KR20060068388A

KR20060068388A - 전파흡수체를 구비한 무선인식기

Info

Publication number: KR20060068388A
Application number: KR1020040107060A
Authority: KR
Inventors: 박언병; 백승배; 변갑식; 손영근
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2006-06-21

Abstract

본 발명은 도체에서 반사된 전자파를 차단하여 RFID의 인식률을 증가시키기 위하여 전면 또는 후면에 전파흡수체를 장착한 인식율이 증가된 전파흡수체를 구비한 RFID를 제공한다.

특히, 상기 전파흡수체는 80~90 중량%의 Mn-Zn 페라이트 분말을 나일론과 혼합하여 1 mm이하의 시트 또는 패드 형태로 제작된 것을 특징으로 하는 전파흡수체를 구비한 RFID를 제공한다.

RFID, 전파흡수체, 인식률, 도체

Description

전파흡수체를 구비한 무선인식기{RFID with electromagnetic wave absorber}

본 발명은 저주파 대역에 사용되고 있는 RFID로서 인식율이 향상 RFID에 관한 것으로서, 도체에서 반사된 전자파를 차단하기 위하여 RFID의 후면에 두께가 얇은 전파 흡수체를 설치하여 인식률이 증가된 RFID에 관한 것이다.

RFID(Radio Frequency Identification)는 바코드를 대체할 기술로서 산업계에서는 사용이 점차 늘고 있으며, RFID의 장점은 직접 접촉하거나 가시대역 상에 스캐닝을 할 필요가 없다는 점이다. RFID는 세 가지 요소인 안테나, 트랜시버 (흔히 센서에 통합된다), 그리고 데이터캐리어라고도 불리는 태그로 구성된다. 안테나는 데이터캐리어를 활성화시키기 위한 신호를 전달하기 위해 무선 주파수 전파를 사용하고, 데이터캐리어가 활성화되면, 데이터캐리어는 가지고 있던 데이터를 안테나로 전송한다. 이 데이터는 대개 PLC로 넘겨지는데, 이 PLC의 기능에는 중심 시스템과의 단순한 연결(gateway)을 제공하는 것에서부터, 데이터베이스와 연동되어 데이터 처리하는 복잡한 것에 이르기까지 다양한 것들이 포함된다.

RFID 기술은 동작주파수에 따라 두 가지로 나눌 수 있다.

1. 저주파 시스템: 동작 주파수가 300 MHz 이하인 시스템으로 일반적으로 사용 되는 표준 주파수는 125 kHz, 134.2 kHz, 225 kHz, 13.56 MHz이다. 이 RFID 시스템은 일반적으로 잘 정립된 국제 표준을 가지고 있으며, 저렴한 태그, 소량의 데이터 저장, 짧은 판독 거리, 다양한 형태(예를 들어 카드, 고리, 버튼, 펜 형태)가 가능하고 무지향성 안테나를 장착하는 것 등이 특징이다.

2. 고주파 시스템: 동작 주파수가 400 MHz 이상이며, 915 MHz, 2450 MHz, 5800 MHz의 일반 동작 주파수를 갖는다. 이 고주파 시스템 역시 여러 가지 국제 표준의 지원을 받는다. 이들은 수 미터에서 십 미터 이상에 이르는 긴 판독 거리를 가지므로 움직이는 물체나 매우 빠르게 인식되어야 하는 다중 태그 패키지에 적합하며, 판독기와 전자 태그 내에 더 많은 지향성 안테나를 갖는다는 것이 특징이다.

이러한 RFID가 적용되는 분야로는, 물류 및 자재 관리, 도난 방지, 공정 관리, 선불 카드 개념의 ID 카드, 가축 관리 및 미아 방지 등이 있다. 이중, 물류 관리에 RFID를 도입할 경우, 정확한 물류 추적 및 정보 교환, 유통의 전반적인 관리를 통해 수요 파악이 용이해지게 되므로 다른 분야에 비해 얻을 수 있는 이득이 막대하다 할 수 있다.

RFID는 화물(파렛트나 박스 등 포장단위)에 부착된 태그와 판독기(Reader device)를 통해 데이터를 송수신하게 되는데, 이러한 태그는 태그 자체의 전원을 가지고 동작을 하는 액티브태그(Active Tag)와 판독기(Reader device)의 전자기파를 통해 전원을 공급받는 패시브태그(Passive Tag)가 있다.

