WO2011059151A1 - Ｒｆｉｄ 태그용 투명 루프 안테나 및 그 제조 방법 - Google Patents

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WO2011059151A1
WO2011059151A1 PCT/KR2010/002493 KR2010002493W WO2011059151A1 WO 2011059151 A1 WO2011059151 A1 WO 2011059151A1 KR 2010002493 W KR2010002493 W KR 2010002493W WO 2011059151 A1 WO2011059151 A1 WO 2011059151A1
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WO
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transparent
antenna
rfid tag
substrate
loop antenna
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PCT/KR2010/002493
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박재환
박승범
이석진
이종우
양재학
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충주대학교 산학협력단
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    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
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    • H01Q1/2208—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems
    • H—ELECTRICITY
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    • G—PHYSICS
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    • H01Q11/02—Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/08—Helical antennas

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a transparent loop antenna applicable to an RFID tag and a method of manufacturing the same.
  • RFID Radio Frequency Identification
  • RFID is a recognition technology that can manage information on various objects such as products, foods, and animals through a communication IC chip and wireless.
  • RFID is widely used in logistics, product management, and quality control because it has superior advantages (wireless link, multi-detection, high speed operation, etc.) over the bar code system that has been used mainly for product identification and quality control.
  • the RFID system consists of a reader and a tag system.
  • a tag in the form of a label is mostly used.
  • Label-type tags can be manufactured at low cost, but there are problems that the use of the tag is limited due to the size and width of the tag.
  • the base that performs the supporting function is made of paper or an opaque film, and even if the tag is implemented on a transparent film, the antenna part that occupies most of the tag is made of an opaque material such as copper. The phenomenon of covering part of the product appears. If the object to be tagged is a transparent product such as glass or solar cell, it may be advantageous to secure the transparency of the tag itself if possible.
  • ITO In2O3-SnO2
  • ZnO Zinc Oxide
  • An embodiment of the present invention implements an antenna with a microstrip electrode in the form of a transparent spiral loop so that it can be applied to an RFID tag, thereby ensuring its transparency while performing its function.
  • a transparent loop antenna for an RFID tag and a method of manufacturing the same.
  • Transparent loop antenna for RFID tag is a substrate formed of a transparent plastic material; And an antenna implemented in a spiral loop shape by a microstrip electrode made of a transparent metal oxide material on the substrate.
  • the metal oxide may be Ga 2 O 3 -ZnO.
  • the antenna may be implemented in an area of 10 mm ⁇ 10 mm or less on the substrate.
  • the microstrip electrode may have a line width in a range of 50 to 150 ⁇ m and a line interval in a range of 100 to 150 ⁇ m.
  • the microstrip electrode may have a leading thickness in the range of 2-5 ⁇ m.
  • the substrate may be oxygen plasma treated to improve adhesion to the microstrip electrode.
  • the oxygen plasma treatment may be implemented in a process condition in which oxygen gas is flowed at a flow rate in a range of 15 to 20 sccm, RF power is adjusted in a range of 100 to 400 Watts, a process pressure is fixed at 20 mTorr, and a process time is in a range of 60 to 300 seconds. Can be.
  • the process atmosphere of the antenna is to maintain a constant argon (Ar) gas at a flow rate of 20 sccm while fixing the RF power to 150Watt, the process pressure to 5mTorr and when the head of the microstrip electrode is in the range of 2 ⁇ 5 ⁇ m
  • the process time can be maintained until.
  • the substrate may be implemented with a silicon and silicon oxide structure.
  • Method of manufacturing a transparent loop antenna for an RFID tag comprises the steps of applying a photoresist on a substrate; Baking the photoresist-coated substrate on a hot plate; Exposing the baked substrate using a mask pattern; Etching the exposed portion of the substrate to form a negative pattern on the substrate; Depositing a microstrip electrode made of a transparent metal oxide material on the negative pattern; And lifting off the photoresist applied to the substrate.
  • the mask pattern may be formed in a spiral loop shape so that the antenna is implemented in the spiral loop shape by the microstrip electrode.
  • an antenna with a microstrip electrode in the form of a transparent spiral loop to be applicable to an RFID tag, it is possible to perform a function while ensuring transparency of the tag itself. have.
  • a transparent antenna that can be used as an HF frequency RFID antenna with an appropriate gain in an area of 10 mm x 10 mm or less, and a method of manufacturing the same.
  • the transparent micro antenna structure when used not only for an RFID tag but also used for various transparent devices and products such as glass, LCD, and solar cells, transparency can be provided to various devices and products.
