KR102201402B1 - 금속나노입자와 탄소나노튜브 혼합물의 직접 인쇄에 기반한 유연성 rfid 태그 제조 방법 및 이에 의해 제조된 유연성 rfid 태그 - Google Patents

Abstract

유연성 RFID 태그 제조 방법 및 이에 의해 제조된 유연성 RFID 태그가 개시된다. 금속나노입자와 탄소나노튜브를 혼합한 복합 나노소재를 인쇄용 원료로 사용한다. 공기역학적으로 펌핑 타이밍을 조절하여 그 복합 나노소재를 여기(excitation)시키는 것을 통해 에어로졸화 하여 분사노즐을 통해 작업챔버 내의 신축성과 휘임성이 좋은 유연성 기판 표면에 분사하여 직접 인쇄한다. 이를 통해, 마이크로 스케일의 도선 패턴이 인쇄된 유연성 RFID 태그를 제작할 수 있다. 이 직접인쇄는 저압 분위기와 실내 온도에서 솔벤트나 수지 등을 사용하지 않고 수행될 수 있다. 직접 인쇄 후, 별도의 화학적 후처리나 열처리를 필요로 하지 않는다. 유연한 RFID 태그를 제작하여 웨어러블 소자 등 다양한 분야에서의 활용성을 높이는 데 의의가 있다.

Description

금속나노입자와 탄소나노튜브 혼합물의 직접 인쇄에 기반한 유연성 RFID 태그 제조 방법 및 이에 의해 제조된 유연성 RFID 태그 {MANUFACTURING METHOD OF CHIPLESS RFID TAG BASED ON DIRECT-PRINTING OF NANO PARTICLES AND CARBON NANO TUBES MIXTURE, AND RFID TAG MANUFACTURED BY THE SAME}

본 발명은 RFID (radio frequency identification) 태그의 제조기술 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도전성 나노입자와 탄소나노튜브(carbon nano tube: CNT) 혼합물을 유연성 기판에 직접 인쇄하여 제조하는 RFID 태그 제조 기술에 관한 것이다.

지금까지 개발된 RFID 제작 기술은 대부분 금속 재료를 이용하여 딱딱한 기판 표면에 MEMS 공정 등 삭각공정을 통해 제작하는 것이다. 그와 같이 제작된 RFID는 유연 소자 등에 사용하는 데 무리가 있다.

최근 chipless RFID 태그 등 ASIC (application specific integrated chip) 없이 RFID를 제작하고자 하는 시도가 계속 되고 있다. 설계상의 자유도를 확장할 수 있고, 화학적 후처리 공정을 포함하지 않는 친환경적이고 지속 가능한 공정을 통해 RFID를 제작할 수 있는 방법이 필요해지고 있다.

본 출원의 일부 발명자는 대한민국 특허공개번호 제10-2015-0074623호에서 분말상태의 금속나노입자들을 압력차에 따른 충격파에 의해 분사노즐로 강제 이송시켜 분사함으로써 기판의 표면에 직접 인쇄하는 방법과 장치를 제안한 바 있다. 이 종래기술이 인쇄 원료물질로 사용하는 분말상태의 금속나노입자들은 재질 특성이 딱딱한 기판에는 인쇄가 잘 되지만, 재질의 특성이 말랑말랑한 유연성 기판에 대해 분사되었을 때 리바운드 되어 인쇄가 원활하게 이루어지지 못하는 한계가 있었다.

RFID 태그 회로를 구성하는 도전선로를 잉크젯 프린팅 방식의 인쇄공법으로 기판에 인쇄하는 기술도 알려져 있다. 그런데 기존의 잉크젯 프린팅 방식의 인쇄 공법으로 RFID 태그 회로의 도전선로를 인쇄하는 방법은 인쇄 후 소정의 화학적 후처리를 필요로 한다. 왜냐하면 잉크젯 프린팅 공법의 특성 때문에 잉크 원료에 금속나노입자 외에도 유기용매 등을 더 첨가하여 사용하기 때문이다. 공정이 복잡하고 제조원가도 높아진다.

대한민국 특허공개번호 제10-2015-0074623호

본 발명은 솔벤트와 같은 액상 화학물질은 포함하지 않고 금속나노입자들과 탄소나노튜브를 혼합한 분말상 인쇄원료 혼합물을 사용하여 상온에서 유연성 기판 위에 RFID 태그 회로를 직접 인쇄 방식으로 인쇄할 수 있어 화학적 후처리가 필요 없고 원하는 패턴의 회로를 자유롭게 제작할 수 있는 RFID 태그 제작 방법과 이 방법으로 제작된 RFID 태그를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

상기 본 발명의 목적을 실현하기 위한 실시예들에 따른 금속나노입자와 탄소나노튜브 혼합물의 직접 인쇄에 기반한 유연성 RFID 태그 제조방법은, 제어신호에 따라 원하는 움직임을 할 수 있는 가동 스테이지와, 상기 가동 스테이지의 상면을 향해 분사할 수 있는 분사노즐이 내부에 설치되고, 내부 압력을 조절할 수 있는 제1 압력조절부가 결합되는 작업챔버 내에서 유연성 기판이 상기 가동 스테이지 위에 위치되게 하고, 제1 연통관을 통해 상기 분사노즐과 연통되는 상부 출구와 압력을 조절할 수 있는 제2 압력조절부가 결합된 하부 입구가 마련된 인쇄원료 탱크에 분말 형태의 금속 나노입자들과 탄소나노튜브들을 포함하는 인쇄원료 혼합물이 투입되게 하는 준비단계; 제어부가 소정의 움직임 제어신호를 상기 가동 스테이지에 제공하여 상기 유연성 기판을 소정의 RFID 태그 회로 패턴에 대응하는 경로를 따라 원하는 속도로 움직이도록 상기 가동 스테이지의 움직임을 제어하는 단계; 상기 제1 압력조절부가 가동되어 상기 작업챔버 내부에 상대적 저압 분위기를 형성함과 동시에, 상기 제2 압력조절부가 가동되어 상기 인쇄원료 탱크의 상기 하부 입구에 상대적 고압 분위기를 형성하는 단계; 상기 가동 스테이지의 움직임을 제어하는 단계와 병행하여, 상기 저압 분위기와 상기 고압 분위기 간의 압력차에 기인한 압축파에 의해 상기 인쇄원료 탱크 내의 상기 인쇄원료 혼합물이 에어로졸화 된 상태로 상기 제1 연통관을 통해 강제 이송되어 상기 분사노즐을 통해 상기 유연성 기판의 표면 쪽으로 분사되도록 하는 단계; 및 상기 분사노즐을 통해 분사된 상기 인쇄원료 혼합물이 상기 유연성 기판의 표면과 충돌하여 그 표면에 균열을 만들고 그 균열 속으로 침투해 들어가서 고착되면서 그 위에 원하는 폭과 두께로 적층되어 상기 인쇄원료 혼합물이 상기 유연성 기판의 표면에 상기 소정의 RFID 태그 회로 패턴대로 직접 인쇄되도록 하는 단계를 포함한다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 유연성 기판은 shore A 기준으로 10 이상 70 이하의 쇼어 경도(shore hardness)를 가지거나(즉, extra-soft 또는 soft로 분류되는 경도) 또는 shore D를 기준으로 22 이하의 쇼어 경도를 가질 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 유연성 기판은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)로 만든 기판일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 소정의 RFID 태그 회로 패턴은, 적어도 1턴 이상의 도전성 고리 형태의 인덕터부; 및 서로 연결되고 상기 인덕터부의 개방된 제1 단부에 전기적으로 연결되는 도전성 제1 멀티 핑거부와, 상기 인덕터부의 개방된 제2 단부에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 멀티 핑거부 사이사이에 배치되면서 서로 연결된 도전성 제2 멀티 핑거부를 포함하는 핑거형 커패시터부를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 '소정의 RFID 태그 회로 패턴대로 직접 인쇄되는 단계'는, 상기 분사노즐을 통해 고속으로 분사된 상기 인쇄원료 혼합물이 상기 유연성 기판의 표면에 충돌하여 랜덤한 형태의 균열을 만들면서 상기 탄소나노튜브들은 그 표면의 균열 속으로 침투해 들어가서 고착되어 상기 탄소나노튜브와 상기 유연성 기판의 표면 간에 기계적으로 록킹 구조의 씨드층이 형성되는 단계; 및 연속해서 분사되는 상기 인쇄원료 혼합물이 상기 록킹 구조의 씨드층 위에 가해져서 상기 록킹 구조의 씨드층의 탄소나노튜브와 결합하면서 증착되어 상기 유연성 기판의 표면에 상기 소정의 RFID 태그 회로 패턴이 인쇄되는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 '소정의 RFID 태그 회로 패턴대로 직접 인쇄되는 단계'는 상기 유연성 기판의 표면에 증착되는 인쇄원료 혼합물의 크기를 모니터링 유닛이 모니터링 하여 제어부에 피드백 하는 단계; 및 상기 모니터링 유닛이 피드백해준 정보에 기초하여, 제어부가 상기 유연성 기판이 놓인 가동 스테이지의 움직임 속도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 작업챔버 내의 상기 상대적 저압 분위기는 0.08MPa 이하의 압력 분위기일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 '가동 스테이지의 움직임을 제어하는 단계'는 상기 제어부가 상기 분사노즐에서 상기 가동 스테이지까지의 간격을 조절함으로써 상기 인쇄원료 혼합물이 상기 분사노즐을 통해 분사될 때 공기역학적으로 집속되어 상기 유연성 기판의 표면에 정확하게 초점을 맞추어 분사되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 인쇄원료 혼합물의 금속나노입자와 탄소나노튜브의 혼합비는 60중량% 대 40중량% 내지 90중량% 대 10중량%의 범위 내일 수 있다.