액티브태그(Active Tag)는 비교적 넓은 범위에서 송수신이 가능하나, 단가가 비싸기 때문에 고가의 물품을 위한 태그로 적합하고, 일반적인 물품이나 화물에 는 단가가 저렴한 패시브태그(Passive Tag)가 사용될 수 있다. 또한, 태그에 데이터를 동적으로 저장할 수 있는 라이터블(writable) 태그와 한번 저장된 내용은 다시 쓸 수 없고 오직 읽기 만을 허용하는 리드온리(read-only) 태그가 있다. 대용량 유통이 되는 제품을 위해서는 단가가 저렴한 리드온리(read-only) 태그를 사용하여, 태그에는 일련번호만을 기록하고, 모든 정보는 외부 데이터베이스를 통해 생성되게 할 수 있다.

전파 흡수체는 재료의 도전, 유전 및 자성 손실을 이용하여 입사된 전자파 에너지를 흡수하여 열로 변화함으로써 전자파의 세기를 효과적으로 감쇄시킬 수 있는 재료로서 정의된다. 전파 흡수체는 안테나 제작 및 반사도 측정, 항공기 및 선박의 레이더 추적 방지, 전자 장치의 전자파 흡수 등 여러 용도로 사용되고 있다. 1930년대 이래 주로 군사용으로 연구가 시작되었고 1950년대 이후에는 인체에 유해한 전파환경을 개선하기 위하여 다각적으로 연구되어왔다. 특히 이 분야는 전략적 군사용품으로 사용되는 이유로 극비 사항으로 간주되어 국외 유출이 통제되고 있다.

전파 흡수체에 대한 이론 및 실험적 연구는 1930년대 중반 네덜란드(NVM)에서 2 GHz 근방에 λ/4 공진기 유형의 흡수체가 개발되어 사상 첫 특허로 등록되었다. 이 전파 흡수체는 두께를 줄이기 위해 높은 유전상수를 갖는 TiO를 사용하였고, 손실을 얻기 위해 탄소 블랙을 사용하였다. 이 후 2차 세계 대전중 미국과 독일에서 군사적 목적으로 본격적 연구 개발이 시작되었다. 2차 세계대전 후 1950년까지 광대역 흡수체 개발에 대한 지배적인 방향은 전파흡수체에 대한 구조적 변형 방법과 다양한 손실성을 갖는 재료를 제조하는 방법 등의 두 가지 방향이었다. 일반적으로 광대역 흡수체를 얻기 위해서는 전면에서는 자유공간, 후면에서는 손실 특성을 갖는 재료를, 테이퍼링하여 제작하는 것이다. 기하학적 구조 연구에서는 표면을 피라미드, 원뿔, 반구, 쐐기 등 여러 가지 형태로 배열하는 방법이 연구되었고, 손실 재료로는 흑연, 이산화철, 철가루, 알루미늄 및 구리가루, 강모(steel wool), 구리선 등이 사용되었고, 결합재로는 다양한 프래스틱과 세라믹이, 전면의 공간은 고운 대패밥, 섬유, 기포(foam) 등으로 충전하였다. 결론적으로 광대역 흡수성은 전면의 기하학적 구조뿐만 아니라 내면으로 진행될수록 흡수체의 손실이 더 증가됨으로써 얻어진다.

흡수체 제작 기술을 바탕으로 1960년대 이후에는 위성시대를 맞이하여 마이크로파 안테나 및 전자 장치, 항공기 등에 사용되는 광대역 전파 흡수체 및 무반향실에 대한 연구가 지속적으로 계속되어 왔다. 특히 저주파 대역폭(100~400 MHz)에서의 흡수 성질과 그 측정 기술, 3세대 무반향실 제작(-60 dB 반사) 등 1960년대 이후에 커다란 성과를 이루었다.