  • the transparency can be secured to 80% or more in the visible light region and can be applied to a special application (aesthetically important products).
  • the tag chip cannot be made transparent, but the tag chip has an area of about 1mm * 1mm. Therefore, when the transparent loop antenna for the RFID tag according to the embodiment of the present invention is applied to the tag chip, an almost transparent tag is implemented as a whole, and in fact, one black point among the tags may be implemented to be visible.
  • 1 is a view showing the shape of the plane and side of the transparent loop antenna for an RFID tag according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 illustrates a simulation model of a reader antenna and a tag antenna.
  • 3 to 5 are flowcharts illustrating a method of manufacturing a transparent loop antenna for an RFID tag according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an actual manufactured shape of a transparent loop antenna for an RFID tag according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a view showing the shape of the plane and side of the transparent loop antenna for an RFID tag according to an embodiment of the present invention.
  • the transparent loop antenna 100 for an RFID tag includes a substrate 110 and an antenna 120.
  • the substrate 110 may be formed of a transparent plastic material such as poly ethylene terephthalate (PET) or poly ethylene naphthalate (PEN).
  • PET poly ethylene terephthalate
  • PEN poly ethylene naphthalate
  • the substrate 110 may be implemented with a silicon and silicon oxide structure.
  • the substrate 110 may be oxygen plasma treated to improve adhesion to the microstrip electrode described later.
  • the oxygen plasma treatment may be implemented in a process condition in which oxygen gas is flowed at a flow rate in a range of 15 to 20 sccm, RF power is adjusted in a range of 100 to 400 Watts, a process pressure is fixed at 20 mTorr, and a process time is in a range of 60 to 300 seconds. Can be.
  • the antenna 120 is implemented in the form of a spiral loop by a microstrip electrode made of a transparent metal oxide material on the substrate 110.
  • the antenna 120 may be formed of a Ga 2 O 3 —ZnO metal oxide material, and may be embodied in an area of 10 mm> 10 mm or less on the substrate 110. Accordingly, the transparent loop antenna 100 for the RFID tag may reduce the antenna gain due to the loss component of the electrode portion and the miniaturization of the antenna area.
  • the microstrip electrode of the antenna 120 may have a line width in a range of 50 to 150 ⁇ m and a line interval in a range of 100 to 150 ⁇ m.
  • the microstrip electrode may have a leading thickness in the range of 2-5 ⁇ m.
  • the process atmosphere (condition) of the antenna 120 is to maintain the argon (Ar) gas at a constant flow rate of 20 sccm, RF power is fixed at 150Watt, the process pressure is fixed at 5mTorr and the head thickness of the microstrip electrode is 2 The process time is maintained until it is in the range of ⁇ 5 ⁇ m.
  • the antenna gain is reduced due to the loss component of the electrode portion and the reduction of the antenna area.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a simulation model of a reader antenna and a tag antenna.
  • a small wafer chip having a size of 1.0 ⁇ 1.0 mm is attached to a loop antenna.
  • the material of the loop antenna is usually copper and the thickness is about 0.02 ⁇ 0.05mm.
  • the shape of the antenna is in the shape of a square or a circle, and the width of the pattern is usually about 10mm ⁇ 10mm to 40mm ⁇ 80mm.
  • the antenna material is made of Ga 2 O 3 -ZnO metal oxide having transparency, and its thickness is 2 to 5 ⁇ m.
  • the gain change of the antenna may be calculated for the material and the thickness by using the simulation model as shown in FIG. 2.
  • the simulation method may use a three-dimensional electromagnetic field simulator of the finite element method (FEM) algorithm.
  • the gain detected at the distant tag antenna was calculated by computer simulation.
  • the conductivity of copper was set to 5.8 ⁇ 107 S / m
  • the conductivity of the metal oxide was set to 2.5 ⁇ 105 S / m, which is an average value obtained in actual production.
  • the antenna gain is reduced by about 15dB compared to the conventional copper as the material of the loop antenna is implemented with a metal oxide (Ga 2 O 3 -ZnO). This is because the conductivity of the metal oxide (Ga 2 O 3 -ZnO) is lower than that of copper, and the thickness of the electrode is thinner than that of copper.
  • the thickness thereof is preferably in the range of 2 to 5 ⁇ m in consideration of the process time.
  • the effect on the substrate is that the antenna gain is slightly reduced when using plastic substrates such as PET and PEN, compared to glass, due to the dielectric loss of the plastic substrate.