한편, 상기 본 발명의 목적을 실현하기 위한 실시예들에 따른 유연성 RFID 태그는 유연성 기판; 및 상기 유연성 기판의 한쪽 면에 직접 인쇄된 RFID 태그 회로부를 구비한다. 상기 RFID 태그 회로부는, 적어도 1턴 이상의 도전성 고리 형태의 인덕터부; 및 서로 연결되고 상기 인덕터부의 개방된 제1 단부에 전기적으로 연결되는 전도성 제1 멀티 핑거부와, 상기 인덕터부의 개방된 제2 단부에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 멀티 핑거부 사이사이에 배치되면서 서로 연결된 전도성 제2 멀티 핑거부를 포함하는 핑거형 커패시터부를 구비한다. 상기 인덕터부와 상기 핑거형 커패시터부 각각은 기계적인 록킹 구조의 씨드층과 상기 금속나노입자들과 상기 탄소나노튜브의 혼합물층을 구비한다. 상기 기계적인 록킹 구조의 씨드층은, 분사노즐을 통해 고속으로 분사된 분말상의 금속 나노입자들과 탄소나노튜브의 인쇄원료 혼합물이 상기 유연성 기판의 표면에 충돌하여 불규칙한 형태의 균열을 만들면서 상기 탄소나노튜브들은 그 표면의 균열 속으로 침투해 들어가서 고착되어 상기 탄소나노튜브와 상기 유연성 기판의 표면 간에 형성된다. 상기 금속나노입자들과 상기 탄소나노튜브의 혼합물층은 연속해서 분사되는 상기 인쇄원료 혼합물이 상기 록킹 구조의 씨드층 위에 가해져서 상기 록킹 구조의 씨드층의 탄소나노튜브와 소정의 폭과 높이로 증착되어 형성된다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 유연성 기판은 shore A 기준으로 10 이상 70 이하의 쇼어 경도(shore hardness)를 가지거나(즉, extra-soft 또는 soft로 분류되는 경도) 또는 shore D를 기준으로 22 이하의 쇼어 경도를 가질 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 유연성 기판은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)로 만든 기판일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 인쇄원료 혼합물의 금속나노입자와 탄소나노튜브의 혼합비는 60중량% 대 40중량% 내지 90중량% 대 10중량%의 범위 내일 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, RFID 태그 제작용 기판을 신축성과 휘임성이 좋은 유연성 기판을 사용하고, 그 기판에 인쇄하는 인쇄 원료를 금속나노입자에 탄소나노튜브를 혼합한 복합 나노소재만을 사용한다. 금속 나노입자들만을 사용한 인쇄에서는 유연성 기판에 분사된 금속나노입자들이 유연성 기판 표면에 제대로 증착되지 못하고 튕겨 나와서 원하는 인쇄가 이루어지지 못한다. 하지만, 금속나노입자와 탄소나노튜브를 혼합한 복합 나노소재를 인쇄원료로 사용하면 유연성 기판 표면에 직접 인쇄가 가능하다. 금속나노입자들이 유연성 기판의 표면에 충돌하면서 그 표면에 만든 균열 속으로 탄소나노튜브들이 침투하여 기계적으로 록킹된 씨드층을 형성하고, 그 씨드층 위에 계속해서 분사되는 금속나노입자와 탄소나노튜브들이 그 씨드층의 탄소나노튜브를 매개로 하여 효과적으로 증착될 수 있기 때문이다.

본 발명에 따르면, 금속나노입자와 탄소나노튜브를 혼합한 복합 나노소재를 상압에 가까운 저압과 상온에서 고속 분사시킴으로써 유연성 기판에 인쇄될 수 있어 인쇄공정이 복잡하지 않다. 압력 및 온도 조건이 까다롭지 않기 때문에 제조 원가를 낮출 수 있다.

특히 본 발명에 따르면 이러한 고속 분사를 통한 직접 인쇄로써 인쇄공정은 완전히 끝맺을 수 있고, 별도의 화학적인 후처리나 열처리 공정을 수행할 필요가 없다. 왜냐하면, 인쇄원료인 금속나노입자와 탄소나노튜브의 혼합물에 별도의 솔벤트나 접합용 수지 등을 첨가하지 않았기 때문이다. 공정이 단순화 될 수 있다.

본 발명에 따르면, RFID 태그 회로를 직접 인쇄를 통해 형성할 수 있으므로, 다양한 패턴과 크기의 RFID 태그 제작이 용이하다. 유연한 RFID 태그를 제작하여 웨어러블 소자 등 다양한 분야에서의 활용성을 높였다는 데 의의가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 RFID 태그 제조 장치의 구성을 예시적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속 나노입자들과 탄소나노튜브 혼합물을 에어로졸 화하여 유연성 기판 표면상에 RFID 태그 회로를 직접 인쇄하여 RFID 태그를 제조하는 것을 개념적으로 상세하게 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 금속 나노입자들과 탄소나노튜브 혼합물로 인쇄된 RFID 태그 회로를 예시한다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 금속 나노입자들과 탄소나노튜브 혼합물이 유연성 기판에 직접 인쇄되는 원리와 순차적인 인쇄 과정을 개념적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 유연성 기판 상에 직접 인쇄방식으로 증착된 금속 나노입자들과 탄소나노튜브의 혼합물층의 전자현미경 촬영 사진과 공초점 마이크로스코프 이미지(Confocal microscope image)를 예시한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 RFID 태그 제조 장치(100)의 구성을 나타낸다.

도 1을 참조하면, RFID 태그 제조 장치(100)는 작업챔버(10), 제1 압력조절부(12), 가동 스테이지(14), 분사노즐(20), 인쇄원료 탱크(30), 제1 연통관(44), 제2 압력조절부(70), 제2 연통관(54)을 포함할 수 있다.

