KR101492891B1

KR101492891B1 - 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101492891B1
Application number: KR20130076981A
Authority: KR
Inventors: 정경환; 이광용; 김다애; 강문식
Original assignee: (주) 파루
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2015-02-23
Also published as: KR20150004042A

Abstract

인쇄공정을 이용한 플렉시블 CMOS 형태의 저전압용 구동 집적 회로 제조 방법 및 이를 이용한 RFID 태그가 개시된다. 본 발명의 집적회로 제조방법은 인쇄방법을 사용하여 p형 단일벽 탄소나노튜브(SWNT;Single-wall Nanotube) 기반 트랜지스터(TR;transistor)를 인쇄한 다음, 인쇄된 SWNT 기반 TR의 표면에 전구체와 올리고머가 용해된 N형 도핑 잉크를 사용하여 트랜지스터 채널에 중첩 인쇄하여 소정의 P형 SWNT 기반 TR을 N형 SWNT 기반 트랜지스터로 전환하여 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor)형태의 트랜지스터로 변환하여 구성함으로써, 기존 Si에 기반한 스마트폰 및 그 외의 이동식 단말기와 상호 감응이 가능하도록 하여 RFID 및 USN 분야를 실제적으로 모든 생활과 산업에 활용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치 및 그 제조 방법{NEAR RFID APPARATUS EMBEDDED SENSOR CIRCUIT AND THE PRODUCT METHOD THEREOF}

본 발명은 근거리 무선 태그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인쇄 트랜지스터, 인쇄 다이오드, 인쇄 센서 및 인쇄 안테나를 집적화하여 초저가로 RFID-USN을 구현할 수 있는 ADC와 센서가 내장된 NFC 또는 13.56 MHz RFID 태그를 R2R 인쇄 기술로 구성한 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

휴대폰, 스마트폰, 휴대용 태블릿 PC 등 이동 단말의 보급이 급속히 확산되면서 최근에는 RFID(Radio Frequency IDentification), NFC(Near Field Communication) 기술과 같이 저전력으로 근거리에서 무선 통신을 할 수 있는 기능을 포함한 단말이 등장하고 있다.

RFID는 상품이나 사물의 정보를 작은 반도체 칩, 일명 전자 태그에 저장하고 전파를 이용해서 해당 정보를 인식하는 기술이며, NFC는 10cm 이내의 근거리에서 비접촉식으로 무선 통신하는 기술로 신용카드와 같이 금융거래를 전자 결제하는 카드 에뮬레이션 모드, NFC 호환 단말 간 데이터 신호를 송수신하는 P2P 모드, 카드/RFID 리더기와 같이 태그로부터 간단한 정보를 읽어 확인하는 리더 모드 등으로 운용된다.

이러한 13.56 MHz RFID 태그를 최근 100% 인쇄 방법으로 저가로 제조하는 기술들이 개발되고 있다.

이러한 기술이 공개특허 10-2011-0135170호(명칭:인쇄 유기 박막 트랜지스터를 이용한 RFID 태그 회로 구성 방법)에 개시되어 있다.

상술한 종래의 특허는 롤 투 롤 (Roll to Roll) 인쇄 방법을 이용하여 13.56 MHz에서 구동되는 유기물 기반의 인쇄 박막 트랜지스터를 이용한 RFID 태그에 관한 것으로서 인쇄 트랜지스터를 이용하여 (i) 신호 처리를 위한 클럭 신호 발생 및 클럭 신호 주파수를 제어하는 방법, (ii) 발생된 클럭 신호, 디지털 논리회로 및 메모리를 이용한 2n 비트의 태그 인식 정보를 추출하는 방법, (iii) 진폭 변조, 주파수 변조 방식을 이용하여 데이터를 전송하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 출원인이 한국 특허청에 2013년 5월 7일부로 출원한 출원번호 10-2013-0051210호에 대한 기술이 도 1에 도시되어 있다.

도 1은 소정 기억 용량을 갖는 RFID 태그 회로로, 안테나(17), 클럭 신호 발생기(12)와, 존슨 링 카운터(13,15)와, NAND 형식의 디코딩 게이트(14)와, NOR 형식의 디코딩 게이트(16), 변조회로(18), 정류기(19), 그리고 NAND 형식의 메모리(11)를 포함하여 구성하고 그라비아 공정을 이용하여 인쇄된 CMOS 형태의 RFID 태그회로를 구성된다.