  • 3 to 5 are flowcharts illustrating a method of manufacturing a transparent loop antenna for an RFID tag according to an embodiment of the present invention.
  • Glass substrates and plastic (PET, PEN) substrates are commercially available in 200-500 ⁇ m thickness
  • oxygen plasma treatment may be performed to improve the substrate adhesion of the Ga 2 O 3 —ZnO electrode.
  • Oxygen gas is flowed at a flow rate of 15 to 20 sccm, the RF power is adjusted to 100 to 400 Watts, the process pressure is fixed to 20 mTorr, and the processing time is about 60 to 300 seconds as a process condition for oxygen plasma treatment of the plastic substrate. can do.
  • Such substrate surface characteristics can be modified by the plasma treatment.
  • photo-lithography and lift-off processes as shown in FIGS. 3 to 5 may be performed to fabricate an antenna pattern.
  • a photoresist 320 which is a photoresist, is coated on the plastic substrate 310.
  • the photoresist 320 may be uniformly coated on the plastic substrate 310 at 6 ⁇ m using a spin coater or the like.
  • the plastic substrate 310 coated with the photoresist 320 is baked on a hot plate.
  • the plastic substrate 310 coated with the photoresist 320 may be baked at 110 ° C. for 5 minutes on the hot plate.
  • the baked plastic substrate 310 is exposed using the mask pattern 330.
  • the baked plastic substrate 310 may be exposed for 30 seconds with a quartz mask pattern.
  • an exposed portion of the plastic substrate 310 is etched to implement a negative pattern on the plastic substrate 310 as shown in FIG. 4.
  • the negative pattern may be patterned on the plastic substrate 310 by performing a developer treatment on the plastic substrate 310 after the exposure.
  • a microstrip electrode 410 made of a transparent metal oxide material is deposited on the negative pattern.
  • the metal oxide is preferably implemented with Ga 2 O 3 -ZnO.
  • the metal oxide Ga 2 O 3 -ZnO
  • the metal oxide is deposited on the front surface over the plastic substrate 310, the microstrip electrode 410 ) Can be deposited.
  • a 4 inch GZO (ZnO 95 wt%: Ga 2 O 3 5 wt%) target may be used to deposit a thin film of GZO on the plastic substrate 310, wherein the GZO target and the plastic substrate 310 may be deposited.
  • the deposition process may be performed by using a distance of 50 mm.
  • the deposition process atmosphere maintains a constant argon (Ar) gas (99.999%) at a flow rate of 20sccm, the process pressure is 5mTorr, RF power is fixed to 150W and the thickness of the microstrip electrode 410 is 2 ⁇ It can be set to 5 micrometers.
  • Ar argon
  • the photoresist (including the upper electrode layer) applied to the plastic substrate 310 is removed.
  • the photoresist (including the upper electrode layer) applied to the plastic substrate 310 is removed.
  • the transparent loop antenna for the RFID tag manufactured by the method described above was measured to have a transmittance of 80% or more of the average light transmittance of the Ga2O3-ZnO electrode itself except the transmittance of the substrate.
  • the shape of the actually manufactured transparent antenna is as shown in FIG. 6.
  • the antenna gain is increased by increasing the number of antenna loop turns to 10 times, and the detection voltage is increased by increasing the thickness of the loop antenna.
  • Increasing the loop antenna up to 20 times caused a problem of decreasing the magnetic resonance frequency (SRF).
  • the operating frequency should be less than 20% of the magnetic resonance frequency so that the resonance frequency can be matched to the operating frequency by the addition of an external capacitor.
  • the loop turn number of the antenna is suitably implemented about 10 times. Even when the antenna line width was reduced to less than 100um, the magnetic resonance frequency value decreased due to the increase in line capacitance.
  • the transparent loop antenna for an RFID tag provides a transparent antenna that can be used as an HF frequency RFID antenna having an appropriate gain in an area of 10 mm x 10 mm or less, and a method of manufacturing the same.
  • a transparent micro antenna structure according to an embodiment of the present invention can provide transparency when used not only for RFID tags but also for various transparent devices and products such as glass, LCD, and solar cells.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 태그용 투명 루프 안테나는 투명한 플라스틱 재질로 형성되는 기판; 및 상기 기판 위에 투명한 금속산화물 재질의 마이크로스트립 전극에 의해 스파이럴 루프 형태로 구현되는 안테나를 포함한다.