작업챔버(10)는 유연성 기판(110) 표면에 RFID 태그 회로(120)를 인쇄하는 작업 공간을 제공한다. 작업챔버(10) 내부의 상측에는 분사노즐(20)이 설치되고, 이의 하측에는 가동 스테이지(14)가 설치될 수 있다.

가동 스테이지(14)는 스테이지(15)와 스테이지 구동부(18)를 포함할 수 있다. 스테이지(15)는 그 위에 유연성 기판(110)을 올려놓고 받쳐주는 플레이트 구조일 수 있다. 스테이지 구동부(18)는 움직임 제어신호에 따라 스테이지(15)를 움직여서 위치를 이동시키거나 또는 위치 이동뿐만 아니라 수평면에 대한 각도 변경을 제어할 수 있다. 즉, 스테이지 구동부(18)는 스테이지(15)를 2차원 평면상에서 또는 3차원 공간에서 원하는 경로를 따라 원하는 속도로 이동시키거나 또는 그러한 이동과 더불어 수평면에 대한 경사각 제어를 할 수 있도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면 스테이지 구동부(18)는 예컨대 스테이지 구동부(18)는 3축 제어가 가능한 리니어 가이드 구조를 채택하여 구성될 수 있다. 나아가, 스테이지(15)의 저면 중앙부에는 볼 조인트가 장착되고 스테이지(15)의 저면 가장자리에는 복수의 실린더나 길이 조절이 가능한 신축부재가 장착되어, 스테이지(15)의 경사도 조절 및 전방향에 걸친 회동 동작이 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 유연성 기판(110)의 표면에 대한 인쇄원료 혼합물(150)의 다양한 적층 상태를 구현할 수 있을 것이다.

분사노즐(20)은 작업챔버(10)의 천정에 고정되고, 인쇄원료 혼합물(150)이 분사되는 노즐 출구가 아래쪽에 있는 가동 스테이지(14)의 상면을 향하도록 설치될 수 있다. 분사노즐(20)은 수렴 노즐 혹은 단면 변화가 없는 모세관 노즐 (Capillary)로 구성될 수 있다. 분사노즐(20)은 인쇄원료 혼합물(150) 분말을 집속한 상태로 공기역학적으로 유연성 기판(110) 표면에 초점을 맞추어 분사할 수 있다. 분사노즐(20)의 출구 직경은 대략 10㎛ 내지 수mm의 크기를 가질 수 있다.

인쇄 작업 대상물인 유연성 기판(110)은 물성이 딱딱하지 않고 말랑말랑하여 신축성과 유연성이 좋은 재질로 만들어질 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 유연성 기판(110)은 shore A 기준으로 10 이상 70 이하의 쇼어 경도(shore hardness)를 가지거나(즉, extra-soft 또는 soft로 분류되는 경도) 또는 shore D를 기준으로 22 이하의 쇼어 경도를 가지는 재질을 사용하여 만든 것일 수 있다. 이러한 경도 특성을 갖는 대표적인 재질은 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane: PDMS)일 수 있다. 즉, PDMS로 만든 기판을 원하는 사이즈를 재단하여 인쇄작업 대상물인 유연성 기판(110)으로 사용할 수 있다.

작업챔버(10) 내부는 인쇄작업이 수행되는 동안에 상압보다 낮은 음압(예를 들면 1~10 torr 정도) 분위기가 유지될 필요가 있다. 작업챔버(10)에는 작업챔버(10) 내부 압력을 조절할 수 있는 제1 압력조절부(12)가 마련될 수 있다. 제1 압력조절부(12)는 예컨대 로터리 흡입 펌프와 같은 제1 진공펌프를 작업챔버(10)와 연결하여 그 내부의 공기를 흡입해서 밖으로 배출할 수 있도록 구성될 수 있다. 제1 압력조절부(12)는 작업챔버(10) 내부의 공기를 바깥으로 뽑아내어 그의 내부압력을 인쇄원료 탱크(30) 측에 비해 상대적으로 낮은 저압 분위기를 형성할 수 있다.

인쇄원료 탱크(30)는 도전성 나노입자와 탄소나노튜브의 혼합물(이하에서는 '인쇄원료 혼합물'이라 함)(150)을 담을 수 있는 내부 공간을 제공하고, 아래쪽 입구부를 통해 가해지는 고압의 공기흐름에 의해 위쪽 출구부를 통해 인쇄원료 혼합물(150)이 토출되도록 구성될 수 있다.

인쇄원료 탱크(30)는 상부의 통공에 연결된 제1 연통관(44)을 통해 작업챔버(10) 내의 분사노즐(20)과 연통된다. 제1 연통관(44)은 인쇄원료 탱크(30)에서 토출되는 인쇄연료 혼합물(150)이 분사노즐(20)까지 강제 이송되는 통로이다.

제1 연통관(44)의 소정 구간에는 공기역학적(aerodynamic) 필터(40)가 더 설치될 수도 있다. 필터(40)는 인쇄원료 탱크(30)로부터 작업챔버(10)로 이송되는 인쇄원료 혼합물(150)의 입자량을 조절할 수 있다.

인쇄원료 탱크(30)는 또한 하부의 통공에 결합된 제2 연통관(54)을 통해 제2 압력조절부(70)에 연결될 수 있다. 제2 압력조절부(70)는 가압유닛(50)과 퍼징유닛(60)을 포함할 수 있다. 제2 연통관(54)은 제2-1 연통관(54-1)과 제2-2 연통관(54-2)로 분기되어 가압유닛(50)과 퍼징유닛(60)에 각각 연결될 수 있다.

가압유닛(50)은 인쇄원료 탱크(30)로 고압의 공기흐름을 제공하여 인쇄원료 탱크(30)의 상부 출구 측에 비해 하부 입구 측에 고압 분위기를 형성하기 위한 것이다. 이 고압 분위기는 작업챔버 내의 압력에 비해 상대적으로 고압일 수 있다. 가압 유닛(50)은 압축공기를 생성하여 인쇄원료 탱크(30)에 제공하는 에어 컴프레서(51)와, 제2-1 연통관(54-1) 상에 배치되어 에어 컴프레서(51)에 의해 압축된 공기가 인쇄원료 탱크(30)로 공급되는 양을 조절하여 인쇄원료 탱크(30)의 입구부에 가해지는 압력을 조절하기 위한 유량 제어밸브(52)를 포함할 수 있다. 유량 제어밸브(52)는 개폐 정도에 따라 인가되는 에어의 압력을 적절히 조절할 수 있는 일종의 솔레노이드 밸브로 구성될 수 있다. 에어 컴프레서(51)의 운전 여부와 유량 제어밸브(52)의 개폐는 제어부(80)에 의해 제어될 수 있다.

유연성 기판(110)에 대한 인쇄원료 혼합물(150)의 인쇄작업이 완료되면 작업챔버(10)와 제1 연통관(44) 및 필터(40) 등에 인쇄원료 혼합물(150)이 잔존할 수 있다. 퍼징유닛(60)은 유연성 기판(110)에 대한 인쇄작업이 완료된 후, 작업챔버(10)와 필터(40) 및 제1 연통관(44) 등에 잔존하는 에어로졸화한 인쇄원료 혼합물(150)에 혼재된 이송 기체를 인쇄원료 탱크(30) 외측으로 리턴시키기 위한 수단이다. 잔존 인쇄원료 혼합물(150)의 리턴을 위해, 퍼징유닛(60)은 인쇄원료 탱크(30)로부터 공기를 흡입하여 인쇄원료 탱크(30) 내부를 작업챔버(10)에 비해 상대적인 저압 분위기로 만들 수 있다. 퍼징유닛(60)은 제2 연통관(54)을 통해 인쇄원료 탱크(30)의 하부 측의 공기를 흡입하여 밖으로 뽑아내기 위한 제2 진공펌프(61)와, 제2-2 연통관(54-2) 상에 배치되어 제2 진공펌프(61)의 흡기량을 제어하기 위한 퍼지밸브(62)를 포함할 수 있다. 제2 진공펌프(61)의 운전 여부와 퍼지밸브(62)의 개폐 역시 제어부(80)에 의해 제어될 수 있다. 여기서, 제2 진공펌프(61)의 흡입력의 세기는 작업챔버(10) 내부 및 제1 연통관(44)과 필터(40)에 잔존하는 인쇄원료 혼합물(150)의 흡입에 지장이 없도록 제1 진공 펌프(12)의 흡입력의 세기보다 더 큰 것일 수 있다.

