KR101039603B1 - 3 차원 ｕｈｆ ｒｆｉｄ 태그 - Google Patents

Abstract

본 발명은 RFID(radio frequency identification )시스템에 관한 것이다. 통상 RFID 시스템은 리더(reader)와 RFID 태그(tag)로 분류될 수 있는데, 이 중에서 본 발명이 속하는 분야는 RFID 태그 분야이다. 상기 RFID 태그 분야는 사용 주파수 영역에 따라 분류되는데, 본 발명은 RFID 태그가 서로 독립적으로 제1방향, 제2방향, 제3방향에 대해 수직을 이루도록 하고 상기 3방향 중앙 공간에는 전기적으로 연결 가능한 칩을 부착하여 UHF 대역에서 동작되는 3차원 RFID 태그 안테나에 관한 것이다.

RFID 태그, UHF, 3D 태그, 삼지창, bow-tie

Description

3 차원 ＵＨＦ ＲＦＩＤ 태그 {3 dimension UHF RFID TAG}

본 발명은 RFID(radio frequency identification )시스템에 관한 것이다. 통상 RFID 시스템은 리더(reader)와 RFID 태그(tag)로 분류될 수 있는데, 이 중에서 본 발명이 속하는 분야는 RFID 태그 분야이다. 상기 RFID 태그 분야는 사용 주파수 영역에 따라 분류되는데 본 발명은 사용주파수가 UHF 대역(860 내지 940 Mhz)에서 동작되는 RFID 태그에 관한 것이다. 특히, 표준화된 UHF RFID 프로투컬(protocol)을 따르는 Gen2 칩이 부착되는 수동형(passive type) UHF 대역 RFID 태그에 관한 것이다.

현대사회의 급변하는 변화 속에 통신기술도 많은 발전을 하고 있다. 그중에서도 RFID를 이용한 기술은 하루가 다르게 발전하고 있다. RFID 기술은 반도체 기술의 발전과 인터넷의 등장으로 물류, 의료, 교육 등 다양한 분야에 적용되고 있는데, 추후에는 모든 물품에 태그를 부착함에 따라 유비쿼터스 환경에 크게 기여할 것으로 기대된다. 이러한 RFID 기술은 저주파대역, 고주파 대역, 초고주파 대역, 마이크로파 대역의 무선 전파를 사용하며 다양한 분야에 선택적으로 적용되고 있으며, 이러한 여러 대역 중에서도 UHF 대역이 가장 전망이 밝은 것으로 알려져 있다. 이러한 RFID 기술을 응용한 RFID 시스템이란 바코드 등을 대체할 대표적인 기술로서 버스카드로부터 쇼핑, 주차장 및 회사 출입에 이르기까지 사물에 부착된 전자태그로부터 무선 주파수 인식기술 이용하여 정보를 송수신하고 다양한 분야에서 관련된 서비스를 제공하는 시스템을 말한다.

상기 RFID 는 앞에서도 상술한 바와 같이 안테나를 포함하는 리더기와 태그로 구성되는데 안테나가 활성신호를 발산하고 RF 필드를 형성하여 필드 내에서 RFID 태그가 진입하면 리더기의 안테나에서 발생한 신호를 수신하고 수신된 신호를 이용하여 태그 내에 저장된 정보를 리더기로 송신하고 리더기의 정보를 분석하여 태그가 장착된 물품의 고유 정보를 취득한다. 상기 RF 신호 교환에 의해 이루어지는 RFID는 태그 ID를 RF신호로 출력하게 되면 상기 리더기가 이 신호를 수신하고 확인하여 사용된다. 이러한 확인을 위해 사용되는 종래의 RFID 태그는 일반적으로는 평면에 부착되는 2차원 태그이다.