이러한 RFID 태그회로를 포함하는 NFC 기능이 탑재된 스마트 폰은 유비쿼터스 사회를 구현하는 코어 툴임이 틀림없다. 그러나 최근 수많은 스마트폰이 보급되었는데도, 모든 사물과 주변 환경과 무선을 통해 실시간으로 정보를 받을 수 있는 진정한 유비쿼터스 사회 구현은 아직도 요원하다. 그 주된 이유로는 주변과 사물에 모두 부착해야 하는 센서, ADC가 집적화된 실리콘 기반의 NFC 또는 13.56 MHz RFID 태그의 생산 가격이 태그 한 개당 가볍게 3000원을 넘기 때문이다. 주된 이유로는 기존의 실리콘 기반의 칩 제조 공정은 다양한 센서와 간단한 디지털 프로세서를 RFID 또는 NFC칩에 집적하는 비용 부분이 크기 때문이다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 R2R 인쇄 기술을 이용하여 센서, ADC, 디코더, 렉테나, NFC 또는 RFID태그를 생산할 수 있는 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고 본 발명은 R2R 인쇄 가능한 트랜지스터의 파라미터들을 추출하여, 시뮬레이션 툴을 개발하고, 이 툴을 통해 센서, ADC, 디코더, 렉테나, NFC 또는 RFID태그를 집적시킬 수 있는 회로를 디자인하고 인쇄할 수 있는 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 내장된 센서에서 측정한 데이터를 근거리 무선 통신으로 송신가능한 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치는, 상기 근거리 무선 태그장치는 센서데이터를 획득하는 리더기에서 전송되는 무선주파수 신호에서 전력을 공급받아 상기 센서가 데이터를 센싱하도록 하고, 센싱된 아날로그 데이터는 AD컨버터를 통하여 디지털로 변환된 후 변조기를 통하여 리더기로 전송되는 센서를 내장하게 함으로써 달성될 수 있다.

또한, 센서데이터를 획득하는 리더기에서 전송되는 무선주파수 신호에서 전력을 공급받아 센싱된 아날로그 데이터를 출력하는 하나 이상의 센서와, 상기 센서에서 출력되는 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환하는 AD컨버터와, 상기 AD컨버터의 출력신호를 변조하여 리더기로 전송하는 변조기와를 포함하고, 상기 센서와 AD컨버터 그리고 변조기는 그라비아, 잉크젯, 또는 옵셋(off-set) 방식 중 어느 하나의 방식으로 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에스터(PET), 폴리카보나이트(PC), 폴리설폰(PES), 그리고 종이필름 중 어느 하나의 필름에 인쇄하여 달성된다.

이러한 센서는 습도센서, 압력센서, 광센서, 화학센서, 가스센서, 또는 바이오센서 중 어느 하나 이상으로 구성할 수 있으며, AD컨버터는 상기 센서에서 출력되는 아날로그 신호와 기준 전압을 각각의 다른 기준 전압을 갖는 비교기와, 상기 비교기의 출력 신호를 3~8비트의 디지털 신호로 변화하여 출력하는 인코더를 포함하게 구성할 수 있다.

근거리 무선 태그 장치는 리더기로부터 교류 전압을 수신하는 공진회로와, 상기 공진회로부터 수신한 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류기와, 상기 정류기에서부터 입력된 직류 전압을 이용하여 클록 신호를 발생시키는 클럭 신호 발생기와, 상기 클럭신호 발생기의 클럭신호를 이용하여 링 카운터의 2배의 출력특성을 얻기 위한 존슨 링 카운터와, 상기 존슨 링 카운터의 출력신호로 메모리 제어신호를 생성하는 디코딩 게이트, 및 상기 디코딩 게이트의 신호로부터 소정 기억 용량을 갖는 메모리를 포함하게 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 클럭신호발생기, 상기 존슨링카운터, 상기 디코더게이트, 또는 상기 메모리에 사용되는 트랜지스터는 그라비아, 잉크젯, 또는 옵셋(off-set) 방식 중 어느 하나의 방식으로 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에스터(PET), 폴리카보나이트(PC), 폴리설폰(PES), 그리고 종이필름 중 어느 하나의 필름에 인쇄하도록 한다.