가압유닛(50)과 퍼징유닛(60)은 택일적으로 작동하도록 구성될 수 있다. 즉, 가압유닛(50)이 작동하는 동안에는 퍼징유닛(60)은 작동하지 않고, 반대로 퍼징유닛(60)이 작동하는 동안에는 가압유닛(50)이 작동하지 않을 수 있다. 즉, 퍼징유닛(60)에 의한 공기 흡입이 정지되고 압력유닛(50)에 의해 압축공기를 인쇄원료 탱크(30)에 공급하는 것은 동시에 이루어질 수 있다. 또한, 가압 유닛(50)에 의한 압축공기 공급이 차단되고 퍼징유닛(60)이 가동되어 인쇄원료 탱크(30)로부터 공기를 흡입하는 것이 동시에 이루어질 수 있다. 인쇄원료 혼합물(150)의 작업챔버(10)로의 이송과 작업챔버(10)로부터의 리턴이 순간적으로 신속하고 연속적으로 이루어질 수 있다. 가압유닛(50)과 퍼징유닛(60)의 이러한 동작 제어는 제어부(80)에 의해 제어될 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, RFID 태그 제조장치(100)는 모니터링 유닛(75)과 제어부(80)를 더 포함할 수 있다.

모니터링 유닛(75)은 작업챔버(10)에 내장되고, 유연성 기판(110)에 인쇄원료 혼합물(150)이 분사되어 적층되는 상태를 실시간으로 모니터링하기 위한 수단으로서, 예를 들면 광학 현미경 또는 전자주사 현미경과 같은 것으로 구성될 수 있다.

제어부(80)는 가압 유닛(50)과 퍼징유닛(60) 및 모니터링 유닛(75)과 각각 전기적으로 연결되고, 모니터링 유닛(75)으로부터 획득되는 이미지 정보에 기초하여 가압 유닛(50)의 가동 및 정지와 퍼징유닛(60)의 가동 및 정지를 제어할 수 있다. 제어부(80)는 또한, 제1 압력조절부(12)와 전기적으로 연결되어 그의 운전을 제어할 수 있다.

제어부(80)는 또한, 스테이지 구동부(18)와 전기적으로 연결되어, 스테이지 구동부(18)의 움직임을 제어할 수 있다. 인쇄해야 할 RFID 회로 패턴에 기초하여 스테이지 구동부(180)가 이동해야 할 경로에 관한 정보가 제어부(80)에 미리 설정될 수 있다. 스테이지 구동부(18)는 제어부(80)가 제공하는 움직임 제어신호에 따라 움직임을 수행할 수 있다. 제어부(80)는 스테이지 구동부(18)를 제어하여 유연성 기판(110)과 분사노즐(20) 간의 간격을 조절할 수도 있다. 인쇄원료 혼합물(150)이 에어로졸화 된 상태로 분사노즐(20)을 통해 분사될 때, 그 간격 조절에 의해 인쇄원료 혼합물(150)이 공기역학적으로 집속되어 유연성 기판(110)의 표면에 초점을 맞추어 분사될 수 있다.

제어부(80)는 모니터링 유닛(75)으로부터 획득되는 이미지 정보에 기초하여, 가압 유닛(50)의 가동 및 정지와 퍼징유닛(60)의 가동 및 정지, 제1 압력조절부(12)의 운전 여부, 그리고 제어 스테이지 구동부(18)의 움직임 속도 등을 통합적으로 제어할 수 있다. 제어부(80)는 이러한 제어를 수행하기 위한 프로그램들과, 그 프로그램들을 저장하고 실행할 수 있는 메모리 장치 및 프로세서로 구성될 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 인쇄원료 혼합물(150)은 도전성 나노입자(152)들과 탄소나노튜브(154)들을 혼합한 복합 나노소재일 수 있다. 도전성 나노입자(152)는 예컨대 나노사이즈의 금속입자일 수 있다. 금속 나노입자의 대표적인 예로는 도전성이 우수한 은 나노입자일 수 있다. 은 대신 구리, 금, 백금, 니켈, 알루미늄, 티타늄 등과 같은 다른 금속으로 만든 도전성 나노입자를 사용할 수도 있다. 도전성 나노입자(152)는 지름의 크기가 수 nano meter 내지 수십 micro meter의 범위 내일 수 있다.

탄소나노튜브(154)는 단일벽 탄소나노튜브(Single-wall carbon nano tube: SWCNT) 또는 다중벽 탄소나노튜브(Multi-wall carbon nano tube: MWCNT)일 수 있다. MWCNT가 SWCNT에 비해 금속 나노입자들과의 결합도가 더 좋을 수 있다.

인쇄원료 혼합물(150)을 구성하는 금속나노입자(152)와 탄소나노튜브(154)의 혼합비는 60중량% 대 40중량% 내지 90중량% 대 10중량%의 범위 내일 수 있다. 금속나노입자(152)가 60중량%보다 적으면, 원하는 수준의 도전 특성을 얻기 힘들 수 있으며, 90중량%보다 더 많으면 탄소나노튜브(154)가 부족하여 유연성 기판(110)에 대한 적층이 효과적으로 이루어지지 않을 수 있다.

도 2는 예시적인 실시예에 따라 인쇄원료 혼합물(150)을 에어로졸 화하여 유연성 기판(110) 표면상에 RFID 태그 회로(120)를 직접 인쇄하여 Chipless RFID 태그(200)를 제작하는 것을 개념적으로 도시한다. 도 3은 예시적인 실시예에 따라 인쇄된 RFID 태그 회로를 도시한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 분사노즐(20)은 스테이지(15) 위에 놓인 유연성 기판(110) 바로 위쪽에는 배치되어 분사노즐(20)의 출구가 유연성 기판(110) 상면을 향한다. 스테이지 구동부(18)는 분사노즐(20)의 출구가 도 2에 도시된 RFID 태그 회로(120)의 패턴을 따라 상대적인 이동을 할 수 있도록 스테이지(15)를 구동할 수 있다. 분사노즐(20)의 출구가 스테이지(15)에 대하여 그와 같은 상대적인 이동을 하는 동안에, 분사노즐(20)의 출구에서는 인쇄원료 혼합물(150)이 에어로졸화 된 상태로 분사될 수 있다. 그에 따라, 유연성 기판(110)의 표면에는 RFID 태그 회로(120)가 직접 인쇄될 수 있다.