1970년대 초 일본 동경공업대의 수에타케는 훼라이트를 사용한 자성 흡수체를 개발하여 흡수체의 두께를 크게 줄였다. 훼라이트는 철산화물과 다른 금속 산화물로 구성되는 상자성체로서 비전도성, 고밀도 패킹 능력을 갖는다. 이 물질은 훼라이트를 도핑하는데 사용되는 금속 성분과 그 격자 구조를 쉽게 제어하고, 가변시킬 수 있어 전자기 성질에 대한 특정 요구 조건을 만족시키기에 적합하고, 이 흡수체는 특히 저역에서 낮은 두께로(예를 들어 100 MHz에서 유전체 흡수체에 비해 두께가 1/10 임) 우수한 반사특성을 갖는다는 장점을 가지고 있다.

국내에서는 전파흡수체에 대한 연구 및 개발이 미미한 상태이나 ‘96년 저 유전상수를 갖는 유리 섬유 및 탄소 복합 재료를 사용하여 수직 입사시 4~12 GHz 대역에서 입사파의 90%를 흡수하는 전파흡수체를 개발하였고, 최근에는 전자기기의 오동작을 유발하고, 인체에 유해한 전자파를 차단하기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있다.

상기에서 설명한 RFID는 안테나에서 송출된 전자파가 태그(tag)에 도달하면 설계된 공진 주파수에 의해 태그(tag) 내에 전류가 발생하고 그 전류가 동작을 여기시켜 다시 제 자신의 안테나로 자신의 위치를 인식시키는 장치인데, 전자파의 반사율이 80 %를 상회하는 도체가 그 후단에 위치하게 되면, 안테나에서 송출된 전파가 도체에 의해 반사되어 태그(tag)내의 공진 주파수를 이동시키고 결국 인식이 되지 않게 한다.

또한, RFID를 저주파대역(125 kHz, 134 kHz, 225 kHz, 13.56 MHz)에서 사용하는 경우 바코드를 대체할 수 있을 정도로 가격도 경제적이고 인식률이 매우 높아 그 사용 가능성이 매우 주목되고 있으나, 도체와 근거리로 혹은 직접 접촉할 경우 도체에서 반사된 전자파와의 간섭 현상으로 인식률이 떨어지거나, 동작하지 않는 사례가 빈번히 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 태그(tag)와 도체 사이에 특정 주파수 대역의 전파를 흡수하는 전파 흡수체를 설계 후 삽입하여 태그를 통과한 전파를 1차적으로 흡수하고, 도체로부터 반사된 전파를 다시 흡수하게 함으로써 전파 간섭을 최소화하여 인식율을 증가하는데 그 목적이 있다.

또한, 부착 대상의 사양에 맞게 설계하기 위해서는 두께가 최소로 되어야 하고, 전파흡수체의 제조 단가가 최적이어야 하며, 주변 환경에 의해 전파 흡수체의 기능이 감쇄되지 않는 구조이며, RFID가 최초 목적하는 바대로 인식이 가능케 하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전면 또는 후면에 전파흡수체를 장착한 인식율이 증가된 전파흡수체를 구비한 RFID를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 전파흡수체는 80~90 중량%의 Mn-Zn 페라이트 분말을 나이론과 혼합하여 1 mm이하의 시트 또는 패드 형태로 제작된 것을 특징으로 하는 전파흡수체를 구비한 RFID를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 전파흡수체는 80~90중량% 의 금속분말을 나일론과 혼합하여 1 mm이하의 시트 또는 패드 형태로 제작된 것을 특징으로 하는 전파흡수체를 구비한 RFID를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 금속분말은 Fe, Al, 퍼말로이(permalloy), 센더스트(sendust) 분말 중에서 1종 또는 2종 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 전파흡수체를 구비한 RFID를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 전파흡수체는 Mn-Zn 페라이트와 금속분말을 혼합하여 80~90 % 되게 한 다음 나이론과 혼합하여 1 mm이하의 시트 또는 패드의 형태로 제 작된 것을 특징으로 하는 전파흡수체를 구비한 RFID를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 RFID는 40kHz~1.2GHz에서 사용되는 것을 특징으로 하는 전파흡수체를 구비한 RFID를 제공한다.