한편 이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 내장된 센서에서 측정한 데이터를 근거리 무선 통신으로 송신가능한 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치의 제조 방법은, (a)플렉시블 필름 기판에 도체 잉크를 이용하여 안테나, 트랜지스터의 게이트, 다이오드와 커패시터의 하부 전극 및 하부 배선을 인쇄하는 단계와, (b)유전율과 절연특성을 지닌 잉크를 사용하여 트랜지스터와 커패시터의 유전층, 배선의 절연막을 인쇄하는 단계와, (c)도체 잉크를 사용하여 다이오드와 커패시터의 상부 전극 및 트랜지스터의 드레인 소스 전극을 인쇄하는 단계와, (d)트랜지스터의 활성층을 인쇄하는 단계와, (e)다이오드의 활성층을 인쇄하는 단계와, (f)다이오드의 상부전극을 인쇄하는 단계와, (g)저항을 인쇄하는 단계와, (h)센서를 인쇄하는 단계, 및 (i)인쇄된 소자의 수분과 공기와의 차단을 위해 센서의 입력단자를 제외한 모든 부분에 보호막을 인쇄하는 단계로 이루어지게 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치 및 그 제조 방법에 의하면 R2R 인쇄 공정을 이용하여 RFID 또는 NFC 태그 인쇄뿐만 아니라, 안테나, 센서, ADC에 라벨링까지 모두 연속 인쇄 공정으로 진행되어 현격히 제조 가격을 낮출 수 있으며, 또한 손쉽게 센서, ADC의 기능 및 용량을 저렴한 비용으로 바꿀 수 있어 전체적인 제조 가격을 최대 1/100까지 낮출 수 있다.

또한, 본 발명으로 설계된 센서, ADC가 집적된 RFID 또는 NFC 태그는 곧바로 R2R 인쇄 방법을 이용해 초저가로 대량 생산이 가능하기 때문에 센서와 연동되는 디지털 신호처리 기술을 인쇄 RFID-USN 분야 회로의 기본 프로토콜로 적용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 저전압용 RFID 태그의 회로도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치의 주요 구성도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 리더기의 구성도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 R2R 인쇄공정을 이용해 제조된 ADC 회로가 집적된 인쇄 NFC 또는 13.56MHz RFID-센서 기본 회로의 인쇄 공정 및 태그의 이미지,
도 5는 본 발명의 상호 유도 작용에 의해 리더기의 신호가 안테나로 전달되는 회로도 및 인쇄 도면,
도 6은 본 발명의 정류기를 통하여 센서 및 ADC 회로 구동을 위한 전원전압을 얻기 위한 회로도 및 인쇄 도면,
도 7은 본 발명의 인쇄 트랜지스터를 사용하여 제작한 비교기 회로,
그리고,
도 8은 본 발명의 변조 트랜지스터를 사용하여 진폭 변조하는 회로도 및 시뮬레이션한 결과값을 도시한 도면이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 의한 저전압용 RFID 태그와 그 제조 방법에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명은 그라비아(Gravure)인쇄, 잉크젯(Inkjet)인쇄, 옵셋(Offset)인쇄 또는 플렉소(Flexo)인쇄 방식을 이용하여 CMOS 형태의 저전압용 구동 집적 회로를 구성하는 방법에 관한 것으로, 도체 잉크를 사용하여 안테나, 캐패시터, 다이오드, 트랜지스터의 전극을 인쇄하고 유전체 잉크를 사용하여 캐패시터, 트랜지스터, 배선 교차부위에 절연 및 유전층을 인쇄하고 반도체 잉크를 사용하여 다이오드, 트랜지스터의 활성층을 인쇄한 후 이를 조합하여 100% 인쇄 방식으로 집적회로를 제조하는 기술로, 이를 이용하여 13.56MHz에서 공진하는 공진회로인 안테나, 클럭 신호 발생기, 카운터회로, 메모리, 변조 트랜지스터를 만드는 기술에 관한 것으로, 특히 본 발명은 습도센서, 압력센서, 광센서, 화학센서, 가스센서, 또는 바이오센서 중 어느 하나 이상으로 구성되는 센서를 인쇄 방식으로 구성하여 감지한 센서 데이터를 RFID 태그를 이용하여 전송하고 수신하여 이를 표시할 수 있는 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치의 주요 구성도로서, 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 근거리 무선 태그 장치(100)는 센서데이터를 획득하는 리더기(150)에서 전송되는 무선주파수 신호에서 전력을 공급받아 센서(110a~110n)가 데이터를 센싱하도록 하고, 센싱된 아날로그 데이터는 AD컨버터(122)를 통하여 디지털로 변환된 후 변조기(130)를 통하여 리더기(150)로 전송되도록 구성한다.