RFID 태그 회로(120)는 인덕터부(130)와 캐패시터부(140)를 포함할 수 있다. 인덕터부(130)는 적어도 1턴 이상의 도전성 고리 형태로 인쇄될 수 있다. 도면에는 인덕터부(130)는 양측 단부가 개방된 1턴의 도전성 고리 형태로 인쇄된 것이 예시적으로 도시되어 있다. 캐패시터부(140)는 제1 멀티 핑거부(140-1)와 제2 멀티 핑거부(140-2)를 포함하는 핑거형 구조일 수 있다. 제1 멀티 핑거부(140-1)는 복수 개의 도전성 핑거들이 서로 연결된 핑거형 도전 패턴으로서, 인덕터부(130)의 개방된 제1 단부에 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 멀티 핑거부(140-2)도 복수 개의 도전성 핑거들이 서로 연결된 핑거형 도전 패턴이며, 인덕터부(130)의 개방된 제2 단부에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 멀티 핑거부(140-1)는 제2 멀티 핑거부(140-2)와 서로 마주보면서 제1 멀티 핑거부(140-1)의 도전성 핑거들이 제2 멀티 핑거부(140-2)의 도전성 핑거들 사이사이에 배치될 수 있다. 예시적으로 도시된 RFID 태그 회로(120)에 있어서, 인덕터부(130)는 가로(w)x세로(h) 3x3[mm]의 사이즈로 인쇄하고, 멀티 핑거부(140)는 각 도전성 핑거를 길이(Lf) 1[mm], 도전성 핑거들 사이의 간격을 250[㎛]로 인쇄한 것이다.

다음으로, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 금속 나노입자들과 탄소나노튜브 혼합물(150)이 유연성 기판(110)에 직접 인쇄되는 원리와 순차적인 인쇄 과정을 개념적으로 도시한다. 이하에서는 이들 도면을 더 참조하면서 제조 공정을 구체적으로 설명한다.

먼저, 인쇄원료를 준비한다. 이를 위해 인쇄원료 탱크(30)에는 금속 나노입자(152)들과 탄소나노튜브(154)들을 혼합한 분말 상태의 인쇄원료 혼합물(150)이 투입된다.

인쇄 대상물도 준비한다. 이를 위해, 스테이지 구동부(18)에 의해 움직일 수 있는 가동 스테이지(15) 위에 유연성 기판(110)을 올려놓는다.

이와 같은 작업 준비가 이루어진 상태에서 유연성 기판(110)에 인쇄원료 혼합물(150)을 인쇄하기 위해, 제어부(30)는 제1 압력조절부(12)에 구동제어신호를 제공하여 제1 압력조절부(12)를 가동한다. 제1 압력조절부(12)가 가동됨에 따라, 작업챔버(10) 내부의 압력이 낮아질 수 있다. 제어부(30)는 작업챔버(10)의 내부 압력이 소정 레벨의 음압으로 유지되도록 제어할 수 있다. 작업챔버(10) 내부의 압력은 예컨대 1~10 torr 정도로 유지될 수 있다. 또한 인쇄 공정 시 작업챔버(10) 내부는 실내 온도 수준으로 유지될 수 있다.

이와 병행하여, 제어부(80)는 제2 압력조절부(70)의 가압유닛(50)을 가동하여 인쇄원료 탱크(30)의 하부 입구에 작업챔버(10) 내부 압력보다 더 높은 고압 분위기를 형성할 수 있다. 즉, 에어 컴프레서(51)를 가동하여 고압의 압축공기를 만들면서 유량 제어밸브(52)를 개방할 수 있다. 이와 동시에 제어부(80)는 퍼징유닛(60)은 작동을 하지 않도록 제어할 수 있다. 즉, 제2 진공펌프(61)를 가동하지 않고 퍼지밸브(62)는 닫히도록 제어한다. 그에 따라, 인쇄원료 탱크(30) 하부의 고압과 작업챔버(10) 내부의 저압 간의 압력차가 발생하고, 그 압력차에 의해 인쇄원료 탱크(30) 내의 인쇄원료 혼합물(15)을 에어로졸 상태로 여기(excitation)시키고 분사노즐(20)까지 강제 이송시켜 분사되게 할 수 있다.

구체적으로, 에어 컴프레서(51)가 생성하는 고압의 압축공기는 유량 제어밸브(52)의 개방에 의해 제2 연통관(54)을 통해 인쇄원료 탱크(30)의 하부 입구로 전달될 수 있다. 이에 의해, 인쇄원료 탱크(30)의 하부 입구부에는 고압(HP)이 걸린다. 이에 비해, 제1 압력조절부(12)의 가동에 의해 작업챔버(10) 내부는 상압보다는 낮은 상대적인 저압이 형성된다. 분사노즐(20)의 출구는 작업챔버(10) 내부 압력과 실질적으로 같다. 따라서 인쇄원료 탱크(30)의 하부 입구부와 분사노즐(20)의 출구 간에는 압력차가 발생할 수 있다. 그 압력차에 의해 인쇄원료 탱크(30)에서부터 제1 연통관(44)을 거쳐 분사노즐(20)까지 고속의 기류가 충격파(혹은 압축파) 형태로 발생할 수 있다. 형성된 충격파에 의해 고속 기류가 생성되고, 인쇄원료 탱크(30) 내에 담긴 인쇄원료 혼합물(150)은 그 고속 기류에 혼입되어 분산되면서 에어로졸화 상태로 여기될 수 있다.

유량제어 밸브(52)를 닫으면 고속 기류에 혼입되어 인쇄원료 탱크(30) 내에서 여기되어 위로 솟아올랐던 인쇄원료 혼합물(150) 분말은 중력에 의해 다시 초기 상태로 돌아올 수 있다. 그런데 유량제어 밸브(52)의 개방과 폐쇄 시점 간에 인쇄원료 탱크(30)의 내부와 제1 연통관(44)내에 잔존하는 이송기체(공기+인쇄원료 혼합물)가 존재할 수 있다. 이러한 잔존 이송 기체가 분사노즐(20) 쪽을 초과 투입되어 분사되는 것은 원치 않는 인쇄를 유발할 수 있다. 에어로졸화한 인쇄원료 혼합물(150) 분말을 안정화시켜 분사노즐(20)측으로 초과 투입되는 것을 방지하기 위해, 제어부(30)는 여기된 인쇄원료 혼합물(150)을 퍼징할 수 있다. 즉, 에어 컴프레서(51)를 가동을 멈추고 유량 제어밸브(52)를 폐쇄함과 동시에, 퍼징유닛(60)의 제2 진공펌프(61)를 가동하면서 퍼지밸브(62)를 개방할 수 있다. 이에 의해, 인쇄원료 탱크(30)와 제1 연통관(44) 내에서 여기 상태에 있는 인쇄원료 혼합물(150)을 퍼징하여 퍼징유닛(60) 쪽으로 리턴되게 할 수 있다.

이처럼, 여기 동작과 퍼징 동작의 시간을 적절히 조절하여 인쇄원료 혼합물(150)을 펌핑하는 것에 의해, 인쇄원료 혼합물(150)을 에어로졸화 하여 인쇄원료 탱크(30)의 상부 출구 밖으로 내보내어 필터(40)와 제1 연통관(44)을 통해 강제적으로 분사노즐(20)로 이송시킬 수 있다. 인쇄원료 혼합물(150)이 여기될 때, 스토크스의 법칙에 의하면 작은 크기의 입자 혹은 밀도가 작은 입자가 먼저 이송 가스에 의해 가속된다. 제1 연통공(44)을 통해 고속 기류에 실려 강제 이송되는 에어로졸 상태의 인쇄원료 혼합물(150)은 분사노즐(20)에서 공기역학적으로 집속되어 분사노즐(20)의 출구를 통해 분사될 수 있다.

인쇄원료 혼합물(150)이 분사노즐(20)을 통해 분사되는 동안, 제어부(80)는 소정의 움직임 제어신호를 스테이지 구동부(18)에 제공하여 스테이지(15)가 소정의 RFID 태그 회로 패턴에 대응하는 경로를 따라 원하는 속도로 움직이도록 제어할 수 있다. 이러한 가동 스테이지(14)의 움직임 제어를 통해, 유연성 기판(110a)도 변형센서(200)의 도전선로(160) 패턴에 대응하는 경로를 따라 움직일 수 있게 된다. 모니터링 유닛(75)은 유연성 기판(110a) 표면에 증착되는 인쇄원료 혼합물(150)의 크기(높이와 폭) 정보를 모니터링하여 제어부(80)에 제공할 수 있다. 제어부(80)는 모니터링 유닛(75)이 제공하는 정보에 기초하여 위와 같은 움직임 제어를 수행할 수 있다.