그러나 상기 2차원 RFID 태그는 RFID 태그가 부착된 평면의 정면에서 읽는 경우는 인식률이 상당히 높다. 그러나 상기 RFID 태그가 부착된 평면에서 비스듬한 방향에서 읽는 경우는 인식률이 정면보다 떨어지는 것으로 알려져 있다. 따라서 사각 방향에서의 인식률 저하는 상기 RFID 태그를 제품 이력 관리나 물류 분야 등으로의 응용을 하는데 있어서 상당한 취약점이 될 수 있다. 즉 RFID 시스템 분야에 응용하는 데는 인식률을 올리는 것이 최대의 관심사가 되었다.

본 발명은 상기와 같이 RFID 시스템 인식률을 올리기 위해 상기 2차원 RFID 태그가 갖고 있던 비스듬한 방향에서의 인식률 저하 등 여러 가지 문제점을 해결하기 위해 평면적인 (2차원)태그가 아닌 3차원 RFID 태그를 제작하여 전방위 각도의 인식률을 높이는 데 있다. 기존의 RFID 태그는 평면에 부착되는 2차원 태그이기 때문에 태그가 부착된 평면에 비스듬한 방향(사각지대)의 인식률이 원칙적으로 떨어진다. 이점을 개선하기 위해서 3면 부착형의 RFID 태그를 본 발명에서 제안한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 3차원 태그로 하여 태그 끝 부분을 삼지창 모양이나 바우 타이(bow-tie)형태로 만든다. 일반적인 안테나는 전자기파와 공명이 일어나기 위해서는 안테나 전체의 길이가 전자기파의 1/2 파장길이가 되어야만 공명이 일어나는데 하지만 이렇게 길이를 맞추면 안테나 길이가 길어질 수 있다. 예를 들어 900 Mhz 전자기파의 경우 1/2 파장은 16-17 cm 이어야 한다. 안테나가 소형화되면서 유효길이를 맞추기 위해서 민더 라인(meander line)이나 바우 타이( bow tie)형으로 끝 부분을 변형하여 사용한다. 이렇게 해서 ∼ 915 Mhz 주파수에 해당하는 전자기파에 공명이 일어나도록 기하학적 디멘죤(geometric dimension)을 최적화해야 하며 안테나 영역의 크기가 바뀔 때 인덕턴스와 커패시턴스도 변하게 되는데 칩과 임피던스 매칭이 되도록 안테나 영역의 크기가 정해져야 한다.

상기와 같은 모양의 본 발명의 3차원 RFID 태그는 서로 독립적인 제1방향, 제2방향, 제3방향으로 각각 수직을 이루고 상기 수직을 이루는 서로 다른 3방향의 수직면에 부착가능한 3방향의 태그와, 서로 다른 3방향의 중앙에서 한 방향의 태그에 위치한 공간에는 다른 2방향 태그의 일단과 서로 전기적으로 연결된 칩을 포함하며, 상기 3방향의 태그는 박스코너 모서리를 중심으로 기하학적으로 x축인 제1방향, y축인 제2방향, z축인 제3방향으로 서로 수직으로 박스코너 3면에 부착되며, 상기 제2방향의 태그를 제외한 제1방향, 제3방향 태그는 적정 거리 만큼 떨어져 수직으로 꺾여 박스 코너 모서리 3면에 각각 부착되며, 상기 박스 코너 모서리를 중심으로 3면 방향에 부착된 각각의 RFID 태그의 끝 모양은 삼지창 또는 바우 타이(bow- tie)모양, 민더 라인(meander-line)형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 RFID 태그는 Gen 2 칩( UHF RFID protocol 을 말함 )이 부착되는 수동형인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 RFID 태그는 칩이 부착되는 공간과 상기 제1방향, 제 3방향의 태그는 적정 거리 만큼 떨어져 수직으로 꺾이는 부분과 상기 태그의 길이, 폭 등은 전산 모사에 의해 공명 주파수와 리턴 로스가 최대가 되는 곳에서 정해지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 RFID 태그의 몸체는 Cu를 비롯한 금속 또는 전도성 고분자로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 3차원 RFID 태그로서 전방위각의 인식률을 높일 수 있는 효과가 있다.

이하 도면을 참조로 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 2차원 RFID 태그 부착과 인식률 방향성 및 3차원 RFID 태그 부착과 인식률 방향성을 각각 나타내는 도면으로서, ⓐ는 리더기, ⓑ는 RFID 태그, ⓒ는 물체를 표시한다.