Description

ＲＦＩＤ 태그용 투명 루프 안테나 및 그 제조 방법
본 발명의 실시예들은 RFID 태그에 적용할 수 있는 투명 루프 안테나 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
RFID(Radio Frequency Identification)는 통신 IC칩과 무선을 통해 제품, 식품, 동물 등 다양한 개체의 정보를 관리할 수 있는 인식 기술이다. RFID의 경우 현재까지 제품식별 및 품질관리에 주로 사용되어 왔던 바코드 시스템에 비해 월등한 장점 (무선링크, 다중검지, 고속동작 등)이 있어 물류, 제품관리, 품질관리 등에 널리 사용되고 있다.
RFID 시스템은 리더와 태그 시스템으로 구성되며, 태그의 경우 라벨 형태의 태그가 대부분 사용되고 있다. 라벨형 태그의 경우 저가격으로 제조가 가능하지만, 태그의 크기와 넓이로 인해 사용 용도의 제한이 따르는 문제점을 안고 있다.
또한, 라벨형 태그의 경우, 지지 기능을 수행하는 베이스가 종이나 불투명 필름으로 구성되어 있고, 투명한 필름 위에 태그가 구현되어 있다 하더라도 태그의 대부분을 차지하는 안테나 부위가 구리 등 불투명 재질로 되어 있어 태그가 상품의 일부를 가리는 현상이 나타난다. 만약, 태그 부착 대상물이 유리, 태양전지 등 투명한 제품일 경우 가능하다면 태그 자체도 투명성을 확보하는 것이 유리할 수 있다.
ITO(In2O3-SnO2) 및 ZnO 등 투명하면서도 전도성을 갖는 전극 소재들이 다수 알려져 있다. 이들은 상온에서 10-3[ohm-cm] 정도의 낮은 저항값을 나타내며 주로 LCD, 태양전지 등의 전극 재료로 사용되고 있으며 안테나 등 RF 소자로 활용된 사례는 전무하다.
본 발명의 일 실시예는 RFID 태그에 적용 가능하도록, 투명한 스파이럴 루프(spiral loop) 형태의 마이크로스트립(microstrip) 전극으로 안테나를 구현함으로써, 태그 자체의 투명성을 확보하면서도 제 기능을 수행할 수 있도록 하는 RFID 태그용 투명 루프 안테나 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 태그용 투명 루프 안테나는 투명한 플라스틱 재질로 형성되는 기판; 및 상기 기판 위에 투명한 금속산화물 재질의 마이크로스트립 전극에 의해 스파이럴 루프 형태로 구현되는 안테나를 포함한다.
상기 금속산화물은 Ga2O3-ZnO 일 수 있다.
상기 안테나는 상기 기판 위에서 10mm × 10mm 이하의 면적으로 구현될 수 있다.
상기 마이크로스트립 전극은 50 ~ 150μm 범위의 선폭을 가지고, 100 ~ 150μm 범위의 선간격을 가질 수 있다.
상기 마이크로스트립 전극은 2 ~ 5μm 범위의 선두께를 가질 수 있다.
상기 기판은 상기 마이크로스트립 전극과의 접착력을 향상시키기 위하여, 산소 플라즈마 처리될 수 있다.
상기 산소 플라즈마 처리는 산소 가스를 15 ~ 20sccm 범위의 유량으로 흘려 주면서 RF 전력을 100 ~ 400Watt 범위로 조절하고, 공정 압력을 20mTorr로 고정하며 공정 시간을 60 ~ 300초 범위로 하는 공정 조건으로 구현될 수 있다.
상기 안테나의 공정 분위기는 아르곤(Ar) 가스를 20sccm의 유량으로 일정하게 유지하면서 RF 전력을 150Watt로 고정하고, 공정 압력을 5mTorr로 고정하며 상기 마이크로스트립 전극의 선두께가 2 ~ 5μm 범위가 될 때까지 공정 시간을 유지할 수 있다.
상기 기판은 실리콘 및 산화실리콘 구조로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 태그용 투명 루프 안테나의 제조 방법은 기판 위에 포토레지스터를 도포하는 단계; 상기 포토레지스터가 도포된 기판을 핫플레이트에서 베이킹하는 단계; 상기 베이킹된 기판을 마스크 패턴을 이용하여 노광하는 단계; 상기 기판의 노광된 부분을 식각하여 상기 기판에 네거티브 패턴을 구현하는 단계; 상기 네거티브 패턴에 투명한 금속산화물 재질의 마이크로스트립 전극을 증착하는 단계; 및 상기 기판에 도포된 포토레지스터를 리프트오프 하는 단계를 포함한다.