제어부(80)는 또한, 분사되는 인쇄원료 혼합물(150)이 유연성 기판(110)의 표면에 정확하게 초점을 맞춘 상태에서 분사될 수 있도록 스테이지 구동부(18)를 제어하여 유연성 기판(110)과 분사노즐(20) 간의 간격을 조절할 수도 있다. 인쇄원료 혼합물(150)은 에어로졸화 된 상태로 분사노즐(20)을 통해 분사된다. 이때, 인쇄원료 혼합물(150)이 공기역학적으로 집속되어 유연성 기판(110)의 표면에 초점이 맞아야 원하는 도선 패턴을 정밀하게 인쇄할 수 있다. 이를 위해, 제어부(80)는 유연성 기판(110)과 분사노즐(20) 간의 간격 조절을 수행할 수 있다.

작업챔버(10) 내에서 유연성 기판(110)이 움직이는 동안에, 분사노즐(20)을 통해 분사되는 인쇄원료 혼합물(150)은 스테이지(15) 위에 놓인 유연성 기판(110)의 표면에 고속으로 충돌할 수 있다. 이 충돌에 의해, 유연성 기판(110)의 표면에는 랜덤한 형태의 균열이 만들어진다. 금속 나노입자(152)들의 충돌이 균열을 만드는 데 크게 기여한다. 그 균열 속에 인쇄원료 혼합물(150)의 탄소나노튜브(154)들이 파고들어가서 유연성 기판(110)의 표면상에 기계적으로 록킹 구조(locking structure)를 만들 수 있다. 이에 의해, 탄소나노튜브(154)들은 유연성 기판(110a)의 표면과 매우 견고한 결합을 이룰 수 있다. 그 록킹 구조는 후속적으로 그 위에 분사되는 인쇄원료 혼합물(150)이 증착될 수 있는 씨드층(seed layer)으로 기능할 수 있다. 그에 따라, 유연성 기판(110)의 표면에는 인쇄원료 혼합물(150)이 원하는 폭과 높이로 증착되어 원하는 패턴의 RFID 태그 회로 선로가 직접 인쇄될 수 있다.

인쇄원료 혼합물(150)이 유연성 기판(110)의 표면에 적층되는 형태로 직접 인쇄되는 원리를 좀 더 구체적으로 설명한다.

도 4는 에어로졸 상태로 분사노즐(20)로부터 고속으로 분사되는 인쇄원료 혼합물(150)이 유연성 기판(110)의 표면과 충돌하는 모습을 나타낸다. 도 4에 도시된 것처럼, 분사노즐(20)에서 에어로졸 상태로 분사되는 인쇄원료 혼합물(150)은 공기역학적으로 집속되면서 매우 고속으로 유연성 기판(110)에 충돌할 수 있다. 충돌 속도는 예컨대 약 200m/s 정도의 고속일 수 있다. 고속 분사에 의해, 인쇄원료 혼합물(150)을 구성하는 금속나노입자들(152)과 탄소나노튜브(154)는 높은 운동에너지를 가질 수 있다. 이렇게 높은 운동에너지를 가지는 인쇄원료 혼합물(150)은 유연성 기판(110)의 표면에 충돌하면서 임의적인 형태의 균열(112)을 만들어낼 수 있다.

인쇄원료가 탄소나노튜브를 포함하지 않고 금속나노입자만으로 구성된 경우에는, 금속나노입자들이 유연성 기판(110)에 고속으로 충돌하면서 유연성 기판(110)에 표면이 균열을 만들 수는 있으나, 그 표면에 계속 증착되면서 성장하는 것이 아니라 리바운드 되는 경향이 강하다. 그에 따라 유연성 기판(110) 표면에 금속나노입자들이 효과적으로 인쇄되지 못하는 문제가 발생한다.

하지만, 인쇄원료를 금속나노입자에 탄소나노튜브를 혼합한 복합나노소재를 사용하면 이런 문제를 해소할 수 있다. 즉, 충돌의 초기에는 주로 금속나노입자(152)들이 유연성 기판(110)의 표면에 균열을 만드는 데 더 크게 기여할 수 있다. 일단 유연성 기판(10)의 표면에 균열(112)이 만들어지기 시작하면, 탄소나노튜브(154)가 그 균열(112) 속으로 파고들어가서 견고하게 고착되어 유연성 기판(110a)과 기계적으로 록킹될 수 있다.

이에 의해, 도 5에 도시된 것처럼 탄소나노튜브(154)들과 유연성 기판(110a)간에는 기계적으로 록킹 구조가 만들어질 수 있다. 즉, 이 록킹 구조에 의해 유연성 기판(110a)의 표면에 견고하게 뿌리박은 탄소나노튜브층(156)이 형성될 수 있다. 이 록킹구조의 탄소나노튜브층(156)은 후속적으로 입사되는 금속나노입자(152)들이 유연성 기판(110a) 위에 적층될 수 있게 하는 씨드층(156)의 역할을 할 수 있다.

그 탄소나노튜브(154)가 만드는 씨드층(156) 위에 계속해서 인쇄원료 혼합물(150)이 입사되면, 도 6에 도시된 것처럼 그 씨드층(156)의 탄소나노튜브(154) 숲이 더 성장하면서 금속나노입자(152)들과 결합할 수 있다. 즉, 탄소나노튜브(154) 숲이 성장하면서 그 속으로 침투한 금속나노입자(152)들을 붙잡아줄 수 있다. 이에 의해, 금속나노입자(152)들의 리바운드는 최대한 억제되고, 그 씨드층(156)은 탄소나노튜브(154) 및 금속나노입자(152)들과 계속 결합하여 더 크게 성장할 수 있다. 즉, 씨드층(156)의 탄소나노튜브들은 그 속으로 침투한 금속나노입자(152)들을 붙잡아줄 수 있고 입사되는 탄소나토튜드들과도 결합을 이룰 수 있다. 이에 의해, 금속나노입자(152)들의 리바운드는 최대한 억제되고, 탄소나노튜브(154)들과 금속나노입자(152)들 간에 결합(bonding)이 이루어진다.

이러한 결합 과정은 반복될 수 있다. 즉, 유연성 기판(110)의 표면에 적층된 탄소나노튜브(154)들과 금속나노입자(152)들은 그 위에 충돌하는 탄소나노튜브(154)들과 록킹 구조를 형성해나가고, 금속나노입자(152)들은 그 록킹 구조 속으로 침투해 들어가면서 결합할 수 있다. 이러한 반복적 결합(reciprocal bonding)을 통해, 기존에 금속나노입자만을 가지고는 불가능했던 유연성 기판(110)위에 직접인쇄가 가능해진다.

인쇄원료 혼합물(150)은 가압 유닛(50)의 유량제어 밸브(52)를 개폐하는 정도에 따라 다양한 증착 상태를 나타낼 수 있다. 증착 상태는 작업챔버(10) 내의 모니터링 유닛(75)을 통한 실시간 모니터링 할 수 있다. 유량제어 밸브(52)의 개방시간과 폐쇄시간에 따라 인쇄원료 탱크(30)로부터 분사노즐(20)에 투입되는 에어로졸의 양을 조절할 수 있다. 그에 따라 유연성 기판(110) 상에 인쇄되는 패턴의 크기가 조절될 수 있다. 인쇄원료 탱크(30)로부터 분사노즐(20)에 투입되는 에어로졸의 양을 가능한 한 최소의 양이 되도록 제어할 수 있으면, 유연성 기판(110)에 인쇄되는 패턴의 크기를 줄일 수 있고 정교한 패턴을 인쇄할 수 있다. 따라서 유량제어 밸브(52)의 개방과 폐쇄 시점간의 시간 간격을 다양하게 제어함으로써, 작업 대상물(110)에 인쇄되는 패턴의 크기 즉, 인쇄 패턴의 높이와 폭 또한 다양화할 수 있을 것이다. 이러한 제어는 제어부(80)를 통해 이루어질 수 있다. 유연성 기판(110)의 움직임 속도와 단위시간 당 인쇄원료 혼합물(150)의 분사량을 조절하는 것에 의해, 유연성 기판(110)의 표면에는 인쇄원료 혼합물층(160)을 원하는 그 폭과 높이가 성장시킬 수 있다. 도 7은 원하는 폭과 높이로 완전히 증착되어 유연성 기판(110)의 표면에 직접 인쇄된 인쇄원료 혼합물층(160)을 개념적으로 예시적으로 도시한다.