이를 위하여 근거리 무선 태그 장치(100)는 센서데이터를 획득하는 리더기(150)에서 전송되는 무선주파수 신호에서 전력을 공급받아 센싱된 아날로그 데이터를 출력하는 하나 이상의 센서(110a~110n)와 센서(110a~110n)에서 출력되는 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환하는 AD컨버터(122), AD컨버터(122)의 출력신호를 변조하여 리더기(150)로 전송하는 변조기(130), 리더기(150)로부터 13.56 MHz의 교류 전압을 수신하도록 동조 안테나로 구성된 공진회로(140)와 정류기(160) 그리고 태그회로(20)를 포함하여 구성한다.

센서(110a~110n)는 무전원 센서로서 설치된 위치에서 정보를 센싱하고 센싱한 센서 데이터를 리더기(150)로 전송하도록 동작된다.

센서(110a~110n)의 종류에 따라서 센싱한 데이터로는 사물의 인식정보 및 주변의 환경 정보(온도, 습도, 압력, 광, 화학, 가스, 바이오, 오염정보, 균열 정보 등) 등이 포함될 수 있다.

센서(110a~110n)는 전원 공급 장치가 없는 센서로서, 리더기(150)로부터의 RF 신호를 정류하여 구동 전력으로 사용한다.

이러한 센서(110a~110n)에서 감지한 센서 데이터는 아날로그 디지털 변환부(Analog-to-Digital Converter, ADC)(120)에 입력되어 아날로그 신호가 디지털 신호로 변환된다.

AD컨버터(120)는 센서(110a~110n)에서 출력되는 아날로그 신호와 기준 전압으로 각각의 다른 기준 전압을 입력받는 비교기(121a~121n)와 비교기(121a~121n)의 출력 신호를 3~8비트의 디지털 신호로 변환하여 출력하는 엔코더(122)를 포함하여 구성된다.

근거리 무선 태그 장치(100)는 리더기(150)로부터 RF 신호를 수신한 후 이를 정류하여 센서(110a~110n) 및 AD컨버터(120)로 전원을 공급하며, 센서를 동작시키는 동작 명령 신호를 전달할 수 있다.

이후, 센서(110a~110n)에서 감지된 센서데이터를 이용하여 AD컨버터(120)는 전송할 센서 데이터를 생성하여 변조기(130)와 공진회로(140)를 통하여 근거리 무선 통신을 이용하여 리더기(150)로 전송한다.

근거리 무선 통신으로는 NFC(Near Field Communication)나 블루투스(B/T;Bluetooth)와 같은 근거리 통신장치를 이용한다.

근거리 무선 통신 기술 중, 특히 NFC는 13.56MHz RF를 이용하여 10cm 이내의 근거리에서 통신하므로, 전력 소모가 작은 센서를 구동할 수 있는 전력 공급이 가능하다. 따라서, 무전원 센서(110a~110n)로는 수십 mA 전력을 소모하는 온도, 습도, 전자파, 자외선 센서 등이 사용될 수 있다.

또한, AD컨버터(120)는 센서 데이터를 생성하는 구성요소로, 센서의 종류 및 형태에 따라 센서에 결합될 수도 있다. 즉, 센서와 AD컨버터가 하나의 모듈로 구현될 수 있음은 물론이다.

또한, 센서(110a~110n)는 카드 형태로 구현될 수 있으며, USB 또는 라벨 형태로 구현될 수도 있다.

리더기(150)는 통상의 무선 통신을 행하는 통신인터페이스(156)와, 통신부(155)는 근거리 무선 태그 장치(100)와 근거리 통신을 수행하며, 사용자 App부(152)로부터 센서를 구동하라는 동작 명령 신호를 받아서 RF 신호를 전송한다.