상기 마스크 패턴은 스파이럴 루프 형태로 형성되어, 상기 마이크로스트립 전극에 의해 상기 안테나가 상기 스파이럴 루프 형태로 구현되도록 할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, RFID 태그에 적용 가능하도록, 투명한 스파이럴 루프(spiral loop) 형태의 마이크로스트립(microstrip) 전극으로 안테나를 구현함으로써, 태그 자체의 투명성을 확보하면서도 제 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전체적으로 10mm×10mm 이하의 면적에서 적정한 이득의 HF 주파수 RFID 안테나로서 사용 가능한 투명한 안테나 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 초소형 안테나 구조를 RFID 태그용으로뿐만 아니라, 유리, LCD, 태양전지 등 각종 투명소자 및 제품 등에 활용할 경우 다양한 소자 및 제품에 투명성을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명도를 가시광영역에서 80% 이상 확보하여 특수한 응용(심미적인 부분이 중요한 제품들)에 적용할 수 있다. 태그 칩은 투명하게 만들 수 없지만, 태그 칩은 그 면적이 1mm*1mm 정도이다. 그래서 본 발명의 실시예에 따른 RFID 태그용 투명 루프 안테나를 상기 태그 칩에 적용하면, 전체적으로 거의 투명한 태그가 구현되는 것이며, 실제로는 태그 가운데 까만 점 하나가 보일락 말락 하는 모습으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 태그용 투명 루프 안테나의 평면 및 측면의 형상을 도시한 도면이다.
도 2는 리더 안테나 및 태그 안테나의 시뮬레이션 모델을 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 태그용 투명 루프 안테나의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 공정도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 태그용 투명 루프 안테나의 실제 제조된 형상을 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 태그용 투명 루프 안테나의 평면 및 측면의 형상을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 태그용 투명 루프 안테나(100)는 기판(110) 및 안테나(120)를 포함하여 구성된다.
상기 기판(110)은 PET(Poly Ethylene Terephthalate), PEN(Poly Ethylene Naphthalate) 등과 같은 투명한 플라스틱 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 기판(110)은 실리콘 및 산화실리콘 구조로 구현될 수 있다.
상기 기판(110)은 후술하는 마이크로스트립 전극과의 접착력을 향상시키기 위하여, 산소 플라즈마 처리될 수 있다. 상기 산소 플라즈마 처리는 산소 가스를 15 ~ 20sccm 범위의 유량으로 흘려 주면서 RF 전력을 100 ~ 400Watt 범위로 조절하고, 공정 압력을 20mTorr로 고정하며 공정 시간을 60 ~ 300초 범위로 하는 공정 조건으로 구현될 수 있다.
상기 안테나(120)는 상기 기판(110) 위에 투명한 금속산화물 재질의 마이크로스트립(microstrip) 전극에 의해 스파이럴 루프(spiral loop) 형태로 구현된다.
상기 안테나(120)는 Ga2O3-ZnO 금속산화물 재질로 형성되고, 상기 기판(110) 위에서 10mm 〉 10mm 이하의 면적으로 구현될 수 있다. 이에 따라, 상기 RFID 태그용 투명 루프 안테나(100)는 전극 부분의 손실 성분 및 안테나 면적 소형화에 의한 안테나 이득을 감소시킬 수 있다.
상기 안테나(120)의 마이크로스트립 전극은 50 ~ 150μm 범위의 선폭을 가지고, 100 ~ 150μm 범위의 선간격을 가질 수 있다. 또한, 상기 마이크로스트립 전극은 2 ~ 5μm 범위의 선두께를 가질 수 있다.
상기 안테나(120)의 공정 분위기(조건)는 아르곤(Ar) 가스를 20sccm의 유량으로 일정하게 유지하면서 RF 전력을 150Watt로 고정하고, 공정 압력을 5mTorr로 고정하며 상기 마이크로스트립 전극의 선두께가 2 ~ 5μm 범위가 될 때까지 공정 시간을 유지할 수 있도록 하는 것이다.
이와 같이, Ga2O3-ZnO 금속산화물 재질의 크기가 작은 안테나를 구현하게 되면, 전극 부분의 손실 성분 및 안테나 면적 소형화에 의한 안테나 이득 감소가 초래된다.
도 2의 전자계 시뮬레이션에 의하여 안테나 재질 및 안테나 면적에 따른 안테나 이득의 감소분을 확인하였다. 참고로, 도 2는 리더 안테나 및 태그 안테나의 시뮬레이션 모델을 도시한 도면이다.
