(firmware)의 download
(1) 개요
본 제품에서 사용되는 Nuvoton사의 MS51FB9AE MCU를 위한 micro code(firmware)를 PC로부터download 하기 위해서는 특정 programmer장비가 필요합니다.

이 programmer장비는 Nuvoton사에서 생산 판매하는 Nu-Link 또는 Nu-Link-Pro라는 제품입니다.
programmer제품에 대한 설명은 다음의 링크에 연결된 Nuvoton사의 홈페이지 내용을 참고하시면 됩니다.
https://www.nuvoton.com/tool-and-software/hardware-development-tool/debugger/
위에서 설명한 Nu-Link, Nu-Link-Pro, Nu-Link2-Pro의 3가지 제품이 있는데 공정에서의 download를 위해서는 Nu-Link-Pro제품의 사용을 추천합니다.

(2) MCU micro code(firmware) download 공정
그림과 같이 5pin interface를 Nu-Link-Pro 프로그래머와 연결하여 download하면 됩니다.

사용하는 PC용 application program은 아래의 link로 접속하여 다운로드 받으시면 됩니다.
https://www.nuvoton.com/tool-and-software/software-development-tool/programmer/

2) PCB와 e-paper의 조립
 NFC e-paper Tag제품은 외부 전원을 사용하지 않으므로 별도의 전원이나 외부 통신라인 연결 등은 필요하지 않으며 제조시 조립하는 공정은 단순히 e-paper의 FPC케이블을 PCB상의 connector에 꽂아서 고정만 시키면 됩니다.