이후, 통신부(155)는 센서로부터 센서 데이터를 수신하여 센서 처리부(154)에 전달한다.

센서처리부(154)는 근거리 무선 태그 장치(100)로부터 수신된 센서 데이터를 가공하여 사용자 App부(152)로 전송하고 설정된 어플리케이션에 따라 표시부(153)에 센싱된 센서값을 표시하도록 한다.

본 발명에서는 센서들의 전력 소모를 줄이기 위해 센서 노드의 프로세서 기능을 수행하지 않도록 구성한다. 따라서, 리더기(150)에 고유의 전원 및 내부의 제어부(151)가 존재하므로, 센서 처리부(154)는 제어부(151)를 이용하여 에러 값을 보정하도록 한다.

사용자 App부(152)는 이동통신망을 통해 웹서버(미도시)에 접속하여 센서 데이터 처리 어플리케이션을 다운받아 설치하거나, IOS 계열이건 안드로이드 계열이건 관계없이 각 OS에 맞는 앱을 앱 스토어에 올려서 배포하는 방식을 사용할 수도 있음은 물론이다.

이러한 앱(App)의 다운 및 설치과정 그리고 인증단계 등은 일반적인 것이므로 그 상세한 설명은 생략한다.

즉, 앱은 센서 처리부(154)로부터 수신된 센서 데이터를 이용하여 해당 응용 서비스에 따른 정보를 생성하도록 어플리케이션이 구동되도록 한다.

또한 리더기(150)는 사용자로부터 센서의 동작 명령 신호를 입력받아 제어부(151)에 전달하고, 이후 사용자 앱부(152)에서 생성한 응용 서비스 정보를 화면에 표시한다.

이러한 리더기(150)로는 근거리 무선 통신이 가능한 3G/4G 등의 통신 단말기, 휴대용 태블릿 등이 사용될 수 있다.

변조기(130)는 위상이나 진폭 등을 변조(modulation)하여 태그에 저장된 데이터를 리더로 전송되어 태그의 정보를 판독할 수 있도록 동작되며, RFID 태그의 배터리의 사용여부와 동작방식에 따라 능동형(active), 수동형(passive) 태그로 나누어 지며, 리더의 RF 프론트-엔(front-end) 설계구조에 따라 각 회사마다 전송방식을 달리하여 태그의 변조방식이 바뀐다.

정류기(160)는 태그회로(20)내의 클럭신호 발생기의 전단에서 정류 효율을 높이기 위해 브릿지 다이오드와 커패시터로 전파 정류기를 구성하였으며, 공진회로(140)로부터 수신한 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 태그회로(20)와 각 장치들에게 전력을 공급하도록 구성된다.

RFID 태그회로(20)는 존슨링카운터와 디코딩 게이트에 의해 메모리 블록에서 발생된 RFID 태그 인식 신호는 변조기(130)에 의해 리더기(150)로 전송되어 태그의 정보를 읽게 된다.

상술한 바와 같이 이러한 RF 태그 회로는 그라비아 공정을 이용하여 도체 잉크를 사용하여 안테나 패턴, 커패시터의 하부전극, 다이오드의 하부전극, 트랜지스터의 게이트, 하부 연결 배선을 인쇄하고, 이어서 높은 유전율과 절연특성을 지닌 잉크를 사용하여 커패시터의 유전체, 트랜지스터의 유전체, 라인 접합부위의 절연층을 인쇄한다.

그리고 도체 잉크를 사용하여 트랜지스터의 드레인-소스, 상부 연결 배선을 인쇄한 다음, SWNT 잉크를 사용하여 트랜지스터의 반도체 층을 인쇄하고 N도핑 잉크를 사용하여 회로 내에 N형 트랜지스터가 위치해야 하는 부분에 N형 트랜지스터를 인쇄하여 집적회로들을 제작하는 것이다.

또한, 센서와 AD컨버터 그리고 변조기는 그라비아, 잉크젯, 또는 옵셋(off-set) 방식 중 어느 하나의 방식으로 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에스터(PET), 폴리카보나이트(PC), 폴리설폰(PES), 그리고 종이필름 중 어느 하나의 필름에 인쇄하여 구성할 수 있다.