통상 시판중인 13.56MHz 대역 RFID 태그의 경우, 1.0×1.0mm 크기의 초소형 웨이퍼칩이 루프 안테나에 부착된 형태를 이루고 있다. 루프 안테나의 재질은 보통 구리이며 그 두께는 0.02 ~ 0.05mm 정도이다. 안테나의 형상은 사각 또는 원형의 형상을 이루고 있으며 보통 그 패턴의 넓이는 최저 10mm×10mm에서 최대 40mm×80mm 정도를 이룬다. 한편 본 발명의 실시예에서는 안테나 재질을 투명성을 띠는 Ga2O3-ZnO 금속산화물로 구현하고 그 두께를 2 ~ 5um로 한다.
이와 같은 재질 및 두께에 대해 도 2와 같은 시뮬레이션 모델을 이용하여 안테나의 이득 변화를 계산할 수 있다. 시뮬레이션 방법은 FEM(Finite Element Method) 알고리즘의 3차원 전자계 시뮬레이터를 사용할 수 있다.
도 2의 리더기 안테나(40mm×40mm 크기 면적, 선폭 500um, 선두께 25um의 구리도선)와 태그 안테나(기존의 구리 재질 및 본 실시예의 금속산화물 재질)을 설정하고, 리더기에서 전력이 방사되었을 때 40mm 떨어져 있는 태그 안테나에서 검출되는 이득을 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 계산하였다. 시뮬레이션 모델에서 구리의 전도도는 5.8×107S/m로 설정하고 금속산화물(Ga2O3-ZnO)의 전도도는 실제 제작 시 평균적으로 확보되고 있는 값인 2.5×105S/m로 설정하였다.
아래의 표 1에서 확인할 수 있듯이, 안테나 이득은 루프 안테나의 재질이 금속산화물(Ga2O3-ZnO)로 구현됨에 따라 기존의 구리에 비해 15dB 정도 감소한 것을 볼 수 있다. 이것은 금속산화물(Ga2O3-ZnO)의 전도도가 구리에 비해 떨어지고 전극의 두께가 구리보다 얇기 때문이다.
본 실시예에서는 스퍼터링(sputtering)에 의해 금속산화물(Ga2O3-ZnO) 전극을 구현할 것이므로, 공정 시간을 고려하여 그 두께를 2 ~ 5μm 범위로 하는 것이 바람직하다.
기판에 대한 영향으로서는 유리에 비해 PET, PEN 등의 플라스틱 기판을 사용할 경우 안테나 이득은 다소 감소하는데, 이는 플라스틱 기판의 유전손실에 기인한다. 금속산화물(Ga2O3-ZnO) 전극의 두께를 2μm에서 5μm으로 증가시키면 이득이 상당히 개선되는데 이는 루프안테나 선로에서의 전기적 손실이 감소하기 때문이다.
표 1 기판 종류 및 형상에 의한 안테나 이득(S21)의 변화
루프안테나재질(두께) 루프안테나면적(mm2) 기판 재질(두께) S21(dB)
Cu (25μm) 10×10 PET (100μm) -51.8
Ga2O3-ZnO (2μm) 10×10 유리 (500μm) -67.0
Ga2O3-ZnO (2μm) 10×10 PET (100μm) -67.8
Ga2O3-ZnO (2μm) 10×10 PEN (100μm) -67.8
Ga2O3-ZnO (5μm) 10×10 유리 (500μm) -61.5
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 태그용 투명 루프 안테나의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 공정도이다.
먼저, 기판의 준비 단계를 설명한다.
유리 기판 및 플라스틱(PET, PEN) 기판은 200 ~ 500μm 두께로 상용으로 입수가 가능하다. 단, 플라스틱 기판의 경우 Ga2O3-ZnO 전극의 기판 접착력을 향상시키기 위하여 산소 플라즈마 처리를 할 수 있다.
상기 플라스틱 기판을 산소 플라즈마 처리하는 공정 조건으로, 산소 가스를 15 ~ 20sccm의 유량으로 흘려주면서, RF 전력은 100 ~ 400Watt로 조절하고, 공정 압력은 20mTorr로 고정하고, 공정시간으로서 60~300초 정도로 할 수 있다. 이와 같은 플라즈마 처리에 의한 기판표면 특성을 개질할 수 있다.
상기와 같은 기판의 준비 단계가 완료되면, 그 다음으로 스파이럴 루프 형태의 안테나를 구현하는 단계를 수행한다.