이하, 실시예를 중심으로 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 RFID 인식 증가용 전파흡수체는 태그의 후면에 설치할 것이므로 두께 및 효과 그리고 경제성을 동시에 고려하여야 한다. 따라서 본 발명에서는 Mn-Zn 페라이트와 Nin-Zn 페라이트, Fe, Al, 퍼말로이, 센더스트를 단독 혹은 혼합하여 전파 흡수체의 시트(sheet) 또는 패드(pad)를 제작하였다. Mn-Zn 페라이트를 단독으로 사용한 전파흡수체의 경우 Mn-Zn 페라이트의 양을 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 % 순으로 변화시켜 일정량의 나일론과 혼합한 후 혼합기(kneader)를 이용하여 시트 또는 패드를 제작하였다. 그리고 공진 주파수를 조절하기 위하여 Fe와 Mn-Zn 페라이트를 일정 비율로 혼합하여 패드를 제작하였다. 또한 각 주파수 대역별 최대 인식거리를 얻기 위해서 포화자속밀도가 가장 높은 Fe, 전기전도도가 높은 Al, 투자율이 높은 퍼말로이 및 센더스트와 나일론과 혼합하여 패드를 제작하였다. 제작된 패드를 이용하여 RFID의 인식거리를 측정할 때 다음과 같은 순서로 진행하였다.

실험1) RFID 태그를 샘플 지지대에 올려놓고 인식프로그램과 안테나, 트랜시버로 구성된 인식기로 인식되는지 확인하였다.

실험2) RFID 태그상단에 전파 흡수용 시트를 올려놓고 인식기를 이용하여 최대 인식거리를 측정하였다.

실험3) RFID 태그 상단에 전파 흡수용 시트를 올려놓고, 그 위에 도체인 Al 포일과 두께가 다른 강판 시트를 올려놓고 최대 인식거리를 측정하였다.

실험4) RFID 태그 상단에 절연체의 두께를 달리 한 후, 전자파 흡수용 시트를 올려 놓고 최대 인식거리를 측정하였다.

실험5) RFID 태그 상단에 절연체의 두께를 달리한 후, 전자파 흡수용 시트를 올려놓고, 또 다시 상단에 절연체의 두께를 달리한 후, 최대 인식거리를 측정하였다.

[실시예]

페라이트의 고 손실이 발생하는 주파수대에서 전자파 흡수 또는 차단용으로 활용할 수 있고, 페라이트 중에서 Mn-Zn 페라이트는 Ni-Zn 페라이트에 비해 낮은 주파수 대역인 수백 MHz 대역에서 흡수능을 잘 발휘하므로 실시예로 선택된 13.56 MHz RFID 태그에 적용할 전파 흡수체의 재질로 Mn-Zn 페라이트를 선택하였다. 그리고 전파 흡수체의 두께가 1 mm 이하가 되어야만 실 제품에 적용할 수 있으므로 흡수능의 손실을 감수하고 얇게 전파 흡수체를 제작하여 실험하였다.

최초 Mn-Zn 페라이트를 나일론과 혼합할 시 10~50 %로 변화시켜 전파 흡수체를 제작하여 인식거리를 측정한 결과 페라이트의 혼합량은 80 % 이상이 되어야 흡수체로서의 역할을 한다는 것을 확인하였다. 이후 제작한 Mn-Zn 페라이트 혼합 전파흡수체는 패드가 제작될 수 있는 최대한의 량을 혼합하여 제작하였다.

한편, 13.56 MHz RFID 태그를 인식기를 이용하여 인식 거리를 측정한 결과 51 cm 였으며, 두께가 0.018 mm인 Al 포일, 두께가 0.292, 0.819, 1.920 mm인 강판 으로 하여 태그 후단에 접촉 혹은 근거리에 위치시킨 후 인식거리가 측정한 결과, 모두 인식되지 않았다.

그리고 페라이트의 함량을 88 %로 하고 일정량의 나일론과 혼합 후 혼합기(kneader)를 이용하여 패드를 제작하였다. 두께가 각기 다른 페라이트를 동일 기준 샘플크기로 제작한 후 인식거리를 측정한 결과 표 1에 나타내었다.

[표 1] 인식거리 측정 결과

	Al foil (0.018mm)	강판 (0.292mm)	강판 (0.819mm)	강판 (1.920mm)
Mn-Zn ferrite 0.4t	28cm	28.8cm	23.5cm	21.8cm
Mn-Zn ferrite 0.55t	27.8cm	30.5cm	25.1cm	23.3cm
Mn-Zn ferrite 1t	31.6cm	33.6cm	29.3cm	26.5cm

측정 결과 최초 의도한 바대로 RFID가 금속성 도체와 접촉하여도 인식이 가능하였으며, 최고 60 % 이상의 인식률을 나타내었다.