도면에 도시된 바와 같이 2차원 평면의 정면에서 읽는 경우는 도 1a 에 나타난 바와 같이 리더기가 수직 방향으로 있는 경우는 수직 화살표 방향으로는 리더기 인식률이 아주 양호하다. 그러나 비스듬한 방향인 우측 화살표 방향은 수직 화살표 방향의 인식률보다 훨씬 떨어지는 것으로 알려져 있다. 도면에서는 (0) 표시된 것은 인식률이 양호하며 (X)로 표시된 방향은 인식률이 떨어지는 것으로 표시하였다. 도 1b 에서는 3차원으로 RFID 태그를 제조하여 박스(물체)모퉁이에 부착한 상태를 보여주고 있는데 각각의 3면에 태그 안테나가 위치하므로 3방향으로 방사 패턴이 효율적으로 형성되어 도시처럼 (0)으로 표시된 수직, 우측, 전방 화살표 방향 모두 리더기 인식률이 아주 양호한 것을 나타내고 있다.

도 2는 3차원 RFID 의 구조도 이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 RFID 태그는 3방향, 즉, 독립적인 제1방향, 제2방향, 제3방향으로 펼쳐져 서로 각각 수직을 이루고 상기 수직을 이루는 서로 다른 수직면에 부착가능한 3방향의 태그와, 서로 다른 3방향의 중앙에서 한 방향으로 위치한 공간에는 다른 2방향의 일단과 서로 전기적으로 연결된 칩을 포함하며, 상기 태그는 3방향의 태그 중심에서 기하학적으로 x축인 제1방향, y축인 제2방향, z축인 제3방향으로 서로 수직으로 물체에 부착될 수 있으며, 제2방향의 태그, 제3방향의 태그는 전산 모사에 의해 공명 주파수와 리턴 로스(return loss(공명 세기를 알려주는 값))가 최대가 되는 적정한 거리 만큼 떨어져 수직으로 꺾여 제2방향, 제3방향의 수직 면에 부착될 수 있는 구조로 되어 있다. 여기서 3면 방향에 부착가능한 각각의 RFID 태그 끝 모양은 삼지창 또는 바우 타이(bow-tie)모양, 민더 라인(meander line)형태로 되어 있다. 통상적으로 안테나가 전자기파와 공명이 일어나기 위해서는 안테나 전체의 길이가 전자기파의 1/2 파장 길이가 되어야 공명이 일어나는 것으로 알려져 있다. 하지만, 이렇게 파장 길이를 맞추면 안테나 길이 자체가 길어질 수 있다. (900 Mhz 전자기파의 경우 1/2 파장은 16-17cm 즉, 안테나 길이가 8-8.5cm 는 되어야한다는 것을 의미함) 그러나 안테나가 소형화되면서 유효 길이를 맞추기 위해서 민더 라인(meander line)이나 바우 타이(bow-tie)형으로 끝 부분을 변형한다. 이렇게 해서 910 Mhz 주파수에 해당하는 전자기파에 공명이 일어나도록 해야하며 기하학적 차원 (geometric dimension) 을 최적화해야함과 동시에 안테나 영역의 크기가 바뀔 때 인덕턴스와 커패시턴스도 변하게 되는데 칩과의 임피던스 매칭이 일어나도록 안테나 영역의 크기가 정해져야 하며 이런 이유로 도 2의 도시와 같이 태그 끝 부분을 삼지창 모양이나 바우 타이(bow-tie)모양으로 만들어야 한다. 또한, 여기서 태그 폭과 길이는 ∼ 915Mhz 에 최적화되도록 하고 동시에 전산 모사를 하여 공명 주파수와 리턴 로스가 최대가 되는 폭과 길이로 제작해야 하며, 칩이 부착되는 부분(도면에서는 화살표 부분의 공간) 또한 전산 모사로 최적화 되어야 한다. 여기서 태그 안테나는 전도성의 구리판으로 제작한다.