본 발명자는 은나노입자들과 다중벽 탄소나노튜브를 혼합하여 인쇄원료 혼합물(150)을 만들고, PDMS 기판을 유연성 기판(110)으로 사용하여 도 1의 RFID 태그 제조 장치(100)에서 실제로 RFID 태그 회로를 인쇄해보았다. 도 8은 이렇게 직접 인쇄방법으로 유연성 기판(110) 상에 실제로 인쇄된 은 나노입자들(152)과 다중벽 탄소나노튜브(154)의 혼합물층(160)을 전자현미경으로 촬영한 사진(a)과, 공초점 마이크로스코프 이미지(confocal microscope image)(b)를 보여준다. 도 8의 (a)의 사진을 살펴보면, 은 나노입자들(152)과 다중벽 탄소나노튜브(154)의 혼합물층(160)은 수직단면 모양이 대략 삼각형 모양이며, 거의 균일한 폭과 높이로 유연성 기판(110)의 표면에 견고하게 인쇄되었음을 확인할 수 있다.

기판/물질		AgNP	AgNP/MWCNT
PET		O	X
Polyimide		O	X
Silicon		O	X
CFRP		O	Δ
GFRP		O	Δ
PDMS	Sylgard184TM	X	O
	EcoFlexTM	X	O

X: No deposition, Δ: Powder attachment (No pattern), O: Pattern deposition

본 발명에 따른 직접 인쇄를 이용한 RFID 태그 제조에 있어서, 인쇄에 사용되는 기판과 인쇄용 나노재료의 특성은 인쇄의 성능을 좌우하는 중요한 요소이다. 표 1은 인쇄용 나노재료와 기판의 종류에 따른 인쇄 성능을 나타낸다.

먼저, 은나노입자(Ag nano particle: AgNP)만을 인쇄용 나노재료로 사용하여 분사노즐(20)을 통해 고속 분사를 하였을 경우, PET 필름이나 Polyimide 필름으로 된 기판, Silicon 기판, 탄소섬유강화플라스틱(carbon fiber reinforced plastics: CFRP) 또는 유리섬유강화플라스틱(glass fiber reinforced plastics: GFRP) 같은 비교적 딱딱한 재료로 만든 기판에는 잘 증착되는 결과를 보인다.

반면에, AgNP와 다중벽 탄소나노튜브(Multi-wall carbon nano tube: MWCNT)의 혼합물을 인쇄용 나노재료로 사용하여 고속 분사를 하였을 경우, PET 필름이나 Polyimide 필름으로 된 기판, Silicon 기판에 대해서는 증착이 제대로 이루어지지 않고, 기판에 대한 충돌에 의한 충격력에 의해 부서져버리는 경향을 보였다. 즉, MWCNT는 형상이 지름에 비해 길이가 길어서 딱딱한 기판에 고속으로 충돌하는 경우 은나노입자와 달리 잘 부러지는 성질을 가지고 있기 때문에 그 딱딱한 기판에 제대로 증착되지 못한다. CFRP 혹은 GFRP 기판에 대해서는 섬유(fiber) 사이에 움푹 파인 곳에만 AgNP와 MWCNT의 혼합물이 부분적으로 적층되는 현상을 보였다.

하지만 기판의 종류를 PDMS와 같은 낮은 경도를 갖는 유연한 기판을 사용하는 경우에는 다른 결과가 얻어졌다. 구체적으로, AgNP만을 인쇄용 나노재료로 사용하여 고속 분사한 경우, AgNP들은 PDMS 기판의 신축적인 물성으로 인해 제대로 증착되지 못하고 튕겨져 나왔다. 반면에, AgNP와 MWCNT의 혼합물을 인쇄용 나노재료로 사용하여 고속 분사한 경우에는 PDMS 기판에 성공적으로 증착되어 원하는 도전선로가 인쇄되었다.

이처럼 AgNP와 MWCNT의 혼합물을 인쇄원료로 사용하여 고속으로 분사하는 경우, PDMS 기판 표면에 빠른 속도로 충돌하여 PDMS 기판의 표면에 균열을 만들면서 MWCNT가 그 균열이 형성된 기판 표면과 기계적으로 록킹 구조를 형성하고, 그 록킹 구조가 씨드층으로 작용하면서 그 씨드층 위에 분사되는 AgNP와 MWCNT의 혼합물이 양호하게 증착될 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 인쇄방법은 상온 상태에서 상압에 가까운 저압 조건에서 인쇄원료 물질에 솔벤트와 같은 용매를 첨가하지 않고 분말 상태로 사용하여 직접 인쇄한다. 따라서 인쇄 후 용매의 제거 등을 위한 별도의 화학적 후처리 공정이나 열처리 공정을 필요로 하지 않아 친환경적이다.

다양한 무기 물질을 화학적인 반응이나 열처리 공정 없이 유연성 기판에 직접 인쇄할 수 있는 공정이다. 이와 같은 본 발명에 따른 직접 인쇄 공정은 특히 마이크로 스케일의 패턴을 인쇄하는데 효과적인 방법이다. 특히, 마이크로 스케일을 가지는 다공질 구조(porous structure)가 설계상의 제한 없이 인쇄될 수 있다는 데 장점이 있다. 또한 인쇄된 패턴이 필요에 따라 수정될 수 있기 때문에 레이저 공정 같은 전통적인 공정의 한계를 극복할 수 있다.

본 발명은 유연성 기판을 사용하는 RFID 태그 회로의 제작에 이용될 수 있다. 나아가, 유연성 기판을 사용하는 다른 도전성 패턴을 제작하는 데 널리 활용될 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

10: 작업챔버 12; 제1 압력조절부(제1 진공펌프)
14: 가동 스테이지 15: 스테이지
18: 스테이지 구동부 20: 분사노즐
30: 인쇄원료 탱크 40: 에어로다이나믹 필터
44: 제1 연통관 50: 가압유닛
51: 컴프레서 52: 유량제어밸브
54: 제2 연통관 60: 퍼징유닛
61: 제2 진공펌프 62: 퍼지밸브
70: 제2 압력조절부 75: 모니터링 유닛
80: 제어부 100: RFID 태그 제조 장치
110: 유연 기판 150: 인쇄원료 혼합물
152: 금속나노입자 154: 탄소나노튜브
200: Chipless RFID 태그

Claims (13)