또한, Mn-Zn 페라이트와 혼합할 금속 분말로 포화자화값이 가장 높은 Fe, 전기 전도도가 높은 Al, 투자율이 가장 높은 퍼말로이, 포화자화값과 투자율이 동시에 좋은 센더스트를 선택하여 전파흡수체를 제조하였다.

선택한 금속 분말을 1시간 이상 균일하게 혼합한 후 나이론과 혼합하여 혼합기를 이용하여 패드를 제작하였다. 제작된 전파 흡수체를 6×6 cm로 제단하여 인식거리를 측정하였다. 태그와 전파 흡수체만을 가지고 인식거리를 측정한 결과 전체적으로 페라이트만을 사용했을 경우 보다 18 % 정도의 인식거리가 감소하였으나, 종래에 비하면 인식거리가 상당히 증가한 것이다.

그리고 센더스트나 MPP(몰리브덴-퍼말로이 분말)를 혼합한 전파 흡수체에서 는 15 % 정도의 인식율을 나타내었다.

선택한 금속분말은 적층성을 향상시키기 위하여 MPP 분말을 인위적으로 플레이크(flake) 형태로 가공한 것을 두께를 0.3, 0.5, 0.8 t로 변화시겨 제조한 전파 흡수체, MPP+센더스트 혼합의 전파 흡수체, 일본 다이도사로부터 구매한 전파흡수체, 국내 타사의 MPP 전파 흡수체와 Mn-Zn 페라이트 전파 흡수체를 접합하여 제작한 양면이 다른 전파 흡수체를 대상으로 인식거리를 측정하였다.

퍼말로이 분말을 플레이크(flake) 형태로 가공한 후 제작한 전파 흡수체에서 25 % 정도의 인식율을 나타내었으며, 두께가 0.8 t에서 0.3 t로 얇아질수록 다소 양호한 인식 거리를 나타내었다. 그리고 양면(MPP+Mn-Zn 페라이트) 흡수체에서는 약 20 %의 인식율을 나타내었다.

그러나, 일본 다이도사에서 현재 시판 중인 MPP 전파흡수체는 낮은 인식율을 나타내었다.

이상과 같은 목적과 구성으로 이루어진 본 발명에 의하면 80~90 %의 페라이트와 나일론을 혼합하여 제작한 전파 흡수체에서 가장 양호한 60 % 이상의 인식율을 얻을 수 있었으며, 여타 금속분말로 제조된 전파흡수체에서도 양호한 인식율을 얻을 수 있엇으며, RFID가 도체와 접촉 또는 근접되어도 본래 기능을 이용한 물체 인식을 할 수 있다는 장점을 갖게 된다.

Claims

전면 또는 후면에 전파흡수체를 장착한 인식율이 증가된 전파흡수체를 구비한 RFID.
청구항 1에 있어서,

상기 전파흡수체는 80~90 중량%의 Mn-Zn 페라이트 분말을 나일론과 혼합하여 1 mm이하의 시트 또는 패드 형태로 제작된 것을 특징으로 하는 전파흡수체를 구비한 RFID.
청구항 1에 있어서,

상기 전파흡수체는 80~90중량%의 금속분말을 나일론과 혼합하여 1 mm 이하의 시트 또는 패드 형태로 제작된 것을 특징으로 하는 전파흡수체를 구비한 RFID.
청구항 3에 있어서,

상기 금속분말은 Fe, Al, 퍼말로이, 센더스트 분말 중에서 1종 또는 2종 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 전파흡수체를 구비한 RFID.
청구항 1에 있어서,

상기 전파흡수체는 Mn-Zn 페라이트와 금속분말을 혼합하여 80~90 % 되게 한 다음 나이론과 혼합하여 1 mm이하의 시트 또는 패드의 형태로 제작된 것을 특징으로 하는 전파흡수체를 구비한 RFID.
청구항 1 내지 청구항 5 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 RFID는 40kHz~1.2GHz에서 사용되는 것을 특징으로 하는 전파흡수체를 구비한 RFID.