도 3은 본 발명의 3차원 RFID 태그가 박스(물체) 코너에 부착된 모습을 보여주는 도면으로서 ⓐ는 물체, ⓑ는 태그를 표시한다. 도 3도 (a)는 MM 태그(modified meander-line 태그를 말함)형 안테나를 도시하며, 도 3도 (b)는 MB 태그(modified bow-tie 태그를 말함)형 안테나를 도시한다. 도 4도 (a)는 MM 태그형 안테나 도 4도 (b)는 MB 태그형 안테나로 디자인된 RFID 태그의 리턴 로스 값을 도시하고 있다. 여기서 공명주파수는 860 내지 930MHz 영역이고 3db 대역폭은 160 내지 170 Mhz으로 우수한 값을 나타내는 것을 보여주고 있다. 따라서 본 발명의 RFID 태그는 도 1의 (b)에서 표시된 바와 같이 3차원 전방위각도의 인식률이 좋을 것으로 기대된다. 그 이유는 각각의 3면에 RFID 태그 안테나가 위치하기 때문에 3방향으로의 방사 패턴이 효율적으로 형성될 수 있기 때문이다.

도 5는 3차원 MM 태그, MB 태그와 2차원 다이폴(dipole) 태그의 방사(radiation) 방향성 패턴을 보여주는 전산 모사 결과이다. 도 5a는 xy평면, 5b는 yz 평면, 5c는 xz 평면의 패턴을 나타내며 도시된 바와 같이 2차원 다이폴 태그의 경우는 구조상 다이폴의 길이 방향에 있다. 만일 길이 방향이 y축 방향과 평행하게 부착되면, 도면에 나타난 바와 같이 구조적으로 xy, yz 평면에서 90도 와 270도 각도에서 조금 방사 세기가 줄어드는데 그치고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 도 5a, 5b, 5c는 본 발명의 3차원 RFID 태그가 등방적으로 인식이 잘 될 수 있는 우수한 태그임을 보여주는 전산 모사 결과이다.

도 6은 본 발명의 RFID의 거리별, 방향별 최대 인식거리 테스트에 대한 개략도로서, ⓐ는 태그, ⓑ는 물체, ⓒ는 리더기, ⓓ는 판독거리, ⓔ는 신호이다. 통상 RFID 태그는 박스의 코너에 부착되는데, 칩은 위치 (1)에 부착된다. 리더기ⓒ와 태그ⓐ 사이의 거리ⓓ를 조금씩 증가시키면서 인식가능한 최대거리를 확인한다. 1, 2, 3은 박스 코너부의 평면을 1-2, 2-3, 3-1은 육면체의 면과 면사이의 변을 나타낸다. 좀 더 구체적으로는 1(또는 2, 3 )면 방향에 대한 최대 인식거리 테스트를 할 때 리더기를 1(또는 2, 3)평면에 수직한 위치에 위치시킨 후 거리ⓓ를 증가시키면서 인식할 수 있는 최대거리를 찾는다. 비슷한 방법으로 1-2(또는 2-3, 3-1)변에 대한 최대 인식거리 테스트를 할 때는 1-2(또는 2-3, 3-1) 변에 수직한 위치에 리더기를 위치시켜서 리더기와 태그 사이의 거리를 바꾸어 가면서 인식할 수 있는 최대 인식 거리를 확인한다.