도 1을 참고하면 RFID 태그회로(20)는 클럭 신호 발생기(12)와, 존슨 링 카운터(13,15)와, NAND 형식의 디코딩 게이트(14)와, NOR 형식의 디코딩 게이트(16), 그리고 메모리(11)를 포함하여 구성하고 100% 인쇄공정을 이용하여 태그회로를 구성한다.

클럭 신호 발생기(12)는 직류를 이용하여 클럭신호를 발생시키도록 인쇄 트랜지스터를 이용하여 제작된 인버터를 복수 개 연결한 회로로 구현되며, 전원과 라인에서 발생하는 잡음이 트랜지스터의 저항, 캐패시터를 통하여 외부의 교류전원 없이 지연 신호를 발생시킨다.

또한, 클럭신호 발생기(120)는 인버터를 직렬로 연결하되 홀수 개의 인버터를 사용해야 한다.

이러한 구성의 클럭신호 발생기를 이용하면 인쇄 인버터의 등가 커패시터와 저항을 이용하여 발진 주파수를 제어할 수 있다. 즉 게이트와 소오스의 인쇄 전극의 넓이를 조절함으로써 인쇄 트랜지스터의 등가 커패시터를 조절할 수 있다.

존슨링카운터(13,15)는 클럭 신호 발생기(12)의 클럭 신호를 이용하여 플립플롭 개수의 2배 만큼의 신호를 생성하도록 동작되며, 외부에서 인가되는 회로 동작 신호를 제어하면서 인쇄트랜지스터의 수를 최소화하기 위하여 트랜지스터로 구성되는 D F/F(Delay Flip-Flop)으로 구성한다.

즉, 존슨링카운터(13,15)는 CMOS형 인버터 인쇄 트랜지스터 기반의 D F/F을 포함하여 구성할 수 있는 것이다.

제1 존슨링카운터(13)는 클럭 신호 발생기(12)의 신호를 받아 분주된 주파수를 열(column) 디코더인 NAND 디코딩게이트(14)로 입력하고, 제2 존슨링카운터(15)는 행(row) 디코더인 NOR 디코딩 게이트(16)로 입력하도록 연결된다.

디코딩 게이트(14,16)는 CMOS형 인버터 트랜지스터를 기반으로 하는 하나 이상의 NAND, NOR 게이트, AND게이트, 또는 OR게이트 등의 디코딩 소자를 포함할 수 있는 데, 본 발명에서는 NAND 형식의 디코딩 게이트(14)와 NOR 형식의 디코딩 게이트(16)를 각각 사용하는 것으로 설명한다.

이러한 NAND 형식의 디코딩 게이트(14)와 NOR 형식의 디코딩 게이트(16)는 존슨 링 카운터가 회로 자체적으로 디코딩 신호를 만들어 낼 수 없기 때문에 NAND 게이트와 NOR 게이트를 통하여 디코딩 신호를 생성하도록 하는 것이다.

이러한 디코딩 게이트(14,16)들은 각각 존슨 링 카운터(13,14)의 겹치는 신호를 제거한 후 단일 신호로 출력할 수 있도록 동작된다.

구체적으로 존슨 링 카운(13,14)의 단자간에 겹치는 출력신호를 인쇄 트랜지스터로 제작된 NAND 게이트와 NOR 게이트를 통하여 겹치지 않게 디코딩 신호를 얻도록 동작된다.

이를 위하여 클럭신호 발생기(12)의 클럭 신호를 사용하여 CMOS형 인쇄 트랜지스터를 사용한 트랜지스터 기반의 존슨 링 카운터(13,15)를 구성 후 제1 존슨링카운터(13)는 분주된 주파수를 열(column) 디코더인 NAND 디코딩게이트(14)로 입력하고, 제2 존슨링카운터(15)는 행(row) 디코더인 NOR 디코딩 게이트(16)로 입력하도록 연결되게 구성하여 디코더 신호를 추출하는 것이다.

이러한 구성으로 인쇄 트랜지스터의 수를 최소화할 수 있음은 물론이다.

메모리(11)는 CMOS형 인버터 인쇄 트랜지스터를 기반으로 NAND, NOR 및 OR 형식의 롬(ROM)으로 구성할 수 있다.

이하, 도 4를 참고하여 본 발명의 일실시예에 의한 R2R 인쇄공정을 이용해 제조된 ADC 회로가 집적된 인쇄 NFC 또는 13.56MHz RFID-센서 기본 회로의 인쇄 공정에 대하여 설명한다.