즉, 안테나 패턴 제작을 위하여 도 3 내지 도 5와 같은 포토리쏘그라피(photo-lithography) 및 리프트오프(lift off) 공정을 시행할 수 있다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 플라스틱 기판(310) 위에 감광제인 포토레지스터(photo registor)(320)를 도포한다. 예를 들면, 스핀코터(spin-coater) 등을 이용하여 상기 포토레지스터(320)를 상기 플라스틱 기판(310) 위에 6㎛로 일정하게 도포할 수 있다.
다음으로, 상기 포토레지스터(320)가 도포된 플라스틱 기판(310)을 핫플레이트(hot plate)에서 베이킹(baking)한다. 예를 들면, 상기 포토레지스터(320)가 도포된 플라스틱 기판(310)을 상기 핫플레이트에서 110℃로 5분간 베이킹할 수 있다.
다음으로, 상기 베이킹된 플라스틱 기판(310)을 마스크 패턴(330)을 이용하여 노광한다. 예를 들면, 상기 베이킹된 플라스틱 기판(310)을 쿼츠(quartz) 마스크 패턴으로 30초간 노광할 수 있다.
다음으로, 상기 플라스틱 기판(310)의 노광된 부분을 식각(etching)하여, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 플라스틱 기판(310)에 네거티브 패턴을 구현한다. 이를 위해, 상기 노광 후 상기 플라스틱 기판(310)에 대해 현상액 처리를 함으로써, 상기 플라스틱 기판(310)에 상기 네거티브 패턴을 패터닝할 수 있다.
다음으로, 상기 네거티브 패턴에 투명한 금속산화물 재질의 마이크로스트립 전극(410)을 증착한다. 여기서, 상기 금속산화물은 Ga2O3-ZnO 로 구현되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 플라스틱 기판(310)에 대해 RF 스퍼터링 공정을 수행하여, 상기 금속산화물(Ga2O3-ZnO)이 상기 플라스틱 기판(310) 위의 전면에 증착되도록 함으로써, 상기 마이크로스트립 전극(410)을 증착할 수 있다.
예를 들어, 4인치의 GZO(ZnO 95 wt% : Ga2O3 5 wt%) 타겟을 이용하여 상기 플라스틱 기판(310) 위에 GZO 박막을 증착할 수 있는데, 이때 상기 GZO 타겟과 상기 플라스틱 기판(310) 사이의 거리를 50mm로 하여 상기 증착 공정을 수행할 수 있다.
또한, 상기 증착 공정 분위기는 아르곤(Ar) 가스 (99.999 %)를 20sccm의 유량으로 일정하게 유지하고, 공정 압력을 5mTorr, RF 전력을 150W로 고정하며 상기 마이크로스트립 전극(410)의 두께를 2 ~ 5㎛로 할 수 있다.
다음으로, 상기 플라스틱 기판(310)에 도포된 포토 레지스터(상부의 전극층 포함)를 제거한다. 이를 위해, 상기 플라스틱 기판(310)에 대해 아세톤에 의한 리프트오프(lift off) 공정을 수행함으로써, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 플라스틱 기판(310) 위에 상기 마이크로스트립 전극(410)만 남게 되고, 상기 포토 레지스터는 제거된다.
이와 같은 방법으로 제조된 RFID 태그용 투명 루프 안테나는 실험 결과 기판의 투광도를 제외한 Ga2O3-ZnO 전극 자체의 투광도가 가시광평균 80% 이상으로 측정되었다. 실제 제조된 투명 안테나(RFID 태그용 투명 루프 안테나)의 형상은 도 6에 도시된 바와 같다.
한편, 안테나 형상별로 측정된 전기적 특성에 대해서는 표 2에 나타내었다. 20mm 이격된 리더기에서 5Watt 출력을 송신하면서 실제 제작된 투명 루프 안테나에서 검출되는 전압을 확인하였다.
안테나 루프 턴수를 10회까지 증강시킴으로써 안테나 이득이 증가하는 결과를 얻었으며, 루프 안테나의 두께를 증가시킴으로써 검출전압이 상승되었다. 루프 안테나를 20회까지 증가시킬 경우 자기공진주파수(SRF)가 감소하는 문제가 초래되었다. 태그 안테나의 설계에 있어 운용주파수는 자기공진주파수의 20% 이하가 되어야만 외부 캐패시터 부가에 의해 공진주파수를 운용주파수에 정합시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는, 안테나의 루프 턴수가 10회 전후로 적당하게 구현되는 것이 바람직하다. 안테나 선폭이 100um 이하로 감소하는 경우에도 선 간 캐패시턴스의 증가로 자기공진주파수 값이 하락하였다.