1. 제어신호에 따라 원하는 움직임을 할 수 있는 가동 스테이지와, 상기 가동 스테이지의 상면을 향해 분사할 수 있는 분사노즐이 내부에 설치되고, 내부 압력을 조절할 수 있는 제1 압력조절부가 결합되는 작업챔버 내에서 유연성 기판이 상기 가동 스테이지 위에 위치되게 하고, 제1 연통관을 통해 상기 분사노즐과 연통되는 상부 출구와 압력을 조절할 수 있는 제2 압력조절부가 결합된 하부 입구가 마련된 인쇄원료 탱크에 분말 형태의 금속 나노입자들과 탄소나노튜브들을 포함하는 인쇄원료 혼합물이 투입되게 하는 준비단계;
   제어부가 소정의 움직임 제어신호를 상기 가동 스테이지에 제공하여 상기 유연성 기판을 소정의 RFID 태그 회로 패턴에 대응하는 경로를 따라 원하는 속도로 움직이도록 상기 가동 스테이지의 움직임을 제어하는 단계;
   상기 제1 압력조절부가 가동되어 상기 작업챔버 내부에 상대적 저압 분위기를 형성함과 동시에, 상기 제2 압력조절부가 가동되어 상기 인쇄원료 탱크의 상기 하부 입구에 상대적 고압 분위기를 형성하는 단계;
   상기 가동 스테이지의 움직임을 제어하는 단계와 병행하여, 상기 저압 분위기와 상기 고압 분위기 간의 압력차에 기인한 압축파에 의해 상기 인쇄원료 탱크 내의 상기 인쇄원료 혼합물이 에어로졸화 된 상태로 상기 제1 연통관을 통해 강제 이송되어 상기 분사노즐을 통해 상기 유연성 기판의 표면 쪽으로 분사되도록 하는 단계; 및
   상기 분사노즐을 통해 분사된 상기 인쇄원료 혼합물이 상기 유연성 기판의 표면과 충돌하여 그 표면에 균열을 만들고 탄소나노튜브들이 그 균열 속으로 침투해 들어가서 상기 유연성 기판과 기계적으로 록킹되면서 고착되고 그 위에 상기 인쇄원료 혼합물의 금속나노입자들과 탄소나노튜브들이 소정의 폭과 높이로 증착되어 상기 유연성 기판의 표면에 상기 소정의 RFID 태그 회로 패턴대로 직접 인쇄되도록 하는 단계를 구비하고,
   상기 작업챔버 내의 상기 상대적 저압 분위기는 1~10 torr의 압력 분위기인 것을 특징으로 하는 금속나노입자와 탄소나노튜브 혼합물의 직접 인쇄에 기반한 유연성 RFID 태그 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 유연성 기판은 shore A 기준으로 10 이상 70 이하의 쇼어 경도(shore hardness)를 가지거나 또는 shore D를 기준으로 22 이하의 쇼어 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 금속나노입자와 탄소나노튜브 혼합물의 직접 인쇄에 기반한 유연성 RFID 태그 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 유연성 기판은 폴리디메틸실록산(PDMS)로 만든 기판인 것을 특징으로 하는 금속나노입자와 탄소나노튜브 혼합물의 직접 인쇄에 기반한 유연성 RFID 태그 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 소정의 RFID 태그 회로 패턴은,
   적어도 1턴 이상의 도전성 고리 형태의 인덕터부; 및
   서로 연결되고 상기 인덕터부의 개방된 제1 단부에 전기적으로 연결되는 도전성 제1 멀티 핑거부와, 상기 인덕터부의 개방된 제2 단부에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 멀티 핑거부 사이사이에 배치되면서 서로 연결된 도전성 제2 멀티 핑거부를 포함하는 핑거형 커패시터부를 구비하는 것을 특징으로 하는 금속나노입자와 탄소나노튜브 혼합물의 직접 인쇄에 기반한 유연성 RFID 태그 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 '소정의 RFID 태그 회로 패턴대로 직접 인쇄되는 단계'는,
   상기 분사노즐을 통해 고속으로 분사된 상기 인쇄원료 혼합물이 상기 유연성 기판의 표면에 충돌하여 랜덤한 형태의 균열을 만들면서 상기 탄소나노튜브들은 그 표면의 균열 속으로 침투해 들어가서 고착되어 상기 탄소나노튜브와 상기 유연성 기판의 표면 간에 기계적으로 록킹 구조의 씨드층이 형성되는 단계; 및
   연속해서 분사되는 상기 인쇄원료 혼합물이 상기 록킹 구조의 씨드층 위에 가해져서 상기 록킹 구조의 씨드층의 탄소나노튜브와 결합하면서 증착되어 상기 유연성 기판의 표면에 상기 소정의 RFID 태그 회로 패턴이 인쇄되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속나노입자와 탄소나노튜브 혼합물의 직접 인쇄에 기반한 유연성 RFID 태그 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 '소정의 RFID 태그 회로 패턴대로 직접 인쇄되는 단계'는 상기 유연성 기판의 표면에 증착되는 인쇄원료 혼합물의 크기를 모니터링 유닛이 모니터링하여 제어부에 피드백하는 단계; 및 상기 모니터링 유닛이 피드백해준 정보에 기초하여, 제어부가 상기 유연성 기판이 놓인 가동 스테이지의 움직임 속도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속나노입자와 탄소나노튜브 혼합물의 직접 인쇄에 기반한 유연성 RFID 태그 제조 방법.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 '가동 스테이지의 움직임을 제어하는 단계'는 상기 제어부가 상기 분사노즐에서 상기 가동 스테이지까지의 간격을 조절함으로써 상기 인쇄원료 혼합물이 상기 분사노즐을 통해 분사될 때 공기역학적으로 집속되어 상기 유연성 기판의 표면에 정확하게 초점을 맞추어 분사되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속나노입자와 탄소나노튜브 혼합물의 직접 인쇄에 기반한 유연성 RFID 태그 제조 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 인쇄원료 혼합물의 금속나노입자와 탄소나노튜브의 혼합비는 60중량% 대 40중량% 내지 90중량% 대 10중량%의 범위 내인 것을 특징으로 하는 금속나노입자와 탄소나노튜브 혼합물의 직접 인쇄에 기반한 유연성 RFID 태그 제조 방법.
10. 유연성 기판; 및
    상기 유연성 기판의 한쪽 면에 직접 인쇄된 RFID 태그 회로부를 구비하며,
    상기 RFID 태그 회로부는,
    적어도 1턴 이상의 도전성 고리 형태의 인덕터부; 및
    서로 연결되고 상기 인덕터부의 개방된 제1 단부에 전기적으로 연결되는 전도성 제1 멀티 핑거부와, 상기 인덕터부의 개방된 제2 단부에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 멀티 핑거부 사이사이에 배치되면서 서로 연결된 전도성 제2 멀티 핑거부를 포함하는 핑거형 커패시터부를 구비하며,
    상기 인덕터부와 상기 핑거형 커패시터부 각각은,
    분사노즐을 통해 고속으로 분사된 분말상의 금속 나노입자들과 탄소나노튜브의 인쇄원료 혼합물이 상기 유연성 기판의 표면에 충돌하여 불규칙한 형태의 균열을 만들면서 상기 탄소나노튜브들은 그 표면의 균열 속으로 침투해 들어가서 고착되어 상기 탄소나노튜브와 상기 유연성 기판의 표면 간에 형성되는 기계적인 록킹 구조의 씨드층; 및
    연속해서 분사되는 상기 인쇄원료 혼합물이 상기 록킹 구조의 씨드층 위에 가해져서 상기 록킹 구조의 씨드층의 탄소나노튜브와 소정의 폭과 높이로 증착되어 형성되는 상기 금속나노입자들과 상기 탄소나노튜브의 혼합물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연성 RFID 태그.
11. 제10항에 있어서, 상기 유연성 기판은 shore A 기준으로 10 이상 70 이하의 쇼어 경도(shore hardness)를 가지거나 또는 shore D를 기준으로 22 이하의 쇼어 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 유연성 RFID 태그.
12. 제10항에 있어서, 상기 유연성 기판은 폴리디메틸실록산(PDMS)로 만든 기판인 것을 특징으로 하는 유연성 RFID 태그.
13. 제10항에 있어서, 상기 인쇄원료 혼합물의 금속나노입자와 탄소나노튜브의 혼합비는 60중량% 대 40중량% 내지 90중량% 대 10중량%의 범위 내인 것을 특징으로 하는 유연성 RFID 태그.

Images