먼저 도 4의 좌측도면을 참고하여, 인쇄공정을 1도 인쇄(1st layer)부터 9도 인쇄(9th layer)단계로 나누어 설명한다,

먼저 1도 인쇄(1st layer)는 플렉시블 필름 기판에 도체 잉크를 이용하여 안테나, 트랜지스터의 게이트, 다이오드와 커패시터의 하부 전극 및 하부 배선을 인쇄한다.

'1도인쇄'단계는 플렉시블 필름 기판위에 그라비아(Gravure)인쇄, 잉크젯(Inkjet)인쇄, 옵셋(Offset)인쇄 또는 플렉소(Flexo)인쇄 중 어느 하나의 인쇄방법으로 은나노, 구리나노 등의 도체 잉크를 사용하여 안테나 패턴, 커패시터의 하부전극, 다이오드의 하부전극, 트랜지스터의 게이트, 하부 연결 배선을 인쇄하는 것이다.

플렉시블 필름 기판은 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에스터(PET), 폴리카보나이트(PC), 그리고 폴리설폰(PES) 중 어느 하나의 기판을 사용하고, 이때의 도체잉크는 ZnO나노선과 고분자 아닐린복합 기반의 다이오드용 반도체잉크와, 은나노기반의 안테나, 다이오드 하부전극용 및 커패시터 전극용 잉크를 사용하는 것이 바람직하다.

2도 인쇄(2nd layer)는 유전율과 절연특성을 지닌 잉크를 사용하여 트랜지스터와 커패시터의 유전층, 배선의 절연막을 인쇄하고, 3도 인쇄(3rd layer)는 도체 잉크를 사용하여 다이오드와 커패시터의 상부 전극 및 트랜지스터의 드레인 소스 전극을 인쇄한다.

이때의 잉크는 은나노, 구리나노등의 도체 잉크를 사용하는 것이 바람직하다.

이후 4도 인쇄(4th layer)단계는 SWNT 잉크를 사용하여 트랜지스터의 활성층을 인쇄하고 5도 인쇄(5th layer)로 다이오드의 활성층을 인쇄하고, 6도 인쇄(6th layer)로 다이오드의 상부전극을 인쇄한 다음, 7도 인쇄(7th layer)로 저항을 인쇄하고, 저항을 인쇄한 다음 8도 인쇄(8th layer)로 센서를 인쇄한 다음, 최종적으로 9도 인쇄(9th layer)로 인쇄된 소자의 수분과 공기와의 차단을 위해 센서의 입력단자를 제외한 모든 부분에 보호막을 인쇄하는 단계로 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치를 제작한다.

이러한 단계로 제작된 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치가 도 4의 RFID-Sensor 태그로 도시되어 있다.

참고로 도 5는 상호 유도 작용에 의해 리더기의 신호가 안테나로 전달되는 회로도 및 인쇄 도면으로 본 발명에서는 자계강도를 높이기 위해 비저항이 낮은 은 나노잉크를 사용하였고 공진주파수 13.56MHz에서 최대의 전압을 얻기 위해 안테나 코일의 인덕턴스에 맞는 적절한 커패시터를 인쇄하는 것이 필요하다.

또한, 도 6은 정류기(160)를 통하여 센서 및 AD컨버터 회로 구동을 위한 전원전압을 얻기 위한 회로도 및 인쇄 도면으로, 본 발명에서는 안정적인 AD컨버터(122) 회로 동작을 위하여 구동전압이 20V정도가 요구되므로 전압 체배 회로를 설계한 후 인쇄되었음을 도시하였다.

본 발명에서 AD컨버터(120)는 센서(110a~110n)에서 나오는 아날로그 신호와 기준전압을 각각의 다른 기준 전압을 갖는 비교기(121n~121n)와 비교하여 디지털 신호로 변환 후 엔코더(122)를 통하여 3~8비트의 디지털 신호로 만들어 주는 원리이다. 도 7의 본 발명의 인쇄 트랜지스터를 사용하여 제작한 비교기 회로를 참고하면, 센서를 통해 출력되는 아날로그 신호(V_analog)가 들어갔을 때 기준전압(V_ref)과 비교하여 디지털 신호(Output)로 바뀌는 시뮬레이션 결과값을 도시하였다.