도 7은 도 2의 3차원 RFID 태그를 직접 제작하여 박스 코너에 부착한 후 도 6의 방법에 따라 방향별 최대 인식거리를 측정한 결과 그래프이다. 비교를 위해서 2차원 다이폴 태그(dipole tag) 역시 상기 면 1에 부착하여서 최대 인식거리를 방향별로 측정해서 그래프에 나타내었다. 이때 다이폴은 길이 방향이 y 축과 평행하도록 부착한다. 도시된 바와 같이 2차원 다이폴 태그인 경우는 태그가 부착된 면인 1면에 수직한 방향의 인식거리가 4m 이상으로 크게 나타났다. 그리고 2면과 1-2 변의 최대 인식거리도 4m 이상으로 크게 나타났는데, 이 결과는 다이폴 안테나의 방사 특성을 고려하면 이해가 된다. 반면에 태그가 부착된 길이 방향으로 거리 인식 테스트를 하게 되는 3면인 경우는 0.6m 로 최대 인식거리가 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다. 그리고 3-1면에서는 인식거리가 다소 증가하는 경향을 보인다. 이에 반해서 MM 태그는 2-3, 3-1면의 경우 최대 인식거리가 2m 이상이었고, MB 태그는 이보다 우수하여서 3m 이상을 보였다. 도 7의 결과는 특히 MB 태그의 인식 거리가 리더기의 방향에 관계없이 크게 나타나는 것을 보여 준다. 이는 모든 방향에서 인식률이 양호한 것을 보여주는 것이며 본 출원인이 본 발명을 통해서 달성하고자 하는 목적과 부합된다.

본 발명은 UHF 대역의 RFID 태그로 제품 이력 관리, 박스형 물류에 사용될 수 있다.

도 1은 2차원 RFID 태그 부착과 인식률 방향성 및 3차원 RFID 태그 부착과 인식률 방향성을 각각 나타내는 도면이다.

도 2는 3차원 RFID의 구조도 이다

도 3은 본 발명의 3차원 RFID 태그가 박스(물체) 코너에 부착된 모습을 보여주는 도면이다.

도 4도 (a)는 MM 태그형 안테나 도 4도 (b)는 MB 태그형 안테나로 디자인된 RFID 태그의 리턴 로스 값을 도시하는 도면이다.

도 5는 3차원 MM 태그, MB 태그와 2차원 다이폴(dipole) 태그의 방사(radiation) 방향성 패턴을 보여주는 도면이다.

도 6은 본 발명의 RFID의 거리별, 방향별 최대 인식거리 테스트에 대한 개략도이다.

도 7은 도 2의 3차원 RFID 태그를 직접 제작하여 박스 코너에 부착한 후 도 6의 방법에 따라 방향별 최대 인식거리를 측정한 결과 그래프이다.

Claims (4)

1. 박스코너(물체) 모서리를 중심으로 서로 독립적인 제1방향, 제2방향, 제3방향으로 각각 수직을 이루고 상기 수직을 이루는 서로 다른 3 방향의 수직면에 부착가능한 3방향의 태그와,

   서로 다른 3방향의 중앙에서 한 방향의 태그에 위치한 공간에는 다른 두 방향 태그의 일단과 서로 전기적으로 연결된 칩을 포함하며,

   상기 세 방향의 태그는 박스코너 모서리를 중심으로 기하학적으로 x축인 제 1방향, y축인 제2방향, z축인 제3방향으로 서로 수직으로 박스코너 3면에 부착되며, 상기 제2방향의 태그를 제외한 제1방향, 제3방향 태그는 적정 거리 만큼 떨어져 수직으로 꺾여 박스 코너 모서리 3면에 각각 부착되는 3차원 RFID 태그에 있어서,

   상기 박스 코너 모서리를 중심으로 3면 방향에 부착된 각각의 RFID 태그의 끝 모양은 삼지창 또는 바우 타이(bow- tie) 모양, 민더 라인(meander-line)형태인 것을 특징으로 하는 3차원 UHF 대역의 RFID 태그.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 RFID 태그에 부착된 칩은 수동형 Gen 2 칩( UHF RFID protocol)인 것을 특징으로 하는 3차원 UHF 대역의 RFID 태그.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 칩이 부착되는 공간, 상기 제1방향, 제3방향의 태그가 적정 거리 만큼 떨어져 수직으로 꺾이는 부분, 상기 태그의 길이, 폭 등은 전산 모사에 의해 공명 주파수와 리턴로스가 최대가 되는 곳에서 정해지는 것을 특징으로 하는 3차원 UHF 대역의 RFID 태그.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 RFID 태그의 몸체는 Cu를 비롯한 금속 또는 전도성 고분자로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 UHF 대역의 RFID 태그.

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