표 2에서 실시예 2번 형상의 안테나의 경우 13.56MHz RFID 칩과 연결할 경우 실제 리더기 시스템과 연동 동작이 가능하였다.
표 2 안테나 형상에 따른 안테나 특성 변화
실시예 크기[mm2] 루프턴수[회] 선폭(W1)[um] 선간격(G1)[um] 선두께[um] 루프전압[V]
1 10×10 5 150 100 2 1.2
2 10×10 10 100 100 2 5.6
3 10×10 20 50 100 2 5.8
4 10×10 10 100 100 5 6.1
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 RFID 태그용 투명 루프 안테나는 전체적으로 10mm×10mm 이하의 면적에서 적정한 이득의 HF 주파수 RFID 안테나로서 사용 가능한 투명한 안테나 및 그 제조 방법을 제공한다. 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초소형 안테나 구조는 RFID 태그용으로뿐만 아니라, 유리, LCD, 태양전지 등 각종 투명소자 및 제품 등에 활용할 경우 투명성을 제공할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. RFID 태그용 투명 루프 안테나에 있어서,
    투명한 플라스틱 재질로 형성되는 기판; 및
    상기 기판 위에 투명한 금속산화물 재질의 마이크로스트립 전극에 의해 스파이럴 루프 형태로 구현되는 안테나
    를 포함하는 RFID 태그용 투명 루프 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속산화물은
    Ga2O3-ZnO 인 것을 특징으로 하는 RFID 태그용 투명 루프 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나는
    상기 기판 위에서 10mm 〉 10mm 이하의 면적으로 구현되는 것을 특징으로 하는 RFID 태그용 투명 루프 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 전극은
    50 ~ 150μm 범위의 선폭을 가지고, 100 ~ 150μm 범위의 선간격을 가지는 것을 특징으로 하는 RFID 태그용 투명 루프 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 전극은
    2 ~ 5μm 범위의 선두께를 가지는 것을 특징으로 하는 RFID 태그용 투명 루프 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은
    상기 마이크로스트립 전극과의 접착력을 향상시키기 위하여, 산소 플라즈마 처리되는 것을 특징으로 하는 RFID 태그용 투명 루프 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 산소 플라즈마 처리는
    산소 가스를 15 ~ 20sccm 범위의 유량으로 흘려 주면서 RF 전력을 100 ~ 400Watt 범위로 조절하고, 공정 압력을 20mTorr로 고정하며 공정 시간을 60 ~ 300초 범위로 하는 공정 조건으로 구현되는 것을 특징으로 RFID 태그용 투명 루프 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 안테나의 공정 분위기는
    아르곤(Ar) 가스를 20sccm의 유량으로 일정하게 유지하면서 RF 전력을 150Watt로 고정하고, 공정 압력을 5mTorr로 고정하며 상기 마이크로스트립 전극의 선두께가 2 ~ 5μm 범위가 될 때까지 공정 시간을 유지하는 것을 특징으로 하는 RFID 태그용 투명 루프 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판은
    실리콘 및 산화실리콘 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 RFID 태그용 투명 루프 안테나.
  10. RFID 태그용 투명 루프 안테나의 제조 방법에 있어서,
    기판 위에 포토레지스터를 도포하는 단계;
    상기 포토레지스터가 도포된 기판을 핫플레이트에서 베이킹하는 단계;
    상기 베이킹된 기판을 마스크 패턴을 이용하여 노광하는 단계;
    상기 기판의 노광된 부분을 식각하여 상기 기판에 네거티브 패턴을 구현하는 단계;
    상기 네거티브 패턴에 투명한 금속산화물 재질의 마이크로스트립 전극을 증착하는 단계; 및
    상기 기판에 도포된 포토레지스터를 리프트오프 하는 단계
    를 포함하는 RFID 태그용 투명 루프 안테나의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마스크 패턴은
    스파이럴 루프 형태로 형성되어, 상기 마이크로스트립 전극에 의해 상기 안테나가 상기 스파이럴 루프 형태로 구현되도록 하는 것을 특징으로 하는 RFID 태그용 투명 루프 안테나의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 금속산화물은
    Ga2O3-ZnO 인 것을 특징으로 하는 RFID 태그용 투명 루프 안테나의 제조 방법.
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