또한, AD컨버터(120)를 통과한 최종 신호는 리더기(150)를 통하여 판독해야 하므로 신호를 변조해서 리더기로 전송해야 한다. 도 8은 변조기(130)를 변조 트랜지스터를 사용하여 진폭 변조하는 회로도를 구성하고 이의 시뮬레이션한 결과값이다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

11 : 메모리 12 : 클럭신호 발생기
13 : 제1 존슨링카운터 14 : NAND 디코딩게이트
15 : 제2 존슨링카운터 16 : NOR 디코딩게이트
20 : 태그회로
110a~110n : 센서 120 : AD컨버터
121a~121n : 비교기 122 : 엔코더
130 : 변조기 140 : 공진회로
150 : 리더 160 : 정류기
170 : 공진회로 180 : 변조회로

Claims

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내장된 센서에서 측정한 데이터를 근거리 무선 통신으로 송신가능한 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치에 있어서,
상기 근거리 무선 태그장치는 센서데이터를 획득하는 리더기에서 전송되는 무선주파수 신호에서 전력을 공급받아 상기 센서가 데이터를 센싱하도록 하고, 센싱된 아날로그 데이터는 AD컨버터를 통하여 디지털로 변환된 후 변조기를 통하여 리더기로 전송되는 센서를 내장하고,
상기 리더기는
센서로 RF 신호를 송출하여 전원을 공급하고, 센서로부터 센서데이터를 수신하는 통신부;
센서의 동작 명령 신호를 받아 처리한 후 통신부로 전달하고, 이후 센서 처리부로부터 수신된 센서 데이터를 이용하여 해당 응용 서비스에 따른 정보를 생성하여 표시부에 표시하도록 제어하는 제어부;
를 포함하고,
상기 AD컨버터는
상기 센서에서 출력되는 아날로그 신호와 센서에 따라 각각의 다른 기준 전압을 입력받는 비교기;
상기 비교기의 출력 신호를 3~8비트의 디지털 신호로 변화하여 출력하는 엔코더;
를 포함하는 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치.
제 2항에 있어서,
상기 근거리 무선 태그 장치는
센서데이터를 획득하는 리더기에서 전송되는 무선주파수 신호에서 전력을 공급받아 센싱된 아날로그 데이터를 출력하는 하나 이상의 센서;
상기 센서에서 출력되는 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환하는 AD컨버터;
상기 AD컨버터의 출력신호를 변조하여 리더기로 전송하는 변조기;
를 포함하고, 상기 센서와 AD컨버터 그리고 변조기는 그라비아, 잉크젯, 또는 옵셋(off-set) 방식 중 어느 하나의 방식으로 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에스터(PET), 폴리카보나이트(PC), 폴리설폰(PES), 그리고 종이필름 중 어느 하나의 필름에 인쇄한 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치.
제 2항에 있어서,
상기 센서는
습도센서, 압력센서, 광센서, 화학센서, 가스센서, 또는 바이오센서 중 어느 하나 이상으로 구성되는 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치.
삭제
제 2항에 있어서,
상기 근거리 무선 태그 장치는
리더기로부터 교류 전압을 수신하는 공진회로;
상기 공진회로부터 수신한 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류기;
상기 정류기에서부터 입력된 직류 전압을 이용하여 클록 신호를 발생시키는 클럭 신호 발생기;
상기 클럭신호 발생기의 클럭신호를 이용하여 링 카운터의 2배의 출력특성을 얻기 위한 존슨 링 카운터;
상기 존슨 링 카운터의 출력신호로 메모리 제어신호를 생성하는 디코딩 게이트;및
상기 디코딩 게이트의 신호로부터 소정 기억 용량을 갖는 메모리;
를 포함하는 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치.
제 6항에 있어서,
상기 클럭신호발생기, 상기 존슨링카운터, 상기 디코딩 게이트, 또는 상기 메모리에 사용되는 트랜지스터는
그라비아, 잉크젯, 또는 옵셋(off-set) 방식 중 어느 하나의 방식으로 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에스터(PET), 폴리카보나이트(PC), 폴리설폰(PES), 그리고 종이필름 중 어느 하나의 필름에 인쇄한 센서를 내장한 근거리 무선 태그 장치.
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